CMT 37/2018

Werkstoff- und verfahrenstechnische Optimierung kavitationserosionsbeständiger Beschichtungen an Schiffsrudern mittels Kaltgasspritzen (WoBeKa)

 

Helmut-Schmidt-Universität - Universität der Bundeswehr Hamburg - Institut für Werkstofftechnik
Prof. Dr.-Ing. Thomas Klassen, Dr. rer. nat. Frank Gärtner, Dipl.-Wi.-Ing. Sebastian Krebs

 

Fraunhofer-Einrichtung Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP, Rostock
Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Prof. Dr.-Ing. habil. Knuth-Michael Henkel, M.Sc. Michel Hauer

 

Das IGF-Vorhaben 18449 BG der Forschungsvereinigung Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

 

Der Bericht kann beim CMT bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an igf(at)cmt-net.org

 

Zusammenfassung

Am Schiffsrumpf und insbesondere am Schiffsruder auftretende Kavitationserscheinungen setzen Wirkungsgrad, Sicherheit und Effizienz von schnell fahrenden Seeschiffen herab. Auftretende dynamische Druckschwankungen durch Ruderbewegungen bei Kursänderungen oder achterlicher See lassen sich auch unter der Optimierung hydrodynamischer Eigenschaften nicht verhindern. Lokale Druckschwankungen sind hinreichend groß, um Kavitation, d.h. die Bildung und Implosion von Dampfblasen auszulösen. Die zyklische Belastung führt langfristig zu Materialermüdung und lokalem Abtrag aus der Oberfläche. Neben dieser Kavitationserosion bewirken vorbeiströmende Sedimente zusätzlichen Abrieb, und eine auftretende Seewasserkorrosion führt zu weiterer Schädigung der Schiffsoberfläche. Das komplexe Verschleißsystem wird demnach durch Mechanismen der Oberflächenzerrüttung und tribochemischer Reaktionen charakterisiert.

Die Beseitigung der Folgen dieses tribologischen Systems im Ruder- und Achterschiffsbereich stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar. In der Schiffsentwurfsphase werden moderne Simulationsverfahren eingesetzt und deren Ergebnisse in Modellversuchen im Kavitationstunnel und Schlepptank validiert. Die Bereiche der Kavitationsgefährdung können somit gut ermittelt werden. In der Praxis werden die Schiffe trotzdem alle 5-7 Jahre gedockt, um die aufgetretenen Schäden aufwendig durch Auftragsschweißen und Schleifarbeiten zu beseitigen. Bei großvolumigen Ruderanlagen im Schiffbau bzw. im Achterschiffsbereich wurde das thermische Spritzen bisher nicht eingesetzt. Die Zielsetzung des Projekts bestand daher in der Entwicklung eines Verfahrens zum vollständigen oder partiellen Beschichten durch Kaltgasspritzen oder thermisches Spritzen mittels beständigen Materialien auf Ruderanlagen- und umgebende Achterschiffsbereiche.

Aus den exzellenten Resultaten des Vorgängerprojekts BESOMA (IGF-Nr. 17135 BG) ergaben sich, angeregt durch den projektbegleitenden Ausschuss, vielversprechende Ideen. Zum einen sollten der Einsatz von duktileren Bronzen und eine optimale thermische Nachbehandlung der Schichten die Kavitationsbeständigkeit verbessern. Im Rahmen von WOBEKA konnte nun nachgewiesen werden, dass z.B. mit kaltgasgespritzten Mn-Bronzen Kavitationsbeständigkeiten ähnlich zu denen der massiven Propellerbronze eingestellt werden können, allerdings unter kostenintensiver Verwendung von Helium als Prozessgas. Die Verarbeitung weicherer Bronzen resultiert zwar in Bezug auf entsprechendes Massivmaterial in sehr guten Schichteigenschaften. Jedoch sind entsprechende Werkstoffe a priori zu weich, um den geforderten Kavitationsschutz zu bieten. Im Gegensatz dazu erwies sich eine thermische Nachbehandlung der relativ harten NiAl-Bronzeschichten als adäquates Mittel, um Defekte der kaltgasgespritzten Schichten auszuheilen und massivmaterialähnliche Kavitationsbeständigkeiten einzustellen. Ein weiterer Schwerpunkt betraf den Einsatz weiterer Spritzverfahren als Alternativen zum Kaltgasspritzen wie das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF), das hieraus abgeleitete und sogenannte Warm-Spritzen als auch das Lichtbogenspritzen. Mittels Warmspritzens konnten für NiAl-Bronzeschichten ähnliche Eigenschaften im Vergleich zum Massivmaterial eingestellt werden. Entsprechend der Expositionszeiten des teils oder ganz aufgeschmolzen Beschichtungsmaterials gegenüber atmosphärischem Sauerstoff werden die Qualitäten der durch HVOF-Spritzen oder Lichtbogenspritzen hergestellten Schichten durch eingebaute Oxide beeinträchtigt, dank Prozessoptimierung jedoch weniger stark als erwartet. Durch Lichtbogenspritzen oder HVOF-Spritzen aufgetragene NiAl-Bronzeschichten erreichen eine 13-30 bessere Kavitationsbeständigkeit als der bisherig verwendete Ruderwerkstoff Stahl GLA.

