Innovative Beschichtungen für ein längeres Flugzeugleben
Beim Kaltspritzablagerungsverfahren werden Pulverpartikel bei Temperaturen, die deutlich unterhalb ihres Schmelzpunktes liegen, in einem Gasstrahl (Helium) auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Im Projekt COLA (Coaxially laser assisted cold spray) verwendeten die Forscher eine Variante der Kaltspritztechnik, bei der die Verwendung von kostspieligem Helium nicht erforderlich ist. Bei dem Verfahren wurde auch eine Laserbestrahlung angewandt, durch die die Oberfläche weicher und die Partikelabscheidung erleichtert wird. Das Team entwickelte zwei Prototypen mit omnidirektionalen Sprühköpfen, die eine ringförmige Anordnung von Diodenlasern aufweisen, um auf diese Weise verschiedene kommerzielle Kältesprays nutzen zu können. Die Laser wurden koaxial um maßgeschneiderte, prozessoptimierte, austauschbare Pulverdüsen angeordnet. Benutzergesteuerte Elemente bieten maßgeschneiderte Strahlformen zur Erhitzung der Substrate. Darüber hinaus konnten die Wissenschaftler mit einem integrierten Konzept zur Kontrolle der Substrattemperatur mithilfe von mehreren axial angeordneten Wärmesensoren die Oberflächentemperatur steuern. Beide lasergestützten Kältespray-Systeme produzierten hochwertige dichte Schichten, die eine Oxidation und Spannungsrisskorrosion bei den Bauteilen verhindern. Durch den Verzicht auf die Verwendung von Helium, welches man durch Stickstoff ersetzte, wurde das im Projekt COLA entwickelte Verfahren erschwinglicher. Im Vergleich zu anderen Verfahren erreichte die Beschichtung mit lasergestütztem Kältespray auch höhere Abscheidungsraten. Insbesondere wurde die Nickel- und Kupferlegierungsabscheidung durch die Laserbestrahlung viermal effizienter als das herkömmliche Kaltspritzverfahren. Zudem verringerte sich dadurch die Porosität auf 0,1 %, der Sauerstoffgehalt konnte unter 0,2 % gehalten werden, und die erzeugten Schichten wiesen einen Härtegrad auf, der 80 % über dem der Substrate lag. Kosteneffizientere bronzebeschichtete Stahlteile mit geringerem Gewicht finden in einer Vielzahl von Industriezweigen Verwendung. Dazu gehören die chemische Industrie, die Wasserentsalzung, der Schiffbau, die Energieerzeugung, das Verkehrswesen, das Bauwesen und die Eisen- oder Stahlindustrie. Stahle, die mit einer Nickel-Legierung beschichtetet werden, werden für Anwendungen benötigt, die entweder eine hohe Korrosionsbeständigkeit, wie bei Batterien und Kraftfahrzeugbauteilen, oder formbare Reparaturarbeiten mit geringer Belastung erfordern, wie beispielsweise Eisenguß. Bei Luftfahrzeugen sollte man mit dem neu entwickelten Verfahren hochwertigere Bauteilen für Flugtriebwerke fertigen können, für die eine lange Lebensdauer prognostiziert wird, um somit die Sicherheit der Passagiere zu gewährleisten. Neben Nickel und Kupfer verspricht das im Projekt COLA entwickelte Verfahren auch die Nutzung anderer Werkstoffe.
Schlüsselbegriffe
Beschichtungen, Korrosion, Kältespray, Luft- und Raumfahrt, Helium, lasergestützt
