EP2565290B1 - Ballistisches Schutzsystem - Google Patents

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EP2565290B1
EP2565290B1 EP12182382.7A EP12182382A EP2565290B1 EP 2565290 B1 EP2565290 B1 EP 2565290B1 EP 12182382 A EP12182382 A EP 12182382A EP 2565290 B1 EP2565290 B1 EP 2565290B1
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EP
European Patent Office
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layer
carbide
cermetic
protection system
substrate
Prior art date
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EP12182382.7A
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English (en)
French (fr)
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EP2565290A1 (de
Inventor
Berthold Peikert
Roland Dr. Niefanger
Rainer Prof.Dr. Gadow
Andreas Dr. Killinger
Andrei-Sorin Manzat
Martin Tobias Silber
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Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Original Assignee
Rheinmetall Waffe Munition GmbH
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Publication date
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Priority to PL12182382T priority patent/PL2565290T3/pl
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/321—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer
    • C23C28/3215—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer at least one MCrAlX layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/129—Flame spraying
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
    • F41H5/0492—Layered armour containing hard elements, e.g. plates, spheres, rods, separated from each other, the elements being connected to a further flexible layer or being embedded in a plastics or an elastomer matrix

Definitions

  • the invention relates to a thermo-kinetically deposited cermetic layer or such a layer composite for or as ballistic protection systems.
  • the thermally sprayed support layer has the task of breaking projectiles, especially those with hard metal character but also others.
  • the ballistic protection system itself comprises a base material and / or a substrate on which the cermetic layer and / or the cermetic layer composite is applied as a ballistic protective layer or as a ballistic-acting protection by high-speed flame spraying (HVOF, HVOLF).
  • HVOF high-speed flame spraying
  • liquid fuels are also preferred.
  • this protective structure When exposed to a protective structure with a projectile or with splinters, this protective structure experiences essentially a strong punctual load.
  • the protective structure assumes the task of reducing this burden and to prevent the impinging bullet from further penetration or penetration.
  • the ceramic breaks the bullet or eroded, while a so-called liner material, eg. As aramid or elastomers or other tough materials that stops or retains remaining fragments.
  • Another ballistic protection concept or protection module describes the DE 10 2009 043 492 B4 , Here, a ceramic tile and its support are tightly enclosed by a shrink tube, creating a compressive stress, the local ballistisehe Weaknesses in such ceramic composites prevented.
  • a protective device against projectile-forming charges shows the DE 10 2009 040 305 B4 on.
  • the protective device consists of strips of material consisting of different materials. These are superimposed lying facing the direction of action as a sandwich.
  • the DE 10 2008 028 318 A1 discloses a bullet-resistant transparent laminate.
  • the protective device after the DE 10 2010 054 568 A1 protects especially against multi-missiles.
  • metal and / or ceramic body are doped.
  • the US 2002/088340 A1 relates to a lightweight armor system comprising a substrate and graded metal matrix composite layers.
  • the layers consist of many individual layers with different mixing ratios (volume fraction) of ceramic to metallic materials.
  • the layers are in turn applied to the substrate by thermal spraying.
  • the armor system also consists of a ceramic impact layer applied to the metal matrix composites, at which the bullet is to fragment.
  • the invention has the object to show a ballistic-acting protection system that is easy to manufacture, projectiles and the like can break and is characterized by a low weight.
  • the invention is based on the idea to use thermo-kinetically deposited cermetic layers or laminates as a ballistic or ballistic-acting protective layer on (on) a base material.
  • Cermets for their part, are composites of ceramic materials in a metallic matrix binder phase and are characterized by particularly high hardness and wear resistance.
  • a base material different or different substrate or raw materials are considered.
  • the thermally sprayed Pad layer has and fulfills the task of breaking the projectiles, such as those with hard metal character but also with a soft core (eg lead, iron, etc.), and the like.
  • Special hard-material layers are used which, among other things, have very high hardnesses.
  • thermo-kinetically applied layer systems or layer composites of cermetic materials can be applied to very dense layers on the different substrate materials.
