DE10331664A1

DE10331664A1 - Verfahren zum Plasmaspritzen sowie dazu geeignete Vorrichtung

Info

Publication number: DE10331664A1
Application number: DE10331664A
Authority: DE
Inventors: Jens-Erich Dr. Döring; Roberto Siegert; Robert Dr. Vassen; Detlev Prof. Dr. Stöver
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2003-07-12
Filing date: 2003-07-12
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-13
Also published as: NO20056180L; DE10331664B4; EP1644548A1; WO2005007921A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit einem Pulver mithilfe eines thermischen Spritzverfahrens, bei dem das Pulver in einen Plasmastrahl eingebracht und mithilfe des Plasmas auf das Substrat aufgebracht wird. Erfindungsgemäß wird zumindest ein Teil des aus dem Plasmastrahl divergierenden Pulvers durch ein Mittel vom Substrat abgeleitet und/oder wieder in den Plasmastrahl geleitet. DOLLAR A Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zum Ableiten und/oder Fokussieren eines Anteils aus einem Pulverstrahl weist ein Mittel zum Ableiten und/oder Fokussieren von Teilchen, welches die Form eines Hohlzylinders aufweist und Graphit und/oder Edelstahl umfasst, auf. Das Mittel weist einen minimalen inneren Durchmesser zwischen 5 und 30 mm, insbesondere zwischen 10 und 20 mm, und eine Länge von 5 bis 80 mm, insbesondere zwischen 10 und 50 mm, auf. Die innere und/oder äußere Oberfläche des Mittels weist eine derartig gekrümmte Oberflächengeometrie auf, dass es aus einem eingebrachten Pulverstrahl divergierende Pulverteilchen abzuleiten und/oder zu fokussieren vermag.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmaspritzen, insbesondere ein Verfahren zum Suspensions-Plasmaspritzen, sowie eine dazu geeignete Vorrichtung.

Das Plasmaspritzen hat zur Herstellung von Oberflächen-Spritzschichten mit spezifischen Eigenschaften von allen thermischen Spritzverfahren die grösste Bedeutung erlangt. Als Wärme- und Energiequelle benutzt das Verfahren einen an einer zentrisch angeordneten, wassergekühlten Kupferanode in einer Düse brennenden, gasstabilisierten Lichtbogen mit hoher Energiedichte. Dieser erhitzt einen inerten Gasstrom über Ionisations- und deren Rekombinations-Reaktionen auf sehr hohe Temperaturen. Der inerte Gasstrom umfasst beispielsweise eine Mischung aus Argon, Helium, Stickstoff oder Wasserstoff. Das zugefügte Plasmagas ionisiert zum Plasma und verlässt die Brenndüse mit hohen Geschwindigkeiten von etwa 300–700 m/s und bei Temperaturen von 15000 bis 20000 K. In der Regel wird ein pulverförmiger Beschichtungswerkstoff mittels eines Trägergases über Zufuhrkanäle in diesen energiereichen Plasmastrahl eingebracht. Dort wird er aufgeschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat geschleudert.

Um eine Fläche zu beschichten wird der Plasmabrenner in der Regel mit einer definierten Lineargeschwindigkeit bewegt und seitlich versetzt. Ein üblicher Wert für die Lineargeschwindigkeit ist beispielsweise v = 0,5 m/s. Infolge der sehr hohen Plasmatemperaturen, die bei einem Ar/H₂ Plasma in das 40 kW eingekoppelt werden bei ca. 10000 K liegen, eignen sich zur Beschichtung alle Materialien und Materialmischungen die nicht sublimieren und sich nicht thermisch zersetzen. Dazu gehören insbesondere Metalle, Metalllegierungen, MCrAlY-Pulver (Metall-Chrom-Aluminium-Yttrium), Eisen-Basis Pulver, keramische Pulver, Karbid-Basis Pulver, Hydroxylapathit Pulver und Pulver für Einlauf schichten. Das Beschichtungsmaterial wird in der Regel mit einer Korngrößenverteilung zwischen 22 ± 5 μm und 125 ± 45 μm eingesetzt.

