CH629538A5

CH629538A5 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung oder reparatur von metallprodukten mit einem strom von zerstaeubten, geschmolzenen metallteilchen.

Info

Publication number: CH629538A5
Application number: CH596178A
Authority: CH
Inventors: Alfred Richard Eric Singer
Original assignee: Secr Defence Brit
Priority date: 1977-05-31
Filing date: 1978-05-31
Publication date: 1982-04-30
Also published as: FR2392731B1; FR2392731A1; DE2823817A1; JPS6117904B2; US4224356A; JPS5416341A; CA1112112A; DE2823817C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur von Metallprodukten, bei welchem ein Strom von zerstäubten, geschmolzenen Metallteilchen erzeugt wird, und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, die Mittel zum Erzeugen eines Stromes von zerstäubten, geschmolzenen Metallteilchen und Mittel zum Erzeugen eines Stromes von abgerundeten Teilchen aufweist.

Üblicherweise werden Metallprodukte durch Giessen von geschmolzenem Metall in eine Form hergestellt, die der Form des gewünschten Produktes ähnelt, wonach das Gussprodukt zu der endgültig gewünschten Form maschinell bearbeitet wird. Das Ausmass der benötigten maschinellen Bearbeitung steht im Verhältnis zu der Kompliziertheit des Produktes und kann beträchtlich sein, so dass sogar mehr Metall von dem Gusskörper abgenommen werden muss, als in dem fertigen Produkt übrigbleibt. Die maschinelle Bearbeitung von Teilen ist ein sehr aufwendiges Verfahren, bei welchem ein komplizierter Maschinenpark, Facharbeit und ein beträchtlicher Energieaufwand benötigt wird. Deswegen wurden alternative Methoden zur Herstellung von Produkten mit komplizierter Form und guten mechanischen Eigenschaften gesucht. Mehrere Verfahren sind vorgeschlagen worden, bei welchen das Metall auf ein Substrat durch Spritzen aufgetragen wird, um ein Produkt einer komplizierten Form zu verfertigen; aber die mechanischen Eigenschaften von solchen aufgetragenen Materialschichten sind im allgemeinen viel schlechter als die mechanischen Eigenschaften eines entsprechenden gehämmerten Materials. Ähnliche Methoden können zur Wiederherstellung von beschädigten oder abgetragenen Metallprodukten verwendet werden, aber in einem solchen Fall entsteht ein zusätzliches Problem, nämlich dass es schwierig ist, eine gute Bindung zwischen dem ursprünglichen Produkt und dem neuen aufgetragenen Material zu erreichen.

Die mechanischen Eigenschaften der aufgetragenen Metallschicht können so verbessert werden, dass das Metall nach der Auftragung verfestigt wird. Dies schliesst das Strahlen von verhältnismässig harten Schrottkugeln auf die Metalloberfläche ein, wodurch die Kaltverfestigung des Metalls im Bereich seiner Oberfläche erzielt wird. Der Effekt eines solchen Verfestigungsprozesses ist aber auf einen im wesentlichen oberflächlichen Bereich des bearbeiteten Produktes beschränkt, so dass die Eigenschaften der im Produkt tieferliegenden Bereiche durch den Verfestigungsprozess nicht beeinflusst werden. Ein weiterer Nachteil eines nachträglichen Verfestigens besteht darin, dass dadurch das Zusammenhängen des aufgetragenen Materials mit dem Substrat wegen interner Druckspannungen zerstört werden kann, welche Spannungen durch die Kaltbearbeitung im nachträglichen Verfestigungsprozess hervorgerufen werden.

Es wurde gefunden, dass das Substrat durch das gleichzeitige Auftragen von Metall durch Spritzen auf seine Oberfläche und das Bombardieren der aufgetragenen Schicht mit harten abgerundeten Teilchen während ihres Aufbaues plastisch warm deformiert wird, was zu stark ausgeprägten physischen und mechanischen Eigenschaften führt. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass sich die beiden Operationen nicht ausschliessen, sondern im Gegenteil zusammenwirken, so dass Erzeugnisse entstehen, deren metallurgische Eigenschaften viel besser sind als die Eigenschaften der Erzeugnisse, die durch das Spritzauftragen entstanden sind.

Dementsprechend ist das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung oder Reparatur von Metallprodukten dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der zerstäubten, geschmolzenen Met allteilchen auf ein Substrat gerichtet wird, um auf demselben eine Metallauftragung von gewünschter Form zu bilden, und dass gleichzeitig auf das Metall, wenn es auf das Substrat aufgetragen wird, ein Strom von abgerundeten Teilchen gerichtet wird, um das aufgetragene Metall zu verdichten.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass beide Mittel so angeordnet sind, dass die durch sie erzeugten Ströme auf eine Fläche zusammenlaufen, und dass Mittel zum Aufrechterhalten eines Substrates in einer solchen Stellung vorgesehen sind, in welcher die Substratoberfläche mit der oben erwähnten Fläche zusammenfällt.

Die vorliegende Erfindung umfasst so ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auftragung von Metall durch Aufspritzen und zur gleichzeitigen Warmbearbeitung des aufgetragenen Metalls. Die zerstäubten, geschmolzenen Metallteilchen schlagen aufeinander auf das Substrat auf, um ver2

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flächte Teilchen in Form eines «Pfannkuchens» zu bilden, die aneinander anhaften, wobei auf Wunsch auch veranlasst werden kann, dass sie am Substrat anhaften. Als Ergebnis der gleichzeitigen Auftragung und der plastischen Warmüel-mation werden die physikalischen und mechanischen schaffen des aufgetragenen Metalls merklich verbessert im Vergleich zu denjenigen, die durch eine übliche Spritzauftra-gung erzielt werden. Insbesondere die Warmbearbeitung bringt viele metallurgische Vorteile mit sich, wie Rekristallisation, Feinheit des Kornes und hohe Dichtheit der Auftragungsschicht. Des weiteren wird der grösste Teil der kinetischen Energie der Verfestigungsteilchen in der Auftragungsschicht absorbiert, so dass die Abprallgeschwindigkeit dieser Teilchen verhältnismässig niedrig ist. Dadurch werden nicht nur die Konstruktion der Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens einfacher und ihre Abnützung herabgesetzt, aber es wird auch eine effektivere Ausnützung der Energie erreicht, die den Verfestigungsteilchen erteilt wird. Da diese Verfestigungsteilchen mit bezug auf die aufgespritzten Metallteilchen kalt sind, tragen sie gleichzeitig dazu bei, dass die Temperatur und die kinetische Energie der Auftragungsschicht während ihres Aufbaues abgekühlt wird. Dies erlaubt eine viel schnellere Bildung von dicken Auftragungen als es bis jetzt möglich war. Ein weiterer beträchtlicher Vorteil besteht darin, dass das erfindungsgemässe Verfahren im Gegenteil zu dem üblichen Spritzauftragungsprozess zu keinen Vorspannungen innerhalb den letztlich aufgetragenen Metallschichten führt, welche Spannungen das Aufspringen der Auftragung oder die Deformation des Substrates verursachen. Durch die gleichzeitige Warmbehandlung der Auftragungsschicht wird dieses Problem überwunden, und wenn es gewünscht wird, können sogar dabei Druckkräfte erzeugt werden.

Durch die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens wird der stufenweise Aufbau und die Qualität des durch Aufspritzen aufgetragenen Metalls gut kontrolliert.

Das Verfahren wird mit Vorteil in einer neutralen Atmosphäre ausgeführt, um die Reaktion der Atmosphäre mit den zerstäubten, flüssigen Metallteilchen zu vermeiden.

Am üblichsten wird eine Stickstoffatmosphäre verwendet. Um die neutrale Atmosphäre beibehalten zu können, wird das Verfahren mit Vorteil in einer Kammer ausgeführt, durch welche der Auftragungsraum völlig umschlossen ist.

Alternierend kann der Auftragungsraum von der Atmosphäre durch Ströme von neutralem Gas abgeschirmt werden, die den Raum umgeben, oder durch eine den Raum abschliessende Ummantelung.

Das nach diesem Verfahren aufgetragene Metall kann zum Aufbau eines schon vorhandenen Metallproduktes verwendet werden, d.h., dass einer einfachen Basisform detai-lierte Merkmale zugegeben werden oder ein abgetragenes oder beschädigtes Metallprodukt in seine Originalform wiederhergestellt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Auftragung selbst das fertige Produkt darstellen kann, wobei das Substrat, an welchem die Auftragung gebildet wird, als Träger funktioniert, von welchem die Auftragung nachträglich weggenommen wird. Das Substrat besteht üblicherweise aus Metall.

Das Substrat kann eine beliebige Form haben, wobei es ortsfest oder beweglich sein kann. Z.B. kann das Substrat ein Produkt sein, auf welchem die Metallschicht aufgetragen wird, oder ein Träger sein, der durch das Auftragen von mehreren Metallschichten aufgebaut wird, oder es kann eine Form eines ununterbrochenen Bandes oder eines länglichen Streifens haben, das bzw. der in bezug auf die Spritzquelle beweglich ist, so dass sich die Schicht des aufgetragenen und warm verfestigten Metalls kontinuierlich oder halbkontinuierlich bildet. Die zuletzt genannte Form des Substrates eignet sich insbesondere für ein Produkt, das gänzlich von dem durch Spritzen aufgetragenen Metall gebildet wird, d.h. .vo das Substrat nur als Träger dient, auf welchem das Produkt aufgebaut wird. Auf der anderen Seite eignet sich die ; Spritzauftragung auf einzelne Werkstücke mehr zur Bildung von Aussenkonturen einer komplizierten Form auf Teilen einer Ausrüstung oder zur Reparatur von abgetragenen oder beschädigten Teilen einer Ausrüstung. Eine weitere wichtige Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens kann die 10 Auftragung von Schichten auf Teile, wie Turbinenschaufeln sein, bei welchen gute mechanische Eigenschaften und eine ausgezeichnete Bindung zu dem Basisteil von besonderer Wichtigkeit sind. In allen diesen Fällen kann eine weitere maschinelle Bearbeitung der Teile nach der Spritzauftra-15 gung/Verfestigung notwendig sein, um Endtoleranzen zu schaffen, aber dies kann durch die geeignete Auswahl des Spritzmusters in der erfindungsgemässen Vorrichtung und/ oder durch Erteilung der geeigneten Bewegung dem Substrat auf Minimum gehalten werden.

20 Bei einem Produkt, das auf einem vorgeformten Glied in dem erfindungsgemässen Verfahren gebildet wird, ist die Konstruktion der Auftragung im allgemeinen verschieden von derjenigen des Metallsubstrates, weil ihre thermische und mechanische Entwicklung anders ist. Das aufgebaute 25 Produkt kann ebenfalls wärmebehandelt oder einer anderen Behandlung unterzogen werden, und zwar im gleichen Sinn wie die üblichen Materialien. Obwohl Metalle und Legierungen beliebiger Komposition auf das Substrat aufgetragen werden können, so dass die Auftragung und das Substrat ver-30 schiedene Eigenschaften haben können, wurde gefunden, dass es vorteilhaft ist, wenn das aufgetragene Metall für Produkte mit einem komplizierten Aufbau einigermassen eine ähnliche Komposition aufweist wie diejenige der Basis, weil dadurch die Innenspannungen im Betrieb aufs Minimum 35 herabgesetzt werden. Wenn jedoch der Gebrauch verlangt, dass zwei Bereiche des Produktes von einer gänzlich verschiedenen Komposition sein sollen, kann das vorliegende Verfahren mit Vorteil verwendet werden, um ein solches Produkt herzustellen. Durch die ausserordentlich schnelle Erstarrung 40 jedes Metallteilchens, wenn es auf das Substrat aufgetragen wird, wird nämlich die Bildung von unerwünschten intermetallischen Phasen an der Innenfläche zwischen zwei Bereichen vermieden. Des weiteren ist das Verfahren insbesondere dann wertvoll, wenn eine Abstufung der Komposi-45 tion in der Auftragung verlangt wird. In solchen Fällen kann die Komposition des zu dem Zerstäubungsapparat zugeführten Metalles stufenweise geändert werden, was zu einer ähnlichen stufenweisen Änderung der Komposition der Auftragung während ihres Aufbaues führt.

so Wenn die Teilchen aufgebaut werden, d.h. wenn das aufgetragene Metall einen Teil eines grösseren Produktes bildet, ist ein gutes Anhaften der Auftragung an der Metallsubstrat-fläche notwendig. Der gleichwertige Verfestigungsprozess führt zum Brechen der auf der Oberfläche des Substrates 55 zurückgebliebenen Oxydfilme unter Voraussetzung, dass sie nicht zu dick sind; dies hat zur Folge, dass im allgemeinen ein sehr zufriedenstellendes Anhaften der Metallauftragung auf dem Substrat erreicht wird.

Ein noch besseres Anhaften kann durch Erwärmen und 60 Putzen des Substrates erhalten werden, um es von Oxyden und anderen Verunreinigungen frei zu machen. Um ein sauberes Substrat zu erhalten, können übliche Putzmethoden, wie Kiesstrahlen, Abstreichen und Abbeizen von Kratzen und Abwaschen verwendet werden. Wo keine wesentlichen 65 Mengen von AL2O3, CnOs oderTi02 vorhanden sind, kann eine besonders wirkungsvolle Putzmethode verwendet werden, nämlich das Erwärmen des Metallsubstrates in Luft, um ihm eine leichte Oxydationsbehandlung zu geben,

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wonach es im Stickstoff oder einem anderen Reduktionsgas reduziert wird. Es ist auch von Vorteil, die Oberfläche der Metallbasis z.B. durch maschinelle Bearbeitung, Schleifen, Kiesstrahlung oder Kratzabstreichen ein wenig aufzurauhen. In einem solchen Fall wird die metallurgische Bindung durch Keileffekt erhöht. Es ist verständlich, dass die vorbereitete Oberfläche solange sauber gehalten werden muss, bis mindestens die erste Schicht der Metallteilchen auf die Oberfläche aufgetragen wird. Dies kann auf solche Weise erreicht werden, dass die Oberfläche während des Auftragungsprozesses mit einer neutralen oder Reduktionsatmosphäre umgeben wird. Zu diesem Zweck wird üblicherweise Stickgas oder ein neutrales Gas verwendet.

Beim Aufbau der Teilchen ist oft vorteilhaft, anfangs eine oder zwei Schichten von zerstäubten Metallteilchen aufzutragen, bevor der Verfestigungsprozess anfängt. Es ist in manchen Fällen auch vorteilhaft, den Verfestigungsprozess für eine Weile nach der vollendeten Auftragung fortzusetzen.

Wenn auf der anderen Hand wünschenswert ist, die Metallauftragung nach ihrer Auftragung von dem Substrat zu entfernen, besondere Vorkehrungen können notwendig sein, um sicherzustellen, dass dies möglich ist.

