SB_19874BGLP
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2020<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Ultraschallgestützte Nachbehandlung<br />
thermisch<br />
gespritzter Schichten
Ultraschallgestützte<br />
Nachbehandlung thermisch<br />
gespritzter Schichten<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 19.874 BG<br />
DVS-Nr.: 02.110<br />
Technische Universität Berlin<br />
Institut für Werkzeugmaschinen<br />
und Fabrikbetrieb<br />
Fachgebiet Beschichtungstechnik<br />
Westsächsische Hochschule Zwickau<br />
Institut für Produktionstechnik<br />
Forschungsbereich Spanungstechnik<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.874 / DVS-Nr.: 02.110 der Forschungsvereinigung Schweißen und<br />
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF<br />
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)<br />
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen<br />
Bundestages gefördert.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />
unter: http://dnb.dnb.de<br />
© 2020 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />
DVS Forschung Band 474<br />
Bestell-Nr.: 170584<br />
I<strong>SB</strong>N: 978-3-96870-4-7<br />
Kontakt:<br />
Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
T +49 211 1591-0<br />
F +49 211 1591-200<br />
forschung@dvs-hg.de<br />
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.
Schlussbericht<br />
zu IGF-Vorhaben Nr. 19874 BG<br />
Thema<br />
Ultraschallgestützte Nachbehandlung thermisch gespritzter Schichten<br />
Berichtszeitraum<br />
01.01.2018 – 30.09.2020<br />
Forschungsvereinigung<br />
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
Forschungseinrichtung(en)<br />
• Technische Universität Berlin, Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb, Fachgebiet<br />
Beschichtungstechnik<br />
Berlin,16.3.2021 Prof. Christian Rupprecht Dr. Georg Thomas<br />
Ort, Datum<br />
Name und Unterschrift aller Projektleiterinnen und Projektleiter der Forschungseinrichtung(en)<br />
• Westsächsische Hochschule Zwickau, Institut für Produktionstechnik, Forschungsbereich<br />
Spanungstechnik<br />
Zwickau, 16.3.2021 Prof. Michael Schneeweiß Dipl.Ing. (FH) Andreas Zinke<br />
Ort, Datum<br />
Name und Unterschrift aller Projektleiterinnen und Projektleiter der Forschungseinrichtung(en)
Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19874 BG<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
1 Motivation 4<br />
2 Aufgabenstellung und Ziele 7<br />
3 Stand von Wissenschaft und Technik 8<br />
3.1 Thermischen Spritzen 8<br />
3.1.1 Drahtlichtbogenspritzen 10<br />
3.1.2 Hochgeschwindigkeitsflammspritzen 11<br />
3.2 Nachbehandlung von Spritzschichten 12<br />
3.2.1 Thermische Behandlung 13<br />
3.2.2 Chemische Behandlung 14<br />
3.2.3 Mechanische Nachbehandlung 15<br />
3.3 Grundwerkstoffe und Oberflächenvorbehandlung 24<br />
3.4 Zusatzwerkstoffe 25<br />
4 Experimentelle Durchführung 28<br />
4.1 Auswahl der Zusatzwerkstoffe (TUB, WHZ, PA) 28<br />
4.2 Probengrundkörperherstellung (TUB) 30<br />
4.3 Drahtlichtbogenspritzen (TUB) 30<br />
4.4 HVOF-Spritzen (TUB) 33<br />
4.5 Nachbehandlung der thermisch gespritzten Schichten 34<br />
4.5.1 Feindrehen (WHZ) 34<br />
4.5.2. Rollieren (WHZ) 35<br />
4.5.3 Schleifen (WHZ, TUB) 37<br />
4.5.4 Ultraschallbehandlung (WHZ) 39<br />
4.6. Schicht- und Oberflächencharakterisierung 41<br />
4.6.1 Metallographie (TUB, WHZ) 41<br />
4.6.2 Härteprüfung (TUB) 44<br />
4.6.3 Rauheitsmessung - Chromatisch-konfokale Aberration (TUB) 45<br />
