Thermisches Spritzen erklärt: Arten, Anwendungen & Vorteile

Heute werden thermische Spritzbeschichtungen in zahlreichen Branchen eingesetzt. Diese Beschichtungen bestehen aus Draht und geschmolzenem Pulver, die Plasma oder Oxy-Fuel-Verbrennung ausgesetzt sind. Die Flamme des Spritzgeräts treibt das erhitzte Gemisch an, und einmal auf das Metall gespritzt, behält das Gemisch eine feste Beschichtung bei.

Thermische Spritzbeschichtungen finden in einem breiten Spektrum nützlicher Anwendungen Verwendung, darunter der Schutz von Flugzeugen, Gebäuden und anderen Strukturen vor extremen Temperaturen, Chemikalien oder Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit und Regen. In diesem Artikel besprechen wir, was thermisches Spritzen ist, wie man es durchführt, sowie Anwendungen und Vorteile.

Was ist thermische Spritzbeschichtung?

Thermische Spritztechniken sind Beschichtungsverfahren, bei denen geschmolzene (oder erhitzte) Materialien auf eine Oberfläche gespritzt werden. Der „Feedstock“ (Beschichtungsvorläufer) wird elektrisch (Plasma oder Lichtbogen) oder chemisch (Verbrennungsflamme) erhitzt.

Thermisches Spritzen kann dicke Beschichtungen (ca. 20 µm bis mehrere mm, abhängig von Prozess und Feedstock) über große Flächen mit hoher Auftragsrate auftragen – im Vergleich zu anderen Beschichtungsverfahren wie Galvanisieren, physikalischer und chemischer Gasphasenabscheidung.

Beschichtungsmaterialien für thermisches Spritzen umfassen Metalle, Legierungen, Keramiken, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe. Sie werden in Pulver- oder Drahtform zugeführt, auf geschmolzenen oder halbgschmolzenen Zustand erhitzt und als Mikrometer-Partikel auf das Substrat beschleunigt.

Verbrennung oder elektrischer Lichtbogenentladung dient meist als Energiequelle. Die resultierenden Beschichtungen entstehen durch Akkumulation zahlreicher gespritzter Partikel. Das Substrat erhitzt sich kaum, sodass auch brennbare Substanzen beschichtet werden können.

Beschichtungsqualität wird üblicherweise durch Messung von Porosität, Oxidanteil, Makro- und Mikrohärte, Haftfestigkeit und Oberflächenrauheit bewertet. Generell steigt die Beschichtungsqualität mit zunehmenden Partikelgeschwindigkeiten.

Zusätzlich zu Erstausrüstungsanwendungen werden thermische Spritzbeschichtungen zur Reparatur von im Betrieb verschlissenen und beschädigten Teilen sowie zur Wiederherstellung von Abmessungen zerspanter Teile eingesetzt. Thermische Spritzbeschichtungen stellen die Abmessungen von verschlissenen oder korrodierten Komponenten wieder her, z. B. Druckwalzen und untermaßige Lager.

Wie führt man thermisches Spritzen durch?

Thermisches Spritzen ist eine generische Kategorie von Beschichtungsprozessen, die einen Verbrauchsmaterial als Sprühnebel fein verteilter geschmolzener oder halbgschmolzener Tropfen auftragen, um eine Beschichtung zu erzeugen.

Es zeichnet sich durch die Fähigkeit aus, Beschichtungen aus Metallen, Cermets, Keramiken und Polymeren in Schichten erheblicher Dicke (typisch 0,1–10 mm für ingenieurtechnische Anwendungen) abzuscheiden. Fast jedes Material kann abgeschieden werden, solange es während des Spritzvorgangs schmilzt oder plastisch wird. An der Substratoberfläche bilden die Partikel „Splats“ oder „Plättchen“, die sich verklammern und die Beschichtung aufbauen.

Das Aufgebrachtes verschmilzt nicht mit dem Substrat und muss keine feste Lösung bilden, um eine Bindung zu erreichen. Dies ist ein signifikantes Merkmal des thermischen Spritzens im Vergleich zu vielen anderen Beschichtungsverfahren, insbesondere Lichtbogenschweißen, Hartlöten und Laserbeschichtungsverfahren.

Die Bindung zwischen thermisch gespritzter Beschichtung und Substrat ist primär mechanisch, nicht metallurgisch oder gefügt. Die Haftung am Substrat hängt vom Zustand der Substratoberfläche ab, die sauber und durch Strahlen oder Zerspanen aufgeraut sein muss vor dem Spritzen.

Thermische Spritzprozesse werden seit vielen Jahren in allen großen ingenieurtechnischen Industriesektoren für Komponentenschutz und -instandsetzung eingesetzt. Neuere Geräte- und Prozessentwicklungen haben die Qualität verbessert und den potenziellen Anwendungsbereich thermisch gespritzter Beschichtungen erweitert.

Arten thermischer Spritzbeschichtungsprozesse

Mehrere Varianten des thermischen Spritzens werden unterschieden:

• Plasmaspritzen
• Detonationsspritzen
• Drahtlichtbogenspritzen
• Flammspritzen
• HVOF (High Velocity Oxy-Fuel)
• HVAF (High Velocity Air Fuel)
• Warmspritzen
• Kaltspritzen
• Spritzen und Fügen (Spray and Fuse)

Bei klassischen (zwischen 1910 und 1920 entwickelten, aber noch weit verbreiteten) Prozessen wie Flammspritzen und Drahtlichtbogenspritzen sind die Partikelgeschwindigkeiten allgemein niedrig (< 150 m/s), und Rohmaterialien müssen geschmolzen sein, um abgeschieden zu werden.

Plasmaspritzen, in den 1970ern entwickelt, nutzt einen hochtemperierten Plasmastrahl, erzeugt durch Lichtbogenentladung mit typischen Temperaturen > 15.000 K, was das Spritzen feuerfester Materialien wie Oxide, Molybdän etc. ermöglicht.

Hier besprechen wir die 5 gängigsten Verfahren zur Erzeugung thermischer Spritzbeschichtungen im Detail:

1. HVOF (High-Velocity Oxy-Fuel Spritzen)

HVOF nutzt einen Brenner, der die Flamme bei Düsennutzung ausbreitet. Dies erzeugt schnelle Beschleunigung, die die Partikel im Gemisch beschleunigt. Das Ergebnis ist eine außergewöhnlich dünne, gleichmäßig aufgetragene Beschichtung. Trotz ihrer Dünne ist sie fest und haftet gut. Ihre Korrosionsbeständigkeit ist besser als Plasmaschichten, aber sie eignet sich nicht gut für hohe Temperaturen.

2. Verbrennungsflammspritzen

Verbrennungsflammspritzen eignet sich hervorragend für Oberflächen, die nicht für extreme Belastung ausgelegt sind. Die resultierende Beschichtung haftet weniger stark, da der Spritzmechanismus durch eine niedrigere Flammengeschwindigkeit angetrieben wird.

Die Flamme wird durch Sauerstoff erzeugt, der mit Brennstoff kombiniert wurde, und schmilzt das Gemisch. Verbrennungsflammspritzen ist wegen seiner niedrigen Kosten für niedrigintensive Anwendungen beliebt.

3. Plasmaspritzen

Plasmaspritzen nutzt die Plasmapistole als Hauptwerkzeug zum Erhitzen und Spritzen der Beschichtung. Nach dem Schmelzen des Pulvermaterials wird es ähnlich wie beim Verbrennungsflammspritzen auf das Produkt aufgebracht.

Die resultierenden Beschichtungen können von wenigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern Dicke reichen. Während Pulver das am häufigsten verwendete Material ist, werden auch Metalle und Keramiken eingesetzt. Der Plasmaspritzprozess ist aufgrund seiner Anpassungsfähigkeit sehr beliebt.

4. Vakuum-Plasmaspritzen

Vakuum-Plasmaspritzen erfolgt in kontrollierter Umgebung bei niedrigen Temperaturen. Dies erhält das Vakuum und reduziert Schäden am Material. Verschiedene Gaskombinationen können für den nötigen Spritzdruck verwendet werden.

Vakuum-Plasmaspritzen wird für Teile wie Stoßfänger, Armaturenbretter oder Gehäuse für Außenspiegel verwendet. Auch für die Vorbehandlung von Polyethylenformteilen, was Haftung für wasserbasierte Epoxidkleber bietet.

5. Zweidraht-Lichtbogenspritzen

Dieses Spritzverfahren nutzt einen Lichtbogenpunkt, der zwischen zwei elektrisch leitenden Drähten erzeugt wird. Schmelzen tritt an der Verbindungsstelle der Drähte auf. Der Lichtbogen ermöglicht Erhitzen, was wiederum Abscheidung und Schmelzen erzeugt, ähnlich wie Verbrennungsflammspritzen mit Brenner.

Druckluft wird zum Spritzen der Beschichtungen verwendet. Dieses Verfahren ist wegen seiner Kosteneffizienz beliebt und nutzt typischerweise Aluminium oder Zink als Basismaterial.

Vorteile thermisch gespritzter Beschichtungen

Einige Vorteile thermischer Spritzbeschichtungen:

• Kostenreduktion. Reparaturkosten sind geringer als Neukauf. Oft hält die Beschichtung länger als das Originalmaterial.
• Geringer Wärmeeintrag. Mit wenigen Ausnahmen lässt der thermische Spritzprozess die thermische Historie des Bauteils unberührt.
• Vielseitigkeit. Fast jedes Metall, jede Keramik oder jeder Kunststoff kann thermisch gespritzt werden.
• Dickensbereich. Je nach Material und Spritzsystem können Beschichtungen von 0,001 bis über 1 Zoll (25 mm) aufgebracht werden. Typisch 0,125–2,5 mm (0,005–0,1 Zoll).
• Verarbeitungsgeschwindigkeit. Spritzraten 3–60 lb/h (1,4–27 kg/h) je nach Material und System. Typische Auftragsraten 0,5–2 lb/ft² pro 0,25 mm (0,01 Zoll) Schichtdicke.

Nachteile thermischer Spritzbeschichtungen

• Verdeckt das Substrat – da thermische Spritzbeschichtungen so effizient sind, ist es oft unmöglich zu erkennen, aus welchem Material das Substrat bestand, es sei denn, strenge Aufzeichnungen werden geführt.
• Wirksamkeit nicht präzise bewertbar – nach dem Aufbringen ist es oft schwer, genau zu beurteilen, wie gut die Beschichtung gelungen ist, abgesehen von visueller Begutachtung.
• Hohe Anschaffungskosten – einige thermische Spritzverfahren erfordern sehr teure Apparaturen, was zu hohen Anfangsinvestitionen führen kann.