Modifikation und Qualifizierung einer innovativen Triplex-Plasmaspritzanlage mit stabilem Plasmajet zum Verarbeiten flüssiger, draht- und pulverförmiger Zusatzwerkstoffe in Atmosphäre zum Erzeugen von Hochleistungsbeschichtungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im 2. Bearbeitungszeitraum dieses Projekts wurde die Drallbehaftung des Triplex-II-Dreikathoden- Plasmasystems und die spritztechnische Verarbeitung von drahtfÖrmigem Titan unter Atmosphärenbedingung bei Verwendung eines Shrouds untersucht. Die Drallbehaftung der Plasmaflamme konnte durch eine spektrometrische Tomografie verifiziert werden. Aufgrund der beobachtbaren radialen Inhomogenität der Plasmaflamme wurde gefolgert, dass der Eindüsungswinkel, unter dem der Spritzwerkstoff in die Plasmaflamme injiziert wird, auf die Aufwärmbedingungen und die Verweildauer und somit einen Einfluss auf das Schichtergebnis nimmt. Nach der Auswertung von Beschichtungsversuchen hat sich gezeigt, dass der Eindüsimgswinkel bei metallischen Werkstoffen, wie z.B. Ni20Cr und 316L, sowie auch oxidkeramischen Werkstoffen, wie AI2O3 und CraOs, einen deutlichen Einfluss auf den Auftragwirkungsgrad besitzt. Insbesondere bei den metallischen Werkstoffen lassen sich bei den verschiedenen Injektionswirüieln deutUche Auftragwirkungsgradänderungen beobachten. Es konnte hier jedoch keine Abhängigkeit der Porosität sowohl vom Eindüsungswinkel als auch dem Spritzabstand nachgewiesen werden. Durch die Modifikation des wassergekühlten Shroudaufsatzes aus dem ersten Projektzeitraum mit integrierten Drahtinjektoren sowie wirbelfÖrmiger Inertgaseindüsung imd der modifizierten DrahtfÖrdereinheit kann nun Titandraht mit einem Durchmesser > 0,8 mm durch Plasmaspritzen verarbeitet werden. Besonders die wirbelformige Inertgaseindüsung des Shroudgases soll eine verbesserte Durchmischung des Shroudgases mit dem Plasmastrahl und somit mit den schmelzflüssigen Spritzpartikeln des Titans hinsichtlich der Erzeugung von Ti-/TiN-Schichtsystemen mit sich bringen. Mit Stickstoff als Shroudgas zeigen die erzeugten Schichtsysteme in der Mikrohärte ähnliche Werte wie die der Proben aus dem ersten Berichtszeitraum. Die Werte liegen zwischen 700 und 1200 HV 0,1 an den gemessenen Phasen, die durch ihre im Rasterelektronenmikroskop wesentlich dunklere Färbung erkennbar sind. Diese eingebetten Phasen lassen auf einen höheren Stickstoffanteil von ca. 45 Atom-% schließen. Durch die Verarbeitung von Titandraht mit einem Durchmesser von 0,8 mm konnte die Oberflächenrauheit der erzeugten Schichten nicht wesentlich verbessert werden. Die Rauhigkeit liegt im Mittel bei Ra>70nm. Die Untersuchungen zur Korrosionsbeständigkeit der erzeugten Ti- sowie Ti/TiN-Schichten weisen durchschnittlich eine geringe Dichtigkeit der Schichten auf. So stellt sich bereits nach 2 Zyklen im Salzsprühnebeltest starke Unterkorrosion der Substrate ein. Der Vergleich der Verschleißfestigkeit an den erzeugten Schichten zeigt, dass die Ti/TiN-Schichten eine ca. um den Faktor 2 bessere Verschleißrate aufweisen wie Ti-Schichten, die mit Argon als Shroudgas erzeugt wurden. Die ermittelten Haftzugfestigkeiten der Ti- sowie Ti/N-Schichten mit kleinerem Durchmesser des Titandrahtes liegen im Mittel bei ca. 50 MPa. An den erzeugten Titanschichten auf Edelstahlsubstraten (X 5CrNi 18-10) wurde eine Diffusionszone festgestellt. Diese Diffusionszone weist eine Dicke von 1-1,5 \xm im Querschliff auf. EDX-Analysen an diesen Übergangszonen zeigen, dass sich die unterschiedlichen Elemente in diesem Bereich mischen. Die Ergebnisse aus der Entwicklung des hier vorgestellten Schutz- und Aktivgasshroud- Spritzverfahrens können in zukünftigen Untersuchungen auch auf die Verarbeitung von anderen zersetzungs- imd oxidationsempfindlichen Werkstoffen wie anderer Refraktärmetalle oder Hydroxylapatit übertragen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Bach, Fr.-W.; Möhwald, K.; Kolar, D.; Drößler, B.: Untersuchung zur Spritzwerkstoffeinbringung beim Dreikathoden-Plasmaspritzprozess. In: Tagungsband zum 10. Werkstofftechnischen Kolloquium, TU Chemnitz, 2007, Chemnitz.