5 Ergebnisse und Verwendung der Zuwendung 49<br />
5.1 Feindrehen 49<br />
5.1.1 Feindrehen - Querschliffanalyse (TUB, WHZ) 49<br />
5.1.2 Feindrehen - Begutachtung der bearbeiteten Schichtoberfläche (WHZ, TUB) 52<br />
5.1.3 Feindrehen – Rauheitsmessungen (TUB) 54<br />
5.1.4 Feindrehen – Härtemessung (TUB, WHZ) 56<br />
5.2 Rollieren 57<br />
5.2.1 Rollieren - Querschliffanalyse (TUB, WHZ) 57<br />
5.2.2 Rollieren - Begutachtung der bearbeiteten Schichtoberfläche (WHZ, TUB) 60<br />
5.2.3 Rollieren - Rauheitsmessungen (TUB) 63<br />
5.2.4 Rollieren - Härtemessung (TUB, WHZ) 64<br />
5.3 Schleifen 65<br />
5.3.1 Schleifen – Querschliffanalyse (TUB, WHZ) 65<br />
5.3.2 Schleifen - Begutachtung der bearbeiteten Schichtoberfläche (WHZ, TUB) 66<br />
5.3.3 Schleifen - Rauheitsmessungen (TUB) 66<br />
5.2.4 Schleifen - Härtemessung (TUB, WHZ) 67
Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19874 BG<br />
5.4 Ultraschallbehandlung 68<br />
5.4.1 Ultraschallbehandlung - Querschliffanalyse (TUB, WHZ) 68<br />
5.4.2 Ultraschallbearbeitung - Begutachtung Schichtoberfläche (WHZ, TUB) 72<br />
5.4.3 Ultraschallbearbeitung - Rauheitsmessungen (TUB) 76<br />
5.4.3 Ultraschallbehandlung - Härteprüfung (TUB, WHZ) 77<br />
5.5 Optimierung und Qualifizierung der Ultraschallbearbeitungstechnik (WHZ, TUB) 78<br />
5.5.1 Verschleißschutzmaßnahmen für US-Werkzeugoberflächen (WHZ, TUB) 80<br />
5.5.2 Optimierung der Werkzeuggeometrie (WHZ, TUB) 81<br />
5.5.3 Entwicklung angepasster Werkzeuge (WHZ) 82<br />
5.5.4 Implementierung von Qualitätssicherungsstrategien (WHZ) 87<br />
6 Zusammenfassung 90<br />
7 Ausblick 92<br />
8 Gegenüberstellung des Ergebnisses mit den Zielen 93<br />
9 Verwendung der Zuwendung 94<br />
10 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit 94<br />
12 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen 95<br />
11 Vorträge und Veröffentlichungen 96<br />
12 Fortschreibung des Plans zum Ergebnistransfer und Einschätzung der 96<br />
Realisierbarkeit des Transferkonzeptes<br />
13 Danksagung 98<br />
14 Quellenverzeichnis 99
Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19874 BG<br />
1 Motivation<br />
In der modernen Fertigungstechnik gewinnen Beschichtungsverfahren zunehmend an Bedeutung,<br />
da sie im Sinne der Nachhaltigkeit und Prozessökonomie die Oberflächenveredlung artfremder<br />
Grundmaterialien ermöglichen und diese damit in erheblichem Maße aufwerten. Im Bereich<br />
der thermischen Beschichtungstechnologien nimmt das Thermische Spritzen eine Sonderstellung<br />
ein, da es mit diesem Verfahren möglich ist, jedes mechanisch und thermisch stabile<br />
Grundmaterial zu beschichten [Lug02]. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften entsprechender<br />
Schichten hat sich das Thermische Spritzen als Schlüsseltechnologie in unterschiedlichen Anwendungsbereichen<br />
etabliert, wie der Luftfahrt (bspw. auf Turbinenschaufeln), dem Automobilbau<br />
(auf Zylinderlaufbahnen und Kolbenringen von Verbrennungsmotoren), der Medizintechnik<br />
(bspw. auf Implantaten), dem Maschinenbau (bspw. auf Werkzeugen), der chemischen Industrie<br />
(bspw. als Kesselinnenbeschichtung), der Papierindustrie (bspw. auf Papier- und Druckwalzen)<br />
und der Energietechnik (bspw. auf Komponenten von Windkraftanlagen und in der Biomasseverbrennung<br />
in Heißgasbereichen). Die Beschichtungen erfüllen dabei anwendungsspezifische Aufgaben,<br />
wie bspw. die Steigerung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, das Einstellen<br />
