Steifigkeit, Verformungslokalisierung und Schadenstoleranz HVOF- und detonationsgespritzter B4C/Al-MMCs
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projekts wurden zunächst sowohl mittels Detonationsspritzens, als auch des atmosphärischen Plasmaspritzens borkarbidverstärkte Aluminiumschichten hergestellt und im Hinblick auf eine geringe Porosität, hohe Auftragsrate und Karbideinbettrate sowie geringe Matrixoxidation optimiert. Im Anschluss wurden die Kornfraktion und Anteil der Borkarbide im Schichtgefüge variiert und deren Einfluss auf die mechanischen und tribologischen Systemeigenschaften untersucht. Nach der Optimierung des Al-MMC-Schichtwerkstoffgefüges wurde das Mikroverformungs- und Mikroschädigungsverhalten der Gefüge bei einer einsinnigen Zugverformung mittels Mikro-Computertomographie untersucht. Wie die Ergebnisse belegen, reichen die Unterschiede im linearen Schwächungskoeffizienten der Gefügepartner (Al und B4C) zur Bestimmung der Phasenverteilung und somit zur Analyse der Dehnungsfelder aus. Neben der Ausbildung von Mikroverformungszonen wurde mikrocomputertomographisch Mikrorissbildung beobachtet. In diesem Zusammenhang konnte gezeigt werden, dass sich die Schichtmorphologie, welche mit Lichtmikroskopie an einem metallographischen Schliff ermittelt wird, sich deutlich von dem mittels µCT abgebildeten Schichtaufbau unterscheidet. Für die Analyse der µCT-Aufnahmen mittels 3D-DIC wurde eine plattformübergreifende Software entwickelt, welche die Korrelationsberechnungen parallelisiert durchführt und mit der die Ergebnisse der digitalen Bildkorrelation in orthogonalen Schnitten angezeigt werden kann. Für die Untersuchung des Mikroverformungs- und –schädigungsverhaltens von beschichteten Proben im nicht-unterbrochenen Zugversuch unter Verwendung einer CMOS-Hochgeschwindigkeitskamera und im unterbrochenen Zugversuch im REM wurde das Werkstoffspektrum erweitert, da die Detonationsspritzanlage einen irreparablen Defekt aufwies. Diese Untersuchungen wurden an St37-Flachzugproben durchgeführt, welche mit verschiedenen partikelverstärkten und nichtpartikelverstärkten NiCr-Basiswerkstoffen unter Verwendung des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF) beschichtet wurden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten, dass die mittels des HVOF-Verfahrens mit und ohne dispergierte B4C-Partikel aufgebrachten NiCr-Basis-Schichten bis zu einem gewissen Grade die plastische Verformung des Substrats ohne erkennbare Mikroschädigungen (Mikrorisse) mitmachen. Im Projektverlauf trat überraschend ein Defekt der Detonationsspritzanlage auf. Weder Ersatzteile noch ein technischer Support konnten von dem Anlagenhersteller bereitgestellt werden, weshalb alternative TS-Verfahren (insbesondere das atmosphärische Plasmaspritzen) eingesetzt werden mussten. Zudem ist bemerkenswert, dass sich die Abbildung der Al-Gefüge mit Hilfe metallographischer Verfahren und der Mikro-Computertomographie sehr stark voneinander unterschieden. Ferner war die geringe Duktilität der gespritzten Al-Verbundwerkstoffe nicht erwartet worden. Im Gegensatz dazu zeigten die im Rahmen des Projekts ebenfalls untersuchten, metallischen Schichten auf Basis von Cu, Fe und Ni erwartungsgemäß duktile Anteile bei der Verformung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Detonationsspritzen von borkarbidverstärkten Aluminiumschichtsystemen. In: Wielage, B. (Hrsg.): Tagungsband zum 15. Werkstofftechnischen Kolloquium, Eigenverlag, Deutschland, Chemnitz, 2012, S. 101-109, ISBN 978-3-00-039358-7
Tillmann, W.; Hollingsworth, P.
- Development and Characterization of B4C Reinforced Detonation Sprayed Al Coatings; In: ASM International (Hrsg.): Tagungsband zur International Thermal Spray Conference & Exposition 2013: Innovative Coating Solutions for the Global Economy, Korea, Busan, 2012, S. 351-356, ISBN 978-1-62708-021-7
Tillmann, W.; Hollingsworth, P.; Fischer, G.; Nellesen, J.
- Development and Characterization of B4C Reinforced Detonation-Sprayed Al Coatings. Journal of Thermal Spray Technology, 2013
Tillmann, W.; Hollingsworth, P.; Fischer, G.; Nellesen, J.; Beckmann, F.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1007/s11666-013-0036-3) - Verschleißverhalten von borkarbidverstärkten thermisch gespritzten Aluminiumschichten. In: Wielage, B. (Hrsg.): Tagungsband zum 16. Werkstofftechnischen Kolloquium, Eigenverlag, Deutschland, Chemnitz, 2013, S. 367-373, ISBN 978-3-00-043129-6
Tillmann, W.; Hollingsworth, P.
