Werkstoff- und verfahrenstechnische Optimierung kavitationserosionsbeständiger Beschichtungen an Schiffsrudern mittels Kaltgasspritzen (WoBeKa) [IGF-Nr. 18449 N]

Durchführende Stellen: Helmut-Schmidt-Universität Universität der Bundeswehr Hamburg - Institut für Werkstofftechnik (Prof. Dr.-Ing. Thomas Klassen), Fraunhofer-Gesellschaft e.V. Fraunhofer Anwendungszentrum für Großstrukturen in der Produktionstechnik (Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner)

Bearbeitungszeitraum: 01.06.2015 bis 31.05.2017

 


Motivation / Ausgangssituation

Massive Erosionserscheinungen an modernen Containerschiffen und Fähren können die Sicherheit des Schiffsbetriebes gefährden. Kritisch ist insbesondere die Kavitationserosion, die durch die Bildung / Auflösung von Dampfblasen bei Druckschwankungen entsteht. Daneben bewirkt aufgewirbeltes Sediment im umgebenden Anströmbereich einen erhöhten Oberflächenabrieb, das Salzwasser bewirkt eine erhöhte Seewasserkorrosion. Die Beseitigung der Folgen dieser 3 erosiven Schädigungsarten im Ruder- und Achterschiffsbereich stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar. In der Schiffsentwurfsphase werden durch hydrodynamische Berechnungen optimale Propeller-Ruder-Interaktionen ermittelt, um Kavitation weitgehend zu vermeiden. Hierfür werden moderne Simulationsverfahren eingesetzt und deren Ergebnisse in Modellversuchen im Kavitationstunnel und Schlepptank validiert. Die Bereiche der Kavitationsgefährdung können somit rechnerisch und experimentell gut ermittelt werden. Die erforderlichen strömungsmechanischen Bedingungen zur Reduzierung von Erosionswirkungen konnten jedoch bisher nur ansatzweise in fertigungstechnische Maßnahmen umgesetzt werden. In der Praxis werden die Schiffe mindestens alle 5-7 Jahre gedockt, um die aufgetretenen Schäden zu beseitigen. Die betreffenden Stahloberflächen werden mit organischen Beschichtungen und i.d.R. zusätzlich mit Opferanoden aus Zink versehen. Diese werden regelmäßig nach dem Eindocken des Schiffes erneuert. Bei dennoch auftretenden Erosionsschäden in Form von großflächigen Materialverlusten wird mittels Auftragsschweißen und Schleifarbeiten eine relativ aufwendige Reparatur vorgenommen. Versuche, mit Laser-/ Plasmaauftragsschweißungen die Erosion an Schiffsrudern zu reduzieren, sind bisher über eine Konzeptionsphase nicht hinausgekommen. Bei großvolumigen Ruderanlagen im Schiffbau bzw. im Achterschiffsbereich wurde das thermische Spritzen bisher nicht eingesetzt. Untersuchungen zur Reduzierung von Kavitations- / Erosionsschäden an maritimen Stahlstrukturen mittels Hochgeschwindigkeitsflamm- bzw. Plasmaspritzen in Deutschland und jüngst mittels Lichtbogenspritzen in Fernost zeigen, daß z.B. durch hochlegierte Fe-Cr-Ni-Mo- und Al-Si-Legierungen sehr gute Erosionsbeständigkeiten im Vergleich zu konventionellen organischen Anti-Korrosionsbeschichtungen über geeignete Prüfroutinen nachgewiesen werden konnten. Im abgeschlossenen IGF-Vorhaben BESOMA (IGF-Nr. 17135 BG) konnte aufgezeigt werden, dass mittels Kaltgasspritzen ebenfalls bereits sehr gute Kavitationserosionseigenschaften mit heterogenen Ni-Al-Bronzen auf üblichen Grundwerkstoffen (GL-A, t = 15 mm) erzielt werden konnten. Auf Grund der für das Kaltgasspritzverfahren neuartigen Werkstoffkombinationen kam es zu, vorher nicht absehbaren, Verzögerungen, insbesondere die Pulvervorbehandlung und die Parameteranpassung betreffend. Die Bronzeschichten wiesen noch teilweise ungebundene Grenzflächen und Poren auf, welche auf martensitische Anteile im Pulver und begrenzte Prozessgastemperaturen aufgrund des Verklebens der Düsen zurückzuführen sind. Ebenso stellte die Schichtadhäsion, welche gezielt durch Substratvorbehandlung (Temperatur, Rauheit) beeinflusst werden kann, eine Herausforderung dar. Weiterhin wurden Eigenspannungen als mögliche Ursachen für z.T. schlechte Schichtanbindungen ausgemacht.

