DE4034001C2 - Schutzschicht gegen Hochtemperaturoxidation kohlenstoffenthaltender Bauteile sowie Verfahren zur Herstellung dieser Schicht - Google Patents
Schutzschicht gegen Hochtemperaturoxidation kohlenstoffenthaltender Bauteile sowie Verfahren zur Herstellung dieser SchichtInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschicht gegen Hochtemperaturoxi
dation kohlenstoffenthaltender Bauteile, bestehend aus einem Silizium enthal
tenden Werkstoff und einer niedrigschmelzenden Stoffkomponente.
Kohlenstoffenthaltende Werkstoffe, wie C-Faser verstärkte Keramiken, werden
für Einsätze oberhalb 1100°C, vor allem in der Luft- und Raumfahrt verwendet.
Die Oxidation des Kohlenstoffes bei den hohen Einsatztemperaturen bedingt
Schutzmaßnahmen, die im allgemeinen durch geeignete Schutzschichten reali
siert werden.
Aus der EP 1 33 315 ist eine Schutzschicht der eingangs genannten Art bekannt,
die aus Al2O3, Si und SiC besteht. Die Eigenschaft dieser Schutzschicht besteht
darin, daß das freie Silizium unter Sauerstoffatmosphäre unter Bildung von SiO2
reagiert, das ähnlich wie Glas bei höheren Temperaturen schmilzt und im Einsatz
Risse ausfüllen kann, die in der Schutzschicht entstehen. Diese Schichten sind
nicht für Gegenstände aus C-faserverstärktem Siliziumcarbid geeignet.
Die in der Übersichtspublikation von J. Strife und J. Sheedan (American Ceramic Society
Bulletin, Bd. 67, 2/1988, S. 369-374) angeführten Stoffe bzw. Stoffsysteme - SiC, Si₃N₄,
MoSi₂ sind bereits seit langem als Hochtemperaturschutzschichten bzw. als
oxidationsbeständige Verbindungen bekannt; es handelt sich dabei aber um einzeln
aufgebrachte Schichten aus den jeweiligen Materialien mit sehr dünnen Sekundärphasen aus
SiO₂, die erst während der Auslagerung in oxidativer Umgebung durch Reaktion zwischen
Refraktärphasen, wie beispielsweise MoSi₂, mit dem Dauerstoff der umgebenden Atmosphäre
entstehen.
Die dort beschriebenen Gläser oder Glasbildner ("glassformers") mit Boroxid werden mit in
die Matrix eines C/C-Werkstoffes eingebracht; das ganze System wird dann von einer
Schutzschicht aus SiC abgedeckt, das aus der Gasphase abgeschieden wird, wobei die äußeren
Glasschichten nur sehr begrenzt als Schutzschichten wirksam sind. Genau dieser Tatsache
begegnet aber die Erfindung, die das Problem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 löst.
Danach liegt das MoSi₂ nicht als zusammenhängende Schicht, sondern als feinkörnige,
zweite Phase vor, die in eine niedrigschmelzende Glasphase eingebettet ist: Die glasige
Komponente dient dabei als Diffusionsspere gegenüber Sauerstoff. Die MoSo₂-Komponente
wirkt einerseits als "Stabilisator" der Viskosität der glasigen Komponente und andererseits als
"Sauerstoffgetter". - Alternativ kann MoSi₂ als bewußt offenporiges, gesintertes Gerüst
aufgebracht werden, in das die glasige Komponente in einem zweiten Arbeitsgang
eingebracht/eingeschmolzen wird.
Die vorgeschlagene Schicht enthält also weder metallisches Silizium noch andere reine
Metalle. Im Unterschied dazu wird in der DE 25 33 895 ein Oxidationsschutz von
rekristallisiertem SiC angegeben, das eine Mischung aus MoSi₂ und metallischem Silizium
(Si) verwendet.
Die DE 26 56 072 A1 beschreibt die Herstellung einer Oxidationsschutzschicht, die aus einer
Legierung aus MoSi₂ und aus metallischem Silizium besteht, die bei 2150°C unter Argon
gesintert wird.
