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DE102017130806A1 - THERMAL SPRAYING OF MICROHOLE BALLS - Google Patents

THERMAL SPRAYING OF MICROHOLE BALLS Download PDF

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DE102017130806A1
DE102017130806A1 DE102017130806.7A DE102017130806A DE102017130806A1 DE 102017130806 A1 DE102017130806 A1 DE 102017130806A1 DE 102017130806 A DE102017130806 A DE 102017130806A DE 102017130806 A1 DE102017130806 A1 DE 102017130806A1
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DE
Germany
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equal
nickel
less
layer
insulating coating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102017130806.7A
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German (de)
Inventor
Michael J. Walker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
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Abstract

Es sind Verfahren zum Bilden einer isolierenden Beschichtung durch thermisches Spritzen vorgesehen. In einer Variante beinhaltet das Verfahren das thermische Spritzen eines Strahlstroms mit einer Höchsttemperatur größer oder gleich etwa 900 °C auf ein Substrat, um die isolierende Beschichtung auf dem Substrat zu bilden. Das thermische Spritzen kann ein Hochgeschwindigkeitsflamm (HVOF)-Verfahren sein. Der Strahlstrom umfasst mehrere Mikrohohlkugeln, die ein Metall, wie etwa Nickel oder Eisen, umfassen können. Die so gebildete isolierende Beschichtung weist eine Wärmeleitfähigkeit (K) kleiner als oder gleich etwa 200 mW/m·K bei Standardtemperatur- und Druckbedingungen auf und kann eine Wärmekapazität (c) von größer als oder gleich etwa 100 kJ/m·K aufweisen.Methods are provided for forming an insulating coating by thermal spraying. In a variant, the method includes thermal spraying a jet stream having a maximum temperature greater than or equal to about 900 ° C to a substrate to form the insulating coating on the substrate. Thermal spraying may be a high velocity flame (HVOF) process. The jet stream comprises a plurality of hollow microspheres, which may comprise a metal, such as nickel or iron. The insulating coating thus formed has a thermal conductivity (K) less than or equal to about 200 mW / m · K at standard temperature and pressure conditions and may have a heat capacity (c) greater than or equal to about 100 kJ / m · K.

Description

EINLEITUNGINTRODUCTION

Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.The following section provides background information for the present disclosure, which is not necessarily the prior art.

Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren zum thermischen Spritzen Mikrohohlteilchen auf Substrate, um isolierende Wärmedämmschichten zu bilden.The present disclosure relates to methods of thermally injecting microcavity particles onto substrates to form insulating thermal barrier coatings.

Isolierende und Wärmedämmschichten werden in verschiedenen Anwendungen verwendet, um Wärmeübertragung zu reduzieren. Solche Beschichtungen weisen wünschenswerterweise eine geringe Wärmekapazität und geringe Wärmeleitfähigkeit auf. In bestimmten Aspekten kann eine Wärmedämmschicht ein Isoliermaterial umfassen, das eine oder mehrere Mikrohohlkugeln beinhaltet. Somit kann die isolierende oder Wärmedämmschicht in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich als nicht einschränkendes Beispiel, auf Oberflächen von Komponenten in einem Verbrennungsmotor verwendet werden, um Wärmeübertragungsverluste zu reduzieren und Leistung und Effizienz zu erhöhen. Neue Verfahren zur Bildung robuster Wärmedämmschichten auf einer Vielzahl von komplexen Komponenten sind wünschenswert.Insulating and thermal barrier coatings are used in various applications to reduce heat transfer. Such coatings desirably have low heat capacity and low thermal conductivity. In certain aspects, a thermal barrier coating may include an insulating material that includes one or more hollow microspheres. Thus, the insulating or thermal barrier coating may be used in a variety of applications, including as a non-limiting example, on surfaces of components in an internal combustion engine to reduce heat transfer losses and increase power and efficiency. New methods for forming robust thermal barrier coatings on a variety of complex components are desirable.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Dieser Teil stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.This part provides a general summary of the disclosure and is not a complete disclosure of the full scope or all features.

Die vorliegende Offenbarung betrifft thermische Spritzabscheidung von Mikrohohlstrukturen, wie etwa Mikrokugeln. In einer Variation sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer isolierenden Beschichtung vor, einschließlich dem thermischen Spritzen eines Strahlstroms mit einer Höchsttemperatur größer oder gleich etwa 900 °C auf ein Substrat, um die isolierende Beschichtung auf dem Substrat zu bilden. Der Strahlstrom beinhaltet mehrere Mikrohohlkugeln. Die gebildete isolierende Beschichtung weist eine Wärmeleitfähigkeit (K) kleiner als oder gleich etwa 200 mW/m·K bei Standardtemperatur- und Druckbedingungen auf.The present disclosure relates to thermal spray deposition of micro hollow structures, such as microspheres. In a variation, the present disclosure provides a method of making an insulating coating, including thermally spraying a jet stream having a maximum temperature greater than or equal to about 900 ° C, to a substrate to form the insulating coating on the substrate. The jet stream contains several hollow microspheres. The formed insulating coating has a thermal conductivity (K) less than or equal to about 200 mW / mK under standard temperature and pressure conditions.

In einem Aspekt beinhaltet die isolierende Beschichtung mehrere Mikrohohlstrukturen mit intakten Hohlraumbereichen nach dem thermischen Spritzen.In one aspect, the insulating coating includes multiple micro-hollow structures with intact void areas after thermal spraying.

In einem weiteren Aspekt weist die isolierende Beschichtung eine Nettoporosität größer als oder gleich etwa 80 Vol.-% auf.In another aspect, the insulating coating has a net porosity greater than or equal to about 80% by volume.

In noch einem weiteren Aspekt weist die isolierende Beschichtung eine Dicke kleiner als oder gleich etwa 200 Mikrometer (µm) auf.In yet another aspect, the insulating coating has a thickness less than or equal to about 200 micrometers (μm).

In bestimmten Aspekten weist der Strahlstrom eine Höchsttemperatur kleiner als oder gleich etwa 1400 °C auf.In certain aspects, the jet stream has a maximum temperature less than or equal to about 1400 ° C.

In einem weiteren Aspekt beinhalten die mehreren Mikrokugeln ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Nickel, Eisen, Kombinationen und Legierungen davon.In another aspect, the plurality of microspheres include a metal selected from the group consisting of: nickel, iron, combinations, and alloys thereof.

In weiteren Aspekten beinhalten die mehreren Mikrokugeln das Metall in einer ersten Schicht und ferner eine zweite Schicht aus einem zweiten Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Kupfer, Zink, Zinn, Nickel und Kombinationen davon.In further aspects, the plurality of microspheres include the metal in a first layer and further a second layer of a second metal selected from the group consisting of: copper, zinc, tin, nickel, and combinations thereof.

In noch einem anderen Aspekt beinhaltet das Substrat mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Nickel, Eisen, Kupfer, Zink, Aluminium, Kombinationen und Legierungen davon.In yet another aspect, the substrate includes at least one metal selected from the group consisting of: nickel, iron, copper, zinc, aluminum, combinations, and alloys thereof.

In einem weiteren Aspekt ist die Wärmeleitfähigkeit (K) der isolierenden Beschichtung bei normalen Standardtemperatur- und Druckbedingungen kleiner oder gleich etwa 100 mW/m·K.In another aspect, the thermal conductivity (K) of the insulating coating is less than or equal to about 100 mW / m · K under normal standard temperature and pressure conditions.

In weiteren Aspekten ist eine Wärmekapazität (cv) der isolierenden Beschichtung kleiner als oder gleich etwa 100 kJ/m3·K.In further aspects, a heat capacity (c v ) of the insulating coating is less than or equal to about 100 kJ / m 3 · K.

In einer weiteren Variation sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Bilden einer isolierenden Beschichtung vor, beinhaltend das Einspritzen eines Stroms, der mehrere Mikrohohlkugeln beinhaltet, von einer Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoff (HVOF)-Vorrichtung zu einem Substrat. Der Strom beinhaltet die mehreren Mikrokugeln, die eine erste Metallschicht mit einem ersten Metall ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Nickel, Eisen, Kombinationen und Legierungen davon beinhaltet und eine zweite Metallschicht mit einem zweiten Metall ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Kupfer Zink, Zinn, Nickel, Kombinationen und Legierungen davon beinhaltet. Ferner weist der Strom eine Höchsttemperatur während des Einspritzens auf, die mindestens etwa 50 °C unter einem Schmelzpunkt der ersten Metallschicht liegt, aber bei oder über einem Schmelzpunkt der zweiten Metallschicht. Das Verfahren beinhaltet auch das Bilden der isolierenden Beschichtung auf dem Substrat mit einer Wärmeleitfähigkeit (K) kleiner als oder gleich etwa 200 mW/m-K bei Standardtemperatur und -druck.In another variation, the present disclosure provides a method of forming an insulating coating, including injecting a stream including a plurality of hollow microspheres from a high velocity oxygen fuel (HVOF) device to a substrate. The stream includes the plurality of microspheres including a first metal layer having a first metal selected from the group consisting of: nickel, iron, combinations and alloys thereof, and a second metal layer having a second metal selected from the group consisting of: copper zinc , Tin, nickel, combinations and alloys thereof. Further, the current has a maximum temperature during injection that is at least about 50 ° C below a melting point of the first metal layer, but at or above a melting point of the second metal layer. The method also includes forming the insulating coating on the substrate having a thermal conductivity (K) less than or equal to about 200 mW / m-K at standard temperature and pressure.

In einem Aspekt beinhaltet die isolierende Beschichtung mehrere Mikrohohlstrukturen mit intakten Hohlraumbereichen nach dem thermischen Spritzen.In one aspect, the insulating coating includes multiple micro-hollow structures with intact void areas after thermal spraying.

In einem weiteren Aspekt weist die isolierende Beschichtung eine Nettoporosität größer als oder gleich etwa 80 Vol.-% auf. In another aspect, the insulating coating has a net porosity greater than or equal to about 80% by volume.

In noch einem weiteren Aspekt weist die isolierende Beschichtung eine Dicke kleiner als oder gleich etwa 200 Mikrometer (µm) auf.In yet another aspect, the insulating coating has a thickness less than or equal to about 200 micrometers (μm).

In noch weiteren Aspekten kann die isolierende Beschichtung eine Dicke kleiner als oder gleich etwa 200 Mikrometer (µm) aufweisenIn still other aspects, the insulating coating may have a thickness less than or equal to about 200 micrometers (μm)

In einem weiteren Aspekt ist die Höchsttemperatur größer als oder gleich etwa 900 °C oder kleiner als oder gleich etwa 1400 °C.In another aspect, the maximum temperature is greater than or equal to about 900 ° C, or less than or equal to about 1400 ° C.

In noch einem anderen Aspekt beinhaltet das Substrat mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Nickel, Eisen, Kupfer, Zink, Zinn, Nickel, Aluminium, Kombinationen und Legierungen davon.In yet another aspect, the substrate includes at least one metal selected from the group consisting of: nickel, iron, copper, zinc, tin, nickel, aluminum, combinations and alloys thereof.

In anderen Aspekte beinhaltet das Substrat ein erstes Metall ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Nickel, Eisen, Kombinationen und Legierungen davon und ferner ein zweites Metall ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Kupfer Zink, Zinn, Nickel, Kombinationen und Legierungen davon.In other aspects, the substrate includes a first metal selected from the group consisting of: nickel, iron, combinations and alloys thereof, and further a second metal selected from the group consisting of: copper, zinc, tin, nickel, combinations and alloys thereof.

In noch weiteren Aspekten beinhalten die mehreren Mikrokugeln die erste Metallschicht mit Nickel und die zweite Metallschicht mit Kupfer.In still other aspects, the plurality of microspheres include the first metal layer with nickel and the second metal layer with copper.

In noch weiteren Aspekten ist die Wärmeleitfähigkeit (K) bei normalen Standardtemperatur- und Druckbedingungen kleiner oder gleich etwa 100 mW/m·K.In still other aspects, the thermal conductivity (K) at normal standard temperature and pressure conditions is less than or equal to about 100 mW / m · K.

In einem weiteren Aspekt weist die isolierende Beschichtung eine Wärmekapazität (cv) kleiner als oder gleich etwa 100 kJ/m3·K auf.In another aspect, the insulating coating has a heat capacity (c v ) less than or equal to about 100 kJ / m 3 · K.

In noch einem weiteren Aspekt beinhaltet das Verfahren ferner das Sintern der Isolierschicht nach dem Einspritzen.In yet another aspect, the method further includes sintering the insulating layer after injection.