 

Zusammenfassung der geplanten Ziele und Lösungsschritte

Aufbauend auf den im IGF-Vorhaben BESOMA erzielten Ergebnissen steht die Weiterentwicklung der Technologie zum vollständigen oder partiellen Kaltgasspritzen von Ruderanlagen- und umgebenden Achterschiffsbereichen weiter im Vordergrund, um Kavitations-, Abrasions- und Korrosionsschäden der betreffenden Oberflächen deutlich zu reduzieren. Dafür soll die Werkstoffpalette um besser verformbare heterogene Bronzematerialien erweitert werden. Zusätzlich sollen kavitationserosionsbeständige Stähle vergleichend mittels Kaltgasspritzen aufgetragen und analysiert werden. Schwerpunkte der Untersuchungen sind hierbei nachträgliche Wärmebehandlungen der Schichten zum Ausheilen nicht gebundener Grenzflächen sowie die systematische Analyse der Schichteigenspannungen, welche die gezielte Einstellung der Spritzparameter hinsichtlich eines für die Belastung günstigen Spannungszustands ermöglichen soll. Neben Schichten auf Schiffbaustahlsubstraten (GL-A) werden zusätzliche Untersuchungen auf Ni-Al-Bronze-Substraten (heterogene Schiffspropellerbronze) durchgeführt, um die Anwendungspalette des Kaltgasspritzens im Bereich des Schiffbaus zu erweitern. Hierzu werden bestehende Prüfmethoden zur Beurteilung des Kavitations-, Abrasions- und Korrosionsschutzes angepasst und weiterentwickelt. Die sich daraus ergebenden wesentlichen Aufgaben des Projektes bestehen darin, geeignete Materialien auf deren Verarbeitbarkeit durch Kaltgasspritzen für maritime Strukturen bei typischen Betriebs- und Umweltbelastungen am Beispiel Ruder zu untersuchen und Prozessparameter entsprechend zu optimieren, sowie die konstruktive, werkstofftechnische und gerätetechnische Voraussetzung für deren Applikation in Abstimmung mit den Klassifikationsgesellschaften zu schaffen. Wenn die Untersuchungen erfolgreich verlaufen, kann für den stark beanspruchten Unterwasserbereich insbesondere schnellfahrender Schiffe eine völlig neuartige Möglichkeit der Oberflächenbeschichtung genutzt werden, die aufgrund der wesentlich höheren Beanspruchbarkeit eine Erhöhung der Einsatzzeiten ermöglichen würde. Die bisherigen Dockintervalle von mindestens 5 Jahren könnten dann wesentlich verlängert bzw. die aufwendige Beseitigung von Erosionsschäden durch Kavitation, Oberflächenabrieb und Korrosion erheblich reduziert werden. In Laboruntersuchungen konnten für ausgewählte mittels Kaltgasspritzen beschichtete Teile Standzeiterhöhungen nach Kavitationserosionstests um das 80- bis 90-fache im Vergleich zu entsprechenden Farbbeschichtungen erreicht werden. In weiterer Zusammenarbeit mit Klassifikationsgesellschaften werden Vorbereitungen zur Zulassung angestrebt, damit die aufgezeigten wissenschaftlichen-technischen und wirtschaftlichen Fragestellungen gelöst sowie die Grundlage für eine technische Umsetzung geschaffen. Neue Einsatzfelder, wie z.B. der Offshorewindbereich, könnten von den Ergebnissen ebenfalls profitieren.

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