CH647814A5

CH647814A5 - Verfahren zum aufbringen eines hochtemperaturtauglichen materials auf ein substrat sowie plasmaerzeuger und -spritzvorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens.

Info

Publication number: CH647814A5
Application number: CH4416/80A
Authority: CH
Inventors: Larry Steven Sokol; Charles Carter Mccomas; Earl Munn Hanna
Original assignee: Gator Gard Inc
Priority date: 1979-06-11
Filing date: 1980-06-09
Publication date: 1985-02-15
Also published as: DE3021210A1; ZA803279B; EG14994A; FR2458973A1; AU5899680A; MX147954A; GB2051613A; KR850000597B1; NO801706L; JPS562865A; SE445651B; DK151046C; CA1161314A; NO162499B; NO162499C; AU530584B2; US4256779A; IL60242A0; KR850000598B1; IT1167452B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf thermische Spritzverfahren und betrifft ein Plasmaspritzverfahren und -Vorrichtungen zum Richten von plastizierten Pulvern mit hohen Geschwindigkeiten auf ein zu überziehendes Substrat.

Thermische Spritzverfahren sind im Stand der Technik durchentwickelt und finden Anwendung beim Aufbringen von dauerhaften Überzügen auf metallische Substrate. Eine grosse Vielfalt von metallischen Legierungen und keramischen Massen wird durch die entwickelten bekannten Verfahren aufgebracht. Eine Anzahl solcher Legierungen und Massen ist in Druckschriften und weiter unten in dieser Beschreibung erläutert.

Alle diese thermischen Spritz verfahren beinhalten die Erzeugung eines Trägermediums hoher Temperatur, in das Überzugsmaterialpulver injiziert werden. Die Pulver werden in dem Trägermedium durch Wärme erweicht oder geschmolzen und gegen die Oberfläche eines zu überziehenden Substrats getrieben. Temperaturen und Geschwindigkeiten der Trägermedien sind äusserst hoch, und die Verweilzeiten der Pulver in dem Trägermedium sind kurz. Repräsentative bekannte Überzugsvorrichtungen sind in den US-PSen 2 960 594,3 145 287,3 851 140 und 3 914 573 beschrieben.

Alle vorgenannten Patentschriften beschreiben Vorrichtungen, in denen das Trägermedium ein Strom extrem hoher Temperatur von Plasmateilchen ist. Ein solcher Plasmastrom wird typischerweise in einem elektrischen Lichtbogen erzeugt. Ein Inertgas, wie Argon oder Helium, wird durch den elektrischen Lichtbogen hindurchgeleitet und dadurch angeregt, wodurch die Gasteilchen im Energiezustand auf den Plasmazustand angehoben werden. Sehr grosse Energiemengen werden auf diese Weise in das strömende Medium eingebracht. Die grossen Energiemengen sind erforderlich, um die Beschleunigung des gasförmigen Mediums auf hohe Geschwindigkeiten und das Erhitzen der Überzugsmaterialpulver, die später in das Plasma injiziert werden, zu ermöglichen.

In einer typischen Vorrichtung, wie sie beispielsweise aus der US-PS 3 145 287 bekannt ist, wird ein Plasmaerzeugungslichtbogen von einer zapfenförmigen Katode zu einer zylindrischen Anode gezogen. Der Lichtbogen zwischen der Katode und der Anode erstreckt sich die zylindrische Anode «abwärts», wie es in der vorgenannten Patentschrift beschrieben ist. Das Inertgas wird durch den Lichtbogen hindurchgetrieben und der Plasmastrom wird gebildet. Der Strom ist durch ein Temperaturprofil gekennzeichnet, das eine hohe Temperaturspitze im Kern des Stroms hat. Anodenlängen in der Grössenordnung von 32 mm sind in den US-PSen 3 145 287 und 3 851 140 angegeben und werden für moderne Plasmaerzeuger als typisch angesehen. Maximale Plasmatemperaturen an der Anode liegen in der Grössenordnung von 11 093°C oder darüber, was eine Kühlung des Anodenmaterials erforderlich macht, um eine schnelle thermische Schädigung des Gefüges zu verhindern. Kühlwasser wird herkömmlicherweise für diesen Zweck um die Anode herumgeleitet.

Pulver des aufzubringenden Überzugsmaterials werden in den Plasmastrom entweder an dem Ende der Anode injiziert, wie es aus den US-PSen 3 145 287 und 3 914 573 bekannt ist, oder am unmittelbar stromabwärtigen Ende derselben, wie es aus der US-PS 3 851 140 bekannt ist. Die Pulver bleiben vorzugsweise für eine ausreichende Zeitspanne in dem Plasmastrom, um durch Wärme erweicht oder plastiziert zu werden, aber nicht so lange, dass sie verflüssigt oder verdampft werden.

Die Beschleunigung der Überzugsmaterialpulver auf hohe Geschwindigkeiten bei der Annäherung an das Substrat ist bekanntlich erwünscht. Die Erhöhung der relativen Differenzgeschwindigkeit zwischen dem Plasma und den Pulvern

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und das Erhöhen der Verweilzeit der Pulver in dem Strom sind zwei Techniken zum Erreichen dieses Ziels. Als eine Massnahme zum Erhöhen der Differenzgeschwindigkeit haben viele Wissenschaftler und Ingenieure das Injizieren von Pulvern in Überschallplasmaströme vorgeschlagen. Die US-PS 3 914 573, die dafür repräsentativ ist, schlägt Plasmageschwindigkeiten in der Grössenordnung von Mach 1 bis Mach 3 vor. Andere haben die Einschliessung des eine hohe Temperatur aufweisenden Plasma/Pulver-Stroms in ein rohrförmiges Teil stromabwärts der Anode vorgeschlagen. Dafür ist die US-PS 3 851 140 repräsentativ.

Obgleich viele der in den oben zitierten Patentschriften beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen in der Überzugsindustrie anwendbar sind, geht die Suche nach noch besseren Überzugsverfahren und -Vorrichtungen weiter, insbesondere nach solchen, die in der Lage sind, Überzüge besserer Qualität bei höheren Materialablagerungsgeschwindigkeiten zu erzeugen.

Hauptziel der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen zum Ablagern von Überzugsmaterialien auf Substraten zu schaffen. Überzüge hoher Qualität und hohe Geschwindigkeiten der Materialablagerung werden verlangt. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist es ein Ziel, eine ausreichende Beschleunigung der Überzugspulver in dem Plasmastrom zu ermöglichen, während die Pulver in einen plastizierten, aber nicht schmelzflüssigen Zustand überführt werden. Pulverfördergeschwindigkeiten in der Grössenordnung von 3,63 kg/h oder darüber sind erwünscht.

Gemäss der Erfindung ist die Grösse der Temperaturspitze in dem Temperaturprofil über dem Plasmastrom, der aus dem Plasmaerzeuger einer Plasmaspritzvorrichtung austritt, wesentlich verringert und die mittlere Temperatur des Plasmastroms vor dem Einleiten von Überzugspulvern in den Plasmastrom ist ebenfalls beträchtlich verringert.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird eine Plasmaspritzvorrichtung aus einem herkömmlichen Plasmaerzeuger gebildet, an dem eine Plasmabehandlungsdüsenanordnung angebracht wird, die eine Plasmakühlzone, eine Plasmabeschleunigungszone, eine Pulverinjektionszone und eine Plasma/Pulver-Einschliessungszone hat.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist die Plasmakühlzone in der Düsenanordnung. Ein weiteres Merkmal ist die Plasmabeschleunigungszone. Sowohl die Plasmakühlzone als auch die Plasmabeschleunigungszone sind in der Düsenanordnung stromaufwärts des Punktes angeordnet, in welchem Teilchen von Überzugsmaterial in den Plasmastrom injizierbar sind. In einer Ausführungsform sind zwei einander diametral gegenüberliegende Teilcheninjektionsöffnungen zum Einleiten von Überzugsteilchen in den Plasmastrom vorgesehen. Das Plasma/Teilchen-Gemisch ist aus der Düsenanordnung über eine Gemischeinschliessungszone stromabwärts der Teilcheninjektionsöffnungen abgebbar. Ein langgestreckter Durchlass erstreckt sich in Längsrichtung durch die Zonen der Düsenanordnung. Ein Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser, kann um die Düsenanordnung, die den Durchlass bildet, herumgeleitet werden. In der Beschleunigungszone ist die Querschnittsfläche des Durchlasses in einer Ausführungsform auf etwa ein Viertel der Querschnittsfläche des Durchlasses in der Kühlzone verringert. Die Querschnittsfläche des Durchlasses in der Einschliessungszone derselben Ausführungsform beträgt ungefähr das 6-fache der Querschnittsfläche des Durchlasses an der Stelle der Pulverinjektionsöffnungen.

Ein Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, dass die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren in der Lage sind, Überzüge hoher Qualität mit hohen Ablagerungsgeschwindigkeiten aufzubringen. Dadurch, dass die Hochtemperaturspitze in dem Temperaturprofil im Kern des

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Plasmastroms in der Injektionszone im wesentlichen eliminiert ist, ist es möglich, die Injektionsteilchen gleichmässig zu erhitzen und demzufolge einen homogenen Strom von plastizierten Teilchen zu bilden. Die Verringerung der mittleren Temperatur des Plasmas auf einen Wert in der Grössenordnung von 6649°C bei der Teilcheninjektion ermöglicht es, die Pulverteilchen in dem Plasmastrom zu halten, während das Pulver in einen plastizierten, aber nicht schmelzflüssigen Zustand überführt wird. Eine längere Verweilzeit der Teilchen in dem Plasmastrom bewirkt, dass die Pulverteilchen auf Ausstossgeschwindigkeiten beschleunigt werden, die den Plasmageschwindigkeiten enger als in den bekannten Vorrichtungen angenähert sind. Optimale Überzugsgefüge können in einer Vielfalt von Überzugssystemen mit guter Materialhaftfähigkeit und gleichmässiger Materialdichte hergestellt werden. Wiederherstellen der Geschwindigkeit, die in dem Kühlschritt verlorengegangen ist, und weiteres Beschleunigen des Plasmas über dessen Anfangsgeschwindigkeit hinaus erhöhen die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Plasmastrom und den injizierten Pulvern. Diese Vorteile werden im übrigen gleichzeitig mit Verbesserungen in der Verfahrenswirtschaftlichkeit und -Sicherheit erzielt.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte Längsschnittansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Temperaturprofils des Plasmas an verschiedenen Stellen längs des Durchlasses durch die Düsenanordnung und

Fig. 3 ein Diagramm, das die Geschwindigkeit des Plasmas und der Pulverteilchen längs des Durchlasses durch die Düsenanordnung zeigt.

Die Plasmaspritzvorrichtung nach der Erfindung ist in Fig. 1 ausführlich dargestellt. Die Vorrichtung enthält vor allem einen herkömmlichen Plasmaerzeuger 10 der in der Beschreibungseinleitung angegebenen Art und eine Düsenanordnung 12. Der Plasmaerzeuger 10 ist in der Lage, einen Hochgeschwindigkeitsstrom eines Plasmas hoher Energie zu erzeugen, und die Düsenfortsatzanordnung 12 wirkt auf diesen Strom ein, um das Plasma auf die Injektion von Pulverteilchen von zu spritzendem Überzugsmaterial vorzubereiten. Zu den Hauptbestandteilen des Plasmaerzeugers 10 gehören eine zapfenförmige Katode 14 und eine Anode 16. Eine zylindrische Wand 18 der Anode begrenzt einen Durchlass 20 durch die Anode. Die zylindrische Wand 18 empfängt einen elektrischen Lichtbogen, der von der Katode 14 ausgeht. Der Plasmaerzeuger 10 enthält weiter eine Einrichtung 22 zum Hindurchleiten eines gasförmigen Mediums, wie beispielsweise Helium oder Argon, durch den elektrischen Lichtbogen zwischen der Katode und der Anode, um das Plasma hoher Geschwindigkeit und hoher Energie zu erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung muss der Plasmaerzeuger 10 in der Lage sein, einen Plasmastrom zu erzeugen, der durch eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit in der Grössenordnung von 610 m/s und durch eine mittlere Plasmatemperatur innerhalb des Stroms in der Grössenordnung von 8316CC gekennzeichnet ist. Die Plasmaspritzpistole Meteo 3MB mit einer G-Düse ist in der Industrie dafür bekannt, dass sie in der Lage ist, einen solchen Plasmastrom zu erzeugen. Andere Plasmaspritzpistolen können bei der Ausführung der Erfindung wahrscheinlich Verwendung finden. In dem Ausmass, in welchem diese Pistolen Plasmaströme erzeugen, die sich von den Kenndaten des Plasmastroms der Metco-Plasmaspritzpistole unterscheiden, sind entsprechende Abweichungen im Einzelaufbau der Düsenfortsatzanordnung zu erwarten. Trotzdem wird eine solche modifizierte Düsenfortsatzanordnung die im folgenden beschriebenen Hauptmerkmale aufweisen.

