Development of a method for in-situ determination of deposition efficiency in thermal spraying

• Applicant: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Subject Area: Production Automation and Assembly Technology ; Coating and Surface Technology
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 352196289

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Beim Plasmaspritzen ist der Auftragswirkungsgrad einer der entscheidendsten Faktoren, der maßgeblich durch die Prozessparameter und folglich die Partikelzustandsgrößen beeinflusst wird. Aufgrund der komplexen Wechselwirkungen zwischen der Vielzahl von Einflussfaktoren, ist eine präzise Vorhersage des Auftragswirkungsgrads anhand der Prozessparameter nicht Stand der Technik. Mit Hilfe einer in situ-Bestimmung des Auftragswirkungsgrades können die optimalen Prozessparameter in Bezug auf die Prozesseffizienz schneller bestimmt werden. Eine in situ-Bewertung des Einflusses unterschiedlicher Prozessparameter auf die Partikelhaftung beschleunigt nicht nur den Schichtentwicklungsprozess, sondern verbessert auch das Verständnis über die Korrelation zwischen den Prozessparametern, Partikelzustandsgrößen und Schichteigenschaften. Ein vielversprechender Lösungsweg für die in situ-Bestimmung des Auftragswirkungsgrads ist die Ermittlung der Massenflüsse der in die Richtung der Substratoberfläche fliegenden und vom Substrat abprallenden Partikel. Im Rahmen dieses Projekts wurde am IGT eine Methodik zur Bestimmung der Partikelmassenflüsse im Freistrahl mittels Partikeldiagnostik entwickelt. Dieser Ansatz wurde dann erfolgreich zur Bestimmung des lokalen Auftragswirkungsgrads im Plasmaspritzen eingesetzt. Darüber hinaus konnten die substratnahen Partikel erfolgreich erfasst werden, welche der erste Schritt zur in situ-Bestimmung des Auftragswirkungsgrads ist. Die wichtigsten Ergebnisse des Projekts lassen sich wie folgt zusammenfassen: Gesamtheitliche Erfassung der Massenflüsse im TS durch die Partikeldiagnostik ist möglich. Bestimmung des lokalen Auftragswirkungsgrads wurde zum ersten Mal im TS erfolgreich durchgeführt. - Die substratnahen Messungen zur Erfassung abprallender Partikel kann eine in situ-Bestimmung des Auftragswirkungsgrads ermöglichen. - Die Massenflüsse im gesamten Freistrahl können mit der HiWatch nur durch aufwändige Rastermessung erfasst werden. - Zur in situ-Erfassung der substratnahen Partikel im gesamten Freistrahlquerschnitt sind zukünftig leistungsfähigere Diagnostikgeräte erforderlich.

Publications

• Determination of local deposition efficiency based on in-flight particle diagnostics in plasma spraying, Surface and Coatings Technology (2020), 126118
  K. Bobzin, W. Wietheger, H. Heinemann, S. R. Dokhanchi
  
• Estimation of Particle Mass Flow Rate in Free Jet Using In-Flight Particle Diagnostics in Plasma Spraying, Journal of Thermal Spray Technology 29 5 (2020), 921-931
  K. Bobzin, W. Wietheger, M. A. Knoch, S. R. Dokhanchi