Oberflächenvorbereitung Der "Schlüssel" zu thermischen Spritzverfahren

Warum müssen wir die Oberfläche vor dem Auftragen von Beschichtungen richtig vorbereiten?

In der Regel wird bei den meisten thermischen Spritzverfahren ein Strom geschmolzener oder halb geschmolzener Partikel erzeugt, die auf die zu beschichtende Oberfläche auftreffen (siehe Abbildung 1). Die Haftung und der Aufbau der anschließenden Beschichtung hängen von einer Kombination aus kinetischer und thermischer Energie ab, um sicherzustellen, dass die Bedingungen für eine gut haftende Beschichtung gegeben sind. Dies ist ein Teil der Adhäsionsgleichung, aber ebenso wichtig sind Sauberkeit und Oberflächenaktivierung.

Vorbereitung für eine saubere Oberfläche

Es ist definitiv wahr, dass "Sauberkeit das A und O ist". Durch ein geeignetes Entfettungsverfahren werden Verunreinigungen auf der Oberfläche entfernt. Jede Verunreinigung kann sich direkt auf die Haftung auswirken. Eine ordnungsgemäße Reinigung verhindert auch eine indirekte Verunreinigung der Aktivierungsmittel (z. B. Strahlmittel), die wiederum die zu beschichtende Oberfläche erneut verunreinigen könnten.

Die verwendeten Entfettungsmethoden hängen von der Materialzusammensetzung und der Geometrie des zu beschichtenden Teils ab. Typische Methoden sind:

• Tupfer und Bürste vor Ort
• Dampfreinigung (aufgrund der Umweltgesetzgebung weniger verbreitet)
• Ausbrennen bei hoher Temperatur
• Wässrig (Systeme auf Reinigungsmittelbasis)

Unmittelbar nach Abschluss des Reinigungsprozesses ist häufig eine Maskierung erforderlich um die Bereiche zu schützen, die nicht beschichtet werden sollen. Eine fettfreie Oberfläche hat auch den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Haftung eines später verwendeten Abdeckbandes verbessert.

Oberflächenaktivierung - das Grobe mit dem Glatten verbinden

Nachdem das zu beschichtende Teil entfettet und maskiert wurde, muss die Oberfläche aktiviert werden, um sicherzustellen, dass die Beschichtung den erforderlichen Haftungsgrad aufweist. Es gibt mehrere anerkannte Arten von aktivierten Oberflächen, auf die Beschichtungen aufgetragen werden, darunter solche, die durch mechanisches Aufrauen, Laserablation, Wasserstrahlentfernung und Strahlen entstehen (siehe Abbildung 2). In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf das Sandstrahlverfahren.

Das Sandstrahlen kann manuell, halbautomatisch oder vollautomatisch durchgeführt werden. Meiner Erfahrung nach wird bei der Vorbereitung auf das thermische Spritzen die überwiegende Mehrheit der Sandstrahlanwendungen manuell durchgeführt. Es ist schön zu denken, dass der Prozess umso reproduzierbarer wird, je mehr er automatisiert ist. Das stimmt zwar, aber die Automatisierung eines aggressiven Strahlverfahrens kann schwierig sein. Auch die Anzahl und die Geometrie der Teile sind oft ein entscheidender Faktor.

In der Regel werden bei der Sandstrahltechnik Strahlmittelpartikel mit Druckluft durch eine Druckluft durch eine Düse geschossen werden. Es gibt verschiedene Methoden, um die Partikel voranzutreiben, aber die übliche Methode ist der Einsatz von Saug- (Vakuum) oder Druckstrahlsystemen.

Die Kontrolle des Strahlprozesses ist von entscheidender Bedeutung, um ein reproduzierbares Oberflächenprofil zu erzeugen. Zu den wichtigen Kontrollvariablen gehören (keine vollständige Liste): Strahldistanz, Luftdruck, Düsendurchmesser, Strahlwinkel, Bewegungsprofil usw. Wir empfehlen daher die Erstellung und Verwendung eines gut tolerierten Parameterblattes für jedes Strahlverfahren.

