DE10119288B4 - Verfahren und Einrichtung zur gasdynamischen Beschichtung von Oberflächen mittels Schalldüsen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur gasdynamischen Beschichtung von Oberflächen, bei dem die Partikel des Beschichtungsmaterials in einer Schalldüse so beschleunigt werden, dass sie aufgrund ihrer kinetischen Energie beim Aufprall schmelzen und auf der Oberfläche eine dünne Schicht ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass
a) zunächst das Treibgas (3) am Einlauf in die Schalldüse (2) in einem Kontraktionsbereich (4) auf eine Geschwindigkeit mit einer Machzahl etwas kleiner als Ma = 1 beschleunigt wird,
b) die Partikel (5) des Beschichtungsmaterials im Kontraktionsbereich (4) in das Treibgas (3) eingeleitet werden,
c) anschließend die Partikel (5) und das Treibgas (3) nach Durchlaufen des Kontraktionsbereiches (4) durch eine Beschleunigungsstrecke (1) der Schalldüse (2) geführt und dort beschleunigt werden, und
d) am Düsenende (6) Partikel (5) und Treibgas (3) mit einer Geschwindigkeit von etwa Ma = 1 abgegeben und auf die zu beschichtende Oberfläche (8) gerichtet werden.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf auf ein gasdynamisches Beschichtungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Einrichtung zum gasdynamischen Beschichten nach dem Oberbegriff des Anspruches 2.
• Bei einer derartigen gasdynamischen Beschichtung wird das für die Beschichtung erforderliche Pulver durch Treibgas beschleunigt, das in Schalldüsen auf hohe Geschwindigkeit gebracht wird.
• Traditionelle Beschichtungsverfahren arbeiten nach dem Prinzip des Flamm- und Plasmaspritzens. Bei diesen Verfahren werden geschmolzene Metallpartikel auf die zu beschichtende Oberfläche gespritzt. Die Oberfläche wird dabei einer erheblichen Wärmebelastung ausgesetzt. Wird Luft als Trägergas benutzt, kann das geschmolzene Pulver oxidieren, was die Qualität der Beschichtung erheblich beeinflusst.
• Neben diesen erprobten Beschichtungsmethoden wurden in den letzten Jahren neue gasdynamische Beschichtungsverfahren entwickelt. Bei diesen gasdynamischen Methoden werden die Partikel des Beschichtungsmaterials in einer Überschalldüse so stark beschleunigt, dass sie aufgrund ihrer kinetischen Energie beim Aufprall schmelzen und dabei eine dünne Schicht bilden. Ein solches unter der Bezeichnung „Cold Gas Coating" bekanntes Verfahren ist Gegenstand der EP 0 484 533 A1 . Bei diesem Verfahren erfolgt die Beschleunigung der Partikel in Überschalldüsen, wobei die Machzahl am Düsenaustritt zwischen 1,5 und 2,6 beträgt. Mit einer derartigen Überschallströmung wird eine Geschwindigkeit des Pulvergemisches zwischen 300 und 1200 m/s erreicht. Die Partikel werden dem Gas im Zulaufabschnitt zur Überschalldüse zugeführt. Beispielsweise wird hierbei als Treibergas Luft verwendet. Mit Luft als Treibergas und einer Gastemperatur von 400° C am Düseneintritt können jedoch keine Partikelgeschwindigkeiten bis 1200 m/s erreicht werden.
• Bei der Einrichtung nach WO 98/22 639 A1 wird ebenfalls die Strömung einer Überschalldüse zur Partikelbeschleunigung eingesetzt. Die Partikel werden hierbei erst am Überschallteil in die Düse eingeleitet, und die Partikelbeschleunigung erfolgt ausschließlich im Überschallteil der Düse.
• Auch bei dem Verfahren bzw. der Einrichtung nach WO 01/00331 A2 wird eine Überschalldüse zur Partikelbeschleunigung verwendet. Die Partikel werden im kurzen Unterschallteil der Düse dem Gasstrom zugeführt. Die Machzahl der Strömung am Düsenaustritt beträgt bei dem angegebenen Versuchsmuster Ma = 2,65, so dass das Gemisch aus Gas und Partikeln bis auf Überschall beschleunigt wird.
• Die Vorteile derartiger „Cold Gas Coating"-Verfahren sind insbesondere darin zu sehen, dass der Betrieb im Vergleich zum Flamm- bzw. Plasmaspritz-Verfahren erheblich einfacher 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 thermische Belastung des Substrats gering ist.
• Diesen Vorteilen stehen erhebliche Nachteile gegenüber, nämlich:
• • Es tritt eine erhebliche Druckbelastung der zu beschichtenden Oberfläche auf,
• • Die Erzeugung von Überschallströmungen mit Machzahlen zwischen 2,5 und 4 erfordert schwierig herzustellende Lavaldüsen.
• • Um bis zum Düsenende eine beschleunigende Überschallströmung in der Überschalldüse aufrecht zu erhalten, ist ein hoher Vorkammerdruck (Gleichdruckaustritt) notwendig.
• • Bei dem Verfahren wird üblicherweise mit Vorkammerdrücken um 20 bar gearbeitet. Damit wird die Druckstufe von 12 bar für den üblichen Pneumatikbereich verlassen, 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 Verdichtungsstöße (Beaufschlagungsstöße), wobei die Treibluft auf Unterschallgeschwindigkeit 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 Partikeltemperatur T, der spezifischen Wärme cp, der Schmelztemperatur T_s und der spezifischen Schmelzwärme q_s des Partikelmaterials. Bei Materialien mit niedriger Schmelztemperatur, wie z.B. Zink oder Aluminum, verringert sich dementsprechend auch die notwendige kinetische Energie e_min und damit auch die notwendige Aufprallgeschwindigkeit.
• Den Vorschlägen nach den vorstehend genannten Druckschriften ist gemeinsam, dass eine Überschalldüse eingesetzt wird, die aus einem kurzen konvergenten Ultraschallteil und einem langen, divergenten Überschallteil besteht. Die Partikel haben hierbei einen erheblichen Schlupf gegenüber der Gasgeschwindigkeit. Mit den gasdynamischen Formeln lässt sich die Geschwindigkeit des Treibgases am Austritt der Überschalldüse berechnen. Für eine Austritts-Machzahl von Ma = 2,6 wurde in Abhängigkeit von der Ruhetemperatur, die der Gastemperatur vor dem Eintritt in die Überschalldüse entspricht, berechnet. Die angegebenen Partikelgeschwindigkeiten von 300 – 1200 m/s liegen dabei erheblich unter den entsprechenden Gasgeschwindigkeiten.
• Des weiteren ist aus der DE 39 20 828 C1 eine Vorrichtung zur Abgabe und Dosierung von pulverförmigen Stoffen bekannt, deren Aufgabe darin besteht, pulverförmiges Gut aus einem offenen größeren Behälter auch in kleinere Behältnisse unter Einhaltung möglichst genauer Mengen abzugeben, ohne dass eine Staubentwicklung auftritt. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der oben offene Vorratsbehälter in ein trichterförmiges Dosiergefäß mit verschließbarem Dosieraustritt am Trichterende einschiebbar und durch eine Spanneinrichtung gegen ein Dichtelement am Trichterrand des Dosiergefäßes anpressbar ist.
• Aufgabe der Erfindung ist, die dem bekannten „Cold Gas Coating"-Verfahren anhaftenden, 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 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung 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 Kontraktion erfolgt die Zuführung der Partikel, die im schnellen Treibgas der Partikelbeschleunigungsstrecke beschleunigt und erwärmt werden.
• 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 vorhanden ist; dabei beträgt die Kanallänge etwa das 50 – 100 fache des Kanaldurchmessers. Die Schalldüse mit Beschleunigungsstrecke kann sowohl achssymmetrisch als auch mit rechteckförmigem Querschnitt ausgeführt sein. Am Düsenende ist die Partikelbeschleunigung abgeschlossen. Das mit Schallgeschwindigkeit austretende Gas-Partikel-Gemisch beaufschlagt dann die zu beschichtende Oberfläche, die üblicherweise 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 ist. Die Versorgungs- und Kontrolleinheit weist eine Stromversorgung mit Temperaturregler sowie eine pneumatische Druckregeleinheit für die Treibluft und die Pulverdosierluft auf.
• Die erfindungsgemäße Beschichtungseinrichtung ist eine kleine, transportable Einrichtung, die alle wesentlichen Komponenten in integrierter Form enthält.
• Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
• 1 das Beschleunigungsprinzip der erfindungsgemäßen Schalldüse mit einer Darstellung des Geschwindigkeitsprofils,
• 2 eine schematische Darstellung einer Gesamtanlage,
• 3 den Aufbau eines Heizerblocks mit Schalldüse,
• 4 die pneumatische Pulver-Dosiervorrichtung (Partikel – Feeder), und
• 5 einen Schnitt durch den Aufbereitungsraum der Dosiervorrichtung für das Pulver-Luft-Gemisch.
• Die Beschleunigungsstrecke 1 der Schalldüse 2 hat zur Erzielung der notwendigen Partikelbeschleunigung 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 Partikel 5 werden zusammen mit dem schnellen Treibgas in der Partikelbeschleunigungsstrecke 1 bis zum Düsenende beschleunigt und erwärmt. Die Schalldüse 2 ist mit konstantem 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-Dosiervorrichtung (Partikel-Feeder) 10 gespeist wird, und der im einzelnen in 3 dargestellt ist. Die Pulver-Dosiervorrichtung 10 führt dem Luftstrom die definierte Menge von Beschichtungspulver 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 (3) weist zwei getrennte Durchführungen 13, 13' für das Treibgas und den Partikelstrom auf. Das Treibgas füllt zunächst den gesamten Heizerblock 9 aus und wird über ein Heizrohr 14 der Beschleunigungsdüse 2 zugeführt. Das Heizrohr 14 stellt ein Widerstandselement für die Ohmsche Aufheizung dar und ist vorzugsweise als dickes Siliciumcarbidrohr ausgebildet. Die Stromzuführung erfolgt über eine isolierte elektrische Leitung 16 am Gaseintritt in den Heizerblock 9. Am düsenseitigen 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 definierte 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 pneumatischen Kontrolleinheit abgezweigt wird, gespeist. Durch den Dralldüsenring 25 (5) wird im Aufbereitungsraum 21 eine zirkulierende Strömung erzeugt. Das Fördergas wird über eine tangentiale Bohrung 26 eingeleitet. Die dadurch erzeugte zirkulierende Strömung 27 sorgt für einen Unterdruck im Wirbelkern und damit für die Ansaugung 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 zugeführt (3).
• Um das Pulver im Vorratsbehälter in lockerem Zustand zu halten, ist die Dosiervorrichtung auf einem elektrodynamischen Vibrator 29 montiert, dessen Schwingungsamplitude durch die Versorgungsspannung auf die Pulvereigenschaften und die Pulvermenge abgestimmt werden kann.

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 für 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 (7)

1. Verfahren zur gasdynamischen Beschichtung von Oberflächen, bei dem die Partikel des Beschichtungsmaterials in einer Schalldüse so beschleunigt werden, dass sie aufgrund ihrer kinetischen Energie beim Aufprall schmelzen und auf der Oberfläche eine dünne Schicht ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass a) zunächst das Treibgas (3) am Einlauf in die Schalldüse (2) in einem Kontraktionsbereich (4) auf eine Geschwindigkeit mit einer Machzahl etwas kleiner als Ma = 1 beschleunigt wird, b) die Partikel (5) des Beschichtungsmaterials im Kontraktionsbereich (4) in das Treibgas (3) eingeleitet werden, c) anschließend die Partikel (5) und das Treibgas (3) nach Durchlaufen des Kontraktionsbereiches (4) durch eine Beschleunigungsstrecke (1) der Schalldüse (2) geführt und dort beschleunigt werden, und d) am Düsenende (6) Partikel (5) und Treibgas (3) mit einer Geschwindigkeit von etwa Ma = 1 abgegeben und auf die zu beschichtende Oberfläche (8) gerichtet werden.
2. Einrichtung zur gasdynamischen Beschichtung von Oberflächen mit einer Schalldüse (2) als Beschleunigungsstrecke (1) für Treibgas (3) und Partikel (5) des Beschichtungsmaterials, die am Eingang der Beschleunigungsstrecke (1) zusammengeführt und am Ausgang der Beschleunigungsstrecke (1) gegen die zu beschichtende Oberfläche (8) gerichtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungsstrecke (1) der Schalldüse (2) einen konstanten Querschnitt oder eine extrem schwache, den Reibungsverlusten angepasste Kontraktion hat, und dass die Schalldüse (2), ein Heizelement (14) und die Partikeleinleitung (5) in eine bewegliche Einheit integriert sind und Schalldüse (2) sowie Partikeleinleitung (5) an eine Luftaufheizvorrichtung (9) anschließend angeordnet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizvorrichtung (9) ein Heizrohr (14) aus Siliciumcarbid aufweist, das ein Widerstandselement für die Ohm'sche Aufheizung darstellt.
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 (22) mit zentrischer Lochplatte (23) in die Aufbereitungskammer (21) eingeleitet wird.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungskammer (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 tangentiale Bohrung (26) vorgesehen ist, die die zirkulierende Strömung (27) und damit einen Unterdruck erzeugt und das Pulver aus dem Vorratsraum über die Lochplatte ansaugt und dass das Pulver-Luftgemisch über eine Ausgangsöffnung (28) und über die Partikel führende Leitung in der Düsenkontraktion dem Treibgas (3) zugeführt wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosiervorrichtung ein elektrodynamischer Vibrator (29) zugeordnet ist, dessen Schwingungsamplitude auf die Eigenschaften und die Menge des Pulvers abgestimmt ist.