Graded plasma-anodised oxide coatings for wear and corrosion protection on titanium aluminides
Final Report Abstract
Die Qualität der plasmaanodisierten Schichten im ersten Forschungsansatz im Wesentlichen von den thermisch gespritzten Schichten abhängig. So wird die Anodisiertiefe stark von der Oxidation der Partikel während des Spritzprozesses im Freistrahl beeinflusst. Schichten mit geringen Oxidgehalten, konnten aufgrund ihrer besseren Leitfähigkeit auch besser plasmaanodisiert werden. Gering oxidierte Schichten konnten mit der Verfahrensvariante Kaltgasspritzen erhalten werden, die als geeignete Technologie für die Applikation von „Spenderschichten“ für die nachfolgende plasmaelektrolytische Oxidation der TiAl-Substrate angesehen werden kann. Im zweiten Forschungsansatz erfolgte die Entwicklung einer neuartigen Methodik zur Vorauswahl geeigneter Elektrolytkomponenten für die Plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) von Titanaluminiden als Massivmaterial. Dadurch ist es möglich, geeignete Elektrolytkomponenten in kurzer Zeit und mit reduziertem apparativen Aufwand (niedrigere Spannungen) bei geringem Materialbedarf zu identifizieren. Die Untersuchungen bestätigen, dass durch PEO oxidkeramische Schichten mit deutlich höherer Schichtdicke bei deutlich reduziertem Energieaufwand (hinsichtlich Zeit und Temperatur) gegenüber der thermischen Oxidation herstellbar sind. Mithilfe statistischer Versuchsplanung und -auswertung wurde der Zusammenhang zwischen Elektrolytzusammensetzung und Schichteigenschaften aufgezeigt. Demnach werden für eine konstante KOH- Konzentration von 10 g/l die kompaktesten Schichten bei einer Silikat- und Phosphatkonzentration von in Summe 20 g/l erzielt. Geringere Silikat- und Phosphatkonzentrationen führen zu porösen Schichten geringer Dicke, während höhere Konzentrationen der Elektrolytkomponenten inhomogene und poröse Schichtdicken hoher Schichtdicke zur Folge haben. Anhand von Verschleißversuchen wurde nachgewiesen, dass die inneren kompakten Schichtbereiche einen hohen Widerstand gegenüber Schwingreibverschleiß aufweisen. Für die praktische Anwendung von PEO-Schichten als Verschleißschutz von Titanaluminiden ist es sinnvoll, die äußere poröse Schicht vor dem Einsatz mechanisch abzutragen, um die Menge des Schichtabriebs im tribologischen System zu reduzieren. Aufbauend auf den positiven Ergebnissen sollten weiterführende Untersuchungen zur Verfahrenskombination aus thermischem Spritzen und PEO durchgeführt werden. Gradierte Spritzschichten, beispielsweise mit erhöhtem Titangehalt in Substratnähe und hohem Aluminiumgehalt im Schichtäußeren, stellen eine Möglichkeit zur Reduzierung der Schichteigenspannungen und zur Verbesserung der Haftfestigkeit von PEO-Schichten dar, die sich bis in das Titanaluminid-Substrat erstrecken. Gleichzeitig ist auf diese Weise eine Erhöhung des Aluminiumoxidgehaltes in der PEO-Schicht erzielbar. Angesichts der häufigen und rapiden Temperaturwechsel im Einsatz wäre es sinnvoll, die PEO-Schichten hinsichtlich Thermoschockbeständigkeit zu erforschen. Da sich thermisch oxidierte Einlassventile aus einer Titanaluminid-Legierung bereits in Tests als geeignet erwiesen haben, sollten PEO-Schichten den Anforderungen ebenfalls genügen. Gleichzeitig würde die PEO gegenüber der thermischen Oxidation eine wesentliche Einsparung des Energieaufwands bei der Schichtherstellung ermöglichen. In der Luftfahrttechnik könnten besonders porenarme, Al2O3-reiche PEO-Schichten als Oxidations- und Verschleißschutz von Triebwerkschaufeln Anwendung finden.
Publications
- Plasma electrolytic oxidation of Titanium Aluminides, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, Band 118 (2016), 012025
Morgenstern, R.; Sieber, M.; Grund, T.; Lampke, T.; Wielage, B.
(See online at https://doi.org/10.1088/1757-899X/118/1/012025) - Plasmaelektrolytische Oxidation von Titanaluminiden, 18. Werkstofftechnisches Kolloquium, Chemnitz, 10.-11.03.2016
Morgenstern, R.; Kneipel, P.; Sieber, M.; Grund, T.; Lampke, T.; Wielage, B.
