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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
Seite 1: 2020 Abschlussbericht DVS-Forschung
Seite 4 und 5: Bibliografische Information der Deu
Seite 6 und 7: Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-
Seite 10 und 11: Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-

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