Emissionsspektroskopische Analyse an Hochgeschwindigkeitsflammen zur Entwicklung einer Online-Prozessregelung

Für die Entwicklung neuer Technologien wird mehr und mehr der Einsatz von Spritzschichten benötigt. Hiermit lassen sich die komplexen Anforderungen an die Oberflächeneigenschaften erfüllen. Die thermischen Spritzverfahren werden immer mehr auch zum Mittelpunkt von Industrieanwendungen und bieten ein großes Anwendungsgebiet. Die Steigerung der Produktivität und der Leistung von technischen Anlagen und Maschinen erhöht gleichzeitig auch die Beanspruchung der Bauteile. Daher ist es notwendig, dass hochbeanspruchte oder gefährdete Oberflächen durch thermisches Spritzen geschützt werden, so dass sie den Belastungen besser standhalten. Ebenso führt die allgemeine Rohstoffknappheit dazu, dass Maschinenteile nicht vollständig aus bestimmten Materialien gefertigt werden können. Diese Teile können durch eine geeignete Oberflächenbeschichtung rohstoffsparend und damit kostengünstig hergestellt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet für das thermische Spritzen ist die Reparatur verschlissener Teile. Die hohe Flexibilität des thermischen Spritzens, die geringen Reparaturkosten und die damit verbundenen kurzen Ausfallzeiten kommen der Industrie zu Gute. Nach wie vor existiert keine Online-Prozesskontrolle, welche die relevanten Größen der Wechselwirkung Flamme \u96 Spritzzusatzwerkstoff erfassen kann. Die Schichtoptimierung erfolgt weitestgehend durch eine empirische Veränderung der Spritzparameter und die anschließende Analyse und Zuordnung der Parameter zu den Ergebnissen. Hierbei beschränkt sich die Prozesskontrolle auf das Einstellen konstanter Werte für die regelbaren Eingangsgrößen. Bei diesen Möglichkeiten wird vorausgesetzt, dass bei konstanten Maschineneinstellungen auch ein konstanter Prozess mit reproduzierbaren Ergebnissen vorliegt. Im täglichen Umgang ist jedoch festzustellen, dass die Ergebnisse über einen längeren Zeitraum meist nicht reproduzierbar sind. Eine online arbeitende Meßmethode, die Aussagen über die Geschwindigkeit und Erwärmung der Spritzpartikel macht, liefert die Grundlage für reproduzierbare Ergebnisse. An Stelle der Anlagensteuergrößen werden Partikelparameterkorrelierte Messgrößen überwacht bzw. für eine Steuerung verwendet. Der Zugang zu Flammen- bzw. Partikeltemperatur erfolgt mit Hilfe der optischen Emissionsspektroskopie. In der vorliegenden Arbeit wird das Emissionsspektrum an zwei Orten entlang der Plasmaachse ausgewertet. Aus dem Intensitätsverhältnis von mehreren Spektrallinien eines Elements wird die Temperaturentwicklung der Partikel ermittelt (Temperaturbestimmung an mehreren Orten) und damit auch deren Geschwindigkeit beurteilt. Kenntnisse über die Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung geben die Möglichkeit reproduzierbare Schichten herzustellen, da die Bedingungen zu einem späteren Zeitpunkt exakt reproduziert werden können. Durch fluiddynamische Rechnungen wird der Nachweis erbracht, dass die Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder des Plasmas und der injizierten Partikel miteinander korreliert sind. Im Verlauf dieser Arbeit wird weiterhin gezeigt, dass die genannten Messgrößen eine Signifikanz zum Spritzprozess aufweisen. Mögliche Störeinflüsse sowie eine Fehlerbetrachtung ergänzen die gewonnen Aussagen