TY - THES

T1 - Evaluierung von plasmagespritzten Zylinderlaufflächen

AU - Neunteufl, Ernst

N1 - gesperrt bis null

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Möglichkeit untersucht geometrisch beengte Motorblöcke, mit dem PTWA Verfahren zu beschichten, sowie eine quantitative Erfassung der Schichtqualität durchgeführt. Hierzu wurden zwei Versuche gefahren, wobei ein unverschlossener Motor als Referenzmotor diente und ein nachträglich Verschlossener, mit ansonst identem Aufbau, beschichtet und die Temperaturentwicklung während dieses Vorganges erfasst wurde. Um einen direkten Vergleich zu dem atmosphärischen Plasmaspritzen zu erhalten wurde zusätzlich ein Motorblock mit dem APS Verfahren beschichtet und untersucht. Für eine weitere Untersuchung der Einflüsse der Absaugung wurde der Prozess in OpenFoam abgebildet. Dies wurde mit Hilfe einer mehrstufigen Simulation durchgeführt und mit den Messergebnissen für eine Plausibilitätsprüfung verglichen. Aufgrund des stark erweiterten Temperaturbereiches dieser Simulation, im Vergleich zu den üblichen Einsatzgebieten dieses Softwarepaketes, war es notwendig Teile des thermodynamischen Modells zu überarbeiten und um die Rechenzeit auf ein technisch sinnvolles Maß zu reduzieren, wurden auch die Ergebnisse von Einzelsimulationen auf das Endergebnis übertragen. Die Simulation bildet die Erwärmung im unteren Bereich der Zylinderlauffläche sehr gut ab. Dabei zeigt sie sich als agiler als die tatsächlich gemessenen, da hier keine Wärmeübergänge zu den Thermoelementen die Messergebnisse dämpfen. Durch die gute Korrelation zwischen der gemessenen Kurven und den Simulierten, lässt sich aus der Simulation ablesen, dass die maximale Oberflächentemperatur 15 K über der gemessenen Kerntemperatur liegt. Im oberen Bereich des Zylinders kam es zu deutlich niedrigeren Temperaturen. Dies lässt sich aber auf die vereinfachte Geometrie der Simulation sowie etwaigen Undichtheiten im Übergang zur Absaugung zurück führen. Des Weiteren zeigte eine Auswertung der Strömung bei variierenden Parametern der Absaugung keinen maßgebenden Einfluss auf den Kernstrahl während dem Arbeitsschritt. Bei der Auswertung des Schichtaufbaues und der Schichtqualtität beider Versuche zeigte sich kein signifikanter Unterschied bei dem PTWA Verfahren. Hier werden dichte Schichten mit einer niedrigen Gesamtporosität erreicht. Der Einsatz des APS Verfahrens führte zu einer deutlich erhöhten Porosität. Bei der Haftzugfestigkeit überzeugte das PTWA Verfahren gegenüber dem APS Verfahren. Die gewünschte Beschichtungslänge kann mit dem PTWA Verfahren für die gegebenen Geometrien nicht erreicht werden, die Qualität der Schicht zeigte sich dafür über die ganze beschichtete Länge als homogen. Die Auswertung der Temperaturkurven zeigt eine maximale Erwärmung des Beschichtungsbereiches auf 160 °C, nach dem Ausgleich der Temperaturverteilung im Gussteil, nach 430 sec sinkt die Temperatur auf unter 100 °C. Bei Cu freien Legierungen führt dies zu keinen Veränderungen im Gefüge, jedoch entstehen bei Cu hältigen Legierungen bei diesen kurzen Wirkzeiten bereits erste Aussscheidungskeime.

AB - Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Möglichkeit untersucht geometrisch beengte Motorblöcke, mit dem PTWA Verfahren zu beschichten, sowie eine quantitative Erfassung der Schichtqualität durchgeführt. Hierzu wurden zwei Versuche gefahren, wobei ein unverschlossener Motor als Referenzmotor diente und ein nachträglich Verschlossener, mit ansonst identem Aufbau, beschichtet und die Temperaturentwicklung während dieses Vorganges erfasst wurde. Um einen direkten Vergleich zu dem atmosphärischen Plasmaspritzen zu erhalten wurde zusätzlich ein Motorblock mit dem APS Verfahren beschichtet und untersucht. Für eine weitere Untersuchung der Einflüsse der Absaugung wurde der Prozess in OpenFoam abgebildet. Dies wurde mit Hilfe einer mehrstufigen Simulation durchgeführt und mit den Messergebnissen für eine Plausibilitätsprüfung verglichen. Aufgrund des stark erweiterten Temperaturbereiches dieser Simulation, im Vergleich zu den üblichen Einsatzgebieten dieses Softwarepaketes, war es notwendig Teile des thermodynamischen Modells zu überarbeiten und um die Rechenzeit auf ein technisch sinnvolles Maß zu reduzieren, wurden auch die Ergebnisse von Einzelsimulationen auf das Endergebnis übertragen. Die Simulation bildet die Erwärmung im unteren Bereich der Zylinderlauffläche sehr gut ab. Dabei zeigt sie sich als agiler als die tatsächlich gemessenen, da hier keine Wärmeübergänge zu den Thermoelementen die Messergebnisse dämpfen. Durch die gute Korrelation zwischen der gemessenen Kurven und den Simulierten, lässt sich aus der Simulation ablesen, dass die maximale Oberflächentemperatur 15 K über der gemessenen Kerntemperatur liegt. Im oberen Bereich des Zylinders kam es zu deutlich niedrigeren Temperaturen. Dies lässt sich aber auf die vereinfachte Geometrie der Simulation sowie etwaigen Undichtheiten im Übergang zur Absaugung zurück führen. Des Weiteren zeigte eine Auswertung der Strömung bei variierenden Parametern der Absaugung keinen maßgebenden Einfluss auf den Kernstrahl während dem Arbeitsschritt. Bei der Auswertung des Schichtaufbaues und der Schichtqualtität beider Versuche zeigte sich kein signifikanter Unterschied bei dem PTWA Verfahren. Hier werden dichte Schichten mit einer niedrigen Gesamtporosität erreicht. Der Einsatz des APS Verfahrens führte zu einer deutlich erhöhten Porosität. Bei der Haftzugfestigkeit überzeugte das PTWA Verfahren gegenüber dem APS Verfahren. Die gewünschte Beschichtungslänge kann mit dem PTWA Verfahren für die gegebenen Geometrien nicht erreicht werden, die Qualität der Schicht zeigte sich dafür über die ganze beschichtete Länge als homogen. Die Auswertung der Temperaturkurven zeigt eine maximale Erwärmung des Beschichtungsbereiches auf 160 °C, nach dem Ausgleich der Temperaturverteilung im Gussteil, nach 430 sec sinkt die Temperatur auf unter 100 °C. Bei Cu freien Legierungen führt dies zu keinen Veränderungen im Gefüge, jedoch entstehen bei Cu hältigen Legierungen bei diesen kurzen Wirkzeiten bereits erste Aussscheidungskeime.

KW - Plasmaspritzen

KW - OpenFoam

KW - Simulation

KW - Zylinderlauffläche

KW - Haftzugfestigkeit

KW - Schichtporosität

KW - Verbrennungsmotor

KW - plasma spray coating

KW - OpenFoam

KW - simulation

KW - cylinder bore surface

KW - bond strength

KW - coating porosity

KW - internal combustion engine

M3 - Masterarbeit

ER -