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Geometrisch bestimmte Ober­flächen­strukturierung zur formschlüssigen Anbindung thermisch gespritzter Schichten

Die Beschichtung von Bauteilen setzt eine adäquate Vorbehandlung der Substratoberfläche voraus. Für das thermische Spritzen hat sich das Strahlen mit Korund als Vorbehandlungsverfahren in der in­dus­tri­el­len Anwendung etabliert. Dieses Ver­fah­ren ist neben einer vergleichsweise langen Prozesszeit dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Spezialmaschinen für die Substrat­vorbehandlung er­for­der­lich sind.

Als Alternative zum konventionellen Strahlen wurde in diesem durch die Deutsche Forschungs­gemein­schaft (DFG) ge­för­der­ten For­schungs­pro­jekt (Projektnummer 380444554) am Institut für Spanende Fertigung (ISF) der TU Dort­mund und am Institut für Werkstoffkunde (IW) der Leibniz Uni­ver­si­tät Hannover eine in­no­va­ti­ve Verfahrenskombination ent­wickelt, die eine formschlüssige Anbindung thermisch gespritzter Schichten an Substrate er­mög­licht. Durch die geschickte Applikation der Ver­fah­ren Rändelfräsen und Festwalzen ist es ge­lungen, reproduzierbare Oberflächentopologien zu generieren, die Hinterschneidungen in Relation zur Rändelteilung und ver­wen­de­ten Festwalzstrategie und -kraft aufwiesen. Im Speziellen erfolgte dabei nach Erzeugung der geforderten Außengeometrie zylindrischer Werkstücke in derselben Einspannung zu­nächst mit­hil­fe einer Rändelfräs­bearbeitung die Fertigung einer sich periodisch wiederholende Zahntopologie (Rändelung). Im Anschluss daran wurde diese Rändelung in ei­nem vierstufigen, mechanischen Festwalzprozess derart umgewalzt, dass sich dabei weitestgehend symmetrisch ausgeprägte Hinterschneidungen ausbildeten. Durch ein nachgelagertes, hydrostatisches Festwalzen der thermisch aufgebrachten, formschlüssig an das Substrat angebundenen NiCr8020-Beschichtung ließ sich eine zusätzliche Steigerung der Schichthaftung realisieren.

Die Abbildung zeigt eine exemplarische Darstellung aus­ge­wähl­ter Er­geb­nisse von Versuchen, bei denen pyramidenförmige Kreuzrändelungen mit der Sonderteilung von uR = 0,1 mm umgewalzt und an­schlie­ßend mittels atmosphärischem Plasmaspritzen (APS) beschichtet wurden. Während die Verfahrenskombination bereits ohne ein nachträgliches Festwalzen der NiCr8020-Schicht Haftzugfestigkeitswerte im Bereich konventionell vorbearbeiteter Substrate ermöglichte, wies der zusätzlich hydrostatisch festgewalzte Schichtverbund eine, verglichen mit der Referenz, um 24 % gesteigerte Haftzugfestigkeit auf.

© ISF
REM-Aufnahmen und Haftzugfestigkeitswerte verschieden vor- und nachbearbeiteter Substrate

Ergänzend durchgeführte, metallographische Analysen der geprüften Haftzug-festigkeitsproben haben des Weiteren aufgezeigt, dass bei den mit der Verfahrenskombination vorbearbeiteten Substraten ein ausgeprägtes Mischbruchverhalten mit gesteigertem Anteil adhäsiven Schichtversagens vorliegt. Bedingt durch die mit dem Umwalzen der Rändelung einhergehende Oberflächenglättung ist eine verminderte Anbindung der Beschichtung an die entstandenen Plateaus zwischen den Hinterschneidungen erkennbar. Zukünftige Untersuchungen sollen daher nun darauf abzielen, durch zusätzliches Aufrauen der Plateaus mittels Microfinishen oder Bürsten eine verbesserte Schichtanbindung an diese zu realisieren und die Haftzugfestigkeit nochmals zu steigern.

Ein Ein­satz der durch die aufgeführte Verfahrenskombination generierten Schichtsysteme im Bereich der Verschleißschutzschichten (Motorenbau) wäre durchaus vorteilhaft. Weiterhin ist aufgrund der mit dem Festwalzen der Beschichtung einhergehenden Oberflächenglättung ein Ein­satz des Schicht­systems im Bereich von Funktionsflächen denkbar.

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Die Ein­rich­tun­gen der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund verteilen sich auf den größeren Campus Nord und den kleineren Campus Süd. Zudem befinden sich einige Bereiche der Hoch­schu­le im angrenzenden Technologiepark. Genauere In­for­ma­ti­onen kön­nen Sie den Lageplänen entnehmen.

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