Kaltgas

Beim Kaltgasspritzen wird ein Gas verbrennungsfrei bei einem Druck von 15 bis 35 bar (1,5 - 3,5 MPa) auf eine Temperatur von bis zu 650°C aufgeheizt und gelangt dann in eine Spritzpistole, wo es in der Vorkammer zunächst in die axiale Spritzrichtung umgelenkt und anschließend in einer de Laval’schen Düse entspannt wird. Der Gasdruck am Düsenaustritt kann dabei deutlich geringer sein als der Umgebungsdruck, die Gastemperatur deutlich unter 0 °C liegen. Während der Entspannung erreicht das Gas je nach Düsenkonfiguration mehrfache Schallgeschwindigkeit. Die zu beschichtende Werkstückoberfläche befindet sich etwa 20 bis 60 mm hinter dem Düsenaustritt. Das Spritzpulver wird axial und zentrisch noch vor dem engsten Querschnitt der Düse, dem so genannten Düsenhals, in den Prozessgasstrom injiziert. Die Pulverpartikel werden von dem heißen und schnell strömenden Prozessgas mitgerissen und auf hohe Geschwindigkeiten in Richtung Substrat beschleunigt. Beim Aufprall wird die kinetische Energie der Partikel in Verformungsarbeit und Wärme umgewandelt. Der dadurch einsetzende Bindemechanismus ist ähnlich dem des Explosivplattierens.
Das Aufheizen des Gases hat zwei Effekte. Zum einen wird eine Erhöhung der örtlichen Schallgeschwindigkeit und damit der Strömungsgeschwindigkeit des Gases sowie auch der Partikelgeschwindigkeit erreicht. Zum anderen erhöht sich mit der Gastemperatur auch die Temperatur der Partikel, wodurch sich deren Verformungsfähigkeit beim Aufprall verbessert. Als Prozess- und Trägergas wird aus Kosten- und aus sicherheitstechnischen Gründen Stickstoff bevorzugt. Damit werden Partikelgeschwindigkeiten erzielt, mit denen sich viele anwendungstechnisch interessante Werkstoffe verarbeiten lassen. Deutlich höhere Partikelgeschwindigkeiten, die auch das Spritzen höherschmelzender oder schwerer verformbarer Werkstoffe ermöglichen, lassen sich bei Verwendung von Helium als Prozessgas erzielen. Auch Druckluft eignet sich als Prozessgas, wenn die damit verbundene geringe Oxidation des Spritzwerkstoffs in Kauf genommen wird, und keine sicherheitstechnischen Bedenken hinsichtlich der Reaktivität des Spritzwerkstoffs bestehen.
Von den Verfahren des Thermischen Spritzens unterscheidet sich das Kaltgasspritzen in folgenden Punkten: Die Temperatur des Prozessgases zur Beschleunigung der Partikel liegt weit unterhalb der Schmelztemperatur des Spritzwerkstoffs, die Pulver sind mit typischen Partikeldurchmessern von 5 bis 25 µm noch feiner als beim HVOF-Spritzen, die Partikelaufprallgeschwindigkeiten sind mit 500 bis 1500 m/s noch höher.
Die Kaltgas Technologie bietet die Möglichkeit, metallische Schichten herzustellen, die sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften kaum von denen des Ausgangsmaterials unterscheiden. Durch die Verwendung der inerten Prozessgase Stickstoff oder Helium kann die Oxidation des Spritzwerkstoffs während des Beschichtungsprozesses so weit unterdrückt werden, dass die Sauerstoffgehalte der unter atmosphärischen Bedingungen hergestellten Spritzschichten im Allgemeinen denen der Ausgangspulver entsprechen. Außerdem lassen sich thermisch aktivierte Prozesse wie Kornwachstum, Rekristallisation oder auch Legierungsbildung aus unterschiedlichen Bestandteilen des Pulvers weitestgehend vermeiden. Die hohe kinetische Energie der Partikel beim Aufprall auf das Substrat und die damit verbundene starke Verformung ermöglichen die Herstellung sehr dichter, nahezu porenfreier Schichten. Der Spannungszustand in ColdJet™ Schichten ist aufgrund der verdichtenden Wirkung der fortlaufend aufprallenden, festen Partikel vorwiegend kompressibel. Dieser so genannte Shot-Peening Effekt kann auch mit einer Art Mikroschmieden verglichen werden, durch das Poren geschlossen werden, aber auch die Härte des Materials deutlich zunimmt.
Die Kaltgas-Technologie eignet sich zur Herstellung von Schichten von etwa 100 Mikrometern bis zu mehreren Millimetern Dicke und auch zum Aufbau von Strukturen. Ein verfahrenstypisches Merkmal ist der auf wenige Millimeter Durchmesser fokussierte Spritzstrahl, wodurch sich das Kaltgasspritzen auch zur robotergeführten Herstellung endkonturnaher Bauteile und als Reparaturverfahren zur Aufarbeitung von Schichten und Strukturen eignet.