Kaltgasspritzen
Das Kaltgasspritzen (englisch: Cold Spray) (CS) ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Trägermaterial (Substrat) aufgebracht wird. Dazu wird ein auf wenige hundert Grad aufgeheiztes Prozessgas (Stickstoff oder Helium) durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend die Pulverpartikel in den Gasstrahl injiziert.
Die injizierten Spritzpartikel werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bilden. Die kinetische Energie zum Zeitpunkt des Aufpralls reicht für ein vollständiges Aufschmelzen der Partikel nicht aus. Das Kaltgasspritzen ist hervorgegangen aus dem Hochgeschwindigkeit-Flammspritzen (HVOF). Der Name geht auf die gegenüber HVOF deutlich niedrigeren Partikeltemperaturen zurück.<ref>Handbuch Wärmebehandeln und Beschichten, 4.3.1.6.7, Kaltgasspritzen (PDF-Datei 4,4 MB; Seiten 7, 8). Günter Spur, Hans-Werner Zoch (files.hanser.de), 2015, abgerufen am 13. Januar 2025.</ref>
Geschichte
Das Kaltgasspritzen wurde am Institut für theoretische und angewandte Mechanik der Sibirischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften in Nowosibirsk entwickelt und 1986 in der Sowjetunion zum Patent angemeldet. Es wird auch heute dort noch weiter verfolgt.
Einer der dort tätigen Wissenschaftler, Anatoli Papyrin, meldete in den USA 1994 das Patent an und begann mit dem US-amerikanischen Konsortium National Center for Manufacturing Science (NCMS) mit Sitz in Ann Arbor an der weiteren Industrialisierung des Verfahrens zu arbeiten. An dem Konsortium sind u. a. folgende Unternehmen beteiligt: Alcoa, ASB Industries, Ford, K-Tech, Pratt & Whitney, Siemens Westinghouse und Sandia National Lab.
In Deutschland wurde das Verfahren 1995 patentiert und die weitere Entwicklung wurde u. a. von der Linde AG gemeinsam mit der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg vorangetrieben. Für den Bau und die Vermarktung von Kaltgasspritzanlagen wurde 2010 das Unternehmen Impact Innovations GmbH gegründet.<ref>Pionier und Innovator im Bereich des Kaltgasspritzens, auf impact-innovations.com, abgerufen am 11. Mai 2021</ref>
Bei der neusten Anlagentechnologie der Impact Innovations GmbH wird das Prozessgas bei bis zu 60 bar Druck der Spritzpistole zugeführt und im Pistolengehäuse auf maximale Temperaturen von bis zu 1100 °C aufgeheizt.
Prozess
Dabei wird ein unter Hochdruck stehendes Fördergas – typischerweise Stickstoff (N2), Helium (He) oder komprimierte Luft – in einer Heizkammer auf Temperaturen von bis zu 1100 °C erhitzt. Anschließend wird das Gas in eine konvergent-divergente de-Laval-Düse geleitet. Im engsten Querschnitt der Düse erreicht das Gas Schallgeschwindigkeit und expandiert im anschließenden divergenten Teil, wodurch es auf Überschallgeschwindigkeit (typischerweise Mach 1 bis 3,5) beschleunigt wird. Durch diese starke Expansion sinken der Gasdruck und die Gastemperatur rapide ab. Bei der typischen Kombination von Helium als Gas und Aluminium als Pulver fällt die Temperatur auf bis zu −82 °C am Auslass der Düse.<ref name=":0">Victor Kenneth Champagne Jr.: Practical Cold Spray. Springer International Publishing AG, Cham 2021, ISBN 978-3-03070056-0.</ref>
