DE2327395C3

DE2327395C3 - Plasmaspritzgerät

Info

Publication number: DE2327395C3
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: 1979-08-23
Also published as: CA1000125A; CH589145A5; FR2186851A5; DE2327395B2; GB1433137A; JPS5318173B2; DE2327395A1; JPS4979932A

Description

die für eine niedrige Oberflächengeschwindigkeit bei 'iner wirtschaftlichen Pulverfördermenge erforderlich sind, nicht von wesentlichem Erfolg.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugiunde, 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 erfindungsgemäß gelöst durch einen stromai-wärts 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 Hegenden Oberflächengeschwindigkeiten bei wirtschaftlichen Pulverfördermengen (je nach dem spezifischen Gewicht des Pulvers zweckmäßig zwischen 25 und 60 g/min) 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 ausrei chenden 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 Auftreffbereich des Pulvers auf der Substratoberfläche wird vorzugsweise innerhalb dieser Verlängerung der Unterdruckzone gehalten. Das Einlaßende des Vorsatzes steht mit der Düse vorzugsweise in gasdichter Verbindung.

Der kammerartige 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 Hüllgasstrom 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 i;n Brenner selbst angeordnet sein.

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

F i g. 1 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung,

Fi g. 2 einen Schnitt einer Vorrichtung ähnlich Fig. 1, bei der jedoch ein Rohr vorgesehen ist, dessen Innenfläche keeelstumpfförmig ausgebildet ist,

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

F i g. 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 Fig. 1, bei der jedoch ein Spalt zwischen der Ummantelung und der Düse vorgesehen ist.

Eine innerhalb eines Blockes 2 angeordnete Düse 1

ίο 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

ι > 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 wendeiförmigen Kanal 10 von rechteckigem Querschnitt in Verbindung, der dadurch gebildet wird, daß sich ein in die Außenfläche des Einsatzes 7

2") eingeschnittenes Flachgewinde 11 gegen die Innenfläche 12 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

in Einlaßleitung 9 mit mehreren Einlaßleitungen gearbeitet werden. In die Einlaßleitung 9 eingebrachtes Gas gelangt in den wendeiförmigen Kanal 10 und l; itt durch diesen hindurch, wobei es eine wendeiförmige Bewegung entlang der Innenfläche 12 des Rohrs 6 ausführt.

ΙΊ Diese dem Gas vermittelte wendeiförmige Bewegung wird fortgesetzt, nachdem das Gas den Kanal 10 verläßt, so daß das Gas unter dem Einlluß der Zentrifugalkraft in der Nähe der Innenfläche 12 des Rohrs 6 zu bleiben sucht, während es entlang dem Rohr läuft.

In F i g. 2 sind der Ausführungsform nach F i g. 1 entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der wesentliche Unterschied zwischen der Ausführungsform nach F i g. 2 und derjenigen nach F i g. 1 liegt in der kegelstumpfförmigen Gestalt der

4) 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

ίο Spritzstrahls vermindert wird, sich in die Hochdruckzone nahe der Innenfläche 12 des Rohrs 6 hineinzubewegen. Bei der Ausführungsform nach F i g. 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 wendeiförmigen Kanal 10 in Verbindung steht.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 ist eine

bii Kammer 19 am Block 2 gasdicht angebracht. In einer Endwand 20 befindet sich eine öffnung 21, durch die hindurch der Plasmastrahl und das von diesem mitgefiihrte Pulver aus ^r Kamme¹· austreten können. Eine Leitung 22 geht vom Körper 23 eier kammer aus

h) 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 ?? abgesaugt wird, wodurch

innerhalb der Kainncr 19 eine Unterdruckzone aufrechterhalten wird. Die heiße Gasausströnning verläßt Hie nü^ce, läuft durch die Kammer hindurch, tritt aus der öffnung 21 aus und trifft auf ein nicht vpr:;:;.-h:".!lichtcs Substrat, das dicht ,.p der Öff^n^g 21 gehalten wird.

Bei der Aiisführjingsform nach Fig. 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 10 verbunden ist.

Bei der Ausfiih.rungsform nach F i g. 5 steht ein in einem Abstandsstück 28 ausgebildeter Gasdiirchiaß 27 mit einem Ringraum 29 zwischen dem Abstandsstück 28 und einem mit einem Flansch ausgestatteten ringförmigen Einsatz 30 in Verbindung, in dem mehrere tangential verlaufende Gasdurchlässc 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 Gasdurchlässe 31 in den ringförmigen Kanal 32. Es läuft dann entlang der Innenfläche des Einsatzes 30 und anschließend entlang der Innenfläche 12 des Rohrs 6 weiter. Durch die Ausrichtung der Durchlässe 31 wird dem Hüllgas eine wendeiförmige Bewegung vermittelt. Fig. 5A zeigt einen Schnitt entlang der Linie A"-Xder F i g. 5 und läßt die Winkelausrichtung der Gasdurchlässe 31 erkennen.

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 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 wendelförmigcn Kanal 10 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 F i g. 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 F i g. 1 und 4. ■-,;>

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 Innendurchmesser von 35 mm. Der Gasinjektor war mit einem viergängigen Flachgewinde mit 0,8 Zähnen/cm versehen. Die Gewindeschnittbreite betrug 238 mm, die ω 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 b5 für eine Zeitspanne angeordnet wurde, die für den Aufbau einer zweckentsprechenden Beschichtung ausreichte (ungefähr 3 s). Das Werkstück und der Brenner '-¹· Ltrden während d'js !kschicrüungsvorguii^i/, :.i«.'·· bewegt. Bei dem Beuhi.ti'ungswerkstotl handelte es sich um einen Stellit 3! (eine Kohaltbasislcgicrung mit 20% Cr, 10% Ni, 7,5% W, Rest Co) in Form eines Pulvers mit einer maximalen Teilchengröße von 0,044 mm. Es wurde mit cinu Brennergasmengc von 4,¹I⁰ mVh, einer Pulverträgergasmenge von 3,91 mVh una einer Hii!!,:a;>menge von 21,9 m³/h, alles Argon, iir-iirbeitet. Die Pulverfördermenge betrug 37 g/min. Die erhaltene Beschichtung hatte die folgenden Eigenschaften:

Oxidgehalt 0,2%
Porosität 0 2%

Querschniltsmikrohärte 292 VPN Haftfestigkeit mehr als 5,60 kp/mm²

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 Werkstück eine Relativgeschwindigkeit von 254 m/min zwischen Werkstück und Brenner erforderlich gewesen, um eine ähnliche Beschichtung aufbringen zu kennen.

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 1 mit Gewinde verschen war. Die abgewandelten Brenner wurden mit einer Brennergasmenge von 4.59 m³/h und einer Pulverträgergasmenge von 4,59 mVh, 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%
Querschnittsmikrohärte 1204 VPN

(ii) Ein Argonhüllgas wurde über den Ringraum des Brenners A in einer Durchflußmenge von 21,9 m³/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:

llüllgassti ,ur,

Gas

Γ ■ ial der
Hesdiklitung

mikrohärte der

?ij; iiiVh .Vgon 2,5%

IV»,ι mVh Stickstof!' ;,,()%

1261 \7?

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

Vergleichsbeispiele

(i)

(ü)

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 einer Porosität von weniger als 3%, normalerweise 1 bis 2%, und einer Querschnittsmikrohärte im Bereich von 1150 bis 1400 VPN erhalten.
Bei Verwendung eines Spritzabstandes von mm und gegenüber dem Brenner feststehendem Werkstück stieg die Porosität auf 5%, während die Querschnittsmikrohärte auf 890 VPN abfiel.

Tabelle I

in den tolgeⁿden Beispielen is! 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 μηι, bestimmt auf optischem Wege. Die Härtewerte wurden entsprechend ASTM-E-92 ermittelt. Wenn das Vorhandensein von Oxid angegeben ist, wurde die Oxidmenge auf visuelle Wcüc bestimmt.

Beispiel III

Eine Vorrichtung ähnlich Fig. 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.

₎₍, Brennerbedingungen

Pui verZusammensetzung:
Pulverfördermenge:
Brennerart:
Lichtbogenleistung:
ri Gesamtbrennergasmenge:
Gaszusammensetzung:
Spritzabstand:

Dichromtrioxid

30 g/min

Modell-Nr.1l01A

9,OkW

8,50 m³/h

Argon

114,3 mm

Oberflächengeschwindigkeit: 2,54 m/min

Art der Unterdruckherstellung

Unterdruck Beschichtungsdaten

Harte Porosität

(mm Hg) (VPN) (%)

Be.schicht.-Geschw.

(mm/s)

Brenner allein
22,7 nrVh
Argonhüllgas

45,3 m Vh
Argonhüllgas

56,6 m-Vh
Argonhüllgas

0
61

119

157

4,5
3,5

3,5
5,0

0,122 0,254

0,190 0,190

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 II zusammengestellt.

Tabelle II

Brennerbedingungen

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

Dichromtrioxid 30 g/min

Modell-Nr. HOlA 9,0 kW 8,50 m³/h Argon 1143 mm

Oberflächengeschwindigkeit: £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

4,5 3,5

0,135 0,241

lorlscl/iiiii;

Ail der lliilcrilr■.·. i
herstellung

34,0 mVh
Argonhüllgas

56,6 mVh
Argonhüllgiis

Il η lord ruck

(ium Hg)

69
117

10

Uescliiclilungsd	ill c η	l'orositiit	Heschichl
Marie		Ci esc Ii w.
		(mm/s)
(VI¹N)	3,0	0,246
1155	2,5	0,284
1103

Beispiel V

Zum Herstellen von Beschichtungen unter den untenstehenden Bedingungen wurde eine Vorrichtung der in F i g. 3 veranschaulichten Art benutzt, bei der die 3-, Kammer eine Gesamtlänge von 98,4 mm und die /\uslaßö!!iiung einen Durchmesser von 34,8 mm hatte. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 111 zusammengestellt. Brennerbedingungen

Puiverzusammensetzung:

Pulverfördermenge:

Brennerart:

Lichtbogenleistung:

Gesamtbrennergasmenge:

Gaszusammensetzun₆.

Spritzabstand:

Dichromtrioxid 30 g/min

Modell-Nr. 1101A 9,0 kW 8,50 mVh Argon 108 mm

Oberflächengeschwindigkeit: 0

Tabelle III	Unterdruck	Bcschichtungsdalcn	Besehicht.-
ArI der Unterdruck-			Gcschw.
herstcllung		Härte Porösität	(mm/s)
			0,122
	(mm Hg)	(VPN) (%)	0,218
	O	963 4,5
Brenner allein	38		0,208
1,55 kp/cm² an
Dampfstr. Pumpe	76		0,226
2,39 kp/cm² an
Dampfstr. Pumpe	152		0,257
3,59 kp/cm² an
Dampfstr. Pumpe	229	1353 2,5	0,272
4,57 kp/cm² an
Dampfst". Pumpe	356	1344 2,5
5,91 kp/cm² an
Dampfstr. Pumpe

Beispiel 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 Dampfstrahlpumpe angeschlossen war. Die Beschichtungsbedingungen waren wie unten angegeben. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle IV zusammengestellt

Brennerbedingungen

Puiverzusammensetzung: 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

ti

12

Tabelle IV

Art der Unlcrdruck-	Unterdruck	Bcscliiclii'.'	'lijsdater.	Porosität	B-sdiicht
hcrstcllung					(icsi'hw.
		Härte	(%)	ι mm/s)
			■1,5	0,066
	(mm/I Ig)	(VI¹N)
beschichtung	M		2,0	0,1 !■'»
in freier Luft
2,39 kp/cm' an	76	1244	1.5	0,102
Danipfbii". !¹UmPC
3,59 kp/cm² an	152	1306	1,5	0,127
Dampfstr. Pumpe
4,57 kp/cm¹ an	229	1257	0,75	0,114
Dampfstr. Prm pe
5,41 kp/cm² an	305	1268
Dampfstr. Pumpe

Beispiel VII

Unter Verwendung der anhand der Beispiele IV, V und VI beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen wurden Versuche mit drei verschiedenen Beschichtungswerkstoffen, und zwar Dichromtrioxid, Wolframkarbid-Kobalt und Aluminiumbronze, durchgeführt. Die Brennerbedingungen waren wie folgt:

Dichromtrioxid

Wolframkarbid-Kobalt

Pulverfördermenge:
Brennerart:
Lichtbogenleistung:
Gesamtbrennergasmenge:
Gaszusammensetzui.':

g/min

Modell-Nr. 1101A 9,OkW 8,50 mVh Argon

Pulverfördermenge:	55 g/min
Brennerart:	Modell-Nr. 1101A
Lichtbogenleistung:	9,OkW
Gesamtbrennergasmenge:	8,50 m^J/h
Gaszusammensetzung:	Argon
iminiumbronze Pulverfördermenge:	40 g/min
Brennerart:	Modell-Nr.! !0! E
Lichtbogenleistung:	9,0 kW
Gesamtbrenr.ergasmenge:	8,50 nWh
Gaszusammensetzung:	Argon

Es wurden die in der Tabelle V zusammengestellten Ergebnisse erzielt.

Tabelle V
WerkstofTverglcich

Werkstoff

Unterdruck

(mm Hg)

Bcschichlungsdatcn 11 arte

Porosität	Bcschicht
	Gesehw.
(%)	(mm/s)
4,5	0,122
2,0	0,208'
1,5	0,226'
3,0 bei 20 μ	0,145
	0,244²
2,5 bei 10 μ
	0,218²
2,5 bei 10 μ
0,5	0,114
0,5	0,135
0,75	0,135
	0,216

Dichromtrioxid

Wolframkarbid-Kobalt

Aluminiumbronze

152

117

152

305

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

Beispiel VIII

Bei Verwendung eier Vorrichtung nach F i g. 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

Tabelle VI

und einer Hüllgaszufuhrmenge von 21,9 mVh wurden bei den unten angegebenen Bedingungen und den genannten Beschichtungspulvern die in Tabelle VI zusammengestellten Ergebnisse erzielt.

Besch.-Art

Pulverfördermenge

(g/min)

Oberfl.-Geschw.

(mm/s)

Eigenschaften der Beschichtung
Harte Haftfestigkeit

(VPN) (kp/mm²)

Porös.

Oxidgeh.

LN-2D

36
40

37
35
28
37

127 127 127 127 25,4 127

927 147 598 405 265 254

Die in Tabelle VI angegebenen Beschichtungsarten sind die folgenden:

LA-6
LN-2B

52-F

X-40

LT-I

LS-31

Aluminiumoxid (AI2O3)

reines Nickel

84,41% Wolframkarbid

17,61% Kobalt

56% Kobalt

25% Chrom

10% Nickel

70/0 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 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 (C^Ch) mit einer Pulverfördermenge von 45 g/min benutzt. Die Subsiratoberflächengeschwindigkeit betrug 127 mm/s. Die Hüllgaszufuhrmenge lag bei 21,9 mVh Argon. Es wurde eine Beschichtung mit den folgenden Eigenschaften erhalten:

Härte VPN

Haftfestigkeit

Porosität

1006

5,62 kp/mm²

4% (10)

6,33 +	B e i s ρ i	4
5,98 +	0,1
4,92 +	1-1,5
6,07 +	0,5
6,19 +	0,5
6,05 +	0,25
	el X

<0.25
3

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 (C^Ch). Die Oberflächengeschwindigkeit betrug 127 mm/s. Die Beschichtung hatte die folgenden Eigenschaften:

Härte VPN

Haftfestigkeit

Porosität

1204

7,73 + kp/mm²
4% (10)

Beispiel XI

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 wendeiförmige Kanal wurde von einem viergHngigen Gewinde mit 0,8 Zähnen oder Windungen je cm gebildet. Die Hüllgaszufuhrmenge betrug 21,9 mVh Argon. Es wurde mit einer Pulverfördermenge von 26 g/min Chromoxid (C^Ch) gearbeitet. Die Oberflächengeschwindigkeit betrug 127 mm/s. Es wurde ein Überzug mit den folgenden Eigenschaften erhalten:

Härte VPN
Porosisät

1261
3% (10)

Hierzu 3 BhUt Zeichnungen

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, IJ 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 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. 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 Auflragsfluß (oder die Auflragssiromdichle) hängt seinerseits von der in den Plasmastrom eingebrachten Menge an Beschichtungspulver und auch, weil sich das Pulver auszubreiten sucht, während es von der Zulührstelle 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 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

ίο 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 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 Brenners in 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 einem kurzen Abstand, beispielsweise 15 bis 30 mm, von der Brennerdüse

2> angeordnet werden kann. Bei derart geringen Abständen sind jedoch sehr hohe Oberflächengeschivindigkeiten erforderlich, um gute Beschichtungseigenschaften zu erzielen. Obwohl gefunden wurde, daß derartige Beschichtungen die bei weitem besten bisher erreichba-

iii ren 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

i) unmöglich machen, mit derart hohen Geschwindigkeiten zu arbeiten.

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

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

v> 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. In einem solchen Fall 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.

wi Es wurde versucht, Verbesserungen durch die Anwendung von den Plasmastrom umgebenden Ummantelungen oder Rohren und durch die Verwendung eines den Plasmaslrahl umhüllenden drillen Schulzgasstromes (»Schweißen und Schneiden« a.a.O.) /u

til erzielen; auf diese Weise sollte insbesondere die umgebende Luft ferngehalten werden und sollten die Beschichiungseigenschaften verbessert werden. Ein solches Vorgehen war jedoch bei den Spritzabständen,