Extrem glatte, beständige Schichten, die die Oberflächen veredeln, auch auf großflächigen Komponenten herzustellen – das wollen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Dresden, ermöglichen. Die Voraussetzungen für diese neue Form der Oberflächenveredelung sind schon geschaffen: Die Dresdener entwickelten Suspensionen für das thermische Spritzen, die an Stelle der bisher genutzten Pulver eingesetzt werden, und erreichen damit neue Beschichtungsqualitäten und -eigenschaften – ohne zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung.
Solche Schichten sind gefragt. Walzen mit präziser Druckleistung in der Papierindustrie oder Offshore-Ausrüstungen in aggressivem Salzwasser werden durch Beschichtungen auch unter rauen Bedingungen geschützt. Insbesondere thermische Beschichtungsverfahren, wie das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS) oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), kommen hier bislang zum Einsatz. Auf Basis von keramischen oder metallischen Pulvern können Isolations-, Korrosions- und Verschleißschutzschichten auf Maschinen- und Anlagenkomponenten zwischen 100 und 500 μm appliziert werden.
Bisherige Verfahren der Oberflächenveredelung hatten Grenzen
Die verwendeten Pulverpartikel sind zwar so fein wie Mehl und die Schicht dünner als eine Chipkarte – trotzdem weist eine solche Oberfläche unter dem Mikroskop eine hohe Rauheit auf. Um eine hohe Oberflächengüte zu erreichen, müssen die bespritzten Bauteile daher oftmals aufwendig mechanisch nachbearbeitet oder versiegelt werden. Andere Beschichtungstechnologien erlauben zwar ultradünne Schichten unter 10 µm. Allerdings lassen sich mit diesen Verfahren keine großen Flächen veredeln.
Nanopartikel für das thermische Suspensionsspritzen
Für das am IKTS entwickelte Verfahren werden noch feinere, in Wasser oder organischen Lösungsmitteln dispergierte Submikro- und Nanopartikel verwendet, die als reines Pulver nicht verspritzt werden können. „Beim thermischen Suspensionsspritzen entstehen extrem stabile, dünne Schichten zwischen 10 und 50 Mikrometer. Durch die homogenen Suspensionen reduzieren wir bisherige Rauheiten von über fünf auf einen Mikrometer bei deutlich geringerem Materialeinsatz“, erläutert Dr. Annegret Potthoff, Leiterin der Gruppe Pulver- und Suspensionscharakterisierung am Fraunhofer IKTS. Darüber hinaus seien erstmals funktionelle Oberflächen möglich. Sie können zum Beispiel mit photokatalytisch aktiven Schichten versehen werden, durch die Medikamentenrückstände in Abwasseraufbereitungsanlagen nachhaltig abgebaut werden.
Vom Feedstock zum optimierten Bauteil
Die Suspensionen werden am Fraunhofer IKTS im nach DIN EN ISO/EC 17025 akkreditierten Labor hinsichtlich Feststoffgehalt, Korngrößenverteilung und Viskosität für jede Anwendung individuell angepasst. „In erfolgreicher Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS konnten wir die gesamte Prozesskette und bestehende Anlagentechnik auf Suspensionen adaptieren. Die am IWS entwickelten Hardwarekomponenten, wie Suspensionsförderer und -injektor, können leicht in bestehende Spritzanlagen integriert werden“, berichtet Dr. Potthoff.
Oberflächenveredelung mit Keramik und Metall
Neben unterschiedlichen keramischen Werkstoffen, wie Chrom-, Aluminium- oder Zirkonoxid, können erstmals auch Hartmetalle defektfrei thermisch gespritzt werden. Außerdem erlaubt die Technik gradierte Schichtsysteme, mit denen zum Beispiel thermische und mechanische Eigenschaften kombiniert werden können.
