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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschichtung einer Oberfläche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und ein Substrat mit Hartstoffpartikeln gemäß Anspruch 17.
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Aus der Praxis der Herstellung von Verschleißschutzschichten auf metallischen Substraten sind Versuche bekannt, AlZrO-Partikel mittels eines Partikelbeschleunigers nach Art einer Schleuderscheibe in eine durch einen Metall-Schutzgas-Brenner (MSG) erzeugte Schmelze einzubringen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der Hartstoffpartikel kontrolliert in eine flüssige Schicht auf einem Substrat eingebracht werden können.
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Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Verwendung eines Trägergases können auf einfache Weise hohe Geschwindigkeiten sowie hohe Partikeldichten erzielt werden. Dies erlaubt es, die Hartstoffpartikel mit einer gewünschten Geschwindigkeit oder Bewegungsenergie in die flüssige Phase einzuschießen. Durch das nachfolgende Erstarren der flüssigen Schicht werden die Partikel dann in der Schicht eingeschlossen, so dass insgesamt eine effektive Verschleißschutzschicht ausgebildet wird.
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Dabei können verschiedene Parameter zur Optimierung der Verschleißschutzschicht variiert werden, insbesondere Partikelart, Partikelgröße, Partikelform, Auftreffgeschwindigkeit, Auftreffwinkel, Zusammensetzung der flüssigen Schicht, Viskosität und/oder Temperatur der flüssigen Schicht, Tiefe der flüssigen Schicht, Durchmesser des lokalen Bereichs und andere. Je nach Anforderungen ist es häufig gewünscht, eine homogene Verteilung der Hartstoffpartikel in der wieder erstarrten Schicht zu erzielen.
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Die flüssige Schicht in dem lokalen Bereich ist im Sinne der Erfindung ein Bestandteil des Substrats. Dabei kann es sich bei der flüssigen Phase der Schicht je nach Detailgestaltung um geschmolzenes Substratmaterial, um aufgebrachtes geschmolzenes Material oder um eine Kombination aus geschmolzenem Substratmaterial und aufgebrachtem geschmolzenem Material handeln.
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Unter einem Hartstoff wird im vorliegenden Sinn ein Material mit einer hohen Härte im Vergleich zu einem den Hartstoff einschließenden Matrixmaterial verstanden. Bevorzugt liegt die Härte eines Hartstoffpartikels im Sinne der Erfindung oberhalb von 60 HRC, besonders bevorzugt oberhalb von 1000 HV10.
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Unter einer Energiequelle wird im Sinne der Erfindung jede Quelle zum Eintrag von Wärme in die flüssige Schicht, zum Beispiel Brenngas, Plasma, Lichtbogen, Laser oder Sonstiges, verstanden, mittels der eine lokale Erzeugung einer flüssigen Schicht möglich ist. Bevorzugt ist der lokale Bereich besonders klein, um eine schnelle Erstarrung nach Eintrag der Partikel zu gewährleisten.
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Der Strom des Trägergases ist im Allgemeinen regelbar ausgebildet, zum Beispiel durch eine Druckregelung.
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Bei einer allgemein bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Partikelquelle einen Saugbereich, in dem zumindest ein Teil des Stroms des Trägergases nach der Beschleunigung der Hartstoffpartikel abgesaugt wird. Durch das zumindest teilweise Absaugen von Trägergas in dem Saugbereich wird ein ungünstig großer Trägergasstrom im Bereich der flüssigen Schicht vermieden. Insbesondere werden Probleme mit einem Wegblasen, Auskühlen oder sonstiger Wechselwirkung des Substrats mit dem Trägergas reduziert. Die zuvor beschleunigten Partikel können vorteilhaft ihre kinetische Energie und Trajektorie weitgehend beibehalten, so dass der Partikeleintrag insgesamt optimiert wird.
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Bei hierzu alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Verringerung des Einflusses des Trägergases auch dadurch erzielt werden, dass die Partikelquelle einen größeren Abstand zu der flüssigen Schicht aufweist und/oder dass eine optimiert geformte Mündung der Partikelquelle zur schnellen Auffächerung des Trägergasstroms gewählt wird.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Partikelquelle einen stromaufwärts des Saugbereiches endenden Förderkanal zur Förderung und Beschleunigung der Hartstoffpartikel. Bevorzugt ist dabei ein absaugender Querschnitt des Saugbereichs wenigstens zweimal, besonders bevorzugt wenigstens viermal so groß ist wie ein Querschnitt des Förderkanals, um ein ausreichend effektives Absaugen des Trägergasstroms zu gewährleisten.
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Im Interesse einer weiteren Optimierung des Trägergasstroms kann ein maximaler Druck in dem Förderkanal wenigstens 1,5-mal, bevorzugt wenigstens zweimal so groß sein wie ein Außendruck über dem Substrat. Besonders bevorzugt kann dabei ein dynamischer Druck in dem Saugbereich nicht größer als zwei Drittel des Drucks in dem Förderkanal sein. Je nach Größe und Dichte der beschleunigten Hartstoffpartikel können regelmäßig relativ hohe Drücke des Trägergases, zum Beispiel mehr als 5 bar oder auch mehr als 10 bar, eingesetzt werden. Insbesondere in Kombination mit einer Absaugung des Trägergases nach der Partikelbeschleunigung sind solche hohen Drücke problemlos einsetzbar.
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Bei einer allgemein bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Dichte des Materials der beförderten Hartstoffpartikel geringer als eine Dichte der flüssigen Schicht. Um solche Partikel in ausreichendem Umfang an einem Aufschwimmen zu hindern, können Sie mit entsprechender Bewegungsenergie bzw. Geschwindigkeit in die flüssige Schicht eingeschossen werden. Besonders bevorzugt haben die beförderten Hartstoffpartikel eine mittlere Dichte zwischen 2 g/cm3 und 6 g/cm3. Ganz besonders bevorzugt liegt die Dichte zwischen 2 g/cm3 und 5 g/cm3. Solche Hartstoffe sind häufig günstig in der Bereitstellung, verhalten sich aber aufgrund ihres Aufschwimmens ungünstig bei der Beschichtung von typischen metallischen Substraten mit höheren Dichten (z.B. Stahl, Kupferlegierungen, Nickellegierungen, Kobaltlegierungen u.a.).
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Bei hierzu alternativen Ausführungsformen kann eine Dichte des Materials der beförderten Hartstoffpartikel aber auch größer sein als eine Dichte der flüssigen Schicht, Bevorzugt haben die beförderten Hartstoffpartikel dabei eine mittlere Dichte zwischen 6 g/cm3 und 17 g/cm3. Solche Hartstoffpartikel sind zum Beispiel Wolframcarbide. Diese Stoffe müssen nicht mit hoher Geschwindigkeit in die flüssige Phase geschossen werden, da sie im Allgemeinen nicht aufschwimmen. Gleichwohl kann eine erfindungsgemäße Partikelquelle auch für solche Anwendungen eine genaue Zielausrichtung und hohe Partikelstromdichte ermöglichen, so dass eine universelle Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegeben ist.
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Allgemein vorteilhaft wird die flüssige Schicht nach einem aus der Gruppe der folgenden Verfahren erzeugt:
- -Auftragsschweißen, bevorzugt mittels PTA (= Plasma Transferred Arc) und/oder mittels Laserstrahl und/oder mittels Fülldrähten;
- -thermisches Spritzen, bevorzugt mittels Fülldrähten;
- -Dispergieren, bevorzugt mittels Plasmaquelle und/oder mittels Laserstrahl. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher insgesamt für verschiedene Kategorien der Erzeugung einer flüssigen Schicht geeignet, nämlich:
- -Auftragsschweißen bzw. Erzeugung einer Verbindung aus aufgeschmolzenem Substrat und zugefügtem Auftragsmaterial als flüssige Schicht;
- -thermisches Aufspritzen von Material, wobei das Substrat im Wesentlichen nicht aufgeschmolzen wird und die flüssige Schicht nur aus dem aufgespritztem Material besteht; und
- -Dispergieren, wobei die flüssige Schicht nur aus geschmolzenem Substratmaterial besteht, so dass nur die Hartstoffpartikel und kein Auftragsmaterial hinzugefügt werden.
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Allgemein vorteilhaft umfasst das Substrat und/oder die flüssige Schicht eine aus der Gruppe der folgenden Legierungen: Eisenbasislegierung; Nickelbasislegierung; Kobaltbasislegierung; oder Kupferbasislegierung. Jeder der genannten Legierungen hat eine relativ hohe Dichte von >7,5 g/cm3, so dass viele Klassen von leichten Hartstoffen nur problematisch in die flüssige Schicht einzubringen sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt bei entsprechender Auslegung des Trägergasstroms eine weitgehend universelle Kombination von Hartstoffpartikeln und Material der flüssigen Schicht.
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Je nach Anforderungen kann das Trägergas vorteilhaft eines aus der Gruppe der folgenden Gase oder ein Gemisch von Gasen der Gruppe umfassen:
- -Inertgas, bevorzugt Edelgas oder Stickstoff;
- -reaktives Gas zur gezielten Herbeiführung chemischer Reaktionen;
- -Druckluft.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung stammen die Hartstoffpartikel aus der Gruppe der folgenden Hartstoffe oder umfassen ein Gemisch von Hartstoffen der Gruppe:
- a) leichte Karbide und Boride mit einer Dichte von weniger als 6 g/cm3, bevorzugt SiC, VC, TiC, TiB2, BC;
- b) schwere Karbide und Boride mit einer Dichte von mehr als 6 g/cm3, bevorzugt NbC, WC, WSC, CrC, T2B, BC, CrB;
- c) Oxide, bevorzugt Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Aluminium-Zirkon-Oxid, Siliziumoxid;
- d) Diamant;
- e) Ferrolegierungen;
- f) Oxid-Karbid-Verbindungen.
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Im Interesse einer guten Einbindung der Hartstoffpartikel in die erstarrte flüssige Phase kann es vorgesehen sein, dass die Hartstoffpartikel eine Beschichtung, bevorzugt eine Metallisierung, aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass viele leichte Hartstoffpartikel, zum Beispiel oxidische Keramiken wie etwa Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Aluminium-Zirkon-Oxid, auch bei physikalisch erfolgreichem Einschluss in die erstarrte flüssige Phase nur schlechte Bindungen mit der umgebenden Matrix eingehen. Diese Bindungen können verbessert werden, indem die Oberflächen der Hartstoffpartikel beschichtet werden. Ein Beispiel für mögliche Beschichtungen ist die Beschichtung mit Metallen, insbesondere Metallen die in der Schmelze zu Karbidbildung neigen. Beispiele sind die Beschichtung der Hartstoffpartikel mit Titan oder Kupfer.
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Zur Erlangung eines guten Verschleißschutzes haben die Hartstoffpartikel je nach Anforderungen bevorzugt eine mittlere Korngröße zwischen 0,01 mm und 2 mm. Besonders bevorzugt liegt die mittlere Korngröße zwischen 0,05 mm und 0,7 mm, um eine besonders effektive Einbringung mit einer Partikelquelle gemäß der Erfindung zu erzielen.
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Je nach Größe und Dichte der Hartstoffpartikel einerseits und Dichte sowie Viskosität (Temperatur) der flüssigen Schicht andererseits kann die mittlere Geschwindigkeit der auftreffenden Hartstoffpartikel optimiert werden. Allgemein vorteilhaft treffen die Hartstoffpartikel dabei mit einer mittleren Geschwindigkeit zwischen 50 m/s und 300 m/s, besonders bevorzugt zwischen 80 m/s und 200 m/s, auf die flüssige Schicht auf. Bei Ausführungsformen mit Hartstoffpartikeln hoher Dichte, zum Beispiel Wolframcarbide, können die gewünschten Geschwindigkeiten aber auch erheblich geringer sein.
