Funktionskeramische Schichten durch thermokinetische Beschichtungsverfahren

Die Beschichtung und Oberflächenveredelung von Bauteilen und Systemkomponenten aus unterschiedlichsten Grundwerkstoffen trägt wesentlich dazu bei, deren technisches und wirtschaftliches Leistungspotential im modernen Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Energietechnik auszuschöpfen. Eine besonders hohe Wertschöpfung wird bei der Herstellung und Applikation keramischer Funktionsschichten erreicht. Dabei sind neben deren thermo- und elektrophysikalischen auch tribologische Funktionseigenschaften von großer Bedeutung. Aufgrund der physikalischen und chemischen Stoffeigenschaften sind die Verfahren des thermokinetischen Beschichtens, - herkömmlich auch das „thermische Spritzen“ genannt -, zur Erzeugung von Schichten aus hochschmelzenden Keramiken, Metallen und Cermets mit einer Dicke zwischen etwa 20 und 500 µm besonders geeignet. Die außerordentliche Komplexität dieser hochenergetischen Beschichtungsverfahren ausgehend von speziellen Verfahren der Rohstoff-(Spritzzusatzwerkstoff-)aufbereitung, deren präziser Förderung und Dosierung und schließlich der Verarbeitung unter mehreren Phasenübergängen vom festen pulverförmigen über den kurzzeitig flüssigen in den zur Schicht konsolidierten festen Zustand stellt den Fertigungstechniker vor große Herausforderungen. Dabei sind Temperaturgradienten von mehreren 1000 K, Gas- und Partikelgeschwindigkeiten bis in den Überschallbereich und extrem intensive Wärme- und Stoffübergangsvorgänge zwischen dem heißen partikelbeladenen Gasstrahl und dem Substrat nichts Ungewöhnliches. Die methodische Behandlung dieser Phänomene stellt besonders hohe Anforderungen und erfordert einen interdisziplinären Lösungsansatz. Ein wissenschaftlich moderner Ansatz hält den Blick auf die gesamte Prozeßkette der Herstellung von funktionskeramischen Oberflächen bzw. auf die Herstellung von Schichtverbundwerkstoffen gerichtet. Damit gewinnen Aspekte der Werkstückvorbehandlung und Wärmeführung und der Werkstoffmechanik einerseits und solche der Prozeßsteuerungs- und -regelungstechnik aber auch der Produktionsplanung und -steuerung andererseits die ihnen aus Sicht des Fertigungstechnikers gebührende Bedeutung. Gleiches gilt auch für die Fein- und Fertigbearbeitung solcher Hartstoffoberflächen und Verbundwerkstoffbauteile. In dem vorliegenden Werk werden unter Beachtung dieses methodischen Ansatzes zwei Ziele verfolgt. Nach einer umfassenden Analyse und Beschreibung des Stands der Technik, die sämtliche relevanten werkstoffkundlichen, prozesstechnischen und diagnostischen Aspekte mit einbezieht, werden zuerst in einer vergleichenden Studie die besonderen Leistungsmerkmale der unterschiedlichen Verfahren des thermokinetischen Beschichtens im Hinblick auf die Produktentwicklung mit keramischen Funktionsschichten betrachtet. Anschließend werden wichtige eigene Forschungs- und Entwicklungsbeispiele zur fertigungstechnischen Umsetzung und neue Anwendungen, welche das Potential dieser Verfahren verdeutlichen, aufgezeigt.