Die Habilitation befasst sich mit neuen Verfahren und Anwendungen des Thermischen Spritzens, beleuchtet anhand einer internationalen Umfrage den Forschungsbedarf der Branche und liefert zahlreiche Lösungen, die im Rahmen von grundlagenorientierten und industrienahen Forschungsvorhaben erarbeitet wurden. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Verbesserung individueller Arbeitsschritte der Prozesskette des Thermischen Spritzens, wobei Ergebnisse aus den Bereichen Werkstoffentwicklung, Prozessoptimierung, Qualitätssicherung und Nachbearbeitung zusammengeführt und durch konkrete Anwendungsbeispiele hinterlegt werden. Im Detail werden die Aspekte Herstellung leistungsfähiger und preiswerter Spritzzusätze (Wasserverdüsung von Metallpulvern, Hochenergiekugelmahlen, Agglomerieren und Sintern sowie Fülldrahtherstellung), die Verbesserung der Prozessführung (numerisch optimierte Spritzbrenner und automatisierbare Online-Prozessdiagnostikmethoden) und die Steigerung der Leistungsfähigkeit der Beschichtungen durch mechanische Nachbearbeitung sowie Versieglung behandelt. Anwendungsbezogen werden das Beschichten von Hochleistungspolymeren und CFC-Leichtbaustrukturen untersucht. Um Anknüpfungspunkte für weiterführende Forschungsarbeiten zu schaffen, schließt die Arbeit mit der Darstellung von Entwicklungstrends und zeigt Arbeitsgebiete auf, die perspektivisch von thermisch gespritzten Schichten profitieren können.

Die Habilitation befasst sich mit neuen Verfahren und Anwendungen des Thermischen Spritzens, beleuchtet anhand einer internationalen Umfrage den Forschungsbedarf der Branche und liefert zahlreiche Lösungen, die im Rahmen von grundlagenorientierten und industrienahen Forschungsvorhaben erarbeitet wurden. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Verbesserung individueller Arbeitsschritte der Prozesskette des Thermischen Spritzens, wobei Ergebnisse aus den Bereichen Werkstoffentwicklung, Prozessoptimierung, Qualitätssicherung und Nachbearbeitung zusammengeführt und durch konkrete Anwendungsbeispiele hinterlegt werden. Im Detail werden die Aspekte Herstellung leistungsfähiger und preiswerter Spritzzusätze (Wasserverdüsung von Metallpulvern, Hochenergiekugelmahlen, Agglomerieren und Sintern sowie Fülldrahtherstellung), die Verbesserung der Prozessführung (numerisch optimierte Spritzbrenner und automatisierbare Online-Prozessdiagnostikmethoden) und die Steigerung der Leistungsfähigkeit der Beschichtungen durch mechanische Nachbearbeitung sowie Versieglung behandelt. Anwendungsbezogen werden das Beschichten von Hochleistungspolymeren und CFC-Leichtbaustrukturen untersucht. Um Anknüpfungspunkte für weiterführende Forschungsarbeiten zu schaffen, schließt die Arbeit mit der Darstellung von Entwicklungstrends und zeigt Arbeitsgebiete auf, die perspektivisch von thermisch gespritzten Schichten profitieren können.