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Zur Optimierung des Eintrags und der Verteilung der Hartstoffpartikel in der flüssigen Schicht ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Hartstoffpartikel mittels einer Ausrichtung der Partikelquelle zu dem Substrat in einem Winkel zwischen 90° und 25°, insbesondere zwischen 70° und 30°, auf die flüssige Schicht auftreffen. Bei zu flachen Aufprallwinkeln besteht die Gefahr eines Abpralls der Partikel oder eines zu flachen Eintauchens. Zu steile Winkel können zu einer baulichen Problematik, insbesondere in Bezug auf die Energiequelle, führen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Partikelquelle einen zu der Energiequelle verschiedenen Ausrichtungswinkel. Bevorzugt ist dabei die Partikelquelle neben der Energiequelle angeordnet. Ein Ausrichtungswinkel der Energiequelle ist dabei durch die Hauptrichtung oder mittlere Richtung eines Energiestroms von der Quelle zu dem Substrat definiert. Der Ausrichtungswinkel der Partikelquelle ist als die mittlere Richtung der Hartstoffpartikel auf ihrem Weg von der Partikelquelle zu der flüssigen Schicht definiert. Bei separater Bauweise und/oder benachbarter Anordnung von Partikelquelle und Energiequelle liegen zumeist verschiedene Ausrichtungswinkel vor. Dies hat zudem den Vorteil, dass die Hartstoffpartikel allenfalls über eine geringe Flugstrecke im Einfluss der Energiequelle stehen.
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Es ist auch denkbar, dass die Hartstoffpartikel den Energiestrom der Energiequelle gar nicht kreuzen, sondern, zum Beispiel in Verbindung mit einer Bewegung der Energiequelle, in einen kurz zuvor verflüssigten lokalen Beriech hinter der Energiequelle zielen.
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Bei anderen denkbaren Ausführungsformen der Erfindung können Energiequelle und Partikelquelle auch kollinear ausgerichtet sein. Dabei können die Hartstoffpartikel durch einen Energiestrom der Energiequelle fliegen. Alternativ dazu kann bei kollinearer Ausrichtung eine Ringform der Energiequelle vorgesehen sein so dass die Hartstoffpartikel konzentrisch durch das Zentrum der Ringform fliegen und so möglichst wenig von dem Energiestrom beeinträchtigt werden.
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Allgemein ist es dabei gewünscht, dass die Hartstoffpartikel möglichst wenig unnötigen thermischen Energieeintrag erfahren, um nicht thermisch zersetzt zu werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird für ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats zudem mit den folgenden Merkmalen gelöst:
- -Erzeugen einer flüssigen Schicht in einem lokalen Bereich des Substrats;
- -Beschleunigen von Hartstoffpartikeln mittels eines Trägergasstroms auf eine gewünschte Geschwindigkeit;
- -Bevorzugt Absaugen von Trägergas aus dem Trägergasstrom;
- -Auftreffen und Eintauchen der Hartstoffpartikel in die flüssige Schicht;
- -Erstarren der flüssigen Schicht unter Einschluss der eingetauchten Hartstoffpartikel.
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Bevorzugt wird das Verfahren mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt.
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Es versteht sich, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren eines oder mehrere Merkmale einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen kann. Insbesondere betrifft dies die Auswahl der Art, Dichte, Größe, Geschwindigkeit, Beschichtung, Aufprallwinkel und sonstigen Eigenschaften der Hartstoffpartikel, die Eigenschaften des Substrats, die Eigenschaften der Energiequelle, die Eigenschaften des Trägergases und die Eigenschaften der Partikelquelle.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Substrat mit Hartstoffpartikeln als Verschleißschutz, bevorzugt ein Metallbauteil, hergestellt mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- 2 zeigt eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Partikelquelle der Vorrichtung aus 1.
- 2a zeigt eine Ausschnittvergrößerung des Bereiches B der Partikelquelle aus 2.
- 3 zeigt eine Schnittansicht von der Seite und eine Ansicht entlang der Schnittlinie A-A eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Partikelquelle der Vorrichtung aus 1.
- 4 zeigt ein Schliffbild durch ein erfindungsgemäß hergestelltes Substrat mit Hartstoffpartikeln als Verschleißschutz.
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Beschichtung eines metallischen Substrats 1, vorliegend eines Metallbauteils aus einer Eisenbasislegierung (Stahl). Die Vorrichtung umfasst eine zu dem Substrat 1 beabstandet angeordnete Energiequelle 2 und eine ebenfalls beanstandet zu dem Substrat 1 angeordnete Partikelquelle 3. In einem lokalen Bereich 4 des Substrats wird mittels der Energiequelle 2 eine flüssige Schicht erzeugt.
