Siliciumkarbid (SiC) und Siliciumnitrid (Si3N4) zeichnen sich durch hervorragende mechanische, thermische und chemische Materialeigenschaften und, insbesondere für das SiC, durch niedrige Kosten aus. Da beide Werkstoffe inkongruent schmelzen, können sie in reiner Form spritztechnisch nicht verarbeitet werden. Es werden metallurgische Lösungskonzepte erarbeitet, die darauf abzielen, die Hartstoffe zu benetzen und die Reaktivität herabzusetzen. Durch den Einsatz von Verbundpulvern besteht die Möglichkeit die Hartstoffpartikel gegen die rein thermisch induzierte Zersetzung beim spritztechnischen Verarbeiten weitgehend zu schützen. Zum Herstellen der Verbundpulver werden im Rahmen der experimentellen Untersuchungen unterschiedlichen Herstellungsverfahren eingesetzt. Unter Ausnutzen der prozessspezifischen Charakteristika der unterschiedlichen thermischen Spritzverfahren werden die so hergestellten Verbundpulver zu dichten, fest haftenden und hoch hartstoffhaltigen Spritzschichten verarbeitet. Neben der metallographischen Charakterisierung der Verbundschichten hinsichtlich Schichtmorphologie werden zudem die mechanisch-technologischen und chemisch-technologischen Eigenschaften untersucht.

Das thermische Spritzen ist ein industrieller Beschichtungsprozess, der hauptsächlich zum Schutz oder zur Funktionalisierung von Bauteiloberflächen eingesetzt wird. In der Regel werden mit diesem Verfahren Schichten mit einer Dicke von 50 bis zu einigen 100 Mikrometern aufgetragen, die überwiegend durch mechanische Verklammerung haften, wodurch die Materialeigenschaften des Bauteils weitgehend erhalten bleiben. Mit der Einführung von Suspensionen als neue Kategorie der Spritzzusätze etabliert sich gerade eine der weitreichendsten Innovationen der letzten Jahre auf dem Gebiet des thermischen Spritzens. Suspensionen sind Stoffgemische, die aus einer feindispersen, festen Phase, dem Schichtwerkstoff, und einer flüssigen Phase als Trägermedium bestehen. Damit können Partikel mit geringerer Größe in den Beschichtungsprozess eingebracht werden, so dass sich dünnere Schichten und feinere Mikrostrukturen realisieren lassen. Das thermische Spritzen mit Suspensionen erweitert damit den Anwendungsbereich und bildet eine Brückentechnologie zu den Vakuum- Dünnschichtverfahren. Im Fokus dieser Arbeit stehen die drei wichtigen keramischen Werkstoffe Aluminiumoxid, Chromoxid und yttriumstabilisiertes Zirkonoxid, die in der Form von wasserbasierten Suspensionen als Spritzzusätze für das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS) und das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) verwendet werden. Für die Injektion der Suspension in das Plasma oder die Flamme wird ein automatisiertes Suspensionsfördersystem verwendet. Darüber hinaus werden spezielle mehrteilige Injektoren entwickelt und getestet. Es werden neue Erkenntnisse zur statistischen Auswertung der Zusammenhänge zwischen den Injektionsparametern, den messbaren Eigenschaften der Tropfenwolke während der Zerstäubung, den Partikeleigenschaften im Spritzstrahl und den daraus resultierenden Schichteigenschaften vorgestellt. Dafür wurde eine neue Kenngröße für den Beschichtungserfolg, ein sogenannter Beschichtungsfaktor, hergeleitet, der sich mit vergleichsweise geringem Aufwand bestimmen lässt und außerdem die zusätzlichen Prozessvariablen beim Suspensionsspritzen mit berücksichtigt. Im Anschluss werden Beispiele für wasserbasierte, suspensionsgespritzte Schichten aus den drei keramischen Werkstoffen vorgestellt, bei denen durch entsprechende Charakterisierungsmethoden das Anwendungspotential im Vergleich zu Spritzschichten nach dem Stand der Technik verdeutlicht wird. Die Anwendungsgebiete umfassen dabei die elektrische Isolation, den Verschleißschutz sowie die thermische Isolation. Den Abschluss der Arbeit bildet eine kritische Diskussion der Eignung von wasserbasierten Suspensionen für das thermische Spritzen mit Plasma- und Flammspritzprozessen. Es werden die Vor- und Nachteile dieser Beschichtungstechnik analysiert und Verbesserungsvorschläge sowohl für die weitere Suspensions- als auch für die Anlagenentwicklung unterbreitet.

Eine Möglichkeit der kostensenkenden Technologieentwicklung bei der Herstellung von Geschirrporzellan stellt das gleichzeitige Brennen von Scherben und Glasur im Einmal-Schnellbrand dar. Der Einsatz eines Gemisches aus organischen und anorganischen Additiven bringt dabei optimale Verarbeitungseigenschaften der Porzellangranulate hervor. Feinere Porzellangranulate sind in Verbindung mit einem Mindestanteil an geeigneten organischen Bindern industriell verpressbar. Daraus hergestellte Flachgeschirrartikel weisen ausreichende Gefügefestigkeiten und –dichten im ungebrannten Zustand und während des Brandes auf. Der Glasurauftrag erfolgte durch Spritzen. Eine spezielle Brennkurve ermöglicht eine ausreichend lange Entgasungsperiode vor dem Dichtsintern des Scherbens und dem Ausfließen der Glasur. Das Einsetzen einer Feuerpolitur nach Beenden der Haltezeit bei maximaler Brenntemperatur führt zu einer Verbesserung der Glasuroberflächenqualität.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, unter der Verwendung des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF) und neu entwickelten SiC - Verbundpulvern hoch SiC - haltige Spritzschichten für den kombinierten Verschleiß- und Korrosionsschutz herzustellen. Da sich SiC in reiner Form spritztechnisch nicht verarbeiten lässt, besteht zunächst die Aufgabe SiC - Verbundpulver zu entwickeln, in denen Reaktionen der SiC - Partikel mit Matrix während der spritztechnischen Verarbeitung weitgehend vermieden werden, und eine gute Benetzung der SiC - Partikel erfolgt. Auf der Grundlage phasentheoretischer Überlegungen werden unterschiedliche Matrixlegierungen für das Herstellen neuartiger SiC - Verbundpulver entwickelt. Eine Grundlage dieser theoretischen Untersuchungen ist eine umfassende Literaturrecherche zum Benetzungsverhalten von Siliziumkarbid sowie das Ermitteln spezifischer Materialkennwerte. Die Untersuchungen zeigen auf, dass die Zersetzung von SiC im Bereich der Primärkristallisation der entsprechenden Matrixlegierungen erfolgt. Legierungszusammensetzungen, die Legierungszustandspunkte außerhalb der die Primärkristallisation begrenzenden eutektischen Rinne aufweisen, ermöglichen es, die Reaktivität der Matrixlegierung mit den SiC - Partikeln zu reduzieren und ein ausreichendes Benetzen zu realisieren. Auf Basis dieser Untersuchungen werden für kombinierte Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen Matrixlegierungen auf Ni - bzw. Co - Basis entwickelt. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden agglomerierte und gesinterte, sowie mechanisch gemischte Pseudolegierungen auf unterschiedlichen HVOF Systemen spritztechnisch verarbeitet. Die detaillierten Untersuchungen dokumentieren, dass es möglich ist, hoch SiC - haltige Spritzschichten für Verschleiß- und Korrosionsanwendungen mittels HVOF herzustellen. Bei der Korrelation des SiC - Gehalts in den Spritzschichten zu den Prozessparametern kann ein deutlicher Zusammenhang zwischen der Prozesstemperatur sowie der Verweilzeit im Heißgasstrahl und dem SiC - Gehalt aufgezeigt werden. In den Untersuchungen können keine Zersetzungserscheinungen in den Spritzschichten nachgewiesen werden. Im Rahmen der vorwettbewerblichen Untersuchungen konnten die metallurgischen und prozesstechnischen Grundlagen für das Herstellen hoch SiC -haltiger Verbundschichten erarbeitet werden. Trotz der Komplexität der Zusammenhänge ergeben sich eindeutige, wissenschaftlich abgesicherte Richtlinien für die industrielle Umsetzung eines derartigen Schichtsystems, mit dem bis zu 60 Prozent der Beschichtungskosten für mittlere Verschleißbeanspruchungen eingespart werden können.

