Kaltgasspritzen von Kupfer. Einestromungsmechanische und werkstoffkundliche Analyse und Optimierung des Spritzprozesses PDF
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Kaltgasspritzen von Kupfer Eine strömungsmechanische und werkstoffkundliche Analyse und Optimierung des Spritzprozesses Vom Fachbereich Maschinenbau der Universität der Bundeswehr Hamburg zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs genehmigte Dissertation vorgelegt von Thorsten Stoltenhoff aus Hagen in Westfalen Hamburg 2003 Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. H. Kreye Prof. Dr.-Ing. H. J. Richter Tag der mündlichen Prüfung: 11. Oktober 2003 Berichte aus der Werkstofftechnik Thorsten Stoltenhoff Kaltgasspritzen von Kupfer Eine strömungsmechanische und werkstoffkundliche Analyse und Optimierung des Spritzprozesses . Shaker Verlag Aachen 2004 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. Zugl.: Hamburg, Univ. der Bundeswehr, Diss., 2003 . Gedruckt mit Unterstützung der Universität der Bundeswehr Hamburg Copyright Shaker Verlag 2004 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungs- anlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN 3-8322-2302-9 ISSN 0945-1056 Shaker Verlag GmbH • Postfach 101818 • 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96 - 0 • Telefax: 02407 / 95 96 - 9 Internet: www.shaker.de • eMail: [email protected] Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkstofftechnik der Universität der Bundeswehr Hamburg im Laboratorium für Werk- stoffkunde. Mein besonderer Dank gilt dem Leiter des Laboratoriums, Herrn Prof. Dr. H. Kreye, ohne dessen umfangreiche Unterstützung und Förderung die Durchführung dieser Arbeit nicht möglich gewesen wäre. Durch sein stetes Interesse und hilfreichen Ratschläge sowie die Unterstützung bei der Zu- sammenarbeit mit externen Partnern trug er maßgeblich zum Gelingen dieser Arbeit bei. Herrn Prof. Dr. H.-J. Richter vom Dartmouth College, Hanover, USA danke ich für die Übernahme des Korreferats sowie für seine stete Aufgeschlossenheit und äußerst hilfreichen Anregungen auf dem Gebiet der Strömungsmechanik. Erst die kostenlose Bereitstellung von Prozessgasen durch die Linde AG, Höllriegelskreuth, hat viele der hier durchgeführten Experimente ermöglicht. Stellvertretend dafür möchte ich mich bei den Herren Dipl.-Ing. P. Heinrich und W. Krömmer der Linde AG bedanken, deren unermüdliches Engagement auf dem Gebiet des Kaltgasspritzens auch eine Grundlage für den Erfolg dieser Arbeit bildete. Gleichzeitig gilt mein Dank auch Herrn Dipl.-Ing. P. Richter der CRP AG, Ampfing, für dessen Innovationsbereitschaft bei der Realisierung eines industrietauglichen Spritzsystems. Die Untersuchungen wurden auch aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF, Nr. 12.671 N) gefördert und von der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Ver- fahren e.V. des DVS unterstützt. Für diese Förderung und Unterstützung sei gedankt. Mein Dank gilt auch dem GKSS Forschungszentrum in Geesthacht für die Bereitstellung von Ge- rätschaften zur Analyse der Partikelgrößenverteilung von Spritzpulvern und zur Durchführung von Mikrozugversuchen sowie den dortigen Mitarbeitern für ihre Unterstützung. Den Mitarbeitern der Zentralwerkstatt der Universität der Bundeswehr Hamburg danke ich für die fachgerechte Herstellung der Spritzdüsen, die zur Durchführung der Untersuchungen unabdingbar waren. Sehr zu danken habe ich allen Mitarbeitern des Laboratoriums Werkstoffkunde der Universität der Bundeswehr Hamburg. Sie haben durch engagierte Durchführung von Analysen und Messungen sowie durch das freundschaftliche Arbeitsklima einen wesentlichen Beitrag zu dieser Arbeit geleis- tet. Besonders danke ich meiner Frau Meike und meinen Kindern Melissa und Jamie, die mir in arbeits- reichen Zeiten immer mit Geduld und Verständnis zur Seite standen und mir so den nötigen Rück- halt gaben, der zum Gelingen dieser Arbeit geführt hat. Hamburg, im