Konturgenaue Bauteilbeschichtung für den Verschleißschutz mittels atmosphärischen Plasmaspritzens und Lichtbogenspritzens

Abstract

Abstract The Thermal Spray Technology has been an established method for the production of wear- and corrosion-resistant coatings on large even or radially symmetrically components. However, in recent years the number of complex or freeformed components to be coated has increased significantly. To achieve high quality coatings on these components all relevant parameters such as the process variables, the handling of the spray torch and the dynamic of the coating robot need to be taken into consideration carefully. The present work focuses on this problem by developing concepts for spraying near-net-shape, high quality coatings on arbitrary-formed components by means of the Thermal Spray Processes Atmospheric Plasma Spraying and Twin Wire Arc Spraying with metal matrix composite feedstocks. At first, process parameter studies are introduced, which are utilized in order to produce coatings with a dense and homogenous microstructure, a smooth surface, a good adhesion and cohesion, as well as a low thermal degradation of the carbides. The coating quality is evaluated by means of various microstructural and topographical coating characteristics. Afterwards, the most significant influencing parameters during the coating of complex components are identified and commonalities as well as fundamental differences between the two spraying processes are worked out. Furthermore, empirical models are set up in order to describe the deposition rate as a function of the various handling parameters. Finally, the knowledge gained by these studies is applied to coat various geometrical demonstrator components as well as a actual forming tool. These experiments demonstrate the assets and drawbacks of different path strategies as well as the possibilities of component coatings.

Die Thermische Spritztechnik ist seit vielen Jahren ein etabliertes Verfahren zur Herstellung von Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten auf großflächigen ebenen oder radialsymmetrischen Bauteilen. In jüngster Zeit werden zudem vermehrt Bauteile mit einer komplexen oder sogar freigeformten Kontur beschichtet. Auf diesen Bauteilen lässt sich ein gutes Beschichtungsergebnis nur unter Berücksichtigung aller relevanten Einflußgrößen im Spritzprozess wie der Prozessparameter, der Handhabung der Spritzpistole und der Dynamik des Beschichtungsroboters erzielen. Die vorliegende Arbeit greift diese Problematik auf. Für die Thermischen Spritzprozesse Atmosphärisches Plasmaspritzen und Lichtbogenspritzen wird ein ganzheitliches Konzept zur Herstellung endkonturnaher, hochqualitativer Beschichtungen auf beliebig geformten Bauteiloberflächen unter Einsatz karbidischer Spritzzusätze für den Verschleißschutz entwickelt. Zunächst werden Prozessparameterstudien zur Herstellung von Spritzschichten mit einer dichten und homogenen Morphologie, einer glatten Topographie, einer guten adhäsiven und kohäsiven Schichthaftung sowie einer geringen thermischen Zersetzung der Karbide vorgestellt. Die Schichtqualität wird dabei anhand verschiedener mikrostruktureller und topographischer Eigenschaften der Beschichtung bewertet. Anschließend werden die signifikanten Einflussgrößen bei der Beschichtung komplexer Bauteile ermittelt und Gemeinsamkeiten sowie grundlegende Unterschiede zwischen den Spritzverfahren herausgearbeitet. Zudem werden empirische Modelle zur Vorhersage von Auftragsraten bei Variation der Handhabungsparameter aufgestellt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend gezielt genutzt, um mit dem Lichtbogenspritzprozess verschiedene regelgeometrische Demonstratorbauteile sowie ein realesWerkzeug für die Umformtechnik endkonturnah zu beschichten. Hierbei zeigen sich die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Bahnstrategien sowie die grundsätzlichen Möglichkeiten der Bauteilbeschichtung.