SB_19874BGLP

2020
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Ultraschallgestützte Nachbehandlung
thermisch
gespritzter Schichten

Ultraschallgestützte
Nachbehandlung thermisch
gespritzter Schichten
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.874 BG
DVS-Nr.: 02.110
Technische Universität Berlin
Institut für Werkzeugmaschinen
und Fabrikbetrieb
Fachgebiet Beschichtungstechnik
Westsächsische Hochschule Zwickau
Institut für Produktionstechnik
Forschungsbereich Spanungstechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.874 / DVS-Nr.: 02.110 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
© 2020 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 474
Bestell-Nr.: 170584
ISBN: 978-3-96870-4-7
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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Schlussbericht
zu IGF-Vorhaben Nr. 19874 BG
Thema
Ultraschallgestützte Nachbehandlung thermisch gespritzter Schichten
Berichtszeitraum
01.01.2018 – 30.09.2020
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
• Technische Universität Berlin, Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb, Fachgebiet
Beschichtungstechnik
Berlin,16.3.2021 Prof. Christian Rupprecht Dr. Georg Thomas
Ort, Datum
Name und Unterschrift aller Projektleiterinnen und Projektleiter der Forschungseinrichtung(en)
• Westsächsische Hochschule Zwickau, Institut für Produktionstechnik, Forschungsbereich
Spanungstechnik
Zwickau, 16.3.2021 Prof. Michael Schneeweiß Dipl.Ing. (FH) Andreas Zinke
Ort, Datum
Name und Unterschrift aller Projektleiterinnen und Projektleiter der Forschungseinrichtung(en)

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19874 BG
Inhaltsverzeichnis
1 Motivation 4
2 Aufgabenstellung und Ziele 7
3 Stand von Wissenschaft und Technik 8
3.1 Thermischen Spritzen 8
3.1.1 Drahtlichtbogenspritzen 10
3.1.2 Hochgeschwindigkeitsflammspritzen 11
3.2 Nachbehandlung von Spritzschichten 12
3.2.1 Thermische Behandlung 13
3.2.2 Chemische Behandlung 14
3.2.3 Mechanische Nachbehandlung 15
3.3 Grundwerkstoffe und Oberflächenvorbehandlung 24
3.4 Zusatzwerkstoffe 25
4 Experimentelle Durchführung 28
4.1 Auswahl der Zusatzwerkstoffe (TUB, WHZ, PA) 28
4.2 Probengrundkörperherstellung (TUB) 30
4.3 Drahtlichtbogenspritzen (TUB) 30
4.4 HVOF-Spritzen (TUB) 33
4.5 Nachbehandlung der thermisch gespritzten Schichten 34
4.5.1 Feindrehen (WHZ) 34
4.5.2. Rollieren (WHZ) 35
4.5.3 Schleifen (WHZ, TUB) 37
4.5.4 Ultraschallbehandlung (WHZ) 39
4.6. Schicht- und Oberflächencharakterisierung 41
4.6.1 Metallographie (TUB, WHZ) 41
4.6.2 Härteprüfung (TUB) 44
4.6.3 Rauheitsmessung - Chromatisch-konfokale Aberration (TUB) 45
5 Ergebnisse und Verwendung der Zuwendung 49
5.1 Feindrehen 49
5.1.1 Feindrehen - Querschliffanalyse (TUB, WHZ) 49
5.1.2 Feindrehen - Begutachtung der bearbeiteten Schichtoberfläche (WHZ, TUB) 52
5.1.3 Feindrehen – Rauheitsmessungen (TUB) 54
5.1.4 Feindrehen – Härtemessung (TUB, WHZ) 56
5.2 Rollieren 57
5.2.1 Rollieren - Querschliffanalyse (TUB, WHZ) 57
5.2.2 Rollieren - Begutachtung der bearbeiteten Schichtoberfläche (WHZ, TUB) 60
5.2.3 Rollieren - Rauheitsmessungen (TUB) 63
5.2.4 Rollieren - Härtemessung (TUB, WHZ) 64
5.3 Schleifen 65
5.3.1 Schleifen – Querschliffanalyse (TUB, WHZ) 65
5.3.2 Schleifen - Begutachtung der bearbeiteten Schichtoberfläche (WHZ, TUB) 66
5.3.3 Schleifen - Rauheitsmessungen (TUB) 66
5.2.4 Schleifen - Härtemessung (TUB, WHZ) 67

