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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen mittels Spritzen von Festkörperpartikeln, bei dem die Festkörperpartikel mit einem Gasstrom einen Partikelstrom ausbilden, der mit hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet wird.
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STAND DER TECHNIK
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Im Stand der Technik ist eine Vielzahl unterschiedlicher Beschichtungsverfahren bekannt, bei denen der Beschichtungswerkstoff auf unterschiedliche Art und Weise auf dem zu beschichtenden Bauteil bzw. Substrat abgeschieden wird. So sind im Stand der Technik Spritzverfahren bekannt, bei denen Pulver, d. h. Festkörperpartikel, mittels eines Gasstroms mit entsprechend hoher Geschwindigkeit auf eine zu beschichtende Oberfläche auftreffen, um dort die entsprechende Beschichtung zu bilden. Bei den Spritzverfahren können Hochtemperaturspritzverfahren, wie beispielsweise Plasmaspritzverfahren, Flammspritzverfahren oder Lichtbogenspritzverfahren, und das sog. Kinetische Kaltgasspritzen unterschieden werden. Bei den Hochtemperaturspritzverfahren werden die Pulverpartikel durch entsprechend hohe Temperaturen aufgeschmolzen und im geschmolzenen Zustand auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht, wo sie durch Erkalten erstarren. Hierbei kann sich eine gut haftende Schicht ausbilden, da der geschmolzene Beschichtungswerkstoff mit dem Grundwerkstoff und/oder der bereits abgeschiedenen Schicht einfach eine Verbindung eingehen kann. Beim kinetischen Kaltgasspritzen wird hingegen kein Auf- oder Anschmelzen der Festkörperpartikel des Pulvers durchgeführt, sondern durch die hohe kinetische Energie, mit der die Pulverpartikel auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht werden, kommt es beim Auftreffen zu einer Verformung der Pulverpartikel und/oder des Grundwerkstoffs bzw. der bereits abgeschiedenen Schicht, so dass die beteiligten Werkstoffe ineinander fließen und/oder miteinander verschweißen. Entsprechend kann beim kinetischen Kaltgasspritzen alleine durch die Umwandlung der kinetischen Energie beim Auftreffen eine gut haftende und dichte Schicht erzeugt werden, ohne dass die Pulverpartikel vorher aufgeschmolzen werden müssen. Allerdings ist der Einsatz der Spritzverfahren und insbesondere des kinetischen Kaltgasspritzens beschränkt, da bei bestimmten Kombinationen aus zu beschichtendem Bauteil bzw. dem dort vorliegenden Grundwerkstoff und dem Beschichtungsmaterial Probleme hinsichtlich einer ungenügenden Haftung auftreten können. Dies kann beispielsweise insbesondere bei harten Substraten, wie z. B. TiAl, auftreten, wenn eine Beschichtung mit harten Partikeln durch kinetisches Kaltgasspritzen, beispielsweise zur Bildung einer Verschleißschutzschicht, aufgebracht werden soll.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Spritzverfahren und insbesondere das kinetische Kaltgasspritzen weiter zu entwickeln, um einen größeren Einsatzbereich für die Spritzverfahren zu ermöglichen. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt werden, mit welchen Beschichtungen auf Substraten abgeschieden werden können, die bisher mit Spritzverfahren nicht erzeugt werden können. Insbesondere sollen entsprechende Werkstoffkombinationen aus Beschichtungsmaterial und Substratmaterial mittels Kaltgasspritzen realisiert werden können, die bisher dem Kaltgasspritzen nicht zugänglich waren, weil nur eine ungenügende Haftung der Beschichtung auf dem Grundwerkstoff gegeben war. Da das Kaltgasspritzen aufgrund der niedrigen Prozesstemperatur mit der Vermeidung des Auf- oder Anschmelzens der abzuscheidenden Pulverpartikel und der gezielten Beschichtungsmöglichkeit mit wenig Overspray und dem daraus resultierenden geringen Abdeckungsaufwand vorteilhaft ist, soll der Einsatzbereich des Kaltgasspritzens erweitert werden. Insbesondere sollen mit dem Verfahren und der Vorrichtung bei niedrigen Prozesstemperaturen Beschichtungen auf harten Substraten erzeugt werden können. Gleichzeitig soll das Verfahren einfach anwendbar und die Vorrichtung einfach aufgebaut sein.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass ein größerer Einsatz von Spritzverfahren zur direkten Aufbringung von Pulverpartikeln auf Substraten bzw. Bauteilen dann möglich ist, wenn das Prozessgas, welches zum Spritzen der festen und/oder auf- oder angeschmolzenen Festkörperpartikel bei Spritzverfahren eingesetzt wird, bzw. der mit dem Prozessgas gebildete Partikelstrom durch Anlegen mindestens eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes in geeigneter Weise beeinflusst oder gesteuert werden kann. Dazu kann der Gasstrom bzw. Partikelstrom ionisiert werden, so dass eine geeignete Beeinflussung und/oder Steuerung mittels elektrischer und/oder magnetischer Felder erzielt wird. Damit lassen sich verschiedene Effekte erzielen und Probleme verhindern, so dass insgesamt ein weiteres Einsatzfeld der Spritztechnik ermöglich wird.
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So kann beispielsweise durch Anlegen eines entsprechenden elektrischen und/oder magnetischen Feldes die Geschwindigkeit, mit der die Partikel auf die Oberfläche auftreffen, noch weiter erhöht werden. Da dann durch die höhere kinetische Energie Werkstoffkombinationen im Hinblick auf ein Werkstoffpaar aus Beschichtungswerkstoff und Substratwerkstoff verwirklicht werden können, die bisher einem Beschichtungsprozess über Spritzverfahren nicht zugänglich waren, ergibt sich die angestrebte Einsatzerweiterung. Insbesondere liegt der Erfindung auch die Idee zugrunde, dass die Spritzgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der die Partikel beim Spritzen auf der zu beschichtenden Oberfläche auftreffen, und Prozesstemperatur, also die Temperatur, mit der die Partikel auf der Oberfläche auftreffen, entsprechend variiert werden können, so dass bei höheren Auftreffgeschwindigkeiten niedrigere Prozesstemperaturen und umgekehrt gewählt werden können. Entsprechend können Werkstoffe und Werkstoffkombinationen eingesetzt werden bzw. verwirklicht werden, die bisher im Spritzverfahren nicht abgeschieden werden konnten, da die erforderlichen Temperaturen für das Aufschmelzen und/oder die entsprechenden Auftreffgeschwindigkeiten der Pulverpartikel nicht erzielbar waren. Insbesondere können mit der vorliegenden Erfindung die Einsatzmöglichkeiten des kinetischen Kaltgasspritzens verbessert werden. Zusätzlich zur Erzeugung der bereits hohen Auftreffgeschwindigkeit der Partikel auf der zu beschichtenden Oberfläche beim Kaltgasspritzen durch die Beschleunigung der Partikel mittels des Trägergases bzw. Prozessgases unter Anwendung entsprechender Erzeugungsanlagen für den Gasstrom und Verwendung geeigneter Düsenanordnungen, wie beispielsweise der Lavaldüse, kann durch eine Ionisation des Trägergases und durch das Vorsehen von mindestens einem oder mehreren elektrischen und/oder magnetischen Feldern eine zusätzliche Gas- und damit Partikelbeschleunigung erzielt werden.
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Zusätzlich oder alternativ können insbesondere bei einer Ionisation des Trägergases zusätzlich mindestens eine oder mehrere Anordnungen zur Beeinflussung der Flugbahnen der Partikel im Gasstrom bzw. des Gas- oder Partikelstroms an sich vorzugsweise im Bereich der Spritzanordnung bzw. der Düsenanordnung vorgesehen werden, so dass ein Anbacken der Festkörperpartikel an der Spritzanordnung bzw. der Düsenanordnung vermieden oder zumindest verringert werden kann. Hierzu können entsprechende elektrische und/oder magnetische Felder vorzugsweise im Bereich der Spritzeinrichtung bzw. der Düsenanordnung so eingerichtet werden, dass entsprechende Kraftkomponenten auf die ionisierten Gasbestandteile wirken, so dass sie von den Wänden der Spritzeinrichtung bzw. der Düsenanordnung weggehalten werden. Dadurch werden auch die in dem Trägergas enthaltenen Pulverpartikel entsprechend von den Wänden der Spritzeinrichtung weg gehalten.
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Die Ionisation des Trägergases, die eine einfache Möglichkeit zur Beeinflussung des Partikelstroms mittels elektrischer und/oder magnetischer Felder darstellt, kann durch alle geeigneten Ionisationsprozesse bzw. -einrichtungen bewirkt werden, wie beispielsweise durch Verwendung entsprechender Elektronenkanonen zum Elektronenbeschuss des Trägergases, Einrichtungen zum Zünden eines Lichtbogens und/oder Elektrodenanordnungen zum Anlegen hochfrequenter elektromagnetischer Felder.
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Als Trägergas bzw. Prozessgas können verschiedenste Gase oder Gasgemische eingesetzt werden, die beispielsweise Luft, Helium, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Neon, Krypton, Xenon, wasserstoffhaltiges Gas, kohlenstoffhaltiges Gas, Wasserdampf oder entsprechenden Mischungen daraus umfassen.