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Hierzu ist ein von der Energiequelle 2 in Richtung des Substrats gerichteter Energiestrom 2a schematisch angedeutet. bei der Energiequelle handelt es sich vorliegend um einen Plasmabrenner einer herkömmlichen PTA-Auftragsschweißanlage. Eine Ausrichtung der Energiequelle 2 bzw. die Hauptrichtung des Energiestroms 2a ist durch die Linie L1 dargestellt. Die Ausrichtung beträgt etwa 90° zu einer Oberfläche des Substrats.
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Die Partikelquelle 3 beschleunigt Hartstoffpartikel 5 auf eine Geschwindigkeit in Richtung der flüssigen Schicht, so dass die Hartstoffpartikel 5 mit definierter Geschwindigkeit bzw. kinetischer Energie in die flüssige Schicht 4 eintreten. Nachfolgend, zum Beispiel nach einem seitlichen Weiterbewegen der Energiequelle 2, erstarrt die flüssige Schicht 4, so dass die Hartstoffpartikel 5 eingebettet werden.
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Eine Ausrichtung L2 der Partikelquelle 3 beträgt vorliegend etwa 45° zu der Oberfläche des Substrats 1, und somit auch 45° relativ zu der Ausrichtung L1 der Energiequelle 2.
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Die Beschleunigung der Hartstoffpartikel 5 auf die gewünschte Geschwindigkeit erfolgt in der Partikelquelle 3 mittels eines Stroms eines Trägergases. Hierzu ist ein handelsüblicher Pulverförderer 6 an die Partikelquelle 3 angebunden, um einen kontinuierlichen Nachschub von Hartstoffpartikeln zu gewährleisten.
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2 zeigt die Partikelquelle aus 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Eine regelbare Druckleitung (nicht dargestellt) eines Trägergases ist an die Partikelquelle angeschlossen. Der Druck bzw. Strom des Trägergases beschleunigt die vom Pulverförderer 6 zugeführten Hartstoffpartikel 5 in einem Förderkanal 7 in Richtung der flüssigen Schicht 4 bzw. in die Hauptstromrichtung (Ausrichtung) L2 der Partikelquelle 3. Der Förderkanal 7 ist vorliegend als Keramikrohr ausgebildet und in einem Gehäuse 8 der Partikelquelle 3 gehalten. Der Förderkanal 7 endet innerhalb des Gehäuses 8. Das Gehäuse 8 ist über einen Flansch 9 und eine Saugleitung 10 mit einer Saugpumpe 11 verbunden. Die Saugpumpe 11 evakuiert das Gehäuse 8. Im Regelfall ist der Druck in dem Gehäuse 8 geringer als der Außendruck über dem Substrat 1.
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Der durch das Gehäuse 8 gebildete Hohlraum stellt somit einen Saugbereich im Sinne der Erfindung dar. Der Förderkanal 7 endet in dem Saugbereich 8, so dass zumindest ein Teil des mit den Hartstoffpartikeln 5 aus dem Förderkanal austretenden Trägergases abgesaugt wird, wobei die Hartstoffpartikel 5 ihre Bewegungsenergie im Wesentlichen beibehalten. Durch das zumindest teilweise Absaugen von Trägergas in dem Saugbereich 8 wird ein ungünstig großer Trägergasstrom im Bereich der flüssigen Schicht 4 vermieden.
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Das Gehäuse 8 verjüngt sich in einem ersten Bereich 8a in Flugrichtung der Partikel konisch und schließt mit einem zylindrischen Austrittkanal 8b ab. Je nach Einstellung der Vorrichtung kann das Rohr des Förderkanals 7 bis in den Austrittkanal 8b hineinragen, wobei ein ausreichend großer Ringspalt 9 zum Absaugen des Trägergases verbleibt. Durch ein Positionieren des Förderkanals 7 (einfaches Verschieben in seiner Längsrichtung) in dem Austrittkanal 8b oder dem ersten Bereich 8a können die abgesaugt Menge und der Strömungsverlauf des Trägergases variiert werden.
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Je nach Einstellung kann somit ein absaugender Querschnitt des Saugbereichs 8 wenigstens viermal so groß sein wie ein Querschnitt des Förderkanals 7. Ein ausreichend niedriger dynamischer Druck in dem Saugbereich hinter dem Förderkanal 7 ist hierdurch sichergestellt.
