Sprühkompaktieren von Mehrlagenwerkstoffen

Die geschickte Kombination von Eigenschaften verschiedener Werkstoffe durch die Verwendung von Mehrlagenwerkstoffen erhöht die Belastbarkeit und verbessert die Gleiteigenschaften von Gleitlagern. Aus diesem Grund bieten sprühkompaktierte Mehrlagenwerkstoffe das Potential zur Herstellung von Halbzeugen für Gleitlager mit herausragenden Gleiteigenschaften und höchster Belastbarkeit. Allgemein ist ein wichtiges Ziel beim Sprühkompaktieren einen möglichst dichten Werkstoff herzustellen, weil Porosität insbesondere die mechanischen Eigenschaften verschlechtert.

Um den Einfluss der Prozessbedingungen auf die Porosität sprühkompaktierter Mehrlagenwerkstoffe zu untersuchen, wurde eine Sprühkompaktieranlage zur Herstellung von Mehrlagenflachprodukten entwickelt und aufgebaut. Die Porosität der sprühkompaktierten Mehrlagen-Flachprodukte wurde mittels Bildanalyse hinsichtlich Porengröße, Porenform und lokaler Verteilung über der Depositschichtdicke detailliert charakterisiert. Als eine der Haupteinflussgrößen auf die Porosität konnte die lokale Depositoberflächentemperatur ausgemacht werden.

Um den Zusammenhang zwischen Depositoberflächentemperatur und Porosität auf andere Legierungssysteme zu übertragen und zu vergleichen, wurde die dimensionslose Enthalpie der Depositoberfläche bezogen auf die Solidustemperatur des Deposites eingeführt. Alle untersuchten Werkstoffe zeigen den gleichen tendenziellen Verlauf der Porosität in Abhängigkeit der dimensionslosen Oberflächenenthalpie: vergleichsweise hohe Porosität bei niedrigen dimensionslosen Oberflächenenthalpien und abnehmende Porosität bis zu einen Minimum bei dimensionslosen Oberflächenenthalpien in der Nähe von null (Solidustemperatur).

Neben den experimentellen Untersuchungen wurde ein Simulationsmodell zur transienten Berechnung des Temperaturfeldes im Mehrlagendeposit entwickelt. Mit diesem Modell wurde der Einfluss der Prozessbedingungen auf die Oberflächentemperatur untersucht. Die Zusammenführung von experimentellen Daten und der thermischen Simulation macht die Vorhersage von entstehender Porosität im Mehrlagenwerkstoff möglich.

Der Vergleich mit Literaturdaten zur Porosität von sprühkompaktierten Flachprodukten bestätigt den Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur bzw. dimensionsloser Oberflächenenthalpie und Porosität. Die berechneten Oberflächentemperaturen nach Parametern von Sprühkompaktierversuchen aus der Literatur liefern den gleichen Zusammenhang zwischen der Oberflächentemperatur und der Porosität.