DE10119288A1

DE10119288A1 - Verfahren und Einrichtung zur gasdynamischen Beschichtung von Oberflächen mit Schalldüsen

Info

Publication number: DE10119288A1
Application number: DE2001119288
Authority: DE
Inventors: Georg Koppenwallner; Herbert Berger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2021-04-21
Also published as: DE10119288B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur gasdynamischen Beschichtung von Oberflächen, bei dem die Partikel des Beschichtungsmaterials so stark beschleunigt werden, dass sie aufgrund ihrer kinetischen Energie beim Aufprall schmelzen und auf der Oberfläche eine dünne Schicht ausbilden, werden die Partikel in einer Schalldüse mit langer Beschleunigungsstrecke stark beschleunigt, das Treibgas wird am Einlauf in die Schalldüse in einem vorgegebenen Bereich einer Kontraktion unterzogen und auf eine Geschwindigkeit knapp unter Machzahl beschleunigt, in diesem Kontraktionsbereich werden die Partikel in das Treibgas eingeleitet, das Treibgas wird anschließend an den Kontraktionsbereich zusammen mit den Partikeln durch eine Partikelbeschleunigungsstrecke geführt, und am Düsenende werden Partikel und Treibgas mit einer Geschwindigkeit etwa gleich der Machzahl abgegeben und auf eine zu beschichtende Fläche gerichtet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf auf ein gasdynamisches Beschichtungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Einrichtung zum gasdynamischen Be schichten nach dem Oberbegriff des Anspruches 2.

Bei einer derartigen gasdynamischen Beschichtung wird das für die Beschichtung er forderliche Pulver durch Treibgas beschleunigt, das in Schalldüsen auf hohe Ge schwindigkeit gebracht wird.

Traditionelle Beschichtungsverfahren arbeiten nach dem Prinzip des Flamm- und Plas maspritzens. Bei diesen Verfahren werden geschmolzene Metallpartikel auf die zu be schichtende Oberfläche gespritzt. Die Oberfläche wird dabei einer erheblichen Wär mebelastung ausgesetzt. Wird Luft als Trägergas benutzt, kann das geschmolzene Pul ver oxidieren, was die Qualität der Beschichtung erheblich beeinflusst.

Neben diesen erprobten Beschichtungsmethoden wurden in den letzten Jahren neue gasdynamische Beschichtungsverfahren entwickelt. Bei diesen gasdynamischen Me thoden werden die Partikel des Beschichtungsmaterials in einer Überschalldüse so stark beschleunigt, dass sie aufgrund ihrer kinetischen Energie beim Aufprall schmel zen und dabei eine dünne Schicht bilden. Ein solches unter der Bezeichnung "Cold Gas Coating" bekanntes Verfahren ist Gegenstand der EP 0 484 533 A1. Hierbei wird insbesondere die Partikelbeschleunigung mit Überschallströmungen, die durch Expan sion in Überschalldüsen erzeugt werden, erreicht.

Die Vorteile dieses "Cold Gas Coating"-Verfahrens sind insbesondere darin zu sehen, dass der Betrieb im Vergleich zum Flamm- bzw. Plasmaspritz-Verfahren erheblich ein facher ist, dass die Partikel vor der Beschichtung nicht aufgeschmolzen werden müssen und damit eine geringere Oxidationsgefahr besteht, dass der Energiebedarf im Vergleich zum Flamm- oder Plasmaspritzen wesentlich geringer ist, und dass die thermi sche Belastung des Substrats gering ist.

Diesen Vorteilen stehen erhebliche Nachteile gegenüber, nämlich

- eine erhebliche Druckbelastung der zu beschichtenden Oberfläche.
- Die Erzeugung von Überaschallströmungen mit Machzahlen zwischen 2,5 und 4 erfordert schwierig herzustellende Lavaldüsen.
- Um bis zum Düsenende eine beschleunigende Überschallströmung in der Lavaldü se aufrecht zu erhalten, ist ein hoher Vorkammerdruck (Gleichdruckaustritt) not wendig.
- Bei dem Verfahren wird üblicherweise mit Vorkammerdrücken um 20 bar gearbei tet. Damit wird die Druckstufe von 12 bar für den üblichen Pneumatikbereich ver lassen, und Kompressor sowie Druckregeleinrichtungen, Ventile und dergl. müssen für die Druckstufe NP 25 und höher ausgelegt werden.
- Vor der zu beschichtenden Materialoberläche bilden sich im Überschallstrahl Ver dichtungsstöße (Beaufschlagungsstöße), wobei die Treibluft auf Unterschallge schwindigkeit abgebremst wird. Dies wirkt unmittelbar vor dem Aufprall verzögernd auf die Partikel.

Damit bei der gasdynamischen Beschichtung eine geschmolzene haftfähige Schicht erreicht wird, ist beim Aufprall je nach Partikelart eine minimale spezifische kinetische Energie e_min notwendig. Diese kinetische Energie e_min ist abhängig von der Partikel temperatur T, der spezifischen Wärme cp, der Schmelztemperatur T_s und der spezifi schen Schmelzwärme q_s des Partikelmaterials. Bei Materialien mit niedriger Schmelz temperatur, wie z. B. Zink oder Aluminum., verringert sich dementsprechend auch die notwendige kinetische Energie e_min und damit auch die notwendige Aufprallgeschwin digkeit.

Aufgabe der Erfindung ist, die dem bekannten "Cold Gas Coating"-Verfahren anhaften den, vorstehend geschilderten Nachteile zu beheben, ohne dass die bestehenden Vorteile entfallen, und die hierbei notwendige Partikelbeschleunigung in einer Schalldüse mit vorgeschalteter Beschleunigungsstrecke zu erreichen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 sowie durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 2 vorgeschlagen. Weitere Ausgestaltungen der Erfin dung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vor der Beschleunigungsstrecke der Schalldüse wird das erwärmte Treibgas durch eine Kontraktion auf eine Machzahl etwas kleiner als Ma = 1 beschleunigt. In der Kontrak tion erfolgt die Zuführung der Partikel, die im schnellen Treibgas der Partikelbeschleu nigungsstrecke beschleunigt und erwärmt wird.

Bei der viskosen Partikelbeschleunigung durch kompressible Unterschallströmung wird im Gegensatz zur Überschallströmung auch das Gas beschleunigt und nicht verzögert (Prinzip der Fanno-Strömung). Die Beschleunigungsstrecke der Düse kann somit einen konstanten Querschnitt oder eine extrem schwache, den Reibungsverlusten angepasste Kontraktion haben. Die Länge dieser Beschleunigungsstrecke ist so definiert, dass am Kanalende nur ein minimaler Schlupf zwischen den Partikeln und dem Treibgas vor handen ist; dabei beträgt die Kanallänge etwa das 50-100fache des Kanaldurchmes sers. Die Schalldüse mit Beschleunigungsstrecke kann sowohl achssymmetrisch als auch mit rechteckförmigem Querschnitt ausgeführt sein. Am Düsenende ist die Parti kelbeschleunigung abgeschlossen. Das mit Schallgeschwindigkeit austretende Gas- Partikel-Gemisch beaufschlagt dann die zu beschichtende Oberfläche, die üblicher weise 2 bis 3 Düsendurchmesser stromab liegt.

Die Beschleunigungsdüse und die Partikeleinleitung stehen mit einem druckfesten Heizerblock in Verbindung, der über eine Versorgungs- und Kontrolleinheit und eine Pulver-Dosiervorrichtung mit der Schalldüse verbunden sind. Die Versorgungs- und Kontrolleinheit weist eine Stromversorgung mit Temperaturregler sowie eine pneumati sche Druckregeleinheit für die Treibluft und die Pulverdosierluft auf.

Die erfindungsgemäße Beschichtungseinrichtung ist eine kleine, transportable Einrich tung, die alle wesentlichen Komponenten in integrierter Form enthält.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Aus führungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 das Beschleunigungsprinzip der erfindungsgemäßen Schalldüse mit einer Dar stellung des Geschwindigkeitsprofils,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Gesamtanlage,

Fig. 3 den Aufbau eines Heizerblocks mit Schalldüse,

Fig. 4 die pneumatische Pulver-Dosiervorrichtung (Partikel-Feeder) und

Fig. 5 einen Schnitt durch den Aufbereitungsraum der Dosiervorrichtung für das Pul ver-Luft-Gemisch.

Die Beschleunigungsstrecke 1 der Schalldüse 2 hat zur Erzielung der notwendigen Par tikelbeschleunigung und des vorgewärmen Treibgases 3 eine große Länge (etwa das 50 bis 100fache des Kanaldurchmessers). Hierzu weist die Düse eine Kontraktionsstelle 4 auf, durch die eine Beschleunigung auf eine Machzahl knapp unter Ma = 1 erfolgt. Vor bzw. an dieser Kontraktionsstelle ist eine Partikelzuführung 5 vorgesehen. Die Par tikel 5 werden zusammen mit dem schnellen Treibgas in der Partikelbeschleunigungs strecke 1 bis zum Düsenende beschleunigt und erwärmt. Die Schalldüse 2 ist mit kon stantem Querschnitt oder extrem schwacher Kontraktion ausgebildet, d. h., dass der Düsenkanal sich vom Eintritt zum Austritt des Partikel-Gas-Gemisches 7 geringfügig verjüngt, bevor das Gemisch auf die zu beschichtende Oberfläche 8 auftrifft.

Die Schalldüse 2 ist am Austrittsende einer Heizvorrichtung, z. B. eines druckfesten Heizerblockes 9 (Beschichtungskanone) angeordnet, der von einer Pulver-Dosiervor richtung (Partikel-Feeder) 10 gespeist wird, und der im einzelnen in Fig. 3 dargestellt ist. Die Pulver-Dosiervorrichtung 10 führt dem Luftstrom die definierte Menge von Be schichtungspulver zu. Diese Zuführung wird durch eine Versorgungs- und Kontrolleinheit 11 gesteuert, die eine Stromversorgung mit Temperaturregler umfasst und die eine pneumatische Druck-Regeleinheit für die Treib- und Feederluft aufweist. Zwischen der Kontrolleinheit 11 und dem Heizerblock 9 sind Verbindungsleitungen 12 vorgesehen, die Treibgas- und Feedergasleitungen, Stromkabel und Meßleitungen umfassen.

Der Heizerblock 9 (Fig. 3) weist zwei getrennte Durchführungen 13, 13' für das Treib gas und den Partikelstrom auf. Das Treibgas füllt zunächst den gesamten Heizerblock 9 aus und wird über ein Heizrohr 14 der Beschleunigungsdüse 2 zugeführt. Das Heiz rohr 14 stellt ein Widerstandselement für die Ohmsche Aufheizung dar und ist vor zugsweise als dickes Siliciumcarbidrohr ausgebildet. Die Stromzuführung erfolgt über eine isolierte elektrische Leitung 16 am Gaseintritt in den Heizerblock 9. Am düsensei tigen Ende ist das Heizrohr 14 direkt mit dem Druckgehäuse verbunden. Die Partikel führende Leitung 15 mündet am Düseneingang in das Heizrohr 14 und wird dort dem Treibgasstrom zugeführt. Der Heizerblock 9 ist mit einer thermischen Isolation 17 aus Keramikfilz umhüllt. Alle inneren Bauteile des Heizerblockes sind am Anbauflansch 18 befestigt, so dass eine Montage außerhalb des Druckgehäuses möglich ist.

Die Pulver Dosiervorrichtung hat die Aufgabe, dem Gasstrom bzw. Luftstrom eine de finierte Menge an Beschichtungspulver zuzuführen. Im Falle vorliegender Erfindung wird ein pneumatisches Dosierprinzip verwendet, wobei die Pulver-Dosiervorrichtung 10 in einem zylindrischen Druckbehälter 19 untergebracht ist, dessen obere Kammer als Vorratsraum 20 dient. Über einen konischen Trichter 22 mit zentrischer Lochplatte 23 werden die Pulverpartikel in die Aufbereitungskammer 21 eingeleitet. Vorratsraum 20 und Aufbereitungskammer 21 sind über ein Druckausgleichsrohr 24 miteinander verbunden. Der Aufbereitungsraum 21 wird mit einem Teilluftstrom, der in der pneu matischen Kontrolleinheit abgezweigt wird, gespeist. Durch den Drallsdüsenring 25 (Fig. 5) wird im Aufbereitungsraum 21 eine zirkulierende Strömung erzeugt. Das För dergas wird über eine tangentiale Bohrung 26 eingeleitet. Die dadurch erzeugte zirku lierende Strömung 27 sorgt für einen Unterdruck im Wirbelkern und damit für die An saugung des Pulvers aus dem Vorratsraum über die Lochplatte. Das Pulver-Gas- Gemisch bzw. Pulver-Luft-Gemisch wird über die Ausgangsöffnung 28 entnommen und über die Partikel führende Leitung in der Düsenkontraktion des Treibgases zuge führt (Fig. 3).

