DE4036858A1

DE4036858A1 - Verfahren und vorrichtung zum beschichten von werkstuecken durch plasmaspritzen

Info

Publication number: DE4036858A1
Application number: DE4036858A
Authority: DE
Inventors: Alexander W Dr Ing Koch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-11-19
Filing date: 1990-11-19
Publication date: 1992-05-21

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten von Werkstücken durch Plasmaspritzen, wobei ein Plasmamedium, z. B. Argongas oder Argongas mit einem Sekundärgas (Wasserstoff) durch Aufheizen in den Plasmazustand überführt wird und dann dem Plasma das Beschichtungsmaterial in Form von Partikeln zugeführt wird, die im Plasma aufschmelzen und mittels des durch thermische Expansion beschleunigten Plasmastrahls auf das Werkstück geschossen werden.

Bei bekannten Plasmaspritzverfahren wurde der Plasmastrahl durch Lichtbögen erzeugt, die eine Elektrodenanordnung, bestehend aus einer ringförmigen Anode und einer zylinderförmigen Kathode, benötigen. Dabei wurden in die aus der Anodendüse austretenden Plasmastrahlen die Partikel von einigen Mikrometer Größe radial eingebracht und durch den Plasmastrahl auf das zu beschichtende Material transportiert. Diese Partikel schmelzen im Plasma auf, das heißt sie werden um einen noch festen Kern schmelzflüssig und treffen dann mit hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Substratfläche auf. Der Vorteil des Plasmaspritzens besteht im wesentlichen darin, daß praktisch alle Werkstoffe mit beliebigen, dann fest haftenden Schichten versehen werden können. Nachteilig an den bekannten Verfahren erweist sich der Materialabbrand an den Elektroden, der durch den Lichtbogen verursacht wird, wodurch der Plasmaspritzstrahl und damit die hergestellte Oberflächenschicht verunreinigt wird. Wegen der radialen Zuführung des Spritzpulvers kann eine homogene Verteilung des Spritzgutes im Plasmastrahl nicht erreicht werden und dies führt zu einer inhomogenen Schichtbildung. Außerdem werden die Partikel teilweise nur ungenügend aufgeschmolzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Plasmaspritzen zum Zwecke der Oberflächenbeschichtung dadurch zu verbessern, daß die Spritzpartikel homogen im Spritzgut verteilt werden und der Zutritt von Verunreinigungen in den Plasmastrahl verhindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das der Plasmaerzeugung dienende Hochfrequenzfeld wird vorzugsweise durch eine geschlitzte Hochfrequenzantenne zylindrischer Bauart abgestrahlt. Diese in einem Gehäuse angeordnete Schlitzspule ermöglicht eine koaxiale Zuführung von Gas und Partikeln, so daß eine homogene Verteilung des Spritzgutes im Plasmastrahl erfolgen kann, ohne daß durch Abbrand erzeugte Fremdkörper in den Plasmastrahl gelangen könnten.

Hierbei können herkömmliche 2,45 GHz-Sender (Mikrowellenherd) Verwendung finden, wodurch dieses Verfahren auf wirtschafliche Weise durchgeführt werden kann. Die übertragbare Leistung liegt im Kilowattbereich und mehr, und ist damit mit der Leistung bekannter Plasmaspritzbrenner vergleichbar.

Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten elektrodenlosen Plasmabrenners,

Fig. 2 eine axiale Ansicht des Brenners von vorne.

Zur Erzeugung des Hochfrequenzfeldes dient eine zylinderförmige Schlitzantenne 1. Die Schlitzantenne 1 ist mit einer geschlossenen Abschirmung 2 umgeben. Die Zuführung der HF-Leistung erfolgt über einen Koaxialleiter 3, dessen Innenleiter mit der Schlitzantenne 1 und dessen Außenleiter mit der Abschirmung 2 verbunden ist. Durch den hinteren Deckel der Abschirmung 2 ist koaxial zur Achse der zylindrischen Antennenspule 1 ein Rohrsystem 4 geführt, daß aus einem äußeren Rohr besteht, über das die Plasmamedien 5 z. B. Argon oder ein Gemisch von Argon mit einem Sekundärgas (Wasserstoff, Stickstoff) zugeführt werden. Konzentrisch innerhalb dieses Rohres liegt ein zweites Rohr, über das die Spritzpartikel 6 mit einem Trägergas (z. B. Argon), zugegeben werden. Über Kühlwasseranschlüsse 7 wird Kühlwasser zwischen die Antennenabschirmung 2 und ein Brenner gehäuse 8 geleitet. Am Plasmastrahlaustritt befindet sich eine Lavall-Düse 9 zur Anpassung an den jeweiligen Umgebungsdruck bereich. Das Plasmaspritzen findet in üblicher Weise innerhalb eines abgeschlossenen Gefäßes statt, welches evakuiert werden kann. Ein ausgeprägtes Vakuum ist nicht erforderlich.

Eine ringförmige Magnetfeldspule 10 erzeugt ein poloidales Magnetfeld 11, welches den Plasmastrom 12 radial einschnürt und auf diese Weise einen komprimierten Plasmastrahl herstellt. Zusätzliche Hilfsmagnetfelder 14 werden durch externe Spulen 13 aufrechterhalten und diese sind vorgesehen, um eine Plasmastrahlrotation zu bewirken, die für verschiedene Anwendungen benötigt wird.

Die Hauptdriftrichtung 15 des Plasmastrahls ist aufgrund der Beschleunigung des Gases durch thermische Expansion axial gerichtet und die Zusatzmagnetfelder dienen dem magnetischen Einschluß des Plasmas.

Zur Führung des Plasmas ist koaxial innerhalb der Schlitzantenne 1 ein gegebenenfalls über die Kühlwasseranschlüsse 7 gekühltes Quarzrohr 16 angeordnet, an dessen vorderes Ende die Lavalldüse 9 anschließt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich insbesondere dann vorteilhaft einsetzen, wenn ein hoher Aufschmelzgrad der Partikel erzielt werden soll und ein homogener Schichtaufbau von Bedeutung ist, da die Verweildauer der Partikel im Plasma wesentlich größer als bei externer Pulverzugabe ist. Die Partikel sind bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens inhärent homogen verteilt.

Durch die Erfindung wird eine wirtschaftliche Verwertung der dem Plasma zugeführten Energie gewährleistet, und zwar durch den Einsatz wirtschaftlicher 2,45 GHz HF-Quellen und durch Aufheizung der injizierten Partikel im heißen Zentralplasma. Bei herkömmlichen Verfahren werden demgegenüber die Partikel erst im bereits abgekühlten externen Plasmastrahl aufgeschmolzen. Die übertragbare Leistung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 kW/cm³ (inneres Volumen der Antenne).

Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Plasmaspritz- Beschichtungsverfahrens beschrieben. Der nach der Erfindung elektrodenlos erzeugte Plasmastrahl kann jedoch auch für andere Anwendungen, z. B. bei der Materialprüfung, der Dünnschichttechnologie, beim Plasmaschneiden, -schweißen und in der Plasmachemie Anwendung finden.

Claims

1. Verfahren zum Beschichten von Werkstücken durch Plasmaspritzen, wobei ein Plasmamedium, z. B. Argongas oder Argongas, mit einem Sekundärgas (Wasserstoff, Stickstoff) durch Aufheizen in den Plasmazustand überführt wird und dem Plasma des Beschichtungsmaterials in Form von Partikeln zugeführt wird, die im Plasma aufschmelzen und mittels des thermisch und/oder magnetisch beschleunigten Plasmastrahls auf das Werkstück geschossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Überführung des Gases in den Plasmazustand durch Aufheizen in einem elektrodenlosen Hoch frequenzfeld erfolgt und die Partikel beliebig (auch zentral) zugegeben werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochfrequenzfeld durch eine zylindrische Antennenspule erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine koaxiale Schlitz antenne ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antennenspule das Gas zusammen mit den Partikeln axial zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmamedium (5) den Partikel strahl (6) umschließend zugeführt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmabrenner eine Schlitz antenne (1) vorgesehen ist, die eine geschlossene Abschirmung besitzt und über eine Koaxialzuführung (3) mit HF-Leistung versorgt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch den hinteren Deckel der Abschirmung koaxial ein Rohrsystem (4) einsteht, welches ein äußeres, der Zuführung des Plasmamediums (5) dienendes Rohr stück, und ein koaxial innenliegendes Rohrstück zur Zuführung der Beschichtungspartikel (6) in einem Trägergas aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die Austrittsseite der Schlitz antenne eine Lavalldüse (9) angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Brennergehäuse (8) umgebende Magnetspule (10) vorgesehen ist, die ein poloidales Magnetfeld (11) erzeugt, das den Plasmastrom (12) radial einschnürt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß externe Magnetspulen (13) vorgesehen sind, die Hilfsmagnetfelder (14) erzeugen, um eine Plasmastrahlrotation zu bewirken.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzantenne (1) von einem Kühlwassermantel umschlossen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial innerhalb der Schlitzantenne (1) ein Quarzrohr (16) angeordnet ist, an dessen vorderes Ende die Lavalldüse (9) anschließt.