SB_13.413N_LP

2004
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Erschließung neuer
Einsatzmöglichkeiten für
Spritzschichten durch
Mikroplasmaspritzen

Erschließung neuer
Einsatzmöglichkeiten für
Spritzschichten durch
Mikroplasmaspritzen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 13.413 N
DVS-Nr.: 02.034
RWTH Aachen, Lehr- und Forschungsgebiet
Werkstoffwissenschaften
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 13.408 B / DVS-Nr.: 03.057 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 57
Bestell-Nr.: 170166
ISBN: 978-3-96870-056-4
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltsverzeichnis
0. Zusammenfassung IV
1. Einleitung 1
2. Stand der Wissenschaft und Technik 2
3. Forschungsziel 7
4. Durchführung der Experimente 8
4.1 Auswahl der Werkstoffe 8
4.2 Mikroplasmaspritzanlage 8
4.3 DPV-2000 Messung 9
4.4 Substrattemperaturmessung 9
4.5 Statistische Versuchsplanung und –auswertung 9
4.6 Metallographische Untersuchung und Porositätsmessung 9
4.7 Härtemessung 9
4.8 Rauheitsmessung 9
4.9 Chemische Analyse 9
4.10 Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenanalyse 10
4.11 Haftzugfestigkeit 10
4:12 Verschleißtest 10
5. Ergebnisse und Diskussion 11
5.1 Charakterisierung des Spritzprozesses 11
5.1.1 Wichtige Störgrößen beim Mikroplasmaspritzen 11
5.1.2 Spritzfleck 15
5.1.3 Substrattemperatur 19
5.1.3.1 Stahlprobe 35x20x3,5 mm 19
VII

5.1.3.2 Stahlprobe 35x17x0,5 mm 21
5.1.3.3 Stahlprobe 17x17x0,5 mm 22
5.1.3.4 Al-Probe 20x12x1,5 mm 23
5.1.3.5 Substrattemperaturen beim Spritzen mit Al 2 O 3 -TiO 2 24
5.1.3.6 Oberflächentemperaturverteilung der Probe 25
5.1.4 Partikeleigenschaften beim MPS-Spritzen 26
5.2 Überprüfung der Verarbeitbarkeit verschiedener Spritzwerkstoffe 29
5.2.1 Verarbeitung von NiCrBSi 29
5.2.2 Verarbeitung von Ni20Cr 37
5.2.3 Verarbeitung anderer Metallwerkstoffe 46
5.2.4 Verarbeitung der Keramikwerkstoffe auf Al 2 O 3 -Basis 50
5.2.5 Verarbeitung von ZrO 2 -7%Y 2 O 3 54
5.2.6 Verarbeitung der Cermetwerkstoffe 57
5.2.7 Verarbeitung von Hydroxylapatit (HA) 60
5.2.8 Sonstige Spritzuntersuchungen 67
5.3 Triboeigenschaften der MPS-Schichten 69
5.3.1 NiCrBSi-Schichtsystem 70
5.3.2 Al 2 O 3 -TiO 2 Schichtsystem 78
5.3.3 WC-Co Schichtsysteme 85
5.4 Überprüfung der Reparaturmöglichkeit mittels MPS-Verfahren 89
6. Schlussfolgerungen 92
6.1 Wissenschaftlich technischer Nutzen 92
6.2 Wirtschaftlicher Nutzen, insbesondere für kmU 92
6.3 Neuigkeitsgehalt 92
6.4 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten 93
VIII

