Einflüsse ausgewählter Prozessparameter auf die Eigenschaften suspensionsgespritzter Wolframcarbid/Cobalt-Beschichtungen

Diese Arbeit hatte sich zwei Hauptziele gesetzt. Zum einen die Entwicklung einer sedimentationsstabilen WC/Co-Suspension und zum anderen das gezielte Aufbringen dieser Suspension mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF) mit anschließender Charakterisierung und Bewertung der mikro- bzw. nanostrukturierten WC/Co-Schichten. Zum Erreichen des ersten Hauptziels wurden die Eigenschaften einer wässrigen WC/Co-Suspension mit Hilfe eines Rheologieadditivs modifiziert. Die starke Sedimentationsneigung der dichten WC/Co-Partikel wurde dadurch unterbunden. Oszillationsrheologische Messungen bestätigten, dass die Suspension bei geringer Belastung sedimentationsstabil war. ... mehrBei höherer Beanspruchung der Suspension, wie sie bei der Förderung auftritt, blieb die Suspension jedoch fließfähig und konnte im Prozess verspritzt werden. Zur Verfolgung des zweiten Hauptziels wurden aus der Vielzahl an möglichen Einflussparametern zunächst die wichtigsten identifiziert. Der Einfluss der Spritzparameter auf die Schichteigenschaften wurde durch eine systematische Variation der Gaszusammensetzung, des Spritzabstands, der Suspensionsförderrate, der Additivkonzentration sowie einer Stickstoffzuführung untersucht. Die Charakterisierung und Bewertung der Schichten erfolgte hinsichtlich der Morphologie, der Phasenzusammensetzung sowie der mechanischen Ei-genschaften. Um den Prozess und die Eigenschaften der Schichten vollumfassend bewerten zu können, wurden die Partikelgeschwindigkeit sowie die Partikeltemperatur im Spritzstrahl analysiert.
Die Versuche haben gezeigt, dass nahezu mit allen Parametersätzen dichte, homogene Schichten erzielt werden konnten. Aufgrund der hohen Verbrennungstemperatur des eingesetzten Brenngases (Ethen) von knapp 3000 °C und einer daraus resultierenden Partikeltemperatur von über 2000 °C ist die Decarburierung so hoch, dass in den Schichten neben WC auch W2C und elementares Wolfram enthalten waren. Eine Reduktion der Partikeltemperatur, die jedoch noch nicht ausreichend war, um die Decarburierung zu unterbinden, konnte durch eine Erhöhung der Suspensionsförderrate sowie durch zugeführten Stickstoff erreicht werden. Mithilfe multipler linearer Regression konnten für einige Parameter Modellgleichungen aufgestellt werden, die eine Vorhersage der Zielgröße ermöglichten.
In dieser Arbeit ist es gelungen, sedimentationsstabile WC/Co-Suspensionen herzustellen, die einen stabilen Spritzprozess über einen weiten Parameterbereich ermöglichen. Es wurden homogene WC/Co-Schichten mit sehr geringerer Porosität abgeschieden, die durch eine Verminderung der Decarburierung und einer daraus resultierenden Optimierung der Schichteigenschaften das Potential haben, die Lücke zwischen Dünnschichtverfahren und Dickschichtverfahren zu schließen und ein Ersatz für Hartchrombeschichtungen zu werden.

This work had two main objectives. On the one hand, the development of a sedimentation-stable WC/Co suspension and, on the other hand, the targeted application of this suspension by means of high velocity oxygen fuel spraying (HVOF) with subsequent characterization and evaluation of the micro- or nanostructured WC/Co layers. To achieve the first main objective, the properties of an aqueous WC/Co suspension were modified using a rheology additive. The strong sedimentation tendency of the dense WC/Co particles was thereby suppressed. Oscillatory rheological measurements confirm that the suspension was sedimentation-stable at low loading. ... mehrHowever, at higher stresses on the suspension, as occurs during conveying, the suspension remained flowable and can be sprayed in the process. In order to pursue the second main objective, the most important parameters were first identified from the large number of possible influencing parameters. The influence of the spray parameters on the layer properties was investigated by systematically varying the gas composition, the spray distance, the suspension feed rate, the additive concentration and a nitrogen feed. The characterization and evaluation of the coatings was carried out with respect to morphology, phase composition and mechanical properties. In order to fully evaluate the process and the properties of the coatings, the particle velocity and the particle temperature in the spray jet were analyzed.
The tests showed that dense, homogeneous coatings were obtained with almost all parameter sets. Due to the high combustion temperature of the fuel gas used (ethene) of almost 3000 °C and a resulting particle temperature of over 2000 °C, decarburization was so high that the coatings contain W2C and elemental tungsten in addition to WC. A reduction in the particle temperature, which was still not sufficient to prevent decarburization, was achieved by increasing the suspension feed rate and adding nitrogen. With the help of multiple linear regression, model equations could be established for some parameters, which allowed a prediction of the target value.
In this work, it was succeeded in producing sedimentation-stable WC/Co suspensions that allow a stable spraying process over a wide range of parameters. Homogeneous WC/Co coatings with very low porosity were deposited, which, by reducing decarburization and thereby optimizing the coating properties as a result, have the potential to close the gap between thin film processes and thick film processes and to become a substitute for hard chrome coatings.