Diesem Gasstrom wird – je nach Anlagenkonfiguration im Hoch- oder Niederdruckbereich – ein pulverförmiger Spritzwerkstoff mit einer typischen Partikelgröße von 5 bis 50 µm zugeführt. Die Partikel werden durch den Strömungswiderstand (Drag Force) im expandierenden Gasstrahl auf Geschwindigkeiten zwischen 300 und 1200 m/s beschleunigt.<ref>C. A. Widener, M. J. Carter, O. C. Ozdemir, R. H. Hrabe, B. Hoiland, T. E. Stamey, V. K. Champagne, T. J. Eden: Application of High-Pressure Cold Spray for an Internal Bore Repair of a Navy Valve Actuator. In: Journal of Thermal Spray Technology. Band 25, Nr. 1-2, Januar 2016, ISSN 1059-9630, S. 193–201, doi:10.1007/s11666-015-0366-4 (springer.com [abgerufen am 27. März 2026]).</ref> Da die Prozesstemperaturen deutlich unter dem Schmelzpunkt des jeweiligen Materials liegen und die Prozessdauern sehr kurz sind, eignet sich dieses Verfahren auch für temperatur- oderoxidationsempfindliche Werkstoffe.<ref name=":1">T. Klassen, F. Gärtner, T. Schmidt, J.‐O. Kliemann, K. Onizawa, K.‐R. Donner, H. Gutzmann, K. Binder, H. Kreye: Basic principles and application potentials of cold gas spraying. In: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Band 41, Nr. 7, Juli 2010, ISSN 0933-5137, S. 575–584, doi:10.1002/mawe.201000645 (wiley.com [abgerufen am 27. März 2026]).</ref> Ein Aufschmelzen im Flug findet folglich nicht statt; der Konsolidierungsprozess erfolgt vollständig im festen Zustand (Solid-State).<ref name=":0" /> Dies führt unter anderem dazu, Kunststoffe beschichten zu können und Schichten ohne Eigenspannungen zu erzeugen. Der Bereich der Prozessparameter, um auf Kunststoffen beschichten zu können, ist aber sehr klein da eine gewisse Mindestenergie auch zunehmend Hitze erzeugen kann.<ref name=":1" />
Hervorzuheben ist dabei der namensgebende Kernaspekt des Verfahrens: Trotz der anfänglich hohen Gastemperaturen verbleibt die Partikel- sowie die Substrattemperatur stets deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Spritzwerkstoffs.<ref>Victor Kenneth Champagne Jr.: Practical Cold Spray. Springer International Publishing AG, Cham 2021, ISBN 978-3-03070056-0.</ref>
Wichtig ist hierbei eine gewisse Duktilität der Partikel, da spröde Partikel lediglich das Substrat erodieren, wenn sie unter der Schmelztemperatur auftreffen.<ref>Tobias Schmidt, Hamid Assadi, Frank Gärtner, Horst Richter, Thorsten Stoltenhoff, Heinrich Kreye, Thomas Klassen: From Particle Acceleration to Impact and Bonding in Cold Spraying. In: Journal of Thermal Spray Technology. Band 18, Nr. 5-6, Dezember 2009, ISSN 1059-9630, doi:10.1007/s11666-009-9357-7 (springer.com [abgerufen am 27. März 2026]).</ref>
Anwendung
Industriell eingesetzt wird Kaltgasspritzen zum Beispiel in der Automobilindustrie und in der Mikrotechnik. Schrittweise entstanden neue Felder wie im Bereich Werkzeugreparatur und Werkzeugbau – die früher als Rapid Manufacturing bezeichnet wurden und heute als Additive Fertigung bzw. 3D-Druck bezeichnet werden.
Auch das thermische Spritzverfahren der MPA-Technologie des Maschinenbau-Unternehmens Hermle basiert auf dem Kaltgasspritzen, beide Technologien fallen unter die 3D-Druck-Prozesskategorie Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung nach ASTM bzw. DIN EN ISO 52900:2022-03.
Literatur
- Papyrin, Kosarev, Klinkov, Alkhimov, Fomin: Cold Spray Technology, Elesevier 2007
- Development of a generalized parameter window for cold spray deposition. doi:10.1016/j.actamat.2005.10.005
- International Status Report 2004
- T. Schmidt, F. Gaertner, H. Kreye: New Developments in Cold Spray Based on Higher Gas and Particle Temperatures. In: Journal of Thermal Spray Technology. 15, 2006, S. 488, doi:10.1361/105996306X147144.
- A. P. WANG, T. ZHANG und J. Q. WANG: Cold Spraying of Nickel-based coatings for high corrosion resistance, in Philosophical Magazine Letters, Vol. 86, No. 1, January 2006, 5–11
Weblinks
- Günter Spur, Hans-Werner Zoch: Thermische Spritzverfahren in: Handbuch Wärmebehandeln und Beschichten, ISBN 978-3-446-42779-2 (Leseprobe, PDF-Datei 4,4 MB; insbesondere Seiten 7, 8)
- Technologie des Kaltgasspritzens
Einzelnachweise
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