SB_18710NLP

2017
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Zerstörungsfreie ln-Situ-
Überwachung zur
Optimierung der
Schichtmorphologie bei
Plasma-, Lichtbogendrahtund
HVOF-basierten
Prozessen (OptiMorph)

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18.710 N
Inhaltsverzeichnis
1. Zusammenfassung ................................................................................................................ 3
2. Zusammensetzung des projektbegleitenden Ausschusses .................................................. 5
3. Forschungsziel und angestrebte Forschungsergebnisse ...................................................... 6
3.1. Forschungsziel ............................................................................................................... 6
3.2. Arbeitshypothese ........................................................................................................... 6
3.3. Angestrebte Forschungsergebnisse .............................................................................. 7
3.4. Stand der Technik .......................................................................................................... 7
4. Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ...................................... 11
4.1. Wissenschaftlich-technische Problemstellung ............................................................. 11
4.2. Wirtschaftlicher Nutzen für KMU .................................................................................. 12
5. Planung und Ablauf des Vorhabens, Änderungen gegenüber Arbeitsplan ......................... 13
6. Durchgeführte Arbeiten und erzielte Ergebnisse ................................................................ 15
6.1. Identifikation von Schwerpunktprozessen (AP 1) ........................................................ 15
6.2. Definition der Messgrößen (AP 2) ................................................................................ 18
6.3. Kalibrierung der Hochfrequenzimpulsmessung und des magnetischen
Barkhausenrauschens (AP 3) ................................................................................................. 21
6.4. Typische Fehler bei thermisch gespritzten Schichten zur Prozessquantifizierung (AP 4)
24
6.5. Signaltheoretische Aufarbeitung (AP 5) ....................................................................... 27
6.6. Aufbau einer Musterdatenbank (AP 6) ......................................................................... 30
6.7. Validierung in der Industrie (AP 7) ............................................................................... 33
7. Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse ................................................................ 38
8. Darstellung des Wissenschaftlich-Technischen und Wirtschaftlichen Nutzens .................. 39
8.1. Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen .......................................... 39
8.2. Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU ........... 39
9. Verwendung der Zuwendung .............................................................................................. 40
10. Erläuterung der Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit .................. 42
11. Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft .................................................................... 43
12. Einschätzung zur Realisierbarkeit des Transferkonzepts ................................................ 43
13. Übersicht der aus dem Forschungsprojekt entstandenen, eingereichten
Veröffentlichungen ..................................................................................................................... 44
13.1. Eingereicht und veröffentlicht ................................................................................... 44
13.2. Ausstehend .............................................................................................................. 44
15. Literaturverzeichnis ......................................................................................................... 45

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3. Forschungsziel und angestrebte Forschungsergebnisse
3.1. Forschungsziel
Ziel des Forschungsprojekts war die Realisierung eines Systems zur Qualitätssicherung für die
Verfahrensfamilie thermisches Spritzen durch Kombination einer In-Situ-Körperschallanalyse
(Hoch-Frequenz-Impuls-Messung; HFIM) mit einer Anwendung zur zerstörungsfreien
Schichtcharakterisierung auf Basis mikromagnetischer Werkstoffeigenschaften (Magnetische
Barkhausenrauschen-Analyse; MBA). Auf Grundlage einer experimentellen Charakterisierung
unterschiedlicher Werkstoff-Verfahrens-Kombinationen soll ein Mess- und Prüfkonzept für die
prozessbegleitende Vollprüfung thermisch gespritzter Schichten erarbeitet werden, das zur
Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittelständischer Unternehmen (KMU) durch
Senkung von Fehlerfolgekosten beiträgt. Die erzielten Ergebnisse sollen als Datenbasis zur
Erstellung einer Musterdatenbank genutzt und diese über Transfermaßnahmen den KMU
zugänglich gemacht werden.
3.2. Arbeitshypothese
Die Formulierung des Forschungsziels basiert auf den folgenden Annahmen:
1. Thermische Eigenspannungen bedingen die Bildung von Mikro- und ggf. Makrorissen während
oder unmittelbar nach der Applikation Thermischer Spritzschichten, die nicht ohne Zuhilfenahme
aufwändiger (ggf. zerstörender) Prüftechnik nachgewiesen werden können und die
Schichtfunktionalität erheblich beeinträchtigen.
2. Für eine gegebene Werkstoff-Verfahrens-Kombination existiert ein Prozessfenster, in dem
derartige Defekte induziert werden. Durch Variation der Prozessparameter können Schichten mit
unterschiedlichen Schädigungsgraden erzeugt werden.
3. Die Rissbildung hat die Ausbreitung eines Körperschallimpulses zur Folge, der mittels
geeigneter Sensortechnik im Beschichtungsprozess (online) detektiert und quantitativ
ausgewertet werden kann.
4. Die Defekte führen zu einer Störung eines in die Schicht eingeleiteten Magnetfelds, die mittels
geeigneter Sensortechnik im Anschluss an den Beschichtungsprozess (inline) detektiert und
quantitativ ausgewertet werden kann.
5. Die oben genannten Messsysteme generieren charakteristische Datensignaturen, die für die
Anlernung einer softwarebasierten Mustererkennung herangezogen werden können. Die Mustererkennung
ermöglicht eine vereinfachte Evaluierung ähnlicher Prozesse aus der Verfahrensfamilie
des thermischen Spritzens.
Die Überprüfung der Arbeitshypothese erfolgt anhand experimenteller Beschichtungsversuche
für vordefinierte Werkstoff-Verfahrens-Kombinationen. Im Rahmen von Parameterstudien werden
Parametersätze identifiziert, die einen unterschiedlich hohen Schädigungseintrag in die
thermische Spritzschicht zur Folge haben. Für ausgewählte Parametersätze werden instrumentierte
Messkampagnen gefahren und die mittels HFIM und MBA erzielten Ergebnisse mit
konventionell erhobenen Kenngrößen korreliert. Als Referenz dienen unter anderem Härte- und
Schichtdickenmessungen sowie licht- und elektronenoptische Untersuchungen zur Bestimmung

