DE3011022C2 - Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzugs auf eine Metalloberfäche und Vorrichtung zu seiner Durchführung - Google Patents

Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzugs auf eine Metalloberfäche und Vorrichtung zu seiner Durchführung

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Description

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45 Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem der Aufbringung metallischer Oberzüge auf metallischen Oberflächen.
Es ist bekannt, metallische Substrate mit metallischen Schutzüberzügen zu versehen, wenn jene Substrate voraussichtlich ungünstigen Bedingungen ausgesetzt werden, die für die Eigenschaften des Grundsubstratmaterials schädlich sind. Derartige Schutzüberzug^ können beispielsweise durch Flammenspritzen oder Plasmaspritzen aufgebracht werden. Bei diesen Techniken wird die Legierung in Teilchenform in einem Heißgasstrom oder einem Plasmastrom auf das zu überziehende Substrat gerichtet Die Partikel befinden sich im schmelzflüssigen Zustand oder im halbgeschmolzenen Zustand, wenn sie auf die Substratoberfläche auftreffen und sie kühlen dann ab und verfestigen sich, um eine Bindung mit dem Substrat einzugehen. Die Verbindung zwischen den Partikeln und der Substratoberfläche ist im wesentlichen mechanisch nach seiner Natur und infolgedessen kann die Haftung gelöst werden, wenn z. B. eine Stoßkraft oder eine reibende Kraft auf den Überzug einwirkt.
Eine verbesserte Bindung zwischen metallischen Überzügen und metallischen Substraten kann dadurch erlangt werden, daß der Überzug auf dem Substrat in Stabform aufgelegt wird, während gleichzeitig die Auftragsfläche mit einer hochintensiven Hitzequelle, beispielsweise einer Sauerstoff-Acetylen-Flamme oder einem abgeschirmten Plasma- odrr Argonbogen geschmolzen wird. Da sowohl das Überzugsmaterial als auch das Substrat schmilzt, ergib· sich eine gewisse Vermischung zwischen Substrat und Überzugsmetall, so daß die resultierende Bindung gewöhnlich sehr fest ist. Diese Technik ist jedoch schwierig genau /u überwachen. und infolgedessen erhält man voraussichtlich Überzüge mit variabler Konsistenz und Dicke.
Ein anderes Verfahren zur verbesserten Verbindung zwischen metallischen Überzügen und metallischen Substraten besteht öarin. das Überzugsmaterial auf dem Substrat in Pulverform aufzubringen, so daß eine Pulverschicht gebildet wird, die anschließend unter Benutzung eines Laserstrahls geschmolzen wird. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte Bindung. Es ist jedoch schwierig, den Überzugsbereich und die Dicke genau zu steuern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zu schaffen, um metallische Überzüge auf metallische Substrate aufzubringen.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Überzugs auf ein metallisches Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe verfahrensmäßig gelöst durch die im Kennzeichnungs· teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Der Durchmesser des Laserstrahls an der Lascrauf-(reffstelle auf das Substrat liegt vorzugsweise in einem
Bereich zwischen 1 und 4 mm.
Die Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Substrat wird vorzugsweise mit einer Relativgeschwindigkeit von 4 bis 20 mm/sec durchgeführt.
Die Mengenströmung des Gases liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 2 und 5 ]/min.
Die Zuführungsrate der Partikel des metallischen Überzugsmaterials, die in dem Gasstrom enthalten sind und dem Substrat zugeführt werden, liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen45 und 55 mg/sec, Vorzugsweise ist der Gasstrom ein Argongasstrom.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung außerdem eine Vorrichtung zur Aufbringung des metallischen Oberzugs auf einem metallischen Substrat vor, bei der ein Laserstrahl auf das zu H überziehende Substrat gerichtet wird, und diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 7 angegebenen Merkmale.
Die Leistung des Lasers liegt zweckmäßigerweise in >" einem Bereich zwischen 800 und 2250 Watt.
Nachstehend wird ein Ausführungsbei" piel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, die in der einzigen Figur eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt. 2i
Das metallische Substrat 10, das überzogen werden soll, ruht auf einem Träger 11, der durch nicht dargestellte Mittel mit einer konstanten Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 12 verschoben wird. Ein Laser 13 ist vertikal über dem Träger 11 so angeordnet, daß sein Laserstrahl 14 senkrecht zur Verschieberichtung 12 liegt.
Benachbart zum Laser 13 ist ein schräggestelltes Rohr 15 derart angeordnet, daß sein unterer Auslaß 16 auf die Auftreffstelle 17 des Lasers 14 auf dem Substrat 10 gerichtet ist. Der obere Einlaß 18 des Rohres 15 ist mit einer Argonquelle so verbunden, daß das Argongas in Richtung des Pfeiles 19 durch das Rohr 15 auf die Auftreffstelle 17 des Laserstrahls strömt.
An einer Stelle 20 zwischen dem Rohreinlaß 18 und -to dem Rohrauslaß 16 ist ein weiteres Rohr 21 mit dem Rohr 15 verbunden. Das weitere Rohr 21 verbindet das Innere des Rohres 15 mit einem Aufgabetrichter 22, der Metallpartikel 23 enthält, die auf dem Substrat 10 abgelagert werden sollen. Diese Partikel 23 fallen unter « Schwerkra'twirkung durch das Rohr 21 hindurch, um in den Argongasstrom zugemessen zu werden, der durch das Rohr 15 strömt. Zu diesem Zweck ist eine geeignete Zumeßvorrichtung 21a in dem Rohr 21 angeordnet, um lu gewährleisten, daß die Partikel 23 mit einer geeigneten konstanten Rate dem Argongasstrom zugeführt verden. Sobald die Partikel 23 in das Rohr 15 eintreten, werden sie in dem Argonstrom aufgenommen und nach der Auftreffstelle 17 des Laserstrahls mitgenommen.
Sobald sie den Bereich der Laserauftreffstelle 17 erreichen, werden die Partikel 23 durch den Laserstrahl 14 geschmolzen und bilden eine Lache aus geschmolzenem Überzugsmetall. Die Überführung des Trägers 11 des Substrats mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 12 führt dazu, daß die Lache 24 geschmolzenen Metalls in gleicher Weise bewegt wird und einen verfestigten Metallüberzug 25 hinterläßt. Da das Substrat 10 ebenfalls durch den Laserstrahl 14 erhitzt wird, findet eine Verbindung zwischen dem geschmolzenen Überzugsmetall 24 und dem Substrat 10 statt. Infolgedessen ist süe Bindung zwischen dem schließlich verfestigten Überzug 25 und dem Substrat 10 extrem fest.
Aus dei obigen Beschreibung ergibt s-ch, daß, sobald eine Lache 24 aus geschmolzenem Überzugsmetall gebildet ist, sämtliche folgenden Partikel 23 in diese Schmelzlache 24 hinein gerichtet werden, infolgedessen wird eine sehr genaue Steuerung der Ausbreitung der geschmolzenen Lache 24 erreicht, und daher entsteht ein sehr gleichmäßiger Überzug 25. Da der Substrattrager 11 mit konstanter Geschwindigkeit verschoben wird und die Partikel 23 in die Schmelzlache 24 mit konstanter Geschwindigkeit eingeführt werden, hat der sich ergebende Überzug 25 eine im wesentlichen gleichbleibende Dicke.
Die Wirkung der Verschiebung des Substrats 10 relativ zu dem Laserstrahl 14 bewirkt eine Ablagerung des Überzugs 25 in Form partiell metallografisch zusammengeballter Perlen, so daß die Überzugsoberfläche 27 im Erscheinungsbild etwas uneben ist. Infolgedessen kann, wenn die Oberfläche 27 glatt sein soll, eine übliche Bearbeitungstechnik, z. B. e·^ Schleifverfahren benutzt werden, um diese Glättung durchzuführen
Gemäß einem nach der Erfindung durchgeführten Ausführungsbeispiel wurde ein Substrat 10 aus einer Nickellegierung, die unter der Bezeichnung uNl/nonic 75« bekannt ist, in Richtung des Pfeiles 12 mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 12 mm/sec verschoben. Der Laser 13, der eine Leistung von 1900 Watt besaß, richtete einen Strahl 14 derart auf das Substrat, daß der Strahldurchmesser an der Auftreffstelle 17 des Substrats 10 zwei mm betrug. Durch das geneigte Ronr 15 sfömte Argongas mit einer Strömungsrate von 3 Litern pro Minute und die Überzugspartikel 23 mit einem Durchmesser von 0,075 mm bis 0.0375 mm wurden in die Argonströmung in einer Menge eingeführt, so dall sich eine Partikelzijführungsrate von 50 mg pro see ergab. Die Partikel bestanden aus einer Kobalt-Legierung, die die folgende Zusammensetzung aufwies:
Kohlenstoff
Silicium
Mangan
Aluminium
Chrom
Eisen
Molybdän
Nickel
Titan
Wolfram
Kobalt
1.70 bis 1.95Gcw.-%
1,5 max Gew. %
1,5 max Gew.-°/o
1,0 max Gew.-%
27,0 bis 31 Gew, %
2,5 max Gew-%
2.5 maxGe.v.-%
1.5 max Gew.-°/o
1.0 max Gew.-%
8.0 bis 10.0 Gew-%
Rest
Der sich ergebende Überzug war 1 mm dick und hatte eine Härte von 560 HV.
