DE2544847C2 - Plasmaspritzvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Plaunaspritzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Eine solche Plasmaspritzvorrichtung ist aus der DE-OS 15 71 171 bekannt. Diese Plasmaspritzvorrichtung weist einen Plasmakanal auf, der, in Strömungsrichtung gesehen, hinter einer Austrittsdüse für das in einer Kammer erzeugte Plasma liegt Ein 7uführungskanal zum Einleiten von zu spritzenden· Pulver in das Plasma mündet an einer zwischen der Austritts "äse und dem Plasmakanal liegenden Stelle. Ferner ist eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Piasmakanais vorgesehen. Dem Plasmakanal kann eine Lavaldüse nachgeschaltet sein, um das Plasma auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Eine Kühlung der Lavaldüse von außen ist nicht vorgesehen.

Diese Maßnahmen zielen bei der vorbekannten Plasmaspritzvorrichtung darauf ab, einen gebündelten Plasmastrahl hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur zu erhalten, der das zu spritzende Pulver so erhitzt, daß es in den schmelzflüssigen Zustand überführt wird, wobei der Plasmakanal durch Kühlung vor der Hitze des Plasmastrahles und des erschmolzenen Pulvers geschützt werden soll. Durch die Kühlung des Plasmakanals erfährt natürlich auch das Plasma eine Abkühlung, die bei der vorbekannten Plasmaspritzvorrichtung jedoch unerwünscht ist, weil dort das Pulver im geschmolzenen Zustand auf das Substrat auftreffen soll. Um sicherzustellen, daß das Pulver im Zeitpunkt seines Auftreffens auf das Substrat im schmelzflüssigen Zustand ist, wird das Pulver vor dem Plasmakanal in das Plasma eingeführt und ist dem Plasmakanal eine Blende nachgeschaltet, welche die kühlen Randzonen des Plasmas ausblendet.

Die Praxis hat nun gezeigt, daß viele Beläge, die im schmelzflüssigen Zustand durch Plasmaspritzen abgeschieden werden, eine gute theoretische Dichte, aber hohe Spannungen aufweisen und deshalb zu Rissen und zum Abblättern neigen, und zwar insbesondere unter Bedingungen, bei denen ein thermischer Schock auftritt. Diejenigen Beläge, die dagegen durch Detonationsspritzen bei niedrigeren Temperaturen erhalten werden, sind vom Standpunkt der Rißbildung und des Abblättcrns besser, weisen aber hinsichtlich der Maskierungserfordernisse und der Wirtschaftlichkeit Nachteile auf.

Mit der vorbekannten Plasmaspritzvorrichtung oder Detonationsspritztechniken ist es zumindest in vielen Fällen unmöglich, Spritzbeläge zu erzeugen, die nicht nur die gewünschte Zusammensetzung und die gewünschte metallurgische Struktur aufweisen, sondern auch die gewünschte Belaghaftung und Dichte besitzen.

Außerdem treten beim Plasmaspritzen mit der vorbekannten Plasmaspritzvorrichtung und bei anderen Spritztechniken Produktionsschwierigkeiten auf. Die Detonationsspritzverfahren werden beispielsweise aus Sicherheitsgründen üblicherweise so ausgeführt, daß die Bedienungsperson sich in einem beträchtlichen Abstand vom Beschichtungsvorgang befindet, was eine sorgfältige vorherige Positionierung der zu beschichtenden Teile und/oder eine Fernsteuerung erforderlich macht Das Plasmaspritzen mit der vorbekannten Plasmaspritzvorrichtung erfordert eine sorgfältige Oberflächenpräparierung und Maskierung und kann die Gefahr einer Erhitzung eines Substrats mit sich bringen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die gattungsgemäße Plasmaspritzvorrichtung so auszubilden, daß eine ausreichende Kühlung des Plasmas erfolgt, um das zu spritzende Pulver nur so stark zu erhitzen, daß es im plastischen Zustand auf der zu beschichtenden Oberfläche auftrifft

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches gelöst

Die erfindungsgemäße Plasmaspritzvorrichtung unterscheidet sich von der vorbekannten Plasmaspritzvorrichtung dadurch, daß die Düse zur Beschleunigung des Plasmas ein Teil des PJasmakanals ist und somit ebcnfalls wie der übrige Teil des Plasmakanals gekühlt wird, wodurch neben der durch die Beschleunigung des Plasmastrahles bewirkten Kühlung eine zusätzliche Kühlung des Piasrnastrahies von außen erfolgt, und daß das zu spritzende Pulver an einer Stelle zwischen den bciden Enden des Plasmakanales eingeführt wird, wenn also der Plasmastrahl durch Kühlung des Plasmakanals bereits abgekühlt worden ist.

Ein Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, optimale Belagsstrukturen zu erzielen, die eine vorzügliche Haftung und Dichte aufweisen. Dieser Vorteil ist mit Verbesserungen bei der Verfahrenswirtschaftlichkeit und der Verfahrenssicherheit verknüpft.

Bei der aus der CH-PS 5 31 898 bekannten Plasmaspritzvorrichtung findet zwar ebenfalls eine Kühlung

so statt, aber nicht eine Kühlung des Plasmas vor der Einführung des Pulvers. Die vorgesehene Kühleinrichtung dient zum Schütze der Elektroden und nicht zum Kühlen des Plasmas. Diese vorbekannte Plasmaspritzvorrichtung weist auch keine Einrichtung zur Beschleunigung des abgekühlten Plasmastrahles auf.

Ähnlich verhält es sich mit der aus der DE-PS 12 81 769 bekannten Plasmaspritzvorrichtung. Auch bei dieser vorbekannten Plasmaspritzvorrichtung ist nur eine Kühlvorrichtung für die Elektrode, nicht aber für den bereits erzeugten Plasmastrahl vorhanden. Eine Einrichtung zur Beschleunigung des Plasmastrahles ist ebenfalls nicht vorhanden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, die eine Plasmaspritzvorrichtung in einer Schnittdarstellung zeigt.

Ein Spritzdüsenansatz 2 paßt auf eine Düse 4 einer Standardplasmaspritzpistole 6, wie z. B. die METCO 3 MB Plasma Gun mit GP Nozzle. Der Düsenansatz

besitzt ein rohrförmiges geripptes Teil 8 mit einem durchgehenden Kanal 10. Wie gezeigt, besteht das gerippte Teil aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit, wie z. B. Kupfer. Es ist von einem Stahlmantel 14 umgeben, der einen Kühlwassereinlaß 16 und einen Kühlwasserauslaß 18 aufweist Das Kühlwasser, das durch die Kammer 19 hindurchgeht, kühlt das gerippte Teil, wobei es ein Schmelzen oder andere Wärmeschäden durch das heiße Plasma verhindert, das während des Betriebs der Vorrichtung durch den Kanal 10 hindurchgeht Beim Durchgang durch den Kanal im gekühlten gerippten Teil erfährt das heiße Plasma selbst eine beträchtliche Abkühlung.

Zur Aufrechterhaltung einer hohen Gasgeschwindigkeit in der Vorrichtung ist der Kanal 10 so ausgebildet, daß er aerodynamisch wirksam ist wobei ein Eintrittsabschnitt 20 und ein Düsenabschnitt mit einem konvergierenden Eintrittsteil 22 und einem divergierenden Austrittsteii 24 vorhanden ist Die dargestellte Ausführungsform besitzt eine Länge von 16 cm mit einem Eintrittsabschnitt von 2,18 cm, einem Düseneintrittsteil mit einer Länge von 0,63 cm, einem Düsenhaisdurchmesser von 035 cm und einem Düsenaustrittsteil mit einem Austrittsdurchmesser von 038 cm. Somit ist der Düsenabschnitt konvergent/leicht divergent

Es ist erwünscht, die Pulver der zu beschichtenden Oberfläche nicht nur mit hoher Geschwindigkeit und großer Wärme, sondern in einem plastischen und weniger in einem geschmolzenen Zustand zuzuführen. Während das Plasmagas den Kanal durchtritt, wird es abgekühlt weshalb eine Einführung der Pulver an einem stromabwärtigen Teil eine verringerte Erhitzung der Pulver ergibt, da nämlich die Temperatur dort niedriger als im stromaufwärtigen Teil ist Demgemäß wird die Düse so hergestellt, daß sie eine ausreichende Länge aufweist, um die Plasmatemperatur in der Düse beträchtlich zu verringern. Das Wort »länglich«, wie es hier verwendet wird, bedeutet eine ausreichende Länge für eine beträchtliche Abkühlung des Plasmas. Aus den obigen Angaben ist ersichtlich, daß gemäß der Erfindung die Beschichtungspulver einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur während einer langen Zeit ausgesetzt werden, was im Gegensatz zur hohen Temperatur und kurzen Zeit bei den herkömmlichen Plasmaspritzvorgängen steht.

Der Düsenansatz besitzt Zuführun^skanäle 40 und 42, durch welche Pulver in den Plasmagasstrom eingeführt werden kann. Der Eintrittsort dieser Zuführungskanäle für das Pulver hängt vom zu verspritzenden Pulver und von den jeweiligen Verfahrensparametern und der jeweils verwendeten Vorrichtung ab. Grundlegend wird jedoch der Ort so ausgewählt, daß die richtige Erhitzung der Pulver erhalten wird.

Beim Spritzen von Nickel/Aluminium in der beschriebenen Vorrichtung werden die Pulver in einem inerten Trägergas durch den Zuführungskanal 42, der aus einer Bohrung mit einem Durchmesser von 0,16 cm besteht und ungefähr 9 cm stromabwärts im Düsenansatz 2 oder kurz stromaufwärts des Düsenabschnitts in den Pkismakanal einmündet eingeführt.

liin oder mehrere Zuführungskanäle können für die Einführung verschiedener Pulverzusammensetzungen verwende! werden, wenn solche Pulver gleichzeitig oder aufeinanderfolgend gespritzt werden sollen. Es ist auch möglich, mehrere Zuführungskanäle für die Einführung ein und desselben Pulvers zu verwenden, wenn die Verfahrensparameter geändert werden sollen. Es können leicht Beläge mit abgestufter Zusammensetzung hergestellt werden, indem die Zuführung einer Zusammensetzung allmählich verringert und die Zuführung einer anderen Zusammensetzung allmählich gesteigert wird.

Wie bereits erörtert kann die Pulvertemperatur leicht in einem gegebenen System durch sorgfältige Auswahl der Anordnung des Punkts, an dem die Pulver in den heißen Gasstrom eingeführt werden, erreicht werden. Die Vorrichtung kann auch leicht an andere

ίο Mittel für die Temperaturkontrolle des Pulvers angepaßt werden. Der Zuführungskanal 40 oder ein anderer Kanal kann beispielsweise zum Einführen eines die Temperatur modifizierenden Gases in den Plasmastrom verwendet werden. Dieses die Temperatur modifizierende Gas kann einfach ein kalter Gasstrom der Plasmagaszusammensetzung sein, kann aber auch ein solches sein, welches die Wärmeübergangseigenschaften oder andere Eigenschaften des Plasmas verändert Wie gezeigt, kann der Düsenansatz eine von der Plasmapistole getrennte Vorrichtung sein. Diese spezielle Konstruktion wurde aus praktischen Gründen gewählt damit die vorliegende Erfindung mit eiser vorhandenen Plasmavorrichtung verwendet werden konnte. Es besteht natürlich kein Grund, warum nicht der Düsenansatz mit der Pistole selbst integral ausgebildet sein kann. Zwar ist das gerippte Teil als gesondertes Stück ausgebildet jedoch können verschiedene Teile davon als gesonderte Teile ausgebildet werden, um entweder die Anpassung der Vorrichtung an andere Beschichtungsoperationen oder -vorrichtungen zu ermöglichen oder um eine Reparatur oder einen Ersatz von abgenutzten Teilen zu erleichtern.

Um die optimale Phasenstruktur im aufgebrachten Belag zu entwickeln, ist es üblicherweise vorteilhaft, daß die Pulverteilchen, die auf die zu beschichtende Oberfläche auftreffen, einen plastischen Zustand aber eine so niedrige Temperatur wie möglich besitzen. Je kühler die Teilchen sind, desto höher muß jedoch die Auftreffgeschwindigkeit sein, um eine maximale Dichte und eine maximale Haftung zu erzielen. Somit wird ein beträchtlicher Vorteil erreicht, wenn es möglich wird, eine hohe Teilchengeschwindigkeit zu erzielen.

Die Teüchengeschwindigkeiten sind von Haus aus durch die Gasgeschwindigkeit im jeweiligen System beschränkt. Beim Detonationsspritzverfahren unterliegen die Teilchen typischerweise Schockwellengeschwindigkeiten in der Größenordnung von 750 m/sec. Plasmaspritzpistolen, bei denen das von den Herstellern empfohlene Argon verwendet wird, können Gasgeschwindigkeiten bis zu 1200 m/sec erreichen. Bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können Gasgeschwindigkeiten bis zu 3600 m/sec oder noch mehr erreicht werden.
Im Gegensatz zur üblichen industriellen Praxis wird bei der Plasmaspritzvorrichtung gemäß der Erfindung die Verwendung von Helium als Plasmagas bevorzugt Zwar ist von Helium bekannt, daß es bei Plasmaspritzoperationen verwendet werden kann, jedoch haben sein geringes Gewicht und seine schlechten Wärmeübergangseigenschaften zur Folge gehabt, daß in der Industrie die Verwendung von Helium in üblichen Plasmaspritzvorrichtungen abgelehnt wurde. Bei der Plasmaspritzvorrichtung gemäß der Erfindung ist seine Verwendung nicht nur möglich, sondern sogar vorteilhaft.

In einer herkömmlichen Vorrichtung divergieren die in der Plasmapistole angeregten Gase rasch. Pulver, die in einen solchen Strom eingeführt werden, bleiben in diesem nur eine sehr kurze Zeit. Bei diesen kurzen Ver-

weilzeiten würde die Verwendung von Helium mit seinen schlechten Wärmeübergangseigenschaften anstelle von Argon die Schwierigkeiten erhöhen, dem Pulver die richtige Wärme zu geben. Diese kurze Verweilzeit und das rasch divergierende Gas verstärken außerdem das ■> Problem dem Pulver die erwünschte Geschwindigkeit zu erteilen.

