Thermisches Spritzen von SiC und TiC mit oxidischer Binderphase
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsvorhabens war die Herstellung und Charakterisierung von Ausgangspulvern und thermisch gespritzten Schichten mit hohem Anteil an SiC bzw. TiC in einer oxidkeramischen Binderphase des Systems Aluminiumoxid-Yttriumoxid. Die angestrebten Carbidgehalte lagen bei > 65 Gew.-%. Im Rahmen des Projektes wurde eine systematische Pulverherstellung in verschiedenen chemischen Zusammensetzungen von der Phasenausbildung über Flüssigphasenslnterung bis zur Sprühtrocknung, Sinterung und Konditionierung der Spritzpulver verfolgt. Begleitend dazu wurde die Schichtherstellung aus diesen Ausgangspulvern mittels verschiedener thermischer Spritzverfahren untersucht, und eine Eigenschaftscharakterisierung der Beschichtungen durchgeführt. Als Beschichtungsverfahren kamen das atmosphärische Plasmaspritzen (APS) sowie das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) zum Einsatz. Im Hinblick auf die potenziellen Eigenschaften der Materialsysteme wurden Untersuchungen zum Verschleißverhalten, zur Korrosionsbeständigkeit sowie zu Benetzungseigenschaften ausgeführt. Sowohl die Werkstoff- als auch die prozessseitigen Ergebnisse weisen einen wissenschaftlichen und technologischen Neuheitsgehalt auf. Erstmalig konnten hoch-SiC- bzw. -TiC-haltige Pulver über thermische Beschichtungsprozesse in Schichten überführt werden konnten, wobei ein Zersetzen oder Lösen der karbidischen Phase aufgrund einer neuartigen oxidkeramischen Binderphase vermieden werden konnle. Die SIC- bzw. TiC-Gehalte der Pulver (und somit der Schichten) erreichten mittels angepasster Pulverherstellungsrouten erstmalig bis zu 76 Gew.-%. Die technologische Nutzbarkelt der Schichten ist jedoch eingeschränkt, da hinsichtlich ihrer Kompaktheit der Mikrostruktur prozesstechnisch keine Optimierung dahingehend gelang, dass ein hoher innerer Schichtzusammenhalt erreicht wäre. Die mikroporöse Struktur der Sinterpulver wurde in die Schichten übertragen, da aufgrund der gegenüber thermischer Belastung sensiblen Werkstoffe thermisch hochenergetischere Prozesse wie die 3-Katoden-APS-Technologie nicht dafür geeignet waren, dichte Schichten aufgnjnd von vollständig erschmolzener Binderphase zu erzielen. Vielmehr kam es hier zu einer Zersetzung bzw. Auflösung der Karbidphasen. Die niedrigste, mittels angepasster HVOF-Prozesse erreichte Schichtporosität liegt mit etwa 5°% ebenfalls zu hoch für viele technische Anwendungen, die beispielsweise einen kombinierten Verschleiß- und Korrosionsschutz veriangen. Die untersuchten optimierten HVOF-Schichten zeigten jedoch ein sehr gutes Verhalten in Benetzungsversuchen. Die im Vergleich zu unbeschichteten Stahlsubstraten stari< verminderte Benetzbarkeit qualifiziert das untersuchte Schichtwerkstoffsystem in Anwendungen in Kontakt mit Metallschmelzen. Die gewonnenen Erkenntnisse liefern Ausgangspunkte für weitere Forschungsarbeiten. Diese sind notwendig, da die bisherigen Untersuchungen noch keine befriedigenden Schichteigenschaften hinsichtlich einer Verschleiß- und Korrosionsschutzwirkung erbrachten. Erfolgversprechend ist dabei der Fokus auf den im Vergleich zu APS-Prozessen thermisch niederenergetischen Ethin-HVOF-Prozess. Die weiteren Untersuchungen sollten dabei auf eine Reduzierung der Mikroporosität in den Schichten und die damit einhergehende Erhöhung des inneren Schichtzusammenhalts sowie verbesserter Schutzwirkung gegen Durchdringung von Medien abzielen. Konkrete Arbeitsfelder können in folgenden Punkten zusammengefasst werden: 1. Gezielte Anpassung des oxidkeramischen Binderanteils an den späteren Einsatz des Pulvers im speziellen thermischen Spritzverfahren (z.B. HVOF, APS) 2. Systematische Überprüfung modifizierter Schichtsysteme, z.B. über angepasste Zwischenschichten oder über gradierte Schichten 3. Prüfung der Möglichkeit von Schichtnachbehandlungen, z.B. mittels versiegelnder Verfahren
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Thermisches Spritzen neuartiger SiC und TiC Pulver mit oxidischer Binderphase. Schriftenreihe Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen, 24 (2006), S. 290-295, ISBN-10 3-00-019101-1, ISBN-13 978-3-00-019101-5
Wielage, B.; Grund, T.; Friesen, E.; Wank, A.; Thiele, S.
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Development and Investigation of SiC-based Thermal Spray Powders with Alumina-Yttria Binder Matrix. Tagungsband International Thermal Spray Conference, ASM International Ohio (2007), S. 1140-1144, ISBN-13; 978-0-87170-855-7
Wielage, B.; Grund, T.; Nebelung, M.; Thiele, S.; Wank, A.; Schwenk, A.
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Processing of newly developed SiC and Tic Powders with Oxide-Ceramic Matrix by means of Thermal Spraying / Thermisches Spritzen neuartiger SiC und TiC Pulver mit oxidischer Binderphase. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 38/2 (2007), S. 139-143, ISSN 0933-5137
Wielage, B.; Grund, T.; Nebelung, M.; Thiele, S.; Wank, A.
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Characteristics of High-SiC- / High-TiC-Containing Thermal Spray Coatings regarding Operating Conditions. International Thermal Spray Conference, Maastricht (2008) - Kongressbeitrag
Wielage, B.; Grund, T.; Nebelung, M.; Thiele, S.; Wank, A.; Schwenk, A.