  • the spraying of the layer (s) allows the use of robotic burners.
  • the use of robot-guided burners in turn allows the coating of complex three-dimensional component structures and curved surfaces.
  • a method for applying a metallic corrosion protective layer of self-adhering but non-self-fluxing powders such as cermets, etc. by means of flame spraying discloses DE 35 15 314 A1 , Before the protective layer is sprayed onto the base material, a self-fluxing, corrosion-resistant metal powder is cold-sprayed on. This corrosion-resistant metal powder creates the corrosion protection layer.
  • a device for producing a hard metal or cermet mixture describes the DE 20 2007 012740 U1 ,
  • HVOF High Velocity Oxygen Fuel
  • burners with extremely high kinetic energy of the supersonic fast hot particle jet.
  • gaseous fuels such as e.g. Propane, propene or acetylene operated.
  • a special coating method is used as a special variant of the HVOF process group for the ballistic protective layers described here, in which additionally a liquid fuel, eg kerosene, is used as energy carrier (HVOLF burner).
  • HVOLF burner a liquid fuel, eg kerosene
  • the HVOLF process is used to process the cermets (ceramic hard material particles in metallic matrix), such as Cr 3 C 2 / NiCr and WC / Co.
  • the group of ultra-hard WC / co-materials can be processed very well with the process, since the thermal load of the powder can be kept low.
  • liquid fuel increases the energy density in the combustion chamber and, above all, the kinetic energy of the particle-laden hot gas jet without the gas temperature increase. In this case, speeds of the powder particles of up to 1000 m / s are achieved. These high particle velocities lead to very dense, homogeneous layers with low porosity and at the same time high adhesion to the substrate. In addition to the high hardness, the layers have high corrosion resistance and wear resistance. Due to the intense heat and mass transfer in the coating process as well as the (extremely) high kinetic impact, process- and cooling-induced residual stresses develop in the laminate, which are used to advantage in a targeted process.
  • the HVOLF process permits a high material throughput, ie a high production output, which makes the process particularly suitable for large-area coatings and for producing high layer thicknesses.
  • a high material throughput ie a high production output
  • the use of intelligent robot systems and controls with optimized trajectories enables the coating of partially complex shaped components and curved open spaces.
  • the layers used preferably consist of the highest possible proportion of ceramic hard material powder and a small proportion of metallic or refractory metal binder phase, from which just one or the desired hard-tough layer composite results as a support layer.
  • Such a layer composition in combination with a high hardness, a good adhesion and a high compression bias forms a combination of the protective layer function for breaking the projectiles.
  • manufacturing technology the ability to complex component geometries, such as corners, radii, edges, fillets, etc., reliably, evenly and reproducibly coat.
  • Fig. 1 is a simplified protection system 1, comprising at least one base material or substrate 3, on which a cermetic layer or a cermetic layer composite 2 is sprayed. Even the cermetic layer can form the ballistic protective layer.
  • Fig. 2 shows by way of example applied to the substrate 3 layer material 2 in an enlarged view.
  • Fig. 3 indicates a simplified illustrated device 10 for coating the substrate 3 at. 11
  • a HVOF burner or HVOLF burner
  • HVOF burner injects molten particles 12 - cermetic materials - onto the substrate 3, which then solidify into a layer 2 on the surface 4 (interface) of the substrate 3.
  • the layer 2 was slightly separated from the substrate 3.
  • the layer 2 is directly or via adhesion support on or on the substrate 3) but also known coolant incl. circulation / integration in the burner 11th
  • the substrate 3 (material) and the layer material 2 should preferably be matched to one another become.
  • the substrate material is steel
  • the layer material should be applied in a different thickness than other substrate materials.
  • the process parameters for a thicker layer and a lighter substrate 3 are used differently than for thin layers and a denser material.
  • the cermetic layer or the layer composite 2 may be a proportion of hard material phase in% by weight of, for example, 60-98, the remainder being binder phase (particle 12).
