DE102007009600A1

DE102007009600A1 - Verfahren zum Substratbeschichten durch thermisches oder kinetisches Spritzen

Info

Publication number: DE102007009600A1
Application number: DE102007009600A
Authority: DE
Inventors: Peter Heinrich; Heinrich Prof. Dr. Kreye
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2008-08-28
Also published as: WO2008104252A1

Abstract

Um ein Verfahren zum Beschichten mindestens eines Substrats (40), insbesondere mindestens einer Innen- oder Seitenfläche (42) des Substrats (40), durch thermisches oder kinetisches Spritzen, wobei Spritzmaterial mittels mindestens eines insbesondere strahlförmigen Trägers beschleunigt wird und der hierdurch gebildete Spritzstrahl (20) auf das Substrat (40) auftrifft, so weiterzubilden, dass auch erschwert zugängliche oder unzugängliche Formen und Flächen, insbesondere die Innen- oder Seitenflächen (42), des Substrats (40) durch thermisches oder kinetisches Spritzen beschichtbar sind, wird vorgeschlagen, dass der Spritzstrahl (20) vor dem Aufprall auf das Substrat (40) abgelenkt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten mindestens eines Substrats, insbesondere mindestens einer Innen- oder Seitenfläche des Substrats, durch thermisches oder kinetisches Spritzen, wobei Spritzmaterial mittels mindestens eines insbesondere strahlförmigen Trägers beschleunigt wird und der hierdurch gebildete Spritzstrahl auf das Substrat auftrifft.
Hierbei kann der Träger insbesondere eine Brenngas-Luft-Flamme bzw. Brenngas-Sauerstoff-Flamme, ein Gas, ein Plasmastrahl oder eine Brenngas-Luft-Hochgeschwindigkeitsflamme bzw. Brenngas-Sauerstoff-Hochgeschwindigkeitsflamme sein, wobei die vorliegende Erfindung in bevorzugter Weise das Kaltgasspritzen betrifft.
Stand der Technik
Das Beschichten von erschwert zugänglichen Substratflächen oder -formen, insbesondere von Innen- oder Seitenflächen eines Substrats, durch thermisches oder kinetisches Spritzen, und hierbei insbesondere durch Kaltgasspritzen, ist angesichts der in der Praxis nicht beliebig minimierbaren Größe eines Spritzwerkzeugs nur sehr eingeschränkt möglich. Hierbei spielt auch eine Rolle, dass das vom Spritzwerkzeug emittierte Spritzmaterial, insbesondere Partikel oder Pulver, nur bei im Wesentlichen senkrechtem Aufprall auf der Oberfläche haftet.
Selbst wenn – wie etwa beim Plasmaspritzen – speziell zu diesem Zweck entwickelte Brenner mit besonders kompakter Bauweise eingesetzt werden, so dürfen beispielsweise die Durchmesser von Bohrungen oder von Hohlzylindern, die auf ihrer Innenfläche oder Innenseite beschichtet werden sollen, Abmessungen von etwa fünfzig Millimetern bis etwa achtzig Millimetern nicht unterschreiten.
Mithin ist das Beschichten bestimmter, nur erschwert zugänglicher Substratflächen und -formen, insbesondere das Innenbeschichten von Bohrungen oder von Hohlräumen, mittels thermischer oder kinetischer Spritzverfahren also nur begrenzt machbar. Konventionellerweise existieren drei Lösungsansätze, die mehr oder minder erfolgreich praktiziert werden:

– Aufspritzen von außen unter einem bestimmten Spritzwinkel auf die zu beschichtende Fläche, insbesondere Bohrungswand; hierbei ist die Spritztiefe begrenzt und abhängig vom Spritzwinkel, der in der Regel zwischen etwa siebzig Grad und etwa neunzig Grad liegt; zu beachten ist, dass die Haftung der Spritzschicht in Bezug auf den Substratgrundwerkstoff unterhalb eines bestimmten Spritzwinkels extrem abfällt oder sogar überhaupt keine Haftung mehr erfolgt;
– Beschichten mittels rotierender Brenner, wobei die Dimensionierung der zu beschichtenden Hohlkammer oder des zu beschichtenden Hohlraums, insbesondere der Durchmesser der zu beschichtenden Bohrung, auch hier begrenzt und vom eingesetzten Spritzverfahren abhängig ist; beispielsweise kann beim Plasmaspritzen bis zu einem Bohrungsdurchmesser von etwa 35 Millimetern, beim Lichtbogenspritzen und beim HVOF-Spritzen (= High Velocity Oxy-Fuel Spraying) bis zu einem Bohrungsdurchmesser von etwa sechzig Millimetern beschichtet werden; relevant ist hierbei insbesondere die Beschichtung von Zylinderlaufflächen für Diesel- oder Ottomotoren, zum Beispiel mittels eines rotierenden Lichtbogenbrenners oder mittels eines rotierenden Plasmabrenners (sogenanntes Rotoplasma-System; vgl. im Stand der Technik zum Beispiel den Artikel "Plasmabeschichtungen von Zylinderkurbelgehäusen und ihre Bearbeitung durch Honen" in MTZ Motortechnische Zeitschrift 62 (2001) 4, Seiten 314 bis 320);
– (beispielsweise beim Flammspritzen praktiziertes) Umlenken des Spritzstrahls in der Spritzpistole mittels Verlängerungen.