Der Umgang mit dem Strahlmittel

Natürlich ist die Wahl des richtigen Strahlmittels für die jeweilige Aufgabe ein weiterer sehr wichtiger Teil der Gleichung (beim thermischen Spritzen sollten Sie Walnussschalen und Maiskolben vermeiden). Die Wahl sollte sowohl nach technischen als auch nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten getroffen werden. Ein billiges Stahlkorn mag zwar gut schneiden, aber der Stahl, der an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Beschichtung verbleibt, könnte in einer wässrigen Umgebung korrodieren und zu einem Versagen der Beschichtung führen.

Die bei technischen thermischen Spritzschichten am häufigsten verwendeten Medien bestehen hauptsächlich aus geschmolzenem Aluminiumoxid (Tonerde). In der Regel handelt es sich dabei um mehr als 99 % "weißes" Aluminiumoxid oder um Aluminiumoxid / 3 % Titanoxid, so genanntes "braunes" Aluminiumoxid. Das zugesetzte Titanoxid sorgt für etwas mehr Zähigkeit.

Tonerde lässt sich gut schneiden, bleibt scharf, wenn sie sich zersetzt, ist chemisch inert und kann bei hohen Temperaturen eingesetzt werden. Die beiden letztgenannten Punkte sind wichtig im Zusammenhang mit eingeschlossenen Körnern, auf die wir später in diesem Artikel eingehen werden.

Wir müssen auch die Größe des verwendeten Korns berücksichtigen. In der thermischen Spritzindustrie gibt es unterschiedliche Meinungen über die bevorzugte Größe der zu verwendenden Medien. Es gibt auch viele Faktoren, die eine akzeptabel gebundene Beschichtung definieren. Der wichtigste Faktor ist natürlich die nach dem Strahlen erzielte Oberflächengüte. Die üblicherweise verwendeten Korngrößen reichen jedoch von 120 bis 20 ASTM Mesh (90 bis 850 μm) Siebgröße. Die Wahl der Korngröße richtet sich häufig nach den Spezifikationen des Kunden.

Das thermische Spritzen ist ein metallurgisch kaltes Verfahren. Dies bedeutet, dass die Wärmeübertragung auf das Substrat gering ist und daher Bedenken hinsichtlich der Verformung von Teilen und negativer Auswirkungen auf die Materialeigenschaften auf ein Minimum reduziert werden. Die Beschichtung verbindet sich mit dem Substrat durch ein mechanisches Haftverfahren, so dass in der Regel eine geeignete Substratvorbereitung durch ein Aufrauverfahren erforderlich ist.

Oberflächengüte - wie erziele ich das richtige Profil?

Nachdem wir unsere Strahlparameter und Strahlmittel festgelegt haben, müssen wir sicherstellen, dass wir die richtige Oberflächenbeschaffenheit erzeugen, damit unsere Beschichtung bestmöglich haftet. Idealerweise sollten wir ein Profil mit Gipfeln und Tälern statt mit Hügeln und Senken erzeugen. Eine gute gestrahlt Oberfläche sollte im Licht "glitzern", wenn das Teil bewegt wird.

Das richtige Maß an "Glitzern" ist ein wenig subjektiv, weshalb eine gängige Methode zur Überprüfung der Oberflächengüte die Verwendung eines Oberflächenprofilometers ist. Die Anforderungen an die Oberflächenrauheit werden häufig als Mindestwert Ra angegeben, wobei die Ergebnisse in Mikrometer angegeben werden. Ra ist vielleicht nicht die nützlichste der Berichtsmethoden, da sie nur begrenzte Informationen über die Oberflächentopografie liefert (Berge/Täler gegenüber Hügeln/Senken), aber sie gilt als Standard bei der thermischen Spritzverarbeitung.

Die nachstehende Tabelle enthält einige Richtwerte für die Anforderungen an die Oberflächenrauhigkeit bei verschiedenen Abscheidungsverfahren. Je höher die kinetische Energie der Partikel im System ist, desto geringer muss die Oberflächenrauheit sein, um eine angemessene Haftung zu gewährleisten. Auch hier gilt, dass die Anforderungen der Kunden an die Präparationstechniken und die akzeptablen Haftfestigkeiten oft über den allgemeinen Leitlinien stehen (aber sie sind hilfreich!).

Es wurde bereits erwähnt, dass visuelle und messbare Qualitätskontrolltechniken erforderlich sind, um sicherzustellen, dass wir die erforderlichen Berge und Täler haben. Aber wie sieht es mit anderen Dingen aus, auf die wir achten müssen, um einen robusten Strahlprozess zu gewährleisten?

Fühlen Sie sich in Ihrer Vorbereitung gefangen?

Das Mitreißen von Strahlgut kann ein großes Problem beim Strahlen darstellen. Es beeinträchtigen die Qualität und Leistung der Beschichtung in mehrfacher Hinsicht. Abbildung 3 zeigt die Hinterkante einer Turbinenschaufel nach dem Strahlen. Wie zu erkennen ist, hat sich das Strahlmittel im Kühlschlitz festgesetzt.

Dieses muss entfernt werden (mit mechanischen Mitteln - ein Druckluftstrahl wäre nicht erfolgreich). Würde es an Ort und Stelle verbleiben, würde es die Haftung der Beschichtung beeinträchtigen, den Luftstrom durch die Schaufel verringern und sich im Betrieb lösen, was zu schweren Schäden am Triebwerk führen könnte. Alles ziemlich schlimme Szenarien.

Es gibt nochh ein andere Form von eingeschlossenem Sand, die Probleme verursachen kann. Diese tritt ein, wenn der Sand an der Schnittstelle zwischen der Beschichtung und dem Substrat eingeschlossen ist. Beim Sandstrahlen einer Oberfläche liegt es in der Natur des Verfahrens, dass ein Teil des Sandes in das zu beschichtende Material eingelagert wird. Wenn sich die Beschichtung auf dem Strahlgut ablagert, entstehen Schwachstellen, die die Haftfestigkeit der Beschichtung beeinträchtigen können.

Das Ausmaß der Einlagerung kann etwas reduziert werden, indem die gestrahlte Oberfläche unmittelbar vor der Beschichtung mit einem Strahl sauberer, trockener Druckluft gereinigt wird. Noch wichtiger ist jedoch, dass die Kontrolle des Strahlmittelabriebs während des Routinestrahlens in Verbindung mit einem definierten Wartungsprogramm für die Aktivierungsanlage zu einem viel besser wiederholbaren Prozess führt, bei dem der Strahlmittelabrieb den festgelegten Erwartungen entspricht.

Die übliche Methode zur Messung von eingeschlossenem Sand ist die Messung eines polierten Querschnitts mit Hilfe einer Methode von Linienschnitten. Jedes Sandkorn wird in einer bestimmten Anzahl von Sichtfeldern gemessen und ein Durchschnittswert über eine Stichprobenlinienlänge berechnet. Auch hier sind die zulässigen Werte oft kundenspezifisch, aber ein typischer Höchstwert wäre 20 % der mit Strahlmittel verunreinigten Oberfläche. Darüber hinaus gehende Werte beeinträchtigen die Fähigkeit der Beschichtung, auf dem Substrat zu haften.

Die ultimative Schlussfolgerung zur Oberflächenvorbereitung

Natürlich gäbe es noch mehr zum Thema Vorbereitung zu sagen. Der Sinn dieses Artikels soll eigentlich nur aufzeigen, wie wichtig dieses Thema ist (und dass es oft nicht als solches angesehen wird). In jeder Phase des Reinigungs- und Aktivierungsverfahrens ist eine strenge Kontrolle erforderlich, um sicherzustellen, dass eine angemessene Verbindung hergestellt wird und Verunreinigungen auf ein geringes Maß beschränkt bleiben.