Entwicklung neuartiger metallischer Zusatzwerkstoffe für Heizelemente mittels Thermischen Spritzens

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 538498638

Für die zukünftige Anwendung als thermisch gespritztes Heizelement wurden im bisherigen Projektverlauf neue Hochentropie-Legierungen, engl. High Entropy Alloys (HEA), schmelz-metallurgisch entwickelt und charakterisiert. Durch Thermisches Spritzen (TS) hergestellte Heizelemente bieten den Vorteil, dass diese nur wenige hundert Mikrometer auf die zu beheizenden Oberflächen auftragen und erlauben aufgrund der geringen thermischen Masse eine dynamische Temperatursteuerung. Herkömmliche metallische Heizlegierungen besitzen einen relativ geringen spezifischen Widerstand, sodass zur Erreichung eines notwendigen Heizwiderstands lange, dünne Leiterbahnen appliziert werden müssen. Demgegenüber stehen keramische Halbleiter basierend auf TiO2, die aufgrund ihres hohen spezifischen Widerstands flächig appliziert werden können. Da diese keramischen Halbleiter aus Suboxiden bestehen, ist deren Einsatztemperatur aufgrund der auftretenden Rückoxidation begrenzt. HEA bieten tendenziell höhere spezifische Widerstände als herkömmliche Legierungen und weisen zumeist konstant gute Eigenschaften bei erhöhter Temperatur auf. In den bisherigen Arbeiten wurde durch die Zugabe von Si und Zr, die einen relativ kleinen bzw. großen Atomradius aufweisen, zur HEA Al0,5CoCrFeNi eine verstärkte Gitterverzerrung erzielt, die den spezifischen Widerstand deutlich steigerte. Darüber hinaus wurden die thermische Ausdehnung, die Bruchzähigkeit, die Phasenstabilität unter Argon und die Oxidation an Luft untersucht. Anhand der Legierungen Al0,5CoCrFeNiZr0,2Si0,2 und Al0,5CoCrFeNiZr0,5Si0,2 sollen die positiven Ergebnisse der schmelzmetallurgischen Legierungsentwicklung auf TS-Beschichtungen übertragen werden. Die Verarbeitung der Legierungen mit TS führt dabei zu einer veränderten Mikrostruktur, die den spezifischen Widerstand voraussichtlich weiter steigert und damit die Eignung als Heizelement positiv beeinflusst. Dazu sollen zu Beginn des Vorhabens TS-spezifische Feinpulver als Sonderanfertigung beschafft werden. Um mit dem Feinpulver möglichst geringe Oxidation und homogene Beschichtungen zu erreichen, wird das Hoch-geschwindigkeitsflammspritzen als Verfahrensvariante gewählt. Die Beschichtungen werden auf ihren spezifischen Widerstand, ihre Wärmeausdehnung und Risszähigkeit untersucht und mit den Werkstoffdaten der metallurgisch hergestellten Legierungen verglichen. Zur finalen Qualifizierung des entwickelten Schichtsystems werden zyklische Heizversuche durchgeführt, um das Heizverhalten sowie die Temperaturwechselbeständigkeit zu prüfen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kanada
• Kooperationspartner: Professor Andre McDonald, Ph.D.