Suspensionsspritzen - ein neues Verfahren in der Prozessgruppe des Thermischen Spritzens

Aufgabe

Suspensionsspritzen mit APS
© Fraunhofer IWS Dresden
Suspensionsspritzen mit APS
Suspensionsspritzanlage im Fraunhofer IWS
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Suspensionsspritzanlage im Fraunhofer IWS

Thermisches Spritzen ist eine Verfahrensgruppe im Bereich der Oberflächentechnik, welche sich durch eine hohe Flexibilität sowohl bezüglich der Verfahren als auch der Werkstoffe auszeichnet. Atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) sind wichtige Vertreter dieser Verfahrensgruppe. Die Schichtdicke liegt üblicherweise im Bereich zwischen 100 μm und 500 μm. Für viele Werkstoffe werden bevorzugt Beschichtungspulver mit einer Partikelgröße im Bereich 10 - 50 μm eingesetzt.

Der Einsatz von Suspensionen an Stelle von Beschichtungspulvern verspricht mehrere Vorteile, darunter die Möglichkeit der direkten Verwendung feindisperser Pulver und somit die Einsparung der Herstellung spezieller Ausgangspulver, aber auch die Herstellung nanostrukturierter Schichten. Darüber hinaus werden prinzipiell Möglichkeiten gesucht, thermisch gespritzte Schichten mit einer Schichtdicke unterhalb 100 μm gut herstellen zu können. Dies könnte dazu beitragen, die technologische Lücke bezüglich der Schichtdicke zwischen CVD / PVD und klassischen Spritzschichten zu schließen.

Die Entwicklung suspensionsgespritzer Schichten auf der Basis von Aluminiumoxid und Titanoxid und deren spezielle Eigenschaften sollen im Folgenden dargestellt werden.

Lösung

REM-Aufnahme einer suspensionsgespritzten Aluminiumoxidschicht
© Fraunhofer IWS Dresden
REM-Aufnahme einer suspensionsgespritzten Aluminiumoxidschicht

Die Herstellung suspensionsgespritzter Schichten erfordert einerseits Modifizierungen der Anlagentechnik für das APS und das HVOF-Spritzen, inklusive der Entwicklung geeigneter Fördersysteme, und andererseits die Herstellung geeigneter wässriger und alkoholischer Suspensionen. Schichten auf der Basis von Aluminiumoxid und Titanoxid sind multifunktional einsetzbar. Für die suspensionsgespritzen Schichten beider Oxide stehen die Langzeitstabilität der elektrischen Eigenschaften und im Fall von Titanoxid deren photokatalytischen Eigenschaften im Vordergrund.

Ergebnisse

Photokatalytischer Test: Entfärbung einer Methylenblau-Lösung (MB) in Gegenwart einer suspensionsgespritzten photokatalytisch aktiven TiO2-Schicht
© Fraunhofer IWS Dresden
Photokatalytischer Test: Entfärbung einer Methylenblau-Lösung (MB) in Gegenwart einer suspensionsgespritzten photokatalytisch aktiven TiO2-Schicht

Suspensionen können sowohl beim APS- als auch beim HVOF-Spritzen eingesetzt werden. Suspensionsgespritzte Schichten unterscheiden sich in ihrer Phasenzusammensetzung und Mikrostruktur von den aus konventionellen Beschichtungspulvern hergestellten Schichten. Die Schichten haben bei der Verwendung der entsprechenden Pulver für die Suspensionen eine nanoskalige Struktur. Im Fall des Titanoxids bestehen die Schichten aus der photokatalytisch aktiveren Anatas-Phase. Die photokatalytische Aktivität einer Titanoxidschicht, getestet mittels Entfärbung einer Methylenblau-Lösung ist in der Grafik dargestellt.

Die Verwendung einer speziellen Aluminiumoxid-Suspension ermöglicht einen hohen Korundanteil ohne stabilisierende Zusätze. Hierfür wurde in Deutschland ein Patent erteilt. Die Langzeitstabilität der elektrischen Eigenschaften wird gegenwärtig untersucht.

Für beide Werkstoffe lassen sich leicht gut haftende Schichten im Bereich 10 - 50 μm Schichtdicke herstellen. Die Härten der suspensionsgespritzten Schichten sind, wenn dies für die Anwendung von Bedeutung ist, mit denen aus Pulver hergestellten Schichten vergleichbar. Auch die ökonomischen Parameter Spritz- und Auftragsraten sind für das Verfahren mittlerweile attraktiv.