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Institut fürWerkstofftechnik
Thüringer Werkstofftag, 30.03.2011 in Jena
PLASMASPRITZSCHICHTENAUF KERAMISCHEN BAUTEILEN
PD Dr.-Ing. habil. Birger DzurTU Ilmenau, Fachgebiet „Plasma- und Oberflächentechnik“
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• Überblick zum thermischen Spritzen• Begriff, Technologien, Ablauf
• Werkstoffe für das thermische Spritzen• Spritzzusätze, Substrate
• Schichten• Struktur und Eigenschaften
• Anwendungsbeispiele
Inhalte:
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FG „Plasma- und Oberflächentechnik“Arbeitsschwerpunkte:
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, fakultätsübergreifendes Institut für Werkstofftechnik
Sphäroidisierung
DC-Plasmaspritzen
DBDtherm.ICP
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Thermisches SpritzenBegriff
„Das thermische Spritzen umfasst Verfahren, bei denen Spritzzusätze innerhalb oder außerhalb von Spritzgeräten an-, auf- oder abgeschmolzen und auf vorbereitete Oberflächen aufgeschleudert werden. Die Oberflächen werden dabei nicht aufgeschmolzen.“
DIN EN 657 (2005)
Thermisches Spritzen dient zur Herstellungdicker Schichten (> 30 µm).
Voraussetzung2 Energieformen: thermische Energie + kinetische Energie
Energiequellen:chemisch (Flammen) oder elektrisch (therm. Gasentladung)
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Technologien (1)
Flamm-Spritzen
-Energiequelle: chemische Verbrennungsreaktion-T (Flamme) : bis 3.200 °C (Azetylen-Sauerstoff, Knallgas),-Spritzzusätze: Stäbe, Drähte, Schnüre, Pulver -Partikelgeschwindigkeiten: abh. vom Verfahren (FS, HFOF, D-FS)-max. Schmelztemperatur der Spritzzusätze: 2.500 °C(Schoob, 1909)
http://www.twi.co.uk/twiimages/bptsf02.gif
Thermisches Spritzen
für Metalle, Legierungen, Kunststoffe
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Technologien (2)
-Energiequelle: freier DC-Lichtbogen-T: bis 5.000 K-Spritzzusätze: metallische Massiv- und Fülldrähte-Partikelgeschwindigkeit: 150 m/s-einfache und portable Technologie
Lichtbogen-Drahtspritze(Schoob, 1911)
Thermisches Spritzen
für Metalle, Hartmetalle, Cermets
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Technologien (3)
-Energiequelle: eingeschnürter DC-Lichtbogen-T: 7.000 K bis 15.000 K (Düsenausgang)-v: 1.000 m/s (APS, Düsenausgang) -Partikelgeschwindigkeit: 400 m/s-Spritzzusätze: Pulver
DC-Plasma-Spritzen
(DCP)(Reinecke,1938)
für Metalle, Legierungen, Hartmetalle, Keramiken
Thermisches Spritzen
Arbeitsgas
Kühlung
KatodeHochstrombogen
Kühlung
Kühlung
Pulverinjektion
Plasmastrahl
Feinere Partikel
Gröbere Partikel
Schicht
Substrat
Anode
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Ablauf des Plasmaspritzens
Injektion Geometrie, Position/Anzahl der Injektoren,Pulver, TrägergasS
pritz
-ge
rät
Flam
me/
Pla
sma
Subs
trat
Aufheizung,Beschleunigung
Aufprall, Deformation,Abkühlung
Überlagerung, HaftungSchichtbildung
Plasma (T, v, h), Pulver (Größe, Form)Pulverdurchsatz, Umgebungsmedium (APS, VPS)
Partikel (Werkstoff, T, v),Substrat (Werkstoff, Struktur, Benetzbarkeit)Auftreffwinkel, Substrattemperatur
Partikel (Werkstoff, T, v)Werkstoffe (Substrat/Schicht – Schicht),Aufschmelzgrad des Pulvers,Kontakttemperatur, Umgebung
Plasmaerzeugung Generatortyp, Konstruktion,Parameter, Wirkungsgrad...
