DE10057953A1 - Thermally sprayed ceramic composite layers consist of nanocrystalline crystals and a coating of aluminum oxide and silicon carbide, in which the silicon carbide grains are homogeneously distributed in the aluminum oxide matrix - Google Patents
Thermally sprayed ceramic composite layers consist of nanocrystalline crystals and a coating of aluminum oxide and silicon carbide, in which the silicon carbide grains are homogeneously distributed in the aluminum oxide matrixInfo
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- C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
- C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Beschichtungen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches I.The invention relates to the production of coatings according to the preamble of Claim I.
Keramische Werkstoffe sind anorganisch, nichtmetallisch, in Wasser schwer löslich und zu wenigstens 30% kristallin. Diese sind fast ausschließlich heterogen, d. h. aus vielen einheitli chen oder verschiedenen Kristallen aufgebaut, die oft vom Glas umgeben sind. Daneben er halten sie manchmal noch Poren. Die Menge und Art dieser Bestandteile und ihre gegenseiti ge Anordnung wird als Gefüge oder Mikrostruktur bezeichnet. Sie hat einen deutlichen Ein fluß auf die Eigenschaften des Körpers [1].Ceramic materials are inorganic, non-metallic, sparingly soluble in water and too at least 30% crystalline. These are almost exclusively heterogeneous, i. H. from many uniform or various crystals that are often surrounded by glass. Next to him they still hold pores sometimes. The amount and type of these components and their mutual Ge arrangement is referred to as structure or microstructure. It has a clear one flow on the properties of the body [1].
Keramische Werkstoffe generell werden aufgrund ihrer hervorragenden Verschleißresistenz, Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit in der industriellen Fertigung breit eingesetzt. Zwei wichtigsten Keramiken werden hier genannt: Al2O3 (Aluminiumoxid) und SiC (Siliziumkar bid). Wegen ihrer hohen Bindungsenergie haben diese eine sehr hohe Härte (ca 2000 HV, bzw. 2300 HV) und hohe Schmelztemperatur (2050°C und 2300°C(Zersetzungstemperatur)).Ceramic materials in general are widely used in industrial production due to their excellent wear resistance, temperature and oxidation resistance. Two main ceramics are mentioned here: Al 2 O 3 (aluminum oxide) and SiC (silicon carbide). Because of their high binding energy, they have a very high hardness (approx. 2000 HV or 2300 HV) and a high melting temperature (2050 ° C and 2300 ° C (decomposition temperature) ).
Grundsätzlich gibt es viele Möglichkeiten, keramische Teile herzustellen (folgende Methoden basieren auf der Herstellung von Vollmaterialien):Basically there are many ways to manufacture ceramic parts (following methods are based on the production of solid materials):
Es werden ein oder mehrere (Verbundkeramiken) keramische Pulver zusammen gemischt, danach zu Bauteilen gepreßt und dann bei hoher Temperatur (unter der Schmelztemperatur) erhitzt.One or more (composite ceramics) ceramic powders are mixed together, then pressed into components and then at high temperature (below the melting temperature) heated.
Keramische Werkstoffe werden über ihre Schmelztemperatur erhitzt, dann in Form gegossen. Da die Schmelztemperatur der Keramiken sehr hoch ist, werden große Energiemengen benö tigt, daher wird dies selten angewendet. Außerdem können nicht alle Keramiken einge schmolzen werden, wie z. B. SiC (Silziumcarbid), das bei 2300° zersetzt wird. Andere Verfahren leiten sich aus den o. g. ab.Ceramic materials are heated above their melting temperature, then cast in mold. Since the melting temperature of the ceramics is very high, large amounts of energy are required is therefore rarely used. In addition, not all ceramics can be turned on be melted, e.g. B. SiC (silicon carbide), which is decomposed at 2300 °. Other procedures are derived from the above. from.
Oft ist es sehr schwer oder gar unmöglich, Vollteile aus Keramik herzustellen. Deswegen geht man so vor, daß diese Teile aus irgendwelchen anderen, billigeren Werkstoffen gefertigt wer den und lediglich mit einem keramischen Überzug versehen werden.It is often very difficult or even impossible to make full ceramic parts. That's why one pretends that these parts are made from any other, cheaper materials which and are only provided with a ceramic coating.
Es gibt unterschiedliche Methoden, solche Beschichtungen zu realisieren, aber eine Gruppe der Verfahren ragt besonders stark hervor: Thermische Spritzverfahren. Das Grundprinzip liegt darin, daß ein keramisches Pulver durch thermische Energie aufgeschmolzen und auf die Substratoberfläche beschleunigt wird.There are different methods of realizing such coatings, but one group the process stands out particularly well: thermal spraying. The basic principle is that a ceramic powder is melted by thermal energy and onto the Substrate surface is accelerated.