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der Rissdichte. Die Versuchsergebnisse sollen final aufbereitet und in Form einer Musterdatenbank
in die zu entwickelnde Prüfstrategie integriert werden. Genauere Angaben zur Vorgehensweise
und den verwendeten Messsystemen sind im Verlauf dieses Abschlussberichtes dokumentiert.
3.3. Angestrebte Forschungsergebnisse
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden folgende Ergebnisse angestrebt:
1. Die Ertüchtigung der Messsysteme HFIM und MBA für die Anwendung im Rahmen einer
Qualitätsüberwachung von thermischen Spritzprozessen. Die Prüfung der thermischen
Spritzschichten soll zerstörungsfrei und – im Fall der HFIM – in-situ erfolgen.
2. Bereitstellung einer Datenbasis zur Erreichung des Teilziels Pkt. 1 anhand von experimentellen
Untersuchungen an den Werkstoff-Verfahrens-Kombinationen gemäß Tab. 1.
Tab. 1: Werkstoff-Verfahrens-Kombinationen für zur Generierung der Datenbasis
Prozess LiBo HVOF APS
NiCrBSi NiCrBSi NiCrBSi
Werkstoffe
Cr3C225NiCr Cr3C225NiCr Cr3C225NiCr
PbA bestimmt PbA bestimmt PbA bestimmt
Auf Grundlage einer Korrelation der Messdaten aus HFIM und MBA unter Einsatz konventioneller
Charakterisierungsmethoden (Härteprüfung, optische Analyse) getätigter Referenzmessungen,
soll ein grundlegendes Verständnis bezüglich der Sensitivität der HFIM und MBA für typische
Schädigungsmechanismen (Abkühlungsrisse) im Thermischen Spritzen erarbeitet werden.
3. Eine Musterdatenbank zur Detektion und Qualifizierung von Inhomogenitäten in Thermischen
Spritzschichten durch Aufbereitung und Zusammenführung der erzielten Versuchsergebnisse
(Teilziel Pkt. 2).
Zielsetzung des Forschungsvorhabens ist die Erschließung neuer Anwendungsmöglichkeiten für
die Messsysteme HFIM und MBA sowie die Erarbeitung neuer Methoden zur Qualitätssicherung
für die Verfahrensgruppe des thermischen Spritzens. Mit der Arbeit soll ein Beitrag zu einer
Erweiterung des gegenwärtigen Stands der Technik bzgl. des Einsatzes von Messtechnik in
thermischen Spritzprozessen geleistet werden.
3.4. Stand der Technik
Neben der Durchführung von Reparaturmaßnahmen durch Aufbringen von Spritzgut auf
artgleiche Substratwerkstoffe wird die Technologie des thermischen Spritzens genutzt, um Bauteile
mit vorteilhaften Oberflächeneigenschaften auszustatten. Beispiele hierfür sind
verschleißbeständige Hartstoff- oder chemisch inerte Keramikschichten, die die Lebensdauer und
den Grad der Funktionserfüllung der Trägerkomponenten erheblich steigern. Die Funktionalität
der Spritzschichten hängt in hohem Maße von der Vermeidung von Schichtfehlern wie
beispielsweise Rissen und lokalen Dekohäsionen ab, die zu einem lokalen Versagen der
Spritzschicht führen können [Bol06], [Lóp98].

