DE3051265C2 - Verfahren zum Reinigen und Beschichten von Werkstücken - Google Patents

Abstract

Gleichmäßige Schutzbeschichtungen werden mit einer hohen Bindungsstärke auf Werkstücken aufgebracht, indem ein Überschall-Plasmastrahl und ein übertragener Lichtbogen von umkehrbarer Polarität in einem entsprechenden System verwendet werden. Indem die Geschwindigkeit des Plasmastroms einer hinreichend hohen Mach-Zahl gehalten wird, und Stromtemperaturen und statische Drücke gewählt werden, die bewirken, daß am Werkstück Stoßmuster-Verhältnisse und ein gestreuter Lichtbogen erhalten werden, wird das Werkstück gegenüber der Plasmapistole für ein vorbestimmtes Intervall als Kathode geschaltet. Dadurch wird ein Abdampfeffekt erhalten, bei dem ungeachtet des Auftreffens des Plasmastrahls und dem herrschenden Druckniveau der Umgebung Elektronen und Atome aus der Werkstücksoberfläche ausgestoßen werden. Dieser Abdampfschritt wird eingeschaltet, um das hinreichend aufgeheizte Werkstück zu säubern und zu bewirken, daß sich Moleküle des Werkstück-Materials und des aufgebrachten Pulvers, das in den Plasmastrahl eingeführt wird, vermischen. Dieses vorbereitende Aufbringen gestattet es, zusammen mit der sauberen Werkstückoberfläche, eine fest gebundene und gleichmäßige Beschichtung zu erzeugen, wobei besonders gute Ergebnisse dann erhalten werden, wenn sowohl das Werkstück als auch die Plasmapistole während des gesamten Vorgangs in Bewegung gehalten werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reinigen von Werkstucken gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie zum Beschichten gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 3.

Hierbei wird ein Plasma-Spitzverfahren unter Verwendung von Lichtbögen in einem Überschall-Plasmastrom angewandt.

Plasmaspritzverfahren werden kommerziell zur Beschichtung von Präzisionsteilen mit Metallen und Keramikmaterialien ver­ wendet, die beständig gegen hohe Temperaturen, Abnutzung, Korrosion und andere Bedingungen sind. Plasma-Spritzvor­ richtungen erzeugen einen hochenergetischen Plasmastrom von ionisiertem Gas, mit dem ein Werk­ stück auf hohe Temperaturen aufgeheizt werden kann und ein Pulver eines gewünschten Beschichtungsmaterials auf die Werkstückoberfläche aufgebracht werden kann. Das Pulver wird in den Plasmastrahl eingeführt und aufgeheizt, wobei es schmilzt oder plastisch wird, und beim Aufprall auf ei­ nem vorzugsweise aufgeheiztem Werkstück an diesem gebunden. Derzeit werden nach dem Stand der Technik Überzüge mit einer Dichte von 70 bis 90% der Theorie erzeugt, wobei die Bindung zwischen der Beschichtung und dem Substrat in Form des Werkstückes eher eine mechanische als eine chemische oder metallurgische ist. Es ist erstrebenswert, die mittlere Beschichtungsdichte sowie die Bindungsstärke zu verbessern sowie die Ausbeute des Verfahrens zu verbessern. Die Ausbeuten sind manchmal stark schwankend und im allgemeinen geringer als befriedigend, da die Dynamik des Prozesses von einer Reihe von Variablen abhängt, wie Hochenergieniveaus, die nicht präzise gesteuert werden können, Strömungsgeschwindigkeit, Plasma­ temperatur und Druckbedingungen. Die Dichte der Beschich­ tung und die Bindungsstärke sind darüber hinaus auch noch von der Sauberkeit und dem Zustand des Werkstücks abhängig.

Plasmapistolen eines Typs, bei dem übertragene Lichtbögen verwendet werden, kurz Lichtbogen-Plasmapistolen, würden verwendet, um Überlagerungs-Beschichtungen und in jüngster Zeit auch Pulver-Spritz-Beschichtungen zu erzeugen. In den dazu verwendeten Typen von Vorrichtungen erzeugt ein primärer Kathoden-Anoden-Lichtbogen das Plasma, indem ein Gasstrom ionisiert wird, und eine Potentialdifferenz zwischen der Pistole als solcher und dem Werkstück dient dazu, das Werk­ stück zur Anode zu machen, auf die der Lichtbogen von der Pistole herüberschlägt. Da der Lichtbogen normalerweise nur eine sehr kleine Berührungsfläche auf dem Werkstück auf­ weist, was dazu führt, daß dessen Oberfläche angegriffen wird und die Aufbringrate beschränkt ist, werden manche mo­ dernen Plasma-Spritz-Pistolen so betrieben, daß ein gestreu­ tes Lichtbogen-Stoßmuster entsteht.

Es wird ein Überschall-Plasma-Strom erzeugt, wobei allerdings der statische Strömungsdruck relativ niedrig ge­ halten wird, und zwar etwa 1 bar, indem der Hohlraum der Vorrichtung mit einem Pumpensystem verbunden ist. Wenn man eine Plasma-Strahl-Geschwindigkeit von Mach 2 bis 3 ver­ wendet, bewirkt daß Stoßmuster auf dem Werkstück, daß der Lichtbogen gestreut und das Pulver während des Aufbringens verteilt wird. Die hohen Gas- und Pulvergeschwindigkeiten und die damit verbundene Zunahme an kinetischer Energie und mechanischer Stoßenergie des Beschichtungsmaterials erzeugen Beschichtungen mit verbesserten Dichten (im Bereich von 96 bis 99% der Theorie) und verbesserten Bindungsstär­ ken. Die Ausdehnung des Plasmastroms infolge der dynamischen Druckverhältnisse vergrößert den Bereich, in dem das Pulver aufgetragen wird, weiter. Wegen der dynamischen Natur des Prozesses ist z. Zt. allerdings die Beherrschung des Ver­ fahrens noch alles andere als ideal. Beim Aufheizen des Werkstücks mit dem Plasmastrahl können z. B. ungleichmäßige Erhitzungszonen entstehen und Oxidationsvorgänge einsetzen, die die Verlässlichkeit der Bindung vermindern und die Auf­ bringrate beeinträchtigen. Die Anwesenheit von Oxidation oder anderen Verunreinigungen auf dem Teil beeinträchtigen unausweichlich die Qualität, und Vorreinigungstechniken lösen dieses Problem nicht. Außerdem ist es wünschenswert, daß für das Plasmasystem ein handelsübliches Gas verwendet werden kann anstelle der sehr viel teureren gereinigten Gase. Die strengen Anforderungen, die an Teile wie Turbinen­ schaufeln gestellt werden, die typischerweise mittels dieses Verfahrens beschichtet werden, haben wiederum zur Folge, daß mangelhafte Teile bei der Qualitätskontrolle verworfen werden müssen.

In der US-PS 3 839 618 ist ein Verfahren nach dem oben erörterten nachteiligen Stand der Technik unter gleichbleibender positiver Polung des Werkstückes zur Plasmakanone beschrieben. Das Werkstück ist an einem axial beweglichen Schlitten angeordnet. Das Werkstück und das Pulver werden vor dem Spritzen oder Sprühen vorerhitzt. Eine Entgasung erfolgt lediglich aufgrund des Unterdruckes in sehr geringem Umfang; entsprechend gering ist die erzielte Reinigungswirkung. Es ist noch viel Schmutz und Oxidation vorhanden. Die nachfolgende Beschichtung ist nicht regelmäßig, sondern fleckig, die Lebensdauer der Beschichtung ist erheblich reduziert, für hochtechnologische Anwendungen wie Fleugzeugturbinen oder stationäre Gasturminen ist diese Art der Beschichtung völlig ungeeignet. Hier sind nämlich Lebensdauern von sechzigtausend Arbeitsstunden gefordert.

In der US-PS 4,058,698, ist ein Schutzgas-Schweißgerät beschrieben, bei dem der Schweißbogen durch eine schmale Öffnung hindurch auf einen kleinen Bereich eines nahe angeord­ neten Werkstückes auftrifft und dort eine angeschmolzene Vertiefung hinterläßt, die über übliche Schweißdrähte oder dergleichen mit Schweißmaterial aufgefüllt wird. Der Bereich wird von Schutzgas überflutet, das Werkstück ist stets negativ gepolt. Das Besondere liegt in einer überlagerten Starteinrich­ tung für den Schweißbogen mit Hilfe einer zusätzlichen Span­ nungsanordnung, die nach Erzeugung des Schweiß-Übertragungs­ bogens wieder abgeschaltet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie des Anspruches 3 so auszubilden, daß unter Einsparung von Aufwand das Vorreinigen der Werkstücke und die Reinigung des Plasmagases erheblich verbessert wird, und daß das Lichtbogen-Plasmabeschichten zuverlässi­ ger wird, wobei gleichmäßigere und besser haftende Beschichtungen erzeugt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Reinigung durch die Merkmale des Anspruches 1, hinsichtlich der Beschichtung durch die Merkmale des Anspruches 3 gelöst.

Beim Erfindungsgegenstand wird ein Werkstück, das von einem Überschall-Plasma-Strahl aufgeheizt wird, so angeordnet, daß es auch als Kathode in einem umgekehrten Lichtbogensystem wirken kann. Dabei entsteht ein Abdampf-Effekt, bei dem ein Elektronenfluß vom Werkstück zur Plasmapistole einsetzt, Atome des Oberflächenmaterials werden angeregt, aus der Oberfläche emittiert und wandern in Richtung der entgegengesetzten Ladungen oder sie werden von dem Gasstrom weggespült. Die Oberfläche des Werkstücks wird auf diese Weise von Oxiden und Verunreinigungen gereinigt, so daß eine Grenzflächenschicht entsteht, in die die aufprallenden metallischen oder nichtmetallischen Pulver metallurgisch durch die Oberfläche des Werkstücks hineindiffundieren. Die Potentialpolung zwischen Werkstück und der Plasmapistole kann dann umgekehrt werden, und das Werkstück kann in üblicher Weise mit Beschichtungspulver überzogen werden, bis die gewünschte Beschichtungsdicke erreicht ist.

Die Abdampfwirkung wird erzielt, obwohl im entsprechenden Bereich der Werkzeugoberfläche ein relativ hoher Staudruck (im Bereich von 2 bar bis herab zu 0.001 bar) existiert. Der Überschall-Plasma-Strom, der Übertragungs-Lichtbogen und die eingestellten Druckverhältnisse erzeugen durch den Staudruck ein Aufprallmuster, das nicht nur den Lichtbogen streut, sondern vor allem die Verunreinigungen anregt und deren Emission aus der Oberfläche und nachfolgende Entfernung bewirkt.

In einem genauer ausgearbeiteten Beispiel für ein erfindungs­ gemäßes Verfahren oder System ist ein Werkstück in einer geschlossenen Kammer im Weg eines Plasmastroms angeordnet, der von einer an einem Abtast- oder Schwenkmechanismus befestigten Plasmapistole erzeugt wird. Ein System von Vacuumpumpen, das mit der geschlossenen Kammer verbunden ist, hält in dieser einen bestimmten niedrigen Umgebungsdruck aufrecht, obwohl in der Kammer gleichzeitig ein Überschall-Plasma­ strahl mit einer Geschwindigkeit von mehr als Mach 3.2 er­ zeugt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Stroms und sein statischer Druck sowie die Plasmadichte sind so ge­ wählt, daß an dem Werkstück ein Aufprallmuster entsteht, und daß eine gestreute Berührungszone des Lichtbogens von vor­ bestimmter Größe und Form auf dem Werkstück entsteht. Ein hoher Lichtbogenstrom von mehr als 100 A und negativer Polarität wird anfangs zwischen Werkstück und Plasmapistole verwendet, um den Zerstäubunsvorgang auszulösen.

Bei diesem System kann ferner ein Blindwerkstück, auch Blinddorn genannt, in unmittelbarer Nachbarschaft des Werkstücks angeordnet werden, um ungeachtet des Abtastwinkels und der Lage des Aufprallbereichs zum freien Ende des Werkstücks hin ein gestreutes Aufprallmuster zu erhalten.

Es vorteilhaft, die Plasmapistole sowohl in einer seit­ lichen oder Querrichtung zu schwenken, sowie mit ihr Pendelbewegungen sowohl in Querrichtung als auch senk­ recht dazu sowie eine Bewegung in axialer senkrechter Richtung auszuführen, was mit Hilfe eines zuverlässigen und variablen speziellen Mechanismus erreicht werden kann, der im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung detailliert geschildert wird. Das Werkstück und der Blinddorn können während des Auftreffens des Plasmastroms ebenfalls bewegt werden, um Wärmeströme zu unterbinden und eine Steuerung der angeregten Oberflächenbereiche zu erreichen. Indem das Werkstück eine Pendelbewegung ausführt, wird die Gleich­ mäßigkeit der Beschichtung weiter verbessert. Wenn alle diese Merkmale in Kombination angewendet werden, kann das Werkstück schnell auf die Arbeitstemperatur aufgeheizt werden, und zwar mit oder ohne Übertragungs-Lichtbogen, durch Entfernung von Atomen aus der Oberfläche kann das Werkstück in kontrollierter Weise bei einer Umpolung des Lichtbogens gereinigt werden, und es kann danach beschichtet werden, wobei das Beschichtungsintervall sich mit dem Abdampf- und Reinigungsintervall überlappen kann oder auch nicht. Die Beschichtung kann danach beendet werden, indem ein Übertragungs- Lichtbogen zur Anwendung kommt oder auch nicht, nämlich wenn die Wärmezufuhr bei Anlegen eines übertragenen oder Übertragungs- Lichtbogens zu groß würde.

