Kristallstruktur und Mikrostruktur Teil II Vorlesung 3 · Unter ‘Cladding’ versteht man die...
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
*
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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)
*
*
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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
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!!
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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
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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.
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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‘
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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)
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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)
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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