thermisches spritzen

• der zusatzwerkstoff ist

  • gasförmig

  • in lösung

  • fest

• umfasst Verfahren bei dem Spritzzusätze innerhalb oder außerhalb der Spritzpistole bis zum pastischen oder geschmozenen Zustand aufheitzt und dann auf eine vorbereitete Oberfläche schleudert

• Der Grundwerkstoff kann nur im Einfallbereich lokal Oberflächlich aufgeschmolzen werden

• Schichten aus nahezu allen Werkstoffen herstellbar (Metalle, Keramik, Cermets, Kunststoffe)

• Es können nahezu alle Werkstoffe beschichtet werden (Metall, Keramik, Kunststoff, Glas, Beton, Holz, …)

• Hohe Auftragsraten (Schichtdicken 20 µm – mehrere mm)

• Lokale sowie verstärkte Beschichtungen möglich

• Geringe thermische Belastung des Bauteils

• Einige Verfahren auch mobil einsetzbar

• Drei Stufen der Energieumwandlung und -übertragung beim thermischen Spritzen

  • Erzeugung Heißgasfackel aus der Umwandlung chemischer oder elektrischer Energie

  • Energieübertragung vom Heißgasfackel auf Spritzmaterial

  • Energieübertragung von Spritzmaterial auf Schicht/Substrat

• direkte Übertragung elektrischer Energie auf Spritzmaterial (LiBo)

• Zerstäuben einer Schmelze

• Elektr. Lichtbogen oder Gasentladung

• Gasexpansion ohne Verbrennung

• Verbrennung (Brenngas-, flüssigkeit)

• Gebündelter Lichtstrahl

• Kühler

• Steuerung

• Stromversorgung

• Wärmetauscher

• Pulverförderer

• Brenner

• Roboter

• Pulverförderer

• Spritzkabine

• Abluftfilter

• Lichtbogen (600°C - 2500^C, 20m/s - 170m/s)

• Plasmaspritzen (1100°C - 3300°C, 50m/s - 610m/s)

• Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (600°C - 2200°C, 320m/s - 720m/s)

• Kaltgasspritzen (200°C - 650°C, 540m/s - 800 m/s)

• Gasgemisch (Argon, Stickstoff, Helium, Wasserstoff) wird durch eine Düse geleitet

• Dort wird das Gasgemisch durch einen elektrischen Lichtbogen ionisiert

• (Lichtbogen zwischen Kathode/Elektrode und Anode/Düse)

• Durch hohe Temperatur des Lichtbogens wird das Gas ionisiert -> Plasma

• Zugabe von Pulver -> Pulver schmilzt -> Schleudern auf Oberfläche

• Argon

  • niedrige Wärmeleitfähigkeit aufgrund der hohen atomaren Masse

  • gute Zündwilligkeit

• Helium

  • hohe Wärmeleitfähigkeit

  • hohe Viskosität bei hohen Temperaturen aufgrund hoher Ionisierungsenergie

  • eingeschränkte Verfügbarkeit (Troposphäre 5,2 ppm, Erdgas 0,2%), hohe Kosten

• Wasserstoff

  • sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, führt zu hoher Leistungsdichte

  • starke Wärmebelastung der Elektroden

• Stickstoff

  • mäßige Wärmeleitfähigkeit, erfordert hohe Zündspannungen

• oder Gemische dieser Gase verwendet.

• Niederdruck-PS

• PS unter kontrollierter Atmosphäre

• Hochgeschwindigkeits-PS

• wasserstabilisiertes PS

• Suspensions-PS

• „Solution Precursor“ PS

• Temperaturmessungen

  • Enthalpiesonde

  • Optische Emissionsspektroskopie

  • Chromatographie

  • Laserstreuung

• Geschwindigkeitsmessung

  • Enthalpiesonde (Pitot-Rohr)

  • Kreuzkorrelation*

  • * Einsatz von Indikator-Partikeln erforderlich, z. B. 3 µm Aluminiumoxid; klein genug, um die Plasmaströmung nicht zu stören; groß genug, um nicht zu verdampfen.

