Verschleißschutzschichten mit in-situ und ex-situ Karbiden durch Laserpulverauftragsschweißen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Glatzel
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559986830

Der kombinierte Einsatz von ex-situ Wolframschmelzkarbiden und in-situ erzeugten Titankarbiden bietet großes Potential für laserpulverauftragsgeschweißte Verschleißschutzschichten. Für eine optimierte Verschleißschutzwirkung sind vertiefte Kenntnisse der komplexen Ursache-Wirkungsbeziehungen von Material- Prozess- und resultierenden Schichteigenschaften notwendig. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, die komplexen Mikrostrukturen partikelverstärkter laserpulverauftragsgeschweißter Verschleißschutzschichten auf Nickelbasis in Korrelation mit den sich ergebenen mechanischen und tribologischen Schichteigenschaften zu analysieren. Als Substrat werden Platten aus nichtrostendem Stahl 1.4301 verwendet, da diese ähnliche Wärmeausdehnungseigenschaften aufweisen wie die Ni-Basis Beschichtung und gleichzeitig vergleichsweise kostengünstig sind. Es wird erforscht, inwiefern nach der Parameteroptimierung eine Beschichtung mit kombiniertem Karbideinsatz sinnvoll für die erzielbare Verschleißschutzwirkung ist. Zunächst werden durch Vakuum-Inertgas-Verdüsung von Fülldrähten geeignete sphärische Pulver mit Wolframschmelzkarbiden hergestellt und charakterisiert. Durch Laserpulverauftragsschweißen werden partikelverstärkte Beschichtungen appliziert, die zusätzlich Titankarbide enthalten. Durch eine Parameterstudie zur Beschichtung, sowie Mikroanalytik der Ausgangsmaterialien, verdüsten Pulver und applizierten Verschleißschutzschichten, werden entscheidende Material- und Prozessparameter identifiziert und angepasst. Nach der jeweiligen metallografischen Präparation werden die Mikrostrukturen mittels Rasterelektronenmikroskop erfasst und anhand von energiedispersiver Röntgenspektroskopie die Elementverteilungen bewertet. Die homogene, gut angebundene Partikelverteilung möglichst feindisperser, sphärischer Karbide ist eine wichtige Voraussetzung für einen optimierten Verschleißschutz. Chemische Zusammensetzungen werden mittels Mikroröntgenfluoreszenzanalyse und gebildete Phasen mittels Röntgenbeugungsanalyse untersucht. Das Anbindungs- und Auflösungsverhalten der kombinierten Karbide und Wechsel-wirkungen zwischen den Schichtbestandteilen wird abgeleitet. Das mechanische Verhalten wird anhand der Martenshärte bewertet und die Verschleißschutzwirkung durch Pin-on-disc Tribometertests überprüft. Die experimentelle Arbeit wird durch Modellierung der Diffusions-vorgänge an der Grenzfläche Karbiden/Matrix ergänzt. Insgesamt werden die Erkenntnisse aus diesem Forschungsvorhaben zur optimierten Entwicklung partikelverstärkter Verschleißschutz-schichten mit Anwendung von kombinierten ex-situ und in-situ Karbiden beitragen. Unabhängig vom Wirtschaftszweig bieten optimierte Verschleißschutzschichten höhere Betriebssicherheiten, längere Lebensdauern und effizienten Materialeinsatz, was zur Qualität und Nachhaltigkeit der Gesamtsysteme entscheidend beiträgt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen