Anti-Kavitation-Korrosion von laseraufgeschmolzenem CoCrFeNiAlx auf TC4-Oberfläche

Schiffe vor unsichtbarem Wasserschlag schützen

Moderne Schiffe und Offshore-Anlagen sind ständig einer verborgenen Gefahr ausgesetzt: winzige Blasen in schnell strömendem Wasser, die wie mikroskopische Hämmer auf Metall einschlagen. Dieser Prozess, Kavitation genannt, kann Propeller, Pumpen und Rumpfteile regelrecht auffressen, besonders im salzigen Meerwasser, wo chemische Korrosion den Angriff verstärkt. In dieser Studie wird eine neue Schutzbeschichtung aus sogenannten „Hochentropie“-Legierungen untersucht und gezeigt, wie eine gezielte Anpassung eines Bestandteils — Aluminium — die Lebensdauer einer Schiffskomponente drastisch verlängern kann.

Warum Blasen Metall zerstören können

Wenn Wasser schnell um den Rumpf oder Propeller eines Schiffes strömt, kann der lokale Druck so weit abfallen, dass Dampfblasen entstehen, die dann in einem Bruchteil eines Millimeters vor der Metalloberfläche kollabieren. Jeder Kollaps erzeugt eine Druckwelle und einen Hochgeschwindigkeits‑Wasserstrahl, der das Metall mit Geschwindigkeiten von bis zu mehreren hundert Metern pro Sekunde getroffen. Im Meerwasser verwandeln gelöste Salze dieses rein mechanische Beschießen in einen doppelten Angriff: die Oberfläche wird beansprucht, winzige Risse und Gruben bilden sich, und salzgetriebene Korrosion greift diese Schwachstellen an, wodurch sich der Schaden schneller und tiefer ausbreitet. Selbst robuste Titanlegierungen wie TC4, die häufig in maritimen Anwendungen verwendet werden, können unter diesem kombinierten Angriff rauhe, wabenartige Oberflächen ausbilden und schnell Material verlieren.

Neue Mehrmetall-Beschichtungen für widerstandsfähigere Oberflächen

Um dieses Problem zu bekämpfen, entwickelten die Forschenden Beschichtungen auf Basis der CoCrFeNiAlx-Hochentropielegierungen, die fünf Metalle in annähernd gleichen Anteilen mischen, anstatt sich wie Stahl auf ein dominantes Element zu stützen. Sie trugen diese Beschichtungen mittels Laserauftragschweißen (Laser-Cladding) auf TC4-Titan auf, einem Verfahren, das eine dünne Oberflächenschicht aufschmilzt und Metallpulver einbindet, um eine dichte, gebundene Schicht von etwa 700 Mikrometern Dicke zu erzeugen. Durch schrittweises Erhöhen des Aluminiumgehalts ließ sich die innere Struktur von einer einzelnen, eher flexiblen Phase zu einem Phasenmix und schließlich zu einer härteren, starreren Phase verändern. Diese innere „Architektur“ — wie Körner und Phasen angeordnet sind — erweist sich als entscheidend für den Widerstand gegen sowohl Schlagbelastung als auch Korrosion.

Den optimalen Aluminiumgehalt finden

Das Team testete anschließend, wie schnell beschichtete und unbeschichtete Proben bei intensiver Kavitation an Masse verloren, zuerst in reinem Wasser und dann in künstlichem Meerwasser. Zusätzlich untersuchten sie, wie leicht Korrosion beginnt und sich ausbreitet, mithilfe elektrochemischer Techniken. Es zeigte sich ein klares Muster: Mit steigendem Aluminiumgehalt verbesserte sich die Beständigkeit gegen Kavitation und Korrosion zunächst und verschlechterte sich dann wieder. Eine Zusammensetzung, bezeichnet als CoCrFeNiAl0.2, zeigte die beste Gesamtleistung. Im Vergleich zu blankem TC4 in destilliertem Wasser verlor diese Beschichtung nach 24 Stunden Kavitation nur etwa 5 % des Materials. Im Meerwasser, wo der Schaden insgesamt etwa hundertmal stärker war, schnitt die optimierte Beschichtung ebenfalls deutlich besser ab als das Titan und zeigte die flachsten Gruben und die glatteste Oberfläche.

Wie die Beschichtung zurückschlägt

Mikroskopische Aufnahmen und Härtemessungen erklärten, warum diese spezielle Zusammensetzung so gut funktioniert. Ihre gemischte innere Struktur balanciert Festigkeit und Plastizität: Sie ist stark genug, um Eindrücke durch Blasenkollapsen zu widerstehen, kann sich aber noch leicht verformen und Energie absorbieren, anstatt zu reißen. Unter wiederholtem Blasenkollaps verfeinert und verdichtet sich die oberste Körnerschicht, wodurch die Oberfläche zusätzlich gehärtet wird. Gleichzeitig reagieren Aluminium und Chrom in der Beschichtung mit Sauerstoff und bilden einen dünnen, dicht gepackten Oxidfilm aus Al2O3 und Cr2O3. Dieser Film wirkt wie eine selbstbildende Panzerung, verlangsamt die Korrosion und hilft, das Wachstum von Gruben und Rissen zu blockieren. Bei zu hohem Aluminiumgehalt hingegen wird die Beschichtung von einer steiferen Phase dominiert, die Plastizität verliert; sie kann dann die Einschläge nicht mehr abfedern und beginnt, tiefergehende, spröde Schäden zu zeigen.

Welche Bedeutung das für Schiffe und Offshore-Ausrüstung hat

Durch die gezielte Abstimmung nur eines Elements in einer Mehrmetall-Beschichtung zeigen die Autoren, dass sich die Lebensdauer von Titanbauteilen, die in rauem Meerwasser arbeiten, deutlich verlängern lässt. Die CoCrFeNiAl0.2-Beschichtung kombiniert eine günstige innere Struktur mit einer schützenden Oxidschicht und begrenzt sowohl den mechanischen Verschleiß durch Kavitation als auch den chemischen Angriff durch Salze. Für Schiffbauer, Turbinendesigner und Offshore-Ingenieure weist diese Arbeit auf Beschichtungen hin, die nicht nur dem ständigen Beschuss durch das Meer standhalten, sondern auch die versteckte Korrosion verlangsamen, die darauf folgt. Praktisch bedeutet das sicherere Ausrüstung, weniger Reparaturen und eine effizientere Nutzung von Material und Energie über die Lebensdauer eines Fahrzeugs.

Zitation: Gao, PH., Liu, J., Chen, BY. et al. Anti-cavitation corrosion of laser-cladded CoCrFeNiAl_x on TC4 surface. npj Mater Degrad 10, 46 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00758-z

Schlüsselwörter: Kavitationserosion, marine Korrosion, Hochentropielegierungen, Schutzbeschichtungen, Titanlegierungen