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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Thermische Spritzverfahren

Im IEK-1 werden verschiedene hoch innovative Herstellungsverfahren im Bereich des thermischen Spritzens eingesetzt.

Zwei wichtige Verfahren der Thermischen Spritztechnologie sind das Plasmaspritzen (PS) und das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF). Dabei handelt es sich um sehr wirtschaftliche Verfahren zur Abscheidung von metallischen oder keramischen Schichten.

Flammenbild A3000

Beim Plasmaspritzen werden partikelförmige Ausgangsstoffe in einem Plasmastrahl, der durch Ionisation eines Gasstroms erzeugt wird, aufgeschmolzen und auf das Substrat hin beschleunigt. Vielfältige Prozessparameter wie die Gaszusammensetzung, der Gasfluss, der Strom, die Spritzdistanz, die Partikelgrößenverteilung, der Trägergasfluss, der Umgebungsdruck usw. beeinflussen das Aufschmelzen und die Geschwindigkeit der Partikel und haben so einen signifikanten Einfluss auf die resultierende Mikrostruktur.
Die Plasma- und die Partikeleigenschaften im Fluge können analysiert werden, um ein verbessertes Verständnis der Prozesse zu erhalten und die Qualität zu sichern.

Prozesse

Atmosphärisches Plasmaspritzen

Das atmosphärische Plasmaspritzen (APS) eignet sich besonders für die Abscheidung von Keramiken, insbesondere Oxidkeramiken für Wärmedämmschichten.
Brenner: Triplex II, Triplex Pro, F4, 9MB, F100 Connex

Abbildung: Atmosphärisches PlasmaspritzenAbbildung: Sulzer Metco F4 Plasma Spray Gun

Schema: Atmosphärisches PlasmaspritzenSchema: Sulzer Metco F4 Plasma Spray Gun


Suspensions-Plasmaspritzen

Das Suspensions-Plasmaspritzen (SPS) ist ein APS-Prozess, bei dem eine Suspension als Vorstufe eingesetzt wird. Dies ermöglicht die Verarbeitung von Partikeln im Sub-Mikrometerbereich und somit neue mikrostrukturierte Schichten.

Suspensions-PlasmaspritzenAbbildung: Suspensions-Plasmaspriten


Vakuum-Plasmaspritzen

Beim Vakuum-Plasmaspritzen (VPS) können keramische und besonders metallische Schichten hergestellt werden, wobei eine Sauerstoffaufnahme weitgehend vermieden wird.
Brenner: F4 (55 kW), TriplexPro-200 (65 kW)

Anlage: PlasmaspritzenAnlage: Vakuum-Plasmaspritzen und Niedrigdruck-Dünnfilm-Plasmaspritzen



Niedrigdruck-Dünnfilm-Plasmaspritzen

Das Niedrigdruck-Dünnfilm-Plasmaspritzen (engl. Low pressure plasma spraying – thin film, kurz: LPPS-TF) ist eine Weiterentwicklung des Vakuum-Plasmaspritzens bei niedrigen Drücken. Dies ermöglicht die Abscheidung dünner, gasdichter Schichten. Sogar die Abscheidung neuartiger, kolumnarer Strukturen aus der Dampfphase ist möglich.
Brenner: F4 (55 kW), TriplexPro-200 (65 kW), O3CP (150 kW)

Abbildung: Niedrigdruck-Dünnfilm-PlasmaspritzenNiedrigdruck-Dünnfilm-Plasmaspritzen: Plasmastrahl bei verschiedenen Pressdrücken.

Abbildung: Niedrigdruck-Dünnfilm-Plasmaspritzen SchichtNiedrigdruck-Dünnfilm-Plasmaspritzen: kolumnare Schichtstruktur



Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen

Abbildung: Hochgeschwindigkeitsflammspritzen BrennerBrenner für das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) in Betrieb.

Im Gegensatz zum Plasmaspritzen ermöglicht das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen deutlich höhere Partikelgeschwindigkeiten bei vergleichsweise moderaten Temperaturen der Brenngasflamme. Daher ist der Prozess besonders geeignet für verschleißfeste Legierungen sowie (Co,Ni)CrAlY-Haftvermittlerschichten.
Brenner: DJ2600, DJ2700, Hybrid-Aircap Wasserstoff-/Methan-Sauerstoffprozess mit Air/N2-Mantelgas


Prozessdiagnostik

Plasmaeigenschaften

Enthalpiesonde TEKNA ENP-04-CS
Kalorimetrische/massenspektrometrische Bestimmung der Plasmaenthalpie, -temperatur und -zusammensetzung sowie der Plasmageschwindigkeit

Abbildung: EnthalpiesondeEnthalpiesonde zur Bestimmung der Plasmaeigenschaften (Bild: TEKNA)

Optische Emissionsspektroskopie
Bestimmung der Plasmagaszusammensetzung und -temperatur

Abbildung: EmissionsspektroskopieBeispiel einer Optischen Emissionsspektroskopie



Partikeleigenschaften

Tecnar DPV-2000
Zwei-Farben-Pyrometrie zur Bestimmung der Partikeltemperatur, Zeitmessung zur Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit, Bestimmung der Partikeldurchmesser und des Partikelstroms

System zur Bestimmung der PartikeleigenschaftenSystem zur Bestimmung der Partikeleigenschaften: DPV 2000

Tecnar Accuraspray-g3
Zwei-Farben-Pyrometrie zur Bestimmung der Partikeltemperatur, korrelationsbasierte Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit, Strahl-Intensitätsprofile mittels digitaler Bildanalyse

System zur Bestimmung der PartikeleigenschaftenSystem zur Bestimmung der Partikeleigenschaften: Accuraspray-g3 (Bild: Tecnar)



Schichtmaterialien (Auswahl)

  • Legierungen
    z. B. (Ni,Co)CrAlY, NiCr, korrosionsbeständiger Stahl
  • Metalle
    z. B. Wolfram, Kupfer
  • Oxidkeramiken
    z. B. ZrO2, Al2O3, TiO2, Al-Mg-Spinell, Pyrochlor-Strukturen (z. B. La2Zr2O7), Perowskite
  • sonstige
    z. B. B4C, WC/Co


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