Entwicklung neuer gradierter Schichtsysteme für klein- und großflächige Auftragungen auf Al-Legierungen zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften

Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung neuer gradierten Schichtsysteme bestehend aus einer Cu-Basis-Haftschicht und einer Ni-Basis- Funktionsschicht für klein- und großflächige Auftragungen auf die Al-Legierungen speziell im Hinblick auf die Verbesserung der Oberflächeneigenschaften der verschleiß- und korrosionsbeanspruchten bzw. temperaturbelasteten Bauteilen. Zur Verringerung der intermetallischen Hartphasenanteile, zur Vermeidung daraus resultierender Rissbildung und dadurch zur Erreichung der optimierten Bindungsstrukturen und Eigenschaften der Schichtsysteme wurden in statistischen Beschichtungsversuchen die verschiedene Materialen und Legierungen für die Haftschichten aus kommerziellen Pulvern (CuAl, CuAlFe, CuSn, Cu) und Pulvermischungen (CuAl+CuSn, CuAlFe+CuSn, Cu+CuAlFe, Cu+Si, Cu+WSC) sowie die Funktionsschichten aus den üblichen Pulvern (NiBSi, NiCuBSi, NiCrBSi, NiCr 80/20, NiB+WSC) auf drei Grundwerkstoffe von Al-Knet- und Gusslegierungen, die drei Verfahrensvariante des Plasma-Pulver-Auftragschweißens bzw. das Lichtbogenspritzen, einschließlich der Parameteroptimierung untersucht.Die Ergebnisse der Untersuchungen von verschiedenen Materialen zeigten die Art und die Mischungen der verwendeten Pulver bzw. die Legierungsart des Grundwerkstoffes große Einflusse auf den Aufbau, die Struktur, die intermetallischen Hartphasenanteile der Verbindungen der Schichtsysteme auf. Bei der Beeinflussung der Verbindungsstruktur der Haftschicht zur Funktionsschicht und zum Substrat wurden durch die Prozessverfahren, den Parametersatz sowie die Werkstoffarten für die Zusatz- und Grundwerkstoffe die Schichtstruktur hinsichtlich der minimalen metallurgischen Veränderungen optimiert und die Schichtporosität deutlich reduziert. Bei der Optimierung der Wärmeaufnahme des Cu-Pulvers durch die Zumischung verschiedener Pulver werden die erforderliche Wärmeenergie zur Aufschmelzung der Cu-Haftschicht und die daraus resultierende Wärmeenergieeinbringung zum Grundwerkstoff reduziert sowie die gradierten Zonen der Auftragungen und Cu-Basishaftschicht wesentlich beeinflusst. Beim Vergleich der Al-Grundwerkstoffe wurde die AlSi1MgMn-Legierung während der hohen Wärmeinbringung geringerer Hohlräume in der Haftschicht ausgebildet.Bei der Gegenüberstellung der PPA-Schweißverfahren zeigte eine gute technologische Möglichkeit und Flexibilität das PPA-AC/DC-Schweißen bei der Herstellung der gradierten Schichtsysteme mit verschiedenartigen Metallpulvern und Pulvermischungen auf der Ventilsitzfläche der Automotoren mit schwer zugänglicher Geometrie.Zeigten die mit den PPA-Verfahren aufgetragenen Schichtsysteme mit den Dicken von 2,5 mm bis auf 3,5 mm keine gravierenden Unterschiede in der abrasiven Verschleißbeständigkeit auf, wurde durch die NiBSi- und NiCuBSi-Funktionsschichten eine 4-10-fache Verbesserung der Verschleißbeständigkeit im Vergleich zu den unbeschichteten Grundwerkstoffen erreicht.Aufgrund der guten Verformbarkeit und Haftung (Haftzugfestigkeit von 25-35 MPA) der Cu- Basislegierung zum Al-Substrat und zur Ni-Basisfunktionsschicht (mit und ohne WSC) wurden die Schichtsysteme mit der Dicke von 1,8 mm auf dem Al-Basissubstrat durch das Lichtbogenspritzen für großflächige Auftragungen gespritzt, dass sich die Verschleißreserve und dadurch die Lebensdauer der Bauteile erhöhen lassen. Die entwickelten Schichtsysteme erreichten neben der verbesserten Schichtcharakteristik hinsichtlich ihrer Struktur und ihrer Korrosionsbeständigkeit auch eine 33-fache Erhöhung der Verschleißfestigkeit gegenüber den unbeschichteten Al-Grundwerkstoffen.