Thermisches und kinetisches Spritzen von Bronzematerialien zum Kavitationsschutz im maritimen Umfeld

Thermal and Kinetic Spraying of Bronze Materials for Cavitation Protection in Marine Environments

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-31490
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Werkstoffkunde
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. Thomas Klassen
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 06.12.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Thermisches Spritzen , Kaltspritzen , Hochgeschwindigkeitsflammspritzen , Kavitation , Beschichtung , Bronze , Ruder
Freie Schlagwörter (Deutsch): Kinetisches Spritzen
Freie Schlagwörter (Englisch): Thermal Spray , Kinetic Spray , Cold Gas Spraying , Warm Spraying , HVOF Spraying , Cavitation , Coating , Bronze , Rudder
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Mit thermischen und kinetischen Spritzverfahren können stark beanspruchte Bauteile vor Korrosion und Verschleiß geschützt, sowie auftretende Schäden repariert werden. Ein mögli¬ches Beispiel sind Schiffsruder, welche sowohl durch Korrosion als auch erosiven Ver¬schleiß, jedoch überwiegend durch Kavitationserosion beansprucht werden. Die Wechsel¬belastung durch sich permanent neu bildendende und kollabierende Dampfblasen führt schließlich zu Ermüdung, Rissbildung und Materialverlust, der die Funktionalität einschränkt. Um dieses Problem zu minimieren, können Materialien eingesetzt werden, die hohen Wider¬stand gegenüber plastischer Verformung zeigen. Einige Bronzen erfüllen diese Anforderung und werden bereits für Schiffspropeller eingesetzt. Da Bronzen kostspielig für die Herstellung von Schiffsrudern sind, werden in der Praxis Stahlverkleidungen angebracht, beanspruchte Stellen mittels Auftragsschweißen ausgebessert oder synthetische Schutzschichten aufge¬tragen. Diese bisherigen Maßnahmen, sowie fluiddynamische Optimierungen der Ruderform bieten bisher keine nachhaltige Lösung zur Vermeidung von Kavitationsschäden. Ein neuer Lösungsansatz und das Ziel dieser Arbeit besteht darin, Ni-Al-Bronze als eine dichte, oxidarme und gut anhaftende Beschichtung durch Metallspritztechniken aufzubrin-gen, und damit Ruderstandzeiten deutlich zu erhöhen. Dazu wird in dieser Arbeit primär das Kaltgasspritzen angewandt. In Bezug auf verwendete, sehr feste Ni-Al-Bronzen sollten dabei maximal mögliche Grenzbereiche des Kaltgasspritzens evaluiert werden. Zudem enthalten die gasverdüsten Pulver martensitische Strukturen, die die notwendige Verformbarkeit weiter verrin¬gern. Um die Schichtqualitäten zu verbessern, werden in dieser Studie neben gasverdüsten Pulvern auch wärmebehandelte und damit martensit-reduzierte Pulver gleicher Zusammen¬setzung eingesetzt. Zur weiteren Optimierung wurden die Ni-Al-Bronzeschichten ebenfalls einer Wärmebehandlung unterzogen. Als möglicher Kompromiss zwischen ¬Materialeigenschaften und Prozessparametern wurden auch Bronzen mit geringerer Festigkeit gespritzt und entsprechende Schichteigenschaften charakterisiert. Als Alternative für die späte¬ren Anwendungen wurden in dieser Studie zusätzlich die thermischen Spritzverfahren „Warm Spraying“ und „Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen“ und entsprechende Konse¬quenzen für den Schichtaufbau untersucht. Die unter umfangreicher Variation der Herstellungsparameter kinetisch und thermisch gespritz¬ten, als auch die ausgelagerten Schichten wurden hinsichtlich ihres Gefügeaufbaus, der kristallographischen Strukturen und möglicher Änderungen der mechanischen und elektrischen Eigenschaften, sowie der Kohäsion zum Bauteilwerkstoff charakterisiert. Zudem wurde das Verformungsverhalten der Beschichtungswerkstoffpartikel beim Aufprall analy¬siert. Hauptaugenmerk lag hierbei jedoch auf der Charakterisierung der Kavitations-beständigkeit der Schich¬ten und den zugrunde liegenden Schadensmechanismen. Die Ergebnisse zeigen, dass alle untersuchten und optimierten Spritzverfahren, sowie Wärmebehandlungen die Herstellung von kavitationsbeständigen Beschichtungen ermöglichen. Neben der Materialauswahl konnte die einzustellende Schichtkohäsion dabei als primärer Schlüssel zur Herstellung kavitationsbeständiger Schichten herausgearbeitet, sowie in allen Ver¬fahren optimiert werden. Jeder der untersuchten Prozesse zeigte jedoch seine speziellen Herausforderungen, die einzeln sowie verglei¬chend diskutiert werden. Zusätzlich wird erstmalig in der modellmäßigen Beschreibung verfahrensübergreifend die Aufprallenergie der Beschichtungs¬werkstoffe als Maß für resultie¬rende Schichteigenschaften quantifiziert. In Summe konnten damit in dieser Arbeit Wege aufgezeigt werden, um mit den verschiedenen Beschichtungs¬verfahren die Schichtkohäsion zu optimieren und vergleichbar hohe Festigkeiten und Kavitations-beständigkei¬ten zu artgleichen Massivmaterialien einzustellen.

