DE10253794A1 - Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem - Google Patents

Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Niedertemperatur-Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem zum thermischen Spritzen von pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen mit mindestens einem Anschluß (1, 3, 9, 26, 27, 44) zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen in eine Brennkammer (30, 36) und einer Expansionsdüse (5, 26). Stromabwärts der Brennkammer (30, 36) ist eine zusätzliche Kammer als Mischkammer (28, X) mit einem Injektionssystem (2, 34, A1) für nichtbrennbare Gase vorgesehen zur einstellbaren Absenkung der Temperatur des aus der Brennkammer ausströmenden und in die Mischkammer einströmenden Hypersonic-Flammstrahls. Der Mischkammer (28, X) sind mindestens zwei Injektoren (22) zum Einleiten von pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen und die Expansionsdüse (5, 26) nachgeschaltet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem zum thermischen Spritzen von pulverförmigen Werkstoffen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Bekannt sind Hochgeschwindigkeitsflammspritzgeräte (HVOF = High Velocity Oxigen Fuel) zum Verspritzen von draht-, stab- und pulverförmigen Spritz-zusatzwerkstoffen, die mit gasförmigen Brennstoffen in Verbindung mit Oxidationsgasen, z.B. Sauerstoff, betrieben werden können. Derartige HVOF-Brennersysteme zum Verspritzen von pulverförmigen Spritzzusatzwerktoffen funktionieren praktisch nach einem Grundprinzip: Gasförmige und oder flüssige Brennstoffe werden in Verbindung mit Sauerstoff, vorgemischt oder getrennt, in eine luft- oder wassergekühlte Brennkammer mit nachgeschalteter Expansionsdüse eingebracht und gezündet. Bei der Verbrennung der Betriebskomponenten, nämlich Brenngase oder fein zerstäubtes Kerosin gemischt mit Sauerstoff, entstehen in der wassergekühlten Brennkammer in Abhängigkeit von den jeweils verwendeten Brennstoffen Temperaturen von ca. 1600–3100°C bei einem Brennkammerdruck von zwischen 3,5–8,5 bar. Durch die extreme Gasexpansion beim Verbrennungsvorgang in der wassergekühlten Brennkammer strömt durch die axial der Brennkammer nachgeschaltete, im Strömungsquerschnitt, gegenüber dem Brennkammerdurchmesser entsprechend verkleinerte Expansionsdüse ein hoch energetischer Gasstrahl mit Überschallgeschwindigkeit und einer Gasstrahltemperatur von ca. 2650–3160° C. Die pulverförmigen, metallischen- oder nichtmetallischen Spritzzusatzwerkststoffe werden in Abhängigkeit von ihrem Schmelzpunkt, ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrer Partikelform und -struktur in einer spezifischen Korngrößenverteilung und in geeigneten Mengen entweder zentrisch in die Brennkammer oder radial aus zwei oder mehreren Injektoren, radial der Brennkammer nachgeschaltet in den Überschallflammstrahl eingebracht. Die Spritzpartikel werden bei diesem Prozess scbmelzplastisch oder schmelzflüssig auf Überschallgeschwindigkeit im Gasstrahl beschleunigt und mit hoher Geschwindigkeit von ca. 500–800 m/sec. auf die Substratoberfläche geschossen, wo sich eine dichte, gut haftende Spritzschicht aufbauen kann. Auf Grund der hohen Gasstrahltemperatur in der Expansionsdüse, in die die Spritzzusatzwerkstoffe eingebracht werden, tritt in Folge der starken Temperatureinwirkung, in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Kornform, Partikelstruktur und -größe, eine mehr oder weniger starke Oberflächenoxidation der einzelnen schmelzplastischen- und oder schmelzflüssigen Spritzpartikel ein. Diese Oxide verursachen nach dem Auftreffen der Spritzpartikel auf die Substratoberfläche eine abgeminderte Interpartikelhaftung. Die chemischen- und physikalischen Eigenschaften einer Spritzschicht mit hohen Oxidgehalten sind für spezielle Anwendungen in der Beschichtungstechnik nicht geeignet.
  • Es ist bekannt dass Turbinenschaufeln für Flugzeugtriebwerke und stationäre Gasturbinen mit M-CrAIY's (dabei steht M für Co, Ni, Fe und Mischungen untereinander) gegen Hitzekorrosion und Heissgasoxidation der Turbinenschaufeloberflächen mittels VPS (Vakuum Plasma Spritzen) beschichtet werden. Auch in der modernen Medizintechnik werden Implantate, z.B. aus CoCr- und Titanlegierungen oder Titan u. a. mit Titanhydrid mit aufwendiger und kostenintensiver VPS Technologie seit einigen Jahren erfolgreich beschichtet, um die Oxidation der Spritzpartikel während des Beschichtungsprozesses auszuschließen und somit oxidfreie Spritzschichten herzustellen, die den gestellten Anforderungen entsprechen.
  • Die DE 199 05 811 A1 offenbart eine Hochgeschwindigkeits-Flammspritzkanone zum thermischen Spritzen von stab-, draht-, und/oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen mit einem Anschluß zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen und einer Brennkammer mit Expansionsdüse. Hohe Gasstrahlgeschwindigkeiten dieses Standes der Technik haben zur Folge, daß die Spritzzusatzwerkstoffe kürzere Zeit im Strahl verweilen, so daß deren Partikel während der Flugphase im Hypersonicgasstrahl weniger thermische Energie und dadurch auch weniger Sauerstoff. aufnehmen und nur minimal oxidieren können. Die hochbeschleunigten Partikel treffen letztlich oxidarm mit sehr hoher kinetischer Energie auf die Substratoberfläche und bilden sehr dichte, porenarme Schichten mit bestmöglicher Haftung zur Substratoberfläche, so daß auch hochschmelzende Spritzzusatzwerkstoffe, wie z. B. Molybdän, und/oder oxidkeramische Werkstoffe, wie z. B. Aluminiumoxid, verspritzt werden können. Edelgase, wie Argon, Helium u. a., als nicht brennbare Gase können der Brennkammer zugemischt werden und schaffen die Möglichkeit, die physikalischen und chemischen Eigenschaften des hochenergetischen Hypersonicgasstrahls exakt auf den jeweiligen Spritzzusatzwerkstoff optimal abzustimmen. Durch das Zumischen von Edelgasen werden gemäß diesem Stand der Technik beim Verarbeiten hochreaktiver Spritzzusatz-werkstoffe, wie z. B. Reinnickel oder Superlegierungen, wie sie z. B. beim Beschichten von Flugzeugtriebwerksteilen vorteilhaft zum Einsatz gebracht werden, in den Spritzschichten wesentlich geringere Sauerstoffanteile gefunden. Durch das Zumischen von Edelgasen in die Brennkammer gemäß diesem Stand der Technik darf die Temperatur der Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen allerdings nicht zu weit abgesenkt werden, da sonst die Flamme ausgeht und die Verbrennung in der Brennkammer zum Erliegen kommt, was einem Totalausfall der Hochgeschwindigkeits-Flammspritzkanone entsprechen würde.
  • Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem, des Standes der Technik führen ebenfalls dazu, dass während des Beschichtugsprozesses die Partikeloberflächen mehr oder weniger stark oxidieren und Spritzschichten bilden, welche teilweise starke Metalloxideinschlüsse aufweisen, und die folglich für spezifische Anwendungen ungeeignet sind.
  • Ein neues Verfahren mit der Bezeichnung "Kaltgas-Spritzen" in der Oberflächentechnik arbeitet abweichend von den bisher bekannten Beschichtungssystemen zum thermischen Spritzen von draht-, stab- und/oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen, zum Aufheizen und Beschleunigen des pulverförmigen Spritzzusatz-Werkstoffes nicht mit einer offenen Flamme.
  • Diese Beschichtungstechnik heizt einen Gasstrom, aus nichtbrennbaren Gasen wie z.B. Stickstoff, Argon u.a., außerhalb der Spritzpistole, in einem elektrisch beheizten Druchlauferhitzer auf maximal 800° C. Der Gasstrom wird bei einem Zuströmdruck > 20 bar zentrisch in die Spritzpistole geführt. In den erhitzten Gasstrom werden die pulverförmigen, tiefschmelzenden Beschichtungswerkstoffe geführt, auf ca. 500–800° C aufgeheizt und durch ein Düsenrohr, auf eine Austrittsgeschwindigkeit von ca. > 500 m/sec., beschleunigt, auf die Substratoberfläche geschossen. Die extreme kinetische Energie der Spritzpartikel, die diese bei dem Prozess erfahren, wird bei deren Auftreffen auf der Substratoberfläche in Verformungsenergie umgewandelt. Infolge der Umgebung aus nichtbrennbaren Gasen und der niedrigen Spritzpartikeltemperatur von ca. 500–800° C beim Ausströmen aus der Düsenaustrittsmündung und der geringen Verweilzeit der Spritzpartikel auf diesem Temperaturniveau bis zum Auftreffen auf der Substratoberfläche findet praktisch keine Oxidation der Spritzpartikel statt, so dass eine extrem dichte und oxidfreie Spritzschicht mit optimaler Anbindung an den Grundwirkstoff und untereinander erzeugt wird. Der Grundwerkstoff wird bei diesem Beschichtungsprozess nicht oder nur. gering thermisch belastet.
  • Der Nachteil der voran beschriebenen "Kaltgas Spritztechnologie" besteht darin, dass mit diesem Verfahren nur tiefschmelzende pulverförmige Werkstoffe wie z.B.
  • Aluminium, Kupfer, Zink, Zinn u. a. verarbeitet werden können, da mit dem externen, elektrisch beheizten Gaserhitzer nur maximal Gastemperaturen bis 800° C erzeugt werden können. Das auf 800° C aufgeheizte Gas bei einem Druck > 20 bar muß über eine entsprechende isolierte Leitung zur Spritzpistole geführt werden, wo der pulverförmige Spritzzusatzwerkstoff zentrisch in den erhitzten Gasstrom in die Spritzpistole eingespeist wird. Spritzzusatzwerkstoffe mit einem Schmelzpunkt > 1200° C wie z.B. Cr-Stahl, CrNI-Stahl, sowie die Superlegierungen "M-CrAIY" u.a. können nach dem neuen '°Kaltgas Spritzverfahren" nicht verarbeitet werden.
  • Ein weiterer entscheidender Nachteil besteht darin, dass für die Anwendung der neuen "Kaltbeschichtungs-Technologie sehr große Mengen an nicht brennbaren Gasen erforderlich sind. Für den Betrieb des neuen Kaltgasspritzsystems ist darüber hinaus ein externes Hochdruck-Pulverfördersystem erforderlich, um das Spritzpulver in den Überdruckgasstrom des Kaltgas-Spritzens einzubringen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes und kostengünstigeres Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem zu schaffen, welches die Verarbeitung von oxidationsempfindlichen Wirkstoffen mit Schmelztemperaturen > 800° C ermöglicht und gleichzeitig die Oxidation der Wirkstoffe während ihrer Flugphase praktisch verhindert. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem zu schaffen, das den bisherigen Verwendern der HVOF-Technik eine Nachrüstperspektive bietet, um vorhandene Geräte aufzuwerten.
  • Die Lösung erfolgt erfindungsgemäß mit einem Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind mit den Unteransprüchen dargestellt.
  • Gemäß der Erfindung wird der Brennkammer von bekannten HVOF Brennsystemen zum Betrieb mit gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffen in Verbindung mit Oxidationsgasen, zum Verspritzen von pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen, mit axialer- und/oder radialer Pulverinjektion eine zusätzliche Kammer mit einem Injektionssystem, z. B. als Mischkammer ausgebildet, mit nachgeschalteter Expansionsdüse hinzugefügt, in die in steuerbaren Mengen und mit wählbarem Zuströmdruck, durch eine Vielzahl von radialen- und/oder axial in Strömungsrichtung angeordnete Zuführungskanäle des Injektionssystems nichtbrennbare Gase (z.B. Argon, Helium, Stickstoff u.a.) sowie Formiergase, mengen- und druckmäßig steuerbar so zuführbar sind, dass der aus der Primärkammeraustrittsmündung von der Brennkammer ausströmende und in die Sekundärkammer oder Mischkammer einströmende Hypersonic Flammstrahl mit einer Gastemperatur von ca. 1600–3,165° C, durch Zumischen der nichtbrennbaren Gase mit einer Gastemperatur, die der Enfnahmetemperatur aus Stahlflaschen, Flaschenbündel oder Tankanlagen entspricht, auf gewünschte Gasstrahltemperaturen absenkbar ist. Spritzzusatzwerkstoffe mit einem Schmelzpunkt > 1200° C wie z.B. Cr-Stahl, CrNI-Stahl, sowie die Superlegierungen "M-CrAIY" u.a. können gemäß der Erfindung verarbeitet werden. Fluorhaltige Kunststoffe, wie z. B. Teflon, Halar, sowie neuartige Spritzzusatzwerkstoffe, wie metallisch, karbidische und/oder oxidkeramische, pulverförmige Werkstoffe mit Anteilen von fluorhaltigen Kunststoffen von > 5% – > 30% Gewichtsanteilen, deren Verarbeitung eine genau einstellbare Temperatur von z. B. ca. 430° C voraussetzt, können gemäß der Erfindung auch verarbeitet werden, weil die Gasstrahltemperatur exakt auf die erforderliche Prozesstemperatur eingestellt werden kann, ohne dass es zu einem Zersetzungsprozess durch Überhitzen der fluorhaltigen Kunststoffe und dadurch zur Bildung von giftigen, neurosen Gasen kommen und die spezifischen technisch physikalischen Eigenschaften der fluorhaltigen