Teilprojekt B02 Thermisches Beschichten

Die Verfahren des Thermischen Spritzens werden nahezu ausschließlich in Luftatmosphäre durchgeführt. Zwar kommen Lichtbogendraht- und Pulver-Plasmaspritzprozesse auch in Vakuumverfahren zum Einsatz, womit vergleichsweise dichtere Schichten erzeugt werden können, allerdings findet trotzdem eine Oxidation in den Oberflächen der Schichtbaustelle statt, sodass auch in diesen Fällen keine stoffschlüssigen Grenzflächenübergänge realisiert werden können und daher die Festigkeiten bisher verhältnismäßig gering sind. Vor diesem Hintergrund sowie der langjährigen Erfahrung aus erfolgreichen Vorarbeiten zur flussmittelfreien Benetzung und somit stoffschlüssigen, metallurgischen Anbindung beim Hartlöten in silandotierter Inertgasatmosphäre generiert sich der Forschungsansatz, diese Erkenntnisse aus der Löttechnologie auf das Thermische Spritzen zu übertragen. In silandotierter, XHV-adäquater Atmosphäre sollen durch eine oxid- bzw. passivierungsfreie Benetzung der in die Oberfläche der Schichtbaustelle eintreffenden schmelzflüssigen Spritzpartikel die Grenzflächenspalte derart verringert werden, dass kohäsive Grenzflächenübergänge entstehen, ähnlich der Korngrenzenqualität einer polymorphen Erstarrung, wie z. B. in einer Hartlötverbindung. Die Herausforderung ist dabei, das im Vergleich zur Löttechnik extrem unterschiedliche Temperatur-Zeit-Regime (T(t)-Regime) des Benetzungsvorganges beim Thermischen Spritzen zu beherrschen. Daher stellt sich die zentrale Frage, unter welchen prozesstechnischen Bedingungen die kohäsiv stoffschlüssige Benetzung beim Thermischen Spritzen gelingt. Das zentrale Ziel in Teilprojekt B02 ist folglich, über das Erforschen und Charakterisieren der Wirkzusammenhänge und Wirkmechanismen, der unter normalen sowie gezielt eingestellten T(t)-Regimen in XHV-adäquater Atmosphäre diese Anbindung zu realisieren. Somit lautet die Arbeitshypothese: Bei Lichtbogen- und Plasmaspritzprozessen, die mittels Silandotierung in XHV-adäquater Atmosphäre durchgeführt werden und auf desoxidierte Substratoberflächen metallische oder metall-keramische Schichten applizieren, lassen sich auf der Grundlage der Theorie des metallurgischen Stoffschlusses durch Benetzung die Gefüge- und Haftfestigkeiten der Schichten erheblich steigern und durch die Kenntnis der Wirkzusammenhänge bzw. -mechanismen gezielt einstellen.

Das Beschichtungsergebnis wird hinsichtlich der Qualität der Grenzflächenübergänge im Schichtgefüge und zum Substrat jeweils mit hochauflösenden werkstoffkundlichen Analyseverfahren bewertet (REM, EDX, XRD, FIB-REM, Röntgenmikroskop und Zusammenarbeit mit der Zentralen Analytik, Teilprojekt S01). Die Haftzugfestigkeiten und inneren Gefügefestigkeiten werden mit zerstörenden Prüfmethoden ermittelt. Hierzu wird ein spezifischer, neuartiger Abschertest entwickelt. Hinsichtlich des Erkenntnisgewinns der ersten Förderperiode steht somit in Aussicht, für die Kurzzeitmetallurgie der Schichtbaustelle eine neuartige Grenzflächenqualität zu erzeugen und deren Wirkzusammenhänge beschreiben zu können. Da die oxidfreie Benetzung durch metallische Schmelzen auch in den Teilprojekten A01, A02, A04, A06 und B05 untersucht wird, ist mit diesen Projekten eine enge Zusammenarbeit geplant. Im zweiten Förderzeitraum sollen die erstellten physikalisch-chemischen Modelle experimentell verifiziert und mit statistischer Versuchsplanung systematisch weiterentwickelt werden. Ziel ist es, diese neuen Prozesse im werkstoffkundlichen Ergebnis anhand ausgewählter Werkstoffkombinationen vollständig charakterisieren zu können. Im dritten Förderzeitraum sollen Demonstratorprozesse und -bauteile entwickelt werden, anhand derer die gesamte Prozesskette abgebildet und in ihren Wirkzusammenhängen beschrieben werden kann.