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Insgesamt kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren und einer entsprechenden Vorrichtung eine Steuerung der Geschwindigkeit und/oder Richtung des Partikelstroms durch elektrische und/oder magnetische Felder realisiert werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUR
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Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung deutlich. Die Zeichnung zeigt hierbei in rein schematischer Weise in der einzigen beigefügten Figur eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Die beigefügte Figur zeigt in einer rein schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Beschichtung von Bauteilen mittels Spritzen von Pulvern.
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Die Vorrichtung umfasst eine Spritzeinrichtung 1, welche eine Gaszuführung 2 aufweist, mittels der das Trägergas, mit dem die Pulverpartikel auf die zu beschichtende Oberfläche beschleunigt werden, zugeführt wird. An der Gaszufuhr 2 ist eine Gasstromerzeugungseinrichtung (nicht gezeigt) angeschlossen, die einen Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit erzeugt, indem beispielsweise entsprechendes Gas, wie beispielsweise Luft oder dergleichen, unter hohem Druck in die Gaszufuhr 2 gepresst wird.
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Die Spritzeinrichtung 1 weist eine Ionisationseinrichtung 5, 6 mit beabstandet zueinander angeordneten Elektroden 5, 6 auf, an denen ein hochfrequentes elektrisches Wechselfeld zur Erzeugung eines Plasmas angelegt werden kann. Obwohl bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Ionisationseinrichtung 5, 6 in der Spritzeinrichtung 1 integriert ist, kann die Ionisationseinrichtung 5, 6 auch separat von der Spritzeinrichtung 1 im Bereich der Gaszufuhr 2 oder bei der Gasstromerzeugungseinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Darüber hinaus sind auch andere Mittel zur Erzeugung eines ionisierten Gasstroms, wie beispielsweise eine Elektronenkanone, ein Mikrowellengenerator oder dergleichen, denkbar.
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Die Spritzeinrichtung 1 umfasst weiterhin eine Pulverzufuhr 3, in der Festkörperpartikel in Foren eines Pulvers zugeführt werden können. Bei den Pulverpartikeln kann es sich um sortenreine Pulverpartikel handeln oder um ein Gemisch aus Festkörperpartikeln unterschiedlicher Zusammensetzung. Die Pulverpartikel bzw. Festkörperpartikel können unterschiedliche Größen von einigen wenigen Nanometern bis hin zu einigen Mikrometern Durchmesser aufweisen. Insbesondere können die Partikel eine Größe im Bereich von etwa 50 μm aufweisen Die Größenverteilung kann auf einen kleinen engen Größenbereich beschränkt sein oder eine breite Größenverteilung der Pulverpartikel umfassen.
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Bei der in der Figur gezeigten Spritzeinrichtung handelt es sich um eine Spritzeinrichtung zur Durchführung einer kinetischen Kaltgaskompaktierung, auch K3 genannt, bei der die Pulverpartikel ohne auf- und/oder angeschmolzen zu werden mit hoher kinetischer Energie auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet werden. Hierzu ist eine Düsenanordnung 4 mit einer Lavaldüse vorgesehen, die die Erzeugung eines Gasstroms 14 mit Gas- und Partikelgeschwindigkeiten im Überschallbereich ermöglicht. Durch die hohe kinetische Energie kommt es beim Auftreffen der Festkörperpartikel 13 des Pulvers zu einer Verformung derselben und/oder des Grundwerkstoffs des zu beschichtenden Bauteils und/oder der bereits abgeschiedenen Partikel, so dass die beteiligten Werkstoffe sich verformen und ineinander fließen und/oder gegenseitig miteinander verschweißen. Dadurch kann eine dichte, gut haftende Schicht ausgebildet werden.
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Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren und eine entsprechende erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt für das kinetische Kaltgasspritzen eingesetzt werden können, wie in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellt, so können das erfindungsgemäße Verfahren bzw. eine entsprechend hergerichtete Vorrichtung auch für thermische Spritzverfahren eingesetzt werden, bei denen durch Zufuhr von thermischer Energie die zu verspritzenden Festkörperpartikel auf- oder angeschmolzen werden, um dadurch eine entsprechende Anhaftung auf dem Grundwerkstoff oder eine Verbindung der Partikel untereinander bei der Abscheidung zu erzielen.
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Insbesondere können die Haftmechanismen, die einerseits beim kinetischen Kaltgasspritzen und andererseits beim thermischen Spritzen auftreten, auch gemischt eingesetzt werden, so dass bei einer höheren Prozesstemperatur, also bei höherer Temperatur, bei denen die Partikel auf die zu beschichtende Oberfläche treffen, niedrigere Auftreffgeschwindigkeiten, mit denen die Partikel auf die Oberfläche aufschlagen, eingestellt werden müssen, da durch die Erweichung der Pulverpartikel aufgrund der erhöhten Temperatur eine leichtere Verformung und somit Haftung bzw. Schichtbildung möglich ist. Allerdings gibt es Werkstoffkombinationen, also Grundwerkstoffe, die beschichtet werden sollen, und Schichtwerkstoffe, die auf dem Bauteil abgeschieden werden sollen, bei denen entweder eine ausreichende Erhöhung der Prozesstemperatur nicht möglich oder nicht sinnvoll ist und andererseits die Gasstromgeschwindigkeit durch die Gasstromerzeugungsanlage nicht ausreichend hoch eingestellt werden kann, um eine ausreichende Haftung und Schichtausbildung aufgrund der kinetischen Schichtbildungsmechanismen zu erzeugen.
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Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß eine Gasstrombeschleunigungseinrichtung 9, 10, 15 eingesetzt, die im gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise aus zwei Elektroden 9, 10 besteht, an die über eine Spannungsquelle 15 ein elektrisches Feld angelegt werden kann. Hierbei ist die eine Elektrode 9 als Ringelektrode im Bereich der Düsenaustrittsöffnung angeordnet, während die Gegenelektrode 10 im Bereich des zu beschichtenden Bauteils 11, beispielsweise hinter dem Bauteil 11, angeordnet ist, so dass sich das elektrische Feld in Beschichtungsrichtung erstreckt. Auf diese Weise kann durch das elektrische Feld der ionisierte Gasstrom 14 zusätzlich beschleunigt werden, wobei durch die Beschleunigung der Ionen im Gasstrom 14 auch die darin enthaltenen Festkörperpartikel 13 mitgerissen und beschleunigt werden, so dass die Auftreffgeschwindigkeit der Festkörperpartikel 13 auf der zu beschichtenden Oberfläche erhöht werden kann. Dadurch lässt sich entweder die Prozesstemperatur absenken oder überhaupt erst eine entsprechende Beschichtung 12 auf dem Bauteil 11 mit entsprechenden Werkstoffen erzielen, die ansonsten nicht spritztechnisch verarbeitbar wären. Dies gilt insbesondere für die Beschichtung von harten Substraten insbesondere mit harten Schichtwerkstoffen, wie beispielsweise Verschleißschutzschichten, oder für die Anwendung von niedrig schmelzenden Werkstoffen als Schichtwerkstoff auf harten Substraten, die durch Kaltgasspritzen abgeschieden werden sollen, um die Vorteile des Kaltgasspritzens zu nutzen. Zwar werden beim Kaltgasspritzen die zu verspritzenden Partikel 13 bereits mit hoher Geschwindigkeit auf die Werkstoffoberfläche beschleunigt, wie oben bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben, jedoch kann durch die erfindungsgemäße Anordnung einer Gasstrombeschleunigungseinrichtung 9, 10, 15 die Auftreffgeschwindigkeit noch weiter erhöht und gesteigert werden.
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Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung zur Beschichtung von Bauteilen mittels Spritzen von Pulvern, die schematisch in der Figur dargestellt ist, eine Ablenkeinrichtung 7, 8, die im Bereich der Düsenanordnung 4 der Spritzeinrichtung 1 vorgesehen ist. Die Ablenkeinrichtung 7 und 8 kann beispielsweise durch entsprechende Magnete 7 und 8 oder durch andere geeignete Anordnungen zur Erzeugung elektrischer und/oder magnetischer Felder gebildet sein, so dass die Flugbahn der Partikel bzw. der Gasstrom im Bereich der Düsenanordnung 4 beeinflusst werden kann. Insbesondere können Kraftkomponenten quer zur Gasstromrichtung erzeugt werden, die den Gasstrom und die darin enthaltenen Festkörperpartikel von den Wänden der Düsenanordnung 4 bzw. der Spritzeinrichtung 1 abhalten. Dadurch können Anbackungen der zu verspritzenden Festkörperpartikel an der Spritzeinrichtung 1 bzw. der Düsenanordnung 4 vermieden werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen und Änderungen in der Weise möglich sind, dass von den vorgestellten Merkmalen einzelne Merkmale weggelassen werden und andersartige Kombinationen der vorgestellten Merkmale vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, zu verlassen. Insgesamt umfasst die vorliegende Erfindung sämtliche Kombinationen aller einzeln vorgestellten Merkmale.
