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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft die Verbesserung der Haftung von thermischen Spritzbeschichtungen auf Substraten.
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EINLEITUNG
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Thermisches Spritzen ist ein Beschichtungsverfahren, welches erwärmtes und üblicherweise durch Verbrennung, ein elektrisches Plasma oder einen Lichtbogen geschmolzenes Material auf ein Substrat aufträgt. Das Verfahren ist in der Lage, eine relativ dicke Beschichtung schnell über eine große Fläche aufzutragen, verglichen mit anderen Beschichtungsverfahren, wie z.B. Galvanisierung, Sputtern und physikalischer Gasphasenabscheidung.
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Die Rauheit und Beständigkeit der thermischen Sprühbeschichtung könnte nahezu ausschließlich als ein Merkmal des Materials der Beschichtung und in einem geringeren Umfang der Qualität der Anwendung erscheinen. Jedoch wurde bestimmt, dass tatsächlich typischerweise der entscheidende Faktor im Hinblick auf Rauheit und Beständigkeit einer thermischen Sprühbeschichtung die Stärke der Bindung zwischen der thermischen Sprühbeschichtung und dem Substrat ist. Eine schlechte Bindung kann dazu führen, dass die thermische Sprühbeschichtung abstreift, manchmal in relativ großen Teilen, lange bevor das thermisch gespritzte Material tatsächlich abgerieben wurde, während eine starke Bindung dafür sorgt, dass die thermische Sprühbeschichtung eine integrale und unlösbare Komponente des Substrats ist.
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Mehrere Ansätze wurden unternommen zur Verbesserung der Bindung zwischen der thermischen Sprühbeschichtung und dem Substrat. Typischerweise beinhalten diese das Einstellen der Zusammensetzung des thermisch gespritzten Materials und das Einstellen der Anwendungs-Verfahrensparameter. Jedoch konnten andere Fachleute der Branche nicht exakt bestimmen, wie die Anwendungs-Verfahrensparameter sein sollten, um eine sehr starke Haftung zwischen dem Substrat und der Sprühbeschichtung zu schaffen. Die vorliegende Offenbarung stellt eine Synergie der Verfahrensparameter bereit, die zu einer starken Haftung zwischen dem Substrat und der thermischen Sprühbeschichtung führen.
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KURZDARSTELLUNG
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Die vorliegende Offenbarung bietet einen systematischen Ansatz zur Verbesserung der Haftung einer thermischen Sprühbeschichtung auf einem Substrat, durch Bereitstellen einer idealen Mikrooberflächenstruktur und -sauberkeit. Zusätzlich ist das Vorheizen des Substrats vorgesehen, um die thermische Ausdehnung des Substrats an das thermische Sprühen anzupassen. Höchste Haftfestigkeit der thermischen Sprühbeschichtung auf dem Substrat wird durch Implementierung der folgenden Vorschriften vor Beschichtung der aktivierten Flächen der Zylinderbohrung hergestellt: Oberflächensauberkeit unter 30 Atomprozent Oberflächenkohlenstoff und vorzugsweise unter 20 Atomprozent Oberflächenkohlenstoff; Mikrooberflächenstruktur/Rauheit über 100 % Sdr und etwa 10 µm Ra (oder zwischen 9 und 15 µm); und Oberflächentemperatur zwischen 100 und 200 °C.
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In einer Form, die mit den anderen hierin offenbarten Formen kombiniert werden oder von ihnen getrennt sein kann, ist ein Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Motorzylinderbohrung vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet die Reinigung der Innenfläche, um darauf gebildeten Kohlenstoff zu entfernen, was dazu führt, dass die Innenfläche maximal 30 Atomprozent Kohlenstoff an der Innenfläche aufweist. Das Verfahren beinhaltet auch die Strukturbildung der Innenfläche bis die Innenfläche ein entwickeltes Zwischenschicht-Flächenverhältnis (Sdr) von mindestens 100 % hat. Das Verfahren beinhaltet weiter das Erwärmen der Innenfläche auf eine Temperatur zwischen etwa 100 und etwa 200 Grad Celsius, um eine erwärmte Fläche bereitzustellen. Das Verfahren beinhaltet auch das thermische Spritzen einer Beschichtung auf die erwärmte Oberfläche, um die Beschichtung auf der erwärmten Oberfläche anzuhaften.
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In einer anderen Form, welche kombiniert mit oder getrennt von den anderen hierin offenbarten Formen sein kann, ist eine Oberfläche vorgesehen, die ein Metallsubstrat mit einer aktivierten Oberfläche beinhaltet. Die aktivierte Oberfläche zeigt einen Bereich von mittlerer dreidimensionaler Rauheit (Sa) zwischen 9 und 15 µm und einem entwickelten Zwischenschicht-Flächenverhältnis (Sdr) von mindestens 100 % und die aktivierte Oberfläche hat weniger als 30 Atomprozent Oberflächenkohlenstoff. Eine thermische Sprühbeschichtung wird auf die aktivierte Oberfläche des Metallsubstrats aufgebracht.
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In noch einer anderen Form, welche kombiniert mit oder getrennt von anderen hierin offenbarten Formen sein kann, ist eine Oberfläche vorgesehen, die ein Metallsubstrat mit einer aktivierten Oberfläche und eine thermische Sprühbeschichtung beinhaltet, die auf die aktivierte Oberfläche des Metallsubstrats aufgebracht wird. Die thermische Sprühbeschichtung wird auf die aktivierte Oberfläche aufgebracht, sodass eine Kraft von mindestens 25 Newton beim Kratzen über die thermische Sprühbeschichtung erforderlich ist, um die thermische Sprühbeschichtung von der aktivierten Oberfläche zu entfernen.
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Weitere zusätzliche Eigenschaften können vorgesehen werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt darauf, folgende: der Schritt des Reinigens der Oberfläche, einschließlich das Entfernen des Kohlenstoffs bis die Innenfläche ein Maximum von 20 Atomprozent Kohlenstoff an der Innenfläche aufweist; der Schritt der Strukturbildung der Innenfläche, einschließlich der Strukturbildung der Innenfläche bis die Innenfläche einen Bereich von mittlerer dreidimensionaler Rauheit (Sa) zwischen 9 und 15 µm aufweist; die Schritte der Reinigung und des Erwärmens der Innenfläche durch Plasmabehandlung; die Schritte der Reinigung, Strukturbildung und Erwärmen, einschließlich der Nutzung mindestens eines Laser zum Durchführen der Reinigung, der Strukturbildung und des Erwärmens; der Schritt der Strukturbildung, einschließlich der Trockenbearbeitung der Innenfläche; der Schritt des Erwärmens, einschließlich Induktionserwärmung und/oder Infraroterwärmung; die Schritte des Reinigens und der Strukturbildung, einschließlich das Unterziehen der Innenfläche einem Vorgang des chemischen Ätzens; der Schritt des Reinigens, einschließlich des Erzeugens von ionisiertem Plasma auf der Innenfläche; der Schritt des Reinigens ferner umfassend das Aufbringen von Kohlendioxid auf die Innenfläche; der Schritt des Reinigens des Weiteren umfassend das Erzeugen von DC-Plasma auf der Innenfläche; der Schritt des Reinigens ferner umfassend das Aufbringen von Kohlenmonoxid auf die Innenfläche; und die Schritte der Strukturbildung, Reinigung, Erwärmen und thermisches Spritzen, die dazu führen, dass die Beschichtung an der Innenfläche haftet, sodass eine Kraft von mindestens 25 Newton beim Kratzen über die Beschichtung erforderlich ist, um die Beschichtung von der Innenfläche zu entfernen.
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Ein Motorblock, der eine Motorzylinderbohrung definiert, die nach dem hierin offenbarten Verfahren beschichtet ist, wird ebenfalls bereitgestellt.
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Zusätzliche Merkmale der Oberfläche können vorgesehen sein, wie: die thermische Sprühbeschichtung, die auf die aktivierte Oberfläche durch Erwärmen der Innenfläche auf eine Temperatur zwischen etwa 100 und etwa 200 Grad Celsius aufgebracht wird; die aktivierte Oberfläche hat weniger als 20 Atomprozent Oberflächenkohlenstoff; die thermische Sprühbeschichtung wird auf die aktivierte Oberfläche aufgebracht, sodass eine Kraft von mindestens 25 Newton beim Kratzen über die thermische Sprühbeschichtung erforderlich ist, um die thermische Sprühbeschichtung von der aktivierten Oberfläche zu entfernen; die Oberfläche definiert eine Innenwand einer Motorzylinderbohrung in einem Motorblock; das Metallsubstrat besteht im Wesentlichen aus Aluminium; und die thermische Sprühbeschichtung ist entweder aus Stahl oder einer Stahllegierung.
