Erweiterung des mechanisch-technologischen Einsatzpotenzials von Magnesiumlegierungen durch thermisch gespritzte und laserstrahl-auftraggeschweißte Beschichtungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Innerhalb dieses Projektes konnten wirtschaftliche Beschichtungssysteme mittels Thermischen Spritzens und Laserstrahl-Auftragschweißens für den kombinierten Verschleiß- und Korrosionsschutz von Magnesiumlegierungen ermittelt werden. Für thermisch gespritzte Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten haben sich die Beschichtungswerkstoffe Fe30Cr13Ni3BC (HVOF) und AlSi20 (Kaltgas, APS) als geeignet erwiesen, wobei die Verfahren HVOF und Kaltgasspritzen aufgrund der hohen kinetischen Energie Vorteile hinsichtlich der Haftfestigkeit und der für den passiven Korrosionsschutz unerlässlichen niedrigen Porosität zeigten. Bei gleichzeitigem Schutz gegen abrasiven Verschleiß sind allgemein Schichten mit hoher Härte, die keine spröden Phasen beinhalten oder die fest in der Matrix verankert sind, sinnvoll. Laserstrahl-Auftraggeschweißte Schichten sind verfahrensbedingt dicht und festhaftend, wenn eine metallurgische Bindung zwischen Substrat- und Beschichtungswerkstoff möglich ist, daher sind LA Schichten grundsätzlich als Korrosionsschutzschichten geeignet. Der absolut höchste Widerstand gegen abrasiven Verschleiß konnte mit der LA-Schicht Fe16Cr2Ni0,2C erreicht werden, wobei jedoch ein angepasster Bondcoat eingesetzt werden muss. Die Kombination von TS und LA (Laserumschmelzen) konnte an Fe-Basis und AlSi20 Schichten gezeigt werden. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung der Korrosions- und Verschleißschutzeigenschaften gegenüber TS-Schichten, jedoch konnten die Eigenschaften von LA-Schichten nicht erreicht werden. Dieses Verfahren eignet sich für die lokale Verbesserung der Oberflächeneigenschaften. Bei stoßender Belastung konnten in Abhängigkeit des Schichtsystems ein Versagen des Verbundes im Interface zwischen Schicht und Substrat, bzw. bei Mehrschichtsystemen auch zwischen den Schichtlagen, plastische Verformungen, Oberflächenzerrüttung und Ermüdung beobachtet werden. Das Versagen des Verbundes liegt dabei an den unterschiedlichen Haftmechanismen bei TS und LA. Sonstige Schädigungen bei stoßender Belastung sind in den Materialeigenschaften des Schichtwerkstoffs zu suchen. Schichten aus AlSi20 werden z.B. aufgrund ihrer geringen Härte und hohen Duktilität plastisch verformt, Fe-Basis- Schichten als eher hart-spröde Werkstoffe verschleißen durch Oberflächenzerrüttung und Ermüdung des Werkstoffs. Bei konstanter thermischer Belastung ab 200 °C bilden Al-haltige Schichten (TS und LA) mit Mg-Substraten, intermetallische Phasen im Interface aus, die langfristig zur Delamination der Schicht führen. Dieser Effekt kann durch Vorhandensein von Seltenen Erden im Substrat vermindert werden. Das Versagen bei Thermo-Schock Behandlungen liegt zum einen in der Haftfestigkeit der Schicht auf dem Substrat begründet und zum anderen in den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Schicht- und Substratwerkstoffs. Bei Auswahl eines Schichtwerkstoffs mit ähnlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten wird die Thermo-Schock-Beständigkeit gesteigert werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Improving Wear and Corrosion of Magnesium Alloys through a Combination of Thermal Spraying and Laser Cladding, International Thermal Spray Conference, Maastricht, the Netherlands, 2008
Biermann, T.; Weisheit, A.; Bobzin, K.; Zwick, J.; Ernst, F.; Richardt, K.
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Erzeugung von Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten auf Magnesium- und Aluminiumlegierungen mittels Laserstrahl-Auftragschweißen, Clausthaler Leichtmetallkonferenz 2009, Clausthal, Germany, 2009
Biermann, T.; Burbaum, B.; Weisheit, A.; Wissenbach, K.; Kelbassa, I.
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Laser Cladding and Thermal Spraying: Actual Work on Improving Wear and Corrosion Resistance of Magnesium Alloys, 8th International Conference on Magnesium Alloys and their Applications, Weimar, Germany, 2009
Biermann, T.; Weisheit, A.; Kelbassa, I.; Bobzin, K.; Schläfer, T.; Warda, T.; Richardt, K.
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Impact of different Coating Systems on Corrosion and Wear Resistance Generated by Laser Cladding, 9th International Conference on Magnesium Alloys and their Applications, Vancouver, Canada, 2012
Rolink, G.; Weisheit, A.; Wissenbach, K.; Schulz, C.; Bobzin, K.; Kopp, N.; Warda, T.
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Investigation of Wear and Corrosion Protection of AlSi20 Coatings Produced by Plasma Spraying and Laser Cladding on AZ31B, proceeding of International Thermal Spray Conference, Houston 21.-24.05.2012, 2012
Bobzin, K.; Kopp, N.; Warda, T.; Schulz, C.; Rolink, G.; Weisheit, A.
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Investigation of Wear and Corrosion Protection of AlSi20 Coatings Produced by Plasma Spraying and Laser Cladding on AZ31B, Journal of Thermal Spray Technology, 2013
Bobzin, K.; Kopp, N.; Warda, T.; Schulz; C., Rolink, G.; Weisheit, A.