In noch einer weiteren Variation sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Bilden einer isolierenden Beschichtung vor, die das Einspritzen eines Stroms, der mehrere Mikrohohlkugeln beinhaltet, von einer Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoff (HVOF)-Vorrichtung zu einem Substrat beinhaltet, um eine Schicht aus abgeschiedenen Mikrohohlstrukturen zu bilden. Der Strom weist eine Höchsttemperatur während des Einspritzens auf, die größer als oder gleich etwa 900 °C bis kleiner als oder gleich etwa 1400 °C ist. Jede der mehreren Mikrohohlkugeln beinhaltet eine erste Metallschicht und eine zweite Metallschicht. Die erste Metallschicht weist ein erstes Metall ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Nickel, Eisen, Kombinationen und Legierungen davon und die zweite Metallschicht mit einem zweiten Metall ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Kupfer Zink, Zinn, Nickel, Kombinationen und Legierungen davon auf. Das Verfahren beinhaltet ferner das Sintern der Schicht abgelagerter Mikrohohlstrukturen zur Bildung der isolierenden Beschichtung auf dem Substrat mit einer Wärmeleitfähigkeit (K) kleiner als oder gleich etwa 200 mW/m·K bei Standardtemperatur- und Druckbedingungen und einer Wärmekapazität (cv) kleiner als oder gleich etwa 100 kJ/m3·K.In yet another variation, the present disclosure provides a method of forming an insulating coating that includes injecting a stream containing a plurality of hollow microspheres from a high velocity oxygen fuel (HVOF) device to a substrate about a layer of deposited microcavity structures to build. The stream has a maximum temperature during injection that is greater than or equal to about 900 ° C to less than or equal to about 1400 ° C. Each of the plurality of hollow microspheres includes a first metal layer and a second metal layer. The first metal layer comprises a first metal selected from the group consisting of: nickel, iron, combinations and alloys thereof and the second metal layer having a second metal selected from the group consisting of: copper, zinc, tin, nickel, combinations and alloys thereof on. The method further includes the sintering of the layer deposited micro hollow structures to form the insulating coating on the substrate having a thermal conductivity (K) is less than or equal to about 200 mW / m · K at standard temperature and pressure conditions, and a heat capacity (c v) less than or equal to about 100 kJ / m 3 · K.

Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.Other applications will be apparent from the description provided herein. The description and specific examples in this summary are intended for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the present disclosure.

Figurenlistelist of figures

Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich dem Veranschaulichen ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

  • 1 zeigt eine Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffflamm (HVOF)-Thermospritzvorrichtung, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung zum Abscheiden von Mikrohohlkugeln zur Bildung einer isolierenden Beschichtung verwendet werden kann.
  • 2 zeigt ein Beispiel einer Mikrohohlkugel mit einer einzelnen Metallschicht.
  • 3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Mikrohohlkugel mit zwei unterschiedlichen Metallschichten zur Verwendung in den thermischen Spritzverfahren gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
  • 4 zeigt eine isolierende Beschichtung, einschließlich Mikrohohlstrukturen, die auf einem Substrat gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung über thermisches Spritzen abgeschieden werden.
  • 5 zeigt eine Verbund-Wärmedämmschicht, einschließlich einer isolierenden Beschichtung, einschließlich Mikrohohlstrukturen, die auf einem Substrat gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung über thermisches Spritzen abgeschieden werden.
The drawings described herein are for illustration only of selected embodiments and are not intended to embody all of the possible implementations and are not intended to limit the scope of the present disclosure.
  • 1 shows a high-speed oxygen flame (HVOF) thermal spray apparatus which may be used to deposit hollow microspheres to form an insulating coating in accordance with certain aspects of the present disclosure.
  • 2 shows an example of a hollow microsphere with a single metal layer.
  • 3 FIG. 12 shows another example of a hollow microsphere having two different metal layers for use in the thermal spray processes according to certain aspects of the present disclosure.
  • 4 FIG. 12 shows an insulating coating, including micro-hollow structures, deposited on a substrate in accordance with certain aspects of the present disclosure via thermal spraying.
  • 5 FIG. 12 shows a composite thermal barrier coating, including an insulating coating, including micro-hollow structures, deposited on a substrate in accordance with certain aspects of the present disclosure via thermal spraying.

Ähnliche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Bauabschnitte an.Like reference numerals indicate similar construction portions throughout the several views of the drawings.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION

Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.Exemplary embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and fully convey the scope of those skilled in the art. Numerous specific details are set forth, such as examples of specific compositions, components, devices and methods described to provide a thorough understanding of embodiments of the present disclosure. Those skilled in the art will recognize that specific details may not be required, that exemplary embodiments may be embodied in many different forms, and that neither of the embodiments is to be construed to limit the scope of the disclosure. In some exemplary embodiments, well-known methods, well-known device structures, and well-known techniques are not described in detail.

Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst,“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.The terminology used herein is for the purpose of describing particular exemplary embodiments only and is not intended to be limiting in any way. As used herein, the singular forms "a / a" and "the" may also include plurals, unless the context clearly precludes this. The terms "comprising", "comprising", "containing" and "having" are inclusive and therefore indicate the presence of the specified features, elements, compositions, steps, integers, acts, and / or components, but do not exclude the presence or adding one or more other features, integers, steps, acts, elements, components, and / or groups thereof. Although the term "includes" is to be understood as a non-limiting term used to describe and claim various embodiments set forth herein, in certain aspects the term may alternatively be construed as, for example, a more limiting and restrictive term be like "consisting of" or "consisting essentially of". Thus, any embodiment that presents compositions, materials, components, elements, functions, integers, operations, and / or method steps, expressly includes embodiments of the present disclosure consisting of, or consisting essentially of, compositions, materials, components, Elements, functions, numbers, operations and / or process steps. By "consisting of", the alternative embodiment excludes any additional compositions, materials, components, elements, functions, numbers, operations, and / or operations, while "consisting essentially of" excludes any additional compositions, materials, components, elements, functions , Numbers, operations and / or process steps, which materially affect the fundamental and novel properties are excluded from such an embodiment, but any compositions, materials, components, elements, functions, integers, operations and / or process steps, the material not the may affect basic and novel characteristics may be included in the embodiment.

Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.All of the method steps, processes, and operations described herein are not to be construed as necessarily requiring the order described or illustrated, unless specifically stated as the order of execution. It should also be understood that additional or alternative steps may be used unless otherwise stated.

Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw. einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt an/auf, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. („zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.When a component, element or layer is described as being "on, on, in, engaged with, or coupled with" another component or element, it may either directly on / on the other component, the other element, or the other layer, in engagement with, connected to or coupled to, or there may be intervening elements or layers. Conversely, when an element is described as being "directly on," "directly engaged with," "directly connected to," or "directly coupled to" another element or layer, there may be no intervening elements or layers , Other words used to describe the relationship between elements are to be understood in the same way (eg, "between" and "directly between," "adjacent" and "directly adjacent," etc.) As used herein, The term "and / or" includes all combinations of one or more of the associated listed items.

Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein erster Schritt, ein Element, eine Komponente, ein Bereich, eine Schicht oder ein Abschnitt, die im Folgenden erörtert werden, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.Although the terms first, second, third, etc., may be used herein to describe various steps, elements, components, regions, layers, and / or sections, these steps, elements, components, regions, layers, and / or sections are not intended to be these expressions are restricted. These terms are only used to distinguish one step, item, component, region, layer, or section from another step, another element, another region, another layer, or another section. Terms, such as "first,""second," and other numerical terms, when used herein, do not imply any sequence or order unless this becomes so clearly indicated by the context. Thus, a first step, element, component, region, layer, or section, discussed below, could be termed a second step, element, component, region, layer, or section without departing from the teachings of the exemplary embodiments departing.

Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.Spatial or time related terms, such as "before", "after", "inner", "outer", "below", "below", "lower", "above", "upper", and the like, may be used herein to better describe Relationship of an element or a property to other element (s) or property (s), as shown in the figures, are used. Spatial or time related terms may be intended to rewrite various device or system deployments in use or in operation, in addition to the orientation shown in the figures.

In dieser Offenbarung repräsentieren die nummerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation einschließlich der beigefügten Ansprüche in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Etwa“ weist darauf hin, dass der offenbarte nummerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.In this disclosure, the numerical values basically represent approximate measurements or boundaries of ranges, such as minor deviations from the particular values and embodiments having approximately the stated value, as well as those having exactly that value. In contrast to the application examples provided at the end of the detailed description, all numerical values of the parameters (eg, sizes or conditions) in this specification, including the appended claims, are to be understood in all instances by the term "about," whether or not "Approximately" actually appears before the numerical value. "Approximately" indicates that the disclosed numerical value allows for some inaccuracy (with some approximation to accuracy in value, approximately or realistically close to value, approximately). If the inaccuracy provided by "about" is not otherwise understood by those of ordinary skill in the art to be ordinary, then "about" as used herein will at least indicate variations resulting from ordinary measurement techniques and the use of such parameters. For example, "about" may be a variation of less than or equal to 5%, optionally less than or equal to 4%, optionally less than or equal to 3%, optionally less than or equal to 2%, optionally less than or equal to 1%, optionally less may be equal to or greater than 0.5% and, in certain aspects, may be less than or equal to 0.1%.

Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich den für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereichen.In addition, the disclosure of areas involves the disclosure of all values and further subdivided areas within the entire area, including the endpoints and subareas specified for the areas.

Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.Exemplary embodiments will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

In verschiedenen Aspekten beschreibt die vorliegende Offenbarung Verfahren zum Bilden einer isolierenden Beschichtung auf einem Substrat. In bestimmten Aspekten kann das Verfahren das thermische Spritzen eines Strahlstroms auf ein Substrat beinhalten. Thermisches Spritzen bedeutet, dass ein Verfahren angewendet wird, bei dem ein Vorläufermaterial als einzelne Partikel auf einer Oberfläche des Substrats erwärmt und getrieben wird, um eine robuste und zusammenhängende Beschichtung zu bilden. Das thermische Spritzen beruht somit auf Wärme und Impuls, um zu bewirken, dass sich das Beschichtungsmaterial an die zu beschichtende Oberfläche anpasst und an diese bindet.In various aspects, the present disclosure describes methods of forming an insulating coating on a substrate. In certain aspects, the method may include thermal spraying a jet stream onto a substrate. Thermal spraying means that a method is used wherein a precursor material is heated and propelled as a single particle on a surface of the substrate to form a robust and continuous coating. Thermal spraying thus relies on heat and momentum to cause the coating material to conform to and bond to the surface to be coated.

In bestimmten Aspekten weist das thermische Spritzverfahren eine Höchsttemperatur größer als oder gleich etwa 900 °C, optional größer als oder gleich etwa 1000 °C, optional größer als oder gleich etwa 1100 °C und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 1200 °C auf. In bestimmten Aspekten weist das thermische Spritzverfahren eine Temperatur größer als oder gleich etwa 900 °C bis kleiner als oder gleich etwa 1400 °C auf und in bestimmten Variationen gegebenenfalls größer als oder gleich etwa 1100 °C bis kleiner als oder gleich etwa 1200 °C. Wie für Fachleute offensichtlich ist, tritt etwas Abkühlung auf, wenn das gespritzte Material die thermische Spritzvorrichtung oder Pistole verlässt, sodass die Temperatur in der thermischen Spritzvorrichtung wünschenswerterweise hoch genug ist, um das Erweichen oder Schmelzen von mindestens einem Material in einem hohlen Vorläufer zu fördern, während eine Überhitzung vermieden wird, die einen strukturellen Einbruch verursachen könnte, wie im Folgenden ferner beschrieben wird.In certain aspects, the thermal spray process has a maximum temperature greater than or equal to about 900 ° C, optionally greater than or equal to about 1000 ° C, optionally greater than or equal to about 1100 ° C, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 1200 ° C , In certain aspects, the thermal spray process has a temperature greater than or equal to about 900 ° C to less than or equal to about 1400 ° C, and in certain variations optionally greater than or equal to about 1100 ° C to less than or equal to about 1200 ° C. As will be apparent to those skilled in the art, some cooling occurs as the sprayed material exits the thermal spray gun so that the temperature in the thermal spray device is desirably high enough to promote the softening or melting of at least one material in a hollow precursor. while avoiding overheating which could cause structural break-in, as further described below.

