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Fachgruppe Beschichtungstechnik – Thermisches Spritzen, PVD, CVD

Thermisches Spritzen

Das thermische Spritzen umfasst Verfahren, bei denen Spritzzusätze innerhalb oder außerhalb von Spritzgeräten an-, auf- oder abgeschmolzen oder für eine geeignete Plastifizierung nur aufgeheizt und auf vorbereitete Oberflächen aufgeschleudert werden; die Oberflächen werden hierbei nicht aufgeschmolzen. (nach DIN-EN 657).

Einteilung der thermischen Spritzverfahren nach DIN EN 657
Einteilung der thermischen Spritzverfahren nach DIN EN 657
Prinzip des thermischen Spritzens
Prinzip des thermischen Spritzens

Die thermischen Spritzverfahren lassen sich nach verschiedenen Kriterien klassifizieren, so zum einen nach der Art des Spritzwerkstoffs (Draht, Stab, Schnur, Pulver oder Schmelzbad), nach der Art der Fertigung (manuell, mechanisiert oder automatisch) oder nach der Art des Energieträgers (Flamme, Lichtbogen, Plasma). Mit den verschiedenen Verfahren können fast alle Materialien beschichtet werden: Metall, Keramik, Kunststoff und Textilien ebenso wie Holz oder Glas. Hauptsächlich angewendetes Substrat ist Metall. Beispiele hierfür sind Turbinenschaufeln, Dichtungsringe, Laufbuchsen, Förderschnecken, Motorventile oder Druckwalzen.

Spritzprozesse mit entsprechender Schichtmorphologie (Beispiel Kupfer)
Spritzprozesse mit entsprechender Schichtmorphologie (Beispiel Kupfer)

Spezifische Schichteigenschaften können weiterhin durch zusätzliches thermisches oder mechanisches Nachbehandeln oder durch Versiegeln erreicht werden.

Schwerpunktthemen im Bereich des Thermischen Spritzens am Institut für Werkstoffkunde bilden die

  • Plasma-(Sonder-/Hybrid-)verfahren
  • Hochgeschwindigkeitsverfahren
  • Entwicklung funktioneller Schichten
  • Simulation thermischer Spritzverfahren

Forschungsprojekte, wie die numerische Simulationen der Plasma-Partikel-Wechselwirkungen, haben ein umfassenderes Verständnis für die Möglichkeiten der Beeinflussung von Partikeleigenschaften eröffnet. Des Weiteren beschäftigen sich gegenwärtige Untersuchungen beispielsweise mit dem Einfluss der Substratrauheit auf die Schichthaftung. Andere Forschungsprojekte befassen sich mit der Entwicklung von Beschichtungen für Leichtmetallegierungen, insbesondere für Magnesium- und Aluminiumsubstrate.

Aktuelle Forschungsvorhaben

  • SFB871: Endkonturnahe Turbinenschaufelreparatur durch füge- und beschichtungstechnische Hybridprozesse (Teilprojekt B1)

    Ziel des Forschungsvorhabens ist die Kombination des Reparaturlötens mit der Heißgaskorrosionsschutzbeschichtung in einem gemeinsam integrierten Prozess, um die dem Stand der Technik entsprechende Prozesskette zur Turbinenschaufelreparatur zu verkürzen. Sowohl die Lotapplikation als auch die Heißgaskorrosionsschutzbeschichtung erfolgt durch thermisches Spritzen. Der Werkstoffaufbau soll dadurch weitestgehend endkonturnah realisiert werden. Die thermischen Spritzprozesse sollen so geführt werden, dass der Lötprozess im CVD-Diffusionsglühprozess (Chemical Vapor Depostition) als TLP-Bonding-Prozess (Transient Liquid Phase) integriert und somit als eigenständiger Prozess entfallen kann. Somit ist die Arbeitshypothese des Forschungsvorhabens, einen thermischen Beschichtungs- und einen Fügeprozess in einen gemeinsamen integrierten Hybridprozess überführen zu können und dabei sowohl qualitative als auch wirtschaftliche Vorteile zu erzielen. Die Bedeutung dieser Verfahrenskombination liegt in der Reduzierung an Schleifaufwand sowie in der Einsparung des bisher eigenständigen Vakuumlötprozesses und somit in verringerten Fertigungskosten.
Prozesskette (aktuell und zukünftig) zur Turbinenschaufelregeneration
Prozesskette (aktuell und zukünftig) zur Turbinenschaufelregeneration
  • Transplantation strukturierter thermisch gespritzter Schichten im Druckgussverfahren (DFG)

    Ein besonders vielversprechendes Verfahren der Beschichtung ist in diesem Bereich die Schichttransplantation. Während bei der konventionellen Fertigung weitestgehend fertige Bauteile beschichtete werden, wird im Rahmen des Transplantationsprozesses der Thermische Spritzprozess in einen Druckgießprozess integriert. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit von Vor- und Nachbearbeitungsschritten. Die Grundidee ist dabei, dass nicht das Bauteil beschichtet wird, sondern ein Einleger in einer Druckgussform. Im nächsten Schritt, dem Druckgießprozess, wird die Schicht auf dem Einleger durch die Schmelze infiltriert, wodurch eine formschlüssige Verbindung entsteht. Daraufhin wird das fertige Bauteil entnommen wobei sich die nun mit dem fest mit dem neuen Bauteil verbundene Schicht von dem Einleger löst und der Transplantationsprozess abgeschlossen wird.
Prozesskette zur Transplantation von thermisch gespritzten Schichten.
Prozesskette zur Transplantation von thermisch gespritzten Schichten.