Jede der im Stand der Technik vorbeschriebenen Methoden kann nur bis zu einer minimalen Dimensionierung der zu beschichtenden Substratfläche und -form, insbesondere nur bis zu einem minimalen Bohrungsdurchmesser, eingesetzt werden; so existiert zum Beispiel für das Kaltgasspritzen bei Innenbeschichtungen von Bohrungen mit einem Durchmesser von kleiner als etwa sechshundert Millimetern bislang keine brauchbare Lösung.
Zu bedenken ist des Weiteren, dass bei den vorstehend aufgezählten Varianten auch ein gewisser Spritzabstand von der Spritzpistole (Düsenaustritt) zur zu beschichtenden Oberfläche einzuhalten ist, auch hierdurch wird das Beschichten von an sich unzugänglichen Oberflächen erschwert bzw. oft unmöglich gemacht.
Darüber hinaus sind auch die Dimensionen des Spritzwerkzeugs an sich zu berücksichtigen; so weisen etwa beim Kaltgasspritzen dem derzeitigen Stand der Technik entsprechende Spritzpistolen eine Länge von über etwa einhundert Millimetern auf. Spritzwerkzeuge, mit denen aufgrund

– einer längeren Düse, insbesondere einer Verlängerung des konvergenten Düsenabschnitts,
– eines in die Spritzpistole integrierten Zusatzheizers (vgl. Druckschrift WO 2006/034777 A1 aus dem Stand der Technik),
– einer zum Erhöhen der Verweilzeit der Partikel im heißen Gas zusätzlich eingebauten, etwa 100 Millimeter bis etwa 200 Millimeter langen Vorkammer (vgl. Druckschrift WO 2006/034778 A1 aus dem Stand der Technik) und/oder
– der Möglichkeit des Nachheizens der Partikel auf deren Weg zwischen der Spritzpistole und dem Substrat durch Mikrowellenheizung (vgl. Druckschrift EP 1 593 437 A1 aus dem Stand der Technik)

Für hohe Auftragswirkungsgrade und für hohe Schichtqualitäten ist es hierbei von Bedeutung, dass der Teilchen- oder Partikelstrahl beim Beschichten möglichst senkrecht, das heißt im Wesentlichen unter rechtem Winkel auf das Substrat gerichtet ist; bei schrägem, das heißt nicht im Wesentlichen rechtwinkligem Aufprall der Teilchen auf das Substrat sinkt der Auftragswirkungsgrad oder es findet gar kein Auftrag mehr statt.
So beträgt zum Beispiel der Auftragswirkungsgrad für Kupfer auf Stahl nur noch etwa fünfzig Prozent des ursprünglichen Auftragswirkungsgrads, wenn die zu beschichtende Fläche mit dem Spritzstrahl einen Winkel von nur noch etwa sechzig Grad bildet. Der Auftragswirkungsgrad ist sogar noch geringer, wenn der Unterschied zwischen der Härte des Spritzwerkstoffs und der Härte des Substrats größer als der Unterschied zwischen Kupfer (als Spritzwerkstoff) und Stahl (als Substrat) ist. Bei schrägem Aufprall auf ein vergleichsweise sehr hartes Substrat findet kein Auftrag statt.
Darstellung der vorliegenden Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass auch erschwert zugängliche oder unzugängliche Formen und Flächen, insbesondere Innen- oder Seitenflächen, eines Substrats durch thermisches oder kinetisches Spritzen beschichtbar sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Mithin basiert die vorliegende Erfindung darauf, den Spritzstrahl, insbesondere Pulver-, Partikel- oder Teilchenstrahl, so ab- oder umzulenken, das heißt so in seiner Richtung zu ändern, dass der Strahl nahezu senkrecht auf die zu beschichtende Substratfläche oder -form auftrifft. Hierdurch lassen sich auch Innen- oder Seitenflächen des Substrats beschichten, die einen beliebigen Winkel zu derjenigen Strahlrichtung bilden, mit der der Spritzstrahl das Spritzwerkzeug, insbesondere die Spritzpistole, verlässt.
Die vorliegende Erfindung beruht also darauf, dass der Spritzstrahl ab- oder umgelenkt wird, indem auf mindestens eine zum Ab- oder Umlenken des Spritzstrahls vorgesehene Oberfläche gespritzt wird, die um etwa zwanzig Grad bis etwa 85 Grad, insbesondere um etwa dreißig Grad bis etwa sechzig Grad, zum Beispiel um etwa 45 Grad, gegen die Richtung des Spritzstrahls geneigt ist.
Vorteilhafterweise richtet sich der Neigungsgrad dieser Ab- oder Umlenkoberfläche danach, dass das Spritzmaterial weder haftet noch in Richtung der Spritzpistole zurückprallt, sondern in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche, insbesondere in Richtung der zu beschichtenden Innen- oder Seitenfläche, des Substrats reflektiert wird.
Gemäß einer besonders erfinderischen Weiterbildung kann die Ab- bzw. Umlenkung des Spritzstrahls durch einen oder mehrere Ablenkkörper oder Umlenkkörper erfolgen; dieser mindestens eine Ab- oder Umlenkkörper weist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere schräg in den Strahl eingebrachte Abprallflächen oder Aufprallflächen auf, die auch als Ablenkflächen oder als Umlenkflächen bezeichnet werden können.
Im Falle mehrerer, sich vorzugsweise in Spritzrichtung hintereinander befindlicher Ab- oder Umlenkkörper können die Ab- oder Aufprallflächen mit Vorteil eine unterschiedlich starke Neigung und/oder Krümmung aufweisen, um eine gegenüber der ursprünglichen Richtung des Spritzstrahls (= Richtung, mit der der Spritzstrahl das Spritzwerkzeug verlässt) sukzessiv stärkere Ab- bzw. Umlenkung des Spritzstrahls zu erzielen; im Extremfall kann auf diese Weise also auch eine Umlenkung des Spritzstrahls um bis zu etwa 180 Grad erfolgen.
Auch im Falle lediglich eines Ab- oder Umlenkkörpers kann der Effekt einer variablen Ab- oder Umlenkrichtung des Spritzstrahls erzielt werden, insbesondere durch variierende Neigung und/oder Krümmung der Ab- oder Aufprallfläche des beweglich, zum Beispiel translatierbar und/oder rotierbar, in den Spritzstrahl einbringbaren, insbesondere einbaubaren oder einschwenkbaren, Ab- oder Umlenkkörpers.
Die zur Ab- oder Umlenkung des Strahls dienende Fläche ist vorteilhafterweise aus sehr hartem und erosionsfestem Material; hierbei weist der Ab- oder Umlenkkörper, insbesondere die Ab- oder Umlenkfläche des Ab- oder Umlenkkörpers, zweckmäßigerweise eine höhere Härte als die Partikel, das Pulver und/oder der Wirkstoff des Spritzstrahls auf.
So kann das Material des Ab- oder Umlenkkörpers beispielsweise ein metallischer Werkstoff oder ein keramischer Werkstoff oder ein Verbundwerkstoff (sogenannter Composite) mit metallischen oder keramischen oder karbidischen Anteilen sein.
Zweckmäßig für die Realisierung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung sind auch Ab- oder Umlenkkörper, zum Beispiel aus metallischem Werkstoff, mit mindestens einer das Spritzmaterial abstoßenden und/oder nicht-adhäsiven Oberfläche, insbesondere mit mindestens einer gehärteten und/oder beschichteten Ablenkfläche oder Umlenkfläche, wobei die Schicht

– aus mindestens einem Elektrolyten (galvanisch oder außenstromlos),
– aus der Gas- oder Dampfphase (zum Beispiel C[hemical]V[apour]D[eposition]-Verfahren oder P[hysical]V[apour]D[eposition]-Verfahren) oder
– aus der Schmelzphase (zum Beispiel thermisches Spritzverfahren)

In vorteilhafter Weise kann der Ab- oder Umlenkkörper die Form eines Blechs oder eines Kegels aufweisen. Hierbei bietet die Verwendung eines kegelförmigen Ab- oder Umlenkkörpers den besonderen Nutzen, dass die Spritzpartikel rotationssymmetrisch in alle Richtungen, das heißt mit einem überstreichbaren Winkel von 360 Grad umgelenkt werden können, was sich insbesondere für das Beschichten von Bohrungen oder für das Innenbeschichten von hohlkammer- oder hohlraumförmigen Substraten als zweckmäßig erweist.
Gemäß einer besonders erfinderischen Weiterbildung kann der Ab- oder Umlenkkörper, insbesondere der Kegel, im Wesentlichen zentrisch innerhalb einer Bohrung oder eines Hohlzylinders angeordnet werden und/oder entlang der Symmetrieachse der Bohrung bzw. des Hohlzylinders nach oben und/oder nach unten verfahren werden, um tiefere Löcher, das heißt tiefere Bohrungen oder tiefere Hohlzylinder, innen zu beschichten.
Unabhängig hiervon oder in Verbindung hiermit kann die Bewegung oder der Weg des Spritzwerkzeugs

– linienförmig bzw. zeilenförmig oder
– rotierend, insbesondere kreisförmig oder spiralförmig rotierend, oder
– mäanderförmig

Eine etwaige Verminderung der Partikel- oder Pulvergeschwindigkeit durch das Reflektieren, das heißt durch das Ab- oder Umlenken der Teilchen an der durch den Ab- oder Umlenkkörper bereit gestellten Abprallfläche kann in zweckmäßiger Weise durch eine entsprechend erhöhte Ausgangsgeschwindigkeit der Spritzpartikel beim Verlassen des Spritzwerkzeugs kompensiert werden; beispielsweise sind bei der Kaltgasspritzanlage KINETIKS^® 4000 der Firma CGT Cold Gas Technology GmbH, Ampfing, erhebliche Reserven in Bezug auf die Geschwindigkeit vorhanden, mit der das Spritzmaterial diese Spritzpistole verlässt.
Ein derartiger Ausgleich eines beim Prallen oder Reflektieren des Spritzmaterials eintretenden Geschwindigkeitsverlustes ist insofern von Bedeutung, als bei thermischen oder kinetischen Spritzverfahren, insbesondere beim Kaltgasspritzen, eine zum Haften der Partikel am Substrat erforderliche kritische Geschwindigkeit oder Schwellengeschwindigkeit erreicht werden sollte, um eine einwandfreie sowie homogene Anbindung der Partikel an das Substrat zu gewährleisten.
Hierdurch kann eine hohe Auftragsrate und ein hoher Auftragswirkungsgrad (sogenannte deposition efficiency) realisiert werden, wobei sich dieser hohe Auftragswirkungsgrad in einer großen Masse des haftenden Pulvers in Bezug auf die Masse des aufprallenden Pulvers widerspiegelt.
Des Weiteren wird mittels einer derartigen Geschwindigkeitskompensation auch eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Beschichtung erzielt. Hierbei können

– sowohl die innere Festigkeit (sogenannte Cohesive Strength)
– als auch die plastische Verformbarkeit (sogenannte Duktilität)

Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren mindestens einen Ablenkkörper zum Durchführen des Verfahrens gemäß der vorstehend dargelegten Art.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Spritzanlage, insbesondere eine Kaltgasspritzanlage, gekennzeichnet durch mindestens einen Ablenkkörper gemäß der vorstehend dargelegten Art.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Substrat, insbesondere mindestens eine Innen- oder Seitenfläche des Substrats, beschichtet mittels des Verfahrens gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder mittels mindestens einer Spritzanlage gemäß der vorstehend dargelegten Art.
Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung eines Verfahrens gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder mindestens eines Ablenkkörpers gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder mindestens einer Spritzanlage, insbesondere mindestens einer Kaltgasspritzanlage, gemäß der vorstehend dargelegten Art beim Innenbeschichten von Bohrungen oder von Hohlräumen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die dem Anspruch 1 sowie dem Anspruch 8 nachgeordneten Ansprüche verwiesen, andererseits werden weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung nachstehend anhand zweier durch 1A, 1B und durch 2A, 2B, 2C veranschaulichter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
1A in schematischer Darstellung eine exemplarische Ausgestaltung einer Spritzanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ab- oder Umlenkkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung in den Spritzstrahl eingebracht ist;
1B in schematischer Darstellung eine exemplarische Abwandlung der Spritzanordnung aus 1A;
2A in schematischer Darstellung eine exemplarische Ausgestaltung einer Spritzanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ab- oder Umlenkkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung in den Spritzstrahl eingebracht ist;
2B in schematischer Darstellung eine exemplarische Abwandlung der Spritzanordnung aus 2A; und
2C in schematischer Darstellung eine weitere exemplarische Abwandlung der Spritzanordnung aus 2A.
Gleiche oder ähnliche Ausgestaltungen, Elemente oder Merkmale sind in 1A, 1B und in 2A, 2B, 2C mit identischen Bezugszeichen versehen.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Zur Vermeidung überflüssiger Wiederholungen beziehen sich die nachfolgenden Erläuterungen hinsichtlich der Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung (soweit nicht anderweitig angegeben)

– sowohl auf die in 1A, 1B dargestellte erste exemplarische Ausgestaltung einer Spritzanordnung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung
– als auch auf die in 2A, 2B, 2C dargestellte zweite exemplarische Ausgestaltung einer Spritzanordnung 100' gemäß der vorliegenden Erfindung.

Das anhand 1A, 1B veranschaulichte Ausführungsbeispiel einer Spritzanordnung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt den Ausgang 12 einer Düse, zum Beispiel einer Lavaldüse, die einer (aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung in 1A nur in Abrissdarstellung wiedergegebenen) Spritzpistole 10, zum Beispiel Kaltgasspritzpistole, zugeordnet ist.
Um nun mittels des thermischen oder kinetischen Spritzverfahrens ein Innenbeschichten des in 1A dargestellten Substrats 40, nämlich einer Bohrungswand 42, zu realisieren, wird der Spritzstrahl 20 vor dem Aufprall auf die Bohrungswand 42 ab- bzw. umgelenkt.
Hierzu ist in den Strahlengang des Spritzstrahls 20 ein Ablenkkörper bzw. Umlenkkörper 30 mit kegelförmiger Gestalt eingebracht. Dieser Ab- bzw. Umlenkkörper 30 weist eine zum Ablenken des Spritzstrahls 20 bestimmte Mantelfläche 32 auf, die um 45 Grad gegen die ursprüngliche Richtung des Spritzstrahls 20 (= Richtung des Spritzstrahls 20 beim Verlassen der Spritzdüse 12) geneigt ist.
Durch diese Ablenkfläche oder Umlenkfläche 32 (,die auch als Abprallfläche bezeichnet werden kann,) werden die sich im Spritzstrahl 20 befindlichen Partikel (Pulver) um neunzig Grad umgelenkt, bevor die Partikel (das Pulver) mit hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche 42 des Substrats 40 auftreffen (auftrifft) und dort die Beschichtung ausbilden (ausbildet). Durch diese Richtungsänderung des Spritzstrahls 20 wird eine Beschichtung der ansonsten für das Beschichten unzugänglichen oder zumindest sehr erschwert zugänglichen Wand 42 in der Substratbohrung erfindungsgemäß ermöglicht.
Es wird in 1A also auf den Kegel 30 mit einem definierten Winkel gespritzt und auf diese Weise der Spritzstrahl 20 umgelenkt. Der Neigungswinkel der Mantelfläche 32 des Kegels 30 ist in 1A so gewählt, dass der Spritzstrahl 20 um neunzig Grad abgelenkt wird (Einfallswinkel = Ausfallswinkel); die Ab- oder Umlenkung des Spritzstrahls 20 kann aber auch zwischen nur etwa sechzig Grad und bis zu etwa 120 Grad variiert werden.
Der Verbundwerkstoff des kegelförmigen Ab- oder Umlenkkörpers 30 ist härter als das Spritzmaterial (Partikel, Pulver) des Spritzstrahls 20, so dass der Spritzstrahl 20 an der Ablenkfläche 32 im Wesentlichen ohne Geschwindigkeitsverlust reflektiert wird. Hierzu kann der Ab- oder Umlenkkörper 30 eine das Spritzmaterial abstoßende bzw. nicht-haftende (nicht-adhäsive) Oberfläche aufweisen, beispielsweise dergestalt, dass die Ab- oder Umlenkfläche 32 speziell gehärtet und/oder elektrolytisch beschichtet ist.
Eine etwaig infolge des Ablenkens der Teilchen an der durch den Ab- oder Umlenkkörper 30 bereit gestellten Abprallfläche 32 auftretende geringfügige Verminderung der Partikelgeschwindigkeit kann kompensiert werden, indem die Spritzpistole 10 mit Düsenausgang 12 dafür ausgelegt ist, den Spritzstrahl 20 mit einer entsprechend gering fügig erhöhten Ausgangsgeschwindigkeit zu emittieren.
Wie des Weiteren der exemplarischen Darstellung in 1A entnehmbar, ist der Ab- oder Umlenkkegel 30 zentrisch in der von innen zu beschichtenden Bohrung angebracht und kann in Richtung 34 der Symmetrieachse der Bohrung nach oben und nach unten verfahren werden, um auf diese Weise die Bohrung in ihrer gesamten Tiefe von innen homogen zu beschichten (alternativ oder ergänzend kann auch das Spritzwerkzeug 10 nach oben und nach unten verfahren werden; vgl. Bezugszeichen 14 in 2A).
Unabhängig hiervon oder in Verbindung hiermit kann die Bewegung oder der Weg der Spritzpistole 10 kreisförmig bzw. rotierend oder linienförmig bzw. zeilenförmig sein, um zu gewährleisten, dass jeder Bereich der Substratinnen- oder -seitenfläche 42 durch den thermischen oder kinetischen Spritzvorgang in gleicher Intensität erfasst wird, so dass es zu einer einwandfreien sowie homogenen Anbindung des Spritzmaterials 20, insbesondere eines möglichst hohen Anteils der Partikel oder möglichst des gesamten Pulvers, an das Substrat 40 kommt.
In 1B ist der abgewandelte Fall veranschaulicht, dass der Spritzstrahl 20 zentral auf die Spitze des kegelförmigen Ab- oder Umlenkkörpers 30 gerichtet ist. Hierdurch können die Spritzpartikel 20 rotationssymmetrisch in alle Richtungen, das heißt mit einem überstreichbaren Winkel von 360 Grad umgelenkt werden, was sich für das Innenbeschichten der Bohrung in 1B als zweckmäßig erweist.
Beim anhand 2A, 2B, 2C veranschaulichten Ausführungsbeispiel einer Spritzanordnung 100' gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die Umlenkung des Spritzmaterials 20 durch Einbauen oder Einschwenken eines Umlenkblechs 30' mit entsprechendem Auftreffwinkel α (vgl. 2B).
Hierdurch können mit gleichem Spritzabstand Bohrungen mit größerem Durchmesser beschichtet werden, wobei alternativ oder ergänzend auch die Erstreckung der zu beschichtenden Fläche 42 um einen definierten Winkel β (vgl. 2B) gegen die ursprüngliche Richtung des Spritzstrahls 20 (= Richtung des Spritzstrahls 20 beim Verlassen des Spritzwerkzeugs 10) geneigt sein kann.
Exemplarische Zahlenwerte für den Auftreffwinkel α können größenordnungsmäßig im Bereich von etwa zehn Grad bis etwa achtzig Grad, vorteilhafterweise im Bereich von etwa zehn Grad bis etwa sechzig Grad, zum Beispiel im Bereich von etwa zwanzig Grad bis etwa 45 Grad, liegen; exemplarische Zahlenwerte für den Neigungs- oder Anstellwinkel β der zu beschichtenden Wand 42 des Bauteils 40 können größenordnungsmäßig im Bereich von etwa null Grad (= keine Neigung, sondern vertikale Anordnung der zu beschichtenden Wand 42; vgl. 2A) bis etwa sechzig Grad liegen (bei Neigungs- oder Anstellwinkeln β von größer als sechzig Grad wäre bereits ein Auftrag ohne Umlenkkörper 30' möglich).
In 2C ist der Fall mehrerer, nämlich zweier sich in Spritzrichtung hintereinander befindlicher Ab- oder Umlenkkörper 30' dargestellt, deren jeweilige Ab- oder Aufprallflächen 32' eine unterschiedlich starke Neigung gegenüber der ursprünglichen Richtung des Spritzstrahls 20 aufweisen, so dass eine gegenüber der ursprünglichen Richtung des Spritzstrahls 20 sukzessiv stärkere Ab- bzw. Umlenkung des Spritzstrahls 20 erzielt werden kann.
Diese gesamte Ab- bzw. Umlenkung des Spritzstrahls 20 beträgt in 2C mehr als neunzig Grad und ermöglicht demzufolge die Beschichtung einer nach innen geneigten Fläche 42 des Bauteils 40, was in 2C dadurch ermöglicht wird, dass der Strahl nicht nur durch eine, sondern durch eine weitere, schräg in den Strahl 20 eingebrachte Fläche 32' abgelenkt wird.
Im Ergebnis macht sich die vorliegende Erfindung in Bezug auf das Einbringen des Ab- oder Umlenkkörpers 30 (vgl. 1A, 1B) bzw. 30' (vgl. 2A, 2B, 2C) die Tatsache zunutze, dass der Auftragswirkungsgrad (sogenannte deposition efficiency) gering ist, wenn der Unterschied zwischen der Beschichtung 32 (vgl. 1A, 1B) bzw. 32' (vgl. 2A, 2B, 2C) des Ab- oder Umlenkkörpers 30 bzw. 30' und der Härte des Spritzmaterials 20 groß ist.
Auf diese Weise prallen nämlich (nahezu) sämtliche Teilchen des Spritzmaterials 20 an der Oberfläche 32 bzw. 32' des Ab- oder Umlenkkörpers 30 bzw. 30' ab und bleiben nicht an dieser haften, wobei auch der schräge Aufprall der Spritzmaterialteilchen 20 auf die vergleichsweise sehr harte Beschichtung 32 bzw. 32' des Ab- oder Umlenkkörpers 30 bzw. 30' die Tatsache begünstigt, dass kein Auftrag stattfindet. Mithin kommen (nahezu) sämtliche Teilchen des Spritzmaterials 20 der Beschichtung des Substratwerkstoffs 40 unter Einsatz des Spritzwerkstoffs 20 zugute, zum Beispiel bei der Herstellung von Formteilen.
Hierbei ist zu beachten, dass auch nach dem Umlenken der Partikel 20 ein Freistrahl besteht, der die Möglichkeit der Beschichtung auch kleiner dimensionierter Bohrungen eröffnet, wobei

– sowohl die Veränderung des Spritzabstands beim Umlenken des Spritzstrahls 20 mittels des Kegels 30 (vgl. 1A, 1B) bzw. mittels des Ablenkblechs 30' (vgl. 2A, 2B, 2C)
– als auch die potentielle Veränderung der Schichteigenschaften

Im Hinblick auf die vorliegende, anhand von 1A, 1B sowie 2A, 2B, 2C veranschaulichte Erfindung kann das konkret zum Einsatz gelangende thermische oder kinetische Spritzverfahren, sei es das Flammspritzen, das Lichtbogenspritzen, das Plasmaspritzen, das Detonations-Flammspritzen, das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, insbesondere jedoch das Kaltgasspritzen in vielen verschiedenen Industrien für das Auftragen von Beschichtungen 22, so etwa von Schutzbeschichtungen oder von Verschleißbeschichtungen, auf der Basis von metallischen, keramischen, karbidischen oder Verbundwerkstoffen 20 angewendet werden.
Für das Bereitstellen einer Innenbeschichtung 22 von nur unter sehr erschwerten Bedingungen zugänglichen Bohrungen oder Hohlräumen bietet sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere die Technik des Kaltgasspritzens an, das auch als kinetisches Spritzverfahren bezeichnet werden kann und bei dem Gas als Trägermedium komprimiert sowie erwärmt und anschließend durch Entspannen in der Düse 12 beschleunigt wird und sich dabei abkühlt, so dass die Partikel 20 im strahlförmigen Gas beschleunigt werden und nach dem richtungsändernden Prallen am Umlenkkörper 30 (vgl. 1A, 1B) bzw. 30' (vgl. 2A, 2B, 2C) mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat 40 auftreffen.
Neben dem Vorzug, dass beim Kaltgasspritzen Pulver mit gröberen Partikeln in der Regel kostengünstig herzustellen ist, bestehen weitere Vorteile des Kaltgasspritzens gegenüber anderen, seit längerem eingesetzten thermischen oder kinetischen Spritz verfahren auch

– in einem relativ hohen Auftragswirkungsgrad (sogenannte deposition efficiency) von etwa fünfzig Prozent bis zu mehr als etwa 95 Prozent (im Vergleich zu einem Auftragswirkungsgrad von etwa vierzig Prozent bis etwa sechzig Prozent bei den meisten anderen thermischen Spritzverfahren; beim H[igh]V[elocity]O[xy-]F[uel]-Spraying oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen kann unter guten Prozessbedingungen ein Auftragswirkungsgrad von bis zu etwa achtzig Prozent erzielt werden) sowie darin,
– dass der Spritzwerkstoff 20 im Spritzprozess nicht aufgeschmolzen wird; die Haftung der Partikel 20 beruht vielmehr auf ihrer hohen kinetischen Energie beim Aufprall sowie auf der dann durch Verformung an den Grenzflächen zwischen Partikel 20 und Substrat 40 sowie zwischen den Partikeln 20 entstehenden Wärme.

Hierbei haften die Partikel erst bei Überschreiten einer kritischen Geschwindigkeit auf dem Substrat 40, wobei diese Geschwindigkeit

– vom Spritzwerkstoff 20 selbst,
– von der Größe der Partikel und
– von der Temperatur der Partikel im Moment ihres Aufpralls auf das Substrat 40

20

Tobias Schmidt, Frank Gärtner, Hamid Assadi und Heinrich Kreye im Aufsatz "Development of a generalized parameter window for cold spray deposition", Acta Materialia 54 (2006), Seiten 729 bis 742

100: Spritzanlage oder Spritzanordnung, insbesondere Kaltgasspritzanlage oder Kaltgasspritzanordnung (= erstes Ausführungsbeispiel; vgl. 1A, 1B)
100': Spritzanlage oder Spritzanordnung, insbesondere Kaltgasspritzanlage oder Kaltgasspritzanordnung (= zweites Ausführungsbeispiel; vgl. 2A, 2B, 2C)
10: Spritzwerkzeug, insbesondere Spritzpistole, zum Beispiel Kaltgasspritzpistole
12: Ausgang, insbesondere Düsenausgang, des Spritzwerkzeugs 10
14: Bewegungsrichtung des Spritzwerkzeugs 10
20: Spritzmaterial, insbesondere Draht oder Pulver oder Partikel oder Teilchen, bzw. Spritzstrahl
22: Spritzschicht
24: Auftreffort des Spritzstrahls 20 auf das Bauteil oder Substrat oder Werkstück 40
30: Ablenkkörper oder Umlenkkörper, insbesondere Kegel (= erstes Ausführungsbeispiel; vgl. 1A, 1B)
30': Ablenkkörper oder Umlenkkörper, insbesondere Ablenkblech oder Umlenkblech (= zweites Ausführungsbeispiel; vgl. 2A, 2B, 2C)
32: Ablenkfläche oder Abprallfläche oder Aufprallfläche oder Umlenkfläche oder Oberfläche des Ab- oder Umlenkkörpers 30 (= erstes Ausführungsbeispiel; vgl. 1A, 1B)
32': Ablenkfläche oder Abprallfläche oder Aufprallfläche oder Umlenkfläche oder Oberfläche des Ab- oder Umlenkkörpers 30' (= zweites Ausführungsbeispiel; vgl. 2A, 2B, 2C)
34: Bewegungsrichtung des Ab- oder Umlenkkörpers 30
40: Bauteil oder Substrat oder Werkstück
42: zu beschichtende Fläche, insbesondere Innen- oder Seitenfläche, des Bauteils oder Substrats oder Werkstücks 40, zum Beispiel Bohrungswand
α: Winkel zwischen ursprünglicher Richtung des Spritzstrahls 20 und Erstreckung der Ablenkfläche oder Abprallfläche oder Aufprallfläche oder Umlenkfläche oder Oberfläche 32, 32'
β: Winkel zwischen ursprünglicher Richtung des Spritzstrahls 20 und Erstreckung der zu beschichtenden Fläche 42

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/034777 A1 [0008]
- WO 2006/034778 A1 [0008]
- EP 1593437 A1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- "Plasmabeschichtungen von Zylinderkurbelgehäusen und ihre Bearbeitung durch Honen" in MTZ Motortechnische Zeitschrift 62 (2001) 4, Seiten 314 bis 320 [0005]
- Tobias Schmidt, Frank Gärtner, Hamid Assadi und Heinrich Kreye im Aufsatz "Development of a generalized parameter window for cold spray deposition", Acta Materialia 54 (2006), Seiten 729 bis 742 [0063]

