DE3879445T2

DE3879445T2 - Apparat und verfahren zum erzeugen einer beschichtung von hoher dichte durch thermische zerstaeubung.

Info

Publication number: DE3879445T2
Application number: DE8888312292T
Authority: DE
Inventors: Donald Jean Lindley; Larry Neil Moskowitz
Original assignee: BP Corp North America Inc
Current assignee: BP Corp North America Inc
Priority date: 1987-12-28
Filing date: 1988-12-23
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2008-12-24
Also published as: FI885990A7; JPH01266868A; NO885779D0; DK723688A; KR960013922B1; DE3879445D1; KR890009472A; AU605002B2; CA1296178C; EP0323185B1; US4869936A; FI90738B; DK723688D0; AU2737088A; US5151308A; EP0323185A3; EP0323185A2; ATE86888T1; FI90738C; US5019429A

Description

Die Erfindung betrifft thermisches Spritzen und genauer eine verbesserte Vorrichtung zum Abschirmen einer Teilchen tragenden Flamme im Überschallbereich gegenüber der Atmosphäre und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer thermisch gespritzten Beschichtung hoher Dichte mit niedrigem Oxidgehalt auf einem Trägermaterial.
Zum thermischen Spritzen gehört, daß Teilchen aufgeheizt und auf eine vorbereitete Oberfläche geschleudert werden. Die meisten Metalle, Oxide, Metall-Keramik-Kombinationen, hartmetallischen Verbundwerkstoffe, einige organische Kunststoffe und bestimmte Glassorten können mittels eines oder mehrerer der bekannten Verfahren zum thermischen Spritzen aufgebracht werden. Das Ausgangsmaterial kann dabei je nach dem speziellen Verfahren in der Form von Pulver, Draht, flexiblen, Pulver enthaltenden Rohren oder Stäben vorliegen. Wenn das Material durch die Spritzpistole geführt wird, wird es bis zu einem weichen Zustand oder bis zum Schmelzpunkt erhitzt, beschleunigt, und im Falle von Draht oder Stäben, atomisiert. Auf diese Art wird ein eingeschlossener Strom von heißen Partikeln erzeugt und auf das Trägermaterial geschleudert. Wenn die Partikel auf die Oberfläche des Trägermaterials auftreffen, verformen sie sich zu dünnen Schuppen, die sich an die Unregelmäßigkeiten der zuvor präparierten Oberfläche anformen und an diesen und aneinander haften. Entweder die Spritzpistole oder das Trägermaterial werden verfahren und das gespritzte Material bildet Teilchen für Teilchen eine Lamellenstruktur auf, die eine Beschichtung bildet. Diese spezielle Beschichtungstechnik ist seit einer Reihe von Jahren zur Wiederherstellung und zum Schutz von Oberflächen in Gebrauch.
Bekannte Verfahren zum thermischen Spritzen können anhand der Methoden, die zum Erzeugen der Hitze verwendet werden, in zwei Gruppen eingeteilt werden, nämlich chemische Verbrennung und elektrisches Erhitzen. Chemische Verbrennung umfaßt Pulverflammspritzen, Draht/Stabflammspritzen und Explosionsflammspritzen. Elektrisches Heizen umfaßt Draht- Lichtbogen-Spritzen und Plasmaspritzen.
Das Standardpulverflammspritzen ist die älteste Form des thermischen Spritzens. Zu ihm gehört der Gebrauch einer Pulverflammspritzpistole, die aus einem Brenner hoher Leistung besteht, der mit einem Gemisch aus Sauerstoff und einem Brenngas betrieben wird, und einem Trichter, der das aufzutragende Pulver oder Partikel enthält. Ein kleiner Anteil des Sauerstoffs der Gaszufuhr wird abgezweigt, um das Pulver durch Ansaugen in die Flamme zu transportieren, wo es erhitzt und durch die Abgasflamme auf das Werkstück geschleudert wird. Das Brennstoffgas ist üblicherweise Azetylen oder Wasserstoff, womit Temperaturen im Bereich von 1.649 bis 2.482º C (3.000 bis 4.500º F) erhalten werden. Die Partikelgeschwindigkeiten bewegen sich im Bereich von 24 bis 30 m/s (80 bis 100 f/s). Die erzeugten Beschichtungen haben im allgemeinen eine geringe Haftkraft, eine hohe Porosität und eine geringe allgemeine Zusammenhaltsstärke.
Das Hochgeschwindigkeits-Pulverflammspritzen wurde um 1981 entwickelt und weist eine kontinuierliche Verbrennung auf, die Ausgangsgasgeschwindigkeiten von schätzungsweise 1.219 bis 1.524 m/s (4.000 bis 5.000 f/s) und Partikelgeschwindigkeiten von schätzungsweise 549 bis 792 m/s (1.800 bis 2.600 f/s) produziert. Dies wird durch Verbrennen eines Brennstoffgases (üblicherweise Propylen) zusammen mit Sauerstoff unter hohem Druck (414 bis 621 kPa) (60 bis 90 psi) in einer abgeschlossenen Brennkammer erreicht. Heiße Verbrennungsgase werden aus der Brennkammer durch Abgaskanäle abgeführt und danach in einer sich erweiternden Düse expandiert. In dieser Düse wird Pulver axial zugeführt und durch den Abgasstrom eingeschlossen, bis es in einem dünnen Hochgeschwindigkeitsstrahl austritt, um Beschichtungen zu produzieren, die wesentlich dichter sind, als diejenigen, die mit einem herkömmlichen oder Standardpulverflammspritzverfahren produziert worden sind.
Beim Draht/Stabflammspritzen wird ein Draht als aufzubringendes Material verwendet. Es ist als "Metallisierungs"verfahren bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Draht kontinuierlich in eine Sauerstoff-Brennstoff-Flamme geführt, wo er geschmolzen, durch einen Hilfsstrom von Druckluft atomisiert. und dann als Beschichtungsmaterial auf dem Trägermaterial abgelagert wird. Dieses Verfahren selbst führt auch zu der Benutzung von anderen Materialien, insbesondere spröden Keramikstäben oder flexiblen Längen von Plastikrohren, die mit einem Pulver gefüllt sind. Der Vorteil des Draht/Stabverfahrens gegenüber dem Pulverflamm-spritzen liegt darin begründet, daß relativ billige Materialien gegenüber den vergleichsweise teueren Pulvern verwendet werden.
Das Explosionsflammspritzen wurde irgendwann in den mittleren Fünfziger Jahren eingeführt und im Rahmen eines Programms entwickelt, Azetylenexplosionen zu kontrollieren. Im Gegensatz zu den thermischen Spritzapparaturen, die die Energie einer gleichmäßig brennenden Flamme nutzen, bedient sich dieses Verfahren der Detonationsdruckwellen von wiederholten Explosionen von Sauerstoff-Azetylen-Gasmischungen, um Pulverteilchen zu beschleunigen. Es werden Partikelgeschwindigkeiten in der Größenordnung 732 m/s (2.400 f/s) erzielt. Die Beschichtungen sind extrem stark, hart, dicht und fest gebunden. Die Beschichtungen, die mit diesem Verfahren aufgebracht werden, sind hauptsächlich Sinterkarbid, Metall/Karbid-Mischungen (Cermets) und Oxide.
Beim Draht-Lichtbogen-Spritzverfahren werden zwei verbrauchbare Drähte verwendet, die zunächst voneinander isoliert gehalten und dann vorgeschoben werden, um sich an einem Punkt in einem atomisierenden Gasstrom zu treffen. Kontaktspitzen dienen dazu, die Dräht präzise zu führen und einen guten elektrischen Kontakt zwischen den sich bewegenden Drähten und Stromkabeln herzustellen. Zwischen den Drähten wird eine Gleichspannung angelegt, um einen Lichtbogen zu erzeugen und die sich schneidenden Drähte zu schmelzen. Ein Gasstrom (normalerweise Druckluft) schert geschmolzene Tropfen von dem geschmolzenen Metall ab und schleudert sie auf ein Trägermaterial. Die Sprühtropf en-größen können durch verschiedene Atomisierköpfe und unterschiedliche Drahtschnittwinkel verändert werden. Der Gleichstrom wird bei Potentialdifferenzen von 18 bis 40 Volt geliefert, abhängig von dem Metall oder der Legierung, die yersprüht werden soll; die Größe des Sprühnebels nimmt zu, wenn der Lichtbogenspalt mit steigender Spannung länger wird. Die Spannung wird daher auf dem geringstmöglichen Niveau gehalten, bei dem der Lichtbogen stabil ist, um die kleinstmöglichen Partikel bereitzustellen und glatte dichte Beschichtungen zu erzielen. Da hohe Lichtbogentemperaturen (> 4.004º C [7.240º F]) erreicht werden, haben mit dem Lichtbogensprühverfahren aufgebrachte Beschichtungen eine hohe Haftkraft und guten Zusammenhalt.
Die Entwicklung einer Spritzpistole mit einem Plasmabogen weist den Vorteil auf, daß höhere Temperaturen bei geringerer Hitzebeschädigung eines Werkstücks erreicht werden können, wobei so der Bereich möglicher Überzugsmaterialien, die verarbeitet werden können, und der Bereich der möglichen Trägermaterialien, auf die sie gespritzt werden, vergrößert wird. Bei einer typischen Plasma-Spritzpistolen-Anordnung wird ein Gas oder eine Gasmischung durch einen Gleichstromlichtbogen geführt, der in einer Kammer zwischen einer Kathode und einer koaxial fluchtenden, wassergekühlten Anode aufrechterhalten wird. Der Lichtbogen wird durch eine hochfrequente Entladung erzeugt. Das Gas wird teilweise ionisiert und ein Plasma mit Temperaturen geschaffen, die 6.649º C (30.000º F) übersteigen können. Der Plasmastrom verläßt die Spritzpistole durch ein als Düse wirkendes Loch in der Anode, wobei seine Temperatur schnell mit der Entfernung fällt. Pulverförmiges Ausgangsmaterial wird an einem geeigneten Punkt dem heißen, ausströmenden Gas zugeführt und durch die Hochgeschwindigkeitsströmung auf ein Werkstück geschleudert. Der Wärmegehalt, die Temperatur und die Geschwindigkeit des Plasmagases werden geregelt, indem der Lichtbogenstrom, die Gasgeschwindigkeit, die Art und Mischungsverhältnisse des Gases und die Anoden/Kathodenkonfiguration geregelt werden.
Bis zu den frühen Siebziger Jahren verfügten kommerziell genutzte Plasmaspritzsysteme über eine Leistung von etwa 5 bis 40 kW und die Plasmagasgeschwindigkeiten lagen im allgemeinen im Unterschallbereich. Es wurde dann eine zweite Generation von Anlagen entwickelt, die als Hochenergieplasmaspritzanlagen bekannt wurden und eine Leistungszufuhr von etwa 80 kW aufwiesen und konvergierende-divergierende Düsen mit kritischen Öffnungswinkeln benutzten, um Gasgeschwindigkeiten im Überschallbereich zu erzeugen. Die den Pulverteilchen eingeprägte höhere Energie führt zu einer entscheidenden Verbesserung in den Verformungseigenschaften der Teilchen sowie in der Haftwirkung und dichtere Beschichtungen mit einem besseren Zusammenhalt zwischen den einzelnen Teilchen konnten erzeugt werden.
Kürzlich ist Plasmaspritzen mit geregelter Atmosphäre entwickelt worden, das vorzugsweise für Metall und Legierungsbeschichtungen verwendet wird, und mit dem Oxidation und Porosität verringert und - in manchen Fällen - eliminiert werden. Spritzen mit einer kontrollierten Atmosphäre kann verwirklicht werden, indem ein Inertgas-Schild verwendet wird, um die Plasmasäule abzuschirmen. Mit einigem Erfolg sind auch mit einem Inertgas gefüllte Kapseln verwendet worden. In noch jüngerer Vergangenheit ist die Aufmerksamkeit auch auf "Niederdruck" oder Vakuumplasmaspritzmethoden gelenkt worden. In letzterem Fall sind die Plasmaspritzpistole und das Werkstück in einer Kammer angeordnet, die dann evakuiert wird, wobei die Spritzpistole Argon als primäres Plasmagas verwendet. Zwar ist dieses Verfahren sehr erfolgreich verwendet worden, um dickere Beschichtungen zu erzeugen, und die Haftkraft und Auftragseffizienz zu verbessern, aber die hohen Kosten der Geräte haben bisher den Verwendungsbereich eingeschränkt.
Das U.S. Patent Nr. 3 892 882, ausgegeben am 1. Juli 1975 an die Union Carbide Corporation, New York, New York, betrifft die "Niederdruck"entwicklung, bei der ein subatmosphärischer Inertgasschild um eine Plasmagassäule angeordnet ist, um einen niedrigen Ablagerungsstrom zu erreichen und die höchstmöglichen Abstände während eines Plasmaspritzprozesses zu vergrößern.
Abgesehen von den wenigen Ausnahmen bei den im vorstehenden kurz beschriebenen thermischen Spritzverfahren, treten bei allen Verfahren bis zu einem gewissen Grad Oxidation der Auftragsmaterialien auf, wenn das Verfahren unter normalen atmosphärischen Umgebungsbedingungen durchgeführt wird. Beim Spritzen von Metallen und Metallegierungen ist es höchst wünschenswert, den Eintrag von Sauerstoff soweit wie möglich zu minimieren. Löslicher Sauerstoff in metallischen Legierungen erhöht die Härte und macht die Legierung spröde, während Oxidzunder auf dem Pulver und Einschlüsse in der Beschichtung zu einer schlechteren Haftkraft führen und die Anfälligkeit gegen Sprünge und Risse sowie Korosion erhöhen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Entdeckungen und Entwicklungen dieser Erfindung beziehen sich im wesentlichen auf thermische Hochgeschwindigkeitsspritzvorrichtungen und auf ein Verfahren zum Erzeugen von dichten Metallbeschichtungen mit niedrigem Oxidgehalten damit. In einer Hinsicht umfaßt die vorliegende Erfindung eine Zusatzvorrichtung, die vorzugsweise an der Düse einer thermischen Spritzpistole für Überschallgeschwindigkeiten montiert wird, vorzugsweise einer Spritzpistole der Art, wie sie durch die Browning Engineering, Hanover, New Hampshire entwickelt worden ist und, beispielsweise, für eine Spritzpistole gemäß dem Patent der Vereinigten Staaten von Amerika Nr. 4,416,421, das am 22. November 1983 James A. Browning erteilt worden ist. Dieses Patent offenbart die Merkmale einer thermischen Hochgeschwindigkeitsspritzvorrichtung, die Sauerstoff-Brennstoff (Propylen) Verbrennungsprodukte in einer inneren Brennkammer benutzt, aus der die heißen Abgase entladen werden und dann in einer wassergekühlten Düse expandieren. Pulvermetallteilchen werden in den Abgasstrom eingeführt und verlassen die Pistolendüse in einem Überschallstrom
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Aufbringen einer gleichmäßigen, dichten Beschichtung mit niedrigem Oxidgehalt auf einem Trägermaterial, unter Verwendung einer thermischen Spritzvorrichtung, die in Umgebungsatmosphäre arbeitet, um einen mit Überschallgeschwindigkeit aus tretende Metallteilchen, die auf einem Trägermaterial auftreffen sollen, um die Beschichtung zu bilden, tragenden Strahlstrom heißer Gase zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß
Metallteilchen mit einer Teilchengröße im Bereich von 10 bis 45 u und mit einem geringen Anfangssauerstoffgehalt koaxial mittels eines inerten Trägergases in den Strahlstrom eingebracht werden, und
daß der Teilchen tragende Strahlstrom von einer Abschirmung in Form eines schraubenförmig fließenden, unter Druck stehenden Inertgases abgeschirmt wird, das konzentrisch um den Strahlstrom gehalten ist, bis die mit dem Strahlstrom transportierten Teilchen auf dem zu beschichtenden Trägermaterial auftreffen, wobei die Gasabschirmung mit einer radial nach außen gerichteten Komponente fließt, um turbulente Vermischungen mit dem Strahlstrom zu minimieren.
Die Erfindung schafft auch eine Abschirmvorrichtung für die Düse einer thermischen Spritzpistole, mit: einem Verteiler zum Aufnehmen und Verteilen von unter Druck stehendem Inertgas; Mitteln zum Befestigen des Verteilers am Ende einer Düse, die einen unter hohen Temperaturen stehenden, mit Überschallgeschwindigkeiten austretenden, teilchentragenden Strom ausstößt;
einem an einem Ende offenen Schirmrohr, das auf dem Verteiler angebracht ist, um den teilchentragenden Strom koaxial hindurchzulassen; und
einer Vielzahl von mit dem Verteiler in Verbindung stehenden Düsen zum Verteilen von unter Druck stehendem Inertgas tangential über die Innenwandungen des Schirmrohrs dergestalt, daß ein schraubenförmig abfließender Schutzschild aus Inertgas konzentrisch um den teilchentragenden Strom nach Austreten aus dem Schirmrohr von der Umgebungsatmosphäre abschirmt.
Die Erfindung schafft eine thermische Überschall-Spritzpistole mit einer inneren Hochdruck-Brennkammer zum kontinuierlichen Aufnehmen einer Mischung aus Sauerstoff und einem Brennstoff, die in der Kammer gezündet werden, Mittel zum Ausstoßen der heißen Verbrennungsgase aus der Kammer durch eine längliche Düse mit einer konvergierenden Einlaßöffnung und einer verlängerten Ausgangsbohrung, und mit Mitteln zum Einführen von aus kleinen Teilchen bestehendem Material, wie pulverisiertem Metall, axial in die heißen Verbrennungsgase, die durch die verlängerte Bohrung fließen, wobei die Teilchen beim Austreten aus der Bohrung auf Überschallgeschwindigkeiten beschleunigt werden;, dadurch gekennzeichnet, daß eine längliche Abschirmung vorgesehen ist, die sich koaxial von der Düse weg erstreckt und die aus der Düse austretenden heißen Gase und Teilchen aufnimmt; wobei die Abschirmung einen Verteiler umfaßt, sowie weiter eine Vielzahl von auf dem Verteiler angeordneten Düsen und ein an einem Ende offenes Schirmrohr, das an dem Verteiler dergestalt angebracht ist, daß eine koaxiale Verbindung zu der verlängerten Bohrung geschaffen wird und das die aus der Düse austretenden heißen Gase und Teilchen konzentrisch umgibt; wobei der Verteiler im Betrieb unter Druck stehendes Inertgas zu der Vielzahl von Düsen leitet, wobei die Düsen das Inertgas tangential gegen die innere Oberfläche des Schirmrohrs leiten, wodurch ein schraubenförmiger Fluß von Inertgas konzentrisch außen um die heißen Abgase erzeugt wird und die Umgebungsatmosphäre von den Teilchen ferngehalten wird.
Kurz gesagt weist die Vorrichtung dieser Erfindung eine Inertgasabschirmung auf, die in einem Abschirmungs-Zusatzbauteil aus Metall eingeschlossen ist, das sich koaxial vom äußeren Ende einer thermischen Spritzpistolendüse weg erstreckt. Die Vorrichtung umfaßt einen Inertgasverteiler, der am äußeren Ende der Spritzpistolendüse angeordnet ist, weiter Mittel zum Zuführen von Inertgas zu dem Verteiler bei Drücken von im wesentlichen 1,38 bis 1,72 MPa (200 bis 250 psi), Mittel zum Montieren des Verteilers koaxial zu der Spritzpistolendüse und eine Vielzahl von internen Durchgängen, die in eine Serie von Schutzgasdüsen münden, die kreisförmig angeordnet und so ausgerichtet sind, daß Inertgas im wesentlichen tangential gegen die innere Wandung des Abschirmbauteils abgegeben wird, radial nach außen von der Stichflamme der Spritzpistole weg gerichtet.
Indem die thermische Hochgeschwindigkeitsspritzpistole gemäß dem Verfahren der Erfindung betrieben wird, kann der Gesamtanteil an Porosität und Oxiden, wie sie in konventionellen metallischen, mit einer thermischen Spritzpistole aufgebrachten Beschichtungen eingeschlossen sind, wesentlich reduziert werden, nämlich vom normalen Bereich von etwa 3 bis 50 % auf weniger als 2 %. Das Verfahren wird unter normalen Umgebungsbedingungen ohne ein teueres Vakuum oder eine Inertgasumgebung durchgeführt, wie es bei existierenden Schutzgassystemen in der Technik des thermischen Spritzens bekannt ist. Zu den verfahrensmäßigen Einschränkungen dieses Verfahrens gehört die Verwendung von Metallpulver mit kleiner Größenverteilung, normalerweise zwischen 10 und 45 u; wobei das Pulver eine Ausgangssauerstoffkonzentration von weniger als 0,18 Gewichtsprozent aufweist. Die in einer Flammspritzpistole mit dem verbesserten Verfahren verwendeten Brenngase sind Wasserstoff und Sauerstoff, die der Brennkammer unter Drücken oberhalb von 552 kPa (80 psi) zugeführt werden, um einen Mindestvolumenstrom von Sauerstoff von 240 Litern/Minute zu erreichen sowie ein bevorzugtes Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff in der Gegend von 2,8 bis 3,6. Diese Stromgrößen führen zu einem ausgeprägten Muster von Überschalldruckrhomben in den aus der Spritzpistole austretenden Abgasen, was eine genügend hohe Gasgeschwindigkeit anzeigt, um das Pulver auf Überschallgeschwindigkeiten in der Gegend von 549 bis 792 m/s (1.800 bis 2.600 f/s) zu beschleunigen. Inertgas befördert das Metallpulver in die mit hoher Geschwindigkeit austretenden Verbrennungsgase bei einem bevorzugten Volumenstrom in der Gegend von 48 bis 90 Litern/Minute. Die relative Geschwindigkeit zwischen der Spritzpistole und dem zu beschichtenden Trägermaterial ist im Bereich von 13,7 bis 19,8 m/min (45 bis 65 f/s), mit einer Teilchenablagerungsrate in der Größenordnung von 50 bis 85 g/min. Beschichtungen, die mit diesem Verfahren aufgebracht werden, sind gleichförmig, dichter, weniger spröde und schützen besser, als diejenigen, die mit herkömmlichen thermischen Hochgeschwindigkeitsspritzverfahren erzielt werden können.
Es ist eine grundlegende Aufgabe dieser Erfindung, eine neue und verbesserte Vorrichtung zur Benutzung mit einer Spritzausrüstung für thermisches Überschallspritzen zu schaffen, die einen lokalen Inertgasschutzschild um die Teilchen transportierende Flamme bereitstellt.
Es ist eine weitere wichtige Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Zubehörteil für thermische Überschallgeschwindigkeitsspritzpistolen zu schaffen, das einen Inertgasschutzschild bereitstellt, der die Teilchen tragenden Abgase der Spritzpistole konzentrisch umgibt und dazu benutzt werden kann, Oxidation der Teilchen und der aus ihnen hergestellten Beschichtungen wesentlich zu verringern.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine thermische Überschallspritzpistole zu schaffen, die ein Inertgas- Schutzschild mit einem schraubenförmigen Flußbild aufweist, das zu einer minimalen turbulenten Vermischung mit der Teilchen tragenden Flamme führt.
Es ist eine weitere wichtige Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein Inertgas-Schutzschild mit schraubenförmigem Strömungsmuster um die mit hoher Geschwindigkeit austretende Abgassäule einer thermischen Spritzpistole gelegt werden kann, wobei die Gase des Inertgas-Schutzschildes von den Abgasen radial nach außen gegen eine begrenzende, sich koaxial um die Spritzistolendüse erstreckende konzentrische Wandung gerichtet sind.
Es ist eine weitere wichtige Aufgabe dieser Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung für die mit hoher Geschwindigkeit austretende Abgassäule einer thermischen Spritzpistole zu schaffen, die einen Inertgasschutzschild um die Teilchen tragende Gassäule schafft, ohne die Tragbarkeit der Spritzausrüstung zu beeinträchtigen.
Es ist eine weitere wichtige Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren anzugeben, um Metallbeschichtungen mit hoher Dichte und niedrigem Oxidgehalt auf einem Trägermaterial unter der Verwendung einer in Umgebungsluft arbeitenden thermischen Überschallspritzausrüstung zu schaffen.
Eine weitere wichtige Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem Beschichtungen mit thermischen Hochgeschwindigkeitsspritzen auf Werkstückoberflächen aufgebracht werden können, die deutliche Verbesserungen hinsichtlich Dichte, Sauberkeit und Gleichmäßigkeit der Teilchenanordnung aufweisen.
Nachdem die Erfindung beschrieben worden ist, werden die oben beschriebenen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung zeitweise in der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbei-spiels der Erfindung erscheinen, das in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist und die gegenwärtig als beste angesehene Weise darstellt, um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen.