Das Ziel der Dissertation ist die Charakterisierung und Optimierung der Prozessbedingungen beim Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzen. Dazu werden diagnostische Methoden wie das LDA-Verfahren, die Bewertung von Schichten und numerische Betrachtungen herangezogen. Verschiedene Spritzzusatzwerkstoffe wie Massiv- und Fülldrähte sowie hoch- und niedrigschmelzende Materialien werden verarbeitet. Zur Bewertung der Gebrauchseigenschaften erfolgen Korrosions- und Verschleißtests. Aus den Untersuchungsergebnissen resultieren Hinweise und Konzepte zur Verbesserung der Brennertechnik. Die Entwicklung eines neuen HVCW-Systems wird vorgestellt, welches Spritzpartikelgeschwindigkeiten im Überschallbereich ermöglicht, die deutlich über denen klassischer Systeme liegen. In einem gesonderten Abschnitt der Dissertation wird ein neuartiges Verfahren zur Herstellung hydrolysefähigen Materials vorgestellt. Der hergestellte Al-Sn-Werkstoff zersetzt sich in Kontakt mit Wasser unter Abgabe großer Mengen Wasserstoff in kürzester Zeit vollständig.

Eine Möglichkeit der kostensenkenden Technologieentwicklung bei der Herstellung von Geschirrporzellan stellt das gleichzeitige Brennen von Scherben und Glasur im Einmal-Schnellbrand dar. Der Einsatz eines Gemisches aus organischen und anorganischen Additiven bringt dabei optimale Verarbeitungseigenschaften der Porzellangranulate hervor. Feinere Porzellangranulate sind in Verbindung mit einem Mindestanteil an geeigneten organischen Bindern industriell verpressbar. Daraus hergestellte Flachgeschirrartikel weisen ausreichende Gefügefestigkeiten und –dichten im ungebrannten Zustand und während des Brandes auf. Der Glasurauftrag erfolgte durch Spritzen. Eine spezielle Brennkurve ermöglicht eine ausreichend lange Entgasungsperiode vor dem Dichtsintern des Scherbens und dem Ausfließen der Glasur. Das Einsetzen einer Feuerpolitur nach Beenden der Haltezeit bei maximaler Brenntemperatur führt zu einer Verbesserung der Glasuroberflächenqualität.

Der vorliegende Artikel skizziert eine methodische Vorgehensweise zur Analyse und Gestaltung von Mensch-Technik Interaktionen, die die kognitiven Prozesse des menschlichen Bedieners/Nutzers explizit berücksichtigt (kognitionsbasierte Mensch-Technik Interaktion, Ko-MTI). Das Vorgehen ist eingebettet in die Konzeption Cyber-Physischer Systeme und erweitert diese explizit um die menschliche Perspektive. An einem Applikationsbeispiel aus der Oberflächentechnik (Thermisches Spritzen) wird die erste Ko-MTI Phase „Ganzheitliche Systemanalyse“ skizziert und anhand von Ergebnissen einer Beobachtungsstudie mit Eye-Tracking dargestellt.