Solche Vorkehrungen sind bekannt. So kann ein Substrat verwendet werden, das einen dauerhaften Oxydfilm bildet oder das eine gänzlich verschiedene Komposition aufweist (z.B. die Verwendung von Gusseisen wenn Aluminium aufgetragen wird). Somit wird die gestrebte Trennung erreicht oder man kann ein Scheidemittel oder eine Mischung verwenden, die für Metallgussformen verwendet wird. Eine weitere Methode besteht darin, das Substrat kalt zu halten oder es vor der Auftragung zu verfestigen, um es ganz glatt zu machen.

Um bei der Metallauftragung durch Spritzen und bei der Verfestigung die besten Resultate zu erhalten, ist es notwendig, dass die Teilchen senkrecht zur Substratoberfläche geschleudert werden. In der Praxis ist es aber nicht möglich, gleichzeitig beide Bedingungen zu erfüllen und deswegen muss ein Kompromiss getroffen werden.

Wenn man alles erwägt, wird ein senkrechtes Aushämmern und ein Bespritzen in einem kleinen Winkel bevorzugt, obwohl das Gegenteil durchaus möglich ist; das Gegenteil hat den Vorteil, dass die zurückgeprallten Verfestigungsteilchen einfacher entfernt werden können.

Die während des Verfahrens verwendeten zerstäubten, geschmolzenen Metallteilchen können auf verschiedene Weise erzeugt werden, wie aus einem Vollmetalldraht oder Pulver, wobei eine übliche Metallspritzvorrichtung verwendet wird, oder aus Metallpulver, wobei Plasmastrahltechnik angewandt wird, oder aus einem Strom von flüssigem Metall, wobei Gasstrahlen durch den Strom hindurchgeblasen werden oder ein rotierendes Laufrad verwendet wird, um es zu zerstäuben. Die zerstäubten Teilchen haben üblicherweise eine Abmessung von 20 bis 200 Mikron.

Die vollen Verfestigungsteilchen müssen eine abgerundete Form haben, sonst könnten sie in dem aufgetragenen Metall eingebettet werden oder das aufgetragene Metall abgetragen. Die Teilchen sollen auch hart genug sein, um die Funktion der Mittel zur Warmbearbeitung des aufgetragenen Metalls erfüllen zu können. Sie sollen auch genug dauerhaft sein, damit sie während des Einsatzes nicht brechen und winklige Fragmente bilden, weil sie in der aufgetragenen Materialschicht gefangen werden könnten und/oder sie könnten diese beschädigen. Als Verfestigungsteilchen werden Strahlkugeln bevorzugt, obwohl Glaskugeln auch verwendet werden können. Die minimale Abmessung der Verfestigungsteilchei ist mit Vorteil 0,5 mm; sie sind auch - was ihre Durchmesser anbelangt - mit Vorteil mindestens 5 x grösser als die zerstäubten Metallteilchen. Wenn die Verfestigungsteilchen zu klein sind, haben sie eine nicht ausreichende Schwungkraft und sie werden in den aufgetragenen Schichten eingeschlossen. Auf der anderen Seite, je grösser die Teilchen sind, desto schwieriger sind sie in grossen Mengen handzuhaben und um so kleiner ist ihre Verfestigungsfähigkeit und Deckkraft. Eine im allgemeinen zweckdienliche Abmessung der Verfestigungsteilchen ist von 0,5 bis 10 mm, wobei die Teilchen von grösseren Abmessungen für hohe Auftragungsmengen und diejenigen von kleineren Abmessungen für kleine Auftragungsmengen bestimmt sind. Wenn die Auftragungsmengen ausser acht gelassen werden, ist es doch vorteilhaft, Teilchen von kleinsten Abmessungen zu verwenden, weil diese wirkungsvoller sind (pro Einheitsgewicht) als die grösseren Teilchen, wenn aus der Auftragung Wärme abgezogen wird, und es wird mit ihnen eine bessere Wärmebehandlung (pro Einheitsgewicht der Teilchen) des aufgetragenen Metalls erreicht, als mit den grossen Teilchen.

Die Verfestigungsteilchen werden in das aufgetragene Metall mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 100 m/sec geschleudert. Es werden mit Vorteil niedrigere Geschwindigkeiten verwendet, um einen Abkühlungseffekt bei der Strahlung zu erreichen, wenn nicht das Gegenteil gewünscht wird, nämlich das Aufwärmen des Substrates, in welchem Fall höhere Geschwindigkeiten verwendet werden sollen. Ob das Substrat erwärmt oder gekühlt werden soll, hängt von der Temperatur der Auftragung, von der Geschwindigkeit der Verfestigungsteilchen wie oben beschrieben oder von den Abmessungen der Teilchen ab: Je kleiner die Teilchen sind, desto grösser kann die Geschwindigkeit sein, bevor das Abkühlen des Substrates durch ihre Erwärmung ersetzt wird. Je grösser die Temperatur der Auftragung ist, desto höhere Geschwindigkeiten sind möglich, ohne dass der Kühlungseffekt verloren geht.

Die Teilchen können entweder durch mechanische oder elektrische (elektromagnetische) Mittel geschleudert werden. Pneumatische Mittel zur Beschleunigung der Teilchen sind im allgemeinen nicht geeignet, weil das Spritzmuster der zerstäubten Teilchen durch das Trägergas gestört wird. Die Methoden zur Beschleunigung von Verfestigungsteilchen oder -Kugeln sind gut bekannt und deswegen werden sie hier nicht näher beschrieben. Das Gewicht von verwendeten Verfestigungsteilchen liegt im allgemeinen im Bereich von 5 bis 20 x des Gewichtes des aufgetragenen Metalls.

Die Verfestigungsteilchen brauchen nicht vorerwärmt sein; sie sind wirkungsvoller, wenn sie eine normale Temperatur haben. Weil sie kalt, glatt und verhältnismässig klein sind, sammeln sie keine grosse Menge des gespritzten Metalls auf ihren Oberflächen an, obwohl sie üblicherweise mit einer sehr dünnen Schicht von gespritztem Metall überzogen werden. Die Teilchen können ohne Schwierigkeit verwendet werden, weil sie üblicherweise am Ausgang aus dem Spritzraum einem Separationsprozess unterworfen werden, um die Teilchen von dem gespritzten Metall, das sich als Pulver in der Kammer sammelt, und jeglichem Überzug, der sich auf den Teilchen gebildet hat, zu trennen. Die überschüssigen Spritzteilchen und die abgetrennten Überzüge können wieder geschmolzen und wiederverwendet werden, während die Verfestigungsteilchen über einen Gasabscheider in den Behälter zurückgeführt werden.

Die Verfestigungsteilchen sollen mit Vorteil in einem Behälter oder einem Einfülltrichter abgedichtet von der Luft gehalten werden; dies wird mit Vorteil durch eine kleine Menge von neutralem Gas erreicht werden. Wenn während des Betriebes die Verfestigungsteilchen mechanisch geschleudert werden, kann der Behälter unter einem leicht reduzierten Druck stehen, was durch ein rotierendes Flügelrad gesichert wird, das das Gas von dem Einfülltrichter in die Kammer mitsamt den Teilchen fördert. Die Kammer wird mit Vorteil auch mit neutralem Gas gefüllt, um die Oxydation der

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Metallspritzteilchen zu vermeiden. Nachdem die Metallauftragung auf der Substratfläche durch Verfestigungsteilchen bombardiert wurde, werden die Verfestigungsteilchen abgeprallt und können mühelos gesammelt und wiederverwendet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Auftragung eines Streifens aus Aluminiumlegierung auf ein sich ununterbrochen bewegendes Substrat, teilweise im Schnitt entlang der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 einen Schnitt der Vorrichtung nach der Fig. 1 entlang der Linie II-II,

Fig. 3 eine Ansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Herstellung von kreisförmigen Produkten durch zentrifugale Auftragung und Hämmerung, teilweise im Schnitt, und

Fig. 4 eine Ansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung für die Reparatur eines abgetragenen Bestandteiles, teilweise im Schnitt.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung enthält eine Kammer 1, an deren oberem Teil ein Trichter 2 zur Aufbewahrung von geschmolzenem Metall 3 (in diesem Fall Aluminium) befestigt ist. Das Metall kann in die Kammer über die Öffnung 4 eingeführt werden, welche Öffnung von einem Zerstäubungsapparat 5 umgeben ist. Die Kammer 1 weist ein Ausgangsrohr 6 auf, das zum Abführen von Befestigungsteilchen und vom überflüssigen gespritzten Metall bestimmt ist.

Die Öffnung 7 (siehe Fig. 2) in der oberen Wand der Kammer 1 enthält das Mundstück eines zentrifugalen Schrottschleuderringes 8. Die Konstruktion von zentrifugalen Schrottschleuderringen ist gut bekannt und sie wird deshalb hier nicht näher beschrieben. Der Schleuderring ist durch einen Motor 9 angetrieben und mit Schrott aus dem Einfülltrichter 10 befördert. Der Einfülltrichter ist mit einem Deckel 11 dicht abgeschlossen und wird über eine Leitung 12 mit Stickgas gespült.

Die Kammer enthält also Eintritts- und Austrittspunkte 13, 14 für eine Substratoberfläche 15 aus Stahlstreifen, die in die Kammer durch nicht dargestellte Mittel ununterbrochen eingezogen wird. Die oberen Wände der Kammer sind mit Ablenkflächen 16 versehen, die den von dem Werkstück abgeprallten Schrott von der Einlassöffnung des gespritzten und geschmolzenen Metalls ablenken. Die Kammer ist auch mit einem Gasaustritt 17 versehen, der durch einen Filter 18 geschützt ist.

Wenn die Vorrichtung in Betrieb gesetzt werden soll, wird Gas (Stickstoff) zu dem Zerstäubungsapparat 5 zugeführt und die geschmolzene Aluminiumlegierung wird in den Trichter 2 gegossen. Der durch die Öffnung 4 austretende Strom der geschmolzenen Legierung wird durch Hochdruckstickstoffströme aus dem Zerstäubungsapparat 5 zerstäubt und die so erzeugten zerstäubten, geschmolzenen Metallteilchen werden gegen ein Substrat 15 aus rostfreiem Stahl gerichtet. Das Substrat wird gleichzeitig mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit durch die Kammer hindurchbewegt. Auf dem Substrat wird so eine Auflagerung der Aluminiumlegierung 19 hergestellt. Gleichzeitig wird der Motor 9 gestartet und der Schrott aus dem Schleuderring 8 wird gegen das Substrat gerichtet. Die Flächen, auf welchen das Metall aufgespritzt und verfestigt wird, sind so angeordnet, dass die Anlaufseite des Spritzmusters dem Schrottmuster etwas vorausgeht, während die Ablaufseite des Schrottmusters zurückbleibt. Auf diese Weise, obwohl die grosse Mehrheit der aufgespritzten Teilchen, sobald sie aufgetragen werden, verfestigt wird, bildet sich eine sehr dünne Schicht der Auftragung auf der Anlaufseite bevor die Verfestigung stattfindet und auf der Ablaufseite findet eine leichte Verfestigung der Auftragung statt, nachdem das Bespritzen beendet wurde.

Während des oben beschriebenen Vorganges wird das Substrat nicht vorerwärmt oder spezialgereinigt. Und so besitzt es eine dünne Daueroberflächenschicht aus Chromoxyd, durch welche das Verbinden von Aluminium mit dem rostfreien Stahl wirkungsvoll verhindert wird. So kann der aus der Kammer austretende, durch Wärme völlig dichte Streifen der Aluminiumlegierung vom Substrat einfach weggenommen werden.

Die Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung von kreisförmigen Produkten, wie kurze Rohre aus Aluminiumlegierung. Die Vorrichtung enthält eine Spritzkammer 21, an deren oberem Teil ein Trichter 22 zur Aufbewahrung von geschmolzenem Metall 23 befestigt ist. In Richtung des oberen Teiles der Kammer ist ein Stahltopf 24 angeordnet, dessen Innenfläche mit einer Schicht aus hitzebeständigem Material bekleidet ist. In den Seitenwänden des Stahltopfes sind Öffnungen 23 vorgesehen. Der Stahltopf ist getragen durch einen vertikalen, mit Wasser gekühlten Schaft 26, der den unteren Teil der Kammer 21 durchläuft. Ausserhalb der Kammer ist ein Motor 27 angeordnet, durch welchen der Schaft 26 angetrieben ist. Der Stahltopf hat einen Durchmesser von 354 mm und kann durch den Motor mit einer Geschwindigkeit von 4000 U/min angetrieben werden. Am oberen Teil des Stahltopfes ist ein zentrifugaler Schrottschleuderring 28 befestigt, der koaxial mit dem Topf verläuft und mit Kugeln aus hartem Stahl aus dem Einfülltrichter 29 befördert wird, welche Kugeln einen Durchmesser von 3 mm aufweisen. Der Schleuderring hat eine zentrale Öffnung 30, durch welche das geschmolzene Metall aus dem Trichter in den Topf 24 abfallen kann. Der obere Teil des Schleuderringes ist mit einer Raqndablenkfläche 31 versehen, durch welche die Kugeln ein wenig in Richtung nach unten abgelenkt werden, so dass ihr Zielbereich mit demjenigen der gespritzten Metallegierung zusammenfällt.

In dem Zielbereich ist eine kreisförmige Substratfläche angeordnet, die aus einem am Umfang gespaltenen Gusseisenring 32 besteht, der einen Durchmesser von 500 mm aufweist und von manipulierbaren Armen 33 getragen ist. Durch die Betätigung der Arme 33 kann die vertikale Lage des Ringes 32 nach Wunsch geändert werden. Durch die Einlassöffnung 34 wird die Kammer mit Stickstoff gefüllt bzw.

durch die Auslassöffnung 35 entleert. Der die Kugeln enthaltende Filter ist ebenfalls mit durch die Einlassöffnung 36 zugeführtem Stickstoff gefüllt.

Im Betrieb wird die Kammer mit Stickstoff gefüllt, der Einfülltrichter 29 wird mit Kugeln aus hartem Stahl gefüllt, die geschmolzene Aluminiumlegierung wird in den Trichter 22 gegossen und der Motor 27 gestartet. Durch die Öffnung 30 strömt ein Strom von Metall 37 in den Schleuderring 28 und den rotierenden Topf 24, wovon der Metallstrom durch die Öffnungen 25 herausgeworfen und an der inneren Fläche des Ringes 32 aufgetragen wird. Gleichzeitig wird aus dem Schleuderring ein Strom von Kugeln geschleudert, die durch Aushämmern das Metall während seines Auftragens verfestigen. Dem Ring 32 wird eine Rückwärtsbewegung im vertikalen Sinne durch Arme 33 gegeben, so dass sich auf der inneren Fläche des Ringes eine gleichmässige Schicht aus Legierung in der Form eines Rohres 38 aufbaut. Der verwendete Schrott und das überflüssige Spritzmetall fallen zum Boden der Kammer hinunter, wovon sie über Auslassöffnungen 39 ausgetragen werden. Im Abscheideprozess werden die Kugeln von dem überflüssigen Spritzmaterial getrennt und in den Einzeltrichter 29 für Wiederverwendung zurückgeführt. Die Spritzauftragung wird mit einer Geschwindigkeit von 2 kg pro Minute aufgebracht, während die Stahlku5

