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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Porosität eines Werkstücks, insbesondere einer auf ein Substrat aufgebrachten Schicht, weiter insbesondere einer durch thermisches Spritzen aufgebrachten Schicht.
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Es ist bekannt, Schichten mittels thermischen Spritzens auf ein Substrat aufzubringen. Spritzverfahren, wie Flamm-, Plasma- und Kaltgasspritzen sind aus dem Stand der Technik zur Herstellung von Beschichtungen bekannt. Beim Flammspritzen wird ein pulver-, schnur-, stab- oder drahtförmiger Beschichtungswerkstoff in einer Brenngasflamme erhitzt und unter Zuführung zusätzlichen Trägergases, beispielsweise Druckluft, mit hoher Geschwindigkeit auf einen Grundwerkstoff gespritzt. Beim Plasmaspritzen wird in einen Plasmajet Pulver eingedüst, das durch die hohe Plasmatemperatur aufgeschmolzen wird. Der Plasmastrom reißt die Pulverteilchen mit und schleudert sie auf das zu beschichtende Werkstück.
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Beim Kaltgasspritzen, wie es beispielsweise in der
EP 0 484 533 B1 beschrieben ist, werden die Spritzpartikel in einem vergleichsweise kalten Trägergas auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die Temperatur des Trägergases beträgt wenige hundert °C und liegt unter der Schmelztemperatur der niedrigstschmelzenden gespritzten Komponente. Die Beschichtung wird mit dem Auftreffen der Partikel auf das Metallband oder Bauteil mit hoher kinetischer Energie gebildet, wobei die Partikel, die in dem kalten Trägergas nicht schmelzen, beim Aufprall eine dichte und festhaftende Schicht bilden. Die plastische Verformung und die daraus resultierende lokale Wärmefreigabe sorgen dabei für eine sehr gute Kohäsion und Haftung der Spritzschicht auf dem Werkstück. Aufgrund der relativ niedrigen Temperaturen und der Möglichkeit, Argon Oder andere Inertgase als Trägergas zu nutzen, lassen sich Oxidation und/oder Phasenumwandlungen des Beschichtungswerkstoffes beim Kaltgasspritzen vermeiden. Die Spritzpartikel werden als Pulver, in der Regel mit einer Partikelgröße von 1 bis 100 μm, zugegeben. Die hohe kinetische Energie erhalten die Spritzpartikel bei der Entspannung des Trägergases in einer Laval-Düse.
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Zu möglichen Anwendungen solcher thermisch gespritzter Schichten oder auch anderweitig hergestellter Werkstücke zählen die Wärmedämmung, der Korrosionsschutz und die elektrische Isolierung. Entsprechend ist eine Porosität solcher Schichten bzw. Werkstücke gewünscht oder nicht gewünscht. Wärmedämmschichten sollten eine hohe Porosität aufweisen, da die vom Schichtmaterial eingeschlossene Luft geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Bei anderen Anwendungen, wie Korrosionsschutz oder elektrische Isolierung, ist wenig Porosität gewünscht.
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Angaben zur Porosität sind folglich ein wichtiges Maß zur qualitativen Einordnung solcher Werkstücke wie Spritzschichten. Die Porosität stellt somit eine wichtige technologische und physikalische Eigenschaft einer thermisch gespritzten Schicht dar. Die Porosität wird üblicherweise in Prozent angegeben. Zur Messung der Porosität eines Werkstücks stehen verschiedene Messmethoden zur Verfügung, von denen im Folgenden einige beschrieben seien.
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Bei der Quecksilberporosimetrie wird die Porenvolumenverteilung (offene Porosität) und die spezifische Oberfläche von porösen Feststoffen anhand der Messung des unter steigendem Druck eingepressten Quecksilbervolumens bestimmt. Das Verfahren ist nur bei nicht benetzbaren und nicht mit Quecksilber reagierenden Stoffen anwendbar. Andere Feststoffe müssen vorher durch Überziehen mit einem geeigneten Material aufbereitet werden. Das Verfahren ist bei leicht zusammendrückbaren Stoffen und bei solchen, deren geschlossene Poren aufbrechen können, aufgrund der bei der Messung auftretenden Drücke nur bedingt anwendbar. Nähere Einzelheiten zu diesem Verfahren finden sich in der deutschen Norm DIN 66 133.