Die Düsenfortsatzanordnung 12 grenzt direkt an den Plasmaerzeuger 10 an und hat einen langgestreckten Durchlass 24, der in einer Linie mit dem Durchlass 20 durch die Anode des Plasmaerzeugers ist. Der Durchlass 24 erstreckt sich, wie dargestellt, durch ein rohrförmiges, mit Rippen versehenes Teil 25. Der Strom aus dem Plasmaerzeuger kann direkt in den Durchlass 24 der Fortsatzanordnung abgegeben werden. Mittels einer Leitung 26 kann ein Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, durch die Fortsatzanordnung hindurchgeleitet werden. Eine Plasmakühlzone 28 ist an dem stromaufwärtigen Ende des Durchlasses 24 angeordnet und dient zum Verringern der Temperatur des Plasmas vor der Injektion der Überzugsmaterialteilchen. Der Durchlass 24 in der Kühlzone erstreckt sich über eine axiale Länge von ungefähr 25,4 mm und hat einen Durchmesser von 7,3 mm. Der Durchmesser des Durchlasses in der Kühlzone und der Durchmesser des Anodendurchlasses, mit dem die Fortsatzanordnung in einer Linie ist, stimmen überein. In der dargestellten Ausführungsform ist die Querschnittsfläche des Durchlasses 24 in der Kühlzone 28 kleiner als die Querschnittsfläche, die durch die zylindrische Wand 18 der Anode, zu der der elektrische Lichtbogen gezogen wird, festgelegt wird. Die übrigen geometrischen Abmessungen und Parameter sind aufbauend auf dieser Grundabmessung bemessen.

Eine Plasmabeschleunigungszone 30 längs des Durchlasses 24 unmittelbar stromabwärts der Kühlzone 28 ist zum Beschleunigen des gekühlten Plasmastroms vorgesehen. In dieser Ausführungsform dient die Beschleunigungszone 30 nicht nur zum Wiedergewinnen der in der Kühlzone 28 verlorengegangenen Geschwindigkeit, sondern auch zum Beschleunigen des gekühlten Plasmas auf Geschwindigkeiten, die deutlich über der Geschwindigkeit des in den Düsenfortsatz eintretenden Plasmas liegen. Innerhalb der Beschleunigungszone der dargestellten Düse ist der Durchmesser des Durchlasses von einem Anfangsdurchmesser von 7,3 mm auf ungefähr 3,9 mm verringert. Das stellt eine Querschnittsflächenverringerung von ungefähr einem Viertel dar, obgleich etwas grössere oder kleinere Querschnittsflächenverringerungen wahrscheinlich benutzbar sind.

Eine Pulverteilcheneinleitzone 32 längs des Durchlasses 24 unmittelbar stromabwärts der Beschleunigungszone 30 ist zum Einleiten oder Injizieren von Überzugsmaterialpulver-teilchen in den gekühlten und beschleunigten Plasmastrom vorgesehen. Teilchen können in den Durchlass durch eine oder mehrere Pulverkanäle oder -Öffnungen 34 einströmen. Zwei einander diametral gegenüberliegende Pulveröffnungen sind dargestellt. Mit den beiden dargestellten Kanälen sind Pulverzuführgeschwindigkeiten in der Grössenordnung von 3,63 kg/h erzielbar. Der Durchlass in der Einleitzone hat einen Durchmesser von ungefähr 3,9 mm. Die Geschwindigkeiten des in die Einleitzone eintretenden Plasmas liegen in der Grössenordnung von 3353 bis 4267 m/s.

