Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (englisch High Velocity Oxygen Fuel Spraying, HVOF Spraying) ist ein thermisches Spritzbeschichtungsverfahren, das zur Verbesserung oder Wiederherstellung der Oberfläche eines Bauteils (Eigenschaften oder Geometrie) eingesetzt wird. Diese Oberflächentechnik ermöglicht eine bessere Verlängerung der Lebensdauer von Anlagen durch Erhöhung der Erosions- und Verschleißfestigkeit sowie des Korrosionsschutzes.
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wurde in den 1980er Jahren entwickelt und ist eine Untergruppe des thermischen Spritzens. Das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen funktioniert durch Mischen von flüssigem Brennstoff und Sauerstoff, der in eine Brennkammer geleitet und gezündet wird. Das entstehende Gas hat eine extrem hohe Temperatur und einen extrem hohen Druck und wird mit Überschallgeschwindigkeit durch eine Düse ausgestoßen. In den Hochgeschwindigkeits-Gasstrom wird Pulver eingespritzt, das teilweise schmilzt. Der Strom aus heißem Gas und Pulver wird auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet. Die resultierende dichte Beschichtung hat eine geringe Porosität und eine hohe Haftfestigkeit[1] und bietet viele Vorteile wie z.B. Korrosionsbeständigkeit.
Was sind die Vorteile des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens?
Die Vorteile des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens gegenüber anderen thermischen Spritzverfahren beziehen sich in erster Linie auf eine verbesserte Beschichtungsqualität, wie z.B.:
- Höhere Dichte (geringere Porosität) aufgrund größerer Teilchenaufprallgeschwindigkeiten
- Höhere Haftfestigkeit an das darunterliegende Substrat und verbesserte Kohäsionsfestigkeit innerhalb der Beschichtung
- Geringerer Oxidgehalt durch kürzere Flugzeit
- Beibehaltung der Pulverchemie durch reduzierte Zeit bei erhöhter Temperatur
- Glattere Oberfläche im gespritzten Zustand aufgrund höherer Aufprallgeschwindigkeiten und kleinerer Pulvergrößen
- Bessere Verschleißfestigkeit durch härtere, zähere Beschichtungen
- Höhere Härte aufgrund geringerer Degradation der Karbidphasen
- Verbesserter Korrosionsschutz aufgrund geringerer Porosität durch die Dicke
- Dickere Beschichtung aufgrund geringerer Eigenspannungen
Was sind die Nachteile des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens?
Zu den Nachteilen, die mit dem HVOF-Spritzen (Hochgeschwindigkeitsflammspritzen) verbunden sind, gehören:
- HVOF-Spritzschichten können sehr komplex sein, wobei ihre Eigenschaften und Mikrostruktur von zahlreichen Verarbeitungsvariablen abhängen.
- Die Pulvergrößen sind auf einen Bereich von etwa 5–60 µm beschränkt, wobei eine enge Größenverteilung erforderlich ist.
- Das HVOF-Spritzen erfordert erfahrenes, qualifiziertes Personal, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und eine gleichbleibende Beschichtungsqualität zu erreichen
- Wie bei allen thermischen Spritzverfahren sollten besondere Gesundheits- und Sicherheitsfragen angesprochen werden. Das HVOF-Spritzen muss normalerweise in einer speziellen thermischen Spritzkabine mit geeigneter Schalldämpfung und Staubabsaugung durchgeführt werden.
- HVOF-Anlagen erfordern mehr Investitionen als andere thermische Spritzverfahren, zum Beispiel Flamm- und Lichtbogenspritzen
- Der manuelle Betrieb einer HVOF-Spritzpistole wird nicht empfohlen. Daher ist eine automatisierte Handhabung der Spritzpistole in der Regel erforderlich.
- Es ist schwierig oder unmöglich, Beschichtungen auf die Innenflächen kleiner zylindrischer Bauteile oder andere schwer zugängliche Oberflächen aufzubringen, da das HVOF-Spritzen eine Sichtverbindung zur Oberfläche und einen Sprühabstand von 150–300 mm benötigt.
Anwendungen und Materialien
Das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wird in erster Linie zum Auftragen hochwertiger Beschichtungen von Cermets wie WC/Co und WC/Co/Cr verwendet. Die Schichtdicke liegt gewöhnlich im Bereich von 0,1–2 mm. Zu den charakteristischen Merkmalen von Hochgeschwindigkeitsflammspritzschichten gehören ihre geringe Porosität bei etwa 1–2 Vol.-% und ein niedriger Oxidgehalt im Bereich von 1–2 Gew.-%. Die Haftfestigkeit übersteigt oft 80 MPa. Diese Beschichtungen können über ein breites Spektrum von Konstruktions- und Fertigungsanwendungen zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Komponenten eingesetzt werden. Dies ermöglicht die Herstellung kostengünstiger, leistungsstarker Teile aus kostengünstigen oder leichten Materialien mit einer funktionellen Oberfläche.
Zu den häufig aufgetragenen Beschichtungsmaterialien gehören:
- Cermets (z.B. WC/Co, WC/Co/Cr, Cr3C2/NiCr, NiCrSiBC)
- Keramiken (z.B. Cr2O3, Al2O3, ZrO2)
- Metalllegierungen (z.B. Stähle, Nickel-, Chrom- und Kobaltlegierungen einschließlich NiCrSiB und MCrAlY)
- Reine Metalle (z.B. Ni, Cu, Al, Mo, Ti)
- Polymere (z.B. Polyester, Nylon)
- Verbundwerkstoffe (z.B. Ni-Graphit)
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen kann Beschichtungen für folgende Zwecke erstellen:
- Verschleißschutz
- Reibungsarme Oberflächen
- Korrosionsschutz
- Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit
- Elektrische Isolierung
- Reparatur und Wiederherstellung beschädigter Komponenten
Wie kann TWI Ihnen helfen?
TWI arbeitet seit langem mit seinen Mitgliedern in einer Reihe von Industriesektoren an Beschichtungen für Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Kontaktieren Sie uns, um mehr zu erfahren.
Referenzen
- Kuroda S, Kawakita J, Watanabe M, Katanoda H. Warm spraying - a novel coating process based on high-velocity impact of solid particles. Sci Technol Adv Mater. 2008;9(3):033002. Published 2008 Sep 10. doi:10.1088/1468-6996/9/3/033002
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