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geln aus dem Schleuderring mit einer Geschwindigkeit von 20 kg pro Minute geschleudert werden. Nach der Vollendung des Auftragungs- und Verfestigungsprozesses wird das Rohr durch Spalten der Gusseisenform entfernt. Das rohr aus Aluminiumlegierung wird üblicherweise von der Gusseisenform leicht entfernt. Sollte jedoch ein gewisses Anhaften des Rohres an der Gusseisenform vorkommen, kann dies so beseitigt werden, dass die Gusseisenform, bevor der Auftra-gungsprozess anfängt, mit einem Überzug aus einem dünnen Anstrich von Tonerde oder einer anderen Trennmischung versehen wird.

In der Fig. 4 ist eine Vorrichtung dargestellt, die sich zur Reparatur eines abgetragenen Bestandteiles, wie eine Turbinenschaufel, eignet. In dieser Vorrichtung wird das gespritzte Metall durch eine Plasmafackel erzeugt, in welche Metallpulver der gleichen chemischen Komposition wie diejenige des Bestandteiles zugeführt wird. Die Vorrichtung besteht aus einer Kammer 41 aus Stahlblech mit einer Plasmafackel 42, die so angeordnet ist, dass druch sie die geschmolzenen Metallteilchen vertikal in Richtung nach unten geschleudert werden. Durch einen zentrifugalen Schrottschleuderring, von welchem nur das Mundstück 43 gezeichnet ist, wird ein Muster von Schrottkugeln auf solche Weise geworfen, dass in der Ebene des Bestandteiles 44 das Muster der Schrottkugeln genau innerhalb des Musters des gespritzten Metalles liegt. Der Bestandteil wird mittels eines Manipulators 45 bewegt. Der verwendete Schrott und das überflüssige gespritzte Metall werden vom Boden der Vorrichtung über eine Auslassöffnung 46 entfernt. Ablenkflächen 47 verhindern, dass die abgeprallten Schrottkugeln die Auftragung oder den Plasmawerfer stören. Verwendete Gase werden aus der Kammer über eine Auslassöffnung 48 abgesaugt, die von einem nicht gezeigten Filter geschützt ist. Die Kammer ist ebenfalls mit einem Fenster 49 versehen, durch welches der Fortgang des Metallauftragens beobachtet werden kann.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, hat der Bestandteil eine solche abgetragene Vertiefung, die ausgefüllt werden soll. Während der Behandlung wird der Bestandteil zuerst mit Kies bestrahlt, dann wieder in die Spritzkammer eingeführt, wo er auf eine Temperatur von etwa 900°C mittels der Plasmafackel 42 erwärmt wird. In die Plasmafackel 42 wird dann Metallpulver der gleichen chemischen Komposition wie der Bestandteil zugeführt und die geschmolzenen Teilchen werden vertikal in Richtung nach unten gegen den Bestandteil geschleudert. Durch das Mundstück des Schleuderringes wird ein Schrottmuster auf solche Weise projiziert, dass in der Ebene des Bestandteiles das Schrottmuster genau innerhalb des Musters des gespritzten Metalles liegt. Der Bestandteil wird mitels des Manipulators bewegt, bis die abgetragene Vertiefung mit Metall aus der Plasmafackel vollständig ausgefüllt ist. Der Bestandteil wird dann aus der Kammer herausgezogen, wonach nach Abkühlen die überflüssigen Auftragunsschichten abgeschliffen werden, um die gewünschte Kontur des Bestandteiles zu erhalten. Da die füllende Auftragung warm behandelt wird, keine inneren Spannungen aufweist und an der Basis stark anhaftet, werden die Eigenschaften des gewünschten Bestandteiles die gleichen wie diejenigen des Originals.

Im weiteren wird ein Beispiel beschrieben, wie ein Flansch einer komplizierten Form auf einem Ende eines Rohres aus rostfreiem Stahl gebildet wurde.

Das Rohr hatte einen Innendurchmesser von 254 mm, einen Aussendurchmesser von 279 mm und eine Länge von 686 mm; es bestand aus 18/s rostfreiem Stahl. Das Rohr wurde in eine Drehbank gespannt und rotierte mit 80 U/min. Die letzten 75 mm des Rohres wurden durch eine übliche Vorrichtung mit Kies bestrahtl, um eine etwas aufgerauhte, aber saubere Oberfläche zu bilden. Es wurde gefunden, dass die mit Kies bestrahlte Oberfläche mit einem sehr dünnen Schutzfilm von Chromoxyd überzogen wurde, welcher Film sich immer automatisch bildet, wenn eine frisch gesäuberte Oberfläche aus rostfreiem Stahl der Luft ausgesetzt wird. Über das Rohr wurde ein zylindrisches Schutzschild aufgesetzt und durch das Schild wurde ein Strom von Stickstoff einer hohen Reinheit geführt, durch welchen sämtliche das Rohr innerhalb des Schildes umgebende Luft verdrängt wurde. Über das abgeputzte Ende des Rohres innerhalb der Schutzatmosphäre wurde eine übliche Hochfrequenzheizspule eingeführt. Das Ende des Rohres wurde in etwa 2 Min. mit Hilfe eines 150 KVA Generators auf die Temperatur von etwa 800°C erwärmt. Die Spule wurde entfernt und auf die abgeputzte Fläche wurde ein Strom von durch Gas zerstäubten geschmolzenen Teilchen aus 18/s rostfreiem Stahl vertikal nach unten gerichtet. Gleichzeitig wurde ein Strom von Kugeln von 4 mm Durchmesser aus gehärtetem Stahl auf die Fläche gerichtet, auf welcher die Auftragung stattfand. Die Durchschnittsgeschwindigkeit der Kugeln vor dem Aufprall betrug 25 m/sek und ihr Aufprallwinkel war 15° zu der Vertikalen. Die Kugeln wurden beschleunigt in einem mit Stickstoff gefüllten zentrifugalen Schleuderring, dessen Mundstück von der Auftragung 127 mm entfernt war.

Der Strom, der durch Gas zerstäubten geschmolzenen Teilchen aus rostfreiem Stahl wurde erzeugt wie folgt.

Der rostfreie Stahl wurde in einem Tiegel (Kapazität von 8 kg) gelegt und in einem Induktionsofen geschmolzen. Der geschmolzene rostfreie Stahl wurde dann unter Verwendung der gut bekannten Giesstechnik gegossen und der aus dem Boden des Tiegels austretende Strom des flüssigen Metalls fiel senkrecht in den Zusammenfluss mit Strahlen von Stickstoff einer grossen Reinheit, die unter einem Druck von 8,45 kg/cm2 zugeführt wurden. Die Entfernung zwischen dem Boden des Tiegels und der Metallbasis war 203 mm.

Nach der Verfestigung der Auftragung durch die Strahlkugeln wurden dieselben von der konsolidierten Auftragung auf der Metallbasis in verschiedenen Winkeln abgeprallt. Sie wurden durch die aus dem Mundstück austretenden Hochdruckgase abgelenkt, so dass sie keine Beschädigung der Zerstäubungsdüsen anrichten konnten. Die Kugeln wurden bald mit einem dünnen Film aus rostfreiem Stahlpulver überzogen, aber dadurch wurde ihre Wirksamkeit keineswegs beeinträchtigt. Sie wurden gesammelt und über einen Stickstoffabscheider dem zentrifugalen Schrottschleuderring wieder zugeführt.

Die Auftragung wurde in 2 Min. vollendet, wonach der Bestandteil abgekühlt und nachträglich auf die fertigen Abmessungen maschinell bearbeitet wurde.

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung oder Reparatur von Metallprodukten, bei welchem ein Strom von zerstäubten, geschmolzenen Metallteilchen erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der zerstäubten, geschmolzenen Metallteilchen auf ein Substrat gerichtet wird, um auf demselben eine Metallauftragung zu bilden, und dass gleichzeitig auf das Metall, wenn es auf das Substrat aufgetragen wird, ;in Strom von abgerundeten Teilchen gerichtet wird, um das aufgetragene Metall zu verdichten.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, uass es in einer neutralen Atmosphäre ausgeführt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat verwendet wird, dessen Oberfläche grösstenteils frei von Oxydfilmen ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um ein Anhaften des aufgetragenen Metalls auf der Substratoberfläche zu verhindern, eine Substratoberfläche mit einem dauerhaften oder dicken Oxydfilm verwendet oder die Substratoberfläche mit einem Trennmittel überzogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat in der Form eines Streifens durch die Ströme der zerstäubten, geschmolzenen Metallteilchen und der abgerundeten Teilchen ununterbrochen bewegt wird, um einen Metallstreifen zu bilden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zerstäubten, geschmolzenen Metallteilchen eine Abmessung von 20 bis 200 Mikron haben.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgerundeten Teilchen eine Abmessung von 0,5 bis 10 mm haben, wobei ihre Durchmesser mindestens fünf mal grösser sind als diejenigen der zerstäubten, geschmolzenen Metallteilchen.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgerundeten Teilchen auf die Metallauftragung mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 100 m/sec durch mechanische oder elektromechanische Mittel geschleudert werden.
9. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit Mitteln zum Erzeugen eines Stromes von zerstäubten, geschmolzenen Metallteilchen (2,4,5) und Mitteln zum Erzeugen eines Stromes von abgerundeten Teilchen (8,9,10), dadurch gekennzeichnet, dass beide Mittel so angeordnet sind, dass die durch sie erzeugten Ströme auf eine Fläche zusammenlaufen, und dass Mittel zum Aufrechterhalten eines Substrates (15) in einer solchen Stellung vorgesehen sind, in welcher die Substratoberfläche zur Aufnahme einer Auftragung (19) des Metalles mit der oben erwähnten Fläche zusammenfällt.
10. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Reparatur einer mit Überzug versehenen Turbinenschaufel.