Gas nitriding is known as a convenient process to improve the wear resistance of steel components. A precipitation-free hardening by low-temperature processes is established to retain the good corrosion resistance of stainless steel. In cases of thermal spray coatings, the interstitial solvation is achieved without an additional surface activation step. The open porosity permits the penetration of the donator media and leads to a structural diffusion. An inhomogeneous diffusion enrichment occurs at the single spray particle edges within the coating’s microstructure. A decreasing diffusion depth is found with increasing surface distance. The present study investigates an adjusted process management for low-temperature gas nitriding of high velocity oxy-fuel-sprayed AISI 316L coatings. To maintain a homogeneous diffusion depth within the coating, a pressure modulation during the process is studied. Additionally, the use of cracked gas as donator is examined. The process management is designed without an additional surface activation step. Regardless of surface distance, microstructural investigations reveal a homogeneous diffusion depth by a reduced processing time. The constant hardening depth allows a reliable prediction of the coatings’ properties. An enhanced hardness and improved wear resistance is found in comparison with the as-sprayed coating condition.

In der vorliegenden Arbeit wird ausgehend vom Stand der Wissenschaft und Technik für Ver-fahren und Werkstoffe des Titanlötens das Kaltgasspritzen in seiner Eignung als Vorbelo-tungsprozess beim löttechnischen Fügen von Titanlegierungen untersucht und qualifiziert. Die Parameter des Beschichtungsvorgangs werden dabei mit den resultierenden Schichtgefügen und späteren Lötergebnissen korreliert, wodurch eine Bewertung ermöglicht und ein Beitrag zum Verständnis der Mechanismen einer spritztechnischen Vorbelotung geliefert wird. Es werden dabei sowohl materialografische als auch mechanische Charakterisierungen durchge-führt. Ergänzt werden die Arbeitspunkte durch eine hochauflösende TEM-Untersuchung der Grenzfläche von kaltgasgespritzten Zink-Schichten und Aluminium-Substraten, die der Über-prüfung theoretischer Erkenntnisse zum Haftungsmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf Leichtmetallsubstraten dient. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion und Fol-gerung und gibt Empfehlungen für weiterführende Forschungen auf diesem Gebiet. / The present work qualifies the cold gas dynamic spray process (CGS) as a process for the application of braze filler coatings onto titanium alloy substrates. The work program results from needs and problems that were identified in the state-of-the-art of science and technology. The parameters of the coating process are correlated with the resulting coating microstruc-tures and the posterior brazing results. Materialographic and mechanic characterisations of the filler coatings and braze seams are carried out. Thereby, an evaluation of the braze filler ap-plication by cold gas spraying is permitted. In addition, high-resolution TEM investigations within the interfaces of a cold sprayed zinc coating and an aluminium base material proof the theory of the bonding mechanisms of CGS coatings on light weight metals. The work dis-cusses the achieved results and gives an outlook to continuative investigations in this field of science.

The investigation of high-entropy alloys (HEAs) has revealed many promising properties. HEAs with a high share of Al and Ti are suitable for the formation of lightweight materials. Investigations of the alloy system AlCoCrFeNiTi showed high strength, hardness, ductility, and wear resistance, which makes this special alloy interesting for surface engineering and particularly for thermal spray technology. In this study, the suitability of inert gas-atomised HEA powder for high-velocity-oxygen-fuel (HVOF) thermal spray is investigated. This process allows for high particle velocities and comparatively low process temperatures, resulting in dense coatings with a low oxidation. The microstructure and phase composition of the atomised powder and the HVOF coating were investigated, as well as the wear behaviour under various conditions. A multiphase microstructure was revealed for the powder and coating, whereas a chemically ordered bcc phase occurred as the main phase. The thermal spray process resulted in a slightly changed lattice parameter of the main phase and an additional phase. In comparison with a hard chrome-plated sample, an increase in wear resistance was achieved. Furthermore, no brittle behaviour occurred under abrasive load in the scratch test. The investigation of wear tracks showed only minor cracking and spallation under maximum load.