DE2823817A1

DE2823817A1 - Verfahren und vorrichtung zur bildung von metallgegenstaenden durch metallaufspritzen zerspruehter metallschmelzetroepfchen auf eine unterlage

Info

Publication number: DE2823817A1
Application number: DE19782823817
Authority: DE
Inventors: Alfred Richard Eric Singer
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1977-05-31
Filing date: 1978-05-31
Publication date: 1978-12-14
Also published as: US4224356A; JPS6117904B2; DE2823817C2; CH629538A5; FR2392731B1; CA1112112A; JPS5416341A; FR2392731A1

Description

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London S.W.I.

Großbritannien

Verfahren und Vorrichtung zur Bildung von Metallgegenständen durch Metallaufspritzen zer__sprühter Metallschmelzetröpfchen auf eine Unterlage

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung oder Reparatur von Metallgegenständen.

Metallgegenstände werden ganz gewöhnlich durch Gießen der Metallschmelze in eine Form, die angenähert der des gewünschten Gegenstandes entspricht, und durch anschließende maschinelle Bearbeitung des gegossenen Gegenstandes auf seine endgültig erwünschte Form hergestellt. Das Ausmaß der erforderlichen maschinellen Bearbeitung hängt von der Kompliziertheit des Gegenstandes ab und kann beträchtlich, sogar bis zu einem Grade sein, daß mehr Metall vom Gußkörper entfernt werden muß, als ;im endgültigen Gegenstand übrigbleibt. Die maschinelle Bearbeitung von Metallteilen ist ein sehr aufwendiger Prozeß, für den man

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die Verwendung einer komplizierten Maschinenanlage, Facharbeit und eines beträchtlichen Energieaufwandes benötigt, und man suchte nach alternativen Verfahren zur Herstellung kompliziert geformter Gegenstände mit guten mechanischen Eigenschaften. Einige Verfahren wurden angegeben, nach denen Metall durch Spritzen auf eine Unterlage zur Bildung eines Gegenstandes komplizierterer Gestalt abgeschieden wird, doch die mechanischen Eigenschaften solcher abgeschiedenen Materialschichten waren allgemein viel schlechter als die des entsprechenden geschmiedeten Materials. Ähnliche Verfahren lasser, sich zur Wiederinstandsetzung beschädigter oder verschlissener Metallgegenstände anwenden, doch ergibt sich in diesem Fall ein zusätzliches Problem dadurch, daß es schwierig ist, eine gute Bindung zwischen dem ursprünglichen Gegenstand und dem neuen Material zu erzielen, das zur Durchführung der Reparatur abgeschieden wird.

Die mechanischen Eigenschaften eines abgeschiedenen Metalls lassen sich durch Hämmern nach dem Abscheiden verbessern. Dies erfolgt durch Beschüß der Metalloberfläche mit relativ harten Körnern und bewirkt eine Kaltverformung des Metalls in dessen Oberflächenbereich. Jedoch ist die Wirkung eines solchen Hämmerns im wesentlichen auf einen oberflächlichen Bereich des behandelten Gegenstandes beschränkt, und daher werden die Eigenschaften von tiefer innenliegenden Bereichen des Gegenstandes durch das Hämmern nicht beeinflußt. Ein weiterer Nachteil des anschließenden Hämmerns ist der, daß es die Haftung des abgeschiedenen Metalls an einer Unterlage als Folge

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der inneren Druckspannungen zerstören kann, die durch die Kaltverformungswirkung des anschließenden Häramerns erzeugt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung von Metällgegenständen und zu deren Reparatur durch Metallaufspritzen zer_.sprühter Metallschmelzetröpfchen auf eine Unterlage zu entwickeln, womit gleichmäßig gute mechanische Eigenschaften auch in den tieferen Bereichen der Metallgegenstände erhältlich sind und die Haftung der Metallabscheidung an der Unterlage bei Bedarf mit Sicherheit gewährleistet werden kann.

Es wurde gefunden, daß durch gleichzeitiges Spritzabscheiden von Metall auf einer Unterlage und Beschießen der Abscheidung mit harten, rundlichen Teilchen die Abscheidung plastisch heiß verformt wird, während sie aufgebaut wird, wodurch die Entwicklung erheblich verbesserter physikalischer und mechanischer Eigenschaften erreicht wird. Es wurde überraschend gefunden, daß sich die beiden Vorgänge nicht stören, sondern statCdessen unter Erzeugung von Produkten zusammenwirken, die merklich bessere metallurgische Eigenschaften als die aufweisen, die bei nach dem Stand der Technik erzeugten spritzabgeschiedenen Gegenständen erhalten wurden.

Gegenstand der Erfindung ist daher zunächst ein Verfahren zur Bildung von Metallgegenständen durch Metallaufspritzen zersprühter Metällschmelzetröpfchen auf eine Unterlage, mit dem Kennzeichen, daß man einen Strom zersprühter Metallschmelzetröpfchen auf die Unterlage zur

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Bildung einer Metallabscheidung gewünschter Form und gleichzeitig auf das Metall während seiner Abscheidung auf der Unterlage einen Strom rundlicher Teilchen zur Verdichtung des abgeschiedenen Metalls richtet.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 13 gekennzeichnet.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses neuen Verfahrens, mit dem Kennzeichen, daß sie Mittel zur Erzeugung eines Stroms von zersprühten Metallschmelzetröpfchen und Mittel zur Erzeugung eines Stroms rundlicher Teilchen, welche beiden Mittel so angeordnet sind, daß beide Ströme auf einer Fläche konvergieren, und Mittel zum Halten einer Unterlage in Übereinstimmung mit der Fläche und zur Aufnahme einer Abscheidung des Metalls aufweist.

Ausgestaltungen dieser Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 15 bis 21 gekennzeichnet.

Die Erfindung stellt so ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spritzabscheidung eines Metalls und zum gleichzeitigen Warmverformen des abgeschiedenen Metalls zur Verfügung. Die zersprühten Metallschmelzeteilchen treffen auf die Unterlage und gegeneinander unter Erzeugung geplatzter Teilchen in der Form von "Pfannkuchen", die aneinander haften und nach Wunsch auch an der Unterlage haften können. Als Ergebnis der gleichzeitigen Abscheidung und plastischen Warmverformung sind die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des abgeschiedenen Metalls im Vergleich mit denen herkömmlicher

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Spritzabscheidungen erheblich verbessert. Insbesondere bringt die Warmverformung viele metallurgische Vorteile, wie z. B. Rekristallisation, eine feine Korngröße und eine hohe Dichte der Abscheidung. Weiter wird als Ergebnis der Warmverformung der Abscheidung die meiste kinetische Energie der Hämmerteilchen durch die Abscheidung absorbiert, und daher ist die Rückprallgeschwindigkeit dieser Teilchen verhältnismäßig niedrig. Dies macht nicht nur die Auslegung der Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens einfacher und verringert den Verschleiß der Vorrichtung, sondern führt auch zu einer wirksameren Ausnutzung der Energie, die den Hämmerteilchen verliehen wird. Gleichzeitig können diese, da sie relativ zu den aufgespritzten Metallteilchen kalt sind, die Abkühlung der Abscheidung während deren Bildung je nach ihrer Temperatur und kinetischen Energie fördern, und dies ermöglicht den schnelleren Aufbau dicker Abscheidungen, als es bisheipnöglich war. Ein weiterer beträchtlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der, daß es im Gegensatz zum herkömmlichen Spritzabscheideverfahren nicht zu Restzugspannungen innerhalb der zuletzt abgeschiedenen Schichten des Metalls führt, die zur Verursachung von Rissen der Abscheidung oder eines Verziehens der Unterlage neigen. Die gleichzeitige Warmverformung überwindet dieses Problem, und es ist, wenn erwünscht, tatsächlich möglich, dadurch stattdessen Druckspannungen zu erzeugen.

Es ist daher festzustellen, daß durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine sehr gute Steuerung des fortschreitenden Aufbaues und der Güte eines spritzabgeschiedenen Metalls erzielt wird.

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Das Verfahren wird vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre durchgeführt, um eine Reaktion der Atmosphäre mit den zersprühten Metallschmelzeteilchen zu vermeiden. Am zweckmäßigsten wird eine Stickstoffatmosphäre verwendet. Um die Inertgasatmosphäre aufrechtzuerhalten, wird das Verfahren am zweckmäßigsten in einer Kammer durchgeführt, die den Bereich der Metallabscheidung völlig einschließt. Alternativ kann der Abscheidungsbereich gegenüber der Atmosphäre durch Verwendung von den Bereich umgebenden Inertgasstrahlen oder durch eine den Bereich ableckende Ummantelung abgeschirmt werden.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschiedene Metall kann dazu dienen, einen Auftrag auf einem schon bestehenden Metallgegenstand zu erzeugen, z. B. einer einfachen Grundform besondere Konturen zuzufügen, oder es kann dazu dienen, einen verschlissenen oder beschädigten Metallgegenstand zu seiner ursprünglichen Form zu reparieren. Als weitere Möglichkeit kann die Abscheidung selbst den fertigen Gegenstand darstellen, und die Unterlage, auf der er geformt wird, kann lediglich ein Träger sein, von dem die Abscheidung nachher getrennt wird. Die Unterlage ist allgemein aus Metall.

Die Unterlage kann von irgendeiner Gestalt oder Form und fest oder beweglich sein. Beispielsweise kann die Unterlage ein Gegenstand sein, auf dem eine Metallschicht abgeschieden oder der durch Abscheidung wiederholter Materialschichten zu einer komplizierten Gestalt aufgebaut wird, oder sie kann auch die Form eines endlosen Bandes oder langen Streifens aufweisen, das bzw. der sich relativ zur Spritzquelle bewegt, so daß eine Schicht

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aus abgeschiedenem und warmverformtem Metall kontinuierlich oder halbkontinuierlich aufgetragen wird. Die letztere Unterlageform ist besonders geeignet, wo der Gegenstand völlig aus dem spritzabgeschiedenen Metall zu bilden ist, d. h. wo die Unterlage nur einen Träger darstellt, auf dem der Gegenstand aufgebaut wird. Andererseits wird die Spritzabscheidung auf einzelnen Werkstücken zur Ausbildung von Konturen komplizierter Gestalt auf Bauteilen oder zur Reparatur verschlissener oder beschädigter Bauteile oft zweckmäßiger sein. Eine andere wichtige Anwendung deijErfindung liegt in der Bildung von überzügen für solche Bauteile wie Turbinenschaufeln, bei denen gute mechanische Eigenschaften und eine ausgezeichnete Haftung am Trägerbauteil von besonderer Bedeutung sind. In allen diesen Fällen kann eine weitere maschinelle Bearbeitung der Teile nach dem Spritzabscheiden/Hämmern erforderlich sein,um die Endtoleranzen zu erreichen, doch läßt sich die maschinelle Bearbeitung durch geeignete Wahl des Spritzmusters in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder durch Einrichtung einer geeigneten Bewegung der Unterlage äußerst gering halten.

Wenn die Unterlage zur Bewegung relativ zu der Quelle des aufgespritzten Metalls und der Hämmerteilchen eingerichtet ist, kann diese Bewegung linear oder drehend oder irgendeine Kombination davon sein. In vielen Fällen ist es zweckmäßig, daß die Spritζ/Hämmer-Vorrichtung eine bewegliche Einheit ist und daß die Fläche der Unterlage, auf der das Abscheiden/Hämmern erfolgt, von einer Ummantelung umgeben ist, die sich mit einem inerten Gas füllen läßt.

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Wo der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildete Gegenstand auf einem vorgeformten Bauteil aufgetragen wird, ist es klar, daß das Gefüge der Abscheidung allgemein von dem der Metajlunterlage veschieden ist, da ihre thermische und mechanische Vorgeschichte unterschiedlich ist. Jedoch kann der durch das Auftragen erzeugte Gegenstand wärmebehandelt oder irgendeiner anderen anschließenden Behandlung in gleicher Weise wie herkömmliche Materialien unterworfen werden. Obwohl Metalle und Legierungen jeder Zusammensetzung auf der Unterlage abgeschieden werden können, so daß die Abscheidung und die Unterlage verschiedene Eigenschaften haben können, wurde gefunden, daß im Fall von komplizierten durch Auftragen erzeugten Gegenständen das abgeschiedene Metall vorzugsweise von in etwa gleichartiger Zusammensetzung wie die Unterlage ist, da dies die inneren Spannungen während des Betriebs möglichst geringjhält. Jedoch kann das erfindungsgemäße Verfahren, wo die Verwendung des Gegenstandes es erfordert, daß zwei Bereiche desselben von völlig verschiedener Zusammensetzung sein müssen, mit besonderem Vorteil auch angewandt werden, um einen solchen Gegenstand herzustellen, da die äußerst rasche Abkühlungsrate jedes Metallteilchens bei seiner Abscheidung auf der Unterlage die Bildung unerwünschter intermetallischer Verbindungen an der Grenzfläche zwischen den beiden Bereichen verhindert. Weiter ist das Verfahren besonders wertvoll, wenn eine Zusammensetzungsabstufung in der Abscheidung benötigt wird. In solchen Fällen kann man die Zusammensetzung des der Zersprüheinrichtung zugeführten Metalls nach und nach ändern, was zu einer ähnlichen allmählichen

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Änderung der Zusammensetzung der Abscheidung während ihres Aufbaus führt.

Im Fall . von durch Auftrag gebildeten Gegenständen, d. h. wo das abgeschiedene Metall einen Teil eines größeren Gegenstandes bildet, ist eine gute Haftung der Abscheidung an der Metallunterlage erforderlich. Die gleichzeitige Hämmerwirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat den Effekt, Restoxidfilme auf der Oberfläche der Unterlage aufzubrechen, falls sie nicht zu dick sind, und als Ergebnis wird allgemein eine sehr befriedigende Haftung der Metallabscheidung an der Unterlage erzielt. Eine noch bessere Haftung läßt sich durch Erhitzen der Unterlage und durch Reinigen der Unterlage derart, daß sie von Oxiden und anderen Verunreinigungen frei ist, erreichen. Man kann übliche Reinigungsverfahren zur Erzielung einer reinen Oberfläche, wie z. B. Schrotblasen, Kratzbürsten und Beizen, Waschen und Trocknen anwenden.Wo keine wesentlichen Mengen von Al₂O-,, Cr₂O, oder TiOp vorliegen, sieht ein besonders wirksames Reinigungsverfahren das Erhitzen der Metallunterlagenoberfläche an Luft zur Erzielung einer leichten Oxidierbehandlung und das anschließende Reduzieren in Wasserstoff oder einem anderen reduzierenden Gas vor. Es ist auch vorteilhft, die Oberfläche der Metallunterlage zum Beispiel durch maschienelle Bearbeitung, Schleifen, Schrotblasen oder Kratzbürsten etwaa~ aufzurauhen. In diesem Fall wird die metallurgieche Bindung durch einen mechanischen Verankerungseffekt verbessert. Es ist zu bemerken, daß es nötig ist, die reine Oberfläche, die so hergestellt wurde, wenigstens

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solange beizubehalten, bis eine erste Schicht von Metallteilchen auf der Oberfläche abgeschieden ist, und dies läßt sich durch Umgeben der Oberfläche mit einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre bis zu dem und während des Abscheideverfahrens erreit .'; . cä^en· Hierzu kann man zweckmäßig Stickstoff oder ein inertßs Gas verwenden.

Im Fall von durch Auftragen gebildeten Gegenständen ist es oft vorteilhaft, anfänglich eine oder zwei Schichten von zersprühten Metallteilchen abzuscheiden, bevor das Hämmern beginnt. In einigen Fällen ist es auch vorteilhaft, das Hämmern für eine kurze Zeit nach Abschluß des Abscheideverfahrens fortzusetzen.

Wo es andererseits erwünscht ist, die Metallabscheidung von der Unterlage nach dem Abscheiden zu entfernen, kann es erforderlich sein, besondere Maßnahmen zu treffen, um sicherzustellen, daß dies möglich ist. Solche Maßnahmen sind Fachleuten bekannt. So kann eine Unterlage, die stark mit Oxid, das einen zähen Oxidfilm bildet, verunreinigt oder das von einer völlig anderen Zusammensetzung (z. B. Verwendung von Gußeisen, wenn Aluminium abgeschieden wird) ist, zur Sicherung der erforderlichen Trennung verwendet werden, oder man kann auch ein Trennmittel oder -eine ,Verbindung verwenden, wie sie bei Formen zum Gießen von Metallen üblich sind. Ein weiteres Verfahren sieht vor, die Unterlage kalt zu halten oder sie vor Beginn des Metallspritzens zu hämmern, um sie sehr glatt zu machen.

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Für die besten Ergebnisse sowohl der Metallspritzabscheidung als auch der Hämmervorgänge ist es erforderlich, daß die Teilchen einer zur Unterlagenoberfläche senkrechten Bahn folgen. In der Praxis ist es natürlich nicht möglich, beide Bedingungen gleichzeitig zu erfüllen, und es ist ein Kompromiß anzustreben. Bei Abwägung dieser Umstände wird ein senkrechtes Hämmern in Verbindung mit einem etwas gewinkelten Aufspritzen bevorzugt, obwohl auch der umgekehrte Fall gut möglich ist und den Vorteil größerer Leichtigkeit der Entfernung der rückprallenden Hämmerteilchen aufweist.

Die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten zersprühten Metallschmelzeteilehen können auf verschiedene Weisen, z. B. aus einem festen Metalldraht oder -pulver unter Verwendung einer herkömmlichen Metallspritzvorrichtung oder aus Metallpulver unter Anwendung einer Plasmaspritztechnik oder aus einem Metallschmelzestrom unter Verwendung von dadurch geblasenen Gasstrahlen oder eines rotierenden Flügelrades zu dessen Zersprühung erzeugt werden. Die zersprühten Teilchen haben zweckmäßig eine Abmessung von 20 bis 200 ,um.

Die festen (Hämmer-)Teilchen müssen eine rundliche Form aufweisen , da sie sonst dazu neigen, im abgeschiedenen Metall eingebettet zu werden oder das abgeschiedene Metall zu entfernen. Die Teilchen sollten auch hart genug sein, um ihre gute Wirkung als Mittel zur Warmverformung des abgeschiedenen Metalls zu entfalten. Sie sollten auch dauerhaft genug sein, daß sie während ihres Einsatzes nicht zerbrechen und winklige Bruchstücke bilden, da dies zum Einschluß durch die und/oder

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zur Schädigung des abgeschiedenen Oberflächenmaterxals führen könnte. Stahlkügelchen sind als Hämmerteilchen zu bevorzugen, obwohl auch Glaskügelchen verwendet werden können. Die Hämmerteilchen haben vorzugsweise eine Mindestteilchengröße von 0,5 nun und sind auch vorzugsweise um einen Faktor von wenigstens 5 größer als die zersprühten Metallschmelzeteilchen bezüglich ihrer Durchmesser. Wenn die Hämmerteilchen zu klein sind, haben sie einen unangemessen kleinen Impuls und werden in den abgeschiedenen Schichten eingeschlossen. Andererseits sind die Teilchen, je größer sie sind, umso ungeeigneter zu handhaben und fliegen in großen Mengen heraus, wobei auch ihre Hämmjerwirksamkeit und ihre Belegung der Teilchen umso geringer sind. Ein allgemein zweckmäßiger Größenbereich für die Hämmerteilchen ist 0,5 bis 10 mm, wobei Teilchen im oberen Teil des Bereichs für hohe Abscheideraten und die kleineren Teilchen für niedrige Abscheideraten bevorzugt werden. Von den Abscheideraten abgesehen verwendet man jedoch vorzugsweise Teilchen der praktisch kleinsten Größe, da diese (je Gewichtseinheit) wirksamer als größere Teilchen hinsichtlich des Wärmeentzugs von der Metallabscheidung sind und auch eine bessere Warmverformung (je Gewichtseinheit der Teilchen) des abgeschiedenen Metalls als größere Teilchen erzeugen.

Die Hämmerteilchen werden auf das abgeschiedene Metall mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 100 m/s geschleudert. Die Geschwindigkeiten liegen vorzugsweise am unteren Ende dieses Bereichs, um einen Kühleffekt beim Beschluß zu erzielen, falls es nicht stattdessen erwünscht ist, die Unterlage aufzuheizen, in welchem Fall

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höhere Geschwindigkeiten angewandt werden sollten. Der Ausgleichspunkt bezüglich einer Erhitzung oder Abkühlung der Unterlage ist von der Temperatur der Abscheidung, der Geschwindigkeit der Hämmerteilchen, wie beschrieben, und der Größe der Teilchen abhängig: Je kleiner die Teilchen sind, je höher ist die mögliche Geschwindigkeit, bevor der Übergang von einer Abkühlung der Unterlage zu deren Erhitzung erfolgt. Höhere Geschwindigkeiten sind auch ohne Verlust des Kühleffekts möglich, je höher die Temperatur der Abscheidung ist.

Die Teilchen können durch mechanische oder elektrische (elektromagnetische) Mittel projiziert werden. Pneumatische Mittel zur Beschleunigung der Teilchen sind allgemein wegen der Störung des Musters des Spritzens der zersprühten Teilchen durch das Trägergas ungeeignet. Verfahren zur Beschleunigung von Hämmerteilchen oder -kügelchen sind in Fachkreisen bekannt und werden nicht näher beschrieben. Das Gewicht der verwendeten Hämmerteilchen liegt allgemein im Bereich vom 5- bis zum 20fachen des Gewichts des abgeschiedenen Metjalls.

