Entwicklung thermisch gespritzter Fe-Basis-Beschichtungen für Pumpenbauteile komplexer Geometrie
Förderinstitution: AiF/IGF-Vorhaben
Projektnummer: IGF-Vorhaben Nr. 18965 N
Laufzeit: 01.02.2017 – 31.07.2019
Kurzdarstellung
Das Ziel des Forschungsvorhabens war die Erarbeitung von grundlegenden Erkenntnissen über den Einfluss der Prozessvariation auf die Eigenschaften der thermisch gespritzten Beschichtungen auf komplexen Bauteilen unter anwendungsnahen Beanspruchungskollektiven, um insbesondere das Potenzial von neuartigen Fe-basierten Beschichtungen und ihre Grenzen im Hinblick auf den Verschleiß- und Korrosionsschutz für komplexe, reale Pumpenbauteile aufzuzeigen. Im Rahmen des Projekts wurden zwei für Pumpenbauteile relevante Grundwerkstoffe, Gusswerkstoff EN-GJL-250 und Duplexstahl 1.4462 verwendet. Für den Gusswerkstoff EN-GJL-250 wurden Fe-basierte Schichtsysteme FeCrMnBC, FeCrBC und TiC/Fe mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen mit Sauerstoff (High Velocity Oxygen Fuel) HVOF sowie mit Hochgeschwindigkeitsflammspritzen mit Druckluft (High Velocity Air Fuel) HVAF entwickelt und erforscht. Für den Duplexstahl 1.4462 wurde das HVOF-gespritzte Schichtsystem WC-10Co-4Cr verwendet und untersucht. Bei jedem Schichtsystem wurde zuerst eine Prozessentwicklung durchgeführt, um bei einem Brenneranstellwinkel von α = 90° dichte, rissfreie und gut haftende Beschichtungen herzustellen. Auf Basis der Prozessentwicklung wurde der am besten geeignete Parametersatz identifiziert. Anschließend an die Prozessentwicklung wurde die Prozessvariation zur Simulation der Beschichtung von Bauteilen mit komplexer Geometrie durchgeführt. Bei dem HVOF-gespritztem Schichtsystem FeCrMnBC wurde sowohl der Spritzwinkel als auch der Spritzabstand variiert. Bei dem HVAF-gespritztem Schichtsystem FeCrBC und bei dem HVOF-gespritzten Schichtsystem WC-10Cr-4Cr wurde der Brenneranstellwinkel gezielt verändert.
Die applizierten Beschichtungen wurden in Bezug auf die Mikrostruktur, Phasenzusammensetzung und mechanischen Eigenschaften grundlegend charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die mit optimierten Parametersätzen hergestellten Fe-basierten Beschichtungen eine geringe Porosität von p < 2 %, eine hohe Härte von HV0,1 > 700 und eine sehr gute Anbindung zum Substrat aufweisen. Die WC 10Co 4Cr-Beschichtung besitzt ebenfalls eine geringe Porosität von p < 2 %, eine hohe Härte von HV0,1 > 1.300 und eine sehr gute Anbindung zum Substrat. Die Prozessvariation im Spritzwinkel zeigte einen erkennbaren Einfluss auf die Schichtbildung sowie eigenschaften. Im Allgemeinen nahm die Schichtdicke mit sinkendem Brenneranstellwinkel ab. Beim Brenneranstellwinkel von α = 45° ist eine deutliche Verringerung der Schichthärte und -bruchzähigkeit im Vergleich zu α = 90° zu erkennen. Die Kombination des erhöhten Spritzabstands mit einem reduzierten Spritzwinkel führte zu einer noch geringeren Schichthärte und bruchzähigkeit beim HVOF-gespritzten FeCrMnBC-Schichtsystem. Trotz der Veränderungen besitzen die beim Brenneranstellwinkel von α = 45° hergestellten Fe-basierten Beschichtungen sowie die WC-10Co-4Cr-Beschichtung weiterhin geringe Porosität, hohe Härte und gute Bruchzähigkeit, was auf eine gute Prozessrobustheit hindeutet. Zusätzlich wurden die Beschichtungen aus FeCrMnBC und FeCrBC auf Proben mit komplexer Geometrie bzw. unterschiedlichen Laufrädern appliziert. Die hergestellten Beschichtungen wurden in Bezug auf ihr Korrosions-, Abrasions-, Ermüdungs- und Erosions-Korrosionsverhalten im Detail untersucht. Dazu wurden die entsprechend vielfältigen Variationen der Prozessparameter sowie deren Verbesserungen in der Beschichtung vollumfänglich untersucht. Im Detail wurden die Einflüsse der Prozessparameter auf die Mikrostruktur der Thermischen Spritzschichten und deren Mechanismen untersucht und herausgearbeitet. Abschließend wurden ausgewählte Beschichtungen anwendungsrelevant untersucht, in dem die hoch beanspruchten Schaufelradoberseiten eines Pumpenlaufrades beschichtet worden sind und im Erosions-Korrosionsversuch charakterisiert wurden. Abschließend wurden die Beschichtungen, als auch der unbeschichtete Grundwerkstoff, in einen mit radial geführten Druckstutzen ausgestatteten Gliedergehäusepumpenprüfstand mit acht Stufen untersucht.
Die Mikrostruktur der Thermischen Spritzschichte mit Fehlern wie Porosität, Oxidgehalt, Rissen und angeschmolzenen/nicht geschmolzenen Partikeln hat einen entscheidenden Einfluss auf das Beschichtungsverhalten bei komplexer korrosiver und erosiver Belastung im Vergleich zum Einfluss der Legierung. Das gewählte Verfahren mit den untersuchten Parametereinflüssen gibt dabei maßgeblich die Mikrostruktur vor. Die mittels HVOF und HVAF hergestellten FeCrMnBC-Beschichtungen und die FeCrBC-Beschichtungen weisen im Vergleich zum unbeschichteten Gusseisen EN-GJL-250 eine deutlich höhere Erosionsbeständigkeit auf und lassen ein großes Potenzial zum Schutz von Teilen aus Gusseisen erkennen.
Das IGF-Vorhaben 18965 N des Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Die Forschungsstellen danken für diese Finanzierung und für die ausgezeichnete Zusammenarbeit mit den Industriepartnern, die sich im Arbeitskreis „Surface Treatment“ engagiert haben.
Der vollständige Schlussbericht kann über den Forschungsfond Pumpen im VDMA bezogen werden.
