Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen mit Brenngas-Luft-Gemisch

Thu, 23 March, 2023

Moderne Beschichtungen und Oberflächentechnologien für eine nachhaltige Netto-Null-Zukunft.

Merkmale

TWI hat ein neues, hochmodernes thermisches Spritzverfahren, das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen mit Brenngas-Luft-Gemisch (high velocity air fuel spraying, HVAF spraying), als Teil seines Angebots an Beschichtungsanlagen für die Beschichtung von Hartmetall- und Metalllegierungsschichten installiert.

Thermisches Spritzen umfasst unter anderem die Prozesse Flamm-, Lichtbogen-, Plasma- und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen mit Brennstoff-Sauerstoff-Gemisch (high velocity air fuel spraying, HVOF spraying) und beinhaltet das Versprühen fein verteilter, geschmolzener oder halbgeschmolzener Tröpfchen zur Herstellung einer Beschichtung. Die Materialien werden schichtweise aufgetragen, um Beschichtungen mit einer Dicke von 0,05-10 mm zu erzeugen. Nahezu jedes Material kann aufgebracht werden, solange es während des Sprühvorgangs schmilzt oder plastisch wird. Auf dem Substrat bilden die Partikel Spritzer oder Plättchen (englisch: ‘splats’ or ‘platelets’), die einen Formschluss bilden und sich zu einer Beschichtung zusammenfügen.

Das HVAF-Spritzen erweitert die breite Palette der Beschichtungsmöglichkeiten bei TWI, die eine Vielzahl von thermischen Spritztechniken, Hochdruck- und Niederdruck-Kaltspritzen und EHLA-Technologien (Extreme High Speed Laser Application) umfasst. TWI kann seinen industriellen Mitgliedern bei der Auswahl und Bewertung der am besten geeigneten Technik für die Herstellung hochwertiger Beschichtungen für ein breites Spektrum industrieller Anwendungen helfen.

Vorteile

Ähnlich wie beim HVOF-Spritzen liegt ein Hauptvorteil des HVAF-Spritzens in der Möglichkeit, hochwertige Beschichtungen aus Hartmetall-Cermet-Werkstoffen und Metallpulvern zum Schutz von Teilen gegen Abrieb, Erosion und Korrosion herzustellen. Das HVAF-Verfahren wird oft als Warmspritzverfahren bezeichnet, das kühler als das HVOF-Verfahren und heißer als das Kaltgasspritzverfahren ist (bei dem die Partikel im festen Zustand abgeschieden werden und ausschließlich auf kinetischer Energie beruhen).

Zu den wichtigsten Vorteilen des HVAF-Verfahrens gehören:

Verwendung von Druckluft anstelle von Sauerstoff aus Sauerstoffflaschen oder -tanks, wodurch die Kosten gesenkt werden und die Technologie leichter zugänglich wird, insbesondere dort, wo die Beschaffung von Sauerstoff-Flaschen schwierig ist.
Hohe Sprühraten, was zu reduzierten Betriebskosten in der Serienfertigung führt
Weniger Schleif- und Endbearbeitungsvorgänge nach der Beschichtung aufgrund der geringeren Oberflächenrauhigkeit der gespritzten Schichten
Reduzierte Oberflächenvorbereitung vor der Beschichtung und/oder durch die Verwendung der Spritzpistole zur Oberflächenvorbereitung
Durch die Luftkühlung entfällt die Notwendigkeit einer Wasserkühlung / eines Kühlsystems, was die Investitionsanforderungen reduziert
Niedrigere Prozesstemperaturen, was zu folgenden Vorteilen führt:
- geringere Oxidation der Spritzpartikel während des Fluges, wodurch Beschichtungen ähnlich wie bei der Kaltgasspritzung entstehen
- geringere Erwärmung der Teile während des Beschichtungsvorgangs
härtere und dichtere Beschichtungen mit verbesserter Leistung bei Verschleiß, Kavitation und Korrosion
Potenzielle Verlängerung der Lebensdauer von Bauteilen im Betrieb aufgrund von Verbesserungen der Beschichtungsqualität und -leistung

Das System bei TWI besteht aus den Pistolen C7 und AK5-OD. Das C7-System ist ein HVAF/HVOF-System mit hohem Durchsatz, das für das Spritzen von Metallen und Karbidbeschichtungen auf große Teile ausgelegt ist. Das AK5-Kompaktsystem kann für das Auftragen von Beschichtungen auf dünne Wände, Innendurchmesser >8 Zoll (200 mm) und komplexe Geometrien verwendet werden.

