Die Kaltgasspritztechnik bezieht sich auf eine Beschichtungstechnik, bei der Metallpulverpartikel in einem Überschallgasstrom in Position gehalten und auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Wenn sie mit einer Oberfläche in Kontakt kommen, haften sie zusammen. Es unterscheidet sich auch von zahlreichen anderen Sprühtechniken wie dem thermischen Spritzen, bei dem die Materialien während des Abscheidungsprozesses schmelzen oder teilweise schmelzen, während die Partikel bei der Kaltgassprüh-Metallherstellung dies nicht tun. Dies ermöglicht die Herstellung funktioneller Beschichtungen und freistehender Strukturen ohne die bei Hochtemperaturverfahren übliche thermische Verformung oder Zersetzung.

Das Kaltgasspritzverfahren funktioniert durch die Beschleunigung der Pulverzufuhr durch einen Hochdruckgasstrahl, typischerweise Helium oder Stickstoff, in einer Sprühdüse.
Die Partikelgeschwindigkeiten steigen auf bis zu 1000 m/s und die kinetische Energie wird genutzt, um die festen Partikel plastisch zu verformen und eine Bindung zu ermöglichen. Das Pulver wird beim Aufprall auf die Substratoberfläche plastisch verformt, und aufgrund der hohen Aufprallenergie kommt es zu einer engen mechanischen Verkeilung zwischen der Beschichtung und dem Substrat... An den Kontaktpunkten kann es auch zu einer begrenzten metallurgischen Bindung kommen, was zu hervorragenden Hafteigenschaften führt.

Die Verwendung von Kaltgasspritzverfahren im Vergleich zu thermischen Spritzverfahren bietet viele Vorteile. Vor allem verhindern die niedrigen Prozesstemperaturen eine Beschädigung sowohl des Beschichtungsmaterials als auch des Substrats. Wärmeempfindliche Materialien, die normalerweise bei hohen Temperaturen oxidieren oder zerfallen würden, können beschichtet werden. Eigenspannungen in Kaltgasspritzbeschichtungen sind hochgradig kompressiv, was die Festigkeit der Beschichtung verbessert und Rissbildung oder Delaminierung verringert. Die Gesamtabscheidungseffizienz der Kaltgasspritztechnologie ist viel höher als beim Lichtbogen- oder Flammspritzen und führt zu dichteren, hochwertigeren Beschichtungen.

Die Anwendungsmöglichkeiten für die Kaltgasspritzmetallverarbeitung sind aufgrund dieser Vorteile sehr vielfältig. In der Luft- und Raumfahrt können Kaltgasspritzbeschichtungen abgenutzte oder beschädigte Komponenten wie Turbinenschaufeln wiederherstellen, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Die metallischen Beschichtungen von Calumet bringen hochfeste Aluminiumlegierungen auf Aluminium- oder Verbundwerkstoff-Flugzeugkomponenten auf, um deren Lebensdauer zu verlängern. Automobilhersteller verwenden Korrosions- und Verschleißschutzbeschichtungen, um die Lebensdauer von Autoteilen zu verlängern. In der Industrie wird die Kaltgasspritzmetallverarbeitung für die Reparatur und Restaurierung von Maschinen sowie für neuartige Materialbeschichtungen eingesetzt, wie z.B. 3D gedruckte Metalle. Auch die Biomedizin und die Energiewirtschaft nutzen im Kaltgasspritzverfahren hergestellte Beschichtungen und Strukturen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kaltgasspritz-Beschichtungstechnologie eine wichtige Innovation in der Festkörperbeschichtungstechnologie darstellt. Das Fehlen einer hohen Wärmezufuhr ermöglicht die Beschichtung einer breiten Palette von Materialien mit überlegener Haftung und Verdichtung im Vergleich zu herkömmlichen thermischen Spritzverfahren. Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Anlagen und Prozessen für die Kaltgasspritzmetallverarbeitung erhöht die Rentabilität in zahlreichen Branchen, da sie die Reparatur, Verbesserung und Herstellung komplexer funktionaler Beschichtungen und Geometrien ermöglicht.

Geschichte und Funktionsprinzip von Cold Spray

Die Technik des Kaltgasspritzens wurde Mitte der 1980er Jahre entdeckt, nachdem russische Forscher an Studien zur Abscheidung von Überschallpartikeln gearbeitet hatten. Sie funktioniert so, dass ein elektrisch erhitztes Hochdruckgas wie Stickstoff oder Helium verwendet wird, um Metallpulver durch eine konvergent-divergente Düse auf Geschwindigkeiten zu treiben, die über der kritischen Geschwindigkeit liegen, die für die Haftung der Partikel beim Sintern erforderlich ist.

