Sprühformen, auch Sprühgießen genannt, ist ein metallurgisches Verfahren zur Herstellung endkonturnaher Bauteile mit geringer Entmischungsrate und gleichmäßiger Mikrostruktur. Das Verfahren kombiniert die Phänomene Zerstäubung, Abscheidung und Verdichtung. Durch Sprühformen lassen sich Legierungen problemlos zur Herstellung schwer gießbarer Bauteile wie Nickelbasislegierungen, Schnellarbeitsstahl usw. nutzen. Dieses fortschrittliche Fertigungsverfahren wird zur Herstellung von Ringen, Scheiben und Dichtungssegmenten für Flugzeugtriebwerke eingesetzt. Darüber hinaus werden damit auch Rohre, Werkzeuge und zylindrische, extrusionsplattierte Stäbe hergestellt.
Geschichte des Sprühformens
In den 1970er Jahren setzten Singer und sein Team das Sprühformen erfolgreich zur Herstellung von Metallkomponenten am University College Swansea ein. Er zeigte, dass sich durch Gaszerstäubung Metallstreifen direkt aus geschmolzenem Metall formen lassen. Osprey war das erste Unternehmen, das dieses Verfahren kommerziell einsetzte. Daher erhielt es auch den Namen Osprey-Verfahren. Später wurde auch die Liquid Dynamic Compaction (LDC) zur Herstellung von Metallkomponenten eingesetzt, bei der die schnelle Verfestigung zur Verbesserung der Materialeigenschaften im Vordergrund stand. Im Laufe der Zeit ebnete das Metallsprühformen den Weg für die endkonturnahe Fertigung.
Sprühformverfahren
Schmelzvorbereitung
Im ersten Schritt des Sprühformverfahrens wird eine saubere, vorgemischte Metallschmelze in einem Tiegel hergestellt. Dabei:
- Um den thermischen Gradienten zu verringern, wird eine sehr geringe Überhitzung beibehalten.
- Um eine Oxidation zu verhindern, wird die Schmelzkammer mit einem Inertgas wie Stickstoff oder Argon gespült.
- Zur Aufrechterhaltung einer Schutzatmosphäre wird ein leichter Überdruck angelegt.
Schmelzezufuhr
Anschließend wird die Schmelze vom Tiegelboden durch einen Verteiler in die Zerstäubungszone abgelassen. In diesem Schritt wird ein gleichmäßiger, kontrollierter Schmelzfluss für eine einwandfreie Zerstäubung gewährleistet.
Zerstäubung
In der Automatisierungskammer vermischt sich schnell fließendes Inertgas mit der Schmelze und bildet kleine Tröpfchen. Die Größe dieser Tröpfchen liegt zwischen 20 und 200 μm. Der Gasstrahl erzeugt nicht nur kleine Tröpfchen, sondern sorgt auch für konvektive Kühlung und leitet eine schnelle Erstarrung ein, während die Tröpfchen durch den Sprühnebel wandern.
Tropfenkühlung und -beschleunigung
Beim Verlassen der Zerstäubungskammer beschleunigen die Tropfen auf Geschwindigkeiten von 50–100 m/s und kühlen dabei ab. Innerhalb weniger Millisekunden nach der Zerstäubung werden den Tropfen etwa 60–80 % ihrer latenten Wärme entzogen. Die verbleibende Wärme entweicht über einen Zeitraum von bis zu 300 Sekunden. Auf diese Weise verfestigt sich der Tropfen beim Erreichen des Substrats in verschiedenen Stadien.
Abscheidung auf Substrat
Schließlich fällt der Tropfen auf das bewegte oder stationäre Substrat, flacht ab und verfestigt sich zu einer dichten, konsolidierten Ablagerung. Die Dichte des Materials liegt hier zwischen 96 und 99.5 %.
Mikrostrukturentwicklung
Das Metallspritzformverfahren fördert die Unterkühlung und führt zu feinen, gleichmäßig großen und geformten Partikeln in allen Richtungen. Die Zusammensetzung des Materials bleibt aufgrund der fehlenden Makroseigerung gleichmäßig.
