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Steve Bomford ist Manager für Schulung und Anwendungsunterstützung bei Oerlikon Metco in Großbritannien. Steve hat eine Leidenschaft für das thermische Spritzen und hat sich im Laufe der Jahre in vielen verschiedenen Positionen ein umfangreiches Wissen über das thermische Spritzen angeeignet.
Viele von Ihnen haben bereits ein tiefes Verständnis für das thermische Spritzen, und ebenso bin ich mir sicher, dass einige von Ihnen, die diesen Artikel lesen, zum ersten Mal mit diesem Verfahren in Berührung kommen. Eine Sache, die ich im Laufe der Jahre gelernt habe, ist, dass man beim thermischen Spritzen jeden Tag dazulernt!
In diesem Sinne habe ich beschlossen einige meiner Erkenntnisse aus den letzten 38 Jahren weiterzugeben. Diese sind durchaus subjektiv, über die drei besten thermischen Spritzverfahren kann man natürlich streiten, aber im Interesse des verfügbaren Platzes habe ich mich für folgende Verfahren entschieden:
Nummer 3: Lichtbogenspritzen
Beim Lichtbogenspritzen werden zwei Metalldrähte als Beschichtungsmaterial verwendet. Sie werden elektrisch geladen (ein Draht negativ, der andere positiv) und in die Lichtbogenpistole eingeführt. Wenn die Drähte an der Düse zusammengeführt werden, erzeugen die gegensätzlichen Ladungen auf den Drähten einen Lichtbogen und Hitze, um die Drahtspitzen kontinuierlich zu schmelzen. Druckluft (oder ein inertes Gas) wird verwendet, um das nun geschmolzene Material zu zerstäuben und es auf die Werkstückoberfläche zu beschleunigen.
Mit diesem Verfahren lassen sich hervorragend haftende metallische Beschichtungen mit einer Vielzahl funktioneller Eigenschaften herstellen, die in einem breiten Spektrum von Industriezweigen eingesetzt werden. Von Korrosionsschutzbeschichtungen für Offshore-Anwendungen bis hin zu hoch spezialisierten Ablagerungen für die Wiederherstellung von Dimensionen in der Luft- und Raumfahrt hat sich das Lichtbogenspritzen als flexibles Werkzeug für handgeführte und automatisierte Prozesse bewährt.
Wenn es für die anspruchsvollen Anforderungen in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt wird, hat es die traditionelleren Beschichtungsverfahren für Metallschichten ersetzt. Die Bediener profitieren von kürzeren Spritzzeiten aufgrund der hohen Drahtvorschubgeschwindigkeiten sowie von weniger Problemen mit der Ablösung der Beschichtung während der Bearbeitung. Eine Win-Win-Situation!
Das Grundprinzip des Lichtbogenspritzens.
Nummer 2: Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF)
Ich schummle hier sogar ein wenig, denn hier haben wir zwei Verfahren zum Preis von einem! Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen mit Brenngas (HVOF-GF) und Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen mit Flüssigbrennstoff (HVOF-LF). Beim HVOF-GF-Verfahren wird in der Regel ein Sauerstoff-Brennstoff-Gasgemisch aus einer Düse ausgestoßen und außerhalb der Pistole gezündet. Die gezündeten Gase bilden eine Flamme.
Das Pulver wird axial in die Verbrennungszone eingespritzt, verlässt die Pistole durch die Flamme und wird auf das Werkstück geschleudert. Im Falle der Oerlikon Metco Diamond Jet™ HVOF-Pistole (Querschnitt in der Abbildung unten) wird bei dem Verfahren auch Druckluft oder ein Inertgas verwendet, um das Innere der Pistole zu kühlen und negative Reaktionen der Pulverpartikel mit der Außenatmosphäre zu verringern.
Beim HVOF-LF-Verfahren wird ein Sauerstoff-Kerosin-Gemisch in eine Brennkammer innerhalb der Pistole eingespritzt. Die Flamme wird entweder durch eine Wasserstoff-Pilotflamme oder eine Zündkerze gezündet. Das Pulver wird radial in die Verbrennungszone eingespritzt, verlässt die Pistole durch den Lauf und wird auf das Werkstück geschleudert.
Das HVOF-Verfahren wurde in den 1980er Jahren von Jim Browning erfunden und ist ein Nachzügler in der Liste der thermischen Spritzverfahren. Interessant ist, dass Jims Erfindung ursprünglich als Werkzeug zum Spalten von Gestein gedacht war! Sie änderte schnell die Anwendungsrichtung und wurde zum Vorläufer der HVOF-Pistolen, die wir heute kennen.