7. Publikation 94
7.1 Bisherige Veröffentlichungen 94
8. Literatur 95
IX

1. Einleitung
Thermisches Spritzen ist eine der bedeutenden Oberflächentechnologien. Durch eine
Vielzahl an Verfahrensvarianten gestattet diese Technologie die Verarbeitung
unterschiedlicher Materialien im breitesten Spektrum. Infolgedessen sind die Anwendungen
der Spritzschichten sehr vielfältig. Neben dem Schutz gegen Oxidation und
Korrosion und der Wärmedämmung spielen die Spritzschichten beim Schutz vor
Verschleiß und die Verbesserung des Triboverhaltens eine wesentliche Rolle.
Darüber hinaus sind Spritzschichten auch als Biofunktionsschichten einsetzbar. Die
Anwendungsfelder der Spritzschichten werden durch Weiter- und Neuentwicklung
von Spritzverfahren und Spritzwerkstoffen im Hinblick auf die technische und wirtschaftliche
Einsetzbarkeit stetig erweitert.
Das Spritzverfahren Mikroplasmaspritzen ist erst Mitte der 90er Jahre entwickelt
worden /1,2/. Im Gegensatz zu anderen Spritzverfahren zeichnet sich das
Mikroplasmaspritzen durch eine deutlich niedrigere Plasmaleistung und einen sehr
geringen Gasverbrauch aus. Der sehr eng gebündelte laminare Plasmastrahl
ermöglicht einen kleinen Spritzfleck (3-5 mm) auf dem Substrat. Die Wärmezufuhr
ins Substrat ist gegenüber anderen Spritzverfahren deutlich geringer. Diese Eigenschaften
machen eine relativ präzise Beschichtung auf kleinen Bauteilen technisch
sowie wirtschaftlich möglich. Die kleinen Maße und das niedrige Gewicht der Spritzanlage
bieten außerdem die Möglichkeit zu Vorortreparaturen an. Jedoch wurde bis
lang das Verfahren noch nicht umfangreich untersucht. Die Kenntnisse über die
Verarbeitbarkeit herkömmlicher Spritzwerkstoffe, die Eigenschaften der Schichten,
die Prozesseigenschaften, die Prozessstabilität und so weiter müssen noch erarbeitet
werden, um das Anwendungspotential des Verfahrens aufzeigen zu können.
Vor diesem Hintergrund wurde das Vorhaben „Erschließung neuer Einsatzmöglichkeiten
für Spritzschichten durch Mikroplasmaspritzen“ initiiert, mit dem Ziel grundlegende
Kenntnisse über das Mikroplasmaspritzen zu erarbeiten und die Anwendungspotentiale
von MPS aufzuzeigen. Daher sollten im Rahmen des Vorhabens die
Prozesseigenschaften ermittelt, die Verarbeitbarkeit herkömmlicher Spritzwerkstoffe
mittels MPS-Verfahren überprüft und die Schichteigenschaften untersucht werden.

2. Stand der Wissenschaft und Technik
Seit Beginn des letzten Jahrhunderts wurden eine Vielzahl an Spritzverfahrensvarianten
entwickelt. Heute kommen primär das Flammspritzen, atmosphärische Plasmaspritzen
(APS), Lichtbogenspritzen und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen
(HVOF) zur Herstellung von Beschichtungen zum Einsatz.
Beim Flammspritzen wird der Spritzwerkstoff in Form von Pulver, Draht oder Stab in
eine Flamme eingebracht, dort geschmolzen und auf das Werkstück beschleunigt.
Die höchste Flammtemperatur beim Flammspritzen liegt mit Acetylen als Brennstoff
bei ca. 3160°C /3/. Die kinetische Energie bekommen die Spritzpartikel durch die
Strömung der Brenngase bzw. einem zusätzlichen Zerstäubergas. Aufgrund der
moderaten Flammtemperaturen und niedrigen Gasgeschwindigkeiten werden vor
allem Legierungen mittels Flammspritzen verarbeitet. Für Anwendungen mit hohen
Anforderungen an den Verschleißwiderstand werden vor allem selbstfließende
Legierungen auf Ni-Basis verwendet. Der gleichzeitige oder nachfolgende Einschmelzprozess
gewährleistet eine dichte, verschleißfeste und korrosionsbeständige
Schicht. Der Spritzfleck beim Flammspritzen ist mit einem Durchmesser von über
20 mm relativ groß. Die Anwendung von Flammschichten auf kleinen Bauteilen ist
weitgehend unbekannt.
Beim Lichtbogenspritzen wird ein elektrischer Lichtbogen mit einer Temperatur von
4000-5000 °C zum Abschmelzen der drahtförmigen und stromleitenden Spritzwerkstoffe
verwendet. Der abgeschmolzene Spritzwerkstoff wird durch eine zusätzliche
Gasströmung aus Druckluft oder einem anderen Gas zerstäubt und auf das Substrat
beschleunigt. Das Hauptanwendungsgebiet der Lichtbogenschicht liegt im wesentlichen
in großflächigem Korrosionsschutz und mäßigen Verschleißschutz /3/. Der
Spritzfleck beim Lichtbogenspritzen ist noch deutlich größer als der beim Flammspritzen,
weshalb das Verfahren für die Beschichtung kleiner Bauteile nicht geeignet
ist.
Das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen benutzt wie das Flammspritzen die durch
chemische Reaktion zwischen Brennstoff und Sauerstoff freigesetzte Wärme als
Energiequelle zum Auf- oder Anschmelzen des Spritzwerkstoffs. Als wesentlicher
Unterschied zum Flammspritzen läuft beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen die
Verbrennung in einer offenen Brennkammer bei erhöhtem Druck ab. Durch die
Verwendung von vergleichsweise hohen Verbrennungsdrücken von 6 bis 10 bar und
einer Gasexpansion durch eine Laval-Düse erreichen heutige HVOF Verfahren
2

