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Steve Bomford ist Manager für Schulung und Anwendungsunterstützung bei Oerlikon Metco in Großbritannien. Steve hat eine Leidenschaft für das thermische Spritzen und hat sich im Laufe der Jahre in vielen verschiedenen Positionen ein umfangreiches Wissen über das thermische Spritzen angeeignet.
Warum wir Abdeckungen für thermisches Spritzen brauchen
Ein weiterer Aspekt der Vorbereitung auf das thermische Spritzen ist neben dem Sandstrahlen das "notwendige Übel", die Abdeckung. Die Abdeckung ist ein Schutzverfahren, das erforderlich ist, um eine Beschädigung des zu beschichtenden Teils sowohl durch die Aufrauhung der Oberfläche vor der Beschichtung als auch durch den Beschichtungsprozess selbst zu verhindern. Es soll verhindern, dass eine Beschichtung dort aufgebracht wird, wo man sie nicht haben will (oder der Kunde sie nicht zulässt).
Bis zu einem gewissen Grad handelt es sich um ein Verfahren ohne Mehrwert. Man gibt viel Geld für den Kauf und das Anbringen von Abdeckband, Abdeckmasse, Lacken usw. aus, nur um sie anschließend wieder abzuziehen und in den Müll zu werfen (Abdecken ist kein besonders umweltfreundlicher Prozess). Ohne Abkleben könnten wir jedoch nicht:
- die Stelle, an der wir die Beschichtung aufbringen wollen, genau bestimmen
- empfindliche Teile des Bauteils schützen
- die Bildung von Ablagerungen minderer Qualität in unruhigen Bereichen verhindern
- die Kerbempfindlichkeit an Beschichtungsübergängen verringern
In Anbetracht dieser und anderer Punkte, die wir in diesem Artikel erörtern werden, müssen wir uns überlegen, ob die Maskierung anonym bleiben oder für ihre heldenhaften Fähigkeiten mehr Anerkennung finden sollte.
Abbildung 1: Sprühtest mit Abdeckband.
Die Wahl der richtigen Abdeckung für das thermische Spritzen
Beim thermischen Spritzen denkt man oft zuerst an Abdeckband. Das kann eine geeignete Wahl sein, aber selbst dann, welches Band ist das richtige? Abdeckungen können sich erheblich auf die Kosten des gesamten thermischen Spritzprozesses auswirken und sollten daher idealerweise so effizient wie möglich eingesetzt werden. Die Maskierung mit Klebeband ist eine (im wahrsten Sinne des Wortes) flexible Option, aber es gibt auch andere Möglichkeiten. Die Entscheidung hängt oft von folgenden Faktoren ab:
- Prozessenergieniveau - Thermische und kinetische Energieübertragung durch die Flamme und den Partikelaufprall.
- Teilegeometrie - Anpassungsfähigkeit an das zu beschichtende Teil.
- Genauigkeit der Beschichtungsposition - Platzierung der Abdeckung und Verringerung von "Überbrückungseffekten" (mehr dazu später)
Beginnen wir also mit Abdeckband als erste Wahl. Wenn wir das richtige Abdeckband für die Aufgabe wählen, können wir nur einmal abkleben, um sowohl das Strahlen als auch das Spritzen abzudecken. In Abbildung 1 ist zu sehen, dass das Klebeband zwar offensichtlich dem Strahlen standgehalten hat, aber für den Schutz des Teils während des Spritzens weniger geeignet war.
In diesem Fall sind wir auf ein häufiges Problem gestoßen, bei dem das schwer fassbare "Goldstück", das Abdeckband, das den aggressiven Energien des HVOF-Verfahrens (High Velocity Oxygen Fuel) standhält, nicht gefunden wurde. Es gibt Bänder auf dem Markt, die angeblich in dieser Umgebung funktionieren, aber es ist fraglich, wie gut sie im Einzelfall abschneiden.
