Maßgeschneiderte thermische Spritzschichten im System Al 2 O 3 -TiO 2 -Cr 2 O 3 unter besonderer Berücksichtigung der elektrischen Eigenschaften

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1 Maßgeschneiderte thermische Spritzschichten im System Al 2 O 3 -TiO 2 -Cr 2 O 3 unter besonderer Berücksichtigung der elektrischen Eigenschaften Von der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) angenommene Dissertation Dipl.-Ing. Carl Christoph Stahr geb. am: in: Freiburg i. Br. Tag der Einreichung: Tag der Verteidigung: Gutachter Prof. Dr.-Ing. Christoph Leyens Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Eckhard Beyer Vorsitzender der Promotionskommission Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Hurtado

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3 Berichte aus der Fertigungstechnik Carl Christoph Stahr Maßgeschneiderte thermische Spritzschichten im System Al 2 O 3 -TiO 2 -Cr 2 O 3 unter besonderer Berücksichtigung der elektrischen Eigenschaften Zahlen tieferstellen Shaker Verlag Aachen 2015

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2015 Copyright Shaker Verlag 2015 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet:

5 Inhalt Inhalt Inhalt ii Abkürzungs- und Symbolverzeichnis iv 1 Motivation, Zielsetzung und Lösungsweg 1 2 Technologische und werkstoffliche Ausgangsbasis Das thermische Spritzen Plasmaspritzverfahren Hochgeschwindigkeitsflammspritzen Herstellung keramischer Spritzpulver Elektrotechnische Grundlagen, elektrische Eigenschaften von Oxidkeramiken und ihre messtechnische Bestimmung Begriffsdefinitionen Einteilung der Werkstoffe nach ihrer elektrischen Leitfähigkeit Die oxidkeramischen Schichtwerkstoffe Al 2 O 3, TiO x und Cr 2 O 3 : Einsatzbereiche und werkstoffliche Besonderheiten beim thermisches Spritzen Al 2 O TiO Cr 2 O Das System Al 2 O 3 -Cr 2 O Das System Al 2 O 3 -TiO Das System TiO 2 -Cr 2 O Versuchsdurchführung Versuchsplanung Probenherstellung Ausrüstung zum thermischen Spritzen Ermittlung geeigneter Prozessparameter Charakterisierung Mikroskopie Phasenanalyse Härte Elektrische Eigenschaften Versuchsaufbau und Durchführung der elektrischen Messungen Theoretische Überlegungen und Vorversuche zur Auswertung der Impedanzmessungen 61

6 Inhalt 4 Ergebnisse und Auswertung Charakterisierung der Spritzwerkstoffe Mikroskopie Phasenanalyse Charakterisierung der Schichten Mikroskopie Phasenanalyse Härte Elektrische Eigenschaften Untersuchungen an Umgebungsatmosphäre Einfluss der Luftfeuchtigkeit 99 5 Diskussion Al 2 O Mikrostruktur, Phasenzusammensetzung und Härte Elektrische Eigenschaften TiO Mikroskopie, Röntgenografie und Härte Elektrische Eigenschaften Cr 2 O Mikroskopie, Röntgenografie und Härte Elektrische Eigenschaften Al 2 O 3 -Cr 2 O Mikroskopie, Röntgenografie und Härte Elektrische Eigenschaften Al 2 O 3 -TiO Mikroskopie, Röntgenografie und Härte Elektrische Eigenschaften TiO 2 -Cr 2 O Mikroskopie, Röntgenografie und Härte Elektrische Eigenschaften Anwendungsbeispiele Keramisches Heizelement Laserschutzwand Zusammenfassung Literatur 121 Abbildungsverzeichnis 137 Tabellenverzeichnis 140

7 Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Abkürzungs- und Symbolverzeichnis ε φ σ AC DC BSE REM SE s/w a&s f&c APS CAPS CGS DS FS HF HPPS HVOF ICP LB LPPS VPS WSP IKTS IWS Dielektrizitätkonstante Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom spezifische Leitfähigkeit Wechselstrom Gleichstrom Materialkontrastbild am REM Rasterelektronenmikroskop Topografieuntersuchung am REM schwarz/weiß agglomerated & sintered; Herstellmethode für Spritzpulver fused & crushed; Herstellmethode für Spritzpulver Atmosphärisches Plasmaspritzen Plasmaspritzen in kontrollierter Atmosphäre Kaltgasspritzen Detonationsspritzen Flammspritzen Hochfrequenz Plasmaspritzen High Power Plasma Spray oder High Pressure Plasma Spray (Bedeutung im Kontext erwähnt) Hochgeschwindigkeitsflammspritzen Induktives Plasmaspritzen Lichtbogen-Draht-Spritzen Niederdruck Plasmaspritzen Vakuumplasmaspritzen Wasserstabilisiertes Plasmaspritzen Fraunhofer-Institut für keramische Technologien und Systeme, Dresden Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahlkunde, Dresden

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