Das Ziel dieser Arbeit ist die ganzheitliche Erfassung der Haftmechanismen zwischen Metallbeschichtungen (Kupfer, Aluminium) und Polymersubstraten (Polyetheretherketon) funktionalisiert durch Draht-Lichtbogenspritzen. Hierzu werden die Vorbehandlung sowie der Applikationsprozess erforscht. An den hergestellten Fügeverbindungen erfolgen unterschiedliche mechanische Versuche zur Ermittlung der Hafteigenschaften und der Auswirkungen des Beschichtungsvorgangs auf die Substrate. Zur Analyse des Interfaces kommen mikroskopische (REM, TEM, HR-TEM), spektroskopische (EDX) und diffraktometrische (SAED, XRD) Verfahren zum Einsatz. Anhand der Ergebnisse erfolgt die Durchdringung des Anbindungsprozesses. Die thermisch und mechanisch bedingten Einflüsse auf das Substrat sowie dessen Eigenschaftsprofil sind in ihrer geometrischen Ausdehnung (mikroskopisch) begrenzt. Die Bestätigung für die mechanische Verklammerung wird erbracht. Durch eine HR-TEM-Untersuchung des Interfaces erfolgt der Nachweis von Oxiden und Hydroxiden. Diese stellen die Voraussetzung für physikalisch und chemisch bedingte Haftmechanismen dar.:1 Einleitung und Problemstellung 19 2 Stand von Wissenschaft und Technik 21 2.1 Hochpolymere Werkstoffe 21 2.1.1 Bildungsreaktionen 21 2.1.2 Einteilung der Polymere 24 2.1.3 Mechanische und thermische Eigenschaften 28 2.2 Thermisches Spritzen nach DIN EN 657 28 2.2.1 Draht-Lichtbogenspritzen 30 2.2.2 Substratvorbehandlung nach DIN EN 13507 31 2.2.3 Analyse von thermisch applizierten Schichten 33 2.2.3.1 Haftzugfestigkeit (DIN EN 582) 33 2.2.3.2 Eigenspannungen 37 2.3 Polyetheretherketon als Konstruktions- und Substratwerkstoff 41 2.4 Haftmechanismen zwischen Polymer und Metall 47 2.4.1 Haftungstheorien 47 2.4.2 Resultierende Gesamthaftung 55 2.4.3 Metalloxid-Polymer-Komplexe 56 3 Zielstellung und methodische Vorgehensweise 59 4 Metallisierung von Polyetheretherketon 62 4.1 Analyse der Substratwerkstoffe 62 4.2 Auswahl der Spritzzusatzwerkstoffe 67 4.3 Substratvorbehandlung 68 4.4 Applikation metallischer Schichten durch Draht-Lichtbogenspritzen 77 5 Ergebnisse und Diskussion 85 5.1 Metallographische Analyse 85 5.2 Mechanische Charakterisierung des funktionalisierten Polyetheretherketon 90 5.2.1 Nano-Eindringprüfung 90 5.2.2 Haftzugversuch 95 5.2.3 Zugversuch und Grauwertanalyse 102 5.2.4 Scratch-Test 109 5.2.5 Biegeversuch 115 5.2.6 Schlagbiegeversuch (CHARPY) 119 5.2.7 Fazit der mechanischen Charakterisierung 122 5.3 Eigenspannungsanalyse (Krümmungsmethode) 124 5.4 Analyse des Interfaces 129 5.4.1 Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenspektroskopie 129 5.4.2 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) 134 6 Fazit 142 7 Zusammenfassung 144 8 Ausblick 147 9 Literaturverzeichnis 148 10 Anhang 156 / The aim of this work is the holistic detection of the adhesion mechanisms between metal coatings (copper, aluminum) and polymer substrates (polyetheretherketone) functionalized by wire arc spraying. For this purpose, the pretreatment and the application process are researched. Different mechanical tests are carried out on the manufactured joints to determine the adhesive properties and the effects of the coating process on the substrates. For the analysis of the interface, microscopic (SEM, TEM, HR-TEM), spectroscopic (EDX) and diffractometric (SAED, XRD) methods are used. Based on the results, the investigation of the connection process is carried out. The ther-mally and mechanically conditioned influences on the substrate as well as its property profile are limited in their geometrical extent (microscopically). The confirmation for the mechanical clamping is provided. An HR-TEM examination of the interface reveals the presence of oxides and hydroxides. These are the requirements