DE10128565A1

DE10128565A1 - Thermisches Plasmaspritzen mit auf einen Draht übertragenem Lichtbogen mit hoher Abscheidungsgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE10128565A1
Application number: DE10128565A
Authority: DE
Inventors: Daniel Richard Marantz; Keith Alan Kowalsky; David James Cook; Larry Gerald Gargol
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2021-06-14
Also published as: GB2367521B; DE10128565B4; US6372298B1; GB2367521A; GB0117720D0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Abscheiden von Metall mit erhöhten Geschwindigkeiten auf einer Zieloberfläche 51, mit: Herstellen und Aufrechterhalten eines Hochgeschwindigkeitsplasma-übertragenen Lichtbogens zwischen einer Kathode und dem freien Ende einer verzehrbaren Drahtelektrode, wobei die Energie des Plasmas und des Lichtbogens ausreicht, nicht nur das freie Ende des Drahtes 23 zu Metallpartikeln 50 zu schmelzen und zerstäuben, sondern auch dazu, die Partikel 50 in Säulenform auf die Zieloberfläche 51 mit erhöhter Abscheidungsgeschwindigkeit kontinuierlich länger als 50 Stunden zu richten; das Plasma und den Lichtbogen mit Gasströmen hoher Geschwindigkeit und Fluß zu umgeben, die jenseits der Schnittstelle des freien Drahtendes mit dem Plasmabogen konvergieren, um Turbulenzen des Plasmabogens zu beschränken, und direktes Auftreffen auf den Draht 23 zu vermeiden, um das Projizieren der Partikel auf die Zieloberfläche zu unterstützen und Auftreffenlassen eines langsamen Gasflusses entlang der Achse 55 des sich bewegenden Drahtes 23, um destabilisierenden fluddynamischen Kräften entgegenzuwirken, die versuchen, geschmolzene Partikel 50 entlang des Drahtes 23 zurück - vom freien Drahtende fort - zu bewegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Abscheiden von Metall mit erhöhten Geschwindigkeiten auf Zieloberflächen nach dem Oberbegriff des Patent anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zum Beschichten von Zieloberflächen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 13. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Plasma-Transfer-Arc-Auftragsschweißen von Metall und auf einen Plasmalicht bogen, der auf eine einzelne Drahtspitze übertragen wird, die kontinuierlich in den Plasma-Lichtbogen eingeführt wird.

Wie in früheren US-Patenten der Erfinder bereits angegeben, ist PTA-Spritzen ein thermisches Spritzverfahren, bei dem ein kontinuierlich gefördertes Vorratsmaterial (üblicherweise in Form eines Metalldrahtes oder -stange) unter Verwendung eines begrenzten Plasma-Lichtbogens, der nur die Spitze des Drahtes oder Stange (als anodische Elektrode angeschlossen) schmilzt, verflüssigt und die geschmolzenen Partikel sodann auf ein Ziel projiziert. Das Plasma ist ein Hochgeschwindig keitsstrom ionisierten Gases, der in erwünschter Weise begrenzt und um eine li neare Achse fokussiert ist, in dem er durch eine Düsenöffnung stromabwärts einer Kathode geleitet wird; wobei der Hochspannungslichtbogen, der zwischen der Ka thode und der Anoden-Düse übertragen wird, auf die Drahtspitze übertragen wird, die auch als Anode geschaltet ist. Der Lichtbogen schafft die notwendige thermi sche Energie, um kontinuierlich die Drahtspitze zu schmelzen, und das Plasma die Dynamik, um die geschmolzene Drahtspitze in hochverteilte Partikeln zu versprühen und die geschmolzenen Partikel allgemein entlang der Achse des Plasmas in Form eines Stroms zu beschleunigen. Die Beschleunigung der Partikel wird durch Ver wendung eines hochkomprimierten Sekundärgases unterstützt, das als konvergie rende Gasströme um die Plasma-Lichtbogenachse geleitet wird, wobei die Ströme an einem Ort kurz stromabwärts von dort, wo die Drahtspitze den Plasma-Lichtbo gen schneidet, konvergieren, aber direktes Auftreffen auf die Drahtspitze vermei den, um zu starkes Abkühlen des Plasma-Lichtbogens zu verhindern.

Bestehende Brenner und entsprechende Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, die zur Herstellung des zum Draht übertragenen Lichtbogens verwendet wurden, sind empfindlich und gegenüber Instabilitäten in den Verfahrensparame tern, die zum Verspritzen von geschmolzenem Metall anstelle des Sprühens feiner Partikel führen, anfällig. Verfahrensinstabilitäten treten auf, falls sich: Sekundärluft fluß oder -druck, Plasmagasdruck, Drahtzufuhrgeschwindigkeit, Drahtspannung und Brennerbewegungsgeschwindigkeit außerhalb des gesteuerten oder vorgeschrie benen Bereichs befinden. Das Auftreten derartiger Instabilitäten ist nicht vollständig vorhersehbar und kann früher oder später im Betriebsleben des Brenners auftreten.

Verspritzen tritt aufgrund von Ansammlungen geschmolzener Partikel auf, die dazu neigen, zu verklumpen und Kügelchen oder Tröpfchen zu bilden, die sich unter dem Einfluß der Fluiddynamik des Plasmastroms und Sekundärgase entlang des Drah tes zurückbewegen. Derartige Kügelchen oder Tröpfchen können die Drahtspitze verunreinigen und/oder die Kügelchen zur Beschleunigung freisetzen, wodurch eine ungleichmäßige Beschichtung hergestellt wird.

Verfahrensinstabilitäten, dis es Partikeln ermöglichen, sich zu verklumpen, können ihren Ursprung in einer Änderung der Elektrodenform über deren Einsatzzeit auf grund von Abnutzung, Aufbau von Verunreinigung oder aufgrund von Unregelmä ßigkeiten, wie der Geschwindigkeit der Drahtzuführung durch den automatischen Zufuhrmechanismus oder Änderungen in der Stromstärke, die durch den Draht ver läuft, haben. Derartige Verfahrensinstabilitäten entsprechen wachsenden Zeiträu men kontinuierlichen Einsatzes und höherer Abscheidungsgeschwindigkeit.

Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, das PTA-Verfahren mit auf Draht übertra genem Lichtbogen so zu verbessern, daß es robuster arbeitet, um Beschichtungen hoher Qualität und/oder höhere Abscheidungsgeschwindigkeiten ohne Qualitätsre duktion durchzuführen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruches 13. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum thermischen Ab scheiden von Metall mit erhöhter Geschwindigkeit auf eine Zieloberfläche geschaf fen, welches das Herstellen eines durch ein Hochgeschwindigkeitsplasma auf den Draht übertragenen Lichtbogens zwischen einer Kathode und dem freien Ende einer verzehrbaren Drahtelektrode, wobei die Energie des Plasmas und des Lichtbogens ausreicht, nicht nur das freie Ende des Drahtes zu feinen Metallpartikeln zu schmel zen und zu zerstäuben, sondern auch, die Partikel in Form einer Säule mit erhöhter Abscheidungsgeschwindigkeit auf eine derartige Oberfläche zu schleudern; Umge ben des Plasmas und des Lichtbogens mit Hochgeschwindigkeitsgasströmen mit hohem Fluß, die jenseits des Schnittpunktes des freien Drahtendes mit dem Plasma-Lichtbogen konvergieren, aber direktes Auftreffen auf das freie Drahtende vermeiden; und Auftreffen lassen eines langsamen Gasflusses auf den fortschrei tenden Draht, um destabilisierenden fluiddynamischen Kräften, die versuchen, ge schmolzene Metallpartikel entlang des Drahtes vom freien Drahtende wegzubewe gen, entgegenzuwirken, aufweist.

Die Erfindung beschäftigt sich auch mit einer verbesserten Vorrichtung zum Be schichtung einer Zieloberfläche mit einer dichten Metallbeschichtung unter Verwen dung eines PTA-Verfahrens mit auf einen Draht übertragenem Lichtbogen, wobei die Vorrichtung eine Kathode, eine allgemein ein freies Ende der Kathode mit Ab stand umgebende Düse, die eine verkleinerte Öffnung gegenüber der Kathode zur Herstellung eines Plasma aufweist, einen Drahtzufuhrmechanismus, der ein freies Ende des Drahts in das Plasma führt, eine elektrische Energiequelle, um einen Lichtbogen zwischen der Kathode und der Düse auf das freie Ende des Drahtes zu übertragen, aufweist, wobei die Vorrichtung ferner mehrere Öffnungen für Hochge schwindigkeitsgase mit hohem Fluß in der Düse aufweist, die ringförmig um die Öff nung angeordnet sind, um Sekundär Gasströme, die den Plasma-Lichtbogen umge ben und zur der Plasma-Lichtbogenachse an einem Ort jenseits des freien Drahten des konvergieren, aber nicht direkt auf das freie Drahtende auftreffen, zu leiten; und Mittel, um mindestens einen langsamen Gasfluß zu schaffen, der direkt in der Nähe des freien Drahtendes auftrifft, um dynamischen Kraftvektoren entgegenzuwirken, die geschmolzene Partikel entlang des Drahtes zurückdrücken könnten.

Nachfolgend wird die Erfindung näher anhand der begleitenden Zeichnungen er läutert, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die diese keinesfalls beschränkt ist, illustrieren. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten PTA-Brenneranordnung, die einen übertragenen Plasma-Lichtbogen mit Wirbelstromfluß herstellt;

Fig. 2 ein vergrößerte Darstellung der Düse und des freien Endes der bekannten Vorrichtung der Fig. 1, die Vektorkräfte illustriert, die aufgrund von Instabilitäten im Verfahren auftreten;

Fig. 3 eine Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung ähnlich der Fig. 2, die die Instabilitäten des in Fig. 2 gezeigten Standes der Technik vermeidet;

Fig. 4 eine Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ähnlich der Fig. 2, die ebenfalls die Instabilitäten des Standes der Technik in Fig. 2 vermeidet; und

Fig. 5 eine Seitenansicht des Brenners und der ringförmigen Anordnung der sekun dären Öffnungen für Hochgeschwindigkeits-Gasströme und hohen Fluß sowie den einzelnen langsamen Gasfluß.

Die Anordnung mit PTA-Brenner 10 besteht aus einem Brennerkörper 11 mit einem Plasmagasausgang 12 und einem Sekundärgasausgang 18: Der Brennerkörper 11 ist aus elektrisch leitfähigem Material. Das Plasmagas wird durch die Öffnung 12 mit einem Kathodenhalter 13 verbunden, durch den das Plasmagas in das Innere der Kathodenanordnung 14 fließt und durch tangentiale Öffnungen 15 im Kathoden halter 13 austritt. Das Plasmagas bildet einen Wirbelstromfluß zwischen dem Äuße ren der Kathodenonordnung 14 und der Innenoberfläche der Pilotdüse 16 und tritt sodann durch die verkleinerte Öffnung 17. Der Wirbelstromgasplasmafluß schafft eine beträchtliche Wärmeableitung, die durch die Kathodenfunktion dissipiert wird.

Sekundärgas betritt die Brenneranordnung durch die Gasöffnung 18, die das Se kundärgas auf einen Gasverteiler 19 feitet (einen zwischen der Ablenkplatte 20 und dem Brennerkörper 11 gebildeten Hohlraum, sowie dann durch die Bohrungen 20a in einen weiteren Verteiler 21 mit Bohrungen 22). Der Sekundärgasfluß wird gleich mäßig durch die im gleichem Winkel mit räumlichem Abstand angeordneten Boh rungen 22, die konzentrisch das Äußere der sich verjüngenden Öffnung 17 umge ben. Der Fluß des Sekundärgases durch die mit gleichem Winkel mit Abstand von einander angeordneten Bohrungen 22 (innerhalb der Pilotdüse 16) kühlt die Pilot düse und stört den Plasma-Lichtbogen minimal, wodurch die Turbulenz begrenzt wird.

Ein Draht 23 wird (durch Ziehen des Drahtes und Schieben der Zufuhrrollen 42, angetrieben durch einen geschwindigkeitsgesteuerten Motor 43) gleichmäßig und konstant durch die Drahtkontaktspitze 24 zugeführt, deren Zweck darin besteht, einen sicheren elektrischen Kontakt mit dem Draht 23 herzustellen, während er durch die Drahtkontaktspitze 24 gleitet; in dieser Ausführungsform besteht es aus zwei Teilen 24a und 24b, die in federbelasteten oder Druck-Kontakt mit der Draht zufuhr 23 über Gummiringe oder andere geeignete Mittel gehalten wird. Die Draht kontaktspitze 24 besteht aus Material hoher elektrischer Leitfähigkeit. Der aus der Drahtkontaktspitze 24 austretende Draht läuft in eine Drahtleitspitze 25, die den Draht 23 in präziser Ausrichtung mit der achsialen Mittellinie 41 der sich verkleiner ten Öffnung 17 führt. Die Drahtleitspitze 25 wird in einem Drahtspitzenleitblock 27 in einem Isolationsblock 28 abgestützt, der eine elektrische Isolation zwischen dem Brennerkörper 11, der auf negativem elektrischen Potential gehalten ist, schafft, während der Drahtspitzenleitblock 27 und die Drahtkontaktspitze 24 auf positivem Potential gehalten sind. Durch eine kleine Öffnung 29 im Isolationsblock 28 kann eine geringe Menge Sekundärgas durch den Drahtspitzenleitblock 27 verteilt wer den, um Wärme vom Block 27 abzuleiten. Der Drahtspitzenleitblock 27 wird in Druckkontakt mit der Pilotdüse 16 gehalten, um eine elektrische Verbindung zwi schen der Pilotdüse 16 und dem Drahtspitzenleitblock 27 zu schaffen. Brennerkör per 11 und damit die Kathodenanordnung 14 (mit der Kathode 59) werden über den Kathodenhalter 13 mit dem negativen Ausgang der Energieversorgung 40 verbun den; die sowohl eine Pilotdüsenenergieversorgung, als auch eine Hauptenergiever sorgung enthalten kann, die über isolierte Kontakte (nicht gezeigt) betrieben wer den. Eine Verbindung wird mit der Drahtkontaktspitze 24 und dem Block 28 des Plasmabrenners vom positiven Ausgang der Energieversorgung 40 geschaffen.

Draht 23 wird über die Mittellinie 41 der Öffnung 17 zugeführt, die auch die Achse des sich erstreckenden Lichtbogens 26 ist; gleichzeitig wird die Kathodenanordnung 14 elektrisch negativ geladen und der Draht 23 und die Düse 16 elektrisch positiv geladen. Der Brenner kann bevorzugt auf einen angetriebenen Drehträger (nicht ge zeigt) montiert sein, der die Düse um die Drahtachse 44 dreht, um das Innere von Bohrungen zu beschichten. Zusätzliche Merkmale kommerzieller Brenneran ordnungen sind im US-Patent 5, 938, 944 beschrieben, auf dessen Offenbarung hiermit zur Vermeidung von Wiederholungen vollumfänglich Bezug genommen wird.

Um den Betrieb des Brenners zu beginnen, wird Plasmagas dazu veranlaßt, durch die Plasmaöffnung 12 zu fließen, wodurch ein Wirbel um die Düse entsteht; nach einem Anfangszeitraum von etwa 2 Sekunden wird Gleichstromhochspannung oder Hochfrequenzstrom mit den Elektroden verbunden, wodurch sofort ein Pilotplasma aktiviert wird. Dem Pilotplasma wird dann zusätzliche Energie zugeführt, um den Plasma-Lichtbogen zu erstrecken, dadurch wird ein elektrischer Weg 45 für den Plasma-Lichtbogen, der von der Düse zur Drahtspitze oder dem freien Ende 57 übertragen wird, geschaffen. Draht wird mittels Drahtzufuhrrollen 42 in den sich er streckenden übertragenen Plasma-Lichtbogen eingeführt, der sogar dann aufrecht erhalten wird, wenn das freie Ende des Drahtes durch die intensive Wärme des übertragenen Lichtbogens 46, dessen zugehöriges, ihn umgebendes Plasma 47, geschmolzen wird. Geschmolzene Metallpartikel 48 werden auf dem spitzen Ende des Drahtes 23 gebildet und durch die Scherkräfte zu feinen Partikeln 50 zerstäubt, die zwischen dem Hochgeschwindigkeitsplasmagasstrom mit Überschallgeschwin digkeit und den ursprünglich stationären geschmolzenen Tröpfchen auftreten. Die geschmolzenen Metallpartikel 48 werden weiter zerstäubt und durch den viel größe ren Massenstrom Sekundärgases durch die Bohrungen 22 beschleunigt, der an einem Ort oder Zone 49 jenseits des Plasmagasstroms 47 konvergiert, und nun die fein verteilten Partikel 50 enthält, die auf die Substratoberfläche 51 zur Herstellung einer Beschichtung 52 projiziert werden.

Im stabilsten Zustand des thermischen Spritzverfahrens wird der Draht 23 ge schmolzen, Partikel 48 gebildet, sofort entlang der Mittellinie 41 durch die Vektor flußkräfte 53 getragen und in der gleichen Richtung wie der Ultraschallplasmagass trom 47 beschleunigt; es wird eine gleichmäßige Abscheidung 52 feiner Partikel ohne fehlerhafte Kügelchen erhalten. Die Kraftvektoren 53 sind achsiale Kraftkom ponenten der Plasma-Lichtbogenenergie und der Sekundärgasströme hohen Flus ses, die konvergieren. Unter einigen Bedingungen treten allerdings Instabilitäten auf, wenn Partikel 48 aus der geschmolzenen Drahtspitze entlang der Achse 55 des Drahtes vom freien Drahtende 47, quer zur Mittellinie 41 und Achse des Plasma- Lichtbogens hinaufgetragen werden. Die Partikel agglomerieren als Tröpfchen oder Kügelchen 56 und sammeln sich entweder auf der Drahtspitze 25 und/oder werden losgeschlagen, um als große Agglomeratmassen in Richtung Substrat 51 getrieben zu werden. Quervektorflußkräfte 54 (die aufgrund der Fluiddynamik des Sekundär gasstroms oder Plasma-Lichtbogens auftreten können) wirken so, daß sie die Tröpfchen oder Kügelchen 49 entlang der Drahtoberfläche, parallel zur Drahtachse 55, wie in Fig. 2 dargestellt, tragen.

Wie bereits früher angegeben, wird Sekundärgas mit hoher Geschwindigkeit und hohem Fluß von gleichmäßig winkelmäßig mit Abstand angeordneten Bohrungen 22 freigesetzt, welches eine Umhüllung mit Gasströmen um den Plasma-Lichtbogen projiziert. Die Zufuhr 58 des Sekundärgases, Luft, in den Verteiler 19 erfolgt mit hoher Geschwindigkeit und hohem Fluß bei einem Druck von etwa 206,84-620,53 kN/m² (30-90 psi) aus jeder Öffnung 22. Der Verteiler 19 dient als Plenum, um das Sekundärgas zu der Serie winkelmäßig mit Abstand angeordneter Öffnungen 22 zu verteilen, die das Gas als konzentrische konvergierende Ströme, die die Beschleu nigung der Partikel 50 unterstützen, leiten. Jede Öffnung besitzt einen Innendurch messer von etwa 0,1854 cm (0,073 Inch) und emittiert einen Hochgeschwindig keitsluftfluß mit einer Flußgeschwindigkeit von etwa 1,1327 m³/min (40 cfm) für alle Öffnungen gemeinsam. Die Bohrungen 22, typischerweise 10, sind konzentrisch um die verkleinerte Öffnung 17 radial mit Abstand um etwa 36° von einander angeord net. Um Überkühlung des Plasma-Lichtbogens zu vermeiden, sind diese Strömen radial so angeordnet, daß sie nicht direkt auf das freie Drahtende 57 auftreffen (siehe Fig. 4). Die Bohrungen sind mit winkelmäßigem Abstand so angeordnet, daß das freie Drahtende 57 mittig zwischen benachbarten Bohrungen - entlang der Mit tellinie 41 gesehen - zentriert ist. So erscheinen in Fig. 2 die Bohrungen 22 nicht, da die Schnittebene durch den Draht verläuft. Fig. 1 zeigt die Bohrungen 22 nur zu Illustrationszwecken - selbstverständlich sind sie aus ihrer Position gezeigt und be finden sich für diese Ansicht nicht in der Schnittebene. Der konvergierende Winkel der Gasströme ist typischerweise etwa 30° relativ zur Mittellinie 41, wodurch die Gasströme die Partikel stromabwärts der Draht/Plasma-Schnittzone 49 ergreifen können. Die winkelmäßige Anordnung ist relativ quer (nämlich 60°) zur Achse 55 des Drahtes; zufällige Streukontakte der Gasströme mit dem Draht reichen nicht aus, um den Vektrorkräften entgegenzuwirken, die Tröpfchen 56 den Draht zurück bewegen wollen.

Um Verfahrensinstabilitäten bei den meisten Verfahrensparametern zu vermeiden, insbesondere bei erhöhten Drahtzufuhrgeschwindigkeiten, trifft ein langsamer Gas fluß in der Nähe des freien Drahtendes 57 auf und wird entlang der Achse 55 des Drahtes geführt, um jeglichen destabilisierenden dynamischen Kräften entgegenzu wirken, die versuchen, zerstäubte Partikel den Draht zurück, entgegengesetzt vom freien Ende des Drahtes zu bewegen. Dazu (siehe Fig. 3) ist eine Luftpassage 31 in das Ende des Drahtspitzenleitblocks 25 gebohrt, die mit der Luftpassage 29 ver bunden ist, die normalerweise die Drahtspitzenanordnung kühlt. Ferner wird ein Luftrohr oder Passage 32 gebildet, die mit der Passage 31 verbunden ist und lang samen Luftfluß 30 auf das freie Drahtende auf die Seite der Drahtspitze entgegen gesetzt der Richtung, aus der der Hochgeschwindigkeits-Sekundärgasfluß stammt, leitet. Das Luftrohr 32 besitzt einen Innendurchmesser 33 von etwa 0,05 cm (0,020 inches) und einen Luftfluß, der auf etwa 0,028318 bis 0,0566338 m³/min (1-2 cfm) herabgeregelt wird. Die Spitze 34 des Luftrohres 32 kann bis auf etwa (0,05 cm) (0,020 inches) zum freien Drahtende angeordnet werden. Der langsame Luftfluß 30 wirkt dem Kraftvektor 54 entgegen, um geschmolzene Tröpfchen 56 am freien Drahtende zur sofortigen Beschleunigung und Projektion auf die Substratoberfläche 51 zu halten. Derartige Luftpassagen (31, 32) können in den Drahtleitblock mit oder ohne ein Verlängerungsrohr eingebaut werden, um den langsamen Luftfluß auf der Seite des Drahtes, in einer Richtung entgegengesetzt des Querflußvektors 54, auf treffen zu lassen.

Eine Alternative (wie in Fig. 4-5 gezeigt) besteht darin, eine zusätzlich eine kleine Passage 35 in der Pilotdüse 16 an einer Position 36 zwischen benachbarten Boh rungen 22, ausgerichtet mit dem freien Drahtende (parallel zur Mittellinie 41) vorzu sehen, so daß ein langsamer Luftfluß 37 auf die Seite 38 des Drahtes, wie in Fig. 4 gezeigt, auftrifft. Die Passage 32 in Fig. 3 oder Passage 35 in Fig. 4 ermöglicht es dem PTA-Verfahren stabil unter verschiedenen, und sogar ungesteuerten Prozeß parametern zu arbeiten.

Es ist wichtig, daß derartige Modifikationen es dem Brenner ermöglichen, unemp findlicher betrieben zu werden, während er sonst empfindlich gegenüber Instabilitä ten der Prozeßparameter ist. Der Brenner kann auch bei viel höheren Drahtzufuhr-/Ab scheidungsgeschwindigkeiten betrieben werden, die mehr als 50% höher als die von Brennern nach dem Stand der Technik sind, während keine Abnahme in der Qualität des Überzugs und kein Spritzen beobachtet wird. Beispielsweise kann eine kontinuierliche Abscheidung (Drahtzufuhrgeschwindigkeit) von 635 cm/min (250 inches/min) über 100 Stunden oder mehr erzielt werden, gegenüber lediglich 457 cm/min (60 inches/min) über kürzere Zeiträume kontinuierlichen Einsatzes beim Stand der Technik. Vorteilhafterweise treffen die langsamen Luftflüsse 30 oder 37 auf das freie Drahtende an einem Ort 39 außerhalb der Umhüllung der Gasströme aus den Bohrungen 22, um unnötiges Abkühlen des Plasma-Lichtbogens zu ver meiden, wobei aber die langsamen Gasflüsse 30 und 37 in einen Winkel quer zum Draht verlaufen, um eine Flußvektorkomponente zu schaffen, die fluiddynamischen Kräften entgegenwirkt, die versuchen, geschmolzene Partikel am Draht zurückzu bewegen.

Während die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und möglicher Alternativen beschrieben worden ist, sind dem Fachmann, an den sich diese Be schreibung richtet, mannigfache alternative Anordnungen und Auslegungen zur Durchführung der Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert wird, offensicht lich und geläufig.

Bezugszeichenliste

10

PTA-Brenner

11

Brennerkörper

12

Plasmagasausgang, Öffnung

13

Kathodenhalter

14

Kathodenanordnung

15

tangentiale Öffnungen im Kathodenhalter

13

16

Düse

17

verkleinerte Öffnung

18

Sekundärgasöffnung

19

Gasverteiler

20

Ablenkplatte

20

a Bohrungen

21

Verteiler

22

Bohrungen in

21

23

Draht

24

Drahtkontaktspitze

24

;

24

a und

24

b - Teile von

24

25

Drahtleitspitze

26

Lichtbogen

27

Drahtspitzenleitblock

28

Isolationsblock

29

kleine Öffnung im Isolationsblock

28

30

langsamer Luftfluß

31

Luftpassage

32

Luftpassage/Rohr

33

Innendurchmesser von

32

34

Spitze des Rohres

35

kleine Passage

36

Position zwischen benachbarten Bohrungen

22

,

37

langsamer Luftfluß

38

Drahtseite

39

Ort außerhalb der Umhüllung der Gasströme

40

Energieversorgung

41

achsiale Mittellinie der Öffnung

17

42

Drahtzufuhrrollen

43

geschwindigkeitsgesteuerter Motor

44

Drahtachse

45

elektrischer Weg für den Plasma-Lichtbogen

46

übertragener Lichtbogen

47

Plasma zu

46

48

geschmolzene Metallpartikel

49

Tröpfchen oder Kügelchen

50

feine Partikel

51

Substratoberfläche

52

Beschichtung

53

Vektorflußkräfte

54

Quervektorflußkräfte

55

Achse des Drahtes

56

Tröpfchen oder Kügelchen

57

freies Drahtende

58

Sekundärgaszufuhr

59

Kathode

Claims

1. Verfahren zum thermischen Abscheiden von Metall auf eine Zieloberfläche mit erhöhter Geschwindigkeit, durch:

a) Aufbau und Aufrechterhalten eines Hochgeschwindigkeitsplasma-übertragenen Lichtbogens zu einem Draht zwischen einer Kathode und dem freien Ende einer verzehrbaren Drahtelektrode, wobei die Energie eines derartigen Plasmas und der Lichtbogen ausreicht, das freie Ende des Drahtes zu schmelzen und zu Metallpartikeln zerstäuben und die Partikel als Säule auf die Zieloberfläche mit erhöhter Abscheidegeschwindigkeit und/oder kontinuierlich mehr als 50 Stun den aufzutragen;
b) Umgeben des Plasma mit Gasströmen hoher Geschwindigkeit und hohen Flus ses, die jenseits der Schnittstelle des freien Endes des Drahtes mit dem Plasma-Lichtbogen konvergieren, aber direktes Auftreffen auf den Draht ver meiden und die Projektion der Partikel auf die Zieloberfläche zu unterstützen; und
c) Auftreffenlassen eines langsamen Gasflusses auf und in der Nähe der Spitze des zugeführten Drahtes, um destabilisierenden dynamischen Kräften, die ver suchen, geschmolzene Partikel entlang des Drahtes, vom freien Drahtende hinweg zu bewegen, entgegen zu wirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abscheidungsrate im Bereich von 508-698,50 cm/min (200-275 inch/min) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochgeschwin digkeitsgasströme in Schritt (b) einen Fluß von etwa 1,1327 m³/min (40 cfm) haben.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (c) der langsame Gasfluß auf den Draht eine Flußgeschwindigkeit von etwa 0,028-0,057 m³/min (1-2 cfm) be sitzt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der auftreffende Gasfluß entlang eines We ges geführt wird, der auf den Draht außerhalb der konvergierenden Gasströme auftrifft und eine Flußvektor besitzt, der jeglichen Energie-Kraftvektoren entge genwirkt, die versuchen, geschmolzene Partikel entlang des Drahtes zurück zuführen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der auftreffende Gasfluß aus einem mit dem Draht ausgerichteten Passage austritt, die einen Winkel von etwa 15° mit dem selben bildet.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auftreffende Fluß durch ein Rohr gefördert wird, dessen Ende vom freien Drahtende einen Abstand von etwa 0,5 cm (0,2 inches) hat und eine Achse besitzt, die auf das freie Drahtende unter einem Winkel von etwa 15° zur Drahtachse gerichtet ist.

8. Verfahren zum Überziehen von Zieloberflächen mit einer dichten Metallschicht, unter Verwendung einer Thermischen PTA-Auftragsschweißeinrichtung, die
eine Kathode,
eine ein freies Ende der Kathode mit Abstand umgebende Düse mit einer verengten Öffnung gegenüber der Kathode zum Leiten eines Plasmas,
einen Drahtzuführmechanismus, der ein freies Ende eines Drahtvorrats zum Plasma-Lichtbogen leitet,
eine elektrische Energiequelle, um einen Lichtbogen zwischen Kathode und der Düse auf das freie Ende des Drahtes zu übertragen und
mehrere Gasöffnungen in der Düse, die um die Düsenöffnung angeordnet sind, um einen umhüllenden Vorhang von Sekundärgasströmen zu leiten, die zur Plasma- Lichtbogenachse konvergieren, um sich an einem Ort jenseits des freien Drahten des zu treffen, das aufweist:

a) Leiten eines Gasplasmas in die Düse, während die elektrische Potentialdiffe renz zwischen der Kathode und der Düse erhöht wird, um einen verlängerten Plasma-Lichtbogen aus der Düsenöffnung austreten zu lassen;
b) Übertragen des verlängerten Lichtbogens und des resultierenden Plas mastroms auf das freie Ende des Drahtes, wobei das freie Ende auf im wesent lichen gleichen elektrischen Potential, wie die Düse, gehalten wird, was zum Schmelzen und Zerstäuben des freien Endes des Drahtes zu feinen Partikeln führt;
c) Richten der zerstäubten Metallpartikel auf die Zieloberfläche durch den Einfluß des Projektionsenergie des übertragenen Plasma-Lichtbogens und der ihn um hüllenden sekundären Gasströme, die Vektorkräften entgegenwirken können, die die zerstäubten Partikel beeinflussen; und
d) Aufbringen eines zusätzlichen Sekundärgasflusses auf das freie Ende des Drahtes, der Kraftvektoren, die die geschmolzenen Partikel vom Draht zurück drücken könnten, entgegenwirkt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der austretende Gasfluß eine Flußge schwindigkeit von etwa 0,028-0,057 m³/min (1-2 cfm) aufweist, aus einer Öff nung mit einem Durchmesser von etwa 0,05 cm (0,020 inches) austritt, wäh rend sekundäre Gasflüsse eine kombinierte Flußgeschwindigkeit von etwa 1.13 m³/min (40 cfm) besitzen und aus einer Fläche mit einem Durchmesser von etwa 0,1854 cm (0,073 Inches) austreten.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die sekundären Gasflüsse aus mehreren ringförmig angeordneten Öffnungen, die mit gleichmäßigem Abstand um die Achse des Plasma-Lichtbogens angeordnet sind, austreten und die Drahtzufüh rung eine Achse besitzt, die mit Abstand von der Flußprojektionsrichtung aller Öffnungen entfernt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Drahtzufuhrgeschwindigkeit im Bereich von 508-635 cm/min (200-250 inches/min) liegt, während die Einrichtung über einen kontinuierlichen Zeitraum von 50-150 Stunden betrieben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Draht einen Durchmesser von etwa 0,15748 cm (0,062 inches) besitzt und die Abscheidungsgeschwindigkeit im Be reich von 3,632-5,488 kg/h (8-12 pound/h) liegt.

13. Vorrichtung zum Beschichten von Zieloberflächen mit dichten Metallschichten, unter Verwendung eines PTA-Verfahrens, mit
einer Kathode (14),
einer allgemeinen ein freies Endes der Kathode (14) mit Abstand umgebenden Düse (16) mit einer verkleinerten Öffnung (17) gegenüber der Kathode zur Herstel lung eines Plasmas,
einem Drahtzufuhrmechanismus, der ein freies Ende eines Drahts (23) in das Plasma führt,
einer elektrischen Energiequelle (40), um einen Lichtbogen zwischen der Kathode und einer Düse (17) zu übertragen, um diesen auf das freie Ende des Drahtes (23) zu übertragen, der aufweist:

a) mehrere Hochgeschwindigkeits- und Hochfluß-Gas-Öffnungen (22) in der Düse (17), die ringförmig um die Öffnung (17) angeordnet sind, um Sekundär gasströme zu leiten, die den Plasma-Lichtbogen umhüllen und zur Plasma-Licht bogenachse an einen Ort jenseits des freien Endes des Drahtes (23) konvergie ren, aber nicht direkt auf das freie Drahtende auftreffen, und
b) Mittel zum Vorsehen von mindestens eines langsamen Gasflusses, der in der Nähe des freien Ende des Drahtes auftrifft, um fluiddynamischen Kräften mit Vektoren entgegenzuwirken, die geschmolzene Partikel (48) entlang des Drahtes zurückdrücken könnten.