Eine Plasma/Teilchen-Einschliessungszone 36 ist längs des Durchlasses 24 stromabwärts der Teilcheneinleitzone 32 vorgesehen, damit die Teilchen durch den Plasmastrom beschleunigt werden können, bevor die Teilchen aus der Vorrichtung abgegeben werden. Die Einschliessungszone 36 erstreckt sich bis in eine Entfernung von ungefähr 25,4 mm von dem Pulvereinleitpunkt stromabwärts. Der Durchlass 24 öffnet sich in der Einschliessungszone 36 auf einen Durchmesser von ungefähr 9,4 mm am Ende der Düsenanordnung. Das stellt eine Querschnittsflächenzunahme gegenüber der Injektionszone 32 dar, die ungefähr das 6fache der Injek-

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Der Strom, auf den die Düsenfortsatzanordnung einwirkt, befindet sich, wie weiter oben dargelegt, in einem Zustand hoher Energie. Der elektrische Lichtbogen zwischen der Katode und der Anode bricht das Gefüge der Gasmoleküle auf, um einen Plasmastrom zu erzeugen, der Ionen, Elektronen, neutrale Atome und Moleküle enthält. Der Strom ist durch eine mittlere Temperatur und durch eine Temperaturspitze in seinem Kern gekennzeichnet, die diese mittlere Temperatur weit übersteigt und vielleicht ein Drittel grösser ist. Das Temperaturprofil über dem Strom ist in Fig. 2 dargestellt und die Temperaturspitze ist in der Darstellung an dem stromaufwärtigen Ende der Plasmakühlzone 28 ohne weiteres zu erkennen. Wenn das Plasma durch die Kühlzone 28 hindurchgeht, wird die mittlere Temperatur in der Grössenordnung von 1112°C oder 10 bis 15% von 8316°C auf 7204°C verringert wird. Von gleicher Bedeutung ist, dass die Temperatur des Plasmas in dem Kern sogar noch stärker von 11 093°C oder darüber auf etwa 8316°C oder auf einen Wert von ungefähr 1111 °C oder ungefähr 15% über der mittleren Plasmatemperatur in diesem Gebiet verringert wird. Wenn das Plasma durch die Beschleunigungszone hindurchgeht, hat das Plasma eine beinahe gleichförmige Temperatur in der Grössenordnung von 6649°C erreicht. Eine im wesentlichen vollständige Eliminierung der Temperaturspitze, um ein beinahe gleichförmiges Plasmatemperaturprofil an dem Punkt der Pulverinjektion zu schaffen, ist wichtig. Die oben beschriebene Normalisierung der Plasmatemperatur zeigt Fig. 2.

Pulver werden durch die Öffnungen 34 in den Strom injiziert und durch das Plasma erhitzt. Die Teilchen werden durch das Plasma beschleunigt. Angenäherte entsprechende Plasma- oder Gasgeschwindigkeiten (Kurve A) und Teilchengeschwindigkeiten (Kurve B) sind in Fig. 3 gezeigt. Wenn sich die Teilchen durch die Düsenanordnung stromabwärts bewegen, werden die Pulverteilchen in einen plastizierten Zustand erhitzt. Das nahezu gleichmässige Plasmatemperaturprofil bewirkt, dass sämtliche Teilchen bis zu demselben Erweichungsgrad erhitzt werden und dass sich ein aus der Düse austretender homogener Strom von Teilchen ergibt. Die Kühlmittelzuflussmengen zu der Düsenfortsatzanordnung werden so gesteuert, dass sich plastizierte Pulver in dem Strom an dem Punkt des Auftreffens auf das zu überziehende

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Substrat ergeben. Die mittlere Temperatur des aus der Düsenfortsatzanordnung austretenden Plasmas liegt in der Grössenordnung von 5538°C oder zwei Dritteln der ursprünglich vorhandenen mittleren Temperatur.

Die beschriebene besondere Vorrichtung ist speziell für das Auftragen von Nickellegierungs- oder Kobaltlegierungspulvern entwickelt worden, wie sie für das NiCrAlY-Material typisch sind, das folgende Zusammensetzung hat:

14-20 Gew.% Chrom;

11-13 Gew.% Aluminium;

0,10-0,70 Gew.% Yttrium;

2 Gew.% maximal Kobalt; und Rest Nickel.

Teilchen mit einer Grösse in der Grössenordnung von 5 bis 45 (im sind erfolgreich aufgetragen worden. Darüber hinaus ist die Düsenfortsatzvorrichtung gut zum Auftragen der Haynes-Stellite-Legierung Nr. 6 geeignet, einer harten Deck-legierung, die von der Stellite Division der Cabot Corporation, Kokomo, Indiana, USA, erhältlich ist. Die Stellite-Legierung Nr. 6 wird in der Automobilindustrie beispielsweise als Überzugsmaterial zum Verbessern der Verschleiss-festigkeit der Ventile von Verbrennungsmotoren benutzt.

Die Erfindung ermöglicht, dem Plasmastrom bei der Beschleunigung desselben in den ihn führenden Durchlässen am Anfang hohe Energiewerte zuzuführen. Obgleich Verringerungen in der Plasmatemperatur längs des Durchlasses durch Verringerung der dem Plasmaerzeuger zugeführten Eingangsleistung erzielt werden können, wird die sich ergebende Energie in dem Plasmastrom entsprechend verringert und die Beschleunigungsauswirkungen des Plasmas auf das Pulver sind nicht ebenso gross. Die Möglichkeit, das Plasma in dem Plasmaerzeuger schnell beschleunigen zu können, wird durch die Verringerung der Plasmatemperatur in der Düsenanordnung nicht wesentlich blockiert.

Der Fachmann weiss, dass empirische Temperatur- und Geschwindigkeitsmesswerte innerhalb eines Plasmastroms ausserhalb des Standes der Technik genau zu messen sind. Die Erfinder haben deshalb Bedingungen und Zustände innerhalb des Plasmastroms analytisch quantisiert, um das Verständnis der Lehren der Erfindung zu unterstützen. Die tatsächlichen Temperatur- und Geschwindigkeitsbedingungen können im Rahmen der beschriebenen und beanspruchten Grundlehren der Erfindung von den in der Beschreibung angegebenen Werten abweichen.

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3 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Aufbringen eines hochtemperaturtaug-lichen Materials auf ein Substrat, wobei das aufzubringende Material in einem Plasmastrom hoher Energie zu dem Substrat gebracht wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Erzeugen eines Stroms eines Plasmas hoher Temperatur, der durch eine mittlere Temperatur über dem Strom und eine Spitzentemperatur in der Mitte des Stroms, die ungefähr um ein Drittel grösser als die mittlere Temperatur ist, gekennzeichnet ist;

Verringern der mittleren Temperatur des Plasmastroms um 10 bis 15% und Verringern der Differenz zwischen der Spitzentemperatur und der verringerten mittleren Temperatur auf einen Wert von ungefähr 15% der verringerten mittleren Temperatur;

Einleiten von Pulver des hochtemperaturtauglichen Materials in den Plasmastrom verringerter Temperatur;

Einschliessen des Plasmastroms und des eingeleiteten Pulvers in einem langgestreckten Durchlass;

Beschleunigen und Erhitzen des eingeleiteten Pulvers innerhalb des langgestreckten Durchlasses;

Weiteres Verringern der mittleren Temperatur des Plasmastroms innerhalb des langgestreckten Durchlasses auf ungefähr zwei Drittel der ursprünglichen geschaffenen, mittleren Temperatur; und

Abgeben des beschleunigten und erhitzten Pulvers aus dem langgestreckten Durchlass und Richten des Pulvers gegen das zu überziehende Substrat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zunächst erzeugten Plasmastrom eine mittlere Temperatur über dem Strom von ungefähr 8316°C und eine Spitzentemperatur in der Mitte des Stroms von über 11 093°C herrscht, wobei die mittlere Temperatur des Stroms auf ungefähr 7204°C, und diejenige der Temperaturspitze in der Mitte des Stroms auf ungefähr 1111 °C über der verringerten mittleren Temperatur, gesenkt wird.

