Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung thermisch gespritzter Fe-Basis-Beschichtungen für Pumpenbauteile komplexer Geometrie

Die Wirksamkeit thermisch gespritzter Beschichtungen hängt stark von der Architektur und der Morphologie der Beschichtung ab. Diese werden in einem hohen Maße von den Prozessparametern bestimmt. Pumpenbauteile sind oft komplex gestaltet, sodass lokal oftmals keine optimalen Prozessparameter realisiert werden können. Das Projekt hat das Ziel, den Einfluss von Prozessparametern wie z.B. Spritzwinkel und Spritzabstand auf die Eigenschaft der Beschichtung insbesondere im „Off-Design“ Punkt, der außerhalb des eigentlichen Auslegungspunkts liegt, zu untersuchen. Somit wird zum einen eine Korrelation zwischen der Schichteigenschaft und den an Pumpenbauteilen umsetzbaren Prozessparametern hergestellt und zum anderen die Robustheit der thermisch gespritzten Beschichtung für Pumpenbauteile verbessert. Zum Erreichen dieser Ziele werden zwei für Pumpenbauteile relevante Grundwerkstoffe, ein Gusswerkstoff EN-GJL-250 (als Schwerpunkt) und ein Duplexstahl 1.4462 betrachtet. Für diese Grundwerkstoffe werden entsprechend der typischen Belastungsprofile von Pumpenbauteilen neuartige Beschichtungssysteme ausgelegt und anwendungsnah getestet. Durch Veränderung der Parameter werden Beschichtungen mit simulierten Übergangszonen und darüber hinaus Beschichtungen an Proben mit komplexer Geometrie bzw. Demonstratorbauteilen hergestellt. Die Beschichtungen werden in interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen den Forschungsstellen hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, Porosität und Härte charakterisiert und ihr Korrosions-, Verschleiß- und Ermüdungsverhalten untersucht. Durch eine erfolgreiche Bearbeitung dieses Vorhabens kann ein innovativer Beitrag zur Weiterentwicklung von Produkten in den Bereichen Pumpenbau und Thermisches Spritzen geleistet werden. Zusätzlich dazu können komplexe Bauteile anderer Maschinen- und Anlagenkomponenten branchenübergreifend auf Basis der neuen Erkenntnisse zur Erhöhung der Lebensdauer und Effizienz mittels Thermischen Spritzens beschichtet werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurden Fe-basierte Schichtsysteme FeCrMnBC, FeCrBC und TiC/Fe für den Gusswerkstoff EN-GJL-250 und das Schichtsystem WC-10Co-4C für Duplexstahl 1.4462 mittels HVOF- sowie HVAF-Verfahren entwickelt und untersucht. Auf Basis der Prozessentwicklung wurde die Prozessvariation zur Simulation der Beschichtung von Bauteilen mit komplexer Geometrie durchgeführt. Die optimierten Fe-basierten Beschichtungen weisen eine geringe Porosität von p < 2 % und eine hohe Härte von HV0,1 > 700 auf. Die Beschichtung aus WC-10Co-4Cr besitzt ebenfalls eine geringe Porosität von p < 2 % und eine hohe Härte von HV0,1 > 1.300. Die Schichtdicke nahm mit sinkendem Brenneranstellwinkel ab. Die bei einem Brenneranstellwinkel von 45° hergestellten Beschichtungen besitzen jedoch weiterhin eine geringe Porosität und hohe Härte. Die Beschichtungen wurden in Bezug auf ihr Korrosions-, Abrasions-, Ermüdungs- und Erosions-Korrosionsverhalten im Detail untersucht. Ausgewählte Beschichtungen (FeCrMnBC, FeCrBC und WC-10Co-4Cr) wurden anwendungsrelevant untersucht, in dem die hoch beanspruchten Schaufelradoberseiten von unterschiedlichen Pumpenlaufrädern beschichtet worden sind und im Erosions-Korrosionsversuch in einem Pumpendemonstrator charakterisiert wurden. Abschließend wurden die Beschichtungen, als auch der unbeschichtete Grundwerkstoff, in einen mit radial geführten Druckstutzen ausgestatteten Gliedergehäusepumpenprüfstand mit acht Stufen untersucht. Die mittels HVOF hergestellten FeCrMnBC-Beschichtungen und die mittels HVAF hergestellten FeCrBC-Beschichtungen weisen im Vergleich zum unbeschichteten Gusseisen EN-GJL-250 eine deutlich höhere Erosionsbeständigkeit auf und lassen ein großes Potenzial zum Schutz von Pumpenbauteilen aus Gusseisen erkennen.