DE10207519A1 - Vorrichtung zum Kaltgasspritzen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düse zum Kaltgasspritzen, in welcher die beschleunigt werden. Erfindungsgemäß umfasst die de Lavalsche Kaltgas-Spritzdüse einen Düsenhauptkörper (5) und ein Düsenelement (4), wobei das Düsenelement (4) den Bereich um den Düsenhals, welcher beim Kaltgasspritzen besonders hohem Verschleiß unterliegt, umfasst und vorteilhafterweise austauschbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kaltgas-Spritzdüse zur Beschleunigung von Gas und Spritzpartikel, wobei die Düse in Strömungsrichtung von einem konvergenten Abschnitt im Düsenhals in einen divergenten Abschnitt übergeht.
• Es ist bekannt, auf Werkstoffe unterschiedlichster Art Beschichtungen mittels thermischen Spritzens aufzubringen. Bekannte Verfahren hierfür sind beispielsweise Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeits- Flammspritzen. In jüngerer Zeit wurde ein Verfahren entwickelt, das sog. Kaltgasspritzen, bei welchem die Spritzpartikel in einem "kalten" Gasstrahl auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Die Beschichtung wird durch das Auftreffen der Partikel auf dem Werkstück mit hoher kinetischer Energie gebildet. Beim Aufprall bilden die Partikel, die in dem "kalten" Gasstrahl nicht schmelzen, eine dichte und fest haftende Schicht, wobei plastische Verformung und daraus resultierende lokale Wärmefreigabe für Kohäsion und Haftung der Spritzschicht auf dem Werkstück sorgen. Ein Aufheizen des Gasstrahls erwärmt die Partikel zur besseren plastischen Verformung beim Aufprall und erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und somit auch die Partikelgeschwindigkeit. Die damit verbundene Gastemperatur kann bis zu 800°C betragen, liegt aber deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungswerkstoffs, so dass ein Schmelzen der Partikel im Gasstrahl nicht stattfindet. Eine Oxidation und/oder Phasenumwandlungen des Beschichtungswerkstoffes lassen sich somit weitgehend vermeiden. Die Spritzpartikel werden als Pulver zugegeben, wobei das Pulver üblicherweise zumindest teilweise Partikel mit einer Größe von 1 bis 50 µm umfasst. Ein solches Verfahren und eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen sind in der europäischen Patentschrift EP 0 484 533 B1 im einzelnen beschrieben. Als Düse wird dabei eine de Laval'sche Düse benutzt, im Folgenden kurz Lavaldüse genannt. Lavaldüsen sind axialsymmetrisch und bestehen aus einem konvergenten und einem sich in Stromrichtung daran anschließenden divergenten Abschnitt. Die Kontur der Düse muss im divergenten Bereich in bestimmter Weise geformt sein, damit es nicht zu Strömungsablösungen kommt und keine Verdichtungsstöße auftreten und die Gasströmung den Gesetzen nach de Laval gehorcht. Charakterisiert sind Lavaldüsen durch diese Kontur und die Länge des divergenten Abschnitts und des weiteren durch das Verhältnis des Austrittquerschnitts zum engsten Querschnitt. Der engste Querschnitt der Lavaldüse heißt Düsenhals. Derzeit sind Vorrichtungen zum Kaltgasspritzen auf Drücke von etwa 1 MPa bis zu einem Maximaldruck von 3,5 MPa und Gastemperaturen bis zu etwa 800°C ausgelegt. Das erhitzte Gas wird zusammen mit den Spritzpartikeln in einer Lavaldüse entspannt. Während der Druck in der Lavaldüse abfällt, steigt die Gasgeschwindigkeit auf Werte bis zu 3000 m/s und die Partikelgeschwindigkeit auf Werte bis zu 2000 m/s. Als Prozessgas werden Stickstoff, Helium, Argon, Luft oder deren Gemische verwendet. Meist kommt jedoch Stickstoff zur Anwendung, höhere Partikelgeschwindigkeiten werden mit Helium oder Helium-Stickstoff- Gemischen erreicht.
• Die Geschwindigkeiten, welche Gas und Spritzpartikel beim Austreten aus der Lavaldüse aufweisen, sind jedoch in erster Linie durch die geometrisch Dimensionierung der Lavaldüse bestimmt. Aus den charakteristischen Größen der Lavaldüse folgt, dass der Innendurchmesser am Düsenhals möglichst klein sein muss, da die beiden Größen Austrittsquerschnitt und Länge des divergenten Abschnitts aufgrund von Erfordernissen an die äußeren Abmessungen festgelegt sind. Da die Konturen für die Lavaldüse im Innenkörper entstehen müssen und es folglich um eine Bohrung handelt, ist die Fertigung aufgrund der notwendigen Dimensionen äußert problematisch. Darüber hinaus ist darauf zu achten, dass die Innenkontur glatt und ohne Stufen vorliegt, da Unebenheiten zu Strömungsabrissen führen. Es gibt unterschiedliche Fertigungsmethoden, die jedoch alle sehr aufwändig und damit teuer sind. Beispielsweise geschieht die Fertigung durch Senkerodieren in einen Rundling oder durch ein Feingussverfahren, bei welchem die Kontur der Düse mit Hilfe eines Modells angefertigt wird. Als Düsenwerkstoff wird üblicherweise