for physically and chemically induced adhesive mechanisms.:1 Einleitung und Problemstellung 19 2 Stand von Wissenschaft und Technik 21 2.1 Hochpolymere Werkstoffe 21 2.1.1 Bildungsreaktionen 21 2.1.2 Einteilung der Polymere 24 2.1.3 Mechanische und thermische Eigenschaften 28 2.2 Thermisches Spritzen nach DIN EN 657 28 2.2.1 Draht-Lichtbogenspritzen 30 2.2.2 Substratvorbehandlung nach DIN EN 13507 31 2.2.3 Analyse von thermisch applizierten Schichten 33 2.2.3.1 Haftzugfestigkeit (DIN EN 582) 33 2.2.3.2 Eigenspannungen 37 2.3 Polyetheretherketon als Konstruktions- und Substratwerkstoff 41 2.4 Haftmechanismen zwischen Polymer und Metall 47 2.4.1 Haftungstheorien 47 2.4.2 Resultierende Gesamthaftung 55 2.4.3 Metalloxid-Polymer-Komplexe 56 3 Zielstellung und methodische Vorgehensweise 59 4 Metallisierung von Polyetheretherketon 62 4.1 Analyse der Substratwerkstoffe 62 4.2 Auswahl der Spritzzusatzwerkstoffe 67 4.3 Substratvorbehandlung 68 4.4 Applikation metallischer Schichten durch Draht-Lichtbogenspritzen 77 5 Ergebnisse und Diskussion 85 5.1 Metallographische Analyse 85 5.2 Mechanische Charakterisierung des funktionalisierten Polyetheretherketon 90 5.2.1 Nano-Eindringprüfung 90 5.2.2 Haftzugversuch 95 5.2.3 Zugversuch und Grauwertanalyse 102 5.2.4 Scratch-Test 109 5.2.5 Biegeversuch 115 5.2.6 Schlagbiegeversuch (CHARPY) 119 5.2.7 Fazit der mechanischen Charakterisierung 122 5.3 Eigenspannungsanalyse (Krümmungsmethode) 124 5.4 Analyse des Interfaces 129 5.4.1 Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenspektroskopie 129 5.4.2 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HR-TEM) 134 6 Fazit 142 7 Zusammenfassung 144 8 Ausblick 147 9 Literaturverzeichnis 148 10 Anhang 156

Thermochemische Randschichthärteverfahren ermöglichen eine ausscheidungsfreie Einlagerung von Kohlenstoff bzw. Stickstoff innerhalb des austenitischen Mischkristalls. Im Zusammenhang mit einer Randschichtbehandlung thermisch gespritzter Schichtsysteme stellen die charakteristischen Strukturmerkmale eine bislang weitgehend unerforschte Einflussgröße für die Beurteilung von Diffusionsprozessen dar. Bei der Verarbeitung von randschichtgehärtetem Pulver durch Verfahren des thermischen Spritzens ist die Phasenstabilität des Spritzzusatzwerkstoffs von übergeordneter Bedeutung. Die beiden Möglichkeiten einer Verfahrenskombination werden für hochgeschwindigkeitsflamm- und atmosphärisch plasmagespritzte Schichtsysteme des Werkstoffs EN 1.4404 durch systematische Prozess- und Parametervariation eingehend betrachtet. Für die einzelnen Schichtsysteme werden Einflussfaktoren struktur- und prozessspezifisch sowie in Abhängigkeit vom Anreicherungsmedium erfasst und im Kontext der Massivwerkstoffreferenz eingeordnet. Die daraus abgeleiteten allgemeingültigen Aussagen zu verfahrenstechnischen Wechselwirkungseffekten ermöglichen eine anwendungsorientierte Verfahrensauswahl bzw. Entwicklungsstrategie. / Thermochemical surface hardening enables a precipitation-free solvation of carbon or nitrogen on interstices of the austenitic crystal lattice. However, the interplay of the diffusion mechanisms with the structural properties of thermal spray coatings has not yet been understood. Thermal spraying of surface-hardened powders is a further opportunity, where the phase stability of the feedstock material is of crucial importance. A process and parameter study is conducted on high velocity oxy-fuel and atmospheric plasma spraying of AISI 316L considering both basic concepts. Structural and process-specific influence factors are examined for the different coating systems in comparison to the bulk material reference. Correlation effects are determined allowing for an application-oriented process selection or development strategy.