Vorteile der Kaltgasspritztechnik gegenüber dem Thermischen Spritzen

Das Kaltgasspritzen führt zu Beschichtungen mit höherer Festigkeit als das thermische Spritzen. Dies ist auf die vorwiegend mechanische Verzahnung bei niedrigeren Temperaturen zurückzuführen, die zu minimierter Oxidation, erhaltener Pulvermikrostruktur und geringerer Porosität führt.

Materialien und Anwendungen für das Kaltgasspritzen

Das Kaltgasspritzen ist aufgrund seiner Festkörperbeschaffenheit in der Lage, eine breite Palette von Materialien zu verarbeiten. Dazu gehören verschiedene Metalle, Legierungen, Keramiken und einige Polymere. Allgemein Pulverbeschichtung Zu den Rohstoffen für die Metallverarbeitung im Kaltgasspritzverfahren gehören Aluminiumlegierungen, Stahllegierungen, Kupferlegierungen und Verbundwerkstoffmischungen.

Aluminiumlegierungen wie 6061, 7075 und 2024, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet sind, können durch Kaltgießen aufgebracht werden. Die Beschichtungen erreichen eine höhere Festigkeit als die Eigenschaften des Ausgangsmaterials aus Pulver und behalten gleichzeitig ihre Duktilität. Flugzeugkomponenten, die Ermüdungs- und Verschleißbelastungen ausgesetzt sind, werden durch kaltgespritzte Beschichtungen aus Aluminiumlegierungen wiederhergestellt oder verstärkt.

Stahllegierungspulver wie Edelstahl 316, Kohlenstoffstähle und Superlegierungen wie Inconel eignen sich ebenfalls für das Kaltgasspritzverfahren. Durch Kaltgasspritzen aufgebrachte Stahlschutzschichten weisen eine hohe Haftfestigkeit in Kombination mit Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit auf. Beschädigte Maschinenteile, die einem Verschleiß unterliegen, können mit Hilfe von Cold Spray Metal Fabrication Stahlbeschichtungen wieder in ihren ursprünglichen Zustand versetzt werden.

Cold Spray Metal Fabrication ermöglicht einzigartige Materialkombinationen durch Pulvermischung vor der Abscheidung. Verbundwerkstoff- oder funktional abgestufte Materialbeschichtungen, die Mischungen aus Metallen, Keramik oder Polymeren enthalten, erweitern die Möglichkeiten dieser Technik. Beispiele hierfür sind Wolfram-Nickel-Verbundwerkstoffe oder Aluminium-Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe.

Aufgrund der bemerkenswerten Vorteile wie keine thermische Verformung und minimale Oxidation eignet sich das Kaltgasspritzen gut für Reparaturen und verlängert die Betriebslebensdauer in allen Branchen. Die Automobilindustrie und die Luft- und Raumfahrt nutzen das Kaltgasspritzen für korrosionsbeständige und verschleißfeste Beschichtungen. Auch optische, biomedizinische und energiebezogene Anwendungen nutzen kaltgespritzte Komponenten aufgrund ihrer hohen Qualität. Chromatierungsbeschichtung. Die Wiederherstellung der Abmessungen von Werkzeugen und abgenutzten Komponenten ist ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich, der durch die reproduzierbaren, nicht-thermischen Verarbeitungseigenschaften der Kaltgasspritztechnik unterstützt wird.

Prozessparameter für die Metallverarbeitung durch Kaltgießen

Gas und Temperatur

Helium und Stickstoff sind üblicherweise verwendete Inertgase, die elektrisch auf die gewünschten Temperaturen erhitzt werden, um die Partikel aufzuweichen und auf Überschallgeschwindigkeiten zu beschleunigen. Höhere Temperaturen verringern die kritische Geschwindigkeit, können aber das Substrat beeinträchtigen, wenn sie nicht richtig kontrolliert werden.

Pulver Rohmaterial

Die Partikelgrößenverteilung, die im Durchschnitt 50-100 μm beträgt, beeinflusst das Fließverhalten und die Fähigkeit, die kritische Geschwindigkeit zu erreichen. Temperierte, kugelförmige Pulver maximieren die Fließgeschwindigkeit.

Geschwindigkeit

Die Partikelgeschwindigkeiten müssen kritische Werte überschreiten, um eine ausreichende plastische Verformung und Bindung an den Grenzflächen zu erreichen. Die Geschwindigkeit wird durch das Düsendesign, den Gasdruck und die Temperatur beeinflusst, wobei Überschallwerte von über 1000 m/s erreicht werden können.

