DE10022161C1

DE10022161C1 - Verfahren zum Bilden einer Oberflächenschicht und deren Verwendung

Info

Publication number: DE10022161C1
Application number: DE10022161A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Henne; Heiko Thaler
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2000-05-09
Filing date: 2000-05-09
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2020-05-10

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Bilden einer Oberflächenschicht mit einer dendritenähnlichen Struktur auf einem Trägermaterial, die aus pulver- oder partikelförmigen Ausgangsmaterialien aufgebaut ist, bei dem das Ausgangsmaterial thermisch auf dem Trägermaterial beschichtet wird und die einzelnen Partikel in einer Flamme auf eine solche Temperatur gebracht werden, daß sie oberflächlich angeschmolzen sind, so daß die Partikel der einzelnen Schichten auf dem Trägermaterial unter Aufrechterhaltung der Partikelform aneinander anschmelzen, und wobei während des Beschichtungsvorgangs eine Relativbewegung zwischen Trägermaterial und Flamme erzeugt wird mit einer Relativgeschwindigkeit oberhalb 30 mm/s, so daß sich dendritenähnliche Strukturen durch übereinander gestapelte Partikel aufbauen, wobei der Säulendurchmesser im wesentlichen dem Durchmesser der abgeschiedenen und aneinander geschmolzenen Partikel entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden einer Oberflächenschicht.

Kommerziell verfügbare und bekannte, strukturierte Oberflächen sind meist aus Kupfer, Aluminium und Legierungen aus diesen Materialien aufgebaut. Sie lassen sich relativ leicht durch spanabhebende, umformende Verfahren oder durch Strangpressen bzw. durch Strangextrusion herstellen. Solche strukturierten Flächen können sehr vielfältig ein gesetzt werden, beispielsweise als Kühlflächen, als Verdampfer- oder Verdunsteroberflä chen, um nur einige Anwendungsbereiche zu nennen.

Von strukturierten Oberflächen für die vorstehend angegebenen Einsatzbereiche wird eine große, freie Oberfläche gefordert, um große Wärmemengen abgeben bzw. aufnehmen zu können.

Die DE 195 20 885 C2 beschreibt ein Verfahren zum thermischen Spritzen von Schichten aus Metallen und Melllegierungen, wobei die Pulverteilchen beim Auftreffen auf das Sub strat eine Temperatur aufweisen, die zwischen der Solidus- und der Liquidus-Temperatur des Metalls liegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dendritenähnliche Struktur auf einem Trägermaterial zu bilden, die sehr große Oberflächenbereiche aufgrund der Struktur aufweist, wobei die Strukturierungen im Mikrometerbereich liegen sollen. Unter Dendriten bzw. die dendritenähnlichen Struktur sind bäumchen- oder stabähnliche Struktu ren zu verstehen, vergleichbar mit dendritischen Kristallisationsstrukturen.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bilden einer Oberflächenschicht mit ei ner dendritenähnlichen Struktur auf einem Trägermaterial, die aus pulver- oder partikel förmigen Ausgangsmaterialien aufgebaut ist, bei dem das Ausgangsmaterial thermisch auf dem Trägermaterial beschichtet wird und die einzelnen Partikel in einer Flamme, insbe sondere einem Plasma, auf eine solche Temperatur gebracht werden, daß sie oberfläch lich angeschmolzen sind, so daß die Partikel der einzelnen Schichten auf dem Trägerma terial unter Aufrechterhaltung der Partikelform aneinander anschmelzen, und wobei wäh rend des Beschichtungsvorgangs eine Relativbewegung zwischen Trägermaterial und Flamme/Plasma erzeugt wird mit einer Relativgeschwindigkeit oberhalb 30 mm/sec, so daß sich dentritenähnliche Strukturen durch übereinander gestapelte Partikel aufbauen, wobei der Dendritendurchmesser im wesentlichen dem Durchmesser der abgeschiedenen und aneinandergeschmolzenen Partikeln entspricht.

Mit diesem Verfahren wird die Möglichkeit eines Aufbaus einer dendritenähnlichen Struktur mit einem thermischen Beschichtungsverfahren angegeben, wobei zum Beschichten Pul verpartikel über die Flamme/das Plasma auf ein Substrat aufgebracht werden. Wesentlich ist hierbei, daß zwischen Trägermaterial und Flamme eine Relativgeschwindigkeit ober halb von 30 mm/sec eingehalten wird, da gerade diese Relativgeschwindigkeit zu der dendriten- oder säulenähnlichen Struktur führt. Hierbei stapeln sich einzelne Partikel über einander, während zwischen diesen Dendritenstrukturen aus Partikeln Zwischenräume verbleiben, die annähernd bis zu der Substratoberfläche reichen. Eine bevorzugte Relativ geschwindigkeit zwischen Substrat und Beschichtungsflamme sollte oberhalb von 40 mm/s, noch bevorzugter oberhalb von 60 mm/s, eingestellt werden. Sehr gute Ergebnisse wurden auch bei 100 mm/s und darüber erzielt. Bei diesen hohen Relativgeschwindigkei ten wird erreicht, daß Partikel, die unmittelbar auf dem Substrat unter Beibehaltung ihrer wesentlichen Partikelform - sozusagen in der ersten Lage - abgeschieden wurden, als keine bzw. als bevorzugte Anlagerungsstellen für weitere, nachfolgende, oberflächlich an geschmolzene Partikel dienen.

Durch verschiedene Verfahrensparameter kann der Aufbau der angegebenen, dendriti schen Struktur stark beeinflußt werden. Ein solcher Parameter ist der Abstand zwischen Flamme und Trägermaterial, der im Bereich von 250 mm bis 450 mm, vorzugsweise im Bereich von 270 mm bis 320 mm, liegen sollte. Bei zu großen Abständen tritt eine zu frühe oberflächliche Erstarrung auf, die den Zusammenhalt der Partikel schwächt.

Mit einem solchen thermischen Beschichtungsverfahren können Pulverpartikel aus Metal len oder deren Legierungen auf ein Substrat, zum Erzeugen der dendritischen Struktur, aufgespritzt werden.

Dendritische Strukturen können zum Beispiel aus Metallen und Metallegierungen, wie Nic kel oder Nickel-Basislegierungen, aus Chrom oder Chromlegierungen, aufgespritzt wer den.

Als Ausgangspulver sollte bevorzugt solches eingesetzt werden, dessen Partikelgröße im Bereich von 5 µm bis 800 µm liegt, wobei ein Bereich zwischen 100 µm und 250 µm als besonders bevorzugter Bereich herauszustellen ist. Untersuchungen haben weiterhin ge zeigt, daß eine Pulverfraktion eingesetzt werden sollte, die Partikel in einem Durchmes serbereich zwischen einem minimalen Partikeldurchmesser d_min und einem maximalen Partikeldurchmesser d_max umfaßt, die folgender Vorschrift genügt:

wobei d_a ^max den Pulverpartikeldurchmesser angibt, der in der gewählten Pulverfraktion den größten Anteil bildet, und wobei Δd die Schwankungsbreite der Partikeldurchmesser um diesen Partikeldurchmesser darstellt.

Für d_a ^max kann zur Vereinfachung auch der Vorschrift gefolgt werden:

Um zu einer dendritenähnlichen Struktur zu gelangen, sollte der Grad des Anschmelzens m der Oberflächenschicht der Partikel der Vorschrift

folgen,
wobei d den Partikeldurchmesser bezeichnet und
wobei d_s* den Durchmesser des verbleibenden festen Kerns bezeichnet, wobei für m gilt

5% < m ≦ 30%.

Um die Bildung einer Dendritenstruktur zu fördern, sollten Partikel in dem Fraktionsbereich

eingesetzt werden.

Ein weiterer Parameter, um die sich aufbauende Struktur zu beeinflussen, ist die einge setzte Pulverfraktion, die im Bereich von 125 µm bis 160 µm Partikeldurchmesser liegen sollte. Diese Partikeldurchmesser werden oberflächlich angeschmolzen, so daß sie beim Auftreffen auf das Substrat bzw. auf die bereits aufgebaute Dendritenstruktur ausreichend aneinander anschmelzen, um eine stabile Verbindung über die oberflächliche, schmelz flüssige Phase einzugehen.

Bevorzugte Pulverdurchsatzmengen liegen im Bereich von 4 bis 30 g/min, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 20 g/min. Pulverdurchsatzmengen in diesen Bereichen können ge rade zu Beginn des Schichtaufbaus ein geeigneter Abstand der sich abscheidenden Parti kel auf dem Substrat erreicht werden, woraus sich später der Abstand der sich aufbauen den Dendriten bzw. Dendritenstruktur ergibt.

Unter Beachtung der gewählten Relativgeschwindigkeit zwischen Substrat und Flam me/Plasma sollte die Durchsatzmenge im Bereich von 10 bis 50 g/min liegen. Durch ge eignete Wahl und Einstellung der Pulverdurchsatzmenge und der Relativgeschwindigkeit sowie dem Abstand zwischen Plasmaflamme und Trägermaterial können Dendritenab stände erhalten werden, die im Mittel etwa 50% bis 75% des mittleren Partikeldurchmes sers entsprechen.

Besonders bevorzugt wird mit einem Vakuumplasmaspritzverfahren gearbeitet, da über den Druck in der Beschichtungskammer Einfluß auf die Bildung der dendritenähnlichen Struktur genommen werden kann. Bevorzugte Drücke in der Beschichtungskammer soll ten auf p < 500 mbar (5 . 10⁴ Pa) eingestellt werden. Noch bevorzugter sollte der Druck im Bereich von 100 mbar < p < 200 mbar (1 . 10⁴ Pa < p < 2 . 10⁴ Pa) liegen.

Die nach dem angegebenen Verfahren hergestellten dendritischen Strukturen sind insbe sondere als Oberflächenschicht für die Beschichtung von Wärmetauschern, für die Be schichtung von Zwei-Phasen-Wärmetauschern, für die Oberflächenbeschichtung von Ver dunstern, von Verdampfern, außerdem für die Oberflächenbeschichtung von Apparaten, die einen kombinierten Stoff- und Wärmeaustausch vornehmen, sowie für die Oberflä chenbeschichtung von Zwei-Phasen-Kondensatoren geeignet.

In der beigefügten Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Schliffbild einer nach dem Verfahren hergestellten dendritenähnlichen Struktur in einer 40-fachen Vergrößerung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Partikeldurchmesserverteilung der zum Plasmaspritzen eingesetzten Pulverfraktionen.

In der beigefügten Fig. 1 sind die dendritischen Strukturen zu erkennen; es ist allerdings darauf hinzuweisen, daß in dem gezeigten zweidimensionalen Schliffbild die jeweiligen dreidimensionalen Dendriten nicht in ihrer gesamten Struktur zu erkennen sind. Es ist al lerdings ersichtlich, daß die jeweiligen Dendriten in etwa dem Durchmesser der Pulverpar tikel entsprechen. Die dendritenähnliche bzw. säulenähnliche Struktur, wie sie in dem Schliffbild zu sehen ist, ist aus einer hochwarmfesten Nickel-Basis-Legierung hergestellt. Im Falle dieser Legierung beträgt die Dichte etwa 8 g/cm³. Die Pulverfraktion, die einge setzt wurde, lag bei einem Partikeldurchmesser von 125-160 µm mit Pulverdurchsatz mengen beim Vakuum-Hochfrequenzplasmaspritzen, das in diesem Fall eingesetzt wurde, von 10-20 g/min. Die Frequenz des verwendeten Generators der Plasmabeschichtungs anlage betrug 500 kHz. Der dabei eingesetzte Plasmabrenner besaß einen Innendurch messer von 50 mm und wurde mit einer elektrischen Leistung unter 10 kW gefahren. Weiterhin wurden reduzierende Gase in der Beschichtungskammer (in vorliegendem Fall H₂) zugegeben. Diese reduzierenden Gase reduzieren den Restsauerstoff, was eine Ver minderung der Oxidhautbildung und dadurch eine noch kontrolliertere Schichtung der übereinander gestapelten Pulverpartikel zum Erzeugen der dendritenähnlichen Struktur zur Folge hat. Für die in der Figur gezeigten Struktur wurden Bahn- bzw. Translationsge schwindigkeiten zwischen Substrat und Flamme von 100 mm/s eingestellt. Der Abstand zwischen Substrat und Flamme betrug 320 mm.

Sofern Abstände zwischen Flamme/Plasma und Substrat angegeben sind, beziehen sich diese auf das Ende des jeweiligen Brenners.

Wie bereits eingangs erwähnt, können solche dendritischen Strukturen, insbesondere dann, wenn Vakuum-Hochfrequenzplasmabeschichtungseinrichtungen eingesetzt werden, sowohl aus Metallpulvern, aus Keramikpulvern, aber auch aus Kunststoffpulvern, aufge baut werden.

Wie eingangs erläutert ist, sollte das Ausgangspulver der Vorschrift

genügen; die Zusammenhänge zwischen d_a ^max, Δd_min (minimaler Partikeldurchmesser d) und d_max (maximaler Partikeldurchmesser d) sind in Fig. 2 dargestellt, und zwar in Ab hängigkeit des prozentualen Anteils der jeweiligen Pulverpartikeldurchmesser, die in ei nem Ausgangspulver vorhanden sind.

Claims

1. Verfahren zum Bilden einer Oberflächenschicht mit einer dendritenähnlichen Struktur auf einem Trägermaterial, die aus pulver- oder partikelförmigen Aus gangsmaterialien aufgebaut ist, bei dem
das Ausgangsmaterial thermisch auf dem Trägermaterial beschichtet wird und die einzelnen Partikel in einer Flamme auf eine solche Temperatur gebracht werden, daß sie oberflächlich angeschmolzen sind, so daß die Partikel der einzelnen Schichten auf dem Trägermaterial unter Aufrechterhaltung der Partikelform anein ander anschmelzen, und
wobei während des Beschichtungsvorgangs eine Relativbewegung zwischen Trä germaterial und Flamme erzeugt wird mit einer Relativgeschwindigkeit oberhalb 30 mm/s, so daß sich dendritenähnliche Strukturen durch übereinander gestapelte Partikel aufbauen, wobei der Säulendurchmesser im wesentlichen dem Durchmes ser der abgeschiedenen und aneinandergeschmolzenen Partikeln entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativgeschwindig keit auf oberhalb von 40 mm/s, bevorzugt über 60 mm/s, eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Flamme und Trägermaterial 250 mm bis 450 mm, vorzugsweise 270 mm bis 320 mm, beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpartikel aus Metallen oder deren Legierungen gebildet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpartikel aus Nickel oder einer Nickel-Basis-Legierung gebildet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpartikel aus Chrom oder einer Chromlegierung gebildet sind.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pulverfraktion im Bereich von 5 µm bis 800 µm, bevorzugt 100 µm bis 250 µm, Partikeldurchmesser liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pulverfraktion ein gesetzt wird, die Partikel in einem Durchmesserbereich zwischen einem minimalen Partikeldurchmesser d_min und einem maximalen Partikeldurchmesser d_max umfaßt, die folgender Vorschrift genügt:
wobei d_a ^max den Pulverpartikeldurchmesser angibt, der in der genannten Pulverfrak tion den größten Anteil bildet, und wobei Δd die Schwankungsbreite der Partikel durchmesser um diesen Partikeldurchmesser darstellt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
gilt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Den dritenstruktur die Oberflächenschicht der Partikel angeschmolzen wird, wobei der Grad des Anschmelzens m folgender Vorschrift genügt:
wobei d: Partikeldurchmesser
d_s*: verbleibender fester Kern
mit 5% < m ≦ 30%.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Den dritenstruktur Partikel in dem Fraktionsbereich
eingesetzt sind.

12. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverdurchsatz menge im Bereich von 10 bis 50 g/min liegt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Pulverdurchsatzmenge und Relativgeschwindigkeit sowie der Abstand zwischen Plasmaflamme und Trä germaterial derart eingestellt werden, daß der Dendritenabstand im Mittel etwa 50% bis 75% des mittleren Partikeldurchmessers entspricht.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als thermisches Spritz verfahren ein Vakuumplasmaspritzverfahren eingesetzt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druck in der Be schichtungskammer auf p < 500 mbar (5 . 10⁴ Pa) eingestellt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Bereich von 100 mbar < p < 200 mbar (1 . 10⁴ Pa < p < 2 . 10⁴ Pa) eingestellt wird.

17. Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellten Oberflächen schicht für die Oberflächenbeschichtung von Wärmetauschern.

18. Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellten Oberflächen schicht für die Oberflächenbeschichtung von Zwei-Phasen-Wärmetauschern.

19. Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellten Oberflächen schicht für die Oberflächenbeschichtung von Verdunstern.

20. Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellten Oberflächen schicht für die Oberflächenbeschichtung von Verdampfern.

21. Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellten Oberflächen schicht für die Oberflächenbeschichtung von Apparaten, die einen kombinierten Stoff- und Wärmeaustausch vornehmen.

22. Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellten Oberflächen schicht für die Oberflächenbeschichtung von Zwei-Phasen-Kondensatoren.