Bei allen thermischen Spritzbeschichtungsverfahren wird Material erhitzt, beschleunigt und auf eine Zieloberfläche geschossen. Teilchengeschwindigkeiten variieren in verschiedenen thermischen Spritzverfahren, beispielsweise sind die Geschwindigkeiten der Strahlströme bei Hochgeschwindigkeitsflammverfahren am höchsten und bei Niedriggeschwindigkeitsspritzverfahren niedriger, wie etwa bei Unterschall-Sauerstoffpulververfahren. Ein Strahlstrom bedeutet, dass der Strom eine relativ hohe Geschwindigkeit hat und einen Strahl erzeugt, während immer noch wünschenswerterweise Geschwindigkeiten vermieden werden, die Einbruch eines hohlen Vorläufers unter den ausgewählten Bedingungen während des thermischen Spritzens (z. B. das Auswählen von Temperaturen und Druckwerten) fördern würden. Eine maximale Geschwindigkeit eines Strahlstroms ist beispielsweise zur Verwendung gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung kleiner oder gleich etwa 400 m/s, optional kleiner oder gleich etwa 100 m/s und in bestimmten Aspekten optional kleiner als oder gleich etwa 10 m/s. In bestimmten Variationen kann der Strahlstrom eine Überschallgeschwindigkeit größer als etwa 343 m/s, jedoch kleiner als oder gleich etwa 400 m/s aufweisen.In all thermal spray coating processes, material is heated, accelerated and shot at a target surface. Particle velocities vary in different thermal spray processes, for example jet velocities are highest in high velocity flame processes and lower in low velocity spray processes, such as subsonic oxygen powder processes. A jet stream means that the stream has a relatively high velocity and produces a jet while still desirably avoiding velocities, the burglary of a hollow precursor under the selected conditions during thermal spraying (eg, selecting temperatures and pressures). would promote. For example, a maximum velocity of a jet stream is for use in accordance with certain aspects of the present invention Revelation less than or equal to about 400 m / s, optionally less than or equal to about 100 m / s and in certain aspects optionally less than or equal to about 10 m / s. In certain variations, the jet stream may have a supersonic velocity greater than about 343 m / s, but less than or equal to about 400 m / s.

Bei dem Hochgeschwindigkeitsflamm-Beschichtungsverfahren wird der Gasstrom durch Mischen und Zünden von Sauerstoff und Brennstoff (Gas oder Flüssigkeit) in einer Brennkammer und durch Beschleunigen des Hochdruckgases durch eine Düse erzeugt. Mikroteilchen werden in diesen Strom eingeführt, wo sie erhitzt und auf eine Zieloberfläche beschleunigt werden. In einer Variation gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Bilden einer isolierenden Beschichtung in 1 dargestellt, das das Einspritzen eines Stroms, der mehreren Mikrohohlteilchen oder Mikrokugeln 102 von einer Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoff (HVOF)-Vorrichtung 100 auf ein Substrat 110 beinhaltet. Die Mikrohohlteilchen definieren einen eingeschlossenen Hohlraumbereich in dem Kern, der mit einem Isoliermaterial gefüllt sein kann. Somit kann der Hohlraumbereich in dem Kern beispielsweise mit einem Gas, wie etwa Luft oder einem Inertgas, gefüllt sein oder Vakuumbedingungen aufweisen. In bestimmten Aspekten weisen die Mikroteilchen mindestens eine räumliche Abmessung auf, die kleiner als etwa 100 µm, optional kleiner oder gleich etwa 50 µm und in bestimmten Aspekten kleiner oder gleich etwa 10 µm ist.In the high-speed flame coating method, the gas flow is generated by mixing and igniting oxygen and fuel (gas or liquid) in a combustion chamber and accelerating the high-pressure gas through a nozzle. Microparticles are introduced into this stream where they are heated and accelerated to a target surface. In a variation according to certain aspects of the present disclosure, a method of forming an insulating coating in FIG 1 shown injecting a stream, the plurality of microcavities or microspheres 102 from a high speed oxygen fuel (HVOF) device 100 on a substrate 110 includes. The micro-hollow particles define an enclosed cavity area in the core, which may be filled with an insulating material. Thus, the cavity portion in the core may be filled with, for example, a gas such as air or an inert gas, or may have vacuum conditions. In certain aspects, the microparticles have at least one spatial dimension that is less than about 100 microns, optionally less than or equal to about 50 microns, and in certain aspects, less than or equal to about 10 microns.

Die Mikroteilchen können Mikrokugeln mit einer im Wesentlichen runden Form sein. „Im Wesentlichen rund“ beinhaltet Mikroteilchen mit einer Form, die sphärisch, kugelförmig, ellipsenförmig, scheibenförmig, zylindrisch, domförmig, eiförmig, elliptisch, orbisch, oval und dergleichen ist, so lang mindestens ein Abschnitt des Zentrums der Mikroteilchen einen eingeschlossenen Hohlraumbereich definiert. Daher kann die Bezugnahme hierin auf Mikrokugeln jede dieser im Wesentlichen runden Formen umfassen. Während der Vorläufer eine Mikrokugel sein kann, kann es sein, dass nach dem thermischen Spritzverfahren die Mikrokugel aus einer kugelförmigen oder im Wesentlichen runden Form verzerrt wird.The microparticles may be microspheres having a substantially round shape. "Substantially round" includes microparticles having a shape that is spherical, spherical, ellipsoidal, disc-shaped, cylindrical, dome-shaped, egg-shaped, elliptical, orbital, oval, and the like as long as at least a portion of the center of the microparticles defines an enclosed void area. Thus, the reference herein to microspheres may include any of these substantially circular shapes. While the precursor may be a microsphere, after the thermal spray process, the microsphere may be distorted from a spherical or substantially circular shape.

In bestimmten Aspekten können die Mikrokugeln, die als ein Vorläufer während des thermischen Spritzens verwendet werden, einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser kleiner als etwa 100 Mikrometer (µm), optional größer als oder gleich etwa 10 µm bis kleiner als oder gleich etwa 80 µm, optional größer als oder gleich etwa 20 µm bis kleiner als oder gleich etwa 60 µm und in bestimmten Variationen optional größer als oder gleich etwa 30 µm bis kleiner als oder gleich etwa 40 µm aufweisen. Es ist zu bemerken, dass die Mikrokugeln einen mittleren Durchmesser innerhalb dieser Bereiche aufweisen, aber die Vielzahl von Mikrokugeln nicht notwendigerweise alle den gleichen Durchmesser aufweisen, da eine Mischung von Mikrokugeln mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet werden kann, um eine gewünschte Porosität oder Packungsdichte vorzusehen, die die Stärke innerhalb der gebildeten isolierenden Beschichtung variieren kann. Es sollte ferner angemerkt werden, dass je kleiner der Durchmesser der verwendeten Mikrokugeln ist, desto größer die Teilchendichte und daher die Masse der aus solchen Teilchen gebildeten Beschichtung ist. Somit bilden relativ große Mikrokugeln leichtere Beschichtungen als kleinere Mikrokugeln.In certain aspects, the microspheres used as a precursor during thermal spraying may have an average particle diameter less than about 100 microns (μm), optionally greater than or equal to about 10 μm to less than or equal to about 80 μm, optionally greater than or equal to about 20 microns to less than or equal to about 60 microns and in certain variations optionally greater than or equal to about 30 microns to less than or equal to about 40 microns. It should be noted that the microspheres have a mean diameter within these ranges, but the plurality of microspheres do not necessarily all have the same diameter since a mixture of different diameter microspheres can be used to provide a desired porosity or packing density the thickness may vary within the formed insulating coating. It should also be noted that the smaller the diameter of the microspheres used, the greater the particle density and therefore the mass of the coating formed from such particles. Thus, relatively large microspheres form lighter coatings than smaller microspheres.

Die Vielzahl der Mikrokugeln umfasst mindestens ein Metall. In bestimmten Variationen ist das Metall ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Nickel, Eisen, Kombinationen und Legierungen davon. In einer Variation ist das Metall Nickel oder einer Nickellegierung. In einer anderen Variation kann das Metall Eisen und Mikrokugeln eine Eisenlegierung, wie etwa Stahl oder Edelstahl, umfassen. Jede Legierung kann zusätzliche Elemente, wie sie von Fachleuten auf dem Gebiet anerkannt werden, wie etwa Kohlenstoff, Mangan, Chrom und Nickel, Molybdän und dergleichen, als nicht einschränkendes Beispiel enthalten.The plurality of microspheres comprises at least one metal. In certain variations, the metal is selected from the group consisting of: nickel, iron, combinations and alloys thereof. In one variation, the metal is nickel or a nickel alloy. In another variation, the metal may include iron and microspheres may include an iron alloy such as steel or stainless steel. Each alloy may contain additional elements, as recognized by those skilled in the art, such as carbon, manganese, chromium and nickel, molybdenum, and the like, as a non-limiting example.

Im Allgemeinen können Mikrohohlkugeln 20, wie etwa die in 2 dargestellten, ein Strukturmaterial 22 beinhalten, das den eingeschlossenen Hohlraumbereich 24 definiert. Das Strukturmaterial 22 kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus: Metall, Glas, Keramik, Polymeren und Kombinationen davon, so lange das Strukturmaterial 24 eine hohle Struktur mit dem eingeschlossenen Hohlraumbereich 24 definiert. Die Mikrohohlkugeln 20 können dann mit einem oder mehreren leitfähigen Materialien beschichtet werden, wie etwa Metallen wie Nickel, Eisen, Nickellegierungsverbindungen, Eisenlegierungsverbindungen und dergleichen. Ein Metallbeschichtung 26 wird somit über die Strukturmaterial 22 gebildet. Die Aufbringung des Metalls auf der Oberfläche der Mikrokugeln 20 kann mittels eines Verfahrens, wie etwa Galvanik, Aufdampfung, stromlose Abscheidung, Flammspritzen, Lackieren und dergleichen durchgeführt werden. Die Mikrokugel 20 kann beim thermischen Spritzen verwendet werden, wird jedoch in bestimmten Aspekten als Vorläufer zur Bildung einer mehrschichtigen Mikrohohlkugel, wie in 3 dargestellt, verwendet.In general, hollow microspheres 20 , such as the in 2 shown, a structural material 22 include the enclosed cavity area 24 Are defined. The structural material 22 may be selected from the group consisting of: metal, glass, ceramics, polymers and combinations thereof, as long as the structural material 24 a hollow structure with the enclosed cavity area 24 Are defined. The hollow microspheres 20 may then be coated with one or more conductive materials, such as metals such as nickel, iron, nickel alloy compounds, iron alloy compounds, and the like. A metal coating 26 is thus about the structural material 22 educated. The application of the metal on the surface of the microspheres 20 can be carried out by a method such as electroplating, vapor deposition, electroless plating, flame spraying, painting and the like. The microsphere 20 may be used in thermal spraying, but in certain aspects will be used as a precursor to form a multi-layered hollow microspheres, as in U.S. Pat 3 shown used.

In 3 kann eine Mikrohohlkugel 30, die als ein Vorläufer im thermischen Spritzverfahren gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, mehrere unterschiedliche Metallschichten aufweisen. In einer Variation weisen die Mikrohohlkugeln 30 ein Strukturmaterial 32 auf, das einen Hohlraumbereich 34 im Mittelkernbereich definiert. Das Strukturmaterial 32 kann aus den gleichen Materialien wie das oben genannte Strukturmaterial 22 gebildet sein. Ein erstes metallisches Material, das ein erstes Metall umfasst, kann auf die Oberfläche des Strukturmaterials 32 aufgebracht werden, um eine erste Metallschicht oder -beschichtung 36 zu bilden. Ein zweites metallisches Material kann ein zweites unterschiedliches Metall umfassen, das über der ersten Metallbeschichtung 36 aufgebracht sein kann, um eine zweite Metallschicht oder - beschichtung 38 zu bilden.In 3 can be a micro hollow sphere 30 , which is used as a precursor in the thermal spraying method according to certain aspects of the present disclosure, have a plurality of different metal layers. In a variation, the hollow microspheres 30 a structural material 32 on, that is a cavity area 34 in the middle core area Are defined. The structural material 32 can be made of the same materials as the above structural material 22 be formed. A first metallic material comprising a first metal may be applied to the surface of the structural material 32 are applied to form a first metal layer or coating 36. A second metallic material may comprise a second different metal overlying the first metal coating 36 may be applied to form a second metal layer or coating 38.

