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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Plasmabeschichten einer Oberfläche eines Substrats im Plasmaspritzverfahren, wobei zwischen einer Anode und einer Kathode der Vorrichtung durch Anlegen einer Spannung ein Lichtbogen erzeugbar ist und wobei die Vorrichtung eine Gaszuführung und eine Drahtzuführung für einen Draht aufweist, welcher durch ein auf Plasmatemperatur erhitztes Gas aufschmelzbar ist, sodass geschmolzene Partikel des Drahts mittels eines Zerstäubergasstrahls entlang einer Strahlachse durch eine Zerstäubergasaustrittsöffnung der Vorrichtung in Richtung der Oberfläche des Substrats transportierbar und abscheidbar sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Plasmaspritzverfahren zum Betrieb der Vorrichtung.
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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.
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Die dabei auftretende Ionisation erzeugt ein hochaufgeheiztes, elektrisch leitendes Gas aus positiven Ionen und Elektronen. In diesem erzeugten Plasmastrahl wird mittels einer rohrförmigen Drahtzuführung ein Draht zugeführt, der durch die hohe Plasmatemperatur aufgeschmolzen wird. Der Plasmastrom reißt die aufgeschmolzenen Partikel mit, die dann auf der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats abgeschieden werden.
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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.
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Aus der
US 6,610,959 B2 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines konzentrierten Strahls flüssiger Tropfen zum thermischen Spritzen bekannt, bei dem eine Zerstäubergasdüse vorgesehen ist, in der eine erste, sich verbrauchende Elektrode positioniert wird. Eine zweite, sich nicht verbrauchende Elektrode wird in der Nähe eines Gasaustritts der Zerstäuberdüse positioniert und ein Lichtbogen zwischen den Enden der Elektroden gezündet.
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Die
DE 196 37 737 C2 betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer eisenoxidhaltigen Beschichtung auf einem Leichtmetallsubstrat durch thermisches Lichtbogenspritzen, wobei zerstäubte Tropfen durch ein Zerstäubergas gefördert werden. Hierdurch sollen verschleißfeste Beschichtungen aus Aluminium- oder anderen Leichtmetallsubstraten hergestellt werden. Hierzu erfolgt ein thermisches Spritzen der geschmolzenen Tröpfchen eines Stahldraht-Ausgangsmaterials auf die vorbereitete Oberfläche mittels Treibgasen unter Abscheidung einer Komposit-Schicht, wobei die Gase in ihrer Zusammensetzung so gesteuert werden, dass die Tröpfchen einer Sauerstoffeinwirkung ausgesetzt werden, sodass während des Spritzens ein bestimmtes Eisenoxid gebildet wird.
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Als besonders aufwendig hat sich in der Praxis das Aufbringen von Plasmaspritzschichten dann gezeigt, wenn das zu beschichtende Substrat als ein Hohlkörper ausgeführt ist und die zu beschichtende Oberfläche durch einen Abschnitt einer Innenwandfläche gebildet ist. Dabei treten zugleich hohe Materialverluste des aufgeschmolzenen Drahtmaterials auf. Zudem kommt es zu starken Schichtverwirbelungen, die zu vermehrter Oxidbildung in dem Schichtsystem führen können.
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Die erzielbare Partikelgeschwindigkeit ist grundsätzlich von dem Gasdruck des zugeführten Zerstäubergases abhängig. Es sind daher bereits Versuche unternommen worden, die Beschichtungsqualität durch eine Erhöhung des Gasdrucks zu verbessern. Hiermit ist jedoch ein erheblicher Anlagen- und Steuerungsaufwand verbunden. Insbesondere ist eine Umrüstung vorhandener Anlagen nur mit erheblichem Aufwand realisierbar.
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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 Plasmaspritzvertahren geschaffen werden, welches eine Verbesserung der Beschichtungsqualität mit geringem Aufwand gestattet.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß hat also die Vorrichtung zumindest eine benachbart, insbesondere flankierend zu der Zerstäubergasaustrittsöffnung angeordnete Düse, durch die ein den Zerstäubergasstrahl außenseitig tangierender oder einschließender Hilfsgasstrahl bedarfsweise zuführbar ist. Hierdurch 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 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.
