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Patentbeschreibung
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Bezeichnung: Verfahren zum Lichtbogen-Drahtspritzen unter Schutzgas
bei vermindertem Umgebungsdruck Stand der Technik Das Lichtbogenspritzen stellt
ein Verfahren dar, bei dem zwei drahtförmige metallische Werkstoffe in einem Lichtbogen
abgeschmolzen werden und das entstehende Schmelzgut in einem Gasstrom, im allgemeinen
Preßluft, in feine Tröpfchen zerstäubt und auf eine vorbehandelte Oberfläche aufgeschleudert
wird. Dort bildet es eine Schicht, die sich im allgemeinen durch einen heterogenen,
aus metallischen und oxidischen Anteilen bestehenden und durch zahlreiche Poren
gekennzeichneten Aufbau auszeichnet.
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Mit Hilfe dieses Verfahrens, das im wesentlichen zum Bewehren von
Oberflächen gegen Verschleiß eingesetzt wird und in folge seines hohen Wirkungsgrades
wirtschaftlich vorteilhaft arbeitet, haben sich erfolgreich vor allem Stahlwerkstoffe
spritztechnisch verarbeiten lassen. Auch im Korrosionsschutz wird das Lichtbogenspritzverfahren
erfolgreich zum Beschichten metallischer Oberflächen mit Zink und Aluminium oder
deren Legierungen eingesetzt, wobei durch Ausbildung eines wirbelkammerähnlichen
Brennraumes eine feine Zerstäubung erzielt wird, die sich
vor allem
bei niedrigschmelzenden Werkstoffen als vorteilhaft erwiesen hat.
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Schwierigkeiten ergeben sich stets dort, wo reine Oberflächenbeschichtungen
verlangt werden. So ist z. B.
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der Einsatz von reinen Metallen dann nicht mehr gegeben, wenn diese
oxidfreials Oberflächenüberzug aufgebracht werden sollen. Ferner ist das Verarbeiten
von korrosionsbeständigen legierten metallischen Werkstoffen mit erheblichen Einbußen
in Bezug auf den Korrosionsschutz verbunden, weil die metallischen Spritzteilchen
mehr oder weniger stark oxydieren und bei einem späteren Korrosionsangriff infolge
des stark unterschiedlichen elektrochemischen Verhaltens zwangsläufig zu erheb'5icher
Heterogenität führen, die in der Schicht wiederum Anlaß zur Bildung von Lokalelementen
gibt.
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Vor allem Werkstoffe, die zu den Bestandteilen der Luft, also vorzugsweise
zum Sauerstoff oder Stickstoff, eine hohe Affinität aufweisen, lassen sich aúf diese
Weise nicht verarbeiten, sofern in der Schicht keine entsprechenden Reaktionsproduckte
enthalten sein dürfen.
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In derartigen Fällen hat das Verlegen des Spritzprozesses in eine
hermetisch abgeschlossene Schutzgaskammer mit dem Einsatz eines Inertgases als Trägergas
Abhilfe
zu schaffen vermocht. Die hiermit herstellbaren Schichten aus reaktionsempfindlichen
metallischen Werkstoffen zeichnen sich nur noch durch geringfügige Verunreinigungen
und somit durch eine wesentlich verbesserte Reinheit aus. Eine Schwachstelle bildet
die nicht vermeidbare Gasausnahme, die zu unerwünschter Porosität führt. Ferner
ist die Haftung der Spritzteilchen am Grundwerkstoff sowie der Teilchen untereinande:
oftmals ungünstiger, als dies beim Ve: spritzen der Werkstoffe mit Preßluft als
Trägergas der Fall ist. Ursache hierfür ist die durch Verwendung des Inertgas es
hervorgerufene hohe Oberflächenspannung der flüssigen Spritzteilchen, die zu ungünstige:ren
Benetzungsbedingungen führt. Auch gelangen selbst solche an der Oberfläche der Spritzdrähte
befindlichen Verunreinigungen in die Schicht, die einen relativ hohen Dampfdruck
aufweisen, weil auch die flüssigen Teilchen während des gesamten Spritzprozesses
vom Erschmelzen am Drahtende bis zum Erstarren auf der Werkstückoberfläche unte
leicht erhöhtem Umgebungsdruck verblei ben.
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Werden derartige Werkstoffe dagegen pulverisiert und im Plasmaspritzverfahren
verarbeitet, so verändern sich die Bedingungen zum Teil erheblich.
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Wird z. B. ein in Drahtform herstellbarer metallischer Werkstoff als
Pulver im Plasmaspritzverfahren verarbeite
so ist neben einer erheblichen
Verschlechterung des Auftragswirkungsgrades mit keiner grundlegenden Verbesserung
der Schichtqualität zu rechnen, sofern unter atmosphärischen Umgebungsbedingungen
gespritzt wird. Durch Verwirbelung des Spritzstrahls und Eindringen von Gasen aus
der Umgebunsatmosphäre ist auch hier ein Verlegen des Spritzprozesses in eine Inertgaskammer
erforderlich, sofern reaktionsempfindliche Werkstoffe vorliegen. Zwar ist die Teilchengröße
gleichmäßig und durch die eingesetzte Pulverkörnung vorgegeben, doch führt die hohe
spezifische Oberfläche des Spritzgutes und die hiermit verbundene Kontamination
der Teilchen durch Anhaften von Gasen zu einer Begrenzung der Reinheit derartiger
Schichten, selbst wenn mit hochreinen Gasen gearbeitet wird.
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Einen weiteren Schritt in Richtung verminderter Reaktionsmöglichkeiten
und einem verringerten Gasgehalt stellt die Verlegung des Spritzprozesses in eine
Niederdruckammer dar / 1 /. In diesen Niederdruck- oder Vakuumkammern wird während
des Spritzprozesses ein verminderter Umgebungsdruck von etwa 50-70mbaz aufrechterhalten,
wodurch die mit relativ hoher Geschwindigkeit auf die Substratoberfläche auftreffenden
Spritzteilchen trotz der kurzen Flugzeit entgasen können. Einen Vorteil bildet die
größere mögliche Spritzentfernung vom Plasmabrenner bis zur Oberfläche des Substratwerkstoffs,
die mit einer VerlSngerung der Entgasungszeit glei£hzusetzen
ist.
Vor allem beim Verarbeite von heißgaskorrosionsbeständigen Meta legierungspulvern
auf der Basis MCrAl' (CoCrAlY, NiCrAlY oder CoNiCrAlY-Legi rungen) konnten die Vorteile
des Spritzverfahrens zum Schutz von Gas tau binenschaufeln ausgenutzt werden. Es
ließen sich Schichten hoher Dichte un Homogenität bei vernachlässigbarer Po sität
herstellen, die durch eine nach folgende Wärmebehandlung in einen Gefügezustand
hoher Korrosionsbeständig keit gegen heiße, strömende Gase versetzt werden konnten.
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Bei Werkstoffen wie Tantal, die schon bei extrem niedrigen Verunreinigungen
- wie sie z. B. durch Adhäsion von Gasen an der Teilchenoberfläche entstehen können
- zu starker Versprödun« und Empfindlichkeit gegen Spannungsrif korrosion neigen,
versagt dagegen aucl das Verarbeiten derartiger Pulver in Niederdruckspritzanlagen
/ 2 /. Elektz chemische Untersuchungen an niederdruc plasmagespritzten Tantalschichten
habc ergeben, daß die Schichten nicht in einem Zustand hoher Korrosionsbeständigkeit
vorliegen. Infolge der eingetretenen Versprödung ergaben sich bei Einwirkung stark
korrodierender Medier Spannungskorrosions-Anrisse, die nach relativ kurzer Zeit
zur Rißbildung unc zum damit verbundenen Durchtritt des aggressiven Elektrolyten
an die Substratoberfläche führten. Somit ließen sich keine Schichten aus Tantal
spritz technisch erzeugen, die bei extrem hoh
Korrosionsbeanspruchung
einen ausreichenden Widerstand zu bieten vermögen.
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Gegenstand der Erfindung: Die Erfindung beruht - unter Berücksichtigung
der geschilderten Unzulänglichkeiten bisheriger Verfahren - auf der Kombination
des Lichtbogen-Metalldraht-Spritzverfahrens mit einem verminderten Umgebungsdruck.
Bei früheren Versuchen einer derartigen Kombination ließ sich kein stabiler Spritzbetrieb
aufrechterhalten, weil das Umgebungsvakuum den zwischen den abschmelzenden Elektroden
brennenden Lichtbogen stark vergrößerte und schließlich die elektrischen Kontakt
düsen erfaßte und abschmolz. Damit wurde die Spritzeinrichtung unbrauchbar.
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Der der Erfindung zugrundeliegende, in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte
Gedanke besteht darin, durch Verlegen des Abschmelzprozesses in eine unter Überdruck
stehende Vorkammer (2) zunächst ein sicheres Abschmelzen mit entsprechender Tropfenbildung
zu gewährleisten und erst nach Austritt des Spritzstrahls aus einer Düse das Vakuum
auf die Teilchen einwirken zu lassen und damit für einen entsprechenden Entgasungsvorgang
zu sorgen. Dabei ist die aus einem Isolator bestehende Vorkammer (2) so ausgebildet,
daß ein Gasstrom hoher Geschwindigkeit an der Kammerwand dafür sorgt, daß keine
unerwünschten Ablagerungen in der Kammer entstehen können.
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Der Werkstoff des keramischen Vorrat mereinsatzes wird dabei so gewählt,
daß flüssige Metalltröpfchen aus den verspritzenden Werkstoff die Kammer nicht zu
benetzen in der Lage sind.
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ähnlich wie beim Plasmapulverspritze nach einer Düsenverengung in
den Kan raum austretende Spritzstrahl läßt c Teilchen auf dem Flugweg - der je na
Wunsch bis zu 50 cm oder mehr betrag kann - weiter zerflattern und als fe Spritzpartikel,
die nahezu gasfrei s auf der Oberfläche auftreffen. Aufgr der geringen spezifischen
Oberfläche verwendeten Drahtes und der'intensiv Entgasung bilden sie dort eine Schic
die sich durch extrem hohe Dichte un gute Haftung zum Grundwerkstoff auszeichnet.
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Eine Voraussetzung hierfür stellt ei: einwandfreies Abschmelzen der
Drähte der Vorkammer dar. Dieses läßt sich dann erreichen, wenn die Drähte (25)
drallfreiem Zustand zugeführt werden weswegen sie vor Eintritt in den Brei kammerbereich
zunächst gerichtet wer den (5). Nach dem Richten erfolgt dit Stromzuführung (3),
die den Draht wä} rend des Spritzbetriebs über Widerstandserwärmung vorwärmt. Das
Zünden erfolgt durch direkten Stromkontakt oder gegebenenfalls über Hochfrequen
(11).
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Wie beim Niederdruck-Plasmaspritzen üblich, kann der Grundwerkstoff
durch einen übertragenen Lichtbogen (36) mit unterschiedlicher Polarisation vom
Brennerkopf (2) zur Substratoberfläche (14) vorgewärmt bzw. gereinigt werden. Zu
diesem Zweck befindet sich an der Unterseite des Brennerkopfes eine entsprechende
metallisch leitende Elektrodenzuführung (30), die an einen zweiten, von dem eigentlichen
Spritzstromkreis getrennten Gleichstromkreis (12) mit wählbarer Polarität gekoppelt
ist. Bei einem Zerstäuberdruck von ca. 5 bar kann der Umgebungsdruck - je nach gewünschter
Ausbreitung des Spritzstrahls - wie beim Plasma-Niederdruckspritzen im Bereich von
50 mbar, aber auch wesentlich darunter liegen.
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Abgesehen von geringen Schwenkbewegungen bleibt der Brennerkopf ortsfest,
und das Werkstück wird unter dem Brenner entsprechend der Kontur seiner Oberfläche
und der gewünschten Schicht bewegt.
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Ein weiterer Anspruch betrifft das Eindraht-Lichtbogenspritzen im
Vakuum, Fig. 3 und Fig. 4. Hierbei wird ein zentral in eine Vorkammer ähnlicher
Form, wie sieiabeim Mehrdrahtspritzen bereits beschrieben wurde, eintretender Draht
(31) abgeschmolzen, indem ein Lichtbogen zwischen ihm und einer unterhalb des engsten
Querschnitts der Keramikdüse angeordneten, ringförmigen Gegenelektrode (34) gezündet
wird. Die Gegenelektrode wird dabei intensiv wassergekühlt
und
besteht aus thorierte Wolfram oder einer Kupferlegierung.
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Eintritt des Inertgases erfolgt ring förmig um den zentral angeordneten
D herum (33). Auch in diesem Fall ist Anordnung einer weiteren Elektrode ( am unteren
Brennerrand für einen übe tragenen Lichtbogen unterschiedliche: Polarität (36) zum
Grundwerkstoff (12 möglich.
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In einer dritten Form des Draht-Licht bogen-Vakuumspritzen, dargestellt
in Fig. 5, wird ein zentral angeordnetel Draht (31) - ähnlich wie vorgehend be schrieben
- als abschmelzende Elektrc mit einem übertragenem Lichtbogen zur Oberfläche des
Grundwerkstoffs (14) 1 tend verbunden. Das Prinzip des Metal Inertgas-Schweißens,
bei dem ebenfall eine stromführende Drahtelektrode abschmilzt und tropfenförmig
zum Grund werkstoff übertritt, wird hier insofe abgewandelt, als ein Plasmastrahl
hoh Geschwindigkeit dafür sorgt, daß die Teilchen auf ihrem Weg weiter zersprü hen,
hoch beschleunigt werden und als entgaste Partikel am Grundwerkstoff a: kommen.
Aufgrund der relativ großen Lichtbogenansatzfläche findet jedoch - im Gegensatz
zum Metall-Inergas-Schweißen - kein Einbrand in den Grund werkstoff statt, sondern
es wird diese oberflächlich lediglich so stark erwärmt, daß die Haftung auf jeden
Fall durch eine vollständige metallurgische Bindung gekennzeichnet ist.
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Literatur [1 ] Deutsches Patentamt Offenlegungsschrift, DE 3043830
A 1 "Verfahren zum Lichtbogen-Plasma-Beschichten und System zu seiner Durchführung"
/ 2 7 Steffens, H.-D., Low-Pressure Plasma Spraying of Höhle, H.-M. and Reactive
Materials Ertürk, E. Int. Conference on Metallurgical Coatings, San Diego, April
21-25,1980
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