DE2216981B1 - Verfahren zum Betrieb eines Plasma spntzbrenners und dessen konstruktive Ausgestaltung - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Plasma spntzbrenners und dessen konstruktive Ausgestaltung

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Description

3 4
Verfahren aufwendig und teuer, und es lassen sich ein Kanal 4 für die Kühlung der Düse 2 entsteht. Das
auch keine oxydationsempfindlichen Teilchen, wie Kühlwasser wird dem Kanal 4 gemäß den eingezeich-
z. B. Kupfer, aufspritzen. Denn die Beschleunigung neten Pfeilen zugeführt bzw. entnommen. Auf der
der Teilchen geschieht durch die Reaktion von Ace- Düse 2 ist oben ein Isolierkörper 5 befestigt, welcher
thylen und Sauerstoff oder ähnlichen, jedenfalls im- 5 einen Einlaß 6 aufweist. Durch diesen Einlaß 6 wird
mer oxydierend wirkenden Gasgemischen. Dem De- das Arbeitsgas unter hohem Druck, beispielsweise
tonationsgemisch wird zwecks Ersparnis von Spritz- 20 at, mitsamt dem teilchenförmigen Spritzgut der
gut dieses nur pulsweise zugesetzt. Brennkammer zugeführt. Oben weist der Isolierkör-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Plasma- per5 eine Bohrung? auf, in welcher eine Dichtung
spritzverfahren und einen Plasmaspritzbrenner anzu- io angeordnet ist, die von der verschiebbaren Kathode 1
geben, welche die Nachteile der bekannten Verfah- durchtreten wird. Eine sich an einem Anschlag 8 ab-
ren und Einrichtungen zum Plasmaspritzen vermei- stützende Feder 9 drückt die Kathode 1 gegen den
den. Eintritt der Düse 2 und verschließt diesen, wenn die
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungs- Kathode 1 nicht mittels des Hebels 10 und des Nokgemäß bei einem Plasmaspritzverfahren der eingangs 15 kens 11 abgehoben ist. Die Stromversorgung geangegebenen Art das Arbeitsgas vor seinem Eintritt schieht über die Gleichstromquelle 12. Der Stromin die Düse einen Druck von mehr als 2 at aufweist, kreis ist durch das Thyristorstellglied 13, das syn- und der Gasfluß durch die Düse und der Brennstrom chron zur Stellung des Nockens 11 gesteuert wird, des Bogens synchron gepulst werden. Vorzugsweise an- und ausschaltbar. In der gezeichneten Situation werden der Gasfluß durch die Düse und der Brenn- 20 ist der Stromkreis angeschaltet. Es brennt dann ein strom des Bogens zwischen den Impulsen auf Werte Lichtbogen zwischen der Kathode 1 und der nahe oder gleich Null gebracht. Der Druck des Ar- Anode 2, der bewirkt, daß das oberhalb des Düsenbeitsgases vor seinem Eintritt in die Düse ist Vorzugs- eintritts befindliche Arbeitsgas als leuchtender Piasweise sehr hoch, z. B. 20 at, und auch der Wert des mastrahl 14 mit Überschallgeschwindigkeit aus der Brennerstromes soll möglichst hoch sein, beispiels- 35 Laval-Düse2 ausströmt. Der Plasmastrahl 14 prallt weise 20 kA betragen. dann auf das Substrat 15 auf, so daß dieses mit den
Bei diesen Maßnahmen wird ausgegangen von der in dem Plasmastrahl 14 mitgeführten, dem Arbeits-
meßtechnisch und theoretisch erhärteten Feststel- gas über den Einlaß 6 im Hochdruckteil beigegebe-
lung, daß in Plasmastrahlen Geschwindigkeiten von nen aufzuspritzenden Teilchen beschichtet wird,
einigen 1000 m/sec erzeugt werden können, wenn 30 Die Darstellung des Brenners ist nur schematisch,
große Werte des Bogenbrennstromes und hohe Gas- und diverse Teile können konstruktiv natürlich auch
drücke vorgesehen werden. Da diese hohen Werte anders ausgebildet sein. So wird beispielsweise in der
des Stromes und des Gasdruckes aber bei den her- Regel außer der Anode 2 vorteilhafterweise auch die
kömmlichen Brennern eine derart große Belastung stiftförmige Kathode 1 eine Wasserkühlung aufwei-
insbesondere der Düse und der Kathode bewirken 35 sen. Der Bewegungsmechanismus für die Kathode 1
würden, daß ein erheblicher Aufwand für die Küh- wird auch in der Regel nicht als das dargestellte
lung getrieben werden müßte, wäre ein solcher Be- Nocken-Hebelwerk 10/11 ausgebildet werden, son-
trieb unmöglich, mindestens aber völlig unwirtschaft- dem beispielsweise in einem Hubmagneten für die
lieh. Erst durch das synchrone Pulsen des Stromes Kathode 1 bestehen, wodurch der Brenner handlicher
und des Gasflusses gemäß der Erfindung werden die 40 wird.
hohen Werte des Gasdruckes und des Stromes an- Der dargestellte Brenner wird nun so betrieben,
wendbar, da durch die nur pulsförmige Belastung der daß im Brennraum ein hoher Druck, beispielsweise
Düse und der Kathode bei jeweils nachfolgender Be- von 20 at, mindestens aber von 2 at, herrscht, und
lastungsfreiheit der Aufwand für die Kühlung das die Stromstärke bei eingeschaltetem Strom einige kA,
übliche Maß nicht zu überschreiten braucht. 45 beispielsweise 20 kA, mindestens aber 1 kA, beträgt.
Durch die hohen Geschwindigkeiten im Plasma- Es brennt dann in der gezeichneten Kathodenstellung strahl, die sich den zu spritzenden Teilchen mitteilen, ein Lichtbogen mit einer Brennspannung von beiwird ein außerordentlich fest haftender und dichter spielsweise 1 kV, und der Plasmastrahl 14 tritt mit Oberflächenbelag erzielt. Die Kathode wird nur mi- einer Geschwindigkeit von einigen 1000 m/sec aus nimal belastet, und es können daher — soweit das zu 50 der Düse 2 aus.
spritzende Material dies zuläßt — oxydierende Gase, Es ist wichtig, daß der Düseneinlauf einen kleinen wie insbesondere das billige Arbeitsgas Luft, verwen- Krümmungsradius, vorzugsweise von weniger als det werden. Für die Auswahl des Arbeitsgases und 15 mm aufweist. Dadurch wird die Stabilität des Bodes zu spritzenden Materials bestehen vom Brenner gens gewährleistet,
her jetzt praktisch keine Einschränkungen mehr. 55 Zum Pulsen des Gasflusses wird die Kathode 1
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nach- über das Nocken-Hebelwerk 10/11 auf und ab befolgend an Hand eines in Figuren dargestellten Aus- wegt, so daß der Düseneinlauf pulsförmig geöffnet führungsbeispiels angegeben. Dabei zeigt und geschlossen wird. Der Weg s der Kathode 1 in
F i g. 1 schematisch eine Ausführungsmöglichkeit Abhängigkeit der Zeit t ist in F i g. 2 dargestellt,
eines Brenners nach der Erfindung und 60 Wenn die Kathode 1 den Düseneinlauf freigegeben
F i g. 2 Diagramme zur Erläuterung des Funktions- hat, wird über ein nicht eigens gezeichnetes, da be-
ablaufes des Brenners nach Fig. 1. kanntes Gerät, ein Hochspannungsimpuls zwischen
In F i g. 1 wird zunächst eine in ihrer Längsrich- Kathode und Anode gelegt, der den Lichtbogen zün-
tung verschiebbare, stiftförmige Kathode 1, Vorzugs- det, und über das Thyristorstellglied 13 der Strom /
weise aus Wolfram, und eine als Anode geschaltete 65 (t) eingeschaltet, der gleichfalls in F i g. 2 dargestellt
Laval-Düse 2, vorzugsweise aus Kupfer, dargestellt. ist. Der zwischen der Kathode 1 und der Anode 2 ge-
Die Düse2 wird von einer Schalet, beispielsweise zündete Bogen wird dann durch die hohe Gasströ-
aus Messing, umgriffen, die so ausgebildet ist, daß mung sofort in die Düse 2 hineinbefördert. Die Zünd-
impulse Z (ί) für das Thyristorstellglied 13 und die dazu synchronen Hochspannungsimpulse werden von der Stellung des Nockens 11 abgeleitet.
Das auf das Substrat 15 aufzuspritzende Pulver wird in der gezeichneten Darstellung dem Gas im Hochdruckteil über den Einlaß 6 beigegeben, jedoch könnte es auch an irgendeiner Stelle der Düse 2 dem Plasmastrahl zugeführt werden.
