DE19747384A1

DE19747384A1 - Herstellung von Verbundkörpern

Info

Publication number: DE19747384A1
Application number: DE19747384A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Heinrich; Heinrich Prof Dr Ing Kreye
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde Gas AG
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 1999-04-29
Also published as: EP0911424B1; DE59811831D1; EP0911424A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern.

Verbundkörper gewinnen in der Industrie zunehmend an Bedeutung. Insbesondere sind dabei Verbundkörper aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften inter essant. Gerade bei diesen Verbundkörpern können die Materialeigenschaften mit Ge winn ergänzt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aufzuzeigen, welches eine einfache Art und Weise der Her stellung ermöglicht und/oder welches wesentlich dazu beiträgt, die Qualität und die Eigenschaften von Verbundkörpern zu verbessern und damit ihren Einsatzbereich erweitert.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Grundkörper eines Werkstoffes durch thermisches Spritzen beschichtet wird, wobei ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff mittels eines Gases auf die zu beschichtende Oberfläche des Grundkörpers geleitet wird.

Das thermische Spritzen zum Beschichten kennt als Verfahrensvarianten das auto gene Flammspritzen oder das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das Lichtbogen spritzen, das Plasmaspritzen, das Detonationsspritzen und das Laserspritzen.

Thermische Spritzverfahren werden in allgemeiner Form beispielsweise in

- Übersicht und Einführung in das "Thermische Spritzen", Peter Heinrich Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 52/1982, Seiten 29 bis 37,

oder

- Thermisches Spritzen - Fakten und Stand der Technik, Peter Heinrich, Jahrbuch Oberflächentechnik 1992, Band 48, 1991, Seiten 304 bis 327, Metall-Verlag GmbH,

beschrieben.

Thermische Spritzverfahren zeichnen sich im wesentlichen dadurch aus, daß sie gleichmäßig aufgetragene Beschichtungen ermöglichen. Durch thermische Spritz verfahren aufgetragene Beschichtungen können durch Variation der Spritzmaterialien an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden. Die Spritzmaterialien können dabei in Form von Drähten, Stäben oder als Pulver verarbeitet werden. Beim thermi schen Spritzen kann zusätzlich eine thermische Nachbehandlung vorgesehen sein.

In Ausgestaltung der Erfindung wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff auf die zu be schichtende Oberfläche des Grundkörpers geleitet, ohne daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl geschmolzen werden.

In jüngerer Zeit wurde darüber hinaus ein weiteres thermisches Spritzverfahren ent wickelt, welches auch als Kaltgasspritzen bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um eine Art Weiterentwicklung des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens mit Pulver. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 484 533 B1 beschrieben. Beim Kaltgasspritzen kommt ein Zusatzwerkstoff in Pulverform zum Ein satz. Die Pulverpartikel werden beim Kaltgasspritzen jedoch nicht im Gasstrahl geschmolzen. Vielmehr liegt die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelz punktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes (EP 0 484 533 B1) oder aber nur in geringem Maße oberhalb der Schmelztemperatur des Pulvers. Im Kaltgasspritzenver fahren wird also ein im Vergleich zu den herkömmlichen Spritzverfahren "kaltes" bzw. ein vergleichsweise kälteres Gas verwendet. Gleichwohl wird das Gas aber ebenso wie in den herkömmlichen Verfahren erwärmt, aber lediglich auf Temperaturen unter halb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes oder auf Tempera turen des Gasstrahles von 100 k bis zu 200 k oberhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes.

Die Angabe, daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl nicht ge schmolzen werden, soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch bedeuten, daß die Partikel im Gasstrahl im wesentlichen nicht angeschmolzen werden. Dies kann dadurch sichergestellt werden, daß die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes liegt. Aber selbst bei Tem peraturen des Gasstrahles von 100 K bis zu 200 K oberhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes kann aufgrund der extrem kurzen Verweilzeit der Partikel im Gasstrahl im Bereich von Millisekunden ein Schmelzen oder auch ein An schmelzen der Pulverpartikel verhindert werden. Die Bedeutung der höheren Gastem peraturen bzw. der Vorteil der Erwärmung des Gases liegt darin, daß in heißeren Ga sen die Schallgeschwindigkeit höher ist und dadurch auch die Partikelgeschwindigkeit vergleichsweise größer wird.

Das Kaltgasverfahren besitzt gegenüber herkömmlichen Verfahren des thermischen Spritzens eine Reihe von Vorteilen. Die thermische Einwirkung und Kraftwirkung auf die Oberfläche des Substratwerkstoffes ist verringert, wodurch ungewollte Verände rungen der Materialeigenschaften des Substratwerkstoffes verhindert oder zumindest merklich verringert werden können. Ebenso können weitgehend Änderungen in der Struktur des Substratwerkstoffs unterbunden werden. Die mit dem Kaltgasspritzver fahren erzeugten Schichten besitzen keine oder zumindest keine ausgeprägte Textur, d. h. es gibt keine Vorzugsorientierung der einzelnen Körner oder Kristalle. Das Sub strat wird ferner nicht durch eine Flamme oder ein Plasma erwärmt, so daß keine oder nur extrem geringe Veränderungen am Grundkörper und auch kein Verzug von Werk stücken durch Wärmespannungen infolge des thermischen Spritzens auftreten.

Es hat sich gezeigt, daß die zahlreichen verfahrenstechnischen Möglichkeiten des thermischen Spritzens nach dem Kaltgasverfahren für die Herstellung von Verbund körpern genutzt werden können. Durch die Möglichkeiten der Verwendung unter schiedliche Pulvermaterialien und Pulvermischungen eröffnet sich eine breite Palette für die Zusammensetzung von Verbundkörpern. Es lassen sich Verbundkörper für die unterschiedlichsten Anforderungen auf einfache Art und Weise herstellen.

So können Bauteile wie beispielsweise ein Keramikrohr mit einer Schicht aus Metallen, Metallegierungen, Hartstoffen, Keramiken und/oder Kunststoffen beschichtet werden, um das Rohr gasdicht und/oder vakuumdicht zu bekommen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine elektrisch und/oder magnetisch leitfähige Schicht aufzutragen. Auf diese Weise können beispielsweise Bauteile aus Keramik, Glas, Kunststoff oder Verbundwerkstoff (z. B. CFK) über die aufgespritzte Schicht leitfähig gemacht werden.

Ferner können Bauteile verstärkt werden und erhalten dadurch eine höhere mechani sche Belastbarkeit. Beispielsweise kann ein dünnes Bauteil, das aus einem teuren Werkstoff besteht und/oder materialspezifische physikalische Eigenschaften aufweist, mit einem kostengünstigen Spritzmaterial, beispielsweise einem Metall, einer Metalle gierung und/oder einer Keramik, beschichtet werden. Dabei können relativ dünne Grundkörper als Ausgangsmaterial verwendet werden. Dieser Grundkörper wird anschließend durch Aufspritzen von zum Werkstoff des Grundkörpers unterschied lichem Material auf der Innen- und/oder der Außenseite auf die notwendige Dicke ver stärkt. Es ist auch möglich, daß der Grundkörper eine geringere Dicke aufweist als die durch thermisches Spritzen aufgespritze Schicht. Ein Grundkörper kann insbesondere durch Aufspritzen einer Schicht oder eines Oberzugs mittels des Kaltspritzverfahrens verstärkt werden.

Erfindungsgemäß kann das Gas für das thermische Spritzen Stickstoff, Helium, Argon, Neon, Krypton, Xenon, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, Sauerstoff, ein Sauerstoff enthaltendes Gas, Luft oder Mischungen der vorgenannten Gase enthalten. Neben den aus der EP 0 484 533 B1 bekannten Gasen Luft und/oder Helium eignen sich auch für das den pulverförmigen Zusatzwerkstoff tragende Gas ein Stickstoff, Argon, Neon, Krypton, Xenon, Sauerstoff, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, oder Mischungen der vorgenannten Gase und Mischungen dieser Gase mit Helium. Der Anteil des Helium am Gesamtgas kann bis zu 90 Vol.-% betragen. Bevorzugt wird ein Heliumanteil von 10 bis 50 Vol.-% im Gasgemisch eingehalten.

Es hat sich gezeigt, daß durch den Einsatz von unterschiedlichen Gasen zum Be schleunigen und Tragen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffes die Flexibilität und Wirksamkeit des Verfahrens wesentlich vergrößert werden kann. Die so hergestellten Schichten haften sehr gut auf den verschiedensten Substratwerkstoffen, beispiels weise auf Metall, Metallegierungen, Keramik einschließlich Glas, Kunststoffe und Ver bundwerkstoffe. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Beschich tungen sind von hoher Güte, weisen eine außerordentlich geringe Porosität auf und besitzen extrem glatte Spritzoberflächen, so daß sich in der Regel eine Nacharbeitung erübrigt. Die erfindungsgemäß eingesetzten Gase besitzen eine ausreichende Dichte und Schallgeschwindigkeit, um die erforderlichen hohen Geschwindigkeiten der Pulverpartikel für das Kaltgasspritzen gewährleisten zu können. Das Gas kann dabei inerte und/oder reaktive Gase enthalten. Mit den genannten Gasen ist die Herstellung von sehr dichten und besonders gleichmäßigen Beschichtungen möglich, welche sich außerdem durch ihre Härte und Festigkeit auszeichnen. Die Schichten weisen extrem geringe Oxidgehalte auf.

Der Gasstrahl kann auf eine Temperatur im Bereich zwischen 30 und 800°C erwärmt werden, wobei alle bekannten pulverförmigen Spritzmaterialien eingesetzt werden können. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Spritzpulver aus Metallen, Metalle gierungen, Hartstoffen, Keramiken und/oder Kunststoffen.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur des Gas strahles im Bereich zwischen 300 und 500°C gewählt. Diese Gastemperaturen eignen sich insbesondere für den Einsatz von reaktiven Gasen oder reaktiven Gasbestand teilen. Als reaktive Gas oder Gasbestandteile sind insbesondere Wasserstoffzumi schungen, kohlenstoffhaltige Gase oder stickstoffhaltige Gase zu erwähnen.

In Weiterbildung der Erfindung wird ein Gasstrahl mit einem Druck von 5 bis 50 bar eingesetzt. Vor allem das Arbeiten mit höheren Gasdrücken bringt zusätzliche Vorteile, da die Energieübertragung in Form von kinetischer Energie erhöht wird. Es eignen sich insbesondere Gasdrücke im Bereich von 21 bis 50 bar. Hervorragende Spritzergeb nisse wurden beispielsweise mit Gasdrücken von etwa 35 bar erzielt. Die Hochdruck gasversorgung kann beispielsweise durch das in der deutschen Patentanmeldung DE 197 16 414.5 beschriebene Verfahren bzw. die dort beschriebene Gasver sorgungsanlage sichergestellt werden.

Im erfindungsgemäßen Verfahren können die Pulverpartikel auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich dabei insbesondere Geschwindigkeiten der Pulverpartikel zwischen 1000 und 1600 m/s, besonders bevorzugt zwischen 1250 und 1600 m/s, da in diesem Fall die Energieübertragung in Form von kinetischer Energie besonders hoch ausfällt.

Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Pulver besitzen bevorzugt Partikel größen von 1 bis 100 µm.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können alle geeigneten Vor richtungen eingesetzt werden, insbesondere gilt dies für die in der EP 0 484 533 B1 beschriebene Vorrichtung.

Besondere Vorteile bringen folgende nach der Erfindung hergestellte Verbundkörper mit sich:

- aufgrund der Spritzschicht gasdichte und/oder vakuumdichte Verbundkörper,
- Verbundkörper mit elektrisch und/oder magnetisch leitfähiger Spritzschicht und
- Verbundkörper, deren Grundkörper durch die Spritzschicht verstärkt ist und die eine gewünschte mechanische Belastbarkeit aufweisen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßen Verbundkörper aus Grundkörper und Schicht.

In Fig. 1 ist im Bild A ein Keramikrohr 1 dargestellt. Um das Keramikrohr 1 gasdicht und vakuumdicht zu bekommen, wurde es - wie in Bild B gezeigt - mittels thermischen Spritzens nach dem Kaltgasspritzverfahren mit einer Schicht 2 aus Metall überzogen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellung von Verbundkörpern (1, 2) aus mindestens zwei unter schiedlichen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundkörper (1) eines Werkstoffes durch thermisches Spritzen beschich tet (2) wird, wobei ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff mittels eines Gases auf die zu beschichtende Oberfläche des Grundkörpers (1) geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pulverförmige Zusatzwerkstoff auf die zu beschichtende Oberfläche des Grundkörpers (1) geleitet wird, ohne daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl geschmolzen werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas für das thermische Spritzen Stickstoff, Helium, Argon, Neon, Krypton, Xenon, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, Sauerstoff, ein Sauerstoff enthaltendes Gas, Luft oder Mischungen der vorgenannten Gase enthält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gasstrahles beim thermischen Spritzen im Bereich zwischen 30 und 800°C liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrahl beim thermischen Spritzen einen Druck von 5 bis 50 bar aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpartikel beim thermischen Spritzen auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden.

7. Verbundkörper (1, 2) aus mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper zumindest einen Grundkörper (1) aus einem Werkstoff und eine Spritzschicht (2) aus einem anderen Werkstoff umfaßt.

8. Verbundkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund körper durch die Spritzschicht (2) gasdicht und/oder vakuumdicht ausgebildet ist.

9. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzschicht (2) elektrisch und/oder magnetisch leitfähig ist.

10. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) durch die Spritzschicht (2) verstärkt ist und der Verbund körper (1, 2) eine gewünschte mechanische Belastbarkeit aufweist.