DVS 2321-2015 Thermal spraying with suspensions.pdf

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1、Inhalt:1 Einleitung2 Geltungsbereich3 Suspensionen4 Anlagentechnik5 Substrate und Oberfl chenvorbereitung des Substrates6 Schichtmikrostrukturen7 Prfen der Schichten8 Anwendungsmglichkeiten9 Nachbehandlung10 Arbeits- und Umweltschutz11 Schrifttum1 Einleitung Beim Thermischen Spritzen mit Suspensione

2、n wird mit den be-kannten Technologien atmosphrisches Plasmaspritzen (APS) und Hochgeschwindigkeitsfl ammspritzen (HVOF) eine neue Klas-se von Spritzzusatz die Suspension verwendet. In Analogie zum Pulver- und Drahtfl ammspritzen erscheint es deshalb von Vorteil, die Art des Spritzzusatzes in die Ve

3、rfahrensbezeichnung mit aufzunehmen und als Abkrzung APS-S bzw. HVOF-S zu ver-wenden. Fr die Herstellung der Schichten wird gegenwrtig in der Regel konventionelle Anlagentechnik des APS und HVOF mit entspre-chenden Modifi kationen verwendet. Dies betrifft primr die Fr-dertechnik (Suspensionsfrderer)

4、 und die Injektion. Fr eine Rea-lisierung der Technologie in der industriellen Praxis mssen neben der Verfgbarkeit einer praxistauglichen Hardware (z. B. Suspen-sionsfrdereinheiten, Injektoren) auch alle Fragen, die mit der Verwendung von Suspensionen als Spritzzusatz in Verbindung stehen, geklrt we

5、rden. Gleichzeitig mssen Suspensionsfrder-raten und Auftragswirkungsgrade eine wirtschaftliche Herstellung der Schichten erlauben. Die Verwendung von Suspensionen zum thermischen Spritzen befi ndet sich gegenwrtig im bergang von der Entwicklung im Laborbetrieb in die industrielle Praxis. Auf Grund d

6、er aktuellen Dynamik des Prozesses ist laufend mit Neuerungen und Wei-terentwicklungen zu rechnen. Gleichzeitig werden viele aktuelle Arbeiten aus dem kommerziellen Bereich (insbesondere Anwen-dungsentwicklungen) auf Grund von Einschrnkungen durch Ge-heimhaltungsmanahmen erst versptet oder gar nicht

7、 publiziert. 2 Geltungsbereich Dieses Merkblatt enthlt Informationen ber den aktuellen Einsatz von Suspensionen als Spritzzusatz beim Thermischen Spritzen. Die Herstellung von konturnahen Schichten im Bereich 10-50 m gehrt neben den geringen Oberfl chenrauheiten zu den beson-ders wichtigen spezifi s

8、chen Vorteilen. Fr einige Werkstoffe wie z. B. Al 2O 3und TiO 2konnte der Nachweis von Schichteigenschaften erbracht werden, die mit konventionellen Prozessen nicht mglich sind. Schichtdicken, -morphologien und -eigenschaften knnen in einem sehr weiten Bereich variiert werden. Bei Wrmedmm-schichten

9、hngt die Schichtrauheit von der Ausbildung der kolum-naren Strukturen ab. Ein besonderer Vorteil liegt in der direkten Verwendung feindisper-ser oxidkeramischer Pulver, wie sie zur Herstellung von gesinter-ten technischen Keramiken mit einer groen Variabilitt (Korngr-e, Reinheit, etc.) zur Verfgung

10、stehen. Im Merkblatt werden Hinweise und Empfehlungen zur Auswahl der Schichtwerkstoffe, der Charakteristik entsprechender Suspensio-nen, der Schichtherstellung, insbesondere mit atmosphrischem Plasmaspritzen (APS) und mit Hochgeschwindigkeitsfl ammsprit-zen (HVOF) und der Schichtcharakterisierung g

11、egeben. Beispie-le fr Beschichtungen, die mit Suspensionen als Zusatzwerkstoff hergestellt wurden, werden angegeben. Die Verwendung von Suspensionen als fl ssiger Spritzzusatz grenzt sich ab von der Verwendung von Lsungen, die ebenfalls Gegenstand von aktuellen Entwicklungsarbeiten ist. Whrend sich

12、in Suspensionen feindisperse Partikel im Lsungsmittel befi nden, dissoziiert der Spritzwerkstoff bei Lsungen in Ionen. Es wird bei-spielsweise die Verwendung von Nitraten und Alkoholaten unter-sucht. 3 Suspensionen Suspensionen sind als Spritzzusatz gegenwrtig bei Herstellern nur auf Anfrage verfgba

