Praktikumsversuch. Thermische Spritzverfahren

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1 UNIVERSITÄT DES SAARLANDES Lehrstuhl für Pulvertechnologie von Glas und Keramik Prof. Dr. Rolf Clasen Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Pulvertechnologie Gebäude 43, Postfach , D Saarbrücken Fortgeschrittenenpraktikum Nichtmetalle II Universität des Saarlandes Gebäude 43 Im Stadtwald D Saarbrücken Leitung (0681) Sekretariat (0681) Fax (0681) Bearbeiter S. Janes Durchwahl 5062 e - mail s. Praktikumsversuch Thermische Spritzverfahren Einleitung Die Anforderungen, die die moderne Technik heutzutage an Werkstoffe stellt, werden stetig gesteigert, so daß bei einigen Werkstoffklassen bereits deren Leistungsgrenze überschritten ist. Da die Weiterentwicklung auf den verschiedenen technischen Gebieten sehr eng an Werkstoffe geknüpft ist und von ihnen abhängt, müssen entsprechende leistungsfähigere Werkstoffe geschaffen werden. Aber die immer komplexer werdenden Anforderungen an Werkstoffe bringen es oft mit sich, daß ein Werkstoff allein nicht mehr allen Ansprüchen genügen kann. Eine Möglichkeit ist die Anwendung des Verbundprinzips, d.h. es werden Werkstoffe geschaffen, die aus mindesten zwei Materialkomponenten aufgebaut sind und als Verbundwerkstoffe z.b. bessere physikalische und/oder chemische Eigenschaften aufweisen als die Einzelkomponenten, aus denen sie zusammengesetzt sind. Diese Beobachtung gilt auch in der Oberflächentechnik, bei der eines der größten Probleme für Werkstoffe und Werkstoffsysteme im Einsatz der Verschleiß ist, der einen jährlichen Verlust weltweit von mehr als 100 Milliarden DM und in Deutschland allein von ca. 35 Milliarden DM verursacht. Von der Werkstoffseite sind die Möglichkeiten der Verschleißminderung begrenzt. Es können entweder verschleißbeständigere Werkstoffe entwickelt und eingesetzt werden - aber dies ruft hohe Kosten hervor, wenn die Leistungsgrenze dieser Werkstoffen nicht bereits überschritten ist - oder man kann die vorhandenen Werkstoffe, deren Volumeneigenschaften oft genügen, durch das Auftragen von Schichten veredeln und damit deren Verschleißbeständigkeit erhöhen. Unter wirtschaftlichen Aspekten wird oft diese 2. Möglichkeit gewählt. Zudem bietet die Beschichtungstechnik auch die Möglichkeit, Bauteile zu reparieren und wiederzuverwenden.

2 Beschreibung des Verfahrens Einleitung Das thermische Spritzen umfaßt Verfahren, bei denen Spritzzusätze (Pulver, Drähte, Stäbe etc.) innerhalb oder außerhalb von Spritzgeräten auf- bzw. abgeschmolzen und beschleunigt werden. Die Spritzpartikel flachen beim Aufprall auf die Substratoberfläche ab, die hierbei in aller Regel nicht aufgeschmolzen wird. Die Unterschiede der thermischen Spritzverfahren liegen in der Art begründet, wie die thermische Energie zur Verfügung gestellt wird. Dabei werden prinzipiell drei Arten von Energieträger genutzt. Diese sind: die Verbrennung eines Gasgemisches, das Plasma und der elektrische Lichtbogen. Flammspritzen Das Flammspritzen ist das älteste thermische Spritzverfahren. Es wurde Anfang des Jahrhunderts von dem Ing. Max Ulrich Schoop entwickelt, um Metalle zu verspritzen und zählt zu den niederenergetischen Spritzverfahren. Die Art des Brenngases richtet sich nach der gewünschten Flammentemperatur. So kann man mit Azetylen als Brenngas eine maximale Temperatur von 3150 C, mit Propan 2850 C oder mit Wasserstoff 2650 C erreichen. Hochschmelzende Werkstoffe sind mit dieser geringen Temperatur nicht verarbeitbar. Aber für niedrig schmelzende Werkstoffe wie Metalle, Metallegierungen, Oxid-Keramiken mit Ts < 2500 C und neuerdings auch Kunststoffe ist das Flammspritzen dagegen ein kostengünstiges thermisches Spritzverfahren. Beim Flammspritzen wird das Pulver durch das einströmende Brenngas-Sauerstoff-Gemisch aus einer Pulvergebereinheit über eine Schlauchverbindung angesaugt und axial in die Flamme injiziert, die vor der Brennerdüse frei brennt. Das Pulver, das intern zugeführt wurde, wird durch den Druck des Brenngases auf das Substrat geschleudert. Folgendes Bild zeigt den Querschnitt einer Flammspritzpistole. Der geringe apparative Aufwand, die vergleichsweise geringen Kosten sowie die Vielseitigkeit der erreichbaren Schichten sind Grund für die weite Verbreitung des Flammspritzens. Prinzip einer Flammspritzpistole mit interner Pulverzufuhr

3 Plasmaspritzen Die verschiedenen Plasmaspritzverfahren nutzen die hohen Temperaturen, die in einem Plasma herrschen zum Aufschmelzen des pulverförmig vorliegenden Beschichtungsmaterials. Da die Temperaturen je nach Wahl des Plasmagases mehrere Tausend Kelvin (bis K) betragen können, sind auch hochschmelzende Werkstoffe verarbeitbar, solange sie eine stabile flüssige Phase bzw. einen definierten Schmelzpunkt besitzen. Als Plasma bezeichnet man Materie, die als gasförmiges Gemisch von ungeladenen Teilchen, ionisierten Atomen, Elektronen und dissoziierten Molekülen vorliegt. Dieser Zustand wird oft auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet. Sein hoher Energieinhalt ergibt sich aus den Ionisierungs- und Dissoziationsenergien der vorhandenen Gasteilchen, die wieder frei wird, wenn die Teilchen sich wiedervereinigen, und aus deren Bewegungsenergie. Der Stoff, den man in die Plasmaflamme pulverförmig eingibt, wird aufgeschmolzen und mit dem ausströmenden Plasmagas aus einer Düse geschleudert. Dann treffen die flüssigen Teilchen auf die Substratoberfläche auf und bilden dort beim Erstarren die Schicht. Im Falle des Brenners mit nicht-übertragenen Lichtbogen brennt der Lichtbogen zwischen einer wassergekühlten Kathode, die aus einem konisch zulaufenden Kupferträger besteht, in dessen Ende eine thorierte Wolframspitze eingepreßt ist und einer ringförmigen, ebenfalls wassergekühlten Kupferanode. Das Plasmagas strömt an der Kathode seitlich vorbei, wird im Bereich des Lichtbogens ionisiert und tritt dann aus der Anodenöffnung als sichtbarer Strahl nach außen. Das Spritzpulver wird mit Hilfe eines Trägergases radial in die Plasmaflamme eingegeben und mit dem ausströmenden Gas nach außen geschleudert und während der Verweilzeit in der Plasmaflamme aufgeschossen. Schematischer Aufbau eines gasstabilisierten Plasmabrenners

4 Typische Einsatzbereiche und Werkstoffe Die Hauptanwendungen von thermischen Spritzverfahren sind Schutzschichten auf metallischen und nichtmetallischen Form- und Bauteilen. Diese Schichten werden überhaupt gegen Oxidation das gilt vor allem für Metalle -, Korrosion, Kalt- und Heißverschleiß, Wärme und elektrische Strom (Isolation) geschützt. Sie können auch angewandt werden, um die thermische und elektrische Leitfähigkeit von keramische Werkstoffen oder Kunststoffen zu erhöhen. Thermische Spritzverfahren können auch als Sonderformgebungsverfahren dort eingesetzt werden, wo aus schwer formbaren und verformbaren Metallen Form- bzw. Bauteile hergestellt werden sollen, oder wenn es sich um hochschmelzende Metalle handelt, deren Schmelzpunkt über 2000 C liegt. Dies trifft unter anderem für die Metalle Wolfram, Tantal und Molybdän zu. Plasmagespritzter Tiegel aus Wolfram, Tantal und Molybdän und Verschleißschutzbeschichtung von Motorenzylindern Werkstoffe Aluminium Nickel / Ni-Al-Mischung Kupfer Zink Molybdän Stahl / Cr- / Cr, Ni-legiert Bronzelegierungen Co-Hartlegierungen NiCrBSi-Legierungen Zr 2 O 3 / Y 2 O 3 Al 2 O 3, Cr 2 O 3, Al 2 O 3 -TiO 2 WC-Co Anwendungen Metalle Korrosions- und Zunderschutz; Haftgrund (metallische Wechselwirkung) Haftgrund Elektrische leitende Schichten auf Nichtleitern Korrosionsschutz Haftgrund (metallische Wechselwirkung), Verschleißschutz Legierungen Reparaturschichten / Verschleißschutz / Korrosionsschutz Verschleißschutz Schutz gegen Kavitation, Erosion und Korrosion bei hohen Temperaturen Selbstfließende Legierung. Verschleißschutz Oxidkeramiken Turbinenbau, Raumfahrt, Motorenbau Verschleiß- und Temperaturschutz Cermet Dichte, glatte und harte Reibverschleißschutze

