DE2327395B2

DE2327395B2 - Plasmaspritzgerät

Info

Publication number: DE2327395B2
Application number: DE2327395A
Authority: DE
Inventors: Keith Graham Ford; Christopher John Scott Guest
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1972-05-30
Filing date: 1973-05-29
Publication date: 1978-12-21
Also published as: JPS4979932A; CH589145A5; GB1433137A; CA1000125A; DE2327395A1; DE2327395C3; FR2186851A5; JPS5318173B2

Description

die für eint niedrige Oberflächengeschwindigkeit bei einer wirtschaftlichen Pulverfördermenge erforderlich sind, nicht von wesentlichem Erfolg.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Plasmaspritzgerät zu schaffen, das es erlaubt, verbesserte Härte und geringere Neigung zu Porosität bei großem Spritzabstand und niedriger Oberflächengeschwindigkeit zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erlindungsgemäß gelöst durch einen stromabwärts der einschnürenden Düse angeordneten kammerartigen Vorsatz, der mit einer drallerzeugenden Gaseinführung versehen ist, die den Hüllgasstrom zu einer schraubenförmigen Bewegung um den Plasmastrahl verbunden mit der Ausbildung einer im wesentlichen von der Düse bis zu dem zu beschichtenden Substrat reichenden Unterdruckzone veranlaßt

Das Plasmaspritzgerät nach der Erfindung gestattet es. Überzüge mit hervorragenden Eigenschaften bei relativ niedrigem, vorzugsweise unter 250 mm/s liegenden Oberflächengeschwindigkeiten bei wirtschaftlichen Pulverfördermengen (je nach dem spezifischen Gewicht des Puivers zweckmäßig zwischen 25 und 60 g/mini und bequem zu beherrschenden Abständen zwischen Substrat und Düsenauslaß (zweckmäßig mehr als 75 mm) auszubilden.

Der in der Unterdruckzone herrschende Unterdruck braucht nicht sehr groß zu sein; erhebliche Verbesserungen der Beschichtungsgüte werden bereits bei Unterdrücken von nur ungefähr 40 mm Quecksilber erzielt Die Unterdruckzone hat vorzugsweise einen ausreichenden Durchmesser, um die den Brenner verlassende Ausströmung zu umfassen. Sie erstreckt sich über eine kurze Strecke (beispielsweise ungefähr 10 bis 20 mm) über die Mündung des kammerartigen Vorsatzes hinaus, aus der die Gasausströmung austritt. Der Auftreffbere;h des Pulvers auf der Substrateberfläche wird vo zugsweise innerhalb dieser Verlängerung der Unterdrickzone gehalten. Das Einlaßende des Vorsatzes st( ht mit der Düse vorzugsweise in gasdichter Verbindung.

Der kanimerartige Vorsatz kann zylindrisch sein. Er kann aber beispielsweise auch entlang mindestens eines Teils seiner Länge Kegelform haben, wobei der Vorsatzdurchmesser mit zunehmendem Abstand von der Düse größer wird. Auch andere Vorsatzformen sind möglich.

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

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer Ausführungsforrn der Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt einer Vorrichtung ähnlich Fig. I, bei der jedoch ein Rohr vorgesehen ist, dessen Innenfläche kegelstum^fförmig ausgebildet ist,

Fig. 3 einen Schnitt einer abgewandelten Ausfiihrungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

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

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

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 Gaünjektoreinsatz 7 ist mit einem durchgehenden konischen Durchlaß 8 versehen der sich vom Auslaß 5 der Düse 1 ausgehend erweitert Eine Gaseinlaßieitung > steh; mit einem spiral- oder wendeiiönmgcü !Canal JO von rechteckigem Querschnitt in Verbindung, der dadurch gebildet wird, daß sich ein in die Außenfläche des Einsatzes 7 eingeschnittenes Flachgewinde 11 gegen die Innenfläche Π des Rohres 6 anlegt Während in Fig. 1 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 Einlaß'.eitungen gearbeitet werden. In die Einlaßleitung 9 eingebrachtes Gas gelangt in den wendeiförmigen 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 10 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