Stahl verwendet. Derzeit werden Düsen mit einem Durchmesser am Düsenhals zwischen 2 und 3 mm gefertigt. Die aufwändige Fertigung ist insbesondere deshalb von Nachteil, da die Lavaldüse beim Kaltgas- Spritzen großem Verschleiß unterliegt und deshalb häufig ausgetauscht werden muss. Besonders beansprucht ist dabei der Bereich um den Düsenhals, welcher ja die Engstelle für Gas und Spritzpartikel ist. Es genügt also nicht, für eine Kaltgas-Spritzvorrichtung eine Lavaldüse zu fertigen, welche dann beliebig lang verwendet werden kann. Auch sind beim Spritzen immer wieder Änderungen in der Geometrie oder den äußeren Abmessungen wünschenswert, welche eine anders dimensionierte Lavaldüse erfordern. Eine einfach zu fertigende Lavaldüse, die sich darüber hinaus als äußerst verschleißfest erweist, ist deshalb wünschenswert.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kaltgas-Spritzdüse anzugeben, welche sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit auszeichnet und darüber hinaus einfach zu fertigen ist.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Düse zumindest im wesentlichen zweiteilig gestaltet ist und zumindest einen Düsenhauptkörper sowie ein verschleißfestes Düsenelement umfasst, wobei das Düsenelement im Bereich des Düsenhalses angeordnet ist und dort jedenfalls die Düseninnenwand bildet. Vom Verschleiß beim Kaltgas-Spritzen ist vor allem der Bereich um den Düsenhals betroffen, da dieser die Engstelle für Gas- und Spritzpartikel bildet. In diesem Bereich um Düsenhals ist nun erfindungsgemäß das Düsenelement andeordnet. Dabei ist das Düsenelement zumindest so verschleißfest wie der Düsenhauptkörper, wodurch sich die Betriebszeit der erfindungsgemäßen Kaltgas-Spritzdüse im Vergleich zur konventionellen Spritzdüse erhöht. Darüber hinaus vereinfacht sich durch die erfindungsgemäße Aufteilung der Düse in Düsenelement und Hauptkörper die Fertigung der Kaltgas-Spritzdüse, da das Düsenelement aufgrund seiner Größe deutlich einfacher zu fertigen ist als eine einstückige Kaltgas-Spritzdüse. Auch besitzt das Düsenelement für sich betrachtet mit Vorteil wiederum nicht die lavalförmigen Konturen mit dem langen divergenten Abschnitt, wodurch sich die Herstellung weiter vereinfacht. Aber auch die Fertigung des verbleibenden Düsenhauptkörpers ist bedeutend unproblematischer, da die Innenmaße des Düsenhauptkörpers am Düsenhals - im Vergleich zur einstückigen Lavaldüse - bedeutend größer sind. Aus diesen Gründen ergeben sich deutliche Vorteile in der Fertigung der erfindungsgemäßen Kaltgas-Spritzdüse gegenüber einer konventionell gestalteten Düse. Die ökonomischen Bedingungen verbessern sich mit vorliegender Erfindung so deutlich, dass es sogar möglich wird, verschieden dimensionierte Lavaldüsen bereitzuhalten und so das Anwendungsspektrum des Grundverfahrens Kaltgasspritzen für den Anwender beträchtlich zu erweitern.
• Mit besonderem Vorteil ist das Düsenelement auswechselbar. Zeigt die Kaltgas-Spritzdüse vom Betrieb Verschleißerscheinungen ist davon v. a. der Bereich um den Düsenhals betroffen. In diesem Bereich wird die Düseninnenwand erfindungsgemäß von dem Düsenelement gebildet. Für den Weiterbetrieb der Kaltgas-Spritzvorrichtung ist nun lediglich das Düsenelement auszuwechseln und nicht wie bei konventionellen Kaltgas- Spritzvorrichtungen die komplette Spritzdüse. Des weiteren ist eine andere Dimensionierung der Innenform der Lavaldüse ohne weitere Modifikation möglich, indem das Düsenelement durch ein anders gestaltetes Düsenelement ausgetauscht wird. Damit lassen sich die Verfahrensparameter beim Kaltgasspritzen auf ökonomische Weise variieren.
• In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Düsenelement in den Düsenhauptkörper im Bereich des Düsenhalses kragenartig eingesetzt. Diese Ausgestaltung erlaubt die optimale Ausnutzung aller vorgenannten Vorteile der Erfindung.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Düsenelement mit dem Düsenhauptkörper verschraubt, jedoch in einer Weise, dass die Innenkontur ungestört ist. Ebenso von Vorteil ist die Anbringung einer Klemmverbindung, welche Düsenelement und Hauptkörper von der Außenseite her fest miteinander verbindet. Hauptkörper und Düsenelement können jedoch auch miteinander verklebt werden. Auch andere formschlüssige Gestaltungen sind möglich.
• Mit Vorteil unterscheiden sich Düsenhauptkörper und Düsenelement im Material, wodurch sowohl hinsichtlich der Fertigung als auch hinsichtlich der Anwendung geeignete Anpassungen an die Anforderungen möglich sind. Beispielsweise wird für das Düsenelement ein besonders verschleißresistentes Material gewählt, während für den Düsenhauptkörper ein gut zu bearbeitendes Material ausgesucht wird.
