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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmaspritzen, insbesondere
ein Verfahren zum Suspensions-Plasmaspritzen,
sowie eine dazu geeignete Vorrichtung.
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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.
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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
Einlaufschichten. Das Beschichtungsmaterial wird in der Regel mit
einer Korngrößenverteilung
zwischen 22 ± 5 μm und 125 ± 45 μm eingesetzt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
JP 58 011057 A ,
die
JP 61 210169 A und die
GB 2 281 488 A offenbaren
Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit einem Pulver mit
Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens. Zwischen der Düsenöffnung,
aus der die Teilchen des Beschichtungsmaterials austreten, und dem
zu beschichtenden Substrat, sind Mittel angeordnet, welche die Flugbahn
der aus dem auf das Substrat gerichteten Teilchenstrom divergieren
Teilchen verändern.
Die divergierenden Teilchen werden entweder zurück in den Teilchenstrom geleitet
oder so weit abgelenkt, dass sie nicht mehr auf das zu beschichtende
Substrat treffen.
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Die
JP 58 011057 A offenbart
ein Mittel, welches eine hohlzylindrische Geometrie aufweist und als
Vorsatz für
eine thermische Spritzvorrichtung angeordnet ist. Die
JP 61 210169 A offenbart
einen topfförmigen,
hitzefesten Zylinder als Mittel. Aus der
GB 2 281 488 A ist eine graphitbeschichtete
Blende als Mittel bekannt. Die
EP 0 413 296 A1 offenbart einen trichterförmigen Vorsatz
als Mittel.
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Die
WO 02/05969 A offenbart eine Vorrichtung, bei der die Teilchen des
Beschichtungsmaterials durch eine Fokussiereinrichtung mit aerodynamischen
Linsen in einem schmalen Strahl in eine Vakuumkammer geführt und
dort auf dem Substrat deponiert werden.
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Aufgabe und Lösung
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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.
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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.
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Gegenstand der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Als
für die
Blende geeignetes Material haben sich insbesondere hochschmelzende
Materialien, wie Graphit oder Edelstahl herausgestellt.
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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.
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Spezieller Beschreibungsteil
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Nachfolgend
wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren und einem Anwendungsbeispiel
näher erläutert, ohne
dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.
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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.
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I. Ausblendende Geometrie
der Buchse (Röhrenprinzip)
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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.
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II. Reflektierende Geometrie
der Buchse (Trichter) in Richtung der Strahlachse
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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.
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Anwendungsbeispiel
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An
die elektrisch isolierte Halterung eines 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.
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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.
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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.
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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°.
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In
der 2 sind schematisch einige ausgewählte, besonders
geeignete, Ausführungsformen
eines Düsenvorsatzes
(Blende) als Mittel zur Verhinderung von Overspray dargestellt.
Dabei bedeuten
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- 1
- Achse
des Plasma-Teilchenstrahls
- 2
- hohlzylindrisches
Mittel
- 3
- äußere Oberfläche
- 4
- innere
Oberfläche
- 5
- Integrierte
Injektionsdüse
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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.
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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.