Lektion 11.10BeschichtenKapitel 11 · Beschichten und Oberflächenbearbeitung

Thermisches Spritzen (Plasma, HVOF, Lichtbogen)

Auf ein Teil geschossene Schmelztröpfchen stapeln sich zu einer Schicht

Beim thermischen Spritzen wird ein Beschichtungswerkstoff zu winzigen Tröpfchen geschmolzen und auf ein Teil geschossen. Sie platten beim Aufprall ab und stapeln sich zu einer dicken Schicht. Gespritztes Zink schützt Stahlbrücken, gespritzte Keramik schirmt Teile von Strahltriebwerken gegen Hitze ab, und gespritztes Metall baut verschlissene Wellen wieder auf.

Foto: zircotec.com, Attribution, via Wikimedia Commons

Thermisches Spritzen · Plasmapistole, Tröpfchenaufschläge, drei WärmequellenOben ist eine Plasmapistole bei der Arbeit zu sehen; die Detailansicht zeigt, wie die Schicht entsteht. Die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten.

So funktioniert es

Die Oberfläche vorbereiten. Das Teil wird gereinigt, Bereiche, die blank bleiben sollen, werden abgedeckt, und die Oberfläche wird gestrahlt (mit hartem Strahlgut), um sie aufzurauen. Die raue Oberfläche gibt den Tröpfchen Halt.
Das Material schmelzen. Die Pistole schmilzt Pulver oder Draht. Eine Plasmapistole nutzt einen Lichtbogen, um Gas bei etwa 10.000 °C in ein Plasma (ein elektrisch geladenes Gas) zu verwandeln. HVOF-Pistolen (High Velocity Oxygen Fuel, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen) verbrennen Brennstoff mit Sauerstoff, und Lichtbogen-Drahtspritzpistolen schmelzen zwei Metalldrähte mit einem Lichtbogen.
Die Tröpfchen abfeuern. Der heiße Gasstrahl schleudert die geschmolzenen Tröpfchen mit Hunderten Metern pro Sekunde auf das Teil.
Aufklatschen und erstarren. Jedes Tröpfchen trifft auf, plattet zu einem dünnen Pfannkuchen ab, einem sogenannten Splat, und erstarrt fast sofort. Das Teil selbst bleibt recht kühl, oft unter etwa 150 °C.
Aufbauen und nacharbeiten. Ein Roboter führt die Pistole hin und her, sodass sich die Splats zu einer Schicht von typischerweise 0,1–1 mm Dicke stapeln. Die Oberfläche ist rau, daher werden präzise Teile anschließend geschliffen oder poliert.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Metalle (Zink, Aluminium, Edelstahl, Nickellegierungen), Carbide (Wolframcarbid-Kobalt), Keramiken (Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid), einige Kunststoffe
Typische Teile: Wellen, Walzen, Turbinenschaufeln, Kesselrohre, Pumpenteile, Implantate, Brücken
Bauteilgröße: Von kleinen Implantaten bis zu ganzen Brücken und Lagertanks; die Pistole muss nur die Oberfläche erreichen
Präzision: Schichten von etwa 0,05–3 mm Dicke, etwa ±0,05 mm im gespritzten Zustand; enger nach dem Schleifen
Oberfläche: Im gespritzten Zustand matt und rau wie feines Schleifpapier; Carbide lassen sich auf Spiegelglanz schleifen
Geeignete Losgröße: Einzelreparaturen bis zu Serienfertigung von Luftfahrt- und Autoteilen
Werkzeug- und Maschinenkosten: Einige Tausend Dollar für eine Flamm- oder Lichtbogenpistole; oft Hunderttausende für eine Plasma- oder HVOF-Zelle mit Roboter und Kabine
Geschwindigkeit: Typischerweise mehrere Kilogramm Beschichtung pro Stunde; ein Teil braucht Minuten bis Stunden

Stärken und Grenzen

Stärken

Dicke Schichten, bis zu mehreren Millimetern
Fast jedes Material, das schmilzt: Metalle, Keramiken, Carbide
Das Teil bleibt recht kühl, daher verzieht es sich nicht und verliert seine Wärmebehandlung nicht
Baut verschlissene oder falsch bearbeitete Teile wieder auf

Grenzen

Sichtlinie: Die Pistole muss die Oberfläche sehen, daher sind tiefe Bohrungen schwierig
Schichten enthalten kleine Poren und haften mechanisch, statt zu verschmelzen
Im gespritzten Zustand rau; präzise Teile brauchen Schleifen
Laut, staubig und grell: braucht eine geschlossene Kabine oder einen Roboter

Wo es eingesetzt wird

Luft- und RaumfahrtWärmedämmende Keramik auf Turbinenschaufeln, harte Carbide auf Fahrwerken
InfrastrukturZink und Aluminium gegen Rost an Brücken, Windkrafttürmen und Tanks
EnergieKorrosionsbeständige Schichten auf Kesselrohren und Pumpenteilen
Papier- und StahlwerkeHarte Carbidschichten auf großen Walzen
MedizinPoröses Titan oder Hydroxylapatit (ein knochenähnliches Mineral) auf Hüftimplantaten, damit Knochen einwächst
ReparaturWiederaufbau verschlissener Wellen, Lagersitze und Pumpengehäuse

So erkennen Sie es

Eine matte, leicht raue Schicht, oft grau, die sich wie feines Schleifpapier anfühlt.
Schichtränder, die an einer scharfen Abdecklinie enden.
Unter Vergrößerung eine geschichtete, pfannkuchenartige Struktur mit kleinen Poren.
Ein geschliffenes, spiegelblankes Carbidband auf einer Welle oder Walze, in einer anderen Farbe als der Stahl ringsum.

Im Vergleich mit

Kaltgasspritzen11.11schießt Partikel, die fest bleiben und beim Aufprall haften; beim thermischen Spritzen werden sie zuvor geschmolzen.Feuerverzinken11.4beschichtet Stahl mit Zink, indem das ganze Teil getaucht wird; gespritztes Zink eignet sich für riesige oder ortsfeste Konstruktionen.Auftragschweißen mit gerichteter Energie (DED)8.7schmilzt Pulver mit einem Laser zu einer vollständig verschmolzenen Metallschicht; Splats beim thermischen Spritzen haften mechanisch.

Ansehen

Austchrome · Wie eine HVOF-Pistole dichte, harte Schichten erzeugt

Curtiss-Wright Surface Technologies · Der ganze Werkstattablauf: Abdecken, Strahlen, Roboterspritzen

MTU Aero Engines · Roboter spritzen Teile von Strahltriebwerken mit Plasma

Alec Steele · Flamm-, Lichtbogen- und Pulverspritzen in einer Werkstatt ausprobiert

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Thermisches Spritzen — alle Varianten (Plasma, HVOF, Lichtbogendraht, Flamme) und Anwendungen, mit Links zu Fotos
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Merken

Thermisches Spritzen schmilzt Material, schießt die Tröpfchen auf ein Teil und lässt sie sich zu einer Schicht stapeln.
Die Schichten sind dick (typischerweise 0,1–1 mm) und rau, aber das Teil bleibt recht kühl.
Plasma-, HVOF- und Lichtbogenpistolen unterscheiden sich vor allem darin, wie sie die Wärme erzeugen.