Oktober 2003 Thorsten Stoltenhoff Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Seite Symbolverzeichnis X 1 Einleitung 1 2 Grundlagen und Kenntnisstand 4 2.1 Entwicklung vom thermischen zum kinetischen Spritzen 4 2.2 Prinzip und Verfahrensmerkmale des Kaltgasspritzens 7 2.3 Stand des Wissens auf dem Gebiet des Kaltgasspritzens 8 3 Strömungsmechanische Aspekte beim Kaltgasspritzen 12 3.1 Methoden und Verfahren 12 3.1.1 Grundlagen der isentropen Düsenströmung und deren Anwendung auf das Kaltgasspritzen 12 3.1.2 Zur Beschleunigung und Erwärmung der Spritzpartikel 15 3.1.3 Anwendung der Theorie der Charakteristiken zur Auslegung von Überschalldüsen 17 3.1.4 Numerische Simulation mittels Finite-Volumen-Verfahren 19 3.1.5 Netzgenerierung mit GAMBIT 21 3.1.6 Simulation des Spritzprozesses mit FLUENT 23 3.2 Ergebnisse der strömungsmechanischen Analyse 27 3.2.1 Einfluss der Versuchsparameter unter Annahme der isentropen Zustandsänderung 27 3.2.2 Einfluss der Düsengeometrie unter Annahme der isentropen Zustandsänderung 30 3.2.3 Simulation des Strömungsfeldes für Stickstoff als Prozessgas 32 3.2.4 Berechnung der Partikelflugbahnen 38 3.2.5 Simulation des Strömungsfeldes für Helium als Prozessgas 41 VII Inhaltsverzeichnis 4 Versuchsdurchführung und Charakterisierung von Spritzpulvern und Schichten 43 4.1 Anlagentechnik 43 4.1.1 Beschreibung der Anlage 43 4.1.2 Prozesssteuerung 44 4.1.3 Düsenfertigung 45 4.1.4 Sicherheitstechnische Aspekte 47 4.2 Herstellung der Schichten 48 4.2.1 Auswahl der Pulver 48 4.2.2 Beschichtung von Substraten 49 4.3 Methoden zur Untersuchung von Spritzpulvern und Schichten 51 4.3.1 Größenverteilung und Morphologie der Pulver 51 4.3.2 Mikrostruktur und Sauerstoffgehalt von Pulvern und Schichten 52 4.3.3 Mechanisch-technologische Eigenschaften der Schichten 54 4.3.4 Einfluss von Wärmebehandlungen auf Mikrostruktur und Eigenschaften 56 4.3.5 Physikalische und chemische Eigenschaften der Schichten 56 4.4 Ergebnisse der experimentellen Untersuchung 57 4.4.1 Mikrostruktur und Eigenschaften der Pulver 57 4.4.2 Auftragswirkungsgrad, Mikrostruktur und Eigenschaften von Kupferschichten 59 4.4.3 Schichteigenschaften im Vergleich zu thermisch gespritzten Schichten 66 4.5 Einfluss der Gas- und Partikelströmung auf die Schichteigenschaften 74 4.5.1 Geschwindigkeitsmessung mit Laser-Doppler-Anemometrie 74 4.5.2 Geschwindigkeits- und Partikelgrößenmessung mit Phasen- Doppler- Anemometrie 77 5 Bewertung der Ergebnisse und Schlussfolgerungen 78 5.1 Existenz und Bestimmung der kritischen Geschwindigkeit 78 5.2 Überlegungen zum Bindemechanismus 80 5.3 Optimierung der Prozessparameter 81 5.4 Optimierung der Düsengeometrie 82 VIII Inhaltsverzeichnis 5.5 Schichteigenschaften im Vergleich zu anderen Spritzverfahren 84 5.6 Anwendung der Ergebnisse auf andere Spritzwerkstoffe 86 6 Zusammenfassung 88 7 Tabellen 90 8 Bilder 103 9 Anhang 194 10 Literaturverzeichnis 203 IX Symbolverzeichnis Symbolverzeichnis a Schallgeschwindigkeit A Bruchdehnung A Querschnittsfläche Bi Biotzahl c spezifische Wärmekapazität für konstanten Druck p c spezifische Wärmekapazität für konstantes Volumen v C Beschleunigungskoeffizient D d Spritzabstand S d Zeilenabstand Z d, D Durchmesser E Messpotenzial bei der elektrochemischen Korrosionsprüfung corr F Gravitationskraft G F Magnus-Kraft M F Saffmann-Kraft S F aerodynamische Widerstandskraft W h Enthalpie k Wärmeleitfähigkeit L Lorentzzahl m Molmasse m(cid:6) Massenstrom Ma örtliche Machzahl Nu Nusseltzahl p Druck Pr Prandltzahl Q(cid:6) Wärmestrom R spezifische Gaskonstante Re Reynoldszahl R Zugfestigkeit m R 0,2%-Dehngrenze (Streckgrenze) p0,2 s Entropie t Zeit T Temperatur in Kelvin T Schmelztemperatur in Kelvin S u, v Geschwindigkeitskomponenten U,W Geschwindigkeitsbeträge W Arbeit v Vorschubgeschwindigkeit S V(cid:6) Volumenstrom (cid:68) Mach’scher Winkel (cid:74) Wärmeübergangskoeffizient (cid:85) Dichte X
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