Oberflächen-Dresden

Gasturbine

• Hochtemp.-CVD für Innenraum (Gasverteilung, Schichtdicke)
• Wärmedämmschicht für Turbinenschaufeln (Relativverbindung, zusätzl. Oxidationsschutzschicht)

HM-Werkzeuge

• Plasma Assisted CVD
• Plasma Enhanced CVD
• Mikrowellen Atmospheric Presure

Prinzip:

• zufuhr des Beschichtungsmaterials als gasförmige Verbindung (Präkursor)
• ThermischePlasma Aktivierung des Präkursor
• Schichtbildung durch chem. Reaktion auf erhitzte Werkstückoberfläche

• Beschichten aus der flüssigen Phase...Schmelztauchen, Galvanik, Sol-Gel
• Beschichtung aus der Gasphase (CVD)...Niederdruckverfahren, Hochdruckverfahren, Plasm-CVD, Therm.-CVD
• Beschichten über die Gasphase(PVD)...Bedampfen, Sputtern, Vakuumbogen

Vorteile:

• Hohe Abscheidetemp.(gute Haftung, defektarme Struktur)
• Abscheidung bei höheren Drücken (Beschichtung 3D Geometrie)
• Materialzufuhr gasförmig (kontinuierliche Materialabfuhr->Dauerbetrieb)

Nachteil:

• Hohe Abscheidetemp. (Schädigung Grundmaterial, thermische Eigenspannung)
• Abscheidung bei höheren Drücken
• Materialzufuhr gasförmig (Wandbeschichtung, Aufwand Gasentsorgung)

• Kohlenstoff
• CVD-Diamantschicht
• Diamond-Like-Carbon
• Superharter amorpher Kohlenstoff

Diamant: C - C ; Tetragonal ; drei dimensional

Grafit: C = C ; Trigonal ; Zweidim.

Polyethylen: C---C ; linear ; eindim.

Vorteile:

• gut kontrollierbare Wachstumsbedingungen
• Homogene Verhältnisse (Temp.)
• keine Thermische Konvektion

Nachteile:

• Ablagerung an den Wänden
• Partikelbildung im Gasraum
• niedrige Reinheit
• niedrige Wachstumsraten

1. Vorteile   2. Nachteile

Heißdraht:

1. niedrige Anlagekosten, einfaches up-scaling, Temperaturregelung
2. kontamination durch Filamentmaterial, geringe Wachstumsraten

Lichtbogenentladung:

1. große Abscheideflächen, keine Substratkühlung nötig, 3D Beschichtung
2. geringe Wachstumsraten, vertikale Anordnung der Substrate

Mikrowellenplasma:

1. gute Diamantqualität, einfache Temperaturregelung
2. 3D schwierig, Schichtdicke nicht homogen

Glimmentladung:

1. hohe Wachstumsraten
2. intensive Substratkühlung, kleine Abscheideflächen

gasförmiger ausgangsstoff (Precursor)->feste Materialschicht + gasf. Abfallprodukt

wichtige Hartstoffschichten / Reaktionsbeteiligte:

• TiC (Titancarbit) / CH₄, H₂, TiCl₄ -> 30°C
• TiN (Titannitrit) / H₂,TiH₄ -> 30°C
• Al₂O₃ (Aluminiumoxid) / CO₂ , H₂, AlCl₃ -> 150°C

Precursor...chem. Zusammensetzung, Aktivierbarkeit

Precursoraktivierung...therm, plasmachem.,photochem.

Precursortransport...Strömungsdynamik, Temperaturgradienten, Konzentrationsgradienten

Oberflächenaktivierung...Heizung, Ionenbeschuss, UV-Strahlung

1. Legieren: Einbringen von Legierungselementen in eine dünne Randzone des Grundmaterials mit dem Ziel einer möglichst vollständigen Vermischung
2. Dispergieren: Einlagern von grobkörnigen Hartstoffen in eine dünne Randzone mit den Ziel, einen gleichmäßigen Verbund aus Hartstoff und Metall mit mgl. geringer Auflösung der Hartstoffe
3. Beschichten: Auftragen Zusatzwerkstoff auf Grundmat. -> mgl. geringe Vermischung beider Komponenten

Dispersionsschicht: 2-Komponent-Schicht: 1. Hartstoff + 2. (Funktionsschicht)

Auftragen eines Zusatzwerkstoffes auf ein Grundmaterial mit den Ziel einer festen metallurgischen Bindung bei mgl. geringer Vermischung

Auftragsschweißen: Einzelspur <--> Thermisch. Spritzen: Flächenbesch.

