Lektion 11.11BeschichtenKapitel 11 · Beschichten und Oberflächenbearbeitung

Kaltgasspritzen

Feste Metallkörner verschweißen allein durch Geschwindigkeit

Beim Kaltgasspritzen wird festes Metallpulver so schnell auf ein Teil geschossen, dass die Körner beim Aufprall verschweißen, ohne je zu schmelzen. Man kann es sich als thermisches Spritzen (Thermisches Spritzen) ohne Flamme vorstellen. Es repariert verschlissene Flugzeug- und Schiffsteile und kann sogar ganze Metallteile Schicht für Schicht aufbauen.

Foto: Александр Шоринов, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Kaltgasspritzen · Heizer, Pulverzufuhr, Überschalldüse, Aufprall im DetailOben ist die Pistole vom Heizer bis zur Düse zu sehen; das Detail zeigt, was beim Aufprall passiert. Die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten.

So funktioniert es

Das Gas erhitzen. Stickstoff oder Helium unter hohem Druck (oft das Zehnfache des normalen Luftdrucks und mehr) wird erwärmt, meist auf einige hundert Grad und höchstens etwa 1.000 °C. Das bleibt weit unter dem Schmelzpunkt des Pulvers.
Das Pulver zugeben. Ein Förderer dosiert feine Metallkörner, meist etwa 10–50 µm groß, in den Gasstrom.
Beschleunigen. Eine Lavaldüse (eine Düse, die sich erst verengt und dann erweitert) macht das Gas überschallschnell. Sie beschleunigt die Körner auf grob 500–1.000 m/s.
Aufprall und Haftung. Jedes feste Korn wird beim Aufprall flachgedrückt. Der Aufschlag bricht seine dünne Oxidhaut, und sauberes Metall presst sich an sauberes Metall und verschweißt im festen Zustand (ohne Schmelzen).
Aufbauen und bearbeiten. Ein Roboter führt die Düse über das Teil, und die Körner türmen sich zu einer dichten Schicht von einem Bruchteil eines Millimeters bis zu mehreren Zentimetern auf. Da sie rau ist, wird die Schicht anschließend in Form bearbeitet.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Duktile Metalle: Aluminium, Kupfer, Titan, Nickel, Tantal, Stähle; einige Metall-Keramik-Mischungen. Harte, spröde Pulver lassen sich schlecht spritzen
Typische Teile: Reparierte Gehäuse und Wellen, Korrosionsschutzschichten, Kupferschichten, Raketendüsen, Ringe
Bauteilgröße: Kleine Reparaturen bis zu mehreren Zentimetern dicken Auftragungen auf großen Teilen; begrenzt durch die Reichweite des Roboters
Präzision: Im Spritzzustand grob, etwa ±1 mm; die Endform entsteht durch Bearbeitung
Oberfläche: Im Spritzzustand rau und matt; bearbeitete Flächen sehen aus wie massives Metall
Geeignete Losgröße: Reparaturen, Einzelstücke und Kleinserien; Produktionsbeschichtungen
Werkzeug- und Maschinenkosten: Keine Formen; Anlagen kosten oft hunderttausende Dollar, dazu Gas (Helium ist teuer)
Geschwindigkeit: Schneller Auftrag, bei Aluminium oder Kupfer meist Kilogramm pro Stunde

Stärken und Grenzen

Stärken

Kein Schmelzen: keine Oxidation, wenig Hitzeschaden am Teil
Dichte Schichten, von Beschichtungen bis zu dicken Aufbauten
Kann Metalle verbinden, die sich schwer miteinander verschweißen lassen
Schnell und gut für Reparaturen vor Ort

Grenzen

Funktioniert nur mit duktilen (biegsamen) Metallen
Raue, endkonturnahe Form, die bearbeitet werden muss
Direkte Sichtlinie nötig, wie bei jedem Spritzverfahren
Helium für Spitzenqualität ist teuer, und der Strahl ist sehr laut

Wo es eingesetzt wird

Luft- und Raumfahrt, VerteidigungInstandsetzung korrodierter Getriebegehäuse aus Magnesium und Aluminium
RaumfahrtKupfer- und Nickelschichten für Raketentriebwerksdüsen
Elektronik und EnergieKupfer auf Aluminium für Kühlkörper und elektrische Kontakte
Öl, Gas und SchifffahrtKorrosionsbeständige Schichten, Reparatur von Wellen und Ventilen
FertigungAdditiver Aufbau von Ringen, Flanschen und endkonturnahen Teilen

So erkennen Sie es

Ein dicker, dichter Metallaufbau auf einem alten Teil, oft aus einem anderen Metall als das Teil selbst.
Keine Anlauffarben, Zunder oder Brandspuren rund um die reparierte Stelle, anders als beim Schweißen.
Im Spritzzustand eine raue, matte Oberfläche wie grobes Schleifpapier; nach der Bearbeitung schlichtes Metall.
Unter dem Mikroskop flachgedrückte Körner, dicht gepackt und fast ohne Poren.

Im Vergleich mit

Thermisches Spritzen11.10schmilzt das Material zuerst und hinterlässt mehr Poren und Oxide; Kaltgasspritzen hält es fest.Explosionsschweißen7.8dieselbe Idee des Schweißens durch heftigen Aufprall, aber mit ganzen Platten statt winziger Körner.Auftragschweißen mit gerichteter Energie (DED)8.7baut oder repariert ebenfalls Metallteile, aber indem Pulver mit einem Laser geschmolzen wird.

Ansehen

TWI Ltd · Experten erklären das Verfahren, die Werkstoffe und die Ausrüstung

Impact Innovations | Cold Spray Made In Germany · Kupfer und Nickel gespritzt, dann zu einer Raketendüse bearbeitet

UTBM Université de Technologie Belfort-Montbéliard · Ein Universitätslabor baut ein Metallteil durch Kaltgasspritzen

3DPrint.com · Ein Roboter spritzt einen Magneten im Inneren eines Zylinders

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Kaltgasspritzen — Geschichte, Geschwindigkeiten, Gase und Anwendungen; überwiegend Text, wenige Fotos
Fotosuche auf Wikimedia Commons

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Das Kaltgasspritzen verschweißt feste Metallkörner allein durch Geschwindigkeit, ohne Schmelzen.
Es braucht duktile Metalle und eine Überschalldüse.
Es glänzt bei Reparaturen und dicken, dichten Metallaufbauten.