spezieller tribologischer Eigenschaften und weiterer Funktionen, wie bspw. Haptik, Optik, Selbstreinigung,<br />
Wärmedämmung, Schirmdämpfung (EMV von Elektronikkomponenten), thermische<br />
und elektrische Isolation [DVS07]. Die für die genannten Aufgaben notwendigen Werkstoffe, d.h.<br />
Metalle (Reinmetalle und Legierungen), Cermets oder Keramiken können in Abhängigkeit ihrer<br />
physikalisch-chemischen Eigenschaften mit verschiedenen industrietypischen Spritzverfahren<br />
verarbeitet werden, wie bspw. dem Plasmaspritzen, dem Drahtlichtbogenspritzen, dem Flammspritzen<br />
bzw. dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) und dem Kaltgasspritzen. Seit<br />
der Entwicklung der ersten Spritzverfahren vor rund 100 Jahren hat sich die Spritztechnologie<br />
stetig weiterentwickelt. In den letzten beiden Jahrzehnten zeichnete sich dabei ein deutlicher<br />
Trend in Bezug auf die Entwicklung hochkinetischer Verfahrensvarianten ab [Bac05, Bob08].<br />
Diese Entwicklungen verfolgen das Ziel, besonders dichte, festhaftende und eigenspannungsarme<br />
Beschichtungen zu realisieren. Aufgrund der technologischen Besonderheiten sind optimale<br />
Beschichtungsergebnisse aber auch mit modernsten Verfahren nur eingeschränkt und unter<br />
relativ großem ökonomischem Aufwand möglich. Insofern bestehen für KMU Probleme bei der<br />
Realisierung hochtechnologischer Anwendungen. Vielfach sehen sich gerade kleine Fachbetriebe,<br />
die sich auf das Thermische Spritzen spezialisiert haben, einem enormen Konkurrenzdruck<br />
ausgesetzt. Zudem weisen nahezu alle gebräuchlichen, industriellen Spritzschichten Probleme<br />
hinsichtlich einer unangepassten Porosität auf. Abgesehen von wenigen Anwendungen,<br />
welche diese Porosität explizit fordern, wie bspw. Wärmedämmschichten, Anstreifbeläge (bei<br />
Flugturbinen) oder biokompatible Schichten, sind in der Regel möglichst dichte Schichten erwünscht.<br />
Ein weiteres Problem stellt der zumeist ungünstige Eigenspannungszustand im Schichtinneren<br />
dar, welcher aus der starken und raschen Abkühlung der Spritzpartikel resultiert. Dabei
Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19874 BG<br />
können Eigenspannungswerte erreicht werden, welche betragsmäßig größer sind als die Werte<br />
der Haftzugfestigkeit, was bei bestimmten Geometriemerkmalen der Bauteile, wie Kanten, bei<br />
mehrachsigen Spannungszuständen durch mechanische Punkt- und Linienlasten oder bei thermischer<br />
Beanspruchung der beschichteten Bauteile zu katastrophalem Versagen führen kann<br />
(Delamination, Abplatzung von Schichtbestandteilen). Da Spritzschichten nach der Herstellung<br />
im spritzrauen Zustand vorliegen, ist für die meisten technischen Anwendungen eine mechanische,<br />
zumeist spanende Nachbearbeitung notwendig. Diese ist relativ aufwendig, da hohe Bearbeitungskräfte<br />
aus den oben genannten Gründen zu vermeiden sind. Beim Zerspanen ergeben<br />
sich bezogen auf den gesamten Herstellungsprozess weitere Probleme, da die Schichten mit<br />
deutlichem Übermaß aufgebracht werden müssen, nur geringe Vorschübe beim Spanen eingestellt<br />
werden können (lange Bearbeitungszeit) und da aufgrund der Schichtporosität beim Spanen<br />
nur eingeschränkt mit flüssigen Kühlschmierstoffen gearbeitet werden kann. Zusammenfassend<br />
betrachtet, bestehen bei Thermischen Spritzschichten zahlreiche technologiebedingten Nachteile,<br />
welche die Konkurrenzfähigkeit des Verfahrens und damit die Wettbewerbsfähigkeit von<br />
Spritzfachbetrieben einschränken:<br />
