DE10065629C1 - Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrates mit einem Plasmabrenner - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrates mit einem Plasmabrenner und mit dem Plasmabrenner soll pulverförmiges Zusatzmaterial mit im Plasmabrenner erzeugten Plasmagas und einem zusätzlichen Laserstrahl erwärmt, aufgeschmolzen und in Richtung auf die Oberfläche eines Substrates beschleunigt werden. Im Plasmabrenner ist eine Ringkathode oder es sind mehrere einzelne Kathoden um eine Längsachse angeordnet. In einen Plasmaraum, der zwischen der einen Ringkathode oder den mehreren Kathoden und einer ringförmigen Anode angeordnet ist, wird Gas zugeführt. Mit der Erfindung sollen die Beschichtung mit höherer Geschwindigkeit bzw. Auftragsrate, bei gegenüber herkömmlichen Lösung gleicher bzw. erhöhter Qualität ausgebildet werden können und die Richtungsunabhängigkeit für die Ausbildung der Beschichtung gewährleistet werden. Diese Aufgabe wird im Wesentlichen dadurch gelöst, dass der Laserstrahl durch die eine Ringkathode oder zwischen mehreren um die Längsachse des Plasmabrenners angeordneten Kathoden und die ringförmig ausgebildete Anode koaxial zur Längsachse A auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschich­ tung eines Substrates mit einem Plasmabrenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, die unterschiedlichsten Substrate mit einer Oberflächenbeschichtung zu versehen, wobei pul­ verförmiges Zusatzmaterial eingesetzt werden kann. Dabei wird zwischen einer Kathode bzw. einer Katho­ denanordnung und bevorzugt einer ringförmigen Anode ein Lichtbogen gezündet und mit einem zugeführten Gas ein Plasma erzeugt, das in das Plasma bzw. in das entsprechend beschleunigte Plasmagas zugeführtes pul­ verförmiges Zusatzmaterial aufschmilzt und in Rich­ tung auf die Oberfläche des Substrates, die beschich­ tet werden soll, beschleunigt. Nach dem Auftreffen und Erkalten, kann auf der Oberfläche dann die ge­ wünschte Beschichtung ausgebildet werden.

Ein entsprechender Plasmabrenner, bei dem eine Katho­ denanordnung, bestehend aus mehreren stiftförmigen Elementen, die um eine Mittenachse angeordnet sind, ist beispielsweise in DE 41 05 407 A1 beschrieben. Dabei ist eine ringförmige Anode am Ausgang des Plasmabrenners angeordnet und durch die Ringöffnung wird das erhitzte pulverförmige Zusatzmaterial, z. B. Me­ tall- oder Keramikpulver mit Hilfe eines Trägergas­ stromes zentral zwischen den stabförmigen Einzelka­ thoden in den Plasmaraum, in dem Plasma mit einem außenseitig von der Kathodenanordnung zugeführten Plasmagas ausgebildet ist, zugeführt.

Die erforderliche Energie wird ausschließlich über den für die Ausbildung des Plasmas erforderlichen Lichtbogen und die kinetische Energie des Plasma- und/oder Trägergases für das pulverförmige Zusatzma­ terial aufgebracht.

Des weiteren sind die so genannten Laser-Plasma- Hybridspritzverfahren und entsprechende Vorrichtungen bekannt, bei denen zusätzlich Energie mit einem La­ serstrahl zugeführt ist. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise in DE 197 40 205 A1 beschrieben. Bei diesem Hybridverfahren wird aber generell der Laserstrahl von außen in einem mehr oder weniger schräg geneigten Winkel in Bezug zur Längsachse des Plasmastrahls auf die zu beschichtende Oberfläche eines Substrates gerichtet, wobei je nach gewünschter Intensität die Größe des Brennfleckes auf der Ober­ fläche mehr oder weniger groß eingestellt werden kann. Die mit dem Laserstrahl zugeführte Energie kann aber nicht nur zur Ausbildung der Schmelze des auf die Oberfläche auftreffenden Zusatzmaterials ausge­ nutzt werden, sondern sie kann auch für eine mögli­ cherweise erforderliche Vorwärmung der Substratober­ fläche und/oder für die Beeinflussung des Temperatur­ regimes beim Erstarren der Schmelze zur gezielten Ausbildung bestimmter Gefüge- und Mikrostrukturen genutzt werden.

Bei den Hybridverfahren ist es aber nachteilig, dass die entsprechende Vorrichtung, bestehend aus Plasma­ brenner und Laserelementen, entweder stationär ausge­ bildet sein muss und für die Ausbildung der Beschich­ tung auf Substraten, diese Substrate entsprechend bewegt werden müssen oder in aufwendiger Weise Laser- und Plasmastrahl mit den entsprechenden Elementen synchron bewegt werden müssen, wobei in diesem Fall die Bewegung nicht ohne weiteres in beliebige Rich­ tungen, d. h. gleichzeitig in x- und y-Achse erfolgen kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei der die Beschichtung mit höherer Geschwindigkeit bzw. Auftragsrate, bei gegenüber her­ kömmlichen Lösungen gleicher bzw. erhöhter Qualität ausgebildet werden kann und mit der die Beschichtung richtungsunabhängig ausgebildet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrich­ tung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, er­ reicht. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiter­ bildungen der Erfindung, können mit den in den unter­ geordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet die aus dem Stand der Technik bekannten Elemente für einen Plasmabrenner, mit dem pulverförmiges Zusatzmaterial erwärmt, aufgeschmolzen und in Richtung auf die zu beschichtende Oberfläche des Substrates beschleunigt werden kann.

Hierfür sind die wesentlichen Elemente eine Kathode oder eine Anordnung aus mehreren einzelnen Kathoden und einer im Abstand dazu angeordneten ringförmigen Anode, zwischen denen mit einem Lichtbogen aus zuge­ führtem Plasmagas ein Plasma erzeugt werden kann.

Dabei soll die Kathode entweder als Ringkathode oder als Anordnung mehrerer Kathoden, die um eine Längs­ achse A angeordnet sind, ausgebildet werden und der Laserstrahl durch die Ringkathode oder zwischen den einzelnen Kathoden der Kathodenanordnung durch das erzeugte Plasma und die ringförmige Anode auf die Substratoberfläche gerichtet werden, wobei der Laser­ strahl koaxial zur Längsachse A ausgerichtet ist.

Bei einer aus mehreren einzelnen Kathoden gebildeten Kathodenanordnung sind diese einzelnen Kathoden be­ vorzugt symmetrisch um die Längsachse A, d. h. in mög­ lichst gleichen Winkelabständen voneinander und in gleichen Abständen zur Längsachse A angeordnet.

Das Plasmagas wird in einen Plasmaraum zur Ausbildung des Plasmas und zum Beschleunigen des pulverförmigen Zusatzmaterials in Richtung auf die Substratoberflä­ che mit gegenüber bekannten Lösungen erhöhter Ge­ schwindigkeit zugeführt, wobei das zugeführte pulver­ förmige Zusatzmaterial nicht nur in Richtung auf die Substratoberfläche beschleunigt, sondern durch die Plasmaenergie bereits erwärmt wird. Die Energie des Laserstrahls kommt zusätzlich hinzu und dient zur Ausbildung und Aufrechterhaltung eines im Wesentli­ chen aus Zusatzmaterial bestehenden Schmelzbades auf der Substratoberfläche, so dass die Laserenergie das bereits erwärmte Zusatzmaterial, als zweite Energie­ form zusätzlich erwärmen kann, so dass die Beschich­ tungseffektivität, insbesondere durch Verkürzung der Beschichtungszeit, erhöht werden kann.

Dabei kann ohne weiteres bei konstanter Laserleistung und Laserintensität im Brennfleck auf der Substrat­ oberfläche gearbeitet werden.

Die Mittelachse des Laserstrahls sollte parallel zur Längsachse A, die im Wesentlichen durch die Kathode, Kathodenanordnung und die ringförmige Anode vorgege­ ben ist, parallel ausgerichtet sein. Bevorzugt sollen die Längsachse A und die Mittenachse des Laserstrahls identisch sein.

Zur Erzeugung des Laserstrahls sind insbesondere Festkörperlaser oder Diodenlaser als Laserlichtquel­ len geeignet. Es können aber auch CO₂-Laser einge­ setzt werden.

Diese Laserlichtquellen strahlen Laserlicht in einem Wellenlängenbereich, der vom Plasma bzw. Plasmagas nur unwesentlich absorbiert wird, aus. Daraus folgt, dass die Laserenergie zum größten Teil vom zugeführ­ ten pulverförmigen Zusatzmaterial und von der Substratoberfläche absorbiert und entsprechend effek­ tiv genutzt werden kann.

Generell sollten Laserlichtquellen und Plasmagas so ausgewählt werden, dass die jeweilige Wellenlänge des Laserlichtes vom Plasma nicht oder nur begrenzt ab­ sorbiert wird.

Das Plasmagas kann ein reines Gas, z. B. Helium, aber auch ein Gasgemisch, z. B. eine Helium enthaltende Gasmischung sein.

Der Laserstrahl kann über entsprechende optische Ele­ mente direkt durch eine Ringkathode oder durch eine entsprechende Anordnung mehrerer einzelner Kathoden, den Plasmaraum und die ringförmige Anode auf die Oberfläche des Substrates gerichtet werden.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, den einen La­ serstrahl über mindestens eine Lichtleitfaser oder mehrere Laserstrahlen in die Vorrichtung zu führen, wobei am Austritt des der Lichtleitfaser(n) ein fo­ kussierendes Element angeordnet sein soll.

Ein solches fokussierendes Element oder eine entspre­ chend ausgebildete Laseroptik können vorteilhaft so eingestellt oder ausgewählt sein, dass der Fokus des Laserstrahls im Bereich der ringförmigen Kathode oder der Kathodenanordnung ausgebildet und außerdem gesi­ chert ist, dass der sich in Richtung des Substrates aufweitende Laserstrahl berührungslos durch die ring­ förmige Anode auf die Substratoberfläche gerichtet ist. Mit einer entsprechenden Optik kann die Lage des Fokus und demzufolge auch die Größe des Brennfleckes in Grenzen beeinflusst werden.

Die Zuführung des pulverförmigen Zusatzmaterials in das entsprechend erwärmte und beschleunigte Plasmagas kann in unterschiedlicher Form erfolgen. So besteht einmal die Möglichkeit, eine solche Zuführung für pulverförmiges Zusatzmaterial nachfolgend an die ringförmige Anode anzuordnen, so dass es zwischen ringförmiger Anode und Substratoberfläche in den Plasmagasstrahl eingeführt wird. Dies verhindert, insbesondere bei kleinen freien Querschnitten einer solchen ringförmigen Anode, dass sich bereits aufge­ schmolzene Pulverteilchen an der Anodenwandung nie­ derschlagen und ein Verstopfen der ringförmigen Anode kann so ohne weiteres verhindert werden.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Zuführung für das pulverförmige Zusatzmaterial als Ringdüse bzw. Ringlochdüse auszubilden und diese so zu dimen­ sionieren und anzuordnen, dass sie eine außenseitige Pulverzuführung um die Laseroptik und/oder die Katho­ de bzw. die Kathodenanordnung ermöglicht.

Die Auswahl und Anordnung der Zuführung für pulver­ förmiges Zusatzmaterial kann unter Berücksichtigung des eingesetzten Zusatzmaterials gewählt werden, wo­ bei an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch zwei entsprechend angeordnete und ausgebildete Zuführungen für pulverförmiges Zusatzmaterial vorhanden sein kön­ nen, die alternativ, aber auch gemeinsam benutzt wer­ den können.

Die Zuführung für das erforderliche Plasmagas in den Plasmaraum einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auf aus dem Stand der Technik bekannte Art erfolgen, wobei jedoch höhere Strömungsgeschwindigkeiten (200 bis 500 m/s) und Volumenströme (40 bis 80 l/min) mög­ lich sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich gegen­ über den bekannten Lösungen, gegenüber den eingangs erwähnten Hybridverfahren, insbesondere durch die Wechselwirkung zwischen dem Zusatzmaterial und dem Laserstrahl, die nicht erst auf der Substratoberflä­ che erfolgt, aus.

Vorteilhafterweise können die Wechselwirkungsdauer zwischen dem pulverförmigen Zusatzmaterial und dem Laserstrahl erhöht und Energieverluste verringert werden. Der Teil der Laserenergie, der nicht vom pul­ verförmigen Zusatzmaterial absorbiert, reflektiert und gestreut worden ist, kann nahezu vollständig von der Substratoberfläche absorbiert und demzufolge mit erhöhtem Wirkungsgrad genutzt werden.

Durch die Möglichkeit der orthogonalen Ausrichtung von Plasma- und Laserstrahl auf die zu beschichtende Substratoberfläche, können Abbildungsverzerrungen des Laserstrahls auf der Substratoberfläche vermieden und eine gleichmäßige Intensität im Brennfleck eingehal­ ten werden.

Durch den erhöhten Wirkungsgrad und die günstigere Wechselwirkung von Laserlicht, Plasma mit pulverför­ migem Zusatzmaterial kann neben der Abschmelzleistung auch die Auftragsrate gegenüber herkömmlichen Lösun­ gen, wie den bekannten Hybridverfahren um ein mehr­ faches gesteigert werden.

Die gesamte Vorrichtung kann einfach in verschieden­ sten Richtungen über die Oberfläche des Substrates bewegt und die Beschichtung entsprechend der Bewegung dabei ausgebildet werden. Bei ausgeschaltetem Plasma­ brenner kann eine lokal gezielte Wärmebehandlung al­ lein mit dem Laserstrahl an der Substratoberfläche bzw. der Beschichtung durchgeführt werden.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie­ ben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung mit einer aus mehreren einzelnen Kathoden gebildeten Kathodenanordnung und

Fig. 2 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung mit einer ringförmig ausgebildeten Kathode.

Das in Fig. 1 gezeigte Beispiel einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung geht von einem Plasmabrenner aus, wie er in wesentlichen Punkten in DE 41 05 407 A1 beschrieben ist. Dabei sind mehrere stabförmige ein­ zelne Kathoden 2' in einem Isolierkörper 7 aufgenom­ men, die in nicht dargestellter Weise an der Elektro­ energieversorgung angeschlossen sind. Die einzelnen Kathoden 2' sind symmetrisch um die Längsachse A an­ geordnet.

Zwischen den stabförmigen Kathoden 2' ist im Isolier­ körper 7 eine Öffnung, durch die der Laserstrahl 1 geführt werden kann, ausgebildet, die bei diesem Bei­ spiel nach außen mit einem transparenten Fenster 6 abgeschlossen ist.

Es besteht aber auch in nicht dargestellter Form, die Möglichkeit den Isolierkörper 7, zumindest in seinem zentralen Bereich, zwischen den einzelnen Kathoden 2' transparent für den Laserstrahl auszubilden.

Der Laserstrahl 1 wird von der Laserlichtquelle 4, hier einem herkömmlichen Festkörperlaser durch eine fokussierende Laseroptik 5 in den eigentlichen Plas­ mabrenner gestrahlt. Die Laseroptik 5 fokussiert den Laserstrahl 1 so, dass der Fokus zwischen den einzel­ nen Kathoden 2' angeordnet ist.

Die ringförmige Anode 3, die ebenfalls an die Elek­ troenergieversorgung angeschlossen ist, befindet sich am Ausgang des Plasmaraumes 9 in Richtung auf das zu beschichtende Substrat 8. Dabei ist der innere freie Querschnitt der ringförmigen Anode 3 so gewählt, dass der Laserstrahl 1 berührungslos auf die Oberfläche des Substrates 8 gerichtet werden kann.

