Hartmetallbeschichtungen

Mar 20, 2024

Dr. Yuri Zhuk erforscht CVD-Wolfram/Wolframcarbid als Ersatz für Hartchrom- und thermische Spritzbeschichtungen.

Eine im Vereinigten Königreich entwickelte Wolfram/Wolframkarbid-Metallmatrixbeschichtung wird von Airbus und anderen weltweiten Anwendern kritischer Luft- und Raumfahrt-, Energie- und Strömungskontrollkomponenten als Ersatz für die Hartverchromung (HCP) und die thermische Spritzbeschichtung (HVOF) eingesetzt

Die REACH-Vorschriften (Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe) der EU und des Vereinigten Königreichs verbieten die Verwendung der krebserregenden sechswertigen Chromsalze, die in der HCP-Produktion verwendet werden, aufgrund von Gesundheits- und Umweltrisiken bis April 2024. Die Suche nach einem geeigneten Ersatz ist seit mehreren Jahren eine wichtige Lieferkettenpriorität für Flugzeughersteller und andere HCP-Anwender.

HVOF ist eine der am häufigsten verwendeten thermischen Spritzbeschichtungen und wird oft als Alternative zu HCP angesehen. Es gibt jedoch mehrere Einschränkungen; Thermische Spritzbeschichtungen können auf Außenflächen eine dicke Schicht (bis zu mehreren mm) bilden, können jedoch nicht auf nicht sichtbaren Flächen oder auf komplexen Geometrien aufgetragen werden. Sie gehen keine starke chemische oder metallurgische Bindung mit dem beschichteten Teil ein und hängen von der Rauheit des Substrats ab, um dessen mechanische Haftung zu gewährleisten. Dadurch ist die aufgetragene Beschichtung sehr rau und muss, wie bei HCP, geschliffen werden, um ein akzeptables Finish zu erzielen.

Hardide Coatings, ein in Großbritannien ansässiger Entwickler fortschrittlicher Oberflächenbeschichtungen, hat eine Familie nanostrukturierter Wolfram/Wolframcarbid-Metallmatrixbeschichtungen mit chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) bei niedriger Temperatur entwickelt, die als Alternativen zu HCP und HVOF konzipiert sind und beide in vielen kritischen Eigenschaften übertreffen.

Durch das CVD-Verfahren kann die Hardide-CVD-Beschichtung im Gegensatz zu HCP und HVOF sowohl innere als auch äußere Oberflächen erreichen und komplexe Geometrien beschichten. HCP und HVOF müssen nach der Beschichtung geschliffen werden, um Toleranzen und ein gleichmäßiges Oberflächenfinish zu erreichen. Dies erhöht die Kosten und die Produktionszeit und beschränkt die Form der zu beschichtenden Teile auf einfache flache oder zylindrische Flächen. Hardide-CVD-Beschichtungen haben beim Auftragen typischerweise eine Oberflächengüte von ~0,5–0,6 Mikrometer Ra, die ohne Schleifen auf 0,2–0,3 Mikrometer Ra poliert werden kann.

Hardide-A wurde speziell für die Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelt und entspricht der Dicke (50 – 100 Mikrometer) und Härte (800 – 1200 Hv) von HCP, wodurch die Umstellung vereinfacht wird, da keine Änderungen der Vorbeschichtungszeichnungen und -abmessungen erforderlich sind .

Aufgrund der geringen Wärmeausdehnung von Hardide-A steht die Beschichtung im abgeschiedenen Zustand normalerweise unter Druckeigenspannung und ist frei von den für HCP typischen Mikrorissen. Dadurch stellt die CVD-Wolframkarbidbeschichtung eine hervorragende Korrosionsbarriere dar und übertrifft HCP in dieser wichtigen Eigenschaft. Die Beschichtung verfügt über eine verbesserte Duktilität und Zähigkeit, eine minimale Ermüdungsbelastung – eine viel bessere Ermüdungsleistung bei hohen Lastwechselzyklen als HCP oder HVOF – und bietet einen verbesserten Schutz gegen Festfressen.

Nach einem langen und umfassenden Testprogramm wurde Hardide Coatings von Airbus ausgewählt, seine Hardide-A-Beschichtung als Ersatz für HCP bereitzustellen und beschichtet nun Flügelkomponenten für die Flugzeuge Airbus A320, A330, A380 und A400M. Für eines der aus dünnem Stahlblech gefertigten Teile war eine HVOF-Beschichtung vorgeschrieben, aber in der Produktion verzogen sich die meisten Teile nach der HVOF-Beschichtung, als die thermische Spritzschicht abkühlte. Die Hardide CVD-Beschichtung erwies sich als bessere Alternative, da es zu keiner Verformung der Teile kam. Ein europäischer Hubschrauberhersteller genehmigte die Hardide-CVD-Beschichtung auf einer Getriebewelle als Ersatz für die HVOF-Beschichtung, da sich die glatte Hardide-Beschichtung als weitaus weniger abrasiv für Dichtungen erwies, was das Risiko von Öllecks verringerte und den Wartungsaufwand verringerte. Ein großer Hersteller von Verdrängerpumpen mit Sitz in den USA setzt die CVD-Beschichtung zunehmend als Ersatz für HCP sowohl auf Kolben als auch auf Zylindern ein und hat von einer Verdreifachung der Pumpenlebensdauer beim Umgang mit abrasiven Flüssigkeiten berichtet.

Jede Alternative zu Hartchrom und HVOF hat unterschiedliche Eigenschaften und keine davon ist ein exakter Ersatz. Daher ist die Bewertung der Anwendung und ihrer Leistungsanforderungen von entscheidender Bedeutung, um die beste Lösung zu ermitteln. Dieser Ansatz, gefolgt von umfangreichen Tests und einer evidenzbasierten Bewertung, um sicherzustellen, dass die Leistungskriterien erfüllt sind, wird die am besten geeignete Alternative für den Hartchrom- und HVOF-Ersatz auf Komponentenbasis ermitteln.

Dr. Yuri Zhuk ist der technische Direktor beiHardide-Beschichtungen