SB_19914NLP

2020
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchung der Einflussgrößen
und prozesstechnischen
Randbedingungen
auf die Schichtqualität
beim Beschichten
von rotationssymmetrischen
Innenflächen mittels
HVOF/HVAF

Untersuchung der
Einflussgrößen und prozesstechnischen
Randbedingungen
auf die Schichtqualität beim
Beschichten von
rotationssymmetrischen
Innenflächen mittels
HVOF/HVAF
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.914 N
DVS-Nr.: 02.2266
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Institut für Großstrukturen
in der Produktionstechnik IGP
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.914 / DVS-Nr.: 02.2266 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 478
Bestell-Nr.: 170588
ISBN: 978-3-96870-478-4
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. 19.914N
Thema
Untersuchung der Einflussgrößen und prozess-technischen Randbedingungen auf die
Schichtqualität beim Beschichten von rotationssymmetrischen Innenflächen mittels
HVOF/HVAF
Berichtszeitraum
01.01.2018 bis 31.12.2020
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
Lehrstuhl für Werkstofftechnologie, TU Dortmund (LWT)

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.914N
Inhaltsverzeichnis
1 Zusammenfassung .............................................................................................................. 4
2 Zusammensetzung des projektbegleitenden Ausschusses .................................................. 5
3 Ausgangssituation sowie wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Ziele .................. 6
4 Arbeitshypothese und Arbeitsprogramm .............................................................................. 9
5 Durchgeführte Arbeiten und erzielte Ergebnisse ............................................................... 11
5.1 Pulverauswahl und Referenzbeschichtung ................................................................. 11
5.2 Entwicklung einer Einheitsprobe ................................................................................ 19
5.3 Partikeldiagnostik und Spritzparameteruntersuchung ................................................. 27
5.4 Untersuchung der Bauteilkühlung ............................................................................... 38
5.5 Validierung der Ergebnisse sowie Übertragung der Erkenntnisse auf andere
Innenbrennersysteme ........................................................................................................... 42
6 Literaturverzeichnis ........................................................................................................... 43
7 Verwendung der Zuwendung ............................................................................................ 45
8 Erläuterungen der Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit .................. 45
9 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten
Ergebnisse ............................................................................................................................... 45
10 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ................................................................... 46
10.1 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts .................................................................................................................. 48
10.2 Literatur mit Bezug zum Projekt ................................................................................. 48
11 Anhang .......................................................................................................................... 50

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.914N
2 Zusammensetzung des projektbegleitenden Ausschusses
Rainer Schwetzke*
Aalberts Surface Treatment GmbH
(ehemals Impreglon Moers GmbH)
Altenbruchstraße 10
47447 Moers
Dr. Guido Reisel*
Oerlikon Metco WOKA GmbH
Im Vorwerk 25
36456 Barchfeld-Immelborn
Carsten Wolters
Rybak + Hofmann rhv-Technik
Eisentalstr. 27
71332 Waiblingen
Dr. Thorsten Stoltenhoff
Dr. Sven Hartmann
Oerlikon Metco Coating Services GmbH
(ehemals TeroLab Surface GmbH)
Helmholtzstr. 4-6
40764 Langenfeld
OBZ Innovation GmbH
Elsässer Straße 10
79189 Bad Krozingen
Kerstin Ernst
Putzier Oberflächentechnik GmbH
Julius-Kronenberg-Straße 3
42799 Leichlingen
Dragan Uskovic
TBC Uskovic GmbH
Zinkhüttenweg
44143 Dortmund
*Projektpate: Herr Rainer Schwetzke verließ die Aalberts Surface Treatment GmbH zum
30.09.2020 und stand als Projektpate nicht mehr zur Verfügung. Neuer Projektpate wurde ab
dem 01.10.2020 Herr Dr. Guido Reisel.
