DE102012003306B4

DE102012003306B4 - Plasma coating device

Info

Publication number: DE102012003306B4
Application number: DE102012003306.0A
Authority: DE
Inventors: Klaus Stefan Klimek; Reinhard Vogelsang; Jan Amsberg; Silvano Keller
Original assignee: AMT AG; Volkswagen AG
Current assignee: AMT AG; Volkswagen AG
Priority date: 2012-02-18
Filing date: 2012-02-18
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2032-02-19
Also published as: CN203554776U; DE102012003306A1

Abstract

Vorrichtung (1) zum Plasmabeschichten einer Oberfläche (2) eines Substrats (3) im Plasmaspritzverfahren, wobei zwischen zumindest zwei eine Anode und eine Kathode bildenden Elektroden der Vorrichtung (1) durch Anlegen einer Spannung ein Lichtbogen erzeugbar ist und wobei die Vorrichtung (1) eine Gaszuführung und eine Zuführung (10) für ein auf der Oberfläche (2) abzuscheidendes Material aufweist, welches durch ein auf Plasmatemperatur erhitztes Gas aufschmelzbar ist, sodass geschmolzene Partikel des Materials mittels eines Zerstäubergasstrahls (12) durch eine Zerstäubergasaustrittsöffnung (14) der Vorrichtung (1) in Richtung der Oberfläche (2) des Substrats transportierbar und dort abscheidbar sind, wobei die Vorrichtung (1) zum Aufschmelzen eines pulverförmigen Materials und/oder eines drahtförmigen Materials mit zumindest einer weiteren, im Bereich der Zerstäubergasaustrittsöffnung (14) angeordneten Elektrode (11) zur Erzeugung eines Hilfslichtbogens ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mehrere am Umfang der Zerstäubergasaustrittsöffnung (14) verteilte Düsen (15) aufweist, durch die ein den Zerstäubergasstrahl (12) außenseitig tangierender oder einschließender Hilfsgasstrahl bedarfsweise zuführbar ist.Device (1) for plasma coating a surface (2) of a substrate (3) using the plasma spraying process, wherein an arc can be generated between at least two electrodes of the device (1) forming an anode and a cathode by applying a voltage and wherein the device (1) a gas supply and a supply (10) for a material to be deposited on the surface (2), which can be melted by a gas heated to plasma temperature, so that melted particles of the material are ejected by means of an atomizer gas jet (12) through an atomizer gas outlet opening (14) of the device ( 1) can be transported in the direction of the surface (2) of the substrate and deposited there, the device (1) for melting a powdery material and / or a wire-shaped material having at least one further electrode (11) arranged in the area of the atomizer gas outlet opening (14). ) is equipped to generate an auxiliary arc, characterized in that the device (1) has a plurality of nozzles (15) distributed around the circumference of the atomizer gas outlet opening (14), through which an auxiliary gas jet that touches or encloses the atomizer gas jet (12) on the outside can be supplied if necessary.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Plasmabeschichten einer Oberfläche eines Substrats im Plasmaspritzverfahren, wobei zwischen zumindest zwei eine Anode und eine Kathode bildenden Elektroden der Vorrichtung durch Anlegen einer Spannung ein Lichtbogen erzeugbar ist und wobei die Vorrichtung eine Gaszuführung und eine Zuführung für ein auf der Oberfläche abzuscheidendes Material aufweist, welches durch ein auf Plasmatemperatur erhitztes Gas aufschmelzbar ist, sodass geschmolzene Partikel des Materials mittels eines Zerstäubergasstrahls durch eine Zerstäubergasaustrittsöffnung der Vorrichtung in Richtung der Oberfläche des Substrats transportierbar und dort abscheidbar sind, wobei die Vorrichtung zum Aufschmelzen eines pulverförmigen Materials und/oder eines drahtförmigen Materials mit zumindest einer weiteren, im Bereich der Zerstäubergasaustrittsöffnung angeordneten Elektrode zur Erzeugung eines Hilfslichtbogens ausgestattet ist.
Das Plasmaspritzen ist ein in der Praxis bereits vielfach eingesetztes und an sich bekanntes thermisches Beschichtungsverfahren zur Oberflächenbehandlung. Üblicherweise sind in einem Plasmabrenner der Vorrichtung eine Anode und eine Kathode durch einen schmalen Spalt getrennt angeordnet, sodass durch Anlegen einer Gleichspannung ein Lichtbogen erzeugt werden kann. Das mittels der Gaszuführung zugeführte und durch den Brennerkopf strömende Gas oder Gasgemisch wird durch den Lichtbogen geleitet und hierbei ionisiert.The invention relates to a device for plasma coating a surface of a substrate using the plasma spraying process, wherein an arc can be generated between at least two electrodes of the device forming an anode and a cathode by applying a voltage and the device has a gas supply and a supply for a material to be deposited on the surface Has material which can be melted by a gas heated to plasma temperature, so that molten particles of the material can be transported by means of an atomizer gas jet through an atomizer gas outlet opening of the device towards the surface of the substrate and deposited there, the device for melting a powdery material and / or a Wire-shaped material is equipped with at least one further electrode arranged in the area of the atomizer gas outlet opening for generating an auxiliary arc.
Plasma spraying is a thermal coating process for surface treatment that is already widely used in practice and is known per se. Typically, in a plasma torch of the device, an anode and a cathode are arranged separated by a narrow gap, so that an arc can be generated by applying a direct voltage. The gas or gas mixture supplied via the gas supply and flowing through the burner head is passed through the arc and ionized in the process.