Prozess-Optimierung

Die richtige Auswahl der oben genannten Parameter ermöglicht qualitativ hochwertige Beschichtungen mit geringer Porosität und nahezu theoretischer Dichte durch Minimierung von Ablagerungsdefekten. Die Optimierung ist entscheidend, um die Mikrostruktur einzustellen und die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.

Mikrostruktur und Eigenschaften von Cold Spray Coatings

Mikrostruktur

Die Beschichtungen behalten die Pulverstruktur bei, außer an den durch Verformung entstandenen Korngrenzen, wo eine Rekristallisation im Submikronbereich stattfindet. Die Versetzungsdichte ist hoch, was zu einer Härte führt, die dem Ausgangsmaterial entspricht oder es übertrifft.

Mechanismus der Bindung

Bei ausreichend hohen Geschwindigkeiten verursachen adiabatische Scherinstabilitäten Metallstrahlen, die die Qualität der Bindung zwischen den Partikeln verbessern. Beschichtungen bilden sich durch die Anhäufung von stark plastisch verformten, durch Kaltverfestigung gebundenen Plättchen.

Residuale Spannungen

Im Gegensatz zu thermischen Prozessen fördern Druckeigenspannungen die Ermüdungslebensdauer und die mechanische Festigkeit. Die Spannungen entstehen durch die schnelle plastische Verformung bei der Abscheidung und die Kaltverfestigung bei den nachfolgenden Durchgängen.

Porosität

Gut abgeschiedene Metallbeschichtungen im Kaltgasspritzverfahren weisen eine deutlich geringere Porosität auf als thermisch gespritzte Äquivalente und nähern sich der theoretischen Dichte an, was durch die zugrundeliegende plastische Verformung und die Mechanismen des Metallstrahlens unterstützt wird.

Vergleiche mit dem Thermischen Spritzen und anderen Prozessen

Das Kaltgasspritzen bietet trotz der Verwendung von Überschallgasgeschwindigkeiten wie bei den thermischen Spritztechnologien einzigartige Eigenschaften.

Unterschiede zum Thermischen Spritzen

Das fehlende Schmelzen vermeidet Probleme wie Oxidation, bewahrt die Mikrostruktur des Pulvers, führt zu einer höheren Festigkeit der Ablagerungen und schützt die Substrate durch die Verarbeitung im festen Zustand. Die mechanische Bindung dominiert gegenüber metallurgischen Effekten, die bei Hochtemperaturverfahren wie HVOF und Plasmaspritzen auftreten.

Überlegene Eigenschaften gegenüber anderen Beschichtungen

Die hohen Aufprallgeschwindigkeiten der Feststoffpartikel führen zu dichteren Beschichtungen mit geringerer Porosität und feineren Spritzstrukturen im Vergleich zu HVOF-, Drahtbogen- und Flammspritzbeschichtungen. Günstige Druckeigenspannungen verbessern auch die mechanische Leistung.

Anwendungen, die Solid-State-Verarbeitung erfordern

Werkzeuge für die Metallverarbeitung ermöglicht die Verarbeitung von temperaturempfindlichen Materialien wie Aluminiumlegierungen, die nicht durch thermisches Spritzen verarbeitet werden können. Es ermöglicht die Abscheidung von Nanomaterialien und amorphen Legierungen unter Beibehaltung ihrer ursprünglichen Eigenschaften, da keine Erhitzungseffekte auftreten.

Zukunftsperspektiven

Das Kaltgasspritzen gewinnt weiter an Bedeutung, da sich die Anwendungen durch technologische Entwicklungen diversifizieren.

Neue Designtechniken sind vielversprechend, um die Eigenschaften des Kaltgasspritzens zu nutzen. CS kann mit Hilfe hybrider Fertigungsverfahren Innenkanäle überarbeiten, komplexe Merkmale hinzufügen und spezielle Oberflächenbehandlungen integrieren.

Nachbearbeitungsoptionen wie die lokale Induktionserwärmung bieten die Möglichkeit, die Porosität zu reduzieren, ohne die Beschichtung zu beeinträchtigen. Selektive Wärmebehandlungen können auch die mechanische Eigenschaften.

Die inhärente Fähigkeit des Kaltgasspritzens, eine breite Palette von technischen Materialien ohne Beschädigung der Substrate abzuscheiden, macht es einzigartig geeignet für die Reparatur und Wiederherstellung von sicherheitskritischen Komponenten. Die Sektoren Luftfahrt, Öl-/Gasinfrastruktur und Energieerzeugung können von der Verlängerung der Lebensdauer durch CS-Beschichtungen erheblich profitieren.

