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Die
Erfindung betrifft eine Kaltgasspritzpistole, insbesondere eine
Kaltgasspritzpistole, die ein Spritzen mit höheren Gastemperaturen ermöglicht.
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Beim
Kaltgasspritzen oder dem kinetischen Spritzen werden Partikel von
1 μm bis
250 μm in
einem Gasstrom auf Geschwindigkeiten von 200 m/s bis 1600 m/s beschleunigt,
ohne dabei an- oder aufzuschmelzen, und auf die zu beschichtende
Fläche, das
Substrat, gespritzt. Erst beim Aufprall auf das Substrat steigt
durch plastische Verformung unter sehr hohen Dehnraten die Temperatur
an den kollidierenden Grenzflächen
und führt
zu Verschweißungen
des Partikelwerkstoffs mit dem Substrat sowie untereinander. Dazu
muss jedoch eine Mindestaufprallgeschwindigkeit überschritten werden, die so
genannte kritische Geschwindigkeit. Der Mechanismus und die Qualität der Verschweißung ist
mit dem Explosivschweißen
vergleichbar und hängt
auch von der Temperatur der Partikel im Moment ihres Aufpralls ab.
Man muss daher dafür
sorgen, dass die Partikel eine ausreichend hohe Geschwindigkeit
und Temperatur beim Aufprall haben. Hierzu werden die Partikel in
einer Kaltgasspritzpistole, die eine Mischkammer und eine Düse aufweist,
in der Mischkammer einem heißen
Trägergas
zugemischt, durch dieses erwärmt
und beschleunigt sowie über
die Düse weiter
beschleunigt und mit dem Gasstrom aus der Kaltgasspritzpistole verspritzt.
Bei vorgegebener Düsengeometrie
ist es deshalb oft erforderlich, mit dem anlagentechnisch möglichen
maximalen Gasdruck und möglichst
hoher Gastemperatur zu arbeiten.
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Dabei
zeigt sich, dass es oberhalb einer von dem Werkstoff der Partikel
abhängigen
Gastemperatur zu Anlagerungen an der Innenwand der Düse kommt.
Beim Spritzen von Aluminium liegt z.B. die maximal mögliche Gastemperatur
im Bereich von 150 bis 300°C.
Durch diese Anlagerungen wird die Gasströmung in der Düse gestört und es
wird die Funktionsfähigkeit
der Kaltgasspritzpistole bis hin zum Verstopfen der Düse beeinträchtigt.
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Bekannt
sind solche Spritzpistolen für
das thermische Spritzen z.B. aus der
US 6,623,796 B1 . In dieser ist eine Spritzpistole
mit einer Lavaldüse
beschrieben, bestehend aus einem Eingangskonus und einem Ausgangskonus,
die an einem Düsenhals
aneinander stoßen.
Der Lavaldüse
wird Luft unter hohem Druck über
einen Lufterhitzer und eine Mischkammer zugeführt, in der ein Luft-Partikelgemisch zugemischt
wird. Die Partikel werden durch die Lavaldüse als Überschalldüse beschleunigt und durch die im
Lufterhitzer erhitzte Luft erwärmt,
ohne, dass sie schmelzen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kaltgasspritzpistole, zur
Verfügung
zu stellen, die mit Gas unter beliebig hohen Temperaturen und unter hohen
Drücken
betrieben werden kann und bei der keine Materialanlagerungen des
Partikelmaterials in der Düse
auftreten.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kaltgasspritzpistole mit den Merkmalen des
unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Kaltgasspritzpistole werden durch
die Unteransprüche
angegeben.
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Kühlt man
die Außenseite
der Düse
durch ein Kühlmittel,
so dass die Temperatur der Innenwand der Düse verringert ist, dann lässt sich
die Temperatur des Gases z.B. bei Partikeln aus Aluminium um 50
bis 150°C,
mit Wasserkühlung
sogar um 300°C
erhöhen,
ohne dass es zu Anlagerungen an der Innenwand der Düse kommt.
Durch die höhere Gastemperatur
erhalten auch die Partikel eine höhere Temperatur, wodurch ihre
Verformungsfähigkeit beim
Aufprall auf das Substrat begünstigt
wird, d.h. die zum Haften erforderliche kritische Geschwindigkeit
verringert wird. Das Phänomen
der Anlagerung von Partikeln an der Innenwand der Düse und die
dadurch bedingte Begrenzung der maximal nutzbaren Gastemperatur
ist bei allen metallischen Werkstoffen als Partikel festzustellen.
Eine Düsenkühlung wirkt sich
daher insbesondere bei vielen metallischen Spritzwerkstoffen günstig aus,
wie etwa bei Stahl, Titan, Nickel, Kupfer, Zinn und Zink, vor allem
ergeben sich erhebliche Vorteile bei Aluminium. Durch die erfindungsgemäße Kaltgasspritzpistole
können
auch Partikel aus Werkstoffen verspritzt werden, die höhere Gastemperaturen,
etwa bis 1000°C
erfordern, um gute Schichteigenschaften durch die Steigerung der Partikelgeschwindigkeit
und der Partikeltemperatur zu erreichen.
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In
vorteilhafter Ausführung
ist die Düse
eine Lavaldüse,
die aus einem konvergierenden Abschnitt, einem Düsenhals und einem divergierenden Abschnitt
besteht.
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In
einer Lavaldüse
kann das Gas im Bereich des Düsenhalses
auf Überschallgeschwindigkeit
beschleunigt werden. Da die Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur
steigt, sind durch die höhere
Temperatur somit bei einer Lavaldüse die beim Durchströmen erreichbaren
Gasgeschwindigkeiten höher
und damit auch die Geschwindigkeit der Partikel. Da höhere Geschwindigkeiten
möglich
sind, können
gröbere
Partikel mit Partikelgrößen von
bis zu 100 μm,
ja von bis zu 250 μm
auf die zur Haftung erforderliche kritische Geschwindigkeit beschleunigt
werden. Auch die Gefahr von Materialanlagerungen an der Innenwand
der Lavaldüse
verringert sich durch die Kühlung
der Düse,
was wiederum die Verwendung von gröberen Pulvern unterstützt. Diese
gröberen
Partikel oder Pulver sind kostengünstiger und lassen sich zudem
besser herstellen und gleichmäßiger fördern. Überdies besitzen Schichten, die mit gröberen Partikeln
gespritzt und dennoch dicht sind, eine höhere Haftfestigkeit auf dem
Substrat und höhere
Festigkeit im Hinblick auf die Bindung der Partikel untereinander
als Schichten, die mit feineren Partikeln gespritzt wurden.
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In
günstiger
Ausführungsform
kann der Bereich des Düsenhalses
stärker
gekühlt
sein und das Kühlmittel
die Lavaldüse
im Bereich des konvergierenden Abschnitts zuströmend axial bis zu einem Düsenaustritt
am divergierenden Abschnitt umströmen.
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Eine
stärkere
Kühlung
ist im Bereich des engsten Querschnittes der Düse und in Strömungsrichtung
kurz dahinter vorteilhaft, da hier die Partikelbeschleunigung und
die Partikeltemperaturen am höchsten
sind und draus resultierend die Gefahr von Anlagerungen. Es ist
daher vorteilhaft, das kalte Kühlmittel
im rückwärtigen,
konvergierenden Bereich in einen die Düse umgebenden Kühlraum einströmen und
im Bereich des Düsenaustritts
am Ende des divergierenden Abschnitts ausströmen zu lassen.
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Die
Düse kann
von dem Kühlmittel
umströmte
Kühlrippen
aufweisen und von dem Kühlmittel
radial, axial oder spiralförmig
umströmt
werden.
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Durch
entsprechend geformten Kühlrippen kann
eine bessere Wärmeabfuhr
und gezielte Führung
sowie gleichmäßige Verteilung
des Kühlmittels erreicht
werden.
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In
günstiger
Ausführungsform
ist das Kühlmittel
ein Gas, insbesondere Druckluft. Alternativ kann das Kühlmittel
Wasser sein.
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Wenn
das heiße
Gas zum Beschleunigen der Partikel Druckluft ist, so steht auch
oft kalte Druckluft für
Kühlzwecke
zur Verfügung.
Weiter steht Druckluft generell in vielen Werkstätten zur Verfügung und
ermöglicht
einen einfachen Aufbau, da nach dem Kühlvorgang die Druckluft in
die Umgebung abgeblasen werden kann und keine Rückführung des Kühlmittels erfordert. Wasser
ist meist auch gut verfügbar
und hat eine erheblich stärkere
Kühlwirkung
als Gase.
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Die
Düse kann
zumindest zum Teil aus gehärtetem
Material bestehen, insbesondere Hartmetall oder gehärtetem Stahl.
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Vorteilhaft
kann als Kühlmittel
die Umgebungsluft dienen.
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Wenn
an der Düse
Kühlrippen
angebracht sind, ist eine bereits ausreichende Kühlung schon durch die Konvektion
der Umgebungsluft zu erreichen. Vor allem in Spritzkabinen besteht
durch die Absauganlagen auch eine Luftströmung, die zu einer stärkeren Kühlwirkung
der Kühlrippen
führt.
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Bei
Gastemperaturen oberhalb von 600°C für WCCo (Wolfram-Carbid-Kobalt)
bzw. 500°C
bei gehärtetem
Stahl ermöglicht
eine Düsenkühlung, dass
die Düse
aus gehärtetem
Material besteht, da ansonsten das Material seine Festigkeit verlieren würde. Bei
der erfindungsgemäßen Kaltgasspritzpistole
wird dadurch die Beständigkeit
gegen Erosion stark verbessert, da die durch das Gas beschleunigten
Partikel sehr abrasiv wirken und gehärtete Materialien dem länger stand
halten.
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Ein
vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Kaltgasspritzpistole
wird anhand der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei zeigt
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1 schematisch
im Detailquerschnitt eine Düse
einer erfindungsgemäßen Kaltgasspritzpistole und
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2 schematisch
im Querschnitt eine erfindungsgemäße Kaltgasspritzpistole.
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Die 1 zeigt
schematisch im Detailquerschnitt eine Düse einer erfindungsgemäßen Kaltgasspritzpistole
in Form einer Lavaldüse 8.
Diese besteht aus einem konvergierenden Abschnitt 7, einem Düsenhals 9 und
einem divergierenden Abschnitt 10. Die Lavaldüse 8 ist
von einem Kühlmantel 12 umgeben,
der von einem Kühlmittel,
hier Druckluft, in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung durchströmt wird.
Dadurch wird der Bereich des konvergierenden Abschnitts 7 und
des Düsenhalses 9 von
der zunächst
noch kalten Druckluft und somit stärker gekühlt. Dabei wird die Lavaldüse 8 von
einem Gas mit Partikeln in derselben durch den Pfeil angegebenen Richtung
durchströmt.
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2 zeigt
schematisch im Querschnitt eine erfindungsgemäße Kaltgasspritzpistole mit
der Lavaldüse 8,
einem Druckbehälter 1,
der auf seiner Innenseite eine Isolierung 2 aufweist. Im
Inneren des Druckbehälters 1 ist
ein Heizelement 3 angeordnet, hier in Form eines Filamentheizers,
der aus einer Vielzahl von elektrischen Heizdrähten besteht. Das aufzuheizende
Gas wird dem Druckbehälter 1 über eine
Gaszuleitung 4 zugeführt.
In dem vorliegenden Beispiel ist der Druckbehälter 1 ein rotationssymmetrischer
Körper.
Ein Gasaustritt 5 leitet das aufgeheizte oder weiter aufgeheizte
Gas in eine Mischkammer 6, in der ein Partikelrohr 11 Partikel
zuführen
kann. Dabei ist die Mündung
des Partikelrohrs 11 mit dem sich bildenden Gasstrom ausgerichtet.
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Das
Gas durchströmt
den Druckbehälter 1 und
die mit diesem linear ausgerichtete Mischkammer 6 und Lavaldüse 8 wie
durch die Pfeile angezeigt, wobei es sich gleichmäßig über den
Querschnitt des Heizelements 3 verteilt. Durch die innen angebrachte
Isolierung 2 wird erreicht, dass nur wenige Wärmeenergie
die Wand des Druckbehälters 1 und
der Mischammer 6 erreicht. Da der Druckbehälters 1 und
die Mischammer 6 an die Umgebung zugleich Wärme abgeben,
stellt sich beim Druckbehälter 1 und
der Mischammer 6 eine erheblich niedrigere Temperatur ein,
als das erhitzte Gas hat. Der Druckbehälter 1 und die Mischammer 6 können daher
relativ dünnwandig
und leicht gebaut sein. In der Mischkammer 6 werden dem
erhitzten Gas über
das Partikelrohr 11 die zu verspritzenden Partikel beigemischt.
Dies erfolgt, indem über
einen Trägergasstrom
die Partikel durch das Partikelrohr befördert werden. Auf der Strecke
zwischen Partikelinjektion und engstem Querschnitt der Lavaldüse, dem
Düsenhals 9 werden
die Partikel aufgeheizt. Anstelle der in 2 gezeigten
langen Mischkammer 6 kann auch eine kurze Mischkammer und
ein verlängerte konvergierender
Abschnitt 7 verwendet werden, da auch bei einem verlängertem
konvergierendem Abschnitt 7 die Strecke zwischen Partikelinjektion
und Düsenhals
lang genug ist, die Partikel ausreichend zu erwärmen. In dem divergierenden
Abschnitt 10 der Lavaldüse 8 wird
das expandierende Gas auf Geschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit beschleunigt.
Die Partikel werden in dieser Überschallströmung stark
beschleunigt und erreichen Geschwindigkeiten zwischen 200 und 1500
m/s.
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Durch
den von Druckluft durchströmten Kühlmantel 12 bleibt
die Oberflächentemperatur
des konvergierenden Abschnitts 7, des Düsenhalses 9 und des
divergierenden Abschnitts 10 der Lavaldüse 8 in einem niedrigeren
Bereich, so dass wesentlich höhere
Gastemperaturen verwendet werden können, die sich vorteilhaft
auf die Qualität
der Beschichtung auswirken. Insbesondere können auch Gastemperaturen oberhalb
von 600°C
und gegen abrasiven Verschleiß beständigere
Materialien für
die Lavaldüse 8 verwendet
werden.
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- 1
- Druckbehälter
- 2
- Isolierung
- 3
- Heizelement
- 4
- Gaszuleitung
- 5
- Gasaustritt
- 6
- Mischkammer
- 7
- konvergierender
Abschnitt
- 8
- Lavaldüse
- 9
- Düsenhals
- 10
- divergierender
Abschnitt
- 11
- Partikelrohr
- 12
- Kühlmantel