SB_14.880NLP

2008
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Thermisch gespritzte
Diffusionssperrschichten
für CFC-Bauteile in Hochtemperaturanwendungen

Thermisch gespritzte
Diffusionssperrschichten für
CFC-Bauteile in
Hochtemperaturanwendungen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 14.880 N
DVS-Nr.: 02.050
Institut für Oberflächentechnik
der RWTH Aachen
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 14.880 N / DVS-Nr.: 02.050 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
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2008 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 125
Bestell-Nr.: 170234
ISBN: 978-3-96870-124-0
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
1 Zusammenfassung 3
2 Projektbegleitender Ausschuss 4
3 Problemstellung und Zielsetzung 6
3.1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 6
3.2 Zielsetzung 6
3.3 Stand der Technik 6
4 Durchführung der Experimente 8
4.1 Werkstoffe 8
4.2 Substratvorbereitung 9
4.3 Beschichtung 9
4.4 Temperaturmessung 9
4.5 Thermische zyklische Tests 9
4.6 Benetzungsversuche 9
4.7 Metallographische Untersuchung 10
4.8 Rasterelektronenmikroskopie 10
4.9 Röntgenanalyse 10
4.10 Prüfung der Schichthaftung 10
5 Ergebnisse und Diskussion 10
5.1 Substratsvorbereitung zur Beschichtung 10
5.2 Herstellung und Charakterisierung der Einzelschichtsysteme 17
5.2.1 Beschichtung mit Mullitpulver 17
5.2.2 Beschichtung mit Al 2 O 3 -Pulver 19
5.2.3 Beschichtung mit Spinellpulver 21
5.2.4 Beschichtung mit Al 2 O 3 -40TiO 2 -Pulver 24
5.2.5 Beschichtung mit Y 2 O 3 -Pulver 26
5.2.6 Beschichtung mit ZrO 2 - 7 % Y 2 O 3 -Pulver 28
5.2.7 Charakterisierung der Schichthaftung 30
5.3 Herstellung und Charakterisierung von Doppel- und
Dreischichtsystemen 31
5.3.1 Herstellung und Charakterisierung der W-Haftschicht 31
5.3.2 Doppelschichtsysteme mit Mullitdeckschicht 33
5.3.3 Doppelschichtsysteme mit Al 2 O 3 -Deckschicht 34
5.3.4 Doppelschichtsysteme mit Spinelldeckschicht 35
5.3.5 Doppelschichtsysteme mit ZrO 2 - 7 % Y 2 O 3 -Deckschicht 37
5.3.6 Dreischichtsystem aus Y 2 O 3 -Mullit-W 38
5.4 Thermische zyklische Ofentests 39
5.4.1 Einzelschichtsysteme 39
5.4.2 Doppelschichtsysteme 41
5.5 Benetzungsversuche 46
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5.5.1 Versuche mit dem Lot L-Ni2 (Ni7Cr3,2B4,5Si3Fe) 46
5.5.2 Versuche mit dem Lot L-Ni5 (Ni19Cr10,2Si) 57
5.6 Beschichtung der Demonstratoren 66
6 Änderungen zum im Antrag dargestellten Arbeitsplan 68
7 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit der Zielsetzung und
Schlussfolgerungen 69
8 Wissenschaftlich technologischer und wirtschaftlicher Nutzen 69
9 Publikation 70
10 Literatur 70
11 Durchführende Forschungsstelle 71
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1 Zusammenfassung
CFC-Werkstoffe finden immer häufiger Anwendung in Hochtemperaturbereichen.
Bekannte Beispiele sind u. a. Komponenten aus CFC-Werkstoffen wie Chargenträgerplatten
in Ofenanlagen. Da ein direkter Kontakt der CFC-Komponente zu metallischen
Bauteilen zu einer ungewollten Diffusion von Kohlenstoff in das Werkstück führen
kann, ist eine Diffusionssperrschicht auf CFC-Komponenten zur Vermeidung der
Aufkohlung bzw. Karbidbildung der metallischen Werkstücke von großer Bedeutung.
Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung standfester Diffusionsbarrieren
auf CFC-Werkstoffen für Hochtemperaturanwendungen mittels Thermischen
Spritzens.
