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Die Erfindung betrifft eine Kaltgas-Spritzanlage sowie ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit einer Kaltgas-Spritzanlage.
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Das beschriebene Verfahren wird auch als Kaltgasspritzen (im Englischen „cold spray“) bezeichnet. Die Verwendung dieses Verfahrens bzw. einer derartigen Anlage hat den Vorteil, dass die thermische Belastung der Beschichtungspartikel und des Substrates im Vergleich zu anderen thermischen Spritzverfahren (im Englischen: „thermal spray“), beispielsweise Plasmaspritzen, gering gehalten werden kann, so dass das Gefüge der Beschichtungspartikel wenig oder gar nicht beeinflusst wird. Hierdurch lassen sich Beschichtungspartikel mit besonderen Eigenschaften für die Herstellung von Schichten verwenden, ohne dass die Eigenschaften der Beschichtungspartikel aufgrund einer thermischen Belastung derselben beeinträchtigt würde.
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Aus
EP 1 844 181 B1 ist ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstückes bekannt, bei dem Partikel eines Beschichtungsstoffes mittels einer Kaltgas-Spritzdüse zur beschichtenden Oberfläche des Werkstückes hin beschleunigt werden, wobei die Partikel im Kaltgasstrahl mit einer Energiemenge beaufschlagt werden, die zu gering ist, um eine bleibende Haftung der Partikel auf der Oberfläche hervorzurufen und dass eine bleibende Haftung der Partikel durch einen lokalen Eintrag von elektromagnetischer Strahlung in die Oberfläche erzeugt wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung die Anhaftung von Partikeln an ein zu beschichtendes Substrat zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kaltgas-Spritzanlage mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Kaltgas-Spritzanlage zum Beschichten eines Substrats weist dazu eine Kaltgas-Düse zum Erzeugen eines Partikelstrahls auf, der auf dem Substrat in einem Strahlbereich auftrifft und dort eine Beschichtung bildet. Ferner weist die Kaltgas-Spritzanlage eine Heizdüse auf, die zum Erzeugen eines Heizgasstrahls zum temperieren des Substrats im Strahlbereich ausgebildet ist. Die Heizdüse ist dabei so angeordnet und/oder ausgebildet, dass der Heizgasstrahl so auf den Strahlbereich trifft, dass das Substrat im Strahlbereich und ggf. darüber hinaus temperiert wird bevor und/oder während der Partikelstrahl auftrifft. Der Vorteil liegt darin, dass die nun mögliche und bzgl. des Beschichtungsprozesses sehr zeitnah durchgeführte Vorheizung des Substratmaterials die Haftfestigkeit der Partikel am Substrat erheblich verbessert. Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass durch ein temperieren des Substrats die Duktilität des Substrats optimal einstellbar ist. Die der Erfindung zugrunde liegende Vorrichtung führt also einen vom Partikelstrahl unterschiedlichen Heizgasstrahl bis unmittelbar vor bzw. an die Beschichtungszone. Damit wird das Substrat unmittelbar vor der Beschichtung temperiert, insbesondere erwärmt, und damit eine zeitlich versetzte Entwärmung der Bindungsstelle und deren Oxidation verhindert.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgas-Spritzanlage eine Gasquelle auf, die zum Bereitstellen eines Gases, insbesondere eines Inertgases, für den Heizgasstrahl ausgebildet ist. Schutzgase und/oder Inertgase sind von Vorteil, da so eine Oxidation des Substrats und/oder der Beschichtung fast vollständig verhindert werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgas-Spritzanlage eine Gasquelle auf, die zum Bereitstellen eines Gases, insbesondere eines Inertgases, für den Heizgasstrahl und den Partikelstrahl ausgebildet ist. Es kann somit durch die nun vorgesehene gemeinsame Gasquelle Gas für beide Düsen bereitgestellt werden. Es ist denkbar, dass eine separate Temperiereinheit zum Erzeugen des Heizgasstrahls vorgesehen wird. Dies hat den Vorteil, dass die Anlage kompakt und wirtschaftlich günstig ausgestaltet werden kann. Die Flexibilität unterschiedliche Temperaturen einstellen zu können bleibt erhalten.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Heizdüse so angeordnet und/oder ausgebildet, dass der Heizgasstrahl den Strahlbereich vor auftreffen des Partikelstrahls temperiert. Dies hat den Vorteil, dass das Substrat an der Stelle, an der der Partikelstrahl als nächstes eine Beschichtung aufträgt bereits eine optimale Temperatur und damit Duktilität aufweist, um eine optimale Beschichtung zu bilden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Kaltgas-Düse und die Heizdüse in einem gemeinsamen Düsen-Gehäuse angeordnet. Dies kann so realisiert werden, dass die Heizdüse so angeordnet ist, dass der Heizgasstrahl dem Partikelstrahl immer um einen gewissen Abstand vorauseilt.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgas-Spritzanlage ein oder mehrere Gas-Heizeinrichtungen auf, die so ausgebildet sind, dass die Temperatur des Heizgasstrahls unabhängig von der Temperatur des Partikelstrahls einstellbar ist. Das Heizgas kann somit eine andere Temperatur aufweisen wie das aus der Spritzdüse austretende Transportgas für den Kaltgasstrahl.
