Strahlplattieren - ein kaltes Verfahren zur Oberflächenbeschichtung

Kurzfassung

Strahlplattieren, auch Kaltgasspritzen oder Cold Spray genannt, ist ein kaltes Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen, das in Novosibirsk, Russland, seinen Ursprung hat. Die Anwendungsfelder des Strahlplattierens in der Luftfahrtindustrie erstrecken sich vom Verschleiß- und Korrosionsschutz, z.B. bei Gasturbinen, bis zur Reparatur von abgenutzten Bauteilen und erodierten Schichten bei Lagern, Kurbelwellen und Turbinenschaufeln. Das Verfahren ist mit thermischen Spritzverfahren, insbesondere mit dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, verwandt. Ein bedeutender Unterschied besteht darin, dass die Partikel weder im Freistrahl noch davor aufgeschmolzen werden. Weiterhin unterscheidet sich die Prozessführung von dem thermischen Spritzverfahren. Insbesondere lassen sich mittels Kaltgasspritzen Schichten leicht direkt auf lokal begrenzte Gebiete auftragen. Das Verfahren Strahlplattieren beruht auf dem Aufprall von kalten Partikeln hoher kinetischer Energie auf Substrate. Bei genügend hohen Aufprallgeschwindigkeiten bleiben die Partikel auf der Substratoberfläche haften. Die Beschleunigung und der Transport der Partikel findet in Überschallfreistrahlen statt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass es bei geringem technischen Aufwand unter Atmosphärendruck und bei niedrigen Temperaturen abläuft. Ziel unserer Arbeiten ist die Optimierung der Prozessparameter hinsichtlich möglichst hoher Auftragseffektivitäten. Auf strömungsmechanischer Seite stehen dabei die Beschleunigung der Partikel und die Wechselwirkung des Überschallfreistrahls mit der Substratoberfläche im Vordergrund. Die Partikelbeschleunigung geschieht vorwiegend in einer langen, schlanken Lavaldüse. Der Einfluss verschiedener Parameter auf das Beschleunigungsverhalten wird rechnerisch ermittelt und experimentell überprüft. Der Zusammenhang zwischen Aufprallgeschwindigkeit und Auftragseffektivität wird für verschiedene Werkstoffkombinationen analysiert. Dazu werden Partikelgeschwindigkeiten mit einem LAser-2-Fokus Verfahren gemessen. Der Abstand zwischen Düsenende und Substratoberfläche ist von der Größenordnung des Durchmessers des Düsenendes. Dies bedingt ein ausgeprägt transsonisches Strömungsfeld vor der Substratoberfläche, das mittels Schlierenaufnahmen untersucht wird. Die Machzahl des Überschallfreistrahls wird über Staudruckmessungen bestimmt. Schließlich wird beim Partikelaufprall kinetische Energie in Wärme umgewandelt. Die Bedeutung dieses Prozesses für die thermische Belastung des Substrats wird über Wärmeübergangsmessungen ermittelt. Für die Untersuchungen wurde am DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik eine Testanlage für Strahlplattieren aufgebaut und erfolgreich erprobt. Mit der Anlage lässt sich ein weiter Bereich von Prozessparametern abdecken. Beschichtungen verschiedener Metallsubstrate wurden bisher vorwiegend mit Aluminium-, Kupfer- und Zinkpulver durchgeführt.