Hochentropielegierungen stellen einen neuen Entwicklungsansatz metallischer Werkstoffe ohne ein eigenschaftsbestimmendes Hauptelement dar. Die zielgerichtete Übertragung der bisher überwiegend an Massivwerkstoffen ermittelten Eigenschaften in die Beschichtungstechnik erfordert die Kenntnis der bestimmenden Einflussfaktoren. Für die Schichtherstellung werden die Verfahren des thermischen Spritzens betrachtet. Hierfür wird eine geeignete Prozessroute ermittelt. Die detaillierten Untersuchungen zu den Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen erfolgen an Legierungen mit variabler Struktur. Diese werden anhand von thermodynamischen Parametern sowie Untersuchungen an schmelzmetallurgisch hergestellten Massivwerkstoffen ausgewählt. Zur Bewertung des Einflusses der Größe der Strukturmerkmale, der Heterogenität und möglicher Ungleichgewichtszustände werden schmelz- und pulvermetallurgisch hergestellte Massivwerkstoffe als Referenz betrachtet. Die geplanten Forschungsarbeiten tragen zu einem Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehung von Hochentropielegierungen bei. Weiterhin wird eine geeignete Prozessroute für die pulvermetallurgische Verarbeitung sowie für Anwendungen in der Oberflächentechnik ermittelt.

Die funktionsorientierte Messtechnik ist gegenwärtig für die Optimierung von Herstellung und Endbearbeitung thermisch gespritzter, tribologisch belasteter Kontakte unterrepräsentiert. Obwohl sich das Leitmotiv „Messen, Analysieren und Verbessern“ wie ein roter Fa-den durch gängige Standards (ISO/TS 16949, VDA 6.1, …) zieht, werden kaum effektive Verbesserungspotenziale identifiziert und industriell umgesetzt. In der Praxis wird vor allem die Stückzahl von fehlerbehafteten Teilen mittels statistischer Methoden gesteuert und geregelt (IPC 9199/DGQ-Band 16). Werden Fehlerzustandspopulationen in Softwaresystemen auf solche Weise identifiziert, verifiziert und mitigiert, so spricht man gem. IEC 62304 von Black-Box-Testing. Solange der Ertrag stimmt, steht die Zahl nicht zurückweisbarer Güter im Vordergrund und nicht, ob die Ereignisse im Produktentstehungsprozess beherrschten Regeln folgen. Im Gegensatz hierzu steht das sog. White-Box-Testing. Es bietet die Möglichkeit, Qualität nach DIN 55350 Teil 11 (sowie DIN ISO 9126) entlang aller Hilfs-, Stütz-, Wertschöpfungs- und Nutzungsvorgängen der Produkte konsistent zu behandeln. Das White-Box-Testing wird in der Fertigung von tribologischen Kontakten jedoch bisher nicht angewendet. In der vorliegenden Arbeit wird aufgezeigt, warum dieser Ansatz bei erstmaliger Implementierung zwar aufwändiger, umfassender Analysen bedarf, über das veränderte Leitmotiv im Gesamten jedoch die Erfolgsaussichten von Optimierungsinitiativen steigert. „Wie etwas Positives funktioniert“ wird dabei alternativ zur Frage, „wie etwas Schlechtes“ zu verhindern ist, behandelt. Über die Methodik hinaus werden konkrete Werk-zeuge vorgeschlagen, funktionsorientierte Konformitätszustände über den Fingerabdruck der Werkstoffbelastung zu identifizieren, in smarten und vernetzten Mess- und Prüfketten zu überwachen, zu regeln sowie mittels Leistungskennzahlen zu beurteilen.:1 EINLEITUNG UND MOTIVATION 1.1 Ausgangsituation 1.2 Allgemeine Bewertungskriterien der Zylinderlaufbahn 1.3 Beurteilungsformen fertigungstechnischer Aspekte 1.3.1 Verfahrensbeurteilung der Endbearbeitung und Herstellung 1.3.2 Beurteilung von Verfahrensanwendungen unter Gesichtspunkten