Plasmaspritzen von oxidkeramischen Werkstoffen: Untersuchungen zur Technologie des Verfahrens PDF
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FORSCHUNGSBERICIITE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 2337 Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn vom Minister für Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Prof. Dr. -Ing. Friedrich Eichhorn Dr. -Ing. Jürgen Metzler Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Plasmaspritzen von oxidkeramischen Werkstoffen - Untersuchungen zur Technologie des Verfahrens - Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1973 ISBN 978-3-663-19980-9 ISBN 978-3-663-20329-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-20329-2 © 1973 by Springer Fachmedien Wiesbaden Urspriinglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Opladen 1973 Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag Inhalt Begriffe und Abkürzungen • . . . . . . . . • . . . . • . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . 6 1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . • • . . . • . . . . . . . . . . . . . . • . • . 11 2. Entwicklung der Plasmaverfahren und ihre industrielle Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3. Aufgabenstellung und Ziel der Untersuchungen .•.......... 14 4. Versuchseinrichtungen und ihre Funktionsweise •••.•..••.. 15 4.1 Spritzgerät und Hilfseinrichtungen •........•....•. 15 4.2 Fototechnische Einrichtung ..........••....•....... 16 4.3 Meßanordnung zur Ermittlung der Lichtbogenbewe- gungen innerhalb der Hohlanode .................•.. 16 4.4 Versuchsaufbau zur kalorimetrischen Erfassung der thermischen Verlustleistung und des Gerätewirkungs- grades . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . • . . 17 4.5 Verfahren zur magnetischen Ablenkung des einge schnürten, nichtübertragenen Lichtbogens innerhalb der Hohlanode . . . . . . . • . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . • . • . . . . . 18 4.6 Meß- und Prüfverfahren ...................••....... 22 5. Versuchswerkstoffe und Hilfsstoffe .......•......•....... 25 6. Untersuchungen zur Erfassung des Einflusses der Einstell parameter auf die im eingeschnürten, nichtübertragenen Lichtbogen abfallende Spannung . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . • . . . 26 7. Versuche zur Lichtbogenfußpunktbewegung innerhalb der Hohlanode des Plasmaspritzgerätes .....................•. 27 7.1 Oszillographische Ermittlung der Spannungsschwan kungen als Folge von Lichtbogenfußpunktbewegungen unter Anwendung verschiedener Plasmagase .......•.. 28 7.2 Lichtintensitätsmessung am eingeschnürten, nicht übertragenen Lichtbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • • . • 32 3 7.3 Bestimmung der Lichtbogenfußpunktbewegung innerhalb der Dlise in Umfangsrichtung mit Hilfe der Hoch geschwindigkei tsfotografie . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . 33 7.4 Darstellung der Versuchsergebnisse im Wahrschein- lichkeitsnetz . . . . . . . . . • • . • . • • . . . . . . . . . . • . . . . • . . . . . 3 4 7.5 Erklärung der Vorgänge innerhalb der Hohlanode •.•. 34 8. Kalorimetrische Untersuchungen zur Ermittlung der Kenn- daten des Plasmaspritzgerätes ••..••...•....•.....•.•.... 35 8.1 Ermittlung der thermischen Verlustleistung und des Gerätewirkungsgrades unter Anwendung verschiedener Plasmagase • . • . . • • • . . . . . . . . • . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . • . 3 5 8.2 Berechnung von mittlerer Plasmastrahltemperatur und mittlerer Plasmastrahlgeschwindigkeit aus den kalorimetrisch gewonnenen Ergebnissen •....... 37 8.3 Vergleich der Versuchsergebnisse bei der An- wendung verschiedener Plasmagase •••.•.•••........ 38 8.4 Darstellung der Kühlwassertemperaturmessungen im Wahrscheinlichkeitsnetz . . . • • • . . • . . . • . • . . . . . . . . 41 9. Maßnahmen zur Verbesserung der Düsenstandzeit von Plasmastrahlerzeugern .•..••.•.••.....•.•....•••..•...... 41 9.1 Einfluß einer axialen Pulverzufuhr auf die elektrische Leistungsaufnahme des Spritzgerätes 41 9.2 Steuerung der Bewegung des Lichtbogenfußpunktes auf dem Hohlanodenumfang • . • • . • • • . . • • . • . • . • . . . . . . . 42 9.2.1 Beeinflussung der Lichtbogenfußpunktbewegung durch den Einsatz verschiedener Gaszuführungs- stücke • • . • • . . • • • . . • . • . • . . . . . • • . • . . • • . • . . . . . . . . . . . 42 9.2.2 Magnetische Beeinflussung der Bewegung des anodi schen Lichtbogenfußpunktes innerhalb der ein- schnürenden Düse . • . . . . . • . • • • . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . 44 10. Aufspritzen von oxidkeramischen Werkstoffen auf metalli- sche Grundwerkstoffe .••••.•...••.•............•......... 49 1 o. 1 Fragen zum Haftmechanismus gespritzter Schichten - Oberflächenvorbereitung durch verschiedene Strahl- mittel . . . . • . . . • . . . . • . • • • . • . . . . . . • . • • . . . . . . . • . . • . • 50 10.2 Untersuchung des Gasdruckes in der Pulverzuleitung 51 10.3 Versuche zur Ermittlung der Verwendbarkeit des magnetisch beeinflußten, nicht übertragenen Licht bogens zum Verspritzen pulverförmiger Werkstoffe . 52 10.4 Bestimmung des Auftragwirkungsgrades beim Ver spritzen oxidkeramischer Werkstoffe •..••.....•... 54 10.5 Ermittlung der mittleren Spritzteilchengeschwin- digkeit . . . . . . • . . . . . . • . . • . . . . . . • . . • . . • . . . . . . . . . . . • 55 10.6 Eigenschaften und Verhalten plasmagespritzter, oxidkeramischer Schichten •.....••.••...•.•..•.•.. 56 4 10.6.1 Haftfestigkeit . . . . • . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 10.6.2 Verforrnbarkeit .............................•..... 57 10.6.3 Porosität und Dichte •.....•.....................• 58 10.6 .4 Temperaturwechselbeständigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 10.6.5 Wärmeleitfähigkeit ............................... 63 10.6.6 Metallographische und kristallstrukturelle Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . 64 ........................................ 11. Zusammenfassung 67 12. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Anhang a) Abbildungen . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . • . . . . . . 78 b) Tabellen .........................•...•.................. 137 5 Begriffe und Abkürzungen Bezeichnung Dimension AS Auftragschicht Keramik B Betrag der magnetischen Induktion Gauß; Vs/m2 D Kathodendurchmesser = 6,2 mm mm F Düsenquerschnitt = Austrittsquerschnitt mm2 FL Lichtbogenquerschnitt mm2 G Pulverfördermenge g/min G Gewicht des leeren Dilatometers g 0 Gs Gewicht des quecksilbergefüllten Dilatometers einschließlich oxid keramischer Spritzschicht g Gw Gewicht der oxidkeramischen Spritzschicht g H Magnetische Feldstärke A/m I Stromstärke A IM Magnetisierungsstrom A K Resultierende Kraft dyn KL Längenbezogene Kraft dynfern Lz Länge des Hohlkörpers mm No Abschnitt auf der Ordinate kW Elektrische Leistungsaufnahme des Nel Plasmaspritzgerätes Ne1=NK+NPl ~ N kW NK Kühlwasserleistung = an das Kühl wasser abgeführte Leistung kW N Maximale Leistungsabgabe an