Kunststoffe dabei verloren gehen würde. Die Zugabe der nichtbrennbaren Gase in die Sekundärkammer oder Mischkammer beeinträchtigt die Verbrennung in der stromaufwärts gelegenen Brennkammer in keiner Weise, so daß die Zumischung der nichtbrennbaren Gase in die Sekundärkammer oder Mischkammer durch die Verbrennung in der Brennkammer nicht eingeschränkt ist. Der aus der Sekundärkammer oder Mischkammer in die nachgeschaltete, wahlweise zylindrisch, konisch und/oder lavalförmig ausgebildete Expansionsdüse einströmende, auf seine Solltemperatur abgesenkte Gasstrahl wird aus mindestens zwei, radialen oder mit eingestelltem Winkel zwischen ca. 45° bis 90° der Mischkammeraustittsmündung nachgeordneten Injektoren mit dem entsprechenden pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoff beschickt, der im Gasstrahl auf dessen Temperatur aufgeheizt, beschleunigt und mit der kinetischen Energie des Gasstrahles auf die Substratoberfläche aufgeschossen wird. Der erfindungsgemäße "Low Temperature Hyperkinetik" HVOF Brenner ist bezüglich Werkstoff, Funktionsbauteilen und in seiner Dimensionierung so ausgelegt, dass ausreichende Betriebssicherheit des Brennersystems bei ausreichend hohen Zuströmdrücken der gasförmigen- und/oder flüssigen Brennstoffe zur Absicherung gegen Rückströmung, wie nichtbrennbare Kühlgase zwischen ca. 5 → 20 bar, sowie, Primär- und Sekundarkammerdrücken in der gleichen Größenordnung gewährleistet ist.
  • Das erfindungsgemäße Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem ermöglicht die Nachrüstung, bzw. Modifikation von dem Stand der Technik entsprechenden HVOF Brennersystemen durch die Nachrüstung einer Sekundärmischkammer mit z.B. radialer Injektion und Zumischung von nichtbrennbaren Gasen zur beliebigen Absenkung der hohen Temperatur des Hypersonic Gasstrahles, der aus der Brennkammer (Primärkammer) die nachgerüstete Sekundärkammer (Mischkammer) durchströmt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Beschichtungstechnologie liegt u.a. darin begründet, dass praktisch alle pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffe im Schmelzpunktbereich 200 → 2000° C verarbeitet werden können.
  • Durch die steuerbare Wahl der Mischungsverhältnisse zwischen gasförmigen- bzw. flüssigen Brennstoffen mit Oxidationsgasen kann je nach Bedarf eine unter-, über- oder stöchiometrische Hypersonic HVOF Flamme eingestellt werden.
  • Durch die Möglichkeit der Zumischung steuerbarer Mengen und bei steuerbar einstellbaren Zuströmdrücken und/oder -temperaturen von nicht brennbaren Gasen in den "HyperKinetic-Gasstrahl" kann dessen Strahltemperatur und dessen kinetische Energie den jeweiligen Erfordernissen flexibel angepasst werden. Durch die spezifische Ausbildung im Bereich der Pulverzuführung in das Gerätesystem, kann mit kostengünstigen, extremen Niederdruck Pulverfördersystemen gearbeitet werden.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Figuren nun näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein Hypersonic HVOF Brennersystem Typ: TopGun K'' (Kerosin) des Standes der Technik und
  • 2 einen Querschnitt durch das Brennersystem von 1,
  • 3 ein Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß der Erfindung,
  • 4 ein weitere Ausgestaltung des Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystems gemäß der Erfindung und
  • 5 eine Ansicht des Heckflanschs des Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystems von 4.
  • 1: Eine Hochgeschwinciigkeitsflammspritzkanone 10 enthält einen Anschluß 9 zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen, die dem Anschluß 9 unter Hochdruck zugeführt werden. Durch einen Kanal 1 mit einer nadelförmigen Einspritzdüse 11 des Anschlusses 9 wird flüssiger Brennstoff, wie z. B. Kerosin, durch Kanäle 2 des Anschlusses 9 wird gasförmiger Brennstoff, wie z. B. Wasserstoff, und durch Kanäle 3 des Anschlusses 9 wird Oxidationsgas, wie z. B. Luft oder Sauerstoff, geleitet.
  • Anschluß 9 ist am äußeren Umfang und an einer planen Endfläche 12 gas- und flüssigkeitsdicht in ein Mundstück 4 eingefaßt. An das Mundstück 4 ist mit einer Dichtung ein Brennkammergehäuse 6 angeflanscht. Das Brennkammergehäuse 6 enthält eine Brennkammer 8 und anschließend an die Brennkammer 8 eine Expansionsdüse 13. Radial an der Expansionsdüse 13 sind Düsen 7 für die Injektion von Spritzzusatzwerkstoffen vorgesehen.
  • Mundstück 4 liegt an der planen Endfläche 12 des Anschlusses 9 plan und gas- und flüssigkeitsdicht an. Durch eine Zentralbohrung 14 in Mundstück 4 ragt die nadelförmige Einspritzdüse 11 ein kleines Stück über eine Stirnseite 19 des Mundstücks 4 hinaus in die Brennkammer B. Koaxial zu den Kanälen 2 sind im Mundstück 4 Anschlußbohrungen 15 mit engerem Querschnitt enthalten. Kanäle 3 münden in eine Kammer 16 zwischen äußerem Umfang des Anschlusses 9 und Mundstück 4. Bohrungen 17 in Mundstück 4 verbinden Kammer 16 mit der Brennkammer B. Das über die Stirnseite 19 des Mundstücks 4 in die Brennkammer 8 ragende Stück der nadelförmigen Einspritzdüse 11 ist im Betrieb vorzugsweise glühend heiß, so daß das hindurchtretende Kerosin verdampft wird und gasförmig in die Brennkammer 8 strömt.
  • Die Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone 10 kann in eine Peripherie montiert sein, die der aus der DE 197 32 815.6 entspricht. Die Offenbarung der DE 197 32 815.6 wird vollinhaltlich in die vorliegende Beschreibung aufgenommen. Die einzelnen Kanäle können variabel mit unterschiedlichen Brennkomponenten beaufschlagt sein.
  • 2 Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus 1. versehen. Die Stirnseite 19 des Mundstücks 4 weist auf konzentrischen Ringen die Bohrungen 17, die Anschlußbohrungen 15 und die Zentralbohrung 14 auf.
  • 3 Vor Inbetriebnahme wird einem Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem am Anschluss "3" Kühlwasser bei einem Zuströmdruck > 8 bar zugeführt. Das Kühlwasser gelangt über die Kanäle "9", "21" über die Radialbohrungen "27" in den Kühlwasserringraum "18" der durch die Zwischenhülse "19" und die Außenwand der Expansionsdüse "23" gebildet wird – strömt alsdann über den Ringraum, der durch die Zwischenhülse "19" und die Sekundärkammer Außenwand "16" gebildet wird, um letztendlich über eine Abströmbohrung, die mit dem Anschluss "47" verbunden ist, auszuströmen. Durch die voran beschriebene Kühlwasserführung werden alle der Betriebstemperatur ausgesetzten Funktionsteile um die Brennkammer 28 während des Betriebes optimal gekühlt.
  • Nachdem das Kühlsystem des Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem aktiviert ist, wird an den Anschlussstutzen "1" über, eine vorgeschaltete Explosionsschutzsicherung mit integrierter Gas-Rückstromsicherung Oxidationsgas (vorwiegend Sauerstoff) bei einem Zuströmdruck > 5 bar (max. 40 bar) zugeführt und gelangt über die Verteilernute "5" über eine axiale Bohrung in die radiale Sauerstoffverteilernute "11" des Mischbockträger "39". Von hier aus gelangt es über einen Vielzahl von Axialkanälen in den Ringraum "35", um dann in axiale bzw. fokussierend in Strömungsrichtung angeordnete verengte Injektormischbohrungen 48, 49 zu gelangen. Die hoch beschleunigten Sauerstoffströme durchströmen den mit Wasserstoff als Brenngas gefüllten Injektorringkanal "34", der über den Anschluss "44" mit vorgeschaltetem Sicherungsautomat mit integrierter Gasrückstömsicherung mittels der Zuführungskanäle "36" in den Injektorringraum "34" bei einem Zuströmdruck > 8 bar eingespeist wird, um alsdann stirnseitig aus den konzentrisch um die Zentralbohrung angeordneten Injektormischbohrungen "48" und "49" in den Brennkammerraum "30" als vorgemischtes Brenngas-/Sauer-stoffgemisch (vorwiegend Sauerstoff-Wasserstoffgemisch) einzumünden.