13、r. Fr die Versorgung mit Suspensionen sind in der Zukunft grundstzlich zwei unterschiedliche Konzepte denkbar: entweder ein Vertrieb von spritzfertigen Suspensionen (hnlich wie Schleifmittelsuspensionen) oder die Anfertigung der Suspension direkt im Spritzbetrieb nach einem vorgegebenen Re-zept. Let

14、zteres erfordert zustzliche, aber kommerziell verfgbare, Anlagentechnik fr die Suspensionsherstellung im Spritzbetrieb. Wie bei allen anderen Spritzzustzen entsteht die Schicht aus-schlielich aus dem Feststoff, die Flssigkeit ist also ausschlie-lich ein Hilfsmittel. Als Flssigkeit in Entwicklungsarb

15、eiten werden Wasser und verschiedene Alkohole verwendet. Fr den Einsatz in der industriellen Praxis sprechen Kosten und Arbeitssicherheit eindeutig fr die Verwendung von Wasser. Bild 1: Parameter fr die Suspensionen durch die Feststoffe vorgegebene Eingangsparameter (blau) und resultierende Paramete

16、r (rot) der Suspensi-on L.-M. Berger, F.-L. Toma, A.Potthoff, Therm. Spray Bull., 2013, 6 (2), 98-101. Bild 1 zeigt wesentliche, die Suspensionseigenschaften bestim-mende Parameter. Die Gesamtheit der aus den Rohstoffeigen-schaften resultierenden (im Bild mit blauem Untergrund) und durch Zugabe von

17、Additiven optimierbaren Suspensionseigenschaften (im Bild mit rotem Untergrund) bestimmt die Anwendbarkeit einer Suspension zum thermischen Spritzen. Hohe SchichtqualittenMrz 2015Nachdruck und Kopie, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des HerausgebersBezug: DVS Media GmbH, Postfach 10 19 65, 400

18、10 Dsseldorf, Telefon (02 11) 15 91- 0, Telefax (02 11) 15 91- 150DVS, Ausschuss fr Technik, ArbeitsgruppeDiese Verffentlichung wurde von einer Gruppe erfahrener Fachleute in ehrenamtlicher Gemeinschaftsarbeit erstellt und wird als eine wichtige Erkenntnisquelle zur Beachtung empfohlen. Der Anwender

19、 muss jeweils prfen, wie weit der Inhalt auf seinen speziellen Fall anwendbar und ob die ihm vorliegende Fassung noch gltig ist. Eine Haftung des DVS und derjenigen, die an der Ausarbeitung beteiligt waren, ist ausgeschlossen.DVS DEUTSCHER VERBAND FR SCHWEISSEN UND VERWANDTE VERFAHREN E. V.DVS 2321T

20、hermisches Spritzen und thermisch gespritzte Schichten“Thermisches Spritzen mit Suspensionen MerkblattB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11DVS 2321Seite 2knnen nur durch die Verwendung homogener Suspe

21、nsionen mit sehr guter Fliefhigkeit gewhrleistet werden, da diese eine hohe Langzeitstabilitt des Spritzprozesses ermglichen. Das heit, whrend des Spritzprozesses darf sich die Suspension nicht ent-mischen, sondern muss mit konstanten Eigenschaften frderbar sein. Um dies zu realisieren, mssen die Pa

22、rtikel vereinzelt, d. h. in einer kolloidchemisch stabilen Suspension, vorliegen. Eine wei-tere Anforderung an die Suspension ist, dass sie keine korrosive Wirkung auf die Anlagentechnik hat. Die Effi zienz des Spritzprozesses wird positiv beeinfl usst, wenn der Feststoffgehalt der Suspension mglich

23、st hoch (bis zu 70 Ma. %) ist, da dann die zu verdampfende Wassermenge verringert wird und die Spritzzeiten reduziert werden. Insbesondere die Ver-wendung von Pulvern mit Korngren 1 m erlaubt solch hohe Konzentrat nen. 4 Anlagentechnik Bild 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Anlage zum thermisch

24、en Spritzen mit Suspensionen. Als spezifi sche Anlagenkomponenten gehren dazu eine Suspensionsfrder- und eindsungseinheit, sowie eine modifi zierte Spritzpistole. Bild 2: Schematische Darstellung des Anlagenaufbaus zum Spritzen mit Suspensionen L.-M. Berger, F.-L. Toma, S. Langner, T. Naumann, Therm

