Experimentelle Analyse thermomechanischer Eigenschaften thermisch gespritzter Beschichtungen

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Die Steigerung der Präzision von Bauteilen, die in schmelzbehafteten Urformprozessen hergestellt werden, stellt einen zentralen Forschungsbedarf des SFB 1120 dar. Im Allgemeinen kann diese durch eine gezielte Steuerung der Wärmezu- bzw. -abfuhr signifikant gesteigert werden. Mit Hilfe thermisch gespritzter Beschichtungen (TS-Schichten) kann eine gezielte Steuerung der Wärmeflüsse an der Oberfläche eingestellt werden, indem die Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe passiver TS-Schichten gesteigert oder gesenkt wird oder mit Hilfe von Heizschichten aktiv Wärme lokal auf der Werkzeugoberfläche erzeugt wird. In diesem Teilprojekt sollen TS-Heizschichten als Wärmequellen, zusätzlich zu den in TP A10 untersuchten Wärmedämmschichten (WDS), betrachtet werden. Im Gegensatz zu WDS ist bei solchen Beschichtungen nicht länger lediglich die Porosität der dominante Faktor, vielmehr sind hierbei auch die Elektronen- und Phononenleitung in Festkörpern zu beachten. Diese wiederum hängen in großem Maße von der chemischen Zusammensetzung sowie der Phasenzusammensetzung und Mikrostruktur, z.B. Oxide oder Korngrenzen, ab und können somit als Funktion des Aufschmelz- und Erstarrungsverhaltens des Spritzzusatzwerkstoffs während der Schichtapplikation betrachtet werden. Folglich sind die thermophysikalischen Eigenschaften der betrachteten TS-Schichten eine Funktion der Prozesseigenschaften und Störgrößen.

Der Stand der Technik erfordert, aufgrund der komplexen Zusammenhänge und messtechnischen Limitierungen, eine sehr aufwändige Qualitätssicherung zur Applikation von TS-Schichten mit homogenen, gleichbleibenden thermophysikalischen Eigenschaften. Daher sollen gezielt die Einflüsse der relevanten Eingangsgrößen auf die Schichteigenschaften untersucht und somit das Verständnis gesteigert werden. Dazu wird eine gezielte Variation der Prozessparameter vorgenommen und die resultierenden Partikeleigenschaften, z.B. Temperatur und Geschwindigkeit, unmittelbar vor der Schichtbildung experimentell erfasst bzw. in Kooperation mit A10 simulativ ermittelt, soweit eine experimentelle Erfassung wie im Falle von Schmelzgraden nicht möglich ist. Zunächst werden die Schichteigenschaften, wie z.B. die chemische Zusammensetzung, die Phasenzusammensetzung, die Mikrostruktur, die Wärmeleitfähigkeit oder die elektrische Leitfähigkeit, gezielt analysiert und mit den Prozessparametern korreliert. Im Anschluss wird darauf basierend ein künstliches neuronales Netzwerk (KNN) entwickelt.

Durch diese Steigerung des Verständnisses der zugrundeliegenden Wirkmechanismen der Aufschmelz- und Erstarrungsvorgänge können die Schichteigenschaften an die Anforderungen der makroskaligen Schmelzprozesse des Teilbereichs B angepasst werden und somit die Wärmezu- und -abfuhr gezielt eingestellt werden. Dies ermöglicht eine Kompensation des Verzugs der makroskaligen Schmelzprozesse in der dritten Phase des SFB 1120. Weiterhin soll in der dritten Phase das gewonnene Verständnis bezüglich der Korrelationen zwischen Prozessstörgrößen und Schichteigenschaften zu einer Kompensation dieser Störgrößen beim TS verwendet werden. Diese Kompensation ermöglicht die Produktion von Beschichtungen mit gleichbleibenden, definierten thermophysikalischen und thermoelektrischen Eigenschaften.

 

Mikrostruktur einer typischen TS-Schicht mit hoher thermischer und geringer kinetischer Energie der Spritzpartikel, hier ZnAl15 auf S355J2+N

Mikrostruktur einer typischen TS-Schicht Urheberrecht: SFB 1120
 
 

Schematische Darstellung der Einflussgrößen auf die Leitfähigkeit einer TS-Schicht

Schematische Darstellung der Einflussgrößen auf die Leitfähigkeit einer TS-Schicht Urheberrecht: SFB 1120
 
 

Thermographisch aufgenommene Temperaturverteilung auf der Oberfläche einer TiOx/Cr2O3-Heizschicht

  Temperaturverteilung auf der Oberfläche einer TiOx/Cr2O3-Heizschicht Urheberrecht: SFB 1120
 
A12 Video 1
Video: Aufheizvorgang in Echtzeit.