Korrosionsbeständige Diamant-Keramiken für Unterwasseranlagen

Korrosionsbeständige Diamant-Keramiken für Unterwasseranlagen#

© Fraunhofer IWM
Finite-Elemente-Simulation der Kontaktspannungen (Kugel auf Keramikoberfläche) im Kontinuum (links) und die Mikrostruktur von Diamant-SiC (rechts).

Um Rohstoffe ökonomisch und umweltschonend aus dem Meer fördern zu können, müssen die Prozesse möglichst störungsfrei ablaufen –  Stillstand, Wartung und Reparatur der marinen Anlagen und Systeme würden sonst enorme Kosten verursachen. Das Fraunhofer IWM hat in Kooperation mit drei weiteren Fraunhofer-Instituten erforscht, welche Werkstoffe besonders geeignet sind, um bei den hochgradig korrosiven Umgebungsbedingungen von SubSea-Systemen zuverlässig und langlebig zu funktionieren: Diamant-Siliciumcarbid-Werkstoffe (Diamant-SiC-Werkstoffe) sind unter den besonderen Anforderungen der Unterwasserumgebung extrem belastbar und verschleißbeständig. Die diamanthaltigen Keramiken zeigen ein exzellentes Reibungs- und Verschleißverhalten nicht nur unter Wasser, sondern auch im Kontakt mit anderen Flüssigkeiten. In Modellversuchen und ersten Bauteilprüfungen mit Gleitringdichtungen haben die Forscherinnen und Forscher gezeigt, dass Diamant-SiC-Werkstoffe um ein Vielfaches abrasions- und damit verschleißbeständiger sind als andere Keramiken, Hartmetalle oder Stahl.

 

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REM-Aufnahmen der Gleitfläche der Diamant-SiC-Keramik vor (links) und nach dem Reibradversuch (rechts).

Vergleicht man die Materialoberfläche vor und nach einem Versuch, in dem die Gleitbeanspruchung durch Wasser getestet wird, zeigt sich, dass lediglich eine leichte Einglättung der nach der Endbearbeitung etwas herausragenden Diamantkörner verursacht wurde. Die Diamant-Keramiken funktionieren damit unter extremen Bedingungen sehr zuverlässig und müssen kaum gewartet werden. Sie zeigen unter Einwirkung von Salzwasser weder korrosive Effekte noch eine zeit- oder belastungsabhängige Abnahme der Festigkeit. Ebenso getestet wurde, wie sich die Festigkeit verschiedener Keramiken unter dem Einfluss von erwärmtem Salzwasser verändert. Bei einer Variation der Belastungsrate kann aus der Veränderung der Festigkeit die Empfindlichkeit der Werkstoffe gegen Spannungsrisskorrosion ermittelt werden. In den Reibradversuchen am Fraunhofer IWM wurde deutlich, dass die Festigkeit der Diamant-SiC-Keramik von der Belastungsrate unabhängig ist und somit keine Verringerung der Festigkeit über die Belastungsdauer zu erwarten ist. Für den Einsatz in SubSea-Anwendungen ist das ein großer Vorteil, da eine zuverlässige Nutzung über lange Zeiträume hinweg ermöglicht wird. Auch in Schlüsselkomponenten wie Lagerung und dynamische Dichtungen schneiden Diamant-SiC-Werkstoffe besonders gut ab.

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Die Abrasionsbeständigkeit von Diamant-SiC-Keramiken ist im Vergleich zu anderen Werkstoffen wesentlich höher: Prüfprinzip des Abrasionsversuchs (Reibradversuch nach ASTM G65, rechts).

Für die weitere Entwicklung und Qualifizierung von Diamant-SiC-Werkstoffen und der daraus gefertigten Bauteile in Tiefsee-Anwendungen gibt es allerdings noch viel zu tun. Anschließende Entwicklungsprojekte mit interessierten Partnern aus der Industrie sind geplant: Das Werkstoffverhalten soll in ganz konkreten Systemen weiter untersucht und optimiert werden. So hat das Fraunhofer IWM Simulationsmethoden entwickelt, mit denen Werkstoff- und Bauteilbeanspruchung modelliert werden können. Einerseits können damit Spannungen im Werkstoffgefüge im Modell untersucht werden, andererseits sind die Simulationen nützlich, um Bauteile optimal auszulegen und deren mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit über eine lange Beanspruchungsdauer abzusichern. Dadurch lässt sich ein erheblicher Aufwand für die Prüfung und Qualifizierung der Komponenten und Systeme einsparen. Mit den neuen Simulationstechniken werden außerdem der Widerstand gegen Kontaktschädigung und der Verschleiß simuliert, wodurch auch eine Vorhersage der Lebensdauer möglich wird.

 

Als Anwendungen der Diamant-Keramiken kommen beispielsweise Pumpenkomponenten wie mediengeschmierte Gleitlager und Gleitringdichtungen in Frage, die in SubSea-Systemen eingesetzt werden sollen. Hierzu müssen noch fertigungstechnische Herausforderungen angegangen werden.