DE4427262C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Flammspritzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Flammspritzen und eine Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen.

Das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen ist auf den Einsatz von fein­ körnigen Pulvermaterialien mit einem mittleren Teilchendurchmesser von kleiner 45 µm beschränkt. Größere Partikel werden bei diesem Verfahren vom Flammspitzbrenner nicht ausreichend mit Wärmeenergie ausgestattet und prallen deshalb vom Substrat ab oder ergeben eine lockere, leicht abplatzende Beschichtung auf dem Substrat. Das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen ermöglicht Beschichtungen mit Gasgeschwindigkeiten zwischen 1300 bis 2000 m/s. Die Dichte der bei diesen Gasgeschwindigkeiten hergestellen Beschichtungen liegt in Abhängigkeit vom Verfahren und den verwendeten Spritzwerkstoffen zwischen 95 und 98% der theoretischen Dichte des Spritzwerkstoffes. Dichten größer 98% sind nur erreichbar für feinkörnige Spritzwerks­ toffe und Gasgeschwindigkeiten über 1800 m/s. Bei oxidkeramischen feinkörnigen Pulvermaterialien können mit dem Hochgeschwindigkeits­ flammspritzen Auftragsraten von bis zu 1 kg/h und für metallische feinkörnige Pulvermaterialien bis zu 3 kg/h erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es die Vorteile des Hochgeschwindigkeits­ flammspritzens auch für gröbere Partikel nutzbar zu machen und damit die Auftragsraten weiter zu steigern oder Haftschichten mit hoher Rauhigkeit zur Verbesserung der Haftfähigkeit durch Einbringen von gröberen Partikeln mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen zu ver­ wirklichen oder Verbundbeschichtungen aus groben oxidkeramischen Partikeln im Verbund mit einer metallischen Matrix, die aus fein­ körnigen Partikeln hergestellt wird, mittels Hochgeschwindigkeits­ flammspritzen zu erreichen.

Gelöst wird diese Aufgabe mittels folgender Verfahrensschritte: Ein­ bringen von Pulvermaterial in einen Flammspritzbrenner, Aufsprühen des Pulvers auf das zu beschichtende Substrat, wobei das Pulver­ material vor dem Einbringen in den Flammspritzbrenner aufgeheizt wird.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die positiven Ergebnisse des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens praktisch unabhängig von der Par­ tikelgröße erreicht werden können. Es muß lediglich mit steigender Partikelgröße eine Aufheizung vor dem Einbringen der Partikel in den Flammspritzbrenner erfolgen, wobei die Aufheizung der Partikelart, wie metallisch oder keramisch und der Partikelgröße angepaßt wird. Die Aufheizung sorgt dafür, daß vorteilhaft eine ausreichende thermi­ sche Energie auf die groben Partikel übertragen wird, so daß diese im Hochgeschwindigkeitsflammspritzstrahl nur auf hohe Geschwindigkeiten zwischen 1300 und 2000 m/s zu beschleunigen sind. Ein Abprallen größerer Partikel vom Substrat oder der Aufbau lockerer, leicht ab­ platzender Beschichtungen auf dem Substrat aufgrund zu großer Parti­ kel werden vorteilhaft vermieden. Weitere Vorteile liegen darin, daß durch die erfindungsgemäße Zuführung von vorgeheiztem Spritzwerkstoff der für einen dichten Schichtaufbau erforderliche Energiebetrag be­ reits vor dem Einbringen in den Flammspritzbrenner durch die Partikel aufgenommen wird. Damit können metallische Schichten dichter aufge­ bracht werden, da sich die im teigigen Zustand auf der Bauteilober­ fläche auftreffenden Partikel besser verformen. Schichten mit Dichten größer als 98% der theoretischen Dichte lassen sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch mit grobkörnigem Pulver her­ stellen. Ein größerer Durchsatz bis zu 10 kg/s Spritzwerkstoff, was einer Steigerung um mehr als das dreifache ausmacht, sind mit einem unverändert beibehaltenen Flammspritzbrenner für das Hochgeschwindig­ keitsflammspritzen erreichbar, da mit der Flamme dem Spritzwerkstoff im wesentlichen nur noch kinetische Energie zuzuführen ist und die Verweildauer in der Spritzflamme nicht mehr durch die Aufnahme von thermischer Energie durch die Partikel bestimmt wird. Die Haftung der Partikel wird verbessert, da durch den höheren Energieinhalt der Spritzpartikel die Diffusion im Mikrobereich erhöht wird. Selbst keramische Werkstoffe können problemlos und effizient verarbeitet werden. Spritzpulverpartikel bis zu einer Größenordnung von 150 µm werden für das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen verarbeitbar, so daß rauhe Haftschichten zum Beispiel aus MCrAlY, die insbesondere für oxidische Wärmedämmschichten auf Substraten aus Ni-, Co- oder Fe-Ba­ sislegierungen im Turbinenbau notwendig sind, realisiert werden kön­ nen. Auch metallische Schichten gegen Heißgaskorrosion, die besonders sauerstoffarm aufgebracht werden müssen, sind mit dem erfindungsge­ mäßen Verfahren darstellbar, da mit zunehmender Teilchengröße die Sauerstoffaffinität aufgrund der geringeren Oberfläche der Spritzpar­ tikel abnimmt.

Bei einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens beträgt die Auf­ heiztemperatur des Pulvermaterials mindestens 60% der Schmelz- oder Sublimationstemperatur des Pulvermaterials. Vorzugsweise liegen diese Temperaturen zwischen 100 und 1000°C. Dieser Temperaturbereich ermög­ licht vorteilhaft einen hohen Anteil der erforderlichen thermischen Energie beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen bereits vor dem Ein­ bringen in den Flammspritzbrenner auf den Spritzwerkstoff zu über­ tragen, so daß der Massendurchsatz entsprechend erhöht werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird das Pulvermaterialien mit einem mittleren Teilchendurchmesser größer 50 µm eingesetzt. Eine obere Grenze ergibt sich nach den bisherigen Untersuchungen nur aus der Geometrie des Flammspritzbrenners, der bei zu großen Teilchen verstopft. Der bisher die Partikelgröße begrenz­ ende Parameter der Verweilzeit der Partikel in der Spritzflamme wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bedeutungslos. Teilchendurch­ messer bis 150 µm konnten noch einwandfrei verarbeitet werden, ohne vom Substrat abzuprallen oder lockere, leicht abplatzende Schichten zu bilden.

Wird vorzugsweise grobkörniges Pulver aus MCrAlY-Material eingesetzt, um Haftschichten auf Substraten aus Ni-, Co- oder Fe-Basislegierungen aufzubringen, so können vorteilhaft Rauheitswerte für die Haftschicht­ oberfläche von größer 6 µm Ra erreicht werden. Hohe Rauheitswerte sind unerläßlich, um vorzugsweise oxidische Wärmedämmschichten auf metallischen Substraten aus Ni-, Co- oder Fe-Basislegierungen im Turbinenbau aufzubringen. Die Haftung basiert hier auf einer innigen Verzahnung des Substratwerkstoffs mit den mikrodiffundierten Parti­ keln aus MCrAlY-Material der Haftschicht einerseits und der Verzah­ nung zwischen Haftschicht und oxidischer Wärmedämmschicht an­ dererseits.

Eine Verarbeitung von grobkörnigen keramischen Pulvern mittels Hoch­ geschwindigkeitsflammspritzen, zum Beispiel zur Darstellung von Wär­ medämmschichten, war bisher ausgeschlossen, weil die Verweildauer des keramischen Spritzwerkstoffes in der Spritzflamme zur Aufnahme aus­ reichender thermischer Energie nicht ausreichte. Für derartige Auf­ gaben wurde auf das hochenergetische und kostenintensivere Plasma­ spritzverfahren ausgewichen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können vorzugsweise grobkörnige, keramische, insbesondere oxidkera­ mische Pulvermaterialien eingesetzt und verarbeitet werden. Dadurch sind neben Wärmedämmschichten nun auch Verbundbeschichtungen aus keramischen Grobpartikeln und metallischer Matrix aufbringbar. Die metallische Matrix kann wie bisher durch Flammspritzen von fein­ körnigem Pulvermaterial eingebracht werden. Die metallische Matrix umhüllt dazu die mittels einem zwischengeschalteten oder vorge­ schalteten Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren mit erfindungsge­ mäßem Vorheizen aufgebrachten groben Partikel aus Keramik. Solche Verbundbeschichtungen können vorteilhaft als Schaufelspitztenpanze­ rungen oder für Anstreifbeschichtungen von Dichtspitzen von Laby­ rinthdichtungen eingesetzt werden.

Zur Durchführung des Verfahrens ist eine geeignete Vorrichtung zum Flammspritzen mit einem Flammspritzbrenner und einer Pulvermaterial­ zuführung erforderlich, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung in der Pulvermaterialzuführung eine Heizeinrichtung angeordnet ist und von dort aus eine wärmeisolierte Zuleitung für das Pulvermaterial zum Flammspritzbrenner verläuft.

Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß für ein Hochgeschwindigkeits­ flammspritzen die Energieeinbringung für den Spritzwerkstoff nach Art der Energie räumlich getrennt erfolgt. Im wesentlichen wird die er­ forderliche kinetische Energie von dem Hochgeschwindigkeitsgasstrahl, der mit einer Geschwindigkeit zwischen 1300 und 2000 m/s aus dem Flammspritzbrenner strömt, auf den Spritzwerkstoff übertragen und die erforderliche thermische Energie durch eine vom Flammspritzbrenner räumlich getrennt angeordnete Heizeinrichtung in das Spritzgut einge­ bracht. Damit erhöht sich nicht nur der Massendurchsatz durch einen herkömmlichen Hochgeschwindigkeitsflammspritzbrenner, sondern es wird auch die Qualität der flammgespritzten Schichten in Bezug auf Dichte, Festigkeit und Thermoermüdungsbeständigkeit verbessert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist die Pul­ vermaterialzuführung eine schraubenförmig aufgerollte Förderleitung auf, die in der Heizeinrichtung angeordnet ist. Das hat den Vorteil, daß ein herkömmliches Zuführungsrohr für den Spritzwerkstoff zum Flammspritzbrenner verwendet werden kann. Ein Teil des Rohres wird dazu schraubenförmig aufgewickelt und durch einen Rohrofen geführt, um an den Spritzwerkstoff die notwendige thermische Energie zu über­ tragen. Der Rohrofen kann zur besseren Wärmeverteilung ein Mehrzonen­ ofen mit Widerstandsheizwicklungen sein.