industrieller Messtechnik 1.4 Zusamenfassung und Rezension existierender Konzepte zur Qualitätssicherung der technischen Oberfläche 2 FORSCHUNGSBEDARF UND THEMATISCHE EINGRENZUNG 2.1 Bestimmung des Untersuchungsgegenstandes 2.2 Problemstellung Anomalien thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen in Serie und Vorserie 2.2.1 Konsekutive Phänomene der Materialauftragungen sowie Mikrofresser in motorischer Belastung und vorheriger Endbearbeitung 2.2.2 Beeinflusste Materialparameter durch Endbearbeitung und Auswirkungen auf die Laufstabilität/ Fressneigung 2.2.3 Limitierung in der Anwendung und Deutung genormter Parameter industrieller Oberflächenmesstechnik 2.3 Hypothesen und theoretischer Ansatz 2.4 White-Box-Ansatz zur funktionsorientierten Herstellung und Endbearbeitung 3 UMFELDANALYSE ZUR METHODENENTWICKLUNG 3.1 Einordnung existierender theoretischer Modelle und Konzepte 3.2 Tribologische Systemgrößen Zylinderlaufbahn im Betrieb und während der Endbearbeitung 3.2.1 Reibungsszustände 3.2.2 Verschleißmechanismen und -kenngrößen 3.2.3 Schmierung 3.2.4 Nutz- und Verlustgrößen, Tribologische Prüfungen 3.3 Gegenwärtige Gestaltung und Ausführung der Zylinderlaufbahn 3.3.1 Zylinderlaufbahnkonzepte 3.3.2 Einfluss moderner Konzepte der Kolbengruppe und der Schmierung 3.3.3 Topographie und abgeleitete Endbearbeitungskonzepte 3.3.4 Honen von Zylinderbohrungen 3.4 Tribologie der Endbearbeitung als Schlüssel zu funktionsgerechten Oberflächen 3.4.1 Abtragsvorgänge beim Honen und Superfinishen 3.4.2 Oberflächenanalytik zur Beschreibung von Abtragsmechanismen 3.4.3 Kraftdynamik in der Endbearbeitung 3.4.4 Kombinierte Technologie: Sensitives-adaptives Honen und Superfinishen 3.5 Thermisches Spritzen von Zylinderlaufflächen 3.5.1 Vorgänge des Werkstoffauftrags im Zuge des Thermischen Spritzens 3.5.2 Lichtbogendrahtspritzen, LDS 3.5.3 Zerstäubung und Spritzstrahlausprägung 3.5.4 Auftreffen und Erstarrung der Spritzpartikel im Schichtverbund 3.6 Werkstoffintegrität der LDS-Spritzschicht 4 ABLEITUNG UND FESTLEGUNG FUNKTIONSRICHTIGER MESSSTRATEGIE 4.1 Begründung und Verwertung des White-Box-Testing-Ansatzes 4.2 Werkstoffparameter funktionaler Oberflächen 4.2.1 Struktureigenschaften und Festigkeit 4.2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften 4.3 Technische Oberfläche, lang- und kurzwellige Gestaltabweichungen 4.3.1 Skalenabhängige, geometrische Kontaktbedingungen 4.3.2 Meso- und Mikrokontakt der Zylinderlauffläche 4.4 Operationalisierung der Testhypothese 5 NUTZUNG MESSTECHNISCH RÜCKFÜHRBARER WECHSELWIRKUNGEN FÜR HERSTELLUNG UND ENDBEARBEITUNG 5.1 Funktionsorientierte, definierte Variation lokalisierter Fertigungsmerkmale 5.1.1 Endbearbeitung der Spritzschicht 5.1.2 Herstellung der Spritzschicht 5.1.3 Spezifikation und Verifikation varianter Merkmale der Laufbahn 5.2 Versuchseinrichtung und -bauteile zur Methodenentwicklung 5.2.1 Ausführung im Sinne des White-Box-Testings 5.2.2 Flachproben 5.2.3 Zylinder 6 ANWENDUNG FUNKTIONSORIENTIERTER WERKZEUGE IM QUALITÄTSREGELKREIS 6.1 Verifikationsstrategie 6.2 Spezifische Merkmale der Werkstoffbelastung in Fertigung und Tribometrie 6.3 Fehlerinduktion, -Verifikation und -Behandlungsroutine im geschlossenen Qualitätsregelkreis 6.3.1 Charakterisierung zuordbarer Zylinderlaufbahnperformanceabweichungen 6.3.2 Rückverfolgbare Messkette von tribologischer Belastung über die Endbearbeitung bis zur Herstellung 6.3.3 Werkstoffintegrität als Einflussgröße in