Thermisches Spritzen
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Werkstoffe für das thermische Spritzen
legierteStähle
Legie-
rungen
Cermets
(Kunststoff+Metall)
Kunst- stoffe
Hartstoffe
Metallische Hartstoffe Karbide: WC, TiC, Cr C Nitride: TiN, ZrN, TaN, AlN Boride: TiB , CrB Silizide: MoSi , CrSi
3 2
2
2
Nichtmetall. HartstoffeOxidkeramik: ZrO , Al O , TiO , Cr OSonderkeramik: SiC, Si N , BN, B C
2 2 3 2 2 3
3 4 4
MetalloideC, N, O, B, Si
( Keramik+ Metall )
Cermets
Hartmetalle
WC - CoCr C -NiCr3 2
HartlegierungenNi-Cr-B-SiCo-Cr-W-C
Fe-Cr-C
Metalle
Spritzwerkstoffe
auf Keramiken:
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Werkstoffe
Anforderungen an die Substrate
Anforderung Metalle undLegierungen
Keramiken
thermische Beständigkeit(bis mehrere 100 °C)
Thermoschockbeständigkeitmit
Einschränkungen
Möglichkeit zum Aufrauhen derOberfläche
geringe Oxidationsneigung mitEinschränkungen
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Schichtaufbau- und Eigenschaften
Der qualitative Aufbau thermischer Spritzschichten ist im Gegensatz zu dünnen Schichten unabhängig vom Verfahren!
Schichtstruktur
Cu-Schicht Korundsubstrat
raue Oberfläche
Beschichtungs-Übergangsgrenzen
ungeschmolzenePartikel
Lamellen
Poren
aufgerautesSubstrat
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GR
APH
IT
KE
RA
MIK
ENQuarzSiC
Glas
SiNW
MoAl2O3
Cr, TiZrO2
CuStahl, Ni
BronzeMessing
AlZn
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0
[10E-6 K ]-1α
Zugspannungen Druckspannungen
EISE
NWER
KST O
F FE
Eigenspannungen in thermischen SpritzschichtenSchichten
auf Stahl:
Al2O3TiO2
Nickel
Sch
icht
wer
ksto
ff
begrenzte Schichtdickefür Keramiken
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Beschichten keramischer Werkstoffe
Besonderheiten bei der Schichtbildung
Deformation und Abkühlung der Partikel auf dem Substrat:•andere Benetzungsverhältnisse andere Deformation•schlechtere Wärmeableitung langsamere Abkühlung
andere Schichtstruktur
auf Stahl W-Cu auf Keramik
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Abkühlung von Substrat und Schicht:-Keramiken sind schlechte Wärmeleiter lokale Erwärmung der Substrat-Randzone-Dehnungskoeffizienten neue Werkstoffe und Kombinationen
begrenzte Schichtdicke für Metalle
durch Spannungen abgelöste Substratrandschicht
Beschichten keramischer Werkstoffe
Besonderheiten bei der Schichtbildung
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Anwendungsfelder
Dickschicht-Metallisierung-für elektrische Kontakte-als Abschirmung-als (optische) Reflektorschichten
... für die Elektro-/Hochspannungs-/Hochfrequenztechnik
W auf Mullit Cu auf Quarz bzw. Quarzgut
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Verbindungstechnik- direktes „Anspritzen“ von Kontakten
Anwendungsfelder
... für die Elektro-/Hochspannungs-/Hochfrequenztechnik
Cu-Gewebe und Draht auf Quarzblock
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Wärmedämmung-z.B. Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ)
Anwendungsfelder
... für die chemische und thermische Verfahrenstechnik
Schutzschichten gegen hochreaktive Medien und Schmelzen-TiO2, Ti, Edelstahl...
Schicht
Substrat
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•Verschleißschutz
•hartmagnetische Schichten (NdFeB)
•biologische Funktionen
•dekorative Aspekte
•Reparaturen
•...
Anwendungsfelder
... für spezielle Funktionen
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DANKE FÜR IHREAUFMERKSAMKEIT!
Post: PF 100565, 98684 IlmenauHomepage: http://www.tu-ilmenau.de/wt-pot/Kontakt: [email protected]