Die erste Metallbeschichtung 36 kann Nickel, Eisen, Kombinationen und Legierungen davon umfassen. In bestimmten Aspekten umfasst die erste Metallbeschichtung 36 Nickel oder eine Nickellegierung. Die zweite Metallbeschichtung 38 kann Kupfer, Zink, Zinn, Nickel, Kombinationen und Legierungen davon umfassen. Während die erste Metallbeschichtung 36 und die zweite Metallbeschichtung 38 eines oder mehrere der gleichen Metalle enthalten können, weist jede Schicht/ Beschichtung eine bestimmte Zusammensetzung und somit unterschiedliche Schmelzpunkte auf. In bestimmten Aspekten umfasst die zweite Metallbeschichtung 38 Kupfer oder eine Kupferlegierung. In anderen Aspekten kann die zweite Metallbeschichtung 38 eine Kombination von Kupfer und Zink umfassen, zum Beispiel eine Messinglegierung. In bestimmten Aspekten weist eine Messinglegierung Zink in der Zusammensetzung von weniger als oder gleich etwa 32 Gew.-% auf (um die Bildung von unerwünschten Phasen zu vermeiden), während der Rest Kupfer und Verunreinigungen enthalten kann. Auf diese Weise weisen die erste Metallbeschichtung 36 und die zweite unterschiedliche Metallbeschichtung 38 unterschiedliche Schmelzpunkttemperaturen auf, was für bestimmte thermische Spritzverfahren, wie im Folgenden ferner beschrieben, vorteilhaft sein kann. Insbesondere kann die erste Metallschicht oder -beschichtung 36 einen höheren Schmelzpunkt als die zweite Metallschicht oder -beschichtung 38 aufweisen. Somit kann die zweite Metallbeschichtung 38 in bestimmten Variationen Kupfer und Nickel umfassen, wobei Nickel in der Zusammensetzung bis zu etwa 30 Gew.-% vorliegt und der Rest Kupfer und Verunreinigungen ist. In anderen Aspekten kann die zweite Metallbeschichtung 38 Nickel und Zinn umfassen, wobei Zinn in der Zusammensetzung bis zu etwa 30 Gew.-% vorliegt und der Rest Nickel und Verunreinigungen ist. Eine solche Nickel-Zinn-Legierung hat einen niedrigen Schmelzpunkt/ eutektischen Punkt von etwa 1130°C. In bestimmten weiteren Aspekten kann die zweite Metallbeschichtung 38 Nickel und Zink umfassen, wobei Zink in der Zusammensetzung bis zu etwa 40 Gew.-% vorliegt und der Rest Nickel und Verunreinigungen ist.The first metal coating 36 may include nickel, iron, combinations and alloys thereof. In certain aspects, the first metal coating comprises 36 Nickel or a nickel alloy. The second metal coating 38 may include copper, zinc, tin, nickel, combinations and alloys thereof. While the first metal coating 36 and the second metal coating 38 contain one or more of the same metals, each layer / coating has a specific composition and thus different melting points. In certain aspects, the second metal coating comprises 38 Copper or a copper alloy. In other aspects, the second metal coating may 38 a combination of copper and zinc, for example a brass alloy. In certain aspects, a brass alloy has zinc in the composition of less than or equal to about 32% by weight (to avoid the formation of undesirable phases) while the remainder may contain copper and impurities. In this way, the first metal coating 36 and the second different metal coating 38 different melting point temperatures, which may be advantageous for certain thermal spray processes, as further described below. In particular, the first metal layer or coating 36 may have a higher melting point than the second metal layer or coating 38. Thus, the second metal coating 38 may include, in certain variations, copper and nickel with nickel in the composition up to about 30% by weight and the remainder copper and impurities. In other aspects, the second metal coating may 38 Include nickel and tin, wherein tin is present in the composition up to about 30 wt .-% and the balance is nickel and impurities. Such a nickel-tin alloy has a low melting point / eutectic point of about 1130 ° C. In certain further aspects, the second metal coating may 38 Include nickel and zinc, wherein zinc is present in the composition up to about 40 wt .-% and the balance is nickel and impurities.

In bestimmten Aspekten kann die erste Metallbeschichtung 36 eine Dicke von etwa 1 Mikrometer aufweisen, während die zweite Metallbeschichtung 38 eine Dicke kleiner als oder gleich etwa 1 Mikrometer aufweisen kann. Somit ist die Dicke der zweiten Metallschicht oder -beschichtung 38 kleiner als die Dicke der ersten Metallschicht oder - beschichtung 36. Wenn die erste Metallbeschichtung 36 Nickel und die zweite Metallbeschichtung 38 Kupfer umfasst, kann das Kupfer in das Nickel diffundieren. Je mehr Kupfer von der zweiten Metallbeschichtung 38 in die erste Metallbeschichtung 36 diffundiert, desto niedriger ist die Höchsttemperatur, die während des thermischen Spritzens verwendet werden kann, während die Hohlstrukturen beibehalten werden (z. B. sodass die erste Metallbeschichtung 36 als eine hohle Form strukturell intakt bleibt, insbesondere wenn das Strukturmaterial 32 von der Mikrohohlkugel 30 entfernt worden ist). Die meiste Diffusion von Kupfer in Nickel findet jedoch nach dem thermischen Spritzverfahren statt, wenn eine nachfolgende Wärmebehandlung (z. B. zum Sintern) durchgeführt wird. Die endgültige Legierungszusammensetzung (die Ni-Cu-Legierung) kann potentiell eine Höchsttemperatur der Verwendung in der Endanwendung begrenzen (z. B. als ein Wärmedämmmaterial in einem Motor).In certain aspects, the first metal coating 36 have a thickness of about 1 micron while the second metal coating 38 a thickness may be less than or equal to about 1 micron. Thus, the thickness of the second metal layer or coating 38 is less than the thickness of the first metal layer or coating 36. When the first metal coating 36 Nickel and the second metal coating 38 Copper, the copper can diffuse into the nickel. The more copper from the second metal coating 38 in the first metal coating 36 diffuses, the lower the maximum temperature that can be used during thermal spraying while maintaining the hollow structures (eg, the first metal coating 36 as a hollow form remains structurally intact, especially when the structural material 32 from the hollow microsphere 30 has been removed). However, most diffusion of copper into nickel occurs after the thermal spray process when a subsequent heat treatment (eg, for sintering) is performed. The final alloy composition (the Ni-Cu alloy) can potentially limit a maximum end use temperature (eg, as a thermal insulation material in an engine).

Bei erneuter Bezugnahme auf 1 verwendet das HVOF-Verfahren eine Verbrennung, um Wärme zu erzeugen und dem Strahlstrom Geschwindigkeit zu verleihen. Die HVOF-Vorrichtung 100 beinhaltet zwei Brennstoffeinlässe 120 für einen Brennstoffstrom und zwei Oxidationsmitteleinlässe 122 zum Einführen eines sauerstoffhaltigen Stroms (oder anderen sauerstoffhaltigen Strömen). Es ist anzumerken, dass die Brennstoffeinlässe 120 und Oxidationsmitteleinlässe 122 nicht auf die Anzahl an Einlässen oder die Anordnung beschränkt sind, die in 3 dargestellt sind. Der Brennstoff kann Propan, Propylen und/ oder Wasserstoff als nicht einschränkendes Beispiel umfassen. Ferner können, obwohl nicht dargestellt, Kühleinlässe und -kanäle, die ein Kühlmittel zirkulieren, ebenfalls vorgesehen sein. Ein zentraler Einlass 130 empfängt einen Strom eines Trägergases und die Vielzahl von Mikrohohlkugeln 102, die darin aufgeblasen sind. Das Trägergas kann anhand eines nicht einschränkenden Beispiels ein Inertgas, wie etwa Stickstoff und/ oder Argon sein, oder das Trägergas kann die gleiche Zusammensetzung wie der sauerstoffhaltige Strom oder Brennstoffstrom aufweisen. In bestimmten nicht dargestellten alternativen Konstruktionen könnte der zentrale Einlass 130 weggelassen oder modifiziert werden, sodass die Mikrohohlkugeln direkt in den/ die Brennstoffstrom(-ströme) oder Oxidationsmittelstrom(-ströme) eingeführt werden.With renewed reference to 1 The HVOF process uses combustion to generate heat and give velocity to the jet stream. The HVOF device 100 includes two fuel inlets 120 for a fuel stream and two oxidant inlets 122 for introducing an oxygen-containing stream (or other oxygen-containing streams). It should be noted that the fuel inlets 120 and oxidant inlets 122 are not limited to the number of entrances or the arrangement in 3 are shown. The fuel may include propane, propylene and / or hydrogen as a non-limiting example. Further, although not shown, cooling inlets and channels circulating a coolant may also be provided. A central inlet 130 receives a stream of carrier gas and the plurality of hollow microspheres 102 that are inflated in it. The carrier gas may, by way of non-limiting example, be an inert gas, such as nitrogen and / or argon, or the carrier gas may have the same composition as the oxygen-containing stream or fuel stream. In certain alternative constructions, not shown, the central inlet could 130 may be omitted or modified so that the hollow microspheres are introduced directly into the fuel stream (s) or oxidant stream (s).

In der HVOF-Vorrichtung 100 kombinieren sich der sauerstoffhaltige Strom und der Brennstoff in einem Mischbereich 132. Der gemischte Strom wird in eine Brennkammer 134 eingeführt, in der eine exotherme Verbrennungsreaktion stattfindet. Das Trägergas und die Mikrohohlkugeln 102 gelangen in und durch die Brennkammer 134, in der sie erhitzt werden und dann in eine Düse 136 eindringen. Ein Strahlstrom 140 mit hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit tritt aus der Düse 136 aus. Der Strahlstrom 140 kann in bestimmten Variationen eine Überschall-Spritzflamme sein. Die Betriebsparameter für die HVOF-Vorrichtung 100 werden gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung ausgewählt, um das Erweichen, Haften und Verbinden der Mikrokugeln auf dem Substrat zu fördern, während der Einbruch oder das Reißen der inneren Hohlraumbereiche minimiert wird.In the HVOF device 100 The oxygen-containing stream and the fuel combine in a mixed area 132 , The mixed stream is in a combustion chamber 134 introduced, in which an exothermic combustion reaction takes place. The Carrier gas and the hollow microspheres 102 arrive in and through the combustion chamber 134 in which they are heated and then into a nozzle 136 penetration. A beam current 140 high temperature and high speed comes out of the nozzle 136 out. The beam current 140 may be a supersonic spray flame in certain variations. The operating parameters for the HVOF device 100 are selected in accordance with certain aspects of the present disclosure to promote softening, adherence, and bonding of the microspheres to the substrate while minimizing break-in or tearing of the interior void areas.

In bestimmten Aspekten wird beispielsweise eine Höchsttemperatur des Strahlstroms 140 (und innerhalb der HVOF-Vorrichtung 100) so ausgewählt, dass sie mindestens etwa 50 °C unter einem Schmelzpunkt eines ausgewählten Metalls liegt, das die Mikrohohlkugeln 102 bildet, beispielsweise ein erstes Metall in der ersten Metallschicht/ -beschichtung. Somit liegt in bestimmten Aspekten, wenn das Metall Nickel ist, eine Höchsttemperatur mindestens 50 °C unter der Schmelztemperatur von Nickel von 1455 °C, sodass eine Höchsttemperatur im HVOF-Verfahren und dem Strahlstrom kleiner als etwa 1405 °C (oder etwa 1400 °C) ist. In bestimmten Variationen begegnet der Strom (und die Mikrokugeln) während des gesamten Verfahrens einer Höchsttemperatur während des Einspritzens, die größer als oder gleich etwa 900 °C bis kleiner als oder gleich etwa 1400 °C ist; optional größer als oder gleich etwa 1000 °C bis kleiner als oder gleich etwa 1300 °C und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich etwa 1100 °C bis kleiner als oder gleich etwa 1200 °C ist. Die Betriebstemperatur und die Drücke, die im HVOF verwendet werden, können abgestimmt werden, um die Ablagerung von verschiedenen Mikrokugeln, wie solchen, die Mikrokugeln aus Nickel oder Eisen (z. B., Stahl oder Edelstahl) umfassen, auf einer Oberfläche zu ermöglichen, ohne mindestens eine Schicht der Mikrokugeln zu schmelzen. Durch Verwendung von HVOF und anderen ähnlichen thermischen Spritztechnologien können Mikrohohlkugeln schnell auf Oberflächen abgelagert werden. Die Temperaturen in der Spritzvorrichtung und den Mikrokugeln können angepasst werden, sodass die Mikrokugeln nicht einbrechen, sondern beim Aufprall auf eine Oberfläche des Zielsubstrats eine erste Bindung entwickeln.For example, in certain aspects, a maximum temperature of the jet stream 140 (and within the HVOF device 100 ) is selected to be at least about 50 ° C below a melting point of a selected metal forming the hollow microspheres 102, for example a first metal in the first metal layer / coating. Thus, in certain aspects, when the metal is nickel, a maximum temperature is at least 50 ° C below the melting temperature of 1455 ° C nickel, so that a maximum HVOF process and jet stream temperature is less than about 1405 ° C (or about 1400 ° C ). In certain variations, throughout the process, the stream (and microspheres) encounters a maximum injection temperature that is greater than or equal to about 900 ° C to less than or equal to about 1400 ° C; optionally greater than or equal to about 1000 ° C to less than or equal to about 1300 ° C, and in certain aspects optionally greater than or equal to about 1100 ° C to less than or equal to about 1200 ° C. The operating temperature and pressures used in the HVOF can be tuned to enable the deposition of various microspheres, such as those comprising nickel or iron (eg, steel or stainless steel) microspheres, on a surface. without melting at least one layer of the microspheres. By using HVOF and other similar thermal spray technologies, hollow microspheres can be rapidly deposited on surfaces. The temperatures in the sprayer and the microspheres can be adjusted so that the microspheres do not break but develop a first bond upon impact with a surface of the target substrate.