• Der Düsenhauptkörper besteht z. B. vorteilhafterweise überwiegend aus Stahl und das Düsenelement ist überwiegend aus Keramiken, Keramikoxiden und/oder Karbiden gefertigt. Das Düsenelement kann jedoch auch aus Metallen oder Metalllegierungen gefertigt sein.
• In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kaltgas-Spritzdüse ist zwischen dem Düsenhauptkörper und dem Düsenelement zumindest teilweise ein Wärmepuffer angebracht. Dieser Wärmepuffer besteht vorzugsweise überwiegend aus Kupfer. Wenn Düsenhauptkörper und Düsenelement aus verschiedenen Materialien gefertigt sind, werden sich diese Materialien aufgrund ihres unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten beim Betrieb der Kaltgas-Spritzvorrichtung unterschiedlich ausdehnen. Eine unterschiedliche Ausdehnung führt jedoch zu Unebenheiten und Stufen in der Innenwand der Düse. Unebenheiten in der Düse führen zu Strömungsabrissen, welche eine effektive Beschleunigung der Spritzpartikel unterbinden, und müssen deshalb unbedingt vermieden werden.
• Mit besonderem Vorteil ist ferner im Düsenhauptkörper und/oder im Düsenelement eine Wasserkühlung angebracht. Mit einer Wasserkühlung wird die beim Betrieb der Kaltgas-Spritzdüse entstehende Wärme sofort abgeführt und Unebenheiten, die auf die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Düsenhauptkörper und Düsenelement zurückzuführen sind, werden vermieden. Eine zusätzliche Einlage aus Kupfer kann auch hier für einen effektiven Wärmeabtransport sorgen.
• Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen die Fig. 1, 2 und 3 erfindungsgemäße de Laval'sche Kaltgas-Spritzdüsen in unterschiedlichen Ausgestaltungen.
• Die Spritzdüsen sind jeweils im wesentlichen aus einem Düsenhauptkörper 5 und einem Düsenelement 4 gebildet, welche in Verbindung mit einer Blende 1 eine Eintritts- oder Gaskammer 2, einen Düsenhals 3 und eine divergente Entspannungszone bilden. Teilweise sind die Düsenelemente 4 mit kupfernen Wärmepuffern 7 umgeben. Düsenelment und Düsenhauptkörper sind - je nach Ausgestaltung - gegebenfalls mit einem Verbindungselement 6 verbunden. Die Spritzrichtung ist jeweils durch einen Pfeil gekennzeichnet. Die Ausgestaltungen unterscheiden sich in den Ausführungen des Düsenhauptkörpers 5 und des Düsenelements 4. Der Grundaufbau ist für die Ausführungsformen jedoch vergleichbar und wird im Folgendem detailliert beschrieben:
  In allen Ausführungsformen strömt das Gas strömt über die Blende 1 in die Gaskammer 2. Die Spritzpartikel werden jeweils mit einem Pulverrohr 8 in die Gaskammer 2 injiziert. Die Gaskammer 2 befindet sich in dem konvergenten Abschnitt der Lavaldüse. Das Gas strömt weiter in den sich verjüngenden Bereich der Lavaldüse und erreicht den Düsenhals 3, die engste Stelle der Lavaldüse. An den Düsenhals schließt sich der divergente Abschnitt der jeweiligen Düse an, der schließlich in der nicht mehr dargestellten Austrittsöffnung endet.
• In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 erstreckt sich ein beispielsweise aus Keramikoxid bestehendes, als Einsatz für eine entsprechende Ausnehmung im Düsenhauptkörper 5 ausgebildetes Düsenelement 4 speziell über den Bereich des Düsenhalses 3 und bildet dort die Düseninnenwand. Das Düsenelement 4 ist in den vorteilhaft aus Stahl gefertigten, zweiteiligen, am Düsenhals getrennten Düsenhauptkörper 5 eingepasst und im gezeigten Beispiel ist es zweiseitig von Kupferringen 7 zur Wärmeabfuhr und Wärmepufferung umgeben. Es jedoch u. U. vorteilhaft alle Kontaktflächen von Hauptkörper und Düsenelement mit Kupfer auszukleiden. Die beiden Teile des Düsenhauptkörpers 5 und das Düsenelement 4 sind schließlich mit der Flansch-Klemmverbindung 6 verbunden.
• Eine andere Ausgestaltung zeigt Fig. 2. Dort umfasst das Düsenelement 4 den konvergenten Abschnitt und den Bereich um den Düsenhals 3. Das Düsenelement 4 ist hier nicht von dem Düsenhauptkörper 5 umgeben. Der Düsenhauptkörper 5 schließt sich vielmehr im divergenten Abschnitt der Düse an das Düsenelement 4 an. Die Verbindungsstelle von Düsenelement 4 und Hauptkörper 5 wird mit einer speziell gefertigten Muffe 6 überdeckt, welche die Teile miteinander verklemmt. Der Düsenhauptkörper ist, wie der überwiegende Teil der Kaltgas-Spritzvorrichtung aus Stahl gefertigt während das Düsenelement aus Keramik ist.
• In Fig. 3 erstreckt sich das Düsenelement 4 über einen weiten Bereich des konvergenten Abschnitts sowie über dem Bereich des Düsenhalses 3. Das Düsenelement ist hier beispielsweise aus Karbid und der Hauptkörper aus Stahl gefertigt. Im konvergenten Teil ist an den Düsenhauptkörper 5 eine Wärmepufferschicht 7 aus Kupfer angebracht. Das Düsenelement 4 wird bei demonierterter Blende 1 in den Düsenhauptkörper 5 eingeschoben und ist mit diesem von der Außenseite her verschraubt.

