DE4216688C1

DE4216688C1 - Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Spritzen von pulver- oder draht- oder stabförmigen Spritzzusatzwerkstoffen

Info

Publication number: DE4216688C1
Application number: DE4216688A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dieter Huehne
Original assignee: UTP Schweissmaterial GmbH and Co KG
Current assignee: UTP Schweissmaterial GmbH and Co KG
Priority date: 1992-05-21
Filing date: 1992-05-21
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2012-05-22
Also published as: WO1993023585A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen von pulver- oder draht- oder stabförmigen Spritzzusatzwerkstoffen.

Beim thermischen Spritzen von pulver-, draht- oder stabförmigen Spritzzusatzwerkstoffen, bevorzugterweise beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Plasmapulverflamm spritzen, wird der draht-, pulver- oder stabförmige Spritzzusatzwerkstoff in eine Gassauerstofflamme oder einen Hochenergielichtbogen (Plasmaflamme) zum Zwecke der Schmelzung und Beschleunigung eingeführt bzw. zugeführt. Je nach der angewandten Verfahrensweise tritt dann der schmelzflüssige oder schmelzplastische Spritzzusatzwerkstoff gemeinsam mit einer umhüllenden Flamme aus dem Brenner bzw. aus dessen Expansionsdüsenbohrung heraus und wird so auf das zu beschichtende Substrat aufgebracht.

Es liegt nun der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß diese, den schmelzplastischen bzw. schmelzflüssigen Spritzzusatzwerkstoff umgebende Flamme, auch negative Eigenschaften auf das Spritzergebnis hat. Unter anderem oxidieren in der, den Spritzzusatzwerkstoff umgebenden Flamme Spritzzusatzpartikel, die sich dann in die Spritzschicht auf dem zu beschichtenden Substrat einbetten und somit eine allgemeine Schichtqualitätsminderung hervorrufen.

Beim thermischen Spritzen von draht- oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen entsteht ein Spritzstrahl, in dessen Zentrum sich der schmelzplastische oder schmelzflüssige Spritzzusatzwerkstoff befindet, der von der Heizflamme umhüllt wird.

Der Spritzstrahldurchmesser sowie die kinetische oder thermische Energie hängen weitestgehend von dem Spritzverfahren, Spritzzusatzwerkstoff und einer Vielzahl weiterer Faktoren, auf die im einzelnen nicht eingegangen wird, ab.

Die Qualität der Spritzschicht hängt ebenfalls von einer Vielzahl von einflußnehmenden Faktoren ab, wobei unter anderem die Substrat- und Schichttemperatur, die während des Spritzprozesses erreicht wird, eine sehr wichtige Rolle spielt. Sie soll in jedem Falle so niedrig wie möglich gehalten werden, um Verzug und Gefügeveränderungen des Grundwerkstoffes auszuschließen. Hohe Substrat- und Schichttemperaturen führen zu Rißbildungen und zum Abplatzen der Schichten sowie zu hohen Spannungen in der Spritzschicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die den schmelzplastischen bzw. schmelzflüssigen Spritzzusatzwerkstoff von der diesen umhüllenden Flamme trennt, also die vorherrschende thermische Energie dämmt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß des vorgeschlagenen Anspruchs 1, sowie durch eine Vorrichtung gemäß des Anspruchs 16 gelöst.

Besondere Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Es ist hierbei vorgesehen, daß der aus dem jeweiligen Brenner austretende schmelzplastische oder schmelzflüssige Spritzzusatzwerkstoff von seiner ihn umhüllenden Flamme weitestgehend getrennt wird, indem der zu erwartende Spritzzusatzwerkstoffstrahl in einem Zentralkanal eines Flammstoppers eingeleitet wird, wobei die umhüllende Flamme von einem Hitzeschild umgelenkt wird. Je nach verwendeten Gas- und Zusatzwerkstoffmedien wird der Durchmesser des Zentralkanales sowie der Abstand des Flammenstoppers zur Brenneraustrittsöffnung eingestellt, koaxial ausgerichtet und fixiert.

Die in der Praxis einzustellenden bzw. zu erwartenden Parameter sind von großer Bedeutung.

Beim HVOF (High Velocity Oxygen Fuel)-Spritzen wird z. B. mit folgenden Betriebsgasen gearbeitet.

Gaskombinationen
Verbrauchswerte/h
1. C₂H₂ + O₂
C₂H₂ - 6,5 m³/h + O₂ - 6,8 - 9,7 m³
2. H₂ + O₂	H₂ - 30,0 - 60,0 m³/h + O₂ - 15,0 - 30,0 m³
3. C₃H₈ + O₂	C₃H₈ - 3,0 - 6,0 m³/h + O₂ - 13,0 - 26,0 m³
4. Propylen + O₂	dto. 3,0 - 6,0 m³/h + 11,0 - 22,0 m³

Beim Betrieb eines HVOF-Brenners zum thermischen Spritzen ergeben sich z. B. bei den nachfolgenden Einstellparametern folgende Wärmeenthalpien, die auf die Spritzschicht und das Substrat einwirken:

1. Gaskombination

13,0 m³ Sauerstoff oberer Heizwert 285 020 kJ
+ 8,07 m³ Propangas unterer Heizwert 278 530 kJ

2. Gaskombination

7,45 m³ Sauerstoff oberer Heizwert 335 280 kJ
+ 5,2 m³ Azetylen unterer Heizwert 315 310 kJ

3. Gaskombination

15,0 m³ Sauerstoff oberer Heizwert 383 970 kJ
+ 30,0 m³ Wasserstoff unterer Heizwert 323 680 kJ

Aufgrund der oben genannten Realitäten der starken Temperatureinwirkung beim thermischen Spritzen auf Spritzschicht und Substrat, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem es möglich ist, die bisherigen Probleme beim thermischen Spritzen zu vermeiden oder entscheidend zu vermindern.

Um diese Aufgabe zu lösen wurde zunächst mit einer HVOF- Beschichtungsanlage bei exakt definierten Spritzparametern mit verschiedenen Spritzzusatzwerkstoffen die entstehenden Spritzstrahldurchmesser bei verschiedenen Spritzabständen ermittelt:

Dabei sind die angeführten Spritzzusatzwerkstoffe in der folgenden Tabelle näher spezifiziert:

Anhand den beigefügten Zeichnungen, die besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, wird diese nun näher erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante des erfindungs gemäßen Flammenstoppers mit Kühlgas- bzw. Schutz gasführungsgehäuse.

Fig. 2 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Flammenstoppers ohne Stirngehäuse.

Fig. 3 eine Ansicht aus der in Fig. 2 angedeuteten Richtung A.

Fig. 4 ein wassergekühlter Flammenstopper.

Fig. 5 eine weitere Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6 eine Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole, auf der der erfindungsgemäße Flammenstopper montiert wird, im Schnitt.

Fig. 7 und 8 eine Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole mit montiertem Flammenstopper.

Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Flammenstopper. Mit dem Bezugszeichen 1 ist der Brenner, hier als eine Hochgeschwindigkeitsspritzpistole gekennzeichnet. Am Ende des Brenners 1 befindet sich der Expansionsdüsenaustritt 5, aus dem der schmelzplastische oder schmelzflüssige Spritzzusatzwerkstoff als Spritzstrahl 33 mit seinen Spritzpartikeln und Machschen-Schockknoten, umhüllt von einer Flamme 34, austritt.

Erfindungsgemäß wird nun ein Flammenstopper 19 zwischen Expansionsdüsenaustritt 5 und zu beschichtenden Substrat 35 zwischengeschaltet.

Bevor nun das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben wird, soll anhand der Fig. 6 eine Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole kurz umschrieben werden, auf welche die erfindungsgemäße Vorrichtung montiert wird.

Der Brenner 1 weist ein Brennergehäuse 50, einen Heckanschlußblock 51 für die Betriebskomponenten und eine Außenschraubhülse 52, die die Expansionsdüse 53 mit Zwischenschraubhülse 54, aufnimmt. Innerhalb der Expansionsdüse 53 setzt sich die Expansionsdüsenbohrung 55, und im Anschluß daran, die Brennkammer 56 fort. Von dem Brennergehäuse 50 wird der Gasmischblockträger 57 sowie der Injektorgasmischblock 58 nebst Anpreßschraube 59 aufgenommen. Im Zentrum des Brenners 1 verläuft der Zuführungskanal 60 für pulver-, draht- oder stabförmiges Zusatzwerkstoffmaterial, gegebenenfalls mit Fördergas. Mit dem Bezugszeichen 61 ist der Kühlwassereingang gekennzeichnet, während der Kühlwasserausgang 62 verdeckt ist. Mit dem Bezugszeichen 63 ist der Verbrennungsgas (Sauerstoff)-Anschluß gekennzeichnet, während der Brenngasanschluß 64 wiederum verdeckt ist. Mittels den Imbusschrauben 65 erfolgt die Montage des Heckanschlußblockes 51 auf dem Brennergehäuse 50.

Im Gasmischblockträger 57 ist mit dem Bezugszeichen 66 die radiale Druckausgleichskammer für Sauerstoff bzw. das Verbrennungsgas und mit dem Bezugszeichen 67 die radiale Druckausgleichskammer für Brenngase gekennzeichnet. Der Zuführungskanal 60 wird durch die auswechselbare Hartmetallprofilhülse 68 sowie die ebenfalls auswechselbare Hartmetallprofilhülse 69 gebildet. Im Gasmischblockträger 57 ist eine Brenngasaxialbohrung 70 und eine Verbrennungsgasaxialbohrung 71 dargestellt. Im Injektorgasmischblock 58 ist ein radialer Ringraum für das Verbrennungsgas 72 und ein radialer Ringraum für Brenngase 73 erkennbar. Der radiale Ringraum für das Verbrennungsgas 72 geht in Injektordruckdüsenbohrungen 74 über und führen in Injektormischdüsenbohrungen 75, welche abwechselnd axial und fokussierend ausgerichtet sind, ein. Das dort ausströmende Gemisch gelangt sodann in die Brennerkammer 56. Es ist hierbei noch anzumerken, daß zwischen den Injektormischdüsenbohrungen 75 und dem radialen Ringraum für Brenngase 73 bzw. dem radialen Ringraum für Verbrennungsgas 72 die radiale Ringnut für Brenngase 76 zwischengeschaltet ist. Mit dem Bezugszeichen 77 sind die Kühlwasserbohrungen für die Rückführung bezeichnet.

Im Bereich der Expansionsdüse 53 ist zwischen Außenschraubhülse 52 und Zwischenschraubhülse 54 der Kühlwasserzugang 78 dargestellt, welche in radiale Bohrungen 79 zur Kühlwasserrückführung 80 übergehen. Der Expansionsdüsenaustritt ist mit dem Bezugszeichen 5 beziffert.

Erfindungsgemäß gilt nun die an dieser Expansionsdüsenaustrittsbohrung 5 auftretenden Parameter hinsichtlich Energie und Masse aufzunehmen und den gewünschten Verhältnissen zuzuführen bzw. diese zu manipulieren und herbeizuführen.

Anhand der Fig. 1 wird nun der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Ein erstes Gehäuseteil 4 trägt ein Hitzeschild 7, das in Richtung Expansionsdüsenaustritt 5 des Brenners 1 ausgerichtet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Hitzeschild 7 bzw. die zum Expansionsdüsenaustritt 5 gerichtete Fläche 6 des Flammmenstoppers 19 gewölbt ausgebildet und umgibt den Zentralkanal 2, der hier in diesem Ausführungsbeispiel konisch gegen das zu bespritzende Substrat 35 ausläuft. Neben einer Stirnhülse 21 ist ein Gasführungsgehäuse 22 zu erkennen. Im Innern der vorgenannten Gehäuseteile ist eine Kühlwasserführungshülse 20 eingelassen. Diese Teile bilden im Zusammenspiel mit den Einführkanälen, die in den Führungssäulen integriert sind, sowie mit den Flanschteilen zur Befestigung am Brenner, die erfindungsgemäße Vorrichtung, Flammenstopper 19 genannt. Seitlich sind der Kühlwasserzuführkanal 15, der Kühlwasserrückführkanal 16, sowie die Schutzgas- oder Kühlgaszugangskanäle 17 und 18 angeordnet, die in das Gehäuseinnere einführen, derart, daß sie die jeweiligen Ringräume bzw. Kanäle ver- oder entsorgen. Zwischen der Kühlwasserführungshülse 20 und dem ersten Gehäuseteil 4 ist ein Kühlwasserringraum 23 für den Rücklauf sowie ein Kühlwasser-Radial-Axial-Kanal 25 und ein Kühlwasserkanal 32 gebildet.

Der Kühlwasserkanal 32 liegt zwischen Kühlwasserführungshülse 20 und Hitzeschild 7, während der Kühlwasser-Radial-Axial-Kanal 15 zwischen der Kühlwasserführungshülse 20 und Spritzstrahlführungsrohr 26 geschaffen ist. Im Kühlwasserrückführkanal 16 ist, ein zum Kühlwasserringraum 23 des Rücklaufes gerichteter Kühlwasserdurchgangskanal 36 eingebracht, während im Kühlwasserzuführkanal 15 ein solcher Durchgangskanal 37 für den Vorlauf zum Kühlwasserringraum 24 vorgesehen ist. Letzterer wird zwischen Kühlwasserführungshülse 20 und Stirnhülse 21 gebildet und steht mittels Kühlwasserradialbohrungen 38 mit dem Kühlwasser-Radial- Axial-Kanal 18/17 in Verbindung.

Ferner ist in der Stirnhülse 21 ein Schutz oder Kühlgasringraum 27 eingelassen, der durch die Schutzgas- oder Kühlgaskanäle 3 gespeist wird.

Selbstverständlich liegt zwischen den Gehäuseteilen 4, 21, 22 sowie Hülsenteile 20, nebst Kanälen 15 bis 18 jeweils eine Abdichtung vor.

Der zwischen Gasführungsgehäuse 22 und Stirnhülse 21 gebildete radiale Ringkanal 30 sowie die radialen Austrittskanäle 31 werden durch die Axialaustrittskanäle 29 des der Stirnhülse 21 gespeist.

Erfindungsgemäß wird nun der Spritzstrahl 33 mit schmelzplastischen Spritzpartikeln und den Machschen- Schockknoten in die Zentralbohrung 2, ohne seine zuvor umhüllende Flamme 34, aufgenommen. Letztere wird durch das Hitzeschild 7 abgelenkt. Die dabei abgeleitete thermische Energie wird durch das in den Kühlkanälen befindliche Kühlwasser aufgenommen und abgeführt. Über das nachgeschaltete Gasführungsgehäuse 22 wird gezielt eine Schutzgashülle mit kontrollierten und gewünschten Parametern auf den Spritzstrahl 33a gelegt, was als Schutz- oder Kühlgasschlauch 39 fungiert und zusammen mit dem Spritzstrahl 33 auf das zu beschichtende Substrat 35 auftrifft und die Spritzschicht 40 bildet.

Der komplette Flammenstopper 19 wird vor der Montage und Zusammenbau mit der Flammspritzpistole 1 mit dem entsprechend festgelegten Spritzstrahlführungsrohr ausgestattet und anschließend so montiert und mit einem Zentrierdorn mit der Spritzpistole 1 so fixiert, daß nur der Spritzstrahl 33 des schmelzflüssigen Spritzzusatzwerkstoffes in das Spritzstrahlführungsrohr 26 einmünden kann und die umhüllende Heizflamme 34, die mit einer Antihaftschicht versehene Fläche des Hitzeschildes 27 beaufschlagt. Der Abstand zwischen Spritzstrahlaustritt aus der Spritzpistole 1 und der Einmündung in den Flammenstopper 19 ist variabel einstellbar. Nachdem die voran beschriebene Montage und Einstelloperation abgeschlossen ist, wird das System an einen geschlossenen Kühlwasserkreislauf angeschlossen. Wie bereits erwähnt wird das aus dem Flammenstopper 19 austretende erwärmte Kühlwasser in einen Wärmetauscher bzw. einer Wärmepumpe eingeleitet, um die eingesetzte thermische Energie gegebenenfalls für Heizzwecke zurückzugewinnen. Der Flammenstopper 19 wird zusätzlich mit Zuführungseinrichtungen für Schutz- bzw. Kühlgase versehen. Über den Anschluß 15 wird das von dem Wärmetauscher oder der Wärmepumpe rückgeführte Kühlwasser in den Flammenstopper 19 eingeleitet. Es gelangt anschließend über den Kühlwasserdurchgangskanal 37 in den Kühlwasser-Radial- Ringraum 24 und strömt über die Radialbohrung 38 auf die Außenwandungen des Spritzstrahlführungsrohres 20. Beim Auftreffen des Kühlwassers auf das Funktionselement Spritzstrahlführungsrohr erwärmt sich das Kühlwasser, da das Bauteil von innen von dem heißen schmelzplastischen Spritzzusatzwerkstoff durchströmt wird. Das erwärmte Kühlwasser gelangt über den Kühlwasser-Radial-Axial-Kanal 25 in den Kühlwasserkanal 32 und kühl dabei das Hitzeschild bzw. Flammenabweiser 7 um alsdann in den Kühlwasser- Radial-Ringraum 23 zu gelangen (Kühlwasserrücklauf).

Das erwärmte Kühlwasser strömt dann über den Kühlwasserdurchgangskanal 36 in den Kanal 28, um nach dem Verlassen des Anschlußstutzens über ein Leitungssystem zum Wärmetauscher bzw. Wärmepumpe zu gelangen. Der aus der HVOF- Spritzpistole 1 austretende Spritzartikelhochgeschwindig keitsstrahl 33, der von einer Heizflamme 34 ummantelt ist, durchströmt mit Überschallgeschwindigkeit den Flammenstopperkanal bzw. Zentralkanal 16 (zylindrischer oder konischer Kanal) und tritt stirnseitig ohne umhüllende Heizflamme aus.

Aus dem stirnseitig an dem Flammenstopper 19 angebrachten Gehäuse 22, tritt rechtwinklig zur Spritzachse schlauchförmig Schutz- oder Kühlgas aus, und umhüllt den beschleunigten Spritzpartikelstrahl 33a. Bei der Zuführung von Schutzgasen, wie z. B. Argon, Helium oder andere Formiergase werden die schmelzplastischen Spritzpartikel von Oxidation, d. h. Reaktion mit Sauerstoff, bis zum Auftreffen auf das zu beschichtende Substrat geschützt. In Sonderfällen werden anstelle der vorgenannten Schutzgase Druckluft oder andere Kühlgase zugeführt, um den Spritzstrahl abzukühlen, z. B. beim Verarbeiten von Metalloxiden und Cermets.

Die den Spritzzusatzwerkstoffstrahl 33 umhüllende Heizflamme 34 wird durch das Hitzeschild 7 des Flammenstoppers 19 (Flammenabweiser), der mit einer Antihaftschicht versehen ist, abgelenkt. Feine oxidierende Spritzpartikel, die in der Fachsprache als Overspray bezeichnet werden, erreichen ebenfalls durch die Ablenkung der umhüllten Heizflamme 34 nicht die Substratoberfläche, was zu besseren, dichteren und oxidärmeren Schichtqualitäten führt.

Die thermische Energie, der den Spritzpartikelstrahl umhüllenden Heizflamme 34 wird durch die hervorragende Wärmeleitfähigkeit des Hitzeschildes 7 in das Kühlwasser zu etwa 50% überführt und kann, wie bereits beschrieben, recycelt und anderen Verwendungszwecken zugeführt werden.

Das für Schutzgaswirkung erforderliche Gas Argon, Helium, Stickstoff und andere wird über die Anschlüsse 17, 18 zugeführt, gelangt alsdann in den radialen Ringraum 27, um durch eine Vielzahl von Axialbohrungen 29 in einen stirnseitig angebrachten Radial-Ring-Kanal 30 einzumünden. In dem endlosen Ringkanal 30 wird der sich vereinigende, druckausgleichende Schutzgas- oder Kühlgasstrom um 90 Grad umgelenkt, um über die Radialspalte oder Radialaustrittskanal 31 rechtwinklig zur Spritzachse auf den hochbeschleunigten Spritzstrahl aufzutreffen, und denselben mit einem Schutzgasmantel zu versehen. Der mit Schutz- oder Kühlgas umhüllte Hochgeschwindigkeitsspritz strahl trifft alsdann auf das Substrat 35 auf und bildet die Spritzschicht 40.

Fig. 1a zeigt eine Ausführungsvariante der Kühlwasser führungshülse 20, die an ihrem Kopfbereich winkelig ausläuft, um dem außen vorbeiströmenden Gas eine Strömungsneigung zu verleihen.

Die Fig. 2 zeigt eine weitere Variante der vorliegenden Erfindung, wobei das Gasführungsgehäuse 22 für das Schutzgas oder Kühlgas entnommen ist.

Die gleichen Elemente sind hier mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die Fig. 3 zeigt eine Ansicht aus der in Fig. 2 angedeuteten Richtung A, wobei nochmals die radial angeordneten Axialaustrittskanäle 29 zu erkennen sind.

Die Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Ausführungsvariante, ohne die Verwendung von Kühl- oder Schutzgas. Auch hier sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die Fig. 5 zeigt eine Variante der Erfindung.

Die Fig. 7 zeigt den in Fig. 6 geschnitten dargestellten Hochgeschwindigkeitsbrenner als Spritzpistole, ausgebildet mit aufgesetzten Flanschen, die den erfindungsgemäßen Flammenstopper aufnehmen, während die Fig. 8 eine Ansicht aus der in Fig. 7 angedeuteten Richtung B zeigt. Mit dem Bezugszeichen 8, 9, 10 und 11 sind die innerhalb der Flansche 12 und 13 verfahrbaren Führungsäulen gekennzeichnet, in denen auch die Versorgungskanäle für Kühlwasser bzw. Schutz- und Kühlgas integriert sind. Auch hier sind wiederum die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen, mit dem/der es möglich ist, bei jedem beliebigen Spritzwerkstoff durch Einbau des entsprechenden Flammenstoppers den reinen Spritzstrahl von der umhüllenden Flamme abzutrennen, in dem der erfindungsgemäße Flammenstopper exakt zentrisch fixiert mit der thermischen Spritzeinheit, z. B. einem HVOF- Spritzbrenner, angeordnet wird. Der Abstand der Einheit zum Spritzstrahlaustritt und umhüllender Flamme aus dem HVOF- Brenner sowie die Querschnitte und Form der Flammenstopper sind variabel einstellbar bzw. wählbar. Der erfindungsgemäße Flammenstopper mit Schutzgas oder Kühlgasspritzstrahlumhüllung wird derart angewendet, daß der hochbeschleunigte Spritzstrahl, bestehend aus schmelzplastischen Spritzpartikeln, den Flammenstopper durchströmen und praktisch ohne die umhüllende Heizflamme auf das zu beschichtende Substrat auftreffen.

Die thermische Energie der umhüllenden Heizflamme wird auf dem, mit einer Antihaftschicht versehenen Hitzeschild des Flammenstoppers abgelenkt und zum größten Teil in das Kühlwasser überführt. Die in dem Kühlwasser sich befindende thermische Energie wird während des Betriebes über einen Wärmetauscher und/oder eine Wärmepumpe zurückgewonnen und z. B. einem Heizkreislauf zugeführt. Overspray (oxidierte Spritzpartikel) werden von dem Flammenstopper ebenfalls abgefiltert und nicht in die Spritzschicht eingelagert.

Der hochbeschleunigte, schmelzplastische Spritzpartikelstrahl tritt aus dem Flammenstopper ohne Flammenhülle aus und wird alsdann mit Schutzgas oder Kühlgas umhüllt zum Auftreffen auf dem Substrat.

Bezugszeichenliste

1 Brenner/Flammspritzpistole
2 Zentralkanal
3 Flammenachse/Brennerachse
4 Gehäuse
5 Flammenaustrittsbohrung des Brenners/Expansionsdüsenaustrittsbohrung
6 Fläche des Flammenstoppers mit Hitzeschild
7 Hitzeschild
8 Führungssäulen
9 Führungssäulen
10 Führungssäulen
11 Führungssäulen
12 Flansch
13 Flansch
14 -
15 Kühlwasserzuführkanal
16 Kühlwasserzuführkanal
17 Kühlgaskanal
18 Kühlgaskanal
19 Flammenstopper
20 Kühlwasserführungshülse
21 Stirnhülse
22 Gasführungsgehäuse
23 Kühlwasserringraum
24 Kühlwasserringraum
25 Kühlwasser-Radial-Axial-Kanal
26 Spritzstrahlführungsrohr
27 Schutz- oder Kühlgasringraum
28 -
29 Austrittskanal
30 Ringkanal
31 Austrittskanal
32 Kühlwasserkanal
33 Spritzstrahl
33a Spritzpartikelstrahl
34 Flamme
35 Substrat
36 Kühlwasserdurchgangskanal
37 Durchgangskanal
38 Kühlwasserradialbohrung
39 Schutz- oder Kühlgasschlauch
40 Spritzschicht
41 -
42 -
43 -
44 -
45 -
46 -
47 -
48 -
49 -
50 Brennergehäuse
51 Heckanschlußblock
52 Außenschraubhülse
53 Expansionsdüse
54 Zwischenschraubhülse
55 Expansionsdüsenbohrung
56 Brennkammer
57 Gasmischblockträger
58 Injektorgasmischblock
59 Anpreßschraube
60 Zuführkanal
61 Kühlwassereingang
62 Kühlwasserausgang
63 Verbrennungsgas(Sauerstoff)-Anschluß
64 Brenngasanschluß
65 Imbusschrauben
66 radiale Druckausgleichskammer
67 radiale Druckausgleichskammer
68 Hartmetallprofilhülse
69 Hartmetallprofilhülse
70 Brenngasaxialbohrung
71 Verbrennungsgasaxialbohrung
72 Verbrennungsgas
73 Brenngase
74 Injektordruckdüsenbohrungen
75 Injektordruckdüsenbohrungen
76 Brenngase
77 Kühlwasserbohrungen für die Rückführung
78 Kühlwasserzugang
79 Bohrungen
80 Kühlwasserrückführung

Claims

1. Verfahren zum thermischen Spritzen von pulver- oder stab- oder drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoffen, bevorzugterweise zum Hochgeschwindigkeitspulverflamm spritzen oder Plasmapulverflammspritzen, wobei der draht- oder pulverförmige- oder stabförmige Spritzzusatzwerkstoff in eine Gassauerstofflamme, oder einen Hochenergielichtbogen (Plasmaflamme) zum Zwecke der Schmelzung und Beschleunigung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem jeweiligen Brenner mit einer umhüllenden Flamme austretende schmelzplastische, oder schmelzflüssige und beschleunigte Spritzzusatzwerkstoff nach einer zeitlich und räumlich festlegbaren Strecke von der Flamme getrennt wird, derart, daß der geschmolzene Spritzzusatzwerkstoff durch einen räumlich definierten Zentralkanal geführt wird und weitestgehend ohne umhüllende Flamme auf das zu beschichtende Substrat auftritt, wobei Zeitpunkt und/oder Trennstelle der Komponenten variabel einstellbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Flamme stoppende Vorrichtung mit dem Austrittskanal der Flamme koaxial ausgerichtet wird, derart, daß der Abstand zwischen Flammenaustritt aus dem Brenner und Beginn der flammstoppenden Vorrichtung sowie deren Trenneinrichtungen für Flammen und Spritzstrahl räumlich variabel einstellbar bzw. wählbar sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flammstoppende Vorrichtung unter Berücksichtigung der vorhandenen und der erwünschten Verfahrensparameter als Ganzes axial verschoben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je nach vorhandenen und erwünschten Verfahrensparametern unterschiedliche flammstoppende Vorrichtungen verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß je nach vorhandenen und erwünschten Verfahrensparametern, sowie entsprechend der Verschleißbeständigkeit der eingesetzten Materialien lediglich der den Spritzzusatzwerkstoff aufnehmende Kanal der flammstoppenden Vorrichtung und deren Flammablenkschild ausgetauscht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammstopper einer Wasserkühlung unterzogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammstopper von nichtbrennbaren Schutz- oder Kühlgasen durchströmbar ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus der spritzzusatzwerkstoffaustretenden Seite des Flammstoppers Schutz- oder Kühlgase herausgeführt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in der umhüllenden Flamme oxidierenden Spritz zusatzwerkstoffpartikel durch Trennung der Flamme und des Spritzzusatzwerkstoffstrahls vor dem Auftreffen auf das Substrat zusammen mit dem kontrolliert geschmolzenen Spritzzusatzwerkstoff gehindert wird, indem diese Partikel mit dem getrennten Flammenteil herausgefiltert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Energie der abgefilterten Flamme der weiteren Energieverwendung zugeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Energie über den Flammenstopper weitgehenst in das den Flammenstopper durchströmende Kühlwasser überführt wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Energieverwendung bzw. Umwandlung ein Wärmetauscher und/oder eine Wärmepumpe verwendet wird.