Die DE 20 35 044 A1 hingegen beansprucht TiC- (oder ZrC)-Zwischenschichten als Schutz
vor thermischer Reaktion zwischen dem Kohlenstoff und der silizidischen Deckschicht und
nicht glasige Deckschichten.
Die Kombination von MoSi2 mit einer niedrigschmelzenden Stoffkomponente
hat eine hohe Schutzwirkung gezeigt, wobei die Stoffkomponente als eine Art
Bindephase der MoSi2-Partikel wirkt und zum Abbau von Spannungen, die bei
thermischer bzw. mechanischer Belastung der Schicht auftreten, beiträgt. Auftre
tende Risse in der Schicht werden durch Selbstheilung sofort wieder geschlossen.
Die Auswahl der zweiten Komponente erfolgt im Hinblick auf ihren Viskositäts
bereich in Abhängigkeit des jeweiligen Einsatzbereiches des zu schützenden Ver
bundwerkstoffes. In Betracht kommen sowohl gezielt ausgewählte Stoffkompo
nenten auf der Basis von Oxidgläsern, nichtoxidischen Gläsern sowie Glaskerami
ken, die insbesondere für C/Keramik- und C/C-Verbund gut geeignet sind.
Das Gewichtsverhältnis MoSi2 zur Stoffkomponente wird vorzugsweise zwischen
1 : 1 bis 1 : 10 gewählt.
Die Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren zur Herstellung der vorstehend be
schriebenen Schutzschichten, die durch die Merkmale der Patentansprüche
4 bzw. 5 gekennzeichnet sind.
Danach kann entweder das MoSi2 und die niedrigschmelzende Stoffkomponente
zu einem homogenen Pulver vermischt und zu einem Schlicker verarbeitet, auf
das Bauteil aufgestrichen, aufgespritzt oder durch Eintauchen aufgebracht und
getrocknet werden. Oder gemäß einer Variante wird das MoSi2-Pulver zunächst
separat auf das Substrat aufgesintert oder aufgespritzt, wobei in dieser Schicht
eine gezielte Porosität angestrebt wird, die mit der danach aufgebrachten nie
drigschmelzenden Komponente durch thermische Behandlung gefüllt wird.
Die Bildung bzw. Formierung der eigentlichen Schutzschicht, die nach den vorste
henden Methoden aufgebracht wurde, erfolgt schließlich durch kurzzeitige ther
mische Behandlung an Luft, bei Temperaturen weit oberhalb des Schmelzpunktes
der niedrigschmelzenden Stoffkomponente. Hierbei entsteht aus dem aufgetra
genen Pulvergemisch bzw. den separat aufgebrachten Schichten eine zweiphasi
ge Schicht mit gleichförmiger Phasenverteilung. Diese zweiphasige Schicht be
steht aus einem dreidimensionalen Netzwerk von MoSi2-Partikeln, die fest in die
niedrigschmelzende Phase eingebettet sind. Diese Schicht ist festhaftend, glän
zend und weist bei Auslagerung an Luft einen sehr hohen Oxidationsschutz auf.
Die thermische Behandlung der Schutzschicht kann in einem auf 1300°C-1700°C,
vorzugsweise auf ca. 1500°C, vorgeheizten Ofen erfolgen, oder auch mittels ex
terner Energiequellen, wie Laser- oder Elektronenstrahlen, durchgeführt werden.
Bei kohlenstoffenthaltendem Siliziumcarbid, z. B. kohlenstoffaserverstärktem Si
liziumcarbid, kann die Schutzschicht direkt auf die zu schützende Verbundkera
mik aufgebracht werden.
Bei C/C-Verbindungen, wie z. B. kohlenstoffaserverstärkter Kohlenstoff, wird vor
zugsweise eine Diffusionsbarriere gegen Kohlenstofftransport in Richtung zur
Schutzschicht hin eingebaut. Bevorzugt wird als Diffusionsbarriere eine im CVD-
Verfahren aufgebrachte TiC-Schicht verwendet. Alternativ ist auch eine SiC-
Schicht einsetzbar, die ebenfalls mittels CVD-Verfahren aufgebracht wird.