Beschichtungen

Mit den oben genannten HVAF-Verfahrensvarianten kann eine breite Palette von Beschichtungen aufgebracht werden, darunter:

Wolframkarbid- und Chromkarbid-Beschichtungen und auch Co-freie Cermets
Reine Metalle
Nickellegierungen, z.B. C-276, 625, 718-Legierungen
MCrAlYs, wobei M Cr, Co oder manchmal Fe sein kann
Nichtrostende Stähle

Andere Beschichtungen, wie z. B. Kupfer, Aluminium und Titan, können auch mit alternativen HVAF-Kanonen/Konfigurationen aufgebracht werden.

Diese Beschichtungen finden in der Industrie als verschleiß-, erosions- und korrosionsbeständige Barrieren eine breite Anwendung, wobei die potenziellen Vorteile einer verbesserten Beschichtungsqualität und -leistung im industriellen Einsatz sowie geringere Investitions- und Betriebskosten erhebliche Vorteile für die Lebensdauerkosten von Teilen und kritischen Infrastrukturen mit sich bringen.

Anwendungsmöglichkeiten

Wie HVOF bietet auch HVAF eine breite Palette Anwendungsmöglichkeiten, von denen einige bereits industriell genutzt oder entwickelt werden:

Ersatz von Hartchrombeschichtungen auf Walzen, Ventilen, Wellen, Spindeln und anderen Anwendungen
Cermet-Beschichtungen für verschleißfeste Beschichtungen
Flugzeug-Fahrwerk
Propellernaben
Zapfen von Gasturbinen
Hydraulische Widder
Unterwasser-Hydraulikzylinder für die Schifffahrt
Offshore-Ventil- und Pumpenanwendungen
Beschichtungen für Laufräder, Turbinenschaufeln und Schaufeln für Kavitationsschutz
Korrosionsbeständige Barriereschichten in rauen Umgebungen
MCrAlY-Beschichtungen für Hochtemperatur-Flugzeugtriebwerke und Industriegasturbinen

Das HVOF-Spritzen wird seit vielen Jahren als Alternative zur Hartverchromung eingesetzt, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt. WC-Co-Beschichtungen haben sich auch in Meeresumgebungen als korrosionsbeständiger erwiesen als Hartverchromungen, und WC-CoCr-Beschichtungen bieten im Vergleich zu Hartverchromungen eine bessere Abriebfestigkeit.

Das HVAF-Spritzen wird derzeit als kostengünstigere Alternative zur Hartverchromung bewertet, da die REACH-Gesetzgebung für Beschichtungstechnologien immer restriktiver wird.

Das HVAF-Verfahren bietet eine bessere Beschichtungsqualität in der Nähe von Löchern und Keilnuten und erfordert daher weniger Maskierung als Plattierungsverfahren. Hartverchromte, hochfeste Stähle erfordern außerdem eine Wärmebehandlung, um eine Wasserstoffversprödung zu verhindern, was bei HVOF/HVAF-Verfahren nicht erforderlich ist.

Die Verbesserung der Beschichtungsqualität durch das HVAF-Spritzen hat das Potenzial, die Lebensdauer kritischer Komponenten im Betrieb zu verlängern. Die Gesamtlebenszykluskosten von HVOF-Karbiden werden auf 50 % der Kosten für Hartverchromung geschätzt. Bei HVAF können diese Kosten noch weiter gesenkt werden, was den Schutz und die Verlängerung der Lebensdauer kritischer technischer Infrastrukturen und Komponenten ermöglicht.

