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Fundamental Investigation of Application Possibility of Fe-based Coatings for Thermal Insulation

Subject Area Coating and Surface Technology
Term from 2013 to 2015
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 235305376
 
Final Report Year 2017

Final Report Abstract

Amorphe Werkstoffe sind hoch innovative Werkstoffe, die im Fokus der Forschung stehen. Die Herstellung ist auf Grund der benötigten raschen Abkühlgeschwindigkeiten eine große Herausforderung. Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass die eigens für das Projekt ausgelegten Legierungen bestehend aus FeCrBSiNb mittels Thermischen Spritzens verarbeitet und als amorphe Beschichtung appliziert werden können. Dabei hat sich gezeigt, dass der Amorphanteil im pulverförmigen Ausgangswerkstoff mit abnehmender Pulverkorngröße und abnehmendem Chromanteil steigt. Die Verarbeitung mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens hat gezeigt, dass der verbleibende Amorphanteil in der Beschichtung sinkt, wohingegen beim Plasmaspritzen ein deutlich höherer Amorphanteil in der Beschichtung gemessen werden konnte. Grund hierfür sind zum einen die wesentlich höheren Prozesstemperaturen, die ein vollständiges Aufschmelzen und eine Überführung in den amorphen, schmelzflüssigen Zustand auch von höherschmelzenden Werkstoffen möglich machen und eine rasche Abkühlung der Spritzpartikel nach Aufprall auf das Substrat. Beides wirkt sich positiv auf die Herstellung amorpher Werkstoffe aus. Mittels TEM-Analysen wurden die Kristallisationsmechanismen untersucht. Im Vergleich zwischen kristallinen und amorphen Bereichen konnten unterschiedliche chemische Zusammensetzungen nachgewiesen werden. Es wird vermutet, dass lokale und temporäre Entmischungsprozesse Ausgangspunkt für die Keimbildung und die anschließende Kristallisation sind. Die thermophysikalischen Eigenschaften wurden sowohl nach dem Beschichten als auch nach der Auslagerung bei T =400 °C ermittelt. Beide Messungen zeigen nahezu identische Werte. Bei höheren Temperaturen im Bereich der Kristallisationstemperatur (Ti = 650 °C und T2 = 750 °C) wurde eine um den Faktor Zwei höhere Temperaturleitfähigkeit ermittelt. Somit wurde der Anteil an kristallinen Strukturen als dominanter Einflussfaktor auf die Wärmeleitfähigkeit bestätigt. Langzeitauslagerungen haben gezeigt, dass Sintereffekte auftreten, die bei den HVOF gespritzten Beschichtungen ca. 10 %- 20 % ausmachen. Gegenwärtig wird dieses Phänomen genauer untersucht. Thermisch wachsende, spröde Oxide konnten nicht nachgewiesen werden. Sauerstoffmessungen vor und nach den Messungen zeigen nur geringfügige Änderungen, die auf Inhomogenität in der Beschichtung zurückzuführen sind. Kristallisationsprozesse während des Auslagerns konnten weder mittels XRD noch DSC nachgewiesen werden. Somit ist der Werkstoff bis 400 °C oxidationsbeständig und phasenstabil. Thermozyklische Untersuchungen haben gezeigt, dass das Schichtsystem der Belastung Stand hält und darüber hinaus als MCrAIY-Ersatz für Anwendungen bei niedrigen Temperaturen geeignet ist.

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