Elektrisch leitfähige keramische Schichten

Aufgabe

Obwohl thermisch gespritzte Schichten aus dem System Cr2O3-TiO2 ein hohes Potenzial aufweisen, werden Schichten aus diesem System bislang kaum eingesetzt. Lediglich einige diskrete Mischungsverhältnisse im Cr2O3-reichen Gebiet werden kommerziell als Spritzwerkstoff angeboten. Das Forschungsziel eines von der AiF geförderten Vorhabens war daher die wissensbasierte Entwicklung von technisch nutzbaren Schichten der TiO2-reichen Seite des Systems Cr2O3-TiO2 mit der Struktur der Magnéli-Phasen. Im Vordergrund der Untersuchungen standen die tribologischen und die elektrischen Eigenschaften. Sogenannte Magnéli-Phasen auf der TiO2-reichen Seite weisen als Besonderheit für oxidkeramische Werkstoffe eine elektrische Leitfähigkeit auf.

Lösung

Lichtmikroskopische Aufnahme der APS-gespritzten Schicht der Zusammensetzung 65/35
© Fraunhofer IWS Dresden
Lichtmikroskopische Aufnahme der APS-gespritzten Schicht der Zusammensetzung 65/35

Unter den vielfältigen Verfahren des thermischen Spritzens eignet sich insbesondere das atmosphärische Plasmaspritzen (APS) zur Verarbeitung von Cr2O3-TiO2-Werkstoffen. Darüber hinaus wurde als zweites Verfahren das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) gewählt. Mit beiden Verfahren wurden Schichten aus dem gesamten System Cr2O3-TiO2 hergestellt. Dafür wurden auf der Cr2O3-reichen Seite kommerzielle, und auf der TiO2-reichen Seite fünf im Fraunhofer IKTS hergestellte experimentelle Spritzpulver verwendet. Die elektrischen Eigenschaften der Schichten wurden mit den Mikrostrukturen und Phasenveränderungen korreliert.

Ergebnisse

Spezifischer Widerstand der APS- und HVOF-gespritzten Schichten in Abhängigkeit vom Cr2O3-Gehalt
© Fraunhofer IWS Dresden
Spezifischer Widerstand der APS- und HVOF-gespritzten Schichten in Abhängigkeit vom Cr2O3-Gehalt

Bei thermoanalytischen Untersuchungen an zwei der experimentellen Beschichtungspulver bis 1500 °C konnte nachgewiesen werden, dass unter diesen Bedingungen kein Verlust an Cr2O3 auftritt, der mit Einschränkungen der Anwendbarkeit der Werkstoffe verbunden wäre. Nach entsprechenden Optimierungen konnten mit den beiden Spritzverfahren APS und HVOF homogene und porenarme Schichten hergestellt werden.Durch die Spritzprozesse kommt es zu erheblichen Veränderungen der Phasenzusammensetzungen, die in einigen Pulvern vorhandene E-Phase und TiCr2O5 wurden in den Schichten nicht gefunden.

Das Eskolait-Gitter (Cr2O3) findet sich als alleinige Phase in den Schichten der Cr2O3-reichen Seite. In den APSgespritzten Schichten kann Eskolait als Nebenphase bis hin zur Zusammensetzung 76,5 % TiO2 - 23,5 % Cr2O3 nachgewiesen werden. Als Hauptbestandteile in den Schichten auf der TiO2-reichen Seite finden sich Rutilmischkristalle und die Hochtemperatur-Magnéli-Phase (n-Phase).

Beim spezifischen Widerstand der Schichten ergibt sich eine Abhängigkeit der Eigenschaften vom Cr2O3-Gehalt. Abbildung 1 demonstriert diesen Zusammenhang für APS- und HVOFgespritzte Schichten. Der spezifische Widerstand von HVOF-gespritzten Schichten ist dort, wo Werte für beide Verfahren vorliegen, etwas höher als der der APS-gespritzten Schichten. Die erwarteten niedrigen spezifischen Widerstände auf der TiO2-reichen Seite und die Abhängigkeit von der Phasenzusammensetzung wurden bestätigt. Als hochtemperaturstabile, elektrisch leitfähige keramische Schichten besitzen sie ein hohes Anwendungspotenzial.