  • the hard material phase can consist inter alia of a carbide, such as tungsten carbide, chromium carbide, titanium carbide, tantalum carbide, niobium carbide, vanadium carbide, silicon carbide, etc., as well as mixtures of these.
  • a carbide such as tungsten carbide, chromium carbide, titanium carbide, tantalum carbide, niobium carbide, vanadium carbide, silicon carbide, etc., as well as mixtures of these.
  • Co Cobalt
  • CoCr CoCr30W12C2.5 (STELLITE), CoNi32Cr21A18Y0.5, CoMo28Cr18 (TRIBALOY)
  • nickel (Ni) or nickel alloys as well as iron (Fe) or iron alloys can also be used as the binder phase.
  • a so-called adhesive layer can be provided, but this is not necessarily a condition.
  • e.g. NiCr, NiAl and the like are used as such an adhesive layer.
  • This layer then serves to better adhere the protective layer 2 to the base material 3, that is, the layer increases the adhesion of the cermetic layer 2 to the base material 3.
  • the thickness of this primer layer applied to the base material 3 may be in a range of max. a few hundred micrometers, but can also, as already mentioned, be omitted.
  • the surface of the base material 3 may be untreated. If a pretreatment is desired, the surface can be pretreated, for example, by sandblasting, water jetting, machining, erosion, laser ablation and / or laser processing, etc. This measure causes an additional roughening of the surface and generally serves to promote the micromechanical clamping of the layers.
  • the thermally applied layer can be sprayed directly onto the structure to be protected.
  • a protection system 1 or such protective systems 1 (not shown in detail) on the object to be protected, releasably secured, for example screwed or the like.
  • a combination of the two possibilities extends the field of application or the individual adaptation of the ballistic protection to the requirements or conditions.
  • the objects / vehicles etc. to be protected can be adapted to the individual protection requirements and, in the case of a subsequent connection of the protection systems 1, also on site. Due to the lower weight of the protection system 1 also requirements for various transport conditions can be met.

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Description

  • Die Erfindung beschäftigt sich mit einer thermo-kinetisch abgeschiedenen cermetischen Schicht bzw. einem derartigen Schichtverbund für bzw. als ballistische Schutzsysteme. Die thermisch gespritzte Auflageschicht hat dabei die Aufgabe, Geschosse, insbesondere solche mit Hartmetallcharakter aber auch andere, zu brechen. Das ballistische Schutzsystem selbst umfasst ein Basismaterial und / oder ein Substrat, auf dem die cermetische Schicht und / oder der cermetische Schichtverbund als ballistische Schutzschicht bzw. als ballistisch wirkenden Schutz durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF, HVOLF) aufgebracht ist. Neben möglichen gasförmigen Energieträgern kommen bevorzugt auch flüssige Energieträger (liquid fuel) zum Tragen.
  • Bei einer Beaufschlagung einer Schutzstruktur mit einem Geschoss oder mit Splittern erfährt diese Schutzstruktur im Wesentlichen eine starke punktuelle Belastung. Die Schutzstruktur übernimmt dabei die Aufgabe, diese Belastung abzubauen und das auftreffende Geschoss am weiteren Eindringen bzw. Durchdringen zu hindern.
  • Neben reinen Panzerstahlstrukturen werden immer häufiger Keramik-Verbunde eingesetzt, wobei die Keramik das Geschoss bricht oder erodiert, während ein so genanntes Liner- Material, z. B. Aramid oder Elastomere oder andere zähe Materialien, die noch verbleibenden Fragmente stoppt bzw. zurückhält.
  • Aus der DE 103 23 082 A1 ist ein Schichtverbundstoff aus Metall und faserverstärkter Keramik bekannt. Glaskeramisches Panzermaterial offenbart die DE 10 2007 025 894 B4 .
  • Ein weiteres ballistisches Schutzkonzept bzw. Schutzmodul beschreibt die DE 10 2009 043 492 B4 . Hierbei werden eine Keramik-Kachel und deren Träger von einem Schrumpfschlauch eng umschlossen, wodurch eine Druckspannung erzeugt wird, die lokale ballistisehe Schwachstellen in derartigen Keramik-Verbunden verhindert.
  • Eine Schutzeinrichtung gegen Projektil bildende Ladungen zeigt die DE 10 2009 040 305 B4 auf. Die Schutzeinrichtung besteht aus Werkstoffstreifen, bestehend aus verschiedenen Werkstoffen. Diese sind übereinander liegend zur Einwirkungsrichtung weisend als Sandwich aufgebaut. Die DE 10 2008 028 318 A1 offenbart einen Durchschuss hemmenden transparenten Schichtverbund.
  • Die Schutzeinrichtung nach der DE 10 2010 054 568 A1 schützt insbesondere gegen Multislug- Geschosse. In den Schutzplatten sind Metall- und / oder Keramik-Körper eindotiert.
  • Keramik-Liner-Verbunde zeichnen sich zwar durch ein geringeres Gewicht als reine Panzerstahllösungen aus, doch ist die Herstellung von insbesondere komplexen dreidimensionalen Strukturen und Flächengeometrien oftmals sehr aufwändig.
  • Die US 2002/088340 A1 betrifft ein leichtes Panzerungssystem mit einem Substrat und abgestuften Metallmatrix-Verbundschichten. Die Schichten bestehen aus vielen Einzelschichten mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen (Volumenanteil) von keramischen zu metallischen Werkstoffen. Die Schichten werden ihrerseits auf das Substrat durch thermisches Aufspritzen aufgebracht. Das Panzerungssystem besteht zudem aus einer, auf den Metallmatrix-Verbundkörpern aufgebrachten keramischen Aufprallschicht, an der das Geschoss zersplittern soll.
  • Hier stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein ballistisch wirkendes Schutzsystem aufzuzeigen, das einfach in der Herstellung ist, Geschosse und dergleichen brechen kann und sich durch ein geringes Eigengewicht auszeichnet.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 2, 3, 4 und 9. Vorteilhafte Ausführungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
  • Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, thermo-kinetisch abgeschiedene cermetische Schichten oder Schichtverbunde als ballistische bzw. ballistisch wirkende Schutzschicht auf (an) einem Basismaterial einzusetzen. - Cermets sind ihrerseits Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen in einer metallischen Matrixbindephase und zeichnen sich durch eine besonders hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus. - Als Basismaterial werden unterschiedliche bzw. verschiedene Substrat- oder Rohwerkstoffe angesehen. Die thermisch gespritzte Auflageschicht hat und erfüllt dabei die Aufgabe, die Geschosse, beispielsweise solche mit Hartmetallcharakter aber auch mit einem Weichkern (z.B. Blei, Eisen etc.), und dergleichen zu brechen. Es werden spezielle Hartstoff- Schichten (Cermetische-Schichten) eingesetzt, die unter anderem sehr hohe Härten aufweisen.
  • Auf das Substratmaterial, dem so genannten >Backing<, wird entsprechend der (zukünftigen) Schutzaufgabe des ballistischen Schutzsystems eine entsprechende thermische Spritzschicht aufgebracht, die unter anderem hohe Härten ähnlich einer Keramik aufweist, jedoch im Gewicht leichter ist. Die thermo-kinetisch aufgebrachten Schichtsysteme bzw. Schichtverbunde aus cermetischen Materialien können dabei zu sehr dichten Schichten auf den unterschiedlichen Substratwerkstoffen aufgebracht werden.
  • Das Aufspritzen der Schicht(en) ermöglicht den Einsatz von robotergeführten Brennern. Der Einsatz von robotergeführten Brennern wiederum ermöglicht die Beschichtung von komplexen dreidimensionalen Bauteilstrukturen und gekrümmten Oberflächen.