In Fig. 2 sind der Ausführungsform nach F i g. 1 entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen v.isehen. Der wesentliche Unterschied zwischen der Ausführungsform nach F i g. 2 und derjenigen nach F i g. 1 liegt in der kegelstumpfförmigeii 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 ι Spritzstrahis vermindert wird, sich in die Hochdruckzone nahe der Innenfläche 12 des Rohrs 6 hineinzubewegen. Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 führt die EinlaBleitung 9 in einen Ringraum 13, der von einer Nut 14 '"-. einem Abstandsstück 15 und einem anstoßenden Flansch 16 des Gasinjektoreinsatzes 7 gebildet wird. Im Flansch 16 vorgesehene Gasdurchlässc 1Γ lassen Gas in einen zweiten Ringraum 13 gelangen, der seinerseits n-it dem wendelfömigen Kanal 10 in Verbindung steht.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 ist eine Kammer 19 am ßlock 2 gasdicht angebracht. In einer Endwand 20 befindet sich eine Öffnung 21. durch die hindurch der Plasmastrahl und das vor. 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 Bttrieb 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 IJnterdruckzone aufrechterhalten wird. Die heiße Gasausströmung verläßt die Düse, läuft durch die Kammer hindurch, tritt aus der Öffnung 21 aus und trifft auf ein nicht veranschaulichtes Substrat, das dicht an der Öffnung 21 gehalten wird.

lici der Ausführungsform nach F i g. 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 wendclförmigen Kanal 10 verbunden ist.

Bei der Ausführungsform nach F-" i g. 5 steht ein in einem Abstandsstück 28 ausgebildeter Gasdurchlaß 27 mit einem Ringraum 29 zwischen dem Abstandsstück 28 und einem mit einem Flansch ausgestatteten ringförmi^irCP. !.ins-it/ 30 !Π Verbindung iⁿ dom mrhrprr tangential verlaufende Gasdurchlässe 31 vorgesehen sind, die von dem Ringraum 29 zu einem ringförmigen Kanal 32 führen. Hüllgas wird dem Durchlaß 27 zugeleitet und strömt von dort über den Ringraum 29 und die Gasdurehlässe 31 in den ringförmigen Kanal 32. Fs läuft dann entlang der Innenfläche des Einsatzes 30 und anschließend entlanp aer Innenfläche 12 des Rohrs 6 weiter. Durch die Ausrichtung der Durchlässe 31 wird dem Hüllgas eine wendeiförmige Bewegung vermittelt. I" ig. 5A zeigt einen Schnitt entlang der Linie X-X der F- i g. 5 und läßt die Winkelausrichtung der Gasdurehlässe .31 erkennen. in

Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 ist das Rohr 6 innen mit 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 r> 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 10 eine -in spiral- oder wendeiförmige Bewegung vermittelt; das Gas läuft dann über der Kanal 34 entlang der Innenfläche 12des Rohrs6.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 7 ist zwischen dem Auslaß 5 und einem Abstandsstück 38 ein Spalt 37 -n 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 F i g. 1 und 4. 5(i

Beispiel I

Ein Plasmabrenner der aus der GB-PS 8 69 791 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 Innendurch messer von 35 mm. Der Gasinjektor war mit einem viergängigen Flachgewinde mit 0,8 Zähnen/cm verse hen. Die Gewindeschnittbreite betrug 238 mm, die t,o 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 i3 mm von der Mündung des Rohrs b5 für eine Zeitspanne angeordnet wurde, die für den Aufbau einer zweckentsprechenden Beschichtung ausreichte (ungefähr 3 s). Das Werkstück und der Brenner wurden während des Heschichtiingsvorgangus nicht bewegt. Bei dem Beschichtungswerkstoff handelte es sich um einen Stellit 31 (eine Kobaltbasislegierung mit 20% Cr, 10% Ni. 7,5% W, Rest Co) in i-orm eines Pulvers mit einer maximalen Teilchengröße von 0,044 mm. Ils wurde mit einer Brcnnergasmengc von 4,59 mVh, einer Pulvcrträgergasmengc von 3,9ImVh und einer Hüllgasmengc von 21,9 m'/h. alles Argon, gearbeitet. Die Pulverfördermcngc betrug !7 g/min. Die erhaltene Beschichtung hatte die folgenden l.igenschaften:

Oxidgehall 0.2%
Porosität 0,2%

Quersehnittsmikroharte 292 VPN
Haftfestigkeit mehr als 5.60 kp/mm-'

Rs wurde· krinr RiUhilcliinc; oder l.oslösung des Überzugs beobachtet.

Hätte man unter den obigen Bedingungen den nicht abgewandelten Brenner benutzt, wäre selbst bei einem Abstand von 38 mm vom Werkstück eine Relativgeschwindigkeit von 254 m/min /wischen Werkstück und Brenner erforderlich gewesen, um eine ähnliche Beschichtung aufbringen zu können.

Beispiel Il

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 mrn be rug 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 mVh und einer Pulverträgergasmenge von 4,59 mVh. beides Argon, sowie mit einer Pulverfördermenge von 25 g/rnin 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 ohnr Gas hülle benutzt. Die erhaltene Beschichtung hatte die folgenden Eigenschaften:

Porosität 5% Quersehnittsmikroharte 1204 VPN

(ii) Ein Argonhüllgas wurde über den Ringraum de« Brenners A in einer Durchilußmenge von 21,9 mVr so eingeführt, daß es in einer zur Längsachse de« Rohrs parallelen Richtung strömte. Die Beschich tung hatte die folgenden Eigenschaften:

Porosität 4% Querschnittsmikrohärte 966 VPN

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

ΙΙιιΙΙμ.ι-	Mill	(U-	Ρ(ΐΓ(ΐ-	ill,Il dor	(.(ικτ-ι. hnitt--
-Ir			lle-il	ικ ΙιΙιιημ	mikrohiirte der
	.9 ni7h				Be-ehichUiiiij
21	.1 in ⁷Ii	\ruon	2.S¹¹,.		Ι3(Χ)\Ί'Ν
19	Stickstof!'	\ I)		1261 VPN

Die obigen Ergebnisse sollten den Ergebnissen der folgenden Vergleichsbcispiele gegenübcr[.eMellt weiden:

Vcrgleichsbeispiele

(i) Unter Verwendung eines mehl abgewandelten Brenners wurden bei gleicher Brennergasmenge. Pulverträgerga.smenge und Pulverfördermenge wie in Beispiel II. einem .Spritzabstand von 19 mm '.(!ld CinCr KcklUv^^S^b^ irujiif l· (¹It /wiwhi'ti Wf'rlc.

stück und Brenner von 305 m/min Überzüge mit einer Porosität von weniger als 3%, normalerweise I bis 2%. und einer Ouerschnittsmikrohärte im Bereich von M 50 bis 1400 VPN erhalten.
Bei Verwendung eines Spritzabstandes von mm und gegenüber dem Brenner feststehendem Werkstück stieg die Porosität auf 5%, während die Oucrschnittsmikrohärte auf 890 VPN abfiel

In den folgenden Beispielen ist die Ueschichtungsge schwindigkeit in mm licschiehtungsdickc je s angegeben. Die genannten Porositätswerte wurden auf visuelle Weise unter Verwendung genormter Vergleiehsstüekc bestimmt; wo in Klammern die Zahlen 10 oder 2C angegeben sind, bezieht sich dies auf die mittlere Größe der Poren in μηι, bestimmt auf optischem Wege. Die llärlewerle wurden entsprechend ASTM-E-92 crmit telt. Wenn das Vorhandensein von Oxid angegeben ist wurde die Oxidmenge auf visuelle Weise bestimmt.

Beispiel III

Eine Vorrichtung ähnlich F i g. 2, jedoch mit einen /vlindrischen Rohr von 25,4 mm Durchmesser und einei Gesamtlänge von 93.7 mm, wurde zum Herstellen vor Beschichtungen unter den folgenden Bedingunger verwendet. Die erzielten Ergebnisse sind in der Tabelle zusammengefaßt.

Brennerbedingungen

Pulvcrzusanimensetzung:

Pulverfördermenge:

Brennerart:

Lichtbogenleistung:

Gesamtbrennergasmenge:

Gaszusanimen.sctzung:

.Spritzabstand:

Dichromtrioxid

30 g/min

Modell-Nr. ΠΟΙΑ

9,OkW

8,5OmVh

Argon

114,3 mm

Oberflächengeschwindigkeit: 2,54 m/min

Tabelle I

Art der I nterdriKkhcrstcl liintz

Brenner allein
22.7 mVh
Argonhüllgas

45.3 mVh
Argonhüllgas

56.6 m/h
Argonhüllgas

Unterdruck

(mm HgI

0
61

119

157

ISescliichtungsdalen	Porosität	Ucschidit.-
Härte		(icschw.
	(%)	(mm/s)
IVPN)	4,5	Ο.Ϊ22
963	3.5	0,254
1041	3,5	0.190
1092	5,0 ·	0,190
1043

Beispiel IV

Eine Vorrichtung nach Art der F i g. 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 Π zusammengestellt.

Tabelle II

Brennerbedingungen

Pulverzusammensetzung:

Pulverfördermenge:

Brennerart:

l.ichtbogenleistung:

Gesamtbrennergasmenge: Gaszusammensetzung: Spritzabstand:

Dichromtrioxid

30 g/min

Modell-Nr. 1101A

9,OkW

8,50 mVh

Argon

1143 mm

Oberflächengeschwindigkeit: 2,54 m/min

Art der Unterdruckherstellung

Unterdruck Beschichtungsdaten

Härte Porosität

(mm Hg) (VPN) (%)

Beschicht.-Geschw.

(mm/s)

Brenner allein

22,7 mVh Argonhüllgas

0 41

963 1183 4,5 3,5

0,135 0,241

Λ π der I interdriick-

34,OmVh
Argon hü 11 gas

>6.6m7h
Argonhüllgas

I Uik'rdriK k Ueschk

ll.irle

(mm ΙΙμ) l\'l'Ni

69 1155

117 110.1

l'nmsil.il HcslIikI

( ι (mm/si

3,0 0.246

2.5 0.2X4

Beispiel V

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

Pulverzusammenset zu ng:

Pulverfördermenge:

Brennerart:

Lichtbogcnleisumg:

Gesamtbrennergasmenge:

Gaszusammensetzung:

Spritzabstand:

Dichromtrioxid

30 g/min

Modell-Nr. 1101Λ

9,OkW

8,5OmVh

Argon

108 mm

Oberflächengeschwindigkeit: 0

Tabelle III

Art der Unterdruckherslellung

Brenner allein

1,55 kp/cnv an
Dampfstr. Pumpe
2,39kp/cm² an
Dampfstr. Pumpe

3,59 kp/cnr an
Dampfstr. Pumpe

4,57 kp/cm² an
Dampfstr. Pumpe

5,91 kp/cm² an Dampfstr. Pumpe

Unterdruck

(mm Hg)

0 38

76 152 229 356

Heschichlungsuaten	Porosität	liesdiic'lil
Härte		(ieschw.
	(".;.)	!mm/s)
(VPN)	4.5	0.122
963		0,218
		0.208
		0.226
	2,5	0,257
1353	2,5	0,272
1344

B e i s ρ i e I VI

Ein herkömmlicher Brenner wurde benutzt, um Überzüge auf einem Substrat herzustellen. Der Brenner und das Substrat waren vollständig innerhalb eines Vakuumtanks untergebracht, der an eine Dampfstrahl- n·; pumpe angeschlossen war. Die BeschichtuB^sbedingungen waren wie unten angegeben. Die erzielten Ergebrdsse sind in Tabelle IV zusammengestellt

Brennerbedingungen Pulverzusammensetzung: Pulverfördermenge: Brennerart: Lichtbogenleistung: Gesamtbrennergasmenge: Gaszusammensetzung: Spritzabstand: Dichromtrioxid

30 g/min

Modell-Nr. 1101A

9,OkW

8,50 mVh

Argon

114 mm

Oberflächengeschwindigkeit: 2,54 m/min

Il

Tabelle IV	Unterdruck	Bescliichkmgsdateii	Porosität	Beschichl.-
Art der Unterdruck-				Cieschw.
lierstelluim		Härte	("■■)	(mm/s)
			4.5	0.066
	(mm/Hg)	(VCN)
	O	963	2.0	0.114
Beschichtung
in freier Luft	76	1244	1.5	0.102
2,39 kp/cnv an
Dampfstr. Pumpe	152	130*.	1.5	0.127
3,59 kp/cnr an
Darnpfstr. Pumpe	229	1257	I)Js	'.'.! 14
4,57 kp/cnr an
Dampfstr. Pumpe	3()^ς	12(;8

Jampfstr. Pumpe

Beispiel VII

Unter Verwendung der anhand der Beispiele IV. V und Vl beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen wurden Versuche mit drei verschiedenen Beschichtungswerkstoffen, und zwar Dxhromtrioxid, Wolframkarbid-Kobalt und Aluminiumbro 'ize, durchgeführt.

Die Brennerbedingungen waren wie folgt:

Dichromtrioxid

Pulverfördermenge:

Brennerart:

Lichtbogenleistung:

Gesamtbrennergasmenge:

Gaszusammensetzung:

g/min

Modell-Nr. I 101A π

9,0 kW

8.5OmVh

Argon Wolframkarbid-Kobalt

Pul verf Order menge:

Brennerart:

l.ichtbogenleistung:

Gesamtbrennergasmenge:

Gaszusammensetzung:

Aluminiumbronze

Pulverfördermenge:

Brennerart:

Lichtbogenleistung:

Gesamtbrennergasmenge:

Gaszusammensetzung:

55 g/min

Modell-Nr. 1 101 A 9.0 kW 8.5OmVh Argon

40 g/min Modell-Nr. 9,0 kW 8.5OmVh Areon

101 E

Es wurden die in der Tabelle V zusammengestellten Ergebnisse erzielt.

Tabelle V
Werkstoffvcrgleich

Werkstoff

Unterdruck

(mm Hg)

Dichromtrioxid

Wolframkarbid-Kobalt

Aluminiumbronze

152

117

152

305

Beschichtungsdaten Härte

(VPN)

963 1244 1306

725

727

738 104 206 200

Porosität	Beschicht.-
	lieschw.
C ■■>	(mm/s)
4.5	0.122
2,0	0.208
1.5	0.226¹
3,0 bei 20 μ	0.145
	0.244^:
2,5 bei 10 μ
	0.218^:
2,5 bei 10 μ
0.5	0.114
0,5	0.135
0,75	0.135
	0.216

') Vorrichtung nach Fig. 3. ~) Vorrichtung nach Fig. 2.

13

Beispiel VIII

Bei Verwendung der Vorrichtung nach Fig.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 mVh wurden bei den unten angegebenen Bedingungen und den genannten Beschichtungspulvern die in Tabelle Vl zusammengestellten Ergebnisse erzielt.

Tabelle Vl	l'ulver-	Oberfl.-Geschw.	Eigenschaften	der Beschichtung	Porös.	Oxidgeh.
Besen.-Art	lorcJermeniie		Härte	Haftfestigkeit	(Ii)
	I g/m in I	(mm/s)	(VPN)	(kp/mnri	4	_
	36	127	927	6,33 +	0,1	<0,l
LA-6	40	127	147	5.98 +	1-1,5	-
LN-2 B	37	127	598	4,92 +	0,5	1
52-F	35	127	405	6,07 +	0,5	<0,25
X-40	28	25,4	265	6,19 +	0.25	3
LT-I	37	127	254	6.05 +
LSo 1

Die in Tabelle Vl angegebenen Beschichtungsarten sind die folgenden:

LA-6
LN-2B

52-F

X-40

LT-I
LS-31

Aluminiumoxid (AbOj) reines Nickel

84.41% Wolframkarbid

17.61% Kobalt

56% Kobalt

25% Chrom

10% Nickel

7% Wolfram

0.3% Kohlenstoff

reines Tantal

20% Chrom

10% Nickel

7,5% Wolfram

Rest Kobalt

Beispiel IX

Bei Einsatz einer Vorrichtung gemäß F i g. 5 mit einem zylindrischen Rohr mit einer Gesamtlänge von mm und einem Innendurchmesser von 34,9 mm, wobei der wendelförmige Kanal von einem viergängigen Gewinde mil 0.8 Zähnen oder Windungen je cm gebildet wird, wurde Chromoxid (Cr₂Oj) mit einer Pulverfördermenge von 45 g/min benutzt. Die Substratoberflächengeschwindigkeit betrug 127 mm/s. Die IKiII-gaszufuhrmenge lag bei 21,9 mVh Argon. Fs wurde eine Beschichtung mit den folgenden Eigenschaften erhalten:

Härte VPN

Haftfestigkeil

Porositäl

1006

5,62 kp/mm²

4% (10)

Beispiel X

Die Vorrichtung nach F i g. 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 Gewindes mit 0,8 Zähnen oder Windungen je cm wurde benutzt. Die Hüllgaszufuhrmenge betrug 21.9 mVh Argon, die Pulverfördermenge 26 g/min Chromoxid (Cr₂Oj). Die Oberfläci engeschwindigkeit betrug 127 mm/s. Die Beschichtung hatte die folgenden Eigenschaften:

Härte VPN

Haftfestigkeit

Porosität

1204

7,73 + kp/mm²

4% (10)

Beispiel Xl

Es wurde eine Vorrichtung gemäß F i g. 7 verwendet. Das Rohr hatte eine Länge von 76,2 mm und einen Innendurchmesser von 25,4 mm. Der Spalt zwischen Düse und Rohr lag zwischen 19 und 25,4 mm. Der wendelförmige Kanal wurde von einem viergängigen Gewinde mit 0.8 Zähnen oder Windungen je cm gebildet. Die Hüllgaszufuhrmenge betrug 21,9 m'/h Argon. Es wurde mit einer Pulverfördermenge von 26 g/min Chromoxid (Cr₂Oj) gearbeitet. Die Oberflächengc· schwindigkcit betrug 127 mm/s. Es wurde ein Übcr/.ug mit den folgenden Eigenschaften erhalten:

Härte VPN
Porosisät

1261
3% (10)

Hliitt /xiiMinuimen

Claims

Patentanspruch:

Plasmaspritzgerät mit zwei Elektroden, zwischen denen ein Lichtbogen aufrechterhalten wird, einer ersten Gaszuführung, mittels deren ein Gas unter Bildung eines Plasmas in den Lichtbogen einleitbar ist, einer Pulverzuführung zum Einbringen eines Beschichtungspulvers in das Plasma, einer stromabwärts von erster Gaszuführung und Pulverzuführung befindlichen einschnürenden Düse und einer zweiten Gaszuführung für einen den Plasmastrahl umgebenden und sich in gleicher Richtung wie dieser bewegenden Hüllgasstrom, gekennzeichnet durch einen stromabwärts der einschnürenden Düse (1) angeordneten kammerartigen Vorsatz (6), der mit einer drallerzeugenden Gaseinführung (9 bis 11,13 bis 18,24,26,27 bis 32,34,36,37) versehen ist, die den Hüllgasstrom zu einer schraubenförmigen Bewegung um den Plasmastrahl verbunden mit der Ausbildung einer im wesentlichen von. der Düse bis zu dem zu beschichtenden Substrat reichenden Unterdruckzone veranlaßt.

Die Erfindung betrifft ein Plasmaspritzgerät mit zwei Elektroden, zwischen denen ein Lichtbogen aufrechterhalten wird, einer ersten Gaszuführung, mittels deren ein Gas unter Bildung eines Plasmas in den Lichtbogen einleitbar ist, einer Pulverzuführung zum Einbringen eines Beschichtungspiilvers ,n dar. Plasma, einer stromabwärts von erster Gaszuführung und Pulverzuführung befindlichen einschnürenden Düse und einer zweiten Gaszuführung für einen den Plasmastrahl umgebenden und sich in gleicher Richtung wie dieser bewegenden Hüllgasstrom. Ein solches Gerät ist bekannt (»Schweißen und Schneiden«, 1962, Heft 5, Seiten 198,199).

Beim Plasmaspritzen wird der teilchenförmige Beschichtungswerkstoff in einen mittels eines Plasmabrenners erzeugten Plasmastrom eingebracht, 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 Grenzwert für die Dicke jeder der einzelnen Lagen. Dieser hängt von dem für das Beschichtungspulver vorgesehenen Auftragsfluß 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 Werkstückes bezeichnet) ab. Der Auftragsfluß (oder die Auftragsstromdichte) hängt seinerseits von der in den Plasmastrom eingebrachten Menge an Beschichlungspulver 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. ]e niedriger die Fördennenge 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 Auftragsfluß.

Im Plasmabrenner wird das Gas durch den Lichtbogen und dann durch die den Lichtbogen einschnürende Düse hindurchgetrieben. Das Gas wird durch den Lichtbogen erhitzt und bildet ein Plasma, das die Düse

lu mit hoher Geschwindigkeit verläßt. Das Beschichtungspulver kann in das Plasma entweder innerhalb des Brenners selbst oder außerhalb des Brenners eingebracht werden. Da das Pulver die zur Beschichtung erforderliche Temperatur erreichen muß, bevor es zu

if 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 Beschichtungspulver innerhalb des Bren-

2(i ners in den Lichtbogen selbst eingeführt wird, findet eine sehr rasche Aufhei7iing des Pulvers statt, so daß die Beschichtungstemperatur rasch erreicht wird und das zu beschichtende Substrat nur in einem kurzen Abstand, beispielsweise 15 bis 30 mm, von der Brennerdüse angeordnet werden kann. Bei derart geringen Abständen sind jedoch sehr hohe Oberflächengeschwindigkeiten erforderlich, \im gute Beschichtungseigenschaften zu erzielen. Obwohl gefunden wurde, daß derartige Beschichtungen die bei weitem besten bisher erreichbaren Eigenschaften haben, 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

ji unmöglich machen, mit derart hohen Geschwindigkeiten zu arbeiten.

Durch geeignete Wahl der Pulverfördermenge kann eine gewisse Verringerung der Oberflächengeschwindigkeit erzielt werden. Dabei ergaben sich aber längere

■in Beschichtungszeiten und damit höhere Kosten, wodurch etwaige Kostenvorteile einer geringeren Überflächengeschwindigkeit zunichte gemacht werden. Eine Vergrößerung des Abstandes zwischen Brenner und Substrat (im allgemeinen als Spritzabstand bezeichnet)

•n 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.

ίο Wird das Pulver außerhalb des eigentlichen Bonners eingebracht, ist die Geschwindigkeit, mit der das Pulver erhitzt wird, geringer. Infolgedessen sind eine längere Verweildauer im Plasma und folglich ein größerer Spritzabstand unvermeidbar. In einem solchen Fall wird

■>i 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.

mi Es wurde versucht, Verbesserungen durch die Anwendung von den Plasmastrom umgebenden Ummantelungen oder Rohren und durch die Verwendung eines den Plasmastrahl umhüllenden dritten Schiitzgasstromes (»Schweißen und Schneiden« a.a.O.) zu

hi 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,