In nicht dargestellter Form kann das Plasmagas von den äußeren Rändern des Isolierkörpers 7 ausgehend, in den Plasmaraum 9 einströmen und mit dem Lichtbo­ gen, der zwischen der ringförmigen Anode 3 und den einzelnen Kathoden 2' brennt, das Plasma erzeugt wer­ den. Durch nachströmendes Plasmagas kann das Plasma mit dem, ebenfalls in nicht dargestellter Form, zu­ geführten Zusatzmaterial in Richtung auf die Oberflä­ che des Substrates 8 beschleunigt und wie im einlei­ tenden Teil der Beschreibung bereits erwähnt, erwärmt und aufgeschmolzen werden. Dabei wirkt sich die Kom­ bination von Plasmaenergie und Energie des Laser­ strahls 1 vorteilhaft aus.

Zur Ausbildung des Lichtbogens zur Erzeugung des Plasmas, kann an die ringförmige Anode 3 und die ein­ zelnen Kathoden 2' eine Spannung von ca. 60 V ange­ legt und ein Strom mit einer Stromstärke von 580 A benutzt werden.

Als Plasmagas kann beispielsweise ein Gasgemisch, bestehend aus Argon und Wasserstoff, die im Verhält­ nis von 40 l Argon und 5 l Wasserstoff pro Minute in den Plasmaraum 9 eingeführt werden.

Als Zusatzmaterial kann eine selbstfließende Metall­ legierung, die mit einem Massestrom von 30 g/min zu­ geführt wird, eingesetzt werden.

Die Zuführung des pulverförmigen Zusatzmaterials kann, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung unmit­ telbar in den Plasmaraum 9, also koaxial zu dem Plas­ ma- und Laserstrahl 1, aber auch radial von außen, außerhalb des Plasmabrenners, d. h. nachdem das Plas­ magas die ringförmige Anode 3 verlassen hat, zuge­ führt werden, wobei dann die Zuführung in unter­ schiedlichsten Winkeln in Bezug zur Längsachse A er­ folgen kann.

Das in Fig. 2 gezeigte Beispiel einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung unterscheidet sich vom Beispiel nach Fig. 1 im Wesentlichen durch die Verwendung einer einteiligen Ringkathode 2, durch die der Laser­ strahl 1 auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrates 8 gerichtet werden kann.

Bei beiden gezeigten Beispielen stimmen die Mitten­ achse des Laserstrahls 1 und die Längsachse A über­ ein.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrates mit einem Plasmabrenner, bei der ein pulverför­ miges Zusatzmaterial mit dem im Plasmabrenner erzeugten Plasmagas und einem Laserstrahl er­ wärmt, aufgeschmolzen und in Richtung auf die Oberfläche des Substrates beschleunigt wird;
wobei im Plasmabrenner eine Ringkathode oder mehrere einzelne Kathoden um eine Längsachse (A) angeordnet ist/sind;
Gas in einen Plasmaraum zwischen der/den Katho­ de(n) und einer ringförmigen Anode zuführbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Laserstrahl (1) durch eine Ringkathode (2) oder zwischen mehreren um die Längsachse (A) angeordnete Kathoden (2') und die ringförmig ausgebildete Anode (3) koaxial zur Längsachse (A) auf die zu beschichtende Oberfläche gerich­ tet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse des Laserstrahls (1) und die Längsachse (A) parallel zueinander ausgerichtet sind und/oder auf einer gemeinsamen Achse liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserlicht­ quelle (4) zur Erzeugung des Laserstrahls (1) ein Festkörperlaser oder ein Diodenlaser ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) eine Wellenlänge aufweist, die vom Plasma nicht absorbiert wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmagas ein ein Plasma bildendes Gas oder Gasgemisch ist, das für die Wellenlänge des Laserlichtes trans­ parent ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmagas Heli­ um oder ein Helium enthaltendes Gasgemisch ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) von der Laserlichtquelle (4) über mindestens eine Lichtleitfaser in die Vorrichtung geführt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laseroptik (5) so eingestellt oder ausgewählt ist, dass der Fokus des Laserstrahls (1) im Bereich der Katho­ de(n) (2, 2') ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung für pulverförmiges Zusatzmaterial nachfolgend an die ringförmige Anode (3) in Richtung auf das zu beschichtende Substrat (8) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung für eine koaxiale Einführung des pulverförmigen Zu­ satzmaterials, als Ringdüse, die die Laseroptik (5) oder die Kathode(n) (2, 2') umschließt, aus­ gebildet ist.