Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» ANSYS Conference & 20. Schweizer CADFEM Users’ Meeting – 10. September 2015 Helbling Technik 2 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 Inhalt 1. Was ist Thermisches Spritzen? 2. PS-PVD (Plasma Spraying – Physical Vapor Deposition) 3. Modellierungsansätze 4. Fazit / Nächste Schritte 3 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 Was ist Thermisches Spritzen? 4 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 Was ist Thermisches Spritzen? 5 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» - Chemical reaction Electric arc Heater Laser - Abradables Metals, Alloys Ceramics Carbides - Argon Helium Hydrogen Hydrocarbons erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 Was ist Thermisches Spritzen? 6 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» - Chemical reaction Electric arc Heater Laser - Abradables Metals, Alloys Ceramics Carbides - Argon Helium Hydrogen Hydrocarbons erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Überblick 200 mm Thermischer Beschichtungsprozess Tiefe Umgebungsdrücke bis 1.5 mbar (abs) Plasmapistole 03CP mit zwei radialen Injektoren Beschichtung aus der Dampfphase Erzeugung von thermischen Schutzschichten (YSZ) mit kolumnarem Aufbau Alternativprozess zum etablierten EB-PVD mit folgenden Vorteilen: Höhere Auftragsraten Beschichtung auch auf schattierten Oberflächen APS 7 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» PS-PVD erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Aufgabenstellung Erweiterung des Prozessfensters beim PS-PVD Prozess nicht stabil genug für bestimmte Parameter Schichtaufbau des Spritzmaterials innerhalb der Düse Tränenbildung mit Tropfenabriss an Düsenaustrittskante Kritisch für die kommerzielle Beschichtung von Grossserien Welche Effekte sind für dieses ungewünschte Phänomen verantwortlich? Numerische Simulation: trägt dazu bei, den Prozess besser zu verstehen. hilft, Einflüsse durch Geometrievariationen effizient zu analysieren. unterstützt die Entwickler bei der Lösungsfindung. 8 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Prozessparameter Stationäre Betrachtung mit Ansys CFX 3 Domains (Gas, Kathode, Umhüllende) Strukturiertes Hex-Gitter mit 5.8 mio Zellen Auf 24 Cores gerechnet Plasma-Gasgemisch: 35 slpm Argon 60 slpm Helium 10 slpm Wasserstoff Trägergasfluss: 32 slpm Argon (300K) Pulvermenge: 20 g/min YSZ (d32 = 10mm d = 1.5mm) Umgebungsdruck: 1.5 mbar (abs) Elektrische Leistung: 2200 A / 52 V (114 kW) 9 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Einige physikalische Effekte und deren Modellierung Tiefer Umgebungsdruck, hohe Temperaturen Elektrischer Lichtbogen Jakob’s Leiter Thermische Strahlung Plasma-Strömung Beeinflussung Ionisation Partikeltransport und –erwärmung Partikelzerfall Partikelverhalten Partikelverdampfung 10 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Einige physikalische Effekte und deren Modellierung Tiefer Umgebungsdruck, hohe Temperaturen Knudsen-Zahl als Kenngrösse Kontinuität nicht mehr gegeben. Elektrischer Lichtbogen Ionisation Jakob’s Leiter Navier-Stokes-Gleichungen ausserhalb der Düse nicht mehr gültig. Kn k BT L 2 2 pL Flow regime Continuum Regime Slip flow Transition flow Free Molecular flow Beschränkung der Simulations-Domain Thermische Strahlung Partikeltransport und –erwärmung Partikelzerfall Partikelverdampfung 11 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» Knudsen number range gas flows < 0.01 0.01 - 0.1 0.1 - 2 >2 erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Einige physikalische Effekte und deren Modellierung Tiefer Umgebungsdruck, hohe Temperaturen Elektrischer Lichtbogen Ionisation Magneto-HydroDynamik Ohm’sche Gesetz 𝑗 = −𝜎 ∙ 𝑔𝑟𝑎𝑑 f Magnetische Potential ∆𝐴 = −𝜇0 ∙ 𝑗 Magnetfeld 𝐵 = 𝑟𝑜𝑡 𝐴 Lorentzkraft 𝐿= 𝑗𝑥𝐵 𝑗2 S= 𝜎 Widerstandserwärmung Jakob’s Leiter Reale Stoffdaten der Gase als f(p,T) Thermische Strahlung Interpolationsfunktion Partikeltransport und –erwärmung Partikelzerfall Partikelverdampfung 12 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Einige physikalische Effekte und deren Modellierung Tiefer Umgebungsdruck, hohe Temperaturen Instationäres Phänomen Lichtbogen bewegt sich aufgrund thermischer und Elektrischer Lichtbogen Ionisation magnetischer Effekte Ansatzpunkt wandert entlang Anode Cathode (-) Jakob’s Leiter -+ Thermische Strahlung Anode (+) Ansatzpunkt durch künstliche Wärmequelle an konstanter Position gehalten Partikeltransport und –erwärmung Partikelzerfall Partikelverdampfung 13 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Einige physikalische Effekte und deren Modellierung Tiefer Umgebungsdruck, hohe Temperaturen Netto-Emissionsmodell als f(p,T) Strahlung als Energie-Senke modelliert Elektrischer Lichtbogen Skalierung aufgrund wandgeführtem Lichtbogen Ionisation Jakob’s Leiter Thermische Strahlung Partikeltransport und –erwärmung Partikelzerfall Partikelverdampfung 14 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Einige physikalische Effekte und deren Modellierung Tiefer Umgebungsdruck, hohe Temperaturen Elektrischer Lichtbogen Ionisation Anpassung des Widerstansdkoeffizienten cd für sphärische Partikel als f(Re, Ma, Tp, T) über UserFortran Anpassung des Nusselt-Zahl Nu für sphärische Partikel als f(Re, Pr, Tp, T) über UserFortran Anpassung des Breakup-Modells für spontanen Partikelzerfall für Tp > 300°C über UserFortran Jakob’s Leiter Anpassung des Massentransfer von mit UserFortran Thermische Strahlung Partikeltransport und –erwärmung Partikelzerfall Partikelverdampfung 15 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Postprocessing Spontane Rekondensation im Fluid Keimbildung findet statt, wenn Partialdruck pYSZ des verdampften Materials YSZ dessen Dampfdruck pv,YSZ(T) massiv übersteigt. Werte für die Sättigung S > 106 kritisch 16 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» 𝑝𝑌𝑆𝑍 𝑆= 𝑝𝑣.𝑌𝑆𝑍 (𝑇) erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Postprocessing Spontane Rekondensation im Fluid Keimbildung findet statt, wenn Partialdruck pYSZ des verdampften Materials YSZ dessen Dampfdruck pv,YSZ(T) massiv übersteigt. Werte für die Sättigung S > 106 kritisch 17 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» 𝑝𝑌𝑆𝑍 𝑆= 𝑝𝑣.𝑌𝑆𝑍 (𝑇) erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Postprocessing Spontane Rekondensation im Fluid Keimbildung findet statt, wenn Partialdruck pYSZ des verdampften Materials YSZ dessen Dampfdruck pv,YSZ(T) massiv übersteigt. Werte für die Sättigung S >106 kritisch 18 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 PS-PVD (Plasma Spraying - Physical Vapor Deposition) Postprocessing = - 45° Tc = 300 K = 0° Tc = 300 K = 0° Tc = 550 K 19 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» = + 45° Tc = 300 K = 0° Tc = 1300 K erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 Fazit Thermische Spritzprozesse prädestiniert für numerische Analyse. Simulation des komplexen PS-PVD Prozesses erfolgreich durchgeführt. Wesentliche physikalische Effekte modelliert. Gute Übereinstimmung mit integralen Messgrössen. Einflüsse durch Parametervariation schnell und effizient abschätzbar. Nächste Schritte: Weitere Untersuchung von Parameter- und Geometrievariationen Fertigung von Prototypen Tests 20 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 Danksagung Dr. Malko Gindrat Gruppenleiter «Technologie-Entwicklung» Dr. Georg Mauer Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) Gruppenleiter «Thermische Beschichtungstechnik» Stefan Rezanka Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) Doktorand «Thermische Beschichtungstechnik» 21 CADFEM Usersmeeting 2015 | Strömungssimulation im Anwendungsbereich «Thermisches Spritzen» erstellt: 10.09.2015 | WRE | CADFEMUsersmeeting_WRE_20150910 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ihr Ansprechpartner Reto Wäger Berechnungsingenieur Helbling Technik AG Schachenallee 29 CH-5000 Aarau Telefon +41 62 836 45 78 [email protected] www.helbling.ch Helbling Technik Aarau • Bern • Wil SG • Zürich • München • Boston • Shanghai
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