Kristallstruktur und Mikrostruktur Teil II Vorlesung 3 · Unter ‘Cladding’ versteht man die Auftragung von aufgeschmolzenem Metall auf eine Metalloberfläche. Die Wärmequelle

Kristallstruktur und Mikrostruktur

Teil II

Vorlesung 3

2

Teil II

1 Erstarrung - Grundlagen

2 Erstarrung/ - Wachstum/ Gefüge (Mikrostruktur)

3 Praktische Beispiele: das Schweißen und das thermische Spritzen

4 Texturanalyse

3

Vorlesung 3

Technische Anwendungen von Erstarrung

Schweißen

Das Prinzip

Varianten

Kristallwachstum und Gefüge

Thermisches Spritzen

Das Prinzip

Varianten

Low pressure plasma Spritzen (LPPS)

Eigenschaften

Erstarrungsvorgänge

Gefüge

4

Erstarrungsvorgänge

Technische Anwendungen

SchweißenUnter „Schweißen“ versteht man die Verbindung von

Werkstücken unter der Verwendung von Hitze. Die Wärmequelle

ist ein Lichtbogen, der zwischen der Schweißelektrode

und dem Werkstück erzeugt wird.

Cladding (Auftragschweißen)

Unter ‘Cladding’ versteht man die Auftragung von

aufgeschmolzenem Metall auf eine Metalloberfläche.

Die Wärmequelle ist ein Laser. Die Schmelze erstarrt schnell

und dient als Schutzschicht.

Thermisches SpritzenUnter ‘thermisches Spritzen’ versteht man verschiedene

Verfahren in den aufgeschmolzene Partikeln auf eine Oberfläche

aufgeschleudert werden. Die Partikel erstarren schnell und bilden

eine Schicht.

5

Technische Anwendungen

Anwendung maximale Temperatur Vorgänge______________

Löten ≤ 450 oC Schmelzen

Schweißen 5500 – 6000o C Schmelzen

Spritzen 10000 – 20000 oC Schmelzen und Verdampfung

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Schweißen

Arten von Schweißen:

Festkörper-Schweißen

Explosion-Schweißen

Fusion (Schmelz)–Schweißen

Schmelz-Schweißen

Elektroschweißen

(Lichtbogenschweißen)

Schutzgas-Schweißen

Strömstärke

Spannung

7

Elektroschweißen

2

1

1 Elektrodenkernstab

2 Elektrodenumhüllung

3 Schmelztropfen

4 Gase

5 flüssige Schlacke

6 verfestigte Schlacke

7 abgekühlte Schweißgut

8 flüssige Schmelze

9 Lichtbogen

10 Werkstück

-

Anode

Kathode

8

SchweißenSchutzgas-Schweißen

Füllerstab

Lichtbogen

W-Elektrode

Schutzgas

Schmelze

9

SchweißenEigenschaften der Schmelze

In der Schweißzone gibt es:

Temperaturgradienten

Gradienten der Zusammensetzung

Schmelz- und Gasturbulenzen

Wärmefluxgleichung

DT = 2lv∂T/∂(x-vt) (1)

Lösung für eine dünne Plate:

x = x – Vt; V – Geschwindigkeit des Bogens

r2 = x2 + y2 + z2

q – Wärmeflux [kJ/s]

T ~ To + q(v/l)exp(vx/a)cos(u+p/4)/u (2)

u = Vr/2a

l – thermische Leitfähigkeit

a = l/Cp (3) thermische Diffusivität

S

F

10

SchweißenEigenschaften der Schmelze

Wärmequelle (Lichtbogen)

Die Form und die Größe der flüssigen

Schmelze hängt stark von der Schmelzdiffuisivität

(a = l/Cp) ab.

a = 10x10-5 m2/s

a = 9x10-6 m2/s

a = 5x10-6 m2/s

Easterling (2009)

Richtung des Schweißen

*

11

SchweißenEigenschaften der Schmelze

Stahl, q = 3.1 kJ/s, Dicke = 3mm

größere Schweißgeschwindigkeiten führen zu kleineren Schmelzpools

thermische Isotherme

Lichtbogen-Position

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SchweißenErstarrung

Heterogene Keimbildung an der Metalloberfläche:

DG*het = DG*hom S(Q) (4a)

S(Q) = (2 + cosQ)(1 – cosQ)2/4 (4b)

Q

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In der Vorlesung KM_II_1 Youngsche Gleichung: gML = gSM + gSL cos(Q) (4c)

# TOberfläche ~ TLiquidus ;

# die Zusammensetzungen der Schmelze und des Basismetalls sind fast identisch →

gML ~ gSL und gSM ~ 0. Nach der Youngschen Gleichung:

cos(Q) ~ 1 und Q ~ 0 Grad. Q → 0 S(Q) → 0

DGhet* = DGhom* S(Q) → 0

Praktisch gibt es keine Energiebarriere

für Keimbildung bei dem Schweißen;

SchweißenErstarrung

Easterling (2009)

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SchweißenKristallwachstum

Liquidus# Maximale Unterkühlung DTmax ┴ dem Liquidus

# Die Kristallwachstumsgeschwindigkeit

Ṙ ~ DT (Vorlesung 2)

# Der Lichtbogen (Liquidus) bewegt sich mit

Geschwindigkeit v;

# Bedingung für die maximale

Kristallwachstumsgeschwindigkeit Ṙ:

Ṙmax = vcos(Q*) (5)

Q* ~ 0o schnelles Wachstum

große Körner

Q* ~ 90o langsames Wachstum

kleine Körner

Abb. 2

Abb. 1

Easterling (2009)

*

*

15

SchweißenGefüge

Die Gefüge sind sehr komplex und abhängig von:

- Temperatur-Zeit Verlauf

(Werkstückdicke, Schweißverfahren,

Schweißparameter; Geschwindigkeit der

Wärmequelle)

- Art der Lagentechnik

(Ein- oder Mehrlagentechnik)

- Chemische Zusammensetzung des Werkstoffes

Werkstückränder

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SchweißenGefüge

Ni , Schutzgasschweißen

kleine Schweißgeschwindigkeit

Stahl, Lichtbogenschweißen

Größere Schweißgeschwindigkeit)

Esterling (2009)

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Thermisches SpritzenDas Prinzip

Brenner Transport Substrat oder Bauteil

# Zufuhr von Energie in den Brenner und die Entstehung eines Plasmas

# Zufuhr vom Pulver (oder Suspension)

# vollständiges (oder partiales) Aufschmelzen des Materials

# Beschleunigung der Tröpfchen (Partikeln) mit Hilfe von Gasen im Gasstrahl

# Aufprall der Partikeln (Tröpfchen) auf das Substrat

# Erstarren der geschmolzenden Partikeln und Schichtbildung

Gasstrahl

Material

Energie-Quelle

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Thermisches SpritzenVerfahrenvarianten

Energiequelle:

Plasma

Lichtbogen

Brenngasflamme

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Thermisches SpritzenVerfahrenvarianten

Drahtspritzen

• Lichtbogen als Wärmequelle

• Metalle/Legierungen in Drahtform

• sehr geringe Partikelgeschwindigkeiten

Plasmaspritzen

• hohe Plasma-Temperaturen (> 4500°C)

• hauptsächlich für Oxidkeramiken

• in der Luft oder im Vakuum

Überschall-Flammspritzen (HVOF)

• mittlere Flammtemperaturen (3000°C)

• Überschall-Geschwindigkeiten

• Cermets (Hartstoffe) und Metalle

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Anwendungen von Plasma-SpritzenHerstellung von Wärmedämmschichten

Thermal Barrier Coatings (TBC)

Verlängerung der Lebensdauer von Turbinen

Höhere Leistung

niedrigethermische Leitfähigkeit!!

21

Plasmaspritzen

M. Boulos, P. Fauchais, E. Pfender

Thermal Plasmas, Fundamentals and Applications

Plenum Press, NY, 1994

Einflussfaktoren

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PlasmaspritzenBrenner

APS – Atmosphärisches Plasmaspritzen in der Luft

VPS – Vakuumplasmaspritzen im Vakuum

LPPS - Low Pressure Plasmaspritzen im Hoch-Vakuum

Prozessgas: Ar, N2, He oder eine Mischung

Pulver + Fördergas

Lichtbogen

Gemisch aus Plasma und Gase

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Thermisches SpritzenBrenner

Eín TriplexPro 200 APS-Brenner von Sulzer Metco im Betrieb im IEK-1, FZJ

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Low Pressure Plasma Spraying

Multicoat® (Sulzer Metco) O3CP Brenner

Netto Leistung 45 – 55 kW!!!

