6. Kolloquium "Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen", Erding im November 2004

Neueste Entwicklungen und Anwendungen für Oberflächenbeschichtungen

Auf dem Kolloquium „Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen“ (kurz: HVOF; nach engl.: High-Velocity Oxy-Fuel), das vom 27. bis 28. November 2003 in Erding bei München stattfand, wurden vor rund 400 Teilnehmern aus dem In- und Ausland die neuesten Entwicklungen und Anwendungen für optimale Oberflächenbeschichtungen präsentiert. Diese Fachtagung führte die GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V. zusammen mit ihren Partnern SLV München, NL der GSI mbH, der Linde AG, Geschäftsbereich Linde Gas, sowie der Universität der Bundeswehr Hamburg bereits zum sechsten Male durch. Referate über den Stand der Technik, über neue Entwicklungen bei Spritzsystemen und Zusatzwerkstoffen sowie über die Wirtschaftlichkeit vermittelten profunde Erkenntnisse für den Einsatz in der Praxis – ebenso die Anwendungsbeispiele zahlreicher Aussteller. Als Schwerpunktthema wurde das Kaltgasspritzen vorgestellt. Es führt die vom HVOF-Verfahren eingeschlagene Richtung weg von der thermischen und hin zur kinetischen Energie konsequent weiter. Dichtere und oxidärmere Schichten denn je sind das Ergebnis.

Kaltgasspritzen –
Einfluss der Verfahrensparameter auf die Prozessoptimierung
Dr. J. Voyer von der Universität der Bundeswehr erläuterte zum Einstieg in das Verfahren des Kaltgasspritzens zunächst die Charakteristika dieses thermischen Spritzverfahrens. Bei diesem Verfahren werden die Partikel des Spritzpulvers in einem aufgeheizten Gasstrahl auf Geschwindigkeiten von über 500 m/s beschleunigt und bilden dann beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht. Entscheidend hierfür sind Geschwindigkeit und Temperatur der Partikel beim Aufprall. Diese Zustandsgrößen werden durch das Strömungsfeld innerhalb der Spritzdüse und in dem Bereich zwischen Düse und Substrat bestimmt. Eine Modellierung der Gas- und Partikelströmung kann daher den Einfluss der wichtigsten Verfahrensparameter auf die Geschwindigkeit und Temperatur der Partikel beschreiben. Dies sind neben der Geometrie der Düse die Gasart, der Druck und die Temperatur des Gases beim Eintritt in die Düse, die Größe und die physikalische Dichte der Partikel sowie der Abstand der Düse zum Substrat. Eine Prozessoptimierung ist immer auf eine möglichst hohe Partikelgeschwindigkeit ausgerichtet, damit von dem Pulver möglichst viele der Partikel des Pulvers die zum Haften notwendige kritische Geschwindigkeit überschreiten.

Strömungsmechanische Analyse zur
Optimierung der Prozessparameter
Interessante Anregungen für Verbesserungen ließen sich aus der strömungsmechanischen Analyse von Dr. J. Voyer ableiten. Beim Vorheizen des Gases von 20 ºC auf 320 ºC lässt sich eine Zunahme der Partikelgeschwindigkeit um 25 % erzielen. Eine ähnliche Steigerung der Partikelgeschwindigkeit wird durch eine Erhöhung des Gaseintrittsdrucks von 15 auf 35 bar erreicht. Der Grund dafür ist, dass sich mit der Temperatur auch die Schallgeschwindigkeit und damit die Strömungsgeschwindigkeit des Gases erhöht. Die Partikelgeschwindigkeit wirkt sich nicht nur entscheidend auf den Auftragswirkungsgrad aus, sondern auch auf die Qualität der Schichten. Einen besonders starken Einfluss haben die Partikelgröße und die Partikeldichte. Die für das Haften der Partikel notwendige Aufprallgeschwindigkeit lässt sich bei vorgegebenen Gasparametern immer nur mit Partikeln bis zu einer bestimmten Größe erzielen. Eine wesentliche Erkenntnis der umfangreichen Versuche war, dass beim Kaltgasspritzen die Anforderungen an das Pulver bezüglich seiner Korngrößenverteilung und Reinheit deutlich höher sind als beispielsweise beim Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder Plasmaspritzen. Da die Partikelgröße jedoch als Materialparameter durch den Anwender gewählt werden kann, ist ihr Einfluss auf die kritische Geschwindigkeit von großem Interesse – auch für weitere Untersuchungen.

Darüber hinaus konnte Prof. Dr. H. Assadi durch die Modellierungen des Partikelaufpralls zeigen, dass sich eine Reduktion der kritischen Geschwindigkeit durch höhere Partikeltemperaturen erreichen lässt. „Eine Erhöhung der Partikeltemperatur um 100 ºC sollte die kritische Geschwindigkeit von Kupfer um 40 m/s reduzieren,“ bemerkte der Professor der Tarbiat Modarres University in Teheran. „Jedoch wird die Erhöhung der Partikeltemperatur auch die Oxidation begünstigen und zudem die Wahrscheinlichkeit des Zusetzens der Düsen erhöhen. Entsprechend niedrig sollte also die Prozesstemperatur gewählt werden.“

Ein weiteres Ergebnis der strömungsmechanischen Analyse von Dr. J. Voyer war, dass die Geschwindigkeit der Partikel im Freistrahl bis zu einem Abstand von 60 mm vom Düsenaustritt noch nicht abfällt. Für Spritzabstände zwischen 30 und 60 mm ergeben sich daher vergleichbare Bedingungen. Weiteres Potenzial zur Steigerung des Auftragswirkungsgrades bietet dann noch die Verwendung einer Düse mit einem gegenüber der Standarddüse verlängerten divergenten Düsenabschnitt und einer Kontur, die Strömungsverluste durch Verdichtungsstöße weitgehend vermeidet (Parallelstrahldüse). Am Beispiel des Kupferpulvers zeigte sich, dass die Schichten zwar eine bei sonst gleichen Prozessparametern geringfügige Porosität von etwa 1 % und eine etwas geringere Haftfestigkeit besitzen. Jedoch ergeben sich Vorteile durch geringere Pulverkosten und eine deutlich geringere Neigung des Pulvers, sich bei höheren Gastemperaturen an der Düsenwand abzulagern. Die dadurch mögliche Erhöhung der Gastemperatur über 320 ºC hinaus führt zu einem geringeren Gasverbrauch sowie einer weiteren Verbesserung der Schichteigenschaften.

Kaltgasspritzen und HVOF-Spritzen im Vergleich
Auf Verbesserungen hinsichtlich des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens wies vor allem Professor Dr. H. Kreye von der Universität der Bundeswehr hin. Neben dem gegenwärtigen Stand der Technik zeigte er neue Entwicklungen sowie Alternativen auf. Er belegte unter anderem die Unterschiede von HVOF-Spritzen und Kaltgasspritzen, die jedoch hinsichtlich der Geschwindigkeit, mit der die Partikel auf das Substrat auftreffen, nicht wesentlich sind. Größere Unterschiede bestehen in der Erwärmung der Partikel und ihrer Temperatur beim Aufprall. „Beim HVOF-Spritzen begünstigt die hohe Temperatur nahe dem Schmelzpunkt der Partikel deren Bindung, so dass typischerweise Haftzugfestigkeitswerte von 50 bis 100 MPa erreicht werden. Beim Kaltgasspritzen ist die Haftzugfestigkeit mit 20 bis 60 MPa deutlich geringer,“ bemerkte Professor Dr. Heinrich Kreye. Der Vorteil des Kaltgasspritzens stellt die inerte Gasatmosphäre dar, in der die Partikel bei Temperaturen weit unterhalb ihres Schmelzpunktes beschleunigt werden – sowie die dadurch bedingte Vermeidung einer Oxidation. Beim HVOF-Spritzen lässt sich die Oxidation zwar verringern, aber nicht unterbinden. Bei metallischen Schichten, deren Eigenschaften durch Oxide beeinträchtigt werden, ist daher das Kaltgasspritzen als wesentliche Ergänzung zum HVOF-Spritzen anzusehen. Dies bestätigen erste industrielle Anwendungen des Kaltgasspritzens, die durch HVOF-Spritzen und andere thermische Spritzverfahren nicht zu realisieren waren. Keines der etablierten Verfahren kombiniert Prozesstemperaturen von weniger als 600 ºC mit Partikelgeschwindigkeiten von über 500 m/s. Das Kaltgasspritzen besetzt damit aus Anwendersicht eine Nische, die interessante Potenziale für Applikationen bieten kann.

Anwendungsmöglichkeiten des HVOF-Spritzens
Aussteller präsentierten an den Ständen des Kolloquiums unter anderem die dritte Generation von HVOF-Brennern, die GTV K2 Systeme. Von diesen werden ca. 50 Systeme weltweit eingesetzt, wobei die Anwendungsfelder von der Automobilindustrie, über den Druck- und Papierherstellungsbereich bis hin zum Schiffsbau reichen. Spezielle Anwendungen finden sich im Bereich der Gasturbinenkomponenten oder auch hydraulischen Zylinder. Das GTV K2 System kommt auf eine Gasgeschwindigkeit von über 2.000 m/s und auf eine Beschichtungsdichte von 20 bis 2.000 µm. Die geringe Porosität (100 MPa resp. > 1 %), die geringe Wärmezufuhr und die glatte Oberfläche (Ra < 2 µm) sind nur einige der hervorstechenden Vorteile dieses Systems.

Vorteile des Kaltgasspritzens
für die Praxis Durch die erfolgte Anpassung der Zusatzwerkstoffe sind die Anwendungsmöglichkeiten von Beschichtungen mit Kaltgasspritzen in vielen neuen Bereichen und Technologien zu finden. Heute gibt es bereits Lösungen in der Praxis für die Automobil- und Elektroindustrie. Eine große Anzahl von Anfragen beim Kaltgasspritzen geht in Richtung der elektrischen Leitfähigkeit, aber auch der Wärmeleitfähigkeit. Hier hat man durch die sehr guten Eigenschaften, die eine mit Kaltgasspritzen aufgebrachte Kupferschicht mit sich bringt, ideale Voraussetzungen. Eine Kupfer-Beschichtung mit ihrer Oxidfreiheit, die man sonst nur aus VPS Qualitäten kennt, und ihrer porenfreien Struktur erreicht eine elektrische Leitfähigkeit von 95 % der Leitfähigkeit von gewalztem Kupfer. Auch die Wärmeleitfähigkeit dieser Schichten ist ähnlich und gelangt bereits bei ersten Anwendungen zum Einsatz. Ebenso sind Beschichtungen im Korrosionsschutz gefragt – zum einen Zink im aktiven Korrosionsschutz, aber auch Nickel oder Edelstähle für passiven Schutz. Bei beiden Varianten zählen die Oxidfreiheit wie auch die geringe Porosität zu den Vorteilen. Ein weiteres Plus des Kaltgasspritzens ist der fokussierte Strahl, der oft eine Maskierung überflüssig macht. Beispiele sind hier der Schutz von Schnittkanten oder Laserschweißnähten.

