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

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)

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

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

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

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

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

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: birger.dzur@tu-ilmenau.de