Die bevorzugte Verwendung von Helium bei der Plasmaspritzvorrichtung gemäß der Erfindung ergibt eine kontrollierte Erhitzung und eine hohe Geschwindigkeit. Weiterhin bestehen andere Vorteile. Bei jedem Beschichtungsverfahren ist es wesentlich, nicht nur den Effekt der Beschichtungskomponenten und der Verfahrensparameter bei der Beschichtung zu betrachten, sondern auch ihre Effekte auf das zu beschichtende Substrat. Oftmals sind die Eigenschaften des Substrats derart, daß gewisse Temperaturen des Substrats nicht überschritten werden dürfen. Die verhältnismäßig schlechten Wärmeübergangsqualitäten von Helium im Vergleich zu Argon ergeben einen verringerten Wärmeübergang zum Substrat.

Bei den herkömmlichen Plasmaspritzoperationen ergibt das Divergieren der erhitzten Gase eine ziemlich große Substratfläche, die erhitzt wird, und zwar insbesondere auch an Stellen, wo kein Belag erforderlich ist und die maskiert werden sollten. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine viel größere Fokussierung des Stroms möglich. Somit werden üblicherweise kleinere Flächen des Substrats zu jedem Zeitpunkt den heißen Gasen ausgesetzt, wobei die Substrate wegen des größeren Wärmeabfalls kühler bleiben. Als zusätzlicher Nutzen wurde gefunden, daß wegen der leichteren Kontrolle der erhitzten Fläche die Notwendigkeit und das Ausmaß einer Maskierung verringert werden. Außerdem können die Belagstruktur und die Dicke leichter un:cr Kontrolle gehalten werden. Schließlich besteht auch weniger Vergeudung an Pulver, was die Wirtschaftlichkeit hebt.

Die Beschichtungsoperationen werden bei der erfindungsgemäßen Plasmaspritzvorrichtung auch noch in anderer Hinsicht vereinfacht. Bei der Verwendung einer Detonationspistole werden die Arbeiten üblicherweise so ausgeführt, daß die Bedienungsperson sich aus Sicherheitsgründen in einem gewissen Abstand vom Beschichtungsvorgang befindet. Bei herkömmlichen Piasmaspritzpistolen besitzt das angeregte Gas eine solche hohe Temperatur, daß Augenschäden aus der UV-Strahlung rasch eintreten können und ein geeigneter Augenschutz nötig ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Gastemperaturen geringer und ist die Möglichkeit von Augenschäden kleiner, obwohl natürlich auch hier gev-sse Sicherheitsmaßnahmen in jedem Fall eingehalten werden sollen.

Bei einem herkömmlichen Verfahren wird ein Teil für die Beschichtung typischerweise dadurch präpariert. daß man erstens zunächst eine Maskierung vornimmt, so daß nur die zu beschichtenden Bereiche frei bieiben, daß man zweitens sandstrahlt, drittens eine Reinigung zur Beseitigung der Nachwirkung der Sandstrahlung vornimmt und schließlich erneut maskiert. Die vorliegende Erfindung beseitigt die Notwendigkeit für diese herkömmlichen Stufen in vielen Fällen. Da die Fokussierung stark verbessert ist. ist das Ausmaß der notwendigen Maskierung geringer. Da außerdem die Teilchengeschwindigkeiten sehr hoch sind, wurde es für möglich gefunden, die Sandstrahloperationen und die damit verbundenen Maskierungen und Reinigungen wegzulassen. Ein einfaches Abwischen der Oberfläche zum Zwecke der Entfettung mit Freon hat sich als ausreichend erwiesen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Plasmaspritzvorrichtung mit einer Plasmaerzeugungskammer, die eine Plasmaaustrittsdüse aufweist, einem stromabwärts zur Plasmaausirittsdüse sich anschließenden Plasmakanal, einer Einrichtung zur Kühlung des Plasmakanals, einem Zuführungskanal zum Einleiten von zu spritzendem Pulver in das Plasma an einer stromabwärts zur Plasmaaustrittsdüse liegenden Stelle und einer Plasmabeschleunigungsdüse, die stromabwärts zu der Stelle angeordnet ist, an der das zu spritzende Pulver in das Plasma einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmakanal (10) zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete, durch die Kühleinrichtung (8,14,16,18,19) kühlbare Kanalabschnitte (20,22,24) aufweist, von denen der stromabwärtige Kanalabschnitt (22, 24) als Plasmabeschleunigungsdüse ausgebildet ist, und der Zuführungskanal (42) für zu spritzendes Pulver in den Plasmakanal (10) an einer zwischen dessen beiden Enden liegenden Stelle einmündet