Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Weiterentwicklung thermisch gespritzter Schichten im System Al2O3-TiO2

 

Werkstoffe aus dem System Al2O3-TiO2 nehmen auf den Gebieten der Keramik und der Oberflächentechnik eine besondere Stellung ein. Neben ihren unikalen Eigenschaften sind sie besonders umweltfreundlich und kostengünstig, da die Komponenten von den natürlichen Vorkommen her praktisch unbegrenzt und strategisch unkritisch verfügbar sind. Thermisch gespritzte Schichten verschiedener Zusammensetzungen werden bereits seit mehr als fünfzig Jahren mit sehr unterschiedlichen Anforderungsprofilen eingesetzt. In Abhängigkeit vom Verfahren der Pulverherstellung und von der Verwendung unterschiedlicher Spritzprozesse kommt es bis jetzt zu noch nicht kontrollierten Werkstoffveränderungen, wie Unterstöchiometrie, Bildung und Zerfall der Verbindung Aluminiumtitanat (Al2TiO5), deren Einfluss auf die Schichteigenschaften nur stark eingeschränkt bekannt ist.

Ziel des Projektes ist die wissensbasierte Weiterentwicklung von thermisch gespritzten Schichten des Systems Al2O3-TiO2. Die Ergebnisse des Projektes führen zu Verbesserungen der Beschichtungspulverspezifikationen. Diese ermöglichen zusammen mit den optimierten robusten Parametern der Spritzprozesse die Herstellung von Schichten mit verbesserten sowie besser definierten mechanischen, tribologischen, elektrischen, wärmephysikalischen und Korrosionseigenschaften im Vergleich zum Stand der Technik. Dadurch werden Schwankungen in der Schichtqualität beseitigt und somit die Ausfallsicherheit von beschichteten Komponenten erhöht. Dies führt zur Verringerung von Ausfallzeiten von Maschinen und Anlagen sowie von Reklamationen. Neue Anwendungsfelder, wie die Substitution von Cr2O3-Schichten, z.B. auf Druckwalzen können durch die neuen Schichtqualitäten erschlossen werden. Der potentielle Nutzerkreis der angestrebten Forschungsergebnisse sind somit die im Gebiet der Oberflächentechnologie „Thermisches Spritzen“ tätigen KMU (Pulverhersteller und Lohnbeschichter), sowie die Anwender der thermisch gespritzten Beschichtungslösungen.

Ergebniszusammenfassung:

Das durch Projekt generierte neue Basiswissen ermöglicht eine ausgeweitete Verwendung von Werkstoffen aus dem System Al2O3-TiO2 als umweltfreundliches und kostengünstiges Stoffsystem, dies ist ein wesentlicher Faktor für eine nachhaltig verbesserte Ressourceneffizienz. So konnte ein wichtiger Beitrag bezüglich wirtschaftlicher Effektivität sowie der Erfüllung gesetzlicher Auflagen im Bereich Gesundheits-, Arbeits- und Umweltschutz geleistet werden. Es wurden alle auf dem europäischen Markt gängigen Zusammensetzungen und Strukturen kommerzieller Pulver aus dem System Al2O3-TiO2 erfasst. Zusammensetzung als auch Struktur der Pulver beeinflussen nicht nur die Schichteigenschaften, sondern auch die Wirtschaftlichkeit des Beschichtungsprozesses. Dies gibt den Lohnbeschichtern die Möglichkeit die aktuellen Produktionsprozesse zu optimieren und durch das jetzt bekannte Eigenschaftsprofil den Schichtwerkstoff für neue Anwendung zielgerichtet auszuwählen. Mittelfristig wird dies dazu führen, dass die Pulverspezifikationen verbessert werden. So können mit der Kontrolle der Werkstoffzusammensetzungen und -veränderungen erhebliche Verbesserungen bestehender Produkte erreicht werden, die durch KMU als Beschichtungsdienstleistung hergestellt und auf dem Markt angeboten werden. Für eine Substitution von Cr2O3-Schichten auf sehr anspruchsvollen Anwendungen, z.B. auf Druckwalzen, ist noch eine weitergehende Arbeit zu leisten.

Das Projekt hatte einen interdisziplinären und branchenübergreifenden Charakter mit einer engen Verbindung zwischen Oberflächentechnik und Keramik. Diese erfolgte auch durch die Kooperation Forschungsvereinigung des Deutschen Verbandes für Schweißtechnik (DVS) mit der Forschungsvereinigung der Deutschen Keramischen Gesellschaft (DKG). Auf der Basis der Projektergebnisse werden aktuell die Entwicklungen neuer Keramiken als auch mögliche Substitutionen durch Schichten bei großen Bauteilen diskutiert.