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Donnerstag, 14 April 2022 12:00

Alternativen zur Cd-Beschichtung ultrahochfester Luftfahrtstähle

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Geschätzte Lesezeit: 3 - 5 Minuten
Ein mit LHE-Zink-Nickel beschichtetes Luftfahrtgehäuse Ein mit LHE-Zink-Nickel beschichtetes Luftfahrtgehäuse

Nachdem seit vielen Jahren an Alternativen für das als toxisch eingestufte Cadmium gearbeitet wurde, das seit Jahrzehnten in der Luft- und Raumfahrtindustrie zur Beschichtung von korrosionsempfindlichen Stahlbauteilen erfolgreich eingesetzt wird, konnte mit ZnNi eine Legierungsabscheidung realisiert werden, die insbesondere auch auf ultrahochfesten Stählen (Rm > 2000 MPa) hervorragende Eigenschaften aufweist und sich zudem durch geringe Humantoxizität und bessere Umwelteigenschaften auszeichnet.

Zur Qualifizierung der Schicht wurde zunächst aus den möglichen Kandidaten

  • ZnNi
  • ZnFe
  • ZnCo
  • Aluminiumkeramische Schichten (Sermetel®, Ceral®)
  • Zinklamelle
  • Electrodeposited Aluminum
  • Ion Vapor Deposited Aluminum
  • Zinn-Zink

Zink-Nickel ausgewählt. Dann mussten die Eigenschaften von LHE-Cadmium (LHE = Low Hydrogen Embrittlement) ensprechend folgender Kriterien kritisch geprüft werden:

  • Einfacher galvanischer Prozess
  • Gute Haftung auf Stahl
  • Geringe Schichtkorrosion mit partiellem

Selbstheilungseffekt infolge Chromatierung

  • Selbstschmierende Eigenschaften
  • Reparatur mittels Tampon-Galvanisieren möglich
  • Haftfest überlackierbar

Neben diesen Charakteristika bzw. Abläufen mussten weiterhin auf ZnNi übertragen bzw. untersucht werden:

  • Untersuchungen zur H-Kinetik
  • Fatigue-Einflüsse
  • Korrosionsbedingte Wasserstoffversprödung

(re-embrittlement)

  • Schichtmorphologie
  • Beschichtungspaarungen (mating surfaces) gegen

Hartchrom, Nickel oder HVOF (Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, hier WCCoCr)

  • Lackhaftung
  • Mech. Bearbeitbarkeit/Montageeinflüsse (z.B. Buchsen)

Dazu wurden verschiedene Prüfkörpergeometrien, hergestellt überwiegend aus dem Hauptkonstruktionsstahl für hochfeste Anwendungen 300M, angewendet. Charakteristika sind:

  • Niedrig legierter Vergütungsstahl gem. Werknorm
  • Umgeschmolzen unter Vakuum

(VIM+VAR oder 2 VAR)

  • Höchstfest 1930–2070 MPa
  • Legierungszusammensetzung: 0,40–0.43 C; 0.60–0.90 Mn; 1.45–1.80 Si; 0.70–0.95 Cr; 1.65–2.00 Ni; 0.30–0.50 Mo; 0.05–0.10 V; max 0.20 Cu; max 0.01 (P + S)
  • Anlasstemperatur 300 °C
Tab. 1: Untersuchungsparameter

Test

Kriterium

Haftung LHE-ZnNi auf Substrat

Rohrhülse ohne flaking

Haftung Primer auf LHE-ZnNi

Gitterschnitt 0–1

HE: Zeitstandprüfung gem. ASTM F519

200 h ohne Bruch

Re-embrittlement

≥ 50 % incr. stepload ASTM

SSN (Salzsprühnebelprüfung)

336 h ohne Rotrost

Gleitreibung Gewinde

f < 0,3

Abatement factor (Abschlagsfaktor für Fatigue)

1,0 wie LHE-Cd

Reparatur (brush plating) ohne postbaking Zeitstand

ASTM F519

Entschichten und recoat Zeitstand

ASTM F519

Ruhepotential / Oberflächenmorphologie

Ähnlich LHE-Cd

Schichtübergänge: HVOF/LHE-ZnNi + Lack Chem. Ni/LHE-ZnNi + Xylan

336 h ohne Rotrost

Widerstandsmessung

≤ 10 m Ω

Steinschlagbeständigkeit („C“)

DIN EN ISO 20567-1 ohne Rotrost

Umsetzbarkeit auf großen Fw-Bauteilen

Vorrichtung, Stromparameter …

Schichtdickenverteilung

≥10 μm, komplexe Geometrien

Buchsenmontage auf beschichten LG-Teilen

Machbarkeit, Prozeßsicherheit

Klimawechseltest

Weiß- / Rotrost

Enteisungsmittel Aviform L50 (ZnNi vs. Cd)

Beständigkeit

Die Untersuchungsparameter zeigt Tabelle 1. Als Prüfmethoden zur Wasserstoffversprödung kommen Methoden nach ASTM F 519 (definiertes Spannen von Ringen mit 200h Auslagerung sowie Belastung von Kerbzugproben für 200h unter 75 % Kerbzugfestigkeit) und ASTM F 326-17 (Prüfung der Wasserstoffdurchlässigkeit in einem Lawrence Gauge) zum Einsatz. Da letzteres aus der Cd- Schichtprüfung stammende Verfahren zum damaligen Zeitpunkt noch nicht einsatzfähig war, wurde ein neues Prüfverfahren entwickelt und patentiert. Im Prinzip werden hier hochfrequente Schallemissionen durch die mikrostrukturelle Schädigung des Werkstoffs infolge eindiffundierten Wasserstoffs unter den Bedingungen des Zeitstandversuches gemessen.

