DE19726764A1

DE19726764A1 - Verfahren und Anlage zum thermischen Spritzen

Info

Publication number: DE19726764A1
Application number: DE19726764A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr Ing Wuensche
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 1999-01-07

Description

Zum thermischen Spritzen gehört eine Gruppe von ausgereiften Verfahren, wie z. B. Plasmasprit zen, Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen und andere. Jedes dieser Verfahren hat seine Vor- und Nachteile und damit sinnvolle Einsatzmöglichkeiten. Das hier beschriebene Verfahren soll die oben genannten bekannten Verfahren ergänzen und Schichten aus Metallen, Keramik, Hartmetallen, Cermets und Verbundwerkstoffen in neuer Qualität gestatten.

Das Plasmaspritzverfahren eignet sich durch die hohe Prozeßtemperatur sehr gut für hoch schmelzende Werkstoffe. Die damit verbundene hohe Prozeßsicherheit ist aber mit einer Reihe von Nachteilen verbunden:

- sehr schlechter Wärmeübergang vom Plasmastrahl auf das Spritzpulver,
- Gefahr des Ausglühens und unerwünschter Gefügeumwandlungen, z. B. WC in W₂C,
- geringe Länge der Beschleunigungsdüse bzw. des Plasmastrahls,
- geringe kinetische Energie der Spritzpartikel,
- Das Spritzpulver muß sehr feinkörnig sein, damit eine ausreichende Beschleunigung und Erwärmung gewährleistet ist.

Bedingt durch diese und weitere Nachteile sind insbesondere der Haft-, Schlag- und Tempera turwechselfestigkeit der Schicht und bei bestimmten Materialien auch der Schichtdicke prinzipi elle verfahrensbedingte Grenzen gesetzt.

Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren wird die kinetische Energie der Spritzpartikel stark erhöht, so daß Haft-, Schlag- und Temperaturwechselfestigkeit der Schichten erheblich verbessert werden konnten. Nachteilig ist bei diesem Verfahren die für viele Materialien zu niedrige Prozeßtemperatur, die je nach Brenngas etwa zwischen 2700 und 3400°C liegt. Je nach Ausführung können damit nur Metalle mit mittleren Schmelztemperaturen, Hartmetalle und niedrigschmelzende oder gar keine Keramiken gespritzt werden. Die geringe Wirtschaftlichkeit des Verfahrens engt die sinnvollen Anwendungsmöglichkeiten erheblich ein.

Die Zielstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Vorteile der beiden oben genannten Verfahren zu vereinen, die Nachteile weitgehend zu vermeiden und Schichten mit erheblich verbesserter Qualität auf wirtschaftliche Weise herzustellen. Die erfindungsgemäße Anlage ist eine Ausführungsvariante dazu.

Mit diesem Verfahren sollen die herkömmlichen hochgeschwindigkeitsflammgespritzte Schich ten in gleicher bzw. verbesserter Qualität hergestellt werden. Die neuen innovativen Möglich keiten bestehen aber darin, daß auch höherschmelzende Keramik- und Metallschichten in erheb lich verbesserter Qualität als beim Plasmaspritzen hergestellt werden können. Durch die hohe kinetische Energie der Spritzpartikel werden z. B. in einer Keramikschicht hohe Druckeigen spannungen erzeugt. Dadurch verbessert sich in Verbindung mit einer höheren Haftfestigkeit insbesondere die Temperaturwechselfestigkeit, einer entscheidenden Kenngröße für Keramik schichten als Wärmeschranken an Gasturbinen. Durch eine geschickte Wahl der Prozeßparame ter können mit diesem Verfahren auch nanokristalline Keramikschichten, amorphe und nanokri stalline Metallschichten, Schichten aus monotektischen Legierungen, Dispersionslegierungen und Legierungen mit Mischungslücke mit Zusammensetzungen innerhalb der Mischungslücke hergestellt werden. Damit können erstmals großtechnisch Werkstoffe hergestellt und wirtschaft lich eingesetzt werden, die bisher nur in Labormengen oder unter Mikrogravitationsverhältnissen herstellbar waren.

Durch das nanokristalline Gefüge der Keramikschichten sollen insbesondere Schlagfestigkeit, Zugfestigkeit, Elastizität und Duktilität verbessert werden. Ein Herstellungsverfahren für mono tektische und Legierungen mit Mischungslücke ermöglicht erstmals die technische Herstellung und Nutzung völlig neuer, bisher praktisch nicht erforschter Materialien, deren Umfang in glei cher Größenordnung liegen soll wie das gesamte bisher bekannte und genutzte Werkstoffspek trum.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß in die Brennkammer ein Plasmastrahl eingeleitet wird. Dieser Plasmastrahl hat u. a. die Aufgaben, das Brennstoff-Luft-Gemisch zu zünden, dessen Verbrennung insbesondere bei stark oxydierender oder reduzierender Fahrweise zu stabilisieren und die Gastemperatur der Verbrennungsgase gezielt auf eine dem zu Spritzen den Werkstoff angepaßte Temperatur zu erhöhen.

Durch ein Düsensystem werden gasförmige bzw. flüssige Brennstoffe und Sauerstoffträger in die Brennkammer eingeleitet und in dieser verbrannt. Durch eine lange und strömungsphysikalisch optimierte Düse expandieren die Verbrennungsgase und erzeugen einen Gasstrahl mit mehrfa cher Schallgeschwindigkeit.

Mit einem oder mehreren Pulverförderern werden die Spritzpulver bzw. deren Gemische, even tuell unter Zusatz von Kurzfasern, in den Gasstrahl zugeführt und von diesem beschleunigt und erwärmt. Die Spritzpartikel werden dabei auf eine sehr hohe kinetische Energie gebracht, so daß unter Einstellung geeigneter Spritzparameter es möglich wird, so zu spritzen, daß das zu sprit zende Bauteil weit außerhalb der Flamme liegt.

Bedingt durch das Verfahrensprinzip kann eine grobe Körnung des Spritzpulvers eingesetzt wer den. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der spritzbare Partikeldurchmesser um den Faktor 8 . . . 10 gegenüber dem Plasmaspritzen erhöht. Die Partikelmasse erhöht sich dann in der dritten Potenz. Während kleine Spritzpartikel außerhalb der Beschleunigungsdüse bzw. der Flamme schnell erkalten und infolge des Luftwiderstandes an Geschwindigkeit verlieren, sind Temperatur- und Geschwindigkeitsabnahme der massiveren Partikel in etwa proportional zur Massenzunahme verlangsamt. Damit können so große Spritzabstände realisiert werden, daß die thermische Belastung des Bauteiles durch die Flamme minimiert wird. Dies wiederum ermög licht Abkühlgeschwindigkeiten in einer Größenordnung, daß in Verbindung mit einer Bauteil kühlung amorphe, nanokristalline bzw. feindisperse Schichten entstehen.

Bedingt durch die hohen Abkühlgeschwindigkeiten verringern sich die ohnehin kurzen Sinter zeiten. Dies wird durch die hohe Geschwindigkeit und kinetische Energie der Spritzpartikel kompensiert, so daß dem Sinterprozeß eine Art Reibverschweißen der Partikel überlagert wird. Beim Spritzen im Vakuum kann der Spritzabstand infolge des reduzierten Luftwiderstandes weiter erhöht werden.

Eine Verfahrensvariante sieht die weitere Aufheizung des zumindest teilweise durch den primä rem Plasmastrahl ionisierten Verbrennungsgasstrahls und der elektrisch leitenden Spritzpartikel durch ein hochfrequentes Induktionsfeld vor. Dieses wird durch eine Spule erzeugt, durch deren Achse der Gasstrahl geht. Voraussetzung hierfür ist, daß die Verbrennungsgase bereits ausrei chend ionisieit sind. Der Vorteil dieser Version besteht darin, daß damit die Leistung und damit der Abbrand der Elektroden im primären Plasmabrenner reduziert und die Beschleunigungsdü senlänge verlängert werden können.

Claims

1. Verfahren und Anlage zum thermischen Spritzen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plas mastrahl in die Brennkammer einer Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole eingeleitet wird, der zum Zünden, Stabilisieren und zusätzlichen Aufheizen der expandierenden Verbrennungsgase dient.

2. Verfahren und Anlage zum thermischen Spritzen nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gasstrahl zur Beschleunigung der Spritzpartikel durch gasförmige und/oder flüssige Brennstoffe und einem Sauerstoffträger erzeugt wird und dieser mittels einer langen Beschleunigungsdüse auf mehrfache Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird. Der Plasmastrahl heizt dabei diesen Gasstrahl auf solche Temperaturen auf, daß auch hochschmelzende Materialen ausreichend erwärmt werden können.

3. Verfahren und Anlage zum thermischen Spritzen nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Trägergase, die Intensität und die Tempe ratur des Plasmastrahles entsprechend den zu spritzenden Materialien variiert werden können.

4. Verfahren und Anlage zum thermischen Spritzen nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 1 in Kombination mit weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung des Brennstoff-Sauerstoffträger-Gemisches mittels des Plasmastrahls erfolgt und dieser ins besondere bei einer Fahrweise der Anlage mit stark oxydierenden oder reduzierenden Gemischen die Verbrennung stabilisiert.

5. Verfahren und Anlage zum thermischen Spritzen nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 1 in Kombination mit weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der teilweise ioni sierte Gasstrahl und die durch einen oder mehrere Pulverförderer injizierten Spritzparti kel und eventuell Kurzfasern beim Durchströmen einer Hochfrequenz-Induktionsspule zusätzlich erwärmt werden können.

6. Verfahren und Anlage zum thermischen Spritzen nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 1 in Kombination mit weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Schichten aus schnell erstarrten Partikeln relativ massive Spritzpartikel mit hoher kineti scher Energie auf Bauteile aufgeschleudert werden, die sich in einer Entfernung außer halb der Flamme befinden.

7. Verfahren und Anlage zum thermischen Spritzen nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 1 in Kombination mit weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Relativbewe gung zwischen Spritzstrahl und Bauteiloberfläche und/oder eine Bauteilkühlung eine unzulässige Aufheizung des Bauteiles unterbinden.

8. Verfahren und Anlage zum thermischen Spritzen nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 1 in Kombination mit weiteren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung spezieller Schichten im Vakuum gespritzt werden kann. Anlagen mit derartigen Verwen dungszwecken verfügen dazu über einen geeigneten Rezipienten.