Die Hämmerteilchen brauchen nicht vorerhitzt zu werden und wirken tatsächlich wirksamer, wenn sie auf normaler Temperatur sind. Dann sammeln sie, da sie kalt, glatt und relativ klein sind, keine große Menge von gespritztem Metall auf ihren Oberflächen, obwohl sie normalerweise mit einer sehr dünnen Schicht des gespritzten Metalls überzogen werden. Die Teilchen lassen sich ohne Schwierigkeit wiederverwenden, da sie normalerweise einem Siebvorgang beim Ausgang aus dem Spritz-

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bereich unterworfen werden müssen, um die Teilchen vom Überschußspritzmetall zu trennen, das sich in der Kammer als Pulver/ansammelt, und irgendein überzug, der sich auf den Teilchen gebildet hat, löst sich normalerweise während dieses Siebvorganges; ⁷DIe Übeschußspritzteilchen und abgelösten Überzüge können wieder geschmolzen und wiederverwendet werden, während man die Hämmerteilchen zum Behälter durch einen Gasabscheider zurückführt.

Die Hämmerteilchen sollten vorzugsweise in einem . Behälter oder Trichter gehalten werden, der gegenüber der Luft abgedichtet ist, und dies wird vorzugsweise mit einer geringen . ό ρ'!Jungs zufuhr von Inertgas erreicht. Während des Betriebs kann in dem Fall, wo die Hämmerteilchen mechanisch projiziert werden, der Behälter unter etwas verringertem Druck als Ergebnis der Drehung des Flügelrades sein, das dazu neigt, Gas vom Trichter in die Kammer mit den Teilchen zu pumpen. Die Kammer wird ebenfalls vorzugsweise mit inertem Gas gefüllt, um eine Oxidation der Spritzmetallteilchen zu vermeiden. Nach dem Beschüß der Metallahscheidung auf der Unterlage prallen die Hämmerteilchen davon zurück und lassen sich leicht zur Wiederverwendung sammeln.

Die Erfindung soll nun anhand einiger Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und anhand der Zeichnung näher erläutert werden; darin zeigen:

Fig. 1 eine teilweise nach der Linie I-I in Fig. 2 geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß derfErfindung zur Abscheidung eines Aluminiumlegierungsbandes auf einer endlosen bewegten Unterlage;

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Pig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fig. längs der Linie II-II;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines ringförmigen Gegenstandes durch Zentrifugalabs ehe idung und Hämmern; und

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Ansicht einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reparatur eines erodierten Bauteils.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung weist eine Kammer 1 auf, an deren Oberseite ein Tiegel 2 zur Aufnahme einer Metallschmelze 3 (in diesem Fall Aluminium) angebracht ist. Das Metall kann in die Kammer durch eine öffnung 4 eintreten, die von einer Gaszersprüheinrichtung 5 umgeben ist. Die Kammer 1 hat ein Auslaßrohr 6 zur Entfernung de? Hämmerteilchen und des Überschußspritzmetalls.

In eine obere Wand der Kammer 1 ist eine öffnung 7 (Fig. 2) eingelassen, die die Düse eines Zentrifugalkörnerspritzringes 8 aufnimmt. Der Aufbau von Zentrifugalkörnerspritzringen ist in der Körnerblastechnik bekannt und braucht hier nicht näherfbeschrieben zu werden. Der Spritzring wird von einem Motor 9 angetrieben und mit Körnern von einem Trichter 10 gespeist. Der Trichter ist mit einem Deckel 11 abgedichtet und wird'<AJLch .eine Leitung 12 mit Stickstoff gespült.

Die Kammer weist außerdem Eingangs- und Ausgangsöffnungen 13, 14 für eine rostfreie Stahlbandunterlage auf, die kontinuierlich mit (nicht dargestellten) geeigneten

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Mitteln durch die Kammer gezogen wird. Die oberen Wände der Kammer sind mit Prallblechen 16 versehen, die die vom Werkstück zurückprallenden Körner vom Spritzmetall und vom Metallschmelzeneinlaß weglenken. Die Kammer ist außerdem mit einem durch ein Filter 18 geschützten Gasauslaß 17 versehen.

Im Betrieb wird zunächst die Gaszufuhr (Stickstoff) zur Zersprüheinrichtung 5 in Gang gesetzt, und geschmolzene Aluminiumlegierung wird in den Tiegel 2 gegossen. Der durch die Öffnung 4 austretende Legierungsschmelzenstrom wird durch Hochdruckstickstoffströme vom Zersprühring 5 zersprüht, und der erzeugte Spritzstrahl von zersprühten Metallschmelzeteilchen wird auf die rostfreie Stahlunterlage 15 gerichtet. Die Unterlage wird gleichzeitig durch die Kammer mit bestimmter Geschwindigkeit bewegt. Eine Aluminiumlegierungsabseheidung 19 wird dadurch auf der Unterlage erzeugt. Gleichzeitig wird der Motor 9 in Gang gesetzt, und so werden auch Körner vom Spritzring 8 auf die Stahlunterlage gerichtet. Die Metallspritfc- und Hämmerteilchenzielflächen sind so eingerichtet, daß das Muster des Spritzstrahls an seiner Führungskante dem Muster der Hämmerkörner etwas vorauseilt, während die Körner an derJHinterkante etwas hinter dem Spritzstrahl zurückbleiben. In dieser Weise wird, obwohl die große Mehrzahl der gespritzten Teilchen gehämmert wird, sobald sie abgeschieden sind, an der Vorderkante eine sehr dünne Spritzabscheideschicht gebildet, bevor das Hämmern auftritt, und an der Hinterkante erfolgt ein leichtes Hämmern der Abscheidung, nachdem das Metallspritzen bee/ndet ist.