25、. Spray Bull., 2010, 3 (1), 24-29 In den letzten Jahren hat es von Seiten der Industrie bereits etli-che Aktivitten zur Entwicklung von Suspensionsfrdereinheiten gegeben, welche zum Teil bereits kommerziell verfgbar sind. Als Frderprinzip wird neben der Druckfrderung die Frderung mit Schlauchquetsch

26、pumpen eingesetzt. Bei der Injektion kann zwischen einer externen und einer internen Injektion unterschieden werden. Die interne Injektion erfordert da-bei den hheren Modifi kationsaufwand. Im Fall des APS ist konst-ruktionsbedingt fast nur eine externe radiale Injektion mglich. Die Injektion erford

27、ert auf Grund der geringen Partikelgre besonde-re Sorgfalt bei der Auswahl der Injektionsbedingungen. Lediglich spezielle Plasmabrennerkonstruktionen ermglichen eine axiale Eindsung. Bei der Verwendung des HVOF ist eine axiale Eind-sung direkt in die Brennkammer leichter mglich. Bild 3 zeigt verschi

28、edene Injektionsmglichkeiten fr die Suspen-sionen beim APS-S und HVOF-S. Bild 3: Injektionsmglichkeiten fr die Suspensionen beim APS-S und HVOF-S Bilder Fraunhofer IWS. Externe radiale Injektion als kontinuierlicher Suspensionsstrahl im APS-S (a) und im HVOF-S (b) sowie axiale interne Injektion in d

29、ie Brennkammer beim HVOF-S: (c) austretender Suspensionsstrahl ohne Flamme), (d) Spritzprozess. 5 Substrate und Oberfl chenvorbereitung des Substrates Durch thermisches Spritzen mit Suspensionen kann die gleiche Palette von Substratwerkstoffen wie mit Spritzprozessen unter Verwendung herkmmlicher Sp

30、ritzzustze beschichtet werden. Die wichtigsten Regeln zur Substratvorbereitung sind im DVS-Merkblatt 2301, Punkt 7 beschrieben. Auf Grund der wesentlich geringeren Gre der Partikel in den Suspensionen gegenber konventionellen Beschichtungspulvern muss insbesondere bei der Verwendung von Strahlverfah

31、ren eine Anpassung der Strahl-bedingungen (Korngre des Strahlmittels, Strahldruck) an die geringere erforderliche Oberfl chenrauheit erfolgen. Insbesonde-re bei dnnen Schichten verhindert eine zu hohe Oberfl chenrau-heit des Substrates die Realisierung von sehr glatten Schichtober-fl chen, bzw. fhre

32、n Strahlmittelrckstnde zu Fehlern in der Schichtmikrostruktur. 6 Schichtmikrostrukturen Es gehrt zu den Vorteilen des thermischen Spritzens mit Sus-pensionen, dass vollkommen unterschiedliche Schichtmikrostruk-turen eines Werkstoffes von pors bis dicht bei starken Unter-schieden in den Schichtdicken

33、 hergestellt werden knnen. Bild 4 zeigt einige ausgewhlte Schichtmikrostrukturen. Die Schichten in den lichtmikroskopischen Aufnahmen in Bildern 4a und 4b zeigen HVOF-S gespritzte Al 2O 3-Schichten. Dabei zeigt die Aufnahme in Bild 4a eine dichte Schicht mit einer Dicke von rund 200 m auf ei-nem ges

34、trahlten Substrat und Bild 4b eine Schicht mit einer Dicke im Bereich 10-15 m auf einem ungestrahlten Substrat. Bild 4c zeigt eine HVOF-S gespritzte Titanoxidschicht. Bild 4d zeigt eine Wrmedmmschicht aus einem La-Al-Mg-Ta-Perowskit mit kolum-narer Struktur, die mit APS-S hergestellt wurde. a b c d

35、Bild 4: (a) Al 2O 3-Schicht L.-M. Berger, F.-L. Toma, A. Potthoff, Therm. Spray Bull., 2013, 6 (2), 98-101, (b) dnne Al 2O 3-Schicht L.-M. Berger, F.-L. Toma, A. Potthoff, Therm. Spray Bull., 2013, 6 (2), 98-101, (c) dichte TiO 2-Schicht L.-M. Berger, F.-L. Toma, S. Langner, T. Naumann, Therm. Spray

