DE2655730A1

DE2655730A1 - Verfahren zum thermischen aufspritzen von teilchen sowie damit hergestellte artikel

Info

Publication number: DE2655730A1
Application number: DE19762655730
Authority: DE
Inventors: Irwin Isaac Bessen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-12-12
Filing date: 1976-12-09
Publication date: 1977-06-16
Also published as: JPS5285032A; FR2334431A1; GB1512150A

Description

Verfahren zum thermischen Aufspritzen von Teilchen sowie damit hergestellte Artikel

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontrollierten thermischen Aufspritzen von Teilchen sowie damit hergestellte Artikel.

Es ist bereits eine Vielzahl thermischer Verfahren zum Aufspritzen, wie solchen unter Anwendung einer Verbrennung, eines Plasmas oder eines elektrischen Bogens, zum Aufbringen metallischer und nicht metallischer Teilchen auf die Oberfläche von Artikeln benutzt worden. Wegen der Vielfalt der Steuerparameter der Vorrichtung, wie Gasströmungsgeschwindigkeiten und Mischungen, Teilchenzuführungswinkel und -geschwindigkeit, Strom und Spannung bei dem Verfahren unter Verwendung eines elektrischen Bogens, Abstand zwischen Aufbringvorrichtung und der Zieloberfläche, Düsengröße für die Teilchenzuführung usw. ist die Steuerung der Eigenschaften des erhaltenen Niederschlages manchmal sehr schwierig. Unter vielen Umständen ist ein Niederschlag hoher Dichte einfach als Mittel zum bequemen Aufbringen eines Materials und zum Annähern an einige bekannte Eigenschaften des vollständig dichten Materials, wie es in anderen Formen erzeugt wird, erwünscht. Manchmal sind auch Eigenschaften erwünscht, in denen die Porosität eine Rolle spielt, wobei die

709824/0809

-H '

thermische Leitfähigkeit una die Schicht- bzw. kohäsive Festigkeit Beispiele von Eigenschaften sind, die durch das Einbauen von Poren während des thermischen Aufspritzens beeinträchtigt werden.

Es sina viele Variationen bei der Auswahl eier Steuerparameter aer Vorrichtung vorgenommen worden, doch können sich einige Parameter, die konstant bleiben sollen, wie die Düsengröße, aufgrund des Abriebs durch die Teilchen verändern. In jedem Falle ist die genaue Steuerung des Überzugsverfahrens aufgrund der Festlegung voriparametern der Vorrichtung una die Reproduzierbarkeit der Eigenschaften über lange Zeiten im allgemeinen schwierig gewesen.

Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Steuern des thermischen Aufbringens von Teilchen zu schaffen, bei aem die resultierenden Verfahrungsparameter una nicht die Steuerpararreter der Vorrichtung benutzt werden. Diese Steuerung durch die Verfahrensparameter soll auf eir^ thermisches Verfahren zum Aufspritzen angewandt werden, mit aem ein Artikel mit einem Niederschlag von Pulverteilchen versehen wird.

Die Erfindung verbessert somit das Verfahren zum herstellen eines Artikels, welches das Aufbringen von Teilchen auf eine Oberfläche des Artikels mittels eines Verfahrens zum thermischen Aufspritzen einschließt, bei dem die Teilchen erhitzt und auf die Oberfläche geschleudert werden. Die Verbesserung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Auswählen eines erwünschte^ thermisch auf eine Testoberfläche aufgespritzten Teilchenniederschlages anhand der gemessenen resultierenden Verfahrunjzsparameter Teilchentemperatur, Teilchengeschwindigkeit und Temparatur der mit dem Niederschlag in Verbindung stehenden Oberfläche. Dann wird der erwünschte Niederschlag mittels eines Verfahrens zum thermischen Aufspritzen auf die Oberfläche eines Artikels aufgebracht, wobei das Verfahren durch die gemessenen Parameter gesteuert wird und einen Artikel ergibt, dessen Ouali-

709824/0809

-ζ-

tat genau gesteuert und reproduziert ist.

