DE3714416A1

DE3714416A1 - Verfahren zum herstellen von plasmaspritzueberzuegen

Info

Publication number: DE3714416A1
Application number: DE19873714416
Authority: DE
Inventors: Iii John Ruel Rairden
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-05-05
Filing date: 1987-04-30
Publication date: 1987-11-12
Also published as: JPS63451A; GB2190103A; FR2598157B1; GB2190103B; FR2598157A1; GB8710285D0; US4681772A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Herstellen von dichten Gegenständen und von Gegenständen mit unregelmäßiger Form durch Plasmaspritzen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Niederdruckplasmaspritzverfahren und eine Vorrichtung, durch die dichter zusammenhängende Überzüge, die komplizierte Formen haben, auf Empfangsoberflächen hergestellt werden.

Der Stand der Technik des Niederdruckplasmaspritzens ermöglicht das Aufspritzen einer dünnen Schicht in dem zentralen Teil des Zielbereiches innerhalb der Ablenkung einer Plasmaflamme. Für eine besondere Vorrichtung und Gruppe von Betriebsparametern wird dieses zentrale Gebiet ungefähr 20 bis 40 cm² im Durchmesser betragen und die Überzugsdichten werden sich etwa 100% nähern, insbesondere wenn die aufgespritzte Schicht einer Verdichtungswärmebehandlung unterzogen wird. Außerdem ist üblicherweise der Spritzauftrag um das zentrale Gebiet herum und insbesondere in einem Randgebiet weniger dicht und wird außerhalb eines Bereiches von etwa 100 cm² tatsächlich extrem porös. Die poröse äußere Zone wird nicht einmal auf 97% der theoretischen Dichte verdichtet, und Material mit einer Dichte von weniger als 97% hat schlechte Kombinationen von physikalischen Eigenschaften, insbesondere schlechte Zugfestigkeitseigenschaften.

Das läßt sich folgendermaßen veranschaulichen. Bei Verwendung von kreisförmigen Flächen bedeckt eine bezeichnete zentrale Fläche dichten Überzugs von 20 cm² eine Fläche mit einem Durchmesser von etwa 5 cm. Wenn nur die zentrale Fläche im aufgespritzten Zustand dicht ist, dann ist nur ein kleiner Bruchteil des gesamten Überzugs dicht. 40 cm² befinden sich innerhalb eines Kreises mit einem Durchmesser von etwa 7,1 cm, und die Fläche von 100 cm² liegt innerhalb eines Kreises, der einen Durchmesser von etwa 11,3 cm hat.

Bei der heutigen Technik ist es, wenn die Größe des mit einer Plasmapistole herzustellenden Überzugs in wenigstens einer Dimension größer ist als das dichte Gebiet eines Spritzmusters, notwendig, entweder eine Pistolenbewegung oder eine Substratbewegung oder beide zu benutzen, um die größere Fläche abzudecken. Diese Bewegung führt zu einem Überzug, der eine gewisse Kombination aus dicht und porös ist. Die Auswirkung des Vergrößerns der Überzugsgröße auf die Zugfestigkeits- und Duktilitätseigenschaften des Überzugs führt zu der Schlußfolgerung, daß Überzüge größerer Fläche im aufgespritztem Zustand weniger dicht und schwächer sind.

Plasmaspritzüberzüge sind bereits aus zahlreichen pulverisierten Ausgangsmaterialien hergestellt worden, zu denen Nickelsuperlegierungspulver gehören.

Es hat sich gezeigt, daß die Duktilitätswerte von Überzügen niedrig sind, die weniger als 97% Dichte nach der Wärmebehandlung haben, beispielsweise bei etwa 1250°C bei Nickelsuperlegierungen und für eine geeignete Zeit.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, durch das Überzüge mit größerem Flächeninhalt und dichterer Oberfläche durch Niederdruckplasmaspritzen mit guten Eigenschaften in der Schicht im aufgespritztem Zustand hergestellt werden können.

Weiter soll durch die Erfindung eine Vorrichtung geschaffen werden, die dichte Überzüge über größeren Flächen durch Niederdruckplasmaspritztechnik herzustellen gestattet.

Weiter soll ein Verfahren geschaffen werden, durch das dichte Überzüge auf einer nichtplanen Oberfläche relativ größerer Abmessungen hergestellt werden können.

Außerdem sollen gleichmäßig dichte Überzüge durch Niederdruckplasmaspritztechnik über einer relativ großen Fläche hergestellt werden können.

In einem ihrer breiteren Aspekte wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch Bereitstellen von wenigstens zwei Pistolen in einer Niederdruckplasmaspritzkammer und durch gleichzeitiges Aufspritzen von Material mit den Pistolen in Mustern, die einander überlappen, wenn der Überzug hergestellt wird. Die beiden Pistolen werden in der Kammer so befestigt, daß sich eine Trajektorie für die Plasmaflamme ergibt, die in einem überlappenden Muster auf eine Empfangsfläche auftrifft.

Die Anmelderin hat festgestellt, daß dann, wenn eine erste Plasmapistole benutzt wird, um einen Plasmaspritzüberzug in einem Bereich herzustellen und dieser Überzug normalerweise porös ist, und eine zweite Pistole benutzt wird, um einen Überzug in demselben Gebiet herzustellen, und dieser zweite Überzug normalerweise porös sein würde, überraschenderweise sich ein völlig dichter Überzug ergeben kann, wenn zwei Pistolen gleichzeitig benutzt werden, um das zu erzeugen, was einzeln poröse, durch eine einzige Pistole aufgebrachte Überzüge wären.

Wenn ein noch größeres Muster angestrebt wird, ist die Verwendung von mehr als zwei Pistolen gleichzeitig Teil des Verfahrens nach der Erfindung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Niederdruckplasmaspritzvorrichtung mit einer Plasmapistole und deren Beziehung zu einem Ziel,

Fig. 2 eine Konturkarte eines Plasmaspritzüberzugs, die die Überzugsdicke und die Dichte an verschiedenen Stellen angibt,

Fig. 3 eine Konturkarte ähnlich der in Fig. 2,

Fig. 4 eine Konturkarte ähnlich der in Fig. 2, aber für einen Überzug, der unter Verwendung von zwei Pistolen hergestellt worden ist,

Fig. 5 eine Konturkarte ähnlich der in Fig. 4,

Fig. 6 eine Konturkarte ähnlich der in Fig. 4,

Fig. 7 eine Karte ähnlich der in Fig. 4, und

Fig. 8 einen Satz von zwei Diagrammen, dessen oberer Teil eine Aufzeichnung der Belastung über der Dichte und dessen unterer Teil ein Diagramm der Verringerung des Querschnitts einer Zugfestigkeitsprobe über der Dichte ist und sich auf die Duktilität oder Dehnbarkeit der Proben bezieht.

Eine Plasmaspritzpistole 10, die sich in einem Niederdruckgehäuse 8 befindet, ist schematisch in Fig. 1 gezeigt. Die Pistole hat eine zentrale Katode 12, die Abstand von einer ringförmigen Anode 14 hat. Eine Arbeitsspannung wird zwischen der Anode und der Katode durch eine Stromversorgung 16 angelegt, die mit der Anode und der Katode durch Leiter 18 bzw. 20 verbunden ist. Die Anode hat eine zentrale Öffnung 22, durch die ein Strom 24 von Teilchen hindurchgeleitet wird. Die Teilchen werden der Öffnung 22 über Zuführkanäle 26 und 28 zugeführt, welche in gegenseitigem Abstand um die Anode 14 angeordnet sind. Ein Gasstrom wird durch Kanäle 30 und 32 eingeleitet, und das Gas geht durch den Ringraum zwischen der Katode 12 und der Anode 14 hindurch. Das über die Kanäle 30 und 32 aus einer nicht dargestellten Quelle eingeleitete Gas und dessen Strom durch den Ringraum zwischen der Katode und der Anode gestatten das Herstellen eines Plasmalichtbogens zwischen der Anode und der Katode bei Zufuhr von ausreichender Aktivierungsenergie. Das durch den Ringspalt und durch die Öffnung 22 hindurchgeleitete Gas nimmt die in die Öffnung eingeleiteten Teilchen aus der Öffnung zu einem Ziel der Target 34 mit, das im Abstand von der Lichtbogenplasmaspritzpistole 10 angeordnet ist. Ein Materialüberzug 36 wird auf dem Ziel 34 gebildet, das als Substrat für die Schicht aufgespritzten Materials 36 dient.

Die Pistole und das Ziel befinden sich beide innerhalb des Niederdruckgehäuses 8, das durch eine gestrichelte Linie in Fig. 1 gezeigt ist. Geeignete Gas- und Pulverzufuhreinrichtungen versorgen die Pistole aus Behältern außerhalb des Gehäuses 8.

Eine geeignete Stromversorgung 38 ist vorgesehen, um eine gewünschte Spannung zwischen der Pistole 10 und dem Ziel 34 aufrechtzuerhalten und dem Ziel eine gewünschte Spannungsänderung einzuprägen, die für den Betrieb der Pistole und das Auftragen einer gewünschten Schicht 36 geeignet ist. Leiter 40 und 42 verbinden die Stromquelle 38 mit der Pistole 10 bzw. dem Ziel 34. Der Plasmalichtbogen zwischen der Anode und der Katode erzeugt eine sehr hohe Temperatur in der Größenordnung von 10 000 bis 20 000°C, und die Energie dieses Plasmas reicht aus, um die in die Öffnung 22 eingeleiteten Teilchen zum Schmelzen zu bringen. Die schmelzflüssigen Teilchen werden von dem Plasmastrahl aus der Pistole 10 zu dem Ziel 34 in einem Strom 44 wie dargestellt mitgenommen.

Wenn ein Überzug mit der Niederdruckplasmatechnik unter Verwendung einer Plasmapistole wie der Pistole 10 auf einer relativ großen Oberfläche wie der Oberfläche 34 hergestellt wird, wird die Oberfläche selbst vorzugsweise erhitzt. Das Erhitzen kann mittels der Hitze aus der Plasmapistole selbst oder mit Hilfe einer unabhängigen Quelle erfolgen. Wenn eine einzelne Pistole mit etwa 80 kW Plasmaspritzenergie benutzt wird, so beträgt die maximale Fläche einer Probe, die auf etwa 900°C gehalten werden kann, etwa 1000 cm². 1000 cm² liegen innerhalb eines Kreises mit einem Durchmesser von etwa 36 cm.

Zwei EPI-Plasmaspritzpistolen, Modell 03-CA, mit 03-CA-80-Anoden wurden Seite an Seite in einer wassergekühlten Niederdruckkammer befestigt, die Abmessungen von 114 cm im Durchmesser und 137 cm in der Länge hatte. Innerhalb dieser Konstruktion wurde eine Pistolenbefestigungskonsole so angeordnet, daß zwei Pistolen an der Konsole in einem gegenseitigen engen Abstand von 9 cm befestigt und so abgewinkelt werden konnten, daß der Zielpunkt jeder Pistole durch eine Steuervorrichtung, die von außerhalb der Kammer her betätigt wurde, in weiten Grenzen verändert werden konnte.

