DE102006044906A1

DE102006044906A1 - Plasmabrenner

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Publication number: DE102006044906A1
Application number: DE102006044906A
Authority: DE
Original assignee: Thermico & Co KG GmbH
Current assignee: Thermico & Co KG GmbH
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-04-17

Abstract

Mit einem Plasmabrenner, insbesondere zur Herstellung von Beschichtungen auf Oberflächen und/oder zur Herstellung von Nano-Pulvern, mit einer Mehrzahl von symmetrisch um eine Längsmittelachse des Brenners angeordneten Kathoden mit diese umgebenden Plasmazuführungen und einer zentrisch zur Mittelachse stromabwärts angeordneten Sammelanode zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von Lichtbögen zwischen den Kathoden und der Sammelanode sowie mit einer zentrischen Werkstoffzuführung soll u. a. eine Pulvereindüsung zwischen Kathodenansatz und Anodenfußpunkt der Lichtbögen ermöglicht werden bei gleichzeitig sehr hohem thermischen Wirkungsgrad mit reduzierter Abkühlung der Plasmen. Dies wird dadurch erreicht, dass eine erste, die Werkstoffzuführung (6, 22) wenigstens teilweise umströmende Sekundärgasströmung (Pfeil 18) zur Fokussierung der Werkstoffeindüsung in das Zentrum des erzeugten Plasmas vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmabrenner der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Ein derartiger Mehrkathodenbrenner ist beispielsweise aus der US 4 982 067 bekannt. Die Pulverzuführung liegt bei diesem Brenner auf der Symmetrieachse zwischen Kathodenansatz und Anodenfußpunkt der Lichtbögen, d.h. die Pulvereindüsung liegt zwischen Kathoden und Sammelanode, wobei ein zusätzliches Gas eine Vortexströmung/Swirl erzeugt. Ein Nachteil dieser bekannten Lösung besteht darin, dass die Partikel innerhalb der Düse einen unmittelbaren Kontakt mit den Lichtbögen haben, so dass die Partikel spontan schmelzen können und als Ablagerung innerhalb der Düse auftreten können, so dass sich die Düse zusetzt. Werden Metallpulver eingesetzt verdampfen die Anteile des Metalls im Lichtbogen, was zu einer spontanen Änderung der Leitfähigkeit des Plasmas führt, so dass ein präzises Steuern der Lichtbögen nicht mehr möglich ist.
Eine etwas andere Bauweise zeigt die EP 0 610 177 B die der DE 691 22 890 entspricht. Hier ist ebenfalls ein Mehrkathodenplasmabrenner beschrieben mit axialer Pulverzuführung auf der Symmetrieachse stromabwärts des Kathodenansatzes und des Anodenfußpunktes der Lichtbögen. Allerdings wird kein zusätzliches Sekundärgas zur Erzeugung einer Rotexströmung oder dergleichen eingesetzt. Bei den dort gezeigten drei Plasmajets werden diese in einem einzigen wassergekühlten Bauteil zusammengeführt, wodurch allerdings die Plasmajets stark abgekühlt werden, was zur Reduzierung des thermischen Wirkungsgrades führt. Hier ist es nicht möglich, relativ kalte Argon-Wasserstoffplasmen zur Verarbeitung hochschmelzender Oxide einzusetzen. Dies wird erst mit Stickstoff möglich, was aber wegen der daraus resultierenden geringen Lebensdauer der Elektroden und der Beeinflussung der Schichtqualität die mit diesem Brenner erzeugt wird nicht erwünscht.
Auch hier kann es zu Pulverablagerungen an der Stirnfläche des die Jets zusammenführenden und gekühlten Bauteiles kommen, was zu Verstopfungen führen kann. Auch können sich die Ablagerungen ablösen und führen dann zu Fehlern in der zu erzeugenden Beschichtung. Ein weiterer Nachteil der hier beschriebenen Lösung besteht darin, dass durch die Zusammenführung der drei Plasmajets es hinter der Düse zur Aufweitung des Pulverstrahles kommt, so dass nur sehr kurze Plasmadüsen eingesetzt werden können. Auch entstehen im Bereich der Zusammenführung der Plasmen Wirbelzonen, die zu Schwingungen in den zusammengeführten Plasmajets führen können, was zu einer unruhigen, nicht gewünschten Strömungsausbildung führt.
Hier setzt die Erfindung an, deren Aufgabe darin besteht eine Pulvereindüsung zwischen Kathodenansatz und Anodenfußpunkt der Lichtbögen zu ermöglichen bei gleichzeitig sehr hohem thermischen Wirkungsgrad mit reduzierter Abkühlung der Plasmen bei Einsatz langer Beschleunigungsdüsen mit daraus rührenden hohen Partikelgeschwindigkeiten zur Erhöhrung der Qualität der erzeugten Schichten.
Mit einem Plasmabrenner der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass eine erste, die Werkstoffzuführung zumindest teilweise umströmende Sekundärströmung zur Fokussierung der Werkstoffeindüsung in das Zentrum des erzeugten Plasmas vorgesehen ist.
Mit der durch die Erfindung vorgesehenen Sekundärströmung wird eine sehr genaue Eindüsung der Werkstoffe ermöglicht.
Mit dieser Sekundärgasströmung wird auch erreicht, dass der Lichtbogenbereich vom Eindüsungsbereich des Zusatzwerkstoffes getrennt wird, so dass es möglich ist, stromabwärts des Kathodenbereiches das Plasma mit der Sekundärgasströmung und dem Pulver zu mischen, so dass das Pulver beschleunigt und aufgeheizt wird.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass zusätzlich eine zweite Sekundärgasströmung zur Fokussierung der Plasmaströmung (Plasmajets) vorgesehen ist.
An dieser zweiten Sekundärgasströmung lassen sich auch die Fußpunkte der Lichtbögen beeinflussen, gleichzeitig ergibt eine Art Mantelgasstrom einen Schutz gegen das Anbacken von Partikeln auf der Innenseite der Bannerdüsen.
Zweckmäßig kann es sein, die zylindrische Werkstoffzuführung und die Mehrzahl von Kathodenkanälen mit Plasmagaszuführung in einem eine erste Sammelanode bildenden Bauteils zu positionieren, wobei es Vorteilhaft ist stromabwärts im Bündelbereich der Plasmagasströmungen und Werkstoffeindüsung und diesen umgebenden Sekundärgas eine zweite Sammelannode vorzusehen, wie dies ein weiteres Merkmal der Erfindung darstellt.
Im Bereich der Sammelanode kann dank der speziellen Strömungsführung durch Sekundärgase eine Beschleunigungsdüse nach der Erfindung vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß ist die erste zentrische Sammelanode unter Freilassung eines Ringraumes für die äußere zweite Sekundärgasströmung von einem gekühlten Gehäuse umgeben, wobei nach der Erfindung auch vorgesehen sein kann, dass die Sammelannode das Gehäuse und/oder die Beschleunigungsdüse als gekühlte, insbesondere wassergekühlte Bauteile ausgebildet sind.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Erzeugung von Beschichtungen auf Oberflächen vor, dass sich dadurch auszeichnet, dass bei einem Plasmabrenner zunächst eine geringe Zündspannung zwischen den Kathoden und der ersten Sammelanode angelegt wird, nach Zündung des jeweiligen Lichtbogens die Zuführung des Plasmagases (Primärgases) gesteigert wird und eine Überführung des Lichtbogens an die zweite Sammelanode durch Erhöhung der anliegenden zweiten Anodenspannung vorgenommen wird.
Damit wird gewährleistet, dass die Lichtbögen nach Zündung stromabwärts von der inneren ersten Sammelanode auf die äußere zweite Sammelanode "verschoben" werden.
Wird ein Verfahren mit einer zentrischen Drahtzufuhr als Werkstoffzufuhr eingesetzt, sieht die Erfindung vor, dass nach Zünden des oder der Lichtbögen zur Überführung mindestens eines Teiles der Lichtbögen auf die Tragspitze eine Anodenspanne zwischen dem Draht und den Kathoden soweit aufgebaut wird, dass wenigstens ein Teil der Lichtbögen die Drahtspitze beaufschlagt, wobei der andere Teil die zweite Sammelanode beaufschlagt.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigt in
1 den Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Plasmabrenner mit Pulvereindüsungen,
2 einen Schnitt etwa nach Linie II/II in 1 sowie in
3 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Plasmabrenner mit drahtförmiger Werkstoffzuführung.
Von dem allgemein mit 1 bezeichneten Plasmabrenner ist in den 1 bzw. 3 der Düsenbereich im Schnitt dargestellt.
In einem wassergekühlten Gehäuse 2 ist unter Bildung eines äußeren Ringraumes 3 ein als Sammelanode fungierendes zentrisches Bauteil 4 positioniert, das wiederum mit Kühlwasserkanälen versehen ist. Die Sammelanode 4 weist eine zentrische Bohrung 5 auf, in der unter Freilassung eines Ringraumes 5a ein Zuführrohr 6 für das Gas-/Pulvergemisch, das es zu verarbeiten gilt, positioniert. Symmetrisch über den Umfang verteilt sind, wie sich auch aus 2 ergibt, sechs Kanäle 8 vorgesehen die je mit einer Kathode 9 bestückt sind wiederum unter Freilassung eines Ringkanales 8a.
An das freie Ende des Brennerkopfgehäuses 2 schließt sich unter Zwischenlagerung einer elektrischen Isolierung 10 eine weitere Sammelanode 11 an, die wiederum unter Zwischenlagerung einer elektrischen Isolierung 12 in eine Beschleunigungsdüse, allgemein mit 13 bezeichnet, übergeht.
Die Energiequellen sind in den Figuren mit 14 bezeichnet, die Regler zur Regelung der jeweiligen Anodenspanne mit 15 bzw. 16.
Die Betriebsweise des Plasmabrenners 1 ist dabei im wesentlichen die folgende:
Über ein Zuführsystem (Rohr 6) wird ein Pulvergasstrom 7 im Zentrum des Plasmabrenners zugeführt, wobei gleichzeitig über den Ringraum 5a ein erster zum Fokussieren des Pulverstrahles dienender Sekundärgasstrom (Pfeil 18) zugeführt wird. Wie auch aus 1 obere Figurenhälfte erkennbar sorgt dieser Sekundärgasstrom 18 dafür, dass die Pulverpartikel nicht unmittelbar mit dem zwischen den Kathoden 9 und der zweiten Sammelanode 11 anliegenden Lichtbogen 19 in Kontakt kommen. Über die Ringräume 8a wird um die Kathoden 9 das Plasmagas (Primärgas) zugeführt, dies ist in 1 mit einem Pfeil 20 angedeutet.
Um diese Plasmagasströme 20 zu fokussieren wird über den Ringraum 3 eine zweite Sekundärgasströmung (Pfeil 21) zugeführt die dafür sorgt, dass insbesondere auch die Innenfläche der Beschleunigungsdüse 13 nicht von aufgeschmolzenen oder verdampften Partikeln getroffen wird.
In 1 untere Figurenhälfte ist angedeutet wie der Plasmabrenner gezündet wird. Zunächst wird eine Spannung über den Regler 16 zwischen Kathoden 9 und der ersten Sammelanode 4 angelegt, so dass der Fußpunkt des mit 19a bezeichneten Lichtbogens an der ersten Sammelanode 4 anliegt. Nunmehr wird die Zufuhr des Plasmagases (Pfeil 20) erhöht und die Spannung an die zweite Sammelanode 11 angelegt, derart das der Fußunkt des Lichtbogens 19a in 1 nach links wandert bis er in die Position kommt, die in der oberen Figurenhälfte angedeutet ist.
In 3 ist ein abgewandeltes Beispiel des Plasmabrenners 1a dargestellt. Hier liegt der besondere Unterschied darin, dass zentrisch zum Aufschmelzen und Verdampfen ein Metalldraht 22 zugeführt wird. Die gleichen Bauteile in 1 die gleichen Bezugsziffern, ggfs. ergänzt durch Kleinbuchstaben.
Zum Verdampfen des stabförmigen Materiales 22 wird der Lichtbogen 19b so angestellt, dass er in einem Winkel auf die Metallstabspitze auftrifft.

Claims

Plasmabrenner, insbesondere zur Herstellung von Beschichtungen auf Oberflächen und/oder zur Herstellung von Nano-Pulvern, mit einer Mehrzahl von symmetrisch um eine Längsmittelachse des Brenners angeordneten Kathoden mit diese umgebenden Plasmagaszuführungen und einer zentrisch zur Mittelachse stromabwärts angeordneten Sammelanode zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von Lichtbögen zwischen den Kathoden und der Sammelanode sowie mit einer zentrischen Werkstoffzuführung, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste, die Werkstoffzuführung (6,22) wenigstens teilweise umströmende Sekundärgasströmung (Pfeil 18) zur Fokussierung der Werkstoffeindüsung in das Zentrum des erzeugten Plasmas vorgesehen ist.
Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine zweite Sekundärgasströmung (Pfeil 21) zur Fokussierung der Plasmaströmungen (Plasmajets) (Pfeil 20) vorgesehen ist.
Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrische Werkstoffzuführung (5) und die Mehrzahl von Kathodenkanälen (8) mit Plasmagaszuführung in einem eine erste Sammelanode bildenden Bauteil (4) positioniert sind.
Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts im Bündelungsbereich der Plasmagasströ mungen mit Werkstoffeindüsung und diesen umgebenden Sekundärgas eine zweite Sammelanode (11) vorgesehen ist.
Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der zweiten Sammelanode (11) stromabwärts eine Beschleunigungsdüse (13) vorgesehen ist.
Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste zentrische Sammelanode (4) unter Freilassung eines Ringraumes (3) für die äußere zweite Sekundärgasströmung (Pfeil 21) von einem gekühlten Gehäuse (2) umgeben ist.
Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelanoden (4), das Gehäuse (2) und/oder die Beschleunigungsdüse (13) als gekühlte, insbesondere wassergekühlte Bauteile ausgebildet sind.
Verfahren zur Erzeugung von Partikeln zur Beschichtung von Oberflächen und/oder zur Herstellung von Nano-Pulverpartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche zunächst eine geringe Zündspannung zwischen den Kathoden und der ersten Sammelanode angelegt wird, nach Zündung des jeweiligen Lichtbogens die Zuführung des Plasmagases (Primärgases) gesteigert wird und eine Überführung des Lichtbogens an die zweite Sammelanode durch Erhöhung der anliegenden zweiten Anodenspannung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 8 mit einer zentrischen Drahtzufuhr als Werkstoffzufuhr, dadurch gekennzeichnet, dass nach Zünden des oder der Lichtbögen zur Überführung wenigstens eines Teiles der Lichtbögen auf die Drahtspitze eine Anodenspannung zwischen dem Draht und den Kathoden so weit aufgebaut wird, dass wenigstens ein Teil der Lichtbögen die Drahtspitze beaufschlagen, wobei der andere Teil die zweite Sammelanode beaufschlagen.