Abgeschlossene Forschungsvorhaben (Auszug):

  • TP 3 "Thermisch gespritzte mikrostrukturierte Beschichtungen" der Forschergruppe FOR 576 "Mikrostrukturierung thermomechanisch hoch beanspruchter Oberflächen (DFG)
  • Verbindungsspritzen Einsatzmöglichkeiten des Thermischen Spritzens zum Verbinden und Auffüllen von metallischen Werkstücken - eine Hybridtechnologie aus einer Kombination des Thermischen Spritzens und des Lötens (DFG)
  • Hochtemperaturaktivierte Hartstoffschichten als funktionale Oberflächensysteme für Umformwerkzeuge - Triboaktive, thermisch gespritzte Schichtverbundwerkzeuge (DFG)
  • Entwickeln und Qualifizieren von Methoden zum selektiven Entfernen thermisch gespritzter Schichten (AiF)
  • Entwicklung von diamantimprägnierten Schichten zur Herstellung von Schleifwerkzeugen mittels thermischer Spritzverfahren (DFG)

Apparative Ausstattung:

  • Lichtbogenspritzanlage Visuarc 350, Sulzer Metco OSU
  • Hochgeschwindigkeitsflammspritzanlage K2, GTVmbH
  • Hochgeschwindigkeitsflammspritzanlage G-Gun, GTVmbH
  • Atmosphärische Dreianoden-Plasmaspritzanlage DELTA, GTVmbH
  • Atmosphärische Einkathoden-Plamsaspritzanlage F4, Sulzer Metco AG
  • Atmosphärische Dreikathoden-Plasmaspritzanlage TRIPLEX II, Sulzer Metco AG
  • Kaltgasspritzanlage Kinetics 4000, CGT

PVD, CVD (Dünnschichttechnik)

Im Bereich „PVD – Dünnschichttechnik“ werden aktuelle Fragestellungen und Projekte aus dem Bereich der Dünnschichttechnik untersucht und neue Themenfelder erarbeitet. Im Fokus stehen dabei die PVD-Beschichtungen, welche am IW aktuell in zwei PVD-Anlagen appliziert werden können. Eine weitere PVD-Anlage befindet sich im Aufbau, mit welcher zukünftig reaktive Oxidbeschichtungen z.B. für medizinische Anwendungen appliziert werden. Darüber hinaus ist das IW Gründungsmitglied des CZM (Clausthaler Zentrum für Materialtechnik) wo der Fachgruppe eine weitere hochmoderne PVD-Anlage zur Verfügung steht.


Am IW werden PVD-Beschichtungen für eine große Bandbreite an Anwendungen entwickelt - sowohl für den Verschleißschutz von Schmiedegesenken als auch für Implantatoberflächen. Darüber hinaus werden z.B. PVD-Mehrlagenschichtsysteme als exotherme Lot-Schichten entwickelt. Zusätzlich beschäftigt sich die Fachgruppe mit der Entwicklung eines Sprühsystems für eine resorbierbare Implantatbeschichtung auf Dauerimplantaten.

Grundlagen PVD-Technik

In der DIN 8580:2003-09 werden unterschiedliche Beschichtungsmethoden in der Hauptgruppe 5 zusammengefasst - diese wird in 8 Gruppen und den jeweiligen dazugehörigen Untergruppen weiter differenziert. In der Gruppe 5.8 sind die PVD-Beschichtungsverfahren abgebildet.

Bild: Hauptgruppe 5 aus der DIN 8580:2003-09

Die am IW angewendeten PVD-Beschichtungsverfahren unterscheiden sich in der Art der Zerstäubungstechnik. Neben dem Lichtbogenverdampfer – dabei wird das zu verdampfende Material mit einem hochenergetischen Lichtbogen verdampft – kommen plasmabasierte Verdampfer zum Einsatz. Diese unterscheiden sich in der Art der Plasmaerzeugung:

DC (direct current) – Plasma: ein DC-Plasma ist ein Gleichspannungsplasma, bei dem zwischen zwei Elektroden eine elektrische Spannung angelegt wird, welche das Plasma zündet. Die Kathode wird von dem Plasma stetig mit Ionen beschossen und so verdampft. Das zu verdampfende Material muss dabei elektrisch leitfähig sein.

RF (radio frequency) – Plasma: ein Hochfrequenzplasma (mit 13,56 MHz). Durch die Hochfrequenz wird die für das Plasma benötigte Energie induktiv übertragen. Dadurch können auch elektrisch schlecht leitende Materialien verdampft werden.

MF (middle frequency) – Plasma: ein sogenanntes Mittelfrequenzplasma (in der Regel im kHz-Bereich). Mit einer geeigneten elektrischen Steuerung können oxydische Beschichtungen auf unterschiedliche Substrate aufgebracht werden.

HiPIMS oder HPPMS (High Power Pulse Magnetron Sputter) – Plasma: ist ein auf sehr kurzen Impulsen basiertes Plasma (~ 50 µs Pulsdauer). Die mittlere elektrische Leistung ist mit dem eines DC-Plasmas vergleichbar, jedoch wird die diese in sehr kurzen und leistungsstarken Impulsen mit einer Leistung bis in den MW-Bereich an das Plasma abgegeben.

Forschungsvorhaben

Aktuelle Forschungsvorhaben:


Abgeschlossene Forschungsvorhaben: