Das Plasmaspritzverfahren der Häuser & Co GmbH


Im Vergleich zu den anderen Verfahren des Thermischen Spritzens ist das Plasmaspritzen die universellste Entwicklung. Grundsätzlich wird das Plasmaspritzen dabei in vier Bereiche eingeteilt: an der Atmosphäre, im Vakuum, unter Wasser und unter Gasdruck. Aufgrund dieser Variabilität und des sehr großen Energieangebotes ist es möglich, jeden pulverförmigen Werkstoff, der einen Schmelzpunkt oder Schmelzbereich besitzt, zu verarbeiten.

Für Kesselbeschichtungen ist das Plasma-Spritzverfahren aufgrund seiner technologisch begründeten Vorteile die ideale Beschichtungsmethode. Anders als beim konventionellen oder HVOF-Flammspritzen werden keine brennbaren Gase verwendet - lediglich die Wärmeenergie der aufgeschmolzenen Pulverpartikel trifft auf die Rohroberfläche. Spannungen im Grundmaterial oder gar ein Verzug der Rohrwandflächen aufgrund einer punktuellen Wärmeeinbringung sind ausgeschlossen.

Mittels einer Pistole wird die hohe thermische Energie und die hohe Geschwindigkeit des Plasmas umgewandelt in hohe kinetische Energie geschmolzener Pulverpartikel. Mit diesen Partikeln werden die entsprechenden Werkstücke und Bauteile dann mit hoher Präzision beschichtet.

Die mobilen Anlagen zur Beschichtung hochbeanspruchter Bauteile mit dem Plasma-Spritzverfahren, die Erfindung von Bodo Häuser, werden hauptsächlich vor Ort eingesetzt. Kleine und großflächige Bauteile können bis in 60 Meter Höhe erreicht und beschichtet werden. Das geschieht entweder vom Gerüst aus oder mit werksseitigen Kesselbefahreinrichtungen. Ab 30 m² abgewickelter senkrechter Kesselfläche beträgt die Tagesleistung (24h) bei ca. 0,3mm Schichtdicke in Müllverbrennungsanlagen 14 - 15 m² mit unserem bewährten Werkstoff HS1.1 . Selbstverständlich sind auch komplizierte Flächen, z.B. "über-Kopf-Beschichtungen" wie Kesseldecken und Gitterrohre, vor Ort im Plasma-Spritzverfahren nach dem Thyssen-Patent zu beschichten.

Mit den Anlagen werden auch wärmedämmende, wärmeschockfeste oder wärmewechselfeste Schichten hergestellt. Je nach Kundenwunsch und Beanspruchung werden die Schichten chemisch oder heißgaskorrosionsbeständig erstellt, elektrisch isolierend oder leitend.

Abb. Plasmapistole

 

Im Vergleich zu den anderen Verfahren des thermischen Spritzens ist das Plasmaspritzen die universellste Entwicklung. Grundsätzlich wird das Plasmaspritzen dabei in vier Bereiche eingeteilt: an der Atmosphäre, im Vakuum, unter Wasser und unter Gasdruck. Generell ist es dabei möglich, jeden pulverförmigen Werkstoff, der einen Schmelzpunkt oder Schmelzbereich besitzt, zu verarbeiten.

Im vorderen Gehäuseteil der Plasmapistole wird zwischen einer fingerköpfigen Wolframkathode und einer diese umgebenden düsenförmigen Kupferanode ein durch Gaszufuhr stabilisierter Lichtbogen gezündet. Bei dem über einen Injektor zugeführten und bei diesem Vorgang aufgeheizten Gas handelt es sich um Argon, dem bei der Verarbeitung spezieller Werkstoffe Helium, Wasserstoff oder Stickstoff beigefügt sein kann. Die Gasaufheizung bewirkt bei der Verwendung von Argon als Plasmagas Ionisierungsvorgänge, die ein elektrisch leitfähiges Gas entstehen lassen, das Plasma genannt wird. Der Ionisierungsvorgang bewirkt eine Volumenvergrößerung des Gases um ungefähr das Hundertfache und durch die vorgegebene Geometrie der düsenförmigen Kupferanode erreicht der Plasmastrahl Geschwindigkeiten bis hin zur zweifachen Schallgeschwindigkeit. Die Temperatur des Plasmastrahls beträgt beim Einsatz von Argon ca. 18000 Grad Celsius.

Damit die Plasmapistole bei dieser hohen Temperatur nicht zerstört wird, ist eine intensive Kühlung mit 25 Litern Wasser pro Minute bei einem Druck von 18 bar notwendig. Das Wasser wird über das vordere Gehäuseteil zugeführt und über den Kathodenhalter, der im mittleren Gehäuseteil sitzt, zum Wärmetauscher zurückgeführt.

In das Plasma, das die Pistole als Strahl in axialer Richtung verlässt, wird der aufzubringende pulverförmige Werkstoff über einen Argon-Gasstrom zugeführt, von ihm aufgeschmolzen und zur Beschichtungsfläche hin beschleunigt. Das Plasma rekombiniert unmittelbar nach Verlassen der Pistole und geht als normales gasförmiges Argon in die umgebende Atmosphäre über.

In diesem wesentlichen Punkt unterscheidet sich das Plasmaspritzen von allen anderen Verfahren aus der Familie der thermischen Spritzverfahren. Das Plasma, das den Werkstoff geschmolzen hat, erreicht nicht die Beschichtungsfläche. Diese gravierende Eigenschaft hat wesentlich zur Entscheidung beigetragen, das Verfahren für Beschichtungen von Verdampferrohroberflächen einzusetzen; in der Regel werden die Beschichtungsflächen nicht wärmer als 40 bis 60 Grad Celsius. Es eignet sich daher auch zur Beschichtung von Wandstärken in der Größenordnung von 2,0 mm. In mehreren Kesseln von Müllheizkraftwerken konnten bei solchen Wandstärken Standzeiten von 2 Jahren und mehr erreicht werden.

 

Durch die Anwendung des Plasmaspritzverfahrens für die Beschichtung von Kesselwänden in Müllheizkraftwerken ist für die Instandhaltung eine breite Palette weiterer Werkstoffe interessant geworden, die bei den herkömmlichen Verfahren entweder nicht in der materialschonenden Art und Weise verarbeitet oder nicht in Stabform oder als Draht hergestellt werden können. Die Pulvermetallurgie eröffnet hier ein weites Feld für Standzeitverbesserungen, zumal das Gebiet der Pulvermorphologie einer intensiveren Betrachtung bedarf. Hier lassen sich bei weiteren Forschungsaktivitäten spritztechnische Fortschritte erzielen, die letzlich in Verbindung mit fortschrittlichen Verarbeitungstechnologien die Instandhaltung variabler gestalten können.

Das Plasmaspritzverfahren als relativ junges Verfahren in der Kesseltechnik ist als ergänzendes Verfahren zu den vorhandenen Verfahren einzustufen. Es kann dort, wo andere Verfahren nicht oder nicht sinnvoll eingesetzt werden können, z.B. an Kesseldecken oder dünnwandigen Rohren, der Instandhaltung dienen.