In Flugzeugtriebwerken und industriellen Gasturbinen erfüllen Metall- und Hartmetall-Beschichtungen eine Reihe von Funktionen, darunter:

Widerstand gegen Gleitverschleiß
Widerstand gegen Reibung
Verschleißfestigkeit
Korrosionsbeständigkeit
Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen
Sulfidierungsbeständigkeit
Widerstand gegen Partikel-Erosion
Antifouling

Zu den Anwendungen gehören Beschichtungen für Ventilatoren und Kompressoren, Brennkammern, Turbinen und Nachverbrennungsanlagen sowie Lagergehäuse und Dichtungen. Da sich die Industrie auf eine Wasserstoffwirtschaft und den Nulltarif zubewegt, müssen Qualität und Leistung dieser Beschichtungen verbessert und die Kosten ihrer Anwendung in Bezug auf die gesamten Verbrauchsmaterialien, die Risiken in der Lieferkette für kritische und strategische Materialien und die Schleif- und/oder Endbearbeitungsvorgänge vor dem Einsatz gesenkt werden.

Hochwertige Beschichtungen haben auch das Potenzial, eine Reihe von Komponenten in wasserstoffbetriebenen Flugzeugtriebwerken zu schützen. So sind beispielsweise Beschichtungen zum Schutz von Gasturbinen und Brennkammern im Vergleich zu herkömmlichen kerosinbetriebenen Gasturbinenkomponenten einem hohen Wasserdampfgehalt und einem Angriff durch heißen Wasserstoff ausgesetzt. Auch Komponenten in Kryopumpen und Kraftstoffzufuhrsystemen werden von verbesserten Beschichtungstechnologien profitieren. Die Verwendung dünnerer, leistungsfähigerer Beschichtungen hat auch Vorteile in Bezug auf Gewichtseinsparungen zur Verbesserung der Effizienz. All diese Faktoren machen das HVAF-Spritzen zu einer attraktiven Technologie, wenn die Industrie nach neuen Beschichtungen für die wasserstoffbetriebene Luft- und Raumfahrt sucht.

HVAF am TWI

Um die HVAF-Technologie für den industriellen Einsatz zu evaluieren, ist das TWI in der Lage, die Prozessentwicklung, die Beschichtungscharakterisierung und die Leistungsbewertung durchzuführen sowie die Beschichtungseigenschaften zu beurteilen. Zur Validierung von Beschichtungen für den industriellen Einsatz bietet das TWI eine Reihe von Tests an, darunter die Bewertung und Analyse der Mikrostruktur, die Prüfung der mechanischen Leistungsfähigkeit (Haftung, Toleranz gegenüber Schlagschäden, Biegeversuche und Ermüdung sowie das Auftreten von Rissen und Verschleiß). Die Prüfungen können auch in repräsentativen Betriebsumgebungen durchgeführt werden, wie z. B. in Meeresumgebungen, superkritischem CO₂, simulierten Amin-Strippern, HF-haltigen Lösungen, ultrasauren HP/HT- und Salzschmelzen-Umgebungen. Zu den Korrosionsprüfungen gehören elektrochemische Methoden, Spannungsrisskorrosionstests und auch maßgeschneiderte Tests in den Bereichen Erosionskorrosion, Hochtemperatur-Gaseinwirkung, abwechselndes Eintauchen usw.

Wir führen derzeit ein industrielles Gemeinschaftsprojekt (Joint Industry Project, JIP) durch, um das Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren (HVOF) und auch das extreme Hochgeschwindigkeits-Laserverfahren (EHLA) für die Hartverchromung im Hinblick auf die REACH-Verordnung zu bewerten.

Weitere gemeinsame Industrieprojekte sind geplant, die sich mit der Anwendung von Beschichtungen aus korrosionsbeständigen Legierungen für raue Umgebungen und mit Beschichtungssystemen für Anwendungen mit Innendurchmesser befassen. TWI ist auch in der Lage, Arbeiten für einzelne Kunden durchzuführen, um die Aufbringung und die Leistungsfähigkeit der Beschichtungen für unsere industriellen Mitglieder unabhängig zu bewerten.

Um mehr über die HVAF-Technologie zu erfahren, wenden Sie sich bitte auf Englisch an surfacing@twi.co.uk