In den Zeichnungen:

ist Fig. 1 eine vergrößerte, teilweise geschnittene Seitenansicht einer Abschirmvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ist eine Endansicht der in Fig. 1 dargestellten Abschirmvorrichtung;
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Überschallflammspritzpistole, die mit einer modifizierten, wassergekühlten Abschirmvorrichtung gemäß der Erfindung versehen ist; und
die Fig. 4 bis 8 sind eine Serie von mikroskopischen Aufnahmen, die die jeweiligen charakteristischen Eigenschaf-ten von mit Flammspritzverfahren aufgebrachten Beschichtun-gen miteinander vergleichen.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Das beschreibende Material, das nun folgt, wird zunächst die Kombination und die funktionalen Beziehungen zwischen den einzelnen Teilen in der Inertgasabschirmungsvorrichtung erläutern, gefolgt von den Merkmalen des verbesserten Verfahrens gemäß der Erfindung.

Vorrichtung

Im Zusammenhang mit den Merkmalen der Vorrichtung zum Abschirmen eines Teilchen tragenden Abgasstroms im Überschallbereich von der umgebenden Atmosphäre, wird zunächst auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, die eine Abschirmvorrichtung darstellen, die im ganzen durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und Gasverteilermittel 11 aufweist, sowie weiter Verbindungsmittel 12 zum Verbinden der Verteilermittel 11 mit dem äußeren Ende einer thermischen Spritzpistolentrommel, Schirmrohrmittel 13 und Verbindungsmittel 14 zum koaxial zentrischen Verbinden der Verteilermittel 11 und der Schirmrohrmittel 13.
Die Verteilermittel 11 weisen einen kreisringförmigen Metallkörper 20 auf, der einen einstückig ausgebildeten, zylindrischen Flanschbereich 21 aufweist, der sich koaxial von einem Ende weg erstreckt, und weiter einen inneren zylindrischen Durchgang 22, der mit einem koaxial sich erstreckenden Mündungsbereich 23 von wesentlichen keglig-konischer Gestalt kommuniziert. Der Verteilerkörper 20 hat ein externes Gewinde 24 und ist von seiner Betriebsrückseite her axial nach innen so bearbeitet, daß eine ringförmige innere Verteilkammer 25 konzentrisch mit einem größeren ringförmigen Rücksprung 26 ausgebildet wird, wobei letzterer einen ringförmigen Verschlußring 27 aufnimmt, der in den Rücksprung 26 eingepreßt ist, um die Kammer 25 gasdicht zu schließen. Ein Rohranschlußstück 30 ist auf das kreisringförmige Verschlußglied 27 aufgeschraubt, um der Kammer 25 inertes Abschirmgas zuzuführen, wobei die Kammer als Verteiler zum Verteilen des 20 Gases dient. Eine Vielzahl von (unnummerierten) Öffnungen ist in der Vorderwand 31 des Verteilerkörpers 20 ausgebildet und steht mit der Verteilerkammer 25 in Verbindung; jede dieser Öffnungen steht in Verbindung mit einer Vielzahl von Düsen 32, die in einem kreisförmigen Muster konzentrisch zur Mittelachse des Verteilerkörpers 20 angeordnet und als sich aus der Seite 31 nach außen erstreckende Rohrelemente dargestellt sind. Zwölf Düsen 32 sind in dem speziellen, dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen (vgl. Fig. 2). Jede Düse 32 ist aus einem dünnen Metallrohr geformt, das im wesentlichen einen Außendurchmesser von 3/32" hat und mit einem 90º-Bogen versehen ist und sich von der Verteilerfrontseite 31 nach außen erstreckt. Solche Düsen sind vorzugsweise mit dem Verteiler verlötet und so angeordnet, daß ausströmendes Gas tangential zu dem Kreis ausgeleitet wird, in dem sie angeordnet sind, wie am besten in Fig. 2 der Zeichnungen dargestellt ist.
Das gegenüberliegende Ende des Verteilerkörpers, von dem die verschiedenen Düsen 32 vorstehen, speziell das äußere Ende des zylindrischen Flanschbereiches 21 davon, ist an einem Ende des Durchgangs 22 angebohrt, um eine schulterförmige Ausnehmung 35 zu bilden, die das äußere Ende der Spritzpistolentrommel 36 aufnimmt, so daß der Verteiler auf der Trommel der Spritzpistole konzentrisch gehalten bzw. zentriert wird.
Das kreisringförmige Verschlußglied 27 der Verteilermittel 11 ist mit einem Gewinde versehen und weist drei nach außen sich erstreckende Bolzen 37 auf, die mit einem Abstand von 120º voneinander angeordnet sind, um Befestigungsmittel 12 zu bilden, mit denen die Verteilermittel 11 mit der Spritzpistolentrommel verbunden werden. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die Bolzen 37 mit einem Klemmring 38 verbunden sind, der am Äußeren der Spritzpistolentrommel 36 befestigt ist, wodurch die Verteilermittel 11 dicht über das äußere Ende der Spritzpistolentrommel gezogen werden.
Die Schirmrohrmittel 13 bestehen vorzugsweise aus einem länglichen, zylindrischen Rohr 40 aus rostfreiem Stahl, das im wesentlichen einen inneren Durchmesser von 2 inch aufweist und mit einem kreisringförmigen, sich nach außen erstreckenden Flansch 41 an einem Ende befestigt ist, wobei das Schirmrohr dazu ausgelegt ist, koaxial mit den Verteilermitteln 11 verbunden zu werden. Eine solche Verbindung mit dem Verteiler wird durch einen ein Innengewinde aufweisenden kreisringförmigen Überwurfring 42 erzeugt, der über den Flansch 41 paßt und auf das externe Gewinde 24 des Verteilerkörpers 20 aufgeschraubt ist. Der Flansch 41 ist vorzugsweise gegen die Wand 31 des Verteilerkörpers mittels einer elastomerischen Dichtung, wie beispielsweise mittels eines (nicht dargestellten) O-Rings abgedichtet.
Ein Glühkerzenzünder 50 erstreckt sich vorzugsweise durch die zylindrische Wand des Schirmrohrs 40, um die Verbrennung der in der Flammspritzpistole verwendeten Gase einzuleiten. Alternativ kann die Glühkerze 50 auch im zylindrischen Nabenbereich 21 der Verteilmittel 11 angeordnet sein. Verwendung der Glühkerze verbessert die Betriebssicherheit der Spritzpistole.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, demontierbar am äußeren Ende einer thermischen Hochgeschwindigkeits-Spritzpistole angebracht zu werden. Die Länge des Schirmrohrs ist durch den benötigten Sprühabstand festgelegt. Vorzugsweise ist das Rohr 40 zwischen 15 bis 23 cm (6 bis 9 inches) lang, wobei das äußere Ende im Betrieb zwischen 1,2 bis 17,8 cm (1/2 bis 7 inches) von der zu beschichtenden Oberfläche entfernt zu liegen kommt. Die mehreren Inertgasdüsen 32 und ihre Anordnung, um inertes Schutzgas nahe der inneren Oberfläche des Schirmrohres 40 in einer Richtung tangential zu der inneren Oberfläche zu injizieren, verursacht, daß das Schutzgas einen schraubenförmigen Strömungsweg innerhalb des Rohres annimmt und im Anschluß daran folgt, bis es auf das Werkstück auftrifft, wo es sich mit der Umgebungsatmosphäre vermischt. Die Einführung des Inertgases tangential zu der inneren Oberfläche des Schirmrohres hält den Großteil des Gases nahe dem Rohr und weg von der zentralen Hochgeschwindigkeitsflammensäule. Der Energieaustausch zwischen der Teilchen tragenden Flammsäule und dem Inertgas wird dadurch minimiert und gleichzeitig wird das Inertgas um den Bereich konzentriert, in dem das Pulver auf ein Trägermaterial aufgetragen wird. Das kalte Inertgas dient darüber hinaus dazu, die Temperatur des Schirmrohrs auf einen Wert zu reduzieren, der es gestattet, das Rohr aus einem nicht exotischen Material, wie beispielsweise Stahl, zu fertigen.