Wir danken den Mitgliedern im projektbegleitenden Ausschuss für die wertvollen
Anregungen und konstruktive Mitarbeit zur erfolgreichen Bearbeitung dieses
Forschungsprojekts.

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.914N
3 Ausgangssituation sowie wissenschaftlich-technische
und wirtschaftliche Ziele
Die Innenbeschichtung von Bauteilen (engl. „internal diameter“ (ID) coating) mittels thermischer
Spritzverfahren zum Schutz gegen tribomechanische, thermische oder korrosive
Beanspruchungen verzeichnet ein stetig wachsendes Interesse in Wissenschaft und Industrie.
Das atmosphärische Plasmaspritzen, das Zweidraht-Lichtbogenspritzen, das Plasma
Transferred Wire Arc Spraying (PTWA) und das Rotating Single Wire Verfahren haben sich zu
den etablierten Verfahren entwickelt und werden weitgehend in der Automobilindustrie zum
Innenbeschichten von Zylinderlaufbuchsen in Kurbelwellengehäusen eingesetzt, um die Reibung
Kolben und Zylinderwandung zu reduzieren und so den Motorwirkungsgrad zu verbessern [1].
Weitere typische ID Anwendungen werden durch hochverschleiß-beanspruchte Komponenten in
der Öl- und Gasindustrie (z. B. Pumpen-, Ventil- und Kompressorenbau),
kunststoffverarbeitenden Industrie (z. B. Extruderschneckengehäuse) sowie Luft- und
Raumfahrtindustrie (z. B. Fahrwerkskörper) beschrieben. Für konventionelle
Beschichtungsaufgaben von Freiformflächen mit Außenradien haben sich vor allem
hochkinetische Spritzverfahren (wie HVOF, HVAF und Warmspray) in Kombination mit
karbidhaltigen Spritzzusätzen bewährt, um triblogisch beanspruchte Flächen vor einem
frühzeitigen Verschleiß zu schützen. Die Vorteile derartiger Verfahren gegenüber anderen
thermischen Spritzverfahren sind zahlreich [2] und machen sie für den ID-Bereich besonders
interessant. Bislang kommen hochkinetische Verfahren hier jedoch nur selten zum Einsatz und
gelten bei dieser Anwendung als wissenschaftlich kaum erforscht [3, 4]
Die Innenbeschichtung mittels thermischer Spritzverfahren ist mit technologischen
Herausforderungen verbunden. Zum einen müssen die zu beschichtenden Bereiche in der
Sichtlinie des Brenners liegen, um einen anforderungsgerechten Schichtauftrag bzw.
entsprechende Schichteigenschaften zu realisieren. Zum anderen begrenzen die Bauform und
Abmessungen des Spritzbrenners die minimal beschichtbaren Innendurchmesser von Bauteilen
und damit letztendlich auch die Anwendbarkeit des Verfahrens im ID-Bereich. Derzeitige
Aktivitäten im Bereich der Forschung und Entwicklung zeigen umfängliche Bestrebungen, die
prozessbedingten Einschränkungen bei der Beschichtung von Innenflächen durch neue
hochkinetische ID-Brennerkonzepte mit besonders kompaktem (L-förmigen) Design
entgegenzutreten. Die unterschiedlichen ID-Brennerkonzepte verfügen im Allgemeinen über
kleinere Brennkammern und kürzere Beschleunigungsdüsen als herkömmliche Brenner. Der
Gasfluss und die Brennerleistung sind zudem deutlich geringer, was zu einem kürzeren und
weniger divergenten Spritzstrahl führt. Mit den zurzeit am Markt verfügbaren
Spritzbrennerkonfigurationen können zylindrische Bauteilkomponenten mit minimalen
Innendurchmesser von bis zu 125 mm beschichtet werden [5]. Die hierbei einhergehenden sehr
kurzen Spritzabstände führen beim hochkinetischen Verspritzen konventioneller Spritzzusätze
(z.B. Agglomeratgrößen: -45 +15 µm) aufgrund der kurzen Verweilzeiten der Partikel in der
Überschall-Prozessgasströmung zu einer nur unzureichenden Aufschmelzung und
Beschleunigung dieser. Neben einem geringen Auftragswirkungsgrad beim Spritzen erreichen
die korrespondierenden Schichten vielfach nicht die notwendigen Eigenschaften einer
Verschleißschutzschicht. Das Spritzen mit zunehmender Brennerleistung und zugleich kurzen
Spritzabständen bewirkt einen erhöhten Wärmeeintrag in die Bauteiloberfläche.
