Beschichtungsverfahren Kaltgasspritzen: Experimentelle und numerische Untersuchungen der Dynamik der partikelbeladenen Überschallströmung

Abstract

In dieser Arbeit werden die bei dem Beschichtungsverfahren Kaltgasspritzen auftretenden strömungsmechanischen Vorgänge sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Eine entscheidende Einflussgröße bei diesem Verfahren ist die Geschwindigkeit, mit der die Partikel des Beschichtungswerkstoffes auf das zu beschichtende Material (Substrat) auftreffen. Um hohe Partikelaufprallgeschwindigkeiten zu erreichen, wird über eine Lavaldüse eine Überschallströmung erzeugt, in der die Partikel beschleunigt werden. Aufgrund der großen Bedeutung der Partikelgeschwindigkeit für das Beschichtungsverfahren, wird der Einfluss verschiedener Größen auf die Partikelbeschleunigung ausführlich untersucht. Haupteinflussparameter sind dabei die thermodynamischen Ruhegrößen, die Düsengeometrie, die charakteristischen Partikeleigenschaften (Partikeldichte und -größe) als auch das sich vor dem Substrat einstellende Strömungsfeld, welches u.a. von dem Abstand zwischen Düsenende und Substrat abhängt. Im Rahmen der experimentellen Arbeiten wird das komplexe Strömungsfeld zwischen Düsenende und Substrat untersucht. Charakterisiert ist dieses Phänomen durch einen überexpandierten Freistrahl und die Bildung eines Bugstoßes direkt vor dem Substrat. Numerisch wird gezeigt, dass bei ungünstigen Kombinationen der erwähnten Einflussgrößen die Wechselwirkung des überexpandierten Freistrahls mit dem Substrat zur Bildung eines Rezirkulationsgebiets an der Substratoberfläche führt, welches die Partikelgeschwindigkeit negativ beeinflusst. Die Bedeutung der unterschiedlichen Partikelgrößen und Strömungsparameter und ihr Einfluss auf das Beschichtungsverfahren wird diskutiert.