36、 Bull., 2010, 3 (1), 24-29, (d) Wrmedmmschicht aus einem La-Al-Mg-Ta-Perowskit mit kolumnarer Struktur Forschungszentrum Jlich GmbH, Institut fr Energie- und Klimaforschung. 7 Prfen der Schichten Die im DVS-Merkblatt 2301, Punkt 11 beschriebenen Mglichkei-ten zur Prfung der Schichten sind auch hier

37、anwendbar. 8 Anwendungsmglichkeiten Die bis jetzt am intensivsten untersuchte Anwendung sind ZrO 2-basierte Wrmedmmschichten. Auf Grund der hier gewnschten speziellen Schichtstrukturen bietet hier insbesondere das APS-S Vorteile. Entwicklungen fr biomedizinische Schichten werden in der Litera-tur eb

38、enfalls umfangreich beschrieben. Als Schichtwerkstoffe wer-den insbesondere Hydroxylapatit und Glaskeramiken verwendet. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11DVS 2321 Seite 3Ein weiterer spezieller Sch

39、werpunkt ist die Entwicklung photoka-talytisch aktiver TiO 2-Schichten, die erst durch die Anwendung von Suspensionen ermglicht wurde. Suspensionsgespritzte Al 2O 3-Schichten weisen bei einem Einsatz in hoher Luftfeuchtigkeit eine bessere Langzeitstabilitt der Isola-tionseigenschaften auf. Weitere d

40、etaillierte Informationen knnen den im Schrifttum ge-nannten zusammenfassenden Publikationen sowie weiteren Pub-likationen in der Literatur entnommen werden. 9 Nachbehandlung Die im DVS-Merkblatt 2301, Punkt 9 beschriebenen Mglichkei-ten der Nachbehandlung sind auch hier gltig. Bei einer mecha-nisch

41、en Nachbehandlung durch Schleifen ist der Aufwand durch die geringe Oberfl chenrauheit, die konturnahe Beschichtung und die feinkrnige Struktur geringer. 10 Arbeits- und Umweltschutz Zum gegenwrtigen Zeitpunkt existieren fr die Verwendung von Suspensionen noch keine speziellen Vorschriften bezglich

42、des Arbeits- und Umweltschutzes, die allgemeinen Regeln fr das thermische Spritzen sind auch hier gltig. Zustzliche Schutzma-nahmen knnten in der Zukunft aus den Vorschriften fr die ke-ramische Industrie abgeleitet werden, da viele beim Spritzen mit Suspensionen verwendete Pulver hier bereits Anwend

43、ung fi nden. Besondere Schutzmanahmen knnen sich bei der Verwendung von Nanopulvern ergeben. Bei der Verwendung alkoholischer Sus-pensionen besteht das Risiko einer erhhten Brandgefhrdung. Fragen, die mit der Verwendung von Suspensionen als Spritzzu-satz in Verbindung stehen (z. B. Herstellung, Tran

44、sport, Lagerung, Arbeitssicherheit) sind bis jetzt nicht in Regelwerken bzw. Vor-schriften niedergelegt und mssen noch in der Zukunft erarbeitet werden. 11 Schrifttum In den letzten Jahren sind einige zusammenfassende Beitrge zur Entwicklung des thermischen Spritzens mit Suspensionen er-schienen, di

45、e fr weiterreichende Informationen genutzt werden knnen. 11.1 Regelwerk DVS M 2301 Thermische Spritzverfahren fr metallische und nichtmetallische Werkstoffe11.2 Literatur 1 L. Pawlowski, Suspension and solution thermal spray coa-tings, Surf. Coat. Technol., 2009, 203 (19), 2807-2829. 2 P. Fauchais,

46、G. Montavon, Latest Developments in Suspensi-on and Liquid Precursor, Thermal Spraying, J. Therm. Spray Technol., 2010, 19 (1-2), 226-239. 3 L.-M. Berger, F.-L. Toma, S. Langner, T. Naumann, Suspen-sionsspritzen Das Potential einer neuen Spritztechnologie, Therm. Spray Bull., 2010, 3 (1), 24-29. 4 A

47、. Killinger, R. Gadow, G. Mauer, A. Guignard, R. Vaen, D. Stver, Review of New Developments in Suspension and So-lution Precursor Thermal Spray Processes, J. Therm. Spray Technol., 2011, 20 (4), 677-695. 5 L.-M. Berger, F.-L. Toma, A. Potthoff, Thermisches Spritzen mit Suspensionen ein wirtschaftliches Spritzverfahren, Therm. Spray Bull., 2013, 6 (2), 98-101 .B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11