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Bei dem beschriebenen Verfahren wird die rostfreie Stahlunterlage nicht vorgeheizt oder besonders gereinigt und hat so eine bleibende dünne ChromoxidoberClächenschicht, die wirksam eine Bindung des Aluminiums am rostfreien Stahl verhindert. So läßt sich beim Austritt aus der Kammer der Warmverformte, völlig dichte ,...'■ . ; Aluminiumlegierungsstreifen ohne weiteres von der Unterlage trennen.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung, die sich zur Erzeugung eines ringförmigen Bauteils eignet, und wird bezüglich der Herstellung eines kurzen Aluminiumlegierungsrohres beschrieben. Die Vorrichtung weist eine Spritzkammer 21 auf, auf deren Oberseite sich ein Tiegel 22 befindet, der einen Vorrat von Metallschmelze 23 enthält. Zum oberen Ende der Kammer hin befindet sich ein Stahltopf 24, dessen Innenoberfläche mit einer Schicht aus einem feuerfesten Material ausgekleidet ist und der in seinen Seiten durchgehende Bohrungen 25 aufweist. Der Topf wird von einer vertikalen, wassergekühlten Welle 26 getragen, die die Basis der Kammer 21 durchsetzt. Außerhalb der Kammer ist ein Motor 27 angeordnet, der die Welle antreibt. Der Topf 24 hat einen Durchmesser von 254 mm und kann durch den Motor mit 4000 U/min angetrieben werden. Oben auf dem Topf und koaxial dazu angebracht ist ein Zentrifugalkörnerspritzring 28, dem kugelförmige, harte Stahlkügelchen mit einem Durchmesser von 3 mm von einem Trichter 29 zugeführt werden. Dei/Spritzring hat eine Mittelöffnung 30,durch die Metallschmelze vom Tiegel in den Topf 24 fallen kann. Die Oberseite des Spritzringes ist mit einem Umfangsprallblech 31 zur leichten Ablenkung

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der Kügelchen nach unten versehen, so daß ihre Zielfläche mit der des Metallegierungsspritzstrahls übereinstimmt.

In der Zielfläche befindet sich eine ringförmige Unterlage, die aus einem am Umfang gespaltenen Gußeisenring 32 mit einem Durchmesser von 500 mm besteht, der von Betätigungsarmen 33 gehalten ist, mit denen die Vertikalstellung des Ringes nach Wunsch geändert werden kann. Die Kammer ist über einen Gaseinlaß 3^ und einen Auslaß 35 mit Stickstoff gefüllt, und der Kügelchentrichter ist ebenfalls durch einen Einlaß 36 mit Stickstoff gefüllt.

Im Betrieb wird die Kammer mit Stickstoff gefüllt, der Trichter 29 wird mit harten Stahlkügelchen gefüllt, man gießt Aluminiumlegierungsschmelze in den Tiegel 22 und startet den Motor 27. Ein Metallstrom 37 läuft durch die öffnung 30 im Spritzring in den rotierenden Topf 24, von wo er durch die öffnungen 25 ausgeschleudert und auf der Innenoberfläche des Ringes 32 abgeschieden wird. Gleichzeitig erzeugt der'Spritzring 28 einen Strom von Kügelchen, die das Metall während seiner Abscheidung hämmern. Man verleiht dem Ring 32 mittels der Arme 33 eine geeignete hin- und hergehende Bewegung in Vertikalrichtung, so daß eine gleichmäßige Legierungsschicht in Form eines Rohres 38 auf der Innenoberfläche des Ringes aufgetragen wird. Verbrauchte Kügelchen und Überschußspritzmetall fallen zum Boden der Kammer und lassen sich daraus durch öffnungen 39 entleeren. Durch Sieben können die Kügelchen vom uberschußspritzmaterial getrennt und zum Trichter 29 zur Wiederverwendung zurückgeleitet werden.

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Typisch wird die Spritzabscheidung mit einer Rate von 2 kg/min aufgetragen, während die Stahlkügelchen dem Spritzring mit einer Rate von etwa 20 kg/min zugeführt werden und aus diesem austreten. Am Schluß des Abscheide- und HämmerverfahEens wird das rohrförmige Erzeugnis durch Teilen der Gußeisenform entnommen. Man findet allgemein, daß sich das Aluminiumlegierungsrohr leicht aus der Gußeisenform entnehmen läßt, doch kann, wenn eine Neigung zum Festhaften auftritt, diese leicht durch überziehen der Gußeisenform mit einem dünnen Belag von Aluminiumoxid oder einer anderen Trennmittelverbindung vor Beginn der Abscheidung vermieden werden.