Kurzfassung auf Englisch:

By thermal and kinetic spraying, a wide range of coatings can be produced for a variety of different applications. In the mechanical engineering sector, the protection or repair of parts that are highly stressed by corrosion or wear are of particular interest. As one specific example, ship rudders are exposed to such harsh environments, being predominantly stressed by cavitation erosion that restricts functionality and causes costly repairs. The alternating load by the formation and collapse of vapour bubbles deforms the surface and causes material fatigue, resulting in crack formation that finally leads to material loss. To minimize this problem, materials with high resistance against plastic deformation, i.e. materials with a high hardness or strength and high endurance limit, could be deployed to exposed areas. Several bronzes fulfil the requirements and are commonly used for ship propellers. Since bronzes are too expensive for producing complete ship rudders or other massive parts, different alternatives like steel cladding, synthetic protective coatings or fluid dynamic optimizations have been tested so far, but do not provide a satisfactory solution. In a new approach, this work aims to enhance rudder life times by depositing a Ni-Al-Bronze as dense, almost oxide-free and well adhering coating. In principle, cold gas spraying can provide coatings with similar to bulk properties. However, achievable coating qualities are restricted by the high material strength of the Ni-Al-bronze and accessible spray parameter ranges, since the material requires high process temperatures for sufficient thermal soften¬ing. Moreover, as-atomized Ni-Al-bronzes contain martensitic structures that reduce deform¬ability. To tackle these challenges and to enhance coating qualities, the Ni-Al-bronze powder is heat-treated to remove martensitic structures. As a compromise between sprayability and bulk cavitation resistance, bronzes with lower strengths are also investigated. As alternative approaches to obtain optimum coating qualities, additional coatings were produced by the thermal spray techniques “warm spraying” and “high-velocity oxy-fuel flame spraying” and compared to cold-sprayed coatings. For wide parameter regimes, the thermally and kinetically sprayed as well as annealed coatings are analysed regarding their microstructure, crystallographic structure, as well as the electrical and mechanical properties. Furthermore, the deformation behaviour of the different bronze materials upon impact is evaluated, and – as main objective – cavitation per¬formance and corresponding damage mechanisms of the different coatings are elucidated. The results demonstrate that all three spray techniques – under optimized parameter sets –can yield coatings that show similar cavitation resistance as respective bulk material. Apart from the material choice, the coating strength, i.e. internal cohesion, was identified as the key factor for high quality and cavitation resistant coatings, since non-bonded interfaces act as crack nuclei and accelerate cavitation damages. For each of the studied processes, indivi¬dual challenges are worked out and discussed in this study, allowing for a comprehensive process comparison. A new impact energy based concept is developed that allows for the first time to quantitatively compare different spray techniques regarding coating properties and energy efficiency. Summing up, the present work presents new solutions to process coatings with a high strength and a cavitation resistance similar to that of cast bronze, based on different spray techniques and heat-treatments. Accordingly, new techniques are available to protect ship rudders or other parts that are exposed against cavitation erosion.

Hinweis zum Urheberrecht

Für Dokumente, die in elektronischer Form über Datenenetze angeboten werden, gilt uneingeschränkt das Urheberrechtsgesetz (UrhG). Insbesondere gilt:

Einzelne Vervielfältigungen, z.B. Kopien und Ausdrucke, dürfen nur zum privaten und sonstigen eigenen Gebrauch angefertigt werden (Paragraph 53 Urheberrecht). Die Herstellung und Verbreitung von weiteren Reproduktionen ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung des Urhebers gestattet.

Der Benutzer ist für die Einhaltung der Rechtsvorschriften selbst verantwortlich und kann bei Mißbrauch haftbar gemacht werden.