EP1734331A1

EP1734331A1 - Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung

Info

Publication number: EP1734331A1
Application number: EP06011036A
Authority: EP
Inventors: Bernt Dr. Obkircher; Jürgen Dr. Steinwandel
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2005-06-18
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: DE102005028363B3; DE502006000191D1; EP1734331B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung auf einer zu tarnenden metallischen Trägerstruktur, wobei die Tarnbeschichtung eine metallische Oberflächenschicht mit niedrigem IR-Emissionsvermögen umfasst. Erfindungsgemäß ist zwischen Trägerstruktur und Oberflächenschicht eine oxid-keramische Diffusionssperrschicht vorhanden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tarnbeschichtung zur IR-Tarnung, und zwar speziell zur Tarnung von Objekten mit heißen Oberflächen (IR = Infrarot).
Luftfahrzeuge sind vor allem während der Start-/Landephase auf große Entfernungen durch Waffen bedroht, die die Luftfahrzeuge im IR aufschalten können. Dies wird durch die hohe IR-Abstrahlung der Luftfahrzeuge ermöglicht. Hauptquellen dieser Abstrahlung sind neben dem heißen Abgas vor allem die heißen, von außen einsehbaren Teile an den Triebwerken. Diese Teile weisen Temperaturen von handwarm bis zu 500 - 600 °C und darüber auf. Es ist daher erstrebenswert, die IR- Abstrahlung dieser Teile zu reduzieren, um die Aufschaltentfernung der Waffen und somit auch die Bedrohung zu verkleinern.
Es ist bekannt, dass Metalle mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit IR-Strahlung reflektieren und daher ein geringes IR-Emissionsvermögen aufweisen. Das Material der heißen Teile der Luftfahrzeuge ist im allgemeinen hochtemperaturfestes Metall, das zwar als Metall eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, das aber im Lauf der Zeit eine passivierende, elektrisch isolierende Oxidhaut an der Oberfläche bildet und damit sein niedriges IR-Emissionsvermögen verliert.
In der IR-Tarnung ist es bekannt, das zu tarnende Objekt mit niedrig-emittierenden metallischen Reflektorschichten zu versehen. Bekannt sind metallische Reflektorschichten, z.B. aus der DE 199 55 608 A1 oder DE 198 42 102 C1 . Die vorgeschlagenen Materialien sind bei den in der vorliegenden Erfindung betrachteten heißen Temperaturen aber entweder bereits flüssig oder sie bilden Oxidschichten aus, die das IR-Emissionsvermögen erhöhen. Die vorgeschlagenen Tarnbeschichtungen sind somit bei den besagten hohen Temperaturen wirkungslos.
Aufgabe der Erfindung ist, die bekannten IR-Tarnbeschichtungen so zu verbessern, dass ihre Tarnwirkung auch unter höheren Temperaturen (insbesondere höher als 200°C) erhalten bleibt.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß umfasst die IR-Tarnbeschichtung mindestens 2 Teilschichten auf dem zu tarnenden metallischen Trägermaterial:

