DE202013007063U1

DE202013007063U1 - Elektrode zur Verwendung in Plasmaspritzdüsen

Info

Publication number: DE202013007063U1
Application number: DE202013007063U
Authority: DE
Original assignee: PAOLIS MARCO DE; SUES WOLF ROBERT
Current assignee: PAOLIS MARCO DE; SUES WOLF ROBERT
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2013-09-03
Anticipated expiration: 2023-08-08

Abstract

Elektrode zur Erzeugung eines Plasmas, insbesondere eines Niedertemperaturplasmas, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode im Wesentlichen stabförmig ist und an ihrer der Austrittsöffnung des Plasmarohres zugewandten Seite mindestens einen zweiten Durchmesser aufweist, der sich von dem ersten Durchmesser, den sie am größten Teil ihrer Länge aufweist, unterscheidet.

Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Elektrode zur Erzeugung eines Nichtgleichgewichtsplasmas in einer Oberflächenbeschichtungs- beziehungsweise einer Plasmaspritzanlage.
Das Plasmaspritzen ist ein thermisches Spritzverfahren, das sich eine im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren eine zumindest teilweise Ionisierung des Trägergases, das das aufzubringende Material transportiert zu Nutze macht. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der DE 10 2006 061 435 und der EP 04 786 991 beschrieben.
In einem solchen Verfahren wird das aufzubringende Material zunächst mit einem Trägergas in die Spritzlanze der Plasmaspritzanlage geleitet und durchquert dort das Plasmarohr, in dem mittels eines Lichtbogens, der zwischen einer zentrisch im Rohr gelagerten Kathode und einer durch die Außenwand des Plasmarohres gebildeten Anode entsteht, ein Nichtgleichgewichtsplasma hergestellt wird.
In einem Nichtgleichgewichtsplama besteht eine starke Abweichung vom lokalen Thermodynamischen Gleichgewicht. Die Geschwindigkeit und die Temperatur der Elektronen weicht stark von der Geschwindigkeit und Temperatur der anderen Teilchen im Strom ab. Dies ist auf eine durch die Druckdifferenz bedingte unterschiedliche Kopplung der Stöße zwischen Elektronen und Ionen sowie Atomen zurückzuführen.
Das ionisierte und so erhitzte Trägergas verlässt die Plasmalanze am Lanzenkopf mitsamt dem aufzubringen Material in hoher Geschwindigkeit. Sobald der Stoffstrom auf das Substrat trifft entsteht dabei eine Materialschicht, die unter Anderem zum Formen komplexer Strukturen verwendet werden kann. Die DE 10 2006 061 435 beschäftigt sich beispielsweise mit dem Erzeugen von Leiterbahnen durch die Verwendung eines solchen Plasmaspritzverfahrens.
Neben der beschriebenen Spritzlanze weisen Plasmaspritzanlagen für Gewöhnlich auch Pulverbehälter, Pulverförderer, eine Dosiervorrichtung, eine Gasversorgung und eine Steuereinheit auf um die Durchführbarkeit des Spritzvorganges zu gewährleisten.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die bekannten Vorrichtungen zum Erzeugen eines entsprechenden Plasmas, den Nachteil aufweisen, dass sich an der Spitze der Kathode, im allgemeinen zylindrisch ausgeführt und konzentrisch im Plasmarohr gelagert ist, sehr schnell Ablagerungen des aufzubringenden Materials bilden.
Die Ursache für dieses Verhalten ist darin zu sehen, dass aufgrund der gebräuchlichen stabförmig ausgeführten Geometrie der konzentrisch im Plasmarohr angeordneten Elektrode und ihrer Eigenschaften hinsichtlich der Übertragung von Wärmeenergie die Spitze der Kathode sich stärker erhitzt, als die anderen Elemente des Plasmarohres.
Das Trägergas mit dem beigemengten aufzubringenden Material durchströmt beim Betrieb der Anlage das Plasmarohr. In unmittelbarer Nähe der Spitze der Kathode werden die Partikel des aufzubringenden Materials zusätzlich erwärmt und bleiben bei Kontakt mit der Kathode dann an dieser heißen Stelle haften.
Die Ablagerungen an der Spitze der Kathode haben zur Folge, dass die Entstehung des Lichtbogens hinsichtlich Eigenschaften wie zum Beispiel der Position, des Entstehungszeitpunktes, seiner Temperatur, sowie der freigesetzten Energie nicht mehr prozesssicher zu gewährleisten sind. Dies überträgt sich für gewöhnlich in ein inhomogenes Spritzergebnis. Die Prozesssicherheit kann in einem solchen Fall nur durch das Säubern oder Auswechseln der Kathode wieder hergestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Kathode zur Verwendung in einer Plasmaspritzanlage zur Verfügung zu stellen, die die Prozesssicherheit der Anlage nicht durch ihr Verschmutzen beeinträchtigt.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach wird die Aufgabe durch eine im wesentlichen stabförmige Kathode gelöst, die auf ihrer Länge sowohl eine Verdickung, als auch einen weiteren Durchmesser an ihrer dem Ausgang des Plasmarohres zugewandten Seite, der sich von ihrem im größten Teil ihrer Länge vorliegenden Durchmesser unterscheidet aufweist.
Eine Verdickung der Kathode dient dazu die zwischen der Kathode und der die Anode bildenden Außenwand des Plasmarohres liegende Wegstrecke zu verkürzen um den Bereich der Lichtbogenzündung zu definieren. Der Punkt der Lichtbogenzündung ist zwar von mehreren Faktoren abhängig, wobei aber die Länge der Wegstrecke zwischen Kathode und Anode beim Betrieb einer Plasmaspritzanlage erfahrungsgemäß als der maßgebliche Faktor gilt.
Die Problematik der durch die Umströmung des heißen Kathodenendes entstehenden Partikelablagerungen wird im Wesentlichen durch eine Veränderung des Durchmessers der Kathode an der betreffenden Stelle gelöst.
Abhängig von der Geometrie der anderen Elemente des Plasmarohres, vornehmlich der die Anode bildenden Außenwand, ist in vielen Fällen eine Verringerung des Durchmessers gegenüber dem Durchmesser vorteilhaft, den die Kathode abgesehen von ihrer Verdickung auf dem größten Teil ihrer Länge aufweist.
Eine beispielhafte Ausführungsform wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt hierhin jeweils in schematischer und teilweise stark vereinfachter Darstellung:
1 Die Seitensicht einer Ausführungsform mit kleinerem Durchmesser an der dem Ausgang des Plasmarohres zugewandten Seite der Elektrode.
Die in 1 dargestellte Ausführungsform der Kathode 3 ist im Wesentlichen stabförmig und ist konzentrisch im runden Plasmarohr gelagert. Sie weist eine Verdickung 5 und einen zweiten Durchmesser 6 auf, welcher von ihrem charakteristischen Durchmesser 4, welchen die Kathode am größten Teil ihrer Länge aufweist, verschieden ist.
Beim Betrieb einer Plasmaspritzanlage, in der die beschriebene Erfindung angeordnet ist strömt ein Trägergas, welches das aufzubringende Material transportiert, durch das Plasmarohr. Zwischen der die Anode darstellenden Außenwand des Plasmarohres 1 und der konzentrisch im Rohr gelagerten Kathode 3 wird ein Niedertemperaturplasma gezündet. Dies geschieht in der Regel auf Höhe der Verdickung 5 der Kathode, da hier der räumliche Abstand zur Außenwand 1 am geringsten ist.
Durch das Niedertemperaturplasma werden die Materialpartikel im Trägergas erhitzt. Der Stoffstrom verlässt nachfolgend das Plasmarohr an dessen Ausgang 2. Mit den so erhitzten Partikeln kann so die Beschichtung von Substraten durchgeführt werden.
Durch die Geometrie bekannter Plasmarohre bedingt, wird der erhitzte Stoffstrom auch an der heißesten Stelle der Kathode 3 vorbeigeleitet, welche sich für Gewöhnlich an ihrer dem Ausgang 2 zugewandten Seite befindet. Um eine dadurch bedingt Ablagerung der Partikel an jener Stelle zu verhindern, ist die Kathode 3 in der in 1 dargestellten Ausführungsform verjüngt. Die weist dort also einen zweiten, kleineren Durchmesser 6 auf.
Da die Umströmung des dem Ausgang 2 zugewandten Endes der Kathode 3 durch ihren zweiten Durchmesser 6 derart beeinflusst wird, dass ihr Verschmutzen verhindert wird, ist ein kontinuierlicher Prozess gewährleistet.
Bezugszeichenliste

1: Außenwand das Plasmarohres/Anode
2: Ausgang des Plasmarohres/Sprühöffnung
3: Kathode
4: Charakteristischer Durchmesser
5: Verdickung
6: Zweiter Durchmesser

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

DE 102006061435 [0002, 0005]
EP 04786991 [0002]

Claims

Elektrode zur Erzeugung eines Plasmas, insbesondere eines Niedertemperaturplasmas, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode im Wesentlichen stabförmig ist und an ihrer der Austrittsöffnung des Plasmarohres zugewandten Seite mindestens einen zweiten Durchmesser aufweist, der sich von dem ersten Durchmesser, den sie am größten Teil ihrer Länge aufweist, unterscheidet.
Elektrode nach Anspruch 1, wobei der zweite Durchmesser kleiner ist, als der erste Durchmesser.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrode abgesehen von mindestens einem zweiten Durchmesser mindestens eine zusätzliche Verdickung aufweist, deren Durchmesser sich von einem ersten Durchmesser der Elektrode, den sie am größten Teil ihrer Länge aufweist, unterscheidet.
Elektrode zur Erzeugung eines Plasmas, insbesondere eines Niedertemperaturplasmas, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode im Wesentlichen stabförmig ist und mindestens eine Verdickung aufweist, deren Durchmesser sich von einem ersten Durchmesser der Elektrode, den sie am größten Teil ihrer Länge aufweist, unterscheidet.
Elektrode nach Anspruch 4, wobei die Elektrode abgesehen von mindestens einer Verdickung mindestens einen zweiten Durchmesser aufweist, der sich von dem ersten Durchmesser, den die Elektrode am größten Teil ihrer Länge aufweist, unterscheidet.
Elektrode nach Anspruch 5, wobei der zweite Durchmesser kleiner ist, als der erste Durchmesser.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in einer Beschichtungsanlage.
Elektrode nach Anspruch 7, wobei Beschichtungen aus Metall hergestellt werden.
Elektrode nach Anspruch 8, wobei Beschichtungen aus Kupfer hergestellt werden.
Elektrode nach Anspruch 8, wobei Beschichtungen aus Nickel hergestellt werden.
Elektrode nach Anspruch 7, wobei Beschichtungen aus amorphen Feststoffen. hergestellt werden.
Elektrode nach Anspruch 7, wobei Beschichtungen aus Thermoplasten, Duroplasten und Elastomeren hergestellt werden.
Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Beschichtung Leiterbahnen geformt werden.