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19874 BG
5.4 Ultraschallbehandlung 68
5.4.1 Ultraschallbehandlung - Querschliffanalyse (TUB, WHZ) 68
5.4.2 Ultraschallbearbeitung - Begutachtung Schichtoberfläche (WHZ, TUB) 72
5.4.3 Ultraschallbearbeitung - Rauheitsmessungen (TUB) 76
5.4.3 Ultraschallbehandlung - Härteprüfung (TUB, WHZ) 77
5.5 Optimierung und Qualifizierung der Ultraschallbearbeitungstechnik (WHZ, TUB) 78
5.5.1 Verschleißschutzmaßnahmen für US-Werkzeugoberflächen (WHZ, TUB) 80
5.5.2 Optimierung der Werkzeuggeometrie (WHZ, TUB) 81
5.5.3 Entwicklung angepasster Werkzeuge (WHZ) 82
5.5.4 Implementierung von Qualitätssicherungsstrategien (WHZ) 87
6 Zusammenfassung 90
7 Ausblick 92
8 Gegenüberstellung des Ergebnisses mit den Zielen 93
9 Verwendung der Zuwendung 94
10 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit 94
12 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen 95
11 Vorträge und Veröffentlichungen 96
12 Fortschreibung des Plans zum Ergebnistransfer und Einschätzung der 96
Realisierbarkeit des Transferkonzeptes
13 Danksagung 98
14 Quellenverzeichnis 99

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19874 BG
1 Motivation
In der modernen Fertigungstechnik gewinnen Beschichtungsverfahren zunehmend an Bedeutung,
da sie im Sinne der Nachhaltigkeit und Prozessökonomie die Oberflächenveredlung artfremder
Grundmaterialien ermöglichen und diese damit in erheblichem Maße aufwerten. Im Bereich
der thermischen Beschichtungstechnologien nimmt das Thermische Spritzen eine Sonderstellung
ein, da es mit diesem Verfahren möglich ist, jedes mechanisch und thermisch stabile
Grundmaterial zu beschichten [Lug02]. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften entsprechender
Schichten hat sich das Thermische Spritzen als Schlüsseltechnologie in unterschiedlichen Anwendungsbereichen
etabliert, wie der Luftfahrt (bspw. auf Turbinenschaufeln), dem Automobilbau
(auf Zylinderlaufbahnen und Kolbenringen von Verbrennungsmotoren), der Medizintechnik
(bspw. auf Implantaten), dem Maschinenbau (bspw. auf Werkzeugen), der chemischen Industrie
(bspw. als Kesselinnenbeschichtung), der Papierindustrie (bspw. auf Papier- und Druckwalzen)
und der Energietechnik (bspw. auf Komponenten von Windkraftanlagen und in der Biomasseverbrennung
in Heißgasbereichen). Die Beschichtungen erfüllen dabei anwendungsspezifische Aufgaben,
wie bspw. die Steigerung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, das Einstellen
spezieller tribologischer Eigenschaften und weiterer Funktionen, wie bspw. Haptik, Optik, Selbstreinigung,
Wärmedämmung, Schirmdämpfung (EMV von Elektronikkomponenten), thermische
und elektrische Isolation [DVS07]. Die für die genannten Aufgaben notwendigen Werkstoffe, d.h.
Metalle (Reinmetalle und Legierungen), Cermets oder Keramiken können in Abhängigkeit ihrer
physikalisch-chemischen Eigenschaften mit verschiedenen industrietypischen Spritzverfahren
verarbeitet werden, wie bspw. dem Plasmaspritzen, dem Drahtlichtbogenspritzen, dem Flammspritzen
bzw. dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) und dem Kaltgasspritzen. Seit
der Entwicklung der ersten Spritzverfahren vor rund 100 Jahren hat sich die Spritztechnologie
stetig weiterentwickelt. In den letzten beiden Jahrzehnten zeichnete sich dabei ein deutlicher
Trend in Bezug auf die Entwicklung hochkinetischer Verfahrensvarianten ab [Bac05, Bob08].
Diese Entwicklungen verfolgen das Ziel, besonders dichte, festhaftende und eigenspannungsarme
Beschichtungen zu realisieren. Aufgrund der technologischen Besonderheiten sind optimale
Beschichtungsergebnisse aber auch mit modernsten Verfahren nur eingeschränkt und unter
relativ großem ökonomischem Aufwand möglich. Insofern bestehen für KMU Probleme bei der
Realisierung hochtechnologischer Anwendungen. Vielfach sehen sich gerade kleine Fachbetriebe,
die sich auf das Thermische Spritzen spezialisiert haben, einem enormen Konkurrenzdruck
ausgesetzt. Zudem weisen nahezu alle gebräuchlichen, industriellen Spritzschichten Probleme
hinsichtlich einer unangepassten Porosität auf. Abgesehen von wenigen Anwendungen,
welche diese Porosität explizit fordern, wie bspw. Wärmedämmschichten, Anstreifbeläge (bei
Flugturbinen) oder biokompatible Schichten, sind in der Regel möglichst dichte Schichten erwünscht.
Ein weiteres Problem stellt der zumeist ungünstige Eigenspannungszustand im Schichtinneren
dar, welcher aus der starken und raschen Abkühlung der Spritzpartikel resultiert. Dabei