Abbildung 2: eine Kollegin bei Oerlikon Metco demonstriert das Abkleben mit Abdeckband an einer Turbinenschaufel
Der Prozess des Abklebens
Abdeckbänder für thermisches Spritzen bestehen in der Regel aus einer Kombination von Silikonkautschuk, Glasfasergewebe, Metallfolien und einem Silikonkleber. Um eine zufriedenstellende Haftung zu gewährleisten, müssen diese Materialien geglättet und stark angedrückt werden, um eine gute Verbindung des Abdeckbandes mit der Bauteiloberfläche herzustellen. Es gibt nichts Schlimmeres, als stundenlang mit der Vorbereitung des Auftrags beschäftigt zu sein, nur um zu sehen, wie sich das Abdeckband während des Spritzens allmählich ablöst.
An welchem Punkt geben Sie die Hoffnung auf und hören auf? Abbildung 3 zeigt ein Gasturbinenbauteil, das gerade abgeklebt wird. Der Aufwand, der betrieben wurde, um eine gute Verbindung herzustellen, ist an den Oberflächenmarkierungen auf dem Klebeband zu erkennen (bitte nicht mit dem Griff eines Skalpells arbeiten!)
In Abbildung 4 sind die Auswirkungen einer schlecht platzierten oder abgelösten Abdeckung zu sehen. Die Beschichtung ist effektiv "beschattet", während sie aufgetragen wird. Dadurch entsteht ein Ablagerungsbereich von dünner oder schlechter Qualität. Dies bedeutet oft, dass das Teil nachbearbeitet werden muss (was sowohl kostspielig als auch technisch anspruchsvoll sein kann). Die Schattierung kann als positive Technik zur Maskierung verwendet werden. Es ist zwar möglich, mit Klebeband zu schattieren, aber die Metallmaskierung ist bei weitem die beste Methode (mehr zu diesem Thema später).
Das Beste aus der Maskierung durch thermisches Spritzen herausholen
Wir haben bereits einige Fälle erwähnt, in denen das Abkleben mit Klebeband schiefgehen kann. Abgesehen davon, dass wir das Klebeband mit aller Kraft anbringen, gibt es noch andere Verfahren, die wir in Betracht ziehen sollten, um unsere Erfolgsquote zu verbessern. Abbildung 5 zeigt eine TBC (Thermal Barrier Coating) auf einer Gasturbinendüse.
In diesem Fall wurden bei der ersten Maskierung des Bauteils 2 Lagen Abdeckband aufgebracht. Beim anschließenden Spritzen wurde die äußere Schicht des Klebebands weggebrannt, so dass die innere Schicht noch vorhanden war. Durch das Anbringen einer doppelten Schicht wurde das Teil also vor Overspray geschützt.
Anbieter von Klebebändern können bereits "doppellagiges" Klebeband anbieten. Ich persönlich ziehe es vor, eine Schicht über der anderen anzubringen, da die zufälligen Überlappungen die Haftung des Abdecksystems insgesamt verbessern.
Ein weiterer wichtiger Punkt, der in Abbildung 5 zu sehen ist, ist der Aufbau der Keramikbeschichtung auf dem Abdeckband. Die Abdeckungen haben ihre Aufgabe zum Schutz des Teils erfüllt, aber beim Entfernen der Abdeckungen ist große Vorsicht geboten, um sicherzustellen, dass die spröde Beschichtung nicht abplatzt oder abgelöst wird. Die gängige Praxis beim Entfernen aller Abdeckbänder besteht daher darin, sicherzustellen, dass die Richtung des Entfernens von der aufgebrachten Ablagerung wegführt.
Bei dieser speziellen Anwendung kann auch in Erwägung gezogen werden, mit einem Werkzeug wie einem Skalpell eine Schwächungslinie an der Schnittstelle zwischen Klebeband und Beschichtung anzubringen (dabei ist darauf zu achten, dass nicht mehr Schaden als Nutzen entsteht). Diese Methode führt zu einer bevorzugten Fehlerzone, die das Abplatzen der Beschichtung verringern kann.