Auf dem Gebiet des Plasmaspritzens sind in den letzten Jahren verschiedene Verfahrensvarianten entwickelt worden. Sie basieren alle auf den Grundlagen des beschriebenen Verfahrens und unterscheiden sich vor allem durch die Umgebungsbedingungen, beispielsweise in Atmosphäre (APS) oder im Vakuum (VPS). Sie wurden zum Teil für bestimmte Anwendungen oder besondere Spritzwerkstoffe entwickelt.

Eine der neuesten Entwicklungen ist das Suspensionsplasmaspritzen (SPS), bei dem eine Suspension mit kleinen Partikeln (< 10 μm) oder auch sehr kleinen Partikeln (< 100 nm) radial in den Plasmabogen eingeleitet wird. Die Einleitung der Suspension in den Lichtbogen erfolgt dabei über eine Zerstäuberdüse mit einem unter Druck gesetzten Gas, z. B. Druckluft, Stickstoff oder Argon. Es ist aber auch möglich, die Suspension direkt über einen geeigneten Injektor in den Plasmafreistrahl einzubringen. Die Suspension wird dabei in feinste Tröpfchen zerstäubt. Durch die Plasmaentladung kommt es schlagartig zur Verdunstung der Suspensionslösung und die kleinen festen Partikel werden in teilweise oder ganz geschmolzene Tropfen zusammengeballt, beschleunigt und prallen auf das Substrat um dort eine Schicht auszubilden.

Das Suspensionsplasmaspritzen kann vorteilhaft für Beschichtungen sowohl aus keramischen als auch aus metallischen Materialien eingesetzt werden, wobei jeweils sehr feine, dichte sphärische Partikel eingesetzt werden. Es gibt einige Vorteile, die für ein Suspensionsplasmaspritzverfahren sprechen. Beispielsweise können die eingesetzten sehr feinen Partikel gegen Zersetzung, Verdampfung im Plasma oder im Fall von reinen Metallen gegen Oxidation dadurch geschützt werden, dass sie von einem feinen Flüssigkeitsfilm umgeben sind. Ferner kann die Suspension derart gewählt werden, dass eine chemische Reaktion zwischen der Suspensionsflüssigkeit und den Partikeln erst im Plasma stattfindet. Zudem ist der Einsatz von Precursoren möglich, die sich im Kontakt mit dem Plasma zersetzen. Dadurch wird es möglich, eine vorteilhafte Keramik oder einen Kompositwerkstoff direkt im Plasma zu synthetisieren.

Als Beispiel für den Einsatz eines Suspensionsplasmaspritz-verfahrens (SPS) kann die erfolgreiche Synthese von (HA = Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) genannt werden. HA ist ein Biomaterial, welches kompatibel zu den menschlichen Knochen ist, und über dieses Verfahren beispielsweise auf eine oxidische Keramik aufgebracht werden kann.

Der generelle Vorteil des Suspensionsplasmaspritzverfahrens (SPS) gegenüber herkömmlichen Pulververfahren liegt in der Einfachheit des Verfahrens, bei dem in einem Schritt das Beschichtungsmaterial zerstäubt, getrocknet, aufgeschmolzen und an der entsprechenden Stelle wieder verfestigt wird. Und all dies erfolgt in weniger als 10 Millisekunden.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist der in der Regel dabei auftretende Overspray. Unter „Overspray" ist der Anteil des Beschichtungsmaterials im Teilchenstrahl gemeint, der den Bereich der Wärmequelle – und damit den Teilchenstrahl – vorzeitig seitlich verlässt oder gar nicht erst erreicht. Dadurch kommt es zu einem verminderten oder gar nicht stattfindenden Aufschmelzen oder auch zu einem vorzeitigen Abkühlen des Beschichtungsmaterials (Spritzgut). Je nach Wahl des Verfahrens gelangen diese Teilchen entweder gar nicht erst auf das zu beschichtende Substrat (Ausschuss) oder sie werden zu einem nicht unerheblichen Anteil in die Schicht eingebaut. Zudem kann es durch das Bestrahlen der Schichtoberfläche mit Teilchen aus dem Overspraybereich zur Erosion der neu gebildeten Oberfläche kommen. Die von Overspray gebildeten Schichtbestandteile führen regelmäßig zu einer inhomogenen Schichtstruktur, die eine erhöhte Porosität zur Folge hat. Damit einhergehend weisen diese Schichten nachteilig eine verminderte Haftfestigkeit und somit eine geringere mechanische Stabilität auf.

