Table Of ContentFORSCHUNGSBERICIITE 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
