DE10207525A1

DE10207525A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kaltgasspritzen

Info

Publication number: DE10207525A1
Application number: DE2002107525
Authority: DE
Inventors: Peter Heinrich; Thorsten Stoltenhoff; Peter Richter; Heinrich Kreye
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine Kaltgasspritzvorrichtung mit einem Pulverrohr (2) zur Injektion von Spritzpartikeln in einen Gasstrahl, welches mit einer Fase (10) versehen ist. Durch das Anbringen der Fase (10) im Bereich des Spritzpartikelauslasses (9) am Außenumfang werden Turbulenzen und Strömungsabrisse von Gasstrahl und Spritzpartikeln wirkungsvoll vermindert und eine optimale Beschleunigung der Spritzpartikel ist gewährleistet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kaltgasspritzvorrichtung mit einem Pulverrohr zur Injektion von Spritzpartikeln in einen Gasstrahl sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung mittels Kaltgasspritzen, bei dem pulverförmige Spritzpartikel mit einem Pulverrohr in einen Gasstrahl injiziert werden und die Spritzpartikel bei der Entspannung des Gasstrahls in einer Düse auf Geschwindigkeiten von bis zu 2000 m/s beschleunigt werden.
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 Fasenumwandlungen des Beschichtungswerkstoffes lassen sich somit weitgehend vermeiden. Die Spritzpartikel werden als Pulver mit einem Pulverrohr in den Gasstrom zugegeben, wobei das Pulver üblicherweise zumindest teilweise Partikel mit einer Größe von 1 bis 50 µm umfasst. Die hohe kinetische Energie erhalten die Spritzpartikel bei der Entspannung des Gasstrahls in einer Düse. Als Düse werden dafür in der Regel de Laval'sche Düsen benutzt. Ein solches Verfahren und eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen sind in der europäischen Patentschrift EP 0 484 533 B1 im einzelnen beschrieben.
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. Die Spritzpartikel werden mit Hilfe eines Pulverrohrs in die Düse injiziert. Dazu reicht das Pulverrohr in den Gasstahl und wird von diesem umströmt. Am Ende des Pulverrohrs im Bereich des Spritzpartikelauslasses kommt es dabei zu Turbulenzen und Strömungsabrissen im Gasstrahl. Auch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Gasstrahls und des injizierten Pulvers beeinflussen die Gasströmung. Aus diesen Gründen verwirbeln Gasstrahl und Spritzpartikel miteinander. Diese Verwirbelungen verhindern eine effektive Beschleunigung der Spritzpartikel und deren Fokussierung. Sie führen zu einer Ablenkung der Partikel hin auf die Düsenwand, was je nach Pulverwerkstoff eine Erosion oder Verstopfung der Düse zur folge haben kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Injektion der Spritzpartikel in die Düse aufzuzeigen, welche die qualitätsmindernde Verwirbelungen der Spritzpartikel am Ende des Pulverrohres vermeidet oder zumindest weitgehend unterbindet.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Kaltgasspritzvorrichtung dadurch gelöst, dass das Pulverrohr im Bereich des Spritzpartikelauslasses mit einer Fase versehen ist. Durch das Ausbilden einer Fase am Pulverrohrende läuft das Pulverrohr gleichmäßig und ohne scharfen Abbruch aus. Damit sind Strömungsabrisse im Gasstrahl, welche an jeder Art von scharfen Abbrüchen entstehen, unterbunden. Verwirbelungen von Gasstrahl und Spritzpartikeln sind somit minimiert. Die Injektion der Spritzpartikel erfolgt optimal im Zentrum des Gasstrahls. Die Spritzpartikel erreichen dadurch sehr hohe Geschwindigkeiten bei der Beschleunigung in der Kaltgas-Spritzdüse. Auch die Endgeschwindigkeiten sind nahezu gleich. Aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeiten und der schmalen Verteilung der Geschwindigkeiten erzeugen die Spritzpartikel beim Auftreffen auf das Werkstück eine dichte und fest haftende Beschichtung.