Die Vorrichtung war außerdem zur Aufnahme von Substratdornen ausgerüstet, die ungefähr 15,2 cm mal 25,4 cm maßen und eine Dicke von 0,32 cm hatten. Die benutzten Dorne bestanden aus Kupferblech. Nach dem Aufspritzen einer Schicht durch das Niederdruckplasmaverfahren auf die Oberfläche des Dorns wurden die Substratdorne durch selektive chemische Auflösung entfernt.

Das Pulver, das bei der Plasmaherstellung dieser Schichten benutzt wurde, war ein Metallpulver der Legierung IN-100 mit einer Teilchengröße unter 37 µm (-400 mesh), das von der Homogeneous Metals, Clayville, New York, geliefert wurde.

Nach dem Entfernen des Dorns wurde die aufgespritzte Schicht in herkömmliche Testhantelformstücke, wie sie üblicherweise beim Ausführen von Zugfestigkeitstests benutzt werden, zerschnitten, die Endstücke und ein Mittelstück von ungefähr 0,203 cm Breite hatten. Die Dicke betrug ungefähr 0,157 ± 0,0025 cm.

In Fig. 2 sind die Ergebnisse des Herstellens eines Überzugs auf einer Empfangsoberfläche mit einer einzelnen Plasmaspritzpistole dargestellt. Die Konturlinien veranschaulichen das Muster des Überzugs mit gleichmäßiger Tiefe. Aus der Legende der Fig. 2 ergeben sich die Dichteangaben für jede Probe des Überzugs, welche in das markierte Rechteck eingetragen sind. In der Mitte beträgt die Überzugsdichte 95,6, und diese wird auf 99,6 durch eine zweistündige Wärmebehandlung bei 1250°C erhöht.

Die Dichte der beiden äußeren Rechtecke ist jedoch niedrig und beträgt 87,2 bzw. 89,6 im aufgespritzten Zustand und 92,1 bzw. 95,2 nach einer Glühbehandlung. Proben mit so niedriger Dichte haben auch niedrige Zugfestigkeiten.

Die Bedeutsamkeit der unterschiedlichen Dichten des Materials, das durch Plasmaspritzen unter schneller Erstarrung aufgebracht wird, wie es gemäß der Erfindung erfolgt, kann anhand der Daten, die in Fig. 8 angegeben sind, noch deutlicher gemacht werden. In Fig. 8 ist die Dichte auf der Abszisse aufgetragen, und zwar mit von der Ordinate aus abnehmender Dichte. Auf der Ordinate sind unterschiedliche Werte in zwei Abschnitten aufgetragen, die durch zwei parallele Wellenlinien getrennt sind, welche eine Lücke im Ordinatenmaßstab bedeuten. Der untere Maßstab bezeichnet das Verhältnis der ursprünglichen Querschnittsfläche einer Zugstabprobe zur endgültigen Querschnittsfläche der Zugstabprobe unmittelbar vor deren Trennung in zwei Hälften, wenn die spezifische Zugfestigkeit R/A erreicht wird, die als eine Prozentzahl des ursprünglichen Probendurchmessers (R) zum endgültigen Probendurchmesser (A) angegeben ist. Beispielsweise erscheint in der unteren linken Ecke von Fig. 8 ein Datenpunkt bei ungefähr 99% Dichte und 9% Querschnittsverringerung. Das bedeutet, daß die Probe, die diesem Datenpunkt entspricht, eine Fläche an der schmalen Stelle der Zugfestigkeitstestprobe hat, die um 9% ihres ursprünglichen Wertes verringert wurde, als die Probe in zwei Abschnitte zerrissen wurde.

Der obere Teil von Fig. 8 zeigt die Festigkeit in MPa (ksi) einer Probe auf der Ordinate, aufgetragen über dem Prozentsatz der Dichte der betreffenden Proben. Die prozentuale Dichte ist in demselben Maßstab wie in dem unteren Teil von Fig. 8 angegeben. Z.B. bedeutet ein runder Datenpunkt bei 1240 und 97% eine spezifische Zugfestigkeit von etwa 1240 MPa (180 ksi) für ein Material mit einer Dichte von etwa 97%.

Ein dreieckiger Datenpunkt, der sich in derselben Position befindet, würde zeigen, daß eine Testprobe mit einer Dichte von etwa 97% eine Streckgrenze von ungefähr 1240 MPa (180 ksi) bei Verwendung der üblichen Streckgrenzentests und -anzeiger aufwies.

Der Kasten im oberen Teil von Fig. 8, der mit ausgezogener Linie gezeigt ist, ist ein Gebiet von zahlreichen Datenpunkten, und die Einrahmung innerhalb des Kastens soll bedeuten, daß zahlreiche Datenpunkte innerhalb des angezeigten Bereiches ermittelt wurden. Die gezeigten Werte gelten für die spezifische Zugfestigkeit des getesteten Materials.

Ein entsprechender Kasten in gestrichelten Linien in dem Bereich von 1172-1240 MPa (170-180 ksi) repräsentiert zahlreiche entsprechende Datenpunkte, die die Streckgrenze des getesteten Materials zeigen. Mit anderen Worten, bei den Materialien, die getestet wurden und Werte der spezifischen Zugfestigkeit in dem Bereich von 1586 MPa (230 ksi) hatten, hatten dieselben Proben Streckgrenzen in dem Bereich von 1172-1240 MPa (170-180 ksi).

Ebenso definiert der kleinere rechteckige Kasten bei etwa 1469 MPa (213 ksi) einen Bereich, der mehrere Testpunkte der spezifischen Zugfestigkeit von verschiedenen Proben bedeutet. Der gestrichelte Kasten bei etwa 1000 MPa (145 ksi) bedeutet die entsprechenden Streckgrenzen derselben Proben, die in dem ausgezogenen Kasten darüber bei 1469 MPa (213 ksi) aufgetragen sind.

Weiter, die Daten innerhalb des ausgezogenen Kastens bei etwa 1586 MPa (230 ksi) waren Proben, die aus dem "sweet spot" jeder getesteten Probe entnommen wurden. Der hier verwendete Begriff "sweet spot" bedeutet ein dichtes Gebiet eines Überzugs aus plasmagespritztem Material, welches das Ergebnis eines Überzugs aus einer stationären Pistole auf einem stationären Substrat ohne Relativbewegung zwischen denselben ist. Z.B. die Daten, die für den oberen Kasten von Fig. 8 gesammelt wurden, insbesondere für den mit ausgezogener Linie dargestellten Kasten bei etwa 1586 MPa (230 ksi), waren eine Messung, die an einer "sweet spot"- Probe und an einer gemacht wurde, die unter Verwendung eines Gemisches aus Argon und Wasserstoff in der Pistole, aus der der Überzug emittiert wurde, angefertigt wurde. Der Wasserstoff in diesem Gemisch war ein relativ niedriger Prozentsatz auf Volumenbasis und ein noch kleinerer Prozentsatz auf Gewichtsbasis.

Einige der Proben, die angefertigt wurden, wurden mit einer Relativbewegung in einer einzigen Richtung zwischen der Pistole und der Sammelplatte angefertigt. Beispielsweise die Daten, die in bezug auf diejenigen Datenpunkte gesammelt wurden, welche in dem mit ausgezogener Linie dargestellten Kasten bei etwa 1469 MPa (213 ksi) enthalten sind, ergaben sich aus einem Plasma zwischen einer Pistole und einer Sammelplatte, wo eine Bewegung in der x-Richtung oder, mit anderen Worten, in einer einzigen und ersten Richtung den Überzug aus dem Plasma auf der Platte begleitete. Für diese Proben war der gebildete Überzug ein Überzug mit äußeren Abmessungen von ungefähr 5 cm×12 cm aufgrund der Relativbewegung zwischen der Pistole und der Sammelplatte.

Andere Proben wurden angefertigt, während eine kompliziertere Relativbewegung zwischen einer einzelnen Pistole und der Sammelplatte stattfand. Bei einer Anzahl von Proben, die in Fig. 8 angegeben sind, war die Relativbewegung der Pistole und der Platte eine Zweirichtungsbewegung. Die beiden Richtungen bildeten einen Winkel von 90° miteinander, und der hergestellte Überzug hatte Gesamtaußenabmessungen von ungefähr 15 cm×15 cm.

Noch weitere Datenpunkte wurden ermittelt unter Verwendung einer Zweirichtungsrelativbewegung zwischen einer einzelnen Pistole und einer Platte und zusätzlich eines Spritzwinkels des Plasmas gegen die Platte. Der Datenpunkt z.B., der mit A bezeichnet ist, ist ein Datenpunkt, wo der Spritzwinkel 70° betrug. Der Datenpunkt B war ein Datenpunkt, wo der Spritzwinkel 50° betrug, und der Datenpunkt C repräsentiert einen Punkt, in welchem der Spritzwinkel 30° betrug. Bei anderen Datenpunkten, bei denen der Spritzwinkel nicht angegeben ist, betrug der Spritzwinkel 90°.

In bezug auf die Daten, die den Spritzwinkel betreffen, ist leicht zu erkennen, daß es einen schnellen Abfall der Festigkeits- und Dichteeigenschaften der Proben gibt, die für Proben gemessen werden, welche mit zunehmend niedrigeren Spritzwinkeln des Zielpunkts der Pistole relativ zu der Pistole, aus der das Plasma stammt, angefertigt werden.

Bezüglich der Gase, die beim Betrieb der Pistole benutzt werden, wurden alle Proben unter Verwendung eines Gemisches aus Argon und Helium in der Pistole angefertigt, mit Ausnahme dort, wo in dem Diagramm von Fig. 8 angegeben ist, daß ein Gemisch aus Argon und Wasserstoff in der Pistole benutzt wurde.

Wenden wir uns nun den Daten zu, die in dem unteren Teil in Fig. 8 angegeben sind. Die Proben, die angefertigt wurden und aus denen die Daten gewonnen wurden, sind dieselben Proben, die in dem oberen Teil von Fig. 8 angefertigt und getestet wurden. Z.B. sind die Daten, die in dem mit ausgezogener Linie dargestellten Kasten bei etwa 1586 MPa (230 ksi) enthalten sind, durch mehrere Datenpunkte dargestellt, die innerhalb des gestrichelten Kastens enthalten sind, welcher sich ab etwa 10 bis 20% R/A erstreckt. Die anderen Datenpunkte in dem Diagramm der Beziehung zwischen dem Prozentsatz der Duktilität (ungefähr äquivalent zu R/A) und der Dichte, die auf der Abszisse aufgetragen ist, sind Messungen, die an denselben Proben gemacht wurden, die angefertigt und getestet wurden und in dem Diagramm in dem oberen Teil von Fig. 8 enthalten sind.

Es ist bekannt, daß die besten Ergebnisse des Niederdruckplasmaspritzens erzielt werden, wenn das Substrat, welches den Überzug empfängt, auf ungefähr 900°C erhitzt wird. Wenn jedoch keine Einrichtung vorgesehen ist, um die Temperatur der Empfangsfläche oder des Empfangsgegenstands auf der bevorzugten erhöhten Temperatur von etwa 900°C zu halten, ist die Größe eines Gegenstands, der einen Überzug empfängt, beschränkt, wenn die einzige Wärmequelle die Wärme aus der Plasmapistole selbst ist. Basierend auf Berechnungen kann angegeben werden, daß eine 80-kW-Plasmapistole eine Oberfläche von etwa 1000 cm² erhitzt auf einer Temperatur von etwa 900°C halten kann. Bei größeren Gegenständen erreicht der Gegenstand nicht die bevorzugte Temperatur, weshalb demgemäß die Gefahr von nachteiligen Eigenschaften in einem Überzug, der hergestellt wird, besteht, und zwar wegen der Temperatur der Empfangsoberfläche, die niedriger als erwünscht ist.

Gemäß der Erfindung ist die Bildung von dichten Überzügen auf einer Empfangsoberfläche größerer Abmessungen erzielbar, weil mehrere Plasmapistolen benutzt werden, um eine Materialschicht auf die Oberfläche zu spritzen, und weil die Oberfläche, die das Material empfangen soll, selbst vorzugsweise auf erhöhte Temperaturen erhitzt wird, die wie oben angegeben in der Größenordnung von wenigstens 900°C liegen sollten.

BEISPIEL 1

Eine Pistole, wie sie oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben ist, wurde in einer Kammer benutzt, die auf einem reduzierten Druck gehalten wurde, und das Spritzmuster der Materialschicht aus der Pistole wurde untersucht. Weder die Pistole noch das Ziel wurden während des Spritzens gemäß diesem Beispiel bewegt.

Das benutzte Ziel war eine Platte, und das Muster des Aufspritzens von Material auf die Platte wurde untersucht. Das Muster ist mit seinem Umriß in Fig. 2 für eine erste Pistole angegeben, die als Pistole A bezeichnet ist. Die Umrißlinien in Fig. 2 sind die Zonen, in denen unterschiedliche Überzugsdicken bei dem Probeüberzug angetroffen wurden, der unter folgenden Bedingungen hergestellt wurde:

Das pulverisierte Material, das benutzt wurde, war eine Legierung, die mit IN-100 bezeichnet wird. Diese Legierung enthält die folgenden Bestandteile in folgenden ungefähren Konzentrationen: 60,5% Nickel, 15% Kobalt, 10,0% Chrom, 5,5% Aluminium, 4,7% Titan, 3,0% Molybdän, 0,06% Zirkonium, 1,0% Vanadium, 0,014% Bor, 0,18% Kohlenstoff. Das IN-100- Pulver hatte eine Teilchengröße unter 37 µm (-400 mesh).

Die Spannung in der Pistole betrug 50 V, und der Strom betrug 1300 A. Die Pistole war insgesamt normal zu der Oberfläche des Ziels gerichtet, und der Abstand zwischen der Pistolendüse und dem Ziel betrug 317,5 mm (12,5 Zoll).

Der Druck in der Vakuumkammer betrug 79,99 mbar (60 Torr).

Keine Spannung wurde von der Pistole zu dem Ziel eingeprägt, da die Erscheinung des übertragenen Lichtbogens nicht angewandt wurde.

Die benutzte Plasmapistole war eine im Handel erhältliche Pistole, die unter der Bezeichnung EPI, Modell 03CA, von der Electro Plasma, Inc., Irvine, California, vertrieben wird.

Das benutzte Ziel war eine Kupferplatte, die Abmessungen von 152,4 mm (6 Zoll)×203,2 mm (8 Zoll) und eine Dicke von 3,18 mm (1/8 Zoll)hatte.

Im Anschluß an das Plasmaspritzen wurde der Überzug für 2 Stunden bei 1250°C erhitzt, um die aufgespritzte Schicht zu verdichten. Messungen der Dichte des Materials sowohl vor als auch nach der Verdichtungserhitzung wurden durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in Fig. 2 angegeben.

In Fig. 2 zeigen die Umrißlinien den Überzugsbereich bei jeder Dicke. Die Dicken sind diejenigen, die in Millimetern zwischen den Umrißlinien für jeden demarkierten Bereich angegeben sind. Die markierten rechteckigen Bereiche sind diejenigen, aus denen die Proben für die Messung genommen wurden. Die Bruchwerte, die für jeden rechteckigen Bereich angegeben sind, zeigen die Dichte im aufgespritzten Zustand als Zähler des Bruches und die Dichte nach der Verdichtungserwärmung für 2 Stunden bei 1250°C als Nenner des Bruches.

Die angegebenen Werte zeigen, daß Überzüge niedrigerer Dichte bei größeren Entfernungen von dem Zielpunkt hergestellt werden, was durch den Buchstaben A in dem geeigneten Zielpunkt in der Figur angegeben ist.

Dieses Beispiel zeigt, was durch Plasmaspritzen aus einer einzelnen Pistole erzielt werden kann, die normal zu einer Empfangsplatte gerichtet ist. Aus diesem Beispiel wird klar, daß es ein ernstes Problem verringerter Dichte des Überzugs in Entfernungen ab dem Zielpunkt der Pistole gibt, wo die höchsten Dichten erzielt werden. Außerdem ist klar, daß den Überzügen geringer Dichte die Verdichtungswärmebehandlung keine Hilfe bringt.

BEISPIEL 2

Eine zweite Pistole, die als Pistole B bezeichnet ist und im wesentlichen der im Beispiel 1 beschriebenen entspricht, wurde benutzt, um das gleiche IN-100-Material auf ein zweites Ziel unter im wesentlichen denselben Bedingungen wie bei dem beschriebenen Beispiel 1 zu spritzen.

Die Umrißlinien des gespritzten Materials sind in Fig. 3 angegeben. Die Dichtewerte für den Überzug sowohl vor als auch nach der Verdichtungserwärmung sind ebenfalls in der Figur in Form von Brüchen angegeben.

Die Erfahrung der Anmelderin bei der Verwendung von Pistolen als Teil des Niederdruckplasmaspritzens von Material hat gezeigt, daß keine zwei EPI-Anoden exakt gleich sind und daß das Sprühmuster von irgendeiner derselben während des Gebrauches zu ständiger Änderung neigt. Diese Änderung ist teilweise auf Verschleiß und Erosion in der Lichtbogenkammer und in den Pulverzuführkanälen und teilweise auf einzelne Betriebskenndaten einer Pistole zurückzuführen. Demgemäß ist die äußere Form sowie die Form der Umrißlinien von einem Durchgang zum anderen verschieden, selbst wenn dieselbe Pistole und dasselbe Ziel benutzt werden.

BEISPIEL 3

Zwei Pistolen, insbesondere die Pistolen A und B, wie sie oben mit Bezug auf die Beispiele 1 und 2 beschrieben sind, wurden in einer Niederdruckplasmaspritzkammer angeordnet und auf ein einzelnes Ziel gerichtet. Die Stellen oder Zielpunkte auf dem Ziel, auf die die Pistole gerichtet wurde, waren etwa 3,8 cm voneinander getrennt.

Die Umrißlinien des Überzugs, der durch das gleichzeitige Spritzen mit beiden Pistolen hergestellt wurde, sind in Fig. 4 gezeigt. Das Material, das in diesem Beispiel auf das Ziel gespritzt wurde, wurde dann 2 Stunden lang bei 1250°C wärmebehandelt und durch die Erwärmung verdichtet. Die Dichte des Überzugs sowohl vor als auch nach der Verdichtungserwärmung ist in der Figur und ebenso wie in den früheren Beispielen in Form von Brüchen angegeben.

Aus den in Fig. 4 angegebenen Daten ist zu erkennen, daß im Vergleich mit den Überzügen nach den Fig. 2 und 3 eine wesentliche Erweiterung des hochdichten Plasmaspritzüberzugs durch das Verfahren dieses Beispiels erreicht wurde, bei dem zwei Pistolen benutzt wurden, um einander überlappende Muster des gespritzten Produkts zu spritzen.

Dieses Ergebnis ist äußerst unerwartet, weil der Bereich, wo der hochdichte Überzug gebildet wird, ausgedehnt ist und Bereiche enthält, wo zwei Schichten von Material niedriger Dichte aufgespritzt werden. Überraschend ist, daß die beiden Schichten des Überzugs niedriger Dichte weiterhin eine ausgedehnte kombinierte Schicht bilden und daß die kombinierten Schichten eine hohe Dichte hatten, trotz der Tatsache, daß die Schichten, aus denen sie gebildet wurden, eine niedrige Dichte hatten.

BEISPIEL 4

Die im Beispiel 3 angewandte Prozedur wurde wiederholt, wobei aber in diesem Fall der Abstand des Zielpunkts der beiden Pistolen in der Kammer auf 6,4 cm vergrößert wurde.

Das Material wurde aufgespritzt, und die Umrißlinien des Überzugs sind in Fig. 5 dargestellt. Proben wurden dem Überzug entnommen, und die Dichte wurde sowohl vor als auch nach der Verdichtungserwärmung ermittelt, wie es im Beispiel 1 beschrieben ist. Die Werte der Dichte sind in Form von Brüchen bei den bezeichneten Proben des Überzugs wie in den Beispielen 1 und 2 angegeben.

BEISPIEL 5

Die Prozedur des Beispiels 3 wurde wiederholt, wobei aber in diesem Fall der Zielpunkt der beiden Pistolen einen Abstand von 8,9 cm hatte und der Materialüberzug wie oben im Beispiel 3 beschrieben hergestellt wurde.

Eine Anzahl von Proben wurde dem Überzug entnommen, und die Dichte der Proben sowohl vor als auch nach der Verdichtungserwärmung wurde gemessen. Die Verdichtungsbehandlung war eine zweistündige Behandlung bei 1250°C wie im Beispiel 1 beschrieben. Das Muster der Überzüge ist durch die Umrißlinien in Fig. 6 angegeben. Wiederum ist die Dichte des Probematerials, das dem Überzug entnommen wurde, in den betreffenden Bereichen in Fig. 6 angegeben.

Die Ergebnisse, die durch eine Untersuchung der Probe gewonnen wurden, welche gemäß dem Beispiel 5 angefertigt wurde, zeigten, daß die metallurgische Struktur der Probenquerschnitte, die aus dem Ziel und insbesondere aus der Probe E in dem Mittelpunkt des Ziels hergestellt wurden, wo es eine Überlappung der Sprühgebiete gibt, beweist, daß es eine sehr enge Verwandtschaft der metallurgischen Struktur des Überlappungsgebietes gibt, wenn die Proben B und H des Beispiels 5 verglichen werden, die in den Zielpunktgebieten auf dem Ziel liegen.

Aus einer Untersuchung von Mikrofotografien, die von der metallurgischen Mikrostruktur jeder Probe angefertigt wurden, ergab sich, daß die Proben auf dieser Basis nicht unterscheidbar sind, und zwar wegen der großen Ähnlichkeit zwischen ihnen.

Aus Fig. 2 geht hervor, daß dort, wo ein Anfangsüberzug des Materials mit einer niedrigeren Dichte von 92% hergestellt wird, das anschließende Erwärmen zum Konsolidieren einer Schicht nicht zur Erzielung der gewünschten Konsolidierung auf die hohe Dichte von 99 oder 100% führt.

Einer der Vorteile der Niederdruckplasmaspritztechnik ist, daß sie die Herstellung von Strukturen gestattet, die vorteilhafte Kristall- und Teilcheneigenschaften haben. Das Erwärmen dieser Materialien für ausgedehnte Zeitspannen und bei sehr erhöhten Temperaturen kann die vorteilhaften Kristall- und damit im Zusammenhang stehenden physikalischen Eigenschaften der Schicht verschlechtern oder zerstören. Demgemäß können Versuche zum Konsolidieren der Teile niedrigerer Dichte des Überzugs durch Erwärmung für längere Zeitspannen und auf höhere Temperatur zu einer Verschlechterung der Eigenschaften der Schicht nicht nur in dem Gebiet niedrigerer Dichte, sondern auch in den Teilen völliger Dichte, die derselben Langzeiterwärmung bei höherer Temperatur ausgesetzt werden müssen, führen. Es hat sich gezeigt, daß das extensive Erwärmen von Überzügen, die weniger als 97% Dichte im aufgespritzten Zustand haben, nicht zur vollen Verdichtung dieser Überzüge führen wird.

Aus obigen Beispielen geht hervor, daß durch die bekannte Praxis eine Verschlechterung in den Eigenschaften das Bemühen begleitet, eine integrale Spritzstruktur hoher Dichte auf einer planen Oberfläche größerer Abmessungen als der "sweet spot"-Bereich, in welchem dichte Plasmaspritzüberzüge hergestellt werden, zu erzielen, und daß das einfache Erwärmen der Überzüge den Mangel an Dichte nicht beseitigt. Weiter ist klar, daß die physikalischen Eigenschaften in Beziehung zur Dichte stehen, so daß ein Überzug niedrigerer Dichte auch einen Überzug geringerer Festigkeit bedeutet. Weiter ist gezeigt worden, daß ziemlich überraschend dieser Mangel beseitigt werden kann, indem zwei oder mehr als zwei Pistolen benutzt werden, die so betätigt werden, daß der Überzug niedrigerer Dichte aus einer Pistole dem Überzug niedrigerer Dichte aus einer zweiten Pistole überlagert wird. Das sehr überraschende Element hier besteht darin, daß der Überzug niedrigerer Dichte aus jeder Pistole auf gewisse Weise zu einem Überzug hoher Dichte konsolidiert wird, so daß plane Oberflächenstrukturen aufgebaut werden können, die sonst nicht erzielbar sind.

Weiter beseitigt die Bewegung der Pistolen, um den Spritzüberzug hoher Dichte auf ausgewählte Bereiche einer größeren Oberfläche aufzubringen, nicht den Überzug niedriger Dichte auf dieselbe Weise wie die Verwendung von zwei Pistolen, so daß Anstrengungen zum Aufspritzen größerer Bereiche auf eine plane Oberfläche unter Verwendung einer einzelnen Pistole und einer Relativbewegung zwischen der Pistole und der Empfangsoberfläche nicht zur Erzielung dieses gewünschten Ergebnisses führen.

Vorstehende Darlegungen betreffen die Herstellung von Überzügen auf planen Oberflächen unter Verwendung einer einzelnen Pistole oder von mehreren Pistolen, die insgesamt normal zu der Oberfläche gerichtet sind. Es ist jedoch ermittelt worden, daß, wie oben und hier dargelegt, dann, wenn der Winkel zwischen der Pistolenachse und der Empfangsoberfläche kleiner als etwa 70° ist, es eine sehr merkliche Verringerung der Dichte der Überzüge gibt, die hergestellt werden, und demgemäß eine Verschlechterung der Plasmaspritzüberzüge, die hergestellt werden. Vorstehendes betrifft die Bildung der dichten Überzüge auf planen Oberflächen.

Mit einfacher Geometrie, wie der Begriff hier benutzt wird, ist eine Ebene, ein Streifen oder Band, eine Kugel oder eine andere Konfiguration gemeint, die insgesamt als eine geometrische Form von einfacher Geometrie angesehen wird und keine scharfen Ecken oder Winkel hat.

Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung ist der Begriff Plasmapistolenachse die Linie, die sich durch die erzeugenden Teile einer Pistole und durch das Plasma zum Mittelpunkt des "sweet spot" auf einer Empfangsoberfläche erstreckt, welche normal zu der Achse angeordnet ist. Die Plasmapistolenachse ist in Fig. 1 gezeigt und mit 48 bezeichnet. Die Plasmapistolenachse ist ungefähr einer Richtung Pistole-Zielpunkt äquivalent.

Die vorliegende Erfindung ist besonders nützlich zum Herstellen von Überzügen auf Oberflächen, die insgesamt eben sind. Außerdem sind die wenigstens zwei Plasmapistolen, die bei der Herstellung von Überzügen auf einer insgesamt planen Oberfläche benutzt werden, vorzugsweise parallel zueinander und insgesamt normal zu der Oberfläche, auf die der Überzug aufgebracht wird, ausgerichtet.

Die Ausrichtung der Pistolen zueinander braucht jedoch nicht völlig parallel zu sein, und die Ausrichtung der Pistolen zu der Oberfläche braucht nicht völlig normal zu sein. Aus den oben angegebenen Daten geht zum Beispiel klar hervor, daß eine Pistole unter einem Winkel von etwa 70° gegen eine Oberfläche ausgerichtet sein kann und trotzdem einen dichten Überzug ergibt. Die Überzüge selbst und insbesondere die Bereiche der Überzüge müssen sich jedoch überlappen, damit die Vorteile erzielt werden, daß sich zwei Gebiete niedriger Dichte des Überzugs zu einem Gebiet hoher Dichte gemäß der Erfindung kombinieren.

Außerdem brauchen die Pistolen nicht völlig parallel zueinander ausgerichtet zu sein, sofern Überzüge mit einer oder beiden Pistolen hergestellt werden können, die bis zu etwa 20° gegen eine normale Position abgewinkelt sind, d.h. einen Winkel von mehr als 70° mit der Oberfläche bilden.

Darüber hinaus braucht die Oberfläche, auf der der Überzug gebildet wird, nicht gänzlich plan zu sein und kann einige Unregelmäßigkeiten oder Wellungen haben, wenn das Ausmaß der Unregelmäßigkeiten nicht der Plasmapistole eine Oberfläche darbietet, die unter weniger als 70° gegen die Zielrichtung der Pistole oder die Pistolenachse abgewinkelt ist. Wie oben angegeben ist die Pistolenachse, wie der Begriff hier benutzt wird, eine Linie, die sich durch den Teil der Pistole erstreckt, wo das Plasma erzeugt wird, und sich von der Pistolenmündung zu der Oberfläche erstreckt, wo ein Plasmaüberzug durch die Pistole hergestellt wird, und insbesondere zu dem Mittelpunkt des "sweet spot" des Überzugs.

Außerdem ist es einer Gruppe von zwei Pistolen, die zum Herstellen eines Überzugs auf einer Empfangsoberfläche benutzt werden, möglich, den Überzug herzustellen, obgleich die Oberfläche selbst nicht gänzlich plan ist. Beispielsweise kann die Oberfläche der Schnitt von zwei Ebenen längs einer offenen Falte oder eines seichten Tals sein. Eine solche Oberfläche kann als eine Oberfläche mit einem Flächen- oder Raumwinkel gekennzeichnet werden. Webster′s Dictionary definiert einen Flächen- oder Raumwinkel (dihedral angle) als eine "Figur, die durch zwei sich schneidende Ebenen gebildet wird".

Wenn die beiden Pistolen, die benutzt werden, zueinander parallel sind und wenn der Flächen- oder Raumwinkel nicht größer als 20° in bezug auf plan ist, dann ergibt das Verfahren nach der Erfindung einen Überzug, der die vorteilhaften Eigenschaften hat, die angegeben worden sind und auf oben beschriebene Weise erzielt werden. Der hier verwendete Begriff "im wesentlichen plan" beinhaltet eine Oberfläche, die einen Flächen- oder Raumwinkel von weniger als 20° oder Oberflächenunregelmäßigkeiten oder Wellungen hat, welche insgesamt nicht größer als ein Raum- oder Flächenwinkel von etwa 20° in bezug auf plan sind.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines dichten Überzugs über einer ausgedehnten, im wesentlichen planen Empfangsoberfläche, durch:
Bereitstellen einer Niederdruckplasmaspritzvorrichtung, die wenigstens zwei Plasmaspritzpistolen enthält,
Richten einer ersten Plasmapistole auf einen ersten Zielpunkt auf der Empfangsoberfläche, um durch die erste Pistole verarbeitetes Material auf die Empfangsoberfläche zu spritzen,
Richten einer zweiten Plasmapistole auf einen anderen Zielpunkt auf der Oberfläche, um gleiches Material, das durch die zweite Pistole verarbeitet wird, auf die Oberfläche zu spritzen,
wobei die Zielpunkte durch eine Strecke getrennt sind, die größer ist als die Strecke von einem Zielpunkt zu einem Punkt auf der Empfangsoberfläche eines Überzugs niedriger Dichte aus einer der beiden Pistolen,
Überlappen der Überzüge in den Gebieten niedriger Dichte, und Halten des Einfallswinkels der Pistolen an der Oberfläche im wesentlichen normal.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsoberfläche überwiegend plan ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsoberfläche eine einfache Geometrie hat.

4. Verfahren zum Herstellen eines dichten Körpers aus einem Plasmaspritzüberzug durch:
Bereitstellen eines feinverteilten Pulvers mit der Zusammensetzung des Körpers,
Versorgen von zwei oder mehr als zwei Plasmapistolen in einer Niederdruckkammer mit dem Pulver,
Plasmaspritzen des Pulvers auf eine Empfangsoberfläche in der Niederdruckkammer, und
Richten der Pistolen so, daß sich die Überzugsspritzmuster der beiden Pistolen überlappen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zielwinkel der zwei oder mehr als zwei Pistolen mehr als 70° gegen die Empfangsoberfläche beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche, die den Überzug empfängt, von einfacher Geometrie ist.