Modellierung und Simulation als Werkzeug zur Verbesserung des APS-Prozesses mittels Mehrlichtbogen-Plasmagenerator

Aufgrund geringer Prozesskosten und hoher Flexibilität ist das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS) in der Industrie ein etabliertes Verfahren zur Herstellung von Schichten zum Oberflächenschutz der Bauteile vor Korrosion, Verschleiß und Wärme. Die Anwendung eines Mehrlichtbogen-Plasmagenerators hat zu erheblichen Verbesserungen hinsichtlich der Prozessstabilität und Schichtqualität beigetragen. Jedoch hat ein solcher Plasmagenerator noch ein hohes Verbesserungspotenzial hinsichtlich reproduzierbarer homogenität der Schichtmikrostruktur. In dieser Arbeit wird die Modellierung und Simulation, unterstützt mit experimenteller Diagnostizierung des APS-Prozesses mit einem Mehrlichtbogen-Plasmagenerator eingesetzt, um dieses Potenzial zu erschöpfen. In einem ersten Schritt musste hier geprüft werden ob die Modelle und Simulationen, die auf der Computational Fluid Dynamic (CFD) – Methode basieren, in der Lage sind, realistisch die Plasmaentstehung im Generator und die Expansion im Plasmastrahl abzubilden. Diese Modelle wurden durch Korrelation der Simulationsergebnisse mit der räumlichen Temperaturverteilung im Plasmastrahl bestätigt, die durch Computer Tomographie (CT) ermitteltet wurde. Auch die Modelle zur Behandlung der Pulverpartikel im Plasmastrahl zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit Partikeleigenschaften, gemessen mittels des Diagnostiktools DPV 2000. Der entwickelte Simulationsansatz eignet sich sehr gut für die Analyse der Partikeleigenschaften bei unterschiedlichen Prozessparametern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit diesem Werkzeug eine optimale Injektionsvorgehensweise auf Basis eines charakteristischen Plasmastrahls identifiziert, um eine homogene Behandlung des Schichtwerkstoffs als Voraussetzung für eine möglichst homogene Schichtmikrostruktur zu ermöglichen. Der hier entwickelte Modellansatz lässt sich auch auf andere verwandte Beschichtungsprozesse aus der Familie des Thermisches Spritzens applizieren und kann für wissenschaftliche aber auch industrielle Zwecke angewendet werden.