Es hat sich allgemein gezeigt, daß zur Erlangung eines zufriedenstellenden Überzugs die folgenden Parameter etwa wie folgt eingestellt werden sollten:
Laserleistung: 800 bis 2250 Watt.
Laserstrahldurchmesser an der Substratoberfläche:
1 bis 4 mm.
Vorschubgeschwindigkeit des Substrats: 4 bis 22 mm/sec.
Teilung benachbarter Perlen: 50%.
Mengenströmung des Argongases: 2 bis 5 l/min.
Zuführtingsrate der Metallpartikel: 45 bis 55 mg/ see.
Wenn diese Parameter eingehalten werden, dann zeigt es sich unter Benutzung der Nickellegierung als
Basis-Substrat und der Kobaltlegierung als Überzug, daß die Überzüge zwischen 0,35 und 1,9 mm dick wurden und eine Härte zwischen 450 und 600 HV besaßen.
Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einer Argonslrömung beschrieben, die die Metallüber-/ugspartikel mit sich führte. Es ist jedoch klar, daß auch andere Gase benutzt werden können, die nicht notwendigerweise inert sein müssen. So könnte beispielsweise Luft benutzt werden. Es ist weiter klar, daß andere metallische Substrate und Überzüge als die genannten Nickel- und Kobaltlegicrungen in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzt werden können.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Aufbringen eines metallischen Oberzuges auf ein metallisches Substrat, bei welchem Partikel aus metallischem Oberzugsmaterial auf der metallischen Substratoberfläche abgelagert werden und ein Laserstrahl auf die abgelagerten Partikel gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem Laserstrahl ein Gasstrom, der die Partikel (23) des metallischen Oberzugsmaterials enthält, auf dieselbe Stelle (17) des Substrats (10) gelenkt wird, und der Laserstrahl die Partikel (23) in Form einer Schmelzlache (24) aus metallischem Oberzugsmaterial an der Auftreffstelle (17) des Laserstrahls auf dem Substrat (10) aufschmilzt, und daß eine Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Substrat (10) bewirkt wird, während gleichzeitig der die Partikel (23) mitführende Gasstrom auf die Laserauftreffstelle (17) beibehalten wird, und diese Stelle (17) und demgemäß die Lache (24) aus geschmolzenem Überzugsmaterial über das Substrat (10) mit einer solchen Geschwindigkeit wandert, daß eine Verbindung /wischen dem Substrat (10) und dem geschmolzenen Oberzugsmaterial hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß ein solcher Laserstrahl verwendet wird, dessen Durchmesser an der Auftreffstelle (17) auf das Substrat (10) in einem Bereich zwischen 1 und 4 mm liegt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen dem Laserstr-.hl und lern Substrat (10) mit einer Relativgeschwind'.gkeit zwischen 4 und 20 mm/sec durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mengenströmung des Gases in einem Bereich zwischen 2 und 5 l/min eingestellt wird.
5 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsgeschwindigkeit der Partikel (23) aus metallischem Überzugsmaterial, die in dem Gasstrom enthalten und auf das Sunstrat (10) geleitet werden, in einem Bereich /wischen 45 und 55 mg/sec eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägergas Argon verwendet wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Aufbringen eines metallischen Überzuges auf 5P ein metallisches Substrat, bei welchem Partikel aus metallischem Überzugsmaterial auf der metallischen Substratfläche abgelagert werden und ein Laserstrahl auf die abgelagerten Partikel gerichtet wird, nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekernzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel (15) aufweist, die einen Ciasstrom auf die Auftreffstelle (17) des Laserstrahles auf das Substrat (10) richten, daß Mittel (21a,/vorgesehen sind, um Partikel (23) aus metallischem Überzugsmaterial in den Gasstrom &o derart hinein zu dosieren, daß die zugemessenen metallischen Partikel (23) vom Gasstrom aufgenonv men und auf die Laserauftreffstelle auf das Substrat gerichtet werden, daß Mittel vorgesehen sind, um eine Relativbewegung zwischen dem Laser (13) und dem Substfälträger in def Weise durchzuführen, daß im Betrieb die Laserauftreffsteiie (17) und demgemäß die metallischen Überzugspartikel (23) über das Substrat (10) mit einer solchen Geschwindigkeit wandern, daß eine Verbindung zwischen dem Substrat (10) und den metallischen Überzugspartikeln erfolgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (13) eine Leistung zwischen 800 und 2250 Watt besitzt.
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