DE4226229A1 - Surface treatment using high energy material pulse - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beaufschlagung ei ner Festkörperoberfläche, insbesondere einer Werkstoffober fläche, zum Zwecke der Erzielung von Veränderungen im Gefüge und/oder der Struktur und/oder der Zusammensetzung. Fer ner ist die Erfindung auf Vorrichtungen zur Durchführung die ses Verfahrens gerichtet.The invention relates to a method for applying egg ner solid surface, especially a material upper surface, for the purpose of achieving changes in the structure and / or the structure and / or the composition. Fer ner is the invention on devices for performing the this procedure.
Im Zuge des technologischen Fortschrittes werden ständig steigende Anforderungen an Komponenten und Anlagen des Ma schinenbaus gestellt. Insbesondere der Erhöhung von Zuver lässigkeit und Lebensdauer tribologisch beanspruchter Bautei le kommt in diesem Zusammenhang größte Bedeutung zu. Ein Weg zur Verwirklichung dieses Zieles ist die Beschichtung von Bauteiloberflächen mit modernen Hochtechnologie-Hartstof fen.In the course of technological progress are constantly increasing demands on components and systems of the Ma made of machinery. In particular, the increase in Zuver Liability and durability of components subject to tribological stress le is extremely important in this context. A Coating is the way to achieve this goal of component surfaces with modern high-tech hard materials fen.
Es ist bekannt, Schichten hochfester Materialen mit verschie densten Beschichtungsverfahren auf ein Bauteil aufzubringen. Bekannt sind insbesondere folgende Verfahren:It is known to use layers of high-strength materials with various to apply the most coating processes to a component. The following methods are known in particular:
- - PVD (physical vapor deposition)-Methoden- PVD (physical vapor deposition) methods
- - CVD (chemical vapor deposition)-Methoden- CVD (chemical vapor deposition) methods
- - elektrolytische (galvanische und chemische) Abscheidung- electrolytic (galvanic and chemical) deposition
- - thermische Spritzverfahren- thermal spraying
- - Plattier-Verfahren- plating process
- - Schmelztauchverfahren- hot dip
- - Laseroberflächenbehandlungen Ionenimplantation, Elektronenstrahlverfahren.- Laser surface treatments Ion implantation, electron beam process.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein insbesondere zur Erzielung von besonders hochwertigen oder besondere Eigenschaften auf weisenden Randschichten von Werkstoffen geeignetes Verfahren zu schaffen, das vielseitig einsetzbar und mittels Vorrich tungen realisierbar ist, die zumindest in ihrer Grundkonzep tion bekannt sind, jedoch bisher zu technisch völlig ver schiedenen Zwecken benutzt worden sind.The object of the invention is to achieve one in particular of particularly high quality or special properties appropriate surface layers of materials to create that versatile and using Vorrich is realizable, at least in its basic concept tion are known, but so far technically completely ver have been used for various purposes.
Gelöst wird nach der Erfindung die gestellte Aufgabe im we sentlichen durch ein Verfahren zur Beaufschlagung einer Fest körperoberfläche, insbesondere einer Werkstoffoberfläche, mit einem kurzzeitigen Impuls einer Masse hoher Energie und Dichte, bei dem die in einem Energiespeicher gespeicherte Energie in einen Energiewandler geleitet und dort auf einen in Richtung der Festkörperoberfläche zu beschleunigenden Energieträger in Form eines Gases und/oder einer Flüssig keit und/oder eines Feststoffes derart übertragen wird, daß der auf die Festkörperoberfläche auftretende Impuls mit der Randschicht des Festkörpers in Wechselwirkung tritt und in dieser extrem dünnen Randschicht ohne Beeinflussung des Grundwerkstoffes Veränderungen im Gefüge und/oder in der Struktur und/oder in der Zusammensetzung bewirkt.According to the invention, the object is achieved in we noticeably through a procedure for applying a feast body surface, in particular a material surface, with a brief impulse of a mass of high energy and Density at which the stored in an energy store Energy directed into an energy converter and there to one to be accelerated in the direction of the solid surface Energy source in the form of a gas and / or a liquid speed and / or a solid is transferred in such a way that the impulse occurring on the solid surface with the boundary layer of the solid interacts and in this extremely thin surface layer without influencing the Base material changes in the structure and / or in the Structure and / or in the composition causes.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Modifikationen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im einzelnen in den Patentansprüchen 1 bis 24 angegeben.Particularly advantageous configurations and modifications of the method according to the invention are detailed in the Claims 1 to 24 specified.
Von besonderer Bedeutung ist, daß es das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, nicht nur extrem harte und verschleiß feste Oberflächen zu erzielen, sondern diesen Oberflächen auch ganz bestimmte, bisher zumindest in dieser Art nicht erreichbare Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Benetzbarkeit und der Gefügestruktur, zu verleihen, und vor allem auch Materialumwandlungen zu erzielen, wie zum Bei spiel die Umwandlung von Graphit in diamantähnliche, ultra harte Kohlenstoffstrukturen, sogenannte Fullerene.Of particular importance is that it is the invention Process enables not only extremely hard and wear to achieve solid surfaces, but these surfaces also very specific ones, so far at least not in this way achievable properties, especially with regard to Wettability and structure, to lend, and before to achieve everything, such as material conversions play the transformation of graphite into diamond-like, ultra hard carbon structures, so-called fullerenes.
Die Verfahrensparameter lassen sich an die jeweils gewünsch ten Schichteigenschaften zielgerecht anpassen.The process parameters can be adjusted to the desired one Adjust the layer properties in a targeted manner.
Vorteilhaft verwendbare Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie von Modifikationen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 25 bis 34 beschrie ben, und zwar in Form verschiedener plasmadynamischer Beschleunigeranlagen.Devices which can be used advantageously for carrying out the inventive method and modifications of this Procedures are described in subclaims 25 to 34 ben, in the form of various plasma dynamic Accelerator systems.
Eine besonders vorteilhaft verwendbare Vorrichtung zur Reali sierung des Verfahrens nach der Erfindung besteht aus einem koaxialen Plasmabeschleuniger mit Kompressionsspule. Eine derartige Anlage liefert kurzzeitig, das heißt im Mikro- bis Millisekundenbereich, hohe Drücke im kbar-Bereich mit Tempe raturen bis zu 20 000 K und kann daher in einer Plasmaströ mung mit Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 70 km/sec Fremd partikel auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigen. Die se Geschwindigkeitsbereiche stellen einen wesentlichen Unter schied zu den existierenden Beschichtungsverfahren dar, da mittels dieser bekannten Oberflächenbehandlungstechnologien derartige Geschwindigkeitsbereiche auch nicht annähernd er reicht werden können. Die Verwendung eines solchen magneto- gasdynamischen Beschleunigers zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens ermöglicht extrem kurze Beaufschla gungszeiten und hohe Leistungsdichten.A particularly advantageous device for reali Sation of the method according to the invention consists of a coaxial plasma accelerator with compression coil. A such system delivers for a short time, that is in the micro to Millisecond range, high pressures in the kbar range with temp ratures up to 20,000 K and can therefore in a plasma flow with flow velocities of up to 70 km / sec Accelerate particles to very high speeds. The These speed ranges represent an essential sub differed from the existing coating processes because using these known surface treatment technologies such speed ranges not even close to him can be enough. The use of such a magneto- gas dynamic accelerator for performing the inventions The method according to the invention enables extremely short exposure delivery times and high power densities.
Weitere zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete und damit in neuartiger Weise verwendbare Anlagen stellen der elektrothermische Beschleuniger sowie der Leit schienenbeschleuniger dar. Mit diesen unterschiedlichen Be schleunigertypen ist es möglich, den jeweiligen Forderungen bei der Oberflächenbehandlung insbesondere hinsichtlich der zu verwendenden Materialien, der geforderten Drücke, Tempera turen und Strömungsgeschwindigkeiten des jeweiligen Plasmas variabel und optimal Rechnung zu tragen.Others to implement the method according to the invention suitable and thus usable systems represent the electrothermal accelerator and the control rail accelerator. With these different loading accelerator types it is possible to meet the respective requirements in the surface treatment especially with regard to the materials to be used, the required pressures, tempera structures and flow velocities of the respective plasma to take variable and optimal account.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen näher erläutert, wobei aus drücklich darauf hingewiesen wird, daß nicht nur der Inhalt der Patentansprüche, sondern auch der Gesamtinhalt dieser erläuternden Beschreibung Bestandteil der Erfindung ist. The invention is illustrated below using examples Reference to the pictures explained in more detail, whereby from it is emphasized that not only the content of the claims, but also the overall content of these explanatory description is part of the invention.
In der Zeichnung zeigt:The drawing shows:
Abb. 1 das Funktionsprinzip eines Beschleunigers zur Werkstoffbeeinflussung, Fig. 1 the functional principle of an accelerator for influencing materials,
Abb. 2 einen schematischen Aufbau einer Versuchs anlage, Fig. 2 shows a schematic structure of a test facility,
Abb. 3 eine Prinzipskizze eines plasmadynamischen Beschleunigers, Fig. 3 is a schematic diagram of a plasma dynamic accelerator,
Abb. 4 eine Schnittdarstellung eines plasmadynami schen Beschleunigers mit Gasinjektion durch die Außenelektrode und Injektion von Zusatz werkstoffen durch die Mittelelektrode, Fig. 4 is a sectional view of a plasma dynamic accelerator with gas injection through the outer electrode and injection of additional materials through the central electrode,
Abb. 5 einen plasmadynamischen Beschleuniger mit einer konvergent/divergenten Kompressions spule, Fig. 5 shows a plasma dynamic accelerator with a convergent / divergent compression coil,
Abb. 6 den schematischen Aufbau eines elektrothermi schen Beschleunigers, und Fig. 6 shows the schematic structure of an electrothermal accelerator, and
Abb. 7 eine schematische Darstellung eines Leit schienenbeschleunigers mit Objektwerkstoff. Fig. 7 is a schematic representation of a guardrail accelerator with object material.
Abb. 1 zeigt das Funktionsprinzip der Beschleunigeranla gen zur Oberflächenbeeinflussung von Werkstoffen zum Zwecke der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 1 shows the principle of operation of the Accelerator gene for influencing the surface of materials for the purpose of implementing the method according to the invention.
Diese schematische Darstellung verdeutlicht, daß lediglich die Aufgabe des Energiewandlers bei den verschiedenen ver wendbaren Beschleunigeranlagen auf unterschiedliche Weise ausgeführt wird. Die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen Kurzzeitimpulse einer Masse hoher Energie und Dichte sind mittels dieser verschiedenen Beschleunigeranla gen erzielbar, wobei die Auswahl der jeweiligen Anlage nach den speziell vorliegenden Aufgabenstellungen erfolgen kann. This schematic representation shows that only the task of the energy converter at the various ver reversible accelerator systems in different ways is performed. The for the inventive method required short-term impulses of a mass of high energy and Density are by means of these different accelerator systems gene achievable, the selection of the respective system according the specific tasks at hand.
Eine typische Gesamtanlage ist in Abb. 2 dargestellt, und sie zeigt das Beschleunigersystem, das aus dem eigentli chen Plasmabeschleuniger, der in einem Vakuumtank instal liert ist, und einer Kondensatorbank mit Ignitronschaltern als externem Energiespeicher besteht.A typical overall system is shown in Fig. 2, and it shows the accelerator system, which consists of the actual plasma accelerator, which is installed in a vacuum tank, and a capacitor bank with ignitron switches as an external energy store.
Der Plasmabeschleuniger selbst wird von den beiden Hauptgrup pen des koaxialen Beschleunigers und der Kompressionsspule gebildet, wobei dieser koaxiale Beschleuniger mit Kompres sionsspule den Energiewandler darstellt.The plasma accelerator itself is owned by the two main groups pen of the coaxial accelerator and the compression coil formed, this coaxial accelerator with compresses sion coil represents the energy converter.
Abb. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines plasmadynami schen Beschleunigers mit Kompressionsspule. Der koaxiale Teil besteht aus einer stabförmigen Mittelelektrode und ei ner Außenelektrode mit Ringquerschnitt. Daran anschließend ist eine konisch zulaufende Spule angeordnet, die am rückwär tigen Ende isoliert befestigt ist und über eine Stromrückfüh rung leitend mit der Außenelektrode verbunden ist. Der ge samte Beschleuniger kann als elektrischer Schwingkreis, be stehend aus einer Kapazität, Induktivitäten und Widerständen betrachtet werden. Wird der Schalter im Energiespeichersy stem geschlossen, so beginnt ein sich mit der Zeit ändernder Entladestrom durch das System zu fließen. Die leitende Ver bindung zwischen Mittelelektrode und Außenelektrode wird da bei durch ein den Energieträger darstellendes Plasma herge stellt, das zu Beginn der Stromentladung entweder durch Ver dampfung und Ionisation einer Metallfolie oder durch Ionisa tion eines Gases erzeugt wird. Weitere Einzelheiten eines derartigen plasmadynamischen Beschleunigers sind den US-Patenten 3 929 119 und 3 916 761 zu entnehmen. Fig. 3 shows a schematic diagram of a plasma dynamic accelerator with compression coil. The coaxial part consists of a rod-shaped central electrode and an outer electrode with a ring cross-section. This is followed by a tapered coil, which is attached insulated at the rear end and is conductively connected to the outer electrode via a current feedback. The entire accelerator can be regarded as an electrical resonant circuit, consisting of a capacitance, inductors and resistors. If the switch in the energy storage system is closed, a discharge current that changes over time begins to flow through the system. The conductive connection between the center electrode and the outer electrode is produced by a plasma which represents the energy source and which is generated at the start of the current discharge either by vaporization and ionization of a metal foil or by ionization of a gas. Further details of such a plasma dynamic accelerator can be found in US Patents 3,929,119 and 3,916,761.
Abb. 4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform eines plasmadynamischen Beschleunigers mit Gasinjektion durch die Außenelektrode und der Möglichkeit der Injektion von Zusatzwerkstoffen durch die Mittelelektro de. Fig. 4 shows a schematic representation of an embodiment of a plasma dynamic accelerator with gas injection through the outer electrode and the possibility of injecting filler materials through the central electrode.
Als Energiespeicher kann ein induktiver Speicher oder ein kapazitiver Speicher verwendet werden. Der Energiewandler, in den die Energie aus dem Energiespeicher geleitet wird, wandelt die gelieferte elektrische Energie in thermische und/oder kinetische und/oder chemische Energie eines Energieträgers um. Wird als Energieträger ein Gas verwen det, so wird dieses durch die Energiezufuhr kurzzeitig auf sehr hohe Temperatur sowie auf hohen Druck und Dichte ge bracht. Insbesondere wird das Gas dabei ionisiert, so daß ein Plasma entsteht. Dieses Plasma wird dazu verwendet, um als Energieträger zu dienen und/oder um zugleich andere Zusatzwerkstoffe mit kinetischer Energie zu versehen und mit zuführen und schließlich in Wechselwirkung mit dem Objekt werkstoff zu bringen, und zwar mit der sehr dünnen Rand schicht des Objektwerkstoffs, wobei insbesondere die Dauer des auf den Objektwerkstoff ausgeübten Impulses, die Tempe ratur, die Dichte und der Druck so gewählt sind, daß das Ge füge und die Struktur dieser sehr dünnen Randschicht gezielt beeinflußt, jedoch die Tiefe der thermischen Einwirkung auf diese dünne Randschicht beschränkt wird.An inductive storage device or a capacitive memory can be used. The energy converter, into which the energy from the energy storage is directed, converts the supplied electrical energy into thermal and / or kinetic and / or chemical energy of one Energy carrier around. A gas is used as an energy source det, this is briefly due to the energy supply very high temperature and high pressure and density brings. In particular, the gas is ionized so that a plasma is created. This plasma is used to to serve as an energy source and / or to serve others at the same time To provide filler materials with kinetic energy and with feed and finally interact with the object bring material, with the very thin edge layer of the object material, in particular the duration of the momentum exerted on the object material, the tempe rature, density and pressure are chosen so that the Ge add and target the structure of this very thin edge layer influenced, however, the depth of the thermal action this thin boundary layer is restricted.
Für diese Wechselwirkung muß der Energiespeicher, der Ener giewandler sowie der Energieträger mit oder ohne eingebrach te Zusatzwerkstoffe und der Objektwerkstoff in eine besonde re Anordnung gebracht werden, um die entsprechende Beeinflus sung des Objektwerkstoffes und insbesondere dessen Rand schicht durchzuführen. Hierzu muß vor allem eine geeignete Anordnung der physikalischen Parameter des Energiespeichers und des Energiewandlers sowie eine geeignete Auswahl des Energieträgers und des diesem Energieträger sowie gegebenen falls hinzugefügten Werkstoffes erfolgen, und diese müssen wiederum in geeigneter Form mit der Auswahl und mit der An ordnung des Objektwerkstoffes im Verhältnis zum Energiewand ler in Zusammenhang stehen. Diese Gesichtspunkte gelten grundsätzlich unabhängig von der Art des verwendeten Energie wandlers. For this interaction, the energy storage, the energy converter and the energy source with or without broken te filler materials and the object material in a special re order to be brought to the appropriate influence solution of the object material and in particular its edge perform shift. Above all, a suitable one Arrangement of the physical parameters of the energy storage and the energy converter as well as a suitable selection of the Energy carrier and this energy carrier as well as given if added material is made, and this must again in a suitable form with the selection and with the type order of the object material in relation to the energy wall related. These considerations apply basically regardless of the type of energy used converter.
Abb. 5 zeigt eine Modifikation eines plasmadynamischen Beschleunigers mit einer konvergent/divergent ausgebilde ten Kompressionsspule, die es ermöglicht, ausgangsseitig eine im wesentlichen parallele Plasmaströmung zu erzeugen, die eine vorteilhafte Verteilung der Temperatur, der Dichte und der Strömungsgeschwindigkeit im Plasmastrahl gewährlei stet, so daß die Beaufschlagung einer Festkörperoberfläche und insbesondere einer Werkstückoberfläche in besonders gleichmäßiger Weise erfolgt. Insbesondere wird hierbei die gleichmäßige Beaufschlagung einer möglichst großen Oberflä che erreicht. Der Objektwerkstoff kann in geeigneter Weise innerhalb oder außerhalb des koaxialen Beschleunigers mit Kompressionsspule angeordnet sein, und die Wahl der Position des Objektwerkstoffes ist dabei für die Lösung der jeweils gestellten Aufgabe von wesentlicher Bedeutung, da sich Dauer, Höhe, Dichte und Zusammensetzung des Impulses in Ab hängigkeit von der jeweiligen Position ändern. Fig. 5 shows a modification of a plasma dynamic accelerator with a convergent / divergent designed compression coil, which makes it possible to generate a substantially parallel plasma flow on the output side, which ensures an advantageous distribution of the temperature, the density and the flow velocity in the plasma jet, so that the application of a solid surface and in particular a workpiece surface takes place in a particularly uniform manner. In particular, the uniform application of the largest possible surface is achieved. The object material can be arranged in a suitable manner inside or outside of the coaxial accelerator with compression coil, and the choice of the position of the object material is of essential importance for the solution of the particular task, since the duration, height, density and composition of the pulse differ in Ab change dependency on the respective position.
Der koaxiale Beschleuniger mit Kompressionsspule kann insbe sondere mit einer geeigneten zugeführten Gesamtenergie und entsprechender Impulsdauer so betrieben werden, daß die Ero sion und Ablation der Bauteile des Beschleunigers vermieden wird, wobei eine besonders definierte und von Fremdstoffen unbeeinträchtigte Beaufschlagung des Objektwerkstoffes ge währleistet werden kann.The coaxial accelerator with compression coil can in particular especially with a suitable total energy input and corresponding pulse duration are operated so that the Ero sion and ablation of the components of the accelerator avoided being a specially defined and made of foreign substances undisturbed exposure to the object material can be guaranteed.
Abb. 6 zeigt einen Halbschnitt eines ebenfalls als Ener giewandler verwendbaren elektrothermischen Beschleunigers. Dieser besteht aus einem externen elektrischen Energiespei cher, einer Hochdruckkammer, die im weiteren auch Explosions kammer genannt wird, und dem eigentlichen Beschleunigerrohr. In der Explosionskammer befindet sich zwischen zwei Elektro den ein elektrisch leitfähiges Material. Wird der Energie speicher entladen, so beginnt im System ein Strom zu fließen, wodurch dem Material in der Kammer Energie zuge führt wird. Durch den starken Stromstoß verdampft das Mate rial (unter Umständen bereits das den Objektwerkstoff zu be einflussende Material) spontan, und es entsteht ein heißes, unter hohem Druck stehendes, in axialer Richtung expandieren des Plasma. Der Objektwerkstoff wird dann in einem geeigne ten Abstand von der Brennkammer im Lauf oder außerhalb des Laufes des elektrothermalen Beschleunigers der Plasmaströ mung ausgesetzt, wobei die Art der Einbringung des Objekt werkstoffes und insbesondere der Abstand des Objektwerkstof fes von der Brennkammer von den Parametern des Energiespei chers und des elektrothermalen Beschleunigers abhängig ist. Insbesondere kann hierüber wie auch durch die dem elektro thermalen Beschleuniger zugeführte Energie und die dabei ein gerichtete Impulsdauer eine vorteilhafte Beschichtung bzw. Wechselwirkung mit dem Objektwerkstoff erzielt werden, die zu besonderen Oberflächeneigenschaften führt. Fig. 6 shows a half section of an electrothermal accelerator that can also be used as an energy converter. This consists of an external electrical energy storage, a high pressure chamber, which is also referred to as the explosion chamber, and the actual accelerator tube. In the explosion chamber there is an electrically conductive material between two electrodes. If the energy storage is discharged, a current begins to flow in the system, whereby energy is supplied to the material in the chamber. Due to the strong current surge, the material spontaneously evaporates (under certain circumstances, the material to be influenced by the object material), and a hot, high-pressure plasma is created that expands in the axial direction. The object material is then exposed to the plasma flow at a suitable distance from the combustion chamber in the course or outside the course of the electrothermal accelerator, the type of introduction of the object material and in particular the distance of the object material from the combustion chamber from the parameters of the energy storage device and is dependent on the electrothermal accelerator. In particular, an advantageous coating or interaction with the object material, which leads to special surface properties, can be achieved in this way as well as by the energy supplied to the electro-thermal accelerator and the directional pulse duration.
Hierzu ist der Objektwerkstoff in geeigneter Weise innerhalb oder außerhalb des elektrothermalen Beschleunigers angeord net. Insbesondere kann dieser elektrothermale Beschleuniger mit einer geeigneten zugeführten Gesamtenergiemenge und ent sprechender Impulsdauer betrieben werden, so daß die Erosion und Ablation der Bauteile des Beschleunigers vermieden wird, wobei eine besonders definierte und von Fremdstoffen unbeein trächtigte Beaufschlagung des Objektwerkstoffes bewirkt wird.For this purpose, the object material is suitably within or arranged outside the electrothermal accelerator net. In particular, this electrothermal accelerator with a suitable total amount of energy supplied and ent speaking pulse duration are operated, so that the erosion and ablation of the components of the accelerator is avoided, being a particularly defined and unaffected by foreign substances effect on the object material becomes.
Sowohl bei der Erzeugung des Plasmas wie während der Be schleunigung des Plasmas in axialer Richtung kann diesem Plasma, das der eigentliche Energieträger ist, noch ein wei terer Werkstoff hinzugefügt werden, der geeignet ist, ganz spezielle Eigenschaften bei der Beeinflussung des Objektwerk stoffes zu erzeugen.Both during the generation of the plasma and during the loading acceleration of the plasma in the axial direction can this Plasma, which is the actual energy source, still a white other material that is suitable to be added entirely special properties when influencing the object work to produce fabric.
Abb. 7 zeigt einen ebenfalls als Energiewandler verwend baren Leitschienenbeschleuniger, wie er beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung 89 900 590 für einen völlig anderen Anwendungszweck beschrieben ist. Dieser Leitschie nenbeschleuniger kann entweder aus einem Leitschienenbe schleuniger mit zwei parallelen Leitschienen bestehen oder aber ein Leitschienenbeschleuniger mit mehr als zwei Leit schienenpaaren sein. In diesem Leitschienenbeschleuniger wird der Energieträger durch Verdampfung und Ionisation einer Folie, durch Gasinjektion oder durch Injektion von Plasma mittels eines elektrothermalen Beschleunigers oder aber durch Erosion der Elektroden und/oder der Isolatoren erzeugt. Die Länge dieses Beschleunigers ist in geeigneter Weise an die Parameter der Energieversorgung angepaßt, um entweder innerhalb des Beschleunigers oder außerhalb des Be schleunigers einen kurzzeitigen Puls hoher Dichte zu erzeu gen, der nach Pulsdauer, Drucktemperatur und Dichte geeignet ist, eine Festkörperoberfläche oder Werkstoffoberfläche zu beaufschlagen, so daß spezielle Eigenschaften dort erzeugt werden. Fig. 7 shows a guardrail accelerator that can also be used as an energy converter, as described for example in European patent application 89 900 590 for a completely different application. This guardrail NEN accelerator can either consist of a guardrail accelerator with two parallel guardrails or a guardrail accelerator with more than two guardrail pairs. In this guardrail accelerator, the energy source is generated by evaporation and ionization of a film, by gas injection or by injection of plasma using an electrothermal accelerator or by erosion of the electrodes and / or the insulators. The length of this accelerator is suitably adapted to the parameters of the energy supply in order to generate a short pulse of high density either inside the accelerator or outside the accelerator, which pulse length, pressure temperature and density are suitable for applying a solid surface or material surface , so that special properties are created there.
Für alle vorstehend beschriebenen Beschleunigeranlagen gilt, daß durch die Stromstoßentladung der Kondensatorbank durch Ionisation eines Gases ein hochenergetisches Plasma ent steht, das auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und an schließend auf hohe Drücke im kbar-Bereich komprimiert wird. Anschließend trifft dieses Plasma, das den Energieträger dar stellt, mit oder ohne Zusatzstoffe auf den zu behandelnden Werkstoff, wobei die Parameter des Impulses so gewählt sind, daß eine Einwirkung nur auf die sehr dünne Randschicht des jeweiligen Werkstoffes erfolgt und der Grundwerkstoff - im Gegensatz zu allen bisherigen entsprechenden Verfahren - thermisch nicht beeinflußt wird.For all accelerator systems described above, that by the surge discharge of the capacitor bank Ionization of a gas ent a high-energy plasma stands that accelerates to high speeds and on is then compressed to high pressures in the kbar range. Then this plasma hits, which is the energy source poses, with or without additives, on the person to be treated Material, the parameters of the impulse being chosen so that only the very thin surface layer of the of the respective material and the base material - in Contrary to all previous corresponding procedures - is not influenced thermally.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich demgemäß aus durchThe method according to the invention is accordingly distinguished by
- - eine sehr hohe Leistungsdichte an der jeweiligen Wirkstelle,- a very high power density at the respective Active site,
- - hohe Druck-, Temperatur- und Geschwindigkeitspara meter (circa 50 km/sec) der Plasmaströmung,- high pressure, temperature and speed parity meters (approx. 50 km / sec) of the plasma flow,
- - extrem kurze Einwirkzeiten an der Werkstückoberflä che und damit durch die Vermeidung einer thermischen Beanspruchung des Grundwerkstoffes bei Oberflächen behandlung,- extremely short exposure times on the workpiece surface che and thus by avoiding a thermal Strain on the base material on surfaces treatment,
- - geeignete Parameterbereiche zur Herstellung neuer Werkstoffmodifikationen, beispielsweise die Erzeu gung von Kohlenstoffmodifikationen wie Diamant und Fullerene,- suitable parameter ranges for the production of new ones Material modifications, for example the ore carbon modifications such as diamond and Fullerenes,
- - sehr hohe Abkühlraten der Werkstückoberflächen durch extrem kurze Einwirkzeiten, insbesondere in Verbin dung mit einem Kühlen mittels flüssigem Stickstoff, sowie- very high cooling rates of the workpiece surfaces extremely short exposure times, especially in conjunction with liquid nitrogen cooling, such as
- - die Möglichkeit der Erzeugung von Nichtgleichge wichtsphasen.- the possibility of generating non-equilibrium weight phases.