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Weitere Aspekte, Vorteile und Anwendungsgebiete werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
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Figurenliste
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
- 1 ist eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotorblocks mit einer vergrößerten Ansicht einer Zylinderwand gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 2A ist eine stark vergrößerte Ansicht der Zylinderwand entlang der Linie 2 - 2 der 1, welche schematisch die Mikrooberflächenstruktur der Zylinderwand darstellt, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 2B ist eine Ansicht der Zylinderwand der 2A mit einer aufgebrachten thermischen Sprühbeschichtung, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 3 ist ein Blockdiagramm, welches ein Verfahren zur Beschichtung einer Innenfläche einer Motorzylinderbohrung darstellt, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 4 ist ein Venn-Diagramm, das beispielhafte Kratztestergebnisse für Oberflächen mit Faktoren der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
- 5 ist ein Graustufen-Foto zur Veranschaulichung der Innenfläche der 1-2B mit der metallurgisch darauf haftenden thermischen Sprühbeschichtung, bei 120.000-facher Vergrößerung, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Erfindung in ihren An- oder Verwendungen zu beschränken.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Block eines Verbrennungsmotors dargestellt, welcher im Allgemeinen durch Referenznummer 10 bezeichnet wird. Der Motorblock 10 beinhaltet typischerweise mehrere Zylinder 12 mit Zylinderinnenwänden 14, zahlreiche Flansche 16 und Öffnungen 18 für Befestigungselemente mit Gewinde und andere Vorrichtungen zur Aufnahme und Befestigung von Komponenten, wie Zylinderköpfen, Wellen, Krümmern und Abdeckungen (alle nicht dargestellt). Auf der rechten Seite von 1 ist eine vergrößerte Darstellung der Zylinderwand 14. Die Zylinderwand 14 kann eine Oberfläche eines Substrats sein, beispielsweise ein Aluminium- oder ein Aluminiumlegierungs-Motorblock 10, oder eine Oberfläche einer Eisenhülse, die in den Motorblock 10 eingebaut ist. In beiden Fällen kann die Oberflächenbeschaffenheit der Zylinderwand 14 ein standardmäßiges Maschinenprofil sein, das mechanisch aufgeraut oder aktiviert wird und vorzugsweise eine durchschnittliche zweidimensionale Oberflächenrauheit (Ra) zwischen etwa 4 bis 25 µm (Mikrometer) definiert.
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Es ist offensichtlich, dass, obwohl hier in Verbindung mit der Zylinderwand 14 eines Verbrennungsmotorblocks 10 dargestellt, die vorliegende Offenbarung Vorteile bereitstellt und ebenso problemlos mit anderen zylindrischen Flächen, wie beispielsweise den Wänden von Hydraulikzylindern und ebenen Flächen, wie planaren Lagern, die Gleit- und Reibungskräften ausgesetzt sind, genutzt werden kann.
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Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 2A stellt ein stark vergrößerter Querschnitt der Zylinderwand 14 schematisch die Substrat-Oberflächenaktivierung und/oder die Mikrooberflächenstruktur 20 der behandelten oder präparierten Oberfläche der Zylinderwand 14 dar. Die Substrat-Oberflächenstruktur 20 kann durch eine Vielzahl von Methoden präpariert werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Wasserstrahl-Erodieren, mechanisches Aufrauen, Sandstrahlen, Laserstrukturierung, chemisches Ätzen und Plasmaätzen.
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Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 2B stellt ein stark vergrößerter Querschnitt der Zylinderwand 14 schematisch die Oberflächenstruktur 20 der Zylinderwand 14 mit einer hierauf aufgebrachten und anhaftenden thermischen Sprühbeschichtung 22 dar. Nach vorherigem Honen kann die hierin beschriebene thermische Sprühbeschichtung 22 für die Zylinderwand 14 typischerweise in der Größenordnung von 150 µm, und typischerweise im Bereich von 130 µm bis 175 µm liegen. Andere Substrate und Anwendungen können, und werden typischerweise, thermische Sprühbeschichtungen 22 mit größeren oder geringeren Dicken erfordern. Die thermische Sprühbeschichtung 22 kann eine Stahllegierung, ein anderes Metall oder Legierung, keramisch, oder jedes beliebige andere für die Betriebsbedingungen des Produkts geeignete thermische Spritzmaterial sein, welche anhand eines der zahlreichen für Substrat und Material geeigneten thermischen Spritzverfahren, beispielsweise Plasma, Detonation, Lichtbogenschweißen, Flamme oder HVOF, aufgetragen werden können.