Die Verwendung von feinfraktionierten Spritzzusätzen stellt einen innovativen Ansatz dar, um
diese Nachteile zu überwinden. Aufgrund ihrer größeren spezifischen Oberfläche und der

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.914N
geringeren Masse können derartige Pulver besser mit dem heißen Prozessgasstrom interagieren
als gröbere Pulver. Dies ermöglicht auch bei sehr kurzen Spritzabständen eine hinreichende
Partikelerwärmung und -beschleunigung. Das Verspritzen von feinfraktionierten Spritzzusätzen
auf rotationsymmetrischen Innenflächen unter Einsatz von kompakten, energiearmen ID-
HVOF/HVAF Spritzbrennern und kurzen Spritzabständen bringt jedoch neue prozesstechnische
Herausforderungen mit sich. Demnach weisen feinfraktionierte Spritzzusätze eine mangelnde
Fließfähigkeit sowie hohe Agglomerationsneigung auf. Zudem tendieren feinfraktionierte
Spritzzusätze aufgrund ihrer erhöhten thermischen Empfindlichkeit dazu, schnell zu überhitzen,
was zu unerwünschten Phasenumwandlungsvorgängen (z. B. bei WC-M
(M = Metall) → Entkohlung, Oxidation und Karbid-Matrix-Reaktionen) führen kann. Aus diesem
Grund ist eine sorgfältige Optimierung der Spritzparameter und der Spritzpulvereigenschaften
erforderlich [5, 6]. Neben den prozesstechnischen Herausforderungen, welche sich durch
feinfraktionierte Spritzzusätze ergeben, ist bei der Beschichtung von Innenflächen zudem der
Bewegungsraum für die ID-Brenner deutlich eingeschränkt. Beispielsweise erschweren geringe
Innendurchmesser bei rotationssymmetrischen Bauteilen sowie Aussparungen und sogenannte
Taschen die Prozessführung bei der Beschichtung. Des Weiteren können Prozessmedien (wie
z. B. Stäube, Abgase) und Wärme aufgrund der räumlichen Gegebenheiten nicht hinreichend aus
der Beschichtungszone abtransportiert werden und folglich das Beschichtungsergebnis
verschlechtern. Die Kühlung der Bauteile ist dabei von entscheidender Bedeutung, um
Überhitzungsreaktionen der Bauteiloberfläche zu vermeiden und thermische Spannungen zu
reduzieren. Klassische Kühlkonzepte mittels Pressluft (z.B. Druckluftvorhang, Druckluft-Düsen)
sind im ID-Bereich dem Anwender bereits zugänglich und ohne großen monetären Aufwand
adaptierbar. Die Kühlwirkung solcher Kühlkonzepte auf die resultierenden Schichteigenschaften
infolge des Wärmeeintrags in das (Substrat)Bauteilmaterial und den Schichtwerkstoff ist
hingegen unzureichend untersucht.
Ziel dieses Forschungsvorhaben ist es, die wesentlichen Einflussgrößen sowie
prozesstechnischen Randbedingungen beim Beschichten von rotationssymmetrischen
Innenflächen unter Einsatz feinfraktionierter Spritzzusätze zu untersuchen. Auf Basis der
gewonnenen Erkenntnisse sollen Handlungsempfehlungen zur Prozessführung
(Prozessieren feinfraktionierter Spritzzusätze, Spritzparameter, Bauteilkühlung) erarbeitet
werden, um das Potential des Innenbeschichtens mittels ID HVOF/HVAF dem Anwender
zu erschließen. Die Klärung einzelner wissenschaftlich-technischer Problemstellungen, wie
beispielsweise die Qualifizierung einer praxistauglichen Auftragsrate bei einer gleichzeitig
defektarmen Schichtgefügestrukur bei kurzen Spritzabständen soll darüber hinaus den
wirtschaftlichen Zielen eines erweiterten Nutzkreises zu Gute kommen. Der durch die
Forschungsergebnisse angesprochene Nutzerkreis setzt sich in erster Linie aus
Lohnbeschichtern (KMU), aber auch Unternehmen, die Innenbeschichtungen in der
Serienproduktion einsetzten wollen, zusammen. Diese können die gewonnenen Erkenntnisse
nutzen, um das Innenbeschichten mittels HVOF/HVAF mit minimalem Aufwand in die eigene
Fertigung zu adaptieren. Die KMU erhalten somit die Befähigung, Innenbeschichtungen mittels
HVOF/HVAF mit entsprechenden Innenbrennern durchzuführen. Die Entwicklung und
Validierung im Rahmen dieses Projekts minimiert dabei das Risiko für die KMU im Rahmen einer
unternehmensspezifischen Erforschung und Erprobung, insbesondere, wenn unvorhersehbare
Probleme und Fragestellungen auftreten. Die unmittelbare wirtschaftliche Bedeutung ergibt sich
für die KMU durch die Erschließung vollkommen neuer Anwendungen und Geschäftsfelder, in
denen die thermische Spritztechnik bis dato noch nicht etabliert ist, da die notwendige Technik
und vor allem das dazugehörige Verständnis noch nicht vorhanden sind. Wird die Technik nach

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Ablauf des Projektes in den KMU erfolgreich integriert, entsteht für diese Unternehmen ein
bedeutender Wettbewerbsvorteil. Mögliche Anwendungsgebiete sind vor allem im Bereich des
Verschleißschutzes zu sehen, da insbesondere mittels HVOF/HVAF verspritzte karbidhaltige
Schutzschichten einen hohen Verschleißwiederstand aufweisen [7, 8]. Typische Werkstoffe sind
dabei WC-Co, WC-CoCr oder Cr 3C 2-NiCr. Neue Anwendungen für HVOF/HVAF
Innenbeschichtungen sind beispielsweise in Hydraulik- oder Fahrwerkszylindern als Ersatz für
Hartchrombeschichtungen oder als Reparaturbeschichtung ebendort zu sehen. Weitere
Anwendungsgebiete sind Innenbeschichtungen im Bereich von Kugelventil-Dichtsystemen, um
diese vor Gleit-, Erosions- und Kavitationsverschleiß zu schützen sowie Innenbeschichtungen in
Extruderschneckengehäusen oder in Zylinderlaufbuchsen von Kolbenverdichtern zum Schutz vor
Abrasiv- und Reibverschleiß. Für die im Einzelfall bereits bestehenden Anwendungen
(Innenbeschichtung mittels HVOF/HVOF), tragen die hier gewonnen Erkenntnisse dazu bei, die
Schichtqualität zu steigern, was wiederum eine Absicherung des Bestandskundengeschäfts
begünstigt.

