Entwicklung neuartiger metallischer Zusatzwerkstoffe für Heizelemente mittels Thermischen Spritzens

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437095503

Thermisch gespritzte Schichtsysteme können zur Erhöhung des Wirkungsgrads sowie zur Miniaturisierung als Heizelement eingesetzt werden. Eine große technische Herausforderung der Heizschichtelemente ist die Beeinträchtigung der Lebensdauer durch heterogenitätsbedingte lokal erhöhte Belastungen. Neuartige HEA-Legierungen weisen einen für metallische Werkstoffe sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand und positive TCW-Werte auf und sind damit für den Einsatz als Heizschichtelemente vielversprechend. Jedoch wurde das Potenzial der HEA-Legierungen als Heizschichtelemente noch nicht erforscht. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung neuartiger metallischer Schichtsysteme als Heizelemente mit erhöhter Lebensdauer für potentielle Anwendungen bis Temperatur von T=350°C. Dafür werden neuartige metallische Werkstoffe auf Basis von HEA-Legierungen ausgelegt und hinsichtlich ihrer Eignung erforscht. Eine wesentliche Zielgröße im Hinblick auf die Auslegung ist die Erreichung eines hohen spezifischen elektrischen Widerstandes. Die metallischen Heizelemente werden in einer feinen Pulverfraktion mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens sowie mittels Plasmaspritzens appliziert, um die Heterogenität der Beschichtungen zu minimieren. Ziel ist es, die im Vergleich zu den in den Literaturen berichteten metallischen Schichtsystemen flächigere, homogenere und dünnere Heizleiterschichten zu realisieren. Die verbesserte Homogenität der Beschichtungen reduziert die Neigung von lokalen Überlastung. Zusätzlich verbessert die geringe Schichtdicke den Eigenspannungszustand im Heizelement im Einsatz. Folglich kann die Lebensdauer der Heizelemente erhöht werden. In dem Forschungsvorhaben werden daher in den ersten zwei Forschungsjahren neuartige HEA-Legierungen im Hinblick auf den spezifischen elektrischen Widerstand sowie den Ausdehnungskoeffizienten ausgelegt. Die HEA-Legierungen werden in einem ersten Schritt schmelzmetallurgisch hergestellt und in Bezug auf die Mikrostruktur, Phasenzusammensetzung, Phasenstabilität, den elektrischen spezifischen Widerstand, die thermophysikalischen Eigenschaften, die mechanischen Eigenschaften und das Oxidationsverhalten charakterisiert und untersucht. Auf Basis der Untersuchungsergebnisse werden zwei bis drei vielversprechende Legierungen ausgewählt. Im Rahmen des geplanten Folgeprojekts werden im dritten Forschungsjahr ausgewählten Legierungen als Heizschichten entwickelt. Dabei wird der Einfluss des Spritzprozesses und -parameter auf die Schichteigenschaften ermittelt. Die Schichtsysteme werden in Bezug auf die Mikrostruktur, Phasenzusammensetzung und die elektrische Leitfähigkeit untersucht. Mit Hilfe zyklischer Heizversuche wird die Lebensdauer der Schichtsysteme unter zyklischer Belastung abgeschätzt und die genauen Versagensmechanismen analysiert. Dadurch wird die Eignung der neuartigen Schichtsysteme als Heizelement qualifiziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Lidong Zhao; Dr.-Ing. Mehmet Öte