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Höchste Haftfestigkeit der Sprühbeschichtung 22 auf dem Zylinderwand-Substrat 14, die durch Implementierung der folgenden Vorschriften vor Beschichtung der aktivierten Flächen der Zylinderbohrung 20 erreicht wird: 1) Oberflächenrauheit/Mikrooberflächenstruktur 20 bei oder über 100 % Sdr (nachfolgend erklärt) und etwa 10 µm Ra; 2) Oberflächensauberkeit unter 30 Atomprozent Oberflächenkohlenstoff und vorzugsweise unter 20 Atomprozent Oberflächenkohlenstoff; und 3) Oberflächentemperatur im Bereich von 100 bis 200 °C zum Zeitpunkt der Beschichtung. Für maximale Haftfestigkeit sind alle drei vorhanden.
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Hinsichtlich des ersten Faktors, der Mikrooberflächenstruktur, wird die Haftung der thermischen Sprühschicht
22 auf der Zylinderwand
14 verbessert, wenn der Prozentsatz der Mikrooberflächenstruktur auf der aktivierten Oberfläche
20 der vorbereiteten Substratwand
14 gleich 100 % Sdr ist oder darüber. Sdr, auch als entwickeltes Zwischenschicht-Flächenverhältnis bezeichnet, in Prozent, berechnet sich aus der Gleichung:
Beispielsweise, eine Einheit des Querschnittsbereichs, der zwei Einheiten des Bereichs der Strukturoberfläche mit einem Sdr Prozentsatz von 100 (2 - 1 / 1) hat. Sdr unter 100 % bieten im Allgemeinen beeinträchtigte Rauheit, Haltbarkeit und Lebensdauer. Es sollte dementsprechend davon ausgegangen werden, dass die wesentlichen Vorteile dieser Offenbarung erreicht werden, wenn Sdr bei oder über 100 % liegt.
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Durchschnittliche Rauheit wird als Sa bezeichnet, dies ist die mittlere Oberflächenrauheit über die komplette dreidimensionale Oberfläche. Die mittlere Oberflächenrauheit, Sa, berechnet sich aus der Standardgleichung:
wobei x, y und Z Messungen an den drei orthogonalen Achsen sind. Der bevorzugte Bereich von Sa liegt zwischen 9 und 15 µm, während ein betriebsfähiger, obwohl weniger wünschenswerter Bereich, zwischen 7 und 18 µm liegt. Ein Sa von etwa 10 µm wird in einigen Beispielen bevorzugt.
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Es versteht sich, dass die Sdr- und Sa-Messungen dreidimensional sind und dass die Mikrooberflächenstruktur, die durch die unten dargestellten Verfahren erreicht wird, dargestellt durch Sdr und Sa, als fraktal gedacht oder betrachtet werden kann, das bedeutet eine Fläche mit einem endlosen Muster, das sich in verschiedenen Maßstäben selbstähnlich ist. Es wird angenommen, dass diese Mikrooberflächenstruktur die Haftung der thermischen Sprühbeschichtung durch Erzeugen von Verbindungen zwischen der Strukturoberfläche des Substrats und der thermischen Sprühbeschichtung in unterschiedlichen dimensionalen Größen oder Maßstäben, von submikroskopisch bis mikroskopisch, vergrößert.
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Wenn im Allgemeinen in Übereinstimmung mit herkömmlichen Techniken ausgeführt, ist es lohnend, die vorgenommenen Analyseschritte zur ordnungsgemäßen Messung der vorgenannten Parameter kurz zu beschreiben. Zunächst werden Neigung und Makrooberflächenkrümmung (wie sie bei Zylinderwänden vorliegen würden), falls vorhanden, entfernt, sodass die vorgenommene Messung zu einer Ebene für die Analyse abgeflacht ist. Anschließend wird das Interessensgebiet durch Histogramm-Mapping definiert. In einem dritten Schritt, ähnlich dem ersten Schritt, wird ferner jegliche Krümmung der Oberfläche für den ausgewählten Bereich entfernt. Dann wird ein fehlender Punkt wiederhergestellt und ein dreidimensionaler Gauß-Filter mit 0,25 mm angewandt. Mit diesen vorläufigen Schritten und unter diesen Bedingungen können die vorstehenden Rauheitsparameter genau bestimmt werden.