Claims (8)

1. Kaltgas-Spritzdüse zur Beschleunigung von Gas und Spritzpartikeln, wobei die Düse in Strömungsrichtung von einem konvergenten Abschnitt im Düsenhals (3) in einen divergenten Abschnitt übergeht dadurch gekennzeichnet, dass die Düse im wesentlichen zweiteilig ist und zumindest einen Düsenhauptkörper (5) sowie ein verschleißfestes Düsenelement (4) umfasst, welches im Bereich des Düsenhalses (3) angeordnet ist und dort jedenfalls die Düseninnenwand bildet.

2. Kaltgas-Spritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenelement (4) auswechselbar ist.

3. Kaltgas-Spritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenelement (4) in den Düsenhauptkörper im Bereich des Düsenhalses eingesetzt ist.

4. Kaltgas-Spritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Düsenelement (4) mit dem Düsenhauptkörper (5) verschraubt und/oder verklemmt wird.

5. Kaltgas-Spritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Düsenhauptkörper (5) und Düsenelement (4) sich im Material unterscheiden.

6. Kaltgas-Spritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenhauptkörper (5) überwiegend aus Stahl und das Düsenelement (4) überwiegend aus Keramiken, Keramikoxiden und/oder Karbiden gefertigt ist.

7. Kaltgas-Spritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Düsenhauptkörper (5) und Düsenelement (4) zumindest teilweise ein Wärmepuffer, vorzugsweise aus Kupfer (7), angebracht ist.

8. Kaltgas-Spritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Düsenhauptkörper (5) und/oder im Düsenelement (4) eine Wasserkühlung angebracht ist.