Simulationsunterstützte Prozessentwicklung für die Applikation von MCrAlY-Beschichtungen mittels des AC-HVAF-Prozesses

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437084607

Das AC-HVAF-Verfahren (Activated Combustion High Velocity Air Fuel) ist eine Prozessvariante des thermischen Spritzens. Die Partikelzustandsgrößen, wie z. B. Partikelgeschwindigkeit und temperatur, sind entscheidend für die Eigenschaften einer thermisch gespritzten Beschichtung. Das AC-HVAF-Verfahren kann die im Hinblick auf die Partikeltemperatur und –geschwindigkeit existierende Lücke zwischen den beiden Prozessvarianten – High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) und Kaltgasspritzen (Cold Gas Spraying, CGS) - schließen. Die dadurch resultierende Kombination der Partikelgeschwindigkeit und –temperatur kann zu einer geringen Porosität und einem geringen Oxidanteil der Beschichtung führen, weswegen das AC-HVAF-Verfahren ein potenzielles Verfahren zur Applikation hochwertiger MCrAlY-Beschichtungen ist, wo M Nickel, Cobalt oder deren Kombination repräsentiert. Die in der Literatur berichtete hohe Energieeffizienz des AC-HVAF-Prozesses aufgrund der hohen Auftragsrate und des hohen Auftragswirkungsgrads stellt einen weiteren Vorteil dar. Das Verfahren ist allerdings wenig verbreitet. Der wesentliche Grund dafür ist das begrenzte Verständnis über den Prozess. Hierfür ist die Untersuchung der Strömungs- und Verbrennungsvorgänge während des Prozesses notwendig, weil diese die Partikelzustandsgrößen beeinflussen können. Ein Großteil des AC-HVAF-Prozesses findet innerhalb des Brenners und der Düse statt, und ist daher messtechnisch schwer zugänglich. Die numerische Strömungssimulation kann die Vorgänge innerhalb des Brenners abbilden. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von AC-HVAF-Prozessen, die die Applikation hochwertiger MCrAlY-Beschichtungen ermöglichen. Diese Entwicklung wird durch den Einsatz von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) unterstützt. Das CFD-Modell wird zuerst anhand der Spritzprozesse für einen feinen und einen groben CoNiCrAlY-Spritzzusatzwerkstoff entwickelt. Dabei werden unterschiedliche Aspekte, wie z. B. die Vernetzung des Modells und das Verbrennungsmodell, betrachtet. Die Partikelgeschwindigkeit im Freistrahl der betrachteten Prozesse wird anhand von Prozessdiagnostik bestimmt, um das Simulationsmodell zu validieren. Zudem werden verschiedene Prozessparameter systematisch variiert, um die Eignung des Modells für verschiedene Prozessbedingungen zu untersuchen. Das entwickelte Modell wird anschließend für die Prozessentwicklung für zwei NiCoCrAlY-Spritzzusatzwerkstoffe eingesetzt, um das Modell weiter zu validieren und entwickeln. Die Eigenschaften der Beschichtungen – Porosität, Sauerstoffanteil und Oberflächenrauheit – von ausgewählten Beschichtungen sowie ihr Verhalten bei isothermer Auslagerung werden analysiert, um die Korrelation zwischen den Prozessparameter bzw. der Prozessbedingung und den Schichteigenschaften abzuleiten. Dadurch kann das Verständnis über den AC-HVAF-Prozess weiter vertieft werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Mehmet Öte