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TU Berlin

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Prozess- und Werkstoffentwicklung zur ressourcenoptimierten Herstellung qualitativ hochwertiger Korrosions- und Verschleißschutzschichten mittels Lichtbogenspritztechnik

IGF-Nr. 15.509 N/1

In Deutschland werden heute ungefähr 70 Müllverbrennungsanlagen mit einer Kapazität von etwa 17 Millionen Tonnen zur Abfallbehandlung pro Jahr betrieben, von denen rund 90% die erzeugte Wärme zur Stromerzeugung nutzen. Die verbrannten Abfälle unterliegen regional und saisonal starken Schwankungen, somit ist eine Abschätzung der Zusammensetzung nur bedingt möglich. Während der Verbrennung können hochkorrosive Gas-Gemische entstehen. Ein besonderes bis heute ungelöstes Problem stellt in derartigen Anlagen die chlorinduzierte Korrosion dar, die mehr als 70% der Stillstände bei Müllverbrennungsanlagen verursacht. In Gegenwart feiner Feststoffpartikel im Rauchgas kann die auftretende Erosion den korrosiven Verschleiß noch zusätzlich unterstützen. Das Forschungsvorhaben zielte auf die Entwicklung neuer Schichtsysteme, die mittels Lichtbogenspritztechnik verarbeitbar sind. Das Lichtbogenspritzen bietet sich insbesondere für das Beschichten großer Flächen, wie sie in Abhitzekesseln vorkommen, aus wirtschaftlicher Sicht auf Grund einer hohen Auftragrate und niedrigen Anlagen- und Prozesskosten an. Darüber hinaus kann das Lichtbogenspritzen auch vor Ort durchgeführt werden. Als nachteilig wird beim Lichtbogenspritzen häufig die Schichtqualität angesehen. Hier bieten moderne Anlagen, die seit kurzem in den Markt eingeführt werden, ein Verbesserungspotenzial. Im Rahmen des Vorhabens wurden Schichten mit insgesamt 4 unterschiedlichen Lichtbogenspritzanlagen hergestellt. An 2 dieser Anlagen erfolgten ausführliche Untersuchungen zum Einfluss der Prozessgrößen auf die Partikeltemperatur und –geschwindigkeit sowie die Spritzstrahlbreite. Diesbezüglich kann als Ergebnis festgehalten werden, dass eine höhere elektrische Leistung zu einer höheren Partikeltemperatur führt, die Partikelgeschwindigkeit auf Grund der höheren Spritzstrahlbreite aber abnimmt. Die Energiebilanz verdeutlicht, dass die thermische Energie der Partikel die kinetische bei weitem überwiegt. Die Analyse der gespritzten Schicht belegt, dass eine zu hohe thermische Energie der Partikel zu hohen Schichteigenspannungen und damit zur Rissbildung in der Schicht führen kann. Das Abschmelzverhalten der Drähte wurde mittels Hochgeschwindigkeitsvideographie und simultaner Strom/Spannungsmessung untersucht. Hierzu muss festgestellt werden, dass Fülldrähte i.A. zu signifikanten Prozessfluktuationen führen. Diese Fluktuationen können über die Neigung der Stromquellenkennlinie in gewissen Maßen beeinflusst werden. Die Kennlinienneigung hat darüber hinaus auch einen signifikanten Einfluss auf die Oberflächenrauheit der Spritzschicht. Eine leicht fallende Kennlinie hat eine glattere Oberfläche zur Folge. Die mit den unterschiedlichen Anlagen hergestellten Schichten wurden umfangreichen Korrosionsuntersuchungen unterzogen. Ausgangspunkt für die Werkstoffentwicklung bildeten Untersuchungen an Bulkmaterialen, für die in der Literatur eine hohe Resistenz gegen chloridinduzierte Korrosion nachgewiesen wurde. Diese Eisenbasislegierungen enthielten 25%-35% Cr, 5%Si und bis zu 1%B. Neben einer guten Korrosionsbeständigkeit erschien dieses Legierungssystem auf Grund der Eisenmatrix auch wirtschaftlich interessant. Die Legierungszusammensetzungen wurden im Forschungsvorhaben systematisch variiert, und darüber hinaus wurden auch Legierungsvorschläge der Mitglieder des pbA in das Versuchsprogramm aufgenommen. Als Ergebnis der Korrosionsuntersuchungen bleibt festzuhalten, dass weniger die Schichtmorphologie bzw. die Prozessparameter (außer wenn Risse in der Schicht auftraten) Einfluss auf das Korrosionsverhalten ausüben als vielmehr eine Vorbehandlung der Schichten vor der Korrosionsprüfung. Hier haben sich eine Voroxidation (600°C, 24h) sowie ein Versiegeln der Schicht als erfolgreich erwiesen. Die günstigsten Korrosionseigenschaften wies die Legierung 25Cr-5Si-0,7Mn-0,13C-Rest Fe auf, die auch deutlich besser als der derzeitige Stand der Technik die Referenzlegierung Alloy 625, die als Massiv- und als Fülldraht verarbeitet wurde, abschnitt. Die Ergebnisse der Referenzlegierung belegen, dass mit einem Massivdraht homogenere Schichten herstellbar sind und dass diese Schichten ein etwas besseres Korrosionsverhalten aufweisen. Auf Grund der positiven Ergebnisse der Legierung 25Cr-5Si-0,7Mn-0,13C-Rest Fe wurden diese Legierung sowie eine modifizierte Ni-Basis-Legierung (20%Cr) und zwei weitere Legierungen (auf Vorschlag des pbA) auf die Flossenwände eines Biomasseheizkraftwerkes als Feldversuch aufgebracht. Der Einsatz der Legierungen in einer Müllverbrennungsanlage war leider nicht möglich. In dem Biomasseheizkraftwerk wies die Ni-Basislegierung mit 20%Cr das beste Korrosionsverhalten auf.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens liefern Werkstoffherstellern sowie Beschichtern, die in Deutschland vorwiegend als kleine und mittlere Unternehmen agieren, und Anlagenbetreibern Hinweise auf das Korrosionsverhalten von wirtschaftlich interessanten Eisenbasislegierungen. Der durchgeführte Feldversucht verdeutlicht die hohe Komplexität der Problemstellung und, dass die Korrosionsschutzschichten speziell auf die Prozessbedingungen in Verbrennungsanlagen abgestimmt werden müssen.

Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Danksagung Die Untersuchungen wurden aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. gefördert und von der Forschungsvereinigung „Schweißen und verwandte Verfahren“ e. V. des DVS unterstützt. Für diese Förderung und Unterstützung sei herzlich gedankt.


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