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.

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.

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.

Das Ziel dieser Dissertation besteht darin, einen Beitrag zur technologischen, ökonomischen und ökologischen Weiterentwicklung der anodischen Verfahren zur Oberflächenkeramisierung von Aluminium zu leisten. Die Arbeit ist in zwei thematische Schwerpunkte untergliedert. Im ersten Teil wird für die Hartanodisation eine hinsichtlich eines geringeren Energieeinsatzes optimierte Elektrolytzusammensetzung identifiziert und mit einem optimierten galvanostatischen Pulsmuster simultan appliziert. Im Ergebnis kann die Gesamtleistungsaufnahme um ca. 6 % reduziert werden, ohne die mechanischen Eigenschaften der Oxidschichten zu mindern. Im zweiten Schwerpunkt werden das Lichtbogen- und das Flammspritzen mit der plasmaelektrolytischen anodischen Oxidation kombiniert, um verschleißbeständige Aluminiumoxidschichten auf Stahl-, Titan- und Magnesiumsubstraten zu applizieren. Neben einer umfangreichen Mikrostrukturanalyse (REM, EDX, XRD, EBSD) werden die mechanischen Eigenschaften der Schichten untersucht und mit atmosphärisch plasmagespritzten Al2O3-Schichten verglichen. Insbesondere Oxidschichten auf lichtbogengespritztem AlCu4Mg1 zeigen dabei eine hohe Härte sowie eine sehr gute Verschleißbeständigkeit. / The aim of the present work is to contribute to the technological, economic and ecological improvement of the anodic processes for the surface ceramization of aluminum. The work is subdivided into two thematic priorities. In the first part, for the hard anodizing process an optimized electrolyte composition for a lower energy input is identified and applied simultaneously with an optimized galvanostatic pulse regime. As a result, the total power consumption can be reduced by approximately 6% without reducing the mechanical properties of the oxide coatings. In the second focus, arc and flame spraying are combined with plasma electrolytic anodic oxidation to apply wear resistant aluminum oxide coatings on steel, titanium and magnesium substrates. In addition to a comprehensive microstructural analysis (SEM, EDX, XRD, EBSD), the mechanical properties of the layers are investigated and compared with atmospheric plasma sprayed Al2O3 coatings. In particular, oxide layers formed on arc sprayed AlCu4Mg1 coatings show a high hardness as well as very good wear resistance.

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.

A solution-hardening of AISI 316L stainless-steel powder was conducted. The expansion of the crystal lattice and a strong increase in the nanoindentation hardness confirm the successful diffusion of carbon and nitrogen in the interstices. A multiphase state of the powder feedstock with phase fractions of the metastable S-phase (expanded austenite) mainly at the particle’s edge, and the initial austenitic phase within the core was found. Thermal spraying using high velocity oxy-fuel (HVOF) and atmospheric plasma spraying (APS) prove the sufficient thermal stability of the Sphase. Microstructural investigations of the HVOF coating reveal the ductility of the S-phase layer, while the higher heat load within the APS cause diffusion processes with the initial austenitic phase. The lattice expansion and the nanoindentation hardness decrease during thermal spraying. However, the absence of precipitates ensures the sufficient heat stability of the metastable S-phase. Even though further efforts are required for the thermochemical treatment of powder feedstock, the results confirm the feasibility of the novel powder treatment approach.