Auf C/SiC-Plättchen von ca. 16 cm2 Oberfläche wurden Schutzschichten aufge
bracht, bestehend aus einem Gemisch von MoSi2 mit einem handelsüblichen,
hochschmelzenden Glas (im Gewichtsverhältnis 1 : 5 in nichtwäßriger Suspen
sion), getrocknet und anschließend jeweils eine Minute lang in einem auf 1500°C
vorgeheizten Ofen behandelt. Die Proben zeigten danach einen festhaftenden,
mattglänzenden Überzug (Schichtdicke zwischen 25 und 50 µ). Anschließend
wurden sie einem statischen Oxidationstest unterzogen: Nach 3×3 Stunden bei
Temperaturen zwischen 1000°C und 1500°C betrugen die Gewichtsverluste der
Proben zwischen 0.1 Gew.% bzw. 2.0 Gew.%.
Auf C/SiC-Plättchen von ca. 16 cm2 Oberfläche wurde eine nichtwäßrige Suspen
sion von MoSi2-Pulver aufgebracht, getrocknet und anschließend unter Schutz
gas bei 1700°C eine Stunde lang gesintert. Danach wurde auf diese noch poröse,
aber gut haftende Schicht eine nichtwäßrige Suspension eines Mullit-Cordierit-
Pulvers (20 : 80 Gewichtsverhältnis) aufgetragen und getrocknet. Zum Einschmel
zen der Glaskeramik wurden die Proben innerhalb 30 Sekunden in einen auf
1600°C vorgeheizten Ofen geschleust und nach 2 Minuten ebenso rasch wieder
aus dem Ofen herausgenommen. Die Mullit-Cordierit-Schmelze hat den verblie
benen Porenraum der MoSi2-Schicht fast ganz aufgefüllt und zeigt eine glänzen
de Oberfläche.
Claims (8)
1. Schutzschicht gegen Hochtemperaturoxidation kohlenstoffenthaltender
Bauteile,
insbesondere aus Verbundwerkstoffen, die mit Kohlenstoff-Fasern verstärkt sind, wie C/C
oder C/SiC, bestehend aus einer silizidischen und einer niedrigschmelzenden
Werkstoffkomponente, dadurch gekennzeichnet,
daß die
Schicht aus einem Gemisch von MoSi2 und einer in Bezug zu MoSi2
niedrigschmelzenden Stoffkomponente besteht.
2. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichts
verhältnis MoSi2 zur
niedrigschmelzenden Stoffkomponente zwischen 1:1
bis 1:10 ist.
3. Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
niedrigschmelzende Stoffkomponente ein Oxidglas, ein nichtoxidisches Glas
oder eine Glaskeramik oder eine Kombination daraus ist.
4. Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das MoSi2 und die niedrigschmelzende Stoffkompo
nente vermischt und in wäßriger oder nichtwäßriger Phase auf das Bauteil
durch Bestreichen, Tauchen oder Einsprühen aufgebracht und anschließend
wärmebehandelt werden.
5. Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht gemäß Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zunächst das MoSi2 auf das Bauteil aufgesintert wird
und daß die niedrigschmelzende Stoffkomponente anschließend einge
schmolzen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bau
teil mit der aufgebrachten MoSi2/niedrigschmelzenden Stoffkomponente
zur Bildung der Schutzschicht schnell und kurzzeitig auf eine Temperatur
zwischen 1300°C bis 1700°C an Luft erhitzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das kurzzeitige
Erhitzen mittels Laser- oder Elektronenstrahlen erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
für die zu schützenden Bauteile auf C/C-Basis eine Zwischenschicht aus TiC oder SiC
aufgebracht wird.
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| DE (1) | DE4034001C2 (de) |
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1990
- 1990-10-25 DE DE19904034001 patent/DE4034001C2/de not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| DE4034001A1 (de) | 1992-04-30 |
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