Claims

Verfahren zum Beschichten mindestens eines Substrats (40), insbesondere mindestens einer Innen- oder Seitenfläche (42) des Substrats (40), durch thermisches oder kinetisches Spritzen, wobei Spritzmaterial mittels mindestens eines insbesondere strahlförmigen Trägers beschleunigt wird und der hierdurch gebildete Spritzstrahl (20) auf das Substrat (40) auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzstrahl (20) vor dem Aufprall auf das Substrat (40) abgelenkt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim thermischen oder kinetischen Spritzen um das Flammspritzen, um das Lichtbogenspritzen, um das Plasmaspritzen, um das Detonations-Flammspritzen, um das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder vorzugsweise um das Kaltgasspritzen handelt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens einen Ablenkkörper (30; 30') mit mindestens einer zum Ablenken des Spritzstrahls (20) vorgesehenen Ablenkfläche (32; 32'), – die um etwa zwanzig Grad bis etwa 85 Grad, insbesondere um etwa dreißig Grad bis etwa sechzig Grad, zum Beispiel um etwa 45 Grad, gegen die Richtung des Spritzstrahls (20) geneigt ist und/oder – die durch ein Blech oder durch die Mantelfläche eines kegel- oder kegelstumpfförmigen Körpers gebildet ist und/oder – die eine Krümmung aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablenkkörper (30; 30'), insbesondere die Ablenkfläche (32; 32'), aus mindestens einem eine höhere Härte als das Spritzmaterial (20) aufweisenden Material, insbesondere aus mindestens einem Metall, aus mindestens einer Metalllegierung, aus mindestens einer Keramik oder aus mindestens einem Verbundwerkstoff mit metallischen und/oder keramischen und/oder karbidischen Anteilen, gebildet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablenkkörper (30; 30') mindestens eine das Spritzmaterial (20) abstoßende und/oder nicht-haftende Oberfläche (32; 32') aufweist, insbesondere dass der Ablenkkörper (30; 30'), vorzugsweise die Ablenkfläche (32; 32'), zur Verringerung oder Vermeidung des Anhaftens von Spritzmaterial (20) – gehärtet ist und/oder – beschichtet ist, zum Beispiel mit mindestens einem elektrolytisch, aus der Dampfphase, aus der Gasphase oder aus der Schmelzphase aufgebrachten Schichtmaterial versehen ist.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablenkkörper (30; 30') und/oder das zum thermischen oder kinetischen Spritzen vorgesehene Spritzwerkzeug (10), insbesondere die Spritzpistole, in Bezug auf das zu beschichtende Substrat (40) bewegbar, insbesondere translatierbar und/oder rotierbar, zum Beispiel linienförmig translatierbar oder zeilenförmig translatierbar und/oder kreisförmig rotierbar oder spiralförmig rotierbar oder mäanderförmig bewegbar, ist.
Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine beim Ablenken erfolgende Verminderung der Geschwindigkeit des Spritzstrahls (20) durch eine entsprechende Erhöhung der Geschwindigkeit des Spritzstrahls (20) beim Verlassen des Spritzwerkzeugs (10) kompensiert wird.
Ablenkkörper (30; 30') zum Durchführen des Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7.
Ablenkkörper gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch mindestens eine zum Ablenken des Spritzstrahls (20) vorgesehene Ablenkfläche (32; 32'), – die um etwa zwanzig Grad bis etwa 85 Grad, insbesondere um etwa dreißig Grad bis etwa sechzig Grad, zum Beispiel um etwa 45 Grad, gegen die Richtung des Spritzstrahls (20) geneigt ist und/oder – die durch ein Blech oder durch die Mantelfläche eines kegel- oder kegelstumpfförmigen Körpers gebildet ist und/oder – die eine Krümmung aufweist.
Ablenkkörper gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablenkkörper (30; 30'), insbesondere die Ablenkfläche (32; 32'), aus mindestens ei nem eine höhere Härte als das Spritzmaterial (20) aufweisenden Material, insbesondere aus mindestens einem Metall, aus mindestens einer Metalllegierung, aus mindestens einer Keramik oder aus mindestens einem Verbundwerkstoff mit metallischen und/oder keramischen und/oder karbidischen Anteilen, gebildet ist.
Ablenkkörper gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch mindestens eine das Spritzmaterial (20) abstoßende und/oder nicht-haftende Oberfläche (32; 32').
Ablenkkörper gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablenkkörper (30; 30'), insbesondere die Ablenkfläche (32; 32'), zur Verringerung oder Vermeidung des Anhaftens von Spritzmaterial (20) – gehärtet ist und/oder – beschichtet ist, insbesondere mit mindestens einem elektrolytisch, aus der Dampfphase, aus der Gasphase oder aus der Schmelzphase aufgebrachten Schichtmaterial versehen ist.
Spritzanlage (100; 100'), insbesondere Kaltgasspritzanlage, gekennzeichnet durch mindestens einen Ablenkkörper (30; 30') gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12.
Substrat (40), insbesondere Innen- oder Seitenfläche (42) des Substrats (40), beschichtet mittels des Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder mittels mindestens einer Spritzanlage (100) gemäß Anspruch 13.
Verwendung eines Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder mindestens eines Ablenkkörpers (30; 30') gemäß mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12 und/oder mindestens einer Spritzanlage (100; 100') gemäß Anspruch 13 beim Innenbeschichten von Bohrungen oder von Hohlräumen.