Entwicklung simulativer Ansätze zur gezielten Auslegung der Eigenschaften plasmagespritzter Beschichtungen

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Das Thermische Spritzen (TS) ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Beschichtung von Komponenten vielfältigster Applikationen, z.B. zum Korrosionsschutz, Verschleißschutz und zur Wärmedämmung in der Luft- und Raumfahrt, im Formen- und Werkzeugbau, im Automobilbau und in der Offshore-Industrie. Das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS) ist eine Verfahrensvariante des thermischen Spritzens, die durch die Erzeugung einer großen Wärmeenergie die Verarbeitung jedes kongruent schmelzenden Pulverwerkstoffes zulässt. Plasmagespritzte Schichten sollen zukünftig auch in Gießverfahren Einsatz finden, um den Wärme-fluss zwischen Gießwerkzeug und Werkstück durch angepasste Schichteigenschaften, beispielsweise durch einen variablen Wärmedurchgangskoeffizienten zu steuern und die auftretenden Präzisionsprobleme wie Verzug und Schwund zu beeinflussen. Dabei müssen die Schichten u.a. kompatible thermomechanische Eigenschaften zu dem Substrat, ausreichende Härte und Haftzugfestigkeit sowie eine definierte Topographie aufweisen. Neben der chemischen Zusammensetzung des Beschichtungswerkstoffs ist die Mikrostruktur der aufgetragenen Beschichtung von großer Bedeutung für die Schichteigenschaften. Die präzise Einstellung solcher Eigenschaften wird derzeit durch die komplexen Wechselwirkungen der zahlreichen Prozess-parameter und den Einfluss von Störgrößen wie z.B. Elektrodenabnutzung oder Düsenverschleiß erschwert. Die Vorgänge beim Übergang des schichtbildenden Partikels aus dem Festzustand in die (Teil)Schmelze bzw. aus der (Teil)Schmelze in den Festzustand beeinflussen in erheblichem Maße die Präzision und die Qualität der resultierenden Schicht. Sowohl die eingestellten Prozessparameter wie z.B. Stromstärke und Gasflussmenge als auch die Störgrößen wie Düsenverschleiß und Elektrodenabnutzung zeigen ihren Einfluss in den schmelzbehafteten Vorgängen und haben signifikante Auswirkungen auf die Schichtmikrostruktur. Die zentrale Frage liegt daher darin, wie aufbauend auf dem Erkenntnisgewinn durch die durchgängige Modellierung und Simulation der einzelnen APS-Teilprozesse, die Schichteigenschaften als Funktion von Prozessparametern und Störgrößen vorhergesagt bzw. die benötigten Prozessparameter und zulässigen Störgrößen zur Erreichung gewünschter Schichteigenschaften a priori bestimmt werden können.

In der ersten Förderperiode müssen daher die komplexen physikalischen Vorgänge des thermischen Spritzens mittels numerischer Analysen (TP A4, A11, B6) umfassend beschrieben werden, um die Einflussnahme der Prozessparameter auf die Eigenschaften der Gießwerkzeugbeschichtungen (TP B1, B8) genauer definieren zu können. Dabei wird die Kopplung zwischen effektiven Schichteigenschaften und der Schichtmikrostruktur mittels Homogenisierungsmethoden realisiert (TP B7). Zur experimentellen Bestimmung der Eigenschaften der entwickelten Schichten und zur Verifikation der entwickelten Modelle werden hochauflösende Diagnostikmethoden zum Einsatz kommen (TP A5, A6, A8, A11).

 

Durchgehende Modellierung des gesamten TS-Prozesses

Durchgehende Modellierung des gesamten TS-Prozesses Urheberrecht: SFB 1120
 
 

Abfolge der Arbeitsschritte

Schritt 1:

Stationäre magnetohydrodynamische Simulation des Plasmabrenners. Die Prozessgasströmung und die elektrische Spannung bzw. der elektrische Strom zwischen den Elektroden entsprechen den Prozessparametern. Die Geschwindigkeits- und Temperaturprofile am Düsenausgang dienen als Eingangsbedingungen für die Freistrahlsimulation.

Schritt 2:

Abbildung der Turbulenzen mittels Large-Eddy Simulation der Plasmaströmung am Düsenausgang des Plasmabrenners. Die drei Isothermen entsprechen den unterschiedlichen Bereichen zwischen dem Plasmakern und der Mischungszone des Plasmas mit der Umgebung.

Schritt 3:

Large-Eddy Simulation eines partikelbeladenen Freistrahls. Die Geschwindigkeits- und Temperaturprofile am Düsenausgang des Plasmabrenners sind mit der Plasmabrennersimulation gekoppelt. Der Freistrahl ist partikelbeladen und wurde transient simuliert. Die Partikel in der Animation sind zur besseren Sichtbarkeit 100fach vergrößert dargestellt.

Schritt 4:

Schmelzgrade entlang der Partikeltrajektorien im Freistrahl. Der partikelbeladene Freistrahl wurde stationär simuliert, jede Partikeltrajektorie stellt die Flugbahn für mehrere Partikel einer bestimmten Größe dar. Die Partikelschmelzgrade wurden über eine Subroutine anhand der Energiebilanz zwischen Gas- und Partikelphase bestimmt.

 
A10 Video 1
Video 1: Injektion des Feinkörnigen Aluminiumoxidpulvers beim atmosphärischen Plasmaspritzen, Aufnahmerate: 210000 Bilder pro Sekunde. Kooperation im Rahmen Hochgeschwindigkeitsvideographie.
 
A10 Video 2
Injektion des grobkörnigen Aluminiumoxidpulvers in den turbulenten Plasmastrahl, Aufnahmerate: 87500 Bilder pro Sekunde. Kooperation im Rahmen Hochgeschwindigkeitsvideographie.