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19874 BG
können Eigenspannungswerte erreicht werden, welche betragsmäßig größer sind als die Werte
der Haftzugfestigkeit, was bei bestimmten Geometriemerkmalen der Bauteile, wie Kanten, bei
mehrachsigen Spannungszuständen durch mechanische Punkt- und Linienlasten oder bei thermischer
Beanspruchung der beschichteten Bauteile zu katastrophalem Versagen führen kann
(Delamination, Abplatzung von Schichtbestandteilen). Da Spritzschichten nach der Herstellung
im spritzrauen Zustand vorliegen, ist für die meisten technischen Anwendungen eine mechanische,
zumeist spanende Nachbearbeitung notwendig. Diese ist relativ aufwendig, da hohe Bearbeitungskräfte
aus den oben genannten Gründen zu vermeiden sind. Beim Zerspanen ergeben
sich bezogen auf den gesamten Herstellungsprozess weitere Probleme, da die Schichten mit
deutlichem Übermaß aufgebracht werden müssen, nur geringe Vorschübe beim Spanen eingestellt
werden können (lange Bearbeitungszeit) und da aufgrund der Schichtporosität beim Spanen
nur eingeschränkt mit flüssigen Kühlschmierstoffen gearbeitet werden kann. Zusammenfassend
betrachtet, bestehen bei Thermischen Spritzschichten zahlreiche technologiebedingten Nachteile,
welche die Konkurrenzfähigkeit des Verfahrens und damit die Wettbewerbsfähigkeit von
Spritzfachbetrieben einschränken:
Tab. 1: Typische Schichteigenschaften bei thermisch gespritzten Schichten und daraus resultierende
Problemstellungen für die Anwendung
Schichteigenschaftsmerkmale
Porosität /offene Poren an der Oberfläche
Zugeigenspannungen oder unangepasster Eigenspannungszustand
Hohe Oberflächenrauheit
Schichtdickenschwankungen
Resultierende Anwendungsprobleme
Korrosionsanfälligkeit
Schichtdelamination, Abplatzungen
Unerwünschte tribologische Eigenschaften
Ungenügende Maßhaltigkeit, schlechte Reproduzierbarkeit
insbesondere im Randbereich
Den genannten Nachteilen (Tabelle 1) soll durch ein neues und innovatives Nachbearbeitungsverfahren,
der Ultraschallbehandlung (US), begegnet werden, welche bislang nicht industriell für
Spritzschichten eingesetzt wird. Das einfache Funktionsprinzip der US-Behandlung, basierend
auf einem hochfrequenten mechanischen Hämmern einer Ultraschallsonotrode gegen die Werkstückoberfläche
mit aufgebrachter Spritzschicht, bietet ein enormes, bislang ungenutztes Potenzial
zur Schichteigenschaftsverbesserung. Durch das Hämmern wird die Schichtporosität verringert
(Verdichten), die spritzrauhe Schicht („as-sprayed“-Zustand) wird eingeebnet (Glätten) und
es erfolgt auf Basis der Kaltverformung eine Erhöhung der Versetzungsdichte (Materialverfestigung).
Zudem werden Zugeigenspannungen minimiert bzw. in Druckeigenspannung überführt,
was das Langzeitverhalten der Beschichtung, insbesondere unter Wechselbelastung signifikant
verbessert (Risshemmung) [Bag09]. Die genannten Vorteile sind nachfolgend in der Tabelle 2
zusammengefasst. Zudem bestehen weitere Vorteile, die sich aus der einfachen Handhabbarkeit
der US-Technologie ergeben [Sta04].

