DE19540587A1 - Plasmabrenner - Google Patents
PlasmabrennerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Plasmaspritzgerät zum Versprühen
von Material nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zum Versprühen von z. B. pulverförmigen Material in
schmelzflüssigem Zustand sind Plasmaspritzgeräte in Gebrauch,
welche mit einem indirekten Plasmatron arbeiten, d. h. einen
Plasmaerzeuger mit einem aus einer Düse aus strömenden
elektrisch nicht stromführenden Plasmastrahl. In der Regel
wird das Plasma durch einen Lichtbogen erzeugt und durch
einen Plasmakanal zu einer Austrittsmündung geleitet, wobei
man zwischen Geräten mit Kurzlichtbogen und solchen mit
Langlichtbogen unterscheidet.
Bei Geräten mit Kurzlichtbogen, die in der Regel mit einem
radial angeordneten Injektor versehen sind, hat sich gezeigt,
daß bei verschiedensten Materialien eine nur unzulängliche
Aufschmelzung des zu versprühenden Pulvers stattfindet.
Insbesondere wirkt sich auch das seitlich einströmende für
den Pulvertransport nötige Trägergas nachteilig aus, da
sogenannte Kurzlichtbögen vergleichsweise instabil brennen.
Zur Verbesserung der Aufschmelzung des zu versprühenden
Pulvers wurden daher in der Vergangenheit Plasmabrenner mit
sogenannten Langlichtbögen entwickelt. Ein solcher
Langlichtbogen bietet den Vorteil, daß er erheblich stabiler
brennt, als ein vorbeschriebener Kurzlichtbogen. Solche
Plasmabrenner weisen einen Plasmakanal ausgehend von einer
Kathode auf, wobei mehrere elektrisch untereinander isolierte
Neutroden im Verlauf des Plasmakanals zur Anode hin
angeordnet sind. Der Injektor ist hierbei axial ausgerichtet,
so daß das Pulver unmittelbar ins Innere des Plasmakanals
eingesprüht wird und über eine größere Wegstrecke mit dem
Plasma in Berührung kommt. Hierdurch wird es weitestgehend
aufgeschmolzen, bevor es aus der anodenseitigen Mündung des
Plasmakanals austritt.
Ein derartiges Plasmaspritzgerät ist beispielsweise in der DE
41 05 408 beschrieben. In dieser besonderen Ausführungsform
ist zusätzlich eine besondere Formgebung des Plasmakanals
angegeben, die dafür sorgt, daß das Plasma im Innern des
Plasmakanals in gewisser Weise konzentriert ist. Dies führt
dazu, daß ein höherer Energieanteil auf das Pulvermaterial
übertragbar ist, während der Energieanteil, der über die
Wandkühlung des Plasmakanals abzuführen ist, erniedrigt ist.
Derartige Plasmaspritzgeräte sind von Vorteil, wenn es darum
geht, ein möglichst vollständig aufgeschmolzenes
Spritzmaterial zu erhalten.
Die vorbeschriebene Anordnung wirkt sich jedoch nicht bei
allen Anwendungsfällen positiv aus. Soll beispielsweise eine
poröse Beschichtung auf einem Substrat aufgetragen werden, so
ist dies mit einer vollständigen Aufschmelzung des
pulverförmigen Spritzmaterials nicht möglich. Es bedarf hier
eines Spritzgeräts, das zumindest die Möglichkeit bietet, das
Spritzpulver nur kurzzeitig zu erhitzen und somit nicht
vollständig, sondern allenfalls teilweise aufzuschmelzen.
Dabei muß dennoch ein möglichst gleichbleibender
Aufschmelzungsgrad des Pulvers gewährleistet werden, um eine
dauerhaft gleichbleibende Schichtqualität zu erhalten.
Außerdem hat sich gezeigt, daß durch eine Verringerung des
Gasdurchsatzes der Aufbau einer porösen Schicht begünstigt
wird. Dies wiederum führt bei einem Plasmabrenner der
beschriebenen Art aufgrund der erniedrigten
Strömungsgeschwindigkeiten zu einer noch längeren
Verweildauer des Spritzpulvers in dem Plasma, was wie oben
angegeben von Nachteil ist. Zudem wird die Gefahr, daß der
Brenner verstopft durch einen niedrigeren Gasdurchsatz
erhöht.
Die oben genannten Geräte mit Kurzlichtbogen sind zwar in der
Lage, Spritzmaterial nur kurzzeitig zu erhitzen und
anzuschmelzen, weisen jedoch ihrerseits den Nachteil auf, daß
durch instabiles Brennverhalten die Qualität der porös
aufgetragenen Beschichtung erheblichen Schwankungen
unterliegt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von einem
Plasmaspritzgerät der einleitend genannten Art, eine
Anordnung vorzuschlagen, mittels der insbesondere auch eine
poröse Beschichtung auf einem Substrat herzustellen ist. Die
bislang auftretenden Qualitätsschwankungen sollen hierbei
weitgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind
vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung
möglich.
Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßes
Spritzgerät dadurch aus, daß zum einen ein Langlichtbogen der
eingangs beschriebenen Art vorgesehen ist, jedoch der
Injektor so angeordnet ist, daß der Injektionskanal mit einer
seitlich im Plasmakanal angebrachten Injektionsöffnung
versehen ist.
Je nach dem, wo der Injektionskanal längs des Plasmakanals
angeordnet ist, wird die Verweildauer des Spritzpulvers im
Plasma entsprechend größer oder kleiner sein.
Insbesondere ist es durch die seitliche Anordnung des
Injektors möglich, diesen im Bereich der Mündung des
Plasmakanals, d. h. in der Nähe des Austritts des Plasmastroms
aus der Anode anzubringen. Hierdurch sind auch so niedrige
Energieüberträge zwischen Plasma und Spritzpulver möglich,
wie dies für das Auftragen bestimmter poröser Schichten
notwendig ist. Insbesondere kann auch der Gasdurchsatz des
für das plasmaverwendeten Gases herabgesetzt werden, ohne daß
das Plasmaspritzgerät verstopft, wie dies bei einem axial
angeordnetem Injektor häufig der Fall ist. Das Herabsetzen
des Gasdurchsatzes wiederum begünstigt den Aufbau einer
porösen Beschichtung. Durch die Verwendung eines
Langlichtbogens liegt ein Plasmastrahl mit einer hohen
Stabilität und somit weitgehend konstanter Energieverteilung
vor. Hierdurch ist es möglich, poröse Schichten mit
weitgehend gleichbleibender Qualität zu erzeugen, die
beispielsweise als keramische Schutzschicht für Lambda-Sonden
verwendbar sind.
Vorzugsweise wird der Injektionskanal in die Anode
eingeformt. Dies hat den Vorteil, daß zum einen der Injektor
weitestmöglichst an der Mündung des Plasmakanals angeordnet
ist, zum anderen jedoch keine zusätzliche Kühlung für ein
separates Injektionsrohr oder dergleichen vorgesehen werden
muß.
In einer besonderen Ausführungsform wird die Anode und/oder
wenigstens eine Neutrode ringförmig ausgebildet. Dies hat
sich bei bekannten Plasmaspritzgeräten zur Erzeugung eines
stabilen Langlichtbogens und einer gleichmäßigen
Plasmaströmung bewährt. Außerdem bieten ringförmige
Bauelemente fertigungstechnische Vorteile.
Vorzugsweise wird der Injektionskanal des Injektors radial
angeordnet. Dadurch wird das Spritzpulver ins Zentrum des
Plasmakanals eingespritzt. Je nach Anwendungsfall ist es
jedoch möglich, den Injektionskanal auch so auszurichten, daß
eine zusätzliche axiale und/oder tangentiale Komponente in
der Ausrichtung des Injektionskanals wenigstens im Bereich
der Injektionsöffnung vorliegt. Durch eine besondere
Anpassung des Injektionskanals kann gezielt eine ganz
bestimmte Region innerhalb des Plasmakanals mit dem
Spritzmaterial erreicht werden.
Vorteilhafterweise werden zwei oder mehrere Injektoren
vorgesehen. Dies bieten den Vorteil, daß verschiedene
Regionen innerhalb des Plasmakanals mit Spritzmaterial
erreichbar sind. Innerhalb des Plasmas im Plasmakanal sind
regelmäßig verschiedene Zonen unterschiedlicher
Energiedichte, Strömungsgeschwindigkeiten etc. gegeben. Durch
das gezielte Anfahren verschiedener Regionen innerhalb des
Plasmas mittels mehrerer Injektoren kann so unter Umständen
die Qualität einer aufzutragenden Schicht, insbesondere einer
porösen Schicht beeinflußt werden. Durch die Wahl mehrerer
Injektionskanäle ist zudem der maximale Durchsatz an
Spritzmaterial deutlich erhöht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform
werden die Injektoren so ausgestaltet, daß wahlweise einer
oder mehrere Injektoren nutzbar sind. Je nach Bedarf können
somit einzelne Injektoren zugeschaltet werden, womit zum
einen die Qualität, d. h. der Aufschmelzungszustand, und zum
anderen die Menge des versprühten Spritzmaterials verändert
werden kann. Vorzugsweise wird diese Ausführungsform so
ausgebildet, daß die Zufuhr eines oder mehrerer Injektoren
mit Spritzmaterial variabel gesteuert werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden zwei
oder mehrerer Kathoden eingesetzt. Diese Kathoden, die
beispielsweise in Form von Stabkathoden vorliegen können,
sind in der Lage, jeweils einen Lichtbogen zu erzeugen. Diese
Lichtbögen, die gegebenenfalls teilweise miteinander
verschmelzen, ergeben insbesondere im Bereich der Anode eine
größere Homogenität der Energiedichteverteilung. Bei der
Verwendung mehrerer solcher Kathoden kann demnach das
Spritzmaterial bei gleichbleibender Qualität der
Aufschmelzung in größere Zonen innerhalb des Plasmas
eingespritzt werden. Nicht zuletzt ist dadurch auch ein
höherer Materialdurchsatz möglich.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, die Anordnung der
Injektoren auf die Anordnung der Kathoden bzw. umgekehrt
abzustimmen. Durch die Geometrie der Kathodenanordnung ergibt
sich eine entsprechende Geometrie des Verlaufs der daraus
entstehenden Lichtbögen und somit auch eine dadurch
heraus gebildete Struktur der Energiedichte im Plasma im
Bereich der Anode. In einer besonderen Ausführungsform hat es
sich gezeigt, daß, beispielsweise bei drei unter einem Winkel
von jeweils 120° angeordneten Kathoden, drei Lichtbögen
schraubenartig verwunden im Plasmakanal verlaufen und an der
inneren Umfangskante der Ringanode enden. Bei diesem Verlauf
ergibt sich dementsprechend eine in etwa symmetrisch unter
ca. 120° jeweils auftretende Symmetrie der Energieverteilung
im Bereich der Anode. Dementsprechend empfiehlt es sich, die
Injektoren ebenfalls unter entsprechenden Winkeln entlang dem
Umfang der Anode radial so anzuordnen, daß jeweils ein
Lichtbogen optimal genutzt wird. Die Anordnung bewirkt jedoch
auch, daß das Zentrum des Plasmas homogener bezüglich der
Energiedichte wird, da die entsprechenden, jedem Lichtbogen
kreissegmentartig zuzuordnenden Zonen in ihren Randbereichen
überlappen.
Vorzugsweise wird in der Nähe der Kathode bzw. der Kathoden
der Plasmakanal mit einer Verjüngung versehen. Eine solche
Verjüngung bewirkt, wie eingangs erläutert, eine gewisse
Konzentration des Plasmas im Zentrum des Plasmakanals,
wodurch der Wärmeeintrag in die Wandung des Plasmakanals
vermindert wird und somit bei einer Steigerung des
Wirkungsgrades ein geringerer Aufwand bei der Kühlung
erforderlich ist.
Vorteilhafterweise kann bei einem durch die genannten
Maßnahmen äußerst stabil brennenden Langlichtbogen reines
Argon als Plasmagas verwendet werden. Auch dies hat sich
insbesondere bei der Fertigung von porösen keramischen
Schutzschichten für Lambda-Sonden als vorteilhaft erwiesen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird anhand der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
Im einzelnen zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Plasmaspritzvorrichtung und
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Ringanode mit drei
Injektoren.
Der Mehrkathodenplasmabrenner 1 umfaßt eine Ringanode 2, die
am Ende eines Plasmakanals 3 angeordnet ist. Der Plasmakanal
3 wird durch vier hintereinander angeordnete Neutroden 4, 5,
6, 7 gebildet. Die Neutroden 4, 5, 6, 7 sind untereinander
und gegenüber der Anode 2 durch Isolationsteile 8 elektrisch
isoliert. Die Neutroden 4 bis 7 befinden sich innerhalb eines
Neutrodenträgers 9 aus Isoliermaterial, an den sich ein
Anodenträger 10 anschließt. Die beschriebene Anordnung wird
durch drei Metallhülsen 11, 12, 13 zusammengehalten, die
untereinander über nicht näher dargestellte
Verbindungselemente miteinander verbunden sind. Die Hülse 11
ist zusätzlich an einem Kathodenträger 14 befestigt, z. B.
verschraubt. Am Kathodenträger 14 sind drei Stabkathoden 15
befestigt, die an ihrer zum Plasmakanal 3 hinweisenden Seite
einen Isolierkörper 16 durchsetzen. (Es ist in Fig. 1 nur
eine der Kathoden 15 vollständig und eine weitere mit ihrem
Kathodenstift 17′ dargestellt, da es sich um eine
Schnittzeichnung handelt.) An ihrem in den Plasmakanal 3
hineinragenden Ende umfassen die Stabkathoden 15,
Kathodenstifte 17, 17′, die aus einem elektrisch und
thermisch besonders gut leitenden und zudem hochschmelzenden
Material, z. B. thoriertem Wolfram bestehen. Im Innern der
Stabkathoden 15 sind Hohlräume 18 für eine Wasserkühlung 19
vorgesehen.
Die Wasserkühlung 19 durchläuft in mehreren Ringbohrungen 20,
21, 22 den Kathodenträger 14. Ein Wassereingang 23 sowie ein
Wasserausgang 24 stehen zur Wasserzufuhr bzw. zur
Wasserabfuhr über nicht näher dargestellte Zwischenleitungen
mit den Ringbohrungen 20 bis 22 in Verbindung. Die Anode 2
sowie die Neutroden 4 bis 7 werden ebenfalls mittels
Wasserkühlung gekühlt, wofür entsprechende Durchlässe 25, 26
im Neutrodenträger 9 bzw. im Anodenträger 10 vorgesehen sind.
Zwischen dem Neutrodenträger 9 und den Neutroden 4 bis 7
besteht ebenfalls ein Hohlraum, durch den das Kühlwasser
fließen kann.
Die Anode 2 weist, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich
ist, im Bereich ihrer Mündungsöffnung 38 drei Injektoren 28,
29, 30 mit Injektionsöffnungen 28′, 29′, 30′ auf. Diese sind
in einen Anschlußteil 31 zur Verbindung mit einer
Einspritzleitung sowie eine Injektionsbohrung 32 aufgeteilt.
Über einen Gasdurchgang 33 kann durch einen Ringspalt 34 Gas
ins Innere des Plasmakanals 3 eingelassen werden. Der
Ringspalt 34 geht an seiner äußeren Wandung in eine
Querschnittsverjüngung 35 der kathodenseitigen Neutrode 7
über.
Zum Betrieb wird zunächst ein Plasmagas beispielsweise Argon
über den Gaseinlaß 33 und den Ringspalt 34 in den Plasmakanal
3 eingelassen. Er wird durch die kontinuierliche
Querschnittsverjüngung 35 der kathodenseitigen Neutrode 7
nach innen umgelenkt und in gewissem Maße eingeschnürt.
Jeweils ein Lichtbogen, wie durch die Linie 36 dargestellt
ist, kann nun über das Anlegen einer entsprechenden Spannung
zwischen den Kathodenstiften 17 und der kathodenseitigen
Neutrode 7 auf kurze Distanz gezündet werden. Durch
Fortschaltung der Spannung entlang den Neutroden 6, 5, 4 kann
dieser Lichtbogen 36 schließlich bis zur Anode 2 aufgezogen
werden. Er brennt in dieser Anordnung anschließend stabil
zwischen der Kathode 17 und der Anode 2. Er trifft hierbei
auf die Anode im Bereich der ins Innere des Plasmakanals
hingewandten Innenkante 37 auf. Das durch den brennenden
Lichtbogen 36 gebildete Plasma strömt, durch die
Querschnittsverjüngung 35 in der Nähe der Achse des
Plasmabrenners 1 mit erhöhter Dichte konzentriert durch den
Plasmakanal 3 und tritt durch die Mündung 38 aus der
Ringanode 2 aus. Durch die in unmittelbarer Nähe der Mündung
38 befindlichen Injektoren 28 bis 30 wird das aufzutragende
Material in Pulverform injiziert. Es wird im heißen Plasma
aufgeschmolzen und im Plasmastrom aus der Mündung 38
herausgetragen, bis es auf einem nicht näher dargestellten
Substrat auftritt.
Es hat sich gezeigt, daß die Lichtbögen 36, ausgehend von
jeder Kathode 17 leicht spiralförmig verwunden im Innern des
Plasmakanals 3 brennen. Entsprechend dem Verlauf der
Lichtbögen 36 stellt sich die Energiedichte im Innern des
durchströmenden Plasmas ein. Falls wie vorliegend, drei
Kathoden 17 unter einem Winkel von jeweils 120°
gleichverteilt um die Achse des Plasmakanals 3 liegen, so
stellt sich am Ende des Plasmakanals 3 im Innern der Anode 2
eine dementsprechende Verteilung der Energiedichte ein. Bei
drei um die Achse des Plasmabrenners gleich verteilten
Kathoden ergeben sich grob vereinfachend ausgedrückt drei in
Fig. 2 durch gestrichelte Linien angedeutete Segmente
innerhalb der ringförmigen Anode 2, die jeweils eine Zone
erhöhter Energiedichte aufweisen. Da die tatsächlich den
jeweiligen Lichtbögen 36 zuzuordnenden Zonen nicht scharf
gegeneinander abgetrennt sind, sondern einander überlappen,
ergibt sich jedoch auch insgesamt eine homogenere
Energiedichteverteilung im Innern der Anode über einen
großflächigeren Bereich, als wenn lediglich eine Kathode mit
einem Lichtbogen verwendet wird.
Die Injektoren 28, 29, 30 werden so angeordnet, daß sie ins
Zentrum der genannten Segmente weisen. Es hat sich bewährt,
die in der gleichen Winkelanordnung wie die Kathoden 17
angebrachten Injektoren 28, 29, 30 gegenüber der
Kathodenanordnung soweit zu verdrehen, wie es dem
Verwindungsgrad der Lichtbögen 36 entspricht.
Ein Plasmabrenner 1 der vorbeschriebenen Art hat sich-bewährt
bei der Fertigung von Lambda-Sonden-Keramiken, die eine
Schutzschicht (Spinellschicht) mit gleichmäßiger Porosität
aufweisen sollen. Zur Einsparung des für die
Schichtherstellung notwendigen Spinellpulvers wird
gegebenenfalls nur einer der drei Injektoren 28, 29, 30
verwendet.
Ein erfindungsgemäßer Brenner reagiert bei einem Eingreifen,
z. B. der Erhöhung der Leistung, Veränderung der
Pulverdosierung, etc., definiert. Man kann somit eine
bestimmte gewünschte Porösität einer Spinellschicht erzeugen.
Außerdem brennt ein derartiger Brenner konstanter über einen
längeren Zeitraum. Es läßt sich über längere Zeit somit eine
gleichbleibende Schichtqualität ohne externe Regelung
herstellen.
Dieses Ergebnis ist auf eine sehr stabile Plasmaflamme mit
stabiler Plasmaspannung zurückzuführen. Diese stabile
Plasmaspannung ist einerseits auf den Betrieb mit Argongas
zurückzuführen, andererseits liegt die Stabilität der
Spannung darin, daß der Fußpunkt des Langlichtbogens axial
nicht oder nur unwesentlich beweglich ist. Diese axiale
Fixierung des Lichtbogenfußpunktes wird durch die Verwendung
eines Langlichtbogens in einem Plasmakanal 3 mit
gegeneinander isolierten Neutrodenringen erreicht. Die
Porösität der Spinellschicht wird hierbei dadurch
gewährleistet, daß das Spinellpulver nur kurze Zeit im Plasma
auf- oder angeschmolzen wird, was wiederum auf die radiale
Einspritzung in der Nähe der Mündung 38 des Plasmakanals
zurückzuführen ist. Gleichzeitig wird durch diese Anordnung
eine Reduzierung des Gasdurchsatzes ohne Verstopfung des
Plasmabrenners 1 möglich.
Claims (12)
1. Plasmaspritzgerät zum Versprühen von Material,
insbesondere von pulverförmigem Material, mit einem
Plasmatron zur Erzeugung eines Langlichtbogens, das
wenigstens eine Kathoden eine Anode und mindestens einen
Injektionskanal für das zu versprühende Material mit
mindestens einer Injektionsöffnung in einen Plasmakanal
umfaßt, wobei der Plasmakanal ausgehend von der Kathode mit
einer Mündung für den Austritt des Plasmas an der Anode
gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der
Injektionskanal (28, 29, 30) mit seiner Injektionsöffnung
(28′, 29′, 30′) seitlich in den Plasmakanal eintritt.
2. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Injektionsöffnung (28′, 29′, 30′) im
Bereich der Mündung (38) des Plasmakanals (3) liegt.
3. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionskanal (28, 29, 30)
in die Anode (2) eingeformt ist.
4. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2) und/oder wenigstens
eine Neutrode (4, 5, 6, 7) ringförmig ausgebildet sind.
5. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Injektionskanal (28, 29, 30) radial
in der ringförmigen Anode (2) angeordnet ist.
6. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionskanal (28, 29, 30)
axiale und/oder tangentiale Richtungskomponenten aufweist.
7. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise ein oder mehrere
Injektionskanäle (28, 29, 30) nutzbar sind.
8. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Kathoden (17,
17′) vorhanden sind.
9. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die räumliche Anordnung der
Injektionskanäle (28, 29, 30) an die räumliche Anordnung der
Kathoden (17, 17′) angepaßt sind.
10. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Verjüngung (35) des
Plasmakanals (3) in der Nähe der Kathode (15) vorhanden ist.
11. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas Argon vorgesehen
ist.
12. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit Hilfe
eines Plasmaspritzgeräts, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Plasmaspritzgerät (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche
verwendet wird.
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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