Multiscale modelling of plasma spraying

• Multiskalenmodellierung des Plasmaspritzens

Alkhasli, Ilkin; Bobzin, Kirsten (Thesis advisor); Elgeti, Stefanie Nicole (Thesis advisor)

Düren : Shaker (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriftenreihe Oberflächentechnik 70
Seite(n)/Artikel-Nr.: vi, 159 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Atmosphärisches Plasmaspritzen ist eine vielseitige Technologie, mit der Beschichtungen aus einem breiten Spektrum von Werkstoffen hergestellt werden können. Die Modellierung und Simulation des Prozesses erhöhen das Verständnis der Prozessdynamik und haben das Potenzial, die Schichteigenschaften vorherzusagen und zu optimieren. Eine simulative Korrelation der Schichteigenschaften mit den Prozessparametern ist zur Erfüllung dieses Ziels unerlässlich. Aufgrund seiner Komplexität ist es praktisch unmöglich, den gesamten Prozess in einem einzigen Modell abzubilden. Basierend auf der Art und der Skala der physikalischen Phänomene kann das atmosphärische Plasmaspritzen jedoch in Teilprozesse unterteilt werden, die durch einzelne Modelle abgebildet werden können. Bereits vorhandene Modelle von vereinzelten Teilprozessen in der Literatur sind nicht in der Lage, die Schichteigenschaften aus den Prozessparametern abzuleiten. Diese Arbeit widmet sich daher dem Aufbau einer prädiktiven Simulationskette, indem die Modelle der Teilprozesse des atmosphärischen Plasmaspritzens miteinander verknüpft werden und somit die Schichteigenschaften direkt mit den Prozessparametern verbunden werden. Die Simulationskette besteht aus den etablierten und neu entwickelten Modellen der Teilprozesse sowie den Kopplungsstrategien, mit denen die Modelle verknüpft werden. Das bestehende Modell des Plasmagenerators wurde übernommen, wobei das Partikelstrahlmodell wurde weiterentwickelt, um die Temperaturgradienten innerhalb der Partikeln zu berücksichtigen. Ein separates Modell um die realistische Partikelgeometrie aufzulösen, und eine Strategie, die es mit dem gradierten Partikelstrahlmodell koppelt, wurden entwickelt. Das dadurch entstandene multiskalen Partikelstrahlmodell wurde anhand experimentellen Schichtdickenverteilungen validiert. Die Partikelaufprall- und Erstarrungsmodelle, die dem Stand der Technik entsprechen, wurden aufgebaut. Sie wurden weiterentwickelt um die Schichtbildung durch mehrfache Partikelaufprall sowie die Abkühlraten der einzelnen Partikel zu betrachten. Eine Monte-Carlo-Kopplungsstrategie wurde entwickelt, um die gradierten Partikelstrahl- und Schichtaufbaumodelle skalenübergreifend zu koppeln. Ein Modell zur Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit der simulierten Beschichtungen unter Berücksichtigung der interlamellaren Schnittstellen bildete das letzte Glied in der Simulationskette. Neben der Erhöhung des Prozessverständnisses, ist eine prädiktive Simulationskette zustande gekommen, die für den Entwurf neuer Schichtsysteme eingesetzt werden kann.