Das thermische Beschichten stellt eine der Schlüsselindustrien des 21.Jahrhunderts dar, dessen Entwicklung auch weiterhin durch den enormen Kostendruck getrieben werden wird. Für eine schnelle und kostengünstige Entwicklung neuer innovativer Oberflächen ist ein vertiefendes Verständnis des gesamten Beschichtungsprozesses notwendig. Dabei werden die schichtbildenden Partikel in einen heißen Gasstrahl eingebracht, welcher die Partikel dann wärmebehandelt und beschleunigt. Der Ort der Zugabe des Beschichtungsmaterials ist hierbei von entscheidender Bedeutung. Die Driftgeschwindigkeit ist einer der primären Faktoren für die Behandlung der Partikel in einem Gasstrahl. In dieser Arbeit wird ein neues, berührungsloses und rückwirkungsfreies Verfahren zur Bestimmung der Driftgeschwindigkeit durch Ausnutzung des Dopplereffektes an schnellen kalten und heißen Gasströmungen vorgestellt. Die neue Technik basiert dabei auf der geschwindigkeitsabhängigen Verschiebung nichtresonanter Lichtstreuung an gebunden (Rayleighstreuung) und freien Elektronen (Thomsonstreuung). Die Bestimmung der geschwindigkeitsinduzierten Wellenlängenänderung bedingt eine hohe spektrale Auflösung des gestreuten Lichtes. In dieser Arbeit wird zu diesem Zweck ein Fizeau-Interferometer (FI) mit hoher Auflösung verwendet. Dieser Interferometertyp besteht im Vergleich zu den sonst meist verwendeten Fabry-Perot-Interferometern (FPI) aus zwei optischen Platten die leicht gegeneinander verkippt sind. In klassischen FPIs werden hohe Anforderungen an die Parallelität der verwendeten optischen Platten gestellt, diese Anforderungen sind für das FI nicht notwendig. Der geringe Reflexionsfaktor (R=0.8) der verwendeten optischen Platten des FI führt dabei zu einer höheren registrierten Intensität am Detektor. Durch die Verwendung zweier um 180° gegeneinander versetzter zeitlich getrennter Laserpulse können relative Wellenlängenänderungen unterhalb des Auflösungsvermögens des FI bestimmt werden. Die Möglichkeit, durch Aufbauvariationen die spektralen Eigenschaften des FIs zu modifizieren, erlaubt die Adaption des Systems sowohl an kalte als auch heiße Gasströmungen. Zur Verifizierung des Systems für Kaltgas wurde eine deLavalsche Überschalldüse konstruiert und mittels eines Particle imaging velocimetry (PIV) Verfahrens vermessen. Die Ergebnisse beider Verfahren weisen für unterschiedliche Arbeitspunkte des FIs eine große Übereinstimmung auf. Die hohe Empfindlichkeit des Systems bedingt besonders bei geringen gestreuten Intensitäten einen hohen Einfluss des Falschlichtes. Dieser Falschlichteinfluss auf die ermittelten Geschwindigkeiten kann durch ein einfaches Interferometermodell abgeschätzt werden. Zur Untersuchung eines Gleichstromplasmas muss sowohl das Signal der Rayleigh- als auch der Thomsonstreuung detektiert werden. Die Bestimmung der Zusammensetzung erfolgt mittels eines theoretischen Modells, welches aus der effektiv in das Plasma abgegebenen elektrischen Leistung und dem Massenfluss die Neutralteilchen-, die Ionenund die Elektronendichte am Ausgang des Plasmagenerators ermittelt. Aus diesem Modell kann für verschiedenen Temperatur- und Geschwindigkeitsverläufe ebenfalls die Elektronen- und Ionentemperatur abgeschätzt werden. Die interpretierten Geschwindigkeiten stimmen sowohl mit den theoretisch berechneten als auch mittels Fluktuationen gemessenen Geschwindigkeiten gut überein.     «

Das thermische Beschichten stellt eine der Schlüsselindustrien des 21.Jahrhunderts dar, dessen Entwicklung auch weiterhin durch den enormen Kostendruck getrieben werden wird. Für eine schnelle und kostengünstige Entwicklung neuer innovativer Oberflächen ist ein vertiefendes Verständnis des gesamten Beschichtungsprozesses notwendig. Dabei werden die schichtbildenden Partikel in einen heißen Gasstrahl eingebracht, welcher die Partikel dann wärmebehandelt und beschleunigt. Der Ort der Zugabe des Be...     »

Resource scarcity will lead to a further increase in prices in the future, pushing forward the development of thermal spray technologies as one of the key technologies of the 21st century. For a fast and efficient development of new innovative coatings a deeper knowledge of the whole thermal spray processing is required. The material to form the coating is mostly injected as powder particles into the hot gas flow where those particles are heated and accelerated. Parameters such as gas temperature and velocity at the injection location are very relevant for the resulting quality of the deposited coatings. This work describes a new contactless and non-disturbing diagnostics based on the Doppler effect which is capable to measure the gas drift velocity in fast gas flows, cold as well as hot. To evaluate the wavelength shift at free electrons (Thomson scattering) and bound electrons (Rayleigh scattering), produced by the drift velocity of such electrons, a high spectral resolution of the scattered spectrum is needed.\r\nFor this purpose a Fizeau Interferometer (FI) with high spectral resolution has been developed. In contrast to state-of-the-art Fabry-Perot Interferometers (FPI) this FI consists of two slightly misaligned semitransparent optical plates. Due to this latter modification the detailed monitoring of the plate parallelism, essential for FPI’s, is no longer necessary. Moreover the relative small reflection coefficient of the used optical plates (R=0.8) yields higher intensities at the detector. Two symmetrically arranged but reverse orientated laser beams ensure the experimental measurement of relative wavelength shifts even smaller than the resolution of the FI. Such spectral resolution can be adjusted and applied to both cold as well as hot gas flows. In a first stage, and in order to verify the experiment, a supersonic nozzle of known Mach number has been designed and measured by means of Particle Imaging Velocimetry (PIV) as well as by using the diagnostics developed in this work. A high correlation between both techniques has been achieved for different geometrical arrangements of the FI. However the system’s high sensitivity leads to a non negligible influence of diffuse scattered and reflected light (“false light”), particularly for those low scattering intensities expected at hot and thin gas flows. This influence nevertheless can be estimated and substracted from the experimental interferometric results using a model developed in this work. Regarding hot plasma jets, Rayleigh as well as Thomson scattering has to be considered. Both effects are incorporated by means of a theoretical model which calculates the densities of atoms, ions and free electrons at the outlet of the plasma generator, using as input the effective electric power and the mass flow of the gas injected into the plasma generator. Additionally this model permits an estimation of the gas and electron temperatures.\r\nThe interpretation of the measured velocities correlates well with theoretical estimations of the flow velocity as well as drift velocities estimated by the time delay in the fluctuation pattern of the plasma gas jet.\r\n     «

Resource scarcity will lead to a further increase in prices in the future, pushing forward the development of thermal spray technologies as one of the key technologies of the 21st century. For a fast and efficient development of new innovative coatings a deeper knowledge of the whole thermal spray processing is required. The material to form the coating is mostly injected as powder particles into the hot gas flow where those particles are heated and accelerated. Parameters such as gas temperatur...     »