Obwohl die vorliegende Erfindung auf eine Vielfalt von Verfahren zum thermischen Aufspritzen anwendbar ist einschließlich des unter Anwendung einer Verbrennung, eines Plasmas oder eines elektrischen Bogens, wird sie nachfolgend mit Bezug auf das Verbrennungsverfahren zum thermischen Aufspritzen näher beschrieben. Zur Verwendung in einem solchen Verfahren sina viele Vorrichtungen im Handel erhältlich. Das Verfahren beinhaltet jedoch allgemein das Zünaen einer Mischung brennbarer Gase, deren Strom auf ein Ziel oder die Oberfläche eines Werkstückes gerichtet ist. In die brennenden Gase wird ein Pulver oder eine Pulvermischung eingeführt, die erhitzt und gegen die Werkstückoberfläche geschleudert werden soll. Die Temperatur, bis zu der die Pulverteilchen erhitzt werden und damit, ob diese Teilchen schmelzen oder sich plastisch verformen oder nicht, hängt von vielen Variablen ab, wie der Gasmischung und ihren relativen Strömungsgeschwindigkeiten, der Größe der Pulverteilchen und der Geschwindigkeit, mit der die Teilchen dem Gasstrom zugeführt werden, dem Abstand zwischen der Antriebsvorrichtung und dem Ziel, dem Punkt, bei, und dem Winkel, mit dem die Pulverteilchen in den Gasstrom eingeführt werden, usw. Diese Größen der Vorrrichtung können sich bei der Herstellung eines Niederschlages von Tag zu Tag oder von Vorrichtung zu Vorrichtung ändern und ohne daß die Betriebsperson davon Kenntnis hat, wie durch Erosion der öffnungen, durch welche die Gase austreten oder durch welche die Pulverteilchen in den brennenden Gasstrom eingeführt werden. Aufgrund solcher Variation aer Parameter der Vorrichtung haben sich Änderungen in den Niederschlagscharakteristika bis zu einem Ausmaß ergeben, daß einige Niederschläge für den beabsichtigten hinsatzzweck nicht mehr brauchbar waren.·

Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile der bekannten Verfahren, indem sie das Verfahren zum thermischen Aufbrin-

709824/0809

- ir-

gen durch die resultierenden Parameter Teilchentemperatur, Te ^geschwindigkeit und Oberflächentemperatur steuert, und nicht mittels der Parameter der Vorrichtung, die zu den Nachteilen führen. Mit Hilfe der Erfindung ist der Niederschlag reproduziert und weist bei einem thermisch aufgespritzten Niederschlag die vorbestimmten Eigenscnaften auf.

Die oben beschriebene Variation beim Verfahren zum thermischen Aufspritzen wird deutlicher aufgrund der in der folgenden Tabelle zusammengestellten Daten. Diese Daten wurden bei der Auswertung von niederschlagen erhalten, die im Kompressorabschnitt von Gasturbinen als abrei^ bares Dichtungsmaterial für die Zusammenarbeit mit rotierenden Kompressorschaufeln aufgebracht werden. Eine der bei dem Niederschlag erwünschten Eigenschaften war₃ daß er nicht zu einem nachteiligen Abrieb der Schaufelspitze, welche in Abriebsverbindung mit dem Dichtungsmaterial steht, führen sollte.Das für die Auswertung verwendete Pulver, mittels dessen die Daten der folgenden Tabelle erhalten wurcen, war eine Pulvermischung aus einer Kupfer/Aluminum-Legierung mit einen Nickel-Graphit-Pulver _} die 55 - 75 Gew.-# der Kupfer-Nickel -Le gierung and als Eest das Nickel-Graphit-Pulver enthielt, wobei die Kupfer/Aluminium-Legierung im wesent liehen aus 90 - 95 Gew.-% Kupfer, bis zu 2 Gew.-% Eisen und / oder Siliziuin und als hest Aluminum uno zufälligen Verunreinigungen bestand. Das Nickel-Graphit-Pulver enthielt Nickel im Bereich von etwa 50 bis weniger als etwa 75 Cew.-£. Im besonderen bestand die Mischung aus 65 Gew.-^ Kupfer/Aluminium-Legierung und 35% Nickel-Graphit .

709824/0809

TABELLE

Cu/Al-Legierungs-ZNi-Graphit-Teilchen, Vorrichtung konstant

Parameter der Vorrichtung

Resultierende Parameter

	Beispiel	Gasströmungs geschwindig keit (l/h)	1190	Teilchen- zuführungs- geschwindig- keit (kg/h)	Teilchen geschwin digkeit (m/sec)	Substrat- Temp. (⁰C)	188	Teilchen- Temp.
709	1	907	1218	5,25	35	160 -	171	1116 -
O3	2	935	1190	5,40	36	138 -	204	1127 -
-P-	3	907	1190	5,25	35	121 -	204	1163 -
O	4	907	1120	5,25	35	132 -	138	1163 -
OO O	5	836	1303	5,20	32	132 -	177	1127 ■
	6	1078	1218	4,99	39	144 -	171	- 1121
	7	935	4,94	36	149 -	- II54
- 1168
- 1166
- II32
1182
1154 -
- 1182

Niederschlagseigenschaften
(siehe Seite 6)

Vl LTl

	Portsetzung der	20° Strahl Abriebs- erosivität (sec/0,025 mm)	Schicht- festigkeit (kg/cm²)	Dichte (g/cm³)
	TABELLE	11	43,4	3,81
	Niederschlagseigenschaften	—	42	3,63
	Abriebstest Schaufel abrieb	15	67,2	3,99
Beispiel	nein	12	49	3,95
1	nein	5	28,4	3,61
2	ja	21	67,2	--
3	ja	22	50,4	—_
4	nein
VJI	ja
6	ja
7

Die in|der Tabelle angegebene Pulvergeschwindigkeit wurde aus Laser-Geschwindigkeitsmeßdaten interpoliert, bei denen die mittlere Teilchengeschwindigkeit liegen die Summe üer Gasirömung aufgetragen wurde. Die Teilchenfcemperatur wurde in einem Abstana von etwa 38 mm vom Substrat gemessen. Bei dem Abriebstest zur Bestimmung des Schaufelabriebs wurde der Niederschlag mit Schaufeln aus einer Titanlegierung, die aus 6 Gew.-% Aluminium, 4 Gew. Vanadium und als Rest im wesentlichen Titan bestand, in Abriebs verbindung gebracht. Durch Anwenden üer gleichen Vorrichtung und des gleichen Aufbaus zur Gewinnung der Testdaten wurden bestimmte Parameter der Ausrüstung,, die sich aus Variationen zwischen verschiedenen Vorrichtungen oder durch Variation in der Anordnung ergeben können, normiert. Weiter wurde wegen der relativ kurzen Strömungszeit des Pulvers durch die Düsenöffnung deren Abrieb für vernachlässigbar angesehen. Die zur Lrzeugung der Niederschläge eingesetzte Verbrennungsvorrichtung war eine Verbrennungskanone, wie sie im Handel als Metco-öP-Kanone mit einem Zweilochsiphonstopfen erhältlich ist, die von einem Mischzuführe r gespeist wird.

709824/0809

-3-

In eier ob igen Tabelle sind auch die Parameter der Ausrüstung für die Gasströmung der beiden in Mischung verwendeten Gase 0

und CpH sowie die Teilchenzuführungsgeschwindigkeit aufgeführt. Obwohl es etwas Variation in den einzelnen Gasströmungsgeschwindigkeiten gab, wurde der Unterschied zwischen den beiden bei etwa 28O l/h gehalten, wie es allgemein empfohlen ist. Die Variation in der Tellchenzuführungsgeschwindigkeit lag zwischen 4,94 und 5,40 kg pro Stunde. Die Teilchengrößen lagen im Bereich von etwa 0,044 - etwa 0,1 mm. Sie wurden auf ein Substrat aus der oben genannten Ti-6A1-4V-Legierung und aus einer Kickelsuper legierung, die unter der Bezeichnung IM718-Legierung im Handel erhältlich ist, aufgebracht, die beide vorher mit einem Bindeüberzug aus 5 Gew.-% Aluminium und 95 Gew.-# Wickel überzogen worden waren.