  • Das Brenngas-Sauerstoffgemisch wird bezüglich des Mischungsverhältnisses so gewählt, dass bei der Zündung des Gemisches eine stöchiometrische Verbrennung in der Brennkammer 30 stattfindet. Vor der Zündung strömt das Gemisch aus Sauerstoff und Brenngas aus der verengten Austrittsbohrung "29" und durchströmt die Mischkammer "28" (Sekundärkammer), um dann die zentrale Abgangsbohrung X der Sekundärkammer "28" zu durchströmen und schlußendlich als Brenngas-Sauerstoffgemisch aus der 1avaldüsenförmig ausgebildeten Expansionsdüsenbohrung 26 stirnseitig auszutreten, wo das Brenngas-Sauerstoffgemisch elektrisch gezündet wird.
  • Bei dieser Operation wird der Zuströmdruck für Brenngas und Sauerstoff so gewählt, dass die Zündgeschwindigkeit des aus der Expansionsdüsenmündung austretenden Brenngas-Sauerstoffgemisches höher ist, als die Ausströmgeschwindigkeit des Brenngas-Sauerstoffgemisches so dass die Flamme in die Brennkammer 30 zurück zündet. Nun werden die Zuströmdrücke für beide Betriebsgase, Brenngas und Sauerstoff, in einem vorgegebenen Zeitintervall von z. B. 5 sec auf die Sollwerte hochgefahren, so dass aus der Ausgangsbohrung "29" ein Hypersonic Flammenstrahl mit einer Temperatur > 2.600° C entsteht, der mit sehr hoher Geschwindigkeit die Sekundärkammer "28" durchströmt, um über die zentrale Abgangsbohrung "X" in die Expansionsdüsenbohrung "26" zu gelangen und stirnseitig auszutreten.
  • Dann werden über die Anschlüsse "2" und/oder "43" ein oder zwei verschiedene nicht brennbare Gase mit einem Zuströmdruck > 10 bar eingespeist, die über entsprechende Bohrungen und Kanäle 14, 31, 51 gemischt oder auch ungemischt über die konzentrisch, teilweise fokussierend um die zentrale Austrittsbohrung "29" angeordneten Bohrungen 46, 47 in die Sekundärkammer "28" einmünden und den Hypersonic Flammenstrahl auf die gewünschte Temperatur absenken.
  • Der abgekühlte "HyperKinetic-Gasstrahl" besitzt nun die gewünschte Temperatur und strömt durch die zentrale Abgangsbohrung "X", um dann die Expansionsdüsenbohrung "26" zu durchströmen und stirnseitig mit sehr hohem kinetischem Strahlgeschwindigkeit von > 1.000 m/sec., auszutreten.
  • Die Spritzpulverzuführung in den "HyperKinetic-Gasstrahl" erfolgt über zwei oder mehrere radial zur Strahlrichtung, zwischen der Abgangsbohrung "X" und der Expansionsdüsenbohrung "Y" angeordnete Injektoren "22" in die im Durchmesser erweiterte Expansionsdüsenbohrung "26" in dem "HyperKinetic-Gasstrahl", in dem das Pulver auf die Gasstrahltemperatur aufgeheizt und mit der kinetischen Energie des "HyperKinetic-Gasstrahles" von > 1.000 m/sec. auf die Substratoberfläche aufgeschossen wird, um eine praktisch oxidfreie, dichte Spritzschicht mit hervorragender Interpartikelhaftung mit exzellenter Anbindung an den Grundwerkstoff zu bilden.
  • Die Zentralbohrung 45 kann zur Messung des Drucks in der Brennkammer 30 herangezogen werden. Die so ermittelten Messdaten werden über eine Prozesssteuerung (nicht dargestellt) digital angezeigt und u. a. als Parameter zur Prozesssteuerung herangezogen.
