DE4129080A1 - Schutzschicht gegen titanfeuer und verfahren zur herstellung der schicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine keramische Schutzschicht auf einem Bauteil aus Metall und ein Verfahren zu ihrer Herstellung als Schutz gegen die Entstehung und Ausbreitung von Titanfeuer. Titan und Titanlegierungen werden wegen ihres günstigen Verhältnisses zwischen Festigkeit und Gewicht vielfach als Werkstoff im Triebwerksbau eingesetzt. Die Anwendungstemperatur ist jedoch beschränkt, da oberhalb von 500°C eine Oxidation auftreten und bei punktuellen Überhitzungen ein Titanfeuer entstehen kann. Das Titanfeuer kann auch an abgebrochenen Turbinenteilen aus Titan entstehen. Da dieses Feuer sehr energiereich ist und bei hohen Temperaturen brennt, besteht die Gefahr, daß brennende Titanteilchen mehrere Wandungen durchbrennen bzw. durchschmelzen. Wenn diese Wandungen ebenfalls aus Titan bestehen, kann sich ein Feuer weiter ausbreiten und so großen Schaden anrichten.

Bei der DE-OS 34 07 945 soll durch ein hochwärmeleitfähiges Material bei Reibungswärme eine örtliche Überhitzung vermieden werden, damit die Entzündungstemperatur von den Titanwänden nicht erreicht wird. Dies beschränkt sich auf Reibung und beinhaltet nicht das Problem von abgebrochenen, brennenden Titanteilchen.

In der DE-OS 34 07 946 wird nun eine doppelwandige Bauteilstruktur empfohlen, die ebenfalls mit einer hochwärmeleitfähigen Schicht versehen ist. Dies bedeutet auch einen größeren Materialaufwand. Es soll die punktweise anfallende Wärmemenge z. B. eines glühenden Titanteilchens rasch ableiten, um so die Entstehung eines Titanfeuers zu verhindern.

Bei beiden zuvor genannten Offenlegungsschriften wird aber immer von geringen Wärmemengen ausgegangen. Glühende und brennende Titanteilchen weisen sehr unterschiedliche Temperaturen auf. Dies wird verstärkt im Verdichter bei höheren Drucken, wo die Energiedichte noch größer ist, weil das Titan schneller abbrennt und somit höhere Temperaturen entstehen. Zur Wärmeableitung benötigt man nicht nur eine gute Wärmeleitfähigkeit sondern auch die ausreichenden Querschnitte.

In der DE-PS 35 29 979 wird nun zur doppelwandigen Bauteilstruktur mit hochwärmeleitfähiger Schicht eine Faserschicht hinzugefügt, die die Bewegungsenergie glühender Titanteilchen reduzieren bzw. auffangen soll. Die Idee, außer der thermischen Energie auch noch die kinetische abzuleiten, ist richtig. Trotzdem wird das Problem hinsichtlich der Energie des Titanfeuers bei hohen Energiedichten wie bei den zuvor genannten Offenlegungsschichten nicht ausreichend gelöst.

In der DE-PS 39 06 187 (Hauptpatent) und der DE-PS 39 26 151 wird ein Bauteil mit einer Schutzschicht beschrieben, die aus einer oxidationsbeständigen und diffusionshemmenden Grundschicht, einer titanfeuerhemmenden Mittelschicht und einer passivierenden Deckschicht besteht. Da es hier um Titanfeuer geht, soll nur die Mittelschicht betrachtet werden. In beiden Schriften handelt es sich bei der Mittelschicht um Aluminiumpulver mit einem anorganischen chemischen Bindemittel. Speziell das Aluminium soll durch Wärmeaufnahme das Feuer hemmen oder löschen. Das Bauteil besteht aus Titan oder Titanlegierung.

Aluminium hat eine niedrige Schmelztemperatur, eine geringe Schmelzwärme, ein geringes spezifisches Wärmeaufnahmevermögen bis zum Schmelzpunkt und eine viel zu hohe Wärmedehnung gegenüber dem Grundwerkstoff bei Dauerbetrieb. Zudem ist die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium entsprechend hoch, daß bei Dauerbetrieb kein allzu großer Temperaturabfall zum Bauteil hin aufgebaut werden kann; dieser Effekt wird sich bei der Entstehung von Titanfeuer ebenfalls negativ auswirken und das Bauteil wird schnell auf gefährliche Temperaturen kommen. Bei Titanfeuer ist eine exotherme Reaktion (Oxidation) des Aluminiums nicht auszuschließen.