Wie sich aus einem Vergleich der resultierenden Parameter und einem Vergleich der Niederschla^seigenschaften ergibt, kann eine beträchtliche Variation auftreten, obwohl die Parameter der Vorrichtung relativ konstant zu sein scheinen. So lag z.B. die Pulvergeschwindigkeit für die meisten Beispiele im Bereich von etwa 35 - 36 m/sec. In Beispiel 5 wurde mit der geringsten Geschwindigkeit von etwa 32 m/sec gearbeitet und der niedrigste Bereich der Substrattemperatur benutzt; dies führte

zu einer zu geringen hirosivität und einer zu geringen Schicht bzw. kohäsiven Festigkeit. Das Beispiel 6 dagegen mit der höchsten Teilchengeschwindigkeit von etwa 39 m/sec hatte eine hohe Lrosivität und eine hohe Schichtfestigkeit;, die zu einem unerwünschten Schaufelabrieb führte. Die geringste-durchschnittliche Substrattemperatur, die zu einer losen Bindung und der geringsten Schichtfestigkeit und Erosivität führte, macht den Niederschlag des Beispiels 5, obwohl es während des Abriebstests keinen Schaufelabrieb hervorbrachte, zu einem ungeeigneten Niederschlag für den beabsichtigten Zweck, da er eine zu geringe Erosivität aufwies.

709824/0809

^ AO -

Die Bedingungen bei den Beispielen 3,4,6 und 7 führten zu einem unerwünschten Schaufelabrieb. Außerdem zeigten die darin erzeugten Niederschläge eine außerordentlich große Schicht festigkeit und Erosivität auf der hohen Seite zusammen mit Kombinationen hoher Subs trat temperatur und hoher Teilchentemperaturen.

Die Beispiel 1 und 2 zeigten keinen Scnaufelabrieb, eine mittlere Erosivität una eine Bindungsfestigkeit innerhalb der Schicht von

ρ
etwa 42 kg/cm _} was für den beabsichtigten Zweck als abreibbare Dichtung geeignet ist. Außerdem erzeugten die Bedingungen der Beispiele 1 und 2 eine mäßige Teilcnengeschwindigkeit im Bereich von etwa 33 - 37 m/sec₃ mäßige Substrattemperaturen von etwa 135 - 190⁰C und mäßige Teilchentemperaturen im Bereich von etwa 1100 - 1155°C. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden daher zur genauen Steuerung des Niederschlages aus den beschriebenen Kupfer-Aluminium/Nickel-Graphit-Teilchen diese resultierenden Parameter benutzt, wobei die Parameter der Vorrichtung innerhalb der erwünschten Vorricntungsbereiche ausgewählt werden, damit man diese resultierenden Parameter erhält. Durch die vorliegende Erfindung wird daher das Aufbringlerfahren durch die Messung der resultierenden Parameter Pulvergeschwindigkeit und Teilchentemperatur gesteuert und nicht durch Einstellen von Vorrichtungsparametern, die sich auf die Gasströmung, die Teilchenzuführungsgeschwindigkeit usw. beziehen.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 einen grafischen Vergleich der Wirkung der Variation VerbrennunJÜfSischung auf die Teilchengeschwindigkeit_;

Figur 2 eine grafische Darstellung der konstanten Teilchengeschwindigkeit bei verschiedenen thermischen Spritzdistanzen und

Figur 3 eine grafische Darstellung aer Variation der Teilchentemperatur in Abhängigkeit mit der^Variation der Gasströmungsgeschwindigkeiten, gemessen in verschiedenen Abständen von der Spritzdüse.

