Materialwissenschaften (Fach) / Verfahren der Oberflächentechnik (Lektion)

Diese Lektion wurde von Tobi08151 erstellt.

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• Welche TS-Technologie wurde in den 80er Jahren industriell eingeführt? In den 80er Jahren wurde das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF)eingeführt und stellt seit dem ein wichtiges Verfahren zur Herstellungvon Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten dar.
• Welches Land erreicht in Europa den höchsten Marktanteil bezogen auf das Thermische Spritzen? Deutschland
• Welche Anwendungen stehen für TS-Beschichtungen im deutschsprachigen Raum im Vordergrund? Im deutschsprachigen Raum dominieren tribologische Anwendungen
• Wie sind nach EN 657 die Verfahren des thermischen Spritzens definiert? Verfahren bei denen Spritzzusätze innerhalb oder außerhalb der Spritzpistole zugeführt und bis zumplastischen oder geschmolzenen Zustand aufgeheizt und dann auf die vorbereitete Oberflächegeschleudert werden; die Oberfläche wird hierbei nicht aufgeschmolzen.Verfahren unterscheiden sich inBezug auf▪ Spritzzusatzwerkstoff▪ Energieträger▪ Art der Fertigung▪ Manuell▪ AutomatisiertEnergieerzeugung▪ Thermische Energie▪ Kinetische Energie
• In welcher Form werden Spritzzusatzwerkstoffe eingesetzt? - Pulver▪ Draht▪ Stab▪ Suspension
• Wo liegen die Vorteile von pulver- bzw. drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoffen? Pulver bieten die höchste Flexibilität in Bezug auf die Legierungsauswahl, Drähte lassen sich sehrwirtschaftlich herstellen und sind einfach zu handhaben.
• Welche unterschiedlichen Energiequellen sind beim TS am weitesten verbreitet? Die am weitesten verbreitenden Energiequellen beim TS sind Flammen, Lichtbögen undPlasmen. Hochgeschwindigkeits-flammspritzen (HVOF)Lichtbogendrahtspritzen(LDS)AtmosphärischesPlasmaspritzen (APS)
• Wodurch wird die resultierende Schichtmikrostruktur beim Thermischen Spritzen maßgeblich beeinflusst? Die Schichtmikrostruktur wird neben weiteren Faktoren maßgeblich durch denSpritzzusatzwerkstoff, die Partikeltemperatur, -größenverteilung, -geschwindigkeit unddie Substrattemperatur beeinflusst.
• Wie werden Splattests durchgeführt? Bei Splattests werden polierte Substratproben sehr schnell mit dem TS-Brennerüberfahren oder nur für einen kurzen Moment z.B. mittels Schlitzblende für den Strahl desBrenners freigegeben, so dass die wenigen auf der Oberfläche aufgetroffenen Partikel alseinzelne Splats mittels Mikroskop untersucht werden können.
• Was lässt sich aus dem Splatverhalten von Partikeln schließen, welche Limitationen ergeben sich? ▪ Die Form der Einzelsplats gibt Aufschluss über den Aufschmelzgrad und dieGeschwindigkeit der Partikel beim Aufprall.▪ Partikel, die z.B. aufgrund ihrer Größe nicht ausreichend erhitzt und beschleunigtwerden, haften u.U. gar nicht auf dem Substrat und können bei dieser Betrachtungnicht berücksichtigt werden.▪ Beeinflussung der Splatform durch abweichende Substrattemperatur undTopographie im Vergleich zur realen Probe.
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• Wodurch lässt sich die nachfolgend dargestellte Splatform erklären, durch welche Maßnahmen könnte dieses ungewünschte Verhalten optimiert werden? Die dargestellte Splatform entsteht durch unvollständig aufgeschmolzeneSpritzpartikel, bei denen der Kern fest und der Mantel schmelzflüssig ist. Mögliche Maßnahmen zumvollständigen Aufschmelzen der Partikel sind eine Reduktion der Partikelgeschwindigkeit (längereAufheizung im Freistrahl), Erhöhung der Brennertemperatur oder Reduktion der Partikelgröße.
• Welche typischen Schichtdefekte treten beim TS auf und wodurch können diese hervorgerufen werden? - Oxide - Poren - Nicht aufgeschmolzene Partikel Gründe: ▪ Strahlgutkontaminationen durch falsche Auslegung der Substratvorbehandlung▪ Grenzflächenoxidation durch zu hohe Substrattemperaturen▪ Einlagerungen unaufgeschmolzener Partikel durch ungünstige Pulverfraktionierungenbzw. Prozessführung▪ Porenbildung durch zu niedrige Partikelgeschwindigkeiten▪ Mikrorisse aufgrund von Eigenspannungen (unterschiedliche thermischeAusdehnungskoeffizienten, bzw. Prozessführung)
• Welche Schichtmerkmale ergeben sich bei TS-Schichten? ▪ Porosität▪ Rauheit der Oberfläche▪ Gleichmäßigkeit der Morphologie und der chem. Zusammensetzung▪ Eigenspannungen▪ Haftung mit Grundwerkstoff
• Welche Möglichkeiten der Nachbearbeitung existieren für TS-Schichten und worauf zielen diese ab? ▪ Mechanisch▪ Metalle: Drehen, Fräsen, Honen, Schleifen...▪ Kugelstrahlen, Überrollen, Nadelhammerverfahren,▪ Hartschichten: Schleifen, Polieren▪ Chemisch▪ Thermisch▪ Sintern▪ Spannungsarmglühen▪ Bildung Diffusionszone▪ Einschmelzen▪ Thermo-mechanisch (HIP)▪ Sonstige:▪ Versiegeln▪ gravieren
• Wodurch zeichnet sich das Flammspritzen aus? Prozesscharakteristik: FS▪ Flammtemperatur: max. 3.160 °C▪ Partikelgeschwindigkeit: bis ca. 200 m/s▪ Auftragsleistung: 6 – 8 kg/h▪ Draht- oder pulverförmiger Werkstoff▪ Geringe KostenBrennstoffe▪ Wasserstoff▪ Propylen▪ Acetylen▪ PropanTypische Werkstoffe▪ Metalle(Ni-, Co-, Fe-Basis, NiCrBSi)▪ PolymereMarktanteil: ca. 10 %
• Welche Applikationen ergeben sich für das Flammspritzen? ▪ Metallische Beschichtungen zumVerschleiß- und Korrosionsschutz▪ Reibfunktionsschichten▪ Kunststoffbeschichtungen
• Wodurch zeichnet sich das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aus? Prozesscharakteristik: Brennstoffe: Typische Werkstoffe: Marktanteil: Prozesscharakteristik: HVOF▪ Flammtemperatur: max. 3.160 °C▪ Partikelgeschwindigkeit: bis ca. 700 m/s▪ Auftragsleistung: 2 – 8 kg/h▪ Geringe Oxidation des Schichtwerkstoffs▪ Hohe Dichte und Haftung der Schicht▪ Hoher Gasverbrauch (bis 1.000 SLPM)▪ Hoher Geräuschpegel (ca. 130 dBA)Brennstoffe▪ Wasserstoff▪ Propylen, Ethylen, Acetylen, Propan▪ KerosinTypische Werkstoffe▪ Hartmetalle (WC-Co; Cr3C2-NiCr)▪ Metalle (Ni-, Co-, Fe-Basis)Marktanteil: ca. 25 %
• Welche Applikationen ergeben sich für das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF)? Hoch verschleiß- und korrosionsbeständigemetallische und karbidische Beschichtungen▪ Hochtemperaturoxidationsschutz (MCrAlY)
• Wodurch zeichnet sich das Kaltgasspritzen aus? Prozesscharakteristik: Gase: Typische Werkstoffe: Prozesscharakteristik: CGS▪ Gasruhetemperatur: max. 700 °C▪ Partikelgeschwindigkeit: bis ca. 1.200 m/s▪ Keine Oxidation oder Phasenumwandlungdes Werkstoffs beim Spritzen▪ Dichte und hochreine SchichtenGase▪ Stickstoff▪ HeliumTypische Werkstoffe▪ Kupfer▪ Zink▪ Aluminium▪ duktile Stahlwerkstoffe
• Welche Applikationen ergeben sich für das Kaltgasspritzen? ▪ Hochreine Beschichtungen für elektrische & thermische Anwendungen▪ Lokale Beschichtung von temperaturempfindlichen Bauteilen
• Wodurch zeichnet sich das Lichtbogenspritzen aus? Prozesscharakteristik: Zerstäubergase: Typische Werkstoffe: Marktanteil Prozesscharakteristik: LDS▪ Lichtbogentemperatur: bis 5.000 °C▪ Partikelgeschwindigkeit: ca. 150 m/s▪ Auftragsleistung: 8 – 20 kg/h▪ Drahtförmiger Werkstoff▪ Stationäre & mobile Anlagen▪ Starker Abbrand der LegierungselementeZerstäubergase▪ Luft▪ Argon▪ StickstoffTypische Werkstoffe▪ Zink▪ Legierungen (Al-, Ni-, Fe-Basis)Marktanteil: ca. 15 %