Im Rahmen des Projekts wurde zunächst die Vorbereitung des CFC-Substrats für die
Beschichtung untersucht. Es wurde festgestellt, dass der Einsatz von feinem Strahlgut,
wie Edelkorund -88 +53 μm für das Strahlen vom CFC-Substrat sehr wichtig ist. Damit
kann die Oberfläche einerseits aufgeraut und der Massenabtrag andererseits minimiert
werden.
Verschiedene Schichtsysteme auf Oxidkeramikbasis wurden als Diffusionsbarrieren für
CFC-Komponenten entwickelt. Die Schichtsysteme wurden in Bezug auf die Schichtbildung,
-struktur und -haftung untersucht, weiterhin wurde die Thermoschockbeständigkeit
und Barrierenfunktion ermittelt. Es wurde festgestellt, dass unter den
untersuchten Oxidkeramiken Al 2 O 3 - 40TiO 2 , Mullit (2Al 2 O 3 SiO 2 ), Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , Spinell
(Al 2 MgO 4 ) und ZrO 2 – 7 % Y 2 O 3 , die Y 2 O 3 -Schicht bezüglich Schichtbildung, -Haftung
und thermischer Stabilität bei erhöhten Temperaturen das beste Einzelschichtsystem
ist. Mullit, Spinell und ZrO 2 – 7 % Y 2 O 3 sind aufgrund einer ungenügenden Schichthaftung,
Al 2 O 3 - 40TiO 2 und Al 2 O 3 aufgrund einer schlechten thermischen Stabilität bei
erhöhten Temperaturen als Einzelschichtsysteme nicht geeignet. Durch den Einsatz
einer Haftschicht aus W oder SiC kann die Haftung der Keramikschichten Mullit,
Spinell und ZrO 2 - 7% Y 2 O 3 wesentlich verbessert werden. Die zyklischen thermischen
Ofentests und die Benetzungsversuche zeigten, dass die Schichtsysteme mit einer
Deckschicht aus Mullit,- Spinell, ZrO 2 - 7 % Y 2 O 3 und Y 2 O 3 eine gute Thermoschockbeständigkeit
und gute Barrierenfunktion aufweisen. Daher ist das Einsatzpotential dieser
entwickelten Schichtsysteme als groß zu betrachten. Verschiedene CFC-
Chargenträgerplatten wurden als Demonstratoren beschichtet, die teilweise in der
Produktion zur Probe eingesetzt werden.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
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2 Projektbegleitender Ausschuss
Terolab Surface GmbH Germany
Dr.-Ing. Gregor Langer
Helmholzstraße 4-6
40764 Langenfeld
Pallas Oberflächentechnik GmbH & Co. KG
Alex Kalawrytinos
Adenauer Straße 17
52146 Würselen
RHV Technik Rybak + Höschele GmbH & Co. KG
Dipl.-Ing. Sven Hartmann
Eisentalstr. 27
713332 Waiblingen
Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Dr.-Ing. Roland Weiß
Rodheimer Straße 59
35452 Heuchelheim
PVA Löt- und Werkstofftechnik GmbH
Dr.-Ing. Udo Broich
Im Westpark 17
35435 Wettenberg
Linde AG, Geschäftsbereich Linde Gas
Dipl.-Ing. Peter Heinrich
Carl-vonLide-Str. 25
85716 Unterschleißheim
Sulzer Innotec, Sulzer Markets and Technology AG
Dr. Rajiv Damani
Zürcher Str. 12
CH-8401 Winterthur
Rainer Kotte GmbH & Co. KG
Heinrich Kühn
Mechenharder Str. 1
63820 Elsenfeld
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Sulzer Metco OSU GmbH
Dipl.-Wirt.-Ing. Marius Heimann
Weseler Straße 1
47169 Duisburg
Behr GmbH & Co. KG
Dipl.-Ing. Steffen Ensminger
Siemensstraße 164
70465 Stuttgart
Für die Mitarbeit und die in diesem Rahmen gegebenen Hinweise und Anregungen sei
dem projektbegleitenden Ausschuss und den externen Experten gedankt.
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