DE2327395A1

DE2327395A1 - Verfahren und vorrichtung zum beeinflussen von gasausstroemungen hoher temperatur

Info

Publication number: DE2327395A1
Application number: DE2327395A
Authority: DE
Inventors: Keith Graham Ford; Christopher John Scott Guest
Original assignee: Union Carbide UK Ltd
Current assignee: Union Carbide UK Ltd
Priority date: 1972-05-30
Filing date: 1973-05-29
Publication date: 1973-12-13
Also published as: GB1433137A; CA1000125A; CH589145A5; DE2327395C3; JPS4979932A; FR2186851A5; DE2327395B2; JPS5318173B2

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWAN

BÜRO: 8000 MÜNCHEN 83 · ELFENSTP.ASSE 32

L-9356-G

UNION CARBIDE U.K. LIMITED 8, Grafton Street, London WIA 2LR / England

Verfahren und Vorrichtung zum Beeinflussen von Gasausströmungen hoher Temperatur

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Beeinflussen von Gasausströmungen hoher Temperatur und betrifft insbesondere ein·verbessertes Plasmaspritzverfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Das Plasmaspritzen stellt ein Beschichtungsverfahren dar, bei dem teilchenförmiger Beschichtungswerkstoff in einen mittels eines Plasmabrenners erzeugten Plasmastrom eingebracht wird, in dem der Pulverstrom erhitzt und in Richtung auf das zu beschichtende Werkstück beschleunigt wird. Um für gute Eigenschaften der auf diese Weise gebildeten Beschichtung zu sorgen, muß im allgemeinen die Beschichtung als eine Folge von gesonderten Lagen aufgebaut werden, wobei die Dicke jeder dieser Lagen von der Art der aufzubringenden Beschichtung abhängt. Für einen vorgegebenen- Beschichtungswerkstoff besteht jedoch, wenn eine Beschichtung mit zufriedenstellenden Eigenschaften, d. h. mit guter Härte, geringer Porosität, Rißfreiheit und hoher Haftfestigkeit, erhalten werden soll, ein oberer

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Grenzwert für die Dicke jeder der einzelnen Lagen.

Die Dicke jeder einzelnen Lage hängt von dem für das Beschichtungspulver vorgesehenen Auftragsflüß und, wenn das Werkstück, wie dies für gewöhnlich der Fall ist, relativ zu dem Plasmastrom bewegt wird, von der Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Plasmastrom (als Oberflächengeschwindigkeit des Werkstücks bezeichnet) ab.

Der Auftragsfluß (oder die Auftragsstromdichte) hängt von der in • den Plasmastrom eingebrachten Menge an Beschichtungspulver und auch, weil sich das Pulver auszubreiten sucht, während es von der Zuführstelle in Richtung auf das Werkstück läuft, von dem Abstand ab, den das in den Plasmastrom eingebrachte Pulver durchläuft, bevor es auf das Werkstück trifft.

Je niedriger die Fördermenge des Beschichtungspulvers ist, desto geringer ist der Auftragsfluß. Je größer der Abstand ist, den das Beschichtungspulver durchläuft, bevor es auf das Werkstück trifft, desto kleiner wird der AuftragsfIuS.

Plasmabrenner weisen eine erste und eine zweite Elektrode auf, zwischen denen ein elektrischer Lichtbogen aufrechterhalten wird. Ein Gas wird durch diesen Lichtbogen und dann durch eine den Lichtbogen einschnürende Düse hindurChgetrieben. Das Gas wird durch den Lichtbogen erhitzt und bildet ein Plasma, das die Düse mit hoher Geschwindigkeit verläßt. Das Beschichtungspulver

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kann in das Plasma entweder innerhalb des Brenners selbst oder außerhalb des Brenners eingebracht werden. Oa das Pulver die zur Beschichtung erforderliche Temperatur erreichen mu8, bevor es zu der zu beschichtenden Oberfläche gelangt, muß es in dem Plasma lange genug verbleiben, um die für das jeweils, benutzte Beschichtungspulver notwendige Temperatur anzunehmen.»

Wenn das Beschichtungspuiver innerhalb des Brenners irr den Lichtbogen selbst eingeführt wird, findet eine sehr rasche Aufheizung des Pulvers statt, so daß die Beschichtungstemperatur rasch erreicht wird und das zu beschichtende Substrat nur in einen kurzen Abstand, beispielsweise 15 bis 3O mm, von der Brennerdüse angeordret werden kann. Bei derart geringen Abständen sind jedoch sehr hohe Oberflächengeschwindigkeiten erforderlich, um gute Beschichtungseigenschaften zu erzielen. Obwohl gefunden wurde, daß derartige Beschichtungen die bei weitem besten bisher erreichbaren Eigenschaften haben_s kann sich ein solches Vorgehen als prohibitiv kostspielig und damit unwirtschaftlich erweisen,. Außerdem bringen hohe Oberflächengeschwindigkeiten zuweilen potentielle Sicherheitsprobleme mit sich, die es unerwünscht oder unmöglich machen, mit derart hohen Geschwindigkeiten zu·arbeiten.

Durch geeignete Wahl der Pulver fördermenge kann: eine gewisse Verringerung der Oberflächengeschwindigkeit erzielt werden, Daoei ergeben sich aber längere Beschictrtungszeiten und damit höhere Kosten, wodurch etwaige Kostenvorteile einer geringeren Oberfläche ngeschwindigkeit zunichte gemacht werden. Eine Vergrößerung

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des Abstandes zwischen Brenner und Substrat (im allgemeinen als Spritzabstand bezeichnet) ermöglicht ebenfalls die Anwendung von geringeren Oberflächengeschwindigkeiten, doch hatten die bisher bei großem Spritzabstand erzeugten Überzüge eine geringere als die normale Härte und eine Neigung zu Porosität.

Wird das Pulver außerhalb des eigentlichen Brenners eingebracht, ist die Geschwindigkeit, mit der das Pulver erhitzt wird, geringer. Infolgedessen sind eine längere Verweildauer im Plasma und folglich ein größerer Spritzabstand unvermeidbar. Bei derartigen Verfahren wird daher für gewöhnlich mit niedrigen Oberflächengeschwindigkeiten gearbeitet. Auch die auf diese Weise hergestellten Beschichtungen haben jedoch den Nachteil, daß ihre Härte geringer als normal ist und daß sie zu Porosität neigen.

Es wurde versucht, Verbesserungen durch die Anwendung von den Plasmastrom umgebenden Ummantelungen oder Rohren und durch die Verwendung von Inertgasstrahlen zu erzielen;, auf diese Weise sollte insbesondere die umgebende Luft ferngehalten werden und sollten die Beschichtungseigenschaften verbessert werden. Ein solches Vorgehen war jedoch bei den Spritzabständen, die für eine niedrige Oberflächengeschwindigkeit bei einer wirtschaftlichen Pulverfördermenge erforderlich sind, nicht von wesentlichem Erfolg.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plasmaspritzen zu schaffen, die es erlauben, ver-

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besserte Harte und geringere Neigung zu Porosität bei großem

Spritzabstand und niedriger Oberflachengeschwindigkeit zu erzielen.

Ein Verfahren zum Herstellen von plasmagespritzten Beschichtungen, bei dem ein Lichtbogen zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode aufrechterhalten, ein Gas unter Bildung einer heißen Gasausströmung in den Lichtbogen eingeleitet und die heiße Gasausströmung durch eine den'Lichtbogen einschnürende Düse hindurchgeleitet sowie zusammen mit einem von ihr mitgeführten Beschichtungspulver auf em zu beschichtendes· Substrat gerichtet wird, ist erfindun.gsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Weges von der Düse zum Substrat so gewählt wird, daß für niedrige Auftragsflußwerte gesorgt wird und dementsprechend mit niedrigen Substratoberflächengeschwindigkeiten gearbeitet werden kann, und daß die heiße Gasausströmung und das mitgeführte Beschichtungspulver durch eine zwischen der Düse und dem zu beschichtenden Substrat vorgesehene Unterdruckzone (d. h. eine Zone, in der ein unter dem Atmosphärendruck liegender Druck herrscht) hindurchgeleitet werden.

Um niedrige Oberflächengeschwindigkeiten bei wirtschaftlichen Pulverfördermengen zu erzielen, wird zweckmäßig mit einem Abstand zwischen Substrat und Auslaß der Düse von mehr als.75 mm gearbeitet. Die Pulverfördermenge kann je nach dem spezifischen Gewicht des Pulvers, zweckmäßig zwischen 25 und 60 g/min liegen. Vorzugsweise wird mit einer Oberflächengeschwindigkeit von we-

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niger als 250 mm/s gearbeitet. Der in der Unterdruckzone herrsehende Unterdruck braucht nicht sehr groß zu sein; erhebliche Verbesserungen der Beschichtungsgüte wurden bereits bei Unterdrücken von. nur ungefähr 40 mm Quecksilber erzielt.

Die Unterdruckzone sollte über einen größeren Teil der Wegstrecke des mitgeführten Beschichtungspulvers reichen und hat vorzugsweise einen ausreichenden Durchmesser, um die den Brenner verlassende Ausströmung zu umfassen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die heiße-Gasausströmung und das mitgeführte Beschichtungspulver durch eine zwischen der Düse und dem zu beschichtenden Substrat angeordnete Kammer hindurchgeleitet und wird, der innerhalb der Kammer befindliche Bereich, beispielsweise mittels einer Vakuumpumpe, auf einem Unterdruck gehalten. Das Einlaßende der Kammer ist dabei vorzugsweise durch zweckentsprechende Mittel mit der Düse gasdicht verbunden. Im allgemeinen sollte die Oberfläche des Substrats dicht am Auslaß der Kammer liegen, z. B. innerhalb eines Bereichs von ungefähr 10 mm vom Auslaß.

Vorzugsweise reicht die Unterdruckzone über die gesamte Wegstrecke der Gasausströmung von der Düse bis zum Substrat. Dafür kann beispielsweise gesorgt werden, indem das Beschichtungsverfahren innerhalb eines"Vakuumtanks ausgeführt wird, der auf einem unterhalb des Atmosphärendrucks liegenden Druck gehalten wird. Diese Ausführungsform hat einige Nachteile_sbeispielsweise

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•im Hinblick auf die. Zugdnglichkeit des Werkstückes wahrend des Beschichtungsvorganges. -Gleichwohl können auf diese Weise Beschichtungen hoher Güte bei niedrigen Oberflächengeschwindigkeiten hergestellt werden.

Als noch günstiger erwies es sich, die heiße Gasausströmung und das mitgeführte Beschic+itungspulver durch ein Rohr hindurchzuleiten, in dem eine ünterdruckzqne durch Hindurchleiten einer Gashülle erzeugt wird, die sich auf einer wendeiförmigen Bahn zwischen der Rohrinnenfläche und der. heißen Gasausströmung sowie dem mitgeführten Pulver entlang dem Rohr bewegt. Die Gashülle durchläuft das Rohr vorzugsweise in derselben Hauptrichtung wie die Gasausströmung, so daß sich die Unterdruckzone über eine kurze Strecke (beispielsweise ungefähr 10 bis 2O mm) über die Rohrmündung hinauserstreckt, aus der.die Gasausströmung austritt. Der Auftreffbereich des Pulvers auf der Substratoberfläche wird vorzugsweise innerhalb dieser Verlängerung der Unterdruckzone gehalten. Das Einlaßende des Roh.rs steht mit der Düse vorzugsweise in gasdichter Verbindung, während die Unterdruckzone von der Düse bis ^u der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats reichen kann.

Das Rohr braucht nicht zylindrisch zu sein. Es kann beispielsweise entlang mindestens eines Teils seiner Länge Kegelform haben, wobei der Rohrdurchmesser mit zunehmendem Abstand von der Düse größer wird. Auch andere Rohrformen sind möglich; weitere Beispiele sind im folgenden näher erläutert.

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_ 8 — '

Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Beschichtungspulver gleichfalls in den Lichtbogen eingebracht und durch die den Lichtbogen einschnürende Düse hindurchgeleitet.

Mit der Erfindung wird ferner eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, elektrischen Zuführungen, mittels deren der ersten Elektrode eine Spannung aufdrückbar ist, die eine Lichtbogenentladung zwischen erster und zweiter Elektrode aufrechtzuerhalten gestattet, einer den Lichtbogen einschnürenden Düsenanordnung, einer Einrichtung, die Gas mit einstellbarer Durchflußmenge zuführt und in den Lichtbogen hinein sowie durch die Düse hindurchleitet, um eine heiße Gasausströmung aus der Düse zu erzeugen, sowie mit einer Anordnung, mittels deren ein Beschichtungspulver in einstellbarer Menge in das Gas einführbar ist, um für einen heißen,, Beschichtungspulver mitführenden austretenden Gasstrom zu sorgen und diesen Gasstrom auf ein zu beschichtendes Substrat zu richten und dort auftreffen zu lassen, geschaffen, die gekennzeichnet ist durch eine mindestens einen Teil der Wegstrecke des Stromes umgebende Ummantelung und einen Unterdruckerzeuger, der in der Ummantelung eine Unterdruckzone ausbildet und aufrechterhält.

Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung wird die Ummantelung von einer Kammer gebildet, die von der Düse ausgeht, mit dieser gasdicht verbunden ist und in einer von der Düse ablie-

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_ 9 —

genden Wand eine Öffnung hat_P die den von der heißen Gasausströmung und dem mitgeführten Beschichtungspulver gebildeten Strom durchtreten läßt, wobei die Kammer mit einem an eine Vakuumpumpe anschließbaren Gasauslaß versehen ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Ummantelung ein Rohr auf und ist eine Anordnung vorgesehen, die eine sich in einer wendeiförmigen Bahn entlang der Rohrinnenfläche bewegende Gashülle erzeugt und auf diese Weise eine Unterdruckzone innerhalb des Rohres ausbildet. Vorzugsweise hat das Rohr eine kegelstumpfförmige Gestalt _t wobei das engere Rohrende der Düse näher liegt. Um beste Ergebnisse zu erzielen, sollte das Rohr_s vorzugsweise gasdicht, mit der Düse verbunden sein. Im Rahmen der Erfindung lassen sieh auch andere Rohrformen verwenden . -

Die die wirbelnde Gashülle erzeugende Anordnung kann beispielsweise einen Gasinjektor aufweisen, der mit einem spiralförmigen Durchlaß in Verbindung steht, dessen Auslaß oder Auslässe benachbart der Rohrinnenfläche, vorzugsweise am Einlaßende des Rohres, angeordnet ist bzw. sind. Statt dessen können auch mehrere tangential gerichtete Gaseinlaßöffnungen im Rohr selbst oder in einem gesondertenBauteil vorgesehen sein, bei dem es sich beispielsweise um den Anschluß zwischen dem Rohr und der Düse handeln kann. Die Anordnung zum Erzeugen der Wirbelgashülle kann auch in der Düse oder im Brenner selbst angeordnet sein.

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Der im Rahmen der Erfindung verwendete Plasmabrenner selbst kann in beliebiger herkömmlicher Weise aufgebaut sein. Vorzugsweise wird mit Brennern gearbeitet, bei denen das Beschichtungspulver in den Lichtbogen eingeführt wird.

AusfUhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung nach „der Erfindung,

Figur 2 einen Schnitt einer Vorrichtung ähnlich Figur 1,

bei- der jedoch ein Rohr vorgesehen ist, dessen Innenfläche kegelstumpfförmig ausgebildet ist,

Figur 3 einen Schnitt einer abgewandelten Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Figuren 4 bis 6 Schnitte von Vorrichtungen ähnlich der Vorrichtung nach Figur 1, wobei die Form und die Art der Einführung der Wirbelgashülle variieren, und

Figur 7 · einen Schnitt einer Vorrichtung ähnlich Figur 1, bei der jedoch ein Spalt zwischen der Ummantelung und der Düse vorgesehen ist.

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Eine innerhalb eines Blockes 2 angeordnete Düse 1 bildet die Anode eines einen gebündelten Plasmastrahl erzeugenden Brenners, dessen andere Elektrode aus einem Stab 3 besteht.

Der übrige Teil des Brenners ist nicht veranschaulicht. Die Düse 1 weist eine Öffnung 4 auf, die in einem Auslaß 5 endet.· Von dem Block 2 geht ein Rohr 6 aus, das an dem Block 2 mit Hilfe nicht veranschaulichter zweckentsprechender Mittel angebracht ist. Ein innerhalb des Rohres angeordneter Gasinjektoreinsatz 7 ist mit einem durchgehenden konischen Durchlaß 8 versehen, der sich vom Auslaß 5 der Düse 1 ausgehend erweitert. Eine Gaseinlaßleitung 9 steht mit einem spiral- oder wendelförmigen Kanal 10 von rechteckigem Querschnitt in Verbindung, der dadurch gebildet wird, daß sich ein in die Außenfläche des Einsatzes'7 eingeschnittenes· Flachgewinde 11 gegen die Innenfläche 12 des Rohrs 6 anlegt. Während in Figur Ί ein eingängiges Gewinde 11 veranschaulicht ist, können in der Praxis auch mehrgängige Gewinde vorgesehen werden» In ähnlicher Weise kann statt mit nur einer Einlaßleitung 9 mit mehreren Einlaßleitungen gearbeitet werden. In die Einlaßleitung 9 eingebrachtes Gas gelangt in den wendelförmigen Kanal 10 und tritt durch diesen hindurch, wobei es eine wendeiförmige Bewegung entlang der Innenfläche 12 des Rohrs 6 ausführt. Diese dem Gas vermittelte wendeiförmige Bewegung wird fortgesetzt, nachdem das Gas den Kanal 1O verläßt, so daß das .Gas unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft in der Nähe der Innenfläche "12 des Rohrs 6 zu bleiben sucht, während es entlang dem Rohr läuft.

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In Figur 2 sind der Ausführungsform nach Figur 1 entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der wesentliche Unterschied zwischen der Ausführungsform nach Figur 2 und derjenigen nach Figur 1 liegt in der kegelstumpfförmigen Gestalt der Innenfläche 12 des Rohrs 6 in dem auf den Gasinjektoreinsatz 7 folgenden Teil. Bei dieser Ausbildung dürfte der effektive Durchmesser der Niederdruckzone mit wachsendem Abstand von der Düse zunehmen, wodurch die Neigung des austretenden Spritzstrahls vermindert wird, sich in die Hochdruckzone nahe der Innenfläche 12 des Rohrs 6 hineinzubewegen.' Bei der Ausführungsform nach Figur 2 führt die Einlaßleitung 9 in einen Ringraum 13, der von einer Nut 14 in einem Abstandsstück 15 und einem anstoßenden Flansch 16 des Gasinjektoreinsatzes 7 gebildet wird. Im Flansch 16 vorgesehene Gasdurchlässe 17 lassen Gas in einen zweiten Ringraum 18 gelangen, der seinerseits mit dem wendelförmigen Kanal 10 in Verbindung steht.

Bei der Ausführungsform nach Figur 3 ist eine Kammer 19 am Block 2 gasdicht angebracht. In einer Endwand 20 befindet sich eine Öffnung 21 , durch die hindurch de-r Plasmastrahl und das von diesem mitgeführte Pulver aus der Kammer austreten können. Eine Leitung 22 geht vom Körper 23 der Kammer aus und.ist an eine nicht veranschaulichte Vakuumpumpe anschließbar. Im Betrieb wird der Druck auf einem unter dem Atmosphärendruck liegenden Wert gehalten, indem Gas über die Leitung 22 abgesaugt wird, wodurch innerhalb der Kammer 19 eine Unterdruckzone aufrechterhalten wird. Die heiße Gasausströmung' verläßt die Düse, läuft durch

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die Kammer hindurch, tritt aus der Öffnung 21 aus und trifft auf ein nicht veranschaulichtes Substrat, das dicht an der Öffnung 21 gehalten wird.

Bei der Ausführungsform nach Figur 4 wird das Hüllgas in Durchlässe 24 eingeführt, die in einem Abstandsstück 25 ausgebildet sind, das einerseits am Block 2 und andererseits am Rohr 6 angebracht ist. Die Durchlässe.24 stehen mit einem Ringraum 26 in Verbindung, der seinerseits mit dem wendeiförmigen Kanal 1O verbunden ist.

Bei der Ausführungsform nach Figur 5 steht ein in einem Abstandsstück 28 ausgebildeter Gasdurchlaß 27 mit einem Ringraum 29 zwischen dem Abstandsstück 28 und einem mit eine.m Flansch ausgestatteten ringförmigen Einsatz 3O in Verbindung, in dem mehrere tangential verlaufende Gasdurchlässe 31 vorgesehen sind, die von dem Ringraum 29 zu einem ringförmigen Kanal 32 führen. Hüllgas wird dem Durchlas 27 zugeleitet und st,römt von dort über den Ringraum 29 und die Gasdurchlässe 31 in den ringförmigen Kanal 32. Es läuft dann entlang der Innenfläche des Einsatzes 30 und anschließend entlang der Innenflädne 12 des Rohrs 6 weiter. Durch die Ausrichtung der Durchlässe 31 wird dem Hüllgas eine wendelfdrmige Bewegung vermittelt. Figur 5A zeigt einen Schnitt entlang der Linie X-X der Figur 5 und läßt die Winkelausrichtung der Gasdurchlässe 31 erkennen.

Bei der Ausführungsform nach Figur 6 ist das Rohr 6 innen mit

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einer Verengung versehen, wobei die Innenfläche 12 von der Rohrmündung aus konisch nach innen bis zu einem Kleinstdurchmesser an der Stelle 33 und dann wieder nach außen zu einem ringförmigen Kanal 34 verläuft, der in einem Abstandsstück 35 ausgebildet ist. Der wendeiförmige Kanal 10 befindet sich zwischen dem Kanal 34 und einer Gaseinlaßöffnung 36. Dem in die Gaseinlaßöffnung 36 eingeführten Hüllgas wird durch den wendeiförmigen Kanal IO eine spiral- oder wendeiförmige Bewegung vermittelt; das Gas läuft dann über den Kanal 34 entlang der Innenfläche 12 des Rohrs 6.

Bei der Ausführungsform nach Figur 7 ist zwischen dem Auslaß 5 und einem Abstandsstück 38 ein Spalt 37 freigelassen, wobei die beiden Vorrichtungsabschnitte durch nicht veranschaulichte Mittel starr in dieser Lage gehalten werden. Die zur Ausbildung der Wirbelhülle dienende Anordnung ist ähnlich derjenigen nach den Figuren 1 und 4.

Das erfindungsgemäße Verfahren sei anhand der folgenden Beispiele näher erläutert;

Beispiel I

Ein Plasmabrenner der aus der GB-PS 869 791 bekannten Art wurde abgewandelt, indem er mit einer Verlängerung im wesentlichen entsprechend den beiliegenden Zeichnungen versehen wurde. Das Rohr hatte eine Länge von 127 mm und einen Innendurchmesser von 35 mm. Der Gasinjektor war mit einem viergängigen Flachgewinde mit

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0,8 Zähnen/cm versehen» Die Gewindeschnittbreite betrug 2,38 mm, die Schnittiefe 1,19" mm. Der Injektor hatte eine Gesamtlänge von 25,4 mm,

Mit Hilfe dieses abgewandelten Brenners wurde ein zuvor sandgestrahltes Werkstück beschichtet, das in einem Abstand von 13 mm von der Mündung des Rohrs für eine Zeitspanne angeordnet wurde, die für den Aufbau einer zweckentsprechenden Beschichtung ausreichte (ungefähr 3 s). Das Werkstück und der Brenner wurden während des Beschichtungsvorganges nicht bewegt= Bei dem Beschichtungswerkstoff handelte es äich um einen Stellit 31 (eine Kobaltbasislegierung mit 20 % Cr, 10 % Ni₁ 7,5 % W, Rest Co) in Form eines Pulvers mit einer maximalen Teilchengröße von 0,044 mm. Es wurde mit einer Brennergasmenge von 4,59 m /h, einer Pulverträgergasmenge von 3,91 m /h und einer Hüllgasmenge von 21,9 m /h, alles Argon, gearbeitet. Die Pulverfördermenge betrug 37 g/min. Die erhaltene Beschichtung hatte die folgenden Eigenschaften;

Oxidgehalt 0,2 %
Porosität 0„2 %
Querschnittsmikrohärte 292 VPN Haftfestigkeit mehr als 5,60 kp/mm

Es wurde keine Rißbildung oder Loslösung des Überzugs beobachtet»

Hätte man unter den obigen Bedingungen den nicht abgewandelten Brenner benutzt, wäre selbst bei einem Abstand von 38 mm vom Werk-

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stück eine Relativgeschwindigkeit von 2.54 m/min zwischen Werkstück und Brenner erforderlich gewesen, um eine ähnliche Beschichtung aufbringen zu können.

Beispiel II

Bei diesem Beispiel wurden zwei abgewandelte Brenner verwendet, und zwar (a) ein Brenner ähnlich dem in Beispiel I verwendeten, bei dem jedoch der Rohrinnendurchmesser 25,4 mm betrug und ein nicht mit Gewinde versehener Gasinjektor für einen Ringraum von 1,19 mm Dicke zwischen dem Injektor und dem Rohr sorgte, sowie (b) ein Brenner ähnlich demjenigen nach Beispiel I mit einem Rohrinnendurchmesser von 25,4 mm, und einem Gasinjektor, der entsprechend dem Beispiel I mit Gewinde versehen war. Die abgewandelten Brenner wurden mit einer Brennergasmenge von 4,59 m /h und einer Pulverträgergasmenge von 4,59 m /h, beides Argon, sowie mit einer Pulverfördermenge von 25 g/min Chromoxid betrieben. Es wurden in der unten angegebenen Weise drei Versuche durchgeführt. In jedem Fall stand das Werkstück gegenüber dem Brenner still und hatte vom Rohrende einen Abstand von 25,4 mm.

(i) Es wurde der abgewandelte Brenner A ohne-Gashülle benutzt. Die erhaltene Beschichtung hatte die folgenden Eigenschaften:

Porosität 5 %
Qü'erschnittsmikrohärte 1204 VPN

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(ii) Ein Argonhüllgas wurde über den Ringraurn des Brenners A in einer Durchflußmenge von 21,9 m /h so eingeführt, daß es in einer zur Längsachse des Rohrs parallelen Richtung strömte. Die Beschichtung hatte die folgenden Eigenschaften;

Porosität 4 %
Querschnittsmikrohärte 966 VPN

(iii) Bei Verwendung des Brenners B und zwei verschiedenen Hüllgasen wurden die folgenden Ergebnisse erzielt:

Hüllgas- . Gas Porosität d. Querschnittsmikro-

strom Beschichtung härte d. Beschicht,

21,9 m³/h Argon 2,5% - 1300 VPN

19,1 m³/h Stickstoff 3,0 % 1261 VPN

Die obigen Ergebnisse sollten den Ergebnissen der folgenden Vergleichsbeispiele gegenübergestellt werden:

VergleichsbeispieIe

(i) Unter Verwendung eines nicht abgewandelten Brenners wurden bei gleicher Brennergasmenge, Pulverträgergasmenge und Pulverfördermenge wie in Beispiel II, einem Spritzabstand von 19 mm und einer Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Brenner von 305' m/min Überzüge mit

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einer Porosität von weniger als 3 %, normalerweise 1 bis 2 %, und einer Querschnittsmikrohärte im Bereich von 1150 bis 14OO VPN erhalten.

(ii) Bei Verwendung eines Spritzabstandes von 127 mm und gegenüber dem Brenner feststehendem Werkstück stieg die Porosität auf 5 %, während die Querschnittsmikrohärte auf 890 VPN abfiel.

In den folgenden Beispielen ist die Beschichtungsgeschwindigkeit in mm Beschichtungsdicke je s angegeben. Die genannten Porositätswerte wurden auf visuelle Weise unter Verwendung genormter Vergleichsstücke bestimmt; wo in Klammern die Zahlen 10 oder 20 angegeben sind, bezieht sich dies auf die mittlere Größe der Poren in ,um, bestimmt auf optischem Wege. Die Härtewerte wurden entsprechend ASTM-E-92 ermittelt. Wenn das Vorhandensein von Oxid angegeben ist, wurde die Oxidmenge auf visuelle Weise bestimmt.

Beispiel III

Eine Vorrichtung ähnlich Figur 2, jedoch mit einem zylindrischen Rohr von 25,4 mm Durchmesser und einer Gesamtlänge von 93,7 mm, wurde zum Herstellen von Beschichtungen unter den folgenden Bedingungen verwendet. Die erzielten-Ergebnisse sind in der Tabelle I zusammengefaßt.

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Brenne !"bedingungen

Pulverzusammensetzung: ' Pulverfördermenge: Brennerart:
Lichtbogenleistungs Gesamtbrennergasmenge: Gaszusammensetzung: Spritzabstand: Oberflächengeschwindigkeit:

Dichromtrioxid 3O g/min Mode H-Nr. 1.101A 9,0 kW

8,50 m³/h Argon 114,3 mm 2,54 m/min

Tabelle I

Art d. Unter- druckherstel- lung	Unterdrν (mm Hg)	BeSchichtungsdaten	Härte (VPN)	Porosität (%)	Beschicht,-Geschw. (mm/s)
Brenner allein	0	963	4,5	0,122
22,7 m³/h Argonhüllgas	61	1041	3,5	0,254
45,3 m³/h Argpnhüllgas	119	1O92	3,5	0,190 .
56,6 m³/h Argonhüllgas	157	1043	5,0 -	0,190

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Beispiel IV _;

E.ine Vorrichtung nach Art der Figur 2 mit einer Gesamtrohrlänge
von 81 mm, das sich von einem Innendurchmesser von 25,4 mm an der Einführstelle des Hüllgases aus mit einem Winkel von 22 über eine axiale Länge von 50,8 mm erweiterte, wurde unter den folgenden Bedingungen verwendet. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle II zusammengestellt.

Brennerbedingungen

Pulverzusammensetzung: Pulverfördermenge: Brennerart:
Lichtbogenleistung: Gesamtbrennergasmenge: GaszusämmenSetzung: Spritzabstand: Oberflächengeschwindigkeit:

Dichromtrioxid 30 g/min Modell-Nr. 1101A 9,0 kW 8,5O m³/h ■ Argon 114,3 mm 2,54 m/min

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Tabelle II

Art d. Unter druckherstel lung	Unterdr. (mm Hg)	BeSchichtungsdaten	Harte (VPN)	Porosität (%)	Beschicht.-Geschw. (mm/s)
Brenner allein	O	963	4,5	0,135
22,7 m³/h Argonhüllgas	41.	1183	3,5	0,241
34,0 m³/ti Argonhüllgas	69	1155	3,0	. 0,246
56,6 m³/h Argonhüllgas	117	1103	2,5	0,284

Beispiel V

Zum Herstellen von Beschichtungen unter den untenstehenden Bedingungen wurde eine Vorrichtung der in Figur 3 veranschaulichten Art benutzt, bei der die Kammer eine Gesamtlänge von 98,4 mm und die Ausiaßöffnung einen Durchmesser von 34,8 mm hatte. Die Ergebnisse sind in der Tabelle III zusammengestellt.

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Brennerbedingungen

Pulyerzusammensetzung:

Pulverfördermenge:

Brennerart:

Lichtbogenleistung; Gesamtbrennergasmenge: ' Gaszusammensetzung:

Spritzabstand:

Oberflächengeschwindigkeit:

Dichromtrioxid 30 g/min Modell-Nr, 1101Ä 9,0 kW 8,50 m³/h Argon 108 mm 0

Tabelle III

	Unterdr. (mm Hg)	Beschichtungsdaten	Härte (VPN)	Porosität (%)	Beschicht.-Geschw. (mm/s)
Art d. Urvter- druckherstel- ung	0	963	4,5	0,122
Brenner allein	38			O, 21 8
ρ 1,55 kp/cm an Dampfstr.Pumpe	76			0,208
2 2,39 kp/cm an Dampfstr.Pumpe	152			0,226
3,59 kp/cm an Dampfstr.Pumpe	229	1353	2,5	O,257
4,57 kp/cm an Dampfstr.Pumpe	356	1344	2,5	0,272
2 5,91 kp/cm an Dampfstr .-Pumpe

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Beispiel VI

Ein herkömmlicher Brenner wurde benutzt, um Überzüge auf einem Substrat herzustellen. Der Brenner und das Substrat wqren vollständig innerhalb eines Vakuumtanks untergebracht, der an eine Dampfstrahlpumpe angeschlossen war. Die Beschichtungsbedingungen waren wie unten angegeben. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle IV zusammengestellt.

Brennerbedingungen

Pulverzusammeηsetzung:

Pulverfördermenge:

Brennerart:

Lichtbogenleistung:

Gesamtbrennergasmenge:

Gaszusammensetzung:

Spritzabstand:

Oberflächengeschwindigkeit;

Dichromtrioxid 30 g/min Modell-Nr. 1101A 9,0 kW 8,5O m /h Argon 114 mm 2,54 m/min

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Tabelle IV

	Unterdr. (mm Hg)	Beschichtungsdäten	Härte (VPN)	Porosität (*)	Beschicht,-Geschw. (mm/ s)
Art d. Unter druckherstel lung	O	963	4,5	0,066
Beschichtung i » freier Luft	76	1244	2,0	0,114
2,39 kp/cm an Dampfstr,Pumpe	152	1306	1,5	0,102
3,59 kp/cm an Dampfstr.Pumpe	229	1257	1,5	0,127
4,57 kp/cm an Dampfstr.Pumpe	305	1268	0,75	0,114
2 5,41 kp/cm an Dampfstr.Pumpe

Beispiel VII

Unter Verwendung der anhand der .Beispiele IV, V und VI beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen wurden Versuche mit drei verschiedenen Beschichtungswerkstof fen, und zwar Dichromtrioxid, Wolframkarbid-Kobalt und Aluminiumbronze _f~ durchgeführt.

Die Brennerbedingungen waren wie folgt:

Qichromtrioxid

Pulverfördermenge: 30 g/min

Brennerart: Modell-Nr. 1101A

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Lichtbogenleistung: 9,0 kW Gesamtbrennergasmenge: 8,5O m /h Gaszusammensetzung: Argon

Wolframkarbid-Kobalt Pulverfördermenge: Brennerart:
Lichtbogenleistung: Gesamtbrennergasmenge: Gaszusammensetzung:

55 g/min

Modell-Nr." 1101A 9,O kW 8,5O m³/h Argon

Aluminiumbronze

Pulverfördermenge: Brennerart:
Lichtbogenleistung: Gesamtbrenne rgasmenge: Gaszusammensetzung:

40 g/min

Modell-Nr. 11O1E 9,0 kW 8,50 m³/h Argon

Es wurden die in der Tabelle V zusammengestellten Ergebnisse erzielt.

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Tabelle V

Werkstoffvergleich

Werkstoff	Unterdr. (mm HG)	Beschichtungsdaten	Härte (VPN).	Porosität (°/o)	Beschicht.-Geschw. (mm/s)
Dichromtrioxid	O	963	4,5	0,122
-	76	1244	2,O	O,2Ο8¹
	152	13O6	1 ,5	Ο.226¹
Wolframkarbid- Kobalt	O	725	3,0 bei 20 μ	0,145
	69			Ο.244²
	76	727	2,5 bei 1O μ
	117			Ο.218²
	152	738	2,5 bei 10 μ
Aluminium bronze	O V	104	O,5	0,114
	76	206	O,5	0,135
	152	2OO	0,75	0,135
	305			0,216

1) Vorrichtung nach Figur 3

2) Vorrichtung nach Figur 2

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Beispiel VIII

Bei Verwendung der Vorrichtung nach Figur 4 mit einem Rohr von einer Gesamtlänge von 127 mm und einem Innendurchmesser von 34,9 mm, einem viergängigen Gewinde mit 0,8 Zähnen oder Windungen pro cm und einer Hüllgaszufuhrmenge von 21,9 m/h wurden bei den unten angegebenen Bedingungen und den genannten Beschichtungspulvern die in Tabelle VI zusammengestellten Ergebnisse erzielt. ■■■","-'"

Tabelle VI.

Besch.- Art	■	Oberfl.-- Geschw. (mm/s)	Eigenschaften der Beschichtung	Haftfestigk. (kp/mm )	porös. *C)**	Oxidgeh. (%)
LA6	Pulver förder menge (g/min)	127	Härte (VPN)	6,33+	4	—
LN-2B -	36	127	927	5,98+	O,1	. < 0,1
52-F	4O	127	147	4,92+	1- 1,5	-
X-40	37	127	598 '	6,07+	0,5	1.
LT-1	35	25,4	405	6,19+	0,5	<O,25
LS-31	28	127	265	6,05+	0,25	3
37	25.4

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Die in Tabelle VI angegebenen Beschichtungsarten sind die folgenden :

LA-6 LN-2B

52-F

X-4O

LT-1

LS-31

Aluminiumoxid reines Nickel

84,41 % Wolframkarbid 17,61 % Kobalt

56 %	Kobalt
25 %	Chrom
1O %	Nickel
7 %	Wolfram
0,3 %	Kohlenstoff
reines	Tantal
20 %	Chrom
1O %	Nickel
"7 «S o/	Wolfram
Rest	Kobalt
Beispiel IX

Bei Einsatz einer Vorrichtung gemäß Figur 5 mit einem zylindrischen Rohr mit einer Gesamtlänge von 89 mm und einem Innendurchmesser von 34,9 mm, wobei der wendeiförmige Kanal von einem viergängigen Gewinde mit 0,8 Zähnen oder Windungen je cm gebildet wird, wurde Chromoxid (Cr₅O.,) mit einer Pulverfördermenge von 45 g/min benutzt. Die Substratoberflächengeschwindigkeit betrug 127 mm/s. Die Hüllgaszufuhrmenge lag bei 21 ,9 m /h Argon. Es wurde eine Beschichtung mit den folgenden Eigenschaften erhalten:

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_ 29 -

Härte VPN ' 1006
Haftfestigkeit 5,62 kp/mm² Porosität 4 % (1O)

Beispiel X

Die Vorrichtung nach Figur 6 mit einem Rohr von 88,9 mm Gesamtlänge, einem kleinsten Durchmesser von 25,4 mm, einem größten Durchmesser von 34,9 mm und einer nach außen gerichteten Erweiterung von 8 , sowie mit einem wendeiförmigen Kanal in Form eines viergängigen Gewindesmit O,8 Zähnen oder Windungen je cm wurde benutzt. Die Hüllgaszufuhrmenge betrug 21,9 m /h Argon, die Pulverfördermenge 26 g/min Chromoxid (Cr_?0₃). Die Oberflächengeschwindigkeit betrug 127 mm/s. Die Beschichtung hatte die folgenden Eigenschaften:

Härte VPN 12O4 .

Haftfestigkeit- 7,73 + kp/mm Porosität 4 % (10)

Beispiel XI

Es wurde eine Vorrichtung gemäß Figur 7 verwendet* Das Rohr hatte eine Länge von' 76,2 rom und einen Innendurchmesser von 25,4 mm. Der Spalt zwischen Düse und Rohr lag zwischen 19 und 25,4 mm. Der wendeiförmige Kanal wurde von einem viergängigen Gewinde mit 0,8 Zähnen oder Windungen je cm gebildet. Die Hüllgaszufuhrmenge

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betrug 21,9 m /h Argon. Es wurde mit einer Pulverfördermenge von 26 g/min Chromoxid (Cr_O^) gearbeitet. Die Oberflächengeschwindigkeit betrug 127 mm/s. Es wurde ein Überzug mit den folgenden Eigenschaften erhalten:

Härte VPN 1261 ,Porosität 3 % (10)

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Claims

-.31 - Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von plasmagespritzten Beschichtungen, bei dem ein Lichtbogen zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode aufrechterhalten, ein Gas unter Bildung einer heißen Gasausströmung In den Lichtbogen eingeleitet und die heiße Gasausströmung durch eine den Lichtbogen einschnürende Düse hindurchgeleitet sowie zusammen mit einem von ihr mitgeführten Beschichtungspulver auf ein zu beschichtendes Substrat gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Weges von der Düse zum Substrat so gewählt wird, daß für niedrige Auftragsflußwerte gesorgt wird und dementsprechend mit niedrigen Substratoberflächengeschwindigkeiten gearbeitet werden kann, und daß die heiße Gasausströmung und das mitgeführte Beschichtungspulver durch eine zwischen der Düse und dem zu beschichtenden Substrat vorgesehene Unterdruckzone hindurchgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Abstand zwischen dem zu beschichtenden Substrat und dem Auslaß der Düse von mehr als 75 mm gearbeitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterdruckzone über mindestens einen größeren Teil der Wegstrecke des mitgeführten Beschichtungspulvers aufrechter-

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halten wird. ■

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Un-■ terdruckzone über der gesamten Wegstrecke des mitgeführten

Beschichtungspulvers bis zum Auftreffen auf der Oberfläche . des zu beschichtenden Substrats aufrechterhalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Gasausströmung und das mitgeführte Beschichtungspulver durch eine zwischen der Düse und dem zu beschichtenden Substrat angeordnete Kammer hindurchgeleitet werden und innerhalb der Kammer eine Unterdruckzone aufrechterhalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kammer ein Rohr verwendet und in dem Rohr eine Unterdruckzone dadurch aufrechterhalten wird, daß eine Gashülle erzeugt wird, die sich auf einer wendeiförmigen Bahn zwischen der Rohrinnenfläche und der Beschichtungspulver mitführenden heißen Gasaus-.strömung durch das Rohr hindurchbew.egt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterdruckzone über den Auslaß des Rohrs, aus dem die heiße Gasausströmung und mitgeführtes Beschichtungspulver austreten, hinaus aufrechterhalten wird,

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftreffbereich des mitgeführten Beschichtungspulvers auf dem zu

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beschichtenden Substrat innerhalb der Verlängerung der Unterdruckzone über den Rohrauslaß gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Kammer gearbeitet wird, die von der Düse bis in die Nähe des zu beschichtenden Substrats reicht.

10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen, die Düse, die Strecke, auf der sich die heiße Gasausströmung bewegt, und das zu beschichtende Substrat vollständig, innerhalb einer auf Unterdruck gehaltenen Vakuumkammer angeordnet werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungspulver gleichfalls in den Lichtbogen eingeleitet und zusammen mit der heißen Gasausströmung durch die Düse hindurchgeführt wird.

12. Verfahren zum Herstellen von plasmagespritzten Beschichtungen hoher Güte bei Verwendung von niedrigem Oberflächengeschwindigkeiten, bei dem ein Lichtbogen zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode aufrechterhalten, ein Gas unter Bildung einer heißen Gasausströmung in den Lichtbogen eingeleitet und ein Beschichtungspulver in einer Menge von 25 bis 60 g/min in den Lichtbogen eingebracht wird, und bei dem die heiße Gasausströmung und das mitgeführte Beschichtungspulver durch eine den Lichtbogen einschnürende Düse hindurchgeleitet und auf ein zu

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beschichtendes Substrat entlang einer Wegstrecke gerichtet werden, deren Länge für einen Auftragsfluß des mitgeführten Pulvers auf dem Substrat sorgt, der eine Substratoberflächengeschwindigkeit von weniger als 25O mm/s aufrechtzuerhalten erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Gasausströmung und das mitgeführte Beschichtungspulver durch eine zwischen dem zu beschichtenden Substrat und der Düse vorgesehene Unterdruckzone hindurchgeleitet werden.

13. Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach Anspruch 1 , mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, elektrischen Zuführungen, mittels deren der ersten Elektrode eine Spannung aufdrückbar ist, die eine Lichtbogenentladung zwischen erster und zweiter Elektrode aufrechtzuerhalten gestattet, einer den Lichtbogen einschnürenden Düsenanordnung, einer Einrichtung, die Gas mit einstellbarer Durchflußmenge zuführt und in den Lichtbogen hinein sowie durch die Düse hindurch leitet, um eine heiße Gasausströmung aus der Düse zu erzeugen, sowie mit einer Anordnung, mittels deren ein Beschichtungspulver in einstellbarer Menge in das Gas einführbar ist, um für einen heißen, Beschichtungspulver mitführenden, austretenden Gasstrom zu sorgen und diesen Gasstrom auf ein zu beschichtendes Substrat zu richten und dort auftreffen zu lassen, gekennzeichnet durch eine mindestens einen Teil der Wegstrecke des Stromes umgebende Ummantelung und einen Unterdruckerzeuger, der in der Ummantelung eine Unterdruckzone ausbildet und aufrechterhält. .

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14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung von einer Kammer gebildet ist, die von der Düse ausgeht, mit dieser gasdicht verbunden ist und in einer von der DUse abliegenden Wand eine Öffnung hat, die den Strom durchtreten läßt, und daß der Unterdruckerzeuger Anschlußmittel aufweist, die von der Kammer ausgehen und an eine Vakuumpumpe anschließbar sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung ein Rohr aufweist, durch das der Strom hindurchtritt, und daß als Unterdrückerzeuger eine Anordnung vorgesehen ist, die eine sich in einer wendeiförmigen Bahn entlang dem Rohr zwischen der RoHrinnenfläche und dem Strom bewegende GashUlle erzeugt und auf diese Weise eine Unterdruckzone innerhalb des Rohres ausbildet und aufrechterhält.

16» Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr von der Düse ausgeht und mit dieser gasdicht verbunden ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die die GashUlle erzeugende Anordnung einen spiral- oder wendeiförmigen Durchlaß aufweist, der innerhalb des Rohrs angeordnet ist, HUllgas Über einen Hüllgaseinldß aufnehmen und HUllgas in das Rohr und entlang der Rphrinnenflache entlang einer wendeiförmigen Bahn fördern kann.

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