Die Heizeinrichtung ist vorzugsweise in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Wirbelschichtwärmetauscher, mit dem besonders energiesparend und wirtschaftlich Wärme auf den Spritzwerk­ stoff übertragen werden kann. Eine andere bevorzugte Möglichkeit der Partikelaufheizung besteht bei metallischem Pulver oder metallbe­ schichtetem Pulver durch eine Induktionsheizung, die unmittelbar auf die Partikel einwirkt und sie zum Glühen bringt.

Vorzugsweise weist die Pulvermaterialzuführung eine wärmeisolierende Zuleitung zum Flammspritzbrenner auf. Die Wärmeisolation kann aus einem wärmeisolierenden Mantel bestehen. Das hat den Vorteil, daß das vorgeheizte Spritzgut auf dem Weg zum Flammspritzbrenner nur ge­ ringfügig an thermischer Energie verliert. Die wärmeisolierende Zu­ leitung kann vorzugsweise auch eine Zusatzheizung aufweisen, wodurch vorteilhaft jeglicher Wärmeverlust der Partikel auf dem Weg von der Heizeinrichtung zum Flammspritzbrenner vermieden wird. Dafür ist eine Zusatzheizung, die aus einer elektrischen Widerstandsheizung besteht, besonders geeignet, da der elektrisch isolierte Widerstandsheizdraht unmittelbar auf die Zuleitung gewickelt werden kann.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand eines Beispiels näher erläutert.

Beispiel

Für die Beschichtung eines Werkstücks 1 (vergl. Fig. 1) mit Haftschichtmaterial aus MCrAlY-Partikeln mit einem mittleren Teil­ chendurchmesser von 120 µm mittels eines Hochgeschwindigkeitsflamm­ spritzbrenners 2 bei einer Gasgeschwindigkeit von 1800 m/s wird die Oberfläche des Werkstücks 1 zunächst gereinigt und der Flammspritz­ brenner so ausgerichtet, daß der Hochgeschwindigkeitsflammspritz­ strahl 3 annähernd orthogonal auf die Oberfläche des Werkstücks 1 trifft. Der Flammspritzbrenner hat gemäß der Erfindung im wesentli­ chen die Aufgabe, das Spritzgut aus beispielsweise MCrAlY-Partikeln zu beschleunigen. Die Zuführung thermischer Energie ist von dem Flammspritzbrenner 2 räumlich getrennt. Dazu wird die Pulvermaterial­ zuführung 4, die aus einem hochtemperaturfesten Rohr besteht, durch eine Heizeinrichtung 5 geführt. Die Pulvermaterialzuführung 4 ist dazu in diesem Beispiel schraubenförmig zu einer Spule aufgewickelt und in einen Rohrofen 6 eingeführt. Beim Durchlaufen der Windungen 7 der Pulvermaterialzuführung 4 im Rohrofen 6 nimmt der Spritzwerk­ stoff, der beispielsweise unter Argon durch das Rohr gefördert wird, Wärme auf. Dabei kann der Spritzwerkstoff auf mindestens 60% seiner Schmelztemperatur aufgeheizt werden. Der auf diese Weise auf Tempe­ raturen zwischen 100 und 1000°C aufgeheizte Spritzwerkstoff wird dann über die Zuleitung 8 dem Flammspritzbrenner zugeführt. Die Zuleitung 8 ist von einem wärmeisolierenden Mantel 9 umgeben und weist einen Widerstandsheizdraht, der eng um die Zuleitung gewickelt ist, auf. Der Widerstandsheizdraht dient als Zusatzheizung, damit keine Wärme der Partikel auf dem Weg von der Heizeinrichtung 5 zum Flammspritz­ brenner 2 in der Zuleitung 8 verloren geht. Der Widerstandsheizdraht wird von einer geregelten Stromquelle 10 gespeist.

Claims (12)

1. Verfahren zum Flammspritzen mit den Verfahrensschritten

• a) Einbringen von Pulvermaterial in einen Flammspritzbrenner (2),
• b) Aufsprühen des Pulvers auf das zu beschichtende Substrat (1),

dadurch gekennzeichnet, daß

• c) das Pulvermaterial vor dem Einbringen in den Flammspritzbrenner (2) aufgeheizt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvermaterial auf mindestens 60% der Schmelz- oder Sublimationstemperatur des Pulvermaterials aufgeheizt wird.

3. Verfahren nach der Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß Pulvermaterialien mit einem mittleren Teilchendurchmesser größer 50 µm eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen von Haftschichten auf Substrate (1) aus Ni-, Co- oder Fe-Basislegie­ rungen ein grobkörniges Pulver aus MCrAlY-Material eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen von Ver­ bundbeschichtungen aus keramischen