In Fig. 4 ist eine Vorrichtung dargestellt, die sich zur Reparatur eines verschlissenen Bauteils, wie z. B. einer Turbinenschaufel eignet· In dieser Vorrichtung wird der Metallspritzstrahl durch einen Plasmabrenner erzeugt, der mit Metallpulver der gleichen chemischen Zusammensetzung wie der des Bauteils gespeist wird. Die Vorrichtung besteht aus einer Bandstahlsprühkammer 41 mit einem zur Projektion der Metallschmelzeteilchen senkrecht nach unten eingerichteten Plasmabrenner 42. Ein Zentrifugalkörnerspritzring, von dem nur die Düse 43 gezeigt ist, ist eingerichtet, um ein solches Muster von kugelförmigen Körnern auszuschleudern, daß in der Ebene des Bauteils 44 das Muster der kugelförmigen Körner gerade innerhalb des Musters des Metallspritzstrahls liegt. Das Bauteil kann mittels eines Manipulators 45 bewegt werden, und gebrauchte Körner und Überschußspritzmetall werden vom Boden der Vorrichtung durch eine Auslaßöffnung 46 entfernt. Ablenkbleche 47 verhindern, daß die abgeprallten Körner die Abscheidung oder den Plasma-

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brenner stören. Gebrauchte Gase werden aus der Kammer durch einen durch ein (nicht dargestelltes)Pilter geschützten Auslaß 48 abgezogen. Die Kammer ist außerdem mit einem Fenster 49 versehen, wodurch der Ablauf der Metallabscheidung beobachtet werden kann.

Wie in der Fig. 4 gezeigt ist, hat das Bauteil eine flache zerschlissene Ausbauchung, die aufzufüllen ist. Bei Durchführung dieses Verfahrens wird das Bauteil zunächst schrotgeblasen und dann in die Spritzkammer eingeführt und dort mittels des Plasmabrenners 42 auf etwa 900 ⁰C erhitzt. Der Plasmabrenner 42 wird dann mit "Metallpulver der gleichen chemischen Zusammensetzung wie der des Bauteils gespeist und ist so eingerichtet, daß er die geschmolzenen Teilchen vertikal nach unten auf das Bauteil schleudert. Die Düse des Körnerspritzringes ist so angeordnet, daß sie ein Muster von Körnern derartjschleudert, daß in der Ebene des Bauteils das Muster der Körner gerade innerhalb des Musters des Metallspritzstrahls liegt. Das Bauteil wird mittels des Manipulators bewegt, bis die verschlissene Ausbauchung völlig mit dem Metall vom Plasmabrenner gefüllt ist. Das Bauteil wird dann aus der Kammer entnommen, und nach dem Abkühlen schleift man irgendeine überschüssige Abscheidung ab, um dem Bauteil die gewünschte Kontur zu verleihen. Da die auffüllende Abscheidung warmverformt wird, frei von inneren Zugspannungen und stark an der Unterlage haftend ist, sind die Eigenschaften des reparierten Bauteils gleich denen des ursprünglichen Bauteils.

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In einem weiteren Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde ein Plansch komplizierter Gestalt an einem Ende eines rostfreien Stahlrohrs in folgender Weise angebracht.

Das Rohr hatte einen Innendurchmesser von 25% mm, einen Außendurchmesser von 279 mm und eine Länge von 686 mm und bestand aus rostfreiem l8/8-Stahl. Das Rohr wurde in einer Drehbank montiert und rotierte mit 80 U/min. Die letzten 75 mm des Rohres wurden unter Verwendung einer Normaleinrichtung in Luft schrotgeblasen, um eine sehr wenig aufgerauhte, jedoch saubere Oberfläche zu erzeugen. Die schrotgeblasene Oberfläche wurde als mit einem sehr dünnen Schutzfilm aus Chromoxid bedeckt befunden, der sich stets automatisch bei Freiliegen einer frisch gereinigten rostfreien Stahloberfläche an Luft bildet. Ein zylindrisches Schutzschild wurde über das Rohr vorgerückt, und man ließ durch das Schutzschild einen Strom hochreinen Stickstoffs strömen, der sämtliche das Rohr innerhalb der Abschirmung umgebende Luft austrieb. Eine herkömmliche Hochfrequenzheizspule wurde über das gereinigte Ende des Rohres innerhalb der Schutzatmosphäre vorgerückt. Das Ende des Rohres wurde auf eine Temperatur von etwa 800 ⁰C in etwa 2 min" unter Verwendung eines 150 kVA-Generators erhitzt. Die Spule wurde zurückgezogen, und man richtete einen Strahl von gaszersprühten geschmolzenen Teilchen von rostfreiem l8/8-Stahl vertikal nach unten auf die gereinigte Fläche. Gleichzeitig richtete man einen Strom von gehärteten Stahlkügelchen (4 mm Durchmesser) auf die Fläche, wo die Metallabscheidung stattfand. Die Durch-

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Schnittsgeschwindigkeit der Kügelchen vor dem Auftreffen war 25 m/s, und ihr Auftreffwinkel war 15° zur Vertikalen. Die Kügelchen wurden in einem mit Stickstoff gefüllten Zentrifugalspritzring beschleunigt, dessen Düse 127 mm von der Abscheidung angeordnet war.

Der Strom von gaszersprühten geschmolzenen Teilchen aus rostfreiem Stahl wurde in der folgenden Weise erzeugt. Rostfreier Stahl wurde in einen Tiegel (8 kg Charge) gegeben und in einem Induktionsofen geschmolzen. Der geschmolzene rostfreie Stahl wurde dann unter Anwendung der bekannten Bodengießtechnik gegossen, und der aus dem Boden des Tiegels austretende Metallschmelzestrom wurde vertikal in den Zusammenfluß von Zersprühstrahlen aus hochreinem Stickstoff, die mit einem Druck von 8,44 kg/cm gerichtet waren, fallengelassen. Der Abstand zwischen dem Boden des Tiegels undrder Metallbasis war 203 mm.