Nachfolgend wird die Erfindung zu ihrem besseren Ver­ ständnis anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 das erfindungsgemäße System in Form einer Kom­ bination eines Blockdiagramms mit einer perspekti­ vischen Ansicht, die teilweise aufgeschnitten ist;

Fig. 2 eine vereinfachte Seitenansicht eines Schnitts durch das in Fig. 1 gezeigten System mit weiteren Details;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Systems gemäß Fig. 2 mit Details des Mechanismus zur Steue­ rung der Bewegung der Plasmapistole, wie er im er­ findungsgemäßen System verwendet wird;

Fig. 4 eine Seiten-Teilansicht der Anordnung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine fragmentarische Seitenansicht eines Teils der Anordnung gemäß Fig. 1 und 2, in der weitere Details der Mechanismen für die Bewegung des Werkstücks und des Blinddorns gezeigt sind;

Fig. 6 eine idealisierte und schematische Ansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Plasma-Spritzsystems, wobei der Plasmastrom, das Aufprallmuster und die Lichtbogenstreueffekte illustriert werden.

Wie allgemein in der aufgeschnittenen perspektivischen Ansicht von Fig. 1 und dem seitlichen Schnittbild in Fig. 2 gezeigt ist, enthält ein erfindungsgemäßes Plasma-Spritz- System grundsätzlich eine Plasma- Kammer 10, die einen abgeschlossenen, ein Vacuum enthal­ tenden und druckfesten isolierenden Hohlraum bildet. Die Kammer 10 wird von einem zylindrischen Gehäuse 12 und einem oberen Deckelteil 13 gebildet, der darauf befestigt ist. Der Gehäusekörper 12 der Plasmakammer weist einen konischen Boden 14 auf, der als Sammler ausgebildet ist und mit ange­ schlossenen Einheiten zur Aufarbeitung der abströmenden Gase und Feststoffpartikel und zur Aufrechterhaltung des gewünschten Umgebungsdrucks in der Kammer 10 verbunden ist. Eine abwärts gerichtete Plasma-Spritzvorrichtung wird von einer Plasma-Pistole oder einem Plasma-Kopf 16, der im In­ neren des Kammerdeckels 13 montiert ist, gebildet, wobei die Lage der Plasma-Pistole 16 durch einen Mechanismus 18 für deren Bewegung, der in den Fig. 1 und 2 nur allgemein gezeigt ist, in den Fig. 3 und 4 aber noch genauer gezeigt wird, gesteuert wird. Beide Teile 12 und 13 der Plasmakammer 10 sind vorzugsweise als doppelwandige Hohlteile mit Wasser­ kühlung ausgeführt, und der Deckel 13 ist abnehmbar, damit die Arbeitsteile zugänglich sind (nicht im Detail gezeigt).

Der Mechanismus 18 zur Bewegung der Plasmapistole 16 hält und steuert diese durch abgedichtete Lager und Verbindungen in den Wänden des Deckels 13, wie detaillierter weiter unten beschrieben ist. Ein Pulverzufuhr-Mechanismus 20, der eben­ falls mit dem Kammerdeckel 13 verbunden ist, sichert eine kontrollierte Zufuhr von heißem Pulver in den Plasma-Strom mittels biegsamer Rohre, die mit der Plasmapi­ stole 16 im Bereich des Plasmaaustritts verbunden sind.

Der abwärts gerichtete Plasma-Strom trifft auf ein Werkstück 24, das auf einem innengekühlten leitenden Werkstück-Dorn oder Halter 25 angeordnet ist, und das während seiner Bear­ beitung mittels eines Schafts in seiner Lage gehalten und bewegt wird, der aus dem Gehäusekörper 12 zu einem externen Mechanismus 26 zur Bewegung des Werkstücks 24 herausge­ führt ist und detaillierter nachfolgend in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben wird. In der Nähe des einen Endes des Werkstücks 24, jedoch von ihm getrennt, befindet sich Blind- Werkstück oder Blinddorn 28, der in ähnlicher Weise innenge­ kühlt und durch eine Seitenwand des Gehäusekörpers 12 mit einem Mechanismus 30 zur Bewegung dieses Blinddorns 28 ver­ bunden ist.

Sowohl der Werkstück-Halter 25 als auch der Blinddorn 28 sind einstellbar hinsichtlich ihrer Lage bezüglich der zentralen Achse der Kammer 10 und elektrisch leitend, so daß sie zur Erzeugung eines Lichtbogens während der verschiedensten Ar­ beitsphasen auf ausgewählten Potentialniveaus gehalten werden können.

Unterhalb des Werkstücks 24 und des Blinddorns 28 angeordnet leitet der konische Boden 14 die gesammelten gasförmigen und teilchenförmigen Spritzüberschüsse zu einer Prellwand- und Filterbaugruppe 32, die einen wassergekühlten Prell­ wandabschnitt 33 zur einleitenden Kühlung der Spritzüber­ schüsse, sowie dahintergeschaltet einen Filterabschnitt 34, in dem der Großteil der mitgeführten Teilchen abgeschieden wird, aufweist. Die Abgase werden nach dem Passieren der Prellwand- und Filterbaugruppe 32 durch einen Wärmeaus­ tauscher 36 geleitet, der ebenfalls als wassergekühlte Baugruppe ausgeführt sein kann, und dann in ein Vacuum­ leitungssystem 38, das eine Filter- und Sammeleinheit 40 für die Spritzüberschüsse aufweist, wo im wesentlichen alle im Strom verbliebenen Feststoffteilchen entfernt werden.

Das Vacuumleitungssystem 38 steht mit Vacuumpumpen 42 in Verbindung, die ausreichend leistungsfähig sind, um in der Kammer 10 einen gewünschten Umgebungsdruck aufrechtzu­ erhalten. Dieser Umgebungsdruck liegt typischerweise in den Grenzen von 0.6 bis herab zu 0.001 bar. Die Prellwand- und Filterbaugruppe 32 und der Wärmeaustauscher 36 sind genau wie die Filter- und Sammeleinheit 40 für die Spritz­ überschüsse vorzugsweise doppelwandige, wassergekühlte Systeme, wobei alle in Fachkreisen wohlbekannten, in Plas­ ma-Spritzsystemen im Einsatz befindlichen Typen verwendet werden können.

Das gesamte System kann auf Rollen montiert und zur Er­ leichterung der Handhabung und Pflege seiner verschiedenen Teile auf Schienen beweglich sein. Übliche Sichtfenster, wassergekühlte Türen und isolierte Platten, durch die die elektrischen Versorgungsverbindungen geführt sind, sind nicht im Detail dargestellt oder beschrieben. Allerdings ist das Steuersystem für die Versorgung und Bewegung des Werkstücks 24 vorzugsweise in einer aufklappbaren vorderen Eingangstür 43 im Gehäusekörper 12 montiert.

Elektrische Energie wird den Arbeitsteilen des Systems mit­ tels fester Sammelschienen 44, die oben auf dem Deckel 13 montiert sind, zugeführt. Biegsame wassergekühlte Kabel (s. Fig. 3 und 4) verbinden die außenliegenden Plasma-Ener­ gieversorgungs-Einheit 46 und Hochfrequenz-Stromquelle 48 über die Sammelschienen 44 mit der innen angeordneten Plasmapistole 16 zur Erzeugung des Plasmastrahls. In ei­ nem charakteristischen Beispiel enthält die Plasma-Ener­ gieversorgungseinheit 46 drei 40 kW Gleichstromquellen. In diesem Beispiel wird außerdem eine 155 W Hochfrequenz- Stromquelle verwendet, um den Lichtbogen in Gang zu brin­ gen, indem der Gleichstromversorgung eine Hochfrequenz­ spannungs-Entladung in bekannter Weise überlagert wird. Eine umschaltbare Lichtbogen-Stromquelle 50, die eine 20 kW Gleichstromeinheit aufweist, ist mittels der Sammel­ schienen 44 mit der Plasmapistole 16, dem Werkstück-Halter 25 und dem Blinddorn 28 verbunden.

Die Arbeit der Plasmapistole 16 erfordert die Verwendung einer Wasserüberdruckpumpe 52, damit ein geeigneter Kühl­ wasserfluß durch das Innere der Plasmapistole 16 gewähr­ leistet ist. Eine Plasmagasquelle 54 liefert ein geeignetes ionisierendes Gas zur Erzeugung des Plasmastroms. Das im vorliegenden Fall verwendete Plasmagas ist entweder Argon allein oder im Gemisch mit Helium oder Wasserstoff, obwohl auch andere Gase verwendet werden können, wie dem Fachmann gut bekannt ist. In allen Fällen kann das Gas die normale handelsübliche Reinheit aufweisen und muß nicht weiter gereinigt werden, damit es unbedingt frei von Sauerstoff ist. Die Steuerung der Schaltfolge des Systems, sowie der Geschwindigkeiten und Amplituden der Bewegungen der ver­ schiedenen Bewegungsmechanismen erfolgt von einem System- Steuerpult 56 aus.

Die Plasmapistole 16 wird separat von einem Plasma-Steuer- Pult 58 aus betrieben. Da die von diesen Steuerpulten und ihren entsprechenden Schaltkreisen ausgeübten Funktionen gut bekannt sind, sind sie nicht detailliert gezeigt oder beschrieben. Die Steuerkreise 60 für den übertragenen Lichtbogen sind jedoch in allgemeiner Form dargestellt, weil sie das Umschalten der Lichtbogenpolarität steuern. Die Lichtbogen-Steuerkreise 60 weisen übliche Schalter auf, die so eingerichtet sind, daß sie selektiv die Pola­ rität zwischen der Plasmapistole 16 und dem Werkstück 24 und dem Blinddorn 28 umkehren können, und eine Ein-Aus- Steuerung des Lichtbogens ermöglichen. Die Stromversorgung 50 für den übertragenen Lichtbogen enthält in diesem Bei­ spiel Relaisschaltungen (nicht im Detail gezeigt) zur Steuerung der Polarität des elektrischen Stroms, der den Sammelschienen 44 zugeführt wird.

Die Details der Plasmapistole oder des Plasmakopfes 16 und des Mechanismus 18 zur Bewegung des Plasmakopfes werden bes­ ser verständlich anhand der Fig. 3 und 4. Die Anordnung ist im Plasmakammer-Deckel 13 montiert, und dabei dafür eingerichtet, vier Bewegungen in drei Bewegungsrichtungen zu erzeugen. Die Plasmapistole 16 wird mittels Zwischen­ mechanismen von einem Wagen 70 derart gehalten, daß sie im wesentlichen senkrecht in den Gehäusekörper 12 gerichtet ist. Biegsame Schläuche 72, 73 die durch die Wand des Deckels 13 hindurch mit dem äußeren Pulverzufuhrmechnis­ mus 20 verbunden sind, führen dem Plasmakopf 16 Pulver zu, wobei infolge der in der Kammer 10 herrschenden Temperatur das Pulver gleichzeitig vorgeheizt wird. Ein Träger 74 (nur Fig. 3), der mit dem Wagen 70 verbunden ist, ist derart angeordnet, daß er zeitlich auf einem wassergekühlten Quer­ schaft 76 gleiten kann, der im vorliegenden Beispiel hori­ zontal und damit parallel zur Querachse des Mechanismus liegt. Die Querbewegung wird durch eine Kugelkette 78 be­ wirkt, die mit dem Träger 74 verbunden ist, sich im we­ sentlichen parallel zu der Querachse erstreckt, und die an der einen Seite des Kammerdeckels 13 von einem Treib­ ketten-Rad 80 und auf der anderen Seite von einem Gegen-Rad 81 geführt wird. Das Treibketten-Rad 80 ist über eine abgedichtete Zylindereinheit 82 mit einem äußeren Getrie­ be 84 und Gleichstrommotor 86 zur Erzeugung der Quer­ bewegung verbunden. Diese sind dafür ausgelegt, je nach der Steuerung vom System-Steuerpult 56 in Fig. 1 aus eine Geschwindigkeit von 0 bis 61 cm/s in Ab­ hängigkeit von den Wünschen des Betreibers zu erzeugen.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Systems muß die gesamte Querachse 91,5 cm, womit ein weiter Bereich möglicher Werkstück­ größen abgedeckt wurde. Die Grenzen der Bewegung entlang der Querachse können nach herkömmlichen Methoden kontrol­ liert werden, wie z. B. durch einen Rotationsmeßwertumwand­ ler 87, der von der Welle des Gegenrads 81 über einen ab­ gedichteten Zylinder mittels eines Untersetzungsgetriebes 88 angetrieben wird. Es ist für den Fachmann selbstverständ­ lich, daß die Hin- und Herbewegung mit einer steuerbaren Geschwindigkeit genausogut auf viele andere Arten erzeugt werden kann.

Unter Verwendung der beschriebenen Vorrichtung ist es aller­ dings möglich, eine komplexere Abtastbewegung des Plasma-Kopfes 16 zu erzeugen, um sowohl eine bes­ sere Durchführung des Beschichtens als auch eine erhöhte Vielseitigkeit der Arbeitsmöglichkeiten zu erreichen. Eine Pendelbewegung senkrecht zu der Querachse wird durch den Wagenmechanismus 70 erzeugt, indem dieser in Richtung der Querachse auf zwei Führungen 92, 93 gleitet, die wiederum zwischen zwei eine oszillierende Bewegung ausführenden Schwingplatten 94 angeordnet sind, die sich jeweils in der Nähe einer der Seiten des Kammerdeckels 13 befinden. Die Schwingplatten 94 sind in abgedichteten Lagern 96 drehbar gelagert, die sich auf einer gemeinsamen Zentralwelle be­ finden, die durch eines der Lager 96 ge­ führt und außerhalb des Kammerdeckels 13 mit einem Kurbelarm 97 verbunden ist, der über einen Getriebekasten 98, der mit einem Gleichstrom-Pendelmotor 100 verbunden ist, angetrieben wird. Ein Auslenkarm 99 der Welle des Getriebekastens 98 ist mit einem Exzenterstift 101 ver­ sehen, der in einen Schlitz in dem Kurbelarm 97 ein­ greift, wodurch die Schwingplatten 94 in oszillierende Bewegung versetzt werden und somit auch der Pendelwagen- Mechanismus 70. Die Lage des Stifts 101 in radialer Richtung relativ zur Zentralwelle ist einstellbar (nicht dargestellt), so daß der Pendelwinkel gesteuert werden kann. Der Betrieb des Gleichstrom-Pendelmotors 100 wird vom System-Steuer-Pult 56 aus überwacht, damit eine kon­ trollierte Geschwindigkeit eingehalten wird, wenn der Plasmastrom senkrecht zu der Querrichtung pendelt. Im vor­ liegenden Beispiel wird ein Winkel von 30° mit einer Ge­ schwindigkeit von 0 bis 122 cm/s überstrichen.

Ein Tragbügelmechnismus 103 ist mit dem Wagen 70 verbunden, der den Plasmakopf so hält, daß eine senkrechte Auf- und Ab­ bewegung sowie eine parallele Pendelbewegung zusätzlich zu der Pendelbewegung in Richtung der Querachse und senkrecht dazu erzeugt werden kann. Der Tragbügelmechanis­ mus 103 hält eine praktisch senkrechte kerbverzahnte Stange 102, die in einer Kerbzahnführung 104 gleitet, die am Tragbügelmechanismus 103 ausgeführt ist. Ein Antriebsge­ triebe 106 ist ebenfalls am Tragbügelmechanismus 103 vorge­ sehen, das in jede Richtung drehbar ist und dadurch eine Auf- und Abbewegung der kerbverzahnten Stange 102 und damit auch des Plasmakopfes 16 erzeugt.

Zu diesem Zweck ist - wie am besten in Fig. 4 zu erkennen ist - die Welle des Getriebes 106 mit einer Universal- oder Kreuz­ gelenkverbindung 107 versehen, und eine zweite Gelenkver­ bindung 108, die gut abgedichtet in der Wand des Kammer­ deckels 13 angeordnet ist, ist mit der ersten Verbindung 107 mittels eines Teleskopstangenmechanismus 110 ver­ bunden. Die äußere Gelenkverbindung 108 ist mit einer An­ triebseinheit für die Senkrechtbewegung verbunden, die einen Getriebekasten 112 und einen Gleichstrommotor 114 enthält, die dafür ausgelegt sind, eine Senkrechtgeschwin­ digkeit je nach Wunsch von 0-51 cm/s über einen bestimmten senkrechten Längenbereich hier 61 cm zu erzeugen.

Auch in diesem Fall wird der Gleichstrommotor für die Senk­ rechtbewegung 114 vom System-Steuer-Pult 56 aus bedient. An das System für die Senkrechtbewegung ist ein Über­ tragungselement 115 angeschlossen, das ein an das System- Steuer-Pult 56 weitergeleitetes Signal erzeugt, das die Lage- des Plasmakopfes 16 wiedergibt.

Die Pendelbewegung parallel zur Querachse wird durch einen besonderen Teleskopstangenmechanismus 117 erzeugt, der durch die Wand des Kammerdeckels 13 einmal mit einem zweiten Pendelantrieb 118 außerhalb der Kammer 10, zum anderen mit seinem anderen Ende mit dem Tragbügelmechanismus 103 ver­ bunden ist. Eine Zahnradverbindung 119 verbindet den ange­ triebenen Teleskopstangenmechanismus 117 mit dem Tragbügel­ mechanismus 103 an der Stelle seiner Drehachse und erzeugt eine Schwingungsbewegung des Plasmakopfes 16 über einen be­ stimmten Winkel in der zweiten Pendelrichtung parallel zur Querachse. Wieder ist ein Übertragungselement wie schon oben beschrieben Teil dieses Antriebs (nicht gezeigt). Wasserge­ kühlte Kabel 116, die in Fig. 4 nur fragmentarisch darge­ stellt sind, sind im Raum des Deckels 13 vorgesehen, um die äußeren Sammelschienen 44 sowie die Gas- und Wasserver­ sorgungen mit dem Plasmakopf 16 zu verbinden.

Eine solche Anordnung gestattet es, die Bewegungen in jeder der verschiedenen Richtungen unabhängig von den anderen Be­ wegungen zu steuern, sowohl was ihre Geschwindigkeit, als auch was die Amplitude angeht. Es sollte noch erwähnt wer­ den, daß die vier Bewegungen in die drei Raumrichtungen, die der Plasmakopf 16 beschreibt, nicht von den Leitungen für die Gas-, Elektrizitäts- und Pulverversorgung gestört werden.

Der Mechanismus 26 für die Bewegung des Werkstücks 24 und der Mechanismus 30 für die Bewegung des Blinddorns 28, die in den Fig. 1 und 2 in allgemeiner Form gezeigt sind, sind detaillierter in Fig. 5 dargestellt. Jeder Mechanismus 26 und 30 ist so ausgelegt, daß eine innere Wasserkühlung des Mechanismus gewährleistet und eine elektrische Ver­ bindung mit dem angeschlossenen Werkstück 24 bzw. dem Blind­ dorn 28 hergestellt ist.

Wie in Fig. 5 erkennbar ist, sind für den Mechanismus 26 zur Bewegung des Werkstücks 26 mehr technische Einzelheiten vorgesehen als für den Blinddornmechanismus 30. Es ist aber ersichtlich, daß die beiden Mechanismen auch jeweils gleich ausgeführt sein können. Es ist ferner ersichtlich, daß der Mechanismus 30 für die Bewegung des Blinddorns 28 auch zum Spritzen eines kleinen Werkstücks verwendet wer­ den kann. Das Werkstück 24 wird grundsätzlich von einem Flansch 120 gehalten, der vorteilhafterweise mit der vor­ deren Tür 43 der Kammer 10 verbunden sein kann, wie darge­ stellt. Ein elektrisch leitender Halteschaft 124 (manchmal auch Dorn genannt) für das Werkstück 24 ist entlang einer bestimmten Achse angeordnet, die die Zentralachse der Vacuumkammer 10 schneidet. Der Blinddorn 28 ist entlang einer Achse angeordnet, die koaxial oder normal zudem Halteschaft 124 liegt, und ist in ähnlicher Weise dreh­ bar, aber vom freien Ende des Werkstücks 24 so getrennt, daß weder ein mechanischer Kontakt noch eine elektrische Verbindung existiert. Der leitende Halteschaft 124 ist so eingeführt, daß das Werkstück 24 eine gewünschte Lage relativ zu der Zentralachse der Kammer 10 einnehmen kann, indem der Halteschaft 124 und ein dazugehöriger Umhül­ lungsmantel 126, die in die Tür 43 eingesetzt sind und durch sie hindurch nach außen ragen, bewegt werden. Der Blinddorn 28 ist auf ähnliche Weise in die Kammer 10 ge­ führt und in einer Lage angeordnet, in der sein Ende dem Werkstück 24 nahe, aber von ihm getrennt ist. Der Um­ hüllungsmantel 126 enthält in seinem Inneren Kanäle für das Kühlwasser sowie elektrische Verbindungselemente, zu denen ein Bürstenkontakt mit einem Leiter gehört, der mit dem zentralen Halteschaft 124 zusammengeschaltet ist; diese Elemente sind nicht detailliert gezeigt, da ähnliche Konstruktionen im vorliegenden Fachgebiet allgemein üblich sind. Dichtlager und O-Ringe in dem Umhüllungsmantel 126 ge­ statten es, daß der Umhüllungsmantel 126 und der Halte­ schaft 124 nach innen und nach außen bewegt werden sowie rotieren können, ohne daß Wasser oder Gas austritt. Ein Gleichstrom-Getriebemotor 128, der mit dem Halteschaft 124 außerhalb des Umhüllungsmantels 126 verbunden ist, wird vom System-Steuerpult 56 aus bedient und kann das Werkstück 24 mit einer Geschwindigkeit von 0 bis 100 U/min (im vor­ liegenden Beispiel) in Rotation versetzen.

Der Mechanismus 26 zur Bewegung des Werkstücks 24 weist weiter auch noch eine Gooseneck-Verbindung im Inneren der Kammer auf, über die das Werkstück 24 im Bereich des Plas­ mastroms gehalten wird. Ein Gooseneck-Abschnitt 130 des Umhüllungsmantel 126 endet in einem Endarm 131, der relativ zur horizontalen Achse nach oben abgeknickt ist. Entspre­ chende Abschnitte 133, 134 des Halteschafts 124 sind mittels Universalgelenken 135 verbunden, die es gestatten, daß der Endabschnitt 134 mit dem Werkstück 24 unabhängig von der Be­ wegung des Umhüllungsmantels 126 und des Gooseneck-Ab­ schnitts 130 rotieren kann. Das Werkstück 24 wird in eine Pendelbewegung versetzt, indem der Umhüllungsmantel 126 mittels eines Pendelantriebs 138, der Signale vom System- Steuerpult 56 empfängt, in eine Drehung mit einem begrenz­ ten Winkel versetzt wird. Eine Getriebeverbindung 139 zwi­ schen dem Motor 138 und dem Umhüllungsmantel 126 treibt außerdem noch ein Übertragungselement 142 der Pendelbewegung (z. B. ein Potentiometer) an, das es gestattet, die Endpo­ sitionen der Pendelbewegung abzugreifen in bekannter Weise zu steuern.

Im Ergebnis ist somit das Werkstück 24, nachdem es auf das freie Ende des Abschnitts 134 des Halteschafts 124 aufmon­ tiert ist, in einer bestimmten gewünschten Längslage in den Weg des Plasmastroms eingeführt. Über den Lichtbogen­ stromkreis wird das Werkstück 24 über den Halteschaft 124 und seine Abschnitte 133, 134 mit einem bestimmten ausge­ wählten Potential versehen, und während im Gooseneck 130 Kühlwasser zirkuliert, rotiert und pendelt das Werkstück 24 zur gleichen Zeit im Plasmastrom. Dabei müssen die Be­ wegungen nicht gleichzeitig erfolgen, und für viele Teile ist auch nicht unbedingt ein Gooseneck-Abschnitt erforder­ lich.

In dem beschriebenen Beispiel eines charakteristischen Sy­ stems weist der Halteschaft oder Haltedorn 124 einen Durch­ messer von 5,1 cm auf. Der Blinddorn 28 ist ein gerader Schaft von 2,54 cm Durchmesser, der durch einen Umhüllungsmantel 140 und einen in der Wand des Ge­ häusekörpers 12 der Kammer 10 angeordneten Flansch 141 geführt ist, und der innerhalb des Umhüllungsmantels 140 mittels eines Antriebsmotors 144 über ein Zahnradgetriebe 146 und einen Verriegelungsflansch 147 rotieren kann. Der Verriegelungsflansch 147 kann gelöst werden, so daß der Blinddorn 128 in eine bestimmte Lage eingeschoben werden kann, und danach angezogen, damit der Blinddorn 28 infolge des Antriebs durch den Motor 144 rotieren kann. Für den Blinddorn 28 beträgt die Rotationsgeschwindigkeit typischerweise wahlweise 0 bis 100 U/min., wobei der Blind­ dorn 28 nicht im Detail dargestellte Rohrleitungen für die Zufuhr und die Zirkulation von Kühlwasser enthält.

Wenn das System arbeitet, werden die Mechanismen zur Steue­ rung der Bewegungen gleichzeitig und in aufeinander abge­ stimmter Weise betrieben, in dem Sinne, daß sie trotz ihrer unabhängigen Steuerbarkeit unter Bedingungen betrieben wer­ den, die für ein spezielles Werkstück 24 optimal sind. Wenn das Werkstück 24 z. B. eine Turbinenschaufel ist, wird es in einer bestimmten Lage bezüglich der Zentralachse ange­ ordnet und dann in Abhängigkeit von seiner Größe, dem ver­ wendeten Material und der Dicke der gewünschten Beschichtung in Rotation versetzt. Der Blinddorn 28 rotiert mit einer ähnlichen Geschwindigkeit. Der Plasmakopf 16 wird veranlaßt, ein Plasma zu erzeugen, wobei er über die Quellen 46 und 48 mit Energie versorgt wird und wobei ein Gas- und Kühl­ wasserstrom aufrechterhalten wird.

Zu den Arbeitsbedingungen innerhalb der Plasmakammer 10 ge­ hören auch die Wechselwirkungen von Plasmastrom mit der Vacuumumgebung, die von hoher Wichtigkeit sind. Der Umge­ bungsdruck in der Kammer wird mittels der Vacuumpumpen 42 in der Größe von 0.6 bis 0.001 bar gehalten. In dem speziellen beschriebenen Beispiel, das eine vorzugsweise Arbeitsweise bei der Beschichtung einer Turbinenschaufel aus Metall betrifft, beträgt der Umgebungsdruck etwa 0.05 bar. Der Strömungsdruck der Plasmapistole beträgt etwa 5 bar, damit für die bestimmte Form der Düsen ein Über­ schall-Plasmastrom von etwa 3.2 Mach. Überschall- Geschwindigkeit erhalten wird. Der statische Druck des Plasmastroms wird in einer Richtung senkrecht zum Plasmastrom gemessen und ist nicht geringer als der Umgebungsdruck in der Kammer, im vorliegenden Fall etwas größer. Folglich verbreitert sich der Plasmastrom auf einen größeren Quer­ schnitt, wobei der Öffnungswinkel des Plasmastromes nicht größer als etwa 15° ist. Der Staudruck im Plasma­ strom ist der Druck, der gemessen wird, wenn man stromauf­ wärts, d. h. gegen die Richtung des Plasmastroms blickt, und setzt sich aus dem statischen Druck und der kinetischen Energie des Plasmastroms zusammen. Der Staudruck wird daher haupt­ sächlich von den Größen Strahlgeschwindigkeit und Strahl­ dichte bestimmt und sollte in der Größenordnung von 0.001 bis 2 bar liegen, liegt aber in jedem Fall über dem stati­ schen Druck. Unter diesen Bedingungen erzeugt der Plasma­ strahl, wie in Fig. 6 dargestellt, einen Stoß- oder Schock­ bereich in Form eines Aufprallmusters, das einen entscheidenden Einfluß auf den im System verwendeten Lichtbogen ausübt.

Das Verfahren zur Vorbereitung des Werkstücks zum Aufbrin­ gen einer aufgespritzten Beschichtung mittels eines das Werkstück abtastenden Plasmastroms mit oder ohne übertragenen Lichtbogen kann dadurch eingeleitet werden, daß das Werk­ stück 24 vor dem Aufbringen der Beschichtung auf eine ent­ sprechend hohe Temperatur aufgeheizt wird. Bei Turbinen­ schaufeln wird auf den Werkstücken z. B. ein im wesentlichen gleichförmiger Temperaturbereich von 900 bis 1100°C er­ reicht. Vorheizen ist eine nützliche, aber keine notwen­ dige Stufe, und ihre Anwendung hängt von der Art des Werk­ stücks, seines Materials und der Beschichtung ab. Bei Tur­ binenschaufeln hat sich das Vorheizen als sehr wichtig er­ wiesen, da dadurch Spannungen infolge nicht harmonierender Wärmeausdehnungen vermieden werden. Das Abdampfen wird begonnen und, im wesentlichen auch ab­ geschlossen, bevor vorgeheiztes Pulver aus der Pulverzu­ führung 20 in Fig. 1 zugeführt wird. Unter den angegebenen Arbeitsbedingungen regen die Plasmaionen, die auf die Oberfläche des Werkstücks aufprallen, Atome im Makrobe­ reich oder der Energieabfallszone der Werkstücksoberfläche an. Dann wird der übertragene Lichtbogen angelegt, wobei die Lichtbogen-Stromquelle 50 so umgepolt ist, daß das Werkstück 24 als Kathode geschaltet ist. Der angewandte Lichtbogenstrom liegt im Bereich von 50 bis 500 A, und der Spannungsabfall beträgt im vorliegenden Beispiel 30 bis 80 V. Das kathodische Werkstück beginnt auf diese Weise als Elektronenemitter zu wirken, wodurch die Anregung der Oberfläche des Werkstücks 24 weiter gesteigert wird, und wobei angeregte Metallatome in Form von Ionen aus der Werkstücksoberfläche freigesetzt werden. Sind sie ein­ mal freigesetzt, neigen die Ionen dazu, sich entsprechend den Ladungen des Plasmastroms und den gasdynamischen Kräfte der Stoßströmung auszubreiten.

Die Wechselwirkung zwischen dem Aufprallmuster an der Werkstück- Oberfläche und dem Hochenergie-Lichtbogen führt zu einer Ver­ teilung des übertragenen Lichtbogens über eine beträcht­ liche Fläche und trägt zu Freisetzung von Atomen aus der Werkstückoberfläche bei. Oxidfilme und andere Verunreini­ gungen, die als Rückstand oder infolge von Vorbehandlungen und Vorheizen auf der Oberfläche vorliegen, werden auf die­ se Weise innerhalb von wenigen Sekunden von der Werkstück­ oberfläche entfernt, wobei ihre Entfernung durch ein Sicht­ fenster in der Kammer 10 visuell verfolgt werden kann, wobei zeitweilig aussetzende Aufprallmuster als sichtbare Punktstrahlung nur für eine kurze Zeit bis zur Vervollständigung des Reinigungsprozesses, der als Abdampfvorgang bezeichnet werden kann, beobachtet werden können.

Wenn das Werkstück 24 einmal aufgeheizt und gereinigt ist, kann es sofort gegebenenfalls in den Plasmastrom eingeleitete Beschichtungsmaterialien aufnehmen, und die negative Aufladung kann sofort beendet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es vorteilhaft ist, die negative Polarität des Werkstücks noch für eine kurze Zeitspanne aufrechtzuerhal­ ten, und zwar in der Größenordnung von 5 s, um eine metallurgische Diffusionsverbindung an der Oberfläche des Werkstücks zu erzeugen. Diese entsteht, weil das ankommen­ den Pulver material in dem Plasmastrom mit Ionen und freien Atomen der hoch angeregten kathodischen Ober­ fläche des vorgeheizten Werkstücks reagieren. Eine derarti­ ge, eine enge Verbindung oder Verkettung von Beschichtungs­ material und Werkstück bildende Oberfläche kann die Haftung der aufgebrachten Beschichtung im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen beträchtlich verbessern, obwohl beträchtliche Verbesserungen gegen­ über dem Bekannten auch erhalten werden, vor allem was die Zuverlässigkeit betrifft, ohne daß diese Technik angewandt wird.

Danach erfolgt das Aufbringen einer Schichtung in der ge­ wünschten Dicke auf dem Werkstück, wobei für die benötigte Zeitspanne vorgeheiztes Pulver in den Plasmastrahl eingeführt wird und der Plasmakopf 16 die Abtastbewegung und andere im. System mögliche Bewegungen ausführt. Der übertragene Lichtbogen wird hierbei umgepolt, so daß das Werkstück 24 gegenüber dem Plasmakopf als Anode wirkt, nachdem ein kurzes Zwischen­ intervall abgewartet worden war, um ein Abdampfen der vorher aufgebrachten Teilchen des Beschichtungsmaterials zu verhindern und gleichzeitig neues Material aufzubrin­ gen. Die Anlegung des übertragenen Lichtbogens vergrößert die Wärmezufuhr zum Werkstück, und wenn dort schon eine übermäßige Wärmezufuhr zu beobachten ist, wird kein über­ tragener Lichtbogen angelegt. Die hohen Stromdichten, die Anwendung eines diffusen oder gestreuten übertragenen Lichtbogens und die Vorreinigung der Oberfläche sichern nicht nur ein schnelles Aufbringen, sondern erzeugen Bin­ dungsstärken einer Größe und Gleichmäßigkeit, wie sie mit den bekannten Systemen bisher nicht zu erreichen waren.

Diese Vorzüge sind besonders bei großen Werkstücken von besonderem Vorteil. So wird z. B. eine durchschnittliche Aufbringrate von 25,4 µm pro Sekunde auf einer Fläche von etwa 7.6 cm Durchmesser angewendet, obwohl die Parameter des Systems verändert werden können, um diese Rate in einem beträchtlichen Bereich zu vergrößern oder zu ver­ kleinern. Die erhaltenen Beschichtungen sind oxidfrei, außer­ ordentlich dicht und zeigen eine ausgezeichnete Haftung an den Substraten. Genaue Oberflächen-Analysen von Turbinen­ schaufeln, die mit CoCrAlY beschichtet wurden, und die an verschiedenen Punkten über die gesamte Länge des Turbinen­ blattes untersucht wurden, zeigen Abweichungen nur im Bereich von 71.1-94 µm. In folge der Fähigkeit des Systems, die Bewegungen des Schwenkmechanismus zu steuern, kann die Schicht in einem bestimmten Bereich verstärkt oder verdickt gegenüber einem anderen Bereich werden, wie den Vorder- und Hinterkanten der Blattabschnitte einer Turbinen­ schaufel. Die gleiche Turbinenschaufel wie zuvor, bei Ver­ wendung derselben Näherung, wies an den Vorderkante eine übermäßige Beschichtungsdicke von 178 µm auf, die dann in Richtung der Hinterkanten abnahm und entlang der konvexen Oberfläche des Flügels ein Minimum von 76.2 µm erreichte, um danach bei weiterem Fortschreiten in Richtung zur Hinterkante wieder eine Dicke von 178 µm an der Hinterkante zu erreichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sichert somit eine homogene Beschichtungsstruktur mit einer guten Duktilität und Ober­ flächenglätte. Die mechanischen Eigenschaften des Substrats, wie Zugspannung, Bruch, thermische Ermüdung oder Nieder- Hoch-Wechsel-Ermüdung werden nicht verschlechtert. Ober­ flächenbehandlungen wie Polieren, Schrubben können angewendet werden, um für spezielle Zwecke die Oberflächenglätte noch zu verbessern. Die Struktur der Beschichtung weist eine hohe Dichte auf und hat eine Porosität, die typisch weniger als 0.5 bis 1% beträgt, wobei die Poren nicht untereinander verbunden sind und gleichmäßig verteilt sind. Mit dem erfindungsgemäßen Plasmaspritzsystem wurden die verschiedensten Beschichtungen aufgetragen, da­ runter die folgenden.