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Beschichtungsverfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem zwar die Vorteile des Suspensionsplasmaspritzens genutzt werden können, jedoch die Nachteile durch den aus dem Stand der Technik bekannten auftretenden Overspray, deutlich reduziert werden. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung bereit zu stellen, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann.

Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß des Hauptanspruchs, sowie durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens und der Vorrichtung finden sich in den jeweils auf diese Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen wieder.

Gegenstand der Erfindung

Im Rahmen dieser Erfindung wurde gefunden, dass der Overspray bei einem Plasmaspritzverfahren deutlich verringert oder sogar verhindert werden kann. Im Gegensatz zum bislang eingesetzten Verfahren des Plasmaspritzens, wird durch das neue Verfahren regelmäßig verhindert, dass die dem Plasmastrahl divergierenden Teilchen entweder keinen Beitrag zur Beschichtung liefern, oder aber zu einer schlechten Beschichtung beitragen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest ein Mittel eingesetzt, welches bewirkt, dass die Flugbahn der aus dem Plasmastrahl divergierenden Teilchen (Overspray) derart verändert wird, dass diese Teilchen entweder wieder zurück in den Plasmastrahl geleitet werden und/oder so weit abgeleitet werden, dass sie nicht mehr auf das zu beschichtende Substrat treffen. Im ersten Fall spricht man von einer Rückreflexion der divergierenden Pulverteilchen in den Plasmateilchenstrahl, im zweiten Fall werden die divergierenden Teilchen aus dem Plasmateilchenstrahl ausgeblendet.

Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als geeignetes Mittel insbesondere ein Düsenvorsatz in Form einer Blende derart in den Teilchenstahl eingebracht, dass die Achse der Blende und des Teilchenstrahls eine Linie bilden. Die Blende ist zwischen Düsenöffnung des Plasmabrenners und dem zu beschichtenden Substrat angeordnet. Die Blendenöffnung entspricht mindestens dem Durchmesser der Düse bzw. dem Durchmesser des anfänglichen Plasmateilchenstrahls. Dieser weist in der Regel einen Durchmesser von 6 bis 10 mm auf. Die Blendenöffnung sollte den zweifachen Düsendurchmesser nicht überschreiten. Der Abstand der Blende von der Plasmadüse kann in einem gewissen Bereich variabel eingestellt werden. Möglich ist sowohl eine Anordnung der Blende direkt an der Düsenöffnung als auch in einem Abstand, wobei der Abstand die Länge des Plasmafreistahls nicht überschreiten soll. Ein vorteilhafter Abstand beträgt beispielsweise zwischen 5 und 30 mm von der Düsenöffnung. Im Fall einer direkt an der Düsenöffnung angeordneten Blende ist vorzugsweise die Injektionsvorrichtung mit in der Blende integriert. Die äußeren Abmessungen der Blende liegen vorteilhaft zwischen 40 und 90 mm. Sie können aber insbesondere für die Funktion der Ausblendung mehr als 120 mm betragen.

Die Länge der Blende ist abhängig von der Geometrie der Blende. Sie beträgt regelmäßig zwischen 10 und 70 mm, insbesondere zwischen 15 und 40 mm. Es hat sich herausgestellt, dass die Länge des Plasmafreistahls durch den Einsatz einer Blende vorteilhaft vergrößert wird.

Als für die Blende geeignetes Material haben sich insbesondere hochschmelzende Materialien, wie Graphit oder Edelstahl herausgestellt.

Die Ausführungsform in Form eines Düsenvorsatzes kann sowohl einstückig als auch mehrstückig ausgefertigt sein. Eine mögliche Ausführungsform sieht beispielsweise eine zweiteilige Ausgestaltung vor. Dabei werden in einen äußeren Blendenring mit oder ohne Kühlung, wahlweise verschiedene Blendeneinsätze mit unterschiedlichen Geometrien aus Graphit, Wolfram, Borcarbid oder auch TZM, MHC, SiC, CFC, SiC/SiC und anderen angeordnet. Der Vorteil liegt in der festen Anordnung des äußeren Blendenringes in Bezug zum Plasmabrenner. Bei unterschiedlichen Anforderungen kann auf einfache Weise der Einsatz (Blende) entsprechend gewechselt werden, ohne die gesamte Anordnung neu justieren zu müssen.

