Höhere Produktion bei stabilerem Prozeß

Plasmabrenner-Technologie Triplex:
Höhere Produktion
bei stabilerem Prozeß
GÉRARD BARBEZAT
SULZER METCO
KLAUS LANDES
UNIVERSITÄT DER
BUNDESWEHR MÜNCHEN
■
Dicke Beschichtungen aus
keramischen Werkstoffen,
die neben einer hohen Schmelztemperatur auch über eine, verglichen mit Metallen, schlechte Wärmeleitfähigkeit verfügen, lassen
sich bis heute nur durch Plasmaspritzen wirtschaftlich herstellen.
Schichteigenschaften
Die am häufigsten eingesetzten
keramischen Spritzwerkstoffe sind
Bestehende Ein-Kathoden-Plasmabrenner haben in
vielerlei Hinsicht die Grenzen des technisch Machbaren
erreicht. Sulzer Metco und das Team von Klaus Landes
(Universität der Bundeswehr München), das sich mit
Plasmaphysik beschäftigt, haben einen Brenner mit
drei Kathoden entwickelt, der bei Tests im industriellen
Umfeld vielversprechende Resultate erzielte.
Cr2O3 (Bild 1■), Al2O3 und Al2O3TiO2, die aufgrund ihrer hohen
Härte und Verschleißfestigkeit als
Verschleißschutzschichten in der
Luftfahrt, der Druck- und der Textilindustrie ebenso wie in der Wasserbautechnik und in der Papierindustrie Verwendung finden.
Härte und Verschleißbeständigkeit der plasmagespritzten Keramikschichten werden aber durch
den Porenanteil begrenzt, der – in
1■ Mit dem neuen Triplex-System mit drei Kathoden lassen sich bei vergleichbaren Leistungsdaten wesentlich dichtere und härtere Schichten erzeugen als
mit herkömmlichen Ein-Kathoden-Brennern. Links eine typische keramische
Schicht (Cr2O3), rechts eine typische Haftschicht (NiCr); letztere wird zur
Verbindung von Oberflächen mit den Deckschichten aufgetragen.
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Abhängigkeit vom Werkstoff, vom
verwendeten Pulvertyp sowie vom
Spritzsystem und den eingestellten Parametern – im allgemeinen
zwischen 2 und 5% liegt. Jede Reduktion des Porenanteils führt
also zu einer Qualitätsverbesserung. (Eine Ausnahme stellt die
ZrO2-Y2O3-Wärmedämmschicht dar,
die mit einer Porosität zwischen 5
und 20% appliziert wird.)
Wirtschaftlichkeit
Bei herkömmlichen Plasmaspritzsystemen mit Leistungen zwischen 40 und 80 kW lassen sich bei
oxidkeramischen Pulvern Förderraten von bis zu 80 g/min einstellen. In Abhängigkeit von den
Spritzparametern, vom verwendeten Pulver und von den Bauteilabmessungen liegt der Auftragswirkungsgrad bei Al2O3 zwischen 40
und 70%, bei Cr2O3 dagegen nur
bei 35 bis 45%. Verbesserungen des
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Anode
Kathoden
Auftragswirkungsgrades führen
zu Pulvereinsparungen und zu
kürzeren Beschichtungszeiten.
Stromversorgung
Prozeßstabilität
Cr2O3 wird zum Beispiel in der
Drucktechnik für die Beschichtung von Rasterwalzen eingesetzt,
in deren Oberfläche mit Hilfe von
Lasern ein feines, linienförmig
angeordnetes Punktraster eingraviert wird. Neben einer hohen
Härte und Verschleißbeständigkeit kommt es hier vor allem auf
ein sehr feines, porenarmes,
gleichmäßiges Gefüge an, das frei
von Verunreinigungen ist. Die
häufigsten Verunreinigungen sind
metallische Einschlüsse, die durch
Abbrand der Wolframkathode des
Plasmabrenners während des
Spritzprozesses verursacht werden. Schon ein einziger Metalleinschluß macht die Walze für das
Lasergravieren unbrauchbar. Die
Wahrscheinlichkeit für die Bildung solcher Einschlüsse nimmt
–
mit der Einsatzdauer der Kathode
zu, weil die Wolframkathode thermisch belastet und beschädigt
wird. Die durchschnittliche Standzeit einer solchen Kathode unter
Produktionsbedingungen liegt bei
einem gängigen Plasmabrenner,
z. B. dem Typ F4 von Sulzer Metco,
bei extremen Parametern zwischen 40 und 50 Stunden.