1. Einer eigentlichen Oberflächenschicht aus einem hochleitfähigen Metall, das bei den vorherrschenden Betriebstemperaturen mit Luftsauerstoff oder anderen Bestandteilen des umgebenden Gases nicht reagiert, insbesondere kein Oxid oder Sulfid bildet. Dies kann bei hohen Temperaturen des Trägermaterials ein Edelmetall sein, wie z.B. Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au. Wenn die Einsatztemperatur des Trägermaterials weniger als etwa 300 °C beträgt, kann dies auch ein weniger edles Metall wie V, Ni oder Cr sein. Diese Metalle bilden zwar auch grundsätzlich oxidische Schichten aus, jedoch sind diese aufgrund reaktionskinetischer Randbedingungen hinsichtlich der IR-optischen Eigenschaften nicht relevant: Infolge langsamer Bildungsgeschwindigkeit kommt es zu einer Ausbildung dünner und kompakter Schichten. Dadurch wird die 02- Diffusion durch die Schicht behindert mit der Konsequenz, dass das Basismetall nicht weiter oxidiert wird und der Schichtaufbauprozess zum Stillstand kommt. Der IR-Emissionsgrad ε der Materialen der Oberflächenschicht sollte in bevorzugten Ausführungen kleiner als 0,5 sein. Die Schichtdicke ist bevorzugt größer oder gleich 1 µm, insbesondere im Bereich zwischen 1-2 µm.
2. Einer oxid-keramischen Schicht, insbesondere ein Cr-Oxid oder ein Ti-Oxid, als Diffusionsbarriere zwischen der Oberflächenschicht und dem Trägermaterial. Diese Diffusionssperrschicht ist notwendig, um die langfristige Stabilität der Oberflächenschicht zu erhalten. Andernfalls wandern bei den hohen Temperaturen die Trägermetallatome durch die Oberflächenschicht nach außen und bilden eine nichtleitende, hochemissive Oxidschicht und/oder die Atome der Oberflächenschicht diffundieren nach innen, so dass die Oberflächenschicht im Lauf der Zeit hinsichtlich der IR-Tarnung unwirksam wird. Die Schichtdicke ist bevorzugt größer oder gleich 1 µm, insbesondere im Bereich zwischen 1-2 µm.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Beschichtung ist sichergestellt, dass die hohe elektrische Leitfähigkeit der Oberflächenschicht auch bei hohen Temperaturen erhalten bleibt und die Oberflächenschicht dauerhaft auf dem Trägermaterial stabil bleibt. Sie reagiert auch bei hohen Temperaturen chemisch nicht mit Luft oder Abgasbestandteilen und bildet insbesondere keine für die IR-Tarnung schädliche Oxidschicht aus.
Ebenso ist es möglich, dass aus optischen Gründen auf die Oberflächenschicht eine weitere Schicht von maximal etwa 0,1µm Dicke aufgebracht wird, die zwar im visuellen Wellenlängenbereich von 0,4 - 0,7µm sichtbar ist, im IR-Bereich von 3 - 5 µm und von 8 - 12 µm unwirksam, weil zu dünn, ist.
Bei der zu tarnenden metallischen Trägerstruktur kann es sich insbesondere um die heißen, von außen einsehbaren Bauteilen an den Triebwerken eine Flugzeugs handeln, insbesondere um die Schubdüse für die Kernluft des Triebwerks oder um den Abströmkörper.
Der Beschichtungsprozess läuft folgendermaßen ab: Zunächst wird das Trägermaterial von eventuell vorhandenen Oberflächenschichten befreit und gereinigt. Dazu wird bei starker Verschmutzung (Fettbelegung) zunächst eine fettlösende Flüssigkeit (Aceton, Chloralkane, etc) eingesetzt. Anschließend erfolgt bevorzugt eine Feinreinigung der Oberflächen mittels z.B. atmosphärischer Plasmen (Corona, Barrierenentladung) oder durch lasergestützte Verfahren (Laser-Ablation). Dann wird die Diffusionssperrschicht entweder mit einem Gasphasenbeschichtungsverfahren (PVD Pysical Vapor Deposition, CVD Chemical Vapor Deposition oder Plasma-CVD) aufgebracht, oder - wenn das Trägermetall mit Cr, Ti oder Ni legiert ist - die Diffusionssperrschicht wird durch einfache Temperaturbehandlung des Metalls bei einer definierten, hohen Temperatur über eine definierte Zeit selbstständig gebildet. So bildet sich z. B. auf hochchromierten (bis 25% Cr) Inconel-Materialien (Nickel-Basislegierungen), Incoloy (Cobalt-Basislegierungen) oder Edelstählen (Eisen-Basislegierungen) bei Temperaturen über 500° C unter oxidierenden Bedingungen in einigen Tagen selbstständig eine Chromoxidschicht aus, die als Diffusionsbarriere geeignet ist. Bei Titan-Basisiegierungen erfolgt die Sperrschichtausbildung durch Bildung von Titandioxid (TiO2). Eine Cr-Zulegierung ist daher bei Titan-Basislegierungen nicht erforderlich und im übrigen auch nicht sinnvoll. Alternativ dazu ist es möglich und insbesondere hinsichtlich der Realisierung dickerer Schichten angezeigt, die Oxidschichtbildung mittels Salpetersäure (konzentriert, rauchend) vorzunehmen. Danach wird die Oberflächenschicht vorzugsweise mit einem PVD-Verfahren aufgebracht. Diese Schicht kann auch auf galvanischen Wege bis zu einer gewünschten Schichtdicke von 1-2 µm oder mehr gebracht werden.

Claims

Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung auf einer zu tarnenden metallischen Trägerstruktur, wobei die Tarnbeschichtung eine metallische Oberflächenschicht mit niedrigem IR-Emissionsvermögen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Trägerstruktur und Oberflächenschicht eine oxid-keramische Diffusionssperrschicht vorhanden ist.
Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht durch eine Temperaturbehandlung der zu tarnenden metallischen Struktur erzeugt wurde.
Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Oberflächenschicht aus einem Edelmetall, z.B. Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au, oder aus V, Ni, Cr besteht.
Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oxid-keramische Diffusionssperrschicht aus Cr-Oxid oder Ti-Oxid besteht.
Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die metallische Oberflächenschicht eine IR-durchlässige Schicht aufgebracht ist.
Verwendung einer Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur IR-Tarnung von heißen Oberflächenteilen an Flugzeugtriebwerken.