Beschichten bei Überschallgeschwindigkeit

Kaltgasspritzen erzeugt dichte, oxidarme Kupferschichten. Über 50% der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von reinem Kupfer zu erzielen, galt bei thermisch gespritzten Kupferschichten bis...

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Kaltgasspritzen erzeugt dichte, oxidarme KupferschichtenÜber 50% der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von reinem Kupfer zu erzielen, galt bei thermisch gespritzten Kupferschichten bis vor kurzem als unmöglich. Beim Kaltgasspritzen erreicht man nun sogar 90%. Dieses thermische Spritzverfahren erzeugt äußerst dichte und oxidarme Überzüge, die sich in ihren Eigenschaften vom Substratwerkstoff Kupfer kaum unterscheiden. Zudem erschließt die minimale Wärmebelastung des Spritzwerkstoffs und Substrats völlig neue Anwendungen: Die Beschichtung von Designergläsern mit Aluminium ist für ein thermisches Spritzverfahren ebenso revolutionär wie die Modellierung mehrerer Zentimeter dicker Strukturen im Reparaturbereich.Die nötige Anlagentechnik und Prozesssteuerung liefert die im bayerischen Ampfing angesiedelte CGT Cold Gas Technology GmbH. Gemeinsam mit der Linde AG, Geschäftsbereich Linde Gas, Unterschleißheim, hat sie das Kaltgasspritzen zur Industriereife entwickelt. Heute erproben nicht nur Wissenschaftler dieses zukunftsträchtige Verfahren. Seit dem vierten Quartal 2002 gibt es mit der OBZ Dresel & Grasme GmbH auch einen industriellen Anwender. Der Bad Krozinger Lohnbeschichter versieht Aluminium-Kühlkörper mit einer lötbaren Kupferschicht. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen vom Automobil bis hin zum Computer.Extremer Partikelaufprall bewirkt enorme VerdichtungDer Werkstoff Aluminium hat zahlreiche Vorteile: vom geringen Gewicht über die hohe elektrische Leitfähigkeit bis hin zur einfachen, preiswerten Verarbeitung, zum Beispiel durch Fließ- oder Profilpressen. Doch leider lässt sich das Leichtmetall nicht direkt mit anderen Metallen verlöten. Bisher ermöglichten aufgespritzte Kupferschichten zwar den Lötvorgang, doch blieb das Ergebnis problematisch und teuer, weil die Überzüge nur die Hälfte der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit von reinem Kupfer erreichten. Die besten Ergebnisse erzielte noch das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das mit hoher Partikelgeschwindigkeit bei vergleichsweise niedriger Gastemperatur arbeitet.Diese Entwicklung - weg von der thermischen und hin zur kinetischen Energie - setzt das Kaltgasspritzen fort. Es beruht auf einer Entdeckung, die eine russische Forschergruppe um Professor Anatolii Papyrin Mitte der achtziger Jahre bei Experimenten im Überschallwindkanal machte: Statt der erwarteten erosiven Wirkung bildeten die beschleunigten Teilchen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht. Dieser Effekt tritt ab einer für jeden Werkstoff spezifischen Geschwindigkeit ein und ist abhängig von der Dichte des Spritzwerkstoffs. Bei Kupfer sind das 570 m/s - ein Wert, den das Kaltgasspritzen leicht erreicht.So erzielen die Anlagen von CGT mit dem üblichen Betriebsgas Stickstoff Partikelgeschwindigkeiten bis zu 800 m/s. Mit Helium sind es sogar bis zu 1100 m/s. Weil der Schichtwerkstoff beim Kaltgasspritzen im Gegensatz zu herkömmlichen thermischen Spritzverfahren weder auf- noch angeschmolzen wird, erfolgt praktisch keine