In der DE-PS 39 40 914 wird zusätzlich zu dem Prinzip der beiden zuvor genannten Patentschriften aus Aluminiumpulver und Bindemittel Keramikfasern als weiterer Beitrag genannt. Das Bindemittel wird als Silikatbinder spezifiziert. Die Fasern nehmen die kinetische Energie auf und haben gute Wärmedämmeigenschaften. Die Wärmeenergie einer Titanschmelze wird durch Anschmelzen des Aluminiumpulvers verbraucht. Das Bindemittel übernimmt die Haftung auf dem Untergrund sowie den Zusammenhalt von Pulver bzw. Fasern. Eine Dicke der Schicht soll von 0,5 mm bis 20 mm möglich sein. Dabei wird behauptet, daß dicke Schichten besser seien als kompakte, dünne; dicke Schichten bedeuten aber auch größere Durchmesser des Triebwerkes, und damit muß mehr metallischer Werkstoff und ein größeres Gewicht in Kauf genommen werden. Bei Temperaturen zwischen 400 und 600°C nimmt das Restwasser in Silikatbindern stark ab, damit verbunden ist eine Reduzierung der Klebefestigkeit. Die Probleme des Aluminiumpulvers wie niedriger Schmelzpunkt, geringe Schmelzwärme und eine sehr hohe Wärmedehnung bleiben bestehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzschicht auf einem Bauteil aus Titan oder Titanlegierung zu erzeugen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben. Die Schutzschicht soll das Durchdringen brennender Titanteilchen durch das Bauteil verhindern, das Titanfeuer wirksam eindämmen und die Oberfläche des Bauteils vor Hitze und Durchschmelzen zu bewahren.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Schutzschicht aus Metalloxiden wie Aluminiumoxid oder Spinell oder aus Mischungen davon, denen ein Bindemittel wie Silikophosphat beigegeben werden kann.

Die erfindungsgemäße Schutzschicht setzt ihre Vorteile aus denen ihrer einzelnen Bestandteile zusammen. Die Vorteile von Aluminiumoxid und Spinell sind die hohe Temperaturbeständigkeit, große spezifische Wärmekapazität bis zum Schmelzpunkt, sehr hohe Schmelzwärme, niedrige Dichte, Oxidationsbeständigkeit, mechanische Durchschlagsfestigkeit, ähnliche Wärmedehnung wie das Substrat, gute Wärmedämmung. Dank der thermischen Eigenschaften eignen sich die genannten Oxide sehr gut als Schutz gegen Titanfeuer bei hoher Energiedichte, weil bei dem instationären Vorgang von Titanfeuer die vorderste Schicht der Oxide die erste Energiemenge wegen ihrer hohen spez. Wärmekapazität bis zum Schmelzpunkt aufnimmt, dann durch hohe Energiezufuhr schmilzt. Wegen der guten Wärmedämmung werden dahinterliegende Schichten nur sehr langsam erwärmt. Der Prozeß der Erwärmung und des Schmelzens erfolgt schichtenweise.

Auftretende punktuelle Wärmeströme in dem Bauteil aus Titan oder Titanlegierung werden wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit im Titan auf angrenzende Bereiche weitergeleitet, womit Temperaturspitzen im Titan und damit verbundene Gefährdungen ausbleiben.

Der Binder aus Silikophosphat bringt eine gute Haftfestigkeit auf Titan und auf Titanlegierungen, deren Oberflächen wegen ihrer Affinität zu Sauerstoff aus Titanoxiden bestehen. Andererseits geht das Silikophosphat eine gute Bindung mit Aluminiumoxid und Spinell ein. Ein Festigkeitsverlust mit zunehmender Temperatur tritt nicht ein, da die Reaktionen über eine Polymerisation entstehen. Die Haftung der Oxidkeramikpulver auf der Oberfläche des Titans und gegenseitig erfolgt durch ein temperaturbeständiges Bindemittel oder durch Verflüssigung der Pulver durch thermisches Spritzen. Die Dicke der Schutzschichten kann zwischen 0,2 und 5 mm liegen, vorzugsweise 1 bis 2,5 mm. Die Dichte der Schutzschichten wird zwischen 1,3 und 3,0 g/cm³ sein. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Schutzschichten wird im Gasturbinenbau für Flugtriebwerke erfolgen.

Die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht gegen Titanfeuer auf Titan oder Titanlegierungen wird durch folgende zwei Möglichkeiten gelöst:

Eine Suspension aus Bindemittel, Wasser und Metalloxid kann auf Titan oder Titanlegierung aufgespritzt, aufgepinselt oder im Tauchverfahren aufgebracht werden. Nach dem Trocknen erfolgt ein Tempern bis ca. 500°C. Die Auftragsdicke kann beim Pinseln und Spritzen jeweils nach einem Trocknungsvorgang vergrößert werden. Beim Tauchen muß zusätzlich eine Temperung erfolgen. Die Schichtdicke der Schutzschicht kann mehrere Millimeter erreichen.

Einen anderen Weg für die Schutzschicht stellen die thermischen Spritzverfahren wie Plasmaspritzen und Flammspritzen dar. Aluminiumoxid und Spinell können auch durch thermische Spritzverfahren aufgetragen werden. Hierbei ist aber die Schichtdicke begrenzt wegen möglichen Spannungsrissen. Falls erforderlich, können diese Schichten mit Silikophosphat imprägniert werden. Damit wird eine bessere Haftfestigkeit am Substrat und eine größere Eigenfestigkeit der Spritzschicht erreicht. Bei geringer Gefahr eines Titanfeuers kann die Imprägnierung weggelassen werden.