Es geht nicht nur um das Abdeckband!
Wie bereits erwähnt, ist das Klebeband natürlich nicht die einzige Lösung. Wenn die Anwendungen anspruchsvoller werden und die Geometrie der Teile eine größere Rolle spielt, kann der Einsatz von Lacken und anderen flüssigen Abdeckmitteln eine nützliche Option darstellen. Man muss sich nur darüber im Klaren sein, dass sie unterschiedlich wirken.
Zu den Vorteilen gehört eine besser angepasste Abdeckung, die den Spritzstrahl weniger behindert. Zu den Nachteilen kann ein Abdeckmaterial gehören, das zwar dem Sprühen, nicht aber dem Sandstrahlen standhält (es gibt einige bemerkenswerte Ausnahmen von dieser Aussage). Diese Abdeckmaterialien werden je nach ihrer Eignung für die jeweilige Anwendung ausgewählt, so dass es schwierig ist, allgemeine Regeln für die Verwendung festzulegen.
Hier sehen wir eine der Ausnahmen von der Norm, bei der das verwendete Abdeckmaterial sowohl dem Strahlen als auch dem Sprühen standhält. Im Zuge der Weiterentwicklung der Technologie zur Positionsbestimmung ist es nicht unvorstellbar, dass sehr mühsame Abdeckprozesse durch Automatisierung unterstützt werden können (Abbildung 6).
So erfordert beispielsweise der Schutz von Kühlungslöchern bei der Reparatur von Schaufeln viel Zeit und Geduld, da die Löcher je nach Zustand der Schaufel in Größe und Position variieren können. Ein verbessertes oder vollautomatisches Versiegelungsverfahren könnte die Qualität verbessern und die Kosten senken.
Abbildung 3: Klebebandabdeckung für das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS).
Abbildung 4: "Schattierte" molybdänbasierte Ablagerung im APS Prozess
Abbildung 5: Mehrschichtige Abklebemethoden.
Metco Flame Spray Masking Tape
Alle Metco-Abdeckbänder verwenden hochtemperaturbeständige, druckempfindliche Silikonklebstoffe, die es dem Produkt ermöglichen, Temperaturen von bis zu 260° C dauerhaft standzuhalten und ein Verrutschen während der thermischen Spritzverarbeitung zu verhindern.
Abbildung 6: Roboterapplikation von UV-härtendem Harz zusammen mit dem fertig gespritzten Testbauteil.
Testen Sie Ihr Metall!
Wenn wir uns der weniger flexiblen Seite der Abdeckung zuwenden, betreten wir eine andere, schattigere Welt. Die Verwendung von Metallmaskierungen kann enorm nützlich sein, wenn wir sehr genaue Abgrenzungen zwischen maskierten und unmaskierten Oberflächen herstellen müssen. Auch bei der Verwendung sehr energiereicher Abscheidetechniken wie HVOF oder Kammerverfahren (z. B. Vakuumplasmaspritzen) ist die Metallabdeckung normalerweise die einzige Möglichkeit.
Abbildung 7 zeigt das grundlegende Prinzip der Schattenmaskierung, das häufig (aber nicht ausschließlich) bei Metallmasken angewandt wird. Hier ist zu erkennen, dass die Positionierung der Maske über der Oberfläche des zu beschichtenden Bereichs einen sanften Übergang zwischen Beschichtung und Substrat bewirkt.
Dies hat den Vorteil, dass die Spannungskonzentration verringert wird und somit die lokale Haftung der Ablagerung verbessert und die Kerbempfindlichkeitseffekte verringert werden. Da kein direkter Kontakt zwischen der aktiven Maske und dem zu beschichtenden Teil besteht, wird auch eine mögliche "Brückenbildung" der Abscheidung und damit ein späterer Abplatzungseffekt verringert.