• Welche Applikationen ergeben sich für das Lichtbogenspritzen? - Großflächiger Verschleißschutz (Stahl)▪ Großflächiger Korrosionsschutz (Zn / Al)▪ Off-shore- und Vor-Ort-Anwendungen
• Wodurch zeichnet sich das APS aus? Prozesscharakteristik: Plasmagase Typische Werkstoffe: Marktanteil: Prozesscharakteristik: APS▪ Plasmatemperatur: ca. 20.000 °C▪ Partikelgeschwindigkeit: bis ca. 400 m/s▪ Auftragsleistung: 4 - 8 kg/h▪ Breites Spektrum an Werkstoffen▪ Viele VerfahrensvariantenPlasmagase▪ Argon▪ Stickstoff▪ Wasserstoff▪ HeliumTypische Werkstoffe▪ Oxidkeramiken (ZrO2, Al2O3, Cr2O3)▪ Metalle (Ni-, Co-, Fe-Basis)Marktanteil: ca. 40 %
• Welche Applikationen ergeben sich für das APS? - Keramische Beschichtungen zum Verschleiß- und Korrosionsschutz▪ Biokompatible Keramiken --> Implantatbeschichtungen▪ Wärmedämmschichten▪ Einlaufschichten
• Weshalb ist eine radiale und eine axiale Bewegung des Lichtbogens bei Ein- Kathodenbrennern unumgänglich, welche Probleme ergeben sich hieraus? ▪ Veränderung des Lichtbogenfußpunkts in seiner Position, um einen unzulässigen hohen lokalen Verschleiß der Anode zu verhindern▪ Die Fluktuationen des Lichtbogens führen zu instabilen Plasmabedingungen, welche sich in inhomogenen Partikelzuständen äußern können
• Welche Vorteile bieten sich bei Einsatz eines Multi-arc APS Verfahrens? Die Aufteilung der Brennerleistung auf mehrere Lichtbögen, reduziert den lokalen Anodenverschleiß▪ Verbesserung der Plasmastabilität▪ Bessere Kontrolle der Partikeleigenschaften▪ Verbesserung der Schichtqualität▪ Bessere Reproduzierbarkeit▪ Höhere Abscheideraten und▪ Längere Lebensdauern der Elektroden
• Welche Art von Gasen werden beim APS unterschieden und welchen Einfluss haben sie bei der Energieübertragung aus dem Plasma auf die Partikel? Bei Rekombination wird die Energie des Plasmagases auf Partikel übertragen.2-atomige Gase übertragen wegen zusätzlicher Dissoziation höhere thermische Energie.1-atomige Gase sind schwerer daher höherer Impulsübertrag (kinetische Energie).
• Welche Vorteile bietet das Thermische Spritzen gegenüber anderen Beschichtungsverfahren hinsichtlich der Werkstoffauswahl? Das Thermische Spritzen bietet eine sehr hohe Flexibilität in Bezug auf die mögliche Kombinationvon Grund- und Spritzzusatzwerkstoff.
• Welches sind die individuellen Vor- bzw. Nachteile von draht- und pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen? SpritzzusatzwerkstoffeDrähte, Fülldrähte, Stäbe+ hohe Abschmelzleistung und Auftragsrate+ einfache Handhabung- eingeschränkte WerkstoffauswahlPulver+ breite Werkstoffpalette+ Werkstoffkombination auch bei Unlöslichkeit- Entmischung- und Verunreinigungsgefahr- zahlreiche Charakterisierungsmerkmale (Form, Größe)
• In welcher Form werden Spritzzusatzwerkstoffe am häufigsten eingesetzt und welche Werkstoffe finden hier Verwendung? Als Draht - Zink - Aluminium - Molybdän - Stahl
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• Welche Legierungen bestimmen den Markt bei pulverförmigen Spritzzusätzen? - Ni-Basis - Oxide - Karbide - MCrAlY
• Welchen Einfluss hat die Partikelform bzw. -morphologie thermischer Spritzpulver auf den Beschichtungsprozess? Die Partikelform beeinflusst die Fließfähigkeit der Pulver, die Dichte, dasBeschleunigungs- und Aufheizverhalten im Freistrahl.