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Hinsichtlich des Sauberkeitsfaktors hat die Strukturoberfläche 20 des Substrats 14 vorzugsweise einen Atomprozentsatz Oberflächenkohlenstoff unter 30 % und noch mehr vorzuziehen unter 20 %. In manchen Fällen kann der Atomprozentsatz des Oberflächenkohlenstoffs bei oder unter 10 % liegen. So geringe Mengen an Oberflächenkohlenstoff erhöhen stark die Haftfestigkeit der thermischen Sprühbeschichtung 22 auf dem Oberflächenprofil 20 der Substratwand 14.
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Hinsichtlich des Erwärmungsfaktors, wird bevorzugt, dass die Oberflächentemperatur des Substrats 14 auf eine Temperatur zwischen etwa 100 °C und etwa 200 °C erwärmt wird. Durch die erwärmte Oberfläche 20 der Substratwand 14 kann die thermische Ausdehnung des Substrats 14 näher bei welcher der thermischen Sprühbeschichtung 22 liegen, was eine bessere Haftung bietet.
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Wenn alle drei Faktoren, gute Sauberkeit (geringer Oberflächenkohlenstoff), gute Mikrooberflächenstruktur (z. B. mindestens 100 % Sdr) und das Vorwärmen des Substrats (zwischen 100 und 200 °C) vorhanden wären, wäre die Haftfestigkeit der thermischen Sprühbeschichtung 22 an der Substratwand 14 besser als in der Vergangenheit. Beispielsweise wurde die thermische Sprühbeschichtung 22 auf die aktivierte Oberfläche 20 des Substrats 14 aufgebracht, sodass eine Kraft von etwa 50 Newton, oder mindestens etwa 50 Newton (50+ Newton) beim Kratzen über die thermische Sprühbeschichtung 22 erforderlich war, um die thermische Sprühbeschichtung 22 von der Strukturoberfläche oder der aktivierten Oberfläche 20 zu entfernen. Mit anderen Worten, es wird in einem solchen Kratztest eine Last auf die Flächennormale angewendet und über die Oberfläche gekratzt. In jedem Fall bietet die vorliegende Offenbarung eine Oberflächenwand 14 mit einer thermischen Sprühbeschichtung 22, die auf die aktivierte Oberfläche 20 aufgebracht wurde, sodass eine Kraft von mindestens etwa 25 Newton beim Kratzen über die thermische Sprühbeschichtung 22 erforderlich ist, um die thermische Sprühbeschichtung 22 von der aktivierten Oberfläche 20 zu entfernen; und besonders vorzuziehen, eine Kraft von mindestens 30 Newton erforderlich ist, um die thermische Sprühbeschichtung 22 von der aktivierten Oberfläche 20 zu entfernen.
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Nun unter Bezugnahme auf 3 ist ein Verfahren zur Beschichtung einer Innenfläche einer Motorzylinderbohrung, wie der Motorzylinderbohrung 14 mit einer inneren Mikro-Oberflächenstruktur 20, veranschaulicht und im Allgemeinen mit 100 bezeichnet. Das Verfahren 100 beinhaltet einen Schritt 102 für die Reinigung der Innenfläche 20, um darauf gebildeten Kohlenstoff zu entfernen, was dazu führt, dass die innere (strukturierte) Oberfläche 20 maximal 30 Atomprozent Kohlenstoff an der Innenfläche 20 aufweist. In manchen Fällen kann die Oberfläche 20 gereinigt werden, sodass die innere Oberfläche 20 maximal 20 Atomprozent Kohlenstoff an der Innenfläche 20 oder 10 Atomprozent Kohlenstoff an der Innenfläche 20 aufweist.
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Das Verfahren 100 beinhaltet ferner einen Schritt 104 der Strukturbildung der Innenfläche 20 bis die Innenfläche 20 ein entwickeltes Zwischenschicht-Flächenverhältnis Sdr von 100 % oder darüber aufweist. In manchen Fällen kann der Strukturbildungsschritt 104 die Strukturbildung der Innenfläche 20 beinhalten, bis die Innenfläche 20 einen Bereich einer mittleren dreidimensionalen Rauheit Ra zwischen 9 und 15 µm oder etwa 10 µm aufweist.