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Ferner kann die Kaltgas-Spritzanlage eine Gasquelle aufweisen, die so ausgebildet ist, dass die Temperatur des Heizgasstrahls unabhängig, insbesondere verschieden, von der Temperatur des Partikelstrahls einstellbar ist. Es ist denkbar, dass eine separate Gasquelle für den Partikelstrahl und eine weitere Gasquelle für die Heizdüse vorgesehen ist. Da Inertgase aber ebenso als Treibgas, also zur Beschleunigung des Partikelstrahls geeignet sind, kann auch eine einzige Gasquelle für Partikelstrahl und Heizdüse eingesetzt werden. Es können bedarfsweise zwei Gasheizvorrichtungen zum unabhängigen Temperieren des Gases in der Kaltgas-Spritzdüse und der Heizdüse vorgesehen sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Heizdüse relativ zur Kaltgas-Spritzdüse beweglich ausgebildet. Dies könnte beispielsweise eine an einem Roboterarm montierte Heizgasdüse sein, die so positioniert werden kann, dass jede der Bewegungsrichtungen der Kaltgas-Düse mit einer Temperierung des Substrats vereint werden kann. Dabei kann die Heizdüse sowohl vor dem Kaltgasstrahl als auch nach dem Kaltgasstrahl positioniert werden, um eine Temperierung um den Strahlbereich herum flexibel zu ermöglichen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgas-Spritzanlage eine zweite Heizdüse auf, die zum temperieren von bereits auf dem Substrat abgeschiedenen Partikeln ausgebildet ist. Ein temperieren, insbesondere ein gesteuertes Abkühlen, durch die zweite Heizdüse kann sich vorteilhaft auf die Schichtqualität auswirken.
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Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit einer Kaltgas-Spritzanlage gelöst. Die Kaltgas-Spritzanlage weist dazu eine Kaltgas-Düse zum Erzeugen eines Partikelstrahls auf. Der Kaltgasstrahl trifft auf dem Substrat in einem Strahlbereich auf. Das Substrat wird erfindungsgemäß durch einen Heizgasstrahl im Strahlbereich temperiert. Der Heizgasstrahl kann durch eine Heizgasdüse erzeugt werden. Temperieren ist hier so zu verstehen, dass das Substrat z. B. vorgeheizt und damit duktiler wird. Die höhere Duktilität führt zu einer höheren Schichtqualität, da die Partikel sich besser ins Substrat einbetten können. Es kann also eine für die Paarung aus Substrat und Partikel optimale Temperierung eingestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlbereich vor Auftreffen des Partikelstrahls temperiert. Dies stellt sicher, dass der Strahlbereich zum Zeitpunkt des Auftreffens des Partikelstrahls bereits eine optimale Temperatur aufweist. Es ist ebenso denkbar, dass der Strahlbereich noch während der Partikelstrahl bereits auftrifft weiter temperiert wird. Dies kann so realisiert werden, dass der Gasstrahl breiter aufgefächert ist und eine Zone vor dem Strahl sowie die soeben beschichtete Zone temperiert.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlbereich abhängig von einer aufzubauenden Schichtdicke temperiert. Je dicker die aufzubauende Schicht, desto wärmer könnte das Substrat sein, um z.B. eine Grundschicht aufzubauen, in der die Partikel besonders tief, aber nicht vollständig, in das Substrat eindringen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlbereich mit einer von der Temperatur des Partikelstrahls verschiedenen Temperatur temperiert. Dies ermöglicht eine besonders genaue Einstellung der Temperatur des Strahlbereichs, wobei die Temperatur auf das Material des Substrats im Strahlbereich optimiert ist. So kann für verschiedene Materialien der Partikel und des Substrats mit verschiedenen Temperaturen eine optimale Einbettung der Partikel in die Oberfläche des Substrats ermöglicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlbereich mit einem Inertgas temperiert. Das Verwenden eines Inertgases, also eines bezüglich des Substratmaterials und/oder des Partikelmaterials inerten Gases, verbessert die Beschichtungsqualität, indem eine Korrosion des Substrates und/oder der Partikel unterdrückt werden kann. Als Inertgas können technischer Stickstoff (d. h. der Stickstoff muss nicht hochrein sein, z. B. ≥ 99,8 Vol.%; H20 ≤ 40 ppmv/v und O2 ≤ 100 ppmv/v), Argon oder Wasserdampf (z. B. überhitzter Wasserdampf) zum Einsatz kommen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert.
