DE2123335A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Oberflächenauflagen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Oberflächenauflagen

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DE2123335A1 DE19712123335 DE2123335A DE2123335A1 DE 2123335 A1 DE2123335 A1 DE 2123335A1 DE 19712123335 DE19712123335 DE 19712123335 DE 2123335 A DE2123335 A DE 2123335A DE 2123335 A1 DE2123335 A1 DE 2123335A1
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Description

Dlpl.-lng. H.H. BAHR
Dlpl.-PSiys- E. B--TZLER
DIpL-In3. W. HlS'iMANN.TRENTEPOHL
P iliiitjnwil!»
1000 Mönchen ii, Eisufwchar· Straß--. :
5262/71 AGENCE NATIONALE DE VALORISATION DE LA RECHERCHE (ANVAR)
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung "Von Oberflachenauflagen.
Die Erfindung betrifft die Verfahren und
Vorrichtungen zur Herstellung von oberflächlichen Auflagen an Werkstücken zur Veränderung der physikalischen, chemischen oder physikalisch-chemischen Eigenschaften der Oberfläche derselben.
Die Erfindung hat Verfahren und Vorrichtungen zum Gegenstand, welche die Herstellung der Auflagen an Werkstucken beliebiger Formen und Abmessungen gestatten·
Die Erfindung hat ferner Verfahren und Vorrichtungen zum Gegenstand, welche die Herstellung von Auflagen aus einem einfachen Körper oder mehreren einfachen Körpern, welche durch ihre Verbindung bei der Aufbringung einen zusammengesetzten Körper ergeben können, ermöglichen.
Die Erfindung hat auch Verfahren und Vorrichtungen zum Gegenstand, welche die Herateilung von Auflagen ermöglichen, welche eine konstante Dicke und einen Ober-
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flachenzustand aufweisen, welcher dem des Werkstücks ahnlich ist, an welchem die Auflage hergestellt wurde.
Das erfindungsgenässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in eine verdünnte Plasmaströmung, deren statischer Druck kleiner als 5 ram Hg und vorzugsweise als 1 mm Hg ist, wenigstens ein Stoff eingeführt wird, welcher den aufzubringenden Körper oder den aufzubringenden Körper, bildende Elemente enthalt, und das3 strömungsabwärts von der Einführzone dieses Stoffs das Werkstück angeordnet wird, an welchem die Auflage hergestellt werden soll.
Die erfindungsgemäs3e Vorrichtung zur Ausübung des obigen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen mit einem plasmaerzeugenden Strömungsmittel gespeisten Plasmagenerator, eine die von diesem Generator gelieferte Plasmaströmung umgebende Kammer, ein Saugsystem, welches in dieser Kammer einen Druck von weniger als 5 mm Hg und vorzugsweise
erzeugt
von 1 mm Hg/j wenn der Plasmagenerator arbeitet, Mittel zur Einführung wenigstens eines Stoffs, welcher den aufzubringenden Körper oder diesen bildende Elemente enthält, wobei diese Einführmittel so angeordnet sind, dass dieser Stoff in die Plasmaströmung an der Stelle einer Einführzone eingeführt wird, und einen Werkstückhalter, v/elcher das Werkstück in der Plasmaströmung hält und strömungsabwärts von der Einführzone angeordnet ist.
Dank der hohen Temperatur und des niedrigen Drucks, welche die Plasmaströmung kennzeichnen, bildet sich dann offenbar strönungsabwärts von der Einführzone eine Dissoziierung (und eine Ionisierung) des eingeführten Stoffs.
Da ferner die spezifische Hasse der Plasmaströnung,klein ist, ist die Wärmeenergie je Volumeneinheit klein, und der Wärmefluss, welchem das Werkstück durch Konvektion ausgesetzt wird, reicht nicht aus, um sine merkliche Erwärmung des Werkstücks wahrend der Verweilzeit desselben in der Strömung zu erzeugen.
Da 8Chlies3lich die mittlere freie Weglänge
bei den in der Plasmaströmung herrschenden Drucken und Temperaturen gross ist, gelangen die Moleküle des aufzubringenden Stoffs auf die Oberfläche des Werkstucks in gasförmigem Zu-
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stand, um sich in gasformiger Phase zu verbinden, wodurch eine homogene Auflage entsteht.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalbor erläutert, deren einzige Abbildung eine bevorzugte Ausführungsforra der erfindungsgemäseen Vorrichtung zeigt.
Die Vorrichtung enthalt einen im ganzen mit
1 bezeichneten Plasm&generator, welcher durch einen Speieekreis
2 mit einem plasoiaerzeugenden Strömungsmittel' gespeist wird.
