DE3914722A1 - Verfahren zum auftragen von keramischen material - Google Patents
Verfahren zum auftragen von keramischen materialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragen einer
Schicht aus keramischem Material auf ein Substrat durch
Plasmaspritzen, bei welchem das Material dem Plasmastrahl
zugesetzt wird, wobei das Material eine chemische Verbin
dung umfaßt, von welcher ein Bestandteil ein nichtmetal
lisches Element aus der Gruppe N, C, B oder aus der sech
sten oder siebten Hauptgruppe ist, welche vor Erreichen
des Schmelzpunkts sich zumindest teilweise zersetzt und
welche im aufgetragenen Zustand in der festen Phase vor
liegt.
Aus der DE-OS 30 24 611 ist ein derartiges Verfahren be
kannt, wobei bei diesem Eisenspinell und Kobaltspinell
durch Plasmaspritzen bei niedriger Brennerleistung
aufgetragen werden. Aufgrund der niedrigen Brennerleistung
ist anzunehmen, daß lediglich das Eisenspinell
aufgeschmolzen wird, da dieses einen niedrigen
Schmelzpunkt aufweist, wogegen das Kobaltspinell in das
aufgeschmolzene Eisenspinell lediglich eingebettet
wird. Ferner ist damit zu rechnen, daß trotz niedriger
Brennerleistung Zersetzungsprodukte des Kobaltspinells
vorhanden sind. Beim Plasmaspritzen mit niedriger Brenner
leistung ist die Bindung der aufgetragenen Schicht an das
Substrat nicht optimal und auch die innere Festigkeit der
äußeren Schicht begrenzt. Ferner ist auch die Beschich
tungsausbeute sehr gering, da dann, wenn das Spritzgut im
noch festen Zustand durch den Plasmastrahl gegen das Sub
strat geschleudert wird, eine Stoßreflexion am Substrat
erfolgt und somit lediglich ein geringer Teil des Spritz
guts auf dem Substrat haften bleibt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver
fahren der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß
die von dem Material umfaßte chemische Verbindung stöchio
metrisch, d. h. nicht zersetzt, auf dem Stubstrat aufgetra
gen werden kann und eine dichte, festhaftende und stabile
Schicht bildet.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs be
schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem
Plasmastrahl zusätzlich zu dem Spritzgut das nichtmetalli
sche Element in freier, nicht an ein Fremdelement gebunde
ner Form mitgeführt wird. Hierdurch wird erreicht, daß
durch Zugabe des Elements das Reaktionsgleichgewicht der
zum Zersetzen neigenden Verbindung zu der unzersetzten
Verbindung hin verschoben wird, so daß diese Verbindung in
dem Plasmastrahl auf ausreichend hohe Temperaturen aufge
heizt werden kann, um somit beim Auftreffen auf dem Sub
strat eine dichte, festhaftende und stabile Schicht zu
bilden, die zudem noch im wesentlichen die chemische Ver
bindung im wesentlichen in unzersetzter Form aufweist.
Zur Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts in Richtung
auf die unzersetzte chemische Verhindung ist es besonders
vorteilhaft, wenn das nichtmetallische Element in dem
Plasmastrahl in dissoziierter Form mitgeführt wird.
Noch besser läßt sich das Reaktionsgleichgewicht dadurch
verschieben, daß das nichtmetallische Element in dem
Plasmastrahl in ionisierter Form mitgeführt wird.
Grundsätzlich könnte im Rahmen des erfindungsgemäßen Ver
fahrens das nichtmetallische Element dem Plasmastrahl bei
spielsweise mit dem Plasmagasstrom zugeführt werden. Dies
würde jedoch Elektrodenmaterialien erfordern, welche durch
das nichtmetallische Element nicht angegriffen werden. Aus
diesem Grunde ist es vorteilhafter, wenn das nichtmetal
lische Element dem Plasmastrahl stromabwärts des
Hochstrombogens zugesetzt wird.
Um jedoch das nichtmetallische Element möglichst stark zu
erhitzen und somit zumindest in dissoziierter, wenn nicht
in ionisierter Form in dem Plasmastrahl mitzuführen, hat
es sich als zweckmäßig erwiesen, daß das nichtmetallische
Element dem Plasmastrahl auf seiner dem Hochstrombogen zu
gewandten Seite und nahe desselben zugesetzt wird.
Als besonders geeignet hat sich ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens erwiesen, bei welchem das
nichtmetallische Element in einer dem Plasmabrenner nach
geordneten Lavaldüse dem Plasmastrahl zugesetzt wird.
Ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel sieht hierbei
vor, daß das nichtmetallische Element mit dem Material
zusammen dem Plasmastrahl zugesetzt wird, so daß keine
zusätzlichen Vorrichtungen notwendig sind, um das nicht
metallische Element dem Plasmastrahl zuzusetzen, sondern
die üblicherweise zum Plasmaspritzen geeigneten Vorrich
tungen Verwendung finden können.
Besonders bevorzugt ist im Rahmen der erfindungsgemäßen
Lösung ein Ausführungsbeispiel, bei welchem das nichtme
tallische Element in Gasform in den Plasmastrahl einge
bracht wird, da hierdurch eine gute, gleichmäßige Vertei
lung und ein leichtes Dissoziieren oder Ionisieren des
nichtmetallischen Elements möglich ist.
Beispielsweise ist es somit günstig, wenn das nichtme
tallische Element durch ein dieses freisetzendes Gas in
den Plasmastrahl eingebracht wird.
Da das als Spritzgut dienende Material üblicherweise in
fester Form vorliegt und somit durch ein Fördermedium dem
Plasmastrahl zugesetzt werden muß, ist bei einer bevorzug
ten Lösung vorgesehen, daß das nichtmetallische Element
von einem Fördermedium für das Spritzgut umfaßt ist.
Hierbei hat es sich dann als zweckmäßig erwiesen, wenn das
Fördermedium für das Spritzgut gasförmig ist.
Im Rahmen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbei
spiele ist zweckmäßigerweise auch vorgesehen, daß das
Spritzgut in pulverförmiger Form vorliegt.
Da im Plasmastrahl üblicherweise relativ hohe Temperaturen
vorliegen, können in diesem auch sehr leicht unerwünschte
Reaktionen des in diesem mitgeführten nichtmetallischen
Elements erfolgen. Aus diesem Grund ist zweckmäßigerweise
vorgesehen, daß der Plasmastrahl im wesentlichen frei von
chemischen Elementen ist, die mit dem nichtmetallischen
Element zu stabilen chemischen Verbindungen reagieren.
Insbesondere ist es hierbei zweckmäßig, wenn der Plasma
strahl im wesentlichen wasserstofffrei ist.
Hinsichtlich der Art des Plasmagases ist zweckmäßigerweise
vorgesehen, daß dieses ein Edelgas umfaßt.
Bevorzugte Edelgase sind Argon und Helium, wobei ein be
sonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel vorsieht, daß
Helium als die freie Enthalpie erhöhendes Zusatzgas dem
Argon als Hauptplasmagas zugegeben wird. Es wäre auch vor
teilhaft anstelle von Helium Stickstoff als die freie
Enthalpie erhöhendes Zusatzgas dem Argon als Hauptplasma
gas zuzugeben.
Um sicherzustellen, daß zur Durchführung des erfindungs
gemäßen Verfahrens das nichtmetallische Element in ausrei
chend hoher Konzentration vorliegt, ist vorzugsweise vor
gesehen, daß das gasförmige, nichtmetallische Element mit
einem Anteil von mehr als 5% der vom Plasmastrahl um
faßten Gase in diesem mitgeführt wird.
Noch besser ist es, wenn dieser Anteil mehr als 15% der
vom Plasmastrahl umfaßten Gase beträgt.
Um sicherzustellen, daß das nichtmetallische Element in
dem Plasmastrahl in dissoziierter Form vorliegt, ist
vorgesehen, daß der Plasmastrahl eine eine Dissoziation
des nichtmetallischen Elements bewirkende Enthalpie und
Temperatur aufweist.
Soll das nichtmetallische Element auch noch ionisiert vor
liegen, ist es noch besser, wenn der Plasmastrahl eine
eine Ionisation des nichtmetallischen Elements bewirkende
Temperatur und freie Enthalpie aufweist.
Sollte seitens des Plasmabrenners eine ausreichend hohe
Temperatur des Plasmastrahls nicht erzielbar sein, so ist
es vorteilhaft, wenn zusätzlich eine dem Hochstrombogen
nachgeordnete Heizung für den Plasmastrahl vorgesehen ist.
Insbesondere ist es hierbei zweckmäßig, wenn die zusätz
liche Heizung über Hochfrequenzeinkopplung in den Plasma
strahl erfolgt, wobei dies eine induktive oder eine kapa
zitive Einkopplung sein kann.
Bislang wurde nichts näheres über die Zusammensetzung der
chemischen Verbindung ausgesagt. Als besonders geeignet
für die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat
sich eine chemische Verbindung erwiesen, welche ein Metall
als weiteres chemisches Element umfaßt. Bevorzugte Mate
rialien sind hierbei oxidische Materialien, wie z. B.
Spinelle und Perovskite auf Nickel- oder Kobalt- oder
Nickel-Kobalt-Basis. Es ist aber auch denkbar, alle mög
lichen Arten von Spinellen und Perovskiten gemäß dem er
findungsgemäßen Verfahren aufzutragen. Darüberhinaus gilt
dies auch für spinell-ähnliche und perovskit-ähnliche
Verbindungen, sowie auch für nichtoxidische Verbindungen,
wie beispielsweise Nitride, Halogenide, Karbide etc.,
wobei dann als nichtmetallisches Element vom Plasmastrahl
Stickstoff bzw. Halogene bzw. Methan oder Acetylen mit
geführt werden.
All diese Verbindungen lassen sich vorzugsweise dadurch
charakterisieren, daß die chemische Verbindung im Bereich
der Schmelztemperatur eine im Bereich von Null oder
darüber liegende freie Bildungsenthalpie aufweist, d. h.,
daß es sich um eine chemische Verbindung handelt, die bei
Erhitzung zum Zersetzen neigt.
Um eine gut haftende Schicht auf dem Substrat zu errei
chen ist es, wie bereits eingangs erwähnt, notwendig, das
Spritzgut auf eine möglichst hohe Temperatur zu erhitzen,
wobei allerdings noch keine merkliche Materialverdampfung
erfolgen darf. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn
die chemische Verbindung in dem Plasmastrahl auf
mindestens ungefähr 500°C erhitzt wird, noch besser ist
es, wenn die chemische Verbindung auf mindestens 1000°C,
oder noch besser auf mindestens 1500°C oder am besten auf
mindestens 2000°C erhitzt wird.
Die besten Hafteigenschaften der Schichten werden dann er
reicht, wenn die chemische Verbindung in dem Plasmastrahl
mindestens auf eine Temperatur im Bereich ihres Schmelz
punkts erhitzt wird.
Die besten Ergebnisse lassen sich dann erzielen, wenn die
chemische Verbindung mindestens auf eine ihrem Schmelz
punkt entsprechende Temperatur erhitzt wird.
Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt
insbesondere dann, wenn das Material als katalytisch
aktive Beschichtung dient.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, daß das Mate
rial als elektrokatalytisch aktive Beschichtung dient.
Andere, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevor
zugte Ausführungsbeispiele sehen vor, daß das Material als
triboligisch wirksame Beschichtung dient.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel dient das Material
als supraleitende Beschichtung.
Das Plasmaspritzen beim erfindungsgemäßen Verfahren wird
vorzugsweise in Vakuum durchgeführt.
Besonders gute Ergebnisse im Rahmen der vorliegenden Er
findung ergeben sich dann, wenn das Plasmaspritzen mit
einem Überschallstrahl durchgeführt wird, da dann auf dem
Substrat sehr fest haftende Schichten erreichbar sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung im Zusam
menhang mit den zeichnerischen Darstellungen. In der
Zeichnung zeigen:
Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
und
Fig. 2 ein Röntgendiffraktogramm , wobei
2a das Röntgendiffraktogramm von bei 400° her
gestelltem Pulver von Kobaltspinell,
2b das Röntgendiffraktogramm einer aufgetragenen
Schicht von Kobaltspinell mit Argon als Plasmagas
und Argon als Trägergas für das Spritzgut,
2c das Röntgendiffraktogramm einer aufgetragenen
Schicht aus Kobaltspinell mit Argon und Wasser
stoff als Plasmagas und Argon als Trägergas für
das Spritzgut, und
2d das Röntgendiffraktogramm einer aufgetragenen
Schicht mit Argon plus Helium als Plasmagas und
Argon und Sauerstoff als Trägergas für das
Spritzgut zeigt.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens umfaßt - wie in Fig. 1 schematisch dargestellt
- eine Vakuumkammer 10, welche mittels eines Vakuumpump
systems 12 auf einen vorwählbaren Druck evakuierbar ist.
