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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Thermo-Sprühbeschichtung,
verbesserte Substratbeschichtungen und verbesserte Systeme zum Thermosprühen. Insbesondere
werden ein Verfahren und ein System zur Thermo-Sprühbeschichtung
beschrieben, bei denen eine Dispersion von Materialien mit nano-großen Partikeln
einem flüssigen
Träger
in eine Kanone oder eine Thermo-Sprühvorrichtung eingespritzt wird,
und, während
der flüssige
Träger
verbrennt, das Material mit nano-großen Partikeln auf die Oberfläche des
zu beschichtenden Substrats gelenkt wird.
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Hintergrund
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Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff/Brennstoff
(High Velocity Oxygen Fuel, HVOF)-Thermosprüh-Prozesse werden verwendet,
um Beschichtungen auf verschiedenen Substraten aufzubringen. Allgemein
wird ein pulverförmiges
Material in aggregierter oder agglomerierter Form mit einem Trägergas gemischt
und die Mischung zusammen mit Sauerstoff und einer Brennstoffquelle
in eine Sprühvorrichtung
oder Kanone injiziert; wenn sich der Brennstoff entzündet, werden
die verdichteten Partikel in Richtung des zu beschichtenden Substrats
gesprüht.
HVOF-Thermosprüh-Prozesse
können
nicht für
keramische oder pulverförmige
Materialien verwendet werden, die einen hohen Schmelzpunkt haben,
da die Verbrennungstemperatur des Brennstoffs nicht ausreicht, um
hochschmelzende pulverförmige
Materialien zu schmelzen, während
sie sich durch das Thermo-Sprühsystem
in Richtung des Substrats bewegen.
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Ein
alternativer Ansatz ist es, die Plasma-Thermo-Sprüh-Technologie
zu verwenden, bei der die Temperaturen der Flamme 10.000°C überschreiten.
Während
Plasma-Sprühbeschichtungen
eine hervorragende Hitzeschutzbarriere für das darunterliegende Substrat
darstellen können,
zeigen solche Plasmaaufgesprühten Beschichtungen
oft ungenügenden
Widerstand gegen Thermoschock, ungenügende Haftungsstärke, eine schlechtere
Dichte und eine ungenügende
dielektrische oder Durchschlagfestigkeit. Plasmaaufgesprühte Beschichtungen
tendieren auch dazu, porös
zu sein und verlangen die Verwendung eines dichtenden Überzugs, um
die Oxidationsrate des darunterliegenden Metallsubstrats zu reduzieren.
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Daher
sind, um die oben genannten Probleme der Plasma-Sprühbeschichtungs-Technologie
zu vermeiden, Verbesserungen an den HVOF-Techniken vorgenommen worden,
die auf eine Reduzierung der Größe oder
der irregulären
Struktur der pulverförmigen
beschichtungs-agglomerierten Partikel gerichtet sind. Insbesondere
zeigt das U.S.-Patent Nr. 6,025,034 die Dispersion von pulverförmigen beschichtungs-agglomerierten
Partikeln in einem flüssigen
Medium, bevor diese sprühgetrocknet
werden, um kugelförmige
Nano-Teilchen-Agglomerate
zu formen. Die kugelförmigen
Nano-Teilchen-Agglomerate werden dann in einer Thermo-Sprühabscheidungs-Technik
benutzt. Die Nano-Teilchen-Agglomerate
werden mittels einer organischen Lösungsreaktion oder mit wasserbasierten
Lösungsreaktionsmethoden
synthetisiert. Ultraschall-Verrührung muss
dazu verwendet werden, um eine kolloidale Dispersion oder eine Aufschlämmung von
Agglomeraten vor der Einspritzung mit Brennstoff und Sauerstoff
in die Kombinationszone einer HVOF-Kanone oder Sprühvorrichtung
zu formen.
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Ein
mit der obigen Erfindung verbundenes Problem ist die Notwendigkeit,
eine Pulverzufuhr zu nehmen, diese mit einer Flüssigkeit zu mischen, und die
resultierende Mischung mit Ultraschall zu behandeln, um eine kolloidale
Dispersion oder Aufschlämmung
bereitzustellen. Insbesondere ist es schwierig, kontinuierlich Pulver
im Produktionsmaßstab
zuzuführen.
Ausrüstung
zur Pulverzufuhr neigt zum Versagen, was wiederum die Produktivität vermindert.
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Auch
ist die resultierende kolloidale Dispersion oder Aufschlämmung nicht
stabil, da die Agglomerate sich aus der Dispersion absetzen, falls
sie nicht sofort verwendet wird. In anderen Worten besitzt die kolloidale Dispersion
oder Aufschlämmung
eine geringe oder keine Lagerfähigkeit.
Und weiterhin formen die Partikel, obwohl sie einzeln nano-groß sind,
Agglomerate einer substanziell größeren Größe und führen als ein Ergebnis zur Abnutzung
an der Pumpausrüstung,
die zur Beschickung der HVOF-Kanone verwendet wird. Insbesondere
bedingen agglomerierte Materialien, die Größen von 1000 Nanometern oder
mehr aufweisen, eine überdurchschnittliche
Abnutzung der Pumpen, indem sie dazu führen, dass Dichtungen vorzeitig
schwächer
werden und versagen.
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Die
hier offenbarten HVOF-Verfahren sind darauf gerichtet, eines oder
mehrere der oben angesprochenen Probleme zu lösen.
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Zusammenfassung
der Offenbarung
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In
einem Sinne kann die vorliegende Erfindung als Verfahren zur Beschichtung
eines Materials mit nano-großen
Partikeln auf einem Substrat charakterisiert werden. Dieses Verfahren
umfasst die Bereitstellung einer Dispersion des Materials mit nano-großen Partikeln
in einen flüssigen
Träger,
wobei das Material einzelne, nicht-agglomerierte Partikel einschließt, die
einen Durchmesser von weniger als 500 Nanometern aufweisen. Die
Dispersion wird dann in einen Thermo-Sprühnebel injiziert, um Tröpfchen des
flüssigen
Trägers
und der Partikel zu formen. Die Tröpfchen werden innerhalb des
Thermo-Sprühnebels
verbrannt, so dass die Partikel zu schmelzen beginnen, und mindestens
einige der Partikel beginnen, sich innerhalb der Tröpfchen zu Agglomeraten
zu formieren. Die agglomerierenden Partikel werden in Richtung des
Substrats gelenkt.
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Unter
einem anderen Aspekt kann die Erfindung auch als Verfahren zur Beschichtung
eines Materials mit hohem Schmelzpunkt auf einem Substrat charakterisiert
werden. Ein solches Verfahren umfasst die Schritte: (1) Mischen des
Materials mit hohem Schmelzpunkt mit einem flüssigen Träger zur Bereitstellung einer
Dispersion des Materials in dem flüssigen Träger, wobei das Material einzelne,
nicht-agglomerierte Partikel mit einem Durchmesser von weniger als
500 Nanometern umfasst; (2) Einspritzen der Dispersion zusammen
mit Sauerstoff in einen Thermo-Sprühnebel, um verbrennende Tröpfchen des
flüssigen
Trägers
und der Partikel dergestalt zu formen, dass ein Schmelzen der Partikel
begonnen wird und wobei, während
die Tröpfchen
des flüssigen
Trägers
und der Partikel verbrennen, mindestens einige der Partikel Agglomerate
von Partikel innerhalb der Tröpfchen
zu formen beginnen; und (3) Sprühen
der Tröpfchen
des flüssigen
Trägers
und der Partikel in Richtung des Substrats.
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Unter
einem weiteren Aspekt kann die Erfindung als Thermosprüh-Abscheidungssystem
charakterisiert werden, das folgendes umfasst: eine Thermosprüh-Abscheidungsvorrichtung;
eine Quelle für
Brennstoff und Sauerstoff, die operativ mit der Thermosprüh-Abscheidungsvorrichtung
zur Erzeugung eines Thermo-Sprühnebels
gekoppelt ist; eine oder mehrere Quellen für nano-große, in einem flüssigen Träger verteilte Partikel,
die in einer Strömungsverbindung
mit der Thermosprüh-Abscheidungsvorrichtung
stehen, wobei die Dispersion einzelne, nicht-agglomerierte nano-große Partikel
umfasst; ein Einsatzmaterial-Einspritzsystem zum Einspritzen einer
oder mehrerer der in dem flüssigen
Träger
enthaltenen Dispersionen von nano-großen Partikeln
in den Thermo-Sprühnebel;
und einen System-Controller zur Überwachung
der Einspritzparameter des Einsatzmaterial-Einspritzsystems, um
die Zusammensetzung oder die Tröpfchengröße der Dispersionen von
nano-großen Partikeln
in dem flüssigen
Träger,
die in den Thermo-Sprühnebel
zu eingespritzt werden, zu überwachen.
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Die
Erfindung kann auch als ein Verfahren zum Steuern eines Thermosprüh-Beschichtungsverfahrens charakterisiert
werden, das die Schritte umfasst: (1) Betreiben eines Thermosprüh-Abscheidungssystems,
das eine Quelle für
Brennstoff und Sauerstoff zur Bereitstellung eines Thermo-Sprühnebels
umfasst; (2) Bereitstellen mindestens einer Quelle für in einem
flüssigen
Träger
verteilte nano-große
Partikel, wobei die Dispersion einzelne, nicht-agglomerierte Partikel
mit einem Durchmesser von weniger als 500 Nanometern umfasst; (3) Einspritzen
der Dispersionen der nano-großen
Partikel im flüssigen
Träger
in den Thermo-Sprühnebel
unter solchen Bedingungen, dass eine Tröpfchengröße der Dispersion der nano-großen Partikel
im flüssigen
Träger oder
die Zusammensetzung der in den Thermo-Sprühnebel eingespritzten nano-großen Partikel
präzise
gesteuert wird; und (4) Sprühen
der Tröpfchen
der Dispersion der nano-großen Partikel
im flüssigen
Träger
in Richtung des Substrats, um das Substrat zu beschichten, wobei
die physikalischen Merkmale und die Zusammensetzung der Beschichtung
auf dem Substrat beeinflusst werden durch Steuern des Inhalts oder
der Tröpfchengröße der Dispersion
der nano-großen
Partikel im flüssigen
Träger,
die in den Thermo-Sprühnebel
eingespritzt werden.
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Schließlich kann
die Erfindung auch charakterisiert werden als ein Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff/Brennstoff(High
Velocity Oxygen Fuel, HVOF)-beschichteter Artikel, welcher folgendes
umfasst: ein Substrat, eine Beschichtung aus agglomerierten nano-großen Partikeln,
die mittels eines Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff/Brennstoff(High
Velocity Oxygen Fuel, HVOF)-Verfahrens auf dem Substrat aufgebracht
worden sind, wobei die agglomerierten nano-großen Partikel aus einer Dispersion
der nano-großen,
nicht-agglomerierten Partikel in einem flüssigen Träger stammen, die in den Thermo-Sprühnebel eingespritzt
worden sind, und wobei die Beschichtung eine Durchschlagfestigkeit
aufweist, die mindestens 20% höher
ist als diejenige einer gleichen Schicht auf dem gleichen Substrat,
die mittels eines Plasma-Thermosprühverfahrens
aufgebracht worden ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
oben beschriebenen und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile des
vorliegenden Systems und Verfahrens für industrielle Lackierungsarbeiten
wird noch klarer durch ihre folgende, genauere Beschreibung, die
zusammen mit den folgenden Zeichnungen präsentiert wird, in denen:
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1 schematisch
ein Thermosprühsystem
zeigt, das zur Benutzung mit den beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung angepasst ist;
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2 schematisch
eine Dispersion aus Partikel-Beschichtung/flüssigem Träger zeigt, die in eine Brennkammer
einer HVOF-Sprühkanone
eingespritzt wird, und die Entwicklung einzelner Tröpfchen,
während die
Dispersion sich durch die Brennkammer der Kanone bewegt;
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3 schematisch
den Prozess zeigt, durch den sich die einzelnen nanometer-großen Partikel
innerhalb der Dispersionströpfchen
in Agglomerate von nanometer-großen Partikeln entwickeln, während der
flüssige
Träger
verbrennt und die Tröpfchengröße reduziert
wird, um eine Agglomeration von schmelzenden nanometer-großen Partikeln
im verbrennenden Tröpfchen
bereitzustellen, welche auf dem Substrat abgeschieden werden;
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4 eine
optische Photographie einer Aluminiumoxid-Beschichtung ist, die
auf einem Substrat mittels eines HVOF-Verfahrens, wie hier beschrieben,
abgeschieden worden ist;
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5 eine
optische Photographie einer Titanoxid-Chromoxid-Beschichtung ist,
die auf einem Substrat mittels eines HVOF-Verfahrens, wie hier beschrieben,
aufgebracht worden ist;
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6 eine
optische Photographie einer anderen Titanoxid-Chromoxid-Beschichtung ist,
die auf einem Substrat mittels eines HVOF-Verfahrens, wie hier beschrieben, aufgebracht
worden ist; und
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7 eine
optische Photographie einer Aluminiumoxid-Titanoxid-Beschichtung ist,
die auf einem Substrat mittels eines HVOF-Verfahrens, wie hier beschrieben, aufgebracht
worden ist.
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Detaillierte
Beschreibung
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Die
folgende Beschreibung ist die beste zur Zeit denkbare Variante zur
Ausführung
der Erfindung. Diese Beschreibung ist nicht in einem einschränkenden
Sinne zu verstehen, sondern ist lediglich zur Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung gemacht worden. Die Breite der Erfindung sollte mit
Bezug zu den Ansprüchen
bestimmt werden.
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Bezug
nehmend auf 1, ist dort ein Thermosprüh-System 10 gezeigt,
das zur Abscheidung einer Schicht 12 nano-großer Partikel
auf einem Ziel- oder Targetsubstrat 14 angepasst ist. Das
Thermosprüh-System 10 arbeitet
so, dass ein Partikel-Sprühnebel 16 erzeugt
wird, der agglomerierte nano-große Partikel aus Materialien
mit hohem Schmelzpunkt enthält,
die auf dem Zielsubstrat 14 abgeschieden werden sollen.
Das Thermosprüh-System 10 umfasst
ein Luftdeckel-Gehäuse
oder Körper 20,
einen Luftdeckel 22, eine Düseneinrichtung 23 mit
einer Düse 24 und
einem Düseneinsatz 26.
In der gezeigten Ausführungsform
sind die verschiedenen Komponenten koaxial angeordnet, so dass sie
eine Reihe von Beschickungszuleitungen definieren.
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Die
Beschickungszuleitungen umfassen eine Druckluft-Zufuhr 30,
die zwischen Luftdeckel 22 und Düse 24 liegt, sowie
eine Brennstoffzufuhr 32, die zwischen der Düse 24 und
dem Düseneinsatz 26 angebracht ist.
Zusätzlich
ist eine Einsatzmaterial-Zufuhr 34 vorhanden, die bezüglich der
Düse 24 koaxial
orientiert ist, um eine oder mehrere Quellen der Dispersionen 40, 42 des
flüssigen
Trägers
mit dem nano-großen
Partikelmaterial in die Brennkammer 43 des Thermospraysystems 10 einzuführen. Die
Brennstoffzufuhr 32 ist so angepasst, dass sie die Brennkammer 42 mit
einer Quelle für
Sauerstoff und Brennstoff, wie Sauerstoff-Propan, Sauerstoff-Propylen,
Sauerstoff-Wasserstoff oder einer anderen Mischung von Sauerstoff
und bei hoher Temperatur zündenden
Brennstoffen, wie Methylacetyl-Polypropadien (MAPP) versorgen kann.
Die Sauerstoff-Brennstoff-Mischung verbrennt innerhalb der Brennkammer 43 so,
dass der charakteristische leuchtend weisse Kegel einer ausgeglichenen
Sauerstoff-Brennstoff-Flamme 50 entsteht. In diese Sauerstoff- Brennstoff-Flamme 50 werden
eine oder mehrere Quellen der Dispersionen 40, 42 des
flüssigen
Trägers
mit dem nano-großen
Partikelmaterial eingeführt,
und zwar über
die Einsatzmaterial-Zufuhr 34. Die Druckluftzufuhr 30 ist
so angepasst, dass sie eine Druckluftquelle zur Brennkammer 43 des
Thermosprühsystems 10 leiten
kann. Die Druckluft formt eine Luftummantelung 54, welche
die Sauerstoff-Brennstoff-Flamme 50 umhüllt.
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Die
offenbarten Systeme und Verfahren sind insbesondere nützlich zur
Abscheidung von bei hoher Temperatur schmelzenden Materialien auf
Substraten mit einer höheren
Effizienz als bisher bekannt. Am Anfang beginnt der Prozess damit,
Einsatzmaterial zu beschaffen, das aus nanometer-großen Partikeln
besteht, die sich in einer flüssigen
Dispersion, vorzugsweise flüssigem
Kohlenwasserstoff, die Kerosin oder Diesel sein kann, befinden.
Solche Materialien sind erhältlich
von Nanophase Technology Corp. aus 1319 Marquette Drive, Romeoville,
Illinois 60446 (http://www.nanophase.com). Materialien von Nanophase
Technology Corp. werden in einer Dispersion von Kerosin oder anderen
flüssigen
Trägern
bereitgestellt und weisen eine maximale Partikelgröße von weniger
als 500 Nanometern auf. Noch mehr bevorzugt, beträgt die maximale
Partikelgröße weniger
als 200 Nanometer, und noch besser ist es, wenn sie weniger als
100 Nanometer beträgt.
Typischerweise beträgt
der Gewichtsanteil der Partikel in der Kerosin-Dispersion um die 40%, was dann auf
einen Bereich zwischen etwa 0,1 Volumenprozent bis ungefähr 10 Volumenprozent
reduziert wird, und vorzugsweise auf einen Bereich zwischen etwa
2 Volumenprozent bis ungefähr
6 Volumenprozent vor der Verwendung in einem HVOF-Verfahren.
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Die
folgenden nano-großen
pulverförmigen
oder Partikel-Einsatzmaterialien oder Kombinationen davon, die in Übereinstimmung
mit dieser Offenbarung verwendet werden können, sind in der untenstehenden Tabelle
mit ihren jeweiligen Schmelztemperaturen aufgelistet.
| Zusammensetzung | Tm(°C) |
| Aluminiumoxid | 2015 |
| Ceroxid | 2600 |
| Chromoxid | 2435 |
| Magnesiumoxid | 2800 |
| Siliziumoxid | 1600 |
| Titanoxid | 1825 |
| Yttriumoxid | 2410 |
| Zirkonoxid | 2700 |
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Die
oben genannten Materialien werden in einer stabilen Kerosindispersion
geliefert. Das heisst, dass das nano-große Partikelmaterial sich nicht
während
Lieferung, Handhabung und Lagerung absetzt. Eine Kerosinpumpe wird
verwendet, um die Kerosindispersion zur Brennkammer der HVOF-Thermosprüh-Kanone
zu führen.
Die Verwendung preiswerteren Einsatzmaterials mit größeren Partikelgrößen von über 500
Nanometern kann sich als unvorteilhaft erweisen, weil die größeren Partikel
zu einer vorzeitigen Abnutzung typischer Kerosinpumpendichtungen
führen,
und dadurch bei den Pumpen einen verfrühten Druckabfall und Lecks
verursachen.
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Zusätzlich zu
den einkomponentigen Partikelmaterialien, die in der obigen Tabelle
1 aufgelistet sind, können
Mischungen von Partikel-Einsatzmaterialien verwendet werden. Beispielsweise
können
auch Mischungen aus Aluminiumoxid und Chromoxid, Aluminiumoxid und
Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumoxid, Aluminiumoxid und
Titanoxid, Chromoxid und Siliziumoxid und Titanoxid, Titanoxid und
Chromoxid und Zirkonoxid und Yttriumoxid verwendet werden und können ungezählte gewerbliche
Anwendungen aufweisen.
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Die
Kerosindispersion und Sauerstoff-Brennstoff-Mischung werden in eine
HVOF-Thermosprüh-Kanone
eingespritzt. Eine nützliche
Kanone wird hergestellt von WearMaster, Inc. aus 105 Pecan Drive,
Kennedale, Texas 76060, eine Einheit der St. Louis Metallizing (http.//www.stlmetallizing.com).
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Andere
geeignete HVOF-Sprühsysteme
sind von Praxair Surface Technologies aus 1555 Main Street, Indianapolis,
IN, erhältlich.
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Die
verwendete Sprühkanone
sollte im allgemeinen ausreichend große Tröpfchen der Dispersion aus flüssigem Träger/Partikel-Einsatzmaterial
herstellen, damit dann, wenn die geformten Tröpfchen verbrennen, wenn sie
sich durch die Brennkammer bewegen, die Tröpfchengröße abnimmt und eine Agglomeration
der schmelzenden nano-großen
Partikel unterstützt.
Die Agglomeration der nano-großen
Partikel in der Brennkammer der Kanone wird in einer agglomerierten
Masse geschmolzener Partikel resultieren, wobei die Masse ausreichend
ist, um das Substrat mit einem ausreichenden Impuls für eine effektive
Abscheidung zu treffen. Falls die agglomerierte Masse zu klein ist,
werden große
Mengen des Partikel-Einsatzmaterials mit den Brenngasen vom Substrat
weggetragen werden, und die Effektivität des Verfahrens wird sinken.
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Bezug
nehmend auf 2, ist die Düseneinheit 23 dargestellt,
wie sie einen Strom 60 der Dispersion aus flüssigem Trägermaterial
und dem Partikel-Einsatzmaterial
einspritzt. Der flüssige
Träger
ist vorzugsweise ein flüssiger
Kohlenwasserstoff, dergestalt, dass, wenn der Strom 60 durch
die Brennkammer 43 geleitet wird, einzelne Dispersionströpfchen 62 geformt
werden.
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Während – nun in
Bezug auf 3 – sich ein einzelnes Tröpfchen 62 durch
die Brennkammer 43 bewegt, verbrennt das flüssige Material
und verringert dadurch die Tröpfchengröße zu einem
kleineren Tröpfchen,
wie bei 64 gezeigt. Während
das flüssige
Material weiterbrennt, formen die nano-großen Partikel 66 eine agglomerierte
Masse 68. Die agglomerierte Masse 68 umfasst eine
Vielzahl von nano-großen
Partikeln des Einsatzmaterials, die als ein Ergebnis der hohen Temperaturen
in der Brennkammer 43 im geschmolzenen oder teilgeschmolzenen
Zustand vorliegen. Die agglomerierten Massen 68 haben bei
Austritt aus der Brennkammer 43 einen ausreichenden Impuls,
damit ein hoher Anteil der Massen das Substrat (hier nicht dargestellt)
treffen wird und daran mit relativ hoher Effizienz haften bleibt.