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19874 BG
Tab. 2: Verbesserung der Schichteigenschaften durch die Ultraschallbehandlung
Effekt der Ultraschallbehandlung
Glätten der Oberfläche
Verdichten
Druckeigenspannungserzeugung
Kaltverformung
Resultierende Verbesserungen
Spanlose Einebnung der Spritzrauheit
Porosität minimieren, Dichtwirkung herstellen
Risshemmung und Lastwechselbeständigkeit erhöhen
Festigkeitssteigerung aufgrund erhöhter Versetzungsdichte
Das US-Verfahren stellt eine preiswerte Technologie dar, die mit geringen Investitions- und Fertigungskosten
verbunden ist. Die Werkzeuge weisen in der Regel eine hohe Standzeit auf und
können an konventionelle Spanungsmaschinen (bspw. Drehmaschinen, CNC-Fräsmaschinen)
problemlos adaptiert werden. Zudem bietet das Verfahren ein hohes Potenzial, um auch von den
Spritzbetrieben angewendet zu werden, welche nicht über Anlagen zum Zerspanen verfügen.
Dazu kann für zahlreiche Bauteiloberflächengeometrien das US-Werkzeug an den Manipulator
angebracht werden, der ansonsten für die Brennerbewegung beim Spritzen eingesetzt wird
(bspw. Roboter oder Zweiachsmanipulator).
Abb. 1: Querschliff einer konventionellen
drahtlichtbogengespritzten Eisenbasisbeschichtung
mit typischer Porosität (Phasenkontrastbild)
Abb. 2: Lichtmikroskopische Aufnahme einer
drahtlichtbogengespritzten Cu-Basisbeschichtung
mit ultraschallbearbeiteter Oberfläche
Mit der US-Bearbeitung soll eine industrietaugliche Alternative zu anderen mechanischen Oberflächenbearbeitungsverfahren
qualifiziert werden. Einen Überblick zu Nachbehandlungsmethoden
für Spritzschichten liefert die Norm DIN EN ISO 14924. Gegenüber dem Kugelstrahlen und
dem Rollieren wird bei der US-Bearbeitung mit deutlich geringeren Schichtbelastungen gearbeitet.
So beträgt die Vorlast bei US gegenüber dem Rollieren nur ca. 1/10 bis 1/3 (materialabhängig).
Gegenüber Rollieren und Kugelstrahlen können empfindlichere Grundmaterialien und
Schichten bearbeitet werden (wie bspw. beschichtete Polymere oder filigrane Strukturen). Es ist
auch möglich wahlweise ortsaufgelöst (bspw. punktförmig) und flächig zu arbeiten. Rollierprozesse
bedingen einen zeiligen Vorschub und Kugelstrahlen wirkt immer auf einer ausgedehnten,
geometrisch unbestimmten Fläche (statistischer Prozess). Zudem ist das US-Verfahren bei flä-

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chiger Bearbeitung deutlich schneller und homogener. Die bereits etablierte Verwendung verschiedener
so genannter Peening-Technologien (Begriff: in Anlehnung an die englische Verfahrensbeszeichnung:
„shot peening“) für hochbelastete sicherheitsrelevante Bauteile, wie bspw.
Turbinenschaufeln für stationäre Gasturbinen, dokumentiert das Potenzial der Ultraschalltechnik
und unterstreicht den Forschungsbedarf im Bereich des Thermischen Spritzens.
2 Aufgabenstellung und Ziele
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung und Qualifizierung der Ultraschallnachbehandlung
für thermisch gespritzte Schichten. Dabei soll die gesamte Prozesskette der Schichtherstellung
und -nachbehandlung so optimiert werden, dass im Ergebnis deutlich verbesserte
Schichteigenschaften erreicht werden. Da abgesehen von den eigenen erfolgreichen Vorversuchen
bislang keine systematischen Erkenntnisse zur US-Behandlung von Spritzschichten existieren,
ist es dringend notwendig, die für die industriellen Praxis wichtigsten Schichtsysteme bzw.
repräsentative Vertreter der entsprechenden Werkstoffe mit den jeweils typischen Spritzverfahren
zu verarbeiten und dazu die jeweiligen Nachbehandlungsschritte zu optimieren. Nach Erreichen
der Zielstellung wird eine optimierte Prozesskette zur Bauteilbeschichtung und -funktionalisierung
vorliegen, welche höherwertige Beschichtungen unter gleichzeitig verbesserten ökonomischen
Rahmenbedingungen ermöglicht. Durch das entwickelte Prozess-Know-How, neue US-
Werkzeuge und optimierte Fertigungsstrategien werden für Beschichtungsbetriebe zahlreiche
Vorteile erschlossen und der Endanwender wird von langlebigeren Produkten mit verbesserter
Funktionalität profitieren. Die übergeordneten Projektziele lauten:
• Entwicklung eines schmiermittelfreien und spanlosen Glättverfahrens für Spritzschichten
(signifikante Reduzierung der Rauheitsparameter) und Minimierung des Nachbearbeitungsaufwands
(Substitution des Spanens)
• Entwicklung einer effizienten Methode zum Verdichten der Oberflächenporosität zur Verbesserung
der Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitiger Substitution von Versieglungsprozessen
• Verbesserung der Eigenschaften hochbelasteter Bauteile durch das Einbringen von
Druckeigenspannungen zur Verbesserung der Dauerschwingfestigkeit und Haftzugfestigkeit
• Ausnutzung des Kaltverfestigungseffektes
• Vergleichende Betrachtungen zwischen der Ultraschallbearbeitung und konventionellen
Verfahren (Feindrehen, Schleifen, Rollieren)