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Eine genau bemaßte und beispielhaft eingestellte Geometrie eines Austrittsbereiches der Partikelquelle
3 ist in
2a gezeigt. Für eine konkrete, praxisgerechte Einstellung lauten die Maße:
| S1 | Außendurchmesser Förderkanal | 4 mm |
| S2 | Innendurchmesser Förderkanal | 1,4 mm |
| S3 | Außendurchmesser Austrittkanal | 10 mm |
| S4 | Innendurchmesser Austrittkanal | 7 mm |
| S5 | Abstand Austrittkanal - Substrat | 20 mm |
| S6 | Abstand Förderkanal - Substrat | 38 mm |
| S7 | Durchmesser Blende Austrittkanal | 6 mm |
| S8 | Durchmesser Partikelstrahl auf Substrat | 10 mm |
| W1 | Öffnungswinkel Partikelstrahl | 12,9° |
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Bei der gezeigten bevorzugten Einstellung taucht der Förderkanal 7 in den Austrittkanal 8b ein. Der verbleibende Ringspalt zwischen den Kanälen hat eine Breite von 1,5 mm und einen Innendurchmesser von 4 mm. Der Förderkanal hat einen Innendurchmesser von 1,4 mm. Der Querschnitt zum Absaugen des Trägergases beträgt daher etwa 26 mm2. Der Querschnitt des Förderkanals beträgt 1,54 mm2. Entsprechend ist der absaugende Querschnitt in diesem Beispiel knapp 17 mal so groß wie der Querschnitt des Förderkanals 7.
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Die flüssige Schicht 4 in dem lokalen Bereich ist vorliegend eine Kombination aus geschmolzenem Substratmaterial und einem aufgebrachtem geschmolzenem Material. Die Energiequelle ist eine Plasmaquelle mit Pulverzuführung, wobei das aufgebrachte geschmolzene Material im PTA (Plasma Transferred Arc) - Verfahren aufgebracht wird.
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Bei einer konkreten Anwendung der Vorrichtung aus 1 wurden leichte Hartstoffpartikel 5 mit einer Dichte von weniger als 6 g/cm3, vorliegend Aluminium-Zirkon-Oxid (Al-Zr-O2), mittels eines inerten Trägergases, vorliegend Argon, auf eine mittlere Geschwindigkeit von 150 m/s am Austritt der Partikelquelle 3 beschleunigt. Der maximale Druck des Inertgases in dem Förderkanal 7 beträgt etwa 3 bar. Die Partikel sind unregelmäßig geformt und haben eine mittlere Korngröße von etwa 200 µm. Die Hartstoffpartikel wurden zuvor dünn mit Titan beschichtet.
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Mittels des PTA-Verfahrens wird auf ein Stahlbauteil eine Legierung X390VCrWMo17-12-1 aufgetragen bzw. aufgeschweißt. Die Hartstoffpartikel 5 wurden in den lokalen Bereich einer flüssigen Phase unterhalb der Energiequelle 2 eingeschossen. Die Energiequelle 2 und die Partikelquelle 3 wurden in einem Streifenraster verfahren, so dass der lokale Bereich flüssiger Phase 4 unmittelbar nach dem Eintrag der Hartstoffpartikel 5 auskühlt und erstarrt.
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4 zeigt ein Schliffbild durch die so erzeugte Verschleißschutzschicht. Die gesamte Schicht hat eine Dicke von etwa 2,5 mm. Der gezeigte Ausschnitt der Schicht hat eine Höhe von etwa 1,5 mm. Die ersichtliche gleichmäßige Verteilung der Partikel über die Höhe der Schicht erstreckt sich über die gesamte Höhe der Schicht.
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Die Hartstoffpartikel 5 sind mit ihren Oberflächen zudem sehr gut an die Matrix bzw. das erstarrte Auftragsmaterial angebunden, wie weitere Untersuchungen gezeigt haben. Die Anbindung wird durch die vorgenommene Metallisierung der Hartstoffpartikel mit Titan verbessert.
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Je nach Größe und Dichte der beschleunigten Hartstoffpartikel können regelmäßig relativ hohe Drücke des Trägergases, zum Beispiel mehr als 5 bar oder auch mehr als 10 bar, eingesetzt werden. Im Allgemeinen wird man bei kleineren Partikeldurchmessern und geringeren Partikeldichten eher hohe Drücke wählen, um eine ausreichende Beschleunigung und Eintrag in die flüssige Phase zu gewährleisten.