der Endbearbeitung und Tribometrie 6.4 Ermittlung von Leistungskennzahlen während der Fertigung mit Auswirkung auf das Verhalten bei tribologischer Prüfung zur Qualitätsregelung 7 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN UND TABELLEN 10 ANHANG 10.1 Messtechnische Grundlagen, Stichwortverzeichnis 10.2 Oberflächenunvollkommenheiten nach DIN EN ISO 8785 10.3 Weiterführende Ergebnisse der Analyse von Oberflächenunvollkommenheiten 10.4 Ausgewählte Ergebnisse im Zuge der Zusammenarbeit und Veröffentlichung Hick et al. 2018 [336] (nicht in der Form veröffentlichtes Material) / Function-oriented measurement technology is currently underestimated when it comes to optimizing layer production and finishing of thermally sprayed, tribologically stressed contacts. Although the fundamental premise 'measure, analyse and improve' runs like a common thread through all the common standards (ISO/TS 16949, VDA 6.1, ...), hardly any effective improvement potentials are identified and realized with industrial profit. In today’s industrial applications, the number of defective parts is controlled and regulated using conventional statistical methods (IPC 9199/DGQ Volume 16). This is a so-called “black box testing” according to IEC 62304 when used at error management in software applications for identifaction, verification and mitigation. Finally, quantitative production output is focussed and not the inner operating system’s processes of the manufacturing system or interdependencies at product use. Opposite to this, the so-called “white box testing” alternatively focuses on the inner functioning of the processes and the quality of its results according to DIN 55350 Part 11 (as well as DIN ISO 9126) at each value-added process from production to product use on an equal footing. While this approach is more elaborate and demanding because of wide-ranging analysis, in the presented work it is demonstrated why it is more promising at holistic optimisations efforts in terms of the leitmotiv with the question 'how something positive works' versus the more conventional defensive recognized question 'how something bad can be prevented'. However, white box testing has not yet been used in manufacturing of tribological contacts. In addition to the methodology, concrete tools are proposed to identify function-oriented states of conformity via the fingerprint of the material load, to monitor and regulate them in smart, networked measurement and test chains using suitable performance indicators.:1 EINLEITUNG UND MOTIVATION 1.1 Ausgangsituation 1.2 Allgemeine Bewertungskriterien der Zylinderlaufbahn 1.3 Beurteilungsformen fertigungstechnischer Aspekte 1.3.1 Verfahrensbeurteilung der Endbearbeitung und Herstellung 1.3.2 Beurteilung von Verfahrensanwendungen unter Gesichtspunkten industrieller Messtechnik 1.4 Zusamenfassung und Rezension existierender Konzepte zur Qualitätssicherung der technischen Oberfläche 2 FORSCHUNGSBEDARF UND THEMATISCHE EINGRENZUNG 2.1 Bestimmung des Untersuchungsgegenstandes 2.2 Problemstellung Anomalien thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen in Serie und Vorserie 2.2.1 Konsekutive Phänomene der Materialauftragungen sowie Mikrofresser in motorischer Belastung und vorheriger Endbearbeitung 2.2.2 Beeinflusste Materialparameter durch Endbearbeitung und Auswirkungen auf die Laufstabilität/ Fressneigung 2.2.3 Limitierung in der Anwendung und Deutung genormter Parameter industrieller