SB_18.788NLP

2017
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Kavitationsschutzschichten
aus pseudoelastischen
Nickel-Titan-Legierungen
hergestellt durch
modifizierte
Lichtbogenspritzprozesse

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 18.788
Inhaltsverzeichnis
1. Zusammenfassung und Ausblick .................................................................................. 8
2. Zusammensetzung des projektbegleitenden Ausschusses ......................................... 12
3. Einleitung .................................................................................................................... 13
4. Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse im Berichtszeitraum ..................................... 16
4.1. Modifizierung des Lichtbogenspritzens durch Verwendung des Shroudprinzips AP1
(LWT) ......................................................................................................................... 16
4.2. Modifikation für das Verspritzen von reinen Ni- und Ti-Drähten .................................. 16
4.2.1. Untersuchung des Schichtaufbaus (Mikrostruktur, Spaltbildung, Oxidation) AP3 ........ 19
4.2.2. Optimierung der Prozessparameter zum Spritzen von NiTi auf flache Proben AP2-LWT
21
4.2.3. Untersuchung des Schichtaufbaus (Mikrostruktur, Spaltbildung, Oxidation) AP3 (LWT
WP) ............................................................................................................................ 22
4.2.4. Anforderungen an die Drahtkombination und –zusammen-setzung sowie die
Untersuchung der erzeugten Schichten auf Pseudoelastizität und Kavitationswiderstand
(WP) ........................................................................................................................... 24
4.2.5. Fazit beim Verspritzen von reinen Ni- und Ti-Drähte ................................................... 25
4.3. LiBo-Modifikation zum Verspritzen von vorlegiertem NiTi-Draht (Abschirmung) AP1
(LWT) ......................................................................................................................... 26
4.3.1. DSC-Analyse der vorliegerten NiTi-Drähte (WP) ........................................................ 31
4.3.2. Optimierung der Prozessparameter zum Spritzen von NiTi auf flachen Proben / AP2
(LWT) ......................................................................................................................... 31
4.3.3. Anforderungen an die Drahtkombination und -zusammensetzung sowie die
Untersuchung der erzeugten Schichten auf Pseudoelastizität und Kavitationswiderstand
/ AP4 (WP).................................................................................................................. 33
5. Effekt des Abstands zwischen Shroudaustritt und Substratoberfläche auf die erzeugten
Schichten .................................................................................................................... 36
5.1. Modifikation des verwendeten Massiv-Shrouds .......................................................... 39
5.2. Beschichtung von komplexer Substratgeometrie ........................................................ 39
6. Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse ......................................................... 42
7. Darstellung des Wissenschaftlich-technischen und Wirtschaftlichen Nutzens ............. 43

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben Nr. 18.788
7.1. Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen .......................................... 43
7.2. Wirtschaftliche Bedeutung der angestrebten Forschungsergebnisse für KMU ............ 43
8. Verwendung der Zuwendung ...................................................................................... 44
9. Erläuterung der Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ............... 46
10. Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft................................................................ 47
11. Einschätzung zur Realisierbarkeit des Transferkonzepts ............................................ 47
12. Übersicht der aus dem Forschungsprojekt entstandenen, eingereichten
Veröffentlichungen ...................................................................................................... 48
12.1. Eingereicht und veröffentlicht ...................................................................................... 48
12.2. Ausstehend................................................................................................................. 48
13. Literaturverzeichnis ..................................................................................................... 48

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3. Einleitung
Ziel des beantragten Projektes war es, die Vorteile der Lichtbogenspritztechnik, insbesondere die
hohe Auftragseffizienz und Prozessflexibilität, mit den neuartigen Zerstäubungsdüsen und der
Shroudtechnik zu kombinieren. Auf diese Weise sollte eine NiTi-Schicht mit pseudoelastischen
Eigenschaften appliziert werden können. Hierzu wollten die beiden beantragenden
Forschergruppen durch die Zusammenlegung ihrer Expertisen eine erfolgversprechende Lösung
liefern. Die Abschirmung konnte durch eine gezielte Änderung des Aufbaues der
Zerstäubungsdüsen sowie die der Luftkappen realisiert werden (Abbildung 2).
Abbildung 2: Prinzip des Lichtbogenspritzens zeigt die Zerstäubungsdüse und den Luftkappen
- Aufsatz (Nummerierung 1. und 2. gibt nicht die Reihenfolge der Optimierung vor)
Eine Kombination aus beiden Shroudtypen soll den Spritzstrahl bis zum Aufschlagen der
einzelnen Spritzpartikel auf die Substratoberfläche vor Oxidation schützen können. Somit können
Oberflächen mit Wölbungen und tieferen Ausschnitten beschichtet werden. Unter einem Massiv-
Shroudaufsatz versteht man einen hohlen Metall- oder Keramikzylinder, der koaxial mit dem
Spritzstrahl verläuft und effektiv die Luftkappe erweitert. Der Aufsatz soll die Oxidation der
Spritzpartikel durch die Umgebungsatmosphäre während der Flugphase verhindern. Beim
gleichzeitigen Verspritzen von zwei unterschiedlichen Drähten aus reinem Ni und reinem Ti wurde
der Shroud mit Austrittslöchern bzw. -schlitzen versehen, die mit einem Winkel zum Spritzstrahl
stehen. Das aus diesen Löchern bzw. Schlitzen ausströmende Gas soll die Flugbahn von
einzelnen Partikeln ablenken und somit Partikelkollisionen hervorrufen, die eine Vermischung von
Ni- und Ti-Partikeln begünstigen.
Die Gas-Shrouds bestehen aus Luftkappenaufsätzen, die mit Austrittslöchern für Sekundärgas
versehen sind. Somit sollte der Spritzstrahl durch koaxial verlaufendes Inertgas abgeschirmt
werden. Zusätzlich zur Abschirmung des Spritzstrahles soll die Partikelgeschwindigkeit erhöht
und der Spritzstrahl fokussiert werden. Auf diese Weise konnte eine erhebliche Verbesserung

