Mikrostrukturierung von Stahl- und Titanoberflächen mit feindispersen Partikeln durch ein Kaltgasverfahren
Paul David Breuninger
Kurzfassung
Die Mikromorphologie der Oberfläche eines Körpers bestimmt viele seiner makroskopischen Eigenschaften, wie die Reibung, die Benetzung, die Adhäsion von Bakterien und Zellen oder das Kollisionsverhalten mit festen Partikeln. In dieser Arbeit wurde ein Bearbeitungsverfahren zur gezielten Veränderung der Mikromorphologie von metallischen Bauteiloberflächen auf der Basis der Kaltgastechnik entwickelt. Mit diesem Verfahren erzeugte Proben wiesen in Experimenten zum Partikel-Wand Stoßverhalten, zum Reib- und Verschleißverhalten sowie zur Adhäsion von Bakterien verbesserte Oberflächeneigenschaften im Vergleich zu Proben aus Referenzverfahren auf.
In dem Prozess beschleunigen einzelne, duktile Partikeln im Größenbereich zwischen 1 und 35 μm in einer Lavaldüse auf Geschwindigkeiten zwischen 200 und 1000 m/s und prallen anschließend auf eine metallische Oberfläche. Die hohe kinetische Energie der Partikeln beim Aufprall wird in plastische Verformung und Wärme umgewandelt. Ein Aufprall schneller als eine kritische Geschwindigkeit führt zur Fixierung des Partikels auf der Oberfläche durch eine Kaltgasbindung. Bei einer geringeren Geschwindigkeit prallt die Partikel ab und hinterlässt einen Krater in der Oberfläche. Die genauen Bedingungen zum Zeitpunkt des Aufpralls bestimmen maßgeblich die entstehende Mikromorphologie.
Mikroskopaufnahmen von experimentell hergestellten Proben aus Edelstahl- und Titansubstraten mit Partikeln aus jeweils demselben Material zeigten, dass die entstehende Oberflächenmorphologie durch Variation der Prozessparameter gezielt kontrollierbar ist. Die verschiedenen Zeit- und Größenskalen im Prozess wurden mit zwei komplementären Simulationsmethoden modelliert. Die numerische Berechnung des Johnson-Cook-Modells in einer Finite-Elemente-Simulation diente zur Ermittlung der plastischen Verformung beim Aufprall. Die entscheidenden Prozesseigenschaften unmittelbar vor dem Aufprall, welche den Aufprallvorgang bestimmen, wurden mit numerischen Strömungssimulationen der Partikel-Gasströmung modelliert. Mit dem erarbeiteten Prozessverständnis ist es nun erstmals möglich mit dem Verfahren eine Oberflächenmorphologie gezielt zu erzeugen, die maßgeschneiderte Oberflächeneigenschaften aufweist.