Die dabei auftretende Ionisation erzeugt ein hochaufgeheiztes, elektrisch leitendes Gas aus positiven Ionen und Elektronen. In diesem erzeugten Plasmastrahl wird mittels einer Zuführung beispielsweise ein Pulver als Spritzmaterial zugeführt, welches durch die hohe Plasmatemperatur aufgeschmolzen wird. Der Plasmastrom reißt die Pulverteilchen mit, die dann auf der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats abgeschieden werden.The ionization that occurs creates a highly heated, electrically conductive gas made of positive ions and electrons. In this generated plasma jet, for example, a powder is supplied as spray material by means of a feed, which is melted by the high plasma temperature. The plasma flow entrains the powder particles, which are then deposited on the surface of the substrate to be coated.

Solche thermischen Beschichtungsverfahren werden auch bei der Herstellung von Brennkraftmaschinen zur Erzielung einer möglichst geringen Reibung und der dadurch erreichbaren verbesserten Energieeffizienz und der Emissionsreduzierung sowie zur Erzielung einer hohen Abrieb- und Verschleißfestigkeit eingesetzt. Hierzu werden Bauteile der Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel Zylinderbohrungen, Ventilsitze oder Lagersitze, mit Beschichtungen versehen, die mittels solcher thermischen Beschichtungsverfahren aufgebracht werden.Such thermal coating processes are also used in the production of internal combustion engines to achieve the lowest possible friction and the resulting improved energy efficiency and emission reduction, as well as to achieve high abrasion and wear resistance. For this purpose, components of the internal combustion engine, such as cylinder bores, valve seats or bearing seats, are provided with coatings that are applied using such thermal coating processes.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Plasmaspritzen ist aus der DE 689 26 787 T2 bekannt, bei der zwischen mehreren Elektroden ein Lichtbogen erzeugbar ist. Die Vorrichtung hat eine Gaszuführung und einen Zufuhrdurchgang für einen auf der Oberfläche abzuscheidenden und durch ein auf Plasmatemperatur erhitztes Gas aufschmelzbaren Stoff. Im Bereich einer Zerstäubergasaustrittsöffnung ist eine weitere Elektrode zur Erzeugung eines Hilfslichtbogens angeordnet.A generic device for plasma spraying is from DE 689 26 787 T2 known, in which an arc can be generated between several electrodes. The device has a gas supply and a supply passage for a substance to be deposited on the surface and melted by a gas heated to plasma temperature. A further electrode for generating an auxiliary arc is arranged in the area of an atomizer gas outlet opening.

Die EP 0 585 203 B1 bezieht sich auf ein Plasmaspritzgerät zur Beschichtung von Hohlraumwandungen mit einem Plasmapulver, welches außerhalb des eigentlichen Brennerkopfs durch eine Pulverzufuhrleitung zugeführt wird. Sowohl die Anodendüse als auch die Kathodenanordnung des Brennerkopfs sind von außen zugänglich, sodass diese schnell und einfach ausgewechselt werden können. Der Pulverinjektor ist austauschbar angeordnet, sodass verschiedene Pulverinjektoren mit verschiedenen Querschnitten einsetzbar sind und so die Injektionsgeschwindigkeit des Plasmapulvers variiert werden kann.The EP 0 585 203 B1 refers to a plasma spraying device for coating cavity walls with a plasma powder, which is supplied outside the actual torch head through a powder supply line. Both the anode nozzle and the cathode assembly of the burner head are accessible from the outside, so they can be replaced quickly and easily. The powder injector is arranged interchangeably so that different powder injectors with different cross sections can be used and the injection speed of the plasma powder can be varied.

Die EP 1 692 922 B1 betrifft eine Plasmaspritzvorrichtung, bei der die rohrförmigen Leitungen zwischen dem Brennerschaft und dem Brennerkopf sowohl die notwendigen Medien, wie Plasmagas oder Beschichtungspulver, als auch die zum Erzeugen des Lichtbogens notwendige elektrische Energie übertragen.The EP 1 692 922 B1 relates to a plasma spray device in which the tubular lines between the torch shaft and the torch head transmit both the necessary media, such as plasma gas or coating powder, and the electrical energy necessary to generate the arc.

Die AT 505 813 A1 beschreibt bereits einen Plasmabrenner mit einer Strahlquelle zum gebündelten Zuführen eines Gases und zumindest einer Elektrode für einen Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück zur Ionisierung des Gasstrahls und Bildung eines Plasmastrahls, wobei die Elektrode von der Strahlquelle getrennt angeordnet sein kann. Die Elektrode kann mit einer Zuleitung für ein Schutzgas oder von einer Kühleinrichtung umgeben sein.The AT 505 813 A1 already describes a plasma torch with a jet source for the concentrated supply of a gas and at least one electrode for an arc between the electrode and the workpiece for ionizing the gas jet and forming a plasma jet, wherein the electrode can be arranged separately from the jet source. The electrode can be surrounded by a supply line for a protective gas or by a cooling device.

Die US 4 142 090 A bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Plasma-MIG-Schweißen, bei dem eine abschmelzende Elektrode durch eine Düse geführt wird und ein MIG-Lichtbogen eines Plasmalichtbogens in einem Gasstrom erzeugt wird. Hierzu wird durch den Zufuhrkanal ein Plasmagas und durch Anschlüsse ein Schutzgas zugeführt.The US 4,142,090 A refers to a device for plasma MIG welding in which a consumable electrode is passed through a nozzle and a MIG arc of a plasma arc is generated in a gas stream. For this purpose, a plasma gas is supplied through the supply channel and a protective gas is supplied through connections.

Die DE 27 11 852 A1 bezieht sich ebenfalls auf das Plasma-MIG-Schweißen. Indem der Schweißstrom stromabwärts der Plasmaelektrode auf die abschmelzende Elektrode übertragen wird, ist der Teil der abschmelzenden Elektrode im Bereich der Plasmaelektrode nicht stromführend, wodurch eine Instabilität des Plasmabogens infolge der magnetischen Wechselwirkung zwischen dem Gasplasma und der abschmelzenden Elektrode vermieden wird.The DE 27 11 852 A1 also refers to plasma MIG welding. By transferring the welding current to the consumable electrode downstream of the plasma electrode, the part of the consumable electrode in the area of the plasma electrode is not current-carrying, thereby avoiding instability of the plasma arc as a result of the magnetic interaction between the gas plasma and the consumable electrode.

Ferner beschreibt die DE 195 48 606 A1 eine Plasma-Schneidmaschine, bei welcher der Plasma- Lichtbogen zwischen der zentralen Elektrode und einer Hilfselektrode des Plasmaschneidkopfes ausgelöst wird.Furthermore, it describes DE 195 48 606 A1 a plasma cutting machine in which the plasma arc is triggered between the central electrode and an auxiliary electrode of the plasma cutting head.

Außerdem beschreibt die DD 1 57 138 A1 eine Zündvorrichtung für ein Lichtbogen-Plasma mit Hohlelektroden zur Stabilisierung der Lichtbogensäule und bedarfsweise ringförmige Bauteile, die als Hilfselektroden verwendet werden können.Furthermore, it describes DD 1 57 138 A1 an ignition device for an arc plasma with hollow electrodes to stabilize the arc column and, if necessary, ring-shaped components that can be used as auxiliary electrodes.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Auslegung der verfügbaren Draht-Plasmaspritzbrenner für den Großserieneinsatz oftmals nicht optimal ist. Insbesondere ist die Auftragsleistung aufgrund des hohen Verlustanteils des zugeführten Spritzmaterials unbefriedigend. Um die erforderliche Beschichtungsqualität zu erreichen, ist daher im Allgemeinen eine Erhöhung der Schichtdicke notwendig. Hierzu sind sehr hohe Plasma- bzw. Zerstäubergasdrücke erforderlich, um den geforderten Zerstäubungsgrad des Materials und die benötigte Partikelgeschwindigkeit zu erzielen.In practice it has been shown that the design of the available wire plasma spray torches is often not optimal for large-scale use. In particular, the application performance is unsatisfactory due to the high proportion of loss of the spray material supplied. In order to achieve the required coating quality, an increase in the layer thickness is generally necessary. This requires very high plasma or atomizer gas pressures in order to achieve the required degree of atomization of the material and the required particle speed.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Oberflächenqualität einer durch Plasmaspritzen hergestellten Beschichtung auf einer Oberfläche eines Substrats mit geringem Aufwand zu verbessern. Insbesondere soll dabei eine Druckerhöhung bei der Gaszuführung verzichtbar sein. Weiterhin soll ein für den Einsatz der Vorrichtung bestimmtes Plasmaspritzverfahren geschaffen werden, welches eine Verbesserung der Beschichtungsqualität mit geringem Aufwand gestattet.Against this background, the invention is based on the object of improving the surface quality of a coating produced by plasma spraying on a surface of a substrate with little effort. In particular, an increase in pressure when supplying gas should be unnecessary. Furthermore, a plasma spraying process intended for the use of the device is to be created, which allows the coating quality to be improved with little effort.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved with a device according to the features of patent claim 1. The subclaims relate to particularly useful developments of the invention.

Erfindungsgemäß hat also eine Vorrichtung mehrere am Umfang der Zerstäubergasaustrittsöffnung verteilte Düsen, durch die ein den Zerstäubergasstrahl außenseitig tangierender oder einschließender Hilfsgasstrahl bedarfsweise zuführbar ist..According to the invention, a device has a plurality of nozzles distributed around the circumference of the atomizer gas outlet opening, through which an auxiliary gas jet that touches or encloses the atomizer gas jet on the outside can be supplied if necessary.

Durch die als Lenk- oder Kühldüse ausgeführten Düsen, durch die ein den Zerstäubergasstrahl außenseitig tangierender oder einschließender Hilfsgasstrahl bedarfsweise zuführbar ist, wird in überraschend einfacher Weise eine wirksame Bündelung des Zerstäubergasstrahls erreicht, welcher dadurch einerseits eine höhere Strömungsgeschwindigkeit, andererseits eine konzentrierte Strahlform mit einer geringeren Querschnittsfläche auf der Oberfläche des Substrats erhält. Dabei kann auf eine Erhöhung des Gasdrucks verzichtet werden. Indem die aus den weiteren Düsen austretende Gasströmung die seitliche Ausdehnung des Zerstäubergasstrahls quer zu der Strahlachse verhindert, wird zugleich ein Nachlaufen des Zerstäubergasstrahls wesentlich vermindert. In der Praxis können so höhere Auftragsleistungen erzielt und die Verlustmengen des Drahtmaterials erheblich vermindert werden. Aufgrund der erhöhten Geschwindigkeit des Zerstäubergasstrahls wird außerdem eine feinere Zerstäubung der Partikel erreicht und so die Qualität, insbesondere die Oberflächenqualität des Substrats verbessert. Außerdem gelingt es in der Praxis, durch den zusätzlich aus den Düsen austretenden Hilfsgasstrahl die Temperatur der Vorrichtung im Bereich der Austrittsöffnung zu verringern, indem zugleich der Kühlungseffekt des Hilfsgases genutzt wird. Hierdurch kann in optimaler Weise eine an die gewünschte Strahlformung des Zerstäubergasstrahls angepasste Zuführung des durch die jeweilige Düse austretenden Gasstroms durchgeführt werden. So kann beispielsweise bei einer unerwünschten Ablenkung des Zerstäubergasstrahls in eine von der Strahlachse abweichende Richtung durch entsprechende Erhöhung des Volumenstroms des den Zerstäubergasstrahl auf dieser Seite einschließenden Zusatzgasstrahls eine Korrektur der Strömungsrichtung vorgenommen werden. In der Praxis kann so ein die Beschichtungsqualität wesentlich erhöhender Regelkreis aufgebaut werden.Through the nozzles designed as steering or cooling nozzles, through which an auxiliary gas jet that touches or encloses the atomizer gas jet on the outside can be supplied if necessary, effective bundling of the atomizer gas jet is achieved in a surprisingly simple manner, which on the one hand results in a higher flow speed and, on the other hand, a concentrated jet shape with a lower Cross-sectional area is obtained on the surface of the substrate. There is no need to increase the gas pressure. Since the gas flow emerging from the additional nozzles prevents the lateral expansion of the atomizing gas jet transversely to the jet axis, the trailing of the atomizing gas jet is also significantly reduced. In practice, higher application rates can be achieved and the amount of wire material lost can be significantly reduced. Due to the increased speed of the atomizer gas jet, a finer atomization of the particles is also achieved and the quality, in particular the surface quality, of the substrate is improved. In addition, in practice it is possible to reduce the temperature of the device in the area of the outlet opening by means of the additional auxiliary gas jet emerging from the nozzles, at the same time using the cooling effect of the auxiliary gas. This allows the gas stream emerging through the respective nozzle to be supplied in an optimal manner that is adapted to the desired jet shaping of the atomizing gas jet. For example, if the atomizer gas jet is undesirably deflected in a direction that deviates from the jet axis, the flow direction can be corrected by correspondingly increasing the volume flow of the additional gas jet enclosing the atomizer gas jet on this side. In practice, a control loop can be set up that significantly increases the coating quality.

Hierdurch kann der Wechsel zwischen Draht- und Pulverspritzverfahren mit einem geringen Aufwand, insbesondere bei sehr kurzen Rüstzeiten, durchgeführt werden. Insbesondere kann hierzu eine einheitliche Anlagen-, Brenner- und Versorgungstechnik eingesetzt werden, sodass die damit verbundenen Kosten vergleichsweise gering sind. Erfindungsgemäß entsteht basierend auf einem beispielsweise auch bereits vorhandenen Pulver-Plasmaspritzbrenner durch die Anordnung der zusätzlichen Elektrode und des dadurch realisierbaren Hilfslichtbogens ein Hybridbrenner, mit dem sowohl Pulver- als auch Drahtmaterialien verarbeitet werden können. Dadurch wird eine erhebliche Leistungssteigerung bei zugeschaltetem Hilfslichtbogen erreicht, welche die Verarbeitung einer wesentlich größeren Menge des Spritzmaterials gestatt und dabei vergleichsweise geringe Prozess- und Zerstäubergasdrücke erfordert, um die gewünschte Beschichtung auf das Substrat aufzubringen. Es konnte bereits eine Leistungssteigerung der Vorrichtung auf bis zu 150 g pro Minute eines pulverförmigen Materials bzw. von 15 m Spritzdraht pro Minute nachgewiesen werden. Unter einem drahtförmigen Spritzmaterial werden dabei insbesondere auch ein Volldraht und ein Fülldraht verstanden. Obwohl eine zeitgleiche Zuführung von draht- und pulverförmigen Materialien derzeit nicht angestrebt ist, sind derartige Einsatzmöglichkeiten denkbar und nicht grundsätzlich ausgeschlossen.This means that the change between wire and powder spraying processes can be carried out with little effort, especially with very short set-up times. In particular, a uniform system, burner and supply technology can be used for this purpose, so that the associated costs are comparatively low. According to the invention, based on an already existing powder plasma spray torch, for example, the arrangement of the additional electrode and the auxiliary arc that can be achieved thereby creates a hybrid torch with which both powder and wire materials can be processed. This achieves a significant increase in performance when the auxiliary arc is switched on, which allows the processing of a significantly larger amount of spray material and requires comparatively low process and atomizer gas pressures in order to apply the desired coating to the substrate. An increase in the performance of the device to up to 150 g per minute of a powdery material or 15 m of spray wire per minute has already been demonstrated. A wire-shaped spray material also includes, in particular, a solid wire and a cored wire. Although a simultaneous supply of wire and powdery materials is not currently intended, such possible uses are conceivable and are not fundamentally ruled out.

Dabei kann jedem Material eine separate Zuführung zugeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Zuführung sowohl für das pulverförmige Material als auch für das drahtförmige Material einsetzbar ist. Hierdurch kann eine besonders platzsparende konstruktive Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisiert werden. Denkbar ist es dabei auch, die Zuführung gleichzeitig für pulverförmige und drahtförmige Materialien zu nutzen, die dadurch zusammen in den Zerstäubergasstrahl gelangen.Each material can be assigned a separate feed. However, an embodiment of the device according to the invention is particularly advantageous in which the feed can be used both for the powdery material and for the wire-like material. In this way, a particularly space-saving design of the device according to the invention can be realized. It is also conceivable to use the feed at the same time for powdery and wire-like materials, which then enter the atomizer gas jet together.

Weiterhin erweist es sich als besonders sinnvoll, wenn die Vorrichtung einen austauschbaren Brennerkopf mit einer einzigen zusätzlichen Kathode zur Erzeugung des Hilfslichtbogens aufweist, um so eine platzsparende Konstruktion zu erreichen, die bei an sich bekannten Pulverplasmaspritzbrennern mit einem geringen konstruktiven Aufwand eingesetzt werden kann.Furthermore, it proves to be particularly useful if the device has an exchangeable burner head with a single additional cathode for generating the auxiliary arc, in order to achieve a space-saving design that can be used with known powder plasma spray torches with little design effort.

Weiterhin ist es besonders praxisgerecht, wenn die Elektrode bei der ausschließlichen Verwendung von pulverförmigem Material abschaltbar ist, um so den Betrieb des Hilfslichtbogens auf die Zufuhr eines drahtförmigen Spritzmaterials beschränken zu können und so die Funktionalität eines an sich bekannten Pulverplasmaspritzbrenners in an sich bekannter Weise zu erhalten.Furthermore, it is particularly practical if the electrode can be switched off when only powdery material is used, in order to be able to limit the operation of the auxiliary arc to the supply of a wire-shaped spray material and thus to maintain the functionality of a powder plasma spray torch known per se in a manner known per se .

Um eine flexible Verwendung unterschiedlicher Materialien zu ermöglichen, könnte die Zuführung austauschbar ausgeführt sein oder es könnten mehrere vorhandene Zuführungen bedarfsweise auswählbar sein.In order to enable flexible use of different materials, the feed could be designed to be interchangeable or several existing feeds could be selectable as required.

Besonders praxisgerecht ist zudem auch eine austauschbare Anordnung des Brennerkopfs an der Vorrichtung, um so auch bei verschleißbedingten Ausfällen eine schnelle Wiederherstellung der Betriebsbereitschaft zu erreichen.An exchangeable arrangement of the burner head on the device is also particularly practical in order to ensure rapid restoration of operational readiness even in the event of wear-related failures.

Bevorzugt sind mehrere Düsen über den Umfang der Zerstäubergasaustrittsöffnung gleichverteilt angeordnet, sodass bei einer einheitlichen Gaszuführung zu allen Düsen eine gleichmäßige Unterstützung des Zerstäubergasstrahls erreicht wird, insbesondere also eine einfache Änderung der Strömungsgeschwindigkeit ohne Auswirkung auf die eingestellte Strahlachse möglich wird.Preferably, several nozzles are arranged equally distributed over the circumference of the atomizer gas outlet opening, so that with a uniform gas supply to all nozzles, uniform support of the atomizer gas jet is achieved, in particular a simple change in the flow velocity without affecting the set jet axis is possible.

Besonders praxisnah ist zudem auch eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher der Hilfsgasstrahl den Zerstäubergasstrahl umfangsseitig vollständig umschließt, um so unerwünschte äußere Einflüsse auf den Zerstäubergasstrahl wirkungsvoll zu verhindern. Beispielsweise kann auf diese Weise auch eine Schutzgasatmosphäre realisiert werden, um so die Beschichtungsqualität weiter zu verbessern.An embodiment of the device according to the invention is also particularly practical in which the auxiliary gas jet completely surrounds the atomizer gas jet on the circumference in order to effectively prevent unwanted external influences on the atomizer gas jet. For example, a protective gas atmosphere can also be created in this way in order to further improve the coating quality.

Weiterhin erweist es sich als besonders praxisgerecht, wenn der Hilfsgasstrahl zu dem Zerstäubergasstrahl achsparallel oder konvergierend zu einer Strahlachse des Zerstäubergasstrahls aus zumindest einer Düse austritt. Indem die Düsen so ausgerichtet sind, dass der austretende Gasstrahl im Wesentlichen parallel zu der Zerstäubergasströmung oder zu dieser geringfügig geneigt verläuft, wird einer Ausbreitung des Zerstäubergasstrahls quer zu seiner Strahlachse entgegengewirkt. Zugleich kann eine weitgehend laminare Strömung des Zerstäubergasstrahls sichergestellt werden, sodass die Partikelbeaufschlagung der Oberfläche des Substrats weitgehend homogen ist.Furthermore, it proves to be particularly practical if the auxiliary gas jet emerges from at least one nozzle axially parallel to the atomizer gas jet or converging to a jet axis of the atomizer gas jet. By aligning the nozzles in such a way that the emerging gas jet runs essentially parallel to the atomizer gas flow or is slightly inclined to it, the spread of the atomizer gas jet transversely to its jet axis is counteracted. At the same time, a largely laminar flow of the atomizer gas jet can be ensured, so that the particle impact on the surface of the substrate is largely homogeneous.

Hierzu ist gemäß einer weiteren besonders Erfolg versprechenden Abwandlung der Erfindung mittels der Düsen ein inertes Gas zuführbar.For this purpose, according to a further particularly promising modification of the invention, an inert gas can be supplied by means of the nozzles.

Weiterhin ist vorzugsweise zumindest eine Düse beweglich, insbesondere schwenkbeweglich an der Vorrichtung angeordnet. Indem die Orientierung oder auch die Position der Düsen einstellbar, beispielsweise lenkbar ausgeführt ist, kann der Zerstäubergasstrahl in unterschiedliche Richtungen auf das Substrat abgelenkt werden. Hierdurch wird eine im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich zielgenauere Partikelzuführung auf die Oberfläche des Substrats erreicht, sodass auch komplexe Geometrien des Substrats mit einer Beschichtung konstanter Beschichtungsstärke versehen werden können.Furthermore, at least one nozzle is preferably arranged on the device in a movable, in particular pivotable, manner. By making the orientation or position of the nozzles adjustable, for example steerable, the atomizer gas jet can be deflected in different directions onto the substrate. This achieves a much more precise particle delivery to the surface of the substrate compared to the prior art, so that even complex geometries of the substrate can be provided with a coating of constant coating thickness.