Vorteilhafterweise ist die Fase außen am Pulverrohr angebracht. Im Gasstrahl kommt es bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung nicht zu Strömungsabrissen, da der Gasstrahl am Pulverrohr gleichmäßig entlang strömt und das Pulverrohr kontinuierlich und nicht plötzlich endet.
Mit besonderem Vorteil weist die Fase einen spitzen Winkel auf, insbesondere im Bereich zwischen 10° und 45°. Bei einem spitzen Winkel läuft das Pulverrohr langsam aus und es wird eine gleichmäßige Gasströmung erzielt und ohne dass am Pulverrohrauslass Strömungsabrisse und Turbulenzen auftreten. Der Gasstrahl ist in seiner Strömung von einem spitz auslaufenden Pulverrohr nur minimal beeinflusst. Als besonders zweckmäßig haben sich Winkel zwischen 15° und 30° erwiesen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, dass die Spritzpartikel mit einem spitz auslaufenden Pulverrohr injiziert werden. Mit einem spitz auslaufenden Pulverrohr werden Verwirbelungen von Gasstrahl und Spritzpartikel unterbunden und eine optimale Beschleunigung der Spritzpartikel im Gasstrahl ist gegeben. Die Spritzpartikel werden dabei zentrisch im Bereich der höchsten Gasgeschwindigkeit injiziert. Eine Beschleunigung der Spritzpartikel auf hohe Geschwindigkeiten und eine schmale Verteilung der Endgeschwindigkeiten der Spritzpartikel sind Vorrausetzung für eine qualitative hochwertige Kaltgas-Spritzschicht auf dem Werkstück.
Im folgendem soll die Erfindung anhand eines schematisch dargestellten Beispiels näher erläutert werden:
Dazu ist in Fig. 1 ist eine Kaltgas-Spritzvorrichtung mit einem Pulverrohr 2 gezeigt.
Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen, um die Mittelachse 7 angeordneten Pulverrohrs 2 in Vergrößerung.
Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Kaltgas-Spritzvorrichtung umfasst ein zylindrisches Gehäuse 5 mit innenliegender Vorkammer 3, die ausgangsseitig eine Gasverteilblende 4 abschließt, die wiederum mittig von einem Pulver(zufuhr)rohr 2 durchdrungen wird. Das Pulverrohr endet in der Gaskammer 8. An die Gasverteilungsblende 4 schließt sich ein äußerer Düsenkörper 1 an, wobei Blende 4 und Düse 1 mit einer Überwurfmutter 6 am Gehäuse 5 befestigt sind. Die Spritzrichtung der gezeigten Vorrichtung ist durch einen Pfeil 7 in der Mittelachse der Kaltgas-Spritzvorrichtung gekennzeichnet.
Fig. 2 zeigt das Pulverrohr 2 im Bereich der Injektion der Spritzpartikel in Vergrößerung. Das Pulverrohr 2 ist symmetrisch um die Mittelachse 7 der Kaltgas-Spritzvorrichtung angeordnet. Im Bereich des Spritzpartikelauslasses 9 am Pulverrohr 2 ist am Außenumfang des Pulverrohrs eine Fase 10 ausgebildet. Die Fase 10 weist hierbei einen Winkel w auf, der in dieser beispielhaften Ausgestaltung 15° beträgt. Von Vorteil sind im Rahmen dieser Erfindung Werte für den Winkel w, die zwischen 10° und 45° liegen, aber auch spitzere Winkel sind denkbar. Erfindungsgemäß läuft das Pulverrohr 2 somit im Bereich des Spritzpartikelauslasses 10 am Außenumfang langsam aus, wodurch Strömungsabrisse und Verwirbelungen, die zu einer qualitativ minderwertigen Beschichtung führen, wirkungsvoll vermindert werden.

Claims

1. Kaltgasspritzvorrichtung mit einem Pulverrohr zur Injektion von Spritzpartikeln in einen Gasstrahl dadurch gekennzeichnet, dass das Pulverrohr (2) im Bereich des Spritzpartikelauslasses (9) mit einer Fase (10) versehen ist.

2. Kaltgasspritzvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Fase (10) am Pulverrohr (2) außen ausgebildet ist.

3. Kaltgasspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Fase (10) einen spitzen Winkel aufweist, insbesondere im Bereich zwischen 10° und 45°.

4. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung mittels Kaltgasspritzen, bei dem pulverförmige Spritzpartikel mit einem Pulverrohr in einen Gasstrahl injiziert werden und die Spritzpartikel bei der Entspannung des Gasstrahls in einer Düse auf Geschwindigkeiten von bis zu 2000 m/s beschleunigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzpartikel mit einem spitz auslaufenden Pulverrohr injiziert werden.