Anwendungsfelder:

1. Verschleiß- und Korrosionsschutz
2. Reperatur von beschädigten Werkstücken
3. Generieren/ Rapid Prototyping

Beispiel: Gepanzerte Umform Werkzeug, Reperatur Blisk-Schaufeln

• einstufig/ zweistufig
• Hybrid mit WIG oder PPA
• koaxiale/seitliche Pulverabfuhr
• Anbindung an Robotertechnik

Feinheit der Gefügestruktur hängt von lokaler Abkühlrate ab (zunehmende Abkühlrate=feinere Gefügestruktur)

Intensitätsverteilung mit einem maximum im Strahlenzentrum

• Oberfläche: Temperaturgradient in radialer Richtung
• Intensitätsverteilung mit einen Max. im Strahlenzentrum (Oberfläche in Mitte auseinandergerissen, sodass Teilchen von unten nachströmen)
• kleine Spannung innen & große Spannung im Randbereich
• Massenfluss nach außen / Rand nach unten

Hochtemperatur-CVD...900-1100°C Precursor: Halogene, N₂

Mitteltemperatur-CVD...700-900°C Precursor: reaktionsfreudigere Nichtmetall-Verbindung

Mo-CVD...400-500°C Precursor: reaktionsfreudige Metallverbindung

Plasma-CVD...z.T. Absenkung auf Raumtemperatur (Einsatz therm. Plasma-Aktivierung)

siehe Bild

Q: Brenngas-Sauerstoff-Flamme, Lichtbogen, Plasma

SZ: Pulver, Drähte Fülldrähte, Stäbe, Suspensionen

Schichtmaterial: Metallegierung (Mo,Zn,Ti,NiCr), HM (WC-Co), Keramik (Al₂O₃,TiO₂)

2 Drahtförmige, el.. leitende Spritzwerkstoffe werden mit konst. geregelten Vorschub, in Lichtbogenspritzpist. bei Winkel 30-60° aufeinander zugeführt. Lichtbogen zw. beiden Drähten->abschmelzende Elektrode->4000°C + Druckluftstrom, Vorschub für gleichmäßiges abschmelzen.

Verschiedene Drähte->Legierungen 20-40V, 100-1400A

Vorteile:

• wenig oxid. Teilchen->porenarme, haftfeste Schichten
• günstig (Invest, Betrieb)
• einf. Handhab.
• sehr hohe Produktivität

Nachteile:

• partielle Teilverschweißungen
• Eigenschaftsänd. der Lichtbogenspritzschicht->wegen Abbrand von Legierungselementen

• beschichtete Pfannen
• Autolack
• Walzen für Galvanisierbäder/ Druckwalzen
• Flugzeugfahrwerk
• Wärmedämmschicht & Brennkammer->Gasturbine

Reaktionsgas(Acetylen&Sauerstoff+Stickstoff(Fördergas)+Beschichtungspulver)werden in Kammer zur Explosion gebracht. Dabei Pulver 4700°C+800m/s durch Kanonenrohr auf 75mm entfernte Werkstückoberfläche geschossen.

4-8 Zündungen pro Sek. -> 5µm Schicht pro Zündung

Vorteile:

• besonders Dichte Schicht
• HM hochleistungsschichten
• geringe Teilchentemp.

Nachteile:

• Verschweißungen der Partikel
• Schallschutzmaßnahmen

Unreinheiten: Lamellenartige Struktur, ungeschmolzene Teilchen, Oxideinschlüsse, Poren

Haftung: mech. Verankerung, Diffusion, Adhäsion & andere chem./phys. Bindemech.

Haftfestigkeit durch:

• chem./phys. aktive Oberfläche(Sandstrahlen)
• hohe therm. & kin. Energie der Teilchen (Spritzverfahren)
• Verlängerung der Abkühlzeit (hochschmelzende Metalle, Vorwärmen)

Im Plasmabrenner Anode & Kathode durch schmalen Spalt getrennt, durch DC Lichtbogen erzeugt und eingeleitetes Gasgemisch Ionisiert (<20000K), sowie Pulver eingedüst.