• Welche Herstellungsverfahren existieren für die Herstellung von TS-Pulvern und für welche Werkstoffe werden diese hauptsächlich eingesetzt? Zur Herstellung von TS-Pulvern können Werkstoffe▪ Verdüst (Metalle, Metalllegierungen),▪ Gesintert (Metall-Karbide und -Oxide),▪ Geschmolzen/Gebrochen (Oxidkeramiken) und durch▪ Verbundpulver–Techniken („Abradables“) hergestellt werden.
• Welche Funktion erfüllen TS-gespritzte Beschichtungen und welche Werkstoffe werden hierfür eingesetzt? Verschleißschutz▪ adhäsiv / abrasiv: Molybdän, NiCrBSi, WC-Co und Mischungen▪ Ermüdung: dichte porenarme Schichten (HVOF, Vakuum, Schutzgas)▪ korrosiv: Co- / Ni-Leg, Cr2O3, Al2O3, Al2O3-TiO2 + VersiegelungKorrosionsschutz▪ aktiv: Al, Zn▪ passiv: dichte metallische Schichten Ni-, Fe-, Co-Basis,▪ versiegelte Keramiken, (evtl. mit NiCr-Haftgrund)▪ bei HT: Cr2O3, Al2O3, SiO2 und MCrAlYWärmedämmschichten▪ YSZ (ZrO2 + 6-8 Gew.-% Y2O3)
• Wie ist Löten nach DIN ISO 857-2 definiert? Löten: Definition nach DIN ISO 857-2:2007-03▪ Thermisches Füge- oder Beschichtungsverfahren▪ Schmelzen eines Lotes, Diffusion an den Grenzflächen▪ Grundwerkstoffe schmelzen nicht auf
• Wie läuft ein Lötprozess prinzipiell ab? 1. Vorbereitung der Werkstoffe▪ Mechanische Reinigung▪ Chemische Reinigung2. Aufbringen des Lotes in Form vonPulver, Paste, Draht, Folie oder Tapes3. Erwärmung des Lötguts im Ofen überLiquidustemperatur des Lotes→ Flüssiges Lot4. Erreichen der Arbeitstemperatur→ Benetzungsvorgänge5. Haltezeit bei Löttemperatur→Diffusionsprozesse→Ausbildung Diffusionszone6. Abkühlen
• Wie werden die Lötverfahren in Abhängigkeit von der Temperatur eingeteilt (DIN 857-2)? Weichlöten: T<450°C Hartlöten: 450°C<T<900°C Hochtemperaturlöten: T>900°C
• Wie ist die Randzone eines metallischen Werkstücks aufgebaut? ▪ Oxid- bzw. Reaktionsschicht → Metalloxide▪ Adsorptionsschicht → Wasser und organischen Verunreinigungen
• Die Benetzbarkeit steht in Abhängigkeit zur Randzone des metallischen Werkstücks. Daher muss die Randzone entfernt werden. Wie kann die Randzone entfernt werden? Vor dem Lötprozess:mechanische und chemische Reinigung→ an Luft: Sofortige Neubildung einer dünnen OxidschichtWährend des Lötprozesses: Flussmittel, Atmosphäre (Vakuum, Schutzgas)→ Auflösen der Oxidschicht und Vermeidung einer neuen Oxidschichtbildung
• Wie beeinflusst eine Vakuumatmosphäre den Lötprozess? - geringere Anteile von Sauerstoff, Wasserstoff etc. → Vermeidung einer neuen Oxidschicht▪ Aufreißen der Oxidschichten durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten→ Unterwandern durch Lot▪ Verdampfung einiger Oxide wegen ihres geringen Dampfdrucks
• Wie wirken inerte Schutzgase wie Argon oder Helium? ▪ Keine aktive Reduktion der Oxidschicht▪ Aufbrechen der Oxidhäute bei höheren Temperaturen durch unterschiedlichethermische Ausdehnungskoeffizienten (αMetall > αOxid) → Unterwanderung undAblösung durch flüssiges Lot▪ Verhinderung der Neubildung der Oxidschichten durch reduzierten Anteiloxidierender Gase
