Bewertung lokaler Eigenspannungsverteilungen bei der lokalen Bauteilreparatur durch Kaltgasspritzen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Gibmeier; Professor Dr. Robert Vaßen
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452606919

Kaltgasspritzen ist ein etabliertes Verfahren zum Beschichten von Substraten mit artgleichen und artfremden Materialien. Dabei werden feste Materialpartikel mit hohen Geschwindigkeiten unter Verwendung eines Prozessgases, das unter hohem Druck auf Temperaturen zwischen 373 bis über 1200 K aufgeheizt wird, auf ein Substrat beschleunigt. Die Abscheidung des Materials auf dem Substrat erfolgt durch die Bildung einer formschlüssigen Verbindung der festen Partikel mit dem Substrat durch starke plastische Deformationen. Zusätzlich erfährt die Partikel-Partikel be-ziehungsweise die Partikel-Substrat Oberfläche eine starke lokale Scherbeanspruchung. In der Folge brechen die dünnen Oxidschichten auf und es kommt auch zur metallurgischen Verbindung der Partikel mit dem Substrat. Durch die hohe Prozessgeschwindigkeit, kann die erzeugte Wärme nicht schnell genug abfließen, was zu lokalen Temperaturerhöhungen führt, die den Prozess weiter fördern (sog. adiabatische Scherinstabilität).Da infolge des Prozesses keine Gefügeänderungen oder Oxidationen auftreten, ist das Verfahren besonders für Reparaturanwendungen geeignet. Vorteilhaft für die Anwendung ist auch, dass über das Kaltgasspritzen zumeist Druckeigenspannungen im Schichtsystem induziert werden. Speziell für Reparaturanwendungen liegen keine gesicherten Ergebnisse vor, welche Geometrien der auszuarbeitenden Kavitäten am besten geeignet sind und inwieweit die Bauteilgeometrie und die Lage der Reparaturstelle im Bauteil die lokalen Eigenspannungsverteilungen und damit auch die mechanische Integrität eines Bauteils beeinflussen. Ziel des Vorhabens ist die Erweiterung des Anwendungsspektrums des Kaltgaspritzens zur Reparatur oberflächennah geschädigter Bauteile aus Inconel 718 durch die Schaffung eines grundlegenden Verständnisses im Hinblick auf Beschichtungsqualität, lokale Gefügeausbildung und die Ausbildung lokaler Eigenspannungsverteilungen im Bereich der Reparaturstelle. Dabei stehen auch die Stabilität von Gefüge und Eigenspannungen im Zuge einer thermischen Beanspruchung und das mit einer lokalen Eigenspannungsrelaxation einhergehende Verzugspotential im Fokus der Untersuchungen. Dies ist u.a. wichtig für die Bewertung des sogenannten 'shake-down' Verhaltens (Einspielverhalten) der Bauteile bei der Inbetriebnahme im Mittel- bzw. Hochtemperaturbereich.Für die Studien werden bewusst praxisrelevante Ersatzgeometrien gewählt, bei denen die lokale Induzierung von Eigenspannungen und deren Veränderung im Verlauf einer globalen statischen oder einer lokalen zyklischen thermischen Beanspruchung eine Wirkung erzielen kann. Als Referenzzustand dient eine hinreichend steife, ebene Platte. Die Bewertung von Beschichtungsqualität und der Stabilität der erzeugten Zustände erfolgt anhand von metallographischen Gefügeanalysen, tomographischen Analysen, lokalen Eigenspannungs-analysen unter Verwendung komplementärer Methoden und der Bestimmung der Bauteilverzüge mittels 3D-Koordinatenmesstechnik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen