Simulationsunterstützte Auslegung von Lottapearchitekturen für das Auftraglöten von Verschleißschutzschichten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin; Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 560886376

Jährlich entstehen durch Verschleiß hohe Energieverluste, CO2-Emissionen und direkte Kosten in Milliardenhöhe. Ein effektiver Verschleißschutz ist folglich ein Schlüssel zur Nachhaltigkeit bzw. der Emissionsreduzierung wie auch der Ressourcenschonung. Eine effiziente und etablierte Technologie zum Herstellen von Verschleißschutzschichten, beispielsweise für Turbinen, Verdichter oder in der Landwirtschaft, stellt das Auftraglöten mittels Lottapes dar. Bei diesem einfachen Beschichtungsverfahren können bis zu s = 4 mm dicke Verbundschichten aus Hartstoffpartikeln und einer Metallmatrix auf der zu schützenden Bauteiloberfläche aufgetragen werden. Problematisch sind jedoch die auftretenden und bisher nur unzureichend erforschten mikro- und makroskopischen Eigenspannungen wie auch die Eigenschaftssprünge zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung, welche mitunter zu einem Versagen der Beschichtung bzw. des Bauteils führen können. Aus diesem Grund ist der Einsatz dieses Verfahrens bisher auf Werkstoffe mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie etwa ferritische Stähle begrenzt. Neben dieser technischen Motivation ist die Erforschung des Auftraglötens durch eine mögliche Substitution von Kobalt-gebundenen WC Hartmetallen aufgrund des zunehmenden toxikologischen Bedenkens und auch hinsichtlich einer reduzierten Nutzung der strategisch wichtigen Metalle Wolfram und Kobalt motiviert. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines effektiven numerischen Modells zur Berechnung der makro- und mikroskopischen Eigenspannungen, die hierauf basierende Auslegung von karbidhaltigen auftraggelöteten Verschleißschutzschichten wie auch die Verifikation des Modells anhand realer auftraggelöteter Verschleißschutzschichten. Zur Erreichung der Zielsetzung werden in einem ersten Schritt das thermische Verhalten der Verschleißschutzschicht und des Grund-werkstoffes hinsichtlich Wärmeausdehnung und Phasenübergänge und auch Werkstoffkennwerte, wie etwa E Modul und Härte in Abhängigkeit von der Temperatur für die numerische Modellierung ermittelt. In einem zweiten Schritt sollen Referenzschichten auf ferritischem Grundwerkstoff auftraggelötet werden und eingehend hinsichtlich der Eigenschaften und insbesondere der Eigenspannungen charakterisiert werden. Auf Basis dieser Arbeiten kann in einem weiteren Schritt ein mikromechanisches Modell aufgestellt werden, welches zur Auslegung und Herstellung neuer Verschleißschutzschichten mit reduzierten Eigenspannungen und Eigenschaftssprüngen herangezogen wird. In einem letzten Schritt werden diese neu ausgelegten Schichten auf Stahl mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizient aufgebracht und anschließend hinsichtlich der Eigenschaften und der Eigenspannungen detailliert untersucht, um hierdurch das erarbeitete mikro-mechanische Modell zu validieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen