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VERFAHREN ZUM AUFBRINGEN KEREtVIISCHr,R ÜBE.iZÜGE
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ERHOHTER DICKE Die Erfindung betrifft den Maschinenbau, insbesondere
Verfahren zum Aufbringen von keramischen Uberzügen durch Plasmaspritzen. Die vorliegende
Erfindung kommt in solchen Zweigen des Maschinenbaus weitgehend zur Verwendung,
wo Hochtemperaturwerkstoffe und -überzüge, welche die Oberfläche der Teile vor.
Einwirkung hoher Temperaturen, aggressiver Medien, vor Erosionsbruch usw. schützen,
benutzt werden, und zwar in Flugzeugbau, Chemieanlagenbau, Energiemaschinenbau,
Hüttenmaschinenbau u. a.m.
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Bekannt sind verschiedene Verfahren zum Aufbringen von keramischen
Uberzügen durch Plasmaspritzen.
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Bekannt ist ein Verfahren zum Plasmaspritzen von Oxiden (King B.W.
Napylenie okislov gazoplamennym i plazmennym metodami. Industrial Heating, 1962,
Nr. 10, S. 2013, 2014, 2023). Das bekannte Verfahren bezieht sich auf das Aufbringen
von 0,1 bis 0,9 mm dicken.
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Uberzügen aus Metalloxiden.
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Nachteilig bemerkbar macht sich bei diesem Verfahren die Unmöglichkeit,
eine genügend hohe Haftfestigkeit des Uberzugs an der Unterlage bei seiner relativ
grosser Dicke z.B. von 1 mm und darüber zu erzielen.
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Bekannt ist ebenfalls ein Verfahren zum Aufbringen von Uberzügen
grosser Dicke und zum Herstellen von dickwan.digen Erzeugnissen aus keramischen
Werkstoffen, welches die tschechoslowakische Firm Aqua-
centrum
entwickelt hat (s. Prospekt der tschechoslowakischen Firm Aquacentrum "Tekhnologiya
raspyleniya s primeneniem zhidkostnoi plazmennoi raspylitelnoi golovki" Jahrgang
nicht angegeben; Wohlrab 1., Zverina K. Verwendung eines Plasmabrenners zum Aufbringen
einer Oberflächenschutzschicht und zum Herstellen von Bauelementen, "Strojirenska
Vyroba", 1973, 21, Nr. 8, S. IV-V).
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Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es sich nur dann
realisieren lässt, wenn man zum Aufspritzen keramischer Materialien spezielle Plasmabrenner
verwendet,
bei denen der Plasmabogen wasserstabilisiert wird. Wasserstabilisierte Plasmabrenner
haben eine verwickelte Konstruktion, sind serienmässig nicht herzustellen, und das
Verfahren findet deshalb eine ziemlich eingeschränkte Verwendung.
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Das Verfahren ermöglicht ausserdem die Herstellung von Teilen nur
aus solchen keramischen Materialien, die eine relativ niedrige Wärmedehnzahl (Aluminiumoxid,
Zirkoniumdioxid) und folglich eineverminderte Neigung zur Rissbildung aufweisen.
num Aufbringen von Uberzügen grosser Dicke und zum Herstellen von dickwandigen Teilen
aus solch einem Hochtemperaturmaterial wie z .B. Zirkoniumdioxid (Schmelzpunkt 26000C,
Betriebstemperatur bis 22000C) bei dem die Warmedehnzahl.um das 2- bis 4fache die
der oben aufgezählten Materialien übersteigt,eignet sich dieses Verfahren nicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solch ein Verfahren zum
Aufbringen von keramischen Uberzügen erhöhter Dicke auf eine Unterlage zu entwickeln,
welches durch die Anwendung bestimmter technologischer Arbeitsgänge die Zerstörung
des keramischen Uberzugs im Falle der Vergrösserung seiner Dicke über 0,2 mm zu
vermeiden ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass man erfindungsgemäss ein
Verfahren zum Aufbringen von keramischen Uberzügen erhöhter (über 0,2 mm) Dicke
auf eine Unterlage durch Aufspritzen des Ausgangsmaterials im gasstabilisierten
Plasmastrahl vorschlägt, welches dadurch gekennzeichnet wird, dass der Berührungszone
des aufzuspritzenden Materials mit der Unterlage ein Kühlmittel in Mengen von 0,1
bis 1000 g/min zugeführt wird und das Aufspritzen bei folgenden Werten der Hauptdaten
erfolgt: Lichtbogenstrom, A 250 ... 700 Lichtboenspannung, V 65 ... 300
Verbrauch
an plasmabildenden Gasen, 1/min 1 ., 0 Verbrauch an Pulver des aufzuspritzenden
Materials, kg/St. 0,1 ... 25 Geschwindigkeit der Relativverschiebung der Unterlage
und des Plasmastrahls, m/min 0,5 ... 50 Beim Aufbringen der Uberzüge auf eine Unterlage
aus Edelmetallen und deren Legierungen wird das Aufspritzen in zwei Stufen durchgeführt;
dabei wird der Uberzug auf der ersten Stufe in eine Dicke von 1 bis 2go der Solldicke
des Uberzugs auf einzelne Abschnitte, deren Gesamtfläche zwei Drittel der ganzen
Oberfläche der Unterlage nicht übersteigt, aufgebracht, wobei die Temperatur der
Unterlage zwischen 100 und 100000 liegt, und auf der zweiten StuSe wird der Uberzug
auf die ganze Oberfläche aufgebracht.
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Bei der Herstellung von dickwandigen keramischen Erzeugnissen wird
die Unterlage nach der Beendigung des Aufspritzens vom aufzuspritzenden Material
abgetrennt.
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Die vorliegende Erfindung gestattet es, unter Anwendung von handelsüblichen
gasstabilisierten Plasmabrennern keramische Uberzüge von praktisch unbegrenzter
Dicke herzustellen und somit die Schutz eigenschaften der aufzubringenden Ueberzüge
zu erhöhen und ihren Anwendungsbereich zu erweitern.
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Benutzt man dieses Verfahren zum Aufbringen von keramischen Uberzügen
auf Teile von Glasschmelzanlagen, bestehend aus Platinlegierungen, so wird eine
bedeutende Steigerung der Wandstandzeit der Glasschmelzgefässe erreicht, welche
gegen die atmosphärische Hochtemperaturkorrosion empfindlich sind. Der Gesamtverlust
an Platinoiden beim Betrieb der Glasschmelzgefässe vermindert sich dadurch um mindestens
35% und die Betriebsdauer der Glassschmelzanlagen
erhöht sich etwa
um das 1,3fache.
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'wenn als Unterlage ein Dorn dient, der nach der Beendigung des Aufspritzens
von dem aufgebrachten Material abgetrennt wird, kann man nach dem erfindungsgemässen
Verfahren keramische Teile aus verschiedenen Materialien in beliebiger Form mit
Wänden wzbegrenzter Dicke erzeugen. Besonders zweckmässig ist die Anwendung des
Verfahrens im Falle der Herstellung verwickelter keramischer Teile (zum Beispiel
Venturirohre), welche sich nach den traditionellen Verfahren der Herstellung keramischer
Erzeugnisse nicht fertigen lassen. Falls ein dickwandiges Teil von verwickelter
Form aus solch einem Material wie z.B. Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit 5 Gew.
Calciumoxid, herzustellen ist, ist das vorgeschlagene Verfahren das einzig mögliche
Mittel.
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Die vorliegende Erfindung wird z.B. wie folgt durchgeführt.
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Mit Hilfe eines gasstabilisierten Plasmabrenners wird ein Ausgangsmaterial
auf die Unterlage aufgebracht.
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Die Unterlage kann aus beliebigen metallischen und nichtmetallischen
Werkstoffen (z.B. aus Stahl beliebiger Marke, Nichteisenmetallen, höchstschmelzenden
Metallen, Feuerfestkeramik u.a.m.) gefertigt werden. Als Ausgangsmaterialien lassen
sich unterschiedliche keramische Werkstoffe (z.B. Oxide, Carbide, Boride, Nitride
und andere Verbindungen von Metallen sowie ihre Mischungen von beliebiger Zusammensetzung
und beim beliebigen Verhältnis zwischen den Bestandteilen) benutzen.
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Der Berührungszone von Teilchen des aufzuspritzenden Materials mit
der Unterlage wird ein Kühlmittel zugefuhrti welches die Wärme, eingefügt durch
Plasmastrahl und Teilchen des aufzuspritzenden
geschmolzenen Materials,
ableitet. Durch Anwendung des Kühlmittels im Laufe des Aufspritzens gelingt es,
das Temperaturgefalle zwischen den der Reihe nach aufgebrachten Uberzugsschichten
zu vermindern, den Restspannungspegel dieser Schichten auf Kosten der Bildung darin
einer gewissen Menge von T.likrorissen durch eine schroffe Abkühlung herabzusetzen.
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Es ergibt sich dadurch die Möglichkeit, eine unbeschränkte Menge von
Schichten des JtIaterials aufzuspritzen und folglich die Gesamtdicke des Überzugs
zu vergrössern.
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Als Kühlmittel können Wasser, Luft, Kohlendioxid und andere Stoffe
oder Mischungen derselben dienen.
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Je nach den wärmephysikalischen Eigenschaften der zur Abkühlung verwendbaren
Stoffe beträgt die enge des Kühlmittels, zugeführt der Berührungszone der Teilchen
des aufzuspritzenden Materials mit der Unterlage, 0,1 bis 1000 g/min.
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Zur Einführung des Kühlmittels in die Berührungszone der Teilchen
des aufzuspritzenden Materials mit der Unterlage benutzt man eine einfache Einrichtung,
die aus Rohr (falls das Kühlmittel einen Bestandteil hat) oder aus Mischer (falls
das Kühlmittel zwei und mehr Bestandteile enthält) und Schläuchen besteht, die das
Kühlmittel oder seine Bestandteile dem Rohr oder dem Mischer zuführen.
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Der technologische Prozess des Aufbringens des keramischen Uberzugs
grosser Dicke mit Hilfe eines gasstabilisierten Plasmabrenners besteht in folgendem.
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Die Unterlage und der gasstaoilisierte Plasmabrenner werden in solch
eine gegenseitige Bewegung gebracht, dass die ganze gegebene Oberfläche allmählich
schichtweise mit dem aufzuspritzenden Mate-
rial überzogen wird.
Die ,senke der auf die Unterlage aufzubringenden Schichten richtet sich nach der
Solldicke des Uberzugs. Die Abkühlung der Berührungszone der Teilchen des aufzuspritzenden
T.laterials mit der Unterlage erfolgt beispielsweise mit Hilfe des Strahls einer
asser-Luft-t.?ischung.
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Das Aufspritzen wird bei folgenden Werten der Haupt daten durchgeführt:
Lichtbogenstrom, A 250 ... 700 Lichtbogenspannung, V 65 ... 300 Verbrauch an plasmabildenden
Gasen (Argon, Stickstoff, Luft, Wasserstoff), 1/min 1 ... 150 Verbrauch an Pulver
des aufzuspritzenden Materials, kg/St. 0,1 .. . 25 Geschwindigkeit der Relativverschiebung
der Unterlage und des Plasmastrahls, m/min 0,5 ... 50 Nach dem Erreichen der Solldicke
des Uberzugs wird das Aufspritzen beendet.
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Im Falle der Anwendung einer Unterlage aus Edelmetallen und deren
Legierungen erfolgt das Aufspritzen in zwei Stufen. Auf der ersten Stufe wird der
Uberzug in eine Dicke von 1 bis 2% der Solldicke des Uberzugs auf einzelne Abschnitte
aufgebracht, deren Gesamtflache zweiDrittel der ganzen Oberfläche der Unterlage
nicht übersteigt, wobei die Temperatur der Unterlage zwischen 100 und 10000C liegt,
und auf der zweiten Stufe wird der Uberzug auf die ganze Oberfläche aufgebracht.
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Bei der Anwendung des Verfahrens zum Aufbringen der Uberzüge erhöhter
Dicke zu Zwecken der Herstellung keramischer Teile wird das Aufspritzen des Ausgangsmaterials
auf eine Unterlage in Form eines Dorns verwirklicht, dessen Gestalt die Kontur-der
Innenfläche des herstellbaren Teils wiedergibt.
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Nachdem die Schichten des aufzuspritzenden Materials auf die Unterlage
in einer Menge aufgebracht worden
sind, welche die Herstellung
der Wand des Teils von t,egebener Dicke sichert, beendet man d Aufspritzen, und
trennt die Unterlage (den Dorn) von dem hergestellten Teil nach einem der bekannten
Verfahren (Ausbau, falls der Dorn zusammensetzbar ist, Aussätzen u.a.m.) ab.
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Beispiel 1 Auf die Unterlage in Form eines zylindrischen Teils von
50 mm Durchinesser, die aus nichtrostendem Stahl IXI8HlOT gefertigt und sandgestrahlt
wurde, bringt man den Uberzug aus Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit 5 Gew.
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Calciumoxid. Das Teil wird in der Patrone einer Vorrichtung aufgespannt,
welche die Drehung des Teils ermöglicht.
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Man stellt den gasstabilisierten Plasmabrenner unter 900 Winkel zur
Oberfläche des Teils in 110 mm Entfernung von diesem ein, schaltet die Zufuhr von
plasmabildenden Gasen, pulverförmigem Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit 5 Gew.%
Calciumoxid, Kühlwasser und Stromspeisung zum Brenner ein und vermittelt dem Brenner
eine hin- und hergehende Bewegung rings der Achse des Teils.
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Das Aufspritzen von Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit 5 Gew.% Calciumoxid,
erfolgt bei folgenden Hauptdaten des Prozesses: Lichtbogenstrom, A 400 Lichtbogenspannung,
V 85 ... 95 Verbrauch an plasmabildenden Gas an Argon, 1/min 10 ... 12 an Stickstoff,.l/min
60 ... 70 Verbrauch an pulverförmigem Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit 5 Gen Calciumoxid,
kg/St. 3 Verbrauch an Kühlmittel (Wasser-Luft-Mischung), g/min 2 ... 4 Drehgeschwindigkeit
der Unterlage ,m/min Vorsehub des Plasmabrenners, mIr,/U 6 Nach dem Aufbringen von
200 Schichten des aufzuspritzenden Materials auf das Teil wurde der 10 mm dicke
Uberzug aus Zirkoniumdioxid, stabilisiert fflit 5 Gew.% Calciumoxid, erhalten.
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Beispiel 2 Das VerIlhrerl wird wie im Beispiel 1 durchgeführt, nur
dass die Unterlage aus Tolybdan gefertigt wird.
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Beispiel 3 Das zylindrische Teil von 50 mm Innendurchmesser und 30
mm Wanddicke, welches aus Zirkoniumdioxid, stabilisiert nit 5 Gew.% Calciumoxids
besteht, wird durch Aufspritzen des pulverförmigen Ausgngsmaterials und zwar des
mit 5 Gew.CO Calciumoxid stabilisierten birkoniumdioxids auf eine zylindrische wassergekühlte
Aluminiumunterlage (den Dorn) von 50 mm Aussendurohmesser hergestellt.
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Die Oberfläche der Unterlage wird dem Sandstrahlen mit Siliziumkarbid
von 0,8 is 1,2 Körnung unterworfen. Man stellt die Unterlage in der Patrone einer
Vorrichtung ein, vermittelt der Unterlage eine Drehbewegung und schaltet die Wasserkühlung
ein.
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Das Auf£pritzen von Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit 5 Gew.% Calciumoxid,
auf die Oberfläche der Unterlage, wird mit Hilfe eines gasstabilisierten Plasmabrenners
verwirklicht, welchem die hin- und hergehende Bewegung längs der Dornachse vermittelt
wird. Die Achse des Plasmastrahls bildet mit der Dornoberfläche einen Winkel von
90°, der Abstand zwischen der Schnittfläche der Brennerdüse und der Dornoberfläche
beträgt 11O mm.
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Das Aufspritzen von Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit 5 Gew.% Calciumoxid,
wird bei folgenden Hauptdaten des Prozesses verwirklicht: Isichtbogenstrom, A 400
Lichtbogenspannung, V 80 ... 85 Verbrauch an plasmabildenden Gasen an Argon, l/min
8 ... 10 an Stickstoff, l/min 50 ...
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Verbrauch an pulverförmigem Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit 5 Gew.%
Calciumoxid,kg/St. 3 ... 4 Verbrauch an kühlmittel (Wasser-Luft-Mischung), g/min
Drehgeschwindigkeit des Dorns, m/min 1=, ... 20 Vorschub des Plasm.abrenners, m@/U
6 Nach dem'Aufbringen von 600 Schichten des aufgespritzten Taterials auf die Dorn
oberfläche und Erreichen der Wanddicke von des Teils von 30 mm wird das Aufspritzen
beendet und die Unterlage (der Dorn) aus dem hergestellten Teil entfernt.