Damit kein Arbeitsgas nutzlos verloren geht, ist anzustreben, daß der Bogen die Düse bestmöglich ausfüllt. Dann geht kein kaltes Gas zwischen Bogen und Düse verloren. Das wird dadurch erreicht, daß die Stromstärke des Bogens im Verhältnis zum engsten Düsenquerschnitt etwa 20 kA/cm2 beträgt. Diese Größenangabe ergibt sich aus einer empirisch gefundenen Größenordnungsabschätzung.
" Bei der letztgenannten Betriebsweise ist die thermische Belastung der Düse 2 so groß, daß die Pulsdauern T1 5 bis 10 msec nicht übersteigen dürfen. Danach muß eine Pausenzeit T2 von z. B. 100 msec eingehalten werden, bis eine genügende Abkühlung durch das Kühlwasser erfolgt ist.
Neben dem schon oben erwähnten billigen Arbeitsgas Luft können auch teure Arbeitsgase wie Argon u. dgl. verwendet werden. Dies wird dann zweckmäßig sein, wenn das Spritzgut sich mit einem billigeren Arbeitsgas nicht verträgt, z. B. oxydationsempfindlich ist, wie z. B. Kupfer. Mit dem Brenner kann z. B. Al2O3 auf Kupfer, Wolfram auf Messing oder auch Wolframcarbid auf Stahl aufgeschichtet werden. Es können auch ausgesprochen aggressive Gase verwendet werden, die den Brenner wegen der immer nur pulsförmigen Aufheizung nicht gefährden.
Die Verluste an Gas und Spritzgut sind bei dem Brenner erheblich geringer als beim konventionellen Plasmaspritzen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

1 2 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb Patentansprüche: eines Plasmaspritzbrenners, bei welchem zwecks Er zeugung eines das zu spritzende Material in Teil-
1. Verfahren zum Betrieb eines Plasmaspritz- chenform enthaltenden Plasmastrahles zwischen brenners, bei welchem zwecks Erzeugung eines 5 einer Kathode und einer von einem Arbeitsgas das zu spritzende Material in Teilchenform ent- durchströmten, als Anode geschalteten Düse ein haltenden Plasmastrahles zwischen einer Kathode Lichtbogen brennt, dessen Brennstrom mehr als und einer von einem Arbeitsgas durchströmten, 1000 A beträgt, und einen Plasmaspritzbrenner zur als Anode geschalteten Düse ein Lichtbogen Durchführung dieses Verfahrens.
brennt, dessen Brennstrom mehr als 1000A be- ίο Plasmaspritzbrenner, d.h. Plasmabrenner zum trägt, dadurch gekennzeichnet, daß Auftragen von Oberflächenbeschichtungen, insbesondas Arbeitsgas vor seinem Eintritt in die Düse (2) dere aus hochschmelzendem, sonst schwer auftragbaeinen Druck von mehr als 2 at aufweist und der rem Material, sind bekannt (z. B. Zeitschrift für wirt-Gasfluß durch die. Düse (2) und der Brennstrom schaftliche Fertigung 64 [1969] H. 6, S. 277 bis 282; (/[*]) des Bogens synchron gepulst werden. 15 technica 1968, Nr. 19, S. 1671 bis 1720). Es handelt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- sich bei ihnen meist um Gleichstromplasmabrenner, kennzeichnet, daß der Gasfluß durch die Düse die eine Wolfram-Kathode und eine Kupferdüse als (2) und der Brennstrom des Bogens zwischen den Anode aufweisen, und bei denen der Plasmastrahl Impulsen auf Werte nahe oder gleich Null ge- mittels eines inerten Gases bei typischen elektrischen bracht werden. 20 Leistungen von einigen 10 kW erzeugt wird. Das zu
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- spritzende Material wird in den Plasmastrahl in kennzeichnet, daß der Druck des Arbeitsgases Form von Teilchen der Größe 10 bis 100 μ eingevor seinem Eintritt in die Düse (2) auf einem bracht. Die Teilchen können beispielsweise in einem Wert zwischen 2 und 20 at und der Brennstrom Gasstrom suspendiert dem Plasmastrahl beigemischt des Bogens während eines Impulses auf einem 25 werden, sie können aber auch durch Abschmelzen Wert zwischen 1 und 20 kA gehalten wird. von Drähten aus dem aufzutragenden Material in
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge- den Plasmastrahl eingebracht werden. Im Plasmakennzeichnet, daß bei einem Druck des Arbeits- strahl werden die Teilchen aufgeheizt, vorzugsweise gases vor der Düse (2) von 20 at und einem bis zu einer Temperatur, bei der sie plastisch oder Brennstrom von 20 kA die Impulsdauer, wäh- 30 flüssig werden. Außerdem werden sie durch die rend welcher ein Gasfluß und eine Bogenentla- schnelle Plasmaströmung beschleunigt. Treffen die dung stattfindet, kleiner als 10 msec, und die Teilchen dann auf das zu beschichtende Substrat auf, Dauer, während welcher kein Gasfluß und keine so bildet sich ein fest haftender, dichter Überzug.