13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die flammtrennende Einrichtung im Flammstopper durch expansionsdüsenverlängernde Einrichtungen austauschbar ist und der Flammstopper auf die Expansionsdüsenaustrittsbohrung aufgefahren wird.

14. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Bewegung des Flammenstoppers über eine am Gehäuse des Brenners befestigte Klemm- und Fixiervorrichtung feststellbar ist.

15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftreffwinkel der Flamme bzw. die Neigung der, der Flamme zuweisenden Seite des Flammstoppers, auf das Brenn- bzw. Verbrennungsmedium bzw. das zu erzielende Spritzergebnis ausgerichtet ist.

16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammstopper koaxial zur Flammaustrittsachse des jeweiligen Brenners ausgerichtet und der Abstand zwischen Flammaustritt des Brenners und Spritzstrahleintritt im Flammenstopper bzw. Auftreffläche der Flamme durch axiale Verfahrbarkeit des Flammstoppers eingestellt wird und die Intensität der Kühlung im Flammenstopper sowie die Größe des Spritzstrahlzentralkanals bzw. Neigung der Flammauftrittsfläche des Flammenstoppers und die Intensität des stirnseitig austretenden Schutz- bzw. Kühlgases entsprechend den verwendeten Medien und den zu erwartenden Spritzergebnis ausgewählt bzw. eingestellt werden.

17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß am jeweiligen Brenner (1) ein, einen Spritzstrahl (33) aufnehmender Zentralkanal (2) aufweisender Flammenstopper (19) angeordnet ist, welcher koaxial zur Flammenachse bzw. Brennerachse (3) ausrichtbar und hierzu axial verfahrbar und einstellbar bzw. fixierbar ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein, einen Zentralkanal (2) aufweisendes Gehäuse (4) nebst Kühlwasserkreislaufsystem und Kühlgas- bzw. Schutzgasführungs- und Austrittskanälen vorgesehen ist, das an seiner zur Flammenaustrittsbohrung bzw. Expansiondüsenbohrung (5) des Brenners (1) hinweisenden Fläche (6) ein Hitzeschild (7) aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) über Führungssäulen (8) bis (11), welche innerhalb einer am Brenner (1) vorgesehenen Flanschverbindung (12, 13) aufgenommen sind, axial zur Brenner- bzw. Flammenachse (3) verfahrbar und koaxial zu dieser ausrichtbar ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasserzugangskanal (15) sowie der Kühlwasserrückführkanal (16) und die Kühlgaszugangs- bzw. Schutzgaszugangskanäle (17, 18) innerhalb der Führungssäulen (8-11) aufgenommen sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammenstopper (19) aus dem Gehäuse (4) mit Hitzeschild (7), einer Kühlwasserführungshülse (20), einer Stirnhülse (21) und einem Gasführungsgehäuse (22) besteht.

22. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kühlwasserführungshülse (20) und Gehäuse (4) bzw. Stirnhülse (21) ein Kühlwasserkanal (32), Kühlwasserringraum (Rücklauf) (23), ein Kühlwasserringraum (Vorlauf) (24) sowie ein Kühlwasser-Radial-Axial-Kanal (25) gebildet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) eine den Zentralkanal (2) aufweisende Spritzstrahlführungshülse (26) besitzt, welche koaxial zur Brennerachse bzw. Flammenachse (19) ausrichtbar ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkanal (2) zylindrisch ausgebildet ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkanal (2) konisch ausgebildet ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnhülse (21) einen Schutz- oder Kühlgasringraum (27) aufweist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnhülse (21) an ihrer zum Gasführungsgehäuse (22) weisenden Stirnfläche (28) axiale Austrittskanäle (29) für Schutz- oder Kühlgase aufweist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stirnhülse (21) und Gasführungsgehäuse (22) ein radialer Ringkanal (30) sowie radiale Austrittskanäle (31) für Schutz- und Kühlgase gebildet ist/sind.