Werkstoffe – Entwicklungen und Perspektiven für zukünftige Anwendungen

Bericht über das 16. Werkstofftechnische Kolloquium und die 10. Industriefachtagung Oberflächen- und Wärmebehandlungstechnik am 5. und 6. September in Chemnitz

Das bereits zum 16. Mal stattfindende Werkstofftechnische Kolloquium, in diesem Jahr wieder zusammen mit der Industriefach­tagung zu Oberflächentechnik und Wärmebehandlung, ist seit vielen Jahren eine der wichtigen technisch-wissenschaftlichen Tagungen. Damit wird vor allem auch die hohe Kompetenz des Instituts für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik der Technischen Universität Chemnitz unter Leitung von Prof. Dr. Bernhard Wielage unterstrichen. Die diesjährige Veranstaltung wurde von Prof. Wielage, Prof. Dr. Thomas Lampke und Prof. Dr. Martin Wagner organisiert und bot mit 50 Fachvorträgen einen tiefen Einblick in die Entwicklungen auf dem Gebiet der Werkstofftechnik. Die Themenbereiche waren mechanische Werkstoffeigenschaften, Löten, das thermische Spritzen, die Funktionalisierung von Kohlenstofffasern, Beschichtung- und Oberflächentechnik sowie der Verschleiß und die thermomechanische Behandlung. Darüber hinaus wurde auf der diesjährigen Veranstaltung die Verleihung einer Ehrendoktorwürde an Prof. Dr. Dr. Lech Pawlowski gefeiert. Mehr als 200 Teilnehmer aus Wissenschaft und Wirtschaft waren am 5. und 6. September nach Chemnitz gekommen.

Eröffnung

Wie Prof. Dr. Wielage betonte, können sowohl die Werkstofftechnik als auch die Oberflächentechnik wichtige Anregungen und Lösungen zu Herausforderungen der Produktherstellung liefern. Der wissenschaftlichen Qualität entsprechend wurden die eingereichten Beiträge einer Prüfung unterzogen und drei der Beiträge wurden im Rahmen der Tagung prämiert.

16 Jahre Werkstofftechnisches Kolloquium­ (WTK) beinhalten nach den Worten von Prof. Wielage ein enormes Potenzial an Know-how; zahlreiche Neuerungen in der Industrie wurden in Gang gesetzt. Aber auch das große Interesse an den Entwicklungen in anderen Wissensgebieten sowie den Anwendern in der Industrie wird deutlich.

Der Prorektor für Wissens- und Technologietransfer an der TU Chemnitz, Prof. Dr. Andreas Schubert, zeigte sich erfreut, dass der Bereich Maschinenbau und Werkstofftechnik zum großen Interesse an der Prozesskette vom Werkstoff bis zur Oberflächentechnik beitragen kann. Dabei wurden bisher etwa 60 Millionen Euro pro Jahr an Forschungsmittel eingesetzt. Die Grundlagenforschung liegt in Chemnitz vor allem in den Bereichen Energietechnologie sowie Werkstoffverbunde und Verbundwerkstoffe, wobei die Mitgliedschaft in Spitzenclustern die Qualität zusätzlich auszeichnet. Dabei wird auch die Produktionstechnik mit Schwerpunkten belegt. Hierzu nannte Prof. Schubert zahlreiche Spezialbereiche mit hohem Forschungsanteil, die in unterschiedlichen Clustern und Forschungsgruppen konzentriert sind. Dabei wird auf die Förderung des Forschungsnachwuchses großen Wert gelegt. Viele Projekte werden mit den beiden in Chemnitz ansässigen Fraunhofer-Instituten, der Hochschule in Zwickau sowie mit zahlreichen Unternehmen in der Region durchgeführt. Veranstaltungen wie das WTK tragen zur Vertiefung bestehender Kontakte bei und bieten die Möglichkeit, neue Verbindungen zu knüpfen.

Prof. Dr. Thomas Lampke betonte, dass sich das WTK nicht nur zu einer festen Größe an der TU Chemnitz, sondern auch in der Branche entwickelt hat. Mit der Tagung ist nach seinen Worten der Name Wielage ganz besonders verbunden, der mit seinen Visionen und bestehende Kontakten zum Erfolg der Tagung, aber auch zur weiteren Entwicklung der Fachbereiche innerhalb der Forschung und Entwicklung maßgeblich beigetragen hat. Prof. Lampke dankte Prof. Wielage, der in diesem Jahr die Tagung zum letzten Mal eröffnete, für seine Arbeit. Derzeit läuft die Auswahl eines adäquaten Nachfolgers für den Bereich der Verbundwerkstoffe.

Patentwesen in Deutschland

Dr.-Ing. Carmen Steiniger eröffnete den fachlichen Teil der Tagung mit einer Betrachtung des Patentwesens und dessen weiterer Entwicklung in Deutschland und Europa. Im Vordergrund der Betrachtungen in diesem Bereich stehen die rechtlichen Entwicklungen, die in diesem Jahr durch zwei wichtige Gesetze beeinflusst wurden: einmal die EU-Verordnung 1257/2012 sowie ein Übereinkommen für ein einheitliches Patentgericht.

Bisher wird in der Regel in Deutschland zunächst ein deutsches Patent angemeldet, aus der dann ein europäisches Patent hervorgehen kann. Seit 1973 ist dies im europäischen Patentübereinkommen geregelt. Damit sollte mit einer Patentanmeldung in einer Sprache der Schutz in allen Mitgliedsstaaten erreicht werden. Problem ist hierbei, dass sich seither die Mitgliedsstaaten nicht auf eine einheitliche Sprache einigen konnten. Daher wird bis heute mit den drei Sprachen Deutsch, Englisch und Französisch gearbeitet, was aber von Spanien und Italien abgelehnt wird.

Zudem ist für Schutzrechte die Geltendmachung der Ansprüche in jedem einzelnen Staat erforderlich (mit entsprechender Gebührenentrichtung). Damit sind europäische Patentanmeldungen und -durchsetzungen mit viel Aufwand und hohen Kosten verbunden. Erleichterungen wurden in einigen Ländern (Deutschland, Großbritannien, Frankreich, Österreich, Schweiz, Liechtenstein, Luxemburg und Monaco) bezüglich der Sprache realisiert.

Als neu und vereinfachend kann nur das europäische Patent mit einheitlicher Wirkung bezeichnet werden. Wegen der Nichtunterzeichnung einiger EU-Staaten sowie der Nichtmitgliedschaft von euro­päischen Ländern mit Interesse am Patentschutz, ergibt sich für den Schutz eine parallele Existenz von EU-Patent und europäischem Bündel-Patent. Vorteil ist, dass nur ein Schriftstück existiert und nur ein Prüfer zuständig ist. Hierzu gibt es einheitliche Jahresgebühren, die an das Europäische Patentamt (EPA) zu richten sind. Nach Ablauf einer Übergangsfrist (6 bis 12 Jahre) wird keine Übersetzung des Patents erforderlich, es wird also in der jeweiligen Landessprache beschrieben. Dafür existiert bereits heute ein Übersetzungsprogramm für derzeit 19 Sprachen, das allgemein genutzt werden kann, um den Inhalt von Patenten in unterschiedlichen Sprachen zu erhalten.

Im Rahmen der Neuerungen ist vorgesehen, dass ab 1. Januar 2014 ein europäisches Patentgericht für europäische Patentsachen zuständig ist. Allerdings hat bis heute kein Staat das Abkommen ratifiziert, so dass der geplante Termin nicht eingehalten werden kann. So lange viele Dinge zum europäischen Patent noch nicht endgültig geklärt sind, empfiehlt die Referentin, sich mit der europäischen Patentanmeldung und dem Bündel-Patent zu befassen.

Verleihung der Ehrendoktorwürde

Den festlichen Mittelpunkt der Tagung bildete der Akademische Festakt am Abend des ersten Tagungstages. Mit musikalischer Umrahmung zeigte Prof. Dr. Gunther O. Hofmann die Bedeutung der Oberflächentechnik für die Medizin an zahlreichen Beispielen aus seinem Fachgebiet der Chirurgie. Im Anschluss daran wurde Prof. Dr. Dr. Lech Pawlowski die Ehrendoktorwürde verliehen, für die er sich mit einem Vortrag über seine Arbeiten bedankte.

Oberflächen in der Medizin

Prof. Dr. Gunther O. Hofmann stellte in seinem Festvortrag die Bedeutung der Oberflächen in der Medizin dar. Er betrachtete die Oberfläche aus der Sicht eines Handwerkers, in diesem Fall des Chirurgen. Dabei stand am Beginn seiner Ausführungen die Feststellung: Jedes Bauteil hat eine Oberfläche; und diese bestimmt, wie sich ein Bauteil im menschlichen Körper verhält. Es sind hier unterschiedliche Betrachtungen notwendig, da die Frage der Zeitdauer, die ein Implantat im Körper verbleibt, nicht unbedingt prinzipiell gegeben ist. Es ist zu berücksichtigen, dass Implantate unterschiedliche Funktionen erfüllen, wie beispielsweise die Abgabe von Medikamenten, und andererseits die Schädigung des Körpers durch Bildung von unkontrollierten Wucherungen hervorrufen können. Er betonte, dass Stoffe wie Nickel, Kobalt, Chrom oder Molybdän bei Vorliegen bestimmter Kombinationen sehr wohl Schäden auslösen, aber nicht prinzipiell. Zudem gibt es Fälle, in denen Implantate den Angriffen des Körpers nicht widerstehen. Mit Blick auf die Forschung äußerte er aus medizinischer Sicht den Wunsch, absolut resistente Materialien verfügbar zu haben.

Neben künstlichen Gelenken werden Implantate wie Katheder oder Stents in großen Mengen in den menschlichen Körper implantiert. Verbunden sind solche Eingriffe immer mit der Gefahr, dass Bakterien mit eingebracht werden, welche die Gesundheit gefährden können und beseitigt werden müssen. Diese Fälle verursachen nicht nur menschliches Leid, sondern auch hohe Kosten. Nach Aussage des Vortragenden belaufen sich die daraus entstehenden Kosten auf mehrere Milliarden Euro pro Jahr.

Die Forderungen richten sich daher auf Werkstoffe, die biokompatibel sind, wobei zu beachten ist, ob es sich um ein temporäres oder ein permanentes Implantat handelt. Dies bedeutet eine spezifische Anpassung der Oberfläche an den jeweiligen Fall. Ein weiterer Anspruch richtet sich auf eine gute Oberflächenbenetzung und -anhaftung, aber auch auf das Gegenteil, je nach Einsatzart. Des Weiteren ist die Oberfläche darauf auszurichten, in einer Anwendung Stoffe abzusondern, bei einer anderen nicht. Dagegen muss vermieden werden, unerwünschte Oberflächenfilme entstehen zu lassen. Besonders kritisch ist die Situation, wenn ein Gewebeschaden und ein Implantat mit nachteiliger Wirkung in Kombination auftreten. Hier reichen bereits etwa 100 Bakterien aus, um eine solche unerwünschte Situation entstehen zu lassen. Besonders kritisch als Werkstoff ist Polyethylen, der allerdings als reibbelastbarer Stoff erforderlich ist.

Für temporäre Implantate wären also Oberflächen wünschenswert, die Infektionsangriffe unterbinden, wie sie beispielsweise von Kupfer oder Silber bekannt sind. Als Werkstoffe für temporäre Implantate mit gleichzeitiger antibakterieller Wirkung kommen degradierbare Kunststoffe in Betracht. Die Verteilung des Antibiotikums auf der Oberfläche eines entsprechenden Implantats ist daraufhin zu optimieren, dass der Wirkstoff im richtigen Maß abgegeben werden kann.

Beim permanenten Implantat ist dagegen ein schnelles Einwachsen der beste Garant für eine gute Verträglichkeit, das heißt die Minimierung der Gefahr des bakteriellen Befalls. Hierfür wird häufig Hydroxiapatit eingesetzt. Auch plasmachemisch oxidierte­ Oberflächen zeigen entsprechend gute Eigenschaften, wobei in der Regel Titan als Substrat verwendet wird. Zum Abschluss wies der Vortragende allerdings darauf hin, dass es die ideale Oberfläche nicht gibt.

Laudatio

Die TU Chemnitz ist nach den Worten von Prof. Dr. Bernhard Wielage sehr erfreut, Prof. Dr. Lech Pawlowski von der Universität Limoges die Ehrendoktorwürde zu verleihen. Er bezeichnete den Geehrten als einen der herausragenden Wissenschaftler, was dieser unter anderem mit zwei Promotionen im Bereich des thermischen Spritzens unter Beweis gestellt habe. Vor drei Jahren hat Prof. Pawlowski die Leitung des führenden Instituts für Oberflächentechnik in Limoges, Frankreich, übernommen. Dabei setzte er sich stets in hohem Maße für die Zusammenarbeit der Hochschulen in Wroclaw, Chemnitz und Lille beziehungsweise Limoges ein. Er verfügt nicht nur über ein hohes wissenschaftliches Potenzial, sondern auch über ausgezeichnete didaktische­ Fähigkeiten. Darüber hinaus hat er sich mit der Initiierung von umfangreichen Forschungsprojekten einen Namen gemacht. Prof. Pawlowski ist nach den Worten von Prof. Wielage einer der führenden Wissenschaftler im Bereich des thermischen Spritzens, dessen Fachbücher zu den Standardwerken des Fachgebiets zählen. Bereits frühzeitig erkannte er, dass die Kenntnis der Werkstofftechnik für die Herstellung von Beschichtungen unerlässlich ist.

Prof. Schubert und Prof. Kroll überreichten gemeinschaftlich die Auszeichnung an Prof. Dr. Dr. Lech Pawlowski.

Schichtsysteme für die Medizintechnik

Zum Abschluss der Festveranstaltung gab Prof. Pawlowski einen Einblick in seine Sichtweise zu bedarfsgerechten Schichtsystemen für medizinische Anwendungen. Eine Hauptmotivation für die Medizintechnik liegt in der zunehmenden Alterung der Bevölkerung in Europa bei gleichzeitigem Erhalt der Fitness. Daraus erwächst nach den Worten des Vortragenden ein sehr großer Markt mit steigendem Potenzial. Insbesondere Hüft- und Zahnimplantate spielen hier die herausragende Rolle. Als Werkstoffe kommen bevorzugt rostfreier Stahl, Titan, Kobalt-Chrom-Legierungen und verschiedene Keramiken zum Einsatz. Dafür finden als Oberflächentechnik thermisches Spritzen, PVD-Techniken und Sol-Gel-Verfahren Anwendung. Metallische Biomaterialien werden durch Sintern und thermisches Spritzen hergestellt und weisen aufgrund ihres Herstellverfahrens bereits eine optimale Oberflächenstruktur für das Einwachsen auf. Die Technologie des Kaltgasspritzens besitzt nach Aussage des Vortragenden den Vorteil, dass keine Oxidation auftritt. In der Entwicklung befinden sich hierfür Verfahren wie das Laserauftragschweißen.

Bei den keramischen Biomaterialien haben sich Calciumphosphate aus sehr gut geeignet erwiesen, neben Hydroxylapatit oder Bioglas. Zur Verarbeitung eignet sich das Plasmaspritzen, das jedoch im Falle von Hydroxylapatit zu Inhomogenitäten und teilweisem Zersetzen des Ausgangsstoff führt. Zukunft haben nach der Durchführung von weiteren Forschungsarbeiten die Spritzverfahren mit Suspensionen. Damit lassen sich dünnere Schichten herstellen und somit der Verbrauch an Apatitpulver senken. Eine weitere Technologie mit Zukunft ist das Spritzen von Bioglas, das sich durch deutlich schnellere Biointegration auszeichnet. Dünne Schichten werden derzeit mittels Puls-Laserabscheidung hergestellt, die zudem eine sehr konstante Phasenzusammensetzung aufweisen. Dreidimensionale Strukturen lassen sich mittels Laser-Proto­typing erzeugen, wobei Pulver und Suspensionen als Ausgangsmaterialien eingesetzt werden. Für die Charakterisierung der Oberflächen werden nach den Worten von Prof. Dr. Pawlowski die klassischen Technologien eingesetzt.

Einen weiteren Schwerpunkt der Ausführungen bildete der Test der Einsatzfähigkeit von Implantaten in Form von In-vitro- und In-vivo-Tests. An zahlreichen Untersuchungen zeigte er Beispiele für die Wirkung der verschiedenen Oberflächentypen bei solchen Tests. Das Ziel ist hier stets die Schaffung von haftfesten Zellanwachsungen an der Implantatoberfläche, ohne die Bildung von Bakterienfilmen. Nach wie vor sind jedoch noch erhebliche Forschungsaufwendungen erforderlich.

Charakterisierung von Blechwerkstoffen

Prof. Halle stellte in den Mittelpunkt seines Vortrags die Messtechnik von Blechen unter biaxialer Belastung. Er eröffnete damit in einer Übersicht die Vorträge mit werkstofftechnischem Schwerpunkt. Als Werkzeug für die messtechnischen Untersuchungen kam FEM zum Einsatz, um das Verhalten bezüglich der Schädigung oder Rückfederung bei der Herstellung von Blechteilen, beispielsweise für die Automobilindustrie, vorhersagen zu können. Anhand von realen Spannungszuständen zeigen sich bereits die Unterschiede zwischen den Spannungszuständen auf Basis des einachsigen Zugversuchs und des Tiefziehversuchs. Damit wird auch klar, dass je nach betrachtetem Spannungszustand unterschiedliche Versuchsverfahren für die Bestimmung derer Größen herangezogen werden müssen.

Zur Simulation gibt es verschiedene Modelle, die mit unterschiedlichen Werten bezüglich des auftretenden Spannungszustands arbeiten. Je nach Werkstoff und je nach Modell kann eine erhebliche Zahl an Messungen erforderlich werden, um zu brauchbaren Ergebnissen zu kommen. Um die Werte in unterschiedlichen Spannungsrichtungen­ zu erhalten, wurde unter anderem der Kreuzzugversuch entwickelt, bei dem Spannungen in vier Richtungen aufgebracht werden. Dazu werden auch spezielle Blechproben mit unterschiedlichen Feinheiten hergestellt. Allerdings ergeben sich bei solchen unterschiedlichen Proben auch unterschiedliche Messwerte. Um den Unterschieden zu begegnen, entstand beispielsweise der hydraulische Tiefungstest (hydraulic bulge test), der zwar Einschränkungen bei den Spannungsspielräumen bedeutet, aber hohe Formänderungen ermöglicht.

Ein weiteres Verfahren ist der Schichtstauchversuch, bei dem mit übereinandergeklebten Blechen gearbeitet und die Veränderung der jeweiligen Bleche ermittelt wird. Vorteil ist hierbei die Nutzung einer einfachen Druckprüfmaschine. Eine weitere Entwicklung ist der biaxiale Druckversuch, der für Anfangsfließspannungen eine gute Eignung aufweist, bei dem also keine Fehler zu berücksichtigen sind, die erst bei höheren Verformungen (ab etwa 15 %) auftreten.

Für die Bestimmung der Fließspannungen wird auf verschiedene Methoden zurückgegriffen, die jedoch mehr oder weniger große Fehler besitzen. Als beste Variante empfiehlt der Vortragende die Methode der äquivalenten plastischen Arbeit, bei dem die beiden senkrecht aufeinander stehenden Achsen betrachtet und addiert werden.

Thermisches Spritzen

Zylinderinnenbeschichtung bei Motoren

Wie T. F. Linke einführend darlegte, werden zunehmend Motorblöcke aus Aluminium­legierungen eingesetzt, da diese eine hohe Gewichtseinsparung ermöglichen. Bisher werden dafür Zylinderlaufbuchsen verwendet, um die mechanischen und thermischen Belastungen im Zylinder bewältigen zu können. Als Ersatz für die Buchsen wurde ein Verfahren zum Beschichten durch thermisches Spritzen für die Zylinderinnenfläche direkt auf dem Aluminiumsubstrat entwickelt. Als Spritzwerkstoffe kommen Eisenbasislegierungen mit 0,07 % bis 0,9 % Kohlenstoff und Fülldrähte mit Legierungselementen wie Chrom, Nickel oder Kobalt zum Einsatz.

Dem Beschichten vorgeschaltet ist ein Aufrauen; nach dem Beschichten wird die Oberfläche gehont. Durch das Aufrauen wird die Haftung der Schicht merklich erhöht, wobei das mechanische Aufrauen deutlich bessere Haftungen ergibt. Durch das Honen wird eine funktionsgerechte Lauffläche erzielt, die Schichtdicke reduziert sich hierbei von etwa 500 Mikrometer auf 100 bis 150 Mikrometer. Sowohl die Poren der thermisch gespritzten Schicht als auch die Honriefen­ sorgen für die Aufrechterhaltung der Schmierwirkung. Die Poren werden durch den Spritzprozess und die Riefen durch das Honen gesteuert. Die Zylinderlaufflächen unterscheiden sich erkennbar, je nachdem welche Technologie für die Herstellung, welches Schmiersystem und welche Komponenten im Zylinder zum Einsatz kommen. Prinzipiell kann mit dem Verfahren die Effizienz des Motors um mehr als sechs Prozent verbessert werden.

Positionierung bei der Zylinderinnenbeschichtung

Im folgenden Beitrag ging J. König auf die Methoden zur genauen Positionierung von Elektroden zur Innenbeschichtung von Zylinderlaufflächen ein. Er schloss hiermit an die Ausführungen seines Vorredners an. Bei Daimler wird das neue Verfahren Nano­slide zum Ersatz der bisher üblichen Zylinderlaufbuchsen durch thermische Spritzschichten und anschließendes Spiegelhonen inzwischen großtechnisch eingesetzt.

Wie König erläuterte, ist die ideale Positionierung erwartungsgemäß die mittige, da hier die Spritzabstände stets gleich sind. In der Realität treten aber durchaus außermittige Positionen der Beschichtungslanze auf, woraus sich fehlerhafte Bauteile ergeben. Grund dafür sind Fertigungstoleranzen bei den Motoren, aber auch bei den Spritzanlagen selbst. Die Fehlerbehebung erfordert sehr aufwendige Messsituationen. Als gangbarer Weg erwies sich die Vermessung des Zylinders. Hierfür ist der Bedienungsroboter mit einem Tastsensor ausgestattet. Unter Anwendung von statistischen Verfahren konnte die Genauigkeit der Vermessung bis auf etwa zehn Mikrometer gesteigert werden. Zusätzlich kann das System aufgrund der hohen Messgenauigkeit auch für die Schichtdicke eingesetzt werden.

Anlagentechnologie

Die Verarbeitung von Pulvern mit Durchmessern unter zehn Mikrometern war das Thema von Götz Matthäus. Bei den hierfür eingesetzten Systemen wird das Pulver über eine Scheibe durch Steuern der Drehzahl gefördert. Eine zweite Variante ist die Verarbeitung von Suspensionen. Der Pulverstrom wird radial in die Düse eingespeist und dort in den Plasmastrahl eingemischt. Die feinen Pulverteilchen erlauben eine merkliche Verringerung der Porosität. Außerdem kann mit solchen Pulvern auch eine kolumnare Struktur hergestellt werden. Zudem ist es möglich, auch oxidations­anfällige Pulver, die mit kaltem Plasma arbeiten, zu verarbeiten.

Sehr harte, feine und kugelige Partikel haben ferner den Effekt, dass sie die Oberfläche reinigen und in das Substrat eindringen. Damit kann die Oberfläche besonders haftfest beschichtet werden. Durch Einsatz­ von ultrafeinen Pulvern wird die eingebrachte Energie deutlich reduziert, wodurch Innenräume und temperaturempfindliche Substrate beschichtbar sind. Bei Pulver mit Durchmessern von etwa sechs Mikrometer ergibt sich nach dem Beschichten eine sehr glatte Oberfläche mit Ra > 1 Mikrometer. Die Härten solcher Schichten betragen je nach verwendeten Stoffen bis zu 2000 HV0,3.

Verschleißeigenschaften

Lukas Lau gab einen Einblick in die Verschleißeigenschaften von Nano-HVOF-Schichten. Er wies darauf hin, dass die Porosität mit abnehmender Korngröße sinkt. Die Härten liegen bei diesen Schichten im Bereich von 1000 HV0,3 bis annähernd 1800 HV0,3. Solche Schichten wurden mit verschiedenen Verfahren auf Verschleißbeständigkeit hin untersucht. Es zeigte sich bei den unterschiedlichen Verfahren die Verbesserung der Verschleißbeständigkeit für Pulver mit kleineren Partikelgrößen. Wird die Verschleißbelastung durch eine schlagende Beanspruchung ergänzt, so reduziert sich bei steigender Härte die Verschleißbeständigkeit. Trotz der hohen Härte ist insgesamt ein gewisses duktiles Verhalten der Schichten festzustellen.

