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Innovative Beschichtungen durch thermisches Spritzen in silandotierten Schutzgasen

Innovative Beschichtungen durch thermisches Spritzen in silandotierten Schutzgasen

© Rodriguez Diaz/Thermal Spray Bulletin
Prozesskammer zur Gewährleistung einer XHV-adäquaten Prozessumgebung beim thermischen Spritzen.

Thermisches Spritzen ist ein Oberflächenbeschichtungsverfahren bei dem Partikel eines Werkstoffs in einer Energiequelle aufgeschmolzen und mit Hilfe eines Gasstroms schichtweise auf ein Bauteil aufgebracht werden. Unter Luftatmosphäre führt dieser Prozess zu einer Oxidation der Ober- und Grenzflächen der Beschichtungsstelle was negative Auswirkungen auf Haftfestigkeit und Verschleißschutz haben kann. In den vergangenen Jahrzehnten wurden verschiedene Verfahren entwickelt, welche die Oxidbildung zwar reduzieren, sie jedoch nicht gänzlich verhindern konnten. Ein Team um Dipl.-Ing. Manuel Rodriguez Diaz hat im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1368 „Sauerstofffreie Produktion“ nun einen Spritzprozess in einem Gemisch aus Monosilian und einem Inertgas entwickelt, der praktisch sauerstofffrei ist. Ihre Ergebnisse habe sie im Fachjournal Thermal Spray Bulletin veröffentlicht. 

Für ihr neu entwickeltes Verfahren haben sie eine spezielle Beschichtungskammer entwickelt, in welcher die Spritzpartikel unter extrem niedriger Sauerstoffkonzentration auf das Bauteil aufgebracht werden können. Dabei haben sie zunächst Stickstoff oder Argon als Inertgase in die Kammer eingeleitet und den verbliebenen Restsauerstoff anschließend durch die Einleitung von Monosilan chemisch umgesetzt. Der Sauerstoff wurde so vollständig entfernt und eine Prozessatmosphäre geschaffen, deren Sauerstoffkonzentration der Konzentration des extrem hohen Vakuums (XHV) entspricht.  

In dieser Umgebung konnten die Forschenden mit dem Verfahren des Zweidraht-Lichtbogenspritzens Kupferschichten erzeugen, die frei von Oxidsäumen sind, über eine stark verbesserte Haftfähigkeit verfügen und zudem eine deutlich geringere Porosität aufwiesen. Herkömmlichen Verfahren sind sie damit überlegen. Allerdings führt das Verfahren auch zu einem veränderten Partikelentstehungs- sowie –Partikelzerstäubungsverhalten, welche die Splat- und Schichtbildung beeinflusst. Diese müssen in weiteren Untersuchungen erfasst und der Beschichtungsprozess entsprechend angepasst werden. Grundsätzlich zeigen die bisher gewonnenen Erkenntnisse aber, dass das thermische Spritzen in silandotierter Inertgasatmosphäre eine Alternative zu den bereits bekannten Spritzverfahren zur Herstellung oxidfreier Beschichtungen darstellen kann.

 

 

Originalartikel

Rodriguez Diaz, M., Nicolaus, M., Möhwald, K., Maier, H. J. (2021): Thermal spraying in silane-doped shielding gases: A new approach for innovative coatings in controlled process atmospheres, Thermal Spray Bulletin 14, pp. 120–127
https://www.thermal-spray-bulletin.info/en/issues/issue-2-2021