709824/0809

- ijr-

-44 <

Während der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurden verschiedene Tests ausgeführt, um die Wirkung der Variation der Parameter der Vorrichtung auf die resultierenden Parameter zu verstehen um wie die scheinbar kleinen Variationen bei den Parametern der Vorrichtung ernstlich die Eigenschaften des Niederschlages beeinflussen konnten. Typisch für solche Tests sind die, die durch die Daten in Figur 1 dargestllt sind. Bei dem grafischen Vergleich in der Figur 1 unter Verwendung des oben beschriebenen Aluminium-Kupfer/Kickel-Graphit-Pulvers wurde eine Zuführungsgeschwindigkeit für die Pulvermischung von etwa 4,05 kg/h benutzt. Die Figur 1 zeigt die Wirkung der variierenden Gasmischunp auf die Teilchengeschwindigkeit. Die Kurven, welche die Verteilung der Teilchengeschwindigkeiten mit einem auf die Maximalweite gestellten Zwischenventil veranschaulichen, zeigen, daß sich als Ergebnis von Änderungen in der Gasströmungsgeschwindigkeit beträchtliche Unterschiede in der Teilchengeschwindigkeit ergeben können. Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß. durch Steuern des resultierenden Parameters Teilchengeschwindigkeit eine Variation in den Niederschlagseigenschaften, die sich aus Parametern der Vorrichtung, wie den Gasströmungsgeschwindigkeiten, ergibt, im wesentlichen beseitigt werden kann.

In anderen Auswertungen > wie denen, die zu den Daten der Figur 2 führten, wurde erkannt, daß die gleiche TeiIchengeschwindigkeit bei verschiedenen Abständen zwischen der Spritzvorrichtung und dem Substrat aufrechterhalten werden kann. So wurde bei dem in Figur 2 veranschaulichten Vergleich, bei dem eine Mischung aus den Pulvern einer Nickel-Chrom-Legierung, die im Handel als Met00-44 3-PuIVeT erhältlich ist, und von Nickel-Graphit eingesetzt wurde, die mittlere Teilchengeschwindigkeit bei etwa 18 m/sec gehalten, obwohl der Abstand zwischen der Verbrennungsspritzkanone und dem Substrat von 95 - I78 mm variiert wurde, wobei alle anderen Größen in der Vorrichtung konstant gehalten wurden, u.a. auch die Geschwindigkeitsverteilung.

709824/0809

Andere Auswertungen, die mit dem vorgenannten Nickel-Chrom-Legierungspulver gemischt mit riicicel-Graphit-Pulver ausgeführt wurden, zeigten, daß die Teilchentemperatur in Abhängigkeit von den Gasströmungsmischungen sowie von der Spritzdistanz merklich variieren kann. Die entsprechenden Ergebnisse sind in der graphischen Darstellung aer Figur 3 für eine solche Pulverniischung angegeben, die in einer kenge von etwa 3,18 kg pro Stunde zugeführt wurden, wobei man zwischen den Strömungsgeschwindigkeiten von Sauerstoff und Acetylen einen unterschiea von 280 l/h aufrechterhielt und die Temperaturen in verschiedenen Abständen von der Spritzdüse gemessen hat.

Die Substrattemperatur als ein resultierender Parameter wurde mit einem Kontaktpyrometer für tiefere Temperaturen ermittelt, aas unmittelbar (innerhalb von 2 Sekunden) nach dem Aufbringen an aas Substrat oder den frischen Niederschlag gehalten wurde. Ein Radiometer für Temperaturen v/urde bei dem frischen Niederschlag ebenfalls erfolgreich angewandt, wobei die gemessenen Temperaturen etwas höher liegen als die in der Tabelle angegebenen, da der Zeitabstand geringer ist. Die Substrattemperatur wird üblicherweise durch Parameter der Vorrichtung beeinflußt, wie die übertragungsgeschwindigkeit und das Luftstrahlkühlen, sowie durch die thermische Masse des Substrates. Werden massive Artikel überzogen, d.h. ist der Wärmeübergang von der thermischen Spritzkanone unzureichend, um die erwünschte Substrattemperatur zu erhalten, üann können zusätzliche Wärmeauellen benutzt werden, un- das Substrat vorzuerhitzen und aie Temperatur zu erhalten. Häufig^erden Artikel in rotierenden Trommeln vor einem Auspuffabzug überzogen, wodurch die Rotationsgeschwindigkeit und die Auspuffsströmung zu Parametern der Vorrichtung werden. Die Anwendung der Substrattemperatur als einen resultierenden Verfahrensparameter integriert die Einflüsse der von der Spritzkanone abgeleiteten Wärme, des Substraterhitzers, der Luftstrahlkühlung, der übertragungs- oder Rotationskonvektionskühlung und der Auspuffs luftkühlung für eine gegebene thermische Masse oder Artikelkonfiguration. Die Kombination der Kontrollparameter der Vorrichtung, die zujerwünschten Überzugseigenschaften

709824/0809

führen und die resultierenden Verfahrensparameter bestimmen, können anhand von Versuchen ausgewählt werden.

