Suspensionsplasmaspritzen: Gezielte Verbesserung der Stabilität und Effizienz

28 Februar 2024

Dr.-Ing. Stephan Zimmermann, Professur für Plasmatechnik und Grundlagen der Elektrotechnik am Institut für Plasmatechnik und Mathematik, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, hat das Projekt „Gezielte Verbesserung der Stabilität und Effizienz des Suspensionsplasmaspritzens mittels angepasster diagnostischer Methoden" bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft eingeworben.

Laufzeit: 01.08.2023 bis 31.07.2026
Förderung: DFG-Sachbeihilfe – Deutsche Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die gezielte Verbesserung der Stabilität und Effizienz des Suspensionsplasmaspritzens mit axialer Injektion der Suspensionsvorstufe mit Hilfe angepasster diagnostischer Methoden. Auf der Grundlage der Arbeiten im Rahmen des geplanten Vorhabens sollen die prozessbestimmenden Mechanismen beim Suspensionsplasmaspritzen mit Zentralinjektion mit Hilfe diagnostischer Verfahren besser verstanden und gezielt beeinflusst werden. Hierzu erfolgt eine Bündelung der Expertisen der beiden Antragsteller in der Form, dass die prozess- und werkstoffwissenschaftlichen Kenntnisse des FZ Jülich einerseits mit den Kenntnissen der UniBw M im Bereich der Plasmageneratoren-Entwicklung sowie der Plasma- und Partikeldiagnostik andererseits verknüpft werden.

Zur experimentellen Untersuchung von Maßnahmen zur Verbesserung der Stabilität soll mit Hilfe bestehender Systeme ein neuer Modell-Experiment-Stand (MES) mit drei Plasmageneratoren und einem axial angeordneten Suspensionsinjektor so aufgebaut werden, dass diverse Einstellmöglichkeiten (z. B. unterschiedliche Plasmageneratoren, kaskadiert oder nicht kaskadiert, Pulsbetrieb usw.), sowie verschiedene räumliche Anordnungen dieser Systeme zueinander ermöglicht werden. Eine Gesamtdüse, in der die drei Plasmafackeln zusammengeführt werden, ist nach kühlungs- und strömungsmechanischen Aspekten so auszulegen, dass die Suspension „optimal“ mit dem resultierenden Gesamtplasma interagiert. Hierbei ist auch der Betrieb im „Leerlauf“ (ohne Injektion der Suspension) zu verstehen, da es bei herkömmlichen Drei-Generatoren-Systemen mit Zentralinjektion (Mettech Axial III) zu verstärkten Instabilitäten und erhöhtem Kathoden-/Anodenverschleiß kommt.

Des Weiteren muss eine gute Zugänglichkeit für diagnostische Systeme gegeben sein, um die prozessbestimmenden Phänomene aufklären zu können. Die besondere Schwierigkeit bei der Anpassung der diagnostischen Verfahren für das Suspensionsplasmaspritzen liegt in der erforderlichen hohen örtlichen und zeitlichen Auflösung sowie der Trennung der einzelnen Plasmen, des Gesamtplasmas, sowie der Separierung der Strahlung von den Tropfen/Partikeln. Neben den Injektionsbedingungen und der Wechselwirkung zwischen Tropfen/Partikeln und Plasma werden gleichzeitig die Abscheidebedingungen untersucht, um Wirkungsmechanismen auf die Schichteigenschaften identifizieren zu können. Hierbei spielt die Prozessstabilität eine zentrale Rolle.

Die Depositionseffizienz ist ein weiterer Aspekt. Es wird erwartet, dass mit Hilfe der angepassten diagnostischen Verfahren wertvolle Erkenntnisse über die Interaktion zwischen Plasmastrahl (Einzel- und Gesamt- bei sich vereinigender Düse) und Suspension gewonnen und in der Folge zur gezielten Verbesserung Effektivität des Prozesses genutzt werden können.

^{Bild: © gettyimages/koto_feja}