das max Spulenkühlwasser kW NPl Plasmastrahlleistung = vom Plasma gas aufgenommene Leistung kW QA Aufgetragenes Pulvergewicht g QE Eingesetztes Pulvergewicht g Pulverfördergasmenge Nl/min QFN 2 QPAr Plasmagasmenge Argon Nl/min Plasmagasmenge Stickstoff Nl/min QPN 2 Zusammensetzung des Argon-Stick QPAr, N2 stoff-Plasmagases % 3 Qw Kühlwassermenge cm /s 6 Re Reynoldszahl R Außendurchmesser des a bespritzten Hohlkörpers rnrn R. Außendurchmesser des ~ ungespritzten Hohlkörpers rnrn T Temperatur oK, oe TA Aufheiztemperatur oe T Temperatur an der Ober a fläche der Spritzschicht oe T. Temperatur an der Unter ~ seite der Spritzschicht oe TM Mittlere Temperatur aus T und T. oe a ~ T Mittlere Plasmastrahltemperatur OK rn TWZ Anzahl der möglichen Temperatur wechsel u Spannung V UF Fotodiodensignal V u Mittlere Schwingungsbreite der pprn Spannungsschwankungen = mittlere Schwingungsbreite V .1U 1 ; .1U2 Brückenspannungen = temperatur proportionale Meßwerte rnV u pprn; .1U1; .1u2 Mittelwerte V; rnV; rnV V Volumen des Dilatometers bis 0 zur Eichmarke 0 crn 3 VG Volumen der oxidkeramischen Spritzschicht ohne Poren crn3 VK Gesamtes Volumen der oxidkerami schen Spritzschicht crn3 vP Gesamtes Porenvolumen der oxid keramischen Spritzschicht crn3 vs Spezifisches Porenvolumen der 3 oxidkeramischen Spritzschicht crn /g vP V = s Gw zs Zwischenschicht Nier 80/20 a Elektrodenabstand vorn Düsenmund (a = aE + 1) rnrn Elektrodenabstand vorn Beginn der Einschnürung rnrn c Spezifische Wärme kcal/kg·grd d Düsendurchmesser rnrn Elementarladung e 7 Mittlere Frequenz der Spannungs- schwankungen = mittlere Frequenz kHz f Mittelwert kHz m h Enthalpie des Plasmagases J/g ha Dicke der Auftragschicht ~m h Höhe der Quecksilbersäule über 0 der Eichmarke 0 bei evakuiertem Dilatometer mm Höhe der Quecksilbersäule über der Eichmarke 0 bei Atmosphärendruck mm Höhe der Quecksilbersäule über dem Quecksilberstand bei 1000 atm mm Kanallänge mm Länge des elektrischen Leiters m Massendurchsatz g/s Maß für die Steigung Anzahl der Ladungsträger -3 in der Volumeneinheit cm Druckabfall im Rohr kp/cm2 2 Absoluter Druck kp/cm Gasdruck in der Pulverzuleitung (statisch) mm WS R r Porenradius Radius der Kapillare mm Spritzabstand mm Zeit rns Aufheizzeit s Abkühlzeit s Mittlere Spritzteilchen geschwindigkeit rn/s Mittlere Plasmastrahlgeschwin digkeit rn/s Geschwindigkeit des strömenden Mediums rn/s w Rotationsfrequenz des Licht -1 bogenfußpunktes s z Anzahl der Nutumdrehungen auf der Länge des Gaszuführungsstückes Vektor der magnetischen Induktion Gauß; Vs/rn2 j Stromdichtevektor A/rn2 !i Lorentzkraft auf einen gasförmigen 3 Leiter dyn/rn 8 e Benetzungswinkel; Randwinkel grd <l>s Raumgewicht der oxidkeramischen 3 Spritzschicht g/cm <I> s = -Gw VK a Biegewinkel bis zum ersten Anriß der Spritzschicht grd Proportionalitätsfaktoren zwischen Brückenspannung und Temperaturdifferenz € Porosität der oxidkeramischen Spritzschicht V € = .....E • 100 % VK Wirkungsgrad des Plasma spritzgerätes % NPl 11 = -- • 100 Nel Auftragwirkungsgrad % QA 11 = - • 100 A QE X Widerstandsziffer X Wärmeleitfähigkeit der oxid s keramischen Spritzschicht kcal/m·h·grd Kinematische Zähigkeit m2/s Dichte des Plasmagases g/cm3 Dichte der oxidkeramischen Spritzschicht Gw p =- S VG Dichte des strömenden Mediums kg/dm3 Standardabweichung für die mittlere Schwingungsbreite, für die mittlere Frequenz und für die Brückenspannungen V;kHz;mV;mV Haftfestigkeit kp/mm2 Oberflächenspannung dynfern 9
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