Thermisches Spritzen erklärt: Verfahren, Arten & industrielle Anwendungen

Was ist Thermisches Spritzen (Thermal Spray Coating)?

Heute werden thermische Spritzbeschichtungen in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt. Diese Beschichtungen bestehen aus Draht und geschmolzenem Pulver, die Plasma oder Oxyfuel-Verbrennung ausgesetzt sind. Die Flamme des Spritzgeräts treibt das erhitzte Gemisch an, und sobald es auf Metall gespritzt wird, behält das Gemisch eine feste Beschichtung bei.

Thermische Spritzbeschichtungen werden in einem breiten Spektrum nützlicher Anwendungen eingesetzt, 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 seine Anwendungen und Vorteile.

Definition: Thermisches Spritzen

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

Thermisches Spritzen kann dicke Beschichtungen liefern (ca. 20 µm bis mehrere mm, abhängig vom Verfahren und Feedstock), über große Flächen bei hoher Abscheiderate 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 einen geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand erhitzt und als mikrometergroße Partikel auf das Substrat beschleunigt.

Verbrennung oder elektrischer Lichtbogenentladung wird üblicherweise als Energiequelle für thermisches Spritzen verwendet. Die resultierenden Beschichtungen entstehen durch die Ansammlung zahlreicher gespritzter Partikel. Die Oberfläche erwärmt sich möglicherweise nicht stark, was die Beschichtung brennbarer Substanzen ermöglicht.

Die Beschichtungsqualität wird üblicherweise durch Messung von Porosität, Oxidgehalt, Makro- und Mikrohärte, Haftfestigkeit und Oberflächenrauheit beurteilt. 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 der Abmessungen bearbeiteter Teile eingesetzt. Thermische Spritzbeschichtungen werden verwendet, um die Abmessungen von Komponenten wiederherzustellen, die verschlissen oder korrodiert sind, wie z. B. Druckwalzen und untermaßige Lager.

Wie wird thermisches Spritzen durchgeführt?

Thermisches Spritzen ist eine generische Kategorie von Beschichtungsverfahren, die einen Verbrauchswerkstoff als Sprühstrahl fein verteilter geschmolzener oder halbgeschmolzener 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 abzuscheiden, typischerweise 0,1 bis 10 mm, für technische Anwendungen. 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 verzahnen und die Beschichtung aufbauen.

Das Abscheidat verschmilzt nicht mit dem Substrat und muss keine feste Lösung bilden, um eine Bindung zu erreichen. Dies ist ein signifikanter Unterschied zum thermischen Spritzen im Vergleich zu vielen anderen Beschichtungsverfahren, insbesondere Lichtbogenschweißen, Hartlöten und Laserbeschichtungsverfahren.

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

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

Arten thermischer Spritzbeschichtungsverfahren

Mehrere Varianten des thermischen Spritzens werden unterschieden:

• Plasmaspritzen
• Detonationsspritzen
• Draht-Lichtbogenspritzen (Wire Arc Spraying)
• Flammspritzen
• Hochgeschwindigkeits-Oxyfuel-Spritzen (HVOF)
• Hochgeschwindigkeits-Luftbrennstoff (HVAF)
• Warmspritzen (Warm Spraying)
• Kaltspritzen (Cold Spraying)
• Spritzen und Verschmelzen (Spray and Fuse)

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

Plasmaspritzen, in den 1970er Jahren entwickelt, nutzt einen hochtemperaturigen Plasmastrahl, der durch Lichtbogenentladung erzeugt wird, mit typischen Temperaturen > 15.000 K, was das Spritzen von feuerfesten Materialien wie Oxiden, Molybdän usw. ermöglicht.

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

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

HVOF ist ein Verfahren, das einen Brenner nutzt, der die Flamme ausbreitet, wann immer die Düse verwendet wird. Dies erzeugt eine schnelle Beschleunigung, die die Partikel im Gemisch beschleunigt. Das Endergebnis ist eine außergewöhnlich dünne, gleichmäßig aufgetragene Beschichtung. Trotz ihrer Dünne ist diese Beschichtung stark und haftet gut. Ihre Korrosionsbeständigkeit ist besser als bei Plasmaschichten, aber sie ist nicht gut für hohe Temperaturen geeignet.

