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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer auf einem Bauteil aufgebrachten Beschichtung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 3.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 10 2009 032 817 A1 beschrieben, ein Verfahren zur Bestimmung der Zugfestigkeit einer Beschichtung bekannt. Dabei werden zwei hohlzylindrische Prüfkörper derart angeordnet, dass korrespondierende Basisflächen der Prüfkörper aneinander anliegen. Die Prüfkörper werden in dieser Position mittels eines Halteelements fixiert. Eine innere Mantelfläche der Prüfkörper wird im Stoßbereich der Prüfkörper beschichtet. Das Halteelement wird gelöst und es wird eine Zugkraft in Richtung der Symmetrieachse der Prüfkörper bis zum Versagen der Beschichtung ausgeübt.
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Die
DE 102 02 792 A1 beschreibt ein Prüfverfahren zur Ermittlung von Beschichtungsfehlern an Beschichteten Bauteilen, hier insbesondere Zylinderkopfdichtungen. Das Bauteil wird dazu erhitzt und dann abgekühlt. Während des Abkühlen wird es über eine Wärmebildkamera erfasst, deren aufgenommene Bilder mit Referenzbildern einer fehlerfreien Beschichtung verglichen werden.
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Zum allgemeinen Stand der Technik kann auf die
DE 10 2007 028 494 A1 verwiesen werden. Diese beschäftigt sich mit keramischen Funktionselementen. Dabei wird unter anderem eine Messverfahren beschrieben, bei welchen eine Probe mittel eines Heißgasofens aufgeheizt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zum Prüfen einer auf einem Bauteil aufgebrachten Beschichtung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Prüfen einer auf einem Bauteil aufgebrachten Beschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 3.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Prüfen einer auf einem Bauteil aufgebrachten Beschichtung wird das Bauteil, welches die Beschichtung aufweist, in einem Heißgasprüfstand angeordnet und in einem vorgegebenen Zyklendurchlauf, welcher zumindest einen Zyklus oder eine Mehrzahl von Zyklen umfasst, abwechselnd mittels eines Heißgasstroms erwärmt und mittels eines Kaltgasstroms abgekühlt, wobei während des Zyklendurchlaufs und/oder nach dem Zyklendurchlauf eine Temperaturermittlung und/oder Formmessung im Bereich der Beschichtung und/oder eine optische Beurteilung der Beschichtung durchgeführt wird.
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Mittels des Verfahrens sind beschichtete Zylinderlaufbahnen eines Verbrennungsmotors zu prüfen, bei welchen die Beschichtung beispielsweise mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgebracht wurde, zum Beispiel mittels Lichtbogendrahtspritzen. Durch das zyklische Aufheizen und Abkühlen wird die Beschichtung einer ähnlichen thermischen Belastung wie in einem Betrieb des Verbrennungsmotors ausgesetzt. Hierdurch kann erkannt werden, ob zum Beispiel eine lokal schlecht anhaftende Beschichtung vorliegt. Dies würde sich beispielsweise durch so genannte Wärmespots, d. h. durch lokale Verfärbungen der Schicht in Anlassfarbe, und/oder durch Schichtabhebungen bemerkbar machen, welche zum Beispiel durch Formmessungen vor und nach einem Prüflauf ermittelbar sind. D. h. es kann zum Beispiel eine Anbindung der Beschichtung an ein Substart des Bauteils und/oder eine Güte eines Schichtaufbaus der Beschichtung geprüft werden.
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Durch die thermischen Belastungen, welche realitätsnahen Betriebszuständen entsprechen, lassen sich die Beschichtungen vollständig bewerten. Durch das Verfahren werden Kosten,- und Zeiteinsparungen realisiert, da die Prüfung im Vergleich zu einem Vollmotorlauf in einem Versuchsfahrzeug oder mit einem kompletten Motor auf einem Motorprüfstand sehr schnell durchgeführt werden kann und ein Vorbereitungsaufwand gering ist. Im Vergleich zum erfindungsgemäßen Verfahren benötigen derartige Vollmotorlauftest eine lange Vorbereitungszeit und sind sehr kostenintensiv. Des Weiteren können mittels des Verfahrens auch teilbearbeitete und/oder fehlerhafte Bauteile getestet werden. Dies ist im Rahmen eines Vollmotorlaufs nicht möglich. Zudem können Grenzparameter getestet werden, die in einem realen Motorlauf nicht oder nur kurz realisiert werden können. Des Weiteren ist zur Durchführung des Verfahrens kein Aufbau eines kompletten Motors erforderlich. Es ist lediglich eine Vorrichtung zur Durchführung erforderlich, welche einen Anschluss eines zu testenden Zylinderkurbelgehäuses oder einer einzelnen Zylinderlaufbuchse ermöglicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
- 1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Prüfen einer Beschichtung, in welcher ein beschichtetes Bauteil angeordnet ist.
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1 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung eine Vorrichtung 1, mittels welcher ein Verfahren zum Prüfen einer auf einem Bauteil 2 aufgebrachten Beschichtung 3 durchführbar ist, und ein darin angeordnetes zu prüfendes Bauteil 2. In diesem Beispiel ist das Bauteil 2, welches aus Gründen der Übersichtlichkeit in einer Schnittdarstellung gezeigt ist, ein Zylinder eines Verbrennungsmotors. Die mittels des Verfahrens und der Vorrichtung 1 zu prüfende Beschichtung 3 ist auf eine Zylinderinnenwand aufgebracht, so dass durch die Innenwandbeschichtung eine Zylinderlaufbahn ausgebildet ist. Die Vorrichtung 1 zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen Heißgasprüfstand, welcher derart ausgebildet ist, dass das zu prüfende Bauteil 2, welches insbesondere, wie im hier dargestellten Beispiel als Zylinder bzw. als eine Zylinderlaufbuchse oder in anderen, hier nicht dargestellten Beispielen als ein Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist, darin anzuordnen ist, d. h. der Heißgasprüfstand weist entsprechende hier nicht dargestellte Halterungen auf.
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Zum Prüfen der Beschichtung 3 wird diese in einem vorgegebenen Zyklendurchlauf, welcher zumindest einen Zyklus oder eine Mehrzahl von Zyklen umfasst, abwechselnd mittels eines Heißgasstroms erwärmt und mittels eines Kaltgasstroms abgekühlt. Der Heißgasstrom und der Kaltgasstrom werden mittels einer hier nur schematisch dargestellten Heißgaserzeugereinheit 4 bzw. Kaltgaserzeugereinheit 5 des Heißgasprüfstandes oder der den Heißgasprüfstand umfassenden Vorrichtung 1 generiert. Dabei ist die Kaltgaserzeugereinheit 5 beispielweise als ein Gebläse ausgebildet, welches Umgebungsluft ansaugt und in Richtung des Bauteils 2 transportiert. Diese Umgebungsluft kann beispielsweise zusätzlich durch eine entsprechende Temperiereinheit temperiert werden, d. h. entsprechend einer Ausgangstemperatur der angesaugten Luft insbesondere weiter abgekühlt werden. Es kann jedoch bei Bedarf auch eine Erwärmung der angesaugten Luft möglich sein, beispielsweise mittels der Heißgaserzeugereinheit 4. Durch diese Temperierung wird eine vorgegebene Temperatur des Kaltgasstroms erreicht und eingehalten.
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Die Heißgaserzeugereinheit 4 weist beispielsweise einen Gasbrenner auf, bei welchem ein brennbares Gas aus einer oder mehreren Düsen strömt und verbrannt wird, um ausreichend Wärme zu erzeugen. Ein dadurch gebildeter heißer Abgasstrahl wird dem zu prüfenden Bauteil 2 als Heißgasstrom zugeleitet. Gegebenenfalls kann zusätzlich ein Gebläse zur Anströmung des Bauteils 2 mit dem Heißgasstrom vorgesehen sein.
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Des Weiteren kann die Heißgaserzeugereinheit 4 auch zur Erzeugung des Kaltgasstroms genutzt werden, so dass keine separate Kaltgaserzeugereinheit 5 benötigt wird. Dabei wird beispielsweise durch eine verringerte Gasverbrennung eine geringere Temperatur des Abgasstrahls erreicht, wobei beispielsweise durch Zufuhr von Umgebungsluft ein ausreichender Massenstrom erzeugt wird. D. h. die Umgebungsluft wird durch die Heißgaserzeugereinheit 4 erwärmt und die ausreichend erwärmte Umgebungsluft bzw. das Abgas-Luft-Gemisch wird als Kaltgasstrom zum Bauteil 2 geleitet. Auf diese Weise ist ein Kaltgasstrom mit einer gegenüber dem Heißgasstrom deutlich verringerten Temperatur erreichbar, welcher jedoch eine höhere Temperatur als die Umgebungsluft aufweist. Dadurch sind Temperaturverläufe in einem Verbrennungsmotor realitätsnah simulierbar.
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Zum Prüfen der Beschichtung 3 des Bauteils 2 wird das als Zylinder ausgebildete Bauteil 2 derart im Heißgasprüfstand angeordnet, dass abwechselnd der Heißgasstrom und der Kaltgasstrom im Wesentlichen axial durch den Zylinder geleitet werden, d. h. der Zylinder wird mit einer axialen Längsausdehnung der Zylinderbohrung parallel zu einer Strömungsrichtung R des Heißgasstroms bzw. des Kaltgasstroms im Heißgasgenerator angeordnet. Alternativ können der Heißgasstrom und der Kaltgasstrom abwechselnd einseitig in den Zylinder hinein und wieder hinaus geleitet werden, d.h. der Gasstrom tritt einseitig in den Zylinder ein, wird an einer Wandung umgelenkt und tritt an der vorherigen Eintrittsstelle wieder aus dem Zylinder aus.
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Zum Einleiten des Heißgasstroms und des Kaltgasstroms in den Zylinder weist die Vorrichtung 1 zweckmäßigerweise eine entsprechende Leiteinrichtung 6 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel als ein trichterförmiger Adapter mit einem Flansch ausgebildet ist, der an eine Öffnung des Zylinders angeflanscht ist, um den Heißgasstrom bzw. den Kaltgasstrom zu kanalisieren und in den Zylinder einzuleiten. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist auch diese Leiteinrichtung 6 in einer Schnittdarstellung gezeigt.
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Wird anstatt des einzelnen Zylinders bzw. der Zylinderlaufbuchse ein Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors im Heißgasprüfstand angeordnet, welches eine Mehrzahl von Zylinderbohrungen aufweist, so wird dies ebenfalls derart angeordnet, dass abwechselnd der Heißgasstrom und der Kaltgasstrom im Wesentlichen axial durch zumindest einen der Zylinder geleitet wird. Weisen in diesem Fall mehrere oder alle Zylinder eine zu prüfende Beschichtung 3 auf, so werden die einzelnen Zylinder, d. h. deren Beschichtungen 3, beispielsweise nacheinander geprüft oder die Vorrichtung 1 weist eine entsprechend angepasste Leiteinrichtung 6 auf, welche es ermöglicht, den Heißgasstrom und den Kaltgasstrom jeweils zeitgleich mehreren oder allen Zylindern zuzuleiten.
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Zur Beurteilung einer Beschichtungsqualität wird während eines Zyklendurchlaufs und/oder nach einem Zyklendurchlauf eine Temperaturermittlung und/oder Formmessung im Bereich der Beschichtung 3 und/oder eine optische Beurteilung der Beschichtung 3 durchgeführt. Dazu kann die Vorrichtung 1 zumindest eine hier nicht näher dargestellte Sensoreinrichtung für eine Temperaturermittlung und/oder Formmessung im Bereich der Beschichtung 3 und/oder für eine optische Beurteilung der Beschichtung 3 während eines Zyklendurchlaufs und/oder nach einem Zyklendurchlauf aufweisen.
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Insbesondere eine Sensoreinrichtung zur Temperaturermittlung auch während des Zyklendurchlaufs ist durch einen oder mehrere Temperatursensoren relativ einfach und kostengünstig zu realisieren. Dabei werden beispielsweise ein oder mehrere Temperatursensoren auf der Beschichtung 3 und/oder im Bereich der Beschichtung 3 und/oder ein oder mehrere Temperatursensoren im Bereich der Leiteinrichtung 6 angeordnet, d. h. in Strömungsrichtung R vor dem Zylinder. Dies ermöglicht beispielsweise einen Vergleich der Temperatur des eingeleiteten Heißgasstroms bzw. Kaltgasstroms mit der Temperatur der Beschichtung 3. Durch Anordnen einer Mehrzahl von Temperatursensoren an verschiedenen Stellen der Beschichtung 3 können zudem lokale Temperaturunterschiede der Beschichtung 3 und dadurch zum Beispiel ein lokales Schichtversagen ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperaturermittlung während des Zyklendurchlaufs und/oder nach dem Zyklendurchlauf beispielsweise auch mittels einer Infrarot-Temperaturmessung und/oder mittels einer optischen Temperaturmessung durchgeführt werden.
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Die optische Beurteilung der Beschichtung 3 und/oder die Formmessung der Beschichtung 3 werden zweckmäßigerweise erst nach beendetem Zyklendurchlauf durchgeführt. Dabei werden insbesondere mittels der Formmessung ermittelte Werte mit Ausgangswerten verglichen, welche mittels einer Formmessung vor Beginn des Zyklendurchlaufs ermittelt wurden, um Veränderungen durch während des Zyklendurchlaufs auftretende Belastungen festzustellen.
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Durch das zyklische Aufheizen und Abkühlen wird die Beschichtung 3 einer ähnlichen thermischen Belastung wie in einem Betrieb des Verbrennungsmotors ausgesetzt. Hierdurch kann erkannt werden, ob zum Beispiel eine lokal schlecht anhaftende Beschichtung 3 vorliegt. Dies würde sich beispielsweise durch so genannte Wärmespots, d. h. durch lokale Verfärbungen der Schicht in Anlassfarbe, und/oder durch Schichtabhebungen bemerkbar machen, welche zum Beispiel durch Formmessungen vor und nach einem Prüflauf ermittelbar sind. D. h. es kann zum Beispiel eine Anbindung der Beschichtung 3 an ein Substrat des Bauteils 2 und/oder eine Güte eines Schichtaufbaus der Beschichtung 3 geprüft werden.
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Durch die thermischen Belastungen, welche realitätsnahen Betriebszuständen entsprechen, lassen sich die geprüften Beschichtungen 3 vollständig bewerten. Durch das Verfahren werden Kosten,- und Zeiteinsparungen realisiert, da die Prüfung im Vergleich zu einem Vollmotorlauf in einem Versuchsfahrzeug oder mit einem kompletten Motor auf einem Motorprüfstand sehr schnell durchgeführt werden kann und ein Vorbereitungsaufwand gering ist. Im Vergleich zu diesem Verfahren benötigen derartige Vollmotorlauftest eine lange Vorbereitungszeit und sind sehr kostenintensiv. Des Weiteren können mittels des Verfahrens auch teilbearbeitete und/oder fehlerhafte Bauteile 2 getestet werden. Dies ist im Rahmen eines Vollmotorlaufs nicht möglich. Zudem können Grenzparameter getestet werden, die in einem realen Motorlauf nicht oder nur kurz realisiert werden können. Des Weiteren ist zur Durchführung des Verfahrens kein Aufbau eines kompletten Motors erforderlich. Es ist lediglich die Vorrichtung 1 zur Durchführung des Verfahrens erforderlich, welche einen Anschluss eines zu testenden Zylinderkurbelgehäuses oder einer einzelnen Zylinderlaufbuchse bzw. eines einzelnen Zylinders ermöglicht.
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In einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Beschichtung 3 des Bauteils 2, im hier dargestellten Beispiel die Innenwandbeschichtung des Zylinders, über den Heißgasprüfstand mit einem wechselnden Temperaturverlauf beaufschlagt. Dies entspricht beispielsweise einer Temperaturbelastung der Beschichtung 3, welche in einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors auftreten würde. Ein auf diese Weise durchgeführter Schnelltest oder Prüflauf, d. h. ein Zyklendurchlauf, dauert beispielsweise 250 Stunden, wobei während dieses Zyklendurchlaufs beispielsweise 1250 Zyklen durchlaufen werden. Dabei besteht jeder dieser Zyklen aus einer Heißphase und einer anschließenden Kaltphase. Hierbei können sowohl Endtemperaturen als auch Aufheiz- und Abkühlgradienten variiert werden, wodurch eine Raffung der Prüfung beeinflussbar ist. Die Temperatur für die Kaltphase kann beispielsweise 100°C betragen und die Temperatur für die Heißphase 500°C.
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Der geschilderte Verfahrensablauf ist jedoch nur eine beispielhafte Ausführungsform. Entsprechend der jeweils zu prüfenden Beschichtung 3 bzw. des jeweils zu prüfenden beschichteten Bauteils 2 sind Prüfparameter, beispielsweise eine Gesamtdauer, eine Anzahl von Zyklen pro Zyklendurchlauf, Temperaturen, Massenströme und/oder Temperaturgradienten jeweils entsprechend anzupassen und festzulegen. Des Weiteren können diese Prüfparameter beispielsweise auch entsprechend ermittelter Ergebnisse einer vorherigen Prüfung für eine nachfolgende Prüfung angepasst werden. So kann beispielsweise bei einer festgestellten beginnenden Schädigung der Beschichtung 3 das Bauteil 2 oder ein weiteres Bauteil 2 mit einer gleichen Beschichtung 3 einem Prüflauf mit verschärften Prüfparametern unterzogen werden, um festzustellen, wann und unter welchen Voraussetzungen die Beschichtung 3 versagt.
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Zur Temperaturermittlung während des Zyklendurchlaufs werden beispielsweise in der Leiteinrichtung 6, im hier dargestellten Beispiel im trichterförmigen Adapter, zwei Strömungstemperatursensoren angeordnet, um eine Abgastemperatur des Heißgasprüfstandes, d. h. eine Temperatur des Heißgasstroms und bevorzugt auch des Kaltgasstroms zu erfassen, der unmittelbar danach durch den Zylinder und entlang der Beschichtung 3 geleitet wird. Auf einer Oberfläche der Zylinderlaufbahn, d. h. auf der zu prüfenden Beschichtung 3, werden beispielsweise drei Oberflächentemperatursensoren angebracht, um die Temperatur der zum Beispiel mittels Lichtbogendrahtspritzen erzeugten Beschichtung 3 zu erfassen. Im Verfahren werden dabei mittels der Strömungstemperatursensoren beispielsweise die oben genannten Temperaturen von 100°C für die Kaltphase und von 500°C für die Heißphase ermittelt. Die Oberflächentemperatursensoren erfassen üblicherweise jeweils geringere Temperaturen, die durch eine Schichtart der Beschichtung 3, eine Substratart des Bauteils 2 und eine Kühlung des Bauteils 2 beeinflusst werden.
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Die Formmessung, genauer gesagt eine Messung einer Oberflächenform der Beschichtung 3, erfolgt beispielsweise mittels eines taktilen Rauhigkeitsmessgerätes. Dabei wird zweckmäßigerweise eine Oberflächenrauhigkeit vor und nach dem Schnelltest, d. h. dem Zyklendurchlauf gemessen. Durch den Schnelltest entstandene Schichtanhebungen können somit, zumindest relativ zueinander, bewertet werden. Die Rauhigkeitsmessung erfolgt beispielsweise entlang einer Zylindermantellinie an drei Stellen, am oberen Totpunkt, in der Mitte und am unteren Totpunkt.
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Wird nach dem Zyklendurchlauf beispielsweise eine Schichtablösung der Beschichtung 3 festgestellt, so deutet dies auf ein Bauteilversagen hin, welches im Betrieb des Verbrennungsmotors zu einem Motorschaden führen würde. Eine festgestellte Schichtanhebung, welche beispielsweise auch nur lokal auftritt, deutet ebenfalls auf ein Bauteilversagen hin, welches im Betrieb des Verbrennungsmotors zu einem stark erhöhten Ölverbrauch führen würde. Werden nach einem Zyklendurchlauf keine Veränderung festgestellt, so sind die Beschichtung 3, das Substratmaterial des Bauteils 2 sowie die Erzeugung der Beschichtung 3, beispielsweise eine Substrataktivierung, in Ordnung, d. h. es sind keine Auffälligkeiten im Betrieb des Verbrennungsmotors zu erwarten.
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In diesem Fall, d. h. wenn keine Auffälligkeiten der Beschichtung 3 festgestellt wurden, können jedoch auch die angewendeten Prüfparameter überprüft und gegebenenfalls angepasst werden, um eine realistische Prüfung durchzuführen, welche einem Betrieb des Verbrennungsmotors entspricht und gegebenenfalls auch erhöhte Belastungen einschließt, so dass mittels dieses Verfahrens zum Prüfen der Beschichtung 3 eine Einsatzdauer und eine Belastungsfähigkeit des Verbrennungsmotors optimiert werden kann und eine Ausfallwahrscheinlichkeit minimiert werden kann.
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Beispielsweise können als Prüfparameter, um eine Belastungsfähigkeit der Beschichtung 3 vollständig zu prüfen, auch Grenzparameter vorgegeben werden. Diese Grenzparameter stellen Belastungsgrenzen der Werkstoffe dar, welche für die Beschichtung 3 und/oder für das Bauteil 2 verwendet werden. Werden diese Grenzparameter beim Schnelltest, d. h. beim Zyklendurchlauf überschritten, führt dies zu einer irreversiblen Werkstoffschädigung und nicht zu einer Schädigung durch thermomechanische Ermüdung. Durch eine Prüfung mit diesen Grenzparametern oder mit an diese Grenzparameter angenäherten Prüfparametern kann die Beschichtung 3 jedoch beispielsweise bei einer maximal zulässigen Belastung geprüft werden, so dass zumindest mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit davon auszugehen ist, dass eine Beschichtung 3, die diese Prüfung bestanden hat, auch in einem Betrieb des Verbrennungsmotors bei sehr hohen Belastungen nicht versagt. Anhaltspunkte für die Grenzparameter können beispielsweise Betriebstemperaturen in einem so genannten befeuerten Motorenversuch sein, d. h. Betriebstemperaturen eines auf einem Motorenprüfstand getesteten Verbrennungsmotors. Die Grenzparameter und Prüfparameter mit jeweils zu verwendenden Wertebereichen für die jeweilige Beschichtung 3 bzw. für ein jeweiliges aus Beschichtung 3 und Substrat des Bauteils 2 gebildetes Schichtsystem sind jeweils entsprechend deren Ausbildung und entsprechend vorgesehenen Belastungen, welche in einem Betrieb des Verbrennungsmotors auftreten, anzupassen und festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Bauteil
- 3
- Beschichtung
- 4
- Heißgaserzeugereinheit
- 5
- Kaltgaserzeugereinheit
- 6
- Leiteinrichtung
- R
- Strömungsrichtung