Anwendungen des Sprühformverfahrens
Band- und Blechproduktion
Durch Sprühformen werden Metallbänder und -bleche mit feiner Kornstruktur hergestellt. Diese Bleche und Bänder sind hochkorrosionsbeständig und verfügen über bemerkenswerte mechanische Eigenschaften.
Ringe und Rohre
Eine der bemerkenswertesten Anwendungen des Sprühformens ist die Herstellung von Ringen mit großem Durchmesser und nahtlosen Rohren. Diese Ringe und Rohre werden für Branchen hergestellt, in denen ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und eine gleichmäßige Mikrostruktur entscheidend sind. Sie werden hauptsächlich für Komponenten in der Luft- und Raumfahrt sowie für Energieerzeugungsanlagen hergestellt.
Strukturmaterialien
Sprühformen wird auch häufig bei der Herstellung von Strukturmetallen in verschiedenen Branchen eingesetzt. Dazu gehören Materialien wie Aluminium, Stahl und Kupferlegierungen.
Aluminiumlegierungen
Die Herstellung mehrerer Al-basierter Legierungen erfolgt durch Sprühformen, wie zum Beispiel:
- Al-Si-Legierungen für Automobilanwendungen. Diese Legierungen bieten den Komponenten eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Gießbarkeit.
- Al-Li-Legierungen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Schiffsbau.
Vorteile des Sprühformens
Nahezu Nettoform
Beim Sprühformen werden halbfeste Metallpartikel direkt auf dem Substrat abgeschieden, wodurch ein nahezu konturnahes Material entsteht. Dies minimiert nicht nur den Materialabfall, sondern senkt auch die Gesamtproduktionskosten.
Weniger Defekte
Der Prozess findet in einer inerten Atmosphäre statt, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion des Metalls mit Sauerstoff oder anderen Gasen verringert wird. Dies trägt dazu bei, Defekte im Endprodukt zu vermeiden.
Geringere Kosten und Energieverbrauch
Ein außergewöhnlicher Vorteil des Metallspritzformens besteht darin, dass es keine teuren Formen oder Werkzeuge benötigt und weniger Energie verbraucht. Dies macht es kostengünstig und schnell.
Gleichmäßige und feine Mikrostruktur
Sprühgeformte Werkstoffe weisen in der Regel kleine Korngrößen und feine Sekundärphasen auf. Dadurch verfügen sie über eine gleichmäßige innere Struktur, die bessere mechanische Eigenschaften bietet.
Hohe Dichte
In konventionelles PulvermetallurgieverfahrenAufgrund des begrenzten Pressvorgangs und der geringen Sintereffizienz beträgt die Dichte der Teile normalerweise etwa 95 %. Beim Sprühformen hingegen wird durch Minimierung der Porosität eine hohe Teiledichte von typischerweise bis zu 98 % erreicht.
Einschränkungen von Datenquellen zur Sprühformung
Porosität im Endprodukt
Obwohl Sprühformen bekanntermaßen feine Mikrostrukturen erzeugt, weist das Endprodukt dennoch kleine Löcher im Inneren auf, wie z. B. gegossene Porosität. Daher kann eine Weiterverarbeitung wie Walzen oder Extrudieren erforderlich sein.
Metallverluste
Während des Prozesses kann eine beträchtliche Menge Metall verschwendet werden. Dazu gehören:
- Overspray: Metalltropfen, die das Ziel verfehlen.
- Abprallen: Tröpfchen, die auf die Oberfläche treffen, aber nicht haften bleiben.
- Bearbeitung: Überschüssiges Material, das später entfernt werden muss.
Hohe Kosten für Inertgase
Wir wissen, dass beim Sprühformen Inertgase zur Zerstäubung geschmolzener Metalle erforderlich sind. Diese sind jedoch recht teuer, was den Prozess weniger wirtschaftlich macht.
Schwierige Prozesskontrolle
Es ist eine Herausforderung, den Prozess in Echtzeit zu überwachen und zu steuern, wodurch es schwierig wird, ohne zusätzliche Anpassungen oder Korrekturen eine konsistente Mikrostruktur und Form sicherzustellen.