Die Vorteile dieser Verfahrensschritte sind kostengünstig und einfach maschinell herzustellen. Die große Variationsmöglichkeit der Schichtdicke erlaubt den Anwendungsbereich von Titan zu vergrößern, speziell die bis jetzt nicht für möglich gehaltenen großen Schichtdicken. Eine Reparaturmöglichkeit von großen zusammengesetzten Bauteilen ist ebenfalls gegeben, da nur ein Temperofen in ausreichender Größe vorhanden sein muß.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Schutzschichten liegen darin, daß die Schichten oxidationsbeständig, titanfeuerhemmend und durchschlagfest sind. Die Dichte ist gering. Eine Verschleiß- und Erosionsbeständigkeit ist bei guter Temperaturbeständigkeit gegeben. Die Oxidkeramikpulver zeichnen sich durch hohe Härte aus. Die Beschichtungsdicke ist frei wählbar, sie kann mehrere Millimeter betragen.

Bei Titanfeuer entstehen in der Schutzschicht keine exothermen Reaktionen, sondern nur das endotherme Schmelzen. Als Schutz gegen Titanfeuer muß nur eine Schicht in beliebiger Dicke aufgetragen werden. Mehrschichtsysteme sind nicht notwendig. Gegenüber plasmagespritztem Zirkonoxid haben Aluminiumoxid und Spinell bei gleicher Schichtstärke und ähnlicher Wärmeaufnahme bei niedrigerem Schmelzpunkt eine viel geringere Dichte und damit auch geringeres Gewicht. Dank der guten Wärmedämmung ist eine Absenkung der Bauteiltemperatur gegeben.

Beispiel 1

Zunächst wird eine Suspension aus Spinell, Wasser und Silikophosphat angefertigt. Diese Suspension wird auf die vorgereinigte Oberfläche aus Titan oder Titanlegierung mit einer Druckluftspritzpistole aufgespritzt. Werden dicke Schichten benötigt, so soll eine Schichtstärke von 0,5 bis 1 mm je Lage aufgetragen und getrocknet werden. Nach dem Trocknen kann die nächste Lage aufgespritzt werden. Nach dem abschließenden Trocknen wird eine Temperung bis 500°C mit einigen Temperaturstufungen vorgenommen. Die Temperaturstufungen müssen eingehalten werden, da sonst ein Aufblähen des Materials erfolgen kann.

Beispiel 2

Eine Suspension aus Aluminiumoxid, Wasser und Silikophosphat wird angefertigt. Diese Suspension wird auf die vorgereinigte Oberfläche aus Titan oder Titanlegierung mittels Tauchverfahren aufgetragen. Werden dickere Schichten benötigt, so soll die anhaftende Schicht getrocknet und bis 200°C getempert werden. Danach kann die nächste Tauchbeschichtung erfolgen. Nach der letzten Tauchbeschichtung muß das Bauteil getrocknet und in mehreren Schritten bis 500°C getempert werden.

Beispiel 3

Aus Spinell, Aluminiumoxid, Wasser und Silikophosphat wird eine Suspension hergestellt. Diese Suspension wird auf die vorgereinigte Oberfläche aus Titan oder Titan­ legierung mit einem Pinsel aufgetragen. Die Vorgehensweise erfolgt dann wie in Beispiel 1.

Beispiel 4

Spinell wird mittels Plasmaspritzen auf die vorgereinigte Oberfläche aus Titan oder Titanlegierung aufgespritzt. Anschließend erfolgt eine Tauchimprägnierung mit Silikophosphat und Wasser. Die Wirkung kann durch Vakuum verstärkt werden. Nach jeder Tauchimprägnierung erfolgt ein Trocknen und ein Tempern bis 200°C. Danach wird die Tauchimprägnierung wiederholt. Nach dem letzten Tauchimprägnieren erfolgt eine Trocknung und eine Temperung bis 500°C.

Claims (6)

1. Schutzschicht gegen Titanfeuer, die auf Titan oder Titanlegierung aufgebracht und gegen Titanfeuer beständig oder hemmend ist, bestehend aus Oxidkeramikpulver und einem anorganischen Bindemittel, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidkeramikpulver aus Aluminiumoxid, Spinell oder Mischungen davon und das anorganische Bindemittel aus Silikophosphat besteht.

2. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur Oxidkeramikpulver verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Suspension bestehend aus Oxidkeramikpulver, Wasser und anorganischem Bindemittel durch Pinseln, Tauchen oder Spritzen auf das Substrat aufgebracht wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach dem Aufbringen eine Trocknung und eine Temperung bis 500°C erfolgen.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Schutzschicht aus Aluminiumoxid oder Spinell durch thermische Spritzverfahren auf Titan oder Titanlegierung aufgebracht wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach dem thermischen Spritzverfahren der Oxidkeramikpulver die Schicht mittels Silikophosphat imprägniert wird.