DE2216981C2 - Verfahren zum Betrieb eines Plasmaspritzbrenners und dessen konstruktive Ausgestaltung - Google Patents

Description

Verfahren aufwendig und teuer und es lassen -,ich auch hL-iiic oxydationsempfindlichen Teilchen wie _Z,B. Kupfer, aufspritzen. Denn die »es.;hleiin'i»un« der Teilchen geschieht durch die Reaktion son Acetylen und Sauerstoff oder ähnlichen, jedenfalls immer oxydierend wirkenden Gasgemischen. Dem Detonaiii-.nsgcmiEch wird zwecks Ersparnis von Spritzgut diese·: nur pulsweise zugesetzt.
" Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Plasmasprii/\ erfahren und einen Plasmaspritzbrenner anzugeben, welche die Nachteile der bekannten Verfahren ur.d Einrichtungen zum Plasmaspritzen vermeiden.

Die Autgabe wird dadurch gelöst, daß erfindung·,-gemaü bei einem Plasmaspritzverfahren der eingangs angegebenen Art das Arbeitsgas vor seinem Eintritt in di.· Düse einen Druck von mehr als 2 at aufweist, und lter Gasfluß durch die Düse und der Brennstrom des iJogens synchron gepulst werden. Vorzugsweise wer'ien der Gasfluß durch die Düse und der "Brennstroiii des Bogens zwischen den Impu^en auf Werte nah- oder gleich Null gebracht. Der Druck des Arbei: -jases vor seinem Eintritt in die Düse ist vorzugswei-isehr hoch, z. B. 20 at, und auch der Wert des Bannerstromes soll möglichst hoch sein, beispielswe ^e 20 kA betragen.

H:i diesen Maßnahmen wird ausgcgaimen von der mouechnisch und theoretisch erhärteten Feststellung daß in Plasmastrahlen Geschwindigkeiten von ein::jen 1000 m/sec erzeugt werden können, wenn grvtfe Werte des Bogenbrennstromes und hohe Gasdrücke vorgesehen werden. Da diese hohen Werte des Stromes und des Gasdruckes aber bei den herkömmlichen Brennern eine derart große Belastung insbesondere der Düse und der Kathode bewirken wurden, daß ein erheblicher Aufwand für die Kühlung getrieben werden müßte, wäre ein solcher Betrieb unmöglich, mindestens aber völlig unwirtschaftlich. Erst durch das synchrone Pulsen des Stromes und des Gasflusses gemäß der Erfindung werden die hohen Werte des Gasdruckes und des Stromes anwendbar, da durch die nur pulsförmige Belastune der Düse und der Kathode bei jeweils nachfolgender Belastungjfreiheit der Aufwand für die Kühlung das übliche Maß nicht zu überschreiten braucht.

Durch die hohen Geschwindigkeiten im Plasmastrahl, die sich den zu spritzenden Teilchen mitteilen, wird ein außerordentlich fest haftender und dichter Obcrflächenbelag erzielt. Die Kathode wird nur minimal belastet, und es können daher — soweit das zu spritzende Material dies zuläßt — oxydierende Gase, w.e insbesondere das billige Arbeiisgas Luft, verwendet werden. Für die Auswahl des Arbeitsgases und des zu spritzenden Materials bestehen vom Brenner her jetzt praktisch keine Einschränkungen mehr.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an Hand eines in Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels angegeben. Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsmöglichkeit eines Brenners nach der Erfindung und

F i g. 2 Diagramme zur Erläuterung des Funktionsablaufes des Brenners nach Fig. I.

In Fig. 1 wird zunächst eine in ihrer Längsrichtung verschiebbare, -ttiftförmige Kathode 1, vorzugsweise aus Wolfram, und eine als Anode geschaltete Laval-Düse 2, vorzugsweise aus Kupfer, dargestellt. Die Düse 2 wird von einer Schale 3, beispielsweise aus Messing, umgriffen, die so ausgebildet ist, daß ein Kanal 4 für die Kühlung der Düse 2 entsteh!. Das Kühlwasser wird dem Kanal 4 goniiil.l den eingezeichneten Pfeilen zugeführt b/w. entnommen. Auf tier Düse 2 ist oben ein Isolierkörper 5 hel'esligt, welcher einen Einlaß 6 aufweist. Durch diesen Einlaß 6 wird das Arbeitsgas unter hohem Druck, beispielsweise 20 at, mitsamt dem teilchenförmigen Spritzgut der Brennkammer zugeführt. Oben weist der Isolierkörper 5 eine Bohrung7 auf, in welcher eine Dichtung ungeordnet ist, die von der verschiebbaren Kathode 1 durchtreten wird. Eine sieb an einem Anschlags anstützende Feder 9 drückt die Kathode I gegen den Eintritt der Düse 2 und verschließt diesen, wenn die Kathode I nicht mittels des Hebels 10 und des Nokkens Il abgehoben ist. Die Stromversorgung geschieht über die Gleichstromquelle 12. Der Stromkreis ist durch das Thyristorstcllalied 13, das synchron zur Stellung des No.'kens Π gesteuert wird, an- und ausschalter. In der jc/eiclineten Situation ist der Stromkreis' angeschaltet. ^r:s brennt dann ein Lichtbogen zwischen der Kathode 1 und der Anode 2, der bewirkt, daß das oberhalb des Düsencintritts befindliche Arbeitsgas als leuchtender Plasrm-strahl 14 mit Überschallgeschwindigkeit aus der Laval-DüsL-2 ausströmt. Der Plasmastrahl 14 prallt dann auf das Substrat 15 auf. so daß dieses mit den in dem Plasmastrahl 14 mitjjeiiihrten, dem Arbeitsgas über den Einlaß 6 im Hocndruckleil beigegebenen aufzuspritzenden Teilchen beschichtet wird.

Die Darstellung des Brenners ist nur schematisch, und diverse Teile können konstruktiv natürlich auch anders ausgebildet s-.-in. So wird beispielsweise in der Regel außer der Anode 2 \orteilhafterweise auch die stiftförmige Kathode 1 eine Wasserkühlung aufweisen. Der Bewegungsmechanismus für die Kathode 1 wird auch in der Rege! nicht als das dargestellte Nocken-Hebelwerk 10 11 ausgebildet werden, sondern beispielsweise in einem Hubmagneten für die Kathode 1 bestehen, wodurch der Brenner handlicher wird.

Der dargestellte Brenner wird nun so betrieben, daß im Brennraum ein hoher Druck, beispielsweise von 20 at, mindestens aber von 2 at, herrscht, und die Stromstärke bei eingeschaltetem Strom einige kA, beispielsweise 20 kA, mindestens aber 1 kA, beträgt. Es brennt dann in der gezeichneten Kathodcnstcllung ein Lichtbogen mit einer Brennspannung von beispielsweise 1 kV, und der Plasmastrahl 14 tritt mit einer Geschwindigkeit von einigen 1000 m/scc aus der Düse 2 aus.

ils ist wichtig, daß der Düseneinlauf einen kleinen Krümmungsradius, vorzugsweise von weniger als 15 mm aufweist. Dadurch wird die Stabilität des Bogens gewährleistet.

Zum Pulsen des Gasflusses wird die Kathode 1 über das Nocken-Hebelwerk 1011 auf und ab bewegt, so daß der Düscncinlauf pulsförmig geöffnet und geschlossen wird. Der Wegs der Kathode 1 in Abhängigkeit der Zeit/ ist in Fig. 2 dargestellt. Wenn die Kathode 1 den Düsencinlauf freigegeben hat, wird übe" ein nicht eigens gezeichnetes, da bekanntes Gerät, ein Hochspannungsinipuls zwischen Kathode und Anode gelegt, der den Lichtbogen zündet, und über das Thyristorstellglicd 13 der Strom I (/) eingeschaltet, der gleichfalls in Fig. 2 dargestellt ist. Der zwischen der Kathode 1 und der Anode 2 gezündete Bogen wird dann durch die hohe Gasströmung sofort in die Düse 2 hineinbefördert. Die Zünd-

impulse 7. (ή für das Thyrislorstcllglied 13 und die da/u synchronen Hochspaiuiungsimpulse werden von der .Stellung des Nockens M abgeleitet.

Das auf das Substrat 15 aufzuspritzende Pulver wird in der gezeichneten Darstellung dem Gas im Hochdruckteil über den Hinhiß 6 beigegeben, jedoch könnte es auch an irgendeiner Stelle der Düse 2 dem Plasmastrahl zugeführt werden.

Damit kein Arbeilsgas 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 Größcniingabe ergibt sich aus einer empirisch gefundenen Gröücnordnungsnbschätzung.

Bei der letztgenannten Betriebsweise ist die thermische Belastung der Düse 2 so groß, daß die Pulsdauern T_x 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 Arbeitsgasc 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. AI₂O., 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 pulsförmigcn 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. Patentansprüche:

   I. Verfahren zum Betrieb eirujs Plusmaspritz· brenners, bei welchem zwecks Erzeugung eines das zu spritzende Material in Teilchenform enthaltenden Plasmastrahles zwischen einer Kathode und einer von einem Arbeitsgas durchströmten, als Anode geschalteten Düse ein Lichtbogen brennt, dessen Brennstrom mehr als 1000 A beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas vor seinem Eintritt in die Düse (2) einen Druck von mehr als 2 at aufweist und der Gasfluß durch die Düse (2) und der Brennstrom (/[/]) des Bogens synchron gepulst werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasfluß durch die Düse (2) und der Brennstrom des Bogens zwischen den Impulsen auf Werte nahe oder gleich Null gebracht werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Arbeitsgases vor seinem Eintritt in die Düse (2) auf einem Wert zwischen 2 und 20 at und der Brennstrom des Bogens während eines Impulses auf einem Wert zwischen 1 und 20 kA gehalten wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Druck des Arbeitsgases \or der Düse (2) von 20 at und einem Brennstrom von 20 kA die Impulsdauer, während welcher ein Gisfluß jnd eine Bogenentladung stattfindet, kleiner als. 10 msec, und die Dauer, während welcher kein Gasfluß und keine Bogenentladung stattfindet, größer als 100 msec ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Spritzen nicht oxydationsempfindlicher Materialien Luft als Arbeitsgas verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu spritzende Material in Form von Teilchen der Größe 10 bis 100 μ dem Arbeitsgas vor dessen Eintritt in die Düse (2) beigegeben wird.
7. 7. Plasmaspritzbrcnner zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (2) eine Laval-Düse ist.
8. 8. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Brennstromes des Bogens dividiert durch den engsten Düsenquerschnitt etwa 20 kA/cm² beträgt und die Dauer des Gasflusses und der Bogenentladung zwischen 5 und 10 msec liegt.
9. 9. Plasmaspritzbrcnner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Düseneinlauf einen Krümmungsradius von weniger als 15 mm hat.
10. 10. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) in ihrer Längsrichtung verschiebbar und zum Verschluß des Düseneinlaufs geeignet ausgebildet ist, und der Brennstrom (/[/]) nach der Freigabe des Düseneinlaufs durch die Kathode (1) eingeschaltet und nach dem Verschluß des Düscneinlaufs durch die Kathode (1) ausgeschaltet wird.

    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieh eines Plasmaspritzbrenners, bei welchem zwecks Erzeugung eines das zu spritzende Material in Teüchenfürm enthaltenden PlüsnmstrahSes zwischen einer Kathode und einer von einem Arbeiisgas durchströmten, als Anode geschalteten Düse ein Lichtbogen brennt, dessen Brennstrom mehr als iOOOA beträgt, und einen Plasmaspritzhrenner zur Durchführung dieses Verfahrens.

    ίο Plasmaspritzbrenner, d. h. Plasmabrenner zum Auftragen von Oberflächenheschichtungen, insbesondere aus hochschm Uzendem, sonst schwer auftragbarem Material, sind bekannt (z. B. Zeitschrift für wirtschaftliche Fertigung 64 [1969] H. 6, S. 277 bis 282; technica 1968, Nr. 19, S. 1671 bis 1720). Es handelt sich bei ihnen meist um Gleichstromplasmabrenncr, die eine Wolfram-Kathode und eine Kupferdüse als Anode aufweisen, und bei denen der Plasmastrah! mittels eines inerten Gases bei typischen elektrischen ao Leistungen von einigen 10 kW erzeugt wird. Das zu spritzende Material wird in den Plasmastrahl in Form von Teilchen der Größe 10 bis 100 μ eingebracht. Die leuchen können beispielsweise in einem Gasstrom suspendiert dem Plasmastrahl beigemischt werden, sie können aber auch durch Abschmelzen von Drähten aus dem aufzutragenden Material in den Plasmastrahl eingebracht werden. Im Piasmastrah! werden die Teilchen aufgeheizt, vorzugsweise bis zu einer Temperatur, bei der sie plastisch oder flüssig werden. Außerdem werden sie durch die schnelle Plasmaströmung beschleunigt. Treffen die Teilchen dann auf das zu beschichtende Substrat auf, so bildet sich ein fest haftender, dichter Überzug.

    Es sind auch Lichtbogenspritzeinrichtungen bekannt (»Metalloberfläche« 1969, Heft 9, S. 175 bis 179), bei welchen das zu beschichtende Werkstück in einer Schutzgaskammer angeordnet ist und das Zerstäubergas unter etwa 6 atü zugeführt wird. Statt des Lichtbogenbrenners kann auf der Schutzgaskammer auch ein Plasmabrenner angeflanscht sein.

    Weiter ist ein Plasmabrenner bekannt (»Umschau«, 1961, Heft 23, S. 714), mit welchem bei Stromstärken bis etwas über IOOOA Spritzgut in Pulverform aufgespritzt werden kann.

    Schließlich ist auch ein Plasmaspritzbrenner bekannt (»Metalloberfläche« 1966, Heft 10, S. 424 bis 427), bei welchem Oszillationen der Brennspannung und des Schalldruckes gemessen werden.

    Die bekannten Plasmaspritzbrenner weisen jedoch den Nachteil auf, daß die Teilchen nur auf Geschwindigkeiten von etwa 100 bis 300 m/sec beschleunigt werden können. Die aufgespritzten Schichten weisen daher oftmals nicht die erwünschte Dichte und Haftfähigkeit auf. Außerdem ist der Betrieb der bekannten Plasmaspriizbrenner deswegen relativ unwirtschaftlich, weil ein großer Teil des in der Regel teuren Arbeitsgases, für den Spritzprozeß unwirksam, kühlend zwischen dem Lichtbogen und der Düsenwandung ausströmt. Schließlich können auch oxydierende und aggressive Gase, die beispielsweise aus Kostengründen erwünscht sein könnten, nicht verwendet werden, weil die Wolfram-Kathode bei hoher Temperatur in einem oxydierenden Medium verbrennt.

    Mit einem anderen, als »Detonationsbeschichten« bekannten Verfahren (britische Patentschrift 869 897) werden zwar Beschichtungen hoher Dichte und Haftfähigkeit erzielt. Jedoch ist dieses bekannte