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HINTERGUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kaltsprühdüse.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Herkömmlich
ist ein Verfahren bekannt, bei welchem auf einer Fläche
eines Basisglieds mittels einer Kaltsprühtechnik ein Film
gebildet wird. Bei dieser Technik werden Partikel eines Filmmaterials
in einem Gas getragen, welches eine Temperatur aufweist, die niedriger
ist als ein Schmelzpunkt oder ein Erweichungspunkt des Filmmaterials,
und welches mit Überschallgeschwindigkeit strömt,
um mit der Fläche des Basisglieds zu kollidieren (auf diese
gesprüht zu werden). Wenn die Partikel des Filmmaterials
mit hoher Geschwindigkeit mit der Fläche des Basisglieds
kollidieren, wird der Film gemäß dieser Technik
dadurch gebildet, dass sich die Partikel plastisch verformen, wobei
sie eine Festphase beibehalten. Gemäß einer solchen
Kaltsprühtechnik ist es möglich, auf der Fläche
des Basisglieds einen Film zu bilden, der eine feine Zusammensetzung
und eine hohe Dichte aufweist.
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Eine
aus rostfreiem Stahl, aus Werkzeugstahl, aus einer Stahlhartlegierung
oder dergleichen gebildete Lavaldüse ist allgemein als
Düse zum Kaltsprühen bekannt. Wenn unter Verwendung
einer solchen Düse Partikel aus Aluminium als Filmmaterial
versprüht werden, können die Aluminiumpartikel an
einer Innenfläche der Düse anhaften, und darüber hinaus
kann die Düse aufgrund der anhaftenden Aluminiumpartikel
verstopfen. Falls die Düse verstopft ist, ist es notwendig,
den Kaltsprühvorgang zu unterbrechen, um die Düse
zu ersetzen. 3A ist eine Querschnittsansicht,
die eine herkömmliche Kaltsprühdüse zusammen
mit Strömungslinien eines in der Düse strömenden
Wirkgases (Prozessgases) zeigt, 3B ist
eine vergrößerte Teilansicht eines Abschnitts
IIIb in 3A, und 3C ist
ein konzeptionelles Diagramm, welches zeigt, wie die herkömmliche
Kaltsprühdüse verstopft ist.
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Wenn,
wie in 3A gezeigt, ein Wirkgas G, wie
beispielsweise Stickstoff oder Helium, in eine Kaltsprühdüse 11 eingeführt
wird, steigt an einem Drosselabschnitt 14 die Temperatur
des Wirkgases G an. Im Gegensatz dazu wird, wie in 3B gezeigt, an
einem stromabwärts des Drosselabschnitts 14 ausgebildeten,
sich erweiternden Abschnitt 15, und zwar in Nachbarschaft
einer Wand der Kaltsprühdüse 11, eine
Turbulenz T eines Stroms des Wirkgases G verursacht. Dementsprechend
wird die Reibung zwischen von dem Wirkgas G getragenen Aluminiumpartikeln
(in der Figur nicht gezeigt) und der Wand der Kaltsprühdüse 11 insbesondere
am erweiterten Abschnitt 15 stark, so dass die Temperatur
der Wand ansteigt. Aufgrund dieser Reibungswärme und dem Temperaturanstieg
im Wirkgas G am Drosselabschnitt 14 wird die Temperatur
der Wand des sich erweiternden Abschnitts 15 daher höher
als jene einer Wand anderer Abschnitte. Das heißt, dass
an dem sich erweiternden Abschnitt 15 ein sogenannter Wärmepunkt
erzeugt wird.
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Infolgedessen
bilden sich, wie in 3C gezeigt, bei der herkömmlichen
Kaltsprühdüse 11 hauptsächlich
am sich erweiternden Abschnitt 15 Anhaftungen A von Aluminiumpartikeln,
so dass die Düse 11 verstopft. Unter einer nachstehend
erwähnten Sprühbedingung, bei welcher die Temperatur
von Aluminiumpartikeln auf 400°C und die Geschwindigkeit
von Aluminiumpartikeln auf 600 m/s festgesetzt werden und eine aus
Werkzeugstahl gebildete, herkömmliche Kaltsprühdüse 11 verwendet
wird, hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung bestätigt,
dass die Düse 11 innerhalb weniger Minuten verstopft, wenn
eine Temperatur eines Wirkgases (Stickstoffgases) 550°C übersteigt.
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Die
JP 2005-95886 A offenbart
beispielsweise eine Kaltsprühdüse, die einen auswechselbaren, zylindrischen
Abschnitt aufweist, der stromabwärts eines sich erweiternden
Abschnitts vorgesehen ist.
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Diese
Kaltsprühdüse erleichtert die Wartung einer Wand
des erweiterten Abschnitts durch Entfernen des zylindrischen Abschnitts.
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Die
vorangehende Kaltsprühdüse erleichtert die Wartung
des erweiterten Abschnitts, weist aber dennoch das Problem auf,
dass der Kaltsprühvorgang zum Entfernen von anhaftenden
Aluminiumpartikeln von der Düse unterbrochen werden muss.
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Daher
ist es erwünscht, eine Kaltsprühdüse vorzusehen,
die in der Lage ist zu verhindern, dass Aluminiumpartikel an einer
Innenfläche der Düse anhaften.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kaltsprühdüse
vorzusehen, die in der Lage ist zu verhindern, dass Aluminiumpartikel
an einer Innenfläche der Düse anhaften.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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Um
diese Aufgabe zu erfüllen, weist eine Kaltsprühdüse
zum Versprühen von Aluminiumpartikeln gemäß der
vorliegenden Erfindung eine Innenfläche auf, die mit einer
multikristallinen Diamant-CVD-Beschichtung bedeckt ist.
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Der
Erfinder der vorliegenden Erfindung hat neu herausgefunden, dass
das Bilden einer multikristallinen Diamant-CVD-Beschichtung auf
einer Innenfläche der Kaltsprühdüse die
Härte, die Schlagfestigkeit sowie die Wärmebeständigkeit
der Innenfläche verbessert und außerdem das Anhaften
von Aluminiumpartikeln an der Innenfläche verhindert.
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Gemäß der
erfindungsgemäßen Kaltsprühdüse
ist es möglich zu verhindern, dass Aluminiumpartikel an
der Innenfläche der Düse anhaften.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICNHUNGEN
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1A ist
eine Querschnittsansicht einer Kaltsprühdüse gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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1B ist
eine vergrößerte Teilansicht eines Abschnitts
Ib in 1A;
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2 ist
ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Temperatur [°C]
und der Geschwindigkeit [m/s] von Aluminiumpartikeln zeigt, wenn
man eine Düse unter einer Sprühbedingung verwendet,
ohne dass sie dabei verstopfen würde;
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3A ist
eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Kaltsprühdüse
zusammen mit Strömungslinien eines in der Düse
strömenden Wirkgases (Prozessgases);
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3B ist
eine vergrößerte Teilansicht eines Abschnitts
IIIb in 3A;
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3C ist
ein konzeptionelles Diagramm, welches zeigt, wie die herkömmliche
Kaltsprühdüse verstopft ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Nachstehend
wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1A zeigt eine
Querschnittsansicht einer Kaltsprühdüse gemäß der
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 1B ist
eine vergrößerte Teilansicht eines Abschnitts
Ib in 1A.
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Wie
in 1A gezeigt, weist eine Kaltsprühdüse 1 (nachstehend
auch ”Düse 1” genannt) eine mit einer
multikristallinen Diamant-CVD-Beschichtung bedeckte Innenfläche
auf. Wie in den 1A und 1B gezeigt,
umfasst die Düse 1 insbesondere eine auf einer
Innenwand einer Düsenbasis 2 gebildete, multikristalline
Diamant-CVD-Beschichtung 3.
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Die
Düse 1 weist die Gestalt einer im Wesentlichen
zylindrischen Lavaldüse auf, und durch die Düse 1 hindurch
strömt Aluminiumpulver (Aluminiumpartikel) tragendes Wirkgas
(Prozessgas), wie beispielsweise Stickstoff oder Helium. In der
Düse 1 sind ein Drosselabschnitt 4 und
ein stromabwärts des Drosselabschnitts 4 ausgebildeter,
erweiterter Abschnitt 5 vorgesehen.
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Die
Düsenbasis 2 weist im Wesentlichen die gleiche
Gestalt auf wie die Düse 1 und kann aus einem
Stahlmaterial gebildet sein. Beispiele des gewünschten
Materials der Düsenbasis 2 sind insbesondere ein
kohlenstoffarmer Stahl, ein Titanlegierungsstahl, ein Molybdänlegierungsstahl
und ein Titan-Zirkon-Molybdän-Stahl.
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Die
multikristalline Diamant-CVD-Beschichtung 3 wird mittels
einer herkömmlich bekannten Technik, wie beispielsweise
einer CVD-Technik, gebildet.
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Die
Düse 1 der Ausführungsform ist für
eine Aluminiumpartikel verwendende Kaltsprühtechnik geeignet.
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Es
besteht keine Beschränkung bezüglich der Partikel
(Aluminiumpartikel) der Aluminiumpulver. Wenn die Düse 1 der
Ausführungsform verwendet wird, wie nachstehend erörtert,
kann das Kaltsprühen insbesondere unter einer Bedingung
ausgeführt werden, die jenseits der kritischen Bedingungen
von herkömmlichen Kaltsprühdüsen liegt,
so dass beispielsweise eine Temperatur des Wirkgases auf einen höheren
Wert festgesetzt werden kann als die herkömmliche Temperatur.
Dementsprechend können in der Kaltsprühdüse 1 Aluminiumpulver
(Aluminiumpartikel) verwendet werden, bei welchen man davon ausgegangen
ist, dass sie nicht dazu geeignet sind, durch die herkömmlichen
Kaltsprühdüsen einen guten Film zu erwirken, da
die Aluminiumpulver zwar eine relativ hohe Härte aufweisen,
aber zerbrechlich sind.
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Beispiele
des Wirkgases (Prozessgases) sind Stickstoffgas und Heliumgas. Man
beachte, dass bei der Verwendung von Stickstoffgas als Wirkgas Aluminiumpartikel
verwendet werden können, die alle einen relativ großen
Durchmesser (eine relativ große Masse) aufweisen. Wenn
als Wirkgas Heliumgas verwendet wird, in welchem Fall es möglich ist,
die Geschwindigkeit des Wirkgases zu erhöhen, können
darüber hinaus die Sprühgeschwindigkeiten der
Aluminiumpartikel erhöht werden.
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Da
die Innenfläche der vorangehenden Düse 1 mit
einer multikristallinen Diamant-CVD-Beschichtung bedeckt ist, ist
es beispielsweise entsprechend möglich zu verhindern, dass
Metallpartikel wie Aluminiumpartikel an der Innenfläche
anhaften. Infolgedessen kann im Vergleich mit herkömmlichen Kaltsprühdüsen
(ohne multikristalline Diamant-CVD-Beschichtung 3) ein
Verstopfen durch die versprühten Metallpartikel selbst
dann vermieden werden, wenn die Temperatur des Wirkgases und dessen
Strömungsgeschwindigkeit erhöht sind, so dass
schwerere Metallpartikel verwendet werden können.
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Da
die Düse 1 die mit der multikristallinen Diamant-CVD-Beschichtung
bedeckte Innenfläche aufweist, können darüber
hinaus die Härte der Innenfläche und deren Schlagfestigkeit
verbessert werden.
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Da
die Düse 1 die mit der multikristallinen Diamant-CVD-Beschichtung
bedeckte Innenfläche aufweist, kann ferner die Wärmebeständigkeit
der Innenfläche verbessert werden, was das Erhöhen
der Kaltsprühtemperatur zulässt. Infolgedessen
kann der Auswahlbereich für die Auswahl einer zur Bildung
eines guten Films geeigneten Art von Aluminium erweitert werden.
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Des
Weiteren kann das Bilden der multikristallinen Diamant-CVD-Beschichtung
auf der Innenfläche der Düse 1 die Wärmeleitfähigkeit
auf der Innenfläche erhöhen, was dazu führt,
dass jegliche Erzeugung eines Wärmepunkts, d. h. einer
lokalen Temperaturerhöhung, unterbunden wird. Daher kann
die Düse 1 das Sich-Festsetzen oder Anhaften von
Partikeln verhindern.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangehende Ausführungsform
beschränkt und kann auf verschiedene Arten verändert
oder abgewandelt werden.
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In
der vorangehenden Ausführungsform wird angenommen, dass
die multikristalline Diamant-CVD-Beschichtung über der
gesamten Innenfläche der Düse 1 gebildet
ist, wobei die vorliegende Erfindung allerdings nicht darauf beschränkt
ist. Die multikristalline Diamant-CVD-Beschichtung 3 kann beispielsweise
nur auf der Innenfläche des erweiterten Abschnitts 5 gebildet
sein.
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Als
Nächstes folgt eine Erläuterung von Beispielen,
bei welchen die Wirkung der vorliegenden Erfindung bestätigt
wurde.
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[Beispiele]
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In
einem in den 1A und 1B gezeigten
Beispiel wurde die multikristalline Diamant-CVD-Beschichtung 3 über
der gesamten Innenfläche einer aus einem Werkzeugstahl
gebildeten Düsenbasis 2 gebildet. Die multikristalline
Diamant-CVD-Beschichtung 3 wurde mittels CVD gebildet.
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Als
Nächstes wurde in dem Beispiel angenommen, dass diese Düse 1 für
das Kaltsprühen verwendet wurde, wobei ein Aluminiumpulver
(Aluminiumpartikel) tragendes Stickstoffgas (Wirkgas) aus der Düse 1 gesprüht
wurde. Der Durchmesser des Aluminiumpulvers betrug 25 μm
bis 45 μm. In 2 ist eine Sprühbedingung
gezeigt. 2 ist ein Diagramm, welches
die Beziehung zwischen einer Temperatur [0°] von Aluminiumpartikeln
und deren Geschwindigkeit [m/s] zeigt, wenn man eine Düse
unter einer Sprühbedingung verwendete, ohne dass sie dabei
verstopfen würde. In der Figur ist eine Temperatur [°C]
der Aluminiumpartikel als Partikeltemperatur [°C] bezeichnet,
ist eine Geschwindigkeit [m/s] der Aluminiumpartikel als Partikelgeschwindigkeit
[m/s] bezeichnet und ist eine Temperatur des Wirkgases als [Gastemperatur]
bezeichnet (wobei dies auch auf das Vergleichsbeispiel 1 und das
Vergleichsbeispiel 2 zutrifft).
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Wie
in 2 gezeigt, ist das Sprühen in dem Beispiel
dreimal durchgeführt worden, und zwar unter einer Bedingung,
gemäß welcher die Temperatur der Aluminiumpartikel
auf 500°C festgesetzt worden ist und deren Geschwindigkeit
auf ungefähr 700 m/s festgesetzt worden ist, und ist bei
dem dreimal ausgeführten Sprühen kein Verstopfen
der Düse 1 durch die Aluminiumpartikel aufgetreten.
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Man
beachte, dass die Gastemperatur des Stickstoffgases 40°C
bis 700°C betragen hat.
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[Vergleichsbeispiel 1]
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Im
Vergleichsbeispiel 1 ist eine Düsenbasis 2 ohne
multikristalline Diamant-CVD-Beschichtung 3 verwendet und
ein Aluminiumpulver (Aluminiumpartikel) tragendes Stickstoffgas
(Wirkgas) versprüht worden. Der Durchmesser des Aluminiumpulvers
hat 25 μm bis 45 μm betragen. In 2 ist
eine Sprühbedingung gezeigt. Eine gestrichelte Linie in 2 ist
eine Linie, die eine kritische Bedingung C einer Temperatur von
Aluminiumpartikeln (Partikeltemperatur) und einer Geschwindigkeit
von Aluminiumpartikeln (Partikelgeschwindigkeit) anzeigt, bei welcher
die Düsenbasis 2 nicht verstopfen würde,
wenn man die Düsenbasis 2 ohne multikristalline
Diamant-CVD-Beschichtung 3 verwendete.
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Wie
in 2 gezeigt, sind im Vergleichsbeispiel 1 die Partikeltemperatur
[°C] und die Partikelgeschwindigkeit [m/s] derart festgesetzt
worden, dass eine Sprühbedingung unter der mittels der
gestrichelten Linie in 2 angezeigten, kritischen Bedingung C
bleiben würde, und ist das Sprühen dreimal durchgeführt
worden. Eine Gastemperatur des Stickstoffgases hat 40°C
bis 400°C betragen. In dem Vergleichsbeispiel 1 ist die
Düsenbasis 2 nicht durch die Aluminiumpartikel
verstopft worden, da man die Sprühbedingung unter der kritischen
Bedingung C festgesetzt hat.
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[Vergleichsbeispiel 2]
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Im
Vergleichsbeispiel 2 ist eine Düsenbasis 2 ohne
multikristalline Diamant-CVD-Beschichtung 3 verwendet und
ein Aluminiumpulver (Aluminiumpartikel) tragendes Stickstoffgas
(Wirkgas) versprüht worden. Der Durchmesser der Aluminiumpartikel
hat 25 μm bis 45 μm betragen. In 2 ist
eine Sprühbedingung gezeigt.
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Wie
in 2 gezeigt, hat man das Sprühen in dem
Vergleichsbeispiel 2 dreimal ausgeführt, und zwar unter
einer Bedingung, die der mittels der gestrichelten Linie in 2 angezeigten,
kritischen Bedingung C nahe kommt. Eine Gastemperatur des Stickstoffgases
hat im Vergleichsbeispiel 240°C bis 550°C betragen.
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Es
ist in der Figur nicht dargestellt, aber es ist bestätigt
worden, dass sich eine Düse 1 innerhalb weniger
Minuten verstopft hat, wenn die Temperatur des Wirkgases (Stickstoffgases)
unter einer Sprühbedingung, gemäß welcher
die Temperatur von Aluminiumpartikeln auf 400°C festgesetzt
worden ist und die Geschwindigkeit von Aluminiumpartikeln auf 600 m/s
festgesetzt worden ist, 550°C überstiegen hat.
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[Bewertung für die Düse
des Beispiels und für jene des Vergleichsbeispiels]
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Es
ist bestätigt worden, dass bei der Verwendung der Düse 1 des
Beispiels, die auf der Innenfläche der Düse 1 die
multikristalline Diamant-CVD-Beschichtung 3 aufweist, kein
Verstopfen durch Aluminiumpartikel auftreten würde, und
zwar selbst dann, wenn man die Temperatur von Aluminiumpartikeln (Partikeltemperatur)
und die Geschwindigkeit von Aluminiumpartikeln (Partikelgeschwindigkeit)
in einem Bereich festgesetzt hätte, der jenseits der mittels
der gestrichelten Linie in 2 angezeigten,
kritischen Bedingung C liegt.
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In
dem Vergleichsbeispiel 2, in welchem die Düsenbasis 2 ohne
multikristalline Diamant-CVD-Beschichtung 3 verwendet und
eine Sprühbedingung nahe der kritischen Bedingung C festgesetzt
worden ist, hat die Maximaltemperatur des Wirkgases, bei welcher
kein Verstopfen verursacht wurde, 550°C betragen (siehe 2).
Gemäß der Düse 1 des Beispiels
mit multikristalliner Diamant-CVD-Beschichtung 3 hat die
Maximaltemperatur des Wirkgases, bei welcher kein Verstopfen verursacht
worden ist, im Gegensatz dazu 700°C betragen (siehe 2).
Das heißt, dass im Vergleich mit der Düsenbasis 2 ohne multikristalline
Diamant-CVD-Beschichtung 3 gemäß der
Düse 1 des Beispiels mit multikristalliner Diamant-CVD-Beschichtung 3 bestätigt
worden ist, dass diese bezüglich der Maximaltemperatur
des Wirkgases einen Vorteil von 150°C aufweist.
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Der
Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kaltsprühdüse
vorzusehen, die in der Lage ist zu verhindern, dass Aluminiumpartikel an
einer Innenfläche anhaften. Eine Kaltsprühdüse 1 gemäß der
vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenfläche
der Kaltsprühdüse 1 zum Versprühen
von Aluminiumpartikeln mit einer multikristallinen Diamant-CVD-Beschichtung bedeckt
ist. Durch das Bilden einer multikristallinen Diamant-CVD-Beschichtung 3 auf
einer Innenfläche einer vorbestimmten Düsenbasis 2 wird
in der Kaltsprühdüse 1 verhindert, dass
die mit einem Wirkgas (Prozessgas) strömenden Aluminiumpartikel
an der Innenfläche der Kaltsprühdüse 1 anhaften.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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