(19) |
 |
|
(11) |
EP 1 734 331 A1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
(43) |
Veröffentlichungstag: |
|
20.12.2006 Patentblatt 2006/51 |
(22) |
Anmeldetag: 30.05.2006 |
|
(51) |
Internationale Patentklassifikation (IPC):
|
|
(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
|
AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU LV MC NL PL PT RO SE
SI SK TR |
|
Benannte Erstreckungsstaaten: |
|
AL BA HR MK YU |
(30) |
Priorität: |
18.06.2005 DE 102005028363
|
(71) |
Anmelder: EADS Deutschland GmbH |
|
85521 Ottobrunn (DE) |
|
(72) |
Erfinder: |
|
- Obkircher, Bernt, Dr.
88263 Horgenzell (DE)
- Steinwandel, Jürgen, Dr.
88690 Uhldingen (DE)
|
(74) |
Vertreter: Meel, Thomas |
|
Patentassessor
EADS Deutschland GmbH
Patentabteilung, DSLA IP1 88039 Friedrichshafen 88039 Friedrichshafen (DE) |
|
|
|
(54) |
Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung |
(57) Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung auf einer zu tarnenden
metallischen Trägerstruktur, wobei die Tarnbeschichtung eine metallische Oberflächenschicht
mit niedrigem IR-Emissionsvermögen umfasst. Erfindungsgemäß ist zwischen Trägerstruktur
und Oberflächenschicht eine oxid-keramische Diffusionssperrschicht vorhanden.
[0001] Die Erfindung betrifft eine Tarnbeschichtung zur IR-Tarnung, und zwar speziell zur
Tarnung von Objekten mit heißen Oberflächen (IR = Infrarot).
[0002] Luftfahrzeuge sind vor allem während der Start-/Landephase auf große Entfernungen
durch Waffen bedroht, die die Luftfahrzeuge im IR aufschalten können. Dies wird durch
die hohe IR-Abstrahlung der Luftfahrzeuge ermöglicht. Hauptquellen dieser Abstrahlung
sind neben dem heißen Abgas vor allem die heißen, von außen einsehbaren Teile an den
Triebwerken. Diese Teile weisen Temperaturen von handwarm bis zu 500 - 600 °C und
darüber auf. Es ist daher erstrebenswert, die IR- Abstrahlung dieser Teile zu reduzieren,
um die Aufschaltentfernung der Waffen und somit auch die Bedrohung zu verkleinern.
[0003] Es ist bekannt, dass Metalle mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit IR-Strahlung
reflektieren und daher ein geringes IR-Emissionsvermögen aufweisen. Das Material der
heißen Teile der Luftfahrzeuge ist im allgemeinen hochtemperaturfestes Metall, das
zwar als Metall eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, das aber im Lauf der
Zeit eine passivierende, elektrisch isolierende Oxidhaut an der Oberfläche bildet
und damit sein niedriges IR-Emissionsvermögen verliert.
[0004] In der IR-Tarnung ist es bekannt, das zu tarnende Objekt mit niedrig-emittierenden
metallischen Reflektorschichten zu versehen. Bekannt sind metallische Reflektorschichten,
z.B. aus der
DE 199 55 608 A1 oder
DE 198 42 102 C1. Die vorgeschlagenen Materialien sind bei den in der vorliegenden Erfindung betrachteten
heißen Temperaturen aber entweder bereits flüssig oder sie bilden Oxidschichten aus,
die das IR-Emissionsvermögen erhöhen. Die vorgeschlagenen Tarnbeschichtungen sind
somit bei den besagten hohen Temperaturen wirkungslos.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist, die bekannten IR-Tarnbeschichtungen so zu verbessern,
dass ihre Tarnwirkung auch unter höheren Temperaturen (insbesondere höher als 200°C)
erhalten bleibt.
[0006] Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
[0007] Erfindungsgemäß umfasst die IR-Tarnbeschichtung mindestens 2 Teilschichten auf dem
zu tarnenden metallischen Trägermaterial:
- 1. Einer eigentlichen Oberflächenschicht aus einem hochleitfähigen Metall, das bei
den vorherrschenden Betriebstemperaturen mit Luftsauerstoff oder anderen Bestandteilen
des umgebenden Gases nicht reagiert, insbesondere kein Oxid oder Sulfid bildet. Dies
kann bei hohen Temperaturen des Trägermaterials ein Edelmetall sein, wie z.B. Ru,
Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au. Wenn die Einsatztemperatur des Trägermaterials weniger
als etwa 300 °C beträgt, kann dies auch ein weniger edles Metall wie V, Ni oder Cr
sein. Diese Metalle bilden zwar auch grundsätzlich oxidische Schichten aus, jedoch
sind diese aufgrund reaktionskinetischer Randbedingungen hinsichtlich der IR-optischen
Eigenschaften nicht relevant: Infolge langsamer Bildungsgeschwindigkeit kommt es zu
einer Ausbildung dünner und kompakter Schichten. Dadurch wird die 02- Diffusion durch
die Schicht behindert mit der Konsequenz, dass das Basismetall nicht weiter oxidiert
wird und der Schichtaufbauprozess zum Stillstand kommt. Der IR-Emissionsgrad ε der
Materialen der Oberflächenschicht sollte in bevorzugten Ausführungen kleiner als 0,5
sein. Die Schichtdicke ist bevorzugt größer oder gleich 1 µm, insbesondere im Bereich
zwischen 1-2 µm.