Oberflächenmesstechnik 2.3 Hypothesen und theoretischer Ansatz 2.4 White-Box-Ansatz zur funktionsorientierten Herstellung und Endbearbeitung 3 UMFELDANALYSE ZUR METHODENENTWICKLUNG 3.1 Einordnung existierender theoretischer Modelle und Konzepte 3.2 Tribologische Systemgrößen Zylinderlaufbahn im Betrieb und während der Endbearbeitung 3.2.1 Reibungsszustände 3.2.2 Verschleißmechanismen und -kenngrößen 3.2.3 Schmierung 3.2.4 Nutz- und Verlustgrößen, Tribologische Prüfungen 3.3 Gegenwärtige Gestaltung und Ausführung der Zylinderlaufbahn 3.3.1 Zylinderlaufbahnkonzepte 3.3.2 Einfluss moderner Konzepte der Kolbengruppe und der Schmierung 3.3.3 Topographie und abgeleitete Endbearbeitungskonzepte 3.3.4 Honen von Zylinderbohrungen 3.4 Tribologie der Endbearbeitung als Schlüssel zu funktionsgerechten Oberflächen 3.4.1 Abtragsvorgänge beim Honen und Superfinishen 3.4.2 Oberflächenanalytik zur Beschreibung von Abtragsmechanismen 3.4.3 Kraftdynamik in der Endbearbeitung 3.4.4 Kombinierte Technologie: Sensitives-adaptives Honen und Superfinishen 3.5 Thermisches Spritzen von Zylinderlaufflächen 3.5.1 Vorgänge des Werkstoffauftrags im Zuge des Thermischen Spritzens 3.5.2 Lichtbogendrahtspritzen, LDS 3.5.3 Zerstäubung und Spritzstrahlausprägung 3.5.4 Auftreffen und Erstarrung der Spritzpartikel im Schichtverbund 3.6 Werkstoffintegrität der LDS-Spritzschicht 4 ABLEITUNG UND FESTLEGUNG FUNKTIONSRICHTIGER MESSSTRATEGIE 4.1 Begründung und Verwertung des White-Box-Testing-Ansatzes 4.2 Werkstoffparameter funktionaler Oberflächen 4.2.1 Struktureigenschaften und Festigkeit 4.2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften 4.3 Technische Oberfläche, lang- und kurzwellige Gestaltabweichungen 4.3.1 Skalenabhängige, geometrische Kontaktbedingungen 4.3.2 Meso- und Mikrokontakt der Zylinderlauffläche 4.4 Operationalisierung der Testhypothese 5 NUTZUNG MESSTECHNISCH RÜCKFÜHRBARER WECHSELWIRKUNGEN FÜR HERSTELLUNG UND ENDBEARBEITUNG 5.1 Funktionsorientierte, definierte Variation lokalisierter Fertigungsmerkmale 5.1.1 Endbearbeitung der Spritzschicht 5.1.2 Herstellung der Spritzschicht 5.1.3 Spezifikation und Verifikation varianter Merkmale der Laufbahn 5.2 Versuchseinrichtung und -bauteile zur Methodenentwicklung 5.2.1 Ausführung im Sinne des White-Box-Testings 5.2.2 Flachproben 5.2.3 Zylinder 6 ANWENDUNG FUNKTIONSORIENTIERTER WERKZEUGE IM QUALITÄTSREGELKREIS 6.1 Verifikationsstrategie 6.2 Spezifische Merkmale der Werkstoffbelastung in Fertigung und Tribometrie 6.3 Fehlerinduktion, -Verifikation und -Behandlungsroutine im geschlossenen Qualitätsregelkreis 6.3.1 Charakterisierung zuordbarer Zylinderlaufbahnperformanceabweichungen 6.3.2 Rückverfolgbare Messkette von tribologischer Belastung über die Endbearbeitung bis zur Herstellung 6.3.3 Werkstoffintegrität als Einflussgröße in der Endbearbeitung und Tribometrie 6.4 Ermittlung von Leistungskennzahlen während der Fertigung mit Auswirkung auf das Verhalten bei tribologischer Prüfung zur Qualitätsregelung 7 ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN UND TABELLEN 10 ANHANG 10.1 Messtechnische Grundlagen, Stichwortverzeichnis 10.2 Oberflächenunvollkommenheiten nach DIN EN ISO 8785 10.3 Weiterführende Ergebnisse der Analyse von Oberflächenunvollkommenheiten 10.4 Ausgewählte Ergebnisse im Zuge der Zusammenarbeit und Veröffentlichung Hick et al. 2018 [336] (nicht in der Form veröffentlichtes Material)

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.