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.914N
4 Arbeitshypothese und Arbeitsprogramm
Die Arbeitshypothese, die bestätigt werden soll, basiert auf der Erkenntnis, dass das Beschichten
von Innenflächen mittels HVOF/HVAF Innenbrennersystemen deutlich von den konventionellen
Beschichtungsprozessen auf Außenflächen abweicht. Ursachen sind vor allem in der
Verwendung feinfraktionierter Spritzzusätze und der räumlich begrenzten und teilweisen
geschlossenen Spritzsituation zu sehen. Weiterhin müssen die Spritzusätze, aufgrund des kurzen
Spritzabstands, innerhalb kürzester Zeit beschleunigt und auf- bzw. angeschmolzen werden,
damit die applizierten Schichtsysteme gegenüber konventionellen Schichtsystemen
vergleichbare Eigenschaften aufweisen. Daher müssen Einflussgrößen und prozesstechnische
Randbedingungen neu betrachtet werden. Die Anpassung und Adaptierung des Prozesses ist
nötig, um gleichwertige, hochwertige Beschichtungen zu erzielen.
Um die Arbeitshypothese zu validieren, wurden die signifikanten Einflussgrößen auf den
Beschichtungsprozess unter Verwendung von HVOF/HVAF Innenbrennersystemen identifiziert
sowie wesentliche Wirkzusammenhänge zwischen der Flamm-Partikel Interaktion (In-Flug
Partikeleigenschaften) und dem Schichtbildungsprozess analysiert. Die Analyse der
Wirkzusammenhänge verfolgte das Ziel, geeignete Spritzparametereinstellungen (hier:
optimierte Spritzpartikeltemperatur und -geschwindigkeit) zu qualifizieren, welche der
Forschungsstelle und dem Anwender es ermöglichen, die gewonnenen Erkenntnisse auf andere
Brennertypen zu übertragen. Die Durchführung der Spritzversuche erfolgte unter Einsatz
eigenschaftsdifferenzierter Spritzzusätze hinsichtlich chemischer Zusammensetzung,
Partikelmorphologie und Partikelgröße. Um den Innenbeschichtungsprozess mittels HVOF/HVAF
Innenbrennern wissenschaftlich und zugleich anwendungsnah zu untersuchen, wurde für die
Durchführung selektierter Spritzversuche ein prototypischer, zylindrischer Probenträger
entwickelt. Die Bauteilerwärmung während des Innenbeschichtens wurde unter Berücksichtigung
verschiedener Kühlkonzepte und Spritzparametereinstellungen simulationsgestützt sowie
experimentell untersucht. Mithilfe eines prototypischen Versuchsaufbaus wurde die Splatbildung
der auf dem Substrat auftreffenden Spritzpartikel unter Verwendung eigenschaftsdifferenzierter
Spritzzusätze analysiert.
Die Bearbeitung der Arbeitsinhalte erfolgte gemäß dem Arbeitsplan des Projektantrags
(Abbildung 1). Zu Projektbeginn kam es jedoch zu einer zeitlichen Verzögerung im
Projektverlaufs. Hauptursache hierfür ist die rückwirkende Bewilligung des Projektes aufgrund
der verzögerten Bildung der Bundesregierung zu Beginn des Jahres 2018. Die Übermittlung des
Zuwendungsbescheides erfolgte zum 11.04.2018, weshalb erst nach diesem Termin mit der
Projektvorbereitung und -bearbeitung begonnen werden konnte. Ein(e) qualifizierte(r)
wissenschaftliche(r) Mitarbeiter(in) war unmittelbar zu Projektbeginn nicht verfügbar. Die
Projektbearbeitung erfolgte zunächst kommissarisch, bis ein(e) Projektbearbeiter(in) zugeteilt
werden konnte. Des Weiteren bestand keine Vorlaufzeit, um Kick-Off-Meetings mit dem PA
durchzuführen sowie die spezifischen Spritzwerkstoffe für das Innenbeschichten zu beschaffen.
Die Projektbearbeitung verzögerte sich insgesamt um 6 Monate. Aus den genannten Gründen
sowie einer längerfristigen Umbaumaßnahme im Versuchsfeld der Forschungsstelle, erfolgte
eine Ratenverschiebung der Personalmittel in das Jahr 2019. Im Berichtszeitraum 2019 wurde
das Projektvorhaben kostenneutral um 6 Monate verlängert (neue Laufzeit: bis zum 30.06.2020).