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Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Porengrößenverteilung und der spezifischen Oberfläche stellt das sogenannte Stickstoffsorptionsverfahren dar, bei dem die Stickstoff-Desorptionsisotherme bei der Siedetemperatur des Stickstoffs nach einem bestimmten Verfahren ausgewertet wird. Anstelle von Stickstoff können auch andere Gase, insbesondere Edelgas, eingesetzt werden. Anstelle der Desorptionisotherme kann auch die Adsorptionisotherme verwendet werden. Nähere Einzelheiten zu diesem Verfahren sind der deutschen Norm DIN 66 134 zu entnehmen.
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Bei der Mikroporenanalyse mittels Gasadsorption können Poren mit einer Porenweite < 2 nm gemessen werden. Voraussetzung für die Messung ist die Zugänglichkeit der Poren für das Messgas. Als Adsorptionsgase werden vorzugsweise Stickstoff, Argon oder Kohlendioxid verwendet. Zu Einzelheiten dieses Verfahrens, seiner Grundlagen sowie der hieraus möglichen Mikroporenvolumenbestimmung sei auf die deutsche Norm DIN 66 135 verwiesen.
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Ein weiteres, für das thermische Beschichten übliches Verfahren zur Bestimmung der Porosität, stellt auch die optische Auswertung der materialographischen Schliffe dar. Damit lassen sich Porenvolumen, Porenanzahl, Porengröße, Porenform und -verteilung über die Spritzschichtendicke bestimmen (DVS Merkblatt 2301, Thermische Spritzverfahren für metallische und nichtmetallische Werkstoffe, Februar 2009, S.9 Prüfen der Spritzschichten). Um eine genaue Aussage über die Porosität treffen zu können müssen die Proben entsprechend dem DVS-Merkblatt 2301-1 präpariert werden.
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Sämtliche bekannten Methoden zur Porositätsmessung haben die ungewünschte Begleiteigenschaft, dass im Falle von Schichten diese zumindest zum Teil zerstört werden müssen, beispielsweise um über einen Querschliff die Messung durchzuführen. Außerdem erfordern die bekannten Verfahren zeitaufwendige Vorbereitungen der Proben und in der Regel die Auswertung umfangreicher Messreihen.
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Es besteht daher Bedarf nach einem Verfahren zur Ermittlung der Porosität eines Werkstücks, insbesondere einer auf einem Substrat aufgebrachten Schicht, das möglichst zerstörungsfrei und mit weniger Aufwand durchzuführen ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteile und Ausgestaltungen dieses Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Ermittlung der Porosität insbesondere einer auf ein Substrat aufgebrachten Schicht vor, bei dem zunächst ein Volumen der Schicht gemessen und hieraus bei bekannter Dichte des Schichtmaterials eine theoretische Schichtmasse berechnet wird. Die theoretische Schichtmasse ist durch das Produkt aus gemessenem Volumen der Schicht und der bekannten Dichte gegeben. Diese theoretische Schichtmasse kann nur erzielt werden, wenn das Schichtmaterial ohne jegliche Porosität auf das Substrat gespritzt wird. Anschließend wird erfindungsgemäß bei bekannter Schichtmasse des dem gemessenen Volumen zugeordneten Schichtmaterials der tatsächlich aufgebrachten Schicht die Porosität aus der Gleichung
ermittelt, mit P: Porosität; m
g: tatsächliche Schichtmasse; m
th: theoretische Schichtmasse.
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Für mg = mth ergibt sich die Porosität zu Null, während für mg << mth die Porosität hohe Werte bis zu maximal 100% annimmt.
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Das vorgeschlagene erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Porositätsbestimmung bei Schichten geeignet, das Wesen der Erfindung lässt sich jedoch ganz allgemein auf beliebige Werkstücke verallgemeinern. Lediglich zu Zwecken der Einfachheit soll im Folgenden der Sonderfall der Porositätsbestimmung einer auf ein Substrat aufgebrachten Schicht speziell erläutert werden, ohne dass hierdurch die Offenbarung der Erfindung oder der Schutzbereich eingeschränkt werden soll.
