DE102005004117A1

DE102005004117A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kaltgasspritzen

Info

Publication number: DE102005004117A1
Application number: DE102005004117A
Authority: DE
Inventors: Peter Heinrich; Heinrich Prof. Dr. Kreye; Tobias Schmidt; Thorsten Stoltenhoff
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2006-04-06
Also published as: WO2006034777A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kaltgaspritzen. Erfindungsgemäß wird das Gas in einem freistehenden Vorheizer (5) erwärmt, zur Spritzpistole geleitet (4) und in einem sich an der Spritzpistole befindlichen Nachheizer (3) nochmals erwärmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltgasspritzen, bei welchem Partikel zur Schicht- oder Formherstellung in einem Gas beschleunigt werden und mit hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat auftreffen, wobei das Gas komprimiert und erwärmt wird und anschließend durch Entspannung in einer einer Spritzpistole zugehörigen Düse beschleunigt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen umfassend eine Spritzpistole mit einer Düse und eine Heizung zur Gaserwärmung.

Beim Kaltgasspritzen wird ein Gas in einer de Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Der Beschichtungswerkstoff wird als Pulver vor oder nach dem Düsenhals in den Gasstrahl injiziert und auf das Substrat hin auf Geschwindigkeiten zwischen 200 und 1600 m/s, vorzugsweise zwischen 600 und 1200 m/s beschleunigt. Die auf hohe Geschwindigkeit gebrachten Partikel bilden beim Aufprall eine dichte und fest haftende Schicht. Dazu müssen sich die Partikel verformen. Ein Aufheizen des Gases erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und somit auch die Partikelgeschwindigkeit. Die damit ebenfalls verbundene Erwärmung der Partikel begünstigt das Verformen beim Aufprall. Die Gastemperatur liegt aber deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungswerkstoffs, so dass ein Schmelzen der Partikel im Gasstrahl nicht stattfinden kann. Im Vergleich zu den Verfahren des thermischen Spritzens lassen sich beim Kaltgasspritzen die mit dem Schmelzen verbundenen Nachteile wie Oxidation und andere Phasenumwandlungen vermeiden.

Das Verfahren des Kaltgasspritzens beinhaltet beispielsweise die EP 484 533 . In jüngster Zeit hat sich gezeigt, dass dichte und fest haftende Schichten nicht nur dann entstehen, wenn das Gas in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit sondern auch wenn das Gas nur auf Geschwindigkeiten nahe an der Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird. Ein Verfahren mit Beschleunigung auf Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit beinhaltet beispielsweise die DE 101 19 288 . Von Vorteil für die Schicht ist, wenn die Partikel beim Aufprall auf das Substrat warm (aber nicht angeschmolzen) sind, da dies die plastische Verformung unterstützt. Ein Anschmelzen der Partikel kann die Eigenschaften der Beschichtung zu ihren Ungunsten verändern. Um die Partikeltemperatur anzuheben, wird das Gas erwärmt. Ferner verbessert eine Gaserwärmung das Beschleunigungsverhalten des Gasstrahls in der Düse und es werden höhere Geschwindigkeiten erreicht. In der EP 924 315 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem das Gas bereits direkt nach dem Verlassen des Gaspuffers erwärmt und das erwärmte Gas zur Spritzpistole geleitet wird. Auch die Vorrichtung der EP 1 200 200 , in welcher Luft als Trägergas verwendet wird, beinhaltet eine Erwärmung des Gases bevor es in die Spritzpistole geleitet wird.

Am Markt bietet die Firma CGT ein System an, bei welchem das unter Hochdruck stehende Gas mit einer Heizung erwärmt und das heiße Gas mit einem isolierten Schlauch zur Spritzpistole geführt wird. Mit diesem System können sehr große Gasmengen erwärmt werden, jedoch darf eine Höchsttemperatur nicht überschritten werden, da die Temperaturbeständigkeit des Schlauches begrenzt ist. Auch kühlt das Gas trotz der Isolierung auf dem Weg zwischen Heizung und Spritzpistole wieder ab. Die Firma Ktech wiederum vertreibt ein System, bei welchem der Heizer direkt an der Spritzpistole angebracht ist und das erwärmte Gas über ein sehr kurzes Rohr in die Vorkammer der Düse geleitet wird. Diese Anordnung ist jedoch sehr groß und unhandlich in der Bedienung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine sehr hohe Gastemperatur beim Eintritt in die Düse ermöglicht und zugleich eine hohe Beweglichkeit der Spritzpistole garantiert.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gas in einem Vorheizer erwärmt, zur Spritzpistole geleitet und an der Spritzpistole in einem Nachheizer nochmals erwärmt wird. Die Gaserwärmung in zwei räumlich getrennten Stufen ermöglicht höhere Gastemperaturen. Durch die Aufteilung und die Anbringung des Nachheizers an der Spritzpistole stellen sich eine Reihe von Vorteilen ein. So werden insgesamt höhere Gastemperaturen möglich und das Gesamtsystem weist eine geringe thermische Trägheit auf, so dass sich die erforderliche Solltemperatur rasch einregelt. Dabei ist die geringe thermische Trägheit in erster Linie auf den an der Spritzpistole angebrachten Nachheizer zurückzuführen, welcher einerseits aufgrund der unmittelbaren Anbringung sehr direkt auf Temperaturschwankungen reagieren kann und welcher anderseits das Gas nur über einen Teil der Temperaturdifferenz erwärmen muss und deshalb notwendige Änderungen sehr schnell umsetzen kann. Durch die Nacherwärmung an der Spritzpistole wird es ferner möglich, Temperaturverluste, die beim Leiten des Gases von dem freistehenden Vorheizer zur Spritzpistole hin entstehen, wieder auszugleichen. Auch sind diese Verluste geringer, wenn das Gas mit geringerer Temperatur durch die Leitung geführt wird. Weiterhin ist meist eine relative kleine Auslegung des Nachheizers ausreichend, da das Gas ja bereits warm zu Spritzpistole gelangt. Dadurch ist der Nachheizer klein und leicht genug, so dass die Spritzpistole leicht handhabbar ist. Mit der Spritzpistole können somit trotz Nachheizer komplizierte Spritzaufgaben bewältigt werden und auch die Verwendung von handelsüblichen, nur zur Führung geringer Gewichte ausgelegten Robotern bleibt möglich. Eine weitere Stufe zu Gaserwärmung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren normalerweise nicht notwendig, jedoch kann dies beispielsweise von Vorteil sein, wenn Heizer mit kleinen Leistungen oder beim Anwender bereits vorhandene Geräte verwendet werden.

Besonders von Vorteil ist, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren höhere Gastemperaturen möglich werden: Weist der Gasstrahl höhere Temperaturen auf, wird hierdurch die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und damit auch die Partikelgeschwindigkeit erhöht. Auch werden die Partikel auf höhere Temperaturen erwärmt und treffen mit höherer Temperatur auf das Substrat auf. Damit steht beim Aufprall neben einer höheren kinetischen Energie auch mehr Wärme zur Verfügung, die den Spritzwerkstoff duktilisiert und thermisch erweicht. Dies erhöht die Haftung auf dem Substrat und die Schichteigenschaften werden verbessert. Ferner wird es möglich, auch gröbere Pulver mit größeren Partikeldurchmessem zu verwenden, da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren den Partikeln genügend Wärme zugeführt wird, so dass auch für größere Partikel ausreichend Energie zur Schichtausbildung zur Verfügung steht. Bei sonst gleichen Prozessbedingungen sinkt der Gasverbrauch durch höhere Gastemperaturen. Die Wirtschaftlichkeit des Prozesses wird verbessert.

Mit Vorteil wird das Gas auf einen Druck zwischen 5 und 35 bar verdichtet, bevor er zum ersten Mal erwärmt wird. Erfindungsgemäß wird somit das verdichtete Gas erwärmt, zur Spritzpistole geleitet und an der Spritzpistole zum zweiten Mal erwärmt. Durch diese Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte ist die thermische Trägheit auch bei einem hohen Gasdurchsatz sehr gering und die Solltemperatur regelt sich rasch ein.

In vorteilhafter Ausgestaltung wird das Gas im Vorheizer von Raumtemperatur auf 100 bis 600°C, vorzugsweise von 200 bis 500°C erwärmt.

Weiterhin wird das Gas mit Vorteil im Nachheizer von 100 auf 1200°C, vorzugsweise von 200 auf 1000°C, besonders bevorzugt von 500 auf 800°C erwärmt.

Die Aufgabe wird für die Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich die Heizung zur Gaserwärmung in mindestens zwei Heizer gliedert, wobei ein Nachheizer direkt an der Spritzpistole angebracht ist und ein zweiter, freistehender Vorheizer über eine Leitung mit der Spritzpistole verbunden ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wärmt das Gas entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren auf und weist somit die vorgenannten Vorteile auf.

Vorteilhafterweise ist der Nachheizer an der Spritzpistole für kleinere Leistungen auslegt als der Vorheizer. Durch diese Dimensionierung bleibt die Spritzpistole besonders klein und leicht. Die Führung der Spritzpistole bleibt damit besonders einfach und auch komplizierte Spritzaufgaben können problemlos bewältigt werden. Mit dieser Auslegung ist die Gesamtleistung der Gaserwärmung sehr hoch, da mit dem Vorheizer eine sehr große Temperaturdifferenz überwunden werden kann und mit dem Nachheizer zusätzlich Wärme zugeführt wird. Auch ist die thermische Trägheit bei einer solchen Auslegung sehr gering. Jedoch ist es auch möglich, Vorheizer und Nachheizer für gleiche Leistung auszulegen oder den Nachheizer für größere Leistungen zu dimensionieren. Bei geringerer Auslegung des Vorheizers ist das Gas in der Leitung zur Spritzpistole im Verhältnis kälter, so dass Wärmeverluste in der Leitung kleiner ausfallen und auf die Isolierung der Leitung weniger Wert gelegt werden muss.

In einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Düse eine Vorkammer vorgeschaltet, an welcher der Nachheizer angebracht ist. Für Vorkammer und Nachheizer ist eine thermische Isolierung anzustreben, um unnötige Wärmeverluste zu vermeiden und die thermische Belastung tragender Bauteile zu minimieren. Bei dieser Anordnung ist die Erwärmung des Gases besonders effektiv. Auch können bisher übliche Düsen verwendet werden, bei welchen zur Anbringung des Nachheizers nur die Vorkammer geringfügig modifiziert werden muss.

Mit besonderem Vorteil ist die Leitung als Schlauch ausgestaltet. Ein Schlauch stellt eine flexible Verbindung zwischen dem Vorheizer und dem Nachheizer an der Spritzpistole dar. Mit einer flexiblen Verbindung wird die Beweglichkeit der gesamten Vorrichtung zum Kaltgasspritzen erhöht.

Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um einen flexiblen Metallschlauch oder einen Teflonschlauch. Ob ein Metallschlauch oder ein Teflonschlauch bevorzugt wird, hängt von der beim Spritzprozess benötigten Gastemperatur ab: erreicht das Gas nach dem Vorheizer bereits höhere Temperaturen, ist eine Metallschlauch zu verwenden, da ein Teflonschlauch nur bis 230°C hitzebeständig ist. Ein Teflonschlauch lässt sich jedoch leichter isolieren und ist besser beweglich als ein Metallschlauch, so dass bei Temperaturen unterhalb von 230°C ein Teflonschlauch zu bevorzugen ist.

Weiterhin ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Nachheizer als ein durchströmter, durch eine Glühwendel beheizter thermisch isolierter Druckbehälter ausgestaltet. In besonderer Ausgestaltung kann eine Glühwendel in Form einer austauschbaren Heizpatrone verwendet werden. Ein derartiger Nachheizer weist die notwendige Heizleistung auf und zeichnet sich durch ein besonders niedriges Gewicht aus und ist wartungsfreundlich. Damit bleibt die Beweglichkeit der Spritzpistole trotz der zusätzlichen Heizung sehr hoch. Die niedrige thermische Trägheit einer solchen Heizung lässt die Solltemperatur schnell einregeln und ermöglich eine effektive Nutzung des Gesamtsystems.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von beispielhaften Ausgestaltungen näher erläutert. 1 zeigt dazu ein System zur Gaserwärmung, bei welchem das Gas von einem Vorheizer 5 über einen Schlauch 4 in einen Nachheizer 3 und von dort über eine Vorkammer 2 in eine Düse 1 geleitet wird.
Das Gas wird aus einem Vorratsbehältnis entnommen und auf den erforderlichen Druck, der je nach Anwendung zwischen 5 und 35 bar liegt, verdichtet. Anschließend wird es im Vorheizer 5 auf eine Temperatur von 220°C erwärmt. Für den Vorheizer, der vorteilhafterweise das Gas in einem durchströmten, durch eine Glühwendel beheizten und thermisch isolierten Druckbehälter erwärmt, ist hierzu eine Leistung von ca. 10 kW ausreichend. Anschließend wird das Gas über den Schlauch 4, der in diesem Fall aus Teflon gefertigt ist, zur Spritzpistole geleitet. Dort gelangt das Gas zuerst in den Nachheizer 3, der das Gas in Abhängigkeit von dem verwendeten Pulvermaterial auf Temperaturen zwischen 400 und 800°C erwärmt, wozu eine Leistung im Bereich von 10 bis 20 kW notwendig ist. Mit Vorteil ist dabei auch der Nachheizer 3 als eine durchströmter, durch eine Glühwendel beheizter und thermisch isolierter Druckbehälter ausgestaltet. Von dem Nachheizer 3 strömt das Gas direkt in die Vorkammer 2 der Düse 1. Die Pulverinjektion erfolgt vorteilhafterweise in die Vorkammer 2. Durch die Gasentspannung in der Düse 1 werden Gas und Partikel beschleunigt.
In einer anderen beispielhaften Ausgestaltung wird das Gas in dem Vorheizer 5 auf 600°C und im Nachheizer 3 auf 800 bis 1000°C erwärmt. Dazu weist der Vorheizer eine Leistung von 25 kW. Er ist als widerstandsbeheiztes Rohrsystem ausgestaltet. Der Nachheizer ist vor der Vorkammer angebracht und weist eine Leistung von 10 kW auf. Er heizt das Gas in einem durchströmten, durch eine Glühwendel beheizten und thermisch isolierten Druckbehälter auf. Der Schlauch 4 ist hier als flexibler Metallschlauch ausgestaltet. Durch den Nachheizer erhöht sich das Gewicht der Spritzpistole um weniger als 6 kg.

1: Düse
2: Vorkammer
3: Nachheizer
4: Schlauch
5: Vorheizer

Claims

Verfahren zum Kaltgasspritzen, bei welchem Partikel zur Schicht- oder Formherstellung in einem Gas beschleunigt werden und mit hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat auftreffen, wobei das Gas komprimiert und erwärmt wird und anschließend durch Entspannung in einer einer Spritzpistole zugehörigen Düse (1) beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in einem Vorheizer (5) erwärmt, zur Spritzpistole geleitet (4) und an der Spritzpistole in einem Nachheizer (3) nochmals erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas auf einen Druck zwischen 5 und 35 bar verdichtet wird, bevor er zum ersten Mal erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im Vorheizer (5) von Raumtemperatur auf 100 bis 600°C, vorzugsweise von 200 bis 500°C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im Nachheizer (3) von 100 auf 1200°C, vorzugsweise von 200 auf 1000°C, besonders bevorzugt von 500 auf 800°C erwärmt wird.
Vorrichtung zum Kaltgasspritzen umfassend eine Spritzpistole mit einer Düse (1) und eine Heizung (3, 5) zur Gaserwärmung, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Heizung zur Gaserwärmung in mindestens zwei Heizer gliedert, wobei ein Nachheizer (3) direkt an der Spritzpistole angebracht ist und ein zweiter, freistehender Vorheizer (5) über eine Leitung (4) mit der Spritzpistole verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachheizer (3) an der Spritzpistole für kleinere Leistungen ausgelegt ist als der Vorheizer (5).
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Düse (1) eine Vorkammer (2) vorgeschaltet ist, an welcher der Nachheizer (3) angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (4) als Schlauch ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen flexiblen Metallschlauch oder einen Teflonschlauch handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachheizer (3) als ein durchströmter, durch eine Glühwendel beheizter und thermisch isolierter Druckbehälter ausgestaltet ist.