Hochleistungskeramik für Tiefseeanwendungen

Um eine effiziente, sichere und öko-freundliche Förderung von Erdöl und Gas auch in bis zu 6000 Metern Tiefe zu erreichen, entwickeln wir im Projekt »CS³ – Ceramic Sub Sea Systems« betriebssichere Keramik-Metall-Verbundsysteme und Keramikbeschichtungen für Tiefseeanwendungen. Diese könnten die gesteigerten Anforderungen neuer Subssea-Technologien im Hinblick auf Leistungsfähigkeit und Robustheit erfüllen.

Zusammen mit unseren Partnern arbeiten wir an neuen Diamant-Keramik- und Hartmetall-Werkstoffen sowie den dazugehörigen Herstelltechnologien, um Bauteileigenschaften zu erreichen, die einen wartungsfreien und sicheren Betrieb in großer Tiefe möglich machen. Hierzu müssen die Werkstoffe extrem abrasions-und korrosionsbeständig sein und auch hohen Temperaturen und Drücken standhalten. Die angestrebten Einsatzfälle mit Lebensdauern von 10 bis 30 Jahren sind mit den verfügbaren Werkstoffen nicht realisierbar. Diamant-Keramiken und komplex geformte Hartmetalle haben hier ein hohes Potenzial.

Dabei betrachten wir die Werkstoffentwicklung nicht isoliert. Auf die für die Systemintegration notwendige Verbindungstechnik wird genauso viel Augenmerk gelegt wie auf Simulations-und Modellierungsmethoden, die im Entwicklungsprozess begleitend eingesetzt werden, um Bauteildesign und Fertigungstechnik für den Subsea-Einsatz zu optimieren.

Die im Subsea-Bereich an Diamant-Keramik- und Hartmetallbauteile gestellten Anforderungen wie hohe Maß-, Form-, Lagegenauigkeit sowie Oberflächenqualität können in der Regel durch klassische Formgebung und Sintern nicht erreicht werden. Typische Eigenschaften von Diamant-Keramik- und Hartmetallbauteilen (z. B. hohe Härte und Verschleißfestigkeit) schränken die Vielfalt möglicher Bearbeitungstechnologien erheblich ein. Die Bearbeitung dieser Hochleistungswerkstoffe stellt eine große Herausforderung für die Fertigungstechnik dar.

Den höchsten Stellenwert unter den Technologien für die Bearbeitung von Diamant-Keramik und Hartmetall nehmen Schleif- und Läppverfahren mit Abrasivmitteln aus Diamant sowie die funkenerosive Bearbeitung ein. Bei der Bearbeitung der geplanten Hochleistungswerkstoffe ist mit extrem hohem Verschleiß der abrasiven Läpp- und Schleifwerkzeuge zu rechnen. Dieser kann durch den Einsatz optimierter Bearbeitungsparameter, -strategien und -werkzeuge reduziert werden.

Durch unterschiedlich auftretende Abtragmechanismen bei der Bearbeitung von technischen Keramiken und Kompositwerkstoffen sowie durch die Anpassung der bestehenden funkenerosiven Technologien wird der Abtrag isolierender Werkstoffe ermöglicht. Neben den von metallischen Werkstoffen bekannten Aufschmelz- und Ausschleudervorgängen und der Verdampfung konnte außerdem noch Abtrag durch Thermoschock, durch Abplatzen von wiedererstarrtem Material und durch Herauslösen von Körnern durch Abtrag der besser leitfähigen Phase festgestellt werden. Des Weiteren wurden Oxidationserscheinungen, welche zu einem zusätzlichen Werkstoffabtrag führen, bei der Bearbeitung von Materialien mit Siliciumnitridanteilen festgestellt. Daraus ergibt sich die Entwicklung einer Kombination aus klassischen, abrasiven  Verfahren sowie EDM zur Bearbeitung der extrem verschleißfesten Werkstoffe und Bauteile.