  • Ein Verfahren zum Aufbringen einer metallischen Korrosions-Schutzschicht aus selbsthaftenden, aber nicht selbstfließenden Pulvern wie Cermets etc. mittels Flammenspritzen offenbart die DE 35 15 314 A1 . Vor dem Aufspritzen der Schutzschicht auf den Grundwerkstoff wird ein selbstfließendes, korrosionsbeständiges Metallpulver kalt aufgespritzt. Durch dieses korrosionsbeständige Metallpulver wird die Korrosions-Schutzschicht geschaffen. Eine Vorrichtung zur Herstellung einer Hartmetall- oder Cermetmischung beschreibt die DE 20 2007 012740 U1 .
  • Als bevorzugt einzusetzende Brenner bieten sich spezielle HVOF- Brenner (High Velocity Oxygen Fuel = Hochgeschwindigkeitsflammspritzen) mit extrem hoher kinetischer Energie des Überschall schnellen heißen Partikelstrahls an. Bei dessen Auftragen auf der Bauteiloberfläche (Substrat, Basismaterial) kommt es zu einer starken Haftung und Verdichtung der Schicht sowie zu einer prozessbedingten Ausbildung von hohen Druckeigenspannungen in der Hartstoffschicht. Klassisch werden HVOF-Brenner mit gasförmigen Energieträgern wie z.B. Propan, Propen oder Acetylen betrieben.
  • In einer bevorzugten Anwendung wird für die hier beschriebenen ballistischen Schutzschichten ein spezielles Beschichtungsverfahren als besondere Variante aus der HVOF-Verfahrensgruppe eingesetzt, bei dem zusätzlich ein >liquid fuel<, z.B. Kerosin, als Energieträger genutzt wird (HVOLF- Brenner). Das HVOLF- Verfahren wird zur Verarbeitung der Cermets (keramische Hartstoffpartikel in metallischer Matrix), wie z.B. Cr3C2/NiCr und WC/Co, herangezogen. Vor allem die Gruppe der ultraharten WC/Co- Werkstoffe lassen sich mit dem Verfahren sehr gut verarbeiten, da die thermische Belastung des Pulvers gering gehalten werden kann.
  • Der Einsatz von Flüssigbrennstoff erhöht die Energiedichte in der Brennkammer und vor allem die kinetische Energie des partikelbeladenen Heißgasstrahls ohne die Gastemperatur zu erhöhen. Dabei werden Geschwindigkeiten der Pulverpartikel von bis zu 1000 m/s erreicht. Diese hohen Partikelgeschwindigkeiten führen zu sehr dichten, homogenen Schichten mit geringer Porosität bei gleichzeitig hoher Haftung am Substrat. Die Schichten weisen neben der hohen Härte eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit auf. Durch den intensiven Wärme- und Stoffübergang beim Beschichtungsprozess sowie durch den (extrem) hohen kinetischen Impact entstehen prozess- und abkühlbedingte Eigenspannungen im Schichtverbund, welche bei einer zielgerichteten Prozessführung vorteilhaft genutzt werden. Ebenso erlaubt das HVOLF- Verfahren einen hohen Werkstoffdurchsatz, d.h., eine hohe Produktionsleistung, wodurch sich das Verfahren insbesondere für großflächige Beschichtungen sowie zur Erzeugung hoher Schichtstärken eignet. Der Einsatz von intelligenten Robotersystemen und Steuerungen mit optimierten Trajektorien ermöglicht die Beschichtung von auch teilweise komplex geformten Bauteilen und gekrümmten Freiflächen.
  • Die eingesetzten Schichten bestehen bevorzugt aus einem möglichst hohen Anteil an keramischem Hartstoffpulver und einem geringen Anteil an metallischer oder refraktärmetallischer Bindephase, aus der eben ein bzw. der gewünschte hartzähe(r) Schichtverbund als Auflageschicht resultiert. - Eine solche Schichtzusammensetzung in Verbindung mit einer hohen Härte, einer guten Haftung und einer hohen Druckvorspannung bildet eine Kombination der Schutzschichtfunktion zum Brechen der Geschosse. Gleichzeitig schafft es, wie bereits ausgeführt, fertigungstechnisch die Möglichkeit, komplexe Bauteilgeometrien, wie Ecken, Radien, Kanten, Verrundungen etc., zuverlässig, gleichmäßig und reproduzierbar beschichten zu können.