Zudem erweist es sich als besonders vielversprechend, wenn der Gasstrom zumindest für einzelne Düsen unabhängig einstellbar ist, um so eine ortsaufgelöste und den jeweiligen Umständen problemlos anpassbare Strahlformung des Zerstäubergasstrahls zu ermöglichen. Insbesondere können hierzu der Volumenstrom und besonders bevorzugt die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend angepasst werden.In addition, it proves to be particularly promising if the gas flow can be adjusted independently, at least for individual nozzles, in order to enable spatially resolved jet shaping of the atomizer gas jet that can be easily adapted to the respective circumstances. In particular, the volume flow and particularly preferably the flow velocity can be adjusted accordingly.

Der zusätzliche Gasstrom ist jedoch nicht auf die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Zerstäubergasstrahls beschränkt. Vielmehr kann dieser in vorteilhafter Weise auch zur Kühlung der Vorrichtung durch eine entsprechend erhöhte Wärmeabfuhr genutzt werden.However, the additional gas flow is not limited to increasing the flow speed of the atomizer gas jet. Rather, this can also be used advantageously to cool the device through a correspondingly increased heat dissipation.

Eine andere, besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung zur Beschichtung einer Innenwandfläche eines Hohlkörpers um eine Achse schwenkbeweglich angeordnet ist, die im Wesentlichen quer zu der Strahlachse des Zerstäubergasstrahls verläuft, um so auch im Inneren von Hohlkörpern zuverlässig eine Beschichtung mit der gewünschten Beschichtungsstärke anbringen zu können.Another, particularly preferred embodiment of the invention is achieved in that the device for coating an inner wall surface of a hollow body is arranged to be pivotable about an axis which runs essentially transversely to the jet axis of the atomizer gas jet, in order to be reliable even inside hollow bodies to be able to apply a coating with the desired coating thickness.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Brennerkopf;
2 den in 1 gezeigten Brennerkopf in einer Vorderansicht.

The invention allows numerous embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and is described below. This shows in

1 a perspective view of a device according to the invention with a burner head;
2 the in 1 Burner head shown in a front view.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Plasmaspritzen wird nachstehend anhand der 1 und 2 näher dargestellt. Die Vorrichtung 1 ist zum Plasmabeschichten einer Oberfläche 2 eines Substrats 3 mit einem Brennerkopf 4 ausgestattet, welcher in der dargestellten Anwendung am unteren Ende eines eine nicht dargestellte Gaszuführung aufnehmenden Brennerschafts 5 angeordnet ist. Der Brennerschaft 5 der Vorrichtung 1 ragt in einen inneren Bereich des als ein zylindrischer Hohlkörper ausgeführten Substrats 3 hinein und ist um eine vertikale Achse 6 schwenkbeweglich angeordnet. Auf diese Weise kann eine die Innenwandfläche bildende Oberfläche 2 mit einer Beschichtung 7 versehen werden, indem der Brennerschaft 5 mit einer Drehzahl von bis zu 200 U/min rotierend angetrieben wird. Zwischen einer Anode 8 und einer Kathode 9 wird im Betrieb ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung gezündet, durch den mittels der Gaszuführung ein Zerstäubergas, welches selbstverständlich auch ein Gasgemisch sein kann, geführt und dabei ionisiert wird. An dem Brennerschaft 5 ist weiterhin eine Zuführung 10 vorgesehen, durch die alternativ ein nicht gezeigtes Pulver oder ein Draht zugeführt und in dem Gasstrom bzw. in einem Lichtbogen aufgeschmolzen wird. Die geschmolzenen Partikel des Draht- oder Pulvermaterials gelangen so mit dem Zerstäubergasstrahl 12 entlang einer im Wesentlichen horizontalen Strahlachse 13 durch einen mittels einer in 2 näher dargestellten Elektrode 11 bedarfweise aktivierbaren weiteren Lichtbogen und eine Zerstäubergasaustrittsöffnung 14 auf die Oberfläche 2 des Substrats 3.The device 1 according to the invention for plasma spraying is described below with reference to 1 and 2 shown in more detail. For plasma coating a surface 2 of a substrate 3, the device 1 is equipped with a burner head 4, which in the application shown is arranged at the lower end of a burner shaft 5 that accommodates a gas supply, not shown. The burner shaft 5 of the device 1 projects into an inner region of the substrate 3, which is designed as a cylindrical hollow body, and is arranged to be pivotable about a vertical axis 6. In this way, a surface 2 forming the inner wall surface can be provided with a coating 7 by driving the burner shaft 5 to rotate at a speed of up to 200 rpm. During operation, an arc is ignited between an anode 8 and a cathode 9 by applying a voltage, through which an atomizer gas, which of course can also be a gas mixture, is passed through the gas supply and thereby ionized. A feed 10 is also provided on the burner shaft 5, through which a powder or a wire, not shown, is alternatively fed and melted in the gas stream or in an arc. The molten particles of the wire or powder material thus pass with the atomizer gas jet 12 along a substantially horizontal jet axis 13 through an in 2 Electrode 11 shown in more detail, an additional arc that can be activated if necessary, and an atomizing gas outlet opening 14 on the surface 2 of the substrate 3.

