DVS_Bericht_386LP

Aufgrund hoher erreichbarer Aufbauraten in Verbindung mit dem geringen Wärmeeintrag und den sich daraus
ergebenden Eigenschaften, zeigt das Verfahren ein großes Potential sowohl für den Einsatz auf dem Gebiet
der additiven Fertigung zur Herstellung von Freiformkörpern als auch im Kontext von Reparaturanwendungen
für beschädigte Bauteile [6]. Bei der Fertigung mehrlagiger Aufträge unter einem Auftragswinkel von 90° bildet
sich ein gaußförmiges Spurprofil, welches sich bei fortwährender Materialablagerung zu einer dreieckigen
Spurgeometrie entwickelt. Die Entstehung dieser ist im Wesentlichen auf die unterschiedlichen
Geschwindigkeiten der Pulverpartikel im Spritzstrahl zurückzuführen [7]. Sobald die dreieckige Spurgeometrie
vollständig ausgebildet ist, verhindert diese eine weitere Materialanbindung, sodass im Anschluss auftreffende
Pulverpartikel an den Seitenflächen der dreieckigen Kontur abgeschieden werden [7]. Dieser Effekt verhindert
bereits die Fertigung geometrisch primitiver Freiformkörper, sodass die Anwendung einer – auf die
entstehende Spurgeometrie angepasste – Aufbaustrategie zwingend notwendig ist.
2 Stand der Technik
2.1 Kaltgasspritzen – Grundlagen und Verfahrensprinzip
Die Bezeichnung „Kaltgasspritzen“ ist auf die im Rahmen der Verfahrensentwicklung nicht oder kaum
aufgeheizten Gasströme zurückzuführen [8]. Heutzutage wird hingegen mit aufgeheizten Gasströmen von bis
zu 1100°C gearbeitet. Das Erhitzen des Gasstromes begünstigt zum einen die Anhaftung der Pulverpartikel
auf dem Substrat, da eine erhöhte Gastemperatur mit einer erhöhten Partikeltemperatur einhergeht und
letztendlich in einem verbessertem Verformungsverhalten der Partikel beim Aufprall resultiert [8, 9]. Zum
anderen wird mit steigender Temperatur die lokale Schallgeschwindigkeit des Gases erhöht, sodass sich eine
gesteigerte Strömungsgeschwindigkeit des Pulvergasstromes einstellt und die Partikel mit einer höheren
Geschwindigkeit auf das Substrat treffen [8].
Kaltgassysteme sind in zwei unterschiedlichen Ausführungen erhältlich, wobei grundsätzlich zwischen Niederund
Hochdrucksystemen differenziert werden kann [2]. Niederdrucksysteme (engl. Low-pressure cold spray
(LPCS)) werden typischerweise mit einem Maximaldruck bis zu 1 MPa betrieben, während bei
Hochdrucksystemen (engl. High-pressure cold spray (HPCS)) der Pulvergasstrom mit bis zu 7 MPa eingeleitet
wird [2, 5]. Abbildung 2 zeigt die Anordnung der Systemkomponenten bei einem Hochdruckkaltgassystem.
Abbildung 2. Funktionsprinzip und Systemkomponenten eines Hochdruckkaltgassystems nach [10,11]
2.2 Bindungsmechanismus und Schichtaufbau
Die durch das Kaltgasspritzen hervorgerufene Materialverfestigung beruht auf komplexen Verformungs- und
Bindungsmechanismen. Von zentraler Bedeutung ist in diesem Kontext die Partikelgeschwindigkeit (vp) der
Pulverpartikel. Materialabhängig muss ein bestimmter Wert – die sogenannte kritische Geschwindigkeit (vcr) –
überschritten werden, um statt der erosiven Wirkung eine Anhaftung bzw. Ablagerung der Partikel zu erreichen
[2, 10]. Das Erreichen der kritischen Geschwindigkeit hängt maßgeblich von den Materialeigenschaften der
Pulverwerkstoffe wie beispielsweise der Dichte, dem Partikeldurchmesser, der spezifischen Wärmekapazität
oder auch der temperaturabhängigen Festigkeit ab [5, 12].
Der Schichtaufbau duktiler Partikel kann gemäß [10, 11] in die in Abbildung 3 dargestellten vier Phasen
unterteilt werden. Zuerst erfolgt die Anbindung an das Substrat bevor in der zweiten Phase das Auftreffen
nachfolgender Pulverpartikel auf der Initialschicht zu einer Neuorientierung führt bei gleichzeitiger plastischer
Verformung, wodurch in der dritten Phase eine weitere Verdichtung erreicht wird. Durch diese Verdichtung
werden Hohlräume zwischen den Partikeln geschlossen, sodass sich eine metallurgische Bindung zwischen
den Partikeln einstellt [10, 11]. In der letzten Phase kommt es zu einer Verfestigung der Pulverpartikel durch
Kaltverformung aufgrund des fortwährenden Aufpralls von Partikeln [2, 10, 11].
2
DVS 386