Tab. 1: Typische Schichteigenschaften bei thermisch gespritzten Schichten und daraus resultierende<br />
Problemstellungen für die Anwendung<br />
Schichteigenschaftsmerkmale<br />
Porosität /offene Poren an der Oberfläche<br />
Zugeigenspannungen oder unangepasster Eigenspannungszustand<br />
Hohe Oberflächenrauheit<br />
Schichtdickenschwankungen<br />
Resultierende Anwendungsprobleme<br />
Korrosionsanfälligkeit<br />
Schichtdelamination, Abplatzungen<br />
Unerwünschte tribologische Eigenschaften<br />
Ungenügende Maßhaltigkeit, schlechte Reproduzierbarkeit<br />
insbesondere im Randbereich<br />
Den genannten Nachteilen (Tabelle 1) soll durch ein neues und innovatives Nachbearbeitungsverfahren,<br />
der Ultraschallbehandlung (US), begegnet werden, welche bislang nicht industriell für<br />
Spritzschichten eingesetzt wird. Das einfache Funktionsprinzip der US-Behandlung, basierend<br />
auf einem hochfrequenten mechanischen Hämmern einer Ultraschallsonotrode gegen die Werkstückoberfläche<br />
mit aufgebrachter Spritzschicht, bietet ein enormes, bislang ungenutztes Potenzial<br />
zur Schichteigenschaftsverbesserung. Durch das Hämmern wird die Schichtporosität verringert<br />
(Verdichten), die spritzrauhe Schicht („as-sprayed“-Zustand) wird eingeebnet (Glätten) und<br />
es erfolgt auf Basis der Kaltverformung eine Erhöhung der Versetzungsdichte (Materialverfestigung).<br />
Zudem werden Zugeigenspannungen minimiert bzw. in Druckeigenspannung überführt,<br />
was das Langzeitverhalten der Beschichtung, insbesondere unter Wechselbelastung signifikant<br />
verbessert (Risshemmung) [Bag09]. Die genannten Vorteile sind nachfolgend in der Tabelle 2<br />
zusammengefasst. Zudem bestehen weitere Vorteile, die sich aus der einfachen Handhabbarkeit<br />
der US-Technologie ergeben [Sta04].
Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19874 BG<br />
Tab. 2: Verbesserung der Schichteigenschaften durch die Ultraschallbehandlung<br />
Effekt der Ultraschallbehandlung<br />
Glätten der Oberfläche<br />
Verdichten<br />
Druckeigenspannungserzeugung<br />
Kaltverformung<br />
Resultierende Verbesserungen<br />
Spanlose Einebnung der Spritzrauheit<br />
Porosität minimieren, Dichtwirkung herstellen<br />
Risshemmung und Lastwechselbeständigkeit erhöhen<br />
Festigkeitssteigerung aufgrund erhöhter Versetzungsdichte<br />
Das US-Verfahren stellt eine preiswerte Technologie dar, die mit geringen Investitions- und Fertigungskosten<br />
verbunden ist. Die Werkzeuge weisen in der Regel eine hohe Standzeit auf und<br />
können an konventionelle Spanungsmaschinen (bspw. Drehmaschinen, CNC-Fräsmaschinen)<br />
problemlos adaptiert werden. Zudem bietet das Verfahren ein hohes Potenzial, um auch von den<br />
Spritzbetrieben angewendet zu werden, welche nicht über Anlagen zum Zerspanen verfügen.<br />
Dazu kann für zahlreiche Bauteiloberflächengeometrien das US-Werkzeug an den Manipulator<br />
angebracht werden, der ansonsten für die Brennerbewegung beim Spritzen eingesetzt wird<br />
(bspw. Roboter oder Zweiachsmanipulator).<br />
Abb. 1: Querschliff einer konventionellen<br />
drahtlichtbogengespritzten Eisenbasisbeschichtung<br />
mit typischer Porosität (Phasenkontrastbild)<br />
Abb. 2: Lichtmikroskopische Aufnahme einer<br />
drahtlichtbogengespritzten Cu-Basisbeschichtung<br />
mit ultraschallbearbeiteter Oberfläche<br />
Mit der US-Bearbeitung soll eine industrietaugliche Alternative zu anderen mechanischen Oberflächenbearbeitungsverfahren<br />