Ein Problem im Vorgängerprojekt BESOMA bestand darin, dass dickere Schichten in Folge der Eigenspannungen vom Substrat abplatzten – einige davon erst im Langzeitkavitationstest. Entsprechend wurde ein zusätzlicher Fokus in WOBEKA auf das komplexe Wechselspiel zwischen internen Spannungen und externen Lasten unter dem Kavitationsangriff sowie der Auswirkungen auf die Adhäsion gelegt. Dabei wurde nachgewiesen, dass für das Lichtbogenspritzen Eigenspannungen die Kavitationserosionsbeständigkeit deutlich beeinträchtigen können. Diese Eigenspannungen konnten jedoch beispielweise durch den Einsatz alternativer Zerstäubergase oder die Anpassung der Roboterkinematik stark verringert werden.

Im Lauf des Projekts wurden umfangreiche Kenntnisse zu verschiedensten Spritzverfahren und deren bestimmenden Einflussfaktoren bezüglich der Schichteigenschaften gewonnen. Hierdurch ist es nun möglich, Spritzschichten herzustellen, welche in Bezug auf die Kavitationserosionsbeständigkeit ähnliche Qualitäten wie entsprechendes Massivmaterial erreichen. Alternativ erweist sich das Lichtbogenspritzten als Kompromiss aus soliden Schichteigenschaften und exzellenter Handhabbarkeit. Die Ergebnisse des Projekts sollen in ein DVS-Merkblatt überführt werden, um einen Transfer in die Praxis zu gewährleisten.

 


Abstract

Cavitation phenomena occurring on the hull and in particular on the ship rudder reduce the safe-ty and efficiency of fast moving seagoing vessels. Dynamic pressure fluctuations caused by rudder movements due to changes in course or aft sea cannot be prevented even by optimizing hydrodynamic properties. Local pressure fluctuations are sufficiently large to cause cavitation, i.e. the formation and implosion of vapor bubbles. The cyclic loading leads to long-term material fatigue and local removal from the surface. In addition to this cavitation erosion, sediments flow-ing past cause additional abrasion, and seawater corrosion leads to further damage to the ship's surface. The complex wear system is therefore characterized by mechanisms of surface deteri-oration and tribochemical reactions.

The elimination of the consequences of this tribological system in the rudder and stern area is a considerable cost factor. In the ship design phase modern simulation methods are used and their results are validated in model tests in the cavitation tunnel and towing tank. The areas of cavita-tion hazard can thus be determined well. In practice, however, the ships are docked every 5-7 years in order to repair the damage that has occurred by means of build-up welding and grinding work. Thermal spraying has not yet been used for large-volume rudder systems in shipbuilding or in the stern area. The aim of the project was therefore to develop a process for complete or partial coating by cold gas spraying or thermal spraying using durable materials on the rudder and surrounding stern areas.

The excellent results of the previous project BESOMA (IGF No. 17135 BG), inspired by the pro-ject support committee, gave rise to promising ideas. On the one hand, the use of ductile bronz-es and an optimal heat treatment of the coatings should improve the cavitation resistance. Within WOBEKA, it now could be proved that on basis of Mn-bronzes cold sprayed coating could achieve similar cavitation resistance as cast propeller bronze, but unfortunately for such needing the use of cost intensive use of helium as process gas. Processing softer bronzes by cold spray-ing with nitrogen results in coating qualities rather similar to those of respective bulk material. However, respective materials prove as too soft to supply the needed cavitation resistance. In contrast, post annealing procedures of the rather hard NiAl-bronze coatings proved as adequate method to reduce the number of coating defects and adjust properties similar to those of the re-spective bulk material. A further focus was put on the use of further spraying processes as alter-natives to cold gas spraying, such as high velocity oxygen-fuel (HVOF) spraying, the from HVOF derived warm spraying or arc spraying. By optimization of warm spraying, NiAl-bronze could be processed that show similar cavitation resistance as respective bulk material. Accord-ing to respective exposure times of liquid or semi-liquid droplets again environmental oxygen, qualities of HVOF-sprayed of arc-sprayed coatings are limited by embedded oxides; however thanks to process optimization to less extend than expected. Coatings processed by arc spraying or HVOF-spraying show 13-30 times better cavitation resistance than the typical rudder material steel GLA.

One problem in the previous project BESOMA concerned the detachment of thicker layers from the substrate as a result of the residual stresses - some of them only in the long-term cavitation test. Therefore, WOBEKA put an additional focus on the complex interaction between internal stresses and external loads under the cavitation attack and the effects on adhesion. For arc spraying, th results show that the residual stresses can dominate and restrict the cavitation ero-sion resistance. However, this could be reduced, for example, by using alternative atomizing gases or by adapting the robot kinematics.

During the course of the project, extensive knowledge of various spraying processes and their determining influencing factors with regard to the coating properties was gained. As a result, it is now possible to produce coatings that reach the quality as the respective bulk material in terms of cavitation erosion resistance. Alternatively, arc spraying proves to be a compromise between robust coating properties and excellent usability. The results of the project are in transfer to a DVS bulletin in order to ensure a save and qualified use within the field of cavitation protection.

 

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