  • Durch die Vielfalt an möglichen Kombinationen aus Hartstoff- Schichtmaterialien und Substratmaterialien (Stähle, Sonderstähle, Leichtmetalle, Verbundwerkstoffe, Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen, etc.) können maßgeschneiderte Lösungen für unterschiedliche Anwendungsfälle (bezogen auf den jeweiligen Schutzanspruch an das Schutzsystem selbst = Schutzlevel) und zusätzliche Gewichtseinsparungen erzielt werden.
  • Anhand eines Ausführungsbeispiels mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine einfache Darstellung eines ballistisches Schutzsystems nach der Erfindung,
    Fig. 2
    eine beispielhafte Abbildung eines Schichtwerkstoffs, vergrößerte Darstellung,
    Fig. 3
    eine allgemeine, vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung für das Beschichten zur Schaffung des Schutzsystems nach Fig. 1.
  • In Fig. 1 ist vereinfacht dargestellt ein Schutzsystem 1, umfassend zumindest ein Basismaterial bzw. Substrat 3, auf dem eine cermetische Schicht bzw. ein cermetischer Schichtverbund 2 aufgespritzt ist. Bereits die cermetische Schicht kann die ballistisch wirkende Schutzschicht bilden.
  • Fig. 2 zeigt beispielhaft einen auf das Substrat 3 aufgebrachten Schichtwerkstoff 2 in einer vergrößerten Darstellung.
  • Fig. 3 gibt eine vereinfacht dargestellte Vorrichtung 10 für das Beschichten des Substrates 3 an. Mit 11 ist ein HVOF- Brenner (bzw. HVOLF-Brenner) vereinfacht dargestellt, der schmelzflüssige Partikel 12 - cermetische Materialien - auf das Substrat 3 aufspritzt, die dann zu einer Schicht 2 an der Oberfläche 4 (Interface) des Substrates 3 erstarren. (Da das Erstarren im Verlaufe des Verfahrens selbst erfolgt, wurde die Schicht 2 leicht getrennt vom Substrat 3 dargestellt. In der Praxis ist jedoch die Schicht 2 direkt oder über eine Haftunterstützung auf bzw. am Substrat 3.)- Nicht näher dargestellt sind die notwendigen aber auch bekannten Kühlmittel inkl. Kreislauf / Einbindung im Brenner 11.
  • Der Ablauf des Verfahrens wird hier anhand eines HVOLF- Brenners (11) näher beschrieben:
    Beim High Veloctiy Liquid Fuel - Verfahren wird zusätzlich Flüssigbrennstoff 15 neben Sauerstoff 16 in eine Brennkammer 14 des Brenners 11 eingedüst, zerstäubt und verbrennt dort zusammen mit reinem Sauerstoff. Die entstehenden Verbrennungsgase strömen mit hoher Geschwindigkeit durch eine Expansionsdüse 13 nach außen. Am Brennkammeraustritt 14' wird radial der pulverförmige Beschichtungswerkstoff 12 eingedüst 17. Aufgrund der hohen Gastemperatur kommt es dabei zum partiellen oder vollständigen Aufschmelzen der Pulverpartikel 12, die vom Gaststrom mitgerissen, beschleunigt und schließlich auf dem zu beschichtenden Bauteil (3) abgeschieden werden. Als Pulverwerkstoffe kommen beispielswiese Cr3C2/NiCr und (oder) WC/Co -Werkstoffe zum Einsatz.
  • Das Substrat 3 (Material) und das Schichtmaterial 2 sollten vorzugsweise aufeinander abgestimmt werden. Handelt es sich beim Substratmaterial beispielsweise um Stahl, dann ist das Schichtmaterial in einer anderen Dicke aufzutragen als bei anderen Substratmaterialien. Ebenfalls zu berücksichtigen ist die Abstimmung der Prozessparameter Substrat 3 und Schichtmaterial 2. So werden die Prozessparameter für eine dickere Schicht und ein leichteres Substrat 3 anders angesetzt als für dünne Schichten und einem dichteren Material.
