Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Spinellschichten für Hochtemperaturanwendungen

Thermisch gespritzte Beschichtungslösungen werden im weiten Umfang in nahezu allen Bereichen der Technik, darunter in vielen Hochtemperaturanwendungen eingesetzt. Die Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten ist eng mit der Entwicklung neuer Werkstoffe für extreme Einsatzbedingungen verbunden. Häufig wird jedoch das Potential von ursprünglich empirisch entwickelten und bereits verfügbaren Werkstoffe nur in Ansätzen ausgenutzt. Dazu gehört die Werkstoffgruppe der Spinelle. Viele Vertreter zeichnen sich durch eine hohe thermodynamische Stabilität aus und gehören zu den klassischen keramischen Schutzphasen. Der bekannteste Vertreter ist MgAl2O4 (gleichzeitig Namensgeber für die gesamte Werkstoffgruppe), welcher als Keramik umfangreiche Anwendungen, auch bei hohen Temperaturen, besitzt. Er wird aber bis heute vergleichsweise selten für die Herstellung thermisch gespritzter Schichten verwendet. Zu den großen Vorteilen gehört die Phasenstabilität beim Spritzprozess.

Ziel des Projektes ist die wissensbasierte Entwicklung von dichten thermisch gespritzten Schichten aus Spinellen für Hochtemperaturanwendungen. Für die Arbeiten wurden MgAl2O4 und FeAl2O4 ausgewählt, da sie aus Stoffen bestehen, die praktisch unbegrenzt und von den natürlichen Vorkommen her strategisch unkritisch verfügbar sind. Diese Spinelle sind durch hohe Schmelzpunkte und kongruentes Schmelzen für die Herstellung thermisch gespritzter Schichten besonders geeignet. Sie sind darüber hinaus umweltfreundliche und kostengünstige Werkstoffe. 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. Vielversprechende Anwendungen finden sich beispielsweise in der Stahlindustrie durch die hohe Resistenz gegenüber Metallschmelzen und Schlacken oder als chemisch hochstabile Ofen- und Reaktorauskleidungen.

Ergebniszusammenfassung:

Die grundlegenden Forschungsziele des Projektes wurden erreicht:

• Im Vorhaben wurden eine Vielzahl von Beschichtungspulvern über den gesamten Zusammensetzungsbereich MgO-Al2O3 entwickelt. Mehrere experimentelle Pulver wurden von Firmen aus dem PA bereitgestellt. Die Herstellung einer Zusammensetzung mit TiO2-Zugabe erfolgte auf Basis der Erkenntnisse aus der Sinterkörperentwicklung. Alle Pulver wurden charakterisiert und spritztechnisch verarbeitet.

• Die Korrelation zwischen Pulver- und Schichteigenschaften in Abhängigkeit von den Spritzparametern wurde für ein praxisrelevantes APS-Verfahren durchgeführt.

• Schichten aus dem Pulver mit Zugabe von TiO2 eignen sich besonders bei tribologischen und korrosiven Belastungen.

• Die Herstellung von FeAl2O4-Pulver, FeAl2O4-Keramik und Al2O3/FeAl2O4-Keramik wurde realisiert. Reine FeAl2O4-Keramik bedarf aufgrund der thermischen Instabilität (Zerfall < 1540 °C) einen Entwicklungsbedarf über das Projekt hinaus.

• Auf Grundlage der im Projekt vorgenommenen umfangreichen Schichtcharakterisierung ist eine Datenbasis für die verschiedenen Spritzpulver (Spritzparameter, Schichteigenschaften) erstellt worden, die als Handlungshilfe zur Prüfung des Einsatzes von Spinellschichten in bestehenden und neuen Anwendungen bei Beschichtungsdienstleistern dient.

• Thermozyklierversuche und Abschrecktests mit einer Variation der Abkühlgeschwindigkeit und einer maximalen Temperatur von 950 °C ergaben, dass die Spinellschichten prinzipiell für den Hochtemperatureinsatz geeignet sind. MgO-reiche Schichten bieten hier auf Grund des hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten des MgO zumindest bei gleichzeitiger Abkühlung von Substrat und Schicht Vorteile. Allerdings müssen Mehrlagenschichtsysteme mit angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten eingesetzt werden.