DE19905811A1

DE19905811A1 - Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone

Info

Publication number: DE19905811A1
Application number: DE1999105811
Authority: DE
Inventors: Erwin Huehne
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2000-08-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone zum thermischen Spritzen von stab-, draht- und/oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen mit einem Anschluß zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen in eine Brennkammer mit Expansionsdüse. Der Anschluß (9, 29, 39) ist so ausgebildet, daß flüssiger und gasförmiger Brennstoff und Oxidationsgas jeweils separat in die Brennkammer (8) geführt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft Hochgeschwindigkeitsflamm spritzkanonen zum thermischen Spritzen von stab-, draht-, und/oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Aus der DE 197 32 815.6 ist eine Hochgeschwindigkeitsflamm spritzkanone zum thermischen Spritzen von stab-, draht- und/oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen bekannt mit einem Geräteanschlußflansch zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen in eine Brennkammer mit anschließender Expansionsdüse. Zur optimalen Mischung und Zerstäubung gasförmiger und flüssiger Brennstoffe ist bei diesem Stand der Technik eine Mischkammer zwischen einem Injektormischblock und der Brennkammer und mindestens eine Nachmischbohrung zwischen Misch- und Brennkammer vorgesehen, so daß sauber, vollständig und rückstandsfrei in der Brennkammer der Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone verbrannt werden kann. Nachteilig bei diesem genannten Stand der Technik sind die konstruktiv aufwendigen Anforderungen an die Gestaltung von Mischblöcken und Nachmischbohrungen. Gelangen die Brennstoffe wie beim genannten Stand der Technik erst nach Vormischung in die Brennkammer lassen sich auf Grund physikalischer Gesetzmäßigkeiten nur Drücke von ca. 10-12 bar in der Brennkammer erreichen und folglich sind beim genannten Stand der Technik die höchsten Geschwindigkeiten der Spritzpartikel im Hypersoniegasstrahl bei 2000 m/sec. Bedarf besteht jedoch bei den Anwendern um die bisher erzielten Schichtqualitäten und deren Haftung auf Substratoberflächen noch weiter verbessern zu können nach wesentlich höheren Partikelgeschwindigkeiten und damit höheren Brennkammerdrücken. Kommen die Brennstoffe wie beim genannten Stand der Technik erst nach Vormischung in die Brennkammer dürfen die Brennkammerdrücke andererseits nicht wesentlich unter 10 bar fallen, da sonst Gefahr von Rückzündungen droht.

Aufgabe der Erfindung ist es, konstruktiv einfache Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanonen zu schaffen, mit denen die Drücke in der Brennkammer in einem weiten Bereich variabel sein können.

Die Lösung erfolgt mit Hochgeschwindigkeitsflammspritz kanonen zum thermischen Spritzen von stab-, draht-, und/oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Gemäß der Erfindung weist eine Hochgeschwindigkeitsflamm spritzkanone zum thermischen Spritzen von stab-, draht-, und/oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen einen Anschluß zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen und eine Brennkammer mit Expansionsdüse auf. Erfindungsgemäß ist der Anschluß so ausgebildet, daß flüssiger und gasförmiger Brennstoff und Oxidationsgas jeweils separat in die Brennkammmer geführt und erst anschließend in der Brennkammer gemischt werden, sogenannte "Außenmischung".

Die erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone zur Mischung verschiedener Betriebsmedien und der Spritzzusatzwerkstoffe ausschließlich in der Brennkammer kann gegenüber dem Stand der Technik mit entscheidend höheren Brennkammerdrücken, nämlich zwischen 15-40 bar, und daraus folgend mit höheren Gasstrahlgeschwindigkeiten, nämlich < 2500 m/sec, als beim Stand der Technik mit maximal 2000 m/sec, betrieben werden. Die höheren Gasstrahlgeschwindigkeiten der Erfindung haben zur Folge, daß die Spritzzusatzwerkstoffe kürzere Zeit im Strahl verweilen, so daß deren Partikel während der Flugphase im Hypersoniegasstrahl weniger thermische Energie und dadurch auch weniger Sauerstoff aufnehmen und nicht oxidieren können. Die hochbeschleunigten Partikel treffen letztlich oxidfrei mit sehr hoher kinetischer Energie auf die Substratoberfläche und bilden sehr dichte, porenarme oder sogar porenfreie Schichten mit bestmöglicher Haftung zur Substratoberfläche.

Die erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone zur Mischung verschiedener Betriebsmedien und der Spritzzusatzwerkstoffe in der Brennkammer eröffnet durch die Außenmischung darüberhinaus umgekehrt die Möglichkeit des Betriebs mit niedrigen Brennkammerdrücken und reduzierten Gasstrahlgeschwindigkeiten, so daß auch hochschmelzende Spritzzusatzwerkstoffe, wie z. B. Molybdän, und/oder oxidkeramische Werkstoffe, wie z. B. Aluminiumoxid, verspritzt werden können.

Die erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone zur Mischung verschiedener Betriebsmedien und der Spritzzusatzwerkstoffe in der Brennkammer löst die Aufgabe der Erfindung in überraschender Weise einfach und kostengünstig. Durch die Außenmischung mindestens eines gasförmigen Brennstoffs mit mindestens einem flüssigen Brennstoff und mindestens einem Oxidationsgas können Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanonen variabel, nämlich wahlweise bei niedrigen Brennkammerdrücken und geringen Gasstrahl- und Partikelgeschwindigkeiten, wie auch bei hohen Brennkammerdrücken zwischen 15-40 bar, und daraus folgend mit Gasstrahlgeschwindigkeit von < 2500 m/sec, gefahren werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens ein weiteres nicht brennbares Gas und/oder flüssiges oder dampfförmiges Betriebsmedium der Brenn kammmer separat im Wege der Außenmischung zugeführt. Das erfindungsgemäße Außenmischen von nichtbrennbaren Medien in der Brennkammer schafft die Möglichkeit, die physikalischen und chemischen Eigenschaften des hochenergetischen Hypersoniegasstrahls exakt auf den jeweiligen Spritzzusatzwerkstoff optimal abzustimmen. Im Rahmen der Erfindung kann das nicht brennbare Gas und/oder flüssige oder dampfförmige Betriebsmedium auch gemeinsam z. B. mit dem Oxidationsgas der Brennkammmer zugeführt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann CO₂ als weiteres nicht brennbares Gas dem Brennstoff-Sauerstoffgemisch in der Brennkammer zugemischt werden, so daß bei der Verbrennung und bei der Erwärmung eines NiCrBSiFeC-Spritzzusatzwerkstoffes im Gasstrahl eine chemische Reaktion stattfindet, die zu einer erheblichen Härtesteigerung der Spritzschicht führt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können Edelgase, wie Argon, als weitere nicht brennbare Gase dem Brennstoff-Sauerstoffgemisch in der Brennkammer zugemischt werden. Durch das Zumischen von Edelgasen, wie Argon, werden beim Verarbeiten hochreaktiver Spritzzusatzwerkstoffe, wie z. B. Reinnickel oder Superlegierungen, wie sie z. B. beim Legieren von Flugzeugtriebwerksteilen vorteilhaft zum Einsatz gebracht werden, in den Spritzschichten wesentlich geringere Sauerstoffanteile gefunden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Anschluß am äußeren Umfang gas- und flüssigkeitsdicht in ein Mundstück eingefaßt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die stab-, draht-, und/oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffe zentrisch durch den Anschluß der Brennkammer oder Expansionsdüse zugemischt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die stab-, draht-, und/oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffe radial, der Brennkammer nachgeschaltet, in der Expansionsdüse zugemischt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht einer Stirnseite eines Mundstücks der Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone gemäß der Erfindung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Teil einer alternativen Hochgeschwindigkeitsflammspritz kanone gemäß der Erfindung, und

Fig. 4 eine Ansicht der Stirnseite des Mundstücks der alternativen Hochgeschwindigkeitsflammspritz kanone gemäß der Erfindung,

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Teil einer zweiten alternativen Hochgeschwindigkeitsflammspritz kanone gemäß der Erfindung, und

Fig. 6 eine Ansicht der Stirnseite des Mundstücks der zweiten alternativen Hochgeschwindigkeitsflamm spritzkanone gemäß der Erfindung.

Fig. 1: Eine Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone 10 enthält einen Anschluß 9 zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen, die dem Anschluß 9 unter Hochdruck zugeführt werden. Durch einen Kanal 1 mit einer nadelförmigen Einspritzdüse 11 des Anschlusses 9 wird flüssiger Brennstoff, wie z. B. Kerosin, durch Kanäle 2 des Anschlusses 9 wird gasförmiger Brennstoff, wie z. B. Wasserstoff, und durch Kanäle 3 des Anschlusses 9 wird Oxidationsgas, wie z. B. Luft oder Sauerstoff, geleitet.

Anschluß 9 ist am äußeren Umfang und an einer planen Endfläche 12 gas- und flüssigkeitsdicht in ein Mundstück 4 eingefaßt. An das Mundstück 4 ist mit einer Dichtung ein Brennkammergehäuse 6 angeflanscht. Das Brennkammergehäuse 6 enthält eine Brennkammer 8 und anschließend an die Brennkammer 8 eine Expansionsdüse 13. Radial an der Expansionsdüse 13 sind Düsen 7 für die Injektion von Spritzzusatzwerkstoffen vorgesehen.

Mundstück 4 liegt an der planen Endfläche 12 des Anschlusses 9 plan und gas- und flüssigkeitsdicht an. Durch eine Zentralbohrung 14 in Mundstück 4 ragt die nadelförmige Einspritzdüse 11 ein kleines Stück über eine Stirnseite 19 des Mundstücks 4 hinaus in die Brennkammer 6. Koaxial zu den Kanälen 2 sind im Mundstück 4 Anschlußbohrungen 15 mit engerem Querschnitt enthalten. Kanäle 3 münden in eine Kammer 16 zwischen äußerem Umfang des Anschlusses 9 und Mundstück 4. Bohrungen 17 in Mundstück 4 verbinden Kammer 16 mit der Brennkammer 8. Das über die Stirnseite 19 des Mundstücks 4 in die Brennkammer 8 ragende Stück der nadelförmigen Einspritzdüse 11 ist im Betrieb vorzugsweise glühend heiß, so daß das hindurchtretende Kerosin verdampft wird und gasförmig in die Brennkammer 8 strömt.

Die Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone 10 kann in eine Peripherie montiert sein, die der aus der DE 197 32 815.6 entspricht. Die Offenbarung der DE 197 32 815.6 wird vollinhaltlich in die vorliegende Beschreibung aufgenommen. Die einzelnen Kanäle können variabel mit unterschiedlichen Brennkomponenten beaufschlagt sein.

Fig. 2: Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 versehen. Die Stirnseite 19 des Mundstücks 4 weist auf konzentrischen Ringen die Bohrungen 17, die Anschlußbohrungen 15 und die Zentralbohrung 14 auf.

Fig. 3: Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 und 2 versehen. Eine alternative Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone 20 enthält einen Anschluß 29 zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen, die dem Anschluß 29 unter Hochdruck zugeführt werden. Durch Kanal 1a mit der nadelförmigen Einspritzdüse 11 werden Spritzzusatzwerkstoffe und Transportgas, durch Kanäle 2 wird nicht brennbares Gas, durch Kanäle 3 des Anschlusses 29 wird flüssiger Brennstoff, wie z. B. Kerosin, und durch Kanäle 24 wird Oxidationsgas, wie z. B. Luft oder Sauerstoff, geleitet.

Anschluß 29 ist am äußeren Umfang gas- und flüssigkeitsdicht in ein Mundstück 4 eingefaßt. An das Mundstück 4 ist mit einer Dichtung ein Brennkammergehäuse 8 angeflanscht. Das Brennkammergehäuse 6 enthält eine Brennkammer 8 und anschließend an die Brennkammer 8 eine Expansionsdüse 13. Kanäle 24 münden in kanalförmige Kammern 16 zwischen äußerem Umfang des Anschlusses 29 und Mundstück 4 und von da in die Brennkammer 8.

Die Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone 20 kann in eine Peripherie montiert sein, die der aus der DE 197 32 815.6 entspricht. Die Offenbarung der DE 197 32 815.6 wird vollinhaltlich in die vorliegende Beschreibung aufgenommen. Die einzelnen Kanäle können variabel mit unterschiedlichen Brennkomponenten beaufschlagt sein.

Fig. 4: Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1, 2 und 3 versehen. Eine Stirnseite 22 des Anschlusses 29 weist auf konzentrischen Ringen die Kanäle 1a, 2 und 3 auf. Die kanalförmigen Kammern 16 sind zwischen Mundstück 4 und Anschluß 29 angeordnet.

Fig. 5: Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1, 2, 3 und 4 versehen. Eine gemäß einer zweiten Ausgestaltung alternative Hochgeschwindigkeitsflamm spritzkanone 30 enthält einen Anschluß 39 zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen, die dem Anschluß 39 unter Hochdruck zugeführt werden. Durch Kanal 1c mit der nadelförmigen Einspritzdüse 11 können Drücke in der Brennkammer gemessen werden, durch Kanäle 2 wird flüssiger Brennstoff, wie z. B. Kerosin, durch Kanäle 3 des Anschlusses 29 wird nicht brennbares Gas, durch Kanäle 24 wird Zündgas, wie z. B. Wasserstoff, und durch Kanäle 25 wird Oxidationsgas, wie z. B. Sauerstoff, geleitet.

Anschluß 29 ist am äußeren Umfang gas- und flüssigkeitsdicht an das Brennkammergehäuse 8 angeflanscht. Das Brennkammergehäuse 6 enthält eine Brennkammer 8 und anschließend an die Brennkammer 8 eine Expansionsdüse 13.

Die Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone 30 kann in eine Peripherie montiert sein, die der aus der DE 197 32 815.6 entspricht. Die Offenbarung der DE 197 32 815.6 wird vollinhaltlich in die vorliegende Beschreibung aufgenommen. Die einzelnen Kanäle können variabel mit unterschiedlichen Brennkomponenten beaufschlagt sein.

Fig. 6: Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1, 2, 3, 4 und 5 versehen. Eine Stirnseite 22 des Anschlusses 29 weist auf konzentrischen Ringen die Kanäle 1c, 2, 3, 24 und 25 auf, die u. a. zu konzentrischen Ringen zusammengefaßt dargestellt sind.

Claims

1. Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone zum thermischen Spritzen von stab-, draht-, und/oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen mit einem Anschluß zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen in eine Brennkammer mit Expansionsdüse, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (9, 29, 39) so ausgebildet ist, daß flüssiger und gasförmiger Brennstoff und Oxidationsgas jeweils separat in die Brennkammmer (8) geführt werden können.

2. Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiteres nicht brennbares Gas und/oder flüssiges oder dampfförmiges Betriebsmedium der Brennkammmer (36) zugeführt werden kann.

3. Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß CO₂ als weiteres nicht brennbares Gas dem Brennstoff-Sauerstoffgemisch in der Brennkammer zugemischt wird.

4. Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Edelgase, wie Argon, als weitere nicht brennbare Gase dem Brennstoff- Sauerstoffgemisch in der Brennkammer zugemischt werden.

5. Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Anschluß (9, 29) am äußeren Umfang gas- und flüssigkeitsdicht in ein Mundstück (4) eingefaßt ist.

6. Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stab-, draht-, und/oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffe zentrisch durch den Anschluß (9, 29) und das Mundstück (4) in der Brennkammer (8) oder Expansionsdüse zugemischt werden.

7. Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stab-, draht-, und/oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffe radial, der Brennkammer nachgeschaltet in der Expansionsdüse zugemischt werden.