• es wird kontinuierliche Verbrennung in der Verbrennungskammer erreicht (durch Brenngase die entzündet werden)

• wodurch, in Verbindung mit der ausdehnenden Düse, eine extrem hohe Geschwindigkeit im Gasstrahl erreicht wird.

• Das Spritzmaterial wird axial in die Verbrennungskammer oder radial in den Hochgeschwindigkeits-Gasstrahl injiziert.

• Druckluft oder Stickstoff wird üblicherweise als Hüllgas genutzt.

• typische Eigenscahften

  • Überschallgasstrom mit Laval-Düse

  • kontinuierliche Verbrennung von Brenngasen oder -flüssigkeiten

  • Hohe Geschwindigkeit

  • Geringe Wärmebelastung

  • Dichte und porositätsarme Schichten

  • Geringe Oxidation

  
  

• Acetylen

• Propan

• Propylen

• Methyl-Acetylen-Propadien

• Wasserstoff

  • können in Verbindung mit Sauerstoff (HVOF) oder Luft (HVAF) angewendet werden, um eine Verbrennung zu erzeugen.

• Kerosin

• N-Paraffin

• wird ein höherer Verbrennungsdruck als beim Spritzen mit Brenngas erzeugt.

Cermets, z.B. WC-Co, WC-CoCr, WC-Ni, Cr3C2-NiCr, TiC-Ni

Ni- und Co-Legierungen (MCrAlY, Hastelloy, Inconel, Stellite, Tribaloy)

selbstfließende Ni Cr B Si-Legierungen

hochlegierte Stähle (CrNi18-8, 316 L, Cr-Stähle)

Cu-Legierungen (Cu, Bronze, Al-Bronze, Bleibronze)

Al-Legierungen (Al Si)

Mo-Werkstoffe (Mo, Mo-MoO2, Mo-Mo2C)

Oxide (Al2O3, Al2O3-TiO2, Cr2O3)

• Cermets

  • Kalte, schnelle Bedingungen vermeiden die übermäßige Bildung spröder Co-oder Ni-WC-Verbindungen und WC-Verlust durch W- und W2C-Bildung sowie Oxidation.

• Metalle

  • Vermeidung von Oxidation durch kalte, schnelle Bedingungen sowie unterstöchiometrische Brenngas-Zusammensetzungen

• Oxide+

  • Hohe Schmelztemperaturen erfordern heiße Bedingungen.

• vergrößerte Reaktionszone durch verlängerte Expansionsdüse

• höherer Gasvordruck und Gasdurchsatz

• hohe Partikelgeschwindigkeiten

• stark gebündelter Spritzstrahl

• Iichtbogen zwischen zwei elektroden

• wird ein Lichtbogen zwischen zwei drahtförmigen Spritzzusätzen benutzt, um die Drahtspitzen abzuschmelzen.

• einem oder mehreren Gasstrahlen, meist Druckluft, wird das geschmolzene Metall zerstäubt und auf die vorbereitete Werkstückoberfläche geschleudert.

• Anstelle von Luft werden Stickstoff oder Gemische von Stickstoff

  • oxidation verringenrn

• Inertgas als Ummantelung um den Lichtbogen

  • um ein Eindringen von Luft in das heiße Gas und den Partikelstrom zu verhindern oder zu verringern. Auf diese Weise können die Porosität und die Oxidierung in der Beschichtung reduziert werden.

• Beim Kaltgasspritzen wird ein Prozessgas (Stickstoff oder Helium) in einer De-Laval-Düse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt.

• Beschleunigung durch die Ausbreitung des Gases unter sehr hohem Druck (bis zu 50 bar) an die Umgebung.

• Der Spritzzusatz wird in Pulverform vor der Düse in den Gasstrahl injiziert und mit hoher kinetischer und relativ niedriger thermischer Energie auf das Werkstück geschleudert.

• Oberhalb einer für den jeweiligen Spritzzusatz charakteristischen Partikelgeschwindigkeit bilden die Partikel beim Aufprall eine dichte und festhaftende Schicht. -> vp > vcrit

• externes Aufheizen des Gasstrahls erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und die Partikelgeschwindigkeit

  
  

  
  

  
  

• da erwärmung deutlich unter schmelztemp. lässt sich oxidation vermeiden oder andere phasenumwandlung