Beispielsweise sind Effizienzgrade von ungefähr 50% bei Nutzung eines WearMaster-Geräts demonstriert
worden. Diese relativ hohe Effizienz wird der Tatsache zugeschrieben,
dass die Düseneinheit 23 des
gezeigten Thermosprühsystems
die Dispersion aus flüssigem
Träger
und Partikel-Einsatzmaterial in befriedigender Weise so in die Brennkammer
einspritzt, dass die Tröpfchen 62 in
ausreichender Größe so geformt
werden, dass das in 3 gezeigte Verfahren in der
Brennkammer 43 ausgeführt
wird (siehe 1 und 2). Im Gegensatz
dazu würde
eine Düseneinheit 23,
die ein effektiver Zerstäuber
ist, keine Tröpfchen 62 in
ausreichender Größe produzieren
und würde
daher keine agglomerierten Massen 68 mit ausreichendem
Gewicht produzieren, und eine effektive Zerstäuber-Düseneinheit
würde daher
weniger effizient sein. Somit kann die Austauschbarkeit der Düseneinheit 23 die
Größe der einzelnen
geformten Dispersionströpfchen ändern, was
dazu genutzt werden kann, um effektiv die mechanischen und physikalischen
Eigenschaften der sich ergebenden Beschichtung auf dem Zielsubstrat
zu steuern.
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Um
das Schmelzen des nano-großen
Partikel-Einsatzmaterials sicherzustellen, wird vorzugsweise ein Brennstoff
mit einer hohen Verbrennungstemperatur, zusammen mit Sauerstoff,
in die HVOF-Thermosprüh-Vorrichtung
eingespritzt. Ein bevorzugter Brennstoff mit einer ausreichend hohen
Verbrennungstemperatur ist Methylacetyl-Polypropadien (MAPP). Der
Gebrauch des Brennstoffs mit einer ausreichend hohen Verbrennungstemperatur
wird bevorzugt zur Anwendung bei Materialien mit einer Schmelztemperatur über 2400°C, wie z.B
Ceroxid, Chromoxid, Magnesiumoxid, Yttriumoxid und Zirkonoxid (siehe
Tabelle 1). Bei der Nutzung von MAPP als Brennstoff und diesen höherschmelzenden
Partikel-Einsatzmaterialien kann eine erhöhte Kühlkapazität des Thermosprühsystems
erforderlich sein. Weiterhin können
zur Aufrechterhaltung der Verbrennungstemperatur in der Brennkammer
ausreichend hohe Brenntrommeln oder Düsen aus rostfreiem Stahl gegenüber Kupfer-
oder Messingmaterial bevorzugt werden, welche oft Standard in solchen
Thermosprüh-Kanonen sind. Andere
Brennstoffe mit einer ausreichend hohen Verbrennungstemperatur werden
dem Fachmann geläufig
sein.
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4 ist
eine optische Photographie einer Aluminiumoxidbeschichtung 72,
die auf einem Kupfersubstrat 73 in Übereinstimmung mit dem offenbarten
Verfahren abgeschieden worden ist. Die Beschichtung war unter Zuhilfenahme
einer Sauerstoffzufuhr bei 400 psi, einer MAPP-Zufuhr bei 80 psi
und einer Zufuhr einer Dispersion aus flüssigem Kohlenwasserstoff (Kerosin)
und einem Partikel-Einsatzmaterial bei 50 psi abgeschieden worden.
Das Kupfersubstrat 73 wurde bei 300 U/min gedreht, und
der Stand-Off, d.h. die Distanz zwischen Kanonenlauf und dem Substrat,
betrug 3 Zoll. Der Trommeldurchmesser betrug 0,325 Zoll, und die Trommellänge betrug
6 Zoll, mit einem konisch erweiterten Ende. Die Trommel war aus
Messing hergestellt. Die Dispersionszufuhr zum Injektor umfasste
3% nano-große
Aluminiumoxid-Partikel, verteilt in Kerosin. Wie in 4 gezeigt,
ergibt sich eine minimale Rißbildung
in einer annähernd
monolithischen Struktur der Beschichtung 72.
