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Die Erfindung betrifft ein Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem
zum thermischen Spritzen von pulverförmigen Werkstoffen mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Nachteil der voran beschriebenen "Kaltgas Spritztechnologie" besteht darin, dass
mit diesem Verfahren nur tiefschmelzende pulverförmige Werkstoffe wie z.B.
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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.
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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.
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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.
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Die Lösung erfolgt erfindungsgemäß mit einem
Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem mit den
Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind mit
den Unteransprüchen
dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand von Figuren nun näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Hypersonic HVOF Brennersystem Typ: TopGun K'' (Kerosin)
des Standes der Technik und
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2 einen
Querschnitt durch das Brennersystem von 1,
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3 ein
Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß der Erfindung,
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4 ein
weitere Ausgestaltung des Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystems
gemäß der Erfindung
und
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5 eine
Ansicht des Heckflanschs des Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystems
von 4.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.