Die Kosten für die Herstellung von Metallabdeckungen können sehr hoch erscheinen, aber dies muss gegen die Notwendigkeiten der Anwendung sowie die potenziellen Vorteile, die sie bieten können, abgewogen werden. Abbildung 8 zeigt beispielsweise, wie diese Art der Maskierung eingesetzt werden kann, um die negativen Auswirkungen von Turbulenzen und das Abprallen von benachbarten vertikalen Flächen zu verhindern. Durch die Abdeckung wird die potenziell schlechte Beschichtung aus der Gleichung entfernt und eine genaue Beschichtungsposition erreicht.
Wenn es Ihnen um die Kosten geht, sollten Sie nicht vergessen, was die einfache Schraube und Mutter für Sie tun kann. Schon so manches Loch wurde auf diese Weise gestopft. Vergessen Sie nicht, dass die Verwendung einer ordnungsgemäß beschafften Schraube auch den zusätzlichen Vorteil einer Schattenmaske bietet, so dass dem Kunden eine wirklich professionelle Arbeit geliefert werden kann. Darum geht es beim Maskieren schließlich!
Abbildung 7: Kontakt- versus "Schatten"-Maskierungstechniken.
Abbildung 8: Reduzierung der "Spray Bounce"-Effekte durch Schattenmaskierung.
Thermisches Spritzen - Abdecken zusammengefasst
Die Abdeckung beim thermischen Spritzen ist ein integraler Bestandteil des thermischen Spritzverfahrens und sollte auch als solcher behandelt werden. Die Spezifikation der verwendeten Abdeckmaterialien, ihre Platzierung auf dem zu spritzenden Teil, die Gestaltung der Abdecktechnik im Hinblick auf den jeweiligen Spritzprozess und nicht zuletzt ihre endgültige Entfernung (um sicherzustellen, dass unsere kostbare Beschichtung am Ende eines kostspieligen Prozesses nicht beschädigt wird) müssen sorgfältig geprüft werden.
Spritzen ist ein dynamischer Prozess. Obwohl wir einige der grundlegenden Maskierungsmethoden besprochen haben, gibt es immer wieder neue Techniken, die erlernt und optimiert werden müssen, um das Bauteil wirksam zu schützen. Eines ist sicher: Ohne Maskierung hätten wir kein zufriedenstellend oberflächenbehandeltes Produkt. Das Abdecken beim thermischen Spritzen ist also in gewisser Weise doch ein Superheld!
Eine Anmerkung des Autors
Liebe Freunde und Kollegen,
ich weiß, dass viele von Ihnen, die dies lesen, erfahrene technische Experten auf dem Gebiet des thermischen Spritzens sind, während andere gerade erst anfangen, das thermische Spritzen zu erlernen. Ich hoffe, dass ich mit meiner Version des Rückblicks auf das Thermische Spritzen Interesse, Bildung und Unterhaltung für alle bieten kann. Es gibt eine Handvoll kurzer Artikel, die sich mit dem thermischen Spritzen befassen.
Die Idee dahinter ist, Ihnen einen subjektiven Überblick über den Prozess und die neuesten Entwicklungen in der Welt des thermischen Spritzens zu geben. Dieser Überblick kann durchaus umfangreich und vielfältig sein. Er wird sich nicht auf zu viele technische Einzelheiten konzentrieren, sondern hoffentlich eine unterhaltsame Zusammenfassung bieten, die ein besseres Verständnis der Technologie und ihrer Vorteile ermöglicht.
Wenn Sie ein erfahrener Leser sind, möchte ich Sie einladen, mit mir zu diskutieren, Fragen zu stellen und Ihre persönliche Meinung zu äußern. Wenn Sie möchten, dass ich einen Überblick über ein verwandtes Thema schreibe, werde ich das gerne in Betracht ziehen. Ich hoffe, dass die Lektüre interessant ist, und freue mich über Ihr Feedback.
Steve Bomford