Um das Pulver im Vorratsbehälter in lockerem Zustand zu halten, ist die Dosiervorrich tung auf einem elektrodynamischen Vibrator 29 montiert, dessen Schwingungsampli tude durch die Versorgungsspannung auf die Pulvereigenschaften und die Pulvermenge abgestimmt werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Beschleunigungsstrecke

2

Schalldüse

3

Treibgas

4

Kontraktion

5

Partikelzufuhr

6

Düsenende

7

Gas-Partikelgemisch

8

zu beschichtende Fläche

9

druckfester Heizblock

10

Partikel-Feeder

11

Versorgungs- und Kontrolleinheit

12

Verbindungsleitungen

13

Gasdurchführungen

14

Heizelement aus Siliciumcarbid, SiC

15

partikelführende Leitung

16

isolierte elektrische Leitung

17

thermische Isolation aus Keramikfilz

18

Anbauflansch

19

Druckbehälter for Dosierer

20

Vorratsraum des Dosierers

21

Aufbereitungskammer

22

konischer Trichter

23

Lochplatte

24

Druckausgleichsrohr

25

Dralldüsen

26

tangentiale Bohrung

27

zirkulierende Strömung

28

Ausgangsöffnung

29

Vibrator

Claims

1. Verfahren zur gasdynamischen Beschichtung von Oberflächen, bei dem die Parti kel des Beschichtungsmaterials so stark beschleunigt werden, dass sie aufgrund ih rer kinetischen Energie beim Aufprall schmelzen und auf der Oberfläche eine dünne Scicht ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass

a) die Partikel in einer Schalldüse (2) mit langer Beschleunigungsstrecke (1) stark beschleunigt werden,
b) am Einlauf in die Schalldüse (2) das Treibgas in einem Bereich (4) einer Kontraktion unterzogen und auf eine Geschwindigkeit knapp unter Machzahl (Ma = 1) beschleunigt wird,
c) in diesem Kontraktionsbereich die Partikel (5) in das Treibgas (3) eingeleitet werden,
d) anschließend an den Kontraktionsbereich (4) das Treibgas (3) zusammen mit den Partikeln (5) durch eine Partikelbeschleunigungsstrecke (1) geführt wird,

und

a) am Düsenende (6) Partikel und Treibgas mit einer Geschwindigkeit etwa Ma = 1 abgegeben und auf eine zu beschichtende Fläche (8) gerichtet werden.

2. Einrichtung zur gasdynamischen Beschichtung von Oberflächen mit einer Schalldüse (2) als Beschleunigungsstrecke für Treibgas und Partikel des Beschich tungsmaterials, die am Eingang der Beschleunigungsstrecke zusammengeführt und am Ausgang der Beschleunigungsstrecke gegen die zu beschichtende Oberfläche (8) gerichtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsdüse (1), ein Heizelement (14) und die Partikeleinleitung (5) in eine bewegliche Einheit in tegriert sind und Beschleunigungsdüse (1) sowie Partikeleinleitung (5) an eine Luftaufheizvorrichtung (9) anschließend angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizvorrich tung (9) ein Heizrohr (14), z. B. aus Siliciumcarbid aufweist, dessen elektrischer Widerstand entsprechend der Stromversorgung serienmäßiger Schweißgeräte ab gestuft ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulver- Dosiervorrichtung (10) mit zugeordneter Versorgungs- und Kontrolleinheit (11) zum Einführen einer dosierten Menge an Beschichtungspulver in den Luftstrom als pneumatisch arbeitender Dosierer ausgebildet ist, der in einem zylindrischen Druckbehälter (19) mit einem Vorratsraum (20) angeordnet ist, und dass das Pulver über einen Trichter (21) mit zentrischer Lochplatte (23) in die Aufbereitungskam mer (21) eingeleitet wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungs kammer (21) mit einem Teilluftstrom, der aus der pneumatischen Versorgungs- und Kontrolleinheit (11) abgezweigt wird, gespeist wird und einen Dralldüsenring (25) aufweist, der eine zirkulierende Strömung erzeugt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einleitung des Fördergases in den zylindrischen Aufbereitungsraum (21) mindestens eine tangen tiale Bohrung (26) vorgesehen ist, die die zirkulierende Strömung (27) und damit einen Unterdruck erzeugt und das Pulver aus dem Vorratsraum über die Lochplat te ansaugt und dass das Pulver-Luftgemisch über eine Ausgangsöffnung (28) und über die Partikel führende Leitung in der Düsenkontraktion dem Treibgas (3) zuge führt wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosier vorrichtung ein elektrodynamischer Vibrator (29) zugeordnet ist, dessen Schwin gungsamplitude auf die Eigenschaften und die Menge des Pulvers abgestimmt ist.