DE2144872A1 - Plasmaspritzvorrichtung - Google Patents

Plasmaspritzvorrichtung

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DE2144872A1 DE19712144872 DE2144872A DE2144872A1 DE 2144872 A1 DE2144872 A1 DE 2144872A1 DE 19712144872 DE19712144872 DE 19712144872 DE 2144872 A DE2144872 A DE 2144872A DE 2144872 A1 DE2144872 A1 DE 2144872A1
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Description

Meine Akte 4287a Wg/Tl Sealeetro Corporationr 225 Hoyt Street* Mamaroneoki EBv York 10544-
Plasmaspritzvorrichtunp
Sie Erfindung betrifft eine Plasmaspritzvorriehtung, mit deren Hilfe vämeschmelzbares Material auf einem !Träger abgelagert wird, um einen geschlossenen PiIm zu bilden. Das Plasma entsteht durch Leiten eines ionisierbaren Gases zwischen zwei Elektroden, die einen Lichtbogen bilden. Das auf dem Träger abzulagernde Material wird dem Plasma während seines Durchgangs durch eine große Düse zugesetzt. Bas Gas wird durch eine Anzahl von Kanälen in einer großen Scheibe in einen schraubenlinienförmigen Weg gerichtet. Das Material reitet auf der zylindrischen fläche des umlaufenden Gases vor dem Ausstoßen entweder aus einer Düse mit einem konstanten Innendurchmesser oder aus einer Düse ait einest sich allmählich ändernden Durchmesser.
Die Verwendung τοη isolierenden filmen aus Kunststoff, die auf Metall, Keramik und andere Träger abgelagert werden, erlangt in der modernen Technik immer größere Bedeutung. Heue Beschichtungswerkstoffe, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, und andere Hochtemperaturkunatstoffe, «of die im nachfolgenden unter dem Sammelbegriff Polytetrafluorethylen bezug genommen wird, werden inzwischen auf viele Arten von
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Grundwerkstoffen aufgetragen, um die Reibung zu mindern, um den Schutz zu erhöhen und um eine ohemisch inerte Oberfläche zu schaffen. Wenn diese Stoffe als "Paste oder in Pulverform abgelagert werden, können sie geschmolzen werden, indem der !Träger in einen Ofen gesetzt wird und indem Hitze zur Einwirkung darauf gebracht wird, um das Material zu schmelzen. Wenn der Träger der hohen Temperatur nicht widerstehen kann, die erforderlich ist, um das Pulver zum Schmelzen zu bringen, oder wenn er zu groß und klobig ist, um in effektiver Weise verarbeitet zu werden, muß ein anderes Verfahren angewendet werden. Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Vorrichtung dafür. Polytetrafluoräthylen kann auch auf Gewebe in Pulverform aufgespritzt werden, wo es in einen geschlossenen Film zusammenwächst, ohne das Gewebe zu beschädigen. Ferner lassen sich Metallpulver in den verschiedensten Arten gut auf die verschiedensten !Träger aufspritzen.
Eines der Merkmale der Erfindung beruht in der Verwendung eines rotierenden Plasmastrahls innerhalb der Spritzvorrichtung. Der Weg, den das Gas durchläuft, hält das Pulvermaterial an oder in der Nähe seiner äußeren Fläche in Anschluß an die Düse. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in einer glatt gekrümmten Düsenvariante, die einen Venturieffekt hervorruft.