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In 5 wurde
eine Titanoxid-Chromoxid-Beschichtung 74 mit einem Titanoxid
: Chromoxid-Verhältnis
von etwa 55 : 45 auf einem Kupfersubstrat 75 nach den hier
beschriebenen Verfahren abgeschieden. Die Sauerstoffzufuhr zum Sprühsystem
wurde bei 180 psi bereitgestellt; die MAPP-Zufuhr wurde bei 120
psi bereitgestellt, und die Kerosin-Titanoxid-Chromoxid-Dispersion
wurde dem Sprühsystem
bei 50 psi bereitgestellt. Das Kupfersubstrat 75 wurde
bei 300 U/min mit einem Stand-Off von 3 Zoll rotiert. Der Trommeldurchmesser betrug
0,5 Zoll, und die Trommellänge
betrug 6 Zoll. Die Trommel war aus rostfreiem Stahl gefertigt, und
die Sprühdauer
betrug 2 Minuten.
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6 zeigt
ebenfalls eine Titanoxid-Chromoxid-Beschichtung 76 mit
einem Titanoxid : Chromoxid-Verhältnis
von etwa 55 : 45, die auf einem Kupfersubstrat 77 nach
den hier beschriebenen Verfahren abgeschieden wurde. Die Sauerstoffzufuhr
zum Sprühsystem
wurde bei 180 psi bereitgestellt; die MAPP-Zufuhr wurde bei 120
psi bereitgestellt, und die Kerosin-Titanoxid-Chromoxid-Dispersion wurde
dem Sprühsystem
bei 50 psi bereitgestellt. Das Substrat 77 wurde bei 300
U/min mit einem Stand-Off von 3 Zoll rotiert. Der Trommeldurchmesser
betrug 0,5 Zoll, und die Trommellänge betrug 6 Zoll. Die Trommel
war aus rostfreiem Stahl gefertigt, und die Sprühdauer betrug 6 Minuten.
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Schließlich zeigt 7 ebenfalls
eine Aluminiumoxid-Titanoxid-Beschichtung 78 mit einem
Aluminiumoxid : Titanoxid-Verhältnis
von etwa 87 : 13, die auf einem Kupfersubstrat 79 nach
den hier beschriebenen Verfahren abgeschieden wurde. Die Sauerstoffzufuhr
zum Sprühsystem
wurde bei 180 psi bereitgestellt; die MAPP-Zufuhr wurde bei 120
psi bereitgestellt, und die Kerosin-Aluminiumoxid-Titanoxid-Dispersion
wurde dem Sprühsystem
bei 55 psi bereitgestellt.
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Das
Substrat 79 wurde bei 300 U/min mit einem Stand-Off von
3 Zoll rotiert. Der Trommeldurchmesser betrug 0,5 Zoll, und die
Trommellänge
betrug 6 Zoll. Die Trommel war aus rostfreiem Stahl gefertigt, und
die Sprühdauer
betrug 3,5 Minuten.
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Die
untenstehende Tabelle zeigt Messungen der Mikrohärte der verschiedenen Beispiele
für Keramikbeschichtungen
aus den 4 bis 7 dar und
auch die Mikrohärtemessungen
von Block-Aluminiumoxid, Chromoxid und Titanoxid. Drei Vickers-Eindrücke wurden
durchgeführt
für jede
der Keramikschicht-Proben; auch sind der Durchschnitt und die Standardabweichung
der Messungen aufgeführt.
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Die
Härteeigenschaften
der mit dem offenbarten System und Verfahren hergestellten Keramikbeschichtungen
erwiesen sich als interessant. Beispielsweise zeigte die Aluminiumoxid-Titanoxid-Beschichtung eine
signifikant bessere Härte
als eine HVOF-Aluminiumoxid-Beschichtung oder massives bzw. Bulk-Titanoxid.
Diese Daten geben einen möglichen
Hinweis darauf, dass die Kombination keramischer Materialien, wie Aluminiumoxid
und Titanoxid, auf dem Niveau nanometergroßer Partikel dazu führen, dass
festkörperchemische
Reaktionen in dem Thermosprühsystem
vorkommen. In diesem Fall könnte
Aluminiumoxid mit Titanoxid reagieren, um – in gewissem Umfang – die viel
härtere
Aluminium-Titanat-Struktur (Al2TiO5) in der Brennkammer des Thermosprühsystems
zu bilden, und um sich dann auf dem Substrat abzulagern. Daher könnten die beschriebenen
Systeme und Verfahren bei ordnungsgemäßer Steuerung eine Möglichkeit
zur Erlangung überlegener
Beschichtungen in einer gewerblich anwendbaren Weise bereitstellen.
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Zusätzlich wurde
die dielektrische oder Durchschlagfestigkeit der Aluminiumoxid-Beschichtung 72 aus 4 mit
etwa 250 Volt/0,001 Zoll gemessen, was vorteilhaft im Vergleich
zu Aluminiumoxid-Beschichtungen ist, die durch Plasma-Thermosprüh-Technologie
hergestellt wurden, welche eine dielektrische oder Durchschlagfestigkeit
von etwa 200 Volt/0,001 Zoll aufweisen.