- 2. Einer oxid-keramischen Schicht, insbesondere ein Cr-Oxid oder ein Ti-Oxid, als
Diffusionsbarriere zwischen der Oberflächenschicht und dem Trägermaterial. Diese Diffusionssperrschicht
ist notwendig, um die langfristige Stabilität der Oberflächenschicht zu erhalten.
Andernfalls wandern bei den hohen Temperaturen die Trägermetallatome durch die Oberflächenschicht
nach außen und bilden eine nichtleitende, hochemissive Oxidschicht und/oder die Atome
der Oberflächenschicht diffundieren nach innen, so dass die Oberflächenschicht im
Lauf der Zeit hinsichtlich der IR-Tarnung unwirksam wird. Die Schichtdicke ist bevorzugt
größer oder gleich 1 µm, insbesondere im Bereich zwischen 1-2 µm.
[0008] Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Beschichtung ist sichergestellt, dass die
hohe elektrische Leitfähigkeit der Oberflächenschicht auch bei hohen Temperaturen
erhalten bleibt und die Oberflächenschicht dauerhaft auf dem Trägermaterial stabil
bleibt. Sie reagiert auch bei hohen Temperaturen chemisch nicht mit Luft oder Abgasbestandteilen
und bildet insbesondere keine für die IR-Tarnung schädliche Oxidschicht aus.
[0009] Ebenso ist es möglich, dass aus optischen Gründen auf die Oberflächenschicht eine
weitere Schicht von maximal etwa 0,1µm Dicke aufgebracht wird, die zwar im visuellen
Wellenlängenbereich von 0,4 - 0,7µm sichtbar ist, im IR-Bereich von 3 - 5 µm und von
8 - 12 µm unwirksam, weil zu dünn, ist.
[0010] Bei der zu tarnenden metallischen Trägerstruktur kann es sich insbesondere um die
heißen, von außen einsehbaren Bauteilen an den Triebwerken eine Flugzeugs handeln,
insbesondere um die Schubdüse für die Kernluft des Triebwerks oder um den Abströmkörper.
[0011] Der Beschichtungsprozess läuft folgendermaßen ab: Zunächst wird das Trägermaterial
von eventuell vorhandenen Oberflächenschichten befreit und gereinigt. Dazu wird bei
starker Verschmutzung (Fettbelegung) zunächst eine fettlösende Flüssigkeit (Aceton,
Chloralkane, etc) eingesetzt. Anschließend erfolgt bevorzugt eine Feinreinigung der
Oberflächen mittels z.B. atmosphärischer Plasmen (Corona, Barrierenentladung) oder
durch lasergestützte Verfahren (Laser-Ablation). Dann wird die Diffusionssperrschicht
entweder mit einem Gasphasenbeschichtungsverfahren (PVD Pysical Vapor Deposition,
CVD Chemical Vapor Deposition oder Plasma-CVD) aufgebracht, oder - wenn das Trägermetall
mit Cr, Ti oder Ni legiert ist - die Diffusionssperrschicht wird durch einfache Temperaturbehandlung
des Metalls bei einer definierten, hohen Temperatur über eine definierte Zeit selbstständig
gebildet. So bildet sich z. B. auf hochchromierten (bis 25% Cr) Inconel-Materialien
(Nickel-Basislegierungen), Incoloy (Cobalt-Basislegierungen) oder Edelstählen (Eisen-Basislegierungen)
bei Temperaturen über 500° C unter oxidierenden Bedingungen in einigen Tagen selbstständig
eine Chromoxidschicht aus, die als Diffusionsbarriere geeignet ist. Bei Titan-Basisiegierungen
erfolgt die Sperrschichtausbildung durch Bildung von Titandioxid (TiO2). Eine Cr-Zulegierung
ist daher bei Titan-Basislegierungen nicht erforderlich und im übrigen auch nicht
sinnvoll. Alternativ dazu ist es möglich und insbesondere hinsichtlich der Realisierung
dickerer Schichten angezeigt, die Oxidschichtbildung mittels Salpetersäure (konzentriert,
rauchend) vorzunehmen. Danach wird die Oberflächenschicht vorzugsweise mit einem PVD-Verfahren
aufgebracht. Diese Schicht kann auch auf galvanischen Wege bis zu einer gewünschten
Schichtdicke von 1-2 µm oder mehr gebracht werden.
1. Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung auf einer zu tarnenden metallischen Trägerstruktur,
wobei die Tarnbeschichtung eine metallische Oberflächenschicht mit niedrigem IR-Emissionsvermögen
umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Trägerstruktur und Oberflächenschicht eine oxid-keramische Diffusionssperrschicht
vorhanden ist.
2. Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht durch eine Temperaturbehandlung der zu tarnenden metallischen
Struktur erzeugt wurde.
3. Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Oberflächenschicht aus einem Edelmetall, z.B. Ru, Rh, Pd, Ag, Os,
Ir, Pt, Au, oder aus V, Ni, Cr besteht.
4. Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oxid-keramische Diffusionssperrschicht aus Cr-Oxid oder Ti-Oxid besteht.
5. Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die metallische Oberflächenschicht eine IR-durchlässige Schicht aufgebracht ist.
6. Verwendung einer Hochtemperatur-IR-Tarnbeschichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche
zur IR-Tarnung von heißen Oberflächenteilen an Flugzeugtriebwerken.


IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information
des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes.
Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei
Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente