Die Herstellung von Keramikbeschichtungen auf Metallsubstraten kann die Eigenschaften keramischer und metallischer Werkstoffe zu Verbundwerkstoffstrukturen und -produkten verbinden und entwickelt sich zu einem wichtigen Zweig des modernen Hightech-Bereichs für Verbundwerkstoffe und -produkte. Aufgrund der Flexibilität des Verfahrens und der großen Vielfalt spritzbarer Materialien wird die thermische Spritztechnik in immer mehr Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Petrochemie, Elektronik und Elektrotechnik, Automobilindustrie, Medizin, Schifffahrt, Bergbau usw. eingesetzt.
Die thermische Spritztechnik ist ein Verfahren, bei dem das Spritzmaterial mithilfe einer Wärmequelle nur bis zum geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand erhitzt und mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf das vorbehandelte Substrat gespritzt und dort abgeschieden wird, um eine Beschichtung zu bilden, die der Substratoberfläche besondere Funktionen verleiht.
Anwendung thermisch gespritzter Keramikbeschichtungen
Keramiken sind kristalline oder amorphe Verbindungen aus metallischen und nichtmetallischen Elementen. Zusammen mit metallischen Werkstoffen und Polymerwerkstoffen bilden sie die drei Säulen der festen technischen Werkstoffe. In der modernen Werkstoffkunde werden Metallkeramiken und andere anorganische nichtmetallische Werkstoffe der Kategorie der Keramiken zugeordnet, wodurch diese zu einer großen Werkstofffamilie mit zahlreichen Arten und Funktionen geworden ist. Allgemein gilt: Jedes Material, das nach dem Erhitzen geschmolzen oder plastisch verformbar werden kann, kann als Beschichtungsmaterial für das thermische Spritzen verwendet werden. Neben metallischen Werkstoffen können auch Keramiken für thermische Korrosionsschutzbeschichtungen eingesetzt werden. Häufig verwendete keramische Werkstoffe für das thermische Spritzen sind hauptsächlich Oxidkeramiken wie Al2O3, Cr2O3 und ZrO2. Nichtoxidische Keramiken wie Karbide werden üblicherweise unter Verwendung von Metalllegierungen als Bindemittel zu metallbasierten Keramikverbundwerkstoffen verarbeitet. Da Nitride sehr spröde sind und eine geringe Oxidationsbeständigkeit aufweisen, werden sie nur selten eingesetzt.
Keramische Beschichtungen können entsprechend ihren Anwendungsbereichen in mehrere Kategorien eingeteilt werden: verschleißbeständige Keramikbeschichtungen, korrosionsbeständige Keramikbeschichtungen, keramische Wärmedämmbeschichtungen, biokeramische Beschichtungen und piezoelektrische Keramikbeschichtungen.
1. Verschleißbeständige Beschichtungen
Statistiken zeigen, dass die durch Verschleiß und Korrosion verursachten Verluste etwa 3%-5% des Bruttoinlandsprodukts der Industrieländer ausmachen, während sie in Entwicklungsländern bis zu 10% betragen. Dadurch nimmt die Leistungsfähigkeit von Bauteilen während der Verarbeitung und Produktion ab, bis sie schließlich ausfallen. Die thermische Spritztechnik wird seit jeher als eines der wichtigsten Verfahren zur wirksamen Verschleißminderung und zum Korrosionsschutz eingesetzt. Die durch Reibung und Verschleiß verursachten Energie- und Materialverluste entstehen an der Oberfläche des Werkstoffs. Daher sind verschiedene Verfahren der Oberflächentechnik zu einem wichtigen Mittel geworden, um die Reibungsminderung und Verschleißbeständigkeit von Bauteilwerkstoffen zu verbessern. Die thermische Spritztechnik ist eines der am häufigsten eingesetzten oberflächentechnischen Verfahren. Derzeit werden thermisch gespritzte Beschichtungen in großem Umfang für mechanische Anlagen eingesetzt. Die Verschleißbeständigkeit thermisch gespritzter Beschichtungen hängt hauptsächlich von der Beschichtungszusammensetzung, der Phasenzusammensetzung, der Partikelgröße und dem Partikelgehalt ab und steht außerdem mit Faktoren wie Haftfestigkeit, Härte, Porosität und Partikelgröße der Beschichtung in Zusammenhang. Beschichtungen mit hoher Haftfestigkeit, hoher Härte und geringer Porosität weisen eine bessere Erosions- und Verschleißbeständigkeit auf. Zu den derzeit häufig verwendeten verschleißbeständigen Beschichtungen gehören: Al2O3-Schichten, Cr2O3-Beschichtungen und WC-Co-Beschichtungen.
Nur durch die Auswahl geeigneter Beschichtungsmaterialien und entsprechender thermischer Spritzverfahren können Reibungs- und Verschleißschutzbeschichtungen hergestellt werden, die den Betriebsbedingungen entsprechen. Aufgrund der raschen Entwicklung von Industrie und Technik werden die Betriebsbedingungen mechanischer Anlagen immer anspruchsvoller. Daher müssen Reibungs- und Verschleißschutzbeschichtungen mit besseren Eigenschaften entwickelt werden. Einerseits kann ausgehend von den Bestandteilen des Beschichtungsmaterials ein neues Werkstoffsystem mit hoher Festigkeit, Härte oder selbstschmierender Funktion entwickelt werden. So kann beispielsweise einer harten Keramik- oder Metallkeramikbeschichtung eine Schmierphase mit selbstschmierender Wirkung, etwa Graphit, Molybdändisulfid oder Polymerwerkstoffe, zugesetzt werden, um die Reibungsminderung der Beschichtung zu verbessern. Derzeit wird in den meisten Untersuchungen lediglich vorgeschlagen, eine Schmierphase zur Verbesserung der Reibungsminderung und Verschleißbeständigkeit der Beschichtung hinzuzufügen; das optimale Rohstoffverhältnis und andere Bedingungen werden jedoch nicht eingehend untersucht. Andererseits sind die Prozessparameter wichtige Faktoren, die die Qualität thermisch gespritzter Beschichtungen beeinflussen. Ausgehend von der Optimierung des thermischen Spritzprozesses können die optimalen Prozessparameter für Beschichtungen verschiedener Systeme untersucht werden, um die Grundlage für weitere Forschungsarbeiten zu schaffen.
2. Korrosionsbeständige Keramikbeschichtungen
Stahl, der in rauen Umgebungen eingesetzt wird, beispielsweise in maritimen Salzsprühumgebungen, ist anfällig für Korrosion und Verschleiß, wodurch die Maßgenauigkeit von Bauteilen verloren gehen kann. Das herkömmliche Oberflächenbehandlungsverfahren ist hauptsächlich die Hartverchromung durch Galvanisieren. Dabei wird sechswertiges Chromat an der Kathode abgeschieden, um eine verschleiß- und korrosionsbeständige Beschichtung mit hoher Härte zu bilden. Dieses Verfahren zeichnet sich durch einen einfachen Prozess und geringe Kosten aus. Der galvanische Verchromungsprozess verursacht jedoch eine erhebliche Umweltverschmutzung und ist in vielen Industriebereichen eingeschränkt. Außerdem tritt während des galvanischen Verchromens eine Wasserstoffversprödung des Substrats auf, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Substrats deutlich beeinträchtigt werden. Daher besteht dringender Bedarf an einem wirksamen Ersatzverfahren. Thermisch gespritzte Beschichtungen werden aufgrund ihrer hohen Effizienz, Umweltfreundlichkeit und guten chemischen Stabilität zunehmend im Bereich des Korrosionsschutzes eingesetzt. Korrosionsschutz-Beschichtungswerkstoffe werden hauptsächlich in Aluminium, Zink und deren Legierungen, Nickelbasislegierungen, Edelstahl und keramische Verbundwerkstoffe unterteilt.
3. Keramische Wärmedämmbeschichtungen
Wärmedämmbeschichtungen (TBCs) werden häufig auf der Oberfläche von Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken eingesetzt, um die Hochtemperaturbauteile des Strahltriebwerks vom heißen Gas zu trennen und dadurch die Betriebsbedingungen der Hochtemperaturbauteile zu verbessern. Einerseits kann dadurch die Lebensdauer der Turbinenschaufeln verlängert und andererseits Kraftstoff eingespart werden. Damit die keramische Wärmedämmbeschichtung und das Metallsubstrat eine gute Wärmedämmleistung aufweisen, muss die keramische Wärmedämmbeschichtung folgende Eigenschaften besitzen:
① Geringe Wärmeleitfähigkeit;
② Der Wärmeausdehnungskoeffizient muss an das Metallsubstrat angepasst sein;
③ Gute Phasenstabilität bei hohen Temperaturen. Als Funktionsschichtmaterial für Wärmedämmbeschichtungen werden üblicherweise ZrO2-basierte Keramikwerkstoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit ausgewählt. Zu den wichtigsten Herstellungstechnologien für keramische Wärmedämmbeschichtungen gehören Plasmaspritzen, die physikalische Gasphasenabscheidung mittels Elektronenstrahl, Laserauftragsschweißen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen und Detonationsspritzen. Die beiden am häufigsten verwendeten Herstellungsverfahren sind das Plasmaspritzen (PS) und die physikalische Gasphasenabscheidung mittels Elektronenstrahl (EB-PVD). Charakteristisch für die Gefügestruktur von plasmagespritzten Beschichtungen sind zahlreiche Poren und Mikrorisse, die thermische Spannungen abbauen und die thermische Ermüdungslebensdauer der Beschichtung erhöhen können.
4. Biokeramische Beschichtungen
Titan und seine Legierungen, Kobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen sowie Edelstahl sind in der klinischen Praxis häufig verwendete metallische Materialien für Knochenimplantate. Die in der klinischen Praxis verwendeten metallischen Werkstoffe sind biologisch nicht aktiv und müssen für eine bessere Verbindung mit dem Knochengewebe verbessert werden. Die Oberflächenmodifizierung metallischer Implantate ist ein notwendiger Weg, um ihre biologischen Eigenschaften zu verbessern. Die thermische Spritztechnik ist eine der häufig verwendeten Methoden zur Oberflächenmodifizierung. Die damit hergestellten biomedizinischen Beschichtungen umfassen hauptsächlich Metalloxidbeschichtungen (Al2O3, ZrO2 usw.), bioaktive Hydroxylapatit-(HA-)Beschichtungen usw. Titan- und Hydroxylapatitbeschichtungen werden in der klinischen Praxis bereits in großem Umfang eingesetzt. In den letzten Jahren hat auch die Forschung zu biokeramischen Kalziumsilikatbeschichtungen Aufmerksamkeit erregt.
5. Piezoelektrische Keramikbeschichtungen
Piezoelektrische Keramiken sind eine Art Ferroelektrika mit hervorragenden piezoelektrischen Eigenschaften. Sie sind funktionale Informationskeramiken, die mechanische Eigenschaften und elektrische Energie ineinander umwandeln. Neben dem piezoelektrischen Effekt weisen piezoelektrische Keramiken auch dielektrische und ferroelektrische Eigenschaften auf. Sie werden in zahlreichen Bereichen wie medizinischer Bildgebung, akustischen Sensoren, akustischen Wandlern, Ultraschallmotoren und Anzeigevorrichtungen eingesetzt. In den letzten Jahren hat die Herstellung piezoelektrischer Keramikbeschichtungen mithilfe der Spritztechnik zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen.
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