Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Um unter den Grenzwerten f\u00fcr NOx-Emissionen zu bleiben, werden die im Schiffsbau verwendeten Gro\u00dfdieselmotoren mit h\u00f6herem Verdichtungsverh\u00e4ltnis und flacherer Brennraumkontur ausgelegt. Das Optimierungspotential im Hinblick auf Brennstoffverbrauch, NOx-Emissionen und Rauch kann derzeit jedoch nicht ausgesch\u00f6pft werden, da viel versprechende D\u00fcsenkonfigurationen oft zu Temperaturen am Kolben und Auslassventil f\u00fchren, welche die Grenzen der Korrosionsbest\u00e4ndigkeit und thermischen Be-lastbarkeit der eingesetzten Werkstoffe \u00fcberschreiten. Das Ziel des geplanten Projektes EKOBAG war die Entwicklung korrosionsbest\u00e4ndiger Kolben- und Bauteilbeschichtungen, die eine Erh\u00f6hung des zul\u00e4ssigen Temperaturniveaus gestatten. Dies erm\u00f6glicht eine drastische Anhebung der Arbeitstemperaturen und eine Steigerung des Wirkungsgrades, was neben Treibstoffeinsparungen zu niedrigeren Schadstoff-emissionen gestattet.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenNeben TiAl als Basiswerkstoff f\u00fcr die Korrosionsschutzschicht wurden Alternativbeschichtungen auf Al- bzw. Chromkarbidbasis (Cr3C2-Basis) mit in die Untersuchungen aufgenommen. Die Herstellung nicht handels\u00fcblicher Pulver erfolgte durch Hochenergiemahlen. Nach der Charakterisierung und Modifizierung wurden diese Pulver, wie auch die weiteren Schichtsysteme mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) auf Probenk\u00f6rper aufgebracht. Dabei konnten die Systeme auf Chromkarbidbasis ohne zus\u00e4tzliche Haftvermittler direkt auf das Substrat (Werkstoff entspricht dem Kolbenwerkstoff in Gro\u00dfdieselmotoren beim Projektpartner W\u00c4RTSIL\u00c4) aufgebracht werden, da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) gut \u00fcbereinstimmen. Beim Al-Basissystem wurde wegen unterschiedlicher CTE\u00b4s zwischen Schutzschicht und Substrat eine Haftvermittlerschicht aus NiAl auf das Substrat aufgebracht. Bei den Ti-Al-Systemen erfolgte eine Anreicherung der Probek\u00f6rperrandzonen 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 sp\u00e4teren Einsatz (Vermeidung der Unterkorrosion). Alle Schichtsysteme wurden nach dem Flammspritzen charakterisiert (Schichtdicke, Anbindung, Restporosit\u00e4t, Haftzugfestigkeit) und anschlie\u00dfend ihre Korrosionsbest\u00e4ndigkeit in Auslagerungsversuchen unter synthetischer A-sche getestet.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Charakterisierung der am IFAM hergestellten Pulvermischungen ergab, dass diese nur nach einer Modifikation durch Granulieren mit anschlie\u00dfendem Sintern (Entbindern und Versintern der Pulverteilchen im Granulatpartikel) f\u00fcr das Flammspritzen eingesetzt werden k\u00f6nnen. Als Granulierungsmethode wurde das Spr\u00fchtrocknen als geeignet bewertet. F\u00fcr jedes Materialsystem m\u00fcssen dabei insbesondere die Sinterparameter angepasst und optimiert werden. Durch umfangreiche Versuche konnten f\u00fcr die gradierten TiAl-Schutzschichten in die Randzonen von Substraten \u00fcber Pulverpackprozesse Al,Ti- bzw. Al,Si-Diffusionsschichten eingebracht werden. Problematisch hier war die Prozesstemperatur w\u00e4hrend der Prozesse, welche zu Ver\u00e4nderungen im Substratwerkstoff f\u00fchren kann. Durch das Aufbringen der ei-gentlichen TiAl-Korrosionsschutzschicht (\u00fcber thermisches Spritzen) konnte ein gradierter Schichtaufbau realisiert werden. Durch das HVOF-Verfahren konnten Schutzschichten mit Dicken von bis zu 560 \u00b5m er-zielt werden. Bei den Chromkarbidsystemen wurden in der Regel eine fl\u00e4chige 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 durchg\u00e4ngige Porosit\u00e4t auf. Hierdurch konnte auf eine zus\u00e4tzliche, den Werkstoff der Bauteile negativ beeinflussende W\u00e4rmebehandlung der Schutzschichten verzichtet werden. Durch Korrosionsversuche konnte f\u00fcr Systeme auf Chromkarbidbasis ein geeignetes Matrixmaterial ermittelt werden. Entgegen den Erwartungen wiesen die TiAl-Schutzschichten eine nur geringe Korrosionsbest\u00e4ndigkeit auf. Demgegen\u00fcber wurden die Systeme auf Chromkarbidbasis als sehr geeignet bewertet. Durch weitere Korrosionsversuche wurden Nickel bzw. Nickelchrom30 als beste Matrixmaterialien ermittelt.
\nVor der \u00dcberf\u00fchrung in den technischen Ma\u00dfstab mit anschlie\u00dfenden Bauteiltests unter realen Bedingungen wurden zwei auf Chromkarbid basierende Systeme f\u00fcr abschlie\u00dfende Versuche gew\u00e4hlt.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die erzielten Ergebnisse werden mit dem vorliegenden Bericht erstmalig vorgestellt. Aufgrund von projektbezogenen Patentanmeldungen wurde auf Wunsch der anmeldenden Projektpartner auf eine Ver\u00f6ffentlichung der Ergebnisse bisher verzichtet. Nach Abschluss dieser Verfahren ist jedoch eine Pr\u00e4sentation in Fachzeitschriften und auf Tagungen\/Messen (z. B. ACHEMA, Materialica) geplant.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Rahmen des Projektes konnten erfolgreich neuartige, korrosionsbest\u00e4ndige Kolben- und Bauteilbeschichtungen f\u00fcr Gro\u00dfdieselmotoren entwickelt werden. Die daf\u00fcr notwendigen Verfahren wurden, beginnend bei den Ausgangspulvern, f\u00fcr die Herstellung dieser Schichten entsprechend angepasst bzw. optimiert. Es wurden gegen\u00fcber den im Projektantrag genannten Werkstoffen alternative, korrosionsbest\u00e4ndigere Systeme ermittelt. Nach Optimierung der Werkstoffsysteme und Herstellungsprozesse wer-den die Verfahren in den kleintechnischen Ma\u00dfstab \u00fcbertragen und Bauteile von W\u00c4RTSIL\u00c4 unter realen Bedingungen getestet.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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