Beispiel:

• Flammspritzen
• Detonationsspritzen
• Lichtbogenspritzen
• Lasersoritzen

Vorteile:

• gut für hohen Schmelzpkt.-> keramische Schichten
• geringe Geschwindigkeit
• flexibles, gut automatisierbar
• hohe Dichte & Haftung

• Molybdän - Verschleißschutzschicht
• Zirkonoxid - Wärmedämmschicht
• Aluminiumoxid - elektr. leitend -//-
• Chromoxid - chem. beständig, Verschleißschutz
• Titanoxid - elektr. Fktschicht, -//-

Def.: Phys. Beschichtungsverfahren zum flächenhaften Auftrag von Oberfl.besch. Schichtdicken 30µm-1mm

Prinzip: Spritzwerkstoffe(-zusätze) werden innen oder außerhalb des Spritzgeräts ab-, an- oder aufgeschmolzen, Substrat beschleunigt und auf Werkstück geschleudert. Flüssige, hochplastische Partikel werden beim Aufprall auf Substrat deformiert, erstarren & bilden Partikel für Parikel die Schicht. Wärmequelle nicht in Kontakt mit Substrat->kein anschmelzen des Substrat(Werkstück)

High velocity oxygen fuel Spraying...Brennstoff-Sauerstoffgemisch wird in Brennkammer verbrannt->Gasstrom wird in Spritzpulver injiziert(bis 2400m/s, Partikel bis 800m/s)

Vorteile:

• sehr dichte Schichten->hohe Haftfestigkeit
• gut für Temp. empfindliche Spritzzusätze
• Übersschallgeschwindigkeit
• Hartstoffschichten zum Verschleißschutz

Prinzip:

• Autogener Prozess->geregelter Vorschub, Spritzwerkstoff aufgeschmolzen
• Aufprallenergie abhängig von Teilchengröße & Abstand Düse/Bauteil...Teile im äußeren Bereich des Spritzkegels kühlen stark ab & erreichen das Bauteil erstarrt/oxidiert
• innen Flüssig: Schrumpfung/verkeilen->Haftung

Vorteile:

• einfache manuelle Handhabung
• geringe Invest/ Betriebskosten
• mobiler Einsatz
• Spritzzusatz als Draht o. Pulver

Nachteile:

• Inhomogene Aufschmelzung

Abscheidung aus einen Dampf-/Plasmastrom der durch intensiven Energieeintrag aus dem zunächst in fester Form (Target) vorliegenden Schichtmaterial erzeugt wird.

Bedampfen: Verdampfung des homogenen aufgeheizten Materials

Sputtern (Zerstäuben): Herauslösung von Atomen aus der Targetoberfläche durch Stoß von energiereichen Ionen

Vakuumbogen: lokales Verdampfen in den Kathodenbrennflecken eines Lichtbogens, der im selbst erzeugten Dampf brennt

Aktivierung: Erhöhung der Ionisierung des Beschichtungsplasma

Grundprozess:

• Bogenentladung im verdampften Kathodenmaterial zw. mikroskopischen Kathodenflecken und Anode
• Emission von Elektronen, Ionen des Kathodenmaterials, Partikel aus Kathodenspot

Energiedichte im Spot (~10^9 W/cm^2)->Plasma vollständig Ionisiert

Bogenstrom (50-200A)

Bogenspannung (15-25V)

Druck (10^-4-0,1Pa)

Kathodenzerstäubung von Oberflächen

• Bauteil im Vakuumkammer positionieren
• Kammer evakuieren und mit Argon füllen (0,1-10Pa)
• Bauteil als Kathode mit 0,5-5kV DC Spannung
• In der Glimmentladung werden die Ar-Ionen beschleunigt& auf das Bauteil geschossen
• durch Impulsübertrag werden Oberflächenatome entfernt

Schichtdicke 0,001µm- 10µm

Röntgenwellenlänge (0,01µm): d=10nm, Bsp. Röntgenspiegel

UV-VIS (0,1µm): d=100nm, Bsp. Benetzung, Grenzflächen

IR (1µm): d=1µm, Bsp. Verschleißschutzschicht