In dieser Vakuumkammer 10 ist ferner ein Plasmabrenner 14
angeordnet, welcher einen Plasmastrahl 16 erzeugt, der auf
ein ebenfalls in der Vakuumkammer 10 angeordnetes Substrat
18 trifft, welches seinerseits mit einer Bewegungsvor
richtung 20 relativ zum Plasmastrahl 16 in einer senkrecht
zu einer Längsachse 22 des Plasmastrahls 16 verlaufenden
Ebene bewegbar ist. In diesem Plasmastrahl 16 wird ein
Spritzgutstrahl 24 aus Partikeln eines aufzutragenden Mate
rials mitgeführt, welches beim Auftreffen auf das Substrat
18 eine Beschichtung 26 aus diesem Material erzeugt.
Der Plasmabrenner 14 umfaßt seinerseits ein rohrstückähn
liches Gehäuse 28, in welchem eine hülsenförmige, einen
sich zu einem dem Substrat 18 zugewandten Ende 30 des Ge
häuses 18 hin konisch verengenden Gaskanal 32 aufweisende
Anode 34 angeordnet ist. In den Gaskanal 32 ragt von
einer, dem Ende 30 gegenüberliegenden Rückseite eine
stiftförmige Kathode 36, wobei zwischen der Anode 34 und
der Kathode 36 ein Ringspalt 38 verbleibt, durch welchen
ein Plasmagasstrom 40 in den Gaskanal 32 eintreten kann.
Der Plasmagasstrom 40 wird diesem Ringspalt 38 über einen
Ringraum 42 zwischen der Kathode 36 und dem Gehäuse 28 zu
geführt. Die Gaszufuhr zu diesem Ringraum 42 erfolgt in an
sich bekannter Weise über eine als Ganzes mit 44 bezeich
nete Plasmabrenner-Versorgungseinrichtung, welche auch die
notwendige Spannung zwischen der Anode 34 und der Kathode
36 zur Verfügung stellt und außerdem einen Kühlkanal 46 in
der Kathode 36 mit Kühlflüssigkeit versorgt.
Der Gaskanal 32 der Anode setzt sich zum Substrat 18 hin
fort in einem Düsenkanal 48 einer sich unmittelbar an die
Anode 34 anschließenden Lavaldüse 50, aus welcher dann der
im wesentlichen parallele Plasmastrahl 16 austritt. Die
Lavaldüse 50 und der Gaskanal 32 sind dabei koaxial zur
Längsachse 22 des Plasmastrahls 16 angeordnet.
Zur Zufuhr des den Spritzgutstrahl 24 bildenden Spritzguts
ist zumindest ein erster in den Düsenkanal 48 der Laval
düse 50 mündender Einlaßkanal 52 vorgesehen, welcher über
eine erste Zuführeinrichtung 54 versorgt wird. Es ist aber
auch noch zusätzlich möglich, auf der dem Substrat 18
zugewandten Seite des ersten Einlaßkanals 52 einen zweiten
Einlaßkanal 56 vorzusehen, welcher über eine zweite Zu
führeinrichtung 58 versorgt wird.
Das Plasmaspritzen mit einem Plasmabrenner 14 in der
Vakuumkammer 10 ist ausführlich in der DE-OS 35 38 309 be
schrieben. Ferner findet sich eine ausführliche Darstel
lung der Funktion und Betriebsweise des Plasmabrenners in
dem Artikel W. Mayr und R. Henne "Investigation of a VPS
burner with laval nozzle by means of an automated laser
doppler measuring equipment" Proc. Ist. Plasmatechnik
Symposium, Luzern, 1988.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand
von Kobaltspinell (CO3O4) im einzelnen beschrieben. Dieses
Kobaltspinell wird dabei auf ein Substrat als Beschichtung
aufgetragen. Die Zugabe des Kobaltspinells kann beispiels
weise über die erste Zuführeinrichtung 54 und den ersten
Einlaßkanal 52 erfolgen, wobei das Kobaltspinell in Pul
verform vorliegt und mittels eines Trägergases von der
ersten Zufuhreinrichtung 54 zum ersten Einlaßkanal 52 und
von dort in die Lavaldüse gefördert wird. Als Trägergas
für das pulverförmige Kobaltspinell wird vorzugsweise eine
Gasmischung aus 80% O2 und 20% Ar verwendet. Dieser
Sauerstoff (O2) stellt dabei das im Plasmastrahl 16 zu
sätzlich zu dem Spritzgut mitgeführte nichtmetallische
Element in freier, nicht an ein Fremdelement gebundener
Form dar.
Der Brenner wird hierbei mit einem Plasmagasstrom betrie
ben, welcher vorzugsweise Argon als Hauptgas umfaßt. Zur
Enthalpie-Erhöhung kann zusätzlich noch Helium zugegeben
werden. Es wäre auch möglich, noch Stickstoff zur
Enthalpie-Erhöhung zuzugeben.
Vorzugsweise ist der Plasmabrenner 14 so zu betreiben, daß
sich ein langer laminarer, parallel zur Längsachse 22 ver
laufender Plasmastrahl ausbildet, welcher im Vakuum eine
Geschwindigkeit von 2000 bis 3000 Meter pro Sekunde auf
weisen kann. Zusätzlich ist die Zuführung des Spritzguts,
d. h. des Kobaltspinells so vorzunehmen, daß ebenfalls ein
nahe der Längsachse 22 verlaufender achsennaher Spritzgut
strahl 24 entsteht, wobei sich dann Spritzgutgeschwindig
keiten bis ungefähr 1000 m/sec ergeben und dieser Spritz
gutstrahl 24 dann durch den diesen umgebenden Teil des
Plasmastrahls 16 geschützt ist. Die Zeit, die das Spritz
gut zwischen seiner Injektion in die Lavaldüse 50 und
seinem Auftreffen auf dem Substrat 18 im Plasmastrahl 16
verbringt, beträgt dann weniger als 10-3 Sekunden.
Während dieser kurzen Aufenthaltszeit des Spritzgutes im
Plasmastrahl 16 erfolgt erfindungsgemäß ein Aufheizen des
Spritzguts in den Bereich der Schmelztemperatur, vorzugs
weise eine Aufschmelzung des Spritzgutes, so daß dieses
während der Verweilzeit im Plasmastrahl 16 in schmelz
flüssigem Zustand vorliegt.
Durch die kurze Aufenthaltszeit des Spritzguts im Plasma
strahl wird bereits die Zeit, die dem Spritzgut zur Zer
setzung zur Verfügung steht, sehr kurz gehalten. Darüber
hinaus wirkt der in erfindungsgemäßer Weise beim Plasma
spritzen von Kobaltspinell vom Plasmastrahl mitgeführte
Sauerstoff der Zersetzung des Kobaltspinells entgegen, da
er das Dissoziations- oder Zersetzungsgleichgewicht zum
unzersetzen Kobaltspinell hin verschiebt.
Vorzugsweise ist hierbei die Leistung des Plasmabrenners
14 so, daß das Plasma im Plasmastrahl genügend heiß und
enthalpiereich ist, um dem stromabwärts dem Plasmastrahl
16 zugeführten Sauerstoff zu dissoziieren und zu ioni
sieren und damit besonders für die Verschiebung des Reak
tionsgleichgewichts des Kobaltspinells zum Oxid hin, d. h.
also zum unzersetzten Kobaltspinell hin, zu verschieben
oder eine Rückoxidation eventuell unstöchiometrisch
gewordener Oxide durchzuführen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren darf insbesondere zur
Enthalpiesteigerung des Plasmabrenners 14 kein Wasserstoff
dem Plasmagasstrom zugesetzt werden, da dieser mit dem
über das Trägergas zugeführten Sauerstoff zu Wasser
reagieren würde.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich
besonders deutlich durch einen Vergleich einer Beschich
tung 26, aufgetragen durch das erfindungsgemäße Verfahren,
mit Verfahren vergleichen, bei welchen im Plasmastrahl 16
kein Sauerstoff mitgeführt wurde. Fig. 2d zeigt dabei ein
Röntgendiffraktogramm von Kobaltspinell, aufgetragen nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei deutlich zu erken
nen ist, daß im wesentlichen die Reflexe von Kobaltspinell
(gekennzeichnet durch ⚫) vorliegen, während bei den Ver
fahren, bei denen kein Sauerstoff im Plasmastrahl 16 mit
geführt wurde (Fig. 2b und 2c) deutlich die Reflexe von
CoO (gekennzeichnet durch ) und Co (gekennzeichnet
durch ∇) gegenüber den Reflexen von Kobaltspinell (⚫)
überwiegen, woraus eindeutig zu ersehen ist, daß das
erfindungsgemäße Verfahren die Zersetzung von Kobalt
spinell beim Plasmaspritzen nachweislich verhindert.
Die Schicht aus Kobaltspinell, deren Röntgendiffraktogramm
Fig. 2d zeigt, wurde mit folgenden Parametern erreicht:
Leistung des Plasmabrenners 14, 30 kW, Druck in der
Vakuumkammer 10, 50 mbar, Plasmagas aus Argon und Helium
und Trägergas für das pulverförmige Kobaltspinell aus 80%
O2 und 20% Ar. Die Schichtdicke betrug 200 µm und zeigte
eine sehr dichte Struktur, wobei sie fest auf Nickel als
Substrat gebunden war. Die bevorzugte Größenordnung für
das Schichtwachstum beträgt 10 µm/sec auf einer Fläche von
10 cm2, so daß in kontrollierbarer thermischer Substrat
beaufschlagung in einem Arbeitsgang die gewünschte Schicht
aufgetragen werden kann, ohne daß beispielsweise eine
Nachbehandlung erforderlich ist.
In Abwandlung des vorstehend beschriebenen Ausführungs
beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es jedoch
auch möglich, das Spritzgut über die zweite Zuführeinrich
tung 58 und den zweiten Einlaßkanal 56 dem Plasmastrahl 16
zuzusetzen, wobei als Trägergas lediglich Argon dient, und
den Sauerstoff separat über die erste Zuführeinrichtung 54
und den ersten Einlaßkanal 52, d. h. also auf der
"heißeren" Seite des Plasmastrahls zuzusetzen, da der
Sauerstoff zur Dissoziation und Ionisation sehr hohe
Temperaturen benötigt, während die Temperaturen für das
Spritzgut niederer gewählt sein können, insbesondere wenn
dieses nicht Kobaltspinell sondern ein Material mit nied
rigerer Schmelztemperatur ist.
Alternativ dazu ist es ebenfalls möglich, zwei unter
schiedliche Materialien über die erste Zuführeinrichtung
54 und über die zweite Zuführeinrichtung 58 zuzuführen,
wobei das nichtmetallische Element entweder im Trägergas
des einen oder des anderen zugeführt werden kann oder in
beiden ein jeweils für das jeweilige Material geeignetes,
nichtmetallisches Element.
Eine weitere Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht dann, wenn der Plasmabrenner 14 keine ausreichenden
Temperaturen und Enthalpien erzeugt, vor, daß der
Plasmastrom 16 stromabwärts der Lavaldüse durch eine
zusätzliche Heizung 60 noch aufgeheizt wird, wobei es bei
dieser Heizung sich beispielsweise um eine Vorrichtung zur
Einkopplung von Hochfrequenz in den Plasmastrahl 16
handelt und dies auf kapazitivem Wege oder induktivem Wege
erfolgen kann.