Nach dem Beschüß der Metallabscheidung prallten die Stahlkügelchen von der verdichteten Abscheidung auf der Metallbasis in einer Auswahl von Winkeln ab. Man verhinderte eine Beschädigung der Zersprühdüse durch sie, da sie von aus der Düse austretenden Hochdruckgasenabgelenkt wurden. Die Kügelchen wurden schnell mit einem dünnen Film von rostfreiem Stahlpulver bedeckt, doch beeinflußte dies ihre Wirksamkeit in keiner V/eise. Sie wurden gesammelt und über einen Stickstoffabscheider zum Zentrifugalkörnerspritzring zurückgeführt.

Die Abscheidung wurde in zwei Minuten beendet, wonach man das Bauteil abkühlen ließ und anschließend auf die Endabmessungen maschinell bearbeitete.

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Claims

Ansprüche

li Verfahren zur Bildung von Metallgegenständen durch Metallaufspritzen zersprühter Metallschmelzetröpfchen auf eine Unterlage, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Strom zersprühter Metallschmelzetröpfchen auf die Unterlage zur Bildung einer Metallabscheidung gewünschter Form und gleichzeitig auf das Metall während seineriAbscheidung auf der Unterlage einen Strom rundlicher Teilchen zur Verdichtung des abgeschiedenen Metalls richtet.
2.Verfahren nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß man es in einer inerten Atmosphäre durchführt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Unterlage eine Metallunterlage verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß der zu bildende Gegenstand die Unterlage enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage ein verschlissenes oder beschädigtes Bauteil ist und man als zu bildenden Gegenstand ein repariertes Bauteil erzeugt.

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ORIGINAL JNSBEC1H3
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Unterlage mit einer wenigstens im wesentlichen von Oxidfilmen freien Oberfläche verwendet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Unterlage mit einer gegenüber dem abgeschiedenen Metall insbesondere dank eines zähen oder dicken Oxidfilms oder eines Pormtrennmittels nicht haftenden Oberfläche verwendet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,daß man die Unterlage in Bandform verwendet und kontinuierlich an den Strömen zersprühter Metallschmelzetröpfchen und rundlicher Teilchen zur Bildung eines Metallgegenstandes in Streifenform vorbeibewegt.
9. Verfahren naoh einem der Ansprüche 1 bis J₃ dadurch gekennzeichnet, daß man die Unterlage in Form eines gesonderten Elements verwendet und den Metallgegenstand in Form eines gesonderten Bauteils erzeugt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Metallgegenstand eine beschichtete Turbinenschaufel erzeugt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man zersprühte Metallschmelzetröpfchen mit einer Größe von 20 bis 200 ,um auf die Unterlage richtet.

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12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man rundliche Teilchen mit einer 0,5 bis 10 mm betragenden und im Vergleich mit den Metallschmelzetröpfchen um einen Faktor von wenigstens 5 größeren Teilchengröße auf das Metall richtet.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die rundlichen Teilchen auf die Metallabscheidung mit einer Geschwindigkeit von 5 bis 100 m/s, vorzugsweise durch mechanische oder elektromagnetische Mittel, richtet.
14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (2, 4, 5; 22, 24, 25, 26, 27; 42) zur Erzeugung eines Stroms von zersprühten Metallschmelzetröpfchen und Mittel (8, 9, 10; 28, 29) zur Erzeugung eines Stroms rundlicher Teilchen, welche beiden Mittel so angeordnet sind, daß beide Ströme auf einer Fläche konvergieren, und Mittel zum Halten einer Unterlage (15; 32) in Übereinstimmung mit der Fläche und zur Aufnahme einer Abscheidung (19; 38) des Metalls aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des Stroms von zersprühten Metallschmelzetröpfchen einen Tiegel (2; 22) zur Aufnahme von Metallschmelze (3; 23) und mit einem Auslaß (4), ein Ventil zur Steuerung des Ausflusses von Metallschmelze daraus und eine Einrichtung zum Zersprühen des aus dem Auslaß (4) fließenden Metallschmelzestroms umfassen.

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2S23817
16. Vorrichtung nach Anspruch l4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des Stroms von zersprühten Metallschmelzetröpfchen einen Plasmabrenner (42) und eine Einrichtung zum Einführen eines Metallpulvers in den dadurch erzeugten Plasmastrahl umfassen.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis l6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen eines Stroms der rundlichen Teilchen einen Behälter (10; 29) für die Teilchen mit einem Auslaß, ein Steuerorgan zum Steuern des Ausflusses der festen Teilchen durch den Auslaß und eine Einrichtung (8, 9; 28) zum Richten und Beschleunigen der ausfließenden Teilchen zu einer gewünschten Stelle umfassen.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Richten und Beschleunigen der Teilchen ein mechanischer Spritzring (8, 9; 28), ein Elektromagnet oder eine Gruppe von Elektromagneten ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Kammer (1; 21; 41) aufweist, die die Fläche umgibt und zur Aufnahme einer inerten Atmosphäre um die Fläche herum geeignet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen fernbetätigbaren Manipulator (33; 45) enthält, mit dem die Unterlage (32; 44) verbindbar und innerhalb der Kammer manipulierbar ist.

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21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (1) Öffnungen (13, 14) zum Durchlaß einer länglichen Unterlage (15) durch die Kammer und mit der Kammer verbundene Mittel zum Vorrücken der länglichen Unterlage dadurch aufweist.

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