Thermisches Spritzen von Dickschichtsystemen - Prozessoptimierung anhand von Eigenspannungen und Eigenspannungsstabilität

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Gibmeier; Professor Dr. Robert Vaßen
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230530734

Der Eigenspannungszustand (ES) in Schichtsystemen und hier vorallem am Interface ist von zentraler Bedeutung für das ErmüdungsundVersagensverhalten von beschichteten Bauteilen. Durch dieAnpassung des Beschichtungsprozesses ist es möglich, die sicheinstellenden ES-Verteilungen im Hinblick auf den Bauteileinsatz zuoptimieren. Im Rahmen der ersten Förderperiode wurde einepraxistaugliche Mess- und Auswertestrategie zur Bestimmung derEigenspannungstiefenverteilungen an Dickschichtsystemen unterVerwendung der inkrementellen Bohrlochmethode entwickelt undbereitgestellt. Diese Methodik wurde im Weiteren erfolgreich aufthermisch gespritzte Schichten am Beispiel von YSZWärmedämmschichtenund MCFChromverdampfungsschutzschichten für SOFCBrennstoffzellenanwendungenangewandt. Im Zuge der Fortsetzungdes Forschungsvorhabens soll diese Mess- und Auswertestrategieangepasst und erweitert werden auf (a) funktionell gradierteWerkstoffsysteme (FGM) und (b) auf kaltgasgespritzteWerkstoffsysteme. Die Eigenspannungsergebnisse werden imWeiteren genutzt, um die Beschichtungsparameter zu adjustieren. Beiden FGMs sollen wolframhaltige Schichten auf einem EUROFERStahlsubstratabgeschieden werden, wobei der Gehalt an Wolframvom EUROFER Substrat her durch die Bereitstellung derPulvermischungen graduell erhöht werden soll, bis an derunmittelbaren Oberfläche reines Wolfram vorliegt. MöglicheAnwendungen für derartige FGM Schichten sind beispielsweiseWerkstoffe für den Einsatz von Fusionsreaktoren, bei denen Wolframals Schutzschicht des ferritisch-martensitischen EUROFER-Stahlseingesetzt werden soll. Hierbei ist die Kenntnis überEigenspannungen für die Bewertung der mechanischen Integrität undder Lebensdauerbetrachtung der Schichtverbunde von großerWichtigkeit. Die kaltgasgespritzte Schichten, die ebenfallsGegenstand des Fortsetzungsvorhabens sind, können beispielsweisefür Reparaturen von lokal geschädigten Hochtemperaturbauteilen(z.B. Turbinenschaufeln) zum Einsatz kommen. Erste erfolgreicheVoruntersuchungen wurden bereits an kaltgasgespritztenNickelbasisschichten durchgeführt. Für Reparaturen von lokalgeschädigten Bauteilen ist die Kenntnis der durch denReparaturvorgang eingebrachten Eigenspannungen von immenserWichtigkeit. Die Anwendung der inkrementellen Bohrlochmethodekann dabei direkt am gespritzten Bauteil erfolgen. Weiterhin sollenergänzend zu den Eigenspannungsanalysen an thermisch gespritztenYSZ-Schichten, die in der ersten Förderperiode untersucht wurden,neutronographische Beugungsanalysen, die bereits am InstrumentStressSpec am FRMII (Garching) durchgeführt werden, ausgewertetund eine ganzheitliche Bewertung der Ergebnisse vorgenommenwerden. Da hier Scans durch die Oberfläche (sogenannte ´Through-Surface-Scans´) durchgeführt wurden, sind die Auswertungen sehraufwendig und bedingen u.a. die Korrektur der Oberflächeneffekte,die an der unmittelbaren Oberfläche aber auch an den Interfaces desSchichtverbundes auftreten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Markus Mutter