Das Hauptmerkmal von HVOF sind die außergewöhnlich hohen Partikelgeschwindigkeiten (Überschall in den meisten Fällen). Dadurch lassen sich Ablagerungen mit sehr hoher Haftfestigkeit und geringer Porosität erzeugen.
Das HVOF-Gasbrennstoff-Verfahren (HVOF-GF)
Das HVOF-Flüssigbrennstoff-Verfahren (HVOF-GF)
Nummer 1: atmosphärisches Plasmaspritzen (APS)
Zu guter Letzt gibt es noch das atmosphärische Plasmaspritzen. Durch die Erzeugung einer Zündung zwischen einem elektrisch positiven Pol (Anode/Düse) und einem elektrisch negativen Pol (Kathode/Elektrode) wird ein Lichtbogen erzeugt. Durch den Druck des Gases erhöht sich die Temperatur des Lichtbogens, das Gas ionisiert und es entsteht ein Plasma. Sobald sich die Parameter stabilisiert haben, wird Pulver in den Plasmastrahl eingespritzt; die Pulverpartikel erweichen und erreichen mit hoher Geschwindigkeit die Oberfläche des Werkstücks, wodurch eine Beschichtung entsteht.
Das APS-Verfahren ist ein äußerst flexibles Verfahren. Die hohe verfügbare Enthalpie zusammen mit der breiten Palette an spritzbaren Pulverzusammensetzungen bedeutet, dass es für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar ist. Es können Beschichtungen aufgebracht werden, die verschleißfest sind (karbidhaltige Werkstoffe), Hochtemperaturisolierung bieten (Wärmedämmschichten - TBCs) oder die Korrosionsleistung in extremen Umgebungen verbessern (MCrAlYs, z. B. kobalt- und/oder nickelhaltige Werkstoffe mit Chrom, Aluminium und Yttrium). Die Liste lässt sich fortsetzen.
Auch für das Plasmaspritzen sieht die Zukunft sehr rosig aus. Die Entwicklung der Kaskadenlichtbogentechnologie hat ein stabileres Plasmasystem mit höherer Enthalpie geschaffen. Der erweiterte Lichtbogen ermöglicht höhere Vorschubgeschwindigkeiten, eine effizientere Abscheidung und eine geringere Prozessvariabilität. Alles Dinge, die der Markt verlangt.
Schematische Darstellung des atmosphärischen Plasmaspritzens.
Letztendlich gibt es viele verschiedene thermische Spritzverfahren, die unterschiedliche Eigenschaften, Vor- und Nachteile haben. Dies ist nur ein kleiner Vorgeschmack auf den Stand der Dinge beim thermischen Spritzen. Die Welt ist in ständigem Wandel und wir bei Oerlikon Metco bemühen uns, mit neuen Entwicklungen Schritt zu halten.
Eine Anmerkung des Autors
Liebe Freunde und Kollegen,
ich weiß, dass viele von Ihnen, die dies lesen, erfahrene technische Experten auf dem Gebiet des thermischen Spritzens sind, während andere gerade erst anfangen, das thermische Spritzen zu erlernen. Ich hoffe, dass ich mit meiner Version des Rückblicks auf das Thermische Spritzen Interesse, Bildung und Unterhaltung für alle bieten kann. Es gibt eine Handvoll kurzer Artikel, die sich mit dem thermischen Spritzen befassen.
Die Idee dahinter ist, Ihnen einen subjektiven Überblick über den Prozess und die neuesten Entwicklungen in der Welt des thermischen Spritzens zu geben. Dieser Überblick kann durchaus umfangreich und vielfältig sein. Er wird sich nicht auf zu viele technische Einzelheiten konzentrieren, sondern hoffentlich eine unterhaltsame Zusammenfassung bieten, die ein besseres Verständnis der Technologie und ihrer Vorteile ermöglicht.
Wenn Sie ein erfahrener Leser sind, möchte ich Sie einladen, mit mir zu diskutieren, Fragen zu stellen und Ihre persönliche Meinung zu äußern. Wenn Sie möchten, dass ich einen Überblick über ein verwandtes Thema schreibe, werde ich das gerne in Betracht ziehen. Ich hoffe, dass die Lektüre interessant ist, und freue mich über Ihr Feedback.
Steve Bomford