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Das Verfahren 100 beinhaltet auch einen Schritt 106 für das Erwärmen der Innenfläche 20 auf eine Temperatur zwischen etwa 100 und etwa 200 Grad Celsius, um eine erwärmte Oberfläche 20 vor Anwendung der Sprühbeschichtung 22 bereitzustellen, sodass die thermische Ausdehnung der Oberfläche 20 mit welcher der thermischen Sprühbeschichtung 22 übereinstimmt.
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Das Verfahren 100 beinhaltet dann einen Schritt 108 des thermischen Spritzens einer Beschichtung 22 auf die erwärmte Oberfläche 20, um die Beschichtung 22 auf die erwärmte Oberfläche 20, wie oben erläutert, aufzubringen.
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Die Schritte 102, 104, 106 der Oberflächenbehandlung 20 können unterschiedlich erfolgen. Beispielsweise können die Schritte Reinigung 102 und Strukturbildung 104 durch Plasmabehandlung der Oberfläche 20 durchgeführt werden. Oder jeder der Schritte Reinigung 102, Strukturbildung 104 und Erwärmen 106 kann mindestens einen Laser einsetzen, um die Reinigung, Strukturbildung und das Erwärmen zu erreichen. Eine weitere Alternative für die Ausführung der Strukturbildung im Strukturbildungsschritt 104 ist die Trockenbearbeitung der Oberfläche 20. Der Erwärmungsschritt 106 kann Induktionserwärmung und/oder Infraroterwärmung einschließen. In einem anderen Beispiel beinhalten die Schritte Reinigung 102 und Strukturbildung 104 die Ausführung von chemischem Ätzen an der Innenfläche 20.
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In noch einem weiteren Beispiel beinhaltet der Schritt des Reinigens 102 das Erzeugen von ionisiertem Plasma auf der Innenfläche 20. Das ionisierte Plasma kann beispielsweise auf die Oberfläche 20 aufgesprüht werden. Das ionisierte Plasma kann beispielsweise alleine oder mit Kohlendioxid aufgebracht werden.
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In noch einem weiteren Beispiel beinhaltet der Schritt des Reinigens 102 das Erzeugen von DC-Plasma auf der Innenfläche 20. Das DC-Plasma kann beispielsweise auf die Oberfläche 20 aufgesprüht werden. Das DC-Plasma kann beispielsweise alleine oder mit Kohlendioxid aufgebracht werden.
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Wie oben erläutert führt die Strukturbildung, Reinigung und das Erwärmen der Oberfläche 20 nach den oben beschriebenen Spezifikationen zu höchster Haftfestigkeit der Beschichtung 22 an der Oberfläche 20. Somit führen die Schritte Strukturbildung, Reinigung, Erwärmen und thermisches Spritzen 102, 104, 106, 108 zu der Beschichtung 22 an der Innenfläche 20, sodass eine Kraft von mindestens 25 Newton beim Kratzen über die Beschichtung 22 erforderlich ist, um die Beschichtung 22 von der Innenfläche 20 zu lösen. In einigen Beispielen ist eine Kraft von mindestens 30 Newton beim Kratzen über die Beschichtung 22 erforderlich, wenn eine Kraft in eine normale Richtung ausgeübt wird, um die Beschichtung 22 von der Oberfläche 20 zu entfernen.
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Beispielsweise, nun mit Bezugnahme auf 4, ist ein Venn-Diagramm dargestellt, das die jeweilige Wirkung der hierin beschriebenen Reinigung, Strukturbildung und das Erwärmen zeigt. Jeder Kreis 202, 204, 206 stellt entweder Reinigung, Strukturbildung oder Erwärmen der Substratoberfläche dar. Beispielsweise stellt der Kreis 202 eine saubere Oberfläche dar, die maximal 20 Atomprozent Kohlenstoff aufweist; Kreis 204 stellt die Strukturbildung der Oberfläche dar, sodass die Oberfläche mindestens 100 % Sdr aufweist; und Kreis 206 stellt das Erwärmen der Oberfläche auf eine Temperatur zwischen etwa 100 und etwa 200 °C dar. Bereich 203 stellt einen Bereich des Reinigungs-Kreises 202 dar, in dem die Reinigung allein durchgeführt wird, ohne Strukturbildung über die anfängliche Aktivierung hinaus und ohne Erwärmen. Bereich 205 ist ein Bereich des Strukturbildungskreises 204, in dem die Strukturbildung allein durchgeführt wird, ohne Reinigung und ohne Erwärmen. Bereich 207 ist ein Bereich des Erwärmungskreises 206, in dem die Erwärmung allein durchgeführt wird, ohne Strukturbildung über die anfängliche Aktivierung hinaus und ohne Reinigung. Bereich 208 ist die Schnittfläche der Kreise 202, 204, 206, in dem alle drei, Reinigung, Strukturbildung und Erwärmen, ausgeführt werden. In Bereich 209 schneidet sich der Erwärmungskreis 206 mit dem Strukturbildungskreis 204, aber es wird keine Reinigung ausgeführt. In Bereich 210 schneidet sich der Reinigungskreis 292 mit dem Strukturbildungskreis 204, aber es wird keine Erwärmung ausgeführt.