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Die Erbringung des Nachweises, dass eine Schicht nicht, beziehungsweise in einem vertretbaren
Maß, defektbehaftet ist, erfordert hohe Investitionen in fortschrittliche Messtechnik. Zudem bedingt
der Nachweis oftmals eine Zerstörung der Schicht- und des Trägermaterials oder ist aus
wirtschaftlichen Gründen nicht praktikabel.
Industrieunternehmen im Bereich der Spritztechnik sind grundsätzlich darauf angewiesen,
ausreichendes Know-How in der Verarbeitung der Spritzzusätze vorzuhalten, um für Bauteile in
der Serienproduktion nach einmaliger Parametrisierung des Prozesses prozess- und qualitätssicher
beschichtet werden können. Die Erarbeitung dieses Know-Hows geschieht in aufwändigen
Versuchsreihen zur Parameteridentifikation, die teilweise von den Herstellern der Spritzzusatzwerkstoffe
durchgeführt werden.
Gegenwärtig erfolgt die Bestimmung der Defektdichte vorwiegend manuell anhand von licht- oder
elektronenoptischen Analysen als repräsentativ erachteter, metallografischer Schliffe. In
Sonderfällen können offene Risse durch zerstörungsfreie Methoden wie die Farbeindring- oder
elektrische Durchschlagprüfung detektiert werden. Ab einer bestimmten Auflösungsgrenze
kommen ebenfalls Ultraschallverfahren in Frage. Derartige Prüfungen werden online und häufig
nur anhand von Stichproben oder nur bei hochpreisigen Komponenten durchgeführt.
Darüber hinaus werden vereinzelt Onlinemessungen zur Überwachung thermischer Spritzprozesse
verwendet. Unter Zuhilfenahme optischer Systeme, wie Accuraspray (Tecnar Automation
Ltd.) oder Visisize (Oxford Lasers), können Eigenschaften der halb- oder vollständig aufgeschmolzenen
Spritzpartikel wie Geschwindigkeit, Temperatur oder Größe im Flug erfasst und
online ausgewertet werden. Die erhobenen Kenngrößen können zwar in relativen Bezug zu den
Schichteigenschaften wie der Härte oder der Porosität gesetzt werden [Til10], [Hus16], jedoch
generieren solche Überwachungstechniken keine direkten Information über Schichtfehler wie
Risse oder Dekohäsionen. Grund hierfür ist, dass die Eigenschaften des Substratmaterials und
der anwachsenden Schicht (z. B. Temperatur oder Geometrie) nicht berücksichtigt werden.
Entstehen am Bauteil nach dem Auftrag des Spritzzusatzwerkstoffs Schäden, wie
Abkühlungsrisse oder Dekohäsionen, werden diese durch die genannten optischen Systeme
nicht detektiert. Identische Partikeleigenschaften können in Abhängigkeit von der Güte der
Substratpräparation zu einer technisch einwandfreien oder einer defektbehafteten Schicht führen,
wobei letztere eine stark verminderte Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen kann
[Sam09]. Vor diesem Hintergrund besteht Bedarf an neuartigen Verfahren für die In-Situ-Analyse
thermischer Spritzprozesse, um eine mögliche Rissentstehung und -ausbreitung frühzeitig und
prozesssicher erfassen zu können.
Einer der hier verfolgten Ansätze ist die Analyse akustischer Emissionen (AE), die bei einer
spröden Materialreaktion (Rissbildung, Delamination) freigesetzt werden [Til13]. Die Bildung
eines Anrisses in einem mechanisch überbeanspruchten festen Körper resultiert aus dem
natürlichen Bestreben des Systems, seinen energetischen Zustand durch Freisetzung von
gespeicherter elastischer Verformungsarbeit zu reduzieren. Im Zuge der Rissbildung wird ein Teil
der freigesetzten elastischen Energie durch das feste Medium als akustische Welle übertragen.
Dieser Körperschall verursacht Mikroauslenkungen an freien Oberflächen eines Körpers, die
beispielsweise mittels piezoelektrischer Sensoren detektiert werden können. Das akustische
Signal ist Träger von Informationen über die strukturelle Degradation des festen Körpers. Es kann
in einigem räumlichen Abstand zur Quelle registriert werden, sofern eine vorteilhafte akustische
Ankopplung der Sensorik gewährleistet ist.