Oxidation. Die hohe kinetische Energie beim Aufprall der Teilchen bewirkt zudem eine extreme Dichte der Schicht. Der Mikroschliff zeigt weder Oxidschlieren noch Poren.Steuerungskomponenten haben im Schrank PlatzDen Anstoß zur Konstruktion einer ersten Kaltgasspritzanlage gab der Geschäftsbereich Linde Gas, der schon zuvor maßgeblich an der Entwicklung des Verfahrens mitwirkte. Vor etwa drei Jahren wurde gemeinsam mit Prof. Heinrich Kreye von der Universität der Bundeswehr in Hamburg das „Kompetenzzentrum Kaltgasspritzen“ ins Leben gerufen. Für die Erstellung einer industrietauglichen Anlagentechnik und Prozesssteuerung wurde die CRP Automationstechnik AG, Ampfing, gewonnen, die im Auftrag von Linde Gas bereits verschiedene Apparaturen, zum Beispiel Manipulatoren zur Steuerung der thermischen Spritzpistolen baute. Damals bestand die Schwierigkeit, den noch recht unförmigen Kaltgasspritz-Prototyp in ein industriell nutzbares Gerät zu verwandeln. So war der Transformator mindestens zehnmal größer als der jetzige. Heute passen alle Komponenten in einen zweitürigen Steuerschrank - links die elektrischen, rechts die gasführenden Elemente. Linde Gas steuerte damals die Gase- und Ventiltechnik bei und finanzierte die Konstruktion des Heaters, der das Trägergas in 1 bis 2 min auf rund 800 °C aufheizen kann. An der Überarbeitung der Spritzpistole wirkte der Hamburger Professor Kreye mit. Er entwickelte eine Standarddüse, die sich für alle derzeit spritzbaren Pulver verwenden lässt.Anwendungspotenzial des Verfahrens ist enormPrinzipiell eignen sich für das Kaltgasspritzen alle plastisch verformbaren Metalle und Kunststoffe. Bei Metallen reicht das Spektrum von relativ niedrig schmelzendem Zink bis zu hochschmelzendem Titan und Niob. In Zukunft sind auch Werkstoffgemische mit plastisch nicht verformbaren Anteilen wie Keramik denkbar. So hat laut CGT ein Glashersteller angefragt, ob im Kaltgasspritzverfahren Designergläser mit Aluminium so beschichtet werden können, dass die Rückseite wie ein Spiegel wirkt. Das ist aufgrund der geringen Temperaturbelastung des Substrats möglich. Die geringe Erwärmung der Werkstoffoberfläche auf eine Temperatur, die gerade einmal bei 40 bis 50 °C liegt, erschließt weitere reizvolle Anwendungen, zum Beispiel für die Elektronikbranche. So können elektrische Leiterbahnen auf Glas gespritzt werden. Ein weiterer Vorteil der niedrigen Wärmebelastung ist die Vermeidung thermisch induzierter Spannungen, wodurch erstmals das Spritzen mehrere Millimeter dicker Bauteilstrukturen ermöglicht wird. Anwendungen dafür sieht man nicht nur bei der Bauteilreparatur, sondern beispielsweise auch beim Modellieren von Kupferkokillen in Gießereien.Die hohe Präzision des Kaltgasspritzens ermöglicht auch das Beschichten komplizierter Geometrien bei minimalem Abdeckungsbedarf und geringen Spritzverlusten. Erfreuliche 65% beträgt die Auftragsrate bei der Kupferbeschichtung von Kühlkörpern durch den Lohnbeschichter OBZ - und das mit einer Standarddüse. Sollten die Stückzahlen später tatsächlich in die Millionen gehen, ist es jedoch laut OBZ sinnvoll, die Entwicklung einer für diese Anwendung optimierten Düse in Auftrag zu geben. Über die Wahl der Düsengeometrie lässt sich der Spritzabstand zum Substrat zwischen 20 und 60 mm variieren. So wurde im Labormaßstab beim Kaltgasspritzen mit Kupfer bereits 80% Auftragsrate erreicht.