  • Die cermetische Schicht bzw. der Schichtverbund 2 kann einen Anteil Hartstoffphase in Gew% von beispielsweise 60-98 betragen, der Rest ist Binderphase (Partikel 12).
  • Die Hartstoffphase kann unter anderem aus einem Carbid, wie Wolframcarbid, Chromcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid, Niobcarbid, Vanadiumcarbid, Siliziumcarbid etc. sowie Mischungen aus diesen bestehen.
  • Als Binderphase bieten sich Cobalt (Co) oder Cobaltlegierungen, wie CoCr, CoCr30W12C2.5 (STELLIT), CoNi32Cr21A18Y0.5, CoMo28Cr18 (TRIBALOY), an. Neben diesen können auch Nickel (Ni) oder Nickellegierungen sowie Eisen (Fe) oder Eisenlegierungen als Binderphase eingesetzt werden. Hierzu zählen beispielsweise Ni99, NiCr13, NiCr18Al6, NiCr16Fe9, NiAl5, NiCr21Mo9Nb3 (INCOTEL) etc., bzw. FeCr13C0.5, FeNi2C0.2, FeAl10Mo1C0.2 und FeCr17Ni12Mo2Si1C.
  • Als Haftunterstützung kann eine so genannte Haftvermittlerschicht vorgesehen werden, was aber nicht zwangsläufig Bedingung ist. So kann z.B. NiCr, NiAl und dergleichen als eine derartige Haftschicht genutzt werden. Diese Schicht dient dann dazu, dass die Schutzschicht 2 auf dem Basismaterial 3 besser haften kann, d.h., die Schicht erhöht das Haftverhalten der cermetischen Schicht 2 auf dem Basismaterial 3. Die Dicke dieser auf das Basismaterial 3 aufgebrachten Haftvermittlungsschicht kann in einem Bereich von max. wenigen hundert Mikrometern liegen, kann aber auch, wie bereits erwähnt, entfallen.
  • Die Oberfläche des Basismaterials 3 kann unbehandelt sein. Ist eine Vorbehandlung erwünscht, kann die Oberfläche beispielsweise durch Sandstrahlen, Wasserstrahlen, spanende Bearbeitung, Erodieren, Laserablation und / oder Laserbearbeitung etc. entsprechend vorbehandelt werden. Diese Maßnahme bewirkt eine zusätzliche Aufrauhung der Oberfläche und dient allgemein zur Förderung der mikromechanischen Verklammerung der Schichten.
  • Alle vorgenannten Angaben wie Menge, Zusammensetzung der einzelnen Bestandteile der Schutzschicht 2 etc. sind nicht als einschränkend zu sehen. Vielmehr ergeben sich daraus Hinweise auf weitere Materialien, Mengenverhältnisse, Dicken und Vorbehandlungsmöglichkeiten.
  • Bevorzugt kann die thermisch aufgebrachte Schicht direkt auf die zu schützende Struktur aufgespritzt werden. Alternativ wird ein derartiges Schutzsystem 1 bzw. werden derartige Schutzsysteme 1 an dem zu schützenden Objekt (nicht näher dargestellt), lösbar befestigt, beispielsweise angeschraubt oder dergleichen. Eine Kombination der beiden Möglichkeiten erweitert das Einsatzgebiet bzw. die individuelle Anpassung des ballistischen Schutzes an die Anforderungen bzw. Gegebenheiten. Die zu schützenden Objekte / Fahrzeuge etc. können den individuellen Schutzanforderungen und im Falle einer nachträglichen Anbindung der Schutzsysteme 1 auch vor Ort angepasst werden. Durch das geringere Eigengewicht des Schutzsystems 1 können auch Anforderungen an diverse Transportbedingungen erfüllt werden.