• Wie wirken reduzierende Schutzgase wie trockener Wasserstoff? ▪ Reduktion der Oxidschicht auf dem Werkstück (z.B. FeO + CO → Fe + CO2)▪ Keine Reduktion von Titan-, Aluminium- und Zirkonoxid (sehr stabil)
• Was sind die Charakteristika von Schutzgasöfen? Schutzgasofen▪ Kammerofen / Durchlaufofen▪ reduzierende oder inerte Schutzgase▪ gleichmäßige Werkstückerwärmung▪ große Stückzahlen
• Was sind die Charakteristika von (Hoch-) Vakuumöfen? (Hoch-)Vakuumofen▪ Kammerofen▪ reduzierendes Vakuum▪ gleichmäßige Werkstückerwärmung▪ große Stückzahlen
• Was sind die Charakteristika der induktiven Erwärmung? Induktive Erwärmung▪ reduzierende oder inerte Schutzgase▪ partielle Werkstückerwärmung▪ unterschiedliche Werkstückgeometrieen▪ runde o. eckige Flachspulen▪ zylindrische Rundspulen▪ steile Temperaturgradienten▪ kurze Taktzeiten▪ flexibel, mobil
• Was sind Anlagenparameter, die bei der induktiven Erwärmung zur Rohrinnenbeschichtung variiert werden können? Anlagenparameter▪ Leistung der Anlage▪ Frequenz▪ Aufheizrate▪ Löttemperatur▪ Kopplungsabstand▪ Verfahrgeschwindigkeit
• Das Löten ist ein komplexer physikalisch-chemischer Prozess. Erst durch Diffusion zwischen Grund- und Lotwerkstoff entsteht eine stoffschlüssige Verbindung. Wie ist eine Lötverbindung aufgebaut? Bevorzugt diffundieren Bestandteile des Grundwerkstoffes ins Lot. Es bilden sich sowohl im Lot- als auch im Grundwerkstoff Diffusionszonen aus, von denen die Qualität der Verbindung abhängt.
• Welche Phasen werden beim Transient Liquid Phase (TLP) Bonding durchlaufen? a) Ausgangssituation: A-Grundwerkstoffe mit A-B-Lot (eutektischer) Zusammensetzung b) Substratauflösung: Veränderung der Zusammensetzung (Gleichwicht: flüssig/fest) c) Isotherme Erstarrung: B diffundiert in Grundwerkstoff → weitere Veränderung der Zusammensetzung → Erreichen der Soliduslinie → Erstarrung d) Ende der isothermen Erstarrung e) Homogenisierung im festen Zustand: Diffusion von B bis Mischkristall erreicht istf) Endzustand: keine Lötnaht mehr sichtbar → nur Gefüge des Grundwerkstoffes
• Die bisherig vorgestellten Grundlagen bezogen sich vor allem auf das Löten von Metallen. Es ist aber auch möglich, Keramiken mithilfe eines metallischen Lotes zu fügen. Welche Aspekte müssen bei der Herstellung von Keramik-Metall-Verbunden berücksichtigt werden? ▪ Atomarer Aufbau von Metallen & Keramiken sehrunterschiedlich → erschwerte Benetzung der Keramikdurch Metall → hoher Benetzungswinkel▪ Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizientenvon Keramiken und Metallen → Eigenspannungen → Risse + Versagen der Keramik → Entwicklung von speziellen Lötprozessen:▪ Löten von metallisierten Keramiken → aufwändig!▪ Aktivlöten▪ Reactive Air Brazing
• Was sind Charakteristika des Aktivlötens? ▪ Löten von Keramik-Keramik- oder Keramik-Metall-Verbindungen ohne Metallisierung der Keramik▪ Einstufiger Fügeprozess▪ Aktivlote enthalten grenzflächenaktive Elemente(vor allem Ti, aber auch Zr, Hf, Nb, Ta)

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