Ermittlung von Eigenspannungen in beschichteten Oberflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Beschichtungen werden oft verwendet, um funktionale Eigenschaften (etwa Korrosions- oder Verschleißschutz, Sensorik) oder dekorative Eigenschaften einer Objektoberfläche zu gewährleisten. Die Beschichtungen besitzen aber häufig herstellungsbedingte Eigenspannungen, die unerwünschte Effekte erzeugen (z. B. Schichtabplatzung, Rissbildung). Es ist deshalb von Interesse, die Eigenspannungen und ihre Auswirkungen zu kennen, um die Schichtherstellung in geeigneter Weise anzupassen. Das Standardverfahren zur Bewertung von Eigenspannungen in Beschichtungen basiert auf dem Bohren von Löchern und der Messung der freigesetzten Spannungen mit Dehnungsmessstreifen. Dieses quasi-zerstörungsfreie Verfahren hat den Nachteil, dass mechanisches Bohren erforderlich ist; Darüber hinaus können Dehnungsmessstreifen nur auf ebenen und relativ glatten Oberflächen angebracht werden. Außerdem ist das Verfahren nicht geeignet für Untersuchungen während des Beschichtungsprozesses, bei denen die Oberfläche eine hohe Temperatur besitzt (z.B.: 500 °C). In der 1. Projektphase wurde ein Verfahren zur berührungslosen und minimalinvasiven Messung von Eigenspannungen entwickelt. Die Spannungen wurden durch einen Laserablationsprozess freigesetzt und die resultierende Verformung der beschichteten Oberfläche mittels digitaler holographischer Interferometrie gemessen. In der 2. Projektphase wurde das Verfahren systematisch weiterentwickelt und ein kompaktes System zur in-situ-Ermittlung von Eigenspannungen durch berührungslose Online-Messung aufgebaut und getestet. Es wurde gezeigt, dass das System Messungen von ebenen und nicht ebenen (Zylinder mit Durchmessern zwischen 8 und 12 mm wurden untersucht) Oberflächen unter industriellen Bedingungen (starken Vibrationen, Staub und elektromagnetischen Störungen), ermöglicht. Einige Messungen wurden bei hoher Temperatur (360 °C) direkt nach dem Beschichtungsprozess durchgeführt. Es zeigte sich, dass bei hoher Temperatur nahezu keine Eigenspannungen in der Beschichtung vorhanden sind und diese beim Abkühlen auftreten. Oberflächenverschiebungen (Spannungsrelaxationen) auf der Beschichtung aufgrund inkrementell tieferer Laserablation (Nuten) wurden unter Verwendung von Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode berechnet. Diese Verschiebungen wurden für die Berechnung von Kalibrierungskoeffizienten verwendet, um eine Beziehung zwischen optisch gemessenen Verschiebungen und Eigenspannungen in verschiedenen Tiefen unter der Oberfläche der Beschichtung herzustellen. Im Rahmen dieses Projektes wurden neue Erkenntnisse über den Beschichtungsprozess gewonnen, sowie erfolgreich geprüft, eine Inline-Prozesskontrolle zu erstellen, um die gewünschten Beschichtungseigenschaften sicherzustellen. Durch den Abgleich mit Daten aus der Prozesssimulation wird die Herstellung von Schichten mit definiertem Eigenspannungsniveau durch Steuerung der Brennerbahn (Kinematik), gleichzeitige Kühlung und Variation der Beschichtungsprozessparameter möglich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Evaluation of Residual Stress Determinations Conducted with Laser Ablation and Optical Displacement Measurement”, Residual Stresses 2016: ICRS-10, 2, 323- 328, (2017)
P. Weidmann, G. Pedrini, V. Martinez-Garcia S. M. Wenzelburger, A. Killinger, S. ,Schmauder, R. Gadow, W. Osten
(Siehe online unter https://doi.org/10.21741/9781945291173-55) - Optisches Verfahren und Anordnung zur Eigenspannungsmessung, insbesondere an beschichteten Objekten, DE 10 2015 006 697 B4 2018.08.02
W. Osten, G. Pedrini, R. Gadow, K. Körner
- Optical method and arrangement for measuring residual stresses, in particular in coated objects. US000010481020B2
Erfinder: W. Osten, G. Pedrini, R. Gadow, K. Körner
- “Non-contact residual stress analysis method with displacement measurements in the nanometric range by laser made material removal and SLM based beam conditioning on ceramic coatings”, Surface & Coatings Technology, 371, 14–19, (2019)
V. Martínez-García, G. Pedrini, P. Weidmann, A. Killinger, R. Gadow, W. Osten, S. Schmauder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.12.123) - “Residual Stress Evaluation in Ceramic Coating Under Industrial Conditions by Digital Holography”, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 16, 1102– 1110, (2019)
I. Alekseenko, G. Pedrini, V. Martínez-García, A. Mora, A. Killinger, A. Kozhevnikova, S. Schmauder, R.Gadow, W. Osten
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TII.2019.2939972)
