Effektiver Verschleiß- und Korrosionsschutz mit dem EHLA-Verfahren

Hartverchromen, thermisches Spritzen oder Laserauftragschweißen sollen Bauteile vor Korrosion und Verschleiß bewahren. Allerdings bergen all diese Verfahren erhebliche Nachteile: So ist beispielsweise die Beschichtung mit Chrom(VI) ab September 2017 nur noch nach Autorisierung erlaubt. Das neue Verfahren »Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA« des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT und der RWTH Aachen University beseitigt diese Defizite erstmals – auf effektive und wirtschaftliche Weise.

Bauteile vor Verschleiß und Korrosion zu schützen, ist keine einfache Angelegenheit. Die üblichen Verfahren, wie das Hartverchromen und das thermische Spritzen, warten mit Nachteilen auf. Das Laserauftragschweißen konnte sich bislang in diesem Bereich nur vereinzelt durchsetzen. Forscher des Fraunhofer ILT und der RWTH Aachen University haben mit dem extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA nun ein alternatives, patentgeschütztes Verfahren entwickelt, das die Defizite der herkömmlichen Verfahren in den Bereichen der Beschichtungstechnik und Reparatur beseitigt. Auf diese Weise lassen sich erstmalig dünne Schichten im Bereich von Zehntel Millimetern auf große Flächen in kurzer Zeit ressourceneffizient und wirtschaftlich auftragen. Darüber hinaus bieten sich vollkommen neue Möglichkeiten für neue Materialpaarungen und im Bereich der additiven Fertigung.

Eines der herkömmlichen Verfahren für den Verschleiß- und Korrosionsschutz ist die Hartverchromung. Das Verfahren verbraucht jedoch viel Energie und zudem schädigt das eingesetzte hexavalente Chrom Mensch und Natur. Ab September 2017 darf es daher nur noch nach vorheriger Autorisierung eingesetzt werden.

Das EHLA-Verfahren bietet hier erstmalig eine wirtschaftliche Alternative. Da keinerlei Chemikalien zum Einsatz kommen, ist das Verfahren sehr umweltfreundlich. Die entstehende Beschichtung ist stoffschlüssig mit dem Grundstoff verbunden und kann im Gegensatz zur Hartverchromungs nicht abplatzen. Während die Hartchromschichten Poren und Risse aufweisen, sind die mit dem EHLA-Verfahren erzeugten Schichten dicht und schützen das Bauteil wesentlich effizienter und langfristiger.

Auch das thermische Spritzen weist Nachteile auf. Da nur etwa die Hälfte des eingesetzten Materials später die Bauteiloberfläche bedeckt, verbraucht dieses Verfahren sehr viel Material und Gas. Zudem haften die entstehenden Schichten nur schwach am Substrat. Da sie porös sind, müssen stets mehrere Schichten mit einer Dicke von ca. 25 bis 50 Mikrometer übereinander aufgetragen werden. Beim neuen EHLA-Verfahren werden rund 90 Prozent des Materials genutzt. Jede einzelne Schicht ist bereits dicht und zudem fest mit dem Substrat verbunden. Das Verfahren ist somit weitaus ressourcenschonender und wesentlich wirtschaftlicher als das thermische Spritzen.

Durch Laserauftragschweißen können Bauteile hochwertig mit einer Vielzahl von Materialien beschichtet werden. Allerdings ist das Verfahren für große Bauteile zu langsam. Im Verschleiß- und Korrosionsschutz konnte es sich daher bislang nur vereinzelt durchsetzen. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens besteht im vergleichsweise hohen Wärmeeintrag in das Bauteil: Die Oberfläche wird lokal aufgeschmolzen während der pulverförmige Zusatzwerkstoff mit einer Zufuhrdüse in das Schmelzbad befördert wird.

Beim EHLA-Verfahren schmilzt der Laser die Pulverpartikel bereits oberhalb des Schmelzbades auf. Da flüssige Materialtropfen statt feste Pulverpartikel in das Schmelzbad gelangen, wird die Schicht reiner und glatter – die Rauheit wurde auf ein Zehntel des bisherigen Wertes reduziert.

Ein wesentlicher Vorteil liegt im geringen Wärmeeintrag. Reicht die Wärmeeinflusszone beim herkömmlichen Laserauftragschweißen bis in den Millimeterbereich, wird durch EHLA das Material nur im Mikrometerbereich thermisch beeinflusst. Somit ermöglicht das EHLA-Verfahren, hitzeempfindliche Komponenten zu beschichten, bei denen dies bislang aufgrund der Bildung unerwünschter, spröder Phasen nicht möglich war. So werden vollkommen neue Materialkombinationen möglich wie etwa Beschichtungen auf Aluminium- oder Gusseisenlegierungen.

Beim Laserauftragschweißen steigt die Vorschubgeschwindigkeit von 0,5 bis 2 Meter pro Minute, beim EHLA-Verfahren hingegen auf 50 bis 500 Meter pro Minute – also 100 bis 250-mal so schnell wie bisher. Auch löst das EHLA-Verfahren das Problem der geforderten Schichtdicken. Bisher waren nur Schichten mit einer typischen Dicke von 500 bis 1.000 Mikrometer möglich. Mit dem neuen EHLA-Verfahren lassen sich 25 bis 250 Mikrometer dünne Schichten herstellen.

Auch über die Beschichtung hinaus bietet das EHLA-Verfahren vielversprechende Möglichkeiten, z. B. bei dem hybrid-additiven Ansatz zur Herstellung von Volumenelementen auf bereits vorhandenen, konventionell hergestellten Bauteilen. Bisherige Prozessketten sind meist von einem subtraktiven Vorgehen geprägt, bei dem häufig bis zu 90 Prozent des ursprünglichen Bauteils zerspant werden. EHLA kann hier Abhilfe schaffen: Die spanende Fertigung von Flanschen und Dichtsitzen aus einem Rohling auf einer Welle beispielsweise kann mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Das gleiche Bauteil hybrid-additiv mit EHLA hergestellt dauert lediglich einige Minuten und die finale Nachbearbeitung durch Drehen ist ebenfalls nach wenigen Minuten abgeschlossen.