DiamondSpray

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

Während eines HVOF-Prozesses werden Sauerstoff und ein gasförmiger oder flüssiger Brennstoff verbrannt, um in der Brennkammer den gewünschten Totaldruck und die gewünschte Totaltemperatur zu erzeugen. Dann wird ein Beschichtungspulver in einem inerten Trägergasstrom in den durch die Verbrennung erzeugten Heißgasstrom eingespritzt. Abhängig von der Strömungstemperatur und des Beschichtungsmaterials 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 tritt in eine gasförmige Atmosphäre aus und trägt die Partikel auf eine Zieloberfläche auf. Die hohe Temperatur und die hohe kinetische Energie der Partikel beim Aufprall führen zur Entstehung einer dichten Beschichtung mit wünschenswerten Eigenschaften für verschiedene Industriezweige wie Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Energieerzeugung und Medizintechnik. Die folgende Skizze zeigt eine typische, von Oerlikon Metco entwickelte HVOF-Spritzanlage.

Die Anforderungen der Kunden in Bezug auf breitere Betriebsbedingungen und Pulvermaterialien machen Entwicklungen und Verbesserungen der derzeitigen HVOF-Geräte erforderlich, um einen stabilen Gerätebetrieb mit minimalen Ausfallzeiten aufgrund von Erosion in der Düse und unerwünschter Ablagerung von Partikeln in der Düse zu ermöglichen. Solche Konstruktionsoptimierungen erfordern eine grundlegende Kenntnis aller beteiligten physikalischen Prozesse, wie z. B. der Verbrennung, der Vermischung des verbrannten Gases mit den Partikeln und dem Trägergas sowie der zu erwartenden Eigenschaften des Überschallabgasstrahls und seiner Wechselwirkung mit den Pulverpartikeln.

Im Rahmen des Projekts sollen CFD-Modelle (Computational Fluid Dynamics) entwickelt werden, die voraussagefähige numerische Simulation von HVOF-Prozessen ermöglichen und die Auswirkungen unterschiedlicher Betriebsbedingungen auf die Partikelaufpralleigenschaften bewerten. In einer ersten Veröffentlichung, haben wir die Bedingungen untersucht, die zu Partikelablagerungen an der konvergenten Düsenwand eines typischen HVOF-Geräts führen können.

Leitung des Forschungsprojekts

• Nikolaus Adams
• Brett Rosenthal

Forschende

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