HOHE ZIELE GESTECKT
Bei einem neu zu entwickelnden
Plasmabrenner-System standen
deshalb folgende Forderungen im
Vordergrund: Durch höhere Stand-
Kathode
Anode
Stromversorgung
–
+
2■ Bei herkömmlichen Ein-Kathoden-Brennern kann der
anodenseitige Lichtbogen-Fußpunkt (Pfeil) sowohl in axialer
als auch in tangentialer Richtung wandern. Dabei ändern sich
Spannung und Leistung, was zu unerwünschten Leistungsschwankungen und Lärmemissionen führt.
+
3■ Beim Triplex-System werden drei Kathoden eingesetzt,
die getrennt mit Energie versorgt werden; die anodenseitige
Position der Lichtbogen-Fußpunkte bleibt axial dank der
voneinander isolierten Neutroden (Pfeil), tangential dank
der gegenseitigen Abstoßung der Bogen stabil.
zeiten der Kathoden sollten die
Prozeßstabilität verbessert und
damit metallische Einschlüsse
verringert und im Idealfall gänzlich vermieden werden. Weitere
Ziele waren die Reduktion des
Porengehaltes zur Verbesserung
der Schichtqualität und die Steigerung der Wirtschaftlichkeit des
Spritzprozesses durch erhöhten
Wirkungsgrad bei gleichzeitig gesteigertem Pulverdurchsatz. Um
diese Forderungen erfüllen zu können, mußte die bisher übliche
Konzeption und Konstruktion von
Plasmabrennern von Grund auf
neu überdacht werden.
TRIPLEX:
DREI KATHODEN STATT EINE
Bei herkömmlichen Brennern wie
dem bereits erwähnten Typ F4
wird durch eine elektrische Gasentladung zwischen einer einzelnen Wolframkathode und einer
einteiligen, düsenförmigen Kupferanode ein Lichtbogen erzeugt
und durch Zufuhr elektrischer
Ladung aufrechterhalten. Wäh-
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4■ Schnitt der Düsenspitze des Triplex-Brenners: Durch
drei Öffnungen (einer pro Lichtbogen) vor dem Ausgang
der Anode wird das
zu applizierende
Pulver in die heißesten Bereiche des Plasmastrahls injiziert.
rend der Lichtbogen mit seinem
kathodischen Fußpunkt an der
Spitze der Wolframkathode fixiert
ist, kann sich der anodische Fußpunkt an der ausgedehnten Innenwandung der Anode in axialer und
tangentialer Richtung bewegen
(Bild 2■). Die Wanderung des
anodischen Lichtbogen-Fußpunktes bedeutet Änderungen der
Lichtbogenlänge und führt damit
bei konstant gehaltenem Strom zu
Schwankungen der Lichtbogenspannung und -leistung. Dies wiederum verschlechtert wegen un-
terschiedlichen Wärmetransfers
und Beschleunigung des am Ausgang der Düse injizierten Pulvers
die Qualität des Prozesses. Im neuentwickelten Plasmaspritzbrenner Triplex wird eine effektivere
und gleichmäßigere thermische
und strömungsmechanische Beeinflussung der Pulverpartikel
erzielt; dies aufgrund der folgenden Eigenschaften:
• Der Triplex-Brenner hat drei
gegeneinander isolierte Kathoden, die durch unabhängige
Stromquellen versorgt werden
und von denen drei identische
Teillichtbögen ausgehen.
• Für die anodischen Fußpunkte
dieser Teillichtbögen wird eine
Wanderung sowohl in axialer als
auch in tangentialer Richtung
durch konstruktive Maßnahmen
vermieden (Bild 3■).
• Die so stabilisierten Teillichtbögen bilden zusammen einen stationären Gesamtplasmastrahl.
Prozeßstabilität (V)
Triplex
THERMISCHE
WANDBELASTUNG REDUZIERT
Im Fall eines einzelnen Lichtbogens würde bei üblichen Leistungen die Fixierung des anodischen Fußpunktes eine zu hohe
thermische Wandbelastung veursachen und damit die Anode
schwer beschädigen. Beim TriplexBrenner wurde die elektrische Leistung deshalb auf drei parallel
brennende Lichtbögen aufgeteilt,
so daß auch die Wandbelastung an
den anodischen Fußpunkten maßgeblich verringert werden konnte.
Als Vorteil ergibt sich eine erhöhte
Standzeit der Anode. Zwischen
Kathodenbereich und Anode ist die
Düse des Triplex-Plasmabrenners
aus mehreren gegeneinander isolierten sogenannten Neutroden
aufgebaut. Durch die Anzahl der
Neutroden können die Länge und
die Spannung der Lichtbögen
sowie die Enthalpie des Plasmas
gezielt variiert werden.
PRAKTISCHE ERFAHRUNGEN
Herkömmlicher Brenner
40 h
Betriebszeit
200 h
5■ Die Leistung der Triplex-Kathoden bleibt mehr als 200 Stunden lang stabil;
Ein-Kathoden-Systeme weisen demgegenüber einen kontinuierlichen
Leistungsabfall auf und können nicht viel länger als 40 bis 70 Stunden
bei kritischen Parametern eingesetzt werden.