In bestimmten Variationen, bei denen ein erstes Metall in einer ersten Schicht zusammen mit einem zweiten Metall als Teil einer zweiten Schicht der Mikrohohlkugeln vorhanden ist, kann die Höchsttemperatur im HVOF-Verfahren mindestens 50 °C unter dem Schmelzpunkt des ersten Metalls liegen, kann jedoch den Schmelzpunkt des zweiten Metalls auf der äußeren Beschichtung erreichen oder überschreiten. Die zweite Metallschicht und/oder zweite Schicht wird somit erweicht und teilweise oder vollständig geschmolzen, um die Haftung und Bindung zu verbessern, wenn die Mikrohohlkugeln auf dem Substrat 110 abgeschieden werden. Somit kann das erste Metall in bestimmten Variationen Nickel mit einem Schmelzpunkt von etwa 1455 °C sein und das zweite Metall Kupfer mit einem Schmelzpunkt von etwa 1084 °C sein, sodass die Höchsttemperatur des Strahlstroms unter dem Schmelzpunkt von Nickel, jedoch oberhalb des Schmelzpunktes von Kupfer liegen kann. Bei einer solchen Variation kann die Höchsttemperatur größer als oder gleich etwa 1110 °C bis kleiner als oder gleich etwa 1400 °C sein. Die Temperatur des Strahlstroms kann beispielsweise oberhalb des Kupferschmelzpunkts von etwa 1084 °C liegen, wenn die Mikrokugeln das Ziel treffen, jedoch die Höchsttemperatur während des thermischen Spritzens 1455 °C (dem Schmelzpunkt von Nickel) nicht erreicht. Insbesondere kühlen die Mikrohohlteilchen etwas ab, wenn sie die Pistole verlassen, sodass höhere Höchsttemperaturen in der Pistole thermischen Spritzvorrichtung über 1100 °C betragen und abkühlen können, wenn sich die Mikrohohlteilchen dem Ziel nähern und mit diesem in Kontakt kommen. Wenn die zweite Schicht Kupfer und Zink umfasst, ist die Schmelzpunkttemperatur niedriger. Eine Messinglegierung, die Kupfer und etwa 32 Gew.-% Zink umfasst, weist beispielsweise einen Schmelzpunkt von etwa 903 °C auf, sodass die obigen thermischen Spritztemperaturen entsprechend eingestellt werden können. Die Temperatur des Strahlstroms kann nahe oder über dem Schmelzpunkt der Messinglegierung von etwa 903 °C liegen, wenn die Mikrokugeln auf das Ziel treffen, die Höchsttemperatur des Strahlstroms während des thermischen Spritzens bleibt jedoch unter 1455 °C (dem Schmelzpunkt von Nickel).In certain variations, where a first metal is present in a first layer together with a second metal as part of a second layer of hollow microspheres, the HVOF maximum temperature may be at least 50 ° C below the melting point of the first metal but may be Reach or exceed the melting point of the second metal on the outer coating. The second metal layer and / or second layer is thus softened and partially or completely melted to improve adhesion and bonding when the hollow microspheres are on the substrate 110 be deposited. Thus, in certain variations, the first metal may be nickel with a melting point of about 1455 ° C and the second metal copper with a melting point of about 1084 ° C such that the maximum temperature of the jet stream is below the melting point of nickel but above the melting point of copper can lie. In such variation, the maximum temperature may be greater than or equal to about 1110 ° C to less than or equal to about 1400 ° C. For example, the temperature of the jet stream may be above the copper melting point of about 1084 ° C when the microspheres strike the target but do not reach the maximum temperature during thermal spraying 1455 ° C (the melting point of nickel). Specifically, the microcavities cool somewhat as they exit the gun so that higher maximum temperatures in the gun thermal sprayer can exceed 1100 ° C and cool as the microbubbles approach and contact the target. When the second layer comprises copper and zinc, the melting point temperature is lower. For example, a brass alloy comprising copper and about 32% by weight of zinc has a melting point of about 903 ° C, so that the above thermal spraying temperatures can be adjusted accordingly. The temperature of the jet stream may be near or above the melting point of the brass alloy of about 903 ° C when the microspheres strike the target, however, the maximum jet stream temperature during thermal spraying remains below 1455 ° C (the melting point of nickel).

Der Strahlstrom wird auf eine Oberfläche des Substrats 110 gerichtet, wo mehrere Mikrohohlstrukturen 142 in einer kohäsiven isolierenden Beschichtung 144 mit hoher Porosität abgeschieden wird. Das Substrat kann aus einer Vielzahl von Materialien gebildet sein, die hohen Temperaturen widerstehen können, einschließlich Metallen, Keramiken und dergleichen. In bestimmten Aspekten umfasst das Substrat mindestens ein Metall, ausgewählt aus: Nickel, Eisen, Kupfer, Zink, Zinn, Aluminium, Magnesium, Kombinationen und Legierungen davon. Das Substrat kann in bestimmten Variationen Stahl, Superlegierungen, wie etwa Inconel-Nickel-Superlegierungen, Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen, als nicht einschränkendes Beispiel beinhalten.The beam current is applied to a surface of the substrate 110 directed, where several micro hollow structures 142 in a cohesive insulating coating 144 is deposited with high porosity. The substrate may be formed from a variety of materials that can withstand high temperatures, including metals, ceramics, and the like. In certain aspects, the substrate comprises at least one metal selected from: nickel, iron, copper, zinc, tin, aluminum, magnesium, combinations and alloys thereof. The substrate may include, in certain variations, steel, superalloys such as Inconel nickel superalloys, aluminum alloys, and magnesium alloys, as a non-limiting example.

Das Substrat 110 kann eine Beschichtung umfassen oder aus einem Material gebildet sein, das die Haftung der Mikrohohlstrukturen fördert. Die Oberfläche kann mindestens ein Metall umfassen, ausgewählt aus: Kupfer, Zink, Zinn, Nickel, Aluminium, Kombinationen und Legierungen davon. Die Oberfläche kann eine metallische Oberflächenbeschichtung aufweisen oder aus einem Kupfer und/oder Zink und/oder deren Legierungen umfassenden Metall gebildet sein. Die Kupfer und/oder Zink umfassende Beschichtung kann auf jedes wärmebeständige Substrat durch Galvanik, stromlose Abscheidung, Aufdampfung, Flammspritzen, Lackieren und dergleichen aufgebracht werden. In einer Variation kann das Substrat 110 aus einem kupferhaltigen Material gebildet sein oder kann eine kupferhaltige Beschichtung umfassen. Wenn das Substrat 110 beschichtet ist, kann das Substrat jede Art von hitzebeständigem Materialien umfassen, einschließlich Stahl, Superlegierungen, wie etwa Inconel-Nickel-Superlegierungen, als nicht einschränkendes Beispiel.The substrate 110 may comprise a coating or be formed of a material that promotes the adhesion of the micro-hollow structures. The surface may comprise at least one metal selected from: copper, zinc, tin, nickel, aluminum, combinations and alloys thereof. The Surface may have a metallic surface coating or may be formed from a metal comprising copper and / or zinc and / or their alloys. The coating comprising copper and / or zinc may be applied to any heat-resistant substrate by electroplating, electroless plating, vapor deposition, flame spraying, painting and the like. In a variation, the substrate may be 110 be formed of a copper-containing material or may comprise a copper-containing coating. If the substrate 110 As a non-limiting example, the substrate may comprise any type of refractory material, including steel, superalloys such as Inconel nickel superalloys.

Die resultierende thermische Spritzbeschichtung umfasst benachbarte und/oder überlappende Mikrohohlstrukturen. Nach dem thermischen Spritzen auf das Substrat 110 weist ein wesentlicher Abschnitt der Mikrohohlstrukturen 142 wünschenswerterweise immer noch intakte Porenbereiche auf, beispielsweise weisen mehr als etwa 80 % der Mikrohohlstrukturen intakte Hohlräume, optional mehr als etwa 90 %, optional mehr als etwa 95 %, optional mehr als etwa 97 %, und in einigen Aspekten bleiben optional mehr als etwa 98 % der Hohlräume innerhalb den Mikrohohlstrukturen nach der Abscheidung intakt. In bestimmten Variationen können die abgeschiedenen Mikrohohlstrukturen 142 die gleiche Mikrokugelform wie die in die HVOF-Vorrichtung 100 eingeführten Vorläufer aufweisen, jedoch es ist auch möglich, dass sie sich auch in andere Formen verformen oder verzerren können.The resulting thermal spray coating comprises adjacent and / or overlapping micro hollow structures. After thermal spraying on the substrate 110 shows an essential section of the micro hollow structures 142 For example, more than about 80% of the micro-hollow structures may have intact voids, optionally more than about 90%, optionally more than about 95%, optionally more than about 97%, and in some aspects optionally more than about 98 % of the voids within the micro hollow structures after deposition intact. In certain variations, the deposited micro hollow structures may 142 the same microsphere shape as that in the HVOF device 100 However, it is also possible that they may deform or distort into other forms.

Dementsprechend können die abgeschiedenen Mikroteilchen nach dem thermischen Spritzen eine gewisse Formverzerrung aufweisen, behalten jedoch wünschenswerterweise einen inneren eingeschlossenen Hohlraumbereich bei, wodurch die isolierenden Eigenschaften der abgeschiedenen Beschichtung verstärkt und erhalten werden. Als solches umfasst eine isolierende Beschichtung 200, die auf einem Substrat 210 durch thermisches Spritzen, wie in 4 dargestellt, ausgebildet ist, Mikrohohlstrukturen (gebildet durch Ablagerung der Mikrokugeln) mit intakten Hohlraumbereichen. Die isolierende Beschichtung mit solchen Mikrohohlstrukturen weist wünschenswerterweise eine Wärmeleitfähigkeit (K) kleiner als oder gleich etwa 1000 mW/m·K bei Standardtemperatur- und Druckbedingungen auf, gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 500 mW/m·K, kleiner als oder gleich etwa 250 mW/m·K, optional kleiner als oder gleich etwa 200 mW/m·K, optional kleiner als oder gleich etwa 100 mW/m·K, optional weniger als oder gleich etwa 50 mW/m·K und in bestimmten Variationen gegebenenfalls kleiner als oder gleich etwa 20 mW/m·K auf. Standardtemperatur- und Druckbedingungen betragen etwa 32 °F oder 0 °C und ein absoluter Druck von etwa 1 atm oder 100 kPa.Accordingly, the deposited microparticles may have some shape distortion after thermal spraying, but desirably maintain an internal trapped cavity area, thereby enhancing and maintaining the insulating properties of the deposited coating. As such, an insulating coating comprises 200 on a substrate 210 by thermal spraying, as in 4 is shown formed micro hollow structures (formed by deposition of the microspheres) with intact cavity areas. The insulating coating with such micro hollow structures desirably has a thermal conductivity (K) less than or equal to about 1000 mW / mK at standard temperature and pressure conditions, optionally less than or equal to about 500 mW / mK, less than or equal to about 250 mW / m · K, optionally less than or equal to about 200 mW / m · K, optionally less than or equal to about 100 mW / m · K, optionally less than or equal to about 50 mW / m · K, and possibly smaller in certain variations than or equal to about 20 mW / m · K. Standard temperature and pressure conditions are about 32 ° F or 0 ° C and an absolute pressure of about 1 atm or 100 kPa.

