Steigerung der dynamischen Festigkeit thermisch beschichteter Bauteile durch spanende Oberflächenkonditionierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 287021006

Konventionell werden thermisch gespritzte Schichten auf gestrahlte Substratwerkstoffe aufgebracht. Die mechanische Oberflächenaktivierung durch das Strahlen dient einer verbesserten Grenzflächenanbindung zwischen Substrat und Beschichtung durch eine mechanische Verklammerung der Beschichtungspartikel. Einhergehend mit der Aufrauhung der Oberflächentopografie ergibt sich in der Randzone des Substrates ein Druckeigenspannungszustand, der für gewöhnlich zu einer Erhöhung der dynamischen Belastbarkeit führt. Jüngere Studien zum Ermüdungsverhalten von thermisch gespritzten Verbundwerkstoffen belegen jedoch das Potenzial einer Substitution des Strahlprozesses durch spanende Feinbearbeitungsverfahren. Durch die gezielte Einstellung der Oberflächentopographie sowie des Eigenspannungszustandes in der Randzone des Substratwerkstoffs soll im Rahmen dieses Projektes die funktionale Abhängigkeit zwischen der Grenzflächenanbindung der Beschichtung sowie der spanenden Fertigung des Substrates ermittelt werden. Die Eigenspannungen werden durch einen Drehprozess induziert und variieren in Abhängigkeit der Härte des Werkstoffs sowie der Stellgrößen des Drehprozesses. Durch einen nachgelagerten Honprozess wird die aus dem Drehprozess resultierende Werkstückrandzone abgetragen und eine in Abhängigkeit der Stellgrößen des Honprozesses variabel einstellbare Oberflächentopographie generiert. Das abzutragende Aufmaß lässt sich beim Honprozess beeinflussen, so dass sich tiefer im Werkstück liegende Druck-Eigenspannungszustände nach der Feinbearbeitung an der Oberfläche befinden. Zudem soll untersucht werden, inwieweit die durch den thermischen Spritzprozess eingebrachten Eigenspannungen eingestellt werden können. Hierbei werden durch die Variation der Gaszusammensetzung beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen sowie der Handhabungsparameter zur Führung der Spritzpistole die Eigenspannungen gezielt verändert und ihre Wirkung auf die Schichteigenschaften, und hier insbesondere die Haftung auf dem Substrat untersucht. Zum Ende des Projektes soll durch die kombinierte Einstellung der Randzonenbeschaffenheit und der Oberflächentopographie in Umlaufbiegewechselversuchen das Potenzial einer alternativen Oberflächenaktivierung wissenschaftlich analysiert werden. Des Weiteren wird die Schichtnachbehandlung durch einen Honprozess systematisch untersucht. Strukturierte Oberflächen weisen unter tribologischer Beanspruchung im Vergleich zu nichtstrukturierten Oberflächen eine höhere Verschleißbeständigkeit auf. Durch die gezielte Einbringung von Profilriefen ergeben sich Hohlräume, die als Speicher für Schmiermedien dienen. Diese Riefen können unter dynamischer Beanspruchung allerdings zu einer Kerbwirkung führen, die wiederum die dynamische Festigkeit negativ beeinflusst. Als weiterer Schwerpunkt ist daher die funktionale Abhängigkeit zwischen einer gezielt eingebrachten Strukturierung der Oberflächentopographie und des dynamischen Ermüdungsverhaltens zu analysieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen