DE102008019682A1

DE102008019682A1 - Kaltgasspritzanlage

Info

Publication number: DE102008019682A1
Application number: DE102008019682A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Stier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2009-10-15
Also published as: DK2260119T3; EP2260119B1; CA2721114A1; CN101999011B; EP2260119A2; WO2009124839A2; WO2009124839A3; CN101999011A; US20110094439A1; CA2721114C

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kaltgasspritzanlage (10) mit einer Gasheizeinrichtung (90) und einer an die Gasheizeinrichtung (90) angeschlossenen Stagnationskammer (60). An die Stagnationskammer ist eine Lavaldüse (20) angeschlossen, die ausgangsseitig einen Gasstrom mit darin befindlichen Partikeln (T) mit Überschallgeschwindigkeit abgibt. Kaltgasspritzanlagen dieser Art können beispielsweise dazu verwendet werden, um mit den beschleunigten Partikeln eine Beschichtung auf einer Oberfläche zu erzeugen. Um eine noch bessere Schichtqualität beim Herstellen einer Beschichtung zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein - in Gasströmungsrichtung gesehen - hinter der Gasheizeinrichtung befindlicher Abschnitt der Kaltgasspritzanlage thermisch geschützt ist, indem er innenwandseitig mit einem keramischen Isolationsmaterial, das eine thermische Leitfähigkeit unter 20 W/Km aufweist, verkleidet ist oder aus einem solchen besteht. Die Verkleidung kann beispielsweise durch einen auswechselbaren Einsatz (110, 140) gebildet sein, der die Innenwand des Abschnitts von dem Gasstrom trennt. Ein solcher Einsatz kann beispielsweise eine abschnittsweise zylindrische und abschnittsweise konusförmige, insbesondere kegelstumpfförmige, Hülse aufweisen, deren zylindrischer Abschnitt in der Stagnationskammer und deren konusförmiger Abschnitt in dem zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse eingelegt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kaltgasspritzanlage mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Kaltgasspritzanlage wird beispielsweise von der Firma CGT Cold Gas Technology GmbH unter dem Produktnamen Kinetiks^® 4000 Cold Spray System vertrieben. Die vorbekannte Kaltgasspritzanlage weist eine Gasheizeinrichtung zum Erhitzen eines Gases auf. An die Gasheizeinrichtung ist eine Stagnationskammer angeschlossen, die ausgangsseitig mit einer Lavaldüse verbunden ist. Lavaldüsen weisen bekanntermaßen einen zusammenlaufenden Teilabschnitt, einen sich an den zusammenlaufenden Teilabschnitt anschließenden Düsenhals sowie einen sich an den Düsenhals anschließenden aufweitenden Teilabschnitt auf. Die Lavaldüse gibt ausgangsseitig einen Gasstrom mit darin befindlichen Partikeln in Überschallgeschwindigkeit ab. Kaltgasspritzanlagen der beschriebenen Art können beispielsweise dazu verwendet werden, um mit den beschleunigten Partikeln eine Beschichtung auf einer Oberfläche zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kaltgasspritzanlage anzugeben, mit der sich eine noch bessere Schichtqualität beim Herstellen einer Beschichtung als bisher erreichen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kaltgasspritzanlage mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kaltgasspritzanlage sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein – in Gasströmungsrichtung gesehen – hinter der Gasheizeinrichtung befindlicher Abschnitt der Kaltgasspritzanlage thermisch geschützt ist, in dem er innenwandseitig mit einem keramischen Isolationsmaterial, das eine thermische Leitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit) unter 20 Watt pro Kelvin und Meter (20 W/Km) aufweist, verkleidet ist oder aus einem solchen Material besteht.
Die thermische Leitfähigkeit eines Isolationsmaterials wird üblicherweise für einen Temperaturbereich zwischen 30 und 100°C angegeben, und zwar, wie aufgeführt, in W/(K·m).
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kaltgasspritzanlage ist darin zu sehen, dass sich mit dieser höhere Strömungsgeschwindigkeiten des Gasstromes und damit höhere Partikelgeschwindigkeiten erreichen lassen als bei vorbekannten Kaltgasspritzanlagen. Dies ist konkret darauf zurückzuführen, dass sich aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen thermischen Isolation zumindest eines in Gasströmungsrichtung gesehen hinter der Gasheizeinrichtung befindlichen Abschnitts größere Stagnationstemperaturen des Gases innerhalb der Kaltgasspritzanlage erreichen lassen als bisher. Erfinderseitig wurde erkannt, dass die erreichbaren Strömungsgeschwindigkeiten gegen Atmosphärendruck, und zwar sowohl die des Gasstromes als auch die der darin befindlichen Partikel, vorrangig von der Stagnationstemperatur des Gases und weniger von dem Stagnationsdruck des Gases abhängen. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, indem erfindungsgemäß vorgesehen wird, noch höhere Stagnationstemperaturen als bisher zu ermöglichen; dies wird erreicht, indem ein oder mehrere hinter der Gasheizeinrichtung befindliche Abschnitte gezielt thermisch isoliert bzw. thermisch geschützt werden, um in diesen Abschnitten noch höhere Temperaturen ohne eine Beschädigung von Anla genteilen der Kaltgasspritzanlage zu ermöglichen. Mit anderen Worten besteht der Kern der Erfindung also darin, durch eine zusätzliche thermische Isolation höhere Stagnationstemperaturen zu erzielen, um dadurch höhere Strömungsgeschwindigkeiten der Partikel und damit wiederum höherwertige Beschichtungsqualitäten zu erreichen.
Vorzugsweise ist das Isolationsmaterial durch eines oder mehrere der folgenden Materialien gebildet oder enthält eines oder mehrere dieser zumindest auch: Porzellane, Steatite, Cordieritkeramiken, Aluminiumoxid, insbesondere Zirkoniaverstärktes, Aluminiumsilikat, Aluminiumtitanat, Zirkoniumoxid, insbesondere stabilisierte Varianten, Oxide von Magnesium, Beryllium oder Titan, Siliziumnitrid, poröses Siliziumkarbid, insbesondere nitridgebundenes oder rekristallisiertes.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verkleidung durch einen Einsatz gebildet ist, der ganz oder zum Teil aus dem Isolationsmaterial besteht und derart in dem thermisch zu schützenden Abschnitt der Kaltgasspritzanlage eingelegt ist, dass er die Innenwand des Abschnitts von dem Gasstrom trennt. Bei dieser Ausgestaltung wird erreicht, dass im Falle eines Verschleißes des thermischen Isolationsmaterials dieses besonders einfach und damit vorteilhaft ausgetauscht werden kann.
Alternativ kann die Verkleidung durch eine Beschichtung aus dem Isolationsmaterial gebildet sein, die auf der Innenwand des Abschnitts aufgebracht ist und die Innenwand des Abschnitts von dem Gasstrom trennt.
Besonders bevorzugt liegt der thermisch geschützte Abschnitt in dem zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse, um eine thermische Belastung und Verformung dieses für die Strahlbildung und Beschleunigung des Gases relevanten Teilabschnitts zu vermeiden.
Vorzugsweise ist zumindest ein Teil des Einsatzes durch eine konusförmige, insbesondere kegelstumpfförmige, Hülse gebildet, die in den zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse eingelegt ist. Bei einer solchen Ausgestaltung ist ein besonders einfacher Austausch des Einsatzes im Falle eines Materialverschleißes möglich.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der thermisch geschützte Abschnitt in der Stagnationskammer liegt.
Vorzugsweise erstreckt sich der thermisch geschützte Abschnitt von der Stagnationskammer aus in den zusammenlaufenden Teil der Lavaldüse. Beispielsweise wird die thermische Isolation durch einen Einsatz erreicht, der durch eine abschnittsweise zylindrische und abschnittsweise konusförmige, insbesondere kegelstumpfförmige, Hülse gebildet ist, deren zylindrischer Abschnitt in der Stagnationskammer und deren konusförmiger Abschnitt in den zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse eingelegt ist. Auch kann sich der thermisch geschützte Abschnitt bis in den Düsenhals hinein und/oder durch diesen hindurch erstrecken.
Im Hinblick auf eine kostengünstige Wartung der Kaltgasspritzanlage wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Stagnationskammer geöffnet werden kann und der Einsatz und die Stagnationskammer derart ausgestaltet sind, dass der Einsatz von der Stagnationskammer aus ausgetauscht werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage, bei der der zusammenlaufende Teilabschnitt der Lavaldüse der Kaltgasspritzanlage thermisch geschützt ist,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage, bei der die Stagnationskammer thermisch geschützt ist,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage, bei der ein Abschnitt der Stagnationskammer der Kaltgasspritzanlage sowie der daran angrenzende zusammenlaufende Teilabschnitt der Lavaldüse thermisch geschützt ist, und
4 ein Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage, bei der sich der thermisch geschützte Abschnitt von der Stagnationskammer über den zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse bis in den sich aufweitenden Teilabschnitt der Lavaldüse erstreckt.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
In der 1 erkennt man eine Kaltgasspritzanlage 10, die mit einer Lavaldüse 20 ausgestattet ist. Die Lavaldüse 20 umfasst einen zusammenlaufenden Teilabschnitt 30 und einen sich aufweitenden Teilabschnitt 40. Der zusammenlaufende Teilabschnitt 30 und der sich aufweitende Teilabschnitt 40 sind durch einen Düsenhals 50, bei dem der Querschnitt der Lavaldüse 20 minimal ist, voneinander getrennt.
An den zusammenlaufenden Teilabschnitt 30 der Lavaldüse 20 ist eine Stagnationskammer 60 angeschlossen. Wie sich in der 1 erkennen lässt, ist die Querschnittsfläche A der Stagnationskammer 60 sehr viel größer als die Querschnittsfläche A' im Bereich des Düsenhalses 50, so dass es im Bereich des Düsenhalses 50 sowie in dem sich daran anschließenden, sich aufweitenden Teilabschnitt 40 zu einer signifikanten Beschleunigung eines durch die Lavaldüse 20 hindurchtretenden Gasstromes P kommt. Die relativ geringe Gasstromgeschwindigkeit (0 ≈ Machzahl ≪ 1) in der Stagnationskammer 60 ist mit dem Bezugszeichen Vu und die hohe Überschall-Gasstromgeschwindigkeit (Machzahl > 1) im Teilabschnitt 40 mit dem Bezugszeichen Vo gekennzeichnet.
In die Stagnationskammer 60 hinein erstreckt sich eine Partikeleinspeisungseinrichtung 80, die Partikel T in das in der Stagnationskammer 60 befindliche Gas G einspeist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 werden die Partikel T seitlich vom Rand in die Stagnationskammer 60 eingespeist; dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen: Die Partikel T können mittig oder unter anderen räumlichen Winkeln als in der 1 dargestellt in die Stagnationskammer 60 eingespeist werden.
In Gasströmungsrichtung gesehen vor der Stagnationskammer 60 ist eine Gasheizeinrichtung 90 angeordnet, die das Gas G aufwärmt, bevor es in die Stagnationskammer 60 und in die Lavaldüse 20 gelangt.
Die Kaltgasspritzanlage 10 gemäß der 1 lässt sich wie folgt betreiben:
Mit der Partikeleinspeisungseinrichtung 80 werden die Partikel T in das in der Stagnationskammer 60 befindliche Gas G eingespeist. Aufgrund des großen Querschnitts A in der Stagnationskammer 60 ist die Gasstromgeschwindigkeit Vu des Gasstromes P von der Stagnationskammer 60 in die Lavaldüse 20 noch relativ klein (0 ≈ Machzahl ≪ 1). Erst im Bereich des Düsenhalses 50 kommt es zu einer erheblichen Beschleunigung des Gasstromes P, wodurch sich im aufweitenden Teilabschnitt 40 eine Gasstromgeschwindigkeit Vo des Gasstromes P im Überschallbereich (Machzahl > 1) ergibt.
Um eine möglichst große Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes P im Teilabschnitt 40 zu erreichen, wird in der Stagnationskammer 60 eine möglichst hohe Gastemperatur eingestellt. Um dabei zu vermeiden, dass in dem zusammenlaufenden Teilabschnitt 30 der Lavaldüse 20 eine Überhitzung und damit einhergehend eine Deformation oder Zerstörung der Lavaldüse 20 auftreten kann, ist diese mit einem thermischen Isolationsmaterial 100 verkleidet oder beschichtet. Das thermische Isolationsmaterial 100 weist eine thermische Leitfähigkeit unter 20 W/Km auf.
Das Isolationsmaterial 100 kann beispielsweise durch eines oder mehrere der folgenden Keramik-Materialien gebildet sein oder diese zumindest auch enthalten: Porzellane, Steatite, Cordieritkeramiken, Aluminiumoxid, insbesondere Zirkoniaverstärktes, Aluminiumsilikat, Aluminiumtitanat, Zirkoniumoxid, insbesondere stabilisierte Varianten, Oxide von Magnesium, Beryllium oder Titan, Siliziumnitrid, poröses Siliziumkarbid, insbesondere nitridgebundenes oder rekristallisiertes.
Beispielsweise ist in dem zusammenlaufenden Teilabschnitt 30 der Lavaldüse 20 die Verkleidung durch einen konusförmigen, insbesondere kegelstumpfförmigen, Einsatz 110 gebildet, der ganz oder zum Teil aus dem genannten thermischen Isolationsmaterial 100 besteht und in die Lavaldüse 20 eingelegt bzw. eingeschoben ist. Durch den Einsatz 110 wird der Gasstrom P von der Innenwand 120 der Lavaldüse 20 getrennt, so dass die Innenwand 120 im Bereich des Einsatzes 110 thermisch geschützt wird.
Vorzugsweise kann die Stagnationskammer 60 an ihrer in der 1 linken oder rechten Seite geöffnet werden, um den Einsatz 110 im Falle eines Verschleißes aus der Lavaldüse 20 herausziehen und austauschen zu können.
In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage 10 gezeigt. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Stagnationskammer 60 thermisch geschützt. So erkennt man in der 2, dass die Innenwand 130 der Stagnationskammer 60 mit dem thermischen Isolationsmaterial 100 verkleidet oder beschichtet ist. Beispielsweise wird die Verkleidung durch einen Einsatz 140 gebildet, der aus dem thermischen Isolationsmaterial 100 besteht oder dieses aufweist und von innen an der Innenwand 130 anliegt. Der Einsatz 140 kann beispielsweise zumindest abschnittsweise durch eine zylindrische Einschubhülse gebildet sein. Vorzugsweise kann die Einschubhülse im Falle eines Verschleißes von der in der 2 linken oder rechten Seite der Stagnationskammer 60 aus ausgetauscht werden.
In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage 10 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der an die Lavaldüse 20 angrenzende Innenwandabschnitt 200 der Stagnationskammer 60 sowie der Innenwandab schnitt 210 des zusammenlaufenden Teilabschnitts 30 der Lavaldüse 20 thermisch geschützt. Beispielsweise sind die beiden Innenwandabschnitte 200 und 210 mit einem Einsatz 220 in Form einer Hülse oder Einschubhülse verkleidet, die von der Stagnationskammer 60 aus in diese sowie in die Lavaldüse 20 eingesetzt worden ist. Vorzugsweise ist die Einschubhülse 220 auswechselbar, so dass sie im Falle eines Verschleißes ausgewechselt werden kann. Wie sich in der 3 erkennen lässt, ist die Einschubhülse 220 abschnittsweise zylindrisch und abschnittsweise konusförmig, wobei der zylindrische Abschnitt in der Stagnationskammer 60 und der konusförmige Abschnitt in dem zusammenlaufenden Teilabschnitt 40 der Lavaldüse 20 eingelegt bzw. eingeschoben ist.