Wie insbesondere in 2 zu erkennen ist die Vorrichtung 1 zur wahlweisen Verarbeitung eines pulverförmigen Materials oder eines drahtförmigen Materials mit zumindest einer weiteren, im Bereich der Zerstäubergasaustrittsöffnung 14 angeordneten, als Kathode ausgeführten Elektrode 11 zur Erzeugung eines Hilfslichtbogens zum Aufschmelzen des drahtförmigen Materials ausgestattet. Flankierend zu der Zerstäubergasaustrittsöffnung 14 sind vier Düsen 15 vorgesehen, durch die jeweils ein den Zerstäubergasstrahl 12 außenseitig einschließender Hilfsgasstrahl zugeführt wird. Hierdurch werden eine Strahlformung, insbesondere Bündelung, sowie eine Beschleunigung des Zerstäubergasstrahls 12 erreicht, um so die zielgenaue Zuführung der aufgeschmolzenen Partikel auf den vorbestimmten Bereich der Oberfläche 2 zu erreichen.Like in particular 2 It can be seen that the device 1 for selectively processing a powdery material or a wire-shaped material is equipped with at least one further electrode 11, arranged in the area of the atomizer gas outlet opening 14 and designed as a cathode, for generating an auxiliary arc for melting the wire-shaped material. Flanking the atomizer gas outlet opening 14 are four nozzles 15, through which an auxiliary gas jet enclosing the atomizer gas jet 12 on the outside is supplied. This achieves beam shaping, in particular bundling, and acceleration of the atomizer gas jet 12 in order to achieve the precise delivery of the melted particles to the predetermined area of the surface 2.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11: Vorrichtungcontraption
22: Oberflächesurface
33: SubstratSubstrate
44: Brennerkopfburner head
55: BrennerschaftBurner shaft
66: Achseaxis
77: BeschichtungCoating
88th: Anodeanode
99: Kathodecathode
1010: Zuführungfeeder
1111: Elektrodeelectrode
1212: ZerstäubergasstrahlAtomizer gas jet
1313: Strahlachsebeam axis
1414: ZerstäubergasaustrittsöffnungAtomizer gas outlet opening
1515: Düsejet

Claims

Device (1) for plasma coating a surface (2) of a substrate (3) using the plasma spraying process, wherein an arc can be generated between at least two electrodes of the device (1) forming an anode and a cathode by applying a voltage and wherein the device (1) a gas supply and a supply (10) for a material to be deposited on the surface (2), which can be melted by a gas heated to plasma temperature, so that melted particles of the material are ejected by means of an atomizer gas jet (12) through an atomizer gas outlet opening (14) of the device ( 1) can be transported in the direction of the surface (2) of the substrate and deposited there, the device (1) for melting a powdery material and / or a wire-shaped material having at least one further electrode (11) arranged in the area of the atomizer gas outlet opening (14). ) is equipped to generate an auxiliary arc, characterized in that the device (1) has a plurality of nozzles (15) distributed around the circumference of the atomizer gas outlet opening (14), through which an auxiliary gas jet that touches or encloses the atomizer gas jet (12) on the outside can be supplied if necessary.

Device (1) according to Claim 1 , characterized in that the feed (10) can be used both for the powdery material and for the wire-like material.

Device (1) according to Claims 1 or 2 , characterized in that the device (1) has an exchangeable burner head (4) with a single additional cathode (9) for generating the auxiliary arc.

Device (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the electrode (11) is designed to be switched off when powdered material is used exclusively.

Device (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the burner head (4) is arranged interchangeably on the device (1).

Device (1) according to Claim 1 , characterized in that the auxiliary gas jet exits from at least one nozzle (15) axially parallel to the atomizer gas jet (12) or converging to a jet axis (13) of the atomizer gas jet (12).

Device (1) according to Claim 1 or 6 , characterized in that at least one nozzle (15) is arranged movably, in particular pivotally, on the device (1).

Device (1) according to at least one of Claims 1 , 6 or 7 , characterized in that the gas flow is independently adjustable at least for individual nozzles (15).

Device (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the device (1) for coating an inner wall surface of a hollow body is arranged to be pivotable about an axis (6).