Tragbare Kaltgasspritzgeräte für die Metallverarbeitung erweitern die Reichweite, um Reparaturen vor Ort durchzuführen und so Ausfallzeiten und Kosten zu reduzieren. Die fortlaufende Optimierung zielt darauf ab, die Größe der Anlagen zu reduzieren und gleichzeitig die Beschichtungsqualität und Prozesseffizienz zu erhalten. Insgesamt bietet das Kaltgasspritzen ein großes Potenzial zur Steigerung der industriellen Produktivität und der wirtschaftlichen Auswirkungen in allen Sektoren, indem es neue Lösungen für die Materialbeschichtung ermöglicht.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich das Kaltgasspritzen als vielseitiges und vorteilhaftes Festkörperbeschichtungsverfahren etabliert hat. Durch die Beschleunigung von Pulverpartikeln auf Überschallgeschwindigkeiten mit Hilfe von komprimiertem Gas ist Kaltgasspritzen in der Lage, eine Vielzahl von technischen Materialien ohne Oxidation mechanisch abzuscheiden. Dadurch können Beschichtungen aufgetragen werden, ohne dass thermisch empfindliche Substrate beschädigt werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen thermischen Hochtemperaturspritztechniken bietet das Kaltgasspritzen bedeutende Vorteile wie minimierte Porosität, erhaltene Materialeigenschaften und geringere Eigenspannungen in den Beschichtungen. Infolgedessen übertreffen Komponenten, die im Kaltgasspritzverfahren beschichtet werden, oft die Konstruktionsstandards mit mechanischen Eigenschaften, die die Eigenschaften des Grundmaterials übertreffen.

Ursprünglich wurde die Kaltgasspritztechnik für Reparatur- und Restaurierungsanwendungen entwickelt, aber sie dehnt sich immer weiter auf neue Industriezweige und Anwendungsbereiche aus. Die fortschreitende Entwicklung hybrider Fertigungstechniken ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien und funktioneller Beschichtungen. Nachbearbeitungsmethoden bieten ebenfalls Möglichkeiten, die Leistung der Beschichtung weiter zu verbessern.

Insgesamt sind die Festkörperbeschaffenheit und die überlegenen Beschichtungseigenschaften des Kaltgasspritzens gut für verschiedene technische Anforderungen geeignet. Der kontinuierliche technologische Fortschritt deutet auf eine zunehmende Nutzung in kritischen Branchen für die Entwicklung neuer Produkte und die Verlängerung der Lebensdauer von Komponenten hin. Die Kaltgasspritzmetallverarbeitung erweist sich als eine leistungsstarke Beschichtungslösung, die innovative Materiallösungen und intelligente Fertigungsansätze der Zukunft unterstützt.

FAQs

F: Was ist Kältespray?

A: Das Kaltgasspritzen ist eine Beschichtungstechnik, bei der ein Überschallgasstrom verwendet wird, um ein Metallpulver auf eine Oberfläche zu richten und einen hochenergetischen Partikeleinschlag zu verursachen.

F: Wie funktioniert es?

A: Ein inertes Gas wie Helium oder Stickstoff wird unter Druck gesetzt und erhitzt und durch eine de Laval Düse gepresst. Die Überschallpartikel bewegen sich mit Geschwindigkeiten von über 1000 m/s, was beim Aufprall auf das Substrat zu einer plastischen Verformung und Verklebung führt.

F: Das Kaltgasspritzverfahren ist eine der neuesten Methoden zur Oberflächenbeschichtung, die zahlreiche Vorteile gegenüber dem thermischen Spritzen bietet.

A: Die Vorteile bestehen in der Möglichkeit, die Oxidationsrate zu verringern, die Mikrostruktur des Beschichtungsmaterials zu erhalten, eine dichtere Struktur, eine stärkere Haftung und eine schwächere Wirkung der thermischen Belastung auf das Substrat zu erzielen.

F: Auf welche Art von Material kann die Beschichtung aufgetragen werden?

A: Mit dem Kaltgasspritzverfahren können Sie zum Beispiel technische Materialien wie Metalle und Legierungen, Keramik und einige Polymere auftragen. Dazu gehören Aluminium, Titan, nickelhaltige Verbindungen und Stahl, einschließlich rostfreiem Stahl. F: Was sind gängige Anwendungen? A: Wartung und Überholung von Strukturen und Teilen in den Bereichen Automobil, Luftfahrt, Infrastruktur, Maschinen und Fertigung, die eine Verlängerung der Lebensdauer bestimmter Teile erfordern.