Eine weitere Untersuchung galt der Wasserstoffkinetik und der Permeationsmessung (Abb. 1). Es ist hier ersichtlich, dass sich ZnNi mit einer Stromdichte von 7 A/dm² durch ein sehr geringe Permeationsstromdichte auszeichnet, insbesondere auch im Vergleich mit LHE-Cd.

Abb. 1: Vergleichende H-Permeationsmessungen Abb. 1: Vergleichende H-Permeationsmessungen

Ein weiteres Kriterium ist die Oberflächenmorphologie der abgeschiedenen Schicht auf dem Substrat (Abb. 2). Hier ist sehr instruktiv die erwünschte und das Wasserstoffausgasverhalten positiv beeinflussende knospenartige (Blumenkohl-) Struktur mit Poren und Rissen zu erkennen.

Abb. 2: Oberflächenmorphologie  Abb. 2: Oberflächenmorphologie

Abb. 3: Korrosionsverhalten von Schichtübergängen  Abb. 3: Korrosionsverhalten von Schichtübergängen Eine spezielle Eigenart bei luftfahrttechnischen Details ist die sehr sorgfältig und sinnvoll sowie auf maximale Sicherheit ausgelegte Designkonfiguration. Dies gilt auch und besonders für die Beschichtung von Oberflächen, um Langzeitschutz, Lebensdauer, Verschleißfestigkeit und Reparaturfähigkeit der teueren Bauteile sicherzustellen. Daher ist besonderes Augenmerk auf die Schichtübergänge (= mating surfaces) bei Mehrfach- und Partialbeschichtungen zu legen (Abb. 3).

Zum Entwicklungszeitpunkt war noch keine einsatzfähige Hartchromalternative greifbar, sodass die Übergänge Cr/Cd mit Cr/ZnNi sowie Cd/Primer-Lack und ZnNi/Primer-Lack zu untersuchen waren. Weiterhin war Gegenstand der Untersuchung der Übergang Chem. Ni (40 μm)/ ZnNi/Primer-Lack sowie HVOF/ZnNi/Primer-Lack, Chem. Ni sowie HVOF konnten teilweise als Cr-Alternative eingesetzt werden. Es zeigte sich, dass auch nach 1000 h SSN keinerlei Korrosionsansätze zu erkennen waren (Abb. 4a und b).

 

 Abb. 4 a: Schichtübergang Chem. Ni40/ZnNi+  Primer/Lack 1000 h SSIAbb. 4 a: Schichtübergang Chem. Ni40/ZnNi+ Primer/Lack 1000 h SSI

 Abb. 4 b: Schichtübergang HVOF/ZnNi + Primer/Lack 1000 h SSNAbb. 4 b: Schichtübergang HVOF/ZnNi + Primer/Lack 1000 h SSN

 

Andere Untersuchungspunkte waren das Ermüdungsverhalten der beschichteten Werkstoffe (Abb. 5). Hier ist im Vergleich zu erkennen, daß es keinen Unterschied zwischen LHE-Cd und LHE-ZnNi gibt.

Abb. 5: Einfluss des Behandlungsprozesses auf das  Werkstoff-Ermüdungsverhalten Abb. 5: Einfluss des Behandlungsprozesses auf das Werkstoff-Ermüdungsverhalten

Ein besonderer Punkt im Zusammenhang von Korrosion und Wasserstoffversprödung ist das sog. Re-embrittlement. Dieses beschreibt den Einfluß der Schichtkorrosion auf das Wasserstoffversprödungsverhalten von ultrahochfesten Luftfahrtstählen. Dazu wird eine beschichtete gekerbte Zugprobe, nachdem sie im Zeitstand an Luft 200 h bei 75 % Rm ohne Bruch überstanden hat, in einer 3,5%ige NaCl-Lösung 24 h lang einer Bruchlast von 45 % ausgesetzt.

Anschließend erfolgt eine incrementale Laststeigerung um 5 %/h. Der letzte Wert vor dem Bruch ist der Kennwert.

Abbildung 6 zeigt, dass der Grenzwert zur Qualifizierung in jedem Fall erreicht wurde, aber auch, dass Cd noch eine minimal bessere Performance zeigt.

Abb. 6: Re-Embrittlement-Verhalten LHE-Cd /ZnNiAbb. 6: Re-Embrittlement-Verhalten LHE-Cd /ZnNi

Nach diesen aufwendigen Untersuchungen konnte im Rahmen der Industrialisierung das Verfahren durch Verifikation an realen Großbauteilen in die Serie umgesetzt werden.

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 4
  • Jahr: 2022
  • Autoren: Dr. Klaus Schöttler

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