qualifiziert werden. Einen Überblick zu Nachbehandlungsmethoden<br />
für Spritzschichten liefert die Norm DIN EN ISO 14924. Gegenüber dem Kugelstrahlen und<br />
dem Rollieren wird bei der US-Bearbeitung mit deutlich geringeren Schichtbelastungen gearbeitet.<br />
So beträgt die Vorlast bei US gegenüber dem Rollieren nur ca. 1/10 bis 1/3 (materialabhängig).<br />
Gegenüber Rollieren und Kugelstrahlen können empfindlichere Grundmaterialien und<br />
Schichten bearbeitet werden (wie bspw. beschichtete Polymere oder filigrane Strukturen). Es ist<br />
auch möglich wahlweise ortsaufgelöst (bspw. punktförmig) und flächig zu arbeiten. Rollierprozesse<br />
bedingen einen zeiligen Vorschub und Kugelstrahlen wirkt immer auf einer ausgedehnten,<br />
geometrisch unbestimmten Fläche (statistischer Prozess). Zudem ist das US-Verfahren bei flä-
Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19874 BG<br />
chiger Bearbeitung deutlich schneller und homogener. Die bereits etablierte Verwendung verschiedener<br />
so genannter Peening-Technologien (Begriff: in Anlehnung an die englische Verfahrensbeszeichnung:<br />
„shot peening“) für hochbelastete sicherheitsrelevante Bauteile, wie bspw.<br />
Turbinenschaufeln für stationäre Gasturbinen, dokumentiert das Potenzial der Ultraschalltechnik<br />
und unterstreicht den Forschungsbedarf im Bereich des Thermischen Spritzens.<br />
2 Aufgabenstellung und Ziele<br />
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung und Qualifizierung der Ultraschallnachbehandlung<br />
für thermisch gespritzte Schichten. Dabei soll die gesamte Prozesskette der Schichtherstellung<br />
und -nachbehandlung so optimiert werden, dass im Ergebnis deutlich verbesserte<br />
Schichteigenschaften erreicht werden. Da abgesehen von den eigenen erfolgreichen Vorversuchen<br />
bislang keine systematischen Erkenntnisse zur US-Behandlung von Spritzschichten existieren,<br />
ist es dringend notwendig, die für die industriellen Praxis wichtigsten Schichtsysteme bzw.<br />
repräsentative Vertreter der entsprechenden Werkstoffe mit den jeweils typischen Spritzverfahren<br />
zu verarbeiten und dazu die jeweiligen Nachbehandlungsschritte zu optimieren. Nach Erreichen<br />
der Zielstellung wird eine optimierte Prozesskette zur Bauteilbeschichtung und -funktionalisierung<br />
vorliegen, welche höherwertige Beschichtungen unter gleichzeitig verbesserten ökonomischen<br />
Rahmenbedingungen ermöglicht. Durch das entwickelte Prozess-Know-How, neue US-<br />
Werkzeuge und optimierte Fertigungsstrategien werden für Beschichtungsbetriebe zahlreiche<br />
Vorteile erschlossen und der Endanwender wird von langlebigeren Produkten mit verbesserter<br />
Funktionalität profitieren. Die übergeordneten Projektziele lauten:<br />
• Entwicklung eines schmiermittelfreien und spanlosen Glättverfahrens für Spritzschichten<br />
(signifikante Reduzierung der Rauheitsparameter) und Minimierung des Nachbearbeitungsaufwands<br />
(Substitution des Spanens)<br />
• Entwicklung einer effizienten Methode zum Verdichten der Oberflächenporosität zur Verbesserung<br />
der Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitiger Substitution von Versieglungsprozessen<br />
• Verbesserung der Eigenschaften hochbelasteter Bauteile durch das Einbringen von<br />
Druckeigenspannungen zur Verbesserung der Dauerschwingfestigkeit und Haftzugfestigkeit<br />
• Ausnutzung des Kaltverfestigungseffektes<br />
• Vergleichende Betrachtungen zwischen der Ultraschallbearbeitung und konventionellen<br />
Verfahren (Feindrehen, Schleifen, Rollieren)