Projekt 19897/01

Entwicklung neuartiger korrosionsbeständiger Kolben- und Bauteilbeschichtungen für Großdieselmotoren (EKOBAG)

Projektträger

GF-Flamm-Metallspritz GmbH
Altenbruchstr. 10
47447 Moers
Telefon: 02841/3820

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Um unter den Grenzwerten für NOx-Emissionen zu bleiben, werden die im Schiffsbau verwendeten Großdieselmotoren mit höherem Verdichtungsverhältnis und flacherer Brennraumkontur ausgelegt. Das Optimierungspotential im Hinblick auf Brennstoffverbrauch, NOx-Emissionen und Rauch kann derzeit jedoch nicht ausgeschöpft werden, da viel versprechende Düsenkonfigurationen oft zu Temperaturen am Kolben und Auslassventil führen, welche die Grenzen der Korrosionsbeständigkeit und thermischen Be-lastbarkeit der eingesetzten Werkstoffe überschreiten. Das Ziel des geplanten Projektes EKOBAG war die Entwicklung korrosionsbeständiger Kolben- und Bauteilbeschichtungen, die eine Erhöhung des zulässigen Temperaturniveaus gestatten. Dies ermöglicht eine drastische Anhebung der Arbeitstemperaturen und eine Steigerung des Wirkungsgrades, was neben Treibstoffeinsparungen zu niedrigeren Schadstoff-emissionen gestattet.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenNeben TiAl als Basiswerkstoff für die Korrosionsschutzschicht wurden Alternativbeschichtungen auf Al- bzw. Chromkarbidbasis (Cr3C2-Basis) mit in die Untersuchungen aufgenommen. Die Herstellung nicht handelsüblicher Pulver erfolgte durch Hochenergiemahlen. Nach der Charakterisierung und Modifizierung wurden diese Pulver, wie auch die weiteren Schichtsysteme mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) auf Probenkörper aufgebracht. Dabei konnten die Systeme auf Chromkarbidbasis ohne zusätzliche Haftvermittler direkt auf das Substrat (Werkstoff entspricht dem Kolbenwerkstoff in Großdieselmotoren beim Projektpartner WÄRTSILÄ) aufgebracht werden, da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) gut übereinstimmen. Beim Al-Basissystem wurde wegen unterschiedlicher CTE´s zwischen Schutzschicht und Substrat eine Haftvermittlerschicht aus NiAl auf das Substrat aufgebracht. Bei den Ti-Al-Systemen erfolgte eine Anreicherung der Probekörperrandzonen mit Al-Si bzw. Al-Ti durch Pulver-pack-Diffusionsprozesse. Die Diffusionszone dient dabei als Vermittler zwischen Bauteil und Schutzschicht und als Al-Reserve im späteren Einsatz (Vermeidung der Unterkorrosion). Alle Schichtsysteme wurden nach dem Flammspritzen charakterisiert (Schichtdicke, Anbindung, Restporosität, Haftzugfestigkeit) und anschließend ihre Korrosionsbeständigkeit in Auslagerungsversuchen unter synthetischer A-sche getestet.


Ergebnisse und Diskussion

Die Charakterisierung der am IFAM hergestellten Pulvermischungen ergab, dass diese nur nach einer Modifikation durch Granulieren mit anschließendem Sintern (Entbindern und Versintern der Pulverteilchen im Granulatpartikel) für das Flammspritzen eingesetzt werden können. Als Granulierungsmethode wurde das Sprühtrocknen als geeignet bewertet. Für jedes Materialsystem müssen dabei insbesondere die Sinterparameter angepasst und optimiert werden. Durch umfangreiche Versuche konnten für die gradierten TiAl-Schutzschichten in die Randzonen von Substraten über Pulverpackprozesse Al,Ti- bzw. Al,Si-Diffusionsschichten eingebracht werden. Problematisch hier war die Prozesstemperatur während der Prozesse, welche zu Veränderungen im Substratwerkstoff führen kann. Durch das Aufbringen der ei-gentlichen TiAl-Korrosionsschutzschicht (über thermisches Spritzen) konnte ein gradierter Schichtaufbau realisiert werden. Durch das HVOF-Verfahren konnten Schutzschichten mit Dicken von bis zu 560 µm er-zielt werden. Bei den Chromkarbidsystemen wurden in der Regel eine flächige Anbindung der Schicht und eine gute Haftzugfestigkeit erreicht. Bei den gradierten TiAl-Systemen konnte keine hinreichende Anbindung der Schicht an das Substrat realisiert werden. Alle in den Korrosionsversuchen getesteten Schichten wiesen eine sehr geringe, nicht durchgängige Porosität auf. Hierdurch konnte auf eine zusätzliche, den Werkstoff der Bauteile negativ beeinflussende Wärmebehandlung der Schutzschichten verzichtet werden. Durch Korrosionsversuche konnte für Systeme auf Chromkarbidbasis ein geeignetes Matrixmaterial ermittelt werden. Entgegen den Erwartungen wiesen die TiAl-Schutzschichten eine nur geringe Korrosionsbeständigkeit auf. Demgegenüber wurden die Systeme auf Chromkarbidbasis als sehr geeignet bewertet. Durch weitere Korrosionsversuche wurden Nickel bzw. Nickelchrom30 als beste Matrixmaterialien ermittelt.
Vor der Überführung in den technischen Maßstab mit anschließenden Bauteiltests unter realen Bedingungen wurden zwei auf Chromkarbid basierende Systeme für abschließende Versuche gewählt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die erzielten Ergebnisse werden mit dem vorliegenden Bericht erstmalig vorgestellt. Aufgrund von projektbezogenen Patentanmeldungen wurde auf Wunsch der anmeldenden Projektpartner auf eine Veröffentlichung der Ergebnisse bisher verzichtet. Nach Abschluss dieser Verfahren ist jedoch eine Präsentation in Fachzeitschriften und auf Tagungen/Messen (z. B. ACHEMA, Materialica) geplant.


Fazit

Im Rahmen des Projektes konnten erfolgreich neuartige, korrosionsbeständige Kolben- und Bauteilbeschichtungen für Großdieselmotoren entwickelt werden. Die dafür notwendigen Verfahren wurden, beginnend bei den Ausgangspulvern, für die Herstellung dieser Schichten entsprechend angepasst bzw. optimiert. Es wurden gegenüber den im Projektantrag genannten Werkstoffen alternative, korrosionsbeständigere Systeme ermittelt. Nach Optimierung der Werkstoffsysteme und Herstellungsprozesse wer-den die Verfahren in den kleintechnischen Maßstab übertragen und Bauteile von WÄRTSILÄ unter realen Bedingungen getestet.