2. Verbrennungs-Flammspritzen (Combustion Flame Spraying)

Verbrennungs-Flammspritzen ist eine ausgezeichnete Option für Oberflächen, die nicht für extreme Belastungen ausgelegt sind. Die resultierende Beschichtung haftet nicht stark an der Oberfläche, da der Spritzmechanismus durch eine niedrigere Flammengeschwindigkeit angetrieben wird.

Die Flamme wird durch Sauerstoff erzeugt, der mit Brennstoff kombiniert wurde, und schmilzt das Gemisch. Verbrennungs-Flammspritzen ist aufgrund seiner geringen Kosten für niedrigintensive Anwendungen beliebt.

3. Plasmaspritzen

Plasmaspritzen nutzt den Plasmasbrenner als Hauptwerkzeug zum Erhitzen und Spritzen der Beschichtung. Nachdem das Pulvermaterial geschmolzen wurde, wird es in einer dem Verbrennungs-Flammspritzen ähnlichen Weise auf das Produkt aufgebracht.

Die durch Plasmaspritzen entstehenden Beschichtungen können von wenigen Mikrometern bis zu wenigen Millimetern dick sein. Während Pulver das am weitesten verbreitete Material ist, werden auch Metalle und Keramiken verwendet. Der Plasmaspritzprozess ist aufgrund seiner Anpassungsfähigkeit sehr beliebt.

4. Vakuum-Plasmaspritzen

Vakuum-Plasmaspritzen erfolgt in einer kontrollierten Umgebung, nutzt jedoch niedrige Temperaturen. Dies erhält das Vakuum und reduziert gleichzeitig Schäden am Material. Verschiedene Gaskombinationen können verwendet werden, um den für das Spritzen erforderlichen Druck zu erreichen.

Vakuum-Plasmaspritzen wird für Artikel wie Stoßfänger, Armaturenbretter oder Gehäuse für Außenspiegel verwendet. Dieser Prozess kann auch für die Vorbehandlung von Polyethylen-Formteilen eingesetzt werden, was die Haftung für wasserbasierte Epoxidklebstoffe ermöglicht.

5. Zweidraht-Elektrolichtbogenspritzen (Two-Wire Electric Arc Spraying)

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

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

Vorteile thermisch gespritzter Beschichtungen

Einige der Vorteile thermischer Spritzbeschichtungen sind:

• Kostensenkung. Die Reparaturkosten des Bauteils sind geringer als ein Neukauf. Oft hält die Beschichtung länger als das ursprüngliche Material.
• Geringe Wärmeeinbringung. 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.
• Dickenbereich. Je nach Material und Spritzsystem können Beschichtungen von 0,001 bis über 1 Zoll (25 mm) dick aufgespritzt werden. Typischerweise reichen sie von 0,125–2,5 mm (0,005–0,1 Zoll).
• Verarbeitungsgeschwindigkeit. Die Spritzraten reichen von 1,4–27 kg/h (3–60 lb/h) abhängig vom Material und Spritzsystem. Typische Auftragsraten betragen 0,25–1 kg/m² pro 0,25 mm (0,5–2 lb/ft² pro 0,01 Zoll) Schichtdicke.

Nachteile thermischer Spritzbeschichtungen

• Verdeckt das Substrat – da thermische Spritzbeschichtungen so effizient sind, ist es in vielen Fällen unmöglich zu erkennen, aus welchem Material das Substrat bestand, es sei denn, strenge Aufzeichnungen werden geführt.
• Wirksamkeit nicht präzise bewertbar – nach dem Aufbringen der thermischen Spritzbeschichtung ist es oft schwer zu beurteilen, wie gut die Beschichtung aufgetragen wurde, außer durch visuelle Begutachtung.
• Hohe Einrichtungskosten – einige thermische Spritzverfahren erfordern sehr teure Apparaturen, was zu hohen anfänglichen Einrichtungskosten führen kann.