Spezieller Beschreibungsteil

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren und einem Anwendungsbeispiel näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.

In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens, bzw. einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird ein wassergekühlter Blendenring in den Teilchenstrahl eingebracht, in dessen Mitte unterschiedliche achsnahe Einsätze (Blenden) angeordnet werden können. Die Achsen der Blende und des Brenners bilden dabei eine Linie. Der Abstand der Blende zum Brenner und die Blendenöffnung werden entsprechend der Leistung des Brenners angepasst. Zudem wird durch ein variables Abstandssystem durch Führungsstangen eine Variation des Abstandes des Blendensystems von der Brennerdüse eine zusätzliche Anpassung an die aerodynamischen Verhältnisse möglich. Der Abstand zwischen Brennerdüse und Blende kann über Aktuatoren noch während des Versuchs verändert werden, um Gradierungen der Mikrostruktur zu erreichen.

I. Ausblendende Geometrie der Buchse (Röhrenprinzip)

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung werden zur Einstellung wohldefinierter Teilcheneigenschaften Teilchen mit einer achsfernen Flugbahn aus dem Strahlkegel des Spritzguts ausgeblendet. Dazu wird eine rohrförmige Buchse in den Blendenring eingesetzt, der keine konvergente, fokussierende Geometrie aufweist, sondern eine separierende Funktion besitzt, so dass Teilchen, die nicht durch die Öffnung fliegen, am Blendenring ausgeblendet werden. Die Prallfläche des Blendenrings sollte aerodynamisch an das Strömungsfeld des Brenners angepasst werden, damit keine Reflexion von Teilchen an der Blende zurück in den Teilchenstrahl erfolgen kann.

II. Reflektierende Geometrie der Buchse (Trichter) in Richtung der Strahlachse

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden zur Erhöhung der Effizienz der Abscheidung diejenigen Teilchen, die zwar aus dem Plasma-Freistrahl divergieren sich aber nicht zu weit von diesem entfernen, durch eine trichterförmige Öffnung der Buchse wieder zurück in den Plasma-Freistrahl reflektiert. Auf diese Weise werden diese Teilchen dem Teilchenstrahl wieder zugeführt. Dabei kann die Ausgestaltung sowohl eine einfache, als auch eine doppelte Trichterform annehmen.

Anwendungsbeispiele
An die elektrisch isolierte Halterung eines Sulzer Metco F4VB-Plasmabrenners wird ein U-Profil als Aufnahme für Führungsstangen adaptiert. Auf diesen Führungsstangen wird der Blendenring in definiertem Abstand im Bereich von 30 – 50 mm von der Brenneröffnung befestigt. Der Blendenring wird aus einem massiven Kupferring bestehen, der in der Mitte ein Innengewinde aufweisen soll, damit unterschiedliche Innendurchmesser einfach durch Austausch der eingeschraubten Buchse (Blende) erfolgen können. Die Abmessungen der Buchse liegen in der Größenordnung der Düsenöffnung des Brenners (6 – 10 mm). Zudem sind Wartungsarbeiten an dieser stark thermisch und erosiv beanspruchten Innenfläche des Rings schnell möglich. Die Buchse kann aus Verschleiß beständigeren Materialien wie Wolfram und Borcarbid gefertigt sein. Die Kühlung des Blendenrings wird durch eine innen liegende oder von aussen aufgelötete Kühlschlange ausgeführt, die an einen 600 kPa Wasser-Kühlkreislauf angeschlossen wird. Während des Beschichtungsvorgangs wird der gesamte Aufbau über dem Bauteil verfahren, so dass eine permanente Ausblendung des Oversprays realisiert werden kann.
In 1 wird die Abhängigkeit der Geschwindigkeit (Dreiecke) und der Temperatur (Quadrate) der Teilchen im Plasmastrahl in Abhängigkeit von dem Abstand der Teilchen von der Plasmadüse wiedergegeben.
Bei einem ungestörten Plasmastrahl (leere Symbole) zeigt sich eine deutliche Abnahme der Temperatur und der Geschwindigkeit der Teilchen mit größer werdendem Abstand von der Düse. Die Temperaturen sinken von über 6000 K auf ca. 4000 K bei einem Abstand von 50 mm und auf knapp 3500 K bei einem Abstand von ca. 60 mm.
Die ausgefüllten Symbole kennzeichnen die Temperatur und die Geschwindigkeit von Teilchen, die eine Blende, bzw. einen Düsenvorsatz durchflogen haben. Abstand des Düsenvorsatzes von der Düse: 30 mm, Länge des Düsenvorsatzes: 50 mm, Eintrittsblende: 30 mm, Austrittsquerschnitt: 10 mm, Verjüngungswinkel: 13°.
In der 2 sind schematisch einige ausgewählte, besonders geeignete, Ausführungsformen eines Düsenvorsatzes (Blende) als Mittel zur Verhinderung von Overspray dargestellt. Dabei bedeuten