  • 4, 5 Ein an sich bekanntes Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem mit Kerosin als Brennstoff weist zur Aufrüstung zum Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem einander gegenüber liegende Injektoren A1 für nichtbrennbares Gas auf, die mit einem Einsatz 2 an einen Endquerschnitt 37 des bekannten Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystems montierbar sind. Der Einsatz 2 bildet nach einem Durchlass eine Sekundär- oder Mischkammer X zu einer Expansionsdüse 5 mit einem Injektionssystem B2 für Pulverinjektoren 4. Vor Inbetriebnahme wird dem Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem an einem Anschlussstutzen "33" Kühlwasser bei einem Zuströmdruck > 5 bar mit ca. 16–20° C Eingangstemperatur zugeführt. Brennkammer 36 und Flanschmutter 13 bilden einen Kühlwasserringraum. Das Kühlwasser gelangt über Kanäle zwischen einem Wassermantel 1 und einer Zwischenhülse 3 bis zur Austrittsmündung der Expansionsdüse "5", – strömt dann durch eine Vielzahl von Radialbohrungen in der Zwischenhülse 3 und kühlt die Wandung der Expansionsdüse "5", die Wandung der zylindrischen Mischkammer X mit den Injektoren A1 für nichtbrennbares, kaltes Gas. Beim Rückströmen kühlt das Kühlwasser die Außenwand "36" der Brennkammer und einen Sauerstoff-Kerosin-Gemischblock 17, um letztendlich über Kanäle aus dem Anschlussstutzen "34" auszuströmen über eine Schlauchleitung zu einem externen Kühlsystem (nicht dargestellt). Durch die voran beschriebene Kühlwasserführung erwärmt sich das Kühlwasser auf über 60° C. Brennkammer 36 wird während des Betriebes optimal gekühlt. Im externen Kühlsystem des Kreislaufs wird das Kühlwasser auf 16–20° C abgekühlt, bevor es wieder in den Anschlussstutzen "33" eingespeist wird.
  • Nachdem das Kühlsystem des Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem aktiviert ist, wird das Kerosin-Sauerstoffgemisch mit einer in die Brennkammer 36 ragenden Spezial-Zündkerze 49 gezündet. Sauerstoff wird bei einem Zuströmdruck > 8 bar über Anschlussstutzen 27 zugeführt und gelangt über konzentrisch um die Zentralbohrung des Düsenträgers 20 angeordnete axiale Bohrungen und radial-axiale Druckausgleichskammern für Sauerstoff und Kerosin über eine Vielzahl von axial bzw. fokussierend in Strömungsrichtung angeordneten Bohrungen in die Brennkammer 36.
  • Über den Anschluss "26" wird Kerosin mittels einer Kraftstoffpumpe mit einem Zuströmdruck > 8 bar eingespeist und gelangt über die radial-axiale Druckausgleichskammer des Düsenträgers 20 über konzentrisch, axial um die Zentralbohrung des Düsenträgers 20 angeordnete Kanäle in mindestens vier Zerstäuberbohrungen des Mischblocks 17, die auf einem inneren Teilkreis konzentrisch fokussierend um die Zentralbohrung 20 mit Spezial-Zündkerze 49 angeordnet sind und in die Brennkammer "36" münden. In der Brennkammer "36" wird das fein zerstäubte Kerosin mit dem Sauerstoff gemischt und gezündet.
  • Die bei der Verbrennung des Kerosin-Sauerstoffgemisches entstehende Hochgeschwindigkeitsflamme durchströmt die zentrale Austrittsbohrung der Brennkammer 36 und die Sekundärkammer "X" mit mindestens 2 Injektoren A1 für nichtbrennbares Gas und gelangt dann in den Bereich des Injektionssystems B2 für Pulverinjektoren 4 der injektorförmigen, wassergekühlten Expansionsdüse "5", wo die Flamme stirnseitig austritt.
  • Nach Zündung des Kerosin-Sauerstoffgemisches werden die jeweiligen Zuströmdrücke für das Kerosin und den Sauerstoff auf die Sollwerte größer 8 bar hochgefahren und das Mischungsverhältnis so gewählt, dass bei der Zündung des Gemisches eine stöchiometrische Verbrennung in der Brennkammer 36 stattfindet. Der Brennkammerdruck steigt dabei auf Werte größer 8 bis größer 20 bar an. Die extreme Gasexpansion bei der Verbrennung führt zu einem Hypersonic-Gasstrahl, der mit einer Gasstrahltemperatur von ca. 2 600–2 900°C aus der verengten Zentralbohrung der wassergekühlten Brennkammer "36", der Mischkammer "x" (Sekundärkammer), und durch die zylindrisch- oder lavaldtisenförmig ausgebildete Expansionsdüsenbohrung 5 stirnseitig auszutreten.
  • Über die Injektoren A1 können nicht brennbare Gase mit beliebigen Zuströmdrücken und Mengen in die zylindrische Sekundärkammer "X" in den hochenergetischen Hypersonic Flammenstrahl eingebracht werden, um diesen auf die gewünschte Temperatur ab zu senken.
