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Simulation and optimization of a High Velocity Oxygen Fuel (HVOF) coating process

Bei HVOF-Verfahren werden Sauerstoff und ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff verbrannt, um einen gewünschten Totaldruck und eine gewünschte Totaltemperatur in der Brennkammer zu erreichen. Anschließend wird ein Beschichtungspulver in einem inerten Trägergasstrom in den durch die Verbrennung erzeugten, gleichmäßig erhitzten Heißgasstrom eingespritzt. Je nach Totaltemperatur und ausgewähltem Beschichtungsmaterial geht das Pulver in einen geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand über. Das energiereiche Gas-Pulver-Gemisch wird durch eine konvergent-divergente wassergekühlte Lavaldüse beschleunigt und erreicht Überschallgeschwindigkeit. Der Überschallstrahl entlädt sich in eine gasförmige Atmosphäre und setzt die Partikel auf der Zieloberfläche ab. Aufgrund der hohen Temperatur (>1300 K) und vor allem aufgrund der hohen kinetischen Energie der Partikel wird ein kontinuierlicher Beschichtungsprozess der Zieloberfläche realisiert. Typische Spritzpistolen, wie sie von Oerlikon Metco entwickelt werden, sind im Folgenden skizzenhaft dargestellt.

Die Erweiterung des Einsatzbereichs von HVOF-Brennern in Richtung niedrigerer Temperaturen, aber noch höherer Partikelgeschwindigkeiten, um Kupfer oder Kupferlegierungen zu erzeugen, wird für zukünftige Anwendungen in der Elektromobilität für elektrische Hochleistungsstecker und Stromschienen wichtig sein. Darüber hinaus erfordern die Anforderungen der Kunden hinsichtlich breiterer Betriebsbedingungen und Pulvermaterialien einen stabilen Gerätebetrieb mit minimalen Ausfallzeiten aufgrund von Erosion in der Düse und unerwünschter Ablagerung von Partikeln in der Düse. Die Optimierung der Konstruktion von Sprühpistolen für ein breites Spektrum von Betriebsbedingungen erfordert eine tiefgehende Kenntnis aller beteiligten physikalischen Prozesse, wie z. B. der Verbrennung, der Vermischung des Brenngases mit den Partikeln und dem Trägergas, der Düsenkonstruktion und ihrer aktiven Kühlung sowie der erwarteten Eigenschaften des Überschallgas-/Partikelstrahls. Im Rahmen des Projekts sollen CFD-Modelle (Computational Fluid Dynamics) entwickelt werden, die eine prädiktive numerische Simulation von HVOF-Prozessen ermöglichen und die Auswirkungen unterschiedlicher Konstruktions- und Betriebsbedingungen auf die Partikelablagerung und die Prozessstabilität bewerten.

Leitung des Forschungsprojekts

• Nikolaus Adams
• Brett Rosenthal

Forschende

• Benedikt Biller
• Alexander Bußmann
• Olivier Messe
• Ron Molz