5 Vorbereitung des Praktikums Fragen Lesen Sie bitte die folgende Fragen durch und denken Sie an eine Antwort für den Praktikumstag. Um Ihnen zu helfen, sind unten einige Daten zusammengefaßt. 1. Welche Werkstoffkennwerte sind besonders zu berücksichtigen, bevor ein Material auf ein anderes gespritzt wird? 2. Ein Chemie-Reaktor aus Stahl wird bei Raumtemperatur mit Chemikalien gefühlt und auf 200 C aufgeheizt, um die chemische Reaktion zu beschleunigen. Um den Reaktor gegen Korrosion zu schützen soll eine Al 2 O 3 -Schicht aufgebracht werden. Ist das machbar? Warum? Nennen Sie eine Möglichkeit, um Al 2 O 3 auf Stahl aufzubringen. 3. Man will einen Tiegel aus Al 2 O 3 durch Plasmaspritzen herstellen. Nennen Sie ein mögliches Verfahren. 4. Die beiden folgenden Bildern zeigen eine Aluminium-Schicht auf einem metallischen Substrat. Eine wurde durch Flammspritzen hergestellt, die andere durch Plasmaspritzen. Finden Sie heraus, welche Schicht mit welchem Verfahren aufgebracht wurde. Warum? Schicht 1 Schicht 2 5. Ein Chemie-Reaktor ist aus Kupfer gebaut, um eine sehr intensive Wasserkühlung zu ermöglichen. Man will diesen Reaktor benutzen, um eine Synthese durchzuführen. Um einen katalytischen Effekt zu bekommen, wird eine metallische plasmagespritzte Innenschicht als Katalysator vorgesehen. Aluminium und Molybdän besitzen für diesen Fall die gleiche Wirkung als Katalysator. Welchen Werkstoff würden Sie als Innenschicht auswählen, um eine optimale Haftung zu gewährleisten? Daten Physikalische Eigenschaften von Al O (a-phase) 2 3 Schmelzpunkt Max. Einsatztemp. WAK (.10-6 K -1 ) 1* 2* Dichte (g/cm 3 ) Angriff Säure- Wetter- Angriff 2053 Ca ,8 7,9 3,96 Unlöslich Keine Schädigung WAK: Wärmeausdehnungskoeffizient 1*: Parallel zur C-Achse 2*: Senkrecht zur C-Achse

6 Physikalische Eigenschaften von Stahl Schmelzpunkt Dichte Zugfestigkeit Streckgrenze E-Modul WAK (g/cm3) (MPa) (MPa) (GPa) (.10-6 K -1 ) Ca ,00 mind ,9 WAK: Wärmeausdehnungskoeffizient Physikalische Eigenschaften von Aluminium und Molybdän Schmelzpunkt WAK (.10-6 K -1 ) Dichte (g/cm 3 ) WLF W/(mK) Aluminium ,6 204 Molybdän ,1 10, WAK: Wärmeausdehnungskoeffizient WLF: Wärmeleitfähigkeit Al-Cu-Zustandsdiagramm Mo-Cu-Zustandsdiagramm

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