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Mit diesem Verfahren kann bei gemessenem oder allgemeiner bestimmtem Volumen und der diesem Volumen entsprechenden tatsächlichen Werkstück- bzw. Schichtmasse die Porosität zerstörungsfrei und zeitsparend genau bestimmt werden. Die Dichte des verwendeten Werkstücks bzw. des Schichtmaterials ist entsprechenden Tabellen der Fachliteratur zu entnehmen. Beispielhaft seien die Dichten folgender Materialien genannt: Invar: 7,9 g/cm3; Ni: 8,91 g/cm3; Al: 2,7 g/cm3; Cr2O3: 5,22 g/cm3. Diese Materialien werden häufig für thermisch gespitzte Schichten verwendet.
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Die tatsächlich gewogene Masse mg wird aufgrund von Lufteinschlüssen immer geringer sein als die theoretisch ermittelte Masse mth. Somit nimmt die Porosität Werte zwischen 0 und 100% an, wobei die Grenzbereiche in der Praxis kaum zu erreichen sind.
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Es ist empfehlenswert, zur erfindungsgemäßen Porositätsermittlung einer Schicht eine Schichtprobe auf das Substrat aufzubringen. Eine Schichtprobe hat ein begrenztes und somit relativ einfach zu messendes Volumen. Es ist insbesondere vorteilhaft als Schichtprobe einen linearen Schichtabschnitt zu verwenden, der unter den gleichen Bedingungen und mit den gleichen Parametern auf das Substrat aufgebracht ist, wie beim späteren Spritzen der Schicht. Beispielsweise wird ein solcher linearer Schichtabschnitt dadurch erzeugt, dass ein Substrat in einer Richtung mittels eines Beschichtungsbrenners beschichtet wird, wobei zweckmäßigerweise eine Maske zwischen Beschichtungsbrenner und Substrat vorhanden sein kann, um den entstehenden Schichtabschnitt definiert zu begrenzen. Diese Art der Aufbringung einer Schichtprobe hat deutliche Vorteile gegenüber sonst üblichen Spritzfleckproben, die häufig verwendet werden, um Eigenschaften von Schichten zu analysieren. Solche Spritzfleckproben werden punktförmig auf das Substrat aufgebracht, wobei aufgrund der punktuellen Hitzeeinbringung eine Nachverdichtung der Probe stattfindet, so dass die Spritzfleckprobe in ihren Eigenschaften häufig nicht der später tatsächlich aufgebrachten Schicht entspricht.
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Zur Messung des Volumens können optische Verfahren, beispielsweise optische Abbildungsverfahren mit anschließender Bildanalyse, wie ein Laserschnittverfahren, oder ein Lasertriangulationsverfahren eingesetzt werden. Zur Vermessung wird die Probe mittels einer hochpräzisen x/y-Positioniereinheit bewegt.
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Ein mögliches Laserschnittverfahren, das in den Ausführungsbeispielen näher erläutert werden soll, sei hier kurz skizziert: Mittels einer durch Laserstrahlen erzeugten Laserlinie oder Laserebene (”Lasersheet”) können Höhenlinien auf die Probe, wie den linearen Schichtabschnitt, projiziert werden. Diese Höhenlinien werden von einer Kamera aufgenommen, wobei durch Abtasten der Probe die Kamera ein dreidimensionales Probenprofil aufnehmen bzw. berechnen kann. Dieses dreidimensionale Profil kann für die Volumenbestimmung verwendet werden.
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Zur Bestimmung der tatsächlichen Schichtmasse mg des dem gemessenen Volumen zugeordneten Schichtmaterials ist es sinnvoll, das Substrat vor Aufbringen der Schicht und nach Aufbringen der Schicht bzw. der Schichtprobe zu wiegen und aus der Differenz der gemessen Massen die tatsächliche Schichtmasse mg zu bestimmen.
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In dem beschriebenen Fall errechnet sich die Porosität folglich aus der Gleichung
mit M
oS: Masse des Substrats ohne Schicht; M
mS: Masse des Substrats mit Schicht; ρ: Dichte des Schichtmaterials; V: bestimmtes Volumen der Schicht bzw. Schichtprobe.
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Mit besonderen Vorteilen wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Porosität und/oder Haftzugfestigkeit bei thermisch gespritzten Schichten verwendet. So kann, wenn die Porosität (Rauhigkeit) einer Schicht bekannt ist, mittels des Spannungsintensitätsfaktors (auch k-Faktor genannt) die Haftzugfestigkeit der Schicht aus der Porosität berechnet werden.
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Wie bereits erwähnt, ist die Erfindung nicht auf die Bestimmung der Porosität von Schichten beschränkt. Andere für die erfindungsgemäße Porositätsermittlung geeignete Werkstücke sind beispielsweise Metallschäume, Porenbeton etc.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine mögliche Messanordnung zur Bestimmung des Volumens einer Schichtprobe in schematischer Darstellung und
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2 zeigt die perspektivische Ansicht eines dreidimensionalen Profils, wie es mit einer Messanordnung gemäß 1 erhalten werden kann.
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Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels zur Bestimmung der Porosität einer auf ein Substrat aufgebrachten Schicht näher erläutert werden. Hierzu wird, wie bereits oben als vorteilhaft ausgeführt, zunächst eine Schichtprobe 1 auf ein Substrat 2 aufgebracht. In 1 ist die aufgebrachte Schichtprobe 1 schematisch als halbzylinderförmige Probe dargestellt, um die Arbeitsweise der in 1 dargestellten Messvorrichtung besser zu verstehen. Die lineare Schichtprobe 1 wird zweckmäßigerweise mit einem bekannten Beschichtungsbrenner auf das Substrat 2 aufgebracht, wobei mit einer Maske gearbeitet werden kann, die beispielsweise eine definierte rechteckige Öffnung aufweist, durch die die Beschichtungspartikel auf das Substrat 2 gelangen. Durch lineare Bewegung des Beschichtungsbrenners entlang der längeren Seite der rechteckigen Maske entsteht auf dem Substrat 2 die in 1 dargestellte Schichtprobe 1. Die tatsächliche Form entspricht dem in 2 dargestellten Profil.
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Vorteil dieses Verfahrens zur Aufbringung eines Schichtprobe 1 ist, dass die hierbei entstehende Schicht eher der Realität entspricht, als die bisher bekannte Spritzfleckprobe, wie bereits oben ausgeführt.
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Zur Bestimmung der Porosität der später auf das Substrat 2 aufgebrachten Schicht wird zunächst ein Volumen V bestimmt, das dem Volumen V der Schichtprobe 1 entspricht. Für die folgenden Betrachtungen sei angenommen, dass es sich um Invar als Schichtmaterial handelt, das eine Dichte von 7,9 g/cm3 aufweist. Um hieraus die theoretische Schichtmasse mth berechnen zu können, muss das Volumen V gemessen werden. Hierzu sind prinzipiell verschiedene Verfahren bekannt, wie beispielsweise Lasertriangulations- oder Laserschnittverfahren. Im Folgenden soll eine besondere Art eines Laserschnittverfahrens näher erläutert werden.
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Die Funktionsweise ist anhand 1 veranschaulicht: zwei Laser 4 und 5 erzeugen parallel zu der durch das Substrat 2 definierten Ebene eine Laserebene (”Lasersheet”) 3. Die Höhe des Lasersheet 3 von der Substratebene wird durch den Pfeil 9, der auf eine Skala 8 weist, wiedergegeben. Das unterste Ende der Skala 8 stellt hierbei die Substratebene dar, während das obere Ende der Skala 8 bereits knapp oberhalb der Schichtprobe 1 liegt. Im dargestellten Fall der 1 befindet sich das Lasersheet 3 somit etwa in der Mitte des möglichen verfahrbaren Wegs. Das Lasersheet 3 ”schneidet” die Schichtprobe 1 entlang zweier Linien 10, die in 1 durch dunkle Streifen auf der Oberfläche der Schichtprobe 1 kenntlich gemacht sind. Diese Linien 10 bilden ein Muster auf der Oberfläche der Schichtprobe 1, das von der Kamera 6 aufgenommen wird. Das entstehende Bild 7 ist schematisch in der rechten oberen Hälfte der 1 wiedergegeben.
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Durch sukzessives Verschieben des Lasersheet 3 in Richtung senkrecht zur Substratebene im Bereich der Skala 8 können somit mehrere Bilder 7 von der Kamera 6 aufgenommen werden. Die entstehenden Linien 10 können jeweils als Linien gleicher Höhe (bezogen auf die Substratebene) auf der Schichtprobenoberfläche verstanden werden.
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Durch geeignete Bildverarbeitung können die Bilder 7 zu einer dreidimensionalen Darstellung des aufgenommenen Profils 20 verarbeitet werden, wie in 2 dargestellt. In 2 entsprechen die Höhenlinien 21 den schematischen Linien 10 aus 1. Die Höhenlinien 21 entsprechen wieder Linien auf gleicher Höhe bezogen auf die Substratoberfläche auf der vermessenen Schichtprobe 1 aus 1. 2 zeigt das dreidimensional Profil 20 einer tatsächlich vermessenen Schichtprobe 1. Ein Schnitt durch das Profil 20 entlang der x-Achse ergibt eine Profillinie, die durch Punkte 22 angedeutet ist, die die entsprechenden Schnittstellen mit den Höhenlinien 21 darstellen. Das Profil 20 zeigt im Vergleich zur Schichtprobe 1 aus 1, dass die Schichtprobe tatsächlich abgeflachter ist als ein Halbzylinder. Aus der Darstellung des Profils 20 gemäß 2 lässt sich anhand von Bildverarbeitungsprogrammen bei bekannter Skalierung der Achsen x, y und z das vom Profil 20 eingeschlossene Volumen V bestimmen.
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Im vorliegenden Fall beträgt das auf diese Weise bestimmte Volumen V = 1,1733 cm3. Hieraus ergibt sich mth = ρ × V = 7,9 g/cm3 × 1,1733 cm3 = 9,2691 g. Diese Masse hätte folglich eine ohne jegliche Porosität aufgebrachte Schichtprobe 1 aus dem Material Invar.
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Im nächsten Schritt muss die tatsächliche Schichtmasse mg des dem gemessenen Volumen V zugeordneten Schichtmaterials bestimmt werden. In den einfachen Fällen eines einstückigen Werkstücks kann die tatsächliche Masse durch einfaches Wiegen ermittelt werden. Bei einer auf ein Substrat 2 aufgebrachten Schichtprobe 1 ist es hingegen vorteilhaft, das Substrat 2 vor und nach Beschichtung zu wiegen und aus der Differenz die Schichtmasse zu bestimmen. Eine andere Möglichkeit wäre, das für die thermische Beschichtung eingesetzte Material, also den Materialverbrauch zu bestimmen, und hieraus die Masse zu berechnen. Im vorliegenden Fall wurde die Masse des Substrats 2 vor Beschichtung zu 38,992 g und die Masse des Substrats nach Beschichtung mit der Schichtprobe 1 zu 48,0185 g bestimmt. Hieraus ergibt sich durch einfache Subtraktion die tatsächliche Masse der Schichtprobe 1 zu 9,0256 g.
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Somit liegen die zur Bestimmung der Porosität notwendigen Parameter m
g und m
th vor. Die Porosität P der Schichtprobe
1 bestimmt sich somit aus
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Es handelt sich hierbei sichtlich um eine geringe Porosität, da das Schichtmaterial Invar vorliegend für die Reparatur von Laminierwerkzeugen bei CFK-Bauteilen eingesetzt werden soll.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schichtprobe
- 2
- Substrat
- 3
- Lasersheet
- 4
- Laser
- 5
- Laser
- 6
- Kamera
- 7
- Bild
- 8
- Skala
- 9
- Pfeil
- 10
- Linien
- 20
- Profil
- 21
- Höhenlinien
- 22
- Profillinienpunkte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm DIN 66 133 [0006]
- Norm DIN 66 134 [0007]
- Norm DIN 66 135 [0008]
- DVS Merkblatt 2301, Thermische Spritzverfahren für metallische und nichtmetallische Werkstoffe, Februar 2009, S.9 Prüfen der Spritzschichten [0009]