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Wie beim Kratzen eines Werkzeugs über die Beschichtung 22 gemessen, zeigte die Prüfung durch Anwenden einer Kraft der Flächennormalen 20, wenn allein eine Reinigung auf der Oberfläche 20 durchgeführt wurde (um den Atomprozentsatz der Oberfläche auf ein Maximum von 20 Atomprozent Kohlenstoff zu bringen), wie in Bereich 203 des Kreises 202 gezeigt, dass eine Kraft von 17,5 Newton erforderlich war, um die Beschichtung 22 von der aktivierten Oberfläche 20 zu entfernen. Wenn die Strukturbildung auf der Oberfläche 20 allein verwendet wurde (um der Oberfläche 20 eine Sdr von mindestens 100 % zu geben), wie in Bereich 205 des Kreises 204 gezeigt, hat die Prüfung gezeigt, dass eine Kraft von 15 Newton erforderlich war, um die Beschichtung 22 von der aktivierten Oberfläche 20 zu entfernen. Wenn die Strukturbildung und Reinigung auf der Oberfläche 20 ausgeführt wurden, wie in Bereich 210 gezeigt (die Schnittfläche der Kreise 202 und 204), hat die Prüfung gezeigt, dass eine Kraft von 25 Newton erforderlich war, um die Beschichtung 22 von der aktivierten Oberfläche 20 zu entfernen. Wenn Strukturbildung und Erwärmen auf der Oberfläche 20 ausgeführt wurden, wie in Bereich 209 gezeigt (Die Schnittfläche der Kreise 204 und 206), hat die Prüfung gezeigt, dass eine Kraft von 10 Newton erforderlich war, um die Beschichtung 22 von der aktivierten Oberfläche 20 zu entfernen. Am deutlichsten, wenn alle drei, Reinigung, Strukturbildung und Erwärmen auf der Oberfläche 20 ausgeführt wurden, wie in Bereich 208 gezeigt (die Schnittfläche der Kreise 202, 204, 206), hat die Prüfung gezeigt, dass eine Kraft von mindestens 50 Newton (50+ Newton) erforderlich war, um die Beschichtung 22 von der aktivierten Oberfläche 20 zu entfernen.
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Außerdem wurde metallurgische Bindung/Diffusion zwischen der Beschichtung 22 und der Oberfläche 14 beobachtet, wenn die Oberfläche 14 mikrostrukturiert, gereinigt und erwärmt wurde, wie hierin beschrieben. Beispielsweise, mit Bezugnahme auf 5, ist das Metall-Aluminiumsubstrat 14 mit metallurgisch daran angehefteter thermischer Sprühbeschichtung 22 dargestellt. 5 ist 120.000-fach vergrößert, mit einer Skala in der linken unteren Ecke mit einer Länge von 10 nm. Das Metallsubstrat 14 ist rechts dargestellt, mit der thermischen Sprühbeschichtung 22 auf der linken Seite. Ein Zwischenschichtbereich 23 zwischen der Beschichtung 22 und dem Substrat 14 hat eine kristalline Mikrostruktur aus einer Kombination von Eisen von der thermischen Sprühbeschichtung 22 und dem Aluminium des Substrats 14. Dies zeigt, dass sich die thermische Sprühbeschichtung 22 metallurgisch mit dem Substrat 14 zur Bildung der Zwischenschicht 23 verbunden hat.
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Es wird offensichtlich sein, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den erfindungsgemäßen Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Genauer gesagt, ist vorgesehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht notwendigerweise auf die bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist, obgleich manche Aspekte hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft beschrieben werden.