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Beispiel 4 Das Glasschmelzgefäss aus Platin-Rhodium-Legierung mit
10 Gew.cXO Rhodium, dessen Aussenfläche mit weissem Elektrokorund behandelt und
dann mit Athylalkohol gewaschen wurde, wird in einer Vorrichtung befestigt, die
die Bewegung des Gefässes im Laufe des Aufspritzens sichert, und mit lilfe des Plasmastrahls
auf eine Temperatur von 350°C gleichmässig durchwärmt. Dem Plasmastrahl führt man
dann pulverförmiges Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit 5 Gew.% Calciumoxid, zu und
bringt die 20µm dicke Uberzugsschicht als einzelne gleichmässige verteilte Zonen
auf einem Drittel der Oberfläche der Unterlage auf.
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Die Grösse der aufzuspritzenden Oberfläche richtet sich nach dem Verhältnis
zwischen octen .Bewegungsgeschwindigkeiten des Plasmabrenners und des Gefässes.
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Zwecks Konstanthaltung der Oberflächentemperatur des Gefässes bei
3500C wird die Luftkühlung des Gefässes von innen vorgenommen. Das weitere Wachsen
der Uberzugsdicke erfolgt auf der ganzen Oberfläche unter gleichzeitiger Abkühlung
mittels der Wasser-Luft-Mischung bei einer Temperatur der Unterlage von 5000C. Der
Kühlmittelstrom folgt unmittelbar dem Anodenfleck auf der Oberflache de. Unterlage.
Bei
der zufuhr d--r Wasser-Luft-Mischung wird die Abkühlung des
Gefässes von innen beendet.
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Das Aufspriten wird bei folgenden Hauptdaten des Prozesses durchgeführt:
Lichtbogenstrom, A 380 Lichtbc-enspannung, V 70 Verbrauch an plasmabildendem Gas
an Argon, l/min 10 12 an Stickstoff, l/min 60 ...70 Verbrauch an pulverförmigem
Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit 5 Gew.% Calciumoxid, kg/St. 3 Verbrauch an Kühlmittel
(Wasser-Luft-Mischung), g/min 150 ...500 Bewegungsgeschwindigkeit des Plasmastrahls
der Unterlage gegenüber, m/min 15 Durch Aufspritzen erhielt man auf dem Glasschmelzgefäss
aus der Platin-Rhodium-Legierung einen 1 mm dicken Uberzur, Die Gesamtverluste an
der Platin-Rhodium-Legierung im Laufe der Langzeit-Hochtemperaturversuche dieses
Gefässes setzten sich um 35% dank diesem Uberzug herab.
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Beispiel 5 Das Verfahren wird analog zum Beispiel 4 durchgefuhrt,
nur dass die Temperatur der Unterlage auf der ersten Stufe 1400C beträgt.
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Die Dicke des auf dem Gefäss hergestellten Uberzugs beträgt 1 mm,
die Verluste an der Legierung nach der Prüfung des Gefässes setzten sich um 32%
herab, Beispiel 6 Das Verwahren wird analog zum Beispiel 4 durchgeführt, die Temperatur
der [lrlterlage auf der ersten Stuf@ beträgt 970°C.
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Die Dicke des auf dem Gefäss hergestellten Uberzugs betrugt 1 mm,
die Herabs@tzung der Verluste an der Legierung nach der Prüfung des Gefässes 38%.
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Beispiel 7 Das Verfahren wird wie im Beispiel 4 verwirklicht, nur
dass als aufzuspritzendes Ifaterial das Aluminiumoxid dient und der Lichtbogenstrort
300 bis 320 A beträgt, Im Ergebnis wird ein O,8 mm dicker Uberzug hergestellt.
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Die Gesamtverluste an der Platin-Rhodium-Legierung nach den langzeitigen
flochtemperaturversuchen dieses Gefässes setzten sich um 2Q% dank diesem Uberzug
herab.
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Beispiel 8 Das Verfahren wird wie im Beispiel 4 vervzirklicht, nur
dabei der Verbrauch an Zirkoniumdiozidpulver, stabilisiert mit 5 Gew.% Calciumoxid,
beträgt 0,2 kg/St und die Geschwindirkeit der Verschiebung des Plasmastrahls der
Unterlage gegenüber beträgt 1 m/min. Im Ergebnis wird ein 0,3 mm dicker Uberzug
hergestellt.
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Die Gesamtverluste an der Platin-Rhodium-Legierung nach der Langzeit-Hochtemperaturversuchen
dieses Gefässes setzen sich um 15% dank diesem Uberzug herab.