Ferner weist die isolierende Beschichtung mit solchen Mikrohohlstrukturen wünschenswerterweise eine Wärmekapazität (cv - volumetrischen Wärmekapazität) kleiner oder gleich etwa 5000 kJ/m3·K, optional kleiner als oder gleich etwa 1000 kJ /m3·K, optional kleiner als oder gleich etwa 500 kJ/m3·K, optional kleiner als oder gleich etwa 100 kJ/m3·K und in bestimmten Variationen optional kleiner als oder gleich etwa 50 kJ/m3·K auf. In einer Variation weist die isolierende Beschichtung eine Wärmeleitfähigkeit (K) kleiner als oder gleich etwa 100 mW/m·K und eine Wärmekapazität (cv) kleiner oder gleich etwa 100 kJ/m3·K auf.Further, the insulating coating having such micro hollow structures desirably has a heat capacity (c v - volumetric heat capacity) equal to or less than about 5000 kJ / m 3 · K, optionally less than or equal to about 1000 kJ / m 3 · K, optionally less than or equal to about 500 kJ / m 3 · K, optionally less than or equal to about 100 kJ / m 3 · K, and in certain variations optionally less than or equal to about 50 kJ / m 3 · K. In one variation, the insulating coating has a thermal conductivity (K) less than or equal to about 100 mW / m · K and a heat capacity (c v ) less than or equal to about 100 kJ / m 3 · K.

Die isolierende Beschichtung 200, die durch thermisches Spritzen abgeschieden wird, wie etwa HVOF, kann dicht gepackte Mikrohohlstrukturen 212 aufweisen. In bestimmten Aspekten umfasst die isolierende Beschichtung 200, die mehrere Mikrohohlstrukturen 212 aufweist, die durch thermisches Spritzen (z. B. HVOF-Abscheidung) abgeschieden werden, eine hohe offene Porosität, beispielsweise mit einer Nettoporosität von größer als oder gleich etwa 80 Vol.-% des Gesamtvolumens der Beschichtung auf. Nettoporosität bedeutet, dass ein Gesamtporositätsvolumen sowohl ein Volumen von Hohlräumen innerhalb der Nanostrukturen als auch ein Volumen von Poren, die zwischen Nanostrukturen definiert sind, umfasst. In bestimmten Variationen ist eine solche Nettoporosität größer oder gleich etwa 85 Vol.-%, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 90 Vol.-% und in bestimmten Variationen gegebenenfalls größer oder gleich etwa 95 Vol.-%.The insulating coating 200 that is deposited by thermal spraying, such as HVOF, can form densely packed micro-hollow structures 212 exhibit. In certain aspects, the insulating coating comprises 200 containing several micro hollow structures 212 which are deposited by thermal spraying (eg, HVOF deposition) has a high open porosity, for example, with a net porosity of greater than or equal to about 80% by volume of the total volume of the coating. Net porosity means that a total porosity volume includes both a volume of voids within the nanostructures and a volume of voids defined between nanostructures. In certain variations, such net porosity is greater than or equal to about 85% by volume, optionally greater than or equal to about 90% by volume, and in certain variations optionally greater than or equal to about 95% by volume.

In bestimmten Variationen kann die isolierende Beschichtung 200 eine durchschnittliche Dicke kleiner als oder gleich etwa 4000 Mikrometer (4 µm), optional kleiner als oder gleich etwa 2000 Mikrometer (2 µm), optional kleiner als oder gleich etwa 1000 Mikrometer (1 µm), optional kleiner als oder gleich etwa 500 Mikrometer, optional kleiner als oder gleich etwa 400 Mikrometer, optional kleiner als oder gleich etwa 300 Mikrometer, optional weniger als oder gleich etwa 200 Mikrometer, optional kleiner als oder gleich etwa 100 Mikrometer, optional kleiner als oder gleich etwa 75 Mikrometer und in bestimmten Variationen optional kleiner als oder gleich etwa 50 Mikrometer aufweisen. In bestimmten Aspekten ist eine durchschnittliche Dicke der isolierenden Beschichtung 200 größer als oder gleich etwa 100 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 4000 Mikrometer, optional größer als oder gleich etwa 100 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 500 Mikrometer, optional größer als oder gleich etwa 100 Mikrometer bis kleiner als oder gleich etwa 300 Mikrometer. In einer Variation weist die isolierende Beschichtung eine Dicke kleiner als oder gleich etwa 200 Mikrometer (µm) auf. Es sollte angemerkt werden, dass die gewünschte Dicke der Beschichtung von der Anwendung abhängen kann, in der die isolierende Beschichtung verwendet wird, sodass eine dickere Beschichtung und/oder Beschichtung mit größerer Masse in Anwendungen geeignet sein kann, in denen eine langsamere thermische Reaktion akzeptabel ist, während eine dünnere Beschichtung oder eine leichtere Beschichtung ausgewählt werden kann, wenn schnellere thermische Reaktionen wünschenswert sind.In certain variations, the insulating coating can 200 an average thickness less than or equal to about 4000 microns ( 4 μm), optionally less than or equal to about 2000 microns ( 2 μm), optionally less than or equal to about 1000 micrometers ( 1 microns), optionally less than or equal to about 500 microns, optionally less than or equal to about 400 microns, optionally less than or equal to about 300 microns, optionally less than or equal to about 200 microns, optionally less than or equal to about 100 microns, optionally smaller at or about 75 microns, and optionally in certain variations, less than or equal to about 50 microns. In certain aspects, an average thickness of the insulating coating is 200 greater than or equal to about 100 microns to less than or equal to about 4000 microns, optionally greater than or equal to about 100 microns to less than or equal to about 500 microns, optionally greater than or equal to about 100 microns to less than or equal to about 300 microns. In one variation, the insulating coating has a thickness less than or equal to about 200 microns (μm). It It should be noted that the desired thickness of the coating may depend on the application in which the insulating coating is used, so that a thicker coating and / or higher mass coating may be suitable in applications where a slower thermal response is acceptable. while a thinner coating or lighter coating can be selected if faster thermal reactions are desired.

In bestimmten Aspekten ist die Isolierschicht 200 in der Lage, Drücken größer als oder gleich etwa 8 MPa, optional größer als oder gleich etwa 10 MPa, optional größer als oder gleich etwa 15 MPa und in bestimmten Aspekten größer als oder gleich etwa 20 MPa ohne Ausfall zu widerstehen. Im Hinblick auf die Hochtemperaturleistung ist die isolierende Schicht in bestimmten Variationen so konfiguriert, dass sie Oberflächentemperaturen größer als oder gleich etwa 200 °C, optional größer als oder gleich etwa 250 °C, optional größer als oder gleich etwa 300 °C, optional größer als oder gleich etwa 500 °C, optional größer als oder gleich etwa 700 °C, optional größer als oder gleich etwa 1000 °C und optional größer als oder gleich etwa 1300 °C ohne Ausfall standhält. Die Wärmekapazität kann sicherstellen, dass die Oberfläche des Substrats 210, auf der die Beschichtung 200 angeordnet ist, beispielsweise nicht über etwa 250 °C ansteigt.In certain aspects, the insulating layer is 200 capable of withstanding pressures greater than or equal to about 8 MPa, optionally greater than or equal to about 10 MPa, optionally greater than or equal to about 15 MPa, and in certain aspects greater than or equal to about 20 MPa without failure. In terms of high temperature performance, the insulating layer is, in certain variations, configured to have surface temperatures greater than or equal to about 200 ° C, optionally greater than or equal to about 250 ° C, optionally greater than or equal to about 300 ° C, optionally greater than or equal to about 500 ° C, optionally greater than or equal to about 700 ° C, optionally greater than or equal to about 1000 ° C and optionally greater than or equal to about 1300 ° C without failure. The heat capacity can ensure that the surface of the substrate 210 on which the coating 200 is arranged, for example, does not rise above about 250 ° C.

Wie für Fachleute ersichtlich ist, kann die isolierende Schicht 200 tatsächlich mehrere Mikrostrukturen 212 mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, Größen oder Formen aufweisen. Solche Mikrostrukturen können während des thermischen Spritzens miteinander vermischt werden oder nacheinander als verschiedene Schichten (z. B. verschiedene Zusammensetzungsschichten innerhalb der isolierenden Beschichtung) übereinander aufgebracht werden.As will be apparent to those skilled in the art, the insulating layer may 200 actually several microstructures 212 having different compositions, sizes or shapes. Such microstructures may be mixed together during thermal spraying or superimposed successively as distinct layers (eg, different composition layers within the insulating coating).

Bei erneuter Bezugnahme auf 1, kann das thermische Spritzen in bestimmten Aspekten optional bei Umgebungsbedingungen oder bei einem Druck größer als oder gleich etwa 0,5 MPa durchgeführt werden. Wenn auf diese Weise ein positiver Druck in der Umgebung des Strahlstroms 140 und in der Nähe des Substrats 110 angelegt wird, kann die Volumenausdehnung und -kontraktion aufgrund von Temperaturänderungen der Mikrohohlkugeln 102 und/oder der abgeschiedenen Mikrohohlstrukturen 142 unterdrückt und minimiert werden, während der Druck erhöht wird.With renewed reference to 1 In some aspects, thermal spraying may optionally be performed at ambient conditions or at a pressure greater than or equal to about 0.5 MPa. If in this way a positive pressure in the vicinity of the jet stream 140 and near the substrate 110 is applied, the volume expansion and contraction due to temperature changes of the hollow microspheres 102 and / or the deposited micro hollow structures 142 be suppressed and minimized while the pressure is increased.

In bestimmten alternativen Aspekten können die abgeschiedenen Mikroteilchen nach dem thermischen Spritzen auf Umgebungsbedingungen abgekühlt und dann weiterverarbeitet werden. Die Mikrohohlstrukturen 212 können beispielsweise in der isolierenden Beschichtung 200 weiter wärmebehandelt werden, um zusätzliches Verbinden und Sintern zu fördern, um die Stabilität der Beschichtung zu verbessern. Ein exemplarisches Heizverfahren zum Sintern kann das Erwärmen einer aufgebrachten Schicht von Mikrokugeln auf dem Substrat (das sowohl ein erstes Metall in einer ersten Schicht als auch ein zweites Metall in einer zweiten Schicht aufweist) auf eine Temperatur unterhalb der Solidustemperatur des zweiten Metalls beinhalten. Die zweite Metallschicht kann beispielsweise ein Cu- oder eine Cu-Zn-Legierung umfassen. Reines Cu kann somit auf unter 1084 °C (Kupfer-Solidustemperatur) erhitzt werden, während eine Cu-Zn-Legierung mit weniger als 32 Gew.-% Zn auf unter etwa 900 °C erhitzt werden kann. In einem Beispiel kann das Sintern bei einer Temperatur von etwa 800 °C in einer inerten Atmosphäre, wie etwa Argon, durchgeführt werden. Die Wärmebehandlung zum Sintern kann für mehr als oder gleich etwa 1 Stunde, optional für mehr als oder gleich etwa 2 Stunden, optional für mehr als oder gleich etwa 4 Stunden, optional für mehr als oder gleich etwa 6 Stunden und in bestimmten Variationen mehr oder gleich etwa 8 Stunden durchgeführt werden. In einer weiteren Variation kann die Temperatur langsam über die Schmelztemperatur des zweiten Metalls (z. B. Cu) erhöht werden, vorausgesetzt, dass das zweite Metall in die erste Metallschicht diffundiert (z. B. Ni), wo die Legierung, die sowohl das erste Metall als auch das zweite Metall enthält, eine höhere Schmelztemperatur als das zweite Metall allein aufweist.In certain alternative aspects, the deposited microparticles may be cooled to ambient conditions after thermal spraying and then further processed. The micro hollow structures 212 For example, in the insulating coating 200 be further heat treated to promote additional bonding and sintering to improve the stability of the coating. An exemplary heating method for sintering may include heating an applied layer of microspheres on the substrate (having both a first metal in a first layer and a second metal in a second layer) to a temperature below the solidus temperature of the second metal. The second metal layer may comprise, for example, a Cu or a Cu-Zn alloy. Pure Cu can thus be heated to below 1084 ° C (copper solidus temperature) while a Cu-Zn alloy having less than 32 wt% Zn can be heated to below about 900 ° C. In one example, sintering may be performed at a temperature of about 800 ° C in an inert atmosphere, such as argon. The heat treatment for sintering may be more than or equal to about 1 hour, optionally for greater than or equal to about 2 hours, optionally for greater than or equal to about 4 hours, optionally for greater than or equal to about 6 hours, and in certain variations more or equal about 8 hours. In a further variation, the temperature may be slowly increased above the melting temperature of the second metal (eg, Cu), provided that the second metal diffuses into the first metal layer (eg, Ni), where the alloy containing both the first metal as well as the second metal, has a higher melting temperature than the second metal alone.