In der abgewandelten Ausführungsform, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, weist das Schirmrohr 40a eine doppelwandige Struktur auf, bei der mehrere interne Durchgänge 45 mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen 46 und 47 in Verbindung stehen, durch die Kühlwasser geführt ist. Auf diese Weise wird das modifizierte Rohr 40a mit einem Wasserkühlmantel versehen, um die Rohrtemperaturen auf gewünschten Betriebshöhen zu halten.
Weiter mit Bezug auf Fig. 3 der Zeichnungen wird der Erläuterung des Zusammenbaus des Abschirmapparats 10 mit einer typischen thermischen Überschallgeschwindigkeits-Spritzpistole fortgesetzt werden.
Wie dargestellt, ist eine Flammspritzpistole für Überschallgeschwindigkeit, wie sie im U.S. Patent Nr. 4,416,421, ausgegeben an James A. Browning am 22. November 1983, beschrieben ist, mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet. Flammspritzpistolen dieser Art werden unter dem Warenzeichen JET-KOTE II von der Firma Stoody Deloro Stellite, Inc., aus Goshen, Indiana, gehandelt.
Wie schematisch angedeutet, weist die Gesamtheit der Spritzpistole 60 eine Hauptkörper 61 auf, der eine innere Brennkammer 62 umgibt, die einen Brenngaseinlaß 63 und einen Sauerstoffeinlaß 64 aufweist. Ausgangskanäle 65, 66 am oberen Ende der Brennkammer 62 richten heiße Verbrennungsgase auf das innere Ende eines länglichen Düsenelements 67, das mit einem Wasserkühlmantel 68 ausgestattet ist, der einen an das äußere Ende des Düsenelements 67 angrenzenden Kühlwassereinlaß 69 aufweist. Im speziell dargestellten Fall steht das im Kühlmantel 68 umgewälzte Kühlwasser auch mit einem Wasserkühlmantel um die Brennkammer 62 in Verbindung, wobei ein Wasserauslaß 70 einen Kreisfluß des Wassers durch und um das Düsenelement 67 und die Brennkammer der Spritzpistole herum bewirkt. Wie zuvor angezeigt, werden die aus der Brennkammer 62 austretenden heißen Verbrennungsgase gegen das innere Ende und genauer gegen den eingrenzenden Öffnungsbereich des Düsenelements 67 gerichtet. Ein mittig angeordnetes Kanalmittel steht mit der Düse zum Einführen von Stickstoff oder einem anderen Inertgas am Einlaß 71 in Verbindung, um Teilchen oder Metallpulver 72 koaxial zur Säule der im Inneren eines im wesentlichen zylindrischen Kanals 74 des Düsenelements sich bewegenden Abgase 73 zu befördern.
Wie bereits erwähnt, ist die Abschirmvorrichtung 10 über dem äußeren Ende der Spritzpistolentrommel konzentrisch zum Düsenkanal 74 angeordnet und mittels eines Klemmrings 38 um das Äußere des Wassermantels 68 gesichert. Abgase hoher Geschwindigkeit tragen das Teilchenmaterial, wie beispielsweise Metallpulver, das als Beschichtung auf einem Trägermaterial abgelagert werden soll und bringen es koaxial längs der Spritzpistolendüse durch die Verteilermittel 11 und längs des zentralen axialen Inneren des Schirmrohrelements 40a gemäß Fig. 3 oder des nicht doppelwandigen Rohrs 40 gemäß Fig. 2. Das in die Verteilermittel 11 eingeführte Inertgas tritt durch die verschiedenen Düsen 32 wieder aus und erzeugt einen schraubenförmig wirbelnden Gasschild um den zentralen Kern des mit hoher Geschwindigkeit austretenden, Pulver enthaltenden Gasstroms, der am äußeren Ende der Spritzpistolendüse austritt. Wenn die Flamme aus der Spritzpistolendüse 67 austritt, bewegt sie sich mit einer Geschwindigkeit von im wesentlichen Mach 1 oder 1.100 f/s auf Meeresniveau, wonach sie frei ist zu expandieren, prinzipiell in einer axialen Richtung innerhalb des Schirmrohrs 40 oder 40a, um eine Austrittsgeschwindigkeit am anderen Ende des Schirmrohrs zu erzeugen, die im wesentlichen Mach 4 oder 1.219 bis 1.524 m/s (4.000 bis 5.000 f/s) beträgt, wobei Teilchengeschwindigkeiten in der Größenordnung von 549 bis 792 m/s (1.800 bis 2.600 f/s) erzielt werden.
Im Gegensatz zu bereits bestehenden Inertgasabschirmsystemen für thermische Spritzvorrichtungen, die sich sehr darauf verlassen, die Region nahe der Flamme stark mit Inertgas zu überfluten, vermeidet der radial begrenzte, helixförmige Inertgasschild, der durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung bereitgestellt wird, eine solche Vergeudung von Schutzgas und vermindert die Tendenz, Luft durch turbulente Mischung von Inertgas und Luft mit den Verbrennungsgasen in die Gassäule einzubringen. In anderen Fällen, wie beispielsweise im U.S. Patent Nr. 3,470,347, ausgegeben am 30. September 1969 an J. E. Jackson, sind Schutzgasschilde von kreisringförmiger Form verwendet worden, die gleichzeitig um die Stichflamme herumfließen. Die Erfahrungen mit dieser Art von jährlichen (richtig wohl: ringförmigen, Anm. d. Übers.) nicht schraubenförmigen Flußanordnungen für den kälteren Inertgasschild zeigt eine deutliche Vermischung mit der freien Überschallexpansion der Stichsäule wegen des sie umgebenden dichten Inertgases geringerer Geschwindigkeit. Indem unter Druck stehendes Inertgas mit einer nach außen gerichteten radialen Komponente eingeführt wird, so daß der Inertgasstrom tangential gegen die innere Wandung des eingespannten Rohrs gerichtet wird, wie bei dem beschriebenen Apparat der Erfindung, tritt ein minimaler Energieaustausch zwischen der Stichflamme hoher Geschwindigkeit und dem Inertgas geringer Geschwindigkeit auf, während der Inertgasschild auf den Bereich konzentriert bleibt, in dem das Pulver schließlich auf die Oberfläche des Trägermaterials aufgebracht wird. Mit anderen Worten schirmt das schraubenförmige Flußmuster des Inertgasschilds, wie er durch den Apparat 10 gemäß dieser Erfindung erzeugt wird, die Beschichtungspartikel von der Umgebungsatmosphäre ab, ohne daß die Partikel tragende Gassäule im Überschallbereich wesentlich abgebremst wird. Um die Überlegenheit der Abschirmvorrichtung, wie sie hier gelehrt wird, im Betrieb zu belegen, zeigt eine Hochgeschwindigkeits-Videoanalyse der Abschirmvorrichtung ohne die thermische Düse eine dichte Schicht von Inertgas im Bereich angrenzend an das Schirmrohr und nur sehr wenig Inertgas im Mittelbereich des Rohrs, der normalerweise durch die Verbrennungsgase eingenommen werden würde. Ähnliche Analysen zeigen einen gut ausgebildeten schraubenförmigen Fluß, wenn eine Abdeckung mit den 90º-Düsen, wie sie vorstehend beschrieben worden sind, benutzt wird, während eine turbulente Vermischung auf dem ganzen Weg durch das Schirmrohr auftritt, wenn eine Abdeckung mit gleichzeitigem Fluß verwendet wird, wie sie im zuvor erwähnten Jackson-Patent Nr.3,470,347 beschrieben ist. Vergleichstests von den Fällen keine Abdeckung, Abdeckung mit schraubenförmigem Fluß wie hier beschrieben, und gleichzeitigem Fluß sind unten in einer Tabelle erfaßt. Diese Tests zeigen für Sauerstoff und für Oxyde einen niedrigeren Einschlußgrad in den Beschichtungen, wenn diese mit der Abdeckung mit schraubenförmigem Flußbild aufgebracht worden sind. Sowohl die Abschirmsysteme mit gleichzeitigen wie auch die mit schraubenförmigem Flußbild zeigen für Sauerstoff und Oxyde niedrigere totale Werte als in den Beschichtungen, die ohne jegliche Inertgasabschirmung aufgebracht worden sind. ABSCHIRMUNG GEGENÜBER FEHLENDER ABSCHIRMUNG Probe Nr. Beschreibung Beschichtung Sauerstoff-Gehalt Material nicht schraubenförm. Abschirmung (1,38MPa) "Kontrolle" (gleich wie 208A, lediglich ohne Abschirmung) "Kontrolle" (gleich wie 208B, lediglich ohne Abschirmung schraubenförmige Abschirmung (1,38MPa) "Kontrolle" (gleich wie 282A, lediglich ohne Abschirmung Hastelloy CWz