Die Erfindung ist im nachfolgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind:
Jig. 1 ein Längsschitt durch eine Plasmaspritzvorrichtung in einem
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"bevorzugten Ausführungsbeispiel,
Pig. 2 eine Seitenansicht einer großen Scheibe mit den Kanälen, die in der Spritzvorrichtung Verwendung findet,
Pig. 5 eine Einzelheit im Schnitt an der Linie 5-3 der Pig. 1,
Pig. 4 ein Längsschnitt durch eine Spritzvorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel, "bei der die Isolierung an einer anderen Stelle sitzt,
Pig. 5 eine Seitenansicht einer Isolierscheibe mit ihren Gasrichtkanälen,
Pig. 6 eine Einzelheit im Schnitt an der Linie 6-6 der Pig. 4»
Pig. 7 ein Längsschnitt durch eine Variante einer Düse, die verwendet wird, um die Plamme zu verbreitern und um eine gleichmäßigere Beschichtung abzulagern,
Pig. 8 eine Seitenansicht der Plasmaspritzvorrichtung in Pistolenform mit angesetzten Verkleidungen,
Pig. 9 ein Schaltbild, das zeigt, wie die Spritzvorrichtung mittels eines normalen Wechselstromnetzes mit Energie versorgt werden kann, und
Pig. 10 eine Einzelheit, die eine der bevorzugten Relativlagen zwischen den Elektroden zeigt.
Gemäß der Darstellung in Pig. 1 bis 5 weist die Plasmaspritzvorrichtung einen äußeren isolierenden Haltezylinder 10 und mehrere zylindrische Hülsen 11, 12 und 13 auf, von denen die letztere eine Verlängerung der Düse 14 ist. Die Düse 14 ist ein hohler Zylinder mit einer gera-
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den Bohrung 15» die mit einem Absatz 16 an einer Anzahl von Einspritzkanälen 17 versehen ist. Die Einspritzkanäle stehen unter einem spitzen Winkel zur Zylinderachse, um einen Strom pulverförmigen Materials in die Bohrung 15 zu treiben, ohne daß der Gasfluß in der Bohrung gestört wird. Die Kanäle 17 sind mit flexiblen Pulverleitungen 18 verbunden, die aus Kunststoff bestehen können, beispielsweise Polyäthylen, Gummi oder dergleichen.
Die Hülse 13 weist einen kegelförmigen Hohlraum 20 auf, dessen Fläche als eine Elektrode einer Lichtbogenentladung fungiert. Ein kleinerer Kegel 21 an dem Ende eines massiven Zylinders 22 fungiert als die andere Elektrode für die Lichtbogenentladung, wobei die tatsächliche Lage des Lichtbogens am Hand des Kegels 21 ist· Die Anode kann aus Kupfer beispielsweise, die Kathode aus Wolfram bestehen, der Zylinder 22 kann mit Hilfe größerer Zylinder 2J und 24 gelagert sein, wobei der letztere Zylinder durch eine Metallscheibe 25 in Flucht gehalten wird.
Man erhält Ergebnisse mit einem besseren Wirkungsgrad, wenn die Winkel zwischen den Elektroden unterschiedlich sind. Die besten Ergebnisse erhält man, wenn der Unterschied zwischen den Winkeln zwischen 10 und 50° liegt, beispielsweise mit einem Kegelwinkel von etwa 120° und einem kegelförmigen Hohlraum von etwa 90°, wie das in Pig. 10 dargestellt ist.
Strom für den Lichtbogen kommt von einem Generator 26, wobei ein Anschluß mit der Düse Η und der andere Anschluß mit dem Zylinder 24
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verbunden ist. Ein Schalter 19 dient zur Zuleitung von Energie zur Spritzvorrichtung·
Ein Hantel 27 wird von einem kurzen Zylinder 28 und einem Plansch gebildet, und er dient zur Verteilung von Gas um den Rand der Scheibe 25 herum. Der Vorrichtung wird Gas über eine Leitung 31 zugeleitet, das dann durch einen zirkulären Handschutz 32 um die Scheibe herum verteilt wird. Eine Anzahl von Kanälen 33 leiten Gasströme von den vertikalen Schlitz 32 in den Raum um die Zylinder 23 und 22 und dann durch die Lichtbogenentladung in den Diisenraum 15«
Die Kanäle 33 lenken das Gas im wesentlichen in Richtung auf die Achse der Düsenöffnung 15t wie das durch die Winkellage in Fig. 1 gezeigt ist. Sie lenken den Gasstrom ferner leicht aus der Achse heraus, wie das durch Pig. 2 und 3 dargestellt ist. Das Ergebnis ist eine Kombination von schraubenlinienförmig gerichteten Strömen, die ineinander übergehen und einen rotierenden Gaezylinder bilden, welcher sich in Längsrichtung des Düsenraums 15 bewegt. Wenn das Gas durch den Lichtbogen wandert, wird es erhitzt und ionisiert. Wenn die entstehende Hitze 2200 C und mehr beträgt, bleibt das Gas in seinem ionisierten
Zustand, bis es sich abkühlt. Ein Plasmastrahl kann mit 5500 bis 83000C erreicht werden. Indem die Energiemenge am Lichtbogen reguliert wird und indem der Gasdurohfluß zum Lichtbogen festgelegt wird, läßt sich die Temperatur des Plasmas auf einen Wert unter 5500 C begrenzen und dort innerhalb eines einigermaßen engen Bereichs halten.
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Die Kanäle 17 für die Zuführung von Pulver sind jeweils unter einem Winkel gebohrt, der im wesentlichen parallel zu dem eines entsprechenden Gaskanals 33 liegt. Das Pulver wird damit in den rotierenden heißen Gasstrom in einer Richtung eingespritzt, die nicht dazu führt, daß die Sichtung des Gasstroms abgelenkt oder geändert wird. Die eingespritzten 'Kunststoffpartikel reiten an der äußeren Fläche des Gasstroms und werden wegen der Fliehkraft in dieser Lage gehalten. Da die Richtung und Anordnung der eingespritzten Partikel fixiert bleiben, ist es einfach, das Verhältnis des Durchflusses und der Stromstärke des Lichtbogens einzustellen, so daß alle Partikel die Spritzvorrichtung mit einer Solltemperatur verlassen. Da die Partikel mit dem Gas rotieren, durchlaufen sie einen längeren. Weg von der Einspritzstelle bis zum Ende der Düse und haben damit ausreichend Zeit, durch das heiße Gas auf eine festgelegte Temperatur erhitzt zu werden. Jedes geeignete nicht korrodierende inerte Gas kann verwendet werden. Stickstoff, Argon, Eohlendioxyd und Heliua haben zu guten Ergebnissen ge führt. Sauerstoff dürfte zu vermeiden sein, weil er den Elektrodenwerkstoff in Anschluß an den Lichtbogen angreift.
In Pig. 4 bis 6 ist eine Plasmaspritzvorrichtung gezeigt, die der in Pig. 1 bis 3 gezeigten Vorrichtung ähnlich ist, jedoch einen lietallzylinder 1OA enthält, dsr geerdet werden kann und der als einer der Anschlüsse für die elektrische Energie verwendet wird. Die Scheibe 25A, die das Gas in seine schraubenlinienförmige Bewegung lenkt, ist aus einem geeigneten isolierenden Werkstoff gefertigt, beispielsweise aus "Bakelite" (eingetragenes Warenzeichen für Union Garbide Corp.),
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Die T.'irkung ist die gleiche, außer daß nur die mittlere Elektrode 21, 22, 25, 2A die Kathode ist, während alle anderen Metallteile geerdet sind.
In den in Fig. 1 und 4 gezeigten Ausfiihrungsbeispielen sind keine Kühleinrichtungen gezeigt. Die Vorrichtung erzeugt erhebliche Uärme, so daß eine 'Jasserkühlung im allgemeinen einen Teil der Torrichtung bildet. Ringförmige Räume zwischen den Elementen 11 und 12 lassen sich für Kühlungszwecke verwenden. Solche Kühlmethoden sind bekannt.
Die in Fig. 7 gezeigte Düse I4A entspricht der in Fig. 1 und 4 gezeigten Düse, außer daß sie kürzer ist und einen Düsenraum enthält, der gekrümmt und stromlinienförmig ist. Der Eintrittskegel 2OA mit einem Vinkel von vorzugsweise etwa 45° hat eine gerundete Partie 35» um eine Turbulenz im Gasstrom an dieser Stelle zu mindern. Ferner vergrößert sich die Düsenöffnung im Querschnitt allmählich bis zu einem Punkt in der Kähe des Ausgangs, so daß die Düse wie ein Venturirohr fungiert. Die Kanäle I7A, die das Pulver führen, liegen mit ihren Ausgangsöffnungen nahe am größten Durchmesser der Düse. Das Ergebnis ist eine größere Flamme mit einem größeren Durchmesser. Mit einer solchen größeren Düse ist es möglich, einen gleichförmigen Film Polytetrafluoräthylen bis hinab zu einer Dicke von 0,025 mm auf Aluminium, nichtrostenden Stahl usw. abzulagern.
Während die spezifischen Abmessungen unterschiedlich sein können, hat eine Düse, die zu ausgezeichneten Ergebnissen geführt hat, beispiels-
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weise einen Eintrittsdurchmesser von 18,085 mm vor dem Lichtbogenraum. Die dem Lichtbogenraum folgende Einschnürung ist 7»93 nun groß, und das Austrittsende der Düse nimmt allmählich bis zu einem Durchmeser von 13»665 mm zu. In diesem Ausführungsbeispiel tritt das zu verspritzende Pulver durch kurze Kanäle 17B ein, die vertikal angeordnet sein können, wie das dargestellt ist, oder die unter einem Winkel von etwa JO nach vorn geneigt sein können - der Senkrechten gegenüber -, so daß mit dem Kanal I7A ein Gesamtwinkel von etwa 46-1/2° gebildet wird. Dabei ist ein glatt gekrümmter Übergang vorgesehen. Die Kanäle I7A stehen vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 16 30' zur Waagrechten. Die Durchmesser der Kanäle I7A und I7B betragen vorzugsweise etwa 2,5 nun. Bestimmte dieser als Beispiel angegebenen Abmessungen sind in den Zeichnungen dargestellt.
Das Pulver wird dann durch die winklig angeordneten Kanäle I7A getrieben, um sich mit der Plasmaflamme zu verbinden. Zur Vereinfachung der Herstellung werden die Kanäle I7A zunächst von der Fläche 54 aus gebäart, dann werden die Eingänge verstöpselt, und es werden neue Eingangskanäle I7B gebohrt, derart, daß die Pulverzuleitungen 18 (Fig. 4) angeschlossen werden können.
Die Partikelgröße ändert sich erheblich je nach verwendetem Pulver. Pur die besten Ablagerungen von Metallen wie Kupfer und nichtrostendem Stahl soll die Partikelgröße klein sein, nämlich etwa 0,05 nun im Durchmesser. Für Polytetrafluoräthylen und andere Kunststoffe, die einen niedrigeren Schmeluzpunkt haben, kann die Partikelgröße im Bereich
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von 0,25 Ms 0| 635 nun liegen.
In Pig. 8 ist die fertig montierte Plasmaspritζvorrichtung mit einem Griff 36 und mit einer Verkleidung 37 gezeigt. Das Pulver wird durch die Leitung 16 zugeführt, und Kühlwasser-Zufluß- und -Ablaufleitungen 40 und 41 sind an der unteren Partie des Hauptgehäuses angebracht, Eine Flamme 42 aus Plasma mit pulverförmigem Material ist gezeigt, die Material auf einem Träger 43 au-S einem geeigneten Werkstoff ablagert.
Wenn die Gleichstromenergie von einem normalen Wechselstromnetzanschluß aus erzeugt werden soll, kann eine Gleichrichterschaltung gemäß der Darstellung in Fig. 9 eingesetzt werden. Die Schaltung ist bekannt und umfaßt einen umformer 45 mit einer Primärwicklung 46, die in Reihe mit einem Regelwiderstand 47 geschaltet ist. Eine Sekundärwicklung 48 ist mit einem Zweiweggleichrichter 50 verbunden, der vier-Halbleiterdioden 51 umfaßt. Ein Amperemeter 52 ist in Reihe zu dem Lastleiter geschaltet, und ein Voltmeter 53 ist zwischen die Last geschaltet. Diese Instrumente sind erforderlich, um den Lichtbogen auf die richtige Stärke einzustellen, da der Lichtbogen sich innerhalb der Vorrichtung befindet und nicht zu sehen ist, Der Schalter 19 verbindet die Gleichrichterschaltung mit den LichbbogenanBChlüssen.
Polytetrafluoräthylen, Polyäthylen und Polypropylen in Pulverform sind auf einen Träger aufgespritzt worden, um einen einheitlichen, geschlossenen PiIm zu bilden. Ferner sind mit der Vorrichtung Mefcall-
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pulver wie Aluminium, Kupfer, Zinn und Blei erfolgreich verspritz vrorden.
20383 B/0598

Claims (1)

  1. 21U872
    - 11 Patentansprüche
    1. tlasmaspritzvorrichtung zur Ablagerung wärmeschmelzbaren Materials xn Pulverform, das von Plasma getragen wird, auf einem Träger, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung rotierenden Plasmas, eine Düse (14,14A) mit einem Kanal (15) für den Durchgang des wärmeschmelzbaren Materials in Pulverform in Vermischung mit dem Plasma, eine in den Düeenkanal (15) führende Öffnung zur Zuleitung von pulverförmigem Haterail zum heißen Plasma, wobei die Öffnung (17) unter einem Winkel zum Düsenkanal (15) zum Lenken des Pulvers in rotierendes Plasma angeordnet ist, wobei die Düse (14,14A) an ihrem inneren Ende mit einer sich erweiternden konischen Fläche (20,20A) versehen ist, die eine erste Elektrode für einen Lichtbogen bildet, einen axialen Zylinder (22,23, 24), der an der konischen Fläche (20,20A) fest angeordnet ist und zur Bildung einer zweiten Elektrode dient, wobei die erste und die zweite Elektrode einen Lichtbogenraum bilden, und eine Gaeverteilerscheibe (25,25A), die um eine Trägeranordnung herum gelagert ist und die den axialen Zylinder (22,23,24) in der vorgesehenen Lage hält und einen ringförmigen Raum (32), der mit einer Gaszuleitung (31) verbunden ist, und eine Anzahl im Winkel angeordneter Ausstoßkanäle (33) aufweist, die so ausgebildet sind, daß die daraus austretenden Gasströme rotieren, während sie durch den Lichtbogenraum und durch die Düse (14,14A) wandern.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß die Öffmindern (17»1?A), durch die pulverförmiges Material zugeleitet wird,
    - Yd -
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    und die Ausstoßkanäle (J2) etwa die gleiche Winkellage der Achse des Düßenkanals (15) gegenüber einnehmen.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet« daß die Scheibe (25,25A) mit der Düse (14,14A) und mit dem axialen Zylinder (22,25,24) fest verbunden ist, derart, daß dazwischen eine elektrische Spannung entsteht, die zum Aufrechterhalten eines Lichtbogens dient.
    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennezeiehnet, daß eine Anzahl von Öffnungen (17»17A) zum Zuleiten pulverförmigen Materials zur Düse (14» 14A) vorgesehen sind, die im Düsenzylinder (14) gegenüberliegend angeordnet sind.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Zylinder (22,23,24) mit einem konischen Ende (21) versehen ist, wobei der Winkel des Konus größer als der Uinkel der sich erweiternden konischen Fläche (20) ist.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem Winkel des Konus (21) und dem Winkel der sich erweiternden konischen Fläche (20) im Bereich zwischen 10 und 50° liegt.