Mittels thermischer Plasmen werden Hartstoffschichten auf der Basis von Silicium - SiC, Si3N4 sowie ternäre Si-C-N Verbindungen, aus flüssigen Single Precursoren synthetisiert. Durch die hohen Abscheideraten von bis zu 1.500 µm/h wird das hohe Potenzial der Beschichtungswerkstoffe für den Schutz von Bauteilen, die starken Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen insbesondere bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, bei wirtschaftlich interessanten Prozesszeiten nutzbar. Der Einfluss der Precursorstruktur und der Prozessführung auf die Mikrostruktur der Schichten sowie die Abscheiderate wird systematisch erarbeitet. Zur Schichtcharakterisierung kommen Lichtmikroskopie, REM, EDX, XRD und im Fall röntgenamorpher Schichten FTIR zum Einsatz. Das Verwenden unterschiedlicher thermischer Plasmen erlaubt das Einstellen eines weiten Prozessfeldes. Mit Hilfe von Enthalpiesonden Messungen werden die Einflüsse der Maschinenparameter auf den Prozesszustand untersucht. Die Ergebnisse sind in einer Prozess - Gefügekarte zusammengefasst. Da das Gefüge der Schichten die Eigenschaften im Einsatz bedingt, bieten diese Arbeiten die Grundlage für das reproduzierbare Herstellen von Schichten mit angepassten Eigenschaften. Über die emissionsspektroskopischen Analysen zu den plasmachemischen Reaktionen gelingt es, die Schichtabscheidemechanismen in Abhängigkeit von den Prozessparametern zu klären und einen Ansatz für eine online Prozesskontrolle zu erarbeiten.

The key to success in separation of liquid mixtures is the efficient creation and utilization of vapour-liquid contact area. By packing the column with gas-liquid contact devices such as structured packing, the vapour-liquid contact area can be increased. However, the efficiency of these packed columns depends strongly on the local flow behaviour of the liquid and vapour phase inside the packing. The aim of this work was to develop three-dimensional CFD models to study the hydrodynamic behaviour on the corrugated sheets of packing. Different approaches are possible to simplify the problem and to extend it for more complex flow scenarios. In this work, three-dimensional CFD simulations were performed to study the complete fluid-dynamic behaviour. This was performed in two steps. As a first step, the developed model was validated with experimental studies using a simplified geometry i.e., an inclined plate. The three-dimensional Volume-of-Fluid (VOF) model was utilized to study the flow behaviour of the gas-liquid countercurrent flow. The influence of the liquid surface tension was taken into consideration using the Continuum Surface Force (CSF) model. The wetting characteristics of liquids with different viscosity (1 and 5 mPas) and contact angle (70° and 7°) were studied for different flow rates. Three different mixtures (water, water-glycerol (45 wt. %) and silicon-oil (DC5)) were considered. Initially, the rivulet width of experiments and simulations were compared and an error of 5 % maximum was determined. The results were also in good agreement with earlier studies. The percentage of wetting due to changes in flow rate, viscosity and contact angle was compared and discussed. For all tested systems, excellent agreement between the experiments and simulation studies was found. In addition, profiles of the velocity in the film at film flow conditions over a smooth inclined plate obtained from simulations were compared with experimental profiles obtained using a μPIV technique. A detailed sensitivity study was also performed in order to understand the changes in the velocity profiles due to small change in liquid flow rate, temperature and inclination angle. As a next step, the developed model was extended to geometries resembling real corrugated sheets of packing used in industrial applications. In earlier numerical studies of structured packing, geometries were simplified to enable easy meshing and faster computation. In this work, the geometries of corrugated sheets of packing were developed without any simplification and the flow behaviour was studied using the model validated in the first step. The flow behaviour on sheets with different geometrical modifications such as smooth and triangular crimp surfaces as well as perforations on the sheets were numerically studied and quantitatively compared with experimental studies for the three different fluid test systems. The agreement between the simulations and experiments was within an acceptable range for all system. The difference in the interfacial area between the corrugated sheets of a packing with and without perforation was analyzed and the prediction ability of different empirical correlations for the interfacial area available in literature was also compared and discussed. Furthermore, the numerical study was extended to understand the influence of the second corrugated sheet. Studying the flow behaviour between two sheets experimentally is very challenging, especially inside opaque packing. The model proved to be a very suitable tool to study the hold-up of the liquid between two sheets, the change in wetting behaviour due to small change in liquid inlet position. The results are also in good agreement with the earlier experimental studies, where researchers measured the liquid hold-up mainly in the region where two corrugated sheets touch each other. The three-dimensional CFD model was validated to study the flow behaviour on corrugated sheets of packing. The results from the simulations agree very well with findings from the experimental studies in terms of wetting and hold-up.

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.