Verfahren

Das verbesserte Verfahren gemäß dieser Erfindung ist dazu vorgesehen, mit einer Vorrichtung zum thermischen Spritzen extrem saubere und dichte Metallbeschichtungen zu produzieren; das Spritzverfahren wird in Umgebungsluft ohne den Gebrauch eines teueren Vakuums oder teuerer Inertgasumgebungen durchgeführt.
Wie im Vorstehenden bereits bemerkt, wird beim Verfahren gemäß dieser Erfindung vorzugsweise ein thermischer Hochgeschwindigkeits-Spritzapparat verwendet, so wie die im Handel erhältliche JET KOTE II Spritzpistole, beispielsweise der Art, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, allerdings modifiziert mit der Abschirmvorrichtung, wie sie im Vorstehenden beschrieben worden ist und unter Anwendung bestimmter Einschränkungen in ihrer Betriebsweise. Gemäß der Erfindung werden Wasserstoff und Sauerstoff als Brenngase in der thermischen Spritzpistole verwendet. Das Verhältnis der Massenströme von H&sub2; zu O&sub2; hat sich als der einflußreichste Parameter für die Beschichtungsqualität herausgestellt, wenn Oxidgehalt, Porosität, Dicke, Oberflächenrauheit und Oberflächenfarbe bewertet werden, wobei die Schlüsselfaktoren Porosität und Oxidgehalt sind. Von diesen beiden Gasen ist Sauerstoff das kritischere, wenn es darum geht, Überschallbetriebsbedingungen zu erreichen. In dieser Hinsicht ist herausgefunden worden, daß ein Minimum-O&sub2;-Volumenstrom von im wesentlichen 240 Litern/Minute notwendig ist, um die richtigen Geschwindigkeiten sicherzustellen. Indem das Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff so eingestellt wird, daß ein stöchiometrisch wasserstoffreiches Niveau vorliegt, wird nicht aller Wasserstoff in der Brennkammer der Spritzpistole verbrannt. Dieser überschüssige Wasserstoff scheint die Qualität der Beschichtung zu verbessern, indem eine reduzierende Umgebung für die Pulver tragenden Abgase der Spritzpistiole bereitgestellt werden. Es gibt jedoch eine Grenze für das Maß von überschüssigem Wasserstoff, der zugelassen werden kann. Beispielsweise kann bei einem O&sub2;-Fluß von 290 Litern/Minute ein Wasserstoffstrom in der Gegend von 1.050 Litern/Minute ausreichende Rückstände aufbauen, um die Düse der Spritzpistole zu verstopfen und den Betrieb zu unterbrechen.
Wenn Wasserstoff und Sauerstoff als Brenngase verwendet werden, wobei die Gase unter Drücken oberhalb von 552 kPa (80 psi) zugeführt werden, um Sauerstoffvolumenströme zwischen 240 bis 290 Liter/Minute (vorzugsweise 270 Liter/Minute) und Massenstromverhältnisse H&sub2;/O&sub2; in der Gegend von 2,6 bis 3,8 zu erzeugen, sind die Verbrennungsgase der Spritzpistole schnell genug, um die Metallpulver auf Überschallgeschwindigkeit (im Bereich von 549 bis 792 m/s [1.800 bis 2.600 f/s]) zu beschleunigen und sehr dichte Metallbeschichtungen mit einem niedrigen Oxydgehalt und überragender Qualität auf einem Trägermaterial zu produzieren.
Die Pulverteilchengröße wird in einem schmalen Verteilungsbereich gehalten, normalerweise zwischen 10 um und 45 um. Der Ausgangssauerstoffgehalt des Pulvers wird bei Werten von kleiner als 0,18 Gewichtsprozent für Pulver aus rostfreiem Stahl und 0,06 % für Hastelloy C gehalten. Die richtigen Abgasgeschwindigkeiten werden durch ein ausgeprägtes Muster von Stoßrhomben innerhalb des einseitig eingespannten Rohrs 40 des Apparats, wie zuvor beschrieben, erzeugt, das von dem Schirmrohr bei Geschwindigkeiten von etwa 1.219 bis 1.524 m/s (4.000 bis 5.000 f/s) ausgeht. Das Pulverträgergas ist vorzugsweise Stickstoff oder ein anderes Inertgas bei einem Volumenstrom zwischen 35 und 90 Litern/Minute, während das inerte Abschirmgas vorzugsweise Stickstoff oder Argon bei einem Druck von 1,38 bis 1,72 MPa (200 bis 250 psi) ist.
Vorzugsweise wird die Spritzpistole automatisch relativ zu dem zu beschichtenden Trägermaterial oder dem Werkstück mit einer Geschwindigkeit von 9,1 bis 21,3 m/min (30 bis 70 f/min) und vorzugsweise 15,2 m/min (50 f/min) bewegt, wobei der Abstand zwischen Mittelliniem von Streifen aufgebrachten Materials zwischen 1/8 und 5/16 inches beträgt.
Der Abstand zwischen der Spitze der Spritzpistolendüse und dem Trägerwerkstoff wird vorzugsweise zwischen 16,5 und 38,1 cm (6,5 und 15 inches) gehalten, wobei der Abstand zwischen dem äußeren Ende des Schirmrohr der Abdeckung und dem Werkstück in der Gegend von 3,8 bis 17,8 cm (1/2 bis 7 inches) beträgt; der zuletzt genannte Abstand wird im Stand der Technik auch als größtmöglicher Abstand bezeichnet. Die bevorzugte Abschirmlänge (Verteiler + Schirmrohr) ist im Bereich von 15 bis 23 cm (6 bis 9 inches).