Von besonderer Bedeutung ist es, daß unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrensprinzips bzw. unter Verwendung von Modifikationen dieses Prinzips auf einer Werkstückober fläche neue Stoffe entstehen können, die sich von dieser trennen lassen und somit isoliert zu gewinnen sind. Durch geführte Versuche beim Beschuß eines Aluminiumtargets mit Graphitpulver in einer Helium-Plasmaströmung zeigten, daß das Graphitpulver in neuartige Kohlenstoff-Molekülketten um gewandelt wurde, die als sogenannte Fullerene, das heißt diamantähnliche Kohlenstoff-Molekülketten spezifiziert wer den konnten.It is of particular importance that using the process principle according to the invention or using of modifications of this principle on a workpiece surface surface new substances can arise that differ from this let be separated and thus be isolated. By experiments carried out when bombarding an aluminum target Graphite powder in a helium plasma flow showed that the graphite powder into novel carbon molecule chains was converted to what are known as fullerenes, that is who specified diamond-like carbon molecular chains could.
Ferner konnte durch Versuche bestätigt werden, daß es mit tels der Erfindung möglich ist, definiert amorphe Oberflä chen zu erzeugen. So führte der Beschuß eines Kupfer-Werk stoffes mit Helium-Plasma zum Aufschmelzen einer dünnen Ober flächenschicht, wobei es durch aktives Kühlen des Werkstof fes mit flüssigem Stickstoff zu einer Rascherstarrung (Ab kühlraten im Bereich von 109 K/s) dieser Oberflächenschicht und zur Bildung einer amorphen Oberfläche kam. It was also possible to confirm through tests that it is possible with the aid of the invention to produce defined amorphous surfaces. The bombardment of a copper material with helium plasma led to the melting of a thin surface layer, with active cooling of the material with liquid nitrogen causing rapid solidification (cooling rates in the range of 10 9 K / s) of this surface layer and An amorphous surface was formed.
Der Beschuß einer mit Diamantpulver besprühten Reineisenober fläche mit Helium-Diamantpulver-Plasma ermöglichte die Aus bildung einer sehr harten Oberflächenschicht, wobei die Här te noch weiter gesteigert werden kann, wenn hochreines Dia mantpulver mit entsprechend hohem Anteil an Diamantkörnern verwendet wird.The bombardment of a pure iron surface sprayed with diamond powder surface with helium diamond powder plasma made the exit possible formation of a very hard surface layer, the hardness te can be further increased if high purity slide sheath powder with a correspondingly high proportion of diamond grains is used.
Zu erwähnen ist ferner, daß es mittels der gemäß der Erfin dung vorgesehenen Anlagen, insbesondere mittels eines plasma dynamischen Beschleunigers auch möglich ist, eine Mikrover düsung eines Schmelzestroms vorzunehmen, die dazu führt, daß mit herkömmlichen Verfahren nicht erreichbare Korngrößen er zielt werden können. Die Ausnutzung einer elektrischen Ener giequelle im Rahmen eines plasmadynamischen Beschleunigers in Verbindung mit einer speziell gestalteten, am Ende ein starkes Axialfeld ausweisenden Kompressionsspule führt zu einem ausgeprägten Zerreißen des beispielsweise über eine Mittelinjektion zugeführten Schmelzestroms, wobei durch die mittels der Kompressionsspule mögliche Feldgestaltung je weils optimale, geringstmögliche Korngrößen ermöglichende Gegebenheiten geschaffen werden können. Zur schnellen Rück kühlung der gebildeten Mikroteilchen kann eine entsprechend gekühlte Prallwand vorgesehen sein.It should also be mentioned that it is by means of the Erfin systems provided, in particular by means of a plasma dynamic accelerator is also possible, a microver to carry out a melt flow, which leads to the fact that grain sizes not achievable with conventional processes can be aimed. Exploitation of an electrical energy giequelle as part of a plasma dynamic accelerator in conjunction with a specially designed one at the end strong axial field-indicating compression coil leads to a pronounced tearing of, for example, a Melt flow fed by means of injection, whereby through the possible field design depending on the compression coil because optimal, smallest possible grain sizes Conditions can be created. For a quick return cooling of the microparticles formed can be done accordingly cooled baffle be provided.
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