Claims (15)

  1. Verwendung einer auf das Basismaterial (3) und / oder dem Substrat (3) aufgebrachten cermetischen Schicht als ballistisch wirkende Schutzschicht (2) in einem ballistischen Schutzsystem (1), wobei die cermetische Schicht aus einem Anteil Hartstoffphase und einem Rest Binderphase (12) besteht, wobei der Anteil Hartstoffphase in Gew% 60-98 beträgt, die Hartstoffphase unter anderem aus einem Carbid, wie Wolframcarbid, Chromcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid, Niobcarbid, Vanadiumcarbid, Siliziumcarbid etc. sowie Mischungen aus diesen besteht und als Binderphase sich Cobalt (Co) oder Cobaltlegierungen, Nickel (Ni) oder Nickellegierungen als auch Eisen (Fe) oder Eisenlegierungen anbieten.
  2. Verwendung einer auf das Basismaterial (3) und / oder dem Substrat (3) aufgebrachten cermetischen Schichtverbund als ballistisch wirkende Schutzschicht (2) in einem ballistischen Schutzsysteme (1), wobei der cermetische Schichtverbund (2) aus einem Anteil Hartstoffphase und einem Rest Binderphase (12) besteht, wobei der Anteil Hartstoffphase in Gew% 60-98 beträgt, die Hartstoffphase unter anderem aus einem Carbid, wie Wolframcarbid, Chromcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid, Niobcarbid, Vanadiumcarbid, Siliziumcarbid etc. sowie Mischungen aus diesen besteht und als Binderphase sich Cobalt (Co) oder Cobaltlegierungen, Nickel (Ni) oder Nickellegierungen als auch Eisen (Fe) oder Eisenlegierungen anbieten.
  3. Ballistisches Schutzsystem (1) unter Verwendung eines auf das Basismaterial (3) und / oder dem Substrat (3) aufgebrachten cermetischen Schicht als ballistisch wirkende Schutzschicht (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die cermetische Schicht eine Auflageschicht (2) ist.
  4. Ballistisches Schutzsystem (1) unter Verwendung eines auf das Basismaterial (3) und / oder dem Substrat (3) aufgebrachten cermetischen Schichtverbund als ballistisch wirkende Schutzschicht nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der cermetische Schichtverbund eine Auflageschicht (2) ist.
  5. Ballistisches Schutzsystem (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial (3) und / oder das Substrat (3) aus unterschiedlichen bzw. verschiedenen Substratwerkstoffen, wie Stähle, Sonderstähle, Leichtmetalle, Verbundwerkstoffe, Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen etc. besteht.
  6. Ballistisches Schutzsystem (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial (3) und / oder das Substrat (3) durch komplexe dreidimensionale Bauteilstrukturen und / oder gekrümmte Oberflächen gebildet wird.
  7. Ballistisches Schutzsystem (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf dem Basismaterial (3) und / oder dem Substrat (3) aufbringbare Haftvermittlerschicht zwischen der cermetischen Schicht und / oder dem cermetischen Schichtverbund (2) sowie dem Basismaterial (3) und / oder dem Substrat (3) eingebunden sein kann.
  8. Ballistisches Schutzsystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Haftvermittlerschicht NiCr, NiAl und dergleichen genutzt werden.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Schutzsystems (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein HVOF- Brenner oder HVOLF-Brenner (11) schmelzflüssige Partikel (12), cermetische Materialien, auf das Basismaterial bzw. Substrat (3) aufspritzt, die dann zu einer thermisch-kinetisch abgeschiedenen cermetischen Spritzschicht an der Oberfläche (4) des Basismaterials bzw. Substrates (3) erstarren.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (4) des Basismaterials (3) unbehandelt ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (4) vorbearbeitet ist, durch Sandstrahlen, Wasserstrahlen, spanende Bearbeitung, Erodieren, Laserablation und / oder Laserbearbeitung etc.
  12. Objekt mit einem Schutzsystem (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 11.
  13. Objekt nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzsystem (1) direkt auf das Objekt aufgespritzt ist
  14. Objekt nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzsystem (1) am zu schützenden Objekt lösbar befestigt ist.
  15. Objekt nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzsystem (1) am Objekt angeschraubt ist
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