DE10061828A1 - Verfahren zum Einbringen von Material in einen Plasmastrahl und Plasmadüse zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Einbringen von Material (44) in einen Plasmastrahl (28), dadurch gekennzeichnet, daß das Material (44) in flüssigem Zustand über Kapillaren (34) in den Plasmastrahl (28) oder in eine zur Plasmaerzeugung dienende Anregungszone (12) zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Material in einen Plas­ mastrahl sowie eine Plasmadüse zur Durchführung dieses Verfahrens.

Das Verfahren findet beispielsweise Anwendung bei der Plasmabeschichtung von Oberflächen mit Hilfe eines atmosphärischen Plasmas. Das Beschichtungs­ material wird dann in gasförmigem, flüssigem oder festem Zustand in den Plas­ mastrahl zugeführt, so daß es sich in der Form eines dünnen Films auf der mit dem Plasmastrahl behandelten Oberfläche abscheidet. Der Plasmastrahl wird erzeugt, indem ein Arbeitsgas in einer Plasmadüse durch eine Anregungszone geleitet wird, in der eine elektrische Entladung stattfindet. Wenn das Material in gasförmigem Zustand zugeführt wird, kann es vorab mit dem Arbeitsgas ge­ mischt und zusammen mit dem Arbeitsgas in die Plasmadüse eingeleitet wer­ den.

Bei einigen Verfahrensvarianten, insbesondere bei der sogenannten Plasmapoly­ merisation, besteht das zugeführte Material, das sogenannten Precursormateri­ al. aus mehreren Komponenten, die erst im Plasma chemisch miteinander rea­ gieren und das gewünschte Beschichtungsmaterial bilden. Wenn das Precursor­ material zusammen mit dem Arbeitsgas zugeführt wird, muß es die gesamte An­ regungszone durchqueren. Dabei besteht in einigen Fällen die Gefahr, daß die Reaktionspartner durch die Energie der elektrischen Entladung chemisch zer­ stört werden, bevor sie in der gewünschten Weise miteinander reagieren können. Um diesen Effekt zu vermeiden, ist es zweckmäßig, das Precursormaterial erst weiter stromabwärts in der Anregungszone oder in den austretenden Plasma­ strahl zuzuführen, wie in DE 29 91 9142 U1 gezeigt wird.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Plasma-Vorbehandlung von Oberflächen, die mit Flüssigkeiten wie Klebstoffen, Lacken oder dergleichen benetzt werden sollen. Diese Vorbehandlung hat den Zweck, die Benetzbarkeit der Oberfläche zu erhöhen. Durch die Zugabe von Ad­ ditiven in den Plasmastrahl kann eine solche Vorbehandlung verbessert werden.

Feste Materialien können mit bekannten Verfahren in Pulverform oder in der Form einer Verbrauchselektrode oder eines durch das Plasma erodierten Stabes in den Plasmastrahl eingebracht werden. Gasförmige und flüssige Materialien werden bisher mit einer Düse in den Plasmastrahl eingeleitet bzw. eingespritzt und ggf verdampft. All diese bekannten Verfahren sind jedoch relativ aufwendig und erfordern den Einsatz von Hilfsaggregaten wie Pumpen, Gebläsen und der­ gleichen. Vor allem erweist es sich als schwierig, die Menge des zugeführten Ma­ terials geeignet zu dosieren.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Einbringen von Materi­ al in einen Plasmastrahl anzugeben, das sich einfach durchführen läßt und eine feinfühlige Dosierung des zugeführten Materials ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Material in flüssi­ gem Zustand über Kapillaren in den Plasmastrahl oder in eine zur Plasmaerzeu­ gung dienende Anregungszone zugeführt wird.

An der Stelle, an der die Kapillaren in den Plasmastrahl oder in die Anregungs­ zone münden, wird die Flüssigkeit fortlaufend verdampft, und die verdampfte Flüssigkeit wird aufgrund der Kapillarwirkung kontinuierlich durch Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter ersetzt. Für den Flüssigkeitstransport sind somit kei­ ne Hilfsaggregate wie Pumpen oder dergleichen erforderlich. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß sich die Menge der zugeführten Flüssigkeit äußerst feinfühlig dosieren läßt, indem die Anzahl der Kapillaren, deren Querschnitte, die Länge der Kapillar-Leitung und/oder der statische Druck der Flüssigkeit im Vorratsbehälter geeignet gewählt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Die Kapillaren können durch einen Docht, beispielsweise in der Form eines Fa­ serbündels gebildet werden, der mit einem Ende an den Vorratsbehälter für das flüssige Material angeschlossen ist und mit dem anderen Ende in den Plasma­ strahl oder die Anregungszone hineinragt.

Bei den Fasern des Dochtes kann es sich um Textilfasern, Kunststoffasern, so­ wie auch um Fasern aus Metall oder um Glasfasern handeln. Fasern aus Metall, beispielsweise feine Kupferdrähte, haben den Vorteil, daß das in die Plasmazo­ ne hineinragende Ende des Dochtes nicht so leicht abbrennt. Beispielsweise kann der Docht einfach durch ein Stück Litze aus Kupferdrähten mit oder ohne isolierende Umhüllung gebildet werden, wie sie für elektrische Leitungen ver­ wendet werden. Für chemisch aggressive Materialien sind Glasfasern besonders geeignet.

Wenn das stromaufwärtige Ende des Dochtes fest in einem Vorratsbehälter für das flüssige Material angebracht ist, läßt sich eine Feindosierung der zugeführ­ ten Materialmenge dadurch erreichen, daß der Füllstand der Flüssigkeit im Vor­ ratsbehälter geregelt wird. Die Höhe dieses Füllstands beeinflußt über den stati­ schen Flüssigkeitsdruck die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit durch den Docht transportiert wird.

Andererseits ist es möglich, das stromaufwärtige Ende des Dochtes beispielswei­ se mit Hilfe eines Schwimmers stets bis zu einer konstanten Tiefe in die Flüssig­ keit eintauchen zu lassen, so daß der statische Druck vom Füllstand unabhän­ gig ist. Auf diese Weise läßt sich der Materialfluß mit hoher Präzision konstant halten.

Eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Plasmadüse weist ein Gehäuse auf, das einen von dem Arbeitsgas durchströmten Düsenkanal bil­ det, indem durch Anregung des Arbeitsgases ein Plasmastrahl erzeugt wird. Bei­ spiele für solche Plasmadüsen werden beschrieben in DE 195 32 412 C2, DE 29 80 5999 U1, DE 198 47 774 A1 (zum Beschichten oder Vorbehandeln von fa­ denförmigen Materialien) sowie DE 29 91 1974 U1. Je nach Anwendungszweck und gewünschter Form des Plasmastrahls kann eine dieser Plasmadüsen für das erfindungsgemäße Verfahren benutzt werden. Die spezielle Anpassung der Plasmadüse an das hier vorgeschlagene Verfahren besteht darin, daß minde­ stens eine Kapillare in den Düsenkanal mündet.

Vorzugsweise ist das Gehäuse der Plasmadüse geerdet. Die Kapillaren können dann auch durch einen Docht aus geflochtenen oder verdrillten Metalldrähten ohne Isolierung gebildet werden, der in eine Bohrung des Gehäuses eingesteckt ist. Durch Verdrallung des Arbeitsgases im Düsenkanal wird die Verdunstung der zugeführten Flüssigkeit an der Mündung des Dochtes begünstigt und eine gleichmäßige Verteilung des verdampften Materials im Arbeitsgas und in dem daraus erzeugten Plasma erreicht.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeich­ nung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch eine Plasmadüse zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Docht, der zur Zuführung von flüssigem Material in die Plasmadüse dient.

Die in Fig. 1 dargestellte Plasmadüse weist ein rohrförmiges Gehäuse 10 auf, das einen langgestreckten, am unteren Ende konisch verjüngten Düsenkanal 12 bildet. In den Düsenkanal 12 ist ein elektrisch isolierendes Keramikrohr 14 ein­ gesetzt. Ein Arbeitsgas, beispielsweise Luft, wird vom in der Zeichnung oberen Ende her in den Düsenkanal 12 zugeführt und mit Hilfe einer in das Kerami­ krohr 14 eingesetzten Dralleinrichtung 16 so verdrallt, daß es wirbelförmig durch den Düsenkanal 12 strömt, wie in der Zeichnung durch einen schrauben­ förmigen Pfeil symbolisiert wird. In dem Düsenkanal 12 entsteht so ein Wirbel­ kern, der längs der Achse des Gehäuses verläuft.

An der Dralleinrichtung 16 ist eine stiftförmige Elektrode 18 montiert, die koaxial in den Düsenkanal 12 ragt und an die mit Hilfe eines Hochspannungs­ generators 20 eine hochfrequente Wechselspannung angelegt wird. Die mit Hilfe des Hochspannungsgenerators 20 erzeugte Spannung liegt in der Größenord­ nung von einigen Kilovolt und hat beispielsweise eine Frequenz in der Größen­ ordnung von 20 Kiloherz.

Das aus Metall bestehende Gehäuse 10 ist geerdet und dient als Gegenelektro­ de, so daß eine elektrische Entladung zwischen der Elektrode 18 und dem Ge­ häuse 10 hervorgerufen werden kann. Beim Einschalten der Spannung kommt es aufgrund der hohen Frequenz der Wechselspannung und aufgrund der Die­ lektrizität des Keramikrohres 14 zunächst zu einer Korona-Entladung an der Dralleinrichtung 16 und der Elektrode 18. Durch diese Korona-Entladung wird eine Bogenentladung von der Elektrode 18 zum Gehäuse 10 gezündet. Der Lichtbogen 22 dieser Entladung wird durch das verdrallt einströmende Arbeits­ gas mitgenommen und im Kern der wirbelförmigen Gasströmung kanalisiert, so daß der Lichtbogen dann nahezu geradlinig von der Spitze der Elektrode 18 längs der Gehäuseachse verläuft und sich erst im Bereich der Mündung des Ge­ häuses 10 radial auf die Gehäusewand verzweigt. Im gezeigten Beispiel bildet das Gehäuse 10 am verjüngten Ende des Düsenkanals 12 eine radial nach in­ nen vorspringende Schulter 24, die die eigentliche Gegenelektrode bildet und die sich radial verzweigenden Äste des Lichtbogens 22 aufnimmt. Die Äste rotieren dabei in Drallrichtung der Gasströmung, so daß ein ungleichförmiger Abbrand an der Schulter 24 vermieden wird.

In die Mündung des Gehäuses 10 ist im gezeigten Beispiel ein zylindrisches Mundstück 26 aus Keramik eingesetzt, dessen axial inneres Ende mit der Schulter 24 bündig ist und unmittelbar von dieser Schulter umgeben ist und dessen Länge deutlich größer ist als der Innendurchmesser. Das von dem Licht­ bogen 22 erzeugte Plasma strömt drallförmig durch das Mundstück 26 und wird aufgrund thermischer Ausdehnung beim Durchströmen des Mundstücks 26 be­ schleunigt und radial aufgeweitet, so daß man einen sehr stark fächerförmig aufgeweiteten Plasmastrahl 28 erhält, der noch um einige Zentimeter über das offene Ende 30 des Mundstücks 26 hinausreicht und dabei in Drallrichtung ro­ tiert.

Diese Plasmadüse wird zur Plasmabeschichtung oder Plasmapolymerisation ei­ nes Substrats 32 eingesetzt. Dazu wird das Precursormaterial über einen Docht 34 zugeführt, der in eine Bohrung 36 des Gehäuses 10 eingesteckt ist, so daß er in der Nähe des verjüngten unteren Endes in den Düsenkanal 12 mündet. Der Docht 34 wird im gezeigten Beispiel durch ein Bündel aus Fasern 38 gebildet, das, wie Fig. 2 zeigt, von einer isolierenden Umhüllung 40 aus Kunststoff um­ geben ist. In der Praxis kann es sich bei dem Docht 34 einfach um ein auf geeig­ nete Länge geschnittenes Stück isolierter Kupferlitze handeln. Die Fasern 38 werden dann durch die feinen Kupferdrähte der Litze gebildet. Die Zwischenräu­ me zwischen den einzelnen Fasern 38 wirken als Kapillaren 42, über die das flüssige Precursormaterial 44 aus einem Vorratsbehälter 46 in den Düsenkanal 12 eingeleitet wird. Die pro Zeiteinheit eingeleitete Flüssigkeitsmenge ist dann vom Querschnitt und der Anzahl der Kapilaren 42, von der Länge des Dochtes 34 und von der Höhe des Füllstands des Precursormaterials 44 im Vorratsbehäl­ ter 46 abhängig.

Das in der Bohrung 36 aufgenommene Ende des Dochtes 34 kann abisoliert sein, so daß die Kupferadern des Dochtes über das Gehäuse 10 geerdet werden. Die freien Enden der Fasern 38 ragen vorzugsweise etwas in den Düsenkanal 12 hinein und sind aufgefächert, wie in Fig. 1 gezeigt ist, so daß die Verdunstung des durch Kapillarwirkung zugeführten Materials begünstigt wird.

Das drallförmig durch den Düsenkanal 12 strömende Arbeitsgas strömt an der Mündung des Dochtes 34 vorbei und nimmt das verdunstete Material auf, das auf diese Weise gleichmäßig in dem austretenden Plasmastrahl 28 verteilt wird. Wahlweise kann das Ende des Dochtes 34 einen Heizwiderstand, z. B. in der Form einer kleinen Wendel, enthalten, duch die mit Hilfe von in den Docht inte­ grierten, isolierten Zuleitungen ein elektrischer Strom geleitet wird, um die Ver­ dampfung des Materials zu unterstützen.

Claims (11)

1. Verfahren zum Einbringen von Material (44) in einen Plasmastrahl (28), da­ durch gekennzeichnet, daß das Material (44) in flüssigem Zustand über Kapil­ laren (42) in den Plasmastrahl (28) oder in eine zur Plasmaerzeugung dienende Anregungszone (12) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Ma­ terial (44) aus einem Vorratsbehälter (46) über einen die Kapillaren (42) bilden­ den Docht (34) zugeführt wird, dessen Ende in den Plasmastrahl (28) oder in die Anregungszone (12) hineinragt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Docht (34) aus Fasern (38) aus Metall besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Docht (34) aus Glasfasern besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der auf das stromaufwärtige Ende des Dochtes (34) wirkende statische Druck des flüssigen Materials (44) im Vorratsbehälter (46) im wesentlichen konstant gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Materials über die Länge des Dochtes (34) eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Materials über den statischen Druck des flüssigen Materials (44) im Vorratsbehälter (46) eingestellt wird.

8. Plasmadüse zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehen­ den Ansprüche, mit einem Gehäuse (10), das einen von einem Arbeitsgas durch­ strömten Düsenkanal (12) bildet, in dem durch Anregung des Arbeitsgases ein Plasmastrahl (28) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine mit einem Vorratsbehälter (46) für flüssiges Material verbundene Kapillare (42) in den Düsenkanal (12) mündet.

9. Plasmadüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillaren (42) durch einen Docht (34) gebildet werden, der durch eine Bohrung (36) des Gehäuses (10) in den Düsenkanal (12) eintritt.

10. Plasmadüse nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Drallein­ richtung (16) zur Erzeugung einer wirbelförmigen Strömung des Arbeitsgases in dem Düsenkanal (12).

11. Plasmadüse nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (18) koaxial in dem Düsenkanal (12) angeordnet ist und daß die Elektrode (18) und das als Gegenelektrode dienende Gehäuse (10) an einen Hochfrequenzgenerator (20) angeschlossen sind, der eine Bogenentladung zwi­ schen der Elektrode (18) und dem Gehäuse (10) erzeugt.