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• Dessen Dreifachsymmetrie kann
vorteilhaft durch einen Dreifachinjektor (Bild 4■) genutzt
werden.
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1997 ging das erste Triplex-System
in Betrieb; es hat eine maximale
elektrische Leistung von 25 kW.
Mit dem zweiten System, das eine
maximale Leistung von 50 kW aufweist, werden seit Mitte 1998 im
industriellen Umfeld Erfahrungen
gesammelt. Der Triplex-Brenner
wird mit einem Gas-Gemisch aus
Argon und Helium oder mit reinem
Argon betrieben – der Einsatz von
Wasserstoff ist nicht nötig, was ein
Vorteil bezüglich Sicherheit ist.
6■ Die Strömung des Plasmastrahls des Triplex-Brenners (oben)
ist praktisch laminar, im Gegensatz zu derjenigen eines Brenners
vom Typ F4 (unten), die deutliche Turbulenzen aufweist.
(Abbildungszeit bei beiden Aufnahmen 50 Nanosekunden.)
Wirtschaftlichkeit des Plasmaspritzens keramischer Werkstoffe
im Vergleich zu herkömmlichen
Ein-Kathoden-Brennern deutlich
– ohne daß die Leistung erhöht
werden mußte. Die Prozeßzeiten
werden deutlich reduziert. 1999
nahmen vier Triplex-Anlagen (drei
in Europa, eine in den USA) den
Betrieb auf. Die Technologie ist
ausgereift und kann auch in
Lizenz angewendet werden.
Ω
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Sulzer Metco AG (Switzerland)
Gérard Barbezat
Rigackerstraße 16
CH-5610 Wohlen
Schweiz
Telefon +41 (0)56-618 81 81
Telefax +41 (0)56-618 81 99
E-Mail [email protected]
Bogenspannung (V)
Die Durchflußmengen liegen bei
Ar zwischen 15 und 90 l/min, bei
He zwischen 5 und 40 l/min. Als
Gesamtstromstärke, die sich auf
die drei Kathoden aufteilt, können
Werte zwischen 300 und maximal
600 A bei Spannungen von ungefähr 80 bis 110 V eingestellt werden. Untersuchungen von Schichten aus Cr2O3, Al2O3 und Al2O3TiO2 zeigen, daß sich mit dem Triplex-System bei vergleichbaren
Leistungsdaten wesentlich dichtere und härtere Schichten erzeugen
lassen als mit einem herkömmlichen F4-Brenner. Dabei lassen
sich neben einem doppelten bis
dreifachen Pulverdurchsatz auch
noch wesentlich höhere Auftragswirkungsgrade erzielen; diese beiden Faktoren ermöglichen eine
Gesamtproduktivitätssteigerung
von 300%. Dreifache Pulvermenge
bedeutet für das zu beschichtende
Werkstück allerdings auch die
dreifache Wärmebelastung – die
relativen Bewegungen zwischen
Brenner und Werkstück müssen
entsprechend angepaßt werden.
Das Triplex-System ist aus diesem
Grund vor allem für die Beschichtung von großen bis mittleren Teilen geeignet.
Beim Triplex-System wurden auch
bei sehr hohen Leistungen Standzeiten der Kathoden von mehr als
200 Stunden erzielt (Bild 5■). Da-
durch wird einerseits die Qualität
der Schichten auf kritischen Produkten wie Rasterwalzen deutlich
erhöht, weil der Kathodenverschleiß reduziert wird. Anderseits
verbessert sich die Wirtschaftlichkeit des Spritzprozesses, weil die
Stillstandshäufigkeit für Kathodenwechsel sinkt; durch die erheblich längere Standzeit werden
auch die Qualitätssicherungskosten deutlich reduziert.
Ein weiterer Vorteil des TriplexSystems ist die geringere Lärmbelastung, die auf den stabilen
Lichtbogen (Bilder 6■ und 7■) und
die weitgehend laminare Plasmaströmung zurückzuführen ist. Die
Lärmbelastung ist, bei gleicher
Leistungsaufnahme, mit 100 db(A)
deutlich niedriger als beispielsweise beim F4-Brenner mit 120 db(A).
Das Triplex-System verbessert die
100
80
+1
60
40
–1
20
0
0
1
2
3
4 Zeit (ms)
7■ Während herkömmliche Brennersysteme starke Leistungsschwankungen
aufweisen (oben), bleiben die Leistungsschwankungen der drei Triplex-Lichtbögen in einem minimalen Bereich (unten). Das wirkt sich auch sehr positiv
auf die Lärmemissionen aus.
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