Beschichten von Keramik

Das thermische Spritzen bietet die Möglichkeit, nahezu jedes Substrat zu beschichten. Allerdings müssen zur Erzielung der notwendigen Haftung der Schicht besondere Vorbehandlungen des Substrats erfolgen. Stefan Scheitz befasste sich mit der Haftung von thermisch gespritztem Aluminiumoxid auf Aluminiumoxidkeramik, wobei die Struktur und die Porosität der Keramik in die Untersuchungen mit einflossen. Zur Verbesserung der Schichthaftung kommt in erster Linie eine Veränderung der Oberflächenrauheit des Substrats in Betracht. Dazu wurden die definierte Strukturierung mittels Laser und das Sandstrahlen mit unbehandelten Oberflächen verglichen. Während durch die Strahlbehandlung die Gefahr deutlich steigt, dass sich Risse und Defekte in der Keramik bilden, wird durch die Laserstrukturierung von vorgesinterten Substraten eine deutliche Verbesserung der Haftung erzielt, die sich besonders positiv bei dicken Schichten auswirkt.

Aluminiumschichten auf Aluminiumoxid

Rico Drehmann befasste sich mit dem Haftungsmechanismus von metallischem Aluminium auf Aluminiumoxid (Saphir). Hierbei wird von zwei Möglichkeiten ausgegangen: der mechanischen Verankerung der Schicht in Mikrorauheiten sowie bei sehr glatten Oberflächen der atomaren Anbindung in Verbindung mit Rekristallisation und heteroepitaktischem Wachstum. Für die Untersuchungen wurden unter anderem die Pulverfraktion, die Substrattemperatur beim Spritzen sowie die Temperatur einer Nachbehandlung variiert. Die Übergangsbereiche zwischen Schicht und Substrat wurden mittels REM und Elektronenmikroskopie untersucht. Bei polykristallinen Substraten wird demnach von einer mechanischen Verklammerung in Mikrorauheiten ausgegangen, während monokristalline, glatte Oberflächen durch epitaktisches Wachstum eine Schichthaftung erzielen.

Eigenschaften von Oxidkeramikschichten

Um Beschichtungen optimal einzusetzen, ist es erforderlich, deren Eigenschaften zu kennen. Lutz-Michael Berger gab in seinem Vortrag einen Überblick über die Eigenschaften von unterschiedlichen Materialsystemen aus Aluminium-, Chrom- und Titanoxid, die neben den Zweistoffsystemen und Zirkonoxid zu den wichtigsten Beschichtungsstoffen zählen. Verglichen wurden insbesondere Mikrostruktur, Phasenstruktur sowie tribologische, elektrische und Korrosionseigenschaften von Schichten, die mittels APS und HVOF hergestellt worden waren.

Thermisch gespritzte MAX-Phasen-Schichten

Eine neue Art von Beschichtungen mit keramischen und metallischen Eigenschaften­ sind MAX-Phasen-Schichten, die Richard Trache vorstellte. Bisher wurden MAX-Phasen in erster Linie durch Gasphasenabscheidung erzeugt und waren dünn. Das thermische Spritzen erlaubt es, dicke Schichten zu akzeptablen Kosten herzustellen. Zur Anwendung kommen hier Pulver aus Ti3SiC2und Ti2AlC. Zwar ließen sich mittels HVOF und APS dickere Schichten zwischen 100 Mikrometer und 200 Mikrometer herstellen. Die Schichten zeigten allerdings große Streuungen in der Härte (200 HV bis 1900 HV). Zudem besteht die Gefahr, dass sich die Pulver beim Spritzen zersetzen, ­wodurch die Eigenschaften der Schichten unvorhersagbar werden.

Versiegelung von Spritzschichten

Versiegelungen sind bei vielen Schichtsystemen dazu geeignet, deren Beständigkeit gegen Korrosion zu erhöhen. Allerdings wirken sich hier mechanische Belastungen der Oberfläche negativ auf die Korrosionsbeständigkeit aus. Thomas Lindner stellte eine neue Versiegelungsvariante vor, mit der diese Problematik behoben wird. Dazu wird auf eine thermisch gespritzte Schicht ein temperaturbeständiger Silikonkautschuk aufgebracht und dieser erneut mit einer gespritzten Schicht überdeckt. Die eingeschlossene Dichtungsschicht erhöht die Korrosionsbeständigkeit deutlich und zeigt zugleich eine gute Verschleißbeständigkeit.

• wird fortgesetzt

Prof. Dr. Wielage und Prof. Dr. Lampke mit Prof. Dr. Wagner (links, linkes Bild) und Prof. Dr. Dr. Pawlowski (Mitte, rechtes Bild) beim Empfang nach der Verleihung der Ehrendoktorwürde