Die Vakuumkammer

Vakuumpumpen

Das Kommandpult

Probehalter

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Low Pressure Plasma Spraying

Die Enthalpie verschiedener Plasmagasen

El. Leistung P = IU

Temperatur des Plasmas

26

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.810000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

En

thalp

y (

kJ/k

g)

Mole Fraction He

Enthalpie von Ar-He Plasma

Low Pressure Plasma Spraying

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

10

20

30

40

50

60

70

Th

erm

al

Co

nd

ucti

vit

y (

mW

/cm

.K)

Mole Fraction He

P = 2 mbar

Thermische Leitfähigkeit l

Zotov (2010)Der Wärmeübetragungskoeffizient

h ~ 2l/Dp, (6)

Das Aufheizen der Partikeln wird effektiever, wenn h großer wird.

27

Low Pressure Plasma Spraying

Plasmatemperaturen

parallel zum Strahl

senkrecht zum Strahl

G. Mauer et al, J. Thermal Spray, 20 (2011) 391

Kollisionen mit Gasteilchen;

Starhlungsverluste

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Plasmaspritzen

Zustand der ‚Partikeln‘

# nicht-aufgeschmolzene Pulverpartikeln

# kügelformige geschmolzene Partikeln

# kleine atomare Cluster

# neutrale Atome

# ionisierte Atome

Brennerleistung

Gas-Mischung

Abstand Brenner – Substrat

Vakuum

Al2O3/TiO2

Hö

hes

Vak

uu

m,

hö

her

e T

emp

erat

ur

Zustand der ‚Partikeln‘

29

Plasmaspritzen

Gasgeschwindigkeit

(1) Vg ~ (T)½ / Mg (7) ; Mg – gemittelte Molarmasse des Gases

(2) Druck

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.02000

2500

3000

3500

4000

4500

5000 Zotov

Qunbo (2010)

Max G

as S

peed

(m

/s)

Mole Fraction He

Kim et al., IEEE (1995)

30

PlasmaspritzenPartikelauftreffen auf das Substrat

Aufprall laterales Schmelzefliesen Erstarrung

Pancake Form(Splats)

Höhe Partikelgeschwindigkeit

Wärmeabfuhr durch des Substrat

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PlasmaspritzenSplats

Al2O3 Splats/ 1040 Stahl-Substrat

Chandra & Fauchais (2009)

D

d

Die Abflachung des Splats:

x = D/d; (8a)

für geschmolzene Partikeln

x 4~ r VP DP/hL (8b)

Schnelle Partikeln mit niedriger Viskozität

flachen mehr ab.

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PlasmaspritzenPartikelauftreffen auf das Substrat

‚niedrige‘ Partikelgeschwindigkeit

Abscheiden

kugelförmige Partikeln auf der Oberfläche

einer LPPS Schicht

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PlasmaspritzenErstarrung-Vorgänge

• amorphe Splats hohe Partikelgeschwindigkeit

hohe Gastemperaturen > Tm

+ schnelles Abkühlen

• kristalline Splatshohe Partikelgeschwindigkeit

‚niedrige‘ Temperaturen

und ‚langsames‘ Abkühlen

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Substrat

Splats

Nicht-geschmolzene Partikeln

auftreffende Schmelzpartikeln

PlasmaspritzenMikrostruktur der Schicht

Hohlraum

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PlasmaspritzenMikrostruktur (APS Schichten)

ZrO2 TBC Schicht

A – gute Splat-Splat Haftung

B – schlechte Splat-Splat Haftung

C – unvollständig aufgeschmolzene Partikeln

D – kolumnares Kristallwachstum

F, G - Spannungsrisse

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PlasmaspritzenMikrostrukturen (LPPS Schichten)

Höhere Plasma Enthalpie

↕

Höher Verdampfungsgrad

↕

Abscheidung aus der Gasphase

poröse Schichten

niedrige Plasma-Enthalpie

(mehr geschmolzene Partikeln)

höhere Partikel-Geschwindigkeit

dichte Schichten aus feinen Splats

Zotov (2011)

37

PlasmaspritzenMikrostrukturen (LPPS Schichten)

Säulenartige Schichten

Abscheidung aus der Gasphase

(sehr hohe Enthalpie des Plasmas; niedrige Oberflächendiffusion)

Dichte Schichten aus feinen Splats

Abscheidung von geschmolzenen Partikeln

(‚mittlere‘ Enthalpie des Plasmas; niedrige Oberflächendiffusion)

Rekristallisierte Schicht

Abscheidung von geschmolzenen Partikeln

(‚mittlere‘ Enthalpie des Plasmas; hohe Oberflächendiffusion)

ZrO2

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Zusätzliche Literatur

M. Boulos, P. Fauchais, E. Pfender

Thermal Plasmas, Fundamentals and Applications

Plenum Press, NY, 1994

F. Eichorn

Plasmaspritzen von Oxidkeramischen Werkstoffen, 1973