Ferner können nach dem Abscheiden zusätzliche Schichten über der isolierenden Beschichtung 200 abgeschieden werden, beispielsweise Keramiken, Nickel, Vanadium, Molybdän oder andere Hochtemperaturmetalle.Further, after deposition, additional layers may be over the insulating coating 200 are deposited, for example ceramics, nickel, vanadium, molybdenum or other high-temperature metals.

In bestimmten Variationen kann das Substrat aus einem Substrat gebildet sein, das eine geringere Hitzebeständigkeit aufweisen kann, wie etwa Aluminium, das typischerweise nicht auf Temperaturen über 800 °C erhitzt wird. In einer solchen Anwendung kann eine Oberflächenbeschichtung auf der Oberfläche des Aluminiums angeordnet sein und die abgeschiedenen Mikroteilchen können auf der Oberflächenbeschichtung angeordnet sein. Die abgeschiedenen Mikroteilchen können von einer Außenseite erwärmt werden, während das Aluminiumsubstrat selbst kühl bleibt. Alternativ kann ein Zwischensubstrat, wie etwa ein Graphit-Wafer mit galvanisch erzeugtem Nickel, verwendet werden. Die Mikrohohlteilchen werden auf den Nickel-Wafer aufgebracht und dann gesintert. Diese Materialien können zu einer Form hinzugefügt werden, und die Aluminium- oder eine andere Tieftemperaturlegierung kann darum gegossen werden. Eine noch andere Variation ist die Verwendung eines Zwischensubstrats, wie etwa des oben beschriebenen Nickel-Wafers. Die Mikrohohlteilchen werden auf den Nickel-Wafer aufgebracht und dann gesintert. Das Niedertemperatursubstrat kann eine Oberflächenbeschichtung als eine Bindeschicht aufweisen, ein Aluminiumsubstrat kann beispielsweise eine Kupfer- und/oder Zinkoberflächenbeschichtung für eine Bindeschicht aufweisen. Der Wafer mit gesinterten Mikrohohlteilchen kann dann zum Kolben gesintert werden. Diese sekundäre Sintertemperatur ist viel geringer als die anfängliche Sintertemperatur für die Mikrohohlteilchen (z. B. umfassend Nickel). Somit kann das Substrat optional eine nickelhaltige oder eisenhaltige Versiegelungsschicht umfassen und diese Versiegelungsschicht könnte auch eine feine Kupfer- oder Kupfer- und Nickelbeschichtung aufweisen, um die Bindung zu fördern.In certain variations, the substrate may be formed from a substrate which may have lower heat resistance, such as aluminum, which typically is not heated to temperatures above 800 ° C. In such an application, a surface coating may be disposed on the surface of the aluminum and the deposited microparticles may be disposed on the surface coating. The deposited microparticles can be heated from an outside while the aluminum substrate itself remains cool. Alternatively, an intermediate substrate, such as a graphite nickel-plated nickel wafer, may be used. The micro-hollow particles are applied to the nickel wafer and then sintered. These materials can be added to a mold, and the aluminum or other cryogenic alloy can therefore be cast. Yet another variation is the use of an intermediate substrate, such as the nickel wafer described above. The micro hollow particles are deposited on the nickel Wafer applied and then sintered. The low-temperature substrate may have a surface coating as a bonding layer, for example, an aluminum substrate may have a copper and / or zinc surface coating for a bonding layer. The wafer with sintered micro hollow particles can then be sintered to the piston. This secondary sintering temperature is much lower than the initial sintering temperature for the micro-cellular particles (eg, comprising nickel). Thus, the substrate may optionally comprise a nickel-containing or iron-containing sealant layer, and this sealant layer could also have a fine copper or copper and nickel coating to promote bonding.

In einer Variation kann die isolierende Beschichtung in eine Wärmedämmverbundanordnung 250 integriert sein, wie in 5 dargestellt. Eine Wärmedämmschicht 260 ist auf einem Substrat 262 angeordnet, um die Wärmedämmverbundanordnung 250. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform kann das Substrat 262 jede Art von hitzebeständigen Materialien umfassen, einschließlich Stahl, Superlegierungen, wie etwa Inconel-Nickel-Superlegierungen, Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen, als nicht einschränkendes Beispiel.In a variation, the insulating coating may be in a composite thermal insulation arrangement 250 be integrated as in 5 shown. A thermal barrier coating 260 is on a substrate 262 arranged to the thermal insulation composite arrangement 250 , In a non-limiting embodiment, the substrate may be 262 Any type of refractory materials, including steel, include superalloys such as Inconel nickel superalloys, aluminum alloys, and magnesium alloys, as a non-limiting example.

Die Wärmedämmschicht 260 beinhaltet mehrere Schichten (und kann mehr als 3 Schichten als die in 5 dargestellten aufweisen). Eine optionale erste Schicht 264 (falls verwendet) ist eine Bindeschicht, die auf einer Oberfläche des Substrats 262 angeordnet ist. Eine zweite Schicht 270 ist eine isolierende Schicht, die mehrere Mikrohohlstrukturen umfasst, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung ausgebildet sind. Die erste Schicht 264 erleichtert das Verbinden des Substrats 262 und der zweiten Schicht 270. Eine dritte Schicht 272, die über der zweiten Schicht 270 angeordnet ist, dient als eine Dichtungsschicht, die über der zweiten Schicht 270 angeordnet ist. Die dritte Schicht kann ein dünner Film sein, der so konfiguriert ist, um den hohen Temperaturen zu widerstehen und als eine Versiegelungsschicht dient, die für Gase undurchlässig ist und eine glatte Oberfläche aufweist.The thermal barrier coating 260 includes several layers (and can have more than 3 layers than the ones in 5 have shown). An optional first layer 264 (if used) is a tie layer that is on a surface of the substrate 262 is arranged. A second layer 270 FIG. 12 is an insulating layer that includes a plurality of micro-hollow structures formed in accordance with certain aspects of the present disclosure. The first shift 264 facilitates bonding of the substrate 262 and the second layer 270. A third layer 272 that over the second layer 270 is arranged, serves as a sealing layer over the second layer 270 is arranged. The third layer may be a thin film configured to withstand the high temperatures and serves as a sealing layer that is impermeable to gases and has a smooth surface.

Die optionale erste Schicht 264, die als eine Bindeschicht dient, kann aus einem Metall gebildet sein, das Kupfer oder Zink umfasst, das mit der Oberfläche des Substrats 262 und der darauf abgeschiedenen zweiten Schicht 270 mittels jeder der oben beschriebenen Techniken diffundieren und sich verbinden kann. In einer Variation kann die erste Schicht 264 Messing umfassen, welches ein Kupfer-Zink (Cu-Zn)-Legierungsmaterial ist. Wenn das Substrat 262 Aluminium ist und die Mikrokugeln Nickel und/oder Eisen umfassen, können in einer Variation Kupfer und Zink zum Einschluss in die erste Schicht 264 ausgewählt werden. Kupfer und Zink weisen beide eine gute Löslichkeit in Aluminium, Nickel und Eisen auf, während Eisen und Nickel eine sehr geringe Löslichkeit in Aluminium aufweisen. Die erste Schicht, die eine Kupfer- und Zinklegierung umfasst, kann auf Aluminiumsubstraten, wie etwa aluminiumhaltigen Kolben, verwendet werden. Substrate, die aus Stahl oder Inconel bestehen, wie etwa Ventile, können eine optionale erste Schicht 264 zum Verbinden aufweisen, um das Verbinden der zweiten Schicht 270 zu verbessern, obwohl eine solche Bindeschicht für diese Substrate nicht notwendig sein muss. Somit sieht eine erste Schicht 264 mit Kupfer und/oder Zink eine Zwischenstrukturschicht zwischen dem Substrat 262 und der zweiten Schicht 270 vor, um eine Diffusionsverbindung zwischen dem Aluminiumsubstrat und Nickel- oder Eisenmikrostrukturen zu fördern. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das Substrat 262, die erste Schicht 264 und die zweite Schicht 270 nicht auf Aluminium, Nickel, Eisen und Messing beschränkt sind, sondern andere Materialien umfassen können.The optional first layer 264 which serves as a bonding layer may be formed of a metal comprising copper or zinc which is bonded to the surface of the substrate 262 and the second layer deposited thereon 270 diffuse and connect by any of the techniques described above. In a variation, the first layer 264 may comprise brass, which is a copper-zinc (Cu-Zn) alloy material. If the substrate 262 Aluminum is and the microspheres include nickel and / or iron, may be in a variation of copper and zinc to be included in the first layer 264 to be selected. Both copper and zinc show good solubility in aluminum, nickel and iron, while iron and nickel have very low solubility in aluminum. The first layer comprising a copper and zinc alloy may be used on aluminum substrates such as aluminum-containing pistons. Substrates made of steel or Inconel, such as valves, may be an optional first layer 264 for joining, for joining the second layer 270 although such a tie layer need not be necessary for these substrates. Thus, a first layer 264 with copper and / or zinc sees an interstructure layer between the substrate 262 and the second layer 270 to promote diffusion bonding between the aluminum substrate and nickel or iron microstructures. It should be noted, however, that the substrate 262 , the first layer 264 and the second layer 270 are not limited to aluminum, nickel, iron and brass, but may include other materials.

Die dritte Schicht 272 dient als die Dichtungsschicht, die über der isolierenden zweiten Schicht 270 angeordnet ist. Die versiegelnde dritte Schicht 272 kann ein Hochtemperatur-Dünnfilm sein, der so konfiguriert sein kann, um Temperaturen von mindestens 1100°C standzuhalten. Die dritte Schicht 272 kann eine Dicke kleiner als oder gleich etwa 20 Mikrometern, optional kleiner als oder gleich etwa 5 Mikrometern, optional kleiner als oder gleich etwa 1 Mikrometer aufweisen. Die dritte Schicht 272 ist für Gase wie Verbrennungsgase undurchlässig. Auf diese Weise dient die dritte Schicht 272 als eine Versiegelung über der zweiten Schicht 270. Eine solche Abdichtung verhindert, dass Schmutz von Verbrennungsgasen, wie etwa unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Ruß, teilweise umgesetzter Brennstoff, flüssiger Brennstoff und dergleichen in die Öffnungen und Poren eindringen, die zwischen den Mikrohohlstrukturen in der zweiten Schicht 270 definiert sind. Das Minimieren solcher Ablagerungen verhindert, dass Gas innerhalb der Poren durch die Ablagerungen verdrängt wird, was dazu führen könnte, dass die isolierenden Eigenschaften reduziert oder eliminiert werden. Die dritte Schicht 272 kann eine glatte äußere Oberfläche aufweisen, die die Erzeugung einer turbulenten Luftströmung verhindern kann, wenn die Luft strömt. Ferner kann eine dritte Schicht 272 mit einer glatten Oberfläche einen erhöhten Wärmeübertragungskoeffizienten verhindern. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann die dritte Schicht auf die zweite Schicht 270 (nach dem thermischen Spritzen und Abkühlen) durch Galvanik, Aufdampfung oder andere Anwendungstechniken aufgebracht werden. In einer Variation umfasst die dritte Schicht 272 ein hitzebeständiges oder korrosionsbeständiges Material. In einer Variation kann die dritte Schicht 272 Molybdän oder Vanadium umfassen. Die dritte Schicht 272 ist so konfiguriert, um ausreichend elastisch zu sein, um einen Bruch oder Reißen während des Aussetzens von Verbrennungsgasen, thermischer Ermüdung oder Ablagerungen zu widerstehen. Ferner ist die dritte Schicht 272 so konfiguriert, um ausreichend nachgiebig zu sein, um jeder Ausdehnung und/oder Kontraktion der darunterliegenden isolierende zweite Schicht 270 standzuhalten. Die dritte Schicht 272 beinhaltet möglicherweise mehrere Schichten.The third layer 272 serves as the sealing layer overlying the insulating second layer 270 is arranged. The sealing third layer 272 may be a high temperature thin film that may be configured to withstand temperatures of at least 1100 ° C. The third layer 272 may have a thickness less than or equal to about 20 microns, optionally less than or equal to about 5 microns, optionally less than or equal to about 1 micron. The third layer 272 is impermeable to gases such as combustion gases. In this way, the third layer serves 272 as a seal over the second layer 270 , Such sealing prevents dirt from combustion gases, such as unburned hydrocarbons, soot, partially reacted fuel, liquid fuel, and the like, from penetrating into the openings and pores existing between the micro-hollow structures in the second layer 270 are defined. Minimizing such deposits prevents gas within the pores from being displaced by the deposits, which could result in the insulating properties being reduced or eliminated. The third layer 272 may have a smooth outer surface that can prevent the generation of turbulent airflow as the air flows. Furthermore, a third layer 272 with a smooth surface to prevent increased heat transfer coefficient. As an example and not by way of limitation, the third layer may be on top of the second layer 270 (after thermal spraying and cooling) by electroplating, vapor deposition or other application techniques are applied. In a variation, the third layer includes 272 a heat-resistant or corrosion-resistant material. In a variation, the third layer 272 Molybdenum or vanadium include. The third layer 272 is configured to be sufficiently resilient to resist breakage or cracking during exposure to combustion gases, thermal fatigue, or debris. Further, the third layer 272 configured to be sufficiently compliant to any extent and / or contraction of the underlying insulating second layer 270 withstand. The third layer 272 may contain multiple layers.