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Wieder
Bezug nehmend auf 1, umfasst das Thermosprühsystem 10 vorzugsweise
eine oder mehrere Quellen für
Dispersionen 40, 42 aus flüssigem Träger und nano-großem Partikelmaterial,
deren Zufuhr von einer Systemsteuereinheit 80 gesteuert
wird. In der gezeigten Ausführungsform
ist die Systemsteuereinheit betriebsmäßig verbunden mit Steuerventilen,
Pumpen oder anderen Strömungs-Meß- und -Steuervorrichtungen 82, 84,
die jede mit Quellen für
Dispersionen 40, 42 aus flüssigem Träger und nano-großem Partikelmaterial
assoziiert sind. Durch aktive oder automatische Steuerung der Einspritzparameter,
wie Druckdifferenzen, den Strömungsraten
der verschiedenen (Flüssigkeitsträger/Nano-Partikel)-Dispersionen,
und auch den Strömungsparametern
der Luft-, Sauerstoff- und Brennstoffquellen, kann die Systemsteuereinheit 80 die
relative Zusammensetzung der Beschichtungsmaterialien, die in die
Sauerstoff-Brennstoff-Flamme 50 eingegeben werden, genau
bestimmen. Es ist angedacht, dass mit Nutzung eines solchen System-Vorgehens eine Stapelung
von Schichten oder eine Schichtabstufung erreicht und, noch wichtiger,
gesteuert werden kann, um ein breites Spektrum an aufgebrachten
Schichtungen herzustellen, die sehr spezifische physikalische und
chemische Eigenschaften aufweisen. Die physikalischen und chemischen
Eigenschaften der Beschichtung sind sowohl abhängig von der gewählten Dispersion
als auch von der Steuerung der Einspritzparameter.
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Außerdem kann
die Systemsteuereinheit 80 in der Lage sein, die Konfiguration
der Düsenvorrichtung 23 des
Thermosprühsystems 10 oder
mindestens der – teilweise – auf der
Düsenkonfiguration
basierenden Einspritzparameter zu steuern. Variable Düsenkonfigurationen
und diesen zugeordnete Betätigungsschemata können zur
gewünschten
Steuerung der Konfiguration der Düsenvorrichtung eingesetzt werden.
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Gewerbliche
Anwendung
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Wie
in den 4 bis 7 gezeigt, können Beschichtungen aus hochschmelzenden
Materialien, wie aus Aluminiumoxid (Tm =
2015°C),
Titanoxid-Chromoxid (Tm = 1825°C bzw. 2435°C) und Aluminiumoxid-Titanoxid (Tm = 2015°C
bzw. 1825°C),
auf Substrate aufgebracht werden, die zu Oxidation neigen, wie Kupfer.
Die Beschichtungen aus anderen hochschmelzenden Materialien, wie
Ceroxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Yttriumoxid und Zirkonoxid
sowie Mischungen daraus, können
ebenfalls dazu benutzt werden, Beschichtungen auf metallischen Substraten
und anderen Substraten, die zu Oxidation oder Verschmutzung neigen,
bereitzustellen. Geeignete Partikel-Einsatzmaterialien mit ausreichend kleiner
Partikelgröße von weniger
als 500 Nanometern als auch Mischungen davon sind von Nanophase
Technologies Corp. erhältlich.
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Andere
Vorteile und Merkmale der beschriebenen Systeme, Verfahren, Artikel
und Prozesse können aus
einer Betrachtung der Zeichnungen, der Beschreibung und der angefügten Ansprüche abgeleitet
werden.
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Zusammenfassung
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Es
wird ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung eines Materials
auf Substraten offenbart, welches folgendes umfasst: Bereitstellen
einer Dispersion des Schichtmaterials in einem flüssigen Träger, wobei
das Material einzelne nicht-agglomerierte Partikel mit Durchmessern
von weniger als 500 nm umfasst, Einspritzen der Dispersion in einen
Thermo-Sprühnebel
zur Formung von Tröpfchen
des flüssigen
Trägers
und der Partikel, Verbrennen der Tröpfchen des flüssigen Trägers und
der Partikel innerhalb des Thermo-Sprühnebels,
so dass die Partikel zu schmelzen beginnen, und wobei, während die
Tröpfchen
verbrennen, mindestens einige der Partikel sich zu Agglomeraten
von Partikeln innerhalb der Tröpfchen
zu formen beginnen, und Lenken der die Agglomerate von Partikeln
enthaltenden Tröpfchen
in Richtung des Substrats, um das Substrat mit den Partikeln zu
beschichten.