Die Substrattemperatur ist in der obigen Tabelle in Form von Bereichen angegeben, wobei die darin enthaltenen Abweichungen für dünne zylindrische Umhüllungssubstrate aus Metall typisch sind. Die Steuerparameter der Vorrichtung für diese Beispiele schlossen Zylinder mit einem Durchmesser von etwa 5C und etwa 75 cm ein, die in einem Bereich von etwa 33 bis etwa 46 m/min rotieren, sowie eine Axialkanonen-Übertragungsgeschwindigkeit im Bereich von etwa 6,75 bis etwa 10 cm/min. Die Rotationsund Übertragungsgeschwindigkeiten wurden während des Überziehens jedes Artikels recht genau eingehalten, doch waren die Geschwindigkeiten der Luftkühlstrahlen und der Auspuffluft variabler.

709824/0809

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Artikels, der einen Niederschlag aus Pulverteilchen auf einer Oberfläche aufweist, der durch ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht wurde, bei dem die Teilchen erhitzt und gegen die Oberfläche geschleudert wurden, gekennzeichnet durch die Stufen:

Auswählen eines geeigneten Niederschlages, indem man zuerst durch thermisches Spritzen der Teilchen auf eine Testoberfläche einen Testniederschlag herstellt und die dazu benutzten resultierenden Parameter Teilchentemperatur, Teilchengeschwindigkeit und Oberflächentemperatur mißt, und

Aufbringen des geeigneten Niederschlages mittels eines thermischen Spritzverfahrens, das durch die gemessenen resultierenden Parameter gesteuert ist, auf eine Artikeloberfläche.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Auswählen eines geeigneten Niederschlages das Aufbringen vieler Testüberzüge je auf eine Testoberfläche einschließt, wobei man eine Vielzahl von Vorrichtungsparametern für das thermische Spritzverfahren benutzt und die resultierenden Verfahrensparameter Teilchentemperatur, Teilchengeschwindigkeit und Oberflächentemperatur mißt, die Testniederschläge unter Testbedingungen, die repräsentativ sind für die Bedingungen, bei denen der Niederschlag auf dem Artikel benutzt werden soll, auswertet und dann aus den Testniederschlägen einen geeigneten Niederschlag auswählt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilchen und die Artikeloberfläche metallisch sind und ein thermisches Spritzverfahren vom Verbrennungstyp angewendet wird.

709824/0809

- w- I

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilchen aus einer Pulvermischung aus 55 ~ 75 Gew.-% Kupfer-Aluminium-Legierung und als Rest Nickel-Graphit bestehen, wobei die Kupfer-Aluminium-Legierung aus 90 - 95 Gew.-% Kupfer, bis zu 2 Gew.-% Eisen und/oder Silizium und als Rest Aluminium und zufälligen Verunreinigungen besteht und das Nickel-Graphit-Pulver aus 50 bis weniger als 75 Gew.-% Nickel und als Rest Graphit besteht und die resultierenden Parameter die folgenden sind:

a) Teilchengeschwindigkeit von etwa 33j5 - etwa 36*5 m/sec,

b) Substrattemperatur von etwa 138 - etwa 188°C und

c) Teilchentemperatur von etwa 110Ί - etwa ⁰

Artikel mit einem Niederschlag aus Pulverteilchen auf einer Oberfläche, der nach dem Verfahren des Anspruches 1 hergestellt ist, beijdem man den Niederschlag durch thermisches Aufspritzen aufgebracht hat ₃ das gesteuert ist durch die resultierenden Verfahrungsparameter Teilchentemperatur, Teilchengeschwindigkeit und Oberflächentemperatur.

709824/0809