Eine Wärmedämmverbundanordnung 250 kann in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, wie etwa einer Wärmedämmung an Komponenten innerhalb eines Verbrennungsmotors. Die Wärmedämmverbundanordnung 250 kann auf einer Fläche oder auf Oberflächen einer oder mehrerer der Komponenten eines Motors angeordnet sein, beispielsweise auf einem Kolben, einem Einlassventil, einem Auslassventil, Innenwänden eines Abgaskrümmers und einer Brennkuppel, als nicht einschränkendes Beispiel. Die Wärmedämmverbundanordnung 250 weist idealerweise eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, um Wärmeübertragungsverluste und eine geringe Wärmekapazität zu reduzieren, sodass die Oberflächentemperatur der Wärmedämmverbundanordnung 250 der Gastemperatur in der Brennkammer folgt. Somit ermöglicht die Wärmedämmverbundanordnung 250, dass Oberflächentemperaturen der Komponente mit den Gastemperaturen schwingen. Dies reduziert Wärmeübertragungsverluste, ohne die Bremsleistung des Motors zu beeinträchtigen und ohne Klopfen zu verursachen. Ferner wird das Aufheizen von kalter Luft, die in den Zylinder des Motors eintritt, verringert. Zusätzlich wird die Abgastemperatur erhöht, was zu einer schnelleren Katalysatorauszeit und einer verbesserten Katalysatoraktivität führt.A thermal insulation composite arrangement 250 can be used in a variety of applications, such as thermal insulation to components within an internal combustion engine. The thermal insulation composite arrangement 250 can be arranged on a surface or on surfaces of one or more of the components of an engine, for example on a piston, an intake valve, an exhaust valve, inner walls of an exhaust manifold and a combustion dome, as a non-limiting example. The thermal insulation composite arrangement 250 ideally has a low thermal conductivity to reduce heat transfer losses and low heat capacity, so that the surface temperature of the composite thermal insulation arrangement 250 the gas temperature in the combustion chamber follows. Thus, the thermal insulation composite arrangement allows 250 in that surface temperatures of the component oscillate with the gas temperatures. This reduces heat transfer losses without affecting the braking performance of the engine and without causing knocking. Furthermore, the heating of cold air entering the cylinder of the engine is reduced. In addition, the exhaust gas temperature is increased, resulting in a faster catalyst off-time and improved catalyst activity.

Während die hierin beschriebenen Verfahren speziell für die Verwendung in Komponenten eines Automobils oder anderen Fahrzeugen geeignet sind, können sie auch in einer Vielzahl von anderen Industriezweigen und Anwendungen verwendet werden, darunter Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Konsumgüter, Büroausrüstung und Möbel, industrielle Anlagen und Maschinen, Landmaschinen oder schwere Maschinen, um nur einige nicht einschränkende Beispiele zu nennen. Nicht einschränkende Beispiele von Fahrzeugen, die Komponenten enthalten können, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden, umfassen Automobile, Züge, schwere mobile Ausrüstung, Traktoren, Busse, Motorräder, Boote, Wohnmobile, Camper, Flugzeuge (bemannt und unbemannt) und Panzer.While the methods described herein are particularly suitable for use in components of automobiles or other vehicles, they may also be used in a variety of other industries and applications, including aerospace components, consumer goods, office equipment and furniture, industrial equipment and machinery, agricultural machinery or heavy machinery, to name just a few non-limiting examples. Non-limiting examples of vehicles that may include components manufactured according to certain aspects of the present disclosure include automobiles, trains, heavy mobile equipment, tractors, buses, motorcycles, boats, campers, campers, manned and unmanned aircraft, and tanks ,

Die hierin beschriebenen Verfahren und isolierenden Beschichtungen sehen Wärmedämmschichten mit niedriger Leitfähigkeit und geringer Wärmekapazität vor. Solche Wärmedämmschichten können den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen von Verbrennungsmotoren verbessern, die Betriebstemperaturen erhöhen, die Aufwärmzeit nach der Behandlung verringern und die Wärmerückgewinnung verbessern. Die Abscheidungsverfahren sehen die Fähigkeit vor, Mikrokugeln auf Konturen und verschiedenen Oberflächen von komplexen Teilen abzuscheiden, was ansonsten möglicherweise nicht möglich ist. Die durch solche thermischen Spritzverfahren gebildeten isolierenden Beschichtungen zeigen nur eine relativ geringe Verminderung im Vergleich zu isolierenden Beschichtungen, die aus Mikrokugeln gebildet sind, die in einer Bindemittelmatrix, die gehärtet ist, oder in Mikrokugeln, die gesintert werden, vorgesehen sind. Ferner wird angenommen, dass die durch die thermischen Spritzverfahren gebildeten isolierenden Beschichtungen im Vergleich zu anderen Verfahren zum Aufbringen von Mikrokugeln erhöhte Haftwerte mit dem darunter liegenden Substrat aufweisen.The methods and insulating coatings described herein provide low thermal conductivity and low heat capacity thermal barrier coatings. Such thermal barrier coatings can improve fuel economy and emissions of internal combustion engines, increase operating temperatures, reduce post-heat warm-up time, and improve heat recovery. The deposition processes provide the ability to deposit microspheres on contours and various surfaces of complex parts, which otherwise may not be possible. The insulating coatings formed by such thermal spray processes exhibit only a relatively small reduction compared to insulating coatings formed from microspheres provided in a binder matrix that is cured or in microspheres that are sintered. Furthermore, it is believed that the insulating coatings formed by the thermal spray processes have increased adhesion to the underlying substrate as compared to other methods of applying microspheres.

Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.The foregoing description of the embodiments is merely illustrative and descriptive. It is not exhaustive and is not intended to limit the revelation in any way. Individual elements or features of a particular embodiment are generally not limited to this particular embodiment, but may be interchangeable and optionally usable in a selected embodiment, although not separately illustrated or described. Also various variations are conceivable. These variations are not deviations from the disclosure, and all modifications of this nature are part of the disclosure and are within its scope.

Claims (10)

Verfahren zur Bildung einer isolierenden Beschichtung, umfassend: das Einspritzen eines Stroms, der mehrere Mikrohohlkugeln umfasst, von einer Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoff(HVOF)-Vorrichtung zu einem Substrat, wobei jede der mehreren Mikrohohlkugeln eine erste Metallschicht umfasst, die ein erstes Metall ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Nickel, Eisen, Kombinationen sowie Legierungen davon umfasst und eine zweite Metallschicht umfasst, die ein zweites Metall ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Kupfer, Zink, Zinn, Nickel, Kombinationen und Legierungen davon umfasst, wobei der Strom während des Einspritzens eine Höchsttemperatur von mindestens etwa 50 °C unter einem Schmelzpunkt des ersten Metalls aufweist, jedoch größer oder gleich einem Schmelzpunkt der zweiten Schicht ist; und das Bilden der isolierenden Beschichtung auf dem Substrat mit einer Wärmeleitfähigkeit (K) kleiner als oder gleich etwa 200 mW/m·K bei Standardtemperatur- und Druckbedingungen.A method of forming an insulating coating comprising: injecting a stream comprising a plurality of hollow microspheres from a high velocity oxygen fuel (HVOF) device to a substrate, each of the plurality of hollow microspheres comprising a first metal layer comprising a first metal selected from the group consisting of: nickel, iron, Combinations and alloys thereof and comprising a second metal layer comprising a second metal selected from the group consisting of: copper, zinc, tin, nickel, combinations and alloys thereof, wherein the current during injection has a maximum temperature of at least about 50 ° C is below a melting point of the first metal but is greater than or equal to a melting point of the second layer; and forming the insulating coating on the substrate having a thermal conductivity (K) less than or equal to about 200 mW / m · K at standard temperature and pressure conditions. Verfahren nach Anspruch 1, worin die isolierende Beschichtung mehrere Mikrohohlstrukturen mit intakten Hohlraumbereichen nach dem thermischen Spritzen umfasst. Method according to Claim 1 wherein the insulating coating comprises a plurality of micro hollow structures with intact void areas after thermal spraying. Verfahren nach Anspruch 1, worin die isolierende Beschichtung eine Nettoporosität größer als oder gleich etwa 80 Vol.-% aufweist und die isolierende Beschichtung eine Dicke kleiner als oder gleich etwa 200 Mikrometer (µm) aufweist.Method according to Claim 1 wherein the insulating coating has a net porosity greater than or equal to about 80% by volume and the insulating coating has a thickness less than or equal to about 200 microns (μm). Verfahren nach Anspruch 1, worin die Höchsttemperatur größer ist als oder gleich etwa 900 °C oder kleiner als oder gleich etwa 1400 °C ist.Method according to Claim 1 wherein the maximum temperature is greater than or equal to about 900 ° C or less than or equal to about 1400 ° C. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Substrat mindestens ein Metall umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Eisen, Kupfer, Zink, Zinn, Nickel, Aluminium, Kombinationen und Legierungen davon.Method according to Claim 1 wherein the substrate comprises at least one metal selected from the group consisting of: iron, copper, zinc, tin, nickel, aluminum, combinations and alloys thereof. Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste Metallschicht Nickel und die zweite Metallschicht Kupfer umfasst.Method according to Claim 1 wherein the first metal layer comprises nickel and the second metal layer comprises copper. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Wärmeleitfähigkeit (K) kleiner als oder gleich etwa 100 mW/m·K ist.Method according to Claim 1 wherein the thermal conductivity (K) is less than or equal to about 100 mW / m · K. Verfahren nach Anspruch 1, worin die isolierende Beschichtung eine Wärmekapazität (cv) kleiner oder gleich etwa 100 kJ /m3·K aufweist.Method according to Claim 1 wherein the insulating coating has a heat capacity (c v ) less than or equal to about 100 kJ / m 3 · K. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Sintern der isolierenden Beschichtung nach dem Einspritzen.Method according to Claim 1 further comprising sintering the insulating coating after injection. Verfahren zur Bildung einer isolierenden Beschichtung, umfassend: das Einspritzen eines Stroms, der mehrere Mikrohohlkugeln umfasst, umfassend Nickel von einer Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoff(HVOF)-Vorrichtung zu einem Substrat, um eine Schicht aus abgeschiedenen Mikrohohlstrukturen zu bilden, wobei der Strom eine Höchsttemperatur während des Einspritzens aufweist, die größer oder gleich etwa 900 °C bis kleiner als oder gleich etwa 1400 °C ist, wobei jede der mehreren Mikrohohlkugeln eine erste Metallschicht umfasst, die ein erstes Metall ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Nickel, Eisen, Kombinationen und Legierungen davon und a zweite Metallschicht, umfassend ein zweites Metall, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Kupfer, Zink, Zinn, Nickel, Kombinationen und Legierungen davon; und das Sintern der Schicht abgelagerter Mikrohohlstrukturen zur Bildung der isolierenden Beschichtung auf dem Substrat mit einer Wärmeleitfähigkeit (K) kleiner als oder gleich etwa 200 mW/m·K bei Standardtemperatur- und Druckbedingungen und einer Wärmekapazität (cv) kleiner als oder gleich etwa 100 kJ/m3·K.A method of forming an insulating coating, comprising: injecting a stream comprising a plurality of hollow microspheres comprising nickel from a high velocity oxygen fuel (HVOF) device to a substrate to form a layer of deposited microcavities, the stream having a maximum temperature during injection greater than or equal to about 900 ° C to less than or equal to about 1400 ° C, each of the plurality of hollow microspheres comprising a first metal layer comprising a first metal selected from the group consisting of: nickel, iron, combinations and alloys thereof and a second metal layer comprising a second metal selected from the group consisting of: copper, zinc, tin, nickel, combinations and alloys thereof; and sintering the layer of deposited microcavity structures to form the insulating coating on the substrate having a thermal conductivity (K) less than or equal to about 200 mW / m · K at standard temperature and pressure conditions and a heat capacity (c v ) less than or equal to about 100 kJ / m 3 · K.
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