Plasmaspritzen mit einem kaskadierten Einzellichtbogen

Heinemann, Hendrik; Bobzin, Kirsten; Tillmann, Wolfgang

doi:43200

Plasmaspritzen mit einem kaskadierten Einzellichtbogen = Cascaded single-arc plasma spraying

Heinemann, Hendrik^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeHendrik Heinemann

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-8440-9417-6

ReiheSchriftenreihe Oberflächentechnik ; 78

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bobzin, Kirsten (Thesis advisor)^RWTH* ; Tillmann, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-09-05

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-04009
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/984322/files/984322.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Oberflächentechnik im Maschinenbau (419010)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Beschichtungen (frei) ; Lichtbogen (frei) ; Plasmaspritzen (frei) ; Simulation (frei) ; coatings (frei) ; electric arc (frei) ; plasma spraying (frei) ; simulation (frei) ; thermal spraying (frei) ; thermisches Spritzen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Atmosphärische Plasmaspritzen ist eine vielseitig einsetzbare Beschichtungstechnologie zur Applikation einer breiten Palette an Schichtwerkstoffen. Innerhalb des atmosphärischen Plasmaspritzens ist das kaskadierte Plasmaspritzen mit Einzellichtbogen eine industriell noch recht junge Verfahrensvariante. Die dabei genutzten Generatoren vereinen den Vorteil des vergleichsweise einfachen Aufbaus eines Einzellichtbogengenerators mit den erzeugten hohen Leistungen eines kaskadierten Generators. Allerdings sind die im kaskadierten Plasmaspritzen genutzten Generatoren noch recht unerforscht; insbesondere hinsichtlich der Bewegung des Lichtbogens und dem daraus resultierenden Stabilitätsverhaltens des Plasmafreistrahls. In dieser Arbeit wird daher anhand von Messungen der elektrischen Kenngrößen in Kombination mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen das Stabilitätsverhalten dieses Generatortyps untersucht. Dazu wird eine neue Methodik entwickelt, die es ermöglicht, die Aufnahmen quantitativ zu analysieren und hinsichtlich ihres Einflusses auf die Partikel zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass die kaskadierten Einzellichtbogengeneratoren eine vergleichbare Prozessstabilität zu kaskadierten Mehrlichtbogensystemen aufweisen. Diese Untersuchungen werden durch Simulationen des Plasmagenerators und des partikelbeladenen Freistrahls zur Vorhersage der Partikelgeschwindigkeiten und -temperaturen ergänzt. Die Simulationen sind in der Lage, die am Plasmagenerator entstehenden Nettoleistungen und elektrischen Leistungen gut vorherzusagen. Darauf basierend können die Simulationen die Partikelgeschwindigkeiten mit hoher Genauigkeit abbilden, auch wenn die Partikeltemperaturen derzeit noch leicht überschätzt werden. Im dritten Teil der Arbeit werden die Anbindungspositionen des Lichtbogens im Plasmagenerator durch Simulationen und experimentelle Untersuchungen analysiert und durch externe Magnetfelder manipuliert. Dabei wird die grundsätzliche Möglichkeit der Manipulation unter Beweis gestellt und gezeigt, dass diese potenziell einen Einfluss auf den Auftragswirkungsgrad haben kann. Die auf den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen basierende Stabilitätsanalyse ist eine neuartige Methode, welche im Rahmen dieser Arbeit erstmalig eingesetzt wurde. Gleiches gilt für die Vorhersage von Partikeleigenschaften eines kaskadierten Plasmagenerators. Die Methodik zur Beurteilung der Stabilität kann zukünftig zur Bewertung und Weiterentwicklung von Plasmageneratoren genutzt werden. Die Simulation der Partikeleigenschaften ermöglicht zudem eine schnellere Parameterentwicklung für neue Schichtsysteme.

Atmospheric plasma spraying is a versatile coating technology for the deposition of a wide range of coating materials. Cascaded plasma spraying with a single arc is a relatively new industrial process variant of atmospheric plasma spraying. The generators used in this process combine the advantages of incorporating the rather simple design of single-arc generator and of generating high power, characteristic for cascaded generators. However, the generators are still quite unknown, especially with regard to the movement of the arc and the resulting stability of the plasma jet. In this work, the stability of generators used in cascaded plasma spraying are investigated by means of measurements of the electrical parameters in combination with high-speed recordings. For this purpose, a new methodology is developed which allows a quantitative analysis of the recordings and an evaluation of their influence on the particles. The results show that the cascaded single arc generators have a comparable process stability to cascaded multiple arc systems. These investigations are accompanied by simulations of the plasma generator and the particle-loaded free jet to predict the particle velocities and temperatures. The simulations are able to predict the net power and electrical power. Based on this, the simulations can model the particle velocities with good accuracy, even though the particle temperatures are currently slightly overestimated. In the third part of this thesis, the anode attachment positions of the arc in the plasma generator are analysed by simulations and experimental investigations and manipulated with external magnetic fields. The feasibility of the manipulation is demonstrated, and it is shown that it can have an influence on the deposition efficiency. The stability analysis based on the high-speed images is a novel approach, which was used for the first time in this work. This also applies to the prediction of particle temperatures for a cascaded plasma generator, which has not been carried out before. The stability assessment methodology can be used in the future for the evaluation and further development of plasma generators. Further, the simulations of the particle properties of the CSA enable a faster development of parameters for new coating systems.

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