Die Erfindung betrifft Beschichtungspulver auf der Basis von chemisch modifizierten Suboxiden des Titans mit der allgemeinen Formel Ti_n-2Me₂O_2n-1, wobei Me Cr oder V ist, für die Anwendung in verschiedenen Beschichtungstechnologien (wie beispielsweise den unterschiedlichen Varianten des thermischen Spritzens, wie zum Beispiel Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) und Detonationsspritzen, sowie weiteren Verfahren wie Beschichten mittels Laser). Mittels der genannten Beschichtungsverfahren kann das erfindungsgemäße Beschichtungspulver auf verschiedene Bauteile aufgetragen werden. Die Schichten zeichnen sich neben einer hohen Verschleiß-, Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit durch hohe elektrische Leitfähigkeit und Festkörperschmierstoffeigenschaften aus. Aus diesen Gründen leiten sich für die mit dem erfindungsgemäßen Pulver beschichteten Bauteile Anwendungsmöglichkeiten als funktionelle Schicht für Brennstoffzellen, in elektrochemischen Anlagen, im Fahrzeugbau, Maschinenbau, und anderen Wirtschaftszweigen ab.

Beschichtungspulver auf der Basis von Titansuboxiden werden neben einer ausführlichen Darstellung des Standes der Technik in DE 100 00 979 (um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird an dieser Stelle lediglich auf diese Darstellung verwiesen) beschrieben. Diese Pulver sind dadurch gekennzeichnet, dass n in der Formel Ti_nO_2n-1 einen engen Bereich von n ± 2 oder enger aufweist und die Beschichtungspulverteilchen eine Korngrösse im Bereich 10-90 µm aufweisen. In Beschichtungsexperimenten wurde jedoch gefunden, dass die aus diesem Pulver gespritzten Schichten zwar ein Sauerstoffdefizit im Vergleich zu TiO₂ aufwiesen, aber eine störende teilweise Oxidation während des Beschichtungsprozesses unvermeidlich ist. Darüber hinaus ließen sich die für die Titansuboxide der Formel Ti_nO_2n-1 typischen Planardefekte (Magnéli-Phasen) nicht auf die thermisch gespritzen Schichten übertragen (Berger L.-M., Thiele S., Nebelung M., Storz O., Gasthuber H., Spray Powders and Coatings on the Basis of Titanium Suboxides; in Thermal Spray 2001: New Surfaces for a New Millenium; Proceedings of the International Thermal Spray Conference; 28-30 May 2001, Singapore, Ed.: C.C. Berndt, K.A. Khor, E.F. Lugschneider; Materials Park/Ohio: ASM International, 2001, p. 291-300).

In der Publikation von P. Sujatha Devi "Preparation of Fine Particle Cr2Ti2O7 Powders by the Citrate Gel Process", Journal of Solid State Chemistry, Vol. 110, 1994, p. 345-349, wird eine Möglichkeit der Synthese feindisperser Ti₂Cr₂O₇ - Pulver beschrieben. Diese Pulver haben ein Maximum der Partikelgrößenverteilung bei rund 1-2 µm und sind somit auf Grund mangelnder Förderfähigkeit als Beschichtungspulver nicht geeignet.

In US-A-6,017,592 (DE 196 51 094, A1) werden Ti_n-2Cr₂O_2n-1-Beschichtungen und thermisches Spritzen als ein mögliches Beschichtungsverfahren genannt. Auf die Herstellung dieser Schichten und verwendete Beschichtungspulver wird nicht eingegangen. Daraus, dass es beim thermischen Spritzen in Abhängigkeit von den Beschichtungspulvereigenschaften und den verwendeten Beschichtungsparametern zu chemischen und Phasenveränderungen kommen kann, ergibt sich die Notwendigkeit geeignete Pulver zur Verfügung zu stellen.

In EP 1 061 153 A1 werden Schichten mit einer anderen Defektstruktur (Kationendefekte) beschrieben.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Beschichtungspulver auf der Basis von Suboxiden des Titans mit der Struktur von Magnéli-Phasen zu beschreiben, die sich durch Oxidationsbeständigkeit auszeichnen, und bei denen die Planardefektstruktur der Magnéli-Phasen unabhängig von der Beschichtungstechnologie, in die Schichten übertragen werden kann.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung ein Beschichtungspulver der genannten Art anzugeben, das sich für die Anwendung unterschiedlicher Beschichtungstechnologien eignet und aus dem Schichten herstellbar sind, die sich durch überlegene elektrische Festkörperschmierstoff- und Verschleißschutzeigenschaften auszeichnen.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben mit dem Beschichtungspulver gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 13 gelöst.

Unabhängig von ihrer Herstellung ist es allen erfindungsgemäßen Beschichtungspulvern gemeinsam, dass diese durch wenigstens ein metallisches Legierungselement modifiziert sind und mit der allgemeinen Formel Ti_n-2Me₂O_2n-1 beschrieben werden können, wobei Me Cr oder V ist und das Beschichtungspulver eine Korngröße im Bereich von 10-90 µm aufweist. Vorteilhafterweise enthalten die Beschichtungspulver ein oder mehrere weitere Legierungselemente, die einzelne Phasen der allgemeinen Formel Ti_n-2Me₂O_2n-1 stabilisieren oder inert sind.

Titansuboxide mit planaren Defektstrukturen (Magnéli-Phasen mit der allgemeinen Formel Ti_nO_2n-1) können auch als homologe Serie mit der Formel x TiO₂*Ti₂O₃ beschrieben werden. Sie lassen sich neben den in DE 100 00 979 genannten Verfahren auch durch eine Festkörperreaktion aus Ausgangsmischungen unterschiedlicher Molverhältnisse von TiO₂ und Ti₂O₃ leicht synthetisieren. Ti₂O₃ kann in dieser Reaktion durch eine Vielzahl von anderen dreiwertigen Metalloxiden ersetzt werden. Nach dem gegenwärtigen Stand von Wissenschaft und Technik existieren jedoch nur wenige dreiwertige Metalloxide bei denen die Reaktionsprodukte die Struktur von Magnéli-Phasen aufweisen. Hierbei handelt es sich insbesondere um Cr₂O₃ und V₂O₃.

Durch Festkörperreaktion von Ausgangsmischungen unterschiedlicher Molverhältnisse von TiO₂ und Cr₂O₃ lassen sich modifizierte Titansuboxide mit der Struktur von Magnéli-Phasen, die durch die allgemeine Formel Ti_n-2Cr₂O_2n-1 beschrieben werden, mit n≥4 einfach herstellen. Reine Titansuboxide mit der Struktur von Magnéli-Phasen, die durch Reaktion von TiO₂ und Ti₂O₃ entstehen, bilden sich nur, wenn die Reaktion in inerter Atmosphäre, zum Beispiel in Argon, durchgeführt wird. Im Gegensatz dazu bilden sich Magnéli-Phasen der Struktur Ti_n-2Cr₂O_2n-1 mit n≥4 an Luft. Dies bedeutet, dass diese Phasen oxidationsbeständig sind und somit einen gravierenden Nachteil der reinen Titansuboxide mit der Struktur von Magnéli-Phasen nicht aufweisen. Die Phase Ti_n-2Cr₂O_2n-1 mit n=3 (TiCr₂O₅) bildet sich nur, wenn sie durch weitere Legierungselemente, wie z. B. Aljuminium, stabilisiert wird. Weitere Legierungselemente können auf alle Phasen Ti_n-2Cr₂O_2n-1 stabilisierend wirken. Eine weitere Möglichkeit der Herstellung der Phasen wird, wie oben genannt, von P. Sujatha Devi, J. Solid State Chemistry, Vol. 110, 1994, p. 345-349, beschrieben.

Auch durch die Verwendung von Vanadium lassen sich modifizierte Titansuboxide mit der Struktur von Magnéli-Phasen, die durch die allgemeine Formel Ti_n-2V₂O_2n-1 mit n≥3 beschrieben werden, zum Beispiel nach den in US 5,049,537 genannten Verfahren einfach herstellen. Jedoch erfordert die Toxizität von V₂O₃ und Vanadiumoxiden anderer Wertigkeit des Vanadiums erhöhte Vorsichtsmaßnahmen bei der Synthese der Magnéli-Phasen, der Herstellung der Beschichtungspulver und deren Verarbeitung durch thermisches Spritzen.

Es ist weiterhin von Vorteil, wenn n in der Formel Ti_n-2Me₂O_2n-1 einen Bereich von n ± 2 umfasst. Bei erhöhten Anforderungen an das Material kann unter Einhaltung engerer technologischer Parametergrenzen bei der Herstellung ein engerer Bereich von n ± 1 realisiert werden. Bei n < 5 ist es möglich, dass im Beschichtungspulver nur Phasen vorliegen, die einem diskreten Wert für n entsprechen. Dies bedeutet, dass das Beschichtungspulver einphasig vorliegt, wenn für n nur eine Phase bekannt ist. Wenn für ein diskretes n mehrere Phasen bekannt sind, können diese nebeneinander vorliegen. Durch die immer kleineren Unterschiede in den Sauerstoffgehalten mit steigendem n können die Beschichtungspulver mit n ≥ 5 so hergestellt werden, dass neben der angestrebten Phase n noch eine zweite Phase n+1 oder n-1 vorliegt.

Es ist von Vorteil wenn das Beschichtungspulver bei speziellen Anforderungen eine Korngröße im Bereich 10-45 µm aufweist.

Die erfindungsgemäßen Beschichtungspulver können bezüglich ihrer Porosität und ihrer Morphologie unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und die Herstellung kann prinzipiell auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. Die bevorzugte Variante besteht darin, dass die Synthese über eine Festkörperreaktion von homogenen Ausgangsmischungen feindisperser Titandioxidpulver und dreiwertiger Metalloxidpulver, insbesondere Cr₂O₃ und V₂O₃ unterschiedlicher Molverhältnisse erfolgt. Die homogenen Ausgangsmischungen können die weiteren Legierungselemente, z.B. in der Form von Oxiden, enthalten. Es gibt jedoch eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten der Dotierung, Metallpulver oder sich zu Oxiden zersetzende Verbindungen der Legierungsmetalle können ebenfalls eingesetzt werden. Nach der Festkörperreaktion kann eine zusätzliche Reduktion mit einem festen oder gasförmigen Reduktionsmittel erfolgen. Auf diesen unterschiedlichen Synthesewegen lassen sich feindisperse Pulver entsprechend der Formel Ti_n-2Me₂O_2n-1 mit Me = Cr oder V, herstellen, die vorteilhafterweise eine Korngröße <5 µm besitzen. Nach der Synthese kann das Suboxid Ti_n-2Me₂O_2n-1 gegebenenfalls durch Mahlprozesse aufbereitet und die Korngröße verringert werden.

Die Herstellung des Beschichtungspulvers aus den synthetisierten Pulvern der Zusammensetzung Ti_n-2Me₂O_2n-1 erfolgt vorzugsweise durch Agglomerieren, Sintern und Fraktionieren nach den in DE 100 00 979 beschriebenen Verfahrensschritten, ohne dabei die Phasenzusammensetzung zu verändern. Sprühtrocknung ist das bevorzugte Verfahren für das Agglomerieren. In einer Verfahrensvariante können die Ausgangsoxide TiO₂ und Cr₂O₃ im benötigten Verhältnis zusammen sprühgetrocknet werden und durch Reaktionssintern werden die entsprechenden Magnéli-Phasen in dem gesinderten Beschichtungspulver erhalten. Eine weitere Möglichkeit der Herstellung besteht darin, aus vorher synthetisierten Pulvern die endgültige Phasenzusammensetzung während der Sinterung des Beschichtungspulvers einzustellen. Das erfolgt beispielsweise durch Veränderung der Sintertemperatur gegenüber der Synthesetemperatur. Beim Sintern verändert sich die Korngröße der primären Einzelpartikel nicht oder nur wenig. Die Korngröße der zusammengesinterten Einzelpartikel in den Beschichtungspulverteilchen beträgt <5 µm. Üblicherweise liegen nicht mehr als 15% der gesinterten Beschichtungspulverteilchen unterhalb des angestrebten Korngrößenbereiches, dieser Wert kann bei Notwendigkeit durch wiederholtes Fraktionieren stark herabgesetzt werden. Vorteilhafterweise zeichnen sich diese Beschichtungspulver neben der Existenz nur einer Phase oder eines engen Bereiches von n in Ti_n-2Me₂O_2n-1 in der Phasenzusammensetzung unter anderem durch eine kugelige Morphologie und eine Porosität größer 3%, vorzugsweise größer 10%, aus.

Die Porosität der Beschichtungspulver wird durch Quecksilberporosimetrie bestimmt. Bei der Berechnung der Porosität wird das intrudierte Volumen bei einem Druck, der einem Porendurchmesser > 1 µm entspricht, nicht berücksichtigt, da dieses Quecksilber in die Hohlräume zwischen die einzelnen Beschichtungspulverteilchen gedrückt wird. Durch die Porosität und die feinen Einzelpartikel sind diese Beschichtungspulver auch durch spezifische Oberflächen > 1 m²/g gekennzeichnet.

Eine weitere Möglichkeit der Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtungspulver besteht darin, dass die Synthese von Ti_n-2Me₂O_2n-1 direkt bei der Beschichtungspulverherstellung bei anderen Verfahren, z.B. Schmelzen und Brechen oder Sintern und Brechen realisiert wird. Diese Beschichtungspulver können leicht mit einem gasförmigen Reduktionsmittel weiter reduziert werden. Dabei bleibt die Morphologie, Korngröße und die Korngrößenverteilung des Ausgangspulvers im Wesentlichen erhalten. So können diese Beschichtungspulver auch eine andere, z.B. eine kantige Morphologie besitzen und eine Porosität <10%, vorzugsweise < 5%, aufweisen.

Alle erfindungsgemäßen Beschichtungspulver können mit verschiedenen Oberflächentechnologien zu Schichten verarbeitet werde. Besonders geeignet sind sie für die Verfahrensgruppe des thermischen Spritzens, wie zum Beispiel Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) und Detonationsspritzen, sowie Beschichtungsverfahren mittels Laser und Hybridverfahren. In den Schichten sind gegenüber dem Beschichtungspulver keine oder nur geringe Veränderungen in der chemischen Phasenzusammensetzung nachweisbar. Insbesondere bei der Verwendung von Ti_n-2Cr₂O_2n-1 kommt es zu keinen Oxidationsprozessen und damit zu Veränderungen der chemischen Phasenzusammensetzung. Die Struktur der Magnéli-Phasen kann aus dem Beschichtungspulver in die Schicht übertragen werden.

Die Schichten werden vorzugsweise als elektrisch leitfähige keramische Schichten eingesetzt, die gleichzeitig eine hohe mechanische Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Daneben können sie auch als Festkörperschmierstoff- und Verschleißschutzschichten eingesetzt werden. Wenn die Schichten durch die Wahl geeigneter Beschichtungsparameter porös hergestellt werden, eignen sie sich auch für den Einsatz als Elektrodenschichten.

Das erfindungsgemäße Beschichtungspulver soll im nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.

2 mol eines feindispersen Titandioxidpulvers und 1 mol eines feindispersen Chromoxidpulvers Cr₂O₃ werden durch Mischmahlung in einer Kugelmühle innig miteinander vermischt, durch Pressen verdichtet und in einem Ofen unter Luft bei 1380°C (Haltezeit 4h) zur vollständigen Umsetzung gebracht. Dabei entsteht ein einphasiges Ti₂Cr₂O₇, oder anders ausgedrückt 2Ti_O2*Cr₂O₃. Das Pulver wird durch Aufmahlen in einer Planetenkugelmühle in einen feindispersen Zustand mit einer mittleren Korngröße von 3,9 µm versetzt. Anschließend wird dieses Pulver in Wasser dispergiert und in einer Kugelmühle 16h gemahlen. Dabei wurde die Suspension gleichzeitig mit 1,5 Mass.-% eines angepaßten Binders aus Polyvinylalkohol und Polyethylenglykol versetzt und anschließend durch Sprühtrocknung Granalien in einer kugeligen Form hergestellt. Das Entbindern und die Sinterung der Granalien zum Beschichtungspulver erfolgen in einer einstufigen Temperung in flachen Graphittiegeln unter Argon mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 5 K/min bis 600°C und 10 K/min bis zur Sintertemperatur von 1300°C mit einer isothermen Haltezeit von 30 min. Die gesinterten Pulver wurden einer schonenden Mahlung unterzogen. Die Abtrennung der Fraktion > 45 µm erfolgte durch Sieben, die der Fraktion < 10 µm durch Windsichten. Der Feinanteil des Pulver <10 µm nach der Fraktionierung betrug 4%.

Durch Röntgenphasenanalyse wurde nachgewiesen, dass sich die Phasenzusammensetzung des Beschichtungspulvers gegenüber dem feindispersen Ausgangspulver nicht verändert hat. Die Korngrößenverteilung der Beschichtungspulverpartikel wurde mit Hilfe eines Laserbeugungsmeßgerätes mittels Trockendispergierung gemessen. Die Messung ergab die granulometrischen Kennwerte d₁₀ von 15 µm, d₅₀ von 28 µm und d₉₀ von 43 µm. Die innere offene Porosität des Beschichtungspulvers wurde°mit Hilfe der Quecksilberporosimetrie mit 11 % bestimmt. Bei der Berechnung der Porosität wurde das intrudierte Volumen bei einem Druck, der einem Porendurchmesser > 1 µm entspricht, nicht berücksichtigt, da dieses Quecksilber in die Hohlräume zwischen die einzelnen Beschichtungspulverteilchen gedrückt wird. Die spezifische Oberfläche des Pulvers betrug 1,55 m²/g.

Das Beschichtungspulver wurde anschließend durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) unter Verwendung eines Argon/Wasserstoff-Plasmas mit einer Leistung von 42 kW bei Gasflüssen von Ar 45 l/min; H₂ 10 1/min (jeweils unter Standardbedingungen) auf ein unmittelbar vor dem Spritzen durch Sandstrahlen aufgerauhtes Stahlsubstrat aufgebracht. Der Spritzabstand betrug 110 mm und die Pulverförderrate 35g/min. Dabei wurde eine Schichtdicke von 300 µm erzielt. Durch eine Röntgenphasenanalyse wurden in der gespritzten Schicht des Ti₂Cr₂O₇ nachgewiesen.