In der 4 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Kaltgasspritzanlage 10 gezeigt, bei der die Stagnationskammer 60, der zusammenlaufende Teilabschnitt 30 der Lavaldüse 20, der Düsenhals 50 sowie ein Unterabschnitt 310 des sich aufweitenden Teilabschnitts 40 der Lavaldüse 20 thermisch isoliert sind. Beispielsweise ist auf die genannten Abschnitte eine Beschichtung aus einem thermischen Isolationsmaterial aufgebracht, das eine thermische Leitfähigkeit unter 20 W/Km aufweist. Alternativ können die Stagnationskammer 60, der Teilabschnitt 30, der Düsenhals 50 und der Unterabschnitt 310 auch massiv aus einem thermischen Isolationsmaterial bestehen, das eine Leitfähigkeit unter 20 W/Km aufweist.

Claims

Kaltgasspritzanlage (10) mit – einer Gasheizeinrichtung (90), – einer an die Gasheizeinrichtung (90) mittelbar oder unmittelbar angeschlossenen Stagnationskammer (60) und – einer Lavaldüse (20), die eingangsseitig an die Stagnationskammer (60) angeschlossen ist und ausgangsseitig einen Gasstrom (P) mit darin befindlichen Partikeln (T) mit Überschallgeschwindigkeit abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest ein – in Gasströmungsrichtung gesehen – hinter der Gasheizeinrichtung (90) befindlicher Abschnitt der Kaltgasspritzanlage thermisch geschützt ist, – indem er innenwandseitig mit einem keramischen Isolationsmaterial, das eine thermische Leitfähigkeit unter 20 W/Km aufweist, verkleidet ist oder aus einem solchen besteht.
Kaltgasspritzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial durch eines oder mehrere der folgenden Materialien gebildet ist oder eines oder mehrere dieser zumindest auch enthält: Porzellane; Steatite; Cordieritkeramiken; Aluminiumoxid, insbesondere Zirkonia-verstärktes; Aluminiumsilikat; Aluminiumtitanat; Zirkoniumoxid, insbesondere stabilisierte Varianten; Oxide von Magnesium, Beryllium oder Titan; Siliziumnitrid; poröses Siliziumkarbid, insbesondere nitridgebundenes oder rekristallisiertes.
Kaltgasspritzanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleidung durch einen Einsatz (110, 140) gebildet ist, der ganz oder zum Teil aus dem Isolationsmaterial besteht und derart in den thermisch geschützten Abschnitt der Kaltgasspritzanlage eingelegt ist, dass er die Innenwand des Abschnitts von dem Gasstrom trennt.
Kaltgasspritzanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleidung durch eine Beschichtung aus dem Isolationsmaterial gebildet ist, die auf der Innenwand des Abschnitts aufgebracht ist und die Innenwand des Abschnitts von dem Gasstrom trennt.
Kaltgasspritzanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch geschützte Abschnitt in dem zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse liegt.
Kaltgasspritzanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Einsatzes durch eine konusförmige, insbesondere kegelstumpfförmige, Hülse gebildet ist, die in den zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse eingelegt ist.
Kaltgasspritzanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermisch geschützte Abschnitt in der Stagnationskammer liegt.
Kaltgasspritzanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der thermisch geschützte Abschnitt von der Stagnationskammer aus in den zusammenlaufenden Teil der Lavaldüse erstreckt.
Kaltgasspritzanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz eine abschnittsweise zylindrische und abschnittsweise konusförmige, insbesondere kegelstumpfförmige, Hülse aufweist, deren zylindrischer Abschnitt in der Stagnationskammer und deren konusförmiger Abschnitt in den zusammenlaufenden Teilabschnitt der Lavaldüse eingelegt ist.
Kaltgasspritzanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass sich der thermisch geschützte Abschnitt bis in den Düsenhals hinein und/oder durch diesen hindurch erstreckt.
Kaltgasspritzanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Stagnationskammer (60) geöffnet werden kann und – der Einsatz und die Stagnationskammer derart ausgestaltet sind, dass der Einsatz von der Stagnationskammer aus ausgetauscht werden kann.