Walzen mit präziser Druckleistung in der Papierindustrie, Offshore-Ausrüstungen in aggressivem Salzwasser: Beschichtungen schützen diese Komponenten auch unter rauen Bedingungen. Insbesondere thermische Beschichtungsverfahren wie das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS) oder das 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 Mikrometern appliziert werden.
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 gezielte Oberflächengüte zu erreichen, müssen die bespritzten Bauteile daher oftmals aufwendig mechanisch nachbearbeitet oder versiegelt werden. Andere Beschichtungstechnologien wie die chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung (CVD, PVD) erlauben ultradünne Schichten unter 10 Mikrometern; allerdings lassen sich mit diesen Verfahren keine großen Flächen veredeln. Vielmehr profitieren nur kleine Werkzeugeinsätze wie etwa Wendeschneidplatten von einer CVD- oder PVD-Beschichtung.
Thermisch gespritzte Schichten zwischen 10 und 50 Mikrometern
Forscher des Fraunhofer IKTS haben nun die Voraussetzung dafür geschaffen, extrem glatte, beständige Schichten auch auf großflächigen Komponenten herzustellen – ohne zeit- und kostenintensiver Nachbearbeitung. Sie entwickelten Suspensionen für das thermische Spritzen, die an Stelle der bisher genutzten Pulver eingesetzt werden, und erreichen damit neue Beschichtungsqualitäten und -eigenschaften. Dafür kommen noch feinere, in Wasser oder organischen Lösungsmitteln dispergierte Submikro- und Nanopartikel zum Einsatz, die als reines Pulver nicht verspritzt werden können.
„Beim thermischen Suspensionsspritzen entstehen extrem stabile, dünne Schichten zwischen 10 und 50 Mikrometern. Durch die homogenen Suspensionen reduzieren wir bisherige Rauheiten von über 5 auf einen Mikrometer, bei deutlich geringerem Materialeinsatz“, erläutert Dr. Annegret Potthoff, Leiterin der Gruppe Pulver- und Suspensionscharakterisierung am Fraunhofer IKTS. Darüber hinaus sind erstmals funktionelle Oberflächen möglich: Sie können zum Beispiel mit photokatalytisch aktiven Schichten versehen werden, durch die etwa Medikamentenrückstände in Abwasseraufbereitungsanlagen nachhaltig abgebaut werden können.
Vom Feedstock zum optimierten Bauteil
Die Suspensionen werden am Fraunhofer IKTS in einem 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.
Neben den 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.
Katrin Schwarz ist Pressereferentin des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS).
