Plasmaspritzen

 

Das Plasmaspritzen ist eine hochenergetische Verfahrensvariante des thermischen Spritzens. Die wesentliche Komponente einer Plasmaspritzanlage ist das Plasmatron, dessen Wirkprinzip anhand des folgenden Bildes kurz erläutert werden soll.

Schematische Darstellung des Plasmaspritzprozesses
Eine wassergekühlte Wolframkathode und eine ringförmige Kupferanode, die ebenfalls intensiv gekühlt wird, sind an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Zwischen Kathode und Anode wird ein Lichtbogen gezündet, dem ein Gasgemisch (Plasma-Gas) überlagert ist, das kurz vor dem Entstehen des Lichtbogens zwischen Kathode und Anode unter Druck eingeblasen wird. Das Gasgemisch heizt sich auf und strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die ringförmig ausgebildete Anode in die umgebende Atmosphäre.

Das ionisierte und dissoziierte Gas – Plasma genannt – mit Temperaturen von bis zu 30.000 °C dient zum Aufschmelzen pulverförmiger Spritzzusätze. Diese werden dann mit hoher Geschwindigkeit auf das Bauteil gespritzt. Durch die extreme Temperatur können nahezu alle Werkstoffe, auch die hochschmelzenden (vorwiegend Keramik) verarbeitet werden. Dennoch wird eine Bauteiloberflächentemperatur beim Beschichten von ca. 180 °C nicht überschritten. Diese Temperatur kann durch zusätzliche spezielle Kühlmaßnahmen deutlich reduziert werden.

Eigenschaften von Plasmaspritzschichten

- Extrem harte, verschleißfeste Keramikschichten. Sehr gute chemische Beständigkeiten.

- Das Plasmaspritzen erzeugt hochwertige nahezu dichte Schichten.

- Die Schichten können nur mit speziellen Bearbeitungsverfahren fertigbearbeitet werden.

- Plasmaspritzschichten sind je nach Anwendungsfall bis zu 0,5 mm dick


Schematische Darstellung der Teilchenverformung und –abkühlung auf Substratoberfläche (nach S. A. Safai)

Zum Verständnis des Schichtbildungsmechanismus ist die bisher angeführte Einteilchenbetrachtung auf eine kontinuierlich in das Plasma geförderte Pulverrate zu erweitern.

Da die Schichtbildung und deren nachfolgende Eigenschaften von dem Beschichtungsverfahrenabhängig ist, wird als Verfahren das atmosphärische Plasmaspritzen gewählt. Die Betrachtungen bleiben für alle Materialien allgemeingültig, wenn entsprechende Materialeigenschaften bei Schmelztemperatur berücksichtigt werden, die zur Berechnung der  Reynolds- und Weberzahl in die obigen Gleichungen einzusetzen sind.

Die Teilchengeschwindigkeiten liegen in der Größenordnung 100 < v < 400 m/s und die Reynoldszahlen im Intervall 250 < Re < 900.

Im folgenden Bild sind der Schichtbildungsmechanismus und die Vorgänge auf der Substratoberfläche vereinfacht dargestellt, die zu einer für thermisch gespritzte Schichten charakteristischen lamellaren Struktur führen.

Schematische Darstellung des Entstehens der Spritzschicht (nach G. Tybus)

a)     Auftreffen der Spritzteilchen und bereits gebildete Spritzschicht: 1 = angeschnittene Oxidschicht des Spritzteilchens, 2 = Inneres des flüssigen Spritzteilchens, 3 = Auftreffen des Spritzteilchens und teilweises zerspritzen, 4 = aufgeplatzte Oxidschicht zwischen zwei aufeinanderliegenden Teilchen, 5 = Verhakung der Teilchen, 6 = teilweise Verschweißung der unmittelbar auftreffenden Teilchen, 7 = eingeschlossenes, bereits vor dem Auftreffen erstarrtes Spritzteilchen, 8 = Mikrohohlraum, 9 = Mikropore, durch eingeschlossene Gase entstanden, 10 = aufgeraute Oberfläche des Grundwerkstoffs (Haftgrund), 11 = Grundwerkstoff;

b)     Verbindung der Spritzschicht mit dem Grundwerkstoff: 1 = Schrumpfspannungen, 2 = teilweise Verbindung zwischen Spritzteilchen und Grundwerkstoff sowie Verschweißung der Spritzteilchen untereinander, 3 = Grundwerkstoff, praktisch ohne Schrumpfspannungen, da nur unwesentliche Erwärmung vorliegt.
Infolge der sehr hohen Plasmatemperaturen (ca. 10000 K bei einem Ar/H2 Plasma in das 40 kW eingekoppelt werden) eignen sich zur Beschichtung alle Materialien und Materialmischungen die nicht sublimieren und sich nicht thermisch zersetzen.

Dazu gehören Metalle, Metalllegierungen, MCrAlY-Pulver (Metall-Chrom-Aluminium-Yttrium), Eisen-Basis Pulver, keramische Pulver, Karbid-Basis Pulver, Hydroxylapathit Pulver und Pulver für Einlaufschichten. Als Substratvorbehandlung wird das Sandstrahlen angewendet. Die erreichbaren Schichtdicken können je nach technischer Anwendung im Bereich von 10 µm bis zu mehreren Millimetern liegen. Durch Maskierungen können Sensoren o. ä. in die Schicht eingebaut werden.