1: Achse des Plasma-Teilchenstrahls
2: hohlzylindrisches Mittel
3: äußere Oberfläche
4: innere Oberfläche
5: Integrierte Injektionsdüse

Die einzelnen Ausführungsformen stellen dabei dar:
2a) eine einfache Blende, deren Eintrittsfläche dem Strömungsfeld angepasst wird, und hauptsächlich dem Ausblenden des Oversprays dient,
2b) eine Blende mit gerader Bohrung,
2c) eine Blende mit konvergierendem Trichter und mit einer optionalen, sich anschließender parallelen Führung,
2d) eine Blende mit einer fokussierenden-defokussierenden DeLaval-Geometrie,
2e) eine Blende mit integrierter Injektion, beispielsweise um die Düse direkt vor dem Brenner anzuordnen.
Die vorgenannten Blendengeometrien sind nur stellvertretend für eine Vielzahl von Möglichkeiten aufgeführt. Im Rahmen der Erfindung sind alle weiteren Blenden und Anordnungen mit umfasst, die dieselbe Wirkungsweise wie die vorgenannten Blenden aufweisen. Die Wirkungsweise umfasst dabei das Ausblenden von Oversprayteilchen und/oder das Zurückführen von Oversprayteilchen in den Plasmastrahl. Beispielsweise kann die integrierte Injektionsanordnung, unabhängig von der gewählten Geometrie der Blende, ausgewählt werden.

Claims

Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit einem Pulver mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens, bei dem Pulver in einen Plasmastrahl eingebracht und mit Hilfe des Plasmas auf das Substrat aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des aus dem Plasmastrahl divergierenden Pulvers durch ein Mittel vom Substrat abgeleitet und/oder wieder in den Plasmastrahl geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Ableitblende als Mittel eingesetzt wird, welches einen Teil des aus dem Plasmastrahl divergierenden Pulvers vom Substrat ableitet.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, bei dem eine Leitblende als Mittel eingesetzt wird, welches einen Teil des aus dem Plasmastrahl divergierenden Pulvers wieder in das Plasma leitet.
Vorrichtung zum Ableiten und/oder Fokussieren eines Anteils aus einem Pulverstrahl, gekennzeichnet durch, ein Mittel zum Ableiten und/oder Fokussieren von Teilchen, wobei – das Mittel eine hohlzylindrische Geometrie aufweist und Graphit und/oder Edelstahl umfasst, – das Mittel einen minimalen inneren Durchmesser zwischen 5 und 30 mm, insbesondere zwischen 10 und 20 mm aufweist, – das Mittel eine Länge von 5 bis 80, insbesondere zwischen 10 und 50 mm aufweist,
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei dem die innere und/oder äußere Oberfläche des Mittels wenigstens teilweise konkav gekrümmt vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei dem die innere und/oder äußere Oberfläche des Mittels wenigstens teilweise konvex gekrümmt vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei dem die innere und/oder äußere Oberfläche des Mittels eine konische Geometrie aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, mit einem Mittel, welches in einer Aufnahmevorrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8 umfassend eine zusätzlichen Kühlleitung.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9 als Vorsatz für eine thermische Spritzvorrichtung.