Bogenentladung stattfindet, größer als 100 msec Es sind auch Lichtbogenspritzeinrichtungen beist. 35 kannt (»Metalloberfläche« 1969, Heft 9, S. 175 bis
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- 179), bei welchen das zu beschichtende Werkstück in kennzeichnet, daß beim Spritzen nicht oxyda- einer Schutzgaskammer angeordnet ist und das Zertionsempfindlicher Materialien Luft als Arbeits- stäubergas unter etwa 6 atü zugeführt wird. Statt des gas verwendet wird. Lichtbogenbrenners kann auf der Schutzgaskammer
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- 40 auch ein Plasmabrenner angeflanscht sein,
kennzeichnet, daß das zu spritzende Material in Weiter ist ein Plasmabrenner bekannt (»UmForm von Teilchen der Größe 10 bis 100 μ dem schau«, 1961, Heft 23, S, 714), mit welchem bei Arbeitsgas vor dessen Eintritt in die Düse (2) bei- Stromstärken bis etwas über 1000 A Spritzgut in Pulgegeben wird. verform aufgespritzt werden kann.
7. Plasmaspritzbrenner zur Durchführung des 45 Schließlich ist auch ein Plasmaspritzbrenner beVerfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekenn- kannt (»Metalloberfläche« 1966, Heft 10, S. 424 bis zeichnet, daß die Düse (2) eine Laval-Düse ist. 427), bei welchem Oszillationen der Brennspannung
8. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch 7, da- und des Schalldruckes gemessen werden.
durch gekennzeichnet, daß der Wert des Brenn- Die bekannten Plasmaspritzbrenner weisen jedoch
stromes des Bogens dividiert durch den engsten 50 den Nachteil auf, daß die Teilchen nur auf Ge-
Düsenquerschnitt etwa 20kA/cm2 beträgt und schwindigkeiten von etwa 100 bis 300 m/sec be-
die Dauer des Gasflusses und der Bogenentla- schleunigt werden können. Die aufgespritzten
dung zwischen 5 und 10 msec liegt. Schichten weisen daher oftmals nicht die erwünschte
9. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch?, da- Dichte und Haftfähigkeit auf. Außerdem ist der Bedurch gekennzeichnet, daß der Düseneinlauf 55 trieb der bekannten Plasmaspritzbrenner deswegen einen Krümmungsradius von weniger als 15 mm relativ unwirtschaftlich, weil ein großer Teil des in hat. der Regel teuren Arbeitsgases, für den Spritzprozeß
10. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch?, da- unwirksam, kühlend zwischen dem Lichtbogen und durch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) in ih- der Düsenwandung ausströmt. Schließlich können rer Längsrichtung verschiebbar und zum Ver- 60 auch oxydierende und aggressive Gase, die beispielsschluß des Düseneinlaufs geeignet ausgebildet ist, weise aus Kostengründen erwünscht sein könnten, und der Brennstrom (I[tJ) nach der Freigabe des nicht verwendet werden, weil die Wolfram-Kathode Düseneinlaufs durch die Kathode (1) eingeschal- bei hoher Temperatur in einem oxydierenden Metet und nach dem Verschluß des Düseneinlaufs dium verbrennt.
durch die Kathode (1) ausgeschaltet wird. 65 Mit einem anderen, als »Detonationsbeschichten«
bekannten Verfahren (britische Patentschrift
869 897) werden zwar Beschichtungen hoher Dichte
und Haftfähigkeit erzielt. Jedoch ist dieses bekannte
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