•3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrom verringerter Temperatur vor dem Einleiten des Pulvers des hochtemperaturtauglichen Materials beschleunigt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrom verringerter Temperatur auf eine Geschwindigkeit von 3353 bis 4267 m/s beschleunigt wird.
5. Plasmaerzeugungs- und -Spritzvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, zum Ablagern von Überzugsmaterialteilchen auf einem Substrat, wobei die Überzugsmaterialteilchen durch einen innerhalb der Vorrichtung erzeugten Plasmastrom erhitzt und beschleunigt werden, gekennzeichnet durch:

einen Plasmaerzeuger (10), der in der Lage ist, einen säulenförmigen Plasmastrom mit einer mittleren Plasmageschwindigkeit innerhalb des Stroms zu erzeugen, die ungefähr 610 m/s beträgt, und mit einer mittleren Plasmatemperatur, die ungefähr 8316°C beträgt, und durch:

eine kühlbare Düse (12) mit einem langgestreckten Durchlass (24), der den Plasmastrom mit einer mittleren Geschwindigkeit von ungefähr 610 m/s und einer mittleren Temperatur von ungefähr 8316°C empfängt, mit einer Plasmakühlzone (28) am stromaufwärtigen Ende des Durchlasses zum Verringern der mittleren Temperatur des Plasmastroms, mit einer Plasmabeschleunigungszone (30) längs des Durchlasses, unmittelbar stromabwärts der Plasmakühlzone (28) zum Beschleunigen des Plasmas verringerter Temperatur auf eine mittlere Geschwindigkeit, die über der mittleren Geschwindigkeit des Plasmas an dem stromaufwärtigen Ende der Plasmakühlzone (28) liegt, mit einer Injektionszone (32) längs des Durchlasses unmittelbar stromabwärts der Plasmabeschleunigungszone (30) zum Einleiten von Überzugsmaterialteilchen in das gekühlte und beschleunigte Plasma, und mit einer Einschliessungszone (36) längs des Durchlasses unmittelbar stromabwärts der Injektionszone (32) zum Einschliessen der Teilchen in dem gekühlten und beschleunigten Plasmastrom für eine ausreichende Zeitspanne, damit die Teilchen erhitzt und in einen plastizierten Zustand gebracht werden können.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Durchlasses (24) in der Beschleunigungszone (30) zum Beschleunigen des gekühlten Plasmas auf ungefähr ein Viertel der Querschnittfläche des Durchlasses in der Kühlzone (28) reduziert ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Durchlasses (24) in der Einschliessungszone (36) ungefähr sechsmal grösser als die Querschnittsfläche des Durchlasses in der Injektionszone (32) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaerzeuger (10) eine zapfenförmige Katode (14) und eine Anode (16) mit einer zylindrischen Wand ( 18) aufweist, zu der ein elektrischer Lichtbogen in dem Plasmaerzeugungsverfahren gezogen wird und durch die der erzeugte Plasmastrom hindurchströmen kann, und dass der Durchlass (24) in der Kühlzone (28) zum Verringern der Temperatur des erzeugten Plasmas eine Querschnittsfläche hat, die grösser als die Querschnittsfläche ist, welche durch die zylindrische Wand (18) der Anode begrenzt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (24) in der Kühlzone (28) einen Durchmesser von ungefähr 7,3 mm, eine kreisförmige Querschnittsgeometrie und eine axiale Länge von ungefähr 25,4 mm hat.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (24) in der Beschleunigungszone (30) einen Durchmesser von ungefähr 7,3 mm und eine kreisförmige Querschnittsgeometrie an seinem stromaufwärtigen Ende sowie einen Durchmesser von ungefähr 3,9 mm und eine kreisförmige Querschnittsgeometrie an seinem stromab-wärtigen Ende hat.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (24) in der Injektionszone (32) einen Durchmesser von ungefähr 3,9 mm, eine kreisförmige Querschnittsgeometrie und wenigstens ein Loch (34) längs des Durchlasses hat, dadurch das Teilchen des Überzugsmaterials hindurch in das gekühlte und beschleunigte Plasma strömen kann.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch zwei Löcher (34), die längs des Durchlasses (24) einander diametral gegenüberliegen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (24) in der Einschliessungszone (36) eine kreisförmige Querschnittsgeometrie mit einem Durchmesser hat, der grösser als der Durchmesser in der Injektionszone (32) ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (24) in der Einschliessungszone (36) einen Durchmesser von ungefähr 9,4 mm hat.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (24) in der Einschliessungszone (36) sich bis in eine Entfernung von ungefähr 25,4 mm stromabwärts der Löcher (34), über die die Überzugsteilchen eingeleitet werden, erstreckt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungszone (30) zum Beschleunigen des Plasma verringerter Temperatur in der Lage ist, das Plasma verringerter Temperatur auf eine Geschwindigkeit von 3353 bis 4267 m/s zu beschleunigen.

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