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Die FIG zeigt eine Ausführungsform einer Kaltgas-Spritzanlage mit einer Heizdüse.
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In der FIG ist eine Kaltgas-Spritzanlage 100 zu sehen, die zum Beschichten eines Substrats 50 einen Partikelstrahl 10 erzeugt. Der Partikelstrahl 10 tritt dabei aus einer Kaltgas-Spritzdüse 110 mit Überschallgeschwindigkeit aus. Es hat sich gezeigt, dass die Gastemperatur des Transportgases des Partikelstrahls 10 bei Austritt aus der Kaltgas-Düse 110 nicht geeignet ist, das Substrat optimal zu temperieren. Die verwendeten Partikel werden durch Expansion eines Gases, das aus einer Gasquelle 140 stammt in der Kaltgas-Spritzdüse 110 beschleunigt. In dieser Ausführungsform liefert die Gasquelle 140 ebenso das Gas für einen Heizgasstrahl 20, der aus einer Heizdüse 120 austritt. Auf dem Substrat 50 ist ein Strahlbereich 15 eingezeichnet, in dem der Partikelstrahl 10 auftreffen soll bzw. auftrifft. In anderen Worten wird der Strahlbereich 15 durch den Partikelstrahl 10 mit Partikeln beschichtet. Um nun den Strahlbereich 15 auf eine ideale Temperatur zu temperieren, also zum Beispiel zu erwärmen, trifft der Heizgasstrahl 20 ebenso auf den Strahlbereich 15. Damit wird die Duktilität des Substrates erhöht und somit die Partikel besser eingebettet. Je nach Ausrichtung der Heizgasdüse 120 kann der Heizgasstrahl 20 bei einer Bewegung der Kaltgas-Düse 110 in Bewegungsrichtung vor dem Partikelstrahl 10 angeordnet sein, um den zu beschichtenden Strahlbereich 15 bereits zu temperieren bevor der Partikelstrahl 10 auftrifft. In der Gasquelle kann auch eine oder jeweils eine Heizeinrichtung zum Heizen der Gase vorgesehen sein.
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Weiterhin ist es möglich den Heizgas-Strahl 20 so aufzufächern, dass das Substrat 50 großflächig und über den Strahlbereich 15 hinaus temperiert wird. Dies hat ein flächiges und gleichmäßiges Temperieren des Substrats 50 zur Folge, was Spannungen im Substrat 50 und damit auch Spannungen in der Beschichtung verringern kann.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Kaltgas-Spritzanlage 100 zum Beschichten eines Substrats 50 aufweisend eine Kaltgas-Düse 110 zum Erzeugen eines Partikelstrahls 10, der auf dem Substrat 50 in einem Strahlbereich 15 auftrifft. Um die Anhaftung von Partikeln an das zu beschichtende Substrat 50 und folglich die Schichtqualität zu verbessern wird vorgeschlagen, dass die Kaltgas-Spritzanlage 100 eine Heizdüse 120 aufweist, die zum Erzeugen eines Heizgasstrahls 20 zum temperieren des Substrats 50 im Strahlbereich 15 ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats 50 mit einer Kaltgas-Spritzanlage 100.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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