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der erzeugten Schichtqualität und eine erhöhte Auftragsrate erzielt werden. Abbildung 3 zeigt
die Änderungen bei den Luftkappen, welche sowohl die Entwicklung des Gas-Shrouds als auch
des Massiv-Shrouds beinhaltet.
Abbildung 3: Verwendete Luftkappen Aufsätze: MS / Massiv-Shroud, GS / Gas-Shroud, K-SG /
Konventionelle Sekundärgas-Luftkappe, K-PG / Konventionelle Primärgas-Luftkappe
Trotz der oben genannten Vorteile ist eine Kühlung des Massiv-Shroudaufsatzes notwendig und
wird durch den Sekundärgasverlauf ermöglicht. Ein weiterer Nachteil des Massiv-
Shroudaufsatzes ist die Möglichkeit der Partikelanhaftung an der Innenwand. Dies verhindert den
industriellen Einsatz, da dort ein Dauerbetrieb der Luftkappen verlangt wird. Die Nutzung des
Lichtbogenspritzens unter Einsatz von modifizierten Zerstäubungsdüsen sollte die Möglichkeit
geben, kommerzielle reine Ni- und Ti-Drähte zu verspritzen, mit dem Ziel pseudoelastische
Schichten herzustellen. Somit kann die Verwendung von teuren und technologisch schwierig
herzustellenden Spritzdrähten aus pseudoelastischem NiTi-FGL Vollmaterial vermieden werden.
Hinsichtlich der Entwicklung von Shroudaufsätzen und Zerstäubungsdüsen sollten die
Vorkenntnisse und Expertisen am Lehrstuhl für Werkstofftechnologie gezielt genutzt werden. Die
kommerziellen Luftkappen und Zerstäubungsdüsen bieten nur wenig Kontrolle über die Form des
Spritzstrahls, was oftmals zu unsymmetrischen Spritzflecken (Footprints) führen kann. Die
gewonnenen Erkenntnisse sollen für die weitere Entwicklung, Modellierung und Simulation
verschiedener Konzepte im geplanten Vorhaben zum Einsatz kommen. Die Divergenz des
Spritzstahls im LiBo-Spritzprozess (Lichtbogen-Spritzprozess) ist relativ groß im Vergleich zu
anderen thermischen Spritzverfahren. Dadurch bedingt kommt es zu einem signifikanten
Overspray auf dem Bauteil. Auch deshalb war die Verbesserung in der Spritzstrahlfokussierung

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ein weiteres Anforderungskriterium an das zu entwickelnde Shroudprinzip. Somit können auch
kleinere Geometrien effizienter beschichtet werden. Dies ließ sich jedoch nur mit einem
Spritzstrahl, der symmetrisch und fokussiert ist sowie zeitgleich höhere Partikelgeschwindigkeiten
aufweist, verwirklichen.
Zusammengefasst sollte das neu entwickelte Shroudkonzept folgende Merkmale aufweisen:
‣ Vermischung von Spritzpartikeln zwecks Herstellung von NiTi-FGL
‣ Abschirmung des Spritzstrahls von der umgebenden Atmosphäre um die Oxidation zu
vermeiden
‣ Erhöhung der Partikelgeschwindigkeiten sowie eine Reduktion der Partikelgrößen
‣ Fokussierung des Spritzstrahls
Bei der Durchführung des beantragten Forschungsvorhabens wurde nach folgendem Ablaufplan
(Abbildung 4) vorgegangen.
Abbildung 4: Vorgehensweise beim beantragten Forschungsvorhaben