Gasgeschwindigkeiten von über 2000 m/s /4,5/. Infolgedessen hat das Verfahren in
den letzten Jahren zur Herstellung von qualitativ hochwertigen Cermet- sowie
Metallenbeschichtungen immer mehr an Bedeutung gewonnen. Aufgrund hoher
Betriebkosten und des großen Spritzflecks (über 20 mm) ist die Beschichtung auf
kleinen Bauteilen jedoch wirtschaftlich nicht attraktiv.
Atmosphärisches Plasmaspritzen ist das am meisten verwendete Spritzverfahren.
Das Prinzip des Plasmaspritzens ist schematisch in Abb. 2.1 dargestellt. Der plasmaerzeugende
Lichtbogen wird über eine Hochfrequenzentladung zwischen der
kerzenförmigen Wolframkathode und der als Ringdüse konzipierten Kupferanode
gezündet. Die von der Kathode emittierten Elektronen werden durch das anliegende
Potential beschleunigt und verursachen beim Zusammenstoßen mit den einströmenden
Gasatomen deren Dissoziation und Ionisation. Das Plasmagas wird beim Eintritt
in die Brennerdüse verdrallt. Druck und Geschwindigkeit des verdrallt eingeleiten
Plasmagases führen zur Einschnürung und Rotation des Lichtbogens. An der
Düsenmündung, nach Verlassen des Lichtbogens erfolgt die Rekombination. Das
heißt, dissoziierte Molekühle formen sich wieder zu Einheiten und freie Elektronen
nehmen die ursprünglichen Bahnen auf den Ionen ein. Durch freiwerdende Rekombinationswärme
werden im Kern des Plasmas Temperaturen bis zu 20.000 K erreicht,
die eine durch die Düse gerichtete explosionsartige Expansion des Gases zur Folge
haben. Auf dieser Weise findet eine Energieumwandlung von elektrischer Energie in
Wärme- und Bewegungsenergie statt, die zum Aufschmelzen und Beschleunigen der
Spritzpartikel verwendet wird. Durch Mischen von ein- und zweiatomigen Gasen wird
eine optimale Abstimmung auf den Spritzwerkstoff hinsichtlich der Temperatur- und
Geschwindigkeit der Spritzpartikel geleistet. Argon und Wasserstoff sind das am
meisten verwendete primäre und sekundäre Plasmagas. Mittels Plasmaspritzen
können verschiedenste Werkstoffe spritztechnisch verarbeitet werden. Besonders
beim Beschichten von hochschmelzenden Keramiken zeigt sich das Verfahren
gegenüber anderen Verfahren als vorteilhaft. Das Plasmaspritzen wird zur Beschichtungen
kleiner Bauteile wie Dentalimplantaten und Fadenführer in der Textilindustrie
verwendet. Der Spritzfleck beim APS ist ebenfalls relativ groß (20 mm). Daher ist der
Overspray bei der Beschichtung kleiner Bauteile auch ein zu berücksichtigender
wirtschaftlicher Faktor.
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