Neues Beschichtungsverfahren für Verbundmaterialien

Funktionale Werkstoffe für Menschen und Maschinen

21.09.2010 - Deutschland

Beschichtete Materialien und Werkstoffe haben einen hohen Stellenwert im Maschinenbau, in der Luftfahrt sowie in der Energie- und Medizintechnik. Thermokinetische Beschichtungsverfahren machen metallische und keramische Werkstoffe zu hochwertigen Funktionsmaterialien wie beispielsweise thermisch gespritzte Wärmedämmschichten in Flugturbinen und Biofunktionsschichten auf Endoprothesen (Gelenkprothesen). Am Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile an der Uni Stuttgart (IFKB) erforscht man neue Beschichtungsverfahren, bei denen Suspensionen mit Überschallgeschwindigkeit auf den Werkstoff aufgebracht werden. Auf diese Weise ist es zum Beispiel möglich, extrem harte Schichten herzustellen, die eine sehr hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen.

Bei den klassischen Verfahrensvarianten werden die Spritzzusatzwerkstoffe in fester Form meist als Pulver oder Drähte einem Brenner zugeführt. Dort wird das Material aufgeschmolzen, im Heißgas beschleunigt und in Form feiner, schmelzflüssiger Tropfen auf die Werkstückoberfläche aufgebracht. Die Partikel erreichen dabei teilweise mehrfache Schallgeschwindigkeit, was zu entsprechend hoch verdichteten Schichtstrukturen führt. Mit neuen Forschungsansätzen will man das Spektrum der Spritzzusatzwerkstoffe erweitern. Prinzipiell lassen sich in einen Beschichtungsbrenner auch flüssige Spritzzusätze in Form einer Lösung oder Suspension zuführen. Die Anwesenheit eines Lösungsmittels birgt dabei gleich mehrere interessante Möglichkeiten. Extrem feine Pulver im submikron oder nanoskaligen Bereich, die auf mechanische Weise nicht mehr transportierbar und verarbeitbar sind, lassen sich in Form einer Suspension mit Hilfe spezieller Pumpen oder mittels druckbasierter Fördersysteme präzise und sicher in das Beschichtungsaggregat transportieren. Dies ist vor allem für die Verarbeitung von Nanopulvern von großem Vorteil. Über Art und Zusammensetzung des Lösungsmittels kann dem Prozess zusätzlich Energie zugeführt oder entzogen werden, womit man die thermische Belastung der in der Suspension befindlichen Pulverwerkstoffe steuern kann.

Die Stuttgarter Wissenschaftler haben dafür das überschallschnelle Suspensionsflammspritzverfahren entwickelt und verarbeiten damit oxidkeramische Werkstoffe, Kalziumphosphatkeramiken und spezielle Biogläser zu neuartigen Funktionsschichten. (Biogläser besitzen die Fähigkeit zur Biomineralisation, sie bilden in Kontakt mit Körperflüssigkeit auf ihrer Oberfläche eine Schicht aus Hydroxylapatit.) Aus nanoskaligen Chromoxidpulvern werden beispielsweise Hartstoffüberzüge hergestellt, die extreme Schichthärten aufweisen. Und aus nanoskaligem Titanoxidpulver lassen sich Schichten abscheiden, die als Funktionsschichten in trockenlaufenden oder mangelgeschmierten Reibpaarungen eingesetzt werden können und eine sehr gute Verschleißbeständigkeit aufweisen. Diese Schichten wurden unter anderem schon erfolgreich auf Zylinderlaufflächen in Leichtmetallkurbelgehäusen von Otto- und Dieselmotoren appliziert.

Das Verfahren ermöglicht auch die Herstellung bioresorbierbarer Schichten auf Basis suspensionsgespritzter Biogläser. Durch die neuartigen Schichten wird das Knochenwachstum stimuliert und auf diese Weise für ein verbessertes Einwachsverhalten von Hüft- und Kniegelenksimplantaten gesorgt.

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