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In dem vorgenannten Beispiel ist eine Dichte des Materials der beförderten Hartstoffpartikel 5, nämlich Aluminium-Zirkon-Oxid (Al-Zr-O2), Dichte ca. 4,5 g/cm3, deutlich geringer als eine Dichte der flüssigen Schicht 4 (ca. 7,8 g/cm3).
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Im Fall des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels hat die Partikelquelle 3 einen zu der Energiequelle 2 unterschiedlichen Ausrichtungswinkel. Dabei ist die Partikelquelle 3 neben der Energiequelle 2 angeordnet.
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Durch das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel wird, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, zudem ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Beschichtung des Substrats 1 realisiert, umfassend die Schritte:
- -Erzeugen der flüssigen Schicht 4 in einem lokalen Bereich des Substrats 1;
- -Beschleunigen von Hartstoffpartikeln 5 mittels eines Trägergasstroms auf eine gewünschte Geschwindigkeit;
- -Absaugen von Trägergas aus dem Trägergasstrom;
- -Auftreffen und Eintauchen der Hartstoffpartikel 5 in die flüssige Schicht 4;
- -Erstarren der flüssigen Schicht 4 unter Einschluss der eingetauchten Hartstoffpartikel 5.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei eine verschieden geformte Partikelquelle 3 verwendet wird. Dabei werden gleiche Bezugszeichen für im Wesentlichen funktionsgleiche Bauteile im Vergleich zu der Quelle aus 2 verwendet.
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Im Unterschied zu der Partikelquelle 3 aus 1 ist hier ein besonders großer Saugquerschnitt realisiert. Der Förderkanal 7 ist über drei Stege 12 zentral in dem Gehäuse 8 der Partikelquelle 3 gehalten. Der Förderkanal 7 endet bzw. mündet unmittelbar hinter den Stegen 12. Die drei Stege definieren die Ebene eines minimalen Saugquerschnitts (Schnittebene A-A). Eine nicht dargestellte Leitung zur Zuführung von Trägergas und Partikeln wird an den Förderkanal 7 im Bereich des nach rechts zeigenden Pfeils angeschlossen. Die nach links zeigenden Pfeile symbolisieren das abgesaugte Trägergas.
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Vorliegend beträgt ein Außendurchmesser der Partikelquelle nach 3 etwa 26 mm. Der Saugquerschnitt (freier Querschnitt im Bereich der Stege 12) umfasst 225 mm2. Der Förderkanal hat einen freien Durchmesser von 1,8 mm bzw. einen Querschnitt von 2,54 mm2. Der Saugquerschnitt ist somit rund 90 mal größer als der Querschnitt des Förderkanals 7. Der gezeigte Austrittkanal 8b kann je nach Anforderungen dimensioniert sein oder auch eine wechselbare Blende umfassen, um eine effektive Druckreduzierung bzw. einen ausreichend niedrigen dynamischen Druck hinter dem Förderkanal 7 zu gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substrat
- 2
- Energiequelle
- 2a
- Energiestrom
- 3
- Partikelquelle
- 4
- flüssige Phase, lokaler Bereich
- 5
- Hartstoffpartikel
- 6
- Pulverförderer
- 7
- Förderkanal
- 8
- Gehäuse, Saugbereich
- 8a
- erster, konischer Teil des Saugbereiches
- 8b
- Austrittkanal des Saugbereiches
- 9
- Flansch
- 10
- Saugleitung
- 11
- Saugpumpe
- 12
- Stege (zweites Beispiel Partikelquelle)
- L1
- Ausrichtung Energiequelle
- L2
- Ausrichtung Partikelquelle
- S1
- Außendurchmesser Förderkanal
- S2
- Innendurchmesser Förderkanal
- S3
- Außendurchmesser Austrittkanal
- S4
- Innendurchmesser Austrittkanal
- S5
- Abstand Austrittkanal - Substrat
- S6
- Abstand Förderkanal - Substrat
- S7
- Durchmesser Blende Austrittkanal
- S8
- Durchmesser Partikelstrahl auf Substrat
- W1
- Öffnungswinkel Partikelstrahl