Je nach Art der Energiezufuhr (thermisch wie auch kinetisch) unterscheiden sich jedoch die Verfahren. Das bekannteste und meisteingesetzte Verfahren ist das Plasmaspritzverfahren. However, they differ depending on the type of energy supply (thermal as well as kinetic) Method. The best known and most widely used process is the plasma spraying process.
Die zum Einschmelzen benötigte Energie wird dem Pulver durch Plasma hinzugefügt. Damit können sehr hohe (bis 30 000°C) Temperaturen erreicht werden. Anschließend wird das Pul ver durch ein Trägergas auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht.The energy required for melting is added to the powder by plasma. In order to very high (up to 30,000 ° C) temperatures can be reached. Then the Pul ver applied by a carrier gas to the surface to be coated.
Die dabei eingesetzten Pulver haben eine Korngröße von ca. 30-200 µm, je nach Anlage und Anwendung.The powders used have a grain size of approx. 30-200 µm, depending on the system and Application.
Ein anderes Verfahren, nämlich Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (engl.: HVOF: High Velocity Oxygen Fuel) basiert auf Erzeugung sehr hohen Geschwindigkeiten bei der Verbrennung von Gasen. Die dabei entstehende thermische Energie wird zum Aufschmelzen von Pulverpartikelchen eingesetzt. Die Höchsttemperatur hängt von der zur Verfügung ste henden Brenngase ab (bis 3000°C).Another process, namely high-speed flame spraying (HVOF: High Velocity Oxygen Fuel) is based on generating very high speeds at Combustion of gases. The resulting thermal energy melts of powder particles used. The maximum temperature depends on the available fuel gases (up to 3000 ° C).
Hier werden jedoch deutlich feinere Pulvern (10-30 µm) eingesetzt, da die Verweildauer we gen der sehr hohen Geschwindigkeiten seht kurz ist.Here, however, significantly finer powders (10-30 µm) are used because the residence time is against the very high speeds is very short.
Durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen erzeugte keramischen Schichten besitzen eine höhere Dichte und glättere Oberflächen als die Plasmaspritzschichten [2].Ceramic layers produced by high speed flame spraying have one higher density and smoother surfaces than the plasma spray layers [2].
Außerdem haften diese erheblich besser auf der Substratoberfläche.In addition, they adhere much better to the substrate surface.
Wie schon oben erwähnt, hängen die Eigenschaften der keramischen Bauteilen direkt von ihrer Mikrostruktur ab. Untersuchungen von gesinterten Aluminiumoxid Al2O3 (Korngröße ca. 300 nm), die mit einem nanokristallinen (ca. 200 nm Korngröße) Siliziumkarbidzusatz (SiC) von 5 vol.% versehen wurden, zeigten, daß durch diese Werkstoffkombination eine dra stische Erhöhung der Festigkeit sowie eine Steigerung von Verschleißfestigkeit erreicht wer den konnte [4].As already mentioned above, the properties of the ceramic components depend directly on their microstructure. Studies of sintered aluminum oxide Al 2 O 3 (grain size approx. 300 nm), which were provided with a nanocrystalline (approx. 200 nm grain size) silicon carbide additive (SiC) of 5 vol.%, Showed that this combination of materials drastically increases the Strength as well as an increase in wear resistance could be achieved [4].
Diese positive Eigenschaftsänderung basiert zu einem auf einer sehr feinen Kristallstruktur dieser Werkstoffe und zum anderen auf einer homogenen Verteilung vom SiC in der Al2O3- Matrix [3]. Die SiC-Kristallite stärken damit die Al2O3-Matrix und die eigentlich schwachen Korngrenzen.This positive change in properties is based on a very fine crystal structure of these materials and on the other hand on a homogeneous distribution of SiC in the Al 2 O 3 matrix [3]. The SiC crystallites thus strengthen the Al 2 O 3 matrix and the actually weak grain boundaries.
Bis jetzt wurden durch Thermisches Spritzen nur solche Keramiken, bzw. Keramikgemische verarbeitet, die schmelzbar sind, also kein SiC.So far, only such ceramics or ceramic mixtures have been made by thermal spraying processed that are fusible, so no SiC.
- - Die mit den Standardpulvern (Korngröße 30-200 µm) erzeugte Schichten sind sehr spröde, d. h. sie brechen schon bei der kleinsten Verformung.- The layers produced with the standard powders (grain size 30-200 µm) are very brittle, d. H. they break at the slightest deformation.
- - Das Plasmaspritzverfahren ist ein teueres und energieaufwendiges Verfahren.- The plasma spraying process is an expensive and energy-intensive process.
