DE112017004485T5

DE112017004485T5 - Trichter mit Mikroreaktor und Kartusche für Niedrigdruck-Kaltgasspritzen

Info

Publication number: DE112017004485T5
Application number: DE112017004485.5T
Authority: DE
Inventors: Roman Gr. Maev; Volf Leshchynsky; Emil Strumban; Dmitry Dzhurinskiy; Zygmunt Baran
Original assignee: Tessonics Inc
Current assignee: Tessonics Inc
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2019-06-19
Also published as: CA3098314A1; CA3098314C; WO2018047098A1; CN109843422A; US10300445B2; CA3032793C; US20180065100A1; GB2566906A; GB201901527D0; CA3032793A1; GB2566906B

Abstract

Es wird eine reaktive Trichteranordnung zum Beliefern eines Niedrigdruck-Kaltgasspritz-Applikators zum Aufbringen von Pulverbeschichtungen offenbart. Eine Pulverzufuhrkartusche stellt Pulverzufuhr an eine Reaktionskammer bereit. Ein Impellergehäuse ist verbunden mit der Reaktionskammer, um Pulverzufuhr zu empfangen von der Reaktionskammer zum Messen von Pulverzufuhr empfangen von der Reaktionskammer. Ein Trichtergefäß empfängt gemessene Pulverzufuhr von dem Impellergehäuse, um Pulver dem Niedrigdruck-Kaltgasspritz-Applikator bereitzustellen. Die Reaktionskammer ist fließend verbunden mit einer Quelle von einem reaktiven Gas, zum chemischen Modifizieren der Pulverzufuhr zur in situ Reduzierung von Oberflächenoxidation von der Pulverzufuhr.

Description

VORHERIGE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität für die vorläufige US-Patentanmeldung Nr. 62/384,353 , eingereicht am 7. September 2016, deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
TECHNISCHES FACHGEBIET
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen einen kompakten Trichter kombiniert mit einem Mikroreaktor für in situ Behandlung von Pulver zur Verwendung in einem Niedrigdruck-Kaltgasspritz-Verfahren mit erhöhter Auftragsrate.
HINTERGRUND
Das Auftragen von Partikeln mittels Niederdruck-Kaltgasspritz-(LPCS)-Verfahren, zum Beispiel auf Aluminium-, Stahl- und anderen Legierungsteilen, war bisher nur mit dem Auftragen von Aluminium-, Kupfer- und Nickelpartikeln möglich, die einen Größenbereich von zwischen etwa 45 bis 50 µm haben und eine niedrige Adhäsionsstärke und Auftragungswirksamkeit von etwa 12 bis 15 % bereitstellen. Das Vorhandensein einer Oxidschicht auf der Partikeloberfläche erschwert es, unter Verwendung des LPCS-Verfahrens eine Beschichtung mit hoher Adhäsion aus den Partikeln zu bilden, wohingegen das Verringern der Dicke der Oxidschicht das Auftragen einer Beschichtung mit hoher Adhäsion und erheblich verbesserter Beschichtung-Substrat Grenzflächenstruktur ermöglicht [R.Gr. Maev, V. Leshchynsky, Cold Gas Dynamic Spray, CRC Press, 2016, 340p].
Um Beschichtungen mit hoher Adhäsion mit hoher Auftragungswirksamkeit durch LPCS zu erhalten, muss die Oxidschicht maximal verändert, verringert oder von den Partikeloberflächen entfernt werden. Es gibt ein paar durchführbare Verfahren zur Reduktion des Oxidfilms, einschließlich eines mechanischen Zerlegens, Reaktions-/Plasmabearbeitung oder Wärmebehandlung der Partikel. Zum Beispiel, für Aluminiumpulver gemäß [A. Kimura et al., Reduction mechanism of surface oxide in aluminum alloy powders containing magnesium studied by x-ray photoelectron spectroscopy using synchrotron radiation, Appl. Phys. Lett. 70/26, (1997) 3615-3619], erfordert das Entfernen der Oxidschicht: (a) die Anwesenheit einer geringen Menge Mg (über 0,01 Massen-%) im Reaktionsbereich und (b) eine Aktivierungstemperatur über 773°K. Berücksichtigt man, dass die meisten Aluminiumlegierungspulver (z. B. die Al 6022-Pulver) 0,45 bis 0,70 Massen-% Mg enthalten, sind solche Pulver für die Entfernung der Oxidschicht durch thermische Verarbeitung geeignet. Allerdings kann eine einfache Entfernung
der Oxidschicht von aluminiumbasierten Legierungspulvern nicht ausreichend sein, da wieder eine natürliche Aluminiumoxidbeschichtung über den metallischen Al 6022 Pulvern, die der Umgebung ausgesetzt sind, gebildet wird. Um eine Wiederoxidation zu verhindern, kann direktes in situ Nitrieren der Al Legierungspulver verwendet werden, um den Al Oxidfilm zu zerstören und eine sehr dünne AlN Insel auf den Partikeloberflächen zu bilden [T.B. Sercombe and G.B. Schaffer, On the role of tin in the nitridation of aluminium powder, Scr. Mater. 55, (2006) 323-328].
Obwohl Darstellungen von Trichter-Mikroreaktor, der aus einem Pulverkartuschenhalter und Öffnungssystem, Reaktionsgefäß mit Mischvorrichtung und Pulverventil, Pulverzufuhr-Messscheibeneinheit besteht, durch US-Patent Nr. 4,808,042 offenbart wurde, hat sich keine als anpassbar für eine LPCS-Anwendung zur Beseitigung des Oxidfilmproblems erwiesen. Daher wäre es wünschenswert, eine Zufuhranordnung zu entwickeln, die in der Lage ist, die Probleme die mit Anordnungen im Stand der Technik verbunden sind zu lösen und dennoch Pulverzufuhr in wirtschaftlicher Weise liefern.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird eine reaktive Trichteranordnung zum Beliefern eines Niedrigdruck-Kaltgasspritz-Applikators zum Aufbringen von Pulverbeschichtungen offenbart. Eine Pulverzufuhrkartusche stellt Pulverzufuhr an eine Reaktionskammer bereit. Ein Impellergehäuse ist verbunden mit der Reaktionskammer, um Pulverzufuhr zu empfangen von der Reaktionskammer zum Messen von Pulverzufuhr empfangen von der Reaktionskammer. Ein Trichtergefäß empfängt gemessene Pulverzufuhr von dem Impellergehäuse, um Pulver dem Niedrigdruck-Kaltgasspritz-Applikator bereitzustellen. Die Reaktionskammer ist fließend verbunden mit einer Quelle von einem reaktiven Gas, zum chemischen Modifizieren der Pulverzufuhr zur in situ Reduzierung von Oberflächenoxidation von der Pulverzufuhr.
Wie oben dargelegt, umfasst die kompakte Trichter-Mikroreaktor oder reaktive Trichter Anordnung zur Pulverzuführung für Niedrigdruck-Kaltgasspritz-Verfahren eine Pulverkartusche und eine Reaktionskammer mit Mischvorrichtung und Ventil. Eine Pulver-Messscheibenvorrichtung und Pulverfluss-Stabilisation-Vibration Vorrichtung bewirken eine stabile Pulverzufuhrrate. Um die Bildung der Oxidations- und Reoxidationsschicht zu verhindern, wurde vorgeschlagen bereitzustellen eine in situ Behandlung von dem Pulver in der Reaktionskammer, was eine Modifizierung der Oberflächenstruktur der Partikel durch chemische Reaktionen bei verschiedenen Temperaturen in Stickstoff oder äquivalentem Gasstrom vor dem Auftragen ermöglicht. Wie oben dargelegt, ist die Reaktionskammer mit Pulver beladen, das vorläufig mit reaktiven Sachen gemischt ist und in einer Kartusche in einer Stickstoffatmosphäre angeordnet.
In Übereinstimmung mit der Erfindung werden die verarbeiteten Pulverpartikel mit modifizierten Oxid- oder Nitridschichten bedeckt. Die Bedeckung führt zu einer Verringerung oder sogar völliger Beseitigung von Oberflächenfilmschäden während des Auftreffens von Partikeln und führt zur Bildung von frischen Oberflächen und metallurgischer Verbindung zwischen Partikeln.
Figurenliste
Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht ersichtlich, wenn dieselbe besser verstanden wird durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung, wenn dies in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, worin:

eine Querschnittsansicht der Anordnung der vorliegenden Erfindung zeigt;
eine Querschnittsansicht von einer Pulverfluss-Stabilisation-Vibration Vorrichtung durch Abschnitt A-A von zeigt;
einen Querschnitt durch die Pulverfluss-Stabilisation-Vibration Vorrichtung durch Abschnitt B-B von zeigt; und
eine Querschnittsansicht einer Kartusche der vorliegenden Erfindung zeigt.

GELÖSTE AUFGABE
Ein erstes gelöstes Problem ist dasjenige des Bereitstellens einer Trichter-Mikroreaktor Anordnung zur in situ Verarbeitung eines Pulvers vor dem Auftragen.
Ein zweites Problem gelöst durch die Erfindung ist dasjenige des Bereitstellens eines Pulvers mit einer reduzierten Oberflächenoxidschicht für ein Niedrigdruck-Kaltgasspritz-Verfahren, welches ermöglicht, Beschichtungen mit hoher Adhäsionsstärke und Auftragungswirksamkeit zu erhalten.
Die Konstruktion der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, dass der kompakte Trichter-Mikroreaktor zusammen mit einer Kaltgasspritzpistole integriert wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
zeigt eine Querschnittsansicht einer Pulverzufuhranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen bei 100. Die Pulverzufuhranordnung 100 beinhaltet eine obere Trichteranordnung 111, die auf der Oberseite 114 einer Pulvermessvorrichtung angebracht ist, die mit einem Hauptchassis 117 der Pulvermessvorrichtung verbunden ist, die auf einem Grundgehäuse 119 installiert ist. Eine Pulverfluss-Stabilisation Vorrichtung 122 mit einem Vibrationssieb 123 ist in dem Grundgehäuse 119 installiert.
Die obere Trichteranordnung 111 beinhaltet eine hohle, im Allgemeinen zylindrische, vertikal angeordnete Pulverkartusche 101 zum Aufnehmen einer dem Mikroreaktor 104 zuzuführenden Pulvermenge. Die Kartusche 101 ist auf dem oberen Kartuschenfenster 103 des Mikroreaktors 104 mittels einer Gewindeverbindung angebracht. Ein Messer 124, das auf dem oberen Kartuschenfenster 103 mit einer Schraube 125 angebracht ist, schneidet die Papierabdeckung 102 während einer Drehung der Kartusche 101. Die Mikroreaktoranordnung 104 beinhaltet einen innerhalb des Mikroreaktors 104 angeordneten Quirl 105 zum Mischen, Bewegen und thermischen Verarbeiten von Pulver innerhalb des Mikroreaktors 104 in der erhitzten Stickstoffatmosphäre bereitgestellt durch Stickstoffquelle 106 und Heizspule 107. Das verarbeitete Pulver verlässt den Mikroreaktor 104 selektiv über das Ventil 108 durch einen Pulverschlauch 126 durch einen Rahmen 109 mit Vibrator 110, der das Ventil 108 öffnet und schließt.
Das verarbeitete Pulver wird in die Impellerkammer 127 zu einer Rührspindelanordnung 128 geleitet, die eine Spindel 112 und ein Rührelement 113 beinhaltet. Das Rührelement 113 ist am oberen Ende der Spindel 112 angebracht. Ein Drehpunkt des Rührelements 113 dient dazu, das Pulver beim Empfangen in der Impellerkammer 127 zu bewegen und zu trennen.
Ein Pulverzufuhrimpeller 116 beinhaltet einen äußeren Umfang beinhaltend eine Vielzahl von Zähnen 129, die eine Vielzahl von Aussparungen 130 definieren. Das untere Ende eines Pulvermess-Vorrichtungsgehäuses 114 weist einen inneren Einsatz 115 auf, der die obere Oberfläche des Impellers 116 berührt. Wenn sich der Pulverzufuhrimpeller 116 dreht aufgrund der Drehung der Hauptantriebswelle 121, bewegt sich jeder der Impellerzähne unter den inneren Einsatz 115 und in den Bereich des Hohlraums angeordnet in dem Hauptchassis 117. Ein Hohlraum 125 in dem Hauptchassis 117 erstreckt sich von der oberen Oberfläche des Hauptchassis 117 durch die Unterseite des Chassis 117 und in das Grundgehäuse 119.
Wie in gezeigt ist, ein Hohlraum 125 in dem Chassis 117 läuft in seinem Querschnittsbereich mit der Impelleraussparung 130 spitz zusammen, zum Empfangen von Pulvermaterial. Daher fällt das derart bewegte und entklumpte Pulver auf den Pulverzufuhrimpeller 116, wo es in die Aussparungen 130 zwischen den Zähnen 129 fällt. Ein Einsatz 115 steuert die Pulvermenge, die durch eine Aussparung 130 in den Hohlraum 125 gelangen kann, durch Abkratzen von überschüssigem Pulver von dem Pulverzufuhrimpeller 116. Wenn sich der Pulverzufuhrimpeller 116 dreht, kratzen seine Zähne 129 und Aussparungen 130 unter dem inneren Einsatz 115 überschüssiges Pulver von den Aussparungen 130. Daher kann eine kontrollierte Menge des Pulvers innerhalb jeder Aussparung 130 bis zu einer Höhe verbleiben, die ungefähr der Dicke des Pulverzufuhrimpellers 116 entspricht. Die kontrollierte Pulvermenge fällt durch den durch Hohlraum 125, der durch das Chassis 117 definiert ist. Daher gibt die Aktion des Pulverzufuhrimpellers 116 eine kontrollierte Pulvermenge ab, durch den Hohlraum 125 in dem Chassis 117, wobei die Lieferrate einer solchen kontrollierten Menge bestimmt ist durch die Drehgeschwindigkeit der Primärantriebswelle 121 und Elektromotors 120, der den Pulverzufuhrimpeller 116 dreht.
Zuführen kontrollierter Pulvermengen mit Pulvermessvorrichtung durch das Chassis kann Pulveransammlungen führen aufgrund seiner geringen Partikelgröße (zwischen etwa 15 und 50 µm). Das Ansammeln kann den gleichmäßigen Pulverstrom durch die Pulverzufuhrpassage 212 ( ) in Richtung der Niedrigdruck-Kaltsgasspritzpistole (nicht gezeigt) hemmen. Wie in gezeigt ist, ist eine Pulverfluss-Stabilisation-Vibration Vorrichtung 122 in dem Basisgehäuse 119 installiert und beinhaltet ein Drahtgeflecht 123.
Die detailliertere Ansicht der Pulverfluss-Stabilisation-Vibration Vorrichtung 122 ist in gezeigt, die den Querschnitt A-A von darstellt, sowie in , die den Querschnitt B-B von darstellt. Die Vibrationsvorrichtung 122 beinhaltet ein Trichtergefäß 202, das innerhalb des Basisgehäuses 201 angebracht ist. Ein Hauptgittersieb 203 ist auf einer Vibrationsplatte 204 angebracht, die das Trichtergefäß 202 durchdringt und Vibrationsbewegung von Vibrationseinheit 205 empfängt. Die Vibrationseinheit 205 wird von einem pneumatischen Vibrator 206 angetrieben, der auf einem Tisch 208 angebracht ist, der mit dem Grundgehäuse 201 verbunden ist.
Ein zweites Maschensieb 209 ist mit einer gegenüberliegenden Seite des Trichtergefäßes 202 verbunden als das Hauptmaschensieb 203. Daher vibrieren das Hauptmaschensieb 203 und das zweite Maschensieb 209 mit der gleichen Frequenz. Das Trichtergefäß 202 definiert Löcher 211, durch welche Luft gesogen wird aufgrund von Unterdruck in dem Pulverkanal 212, wenn die Niedrigdruck-Kaltsgasspritzpistole aktiviert ist. Die Löcher 211 verhindern, dass der Unterdruck über die Impellerkammer 127 in die Reaktionskammer 104 weitergegeben wird. Nach dem Durchlaufen der Siebe 203, 209 wird das Pulver in bekannter Weise durch Luftstrom durch Pulverpassage 212 in Richtung der Spritzpistole gesogen.
Eine kontrollierte Menge Pulver fällt auf das Hauptmaschensieb 203 und Pulverklumpen werden durch die Siebvibration zerlegt. Einige der kleinen Klumpen, die das Hauptsieb 203 passieren, werden anschließend durch das zweite Sieb 209 entklumpt. Eine Pulverrille 213 und eine Schüssel 214 sind zum Abtransport derjenigen Partikelklumpen angebracht, die durch das Hauptmaschensieb 203 nicht passieren. Die Partikelklumpen, die durch das Hauptmaschensieb 203 nicht passieren, werden durch die Pulverrille 213 in die Schüssel 214 geleitet.
zeigt eine Querschnittsansicht der Pulverkartusche 300. Die Pulverkartusche 300 beinhaltet den Kartuschenbehälter 301, in dem eine Menge Pulvermaterial durch Papier oder eine entsprechende Abdeckung 301 hermetisch abgedichtet ist. Wie oben dargelegt, ist die Kartusche 300 in einer Stickstoff-Umgebung oder einer äquivalenten gasförmigen Umgebung abgedichtet, um die Oxidation auf der Oberfläche der Partikel angeordnet in der Kartusche 300 zu reduzieren. Ein Kartuschenbecher 303 empfängt ein Ende des Kartuschenbehälters 301, das mittels eines Gewindes oder einer gleichwertigen Verbindung hermetisch abgedichtet ist. Eine O-Ring-Dichtung 304 umläuft den Kartuschenbecher 303, um den Kartuschenbecherhalter 303 abzudichten, und daher auch den Kartuschenbehälter 301, wenn er mit der Kartusche-Trichterfenster Schnittstelle verschraubt ist.
Wie oben dargelegt, ist der Kartuschenbecher 303 mittels eines Gewindes an dem oberen Kartuschenfenster 103 angebracht. Während dem Anbringen schneidet das Messer 124 die Papierabdeckung 301, bricht die hermetische Abdichtung und ermöglicht dem Pulver in die Mikroreaktorkammer 104 zum Mischen, Bewegen und thermischen Verarbeiten freigegeben zu werden. Bei dem Freigeben wird erhitzter Stickstoff oder ein äquivalentes Gas durch die Stickstoffquelle 106 in die Kammer 104 eingeleitet. Da die Kammer 104 abgedichtet ist, besteht nur wenig Gelegenheit für die Oxidation des Pulvermaterials.
Die Erfindung wurde auf veranschaulichende Weise beschrieben, und es versteht sich, dass die verwendete Begrifflichkeit verwendet wurde hinsichtlich der Beschreibung durch die Worte und nicht zur Beschränkung. Offensichtlich sind viele Veränderungen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Lichte der obigen Lehren möglich. Es versteht sich daher, dass innerhalb der Beschreibung die Bezugszeichen lediglich der Bequemlichkeit dienen und in keiner Weise einschränkend sein sollen, und dass die Erfindung auch anders als hier beispielhaft beschrieben ausgeführt werden kann. Daher kann die Erfindung auch auf andere Art und Weise ausgeführt werden, als ausdrücklich beschrieben, im Rahmen des Schutzbereichs der beabsichtigten Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62384353 [0001]
US 4808042 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

T.B. Sercombe and G.B. Schaffer, On the role of tin in the nitridation of aluminium powder, Scr. Mater. 55, (2006) 323-328 [0005]

Claims

Eine reaktive Trichteranordnung zum Beliefern eines Niedrigdruck-Kaltgasspritz-Applikators zum Aufbringen von Pulverbeschichtungen, aufweisend: eine Pulverzufuhrkartusche zum Bereitstellen von Pulverzufuhr; eine Reaktionskammer zum Empfangen von Pulverzufuhr von der Pulverzufuhrkartusche; ein Impellergehäuse verbunden mit der Reaktionskammer zum Empfangen von Pulverzufuhr von der Reaktionskammer zum Messen der Pulverzufuhr empfangen von der Reaktionskammer; ein Trichtergefäß, das gemessene Pulverzufuhr von dem Impellergehäuse empfängt zum Bereitstellen von Pulver an den Niedrigdruck-Kaltgasspritz-Applikator; und die Reaktionskammer fließend verbunden ist mit einer Quelle von einem reaktiven Gas zum chemischen Modifizieren der Pulverzufuhr, dadurch in situ reduzierend Oberflächenoxidation von der Pulverzufuhr.
Die Anordnung aus Anspruch 1, wobei die Reaktionskammer beinhaltet eine Stickstoff-reiche Umgebung über die Quelle von reaktivem Gas.
Die Anordnung aus Anspruch 1, wobei die Quelle von reaktivem Gas beinhaltet eine Heizspirale zum Erhitzen des reaktiven Gases.
Die Anordnung aus Anspruch 1, wobei die Pulverkartusche beinhaltet eine Abdeckung zum Abdichten der Pulverkartusche und die Reaktionskammer beinhaltet ein Messer zum Einstechen der Abdeckung während dem Zusammenbringen der Pulverkartusche mit der Reaktionskammer, dadurch freigebend die Pulverzufuhr in die Reaktionskammer.
Die Anordnung aus Anspruch 1, wobei die Reaktionskammer beinhaltet einen Quirl zum Mischen des Pulvers empfangen von der Pulverkartusche mit dem reaktiven Gas empfangen von der Quelle von reaktivem Gas.
Die Anordnung aus Anspruch 1, wobei das Impellergehäuse beinhaltet ein Rührelement zum Rühren von Pulverzufuhr empfangen von der Reaktionskammer.
Die Anordnung aus Anspruch 1, wobei das Impellergehäuse beinhaltet einen Pulverzufuhrimpeller zum Messen von Pulverzufuhr geliefert an das Trichtergefäß von dem Impellergehäuse.
Die Anordnung aus Anspruch 7, wobei der Impeller beinhaltet radial nach außen gerichtete Zähne, die Aussparungen dazwischen definieren, zum Sammeln von Pulverzufuhr geliefert an das Trichtergefäß.
Die Anordnung aus Anspruch 1, wobei die Reaktionskammer beinhaltet ein Reaktionsventil zum selektiven Freigeben von Pulverzufuhr von der Reaktionskammer zu dem Impellergehäuse.
Die Anordnung aus Anspruch 1, wobei die Reaktionskammer verflüssigt ist durch das reaktive Gas und das reaktive Gas weist Stickstoff auf.
Die Anordnung aus Anspruch 1, wobei das Rührelement angeordnet in der Impellerkammer beinhaltet einen Verteilungskegel, der koaxial zu dem Rührelement ist, zum Verteilen von Pulverzufuhr angeordnet in der Impellerkammer.
Die Anordnung aus Anspruch 1, wobei das Pulver angeordnet in der Pulverkartusche abdichtend eingeschlossen ist mit wenigstens einem aus Stickstoff, Argon oder einem gleichwertigen Gas.