  • Der abgekühlte "HyperKinetic-Gasstrahl" besitzt nun die gewünschte Temperatur und strömt durch die zentrale Abgangsbohrung "X", um dann die Expansionsdüsenbohrung "26" zu durchströmen und stirnseitig mit sehr hohem kinetischem Strahlgeschwindigkeit von > 1.000 m/sec., auszutreten.
  • Die Spritzpulverzuführung in den "HyperKinetic-Gasstrahl" erfolgt über die zwei oder mehrere radial zur Strahlrichtung, zwischen der Abgangsbohrung "X" und der Expansionsdüsenbohrung "Y" angeordnete Injektoren "82", in die Expansionsdüse "5" in den "HyperKinetic-Gasstrahl", in dem das Pulver auf die Gasstrahltemperatur aufgeheizt und mit der kinetischen Energie des "HyperKinetic-Gasstrahles" von > 1.000 m/sec. auf die Substratoberfläche aufgeschossen wird, um eine superdichte oxidfreie, Spritzschicht mit hervorragender Interpartikelhaftung mit exzellenter Anbindung an den Grundwerkstoff zu bilden.

Claims (8)

  1. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem zum thermischen Spritzen von pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen mit mindestens einem Anschluß (1, 3, 9, 26, 27, 44) zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen in eine Brennkammer (30, 36), wobei dieser mindestens eine Anschluß so ausgebildet ist, daß flüssiger und gasförmiger Brennstoff und Oxidationsgas jeweils separat in die Brennkammmer (30, 36) geführt werden können und einer Expansionsdüse (5, 26), dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts der Brennkammmer (30, 36) eine zusätzliche Kammer, z. B. als Mischkammer (28, X), mit einem Injektionssystem (2, 43, A1) für nichtbrennbare Gase vorgesehen ist, der die Expansionsdüse (5, 26) nachgeschaltet ist.
  2. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das, Injektionssystem (2, 43, A1) mindestens einen radial- und/oder axial in Strömungsrichtung angeordneten Zuführungskanal aufweist, durch den mit steuerbarem Zuströmdruck die nichtbrennbaren Gase zuführbar sind.
  3. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtbrennbaren Gase Argon, Helium, Stickstoff sind sowie Formiergase, die mengen- und druckmäßig steuerbar sind.
  4. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Primärkammeraustrittsmündung von der Brennkammer (30, 36) ausströmende und in die Sekundär- oder Mischkammer (28, X) einströmende Hypersonic Flammstrahl mit einer Gastemperatur von ca. 1600–3,165° C durch Zumischen der nichtbrennbaren Gase, deren Gastemperatur gleich der Entnahmetemperatur aus Stahlflaschen, Flaschenbündel oder Tankanlagen ist, entsprechend auf eine gewünschte Gasstrahltemperatur absenkbar ist.
  5. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den aus der Sekundärkammer oder Mischkammer (28, X) in die nachgeschaltete, wahlweise zylindrisch, konisch und/oder 1avalförmig ausgebildete Expansionsdüse (5, 26) einströmende, auf seine Solltemperatur abgekühlten Gasstrahl aus mindestens zwei, radialen oder mit eingestelltem Winkel zwischen ca. 45° bis 90° der Mischkammeraustrittsmündung nachgeordneten Injektoren mit dem entsprechenden pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoff beschickbar ist.
  6. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zuströmdrücke der gasförmigen- und/oder flüssigen Brennstoffen, wie der nichtbrennbaren Kühlgase, zwischen ca. 5 → 20 bar, sowie Primär- und Sekundärkammerdrücke in der gleichen Größenordnung sind.
  7. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einen Endquerschnitt eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystems einander gegenüberliegende Injektoren (A1) für nichtbrennbares Gas vorgesehen sind, die mit einem Einsatz des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystems montierbar sind, der nach einem Durchlass eine Sekundär- oder Mischkammer (X) zu einer Expansionsdüse (5) mit einem Injektionssystem B2 für Pulverinjektoren aufweist.
  8. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch, 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzzusatzwerkstoffe z.B. Cr-Stahl, CrNI-Stahl, sowie die Superlegierungen "M-CrAIY" und fluorhaltige Kunststoffe, wie z. B. Teflon, Halar, sowie metallisch, karbidische und/oder oxidkeramische, pulverförmige Werkstoffe mit Anteilen von fluorhaltigen Kunststoffen von > 5% – > 30% Gewichtsanteilen sind.
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