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Die Düse könnte als eine Ringdüse ausgeführt sein und die Zerstäubergasaustrittsöffnung konzentrisch einschließen, um so eine optimale Wirkung zu erreichen. In der Praxis hat es sich bereits als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Vorrichtung mehrere am Umfang der Zerstäubergasaustrittsöffnung verteilte Düsen aufweist.
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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.
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Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn mehrere Düsen über den Umfang der Zerstäubergasaustrittsöffnung gleichverteilt angeordnet sind, 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 ist.
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Weiterhin erweist es sich als besonders praxisgerecht, wenn der Hilfsgasstrahl zu dem Zerstäubergasstrahl achsparallel oder konvergierend zu der Strahlachse 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.
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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.
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Hierzu ist gemäß einer weiteren besonders Erfolg versprechenden Abwandlung der Erfindung mittels der Düsen ein inertes Gas zuführbar.
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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 Stärke versehen werden können.
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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.
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Insbesondere können hierzu der Volumenstrom und besonders bevorzugt die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend angepasst werden.
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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.
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Eine andere, ebenfalls besonders praxisnahe Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dann erreicht, wenn zumindest eine Düse als eine Shroudgasdüse ausgeführt ist, um die Verschmutzung der die Austrittsöffnung umgebenden Bereiche der Vorrichtung wirkungsvoll zu verhindern. Durch die entsprechende Strömung werden die austretenden Partikel zuverlässig abgeführt und die unerwünschte Anhaftung von Partikelteilen vermieden.
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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.
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Die weitere Aufgabe, ein zum Betrieb der Vorrichtung geeignetes, verbessertes Plasmaspritzverfahren, bei dem zwischen einer Anode und einer Kathode ein Lichtbogen erzeugt wird und einem zugeführten und auf Plasmatemperatur erhitzten Gas ein drahtförmiger Spritzwerkstoff zugeführt wird, sodass der aufgeschmolzene Spritzwerkstoff mittels eines Zerstäubergasstrahls auf der Oberfläche eines Substrats abgeschieden wird, zu schaffen, wird durch einen den Zerstäubergasstrahl außenseitig tangierenden oder einschließenden Hilfsgasstrahl gelöst. Hierdurch werden eine optimale Strahlformung, insbesondere Bündelung, sowie eine Beschleunigung des Zerstäubergasstrahls erreicht, um so die zielgenaue Zuführung der aufgeschmolzenen Partikel auf den vorbestimmten Bereich der Oberfläche zu ermöglichen.
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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
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1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Brennerkopf;
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2 den in 1 gezeigten Brennerkopf in einer Vorderansicht.
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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 für einen nicht gezeigten Draht angeordnet, welcher dem auf Plasmatemperatur erhitzten Gas mittels einer Drahtführung 11 zugeführt und in dem Gasstrom aufgeschmolzen wird. Die geschmolzenen Partikel des Drahtmaterials gelangen so mit dem Zerstäubergasstrahl 12 entlang einer im Wesentlichen horizontalen Strahlachse 13 durch eine Zerstäubergasaustrittsöffnung 14 auf die Oberfläche 2 des Substrats 3.
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Wie insbesondere in 2 erkennbar sind flankierend zu der Zerstäubergasaustrittsöffnung 14 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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Oberfläche
- 3
- Substrat
- 4
- Brennerkopf
- 5
- Brennerschaft
- 6
- Achse
- 7
- Beschichtung
- 8
- Anode
- 9
- Kathode
- 10
- Zuführung
- 11
- Drahtführung
- 12
- Zerstäubergasstrahl
- 13
- Strahlachse
- 14
- Zerstäubergasaustrittsöffnung
- 15
- Düse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6610959 B2 [0005]
- DE 19637737 C2 [0006]
