Bindemechanismen und potenzielle Anwendungen des Kaltgasspritzens

Cold spraying is a well‐established coating technology for several materials and applications. The formation of dense microstructures occurs only by the plastic deformation of particles hitting the substrate with sufficiently high kinetic energies. Limited thermal influences well below the melting temperatures of respective spray materials and very short time scales make the process suitable for heat sensitive materials. For optimum spraying conditions and coating performance, a comprehensive understanding of the cold spray process and bonding mechanisms is required. This presentation summarizes the current model for coating formation based on adiabatic shear instabilities. Computer simulations visualize the bonding process and allow for extracting critical parameters that define the “window of deposition”. For selected materials, a correlation between powder characteristics, particle impact conditions and coating properties is shown. Furthermore, the state of the art in spraying equipment is reviewed. Special emphasis is put on recent improvements that ensure better coating performance and widen the range of sprayable materials. Finally, different application examples are presented to elucidate the potential for a variety of coating and substrate materials. Das Kaltgasspritzen ist als Beschichtungstechnologie für mehrere Werkstoffe und Anwendungen bereits etabliert. Dichte Schichtmikrostrukturen entstehen, indem Pulverpartikel mit hoher kinetischer Energie auf ein zu beschichtendes Substrat aufprallen und sich dabei stark plastisch verformen. Da die Prozesstemperaturen deutlich unter dem Schmelzpunkt des jeweiligen Materials liegen und die Prozessdauern sehr kurz sind, eignet sich dieses Verfahren auch für temperatur‐ oder oxidationsempfindliche Werkstoffe. Für die Optimierung der Prozessparameter und Schichteigenschaften ist ein umfassendes Verständnis des Spritzprozesses und der Bindemechanismen notwendig. Diese Arbeit fasst zunächst das aktuelle Modell für die Schichtbildung zusammen, das auf adiabatischen Scherinstabilitäten basiert. Computersimulationen veranschaulichen den Bindeprozess und erlauben die Erfassung kritischer Parameter, die das sogenannte „Spritzfenster” definieren. Für ausgewählte Materialien wird der Zusammenhang zwischen Pulverparametern, Aufprallbedingungen und Schichteigenschaften gezeigt. Darüber hinaus wird der aktuelle Stand der Spritztechnik mit den bisherigen Entwicklungsstufen verglichen, insbesondere in Hinblick auf neuere Entwicklungen, die zu besseren Schichteigenschaften führen und die Palette spritzbarer Werkstoffe erweitern. Abschließend werden verschiedene Anwendungsbeispiele präsentiert, um das Potenzial für eine Vielzahl von Schicht und Substratwerkstoffen zu demonstrieren.