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet t daß die Anzahl im Winkel angeordneter Kanäle (52) in der Gas-
    - 13 -
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    Verteilerscheibe (25,25A) das Gas in Richtung auf die Düsenachse und gleichzeitig den Fluß unter einem Winkel zur Achse lenken, derart, daß für eine zylindrische Gasmasse gesorgt wird, die mit dem Wandern nach außen durch die Düse (14,14A) rotiert.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (14A) einen durch eine glatte gekrümmte Bohrung gebildeten Eanalraum umfaßt, der von dem Lichtbogenraum bis zu einem Punkt an der Austrittsöffnung der Düse (14A) führt, derart, daß ein laminares Fließen der heißen Gase ermöglicht wird.
    9. Torrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogenraum mit der Düsenböhrung durch eine glatte, gekrümmte Fläche (35) zum Vermeiden eines Turbulenzflusses verbunden ist.
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Seite des kegelförmigen Raums (20) unter einem Winkel von etwa 45° zur Längsachse der Düse (14,14A) steht und daß die Kanäle (17,17A) zur Zuleitung von pulverförmigem Material in das rotierende Plasma unter einem Winkel von etwa 16-1/2° zur Düsenaohse etehen.
    11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadueroh ,gekennzeichnet, daß der Lichtbogenraum sich an einen davorliegenden Baum anschließt, der einen Durchmesser von im wesentlichen 18,085 mm hat, und sich an einen dahinterliegenden eingeengten Raum anschließt, der eine Abmessung von im wesentlichen 7,93 mm hat, tt»d daß die Düse (14,
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    (14A) einen Austrittsdurchmesser von etwa 13,665 mm hat.
    12. Plasihaspritzvorriehtung zur Erzeugung eines rotierenden Plasmas für die Ablagerung wärmeschmelzbaren Materials in Pulverform, das vom Plasma getragen wird, auf einen Träger, gekennzeichnet durch eine Düse (14»14A), zwei im Abstand angeordnete Elektroden (20,21), die zwischen sich einen Lichtbogenraum bilden, eine den Elektroden (20, 21) zugeordnete Scheibe (25,25A), eine zur Scheibe (25,25A) führende Gaszuleitung (31), wobei die Scheibe (25,25A) mit einer Anzahl im Winkel angeordneter Ausstoßkanäle (33) versehen ist, die so ausgebildet sind, daß das daraus austretende Gas durch den Lichtbogenraum und die Düse (14,14A) rotiert, und Leitungen bzw. Kanäle (18,17,17A,17B) zur Zuleitung von pulverförmigem Material in das rotierende Plasma.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die im Winkel angeordneten Ausstoßkanäle (33) im wesentlichen auf einem Kreis um die gesamte Fläche der Scheibe (25,25A) herum im Abstand angeordnet sind und unter einem solchen Winkel stehen, daß das durch sie durchgehende Gas sofort rotiert.
    14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13t dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Elektroden (20,21), die den Lichtbogenraum bilden, eine Differenz von etwa 10 bis 30° bildet.
    15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14» dadurch gekenn-
    - 15 -
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    zeichnet, daß die Scheibe (25A) ein Isolator ist und die Elektroden (20,21) elektrisch voneinander trennt.
    16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 Με 14» dadurch ^kennzeichnet, daß die Scheibe (25) aus Metall besteht und elektrisch leitend ist.
    17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeiclinet, daß ein äußerer Hantel (10) ein Isolator ist und die Elektroden (20,21)
    elektrisch voneinander trennt.
    18. Vorrichtung nach einem der Ancprüche 12 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß der Kegel (21) mit dem Pluspol einer Gleichstromquelle und die sich erweiternde konische Fläche (20) mit dem Minuspol verbunden ist.
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