CoCrAlY	1N 100
CoCrAIHf	NiCr
CoCrAlY/NiAlCr	NiAl
CoCrAlY/NiCrAl	WC-Co
CoCrAlY/Al2O3	316 rostfreier Stahl
CoCrNiTaAlY (S 57&67)	Stellite 1
NiAlCr	Al
NiCrAlY	Cu
NiCoCrAlY	Co
NiCrAlY/Al2O3	Mo
NiCrSiB	Ni

Das zu beschichtende Werkstück kann zur Vorbereitung mit einem Kiesstrahlgebläse oder durch Säureätzen vorbehandelt werden, oder durch eine Verknüpfung dieser oder anderer Prozesse. Das Werkstück muß nicht vorgeheizt werden, wenn das erfindungsgemäße Plasmaspritzsystem verwendet wird, aber es kann unter Anwendung anderer konventioneller Methoden genausogut vorgeheizt werden. Eine gereinigte Argon-Quelle oder eine Dehydrogenation oder ein Getterschritt müssen nicht zur Anwendung kommen, weil erfindungsgemäß eine Reini­ gungsoperation erfolgt, bei der das nicht erforderlich ist. Wenn derartige Reinigungsschritte wegen ganz spezieller An­ forderungen an ein spezielles fertiges Produkt ökonomisch gerechtfertigt erscheinen, können sie ohne weiteres auch zu­ sammen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden.

Es ist ferner hervorzuheben, daß die Bewegungen, in die das Werkstück, der Blinddorn und der Plasmakopf versetzt wer­ den, zur Zuverlässigkeit der Arbeitsweise beitragen. Gleich­ zeitige konstante Bewegungen verhindern das Auftreten von lokalen Überhitzungen und variieren die Konzentrationen der Ionen und Elektronenpopulationen in der Abfallzone auf dem Werkstück. Wenn das Werkstück eine Konfiguration auf­ weist, die dazu neigt, abgelenkte geschmolzene. Teilchen auf­ zunehmen, die nur schwach gebunden würden, wie z. B. in ein­ springenden Ecken, kann der Gooseneck-Mechanismus synchron mit dem Plasmakopf in eine Pendelbewegung versetzt werden, so daß nur direkt aufprallende Teilchen gebunden werden. Ferner ist die Gleichmäßigkeit des Beschichtungsvorgangs über die ganze. Länge des Werkstücks gesichert, weil das benachbarte Ende des Blinddorns einen zusätzlichen Aufprallbereich mit Stau und Stoßbedingungen für den Plasmastrahl bildet und die Streuung des übertragenen Lichtbogens erhalten bleibt, der andernfalls nicht mehr durch das Aufprall-Phänomen beeinflußt werden würde.

Claims (11)

1. Verfahren zum Reinigen eines Werkstückes mit Hilfe eines durch eine Plasmakanone (16) erzeugten Plasmastromes, der auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, wobei um das Werkstück ein niedriger statischer Druck unterhalb Atmosphä­ rendruck erzeugt wird, und wobei zwischen Plasmakanone (16) und Werkstück (24) ein elektrischer Potentialgradient erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück zum Entfernen von Schmutz und Oxidschich­ ten vom Werkstück in bezug zur Plasmakanone (16) negativ gepolt wird, wobei

• a) die Energie bzw. Intensität des Plasmastromes,
• b) die Anordnung des Plasmastromes in bezug zum Werkstück (24),
• c) die Auftreffgeschwindigkeit des Plasmastromes auf das Werkstück (24), und
• d) der statische Umgebungsdruck des Werkstückes (24)

so ausgelegt sind, daß am Werkstück (24) ein Staudruck erzeugt wird, der erheblich über dem statischen Umgebungs­ druck liegt und ein gestreutes Aufprallmuster erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (24) vor dem Reinigen dadurch vorerhitzt wird, daß das Werkstück in bezug zur Plasmakanone (16) positiv und anschließend zum Reinigen des Werkstückes negativ gepolt wird.

3. Verfahren zum Reinigen und anschließenden Beschichten eines Werkstückes mit Pulver mit Hilfe eines durch eine Plasmakanone (16) erzeugten Plasmastromes, der auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, wobei um das Werkstück ein niedriger statischer Druck unterhalb Atmosphärendruck erzeugt wird, und wobei zwischen Plasmakanone (16) und Werkstück (24) ein elektrischer Potentialgradient erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück zum Entfernen von Schmutz und Oxidschich­ ten vom Werkstück in bezug zur Plasmakanone (16) negativ gepolt wird, wobei

• a) die Energie bzw. Intensität des Plasmastromes,
• b) die Anordnung des Plasmastromes in bezug zum Werkstück (24),
• c) die Auftreffgeschwindigkeit des Plasmastromes auf das Werkstück (24), und
• d) der statische Umgebungsdruck des Werkstückes (24)

so ausgelegt sind, daß am Werkstück (24) ein Staudruck erzeugt wird, der erheblich über dem statischen Umgebungs­ druck liegt und ein verbreitertes Aufprallmuster erzeugt,

• a) daß in den Plasmastrom Beschichtungspulver eingeführt wird,
• b) daß das Werkstück (24) zum Beschichten mit Pulver in Bezug zur Plasmakanone (16) positiv gepolt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Geschwindigkeit des Plasmastromes über 3 Mach und ein Umgebungsdruck von 0,001 bis 0,6 bar erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorerhitzen vor dem Reinigen zwischen Werkstück (24) und Plasmakanone (16) ein positives Potential größer 20 Volt erzeugt wird, und daß ein Lichtbogenstrom größer 50 Ampere erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Geschwindigkeit des Plasmastromes von wenigstens 3,2 Mach erzeugt wird, daß ein statischer Druck des Lichtbogenstromes mindestens gleich dem Umgebungs­ druck erzeugt wird, und daß ein Staudruck des Plasmastromes im Bereich von 0,001 bis 2 bar erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umgebungsdruck von etwa 0,5 bar erzeugt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrom zum Abtasten des Werkstückes geschwenkt wird, und daß das Werkstück während des Spritzvorganges des Plasmastromes bewegt, insbesondere gedreht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrom quer, parallel und/oder senkrecht zur Ebene des Werkstückes bewegt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrom parallel und senkrecht zur Ebene des Werkstückes Pendelbewegungen ausführt, und daß gegebenenfalls sowohl das Werkstück (24) als auch ein vom Werkstück getrenntes in der Nähe eines Endes hiervon angeordnetes Blindwerkstück in Form eines Blinddornes (28) gedreht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkbewegung und die Auf- und Abbewegung des Plasmastromes in Bezug zum Werkstück (24) gesteuert werden.