Herkömmliche thermische Spritzmetallbeschichtungen, die mittels einer Flamme, mittels Draht und Lichtbogen, Plasma, Detonation und mittels JET KOTE II Verfahren aufgebracht worden sind, zeigen üblicherweise Porositätsanteile von 3 % oder höher. Normalerweise sind solche Porositätsanteile im Bereich von 5 bis 10 Volumenprozent, wie anhand von metallographischen Schnitten gemessen werden kann. Die zusätzlichen Oxidanteile sind normalerweise hoch, üblicherweise im Bereich von 25 Volumenprozent und manchmal bis zu 50 Volumenprozent. Die Struktur der Beschichtungen zeigt typischerweise eine nicht gleichmäßige Verteilung von Fehlstellen und Oxiden, sowie einen nicht gleichmäßigen Zusammenhalt von Partikel zu Partikel. Streifenförmige oder lamellenförmige Strukturen sind typisch.
Mit besonderem Bezug auf die Fig. 4 bis 6 der Zeichnungen werden die zuvor erwähnten charakteristischen Eigenschaften herkömmlicher thermischer Spritzbeschichtungen gezeigt.
Die mikrofotografische Aufnahme von Fig. 4 zeigt einen metallographisch polierten Querschnitt einer 316L-Beschichtung aus rostfreiem Stahl, die mittels der Drahtlichtbogenspritztechnik aufgebracht worden ist. Es sind große Poren zu sehen, ebenso wie breite Spalte zwischen verschiedenen Streifen von Partikeln. Ebenso können große Netze von Oxideinschlüssen beobachtet werden.
Fig. 5 stellt ein ähnliches Beispiel einer Hastelloy C (eine auf Nickel basierende Legierung)-Beschichtung dar, die mit einem herkömmlichen Plasmaspritzverfahren in Luft hergestellt worden ist. Eine ähnliche streifenförmige Struktur mit Poren und Oxidnetzen ist offensichtlich.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer 316L-Beschichtung aus rostfreiem Stahl, die mit dem JET KOTE II Verfahren gemäß dem im Vorstehenden beschriebenen Patent Nr. 4,370,538 aufgebracht worden ist, wobei Propylen als Brenngas verwendet worden ist. Die resultierende Beschichtung zeigt eine nicht homogene Erscheinung und einen hohen Volumenbruchteil an Oxideinschlüssen.
Beträchtliche Verbesserungen in Dichte, Sauberkeit und Gleichmäßigkeit von Metallbeschichtungen rührt von der Benutzung des im Vorstehenden beschriebenen Verfahrens gemäß der Erfindung her, wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt.
Fig. 7 einen metallographisch polierten Querschnitt einer Hastelloy C-Beschichtung, die ohne Inertgasabschirmung aufgebracht worden ist, wobei aber ansonsten den oben beschriebenen Verfahrenseinschränkungen gefolgt worden ist. Die totale Porosität und die Qxydanteile sind reduziert, und die Oxide sind diskret, d. h. nicht miteinander verbunden.
Im Vergleich zu Fig. 7 zeigt Fig. 8 einen Vergleichsquerschnitt einer Hastelloy C-Beschichtung, die mit dem im Vorstehenden beschriebenen Verfahren aufgebracht worden ist, wobei eine Abschirmung aus einem Inertgas (Argon) mit einem schraubenförmigen Flußmuster verwendet worden ist. Der totale Volumenanteil an Porositäten und Oxydeinschlüssen in der Beschichtung der Fig. 8 ist weiter reduziert worden, auf weniger als 1 %.
Thermische Spritzbeschichtungen, die in Übereinstimmung mit dem hier beschriebenen Verfahren aufgebracht werden, bieten eine wesentlich gleichförmigere, dichtere, weniger spröde, schützende Beschichtung höherer Qualität, als sie mit herkömmlichen thermischen Spritzmethoden gemäß dem Stand der Technik erreichbar sind. Vorteilhafterweise kann das Verfahren gemäß dieser Erfindung in der Umgebungsluft durchgeführt werden, ohne daß ein teueres Vakuum oder eine Inertgasumgebung benötigt werden. Wegen der Eigenschaften der Abschirmvorrichtung kann die Spritzpistole transportabel gemacht werden, um sie in abgelegenen Orten einzusetzen.
Nachdem die Erfindung beschrieben worden ist, wird angenommen, daß die Fachleute ihren Vorteil gegenüber dem Stand der Technik schnell erkennen und zu schätzen wissen und weiterhin verstehen, daß Modifikationen, Abänderungen und der Austausch von Äquivalenten möglich sind, obwohl die Erfindung vorstehend anhand eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben worden ist.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen einer gleichmäßigen, dichten Beschichtung mit niedrigem Oxidgehalt auf einem Trägermaterial, unter Verwendung einer thermischen Spritzvorrichtung, die in Umgebungsatmosphäre arbeitet, um einen mit Überschallgeschwindigkeit austretende Metallteilchen, die auf einem Trägermaterial auftreffen sollen, um die Beschichtung zu bilden, tragenden Strahlstrom (73) heißer Gase zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß

Metallteilchen (72) mit einer Teilchengröße im Bereich von 10 bis 45 um und mit einem geringen Anfangssauerstoffgehalt koaxial mittels eines inerten Trägergases in den Strahlstrom (73) eingebracht werden, und

daß der Teilchen tragende Strahlstrom von einer Abschirmung in Form eines schraubenförmig fließenden, unter Druck stehenden Inertgases begrenzt wird, das konzentrisch um den Strahlstrom gehalten ist, bis die mit dem Strahlstrom transportierten Teilchen auf dem zu beschichtenden Trägermaterial auftreffen, wobei die Gasabschirmung mit einer radial nach außen gerichteten Komponente fließt, um turbulente Vermischungen mit dem Strahlstrom zu minimieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Metallteilchen dem Strahlstrom mit einer Rate von 50 bis 83 g/min zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Anfangssauerstoffgehalt der Metallteilchen kleiner ist als 0,18 Gewichtsprozent.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die thermische Spritzvorrichtung mit einer Geschwindigkeit von 9,1 bis 21,3 m/min (30 bis 70 f/m) bewegt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin das inerte Abschirmungsgas vorzugsweise Argon oder Stickstoff ist und unter einem Druck von 1,38 bis 1,72 MPa (200 bis 250 psi) steht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin die thermische Spritzvorrichtung eine Spritzpistole (60) ist, die eine innere Hochdruckbrennkammer (62) aufweist, der Sauerstoff und Brennstoffgas kontinuierlich zugeführt, gezündet und als Metallteilchen transportierender Überschall-Strahlstrom heißer Gase durch einen Auslaß ausgestoßen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin Sauerstoff und Wasserstoff in der Brennkammer bei Drücken verbrannt werden, die hoch genug sind, um einen minimalen Sauerstoffvolumenstrom von 240 Litern/Minute und ein Massenstromverhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff im Bereich von 2,6 bis 3,8 zu erhalten.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin der Sauerstoffvolumenstrom im Bereich von 240 bis 290 Litern/Minute gehalten wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Inertträgergas auf einem Volumenstrom von 35 bis 90 Litern/Minute gehalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, worin Sauerstoff und Wasserstoffgase der Brennkammer unter Drücken oberhalb von 552 kPa (80 psi) zugeführt werden.

11. Abschirmvorrichtung für die Düse einer thermischen Spritzpistole, mit: einem Verteiler (11) zum Aufnehmen und Verteilen von unter Druck stehendem Inertgas; Mitteln (12, 21, 38) zum Befestigen des Verteilers (11) am Ende einer Düse (36), die einen unter hohen Temperaturen stehenden, mit Überschallgeschwindigkeiten austretenden, teilchentragenden Strom ausstößt;

einem an einem Ende offenen Schirmrohr (13, 40, 40a), das auf dem Verteiler (11) angebracht ist, um den teilchentragenden Strom koaxial hindurchzulassen; und

einer Vielzahl von mit dem Verteiler (11) in Verbindung stehenden Düsen (32) zum Verteilen von unter Druck stehendem Inertgas tangential über die Innenwandungen des Schirmrohrs (13, 40, 40a) dergestalt, daß ein schraubenförmig abfließender Schutzschild aus Inertgas konzentrisch um den Teilchen tragenden Strahlstrom in dem Rohr ausgebildet wird und den teilchentragenden Strom nach Austreten aus dem Schirmrohr von der Umgebungsatmosphäre abschirmt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der das Inertgas bei Drücken von 1,38 bis 1,72 MPa (200 bis 250 psi) zugeführt wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Länge des Schirmrohrs (13, 40, 40a) zwischen 15 und 23 cm (6 und 9 inches) beträgt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der eine Glühkerze (50) zum Entzünden der aus der Düse (36) austretenden, zu verbrennenden Gase an dem Schirmrohr (13, 40) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der das Schirmrohr (40a) einen zylindrischen Metallkörper mit integrierten Kanälen (45) zum Umwälzen einer Kühlflüssigkeit umfaßt.

16. Thermische Überschall-Spritzpistole mit einer inneren Hochdruck-Brennkammer (62) zum kontinuierlichen Aufnehmen einer Mischung aus Sauerstoff und einem Brennstoff, die in der Kammer gezündet werden, Mitteln (65, 66) zum Ausstoßen der heißen Verbrennungsgase aus der Kammer durch eine längliche Düse (67) mit einer konvergierenden Einlaßöffnung und einer verlängerten Ausgangsbohrung, und mit Mitteln (71) zum axialen Einführen von aus kleinen Teilchen bestehendem Material, wie pulverisiertes Metall, in die heißen Verbrennungsgase, die durch die verlängerte Bohrung fließen, wobei die Teilchen beim Austreten aus der Bohrung auf Überschallgeschwindigkeiten beschleunigt werden; dadurch gekennzeichnet, daß eine längliche Abschirmung (10) vorgesehen ist, die sich koaxial von der Düse weg erstreckt und die aus der Düse austretenden heißen Gase und Teilchen aufnimmt; wobei die Abschirmung einen Verteiler (11) umfaßt, sowie weiter eine Vielzahl von auf dem Verteiler angeordneten Düsen (32) und ein an einem Ende offenes Schirmrohr (13, 40, 40a), das an dem Verteiler dergestalt angebracht ist, daß eine koaxiale Verbindung zu der verlängerten Bohrung geschaffen wird und das die aus der Düse austretenden heißen Gase und Teilchen konzentrisch umgibt; wobei der Verteiler (11) im Betrieb unter Druck stehendes Inertgas zu der Vielzahl von Düsen (32) leitet, wobei die Düsen das Inertgas tangential gegen die innere Oberfläche des Schirmrohrs (13, 40, 40a) leiten, wodurch ein schraubenförmiger Fluß von Inertgas konzentrisch außen um die heißen Abgase erzeugt und die Umgebungsatmosphäre von den Teilchen ferngehalten wird.

17. Thermische Spritzpistole nach Anspruch 16, bei der die Vielzahl von Düsen (32) in einem kreisförmigen Muster konzentrisch um die Mittelachse der länglichen Bohrung angeordnet ist; und wobei die Vielzahl von Düsen so angeordnet ist, daß das austretende Inertgas radial von den heißen Abgasen und den koaxial in dem Schirmrohr (13, 40, 40a) fließenden Teilchen weg gerichtet wird, wodurch turbulente Vermischung minimiert wird.

18. Thermische Spritzpistole nach Anspruch 16, bei der der Verteiler (11) abnehmbar über dem äußeren Ende (36) der Spritzpistolendüse montiert ist und das Schirmrohr (13, 40, 40a) zylindrisch ist und mit dem Verteiler (11) lösbar verbunden ist.

19. Thermische Spritzpistole nach Anspruch 16, bei der jede der Düsen (32) ein kurzes rohrförmiges Element umfaßt, das in der Mitte eine Krümmung aufweist, um das dem Verteiler (11) zugeführte Inertgas radial von der Achse der erwähnten Bohrung weg zu leiten.