Der Plasmagenerator 1 kann auf beliebige
geeignete Weise ausgebildet sein und insbesondere mit einem Lichtbogen versehen sein. Er enthält dann eine mit der negativen Klemme einer Gleichstromquelle 4- verbundene Kathode 3 und eine mit der positiven Klemme derselben verbundene Anode ä 5, welche die Austrittsoffnung oder Düse 6 des Generators 1 bildet.
Im allgemeinen sind ein oder mehrere Kühlkreise 7 zur Kühlung der Kathode 3 und der Anode 5 vorgesehen.
Die Austrittsoffnung oder Düse 6 des Generators 1 mündet in eine Kammer 8, welche die Plasmaströmung umgibt, wenn der Generator 1 arbeitet.
Ein im ganzen mit 9 bezeichnetes Saugsystem,
welches eine beliebige geeignete Bauart aufweisen kann (mechanische Pumpe, Auswerfer, Diffusionspumpe U3W.) unterhalt in dieser Kammer 8 einen Druck von weniger als 1 mm Hg, wenn der Plasmagenerator 1 arbeitet.
Die Vorrichtung enthält noch Mittel 10 zur " Einführung wenigstens eines Stoffs, welcher den aufzubringenden Körper oder diesen, bildende Elemente enthält, wobei diese Einführmittel 10 so angeordnet sind, dass sie diesen Stoff in die Plasmas tr öiaung an der Stelle einer Einführzone 11 einführen.
Ein strömungsabwärts von der Einführzone
11 angeordneter Werkstückhalter 12 hält das Werkstück 13 in. der Plf-^astromung.
Das Saugsystem 9 ist insbesondere hinsichtlich seiner Leistung so bemessen, dass es in der Kammer 8 einen zwischen 0,5 und 0,05 mm Hg liegenden Druck aufrecht erhält.
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Der Abstand zwischen der Einfunrsone 11 und
dem Werkstück 13 hangt im we'sentlichen von der Art dee plasaaerzeugenden Stromungsmittels und der Art des eingeführten Stoffe ab. Dieser Abstand ist so bemessen, dass an der Stelle des Werkstücks 13 der Dissoziationskoeffizient des eingeführten Stoffs am grosaten ist, und dass die Diffusion des Stoffs in dem Volumen der Kammer 8 noch auf einen vernachlasslgbaren Wert beschrankt ist. ■
Das Werkstück 13 hat vorzugsweise eine solche Lage, dass die Oberflachen, auf welchen die Auflage hergestellt werden soll, senkrecht oder angenähert senkrecht -au der Bichtung der Plasmastromung liegen.
Um eine Bildung einer Storauflage an PIa-.
chen des Werkstucks 13 zu verhindern, welche keine richtige lage in Bezug auf die Plasmastromung haben, können diese zweckmässig abgedeckt werden.
Der Werkstückhalter 12 kann einen Mechanismus besitzen, weloher die Veränderung/αes Werkstücks t3 ermöglicht, wahrend dieses der Plasmaströraung ausgesetzt ist.
Der Werkstückhalter 12 kann ferner so ausgebildet sein, dass er nacheinander mehrere Werkstücke 13 der Plasmastromung aussetzt.
Die Ausbildung der Einführmittel 10 hangt im wesentlichen von der Art des einzuführenden Stoffs ab.
Es handelt sich um Stoffe, welche unter
den Druck- und Temperaturbedingungen des Plasmas gasformig sind, und die Einführmittel 10 können eine Leitung aufweisen, welche durch einen oder mehrere Einspritzer in die Plasmastromung mündet.
Die Einführmittel 10 können eine erste,
durch einen Vorwarmer 10a gebildete Energiequelle aufweisen, welche den einzuführenden Stoff in den gasformigen Zustand überfuhren kann, sowie eine zweite durch einen elektrischen Lichtbogen 10b gebildete Energiequelle, welche am Ausgang des Einspritzere angeordnet ist. und die Dissoziation des eingeführten Stoffs begünstigt*
Falls mehrere Stoffe eingeführt werden, können diese vorher gemischt oder getrennt in die Plaema-
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Strömung an der.Stelle der gleichen Einführzone oder an gegeneinander versetzten Einführzonen eingeführt werden·
Bei Einführung mehrerer Stoffe ist die an
dem Werkstück 13 erhaltene Auflage ein zusammengesetzter Körper oder ein Gemisch von einfachen Körpern, welches zusätzlichen Behandlungen (insbesondere Wärmebehandlungen) unterworfen werden kann.
Das plasmaerzeugende Strömungsmittel kann
für den eingeführten Stoff indifferent sein oder mit diesem eine Oberi'lächenreaktion erzeugen, um die Auflage eines zusammengesetzten Körpers zu erhalten, welcher durch diese Oberflächenreaktion zwischen dem plasmaerzeugenden·Strömungsmittel und dem eingeführten Stoff entstanden istt
In einer Plasmaströmung mit einem stati- " sehen Druck von 0,01 mm Hg, welche mit einem durch Stickstoff gebildeten plasmaerzeugenden Gas erhalten wurde, wurden folgende Auflagen hergestellt :
Durch Einführung von Azetylen,'Kohlenstoffauflagen,
durch Einführung von Wolframhexachlorid, Wolframauflagen,.
durch Einführung von geeigneten Anteilen
von Azetylen und Wolframhexachlorid, eine Auflage von Wolframkarbid .
Es können auch Antimonauflagen durch Einfuhrung von Antimontrichlorid, Borauflagen durch Einführung i von Eortrichlorid, Titanauflagen durch Einführung von Titantetrachlorid, und Siliziumauflagen durch Einführung von SiIiziumtetrachlorid erhalten v/erden.
Es ist zu bemerken, dass die Molströmungs-
menge des eingeführten Stoffs stets klein gegenüber der Molströmungsmenge des plasmaerz-eugenden Gasea bleibt, um eine hohe Temperatur der Plasmaströmung aufrechtzuerhalten. Hierzu aoi noch bemerkt, dass in den meisten Fällen die Molströmungsmenge des eingeführten Stoffs kleiner als 0,1% der ^ol« strömungsmenge des plasmaerzeugenden Gases ist.
Die Strömungsgeschwindigkeit dea Plasmas bleibt vorzugsweise unterhalb der Schallgeschwindigkeit
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aber vorzugsweise dicht unter derselben, und es sei angegeben, dass eine Strömung mit einer Geschwindigkeit von 0,8 Nach gute Ergebnisse für die erzeugten Auflagen geliefert hat.
Unter diesen Bedingungen wird daher der
PlasEagenerator 1, insbesondere seine Düse 6, so ausgebildet, dass bei dem in der Kammer 8 herrschenden statischen Druck die Strömungsgeschwindigkeit des Plasmas grössenordnungsmässig 0,8 Mach betragt· ■ " ·
Als Anwendungsgebiete der Erfindung können die Herstellung folgender Auflagen angeführt werden :
- die Korrosion verhindernde Auflagen an
Werkstücken wie Gasturbinenschaufeln, V/asserturbinenschaufeln oder Schraubenflügeln,
- leitende Auflagen an Werkstücken aus Isolierstoff,
- feuerfeste Auflagen an Werkstücken aus nicht feuerfesten Werkstoffen,
- örtliche Auflagen an teilweise abgedeckten Werkstücken.
Von den durch die Erfindung erzielten Vorteilen können folgende angeführt werden :
Das Werkstück, an welchem die Auflage hergestellt werden soll, wird keiner erheblichen Erwärmung ausgesetzt, so dass Auflagen an Werkstücken aus Kunststoff und an Werkstücken mit sehr kleinen Abmessungen (insbesondere Drähten) hergestellt werden können.
Die erhaltene Auflage ist infolge der Dissoziation und der Ionisation des eingeführten Stoffs, dessen Moleküle an der Oberfläche des Werkstücks in gasförmigem Zustand ankommen, sehr homogen.
Es können Werkstücke groaser Abmessungen
behandelt und an einem Halter angebracht werden, welcher die Veränderung der lage des Werkstücks gestattet, während dieses der Plasmaströmung ausgesetzt ist.
Mehrere Werkstücke können nacheinander der Plaßmaströmung ausgesetzt werden.
Die Dauer, wahrend welcher das Werkstück
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der Plasmaströiaung ausgesetzt ist, ist nicht beschränkt.
Die bei Herstellung einer Strömung .mit einen
av.'ischen 1 mn und 0,05 mm Hg liegenden niedrigen Druck auftretenden technologischen Probleme können leicht und wirtschaftlich gelöst werden.
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Claims (1)

  1. Pa t e η t a η s ρ r ü c h e
    1.) Verfahren zur Herstellung von Oberfläehenauflagen an einem Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass in eine verdünnte Plasmastromung, deren statischer Druck kleiner als 5 mm Hg ist, wenigstens ein Stoff eingeführt wird, welcher den aufzubringenden Körper oder diesen bildende Elemente enthält, und dass strömungsabv/ärts von der Zone der Einführung dieses Stoffs das Werkstück angeordnet wird, an welchem dio Auflage hergestellt werden soll.
    2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der statische Druck der Plasmaströmung zwischen 1 und 0,05 mm'Hg liegt.
    3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Plasmas grössenordnungsrnassig 0r8 Mach beträgt.
    4.) Verfahren nach elnam der Ansprüche 1
    bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere den aufzubringenden Körper bildende Elemente enthaltende Stoffe eingeführt werden.
    5.) Vorrichtung zur Herstellung von Oberflächenauflagen an einem Werkstück zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen mit einem plasmaerzeugenden Strömungsmittel gespeisten Plasmagenerator (1), eine die von diesem Generator (1) geliefei'te Plasmastromung umgebende Kammer (8), ein Saugsystem (9)} welches in dieser Kammer (8) einen Druck von weniger al3 5 mm Hg unterhalt, wenn der Plasmägenerator (1) arbeitet, Mittel (10) zur Einführung wenigstens eines den aufzubringenden Körper oder diesen bildende Elemente enthaltenden Stoff, wobei diese Einführmittel (10) so angeordnet sind, dass sie diesen Stoff in die Plasmaströmung an der Stelle einer Einführzone (11) einführen,und einen Werkstückhalter (12), welcher das Werkstück (13) in der Plasmastromung hält und strömungsabwärts von der Einführzone (11) angeordnet ist·.
    '6.) Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Saugsystem (9) in der Kammer (8) einen zwischen 1 und 0,05 mm Hg liegenden Druck aufrecht erhält .
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    7.) Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator, insbesondere seine Düse (6), so ausgebildet ist, dass bei dem in der Kammer (8) herrschenden statischen Druck die Strömungsgeschwindigkeit des Plasmas grössenordnungsmässig 0,8 Mach betragt.
    8.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche
    bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stoffe in die'Plasmas tröaung eingeführt werden. ·
    9.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche
    5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Einfuhrzone (11) und dem Werkstück (13) entsprechend der Art des plasmaerzeugenden Strömungsmittels und der Art des eingeführten Stoffs so bestimmt ist, dass an der Stelle des Werkstücks (1.3) der Dissoziationskoeffizient des eingeführten Stoffs am grössten ist, und dass die Diffusion dieses Stoffs in dem Volumen der Kammer (8) noch auf einen vernachlässigbaren Viert beschränkt ist.
    10.') Vorrichtung nach einem der Ansprüche
    5 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (13) eine solche Lage hat, dass die Oberflächen, an welchen die Auflage hergestellt werden soll, senkrecht oder angenähert senkrecht zu der Richtung der Plasmaströmung liegen.
    11.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass gewisse Oberflächen des Werkstücke (13) abgedeckt sind.
    12.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückhalter (12) einen Hechanismus aufweist, welcher gestattet, die lage des Werkstücks (13) zu verändern, während es der PlasmastrÖ-mung ausgesetzt ist, oder nacheinander mehrere Werkstücke (13) der Plasmaatröraung auszusetzen.
    . 13.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einführmittel (10) eine erste*· durch einen Vorwärmer (10a) gebildete Energiequelle, weiche den einzuführenden Stoff in den gasförmigen Zustand überführen kann, und eine zweite, durch einen elektrischen lichtbogen (iOb) gebildete Energiequelle aufweisen, welche in der Einfuhrzone (1-1) angeordnet ist und die Diasozia-
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    tion des eingeführten Stoffs begünstigt.
    14.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche
    5 bis 13» dadurch gekennzeichnet, dass das plasmaerzeugende Strömungsmittel gegenüber dem eingeführten Stoff indifferent ist.
    15.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche
    5 bis 13> dadurch gekennzeichnet, dass das plasmaerzeugende Strömungsmittel mit dem eingeführten Stoff so reagiert, dass eine Auflage aus einem zusammengesetzten Körper entsteht, welcher γοη der Oberflächenreaktion zwischen dem plasmaerzeugenden Strömungsmittel und dem eingeführten Stoff herrührt.
    16.) Verfahren oder Vorrichtung nach einem
    der Ansprüche 1 bis 15» dadurch gekennzeichnet, dass der eingeführte Stoff Azetylen ist, wobei dann die erhaltene Auflage aus Kohlenstoff besteht.
    17.) Verfahren oder Vorrichtung nach einem
    der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der eingeführte Stoff eine chlorierte Verbindung von Wolfram, Antimon, Bor, fitan oder Silizium i3t, so dasa Auflagen von Wolfram, Antimon, Bor, Titan bzw. Silizium erhalten werden.
    18,) Verfahren oder Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eingeführten Substanzen Azetylen und Wolframhexachlorid sind, wobei die erhaltene Auflage aus V/olframkarbid besteht.
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    BAD ORIGINAL
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