Thermisches Spritzen von Dickschichtsystemen - Prozessoptimierung anhand von Eigenspannungen und Eigenspannungsstabilität
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Viele hochbeanspruchte technische Bauteile werden heutzutage beschichtet, um gezielt die Eigenschaften der Bauteiloberfläche zu verbessern und so die Lebensdauer der Bauteile deutlich zu erhöhen. Zu den häufigsten Aufgaben dieser Schichten die typischerweise im Schichtdickenbereich zwischen 50 und 500 µm liegen, gehört die Verbesserung der Verschleißeigenschaften, sowie der Korrosions- und der Hitzebeständigkeit. In vielen Fällen werden diese Dickschichtsysteme durch thermische Spritzprozesse aufgebracht. Der Eigenspannungszustand in diesen Schichtsystemen ist eine für den Herstellungsprozess wie für den späteren Betrieb entscheidende Systemgröße. Im Betrieb ist die Verteilung der prozeßbedingten Eigenspannungen in der Deckschicht aber vor allem auch am Interface von zentraler Bedeutung für das Ermüdungs- und Versagensverhalten von beschichteten Bauteilen. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung den Eigenspannungszustand in der Schicht aber auch im Substrat zu kennen und somit auch messen zu können. Hierzu ist es unbedingt erforderlich, Eigenspannungstiefenverläufe an den Schichtsystemen zu bestimmen. Im Rahmen des Projektes wurde die inkrementelle Bohrlochmethode zur Eigenspannungsanalyse um eine Mess- und Auswertestrategie erweitert, die es erlaubt, Eigenspannungstiefenverläufe in Dickschichtsysteme mit Schichtdicken > 50 µm zuverlässig zu bestimmen. Angewendet wurde diese Methodik zunächst auf thermisch gespritzte Schichten am Beispiel von YSZ-Wärmedämmschichten (YSZ = Yttrium stabilisiertes ZrO2) für Gasturbinenanwendungen und Chromverdampfungsschutzschichten für SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) Brennstoffzellen-Anwendungen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass im Falle der MCF Schichten in allen Fällen sehr geringe Zugeigenspannungen in den Schichten bestimmt wurden. Die thermische Auslagerung des MCF Systems im Bereich der geplanten Einsatztemperaturen (700-850°C) zeigt von der Oberfläche her eine zeitabhängige Phasenumwandlung des gespritzten Schichtwerkstoffes von einer Steinsalzstruktur hin zu einer Spinelstruktur. Diese Entwicklung geht einher mit der graduellen Änderung der mechanischen (z.B. E-Modul) und physikalischen (z.B. Ausdehnungskoeffizient) Eigenschaften und bewirkt folglich auch eine Änderung in den lokalen Eigenspannungsverteilungen in der MCF Schicht. Die Untersuchungen an den YSZ Dämmschichten, die auf IN738 und Edelstahlsubstraten abgeschieden worden sind, haben gezeigt, dass die Abschreckspannungen der hergestellten Schichten in allen Fällen sehr gering sind (< 50 MPa) und eine ansteigende Tendenz bei heißeren Spritzbedingungen zeigen. Da die Abkühlspannungen aufgrund der steigenden Substrattemperatur und Schichtkohäsion ebenfalls tendenziell höher werden, sind die Eigenspannungszustände der frisch gespritzten Schichten in allen Fällen sehr gering. Weiterhin zeigten die Untersuchungen an den YSZ Systemen, dass bei geringen Partikelaufschmelzgraden eine Abhängigkeit der Porosität und der Abschreckspannung vorliegt, wohingegen die Abschreckspannung bei hohen Partikelaufschmelzgraden nahezu unabhängig von der Porosität ist. Ein höherer Anteil an vollständig aufgeschmolzenen Partikeln führt hier dazu, dass die Abschreckspannung mehr durch den Einfluss der Spannungsrelaxationsfaktoren dominiert wird. Komplementäre Neutronenmessungen haben gezeigt, dass die isotherme Beanspruchung der YSZ Schichten zu einer Erhöhung der Druckeigenspannungen in der Schicht führen, was letztlich die Ausbildung von Zugeigenspannungen im Bondcoat nach sich zieht. Grund für diese Entwicklung ist der Unterschied in den Ausdehnungskoeffizienten zwischen Top- und Bondcoat. Im Rahmen der Fortsetzung des Projektes wurde die Eigenspannungsmessmethodik auf thermisch gespritzte, gradierten Schichten (FGM = Functionally Graded Material) übertragen. Im Fokus dieser Untersuchungen standen wolframhaltige Schichten, die auf einem EUROFER-Stahlsubstrat abgeschieden wurden, wobei der Gehalt an Wolfram vom EUROFER Substrat her durch die Bereitstellung der Pulvermischungen graduell erhöht wurde. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass in den FGM Schichten extrem hohe Druckeigenspannungen von bis zu -1800 MPa induziert werden, wobei sich die Steilheit der über das thermische Spritzen eingebrachten Eigenspannungsgradienten über das definierte Gradieren der Subschichten gezielt beeinflussen lässt. Weiterhin wurden im Rahmen der Projektfortsetzung kaltgasgespritzte Schichten (IN718, Ti6Al4V) untersucht, die beispielsweise für Reparaturen von lokal geschädigten Hochtemperaturbauteilen (z.B. Turbinenschaufeln) zum Einsatz kommen können. Für Reparaturen von lokal geschädigten Bauteilen ist die Kenntnis der durch den Reparaturvorgang eingebrachten lokalen Eigenspannungen von immenser Wichtigkeit. Die Untersuchungen haben u.a. gezeigt, dass durch das Kaltgasspritzen i.d.R. Druckeigenspannungen in die Schichten eingebracht werden, die durch die starke Verformung beim Aufprall der Partikel und den damit verbundenen hohen Dehnraten verursacht werden. Mit steigender Substrattemperatur verringern sich diese Eigenspannungen in der Beschichtung infolge von Erholungsvorgängen deutlich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Residual Stress Analysis on Thick Film Systems by the Incremental Hole- Drilling Method – Simulation and Experimental Results, Experimental Mechanics 53 (2013), S. 965 – 976
E. Obelode, J. Gibmeier
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Residual Stress Analysis of Thick Film Systems by the Incremental Hole-Drilling Method - Influence of Interlayers and Interfacial Roughness, HTM Journal of Heat Treatment and Materials 69 (2014) 2, S. 71-79
E. Held, J. Gibmeier
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Application of the Incremental Hole-Drilling Method on Thick Film Systems - An Approximate Evaluation Approach, Experimental Mechanics 55 (2015), S. 499-507
E. Held, J. Gibmeier
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Stress formation within the first layer in plasma sprayed coatings, Thermal Spray 2015: Proceedings from the International Thermal Spray Conference (May 11–14, 2015, Long Beach, California, USA), 05/11/2015 - 05/14/2015, Editors: A. McDonald at al., S. 669-672 (2015)
M. Mutter, G. Mauer, R. Mücke, R. Vassen, H.C. Back, J. Gibmeier
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Investigations on the Initial Stress Evolution during Atmospheric Plasma Spraying of YSZ by In Situ Curvature Measurement, Journal of Thermal Spray Technology, 25(4) (2016), S. 672–683
M. Mutter, G. Mauer, R. Mücke, R. Vaßen, H.C. Back, J. Gibmeier
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Eigenspannungszustände atmosphärisch plasmagespritzter Schichten, Thermal Spray Bulletin 69 (2017) 1, S. 52 - 60
M. Mutter, G. Mauer, R. Mücke, R. Vaßen, H.C. Back, J. Gibmeier
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Influence of coating thickness on residual stress and adhesion-strength of cold-sprayed Inconel 718 coatings, Surface & Coatings Technology 350 (2018) 64–73
R. Singh, S. Schruefer, S. Wilson, J. Gibmeier, R. Vassen
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Study of stability of microstructure and residual strain after thermal loading of plasma sprayed YSZ by through surface neutron scanning, Physica B: Condensed Matter, Vol. 551 (2018), S. 69-78
J. Gibmeier, H.C. Back, M. Mutter, F. Vollert, J. Rebelo-Kornmeier, R. Mücke, R. Vaßen
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Systematic Investigation on the Influence of Spray Parameters on the Mechanical Properties of Atmospheric Plasma Sprayed YSZ Coatings, Journal of Thermal Spray Technology 27 (2018) 4, S. 566-580
M. Mutter, G. Mauer, R. Mücke, O. Guillon, R. Vaßen
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Vacuum plasma spraying of functionally graded tungsten/EUROFER97 coatings for fusion applications, Fusion Engineering and Design, Volume 133 (2018), S. 148-156
R. Vaßen, K.-H. Rauwald, O. Guillon, J. Aktaa, T. Weber, H.C. Back, D. Qu, J. Gibmeier