Claims (38)
1. Verfahren zum Auftragen einer Schicht aus keramischem
Material auf ein Substrat durch Plasmaspritzen, bei
welchem das Material als Spritzgut dem Plasmastrahl
zugesetzt wird, wobei das Material eine chemische Ver
bindung umfaßt, von welcher ein Bestandteil ein
nicht-metallisches Element aus der Gruppe N, C, B oder
aus der sechsten oder siebten Hauptgruppe ist, welche
vor Erreichen des Schmelzpunkts in inerter Umgebung
sich zumindest teilweise zersetzt und welche im auf
getragenen Zustand in der festen Phase vorliegt, da
durch gekennzeichnet, daß in dem Plasmastrahl zusätz
lich zu dem Spritzgut das nichtmetallische Element in
freier, nicht an ein Fremdelement gebundener Form mit
geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das nichtmetallische Element in dem Plasmastrahl in
dissoziierter Form mitgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das nichtmetallische Element in dem Plasmastrahl in
ionisierter Form mitgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmetallische
Element dem Plasmastrahl stromabwärts des Hochstrom
bogens zugesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das nichtmetallische Element dem Plasmastrahl auf
seiner dem Hochstrombogen zugewandten Seite und nahe
desselben zugesetzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß das nichtmetallische Element in einer
dem Plasmabrenner nachgeordneten Lavaldüse dem Plasma
strahl zugesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das nichtmetallische Element mit dem Spritzgut zusam
men dem Plasmastrahl zugesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmetallische Ele
ment in Gasform in den Plasmastrahl eingebracht wird.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmetallische Ele
ment durch ein dieses freisetzendes Gas in den Plasma
strahl eingebracht wird.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmetallische Ele
ment von einem Fördermedium für das Spritzgut umfaßt
ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fördermedium für das Spritzgut gasförmig ist.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das dem Plasmastrahl zu
gesetzte Spritzgut pulverförmig ist.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl im we
sentlichen frei von chemischen Elementen ist, die mit
dem nichtmetallischen Element zu stabilen chemischen
Verbindungen reagieren.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß der Plasmastrahl im wesentlichen wasserstoffrei
ist.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein zum Plasmaspritzen
verwendetes Plasmagas ein Edelgas umfaßt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß das Plasmagas Argon umfaßt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Plasmagas Helium umfaßt.
18. Verfahren nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekenn
zeichnet, daß Helium oder Stickstoff als die freie
Enthalpie erhöhendes Zusatzgas dem Argon als Haupt
plasmagas zugegeben wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß das gasförmige, nichtmetallische
Element mit einem Anteil von mehr als 5% der vom
Plasmastrahl umfaßten Gase in diesen mitgeführt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß das gasförmige, nichtmetallische Element mit
einem Anteil von mehr als 15% der vom Plasmastrahl
umfaßten Gase in diesen mitgeführt wird.
21. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmastrahl eine
eine Dissoziation des nichtmetallischen Elements
bewirkende Enthalpie und Temperatur aufweist.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
daß der Plasmastrahl eine eine Ionisation des nicht
metallischen Elements bewirkende Enthalpie und Tempe
ratur aufweist.
23. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Hochstrombogen
nachgeordnete zusätzliche Heizung für den Plasma
strahl vorgesehen ist.
24. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet,
daß die zusätzliche Heizung über eine Hochfrequenz
einkopplung in den Plasmastrahl erfolgt.
25. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung
ein Metall als weiteres chemisches Element umfaßt.
26. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung
im Bereich der Schmelztemperatur eine im Bereich von
Null und darüber liegende freie Bildungsenthalpie
aufweist.
27. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung
in dem Plasmastrahl auf mindestens ungefähr 500°C
erhitzt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet,
daß die chemische Verbindung in dem Plasmastrahl auf
mindestens ungefähr 1000°C erhitzt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß die chemische Verbindung in dem Plasmastrahl auf
mindestens ungefähr 1500°C erhitzt wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet,
daß die chemische Verbindung in dem Plasmastrahl auf
mindestens ungefähr 2000°C erhitzt wird.
31. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung
in dem Plasmastrahl mindestens auf eine Temperatur im
Bereich ihres Schmelzpunkts erhitzt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet,
daß die chemische Verbindung mindestens auf eine
ihrem Schmelzpunkt entsprechende Temperatur erhitzt
wird.
33. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Material als kataly
tisch aktive Beschichtung dient.
34. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, das Material als elektroka
talytisch aktive Beschichtung dient.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch
gekennzeichnet, daß das Material als tribologisch
wirksame Beschichtung dient.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch
gekennzeichnet, daß das Material als supraleitende
Beschichtung dient.
37. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmaspritzen in
Vakuum durchgeführt wird.
38. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmaspritzen mit
einem Überschallstrahl durchgeführt wird.
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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