Non-destructive characterization of thermally sprayed cylinder coatings using laser-excited lock-in thermography

Zur Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren und der daraus resultierenden Reduktion des CO$_2$-Ausstoßes moderner Antriebsstränge ersetzten thermisch gespritzte Zylinderlaufflächen gegossene Zylinderbuchsen in den vergangenen Jahrzehnten. Um eine langlebige Funktionalität und Haltbarkeit moderner Verbrennungsmotoren zu gewährleisten, wird die Haftung solcher thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen an das Kurbelgehäuse laufend innerhalb der Großserienproduktion überwacht. Da die Haftung zwischen der Lauffläche und dem Kurbelgehäuse gegenwärtig nur mittels zerstörendem "Pull-off adhesion testing" (PAT$^{\scriptscriptstyle \textrm{TM}}$) gemessen werden kann, wird eine schnelle und zuverlässige zerstörungsfreie Prüfmethode benötigt, die das Bindungsverhalten der Zylinderlaufflächen bestimmen kann. ... mehrDas Auftreten von Bindungsfehlern innerhalb der Mikrostruktur verringert die Haftung der Zylinderlaufflächen. Deshalb zeigen zerstörungsfreie Temperaturleitfähigkeitsmessungen, die sensitive auf diese Defektmorphologie reagieren, vielversprechende Korrelationen zwischen den thermischen und mechanischen Eigenschaften der Laufflächen. Die Anwendung solcher Temperaturleitfähigkeitsmessungen als zerstörungsfreies Prüfverfahren zur Bewertung der Haftfestigkeit thermisch gespritzter Zylinderlaufflächen ist Gegenstand dieser Arbeit. Hierzu wird die laserangeregte Lock-In Thermographie verwendet, um Interferenzmessungen thermischer Wellen innerhalb lichtbogendrahtgespritzter Zylinderlaufflächen von PKW-Motoren zu untersuchen. Die daraus gemessenen Temperaturleitfähigkeitswerte der untersuchten Schichten zeigen signifikante Veränderungen innerhalb der Kurbelgehäuse, insbesondere entlang der Laufflächen. Darüber hinaus werden zerstörende Haftzugsmessungen und Mikrostrukturanalysen der untersuchten Zylinderlaufflächen durchgeführt, um die mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften zu beurteilen. Zusätzliche Bruchstellenanalysen nach den PAT$^{\scriptscriptstyle \textrm{TM}}$-Messungen ermöglichen die quantitative Beurteilung des adhäsiven und kohäsiven Versagens der Schicht. Die Untersuchungen der Zusammenhänge zwischen der Temperaturleitfähigkeit, des Haftzuges und der Mikrostruktur ergeben bedeutende Korrelationen zwischen diesen beobachteten Größen.

Improving the efficiency of combustion engines and thus reducing CO$_2$ emissions emissions of modern powertrains, thermally sprayed cylinder coatings replaced cast iron liners over the last decades. In order to guarantee the life-long functionality and durability of modern combustion engines, the bond strength of thermally sprayed cylinder coatings to the crankcase is one crucial property continuously monitored during the large-scale production of modern powertrains. However, since the bond strength between cylinder coating and crankcase substrate presently can only be measured by destructive "Pull-off adhesion testing" (PAT$^{\scriptscriptstyle \textrm{TM}}$), a fast and reliable non-destructive method characterizing the bonding behavior of cylinder coatings is highly desired. ... mehrAs the presence of defects in the microstructure lowers the bond strength of cylinder coatings, assessing the defect morphology by defect-sensitive non-destructive thermal diffusivity measurements shows promising correlation between thermal and mechanical behavior. The application of thermal diffusivity measurements as a non-destructive testing method to evaluate the bond strength of thermally sprayed cylinder coatings is discussed in this work. Laser-excited lock-in thermography is used to apply thermal wave interferometry (TWI) measurements on wire arc sprayed cylinder coatings of passenger car engines. Measured thermal diffusivity values of these coatings show significant variations within the crankcases especially along the investigated liners. Further, destructive bonding testing as well as microstructural analysis of the investigated cylinder coatings are acquired to evaluate mechanical and microstructural properties. Additional fracture analysis after PAT$^{\scriptscriptstyle \textrm{TM}}$ allows to quantify the amount of adhesive and cohesive failure of the coating systems. Investigations of the relationship between thermal diffusivity, bonding behavior and microstructure result in major correlations between the observed quantities.