- - Mit Hilfe des Plasmaspritzverfahrens können zwar sehr hohe Temperaturen erreicht werden, die Beschichtungen sind aber sehr porös. Außerdem entstehen infolge der sehr hohen Tempe raturen amorphe, d. h. unregelmäßige Glasstrukturen, die hervorragenden Eigenschaften der Keramiken stark herabsetzten.- With the help of the plasma spraying process, very high temperatures can be reached, however, the coatings are very porous. In addition, arise due to the very high temperature fittings amorphous, d. H. irregular glass structures, the excellent properties of the Greatly reduce ceramics.
- - Die Haftung der Beschichtungen ist in den meisten Fällen schlecht.- The adhesion of the coatings is poor in most cases.
Mit dieser Erfindung sollen folgende Ziele erreicht werden:
The following aims are to be achieved with this invention:
- - Es sollen sehr dichte, porenarme Beschichtungen realisiert werden;- Very dense, low-pore coatings should be realized;
- - Zudem sollen die Beschichtungen spannungsarm sein;- In addition, the coatings should be low-stress;
- - eine Erhöhung der Festigkeit soll erreicht werden;- An increase in strength should be achieved;
- - die Verschleißresistenz soll gesteigert werden;- Wear resistance should be increased;
- - Die Haftfestigkeit der Beschichtungen soll deutlich verbessert werden.- The adhesive strength of the coatings should be significantly improved.
Zur Realisierung der definierten Ziele wird wie folgt vorgegangen:
To achieve the defined goals, proceed as follows:
- - Es werden sehr feine nanoskalige Pulvern Al2O3 und SiC genommen;- Very fine nanoscale powders Al 2 O 3 and SiC are used;
- - Diese werden in bestimmten Proportionen zusammengemischt;- These are mixed together in certain proportions;
- - Danach werden einem Mahlvorgang unterworfen, indem diese homogenisiert (SiC gleich mäßig verteilt) und noch feiner gemahlen werden;- Then are subjected to a grinding process by homogenizing (SiC equal moderately distributed) and ground even finer;
- - Anschließend werden diese Pulver unter Umständen (keine Voraussetzung) agglomeriert;- Subsequently, these powders may be agglomerated (not a requirement);
- - Danach werden die Pulvern mittels des Hochgeschwindigkeitsflammspritzen gespritzt, wo bei Al2O3 aufgeschmolzen wird und SiC in fester Phase bleibt.- Then the powders are sprayed using high-speed flame spraying, where Al 2 O 3 is melted and SiC remains in the solid phase.
- - Das Verfahren Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) ist viel billiger als das Plasmaspritzverfahren;- The high speed flame spraying (HVOF) process is much cheaper than that Plasma spray process;
- - Der Einsatz vom Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) ermöglicht die Herstel lung von porenarmen Beschichtungen;- The use of high-speed flame spraying (HVOF) enables the manufacturer development of low-pore coatings;
- - Durch niedrigere Temperaturen im Vergleich zum Plasmaspritzen werden die Beschich tungen spannungsärmer sein, außerdem verringert sich der amorphe (glasige) bruchanfällige Anteil;- The coating is reduced due to lower temperatures compared to plasma spraying tensions are less stressed, and the amorphous (glassy) fragile is reduced Proportion of;
- - Durch die Verwendung von sehr feinen (ca. 200-300 nm Korngröße) Pulvern wird die Gefü gestruktur insofern verbessert werden, daß die Beschichtungen "duktiler" werden und dem nach höheren Belastungen standhalten können;- By using very fine (approx. 200-300 nm grain size) powders, the texture structure to the extent that the coatings become "more ductile" and that can withstand higher loads;
- - Die Beimischung vom härteren SiC zu dem Al2O3 in sehr feiner Verteilung wird eine Steige rung der Verschleißresistenz zur Folge haben;- The admixture of the harder SiC to the Al 2 O 3 in a very fine distribution will result in an increase in wear resistance;
- - Außerdem werden diese Beschichtungen besseres Reibungsverhalten aufweisen.- In addition, these coatings will have better friction behavior.
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3. Todd, R. I.: "Alumina/SiC Nanocomposites: Big Things from Small Packges." British
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4. Davidge, R. W., Twigg, P. C., Riley, F. L.: "Effects of Silicon Carbide Nano-phase on the
Wet Erosive Wear of polycrystalline Alumina ". Journal of the European Ceramic Society, 16,
1996, P. 799-802. ,
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Hier wird der Vorgang zur Herstellung von Thermisch gespritzten keramischen Beschichtun gen ausführlich beschrieben.Here is the process for the production of thermally sprayed ceramic coatings described in detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1: Aufbau des Mischpulver aus Al2O3 und SiC; Fig. 1: Structure of the mixed powder from Al 2 O 3 and SiC;
Fig. 2: Aufbau eines Agglomerates; Fig. 2: Construction of an agglomerate;
Fig. 3: Vorgänge während des thermischen Spritzens; Fig. 3: Processes during thermal spraying;
Fig. 4: Schichtaufbau im fertigen Zustand. Fig. 4: Layer structure in the finished state.
Zunächst werden die nanokristallinen Pulver Al2O3 (1) und SiC (2) miteinander sorgfältig vermischt.First, the nanocrystalline powders Al 2 O 3 ( 1 ) and SiC ( 2 ) are carefully mixed together.
Im nächsten Schritt werden diese in einer Mühle trocken oder naß homogenisiert, wobei noch zusätzlich eine weitere Verkleinerung des Mischpulvers stattfindet (Fig. 1).In the next step, these are homogenized dry or wet in a mill, with the mixed powder also being further reduced ( FIG. 1).
Danach können diese Pulver zusätzlich noch in einer Sprühtrocknungsanlage agglomeriert werden (1, 2). Dabei entstehen kugelförmige Agglomerate der Größe 1-150 µm je nach An lagenparameter (Fig. 2). Dadurch kann die Förderbarkeit innerhalb von der Hochgeschwin digkeitsspritzanlage erheblich verbessert werden.Then these powders can also be agglomerated in a spray drying system ( 1 , 2 ). This creates spherical agglomerates with a size of 1-150 µm depending on the system parameters ( Fig. 2). As a result, the conveyability within the high-speed spraying system can be considerably improved.
Diese Mischpulver (einfach, oder agglomeriert) werden dann im heißen Strahl einer Hochge schwindigkeitsspritzanlage erhitzt (Fig. 3), wobei Al2O3 (3) aufgeschmolzen wird und SiC (4) in festem Zustand bleibt. Im weiteren Verlauf werden die Pulver auf Überschallgeschwin digkeit beschleunigt und prallen auf die Substratoberfläche (5). SiC-Körner (6) lagern sich damit in und zwischen den Al2O3-Körner (7) und bilden zusammen eine geschlossene, poren arme Schicht (Fig. 4).These mixed powders (simple or agglomerated) are then heated in the hot jet of a high-speed spraying system ( FIG. 3), Al 2 O 3 ( 3 ) being melted and SiC ( 4 ) remaining in the solid state. As the process progresses, the powders are accelerated to supersonic speed and hit the substrate surface ( 5 ). SiC grains ( 6 ) are thus stored in and between the Al 2 O 3 grains ( 7 ) and together form a closed, low-pore layer ( FIG. 4).
Bei der Wahl der Anlagenparameter ist darauf zu achten, daß es genügend thermische Energie zur Verfügung steht, um Al2O3- Kristalle aufzuschmelzen, aber SiC unversehrt (in fester Form) bleibt.When choosing the system parameters, care must be taken to ensure that there is sufficient thermal energy available to melt Al 2 O 3 crystals, but SiC remains intact (in solid form).
Claims (5)
dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (Fig. 4) aus nanokristallinen Kristallen aufgebaut sind;
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (Fig. 4) aus zwei Komponenten, Al2O3 (7) und SiC (6), besteht (zusätzlich zum Al2O3 noch SiC beigemischt ist);
dadurch gekennzeichnet, daß SiC-Körner homogen (gleichmäßig) in der Al2O3-Matrix verteilt sind;
dadurch gekennzeichnet, daß diese mittels des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF) oder Detonationsspritzens (Fig. 3) hergestellt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß diese Beschichtungen eine höhere Verschleißbeständigkeit im Vergleich zu den Standardschichten aus Al2O3 aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß diese Beschichtungen ein besseres Reibungsverhalten im Vergleich zu den Standardschichten aus Al2O3 zeigen,
dadurch gekennzeichnet, daß diese Beschichtungen ein duktiles Verhalten im Vergleich zu den Standardschichten aus Al2O3 aufweisen.1. Thermally sprayed ceramic composite layers,
characterized in that the layers ( Fig. 4) are made up of nanocrystalline crystals;
characterized in that the coating ( Fig. 4) consists of two components, Al 2 O 3 ( 7 ) and SiC ( 6 ) (in addition to Al 2 O 3 , SiC is also added);
characterized in that SiC grains are homogeneously (evenly) distributed in the Al 2 O 3 matrix;
characterized in that they are produced by means of high-speed flame spraying (HVOF) or detonation spraying ( FIG. 3),
characterized in that these coatings have a higher wear resistance compared to the standard layers made of Al 2 O 3 ,
characterized in that these coatings show better friction behavior compared to the standard layers made of Al 2 O 3 ,
characterized in that these coatings have a ductile behavior in comparison to the standard layers made of Al 2 O 3 .
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