BEYOND SURFACES

Atmosphärisches Plasmaspritzen: hoher Druck und hohe Dichte Bei den meisten thermischen Spritzverfahren wird unter normalem Atmosphärendruck gearbeitet. Das Material für die Beschichtung wird in Form von Pulver­ partikeln, die meist im Grössenbereich von 10 bis 100 µm liegen, in einem engen Plasmastrahl (Ø 6–10 mm) geschmolzen und auf die zu beschichtende Oberfläche aufgespritzt. Die Temperatur des Plasmas kann dabei bis zu 20 000 °C erreichen – so heiss wie die Sonne! So kann jegliches Material geschmolzen werden. Durch präzises Austarieren der Plasma und Materialeigen­ schaften werden die Partikel auf ihre ideale Temperatur und Geschwindigkeit gebracht, um ein optimales Beschichtungsergebnis zu erreichen. Das Plasma wird in einem Plasmagenerator erzeugt. Dieser besteht aus einer schmalen Düse oder Anode, durch die kontinuierlich Gas strömt, und einer Elektrode oder Kathode, die konzentrisch in der Düse angeordnet ist. Die positiv geladene Düse und die negativ geladene Elektrode bilden ein elektrisches Paar, wodurch das strömende Gas ionisiert und in ein Plasma umgewandelt wird. Das Ausgangsmaterial für die Beschichtung wird dann in das Plasma injiziert, wo es schmilzt und auf die zu beschichtende Oberfläche geschleudert wird. »Plasma ist sehr effizient, um diese hohe Hitze zu erzeugen, denn die gesamte elektrische Leistung wird in Wärme umgewandelt. Wir kooperieren bei der Plasma­ beschichtungsforschung mit Partnern und Universitäten, und die Erkenntnisse fliessen laufend in neue Produkte von Oerlikon Metco ein«, erklärt Alexander Barth. PVD-Beschichtungen: niedriger Druck und geringe Dichte Für hochwertige, hauchdünne PVDSchichten wird das Plasma durch Verdampfen von Atomen aus einem metallischen »Target« erzeugt. Dabei trennen sich die Elektronen von den Atomen, und Ionen bilden sich. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung werden diese Ionen vom Substrat, das beschichtet werden soll (ein Bauteil oder ein Werkzeug), angezogen. Sie treffen mit hoher Energie darauf auf, diffundieren auf seiner Oberfläche und verbinden sich untereinander zu einer sehr dünnen, dichten Beschichtung. Um zu verhindern, dass sie während ihrer »Reise« mit Luftmolekülen kollidieren, geschieht all dies in einem Hochvakuum. Um das Plasma zu erzeugen ist eine grosse Menge an Energie in Form von Hochspannung mit mehreren hundert Volt nötig. Nicht nur die Wahl des Target­ Materials, sondern auch die Spannung und die Energie des Plasmas beeinflussen die Beschichtung. »Für die Qualität und das Ergebnis der Beschichtung ist daher das Design der Plasmaquellen sehr wichtig. Wir bei Oerlikon Balzers forschen ständig daran, sowohl die Plasmaquellen als auch das Endergebnis, die Schichten, zu verbessern«, erklärt Alessandro Zedda. Spot on: materialien Wofür wird Plasma verwendet? Plasmen sind sehr unterschiedlich beschaffen. Allen gemeinsam ist: sie sind elektrisch leitfähig und lassen sich magnetisch beeinflussen. Durch die verschiedenen Ausprägungen lassen sie sich für viele Entwicklungen und Vorgänge nutzen – unter anderem für Energiespar und Leuchtstofflampen, in Plasmabildschirmen, zur Desinfektion von medizinischen Instrumenten und selbst zur Kernfusion in Reaktoren. Oerlikon Balzers und Oerlikon Metco nutzen Plasma für die Oberflächenbeschichtung. »Naturwissenschaftlich gesehen beschäftigen wir uns mit dem Gleichen – mit der Plasmaforschung. Doch was die Anwendungen betrifft, bewegen wir uns an den beiden Enden des Plasma Spektrums«, sind sich die beiden Materialwissenschaftler Alessandro Zedda (Oerlikon Balzers) und Alexander Barth (Oerlikon Metco) einig. fest flüssig gasförmig Plasma + Energie + Energie + Energie Beyond SURFACeS 02|2020 27