Neueste Entwicklungen in der Cold-Spray-Technologie
Die Cold-Spray-Technologie und das dazugehörige Equipment sind in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt worden. Düsengeometrie, Spritztechnik und Spritzparameter wurden untersucht und für den industriellen Einsatz aufbereitet. Die Software konnte in der Bedienoberfläche verbessert werden und bietet ein Standardpaket mit Basisprogrammen. Industrielle Anwendungen wurden in den Labors der Universität der Bundeswehr Hamburg und der Linde AG, Geschäftsbereich Linde Gas, entwickelt und von der CGT (Cold Gas Technology GmbH) als drittem Partner konstruiert, geplant und mit allen dafür notwendigen Komponenten gefertigt. Geschäftsführer Peter Richter stellte auf dem HVOF-Kolloquium das neueste Equipment in der Kaltgasspritztechnik vor, den KINETIC 3000. Dieser Hochdruckpulverförderer, der mit bis zu 35 bar arbeitet, ging nun nach dem bereits getesteten Prototyp als erster in Serie.

Erster Serieneinsatz des Kaltgasspritzens
zur Beschichtung von Kühlkörpern
Dieter Grasme von der OBZ Grasme & Dresel GmbH stellte den ersten Serieneinsatz des Kaltgasspritzens zur Herstellung von Kühlkörpern vor. Hierbei gab er zu bedenken, dass die Kühlkörper aus Aluminium sich speziell im Bereich der Elektronik bewährt haben und heute in riesigen Stückzahlen in den verschiedensten Ausführungen eingesetzt werden. Durch die ständig leistungsgesteigerten Prozessoren wird eine entsprechend höhere Kühlleistung erforderlich. Um den an der Leistungsgrenze operierenden Aluminium-Kühlkörper aufzurüsten, sollte ein mehrere Millimeter dicker Kupferbelag die Wärmeableitung vom Prozessor in den Kühlkörper verbessern. Besondere Beachtung gilt laut Grasme dabei dem Übergang zwischen dem Kupferbelag und der Aluminium-Oberfläche des Kühlkörpers, der möglichst ohne Leistungsverlust geschaffen werden sollte. Eine kommerziell nutzbare Lösung dieses Problems brachte der Einsatz des neu entwickelten Kaltgas-Spritzverfahrens. Spritzversuche in der Linde-Anwendungstechnik ergaben so gute Ergebnisse, dass eine Übernahme des Verfahrens zur Produktion der Kühlkörper-Beschichtung in einen Lohnspritzbetrieb grundsätzlich möglich ist. Das Kaltgasspritzen bietet zum Beispiel im Bereich der Haftgrund-vorbereitung zusätzliche technische und kommerzielle Vorteile. Auch die Haftfestigkeit der Beschichtung wird durch den erkennbaren Strahleffekt, der die Substrat-Oberfläche reinigt und von Oxiden befreit, außergewöhnlich gut – bei Trennversuchen sogar stärker als der Lötverbund. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die Möglichkeit auch sehr feine Spritzstrukturen herzustellen, da die Kanten der Abdeckung beim Kaltgasspritzen auch nach vielfachem Gebrauch scharf bleiben und sich keine Brücken zwischen Schicht und Abdeckung bilden.

Neben den anlagen- und anwendungsorientierten Vorträgen wurden die Teilnehmer des HVOF-Kolloquiums auch in die Qualitätssicherung und Zertifizierung des thermischen Spritzens eingewiesen. Ebenso wurden Verfahren wie das Draht- und Stabflammspritzen vorgestellt und auch auf neue Herausforderungen dieser Verfahren hingewiesen. Die fachkompetenten Referenten informierten über neueste Erkenntnisse und Entwicklungen auf dem Gebiet der modernen Beschichtungstechnik, wobei die Praxis einen erheblichen Teil der Ausführungen einnahm.

Autorin: Julia Kößler

Weitere Informationen sind erhältlich bei

GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V.
Werner Krömmer
c/o Linde AG, Geschäftsbereich Linde Gas
Carl-von-Linde-Str. 25, D-85716 Unterschleißheim
per Fax: +49-(0)89-31001-5364
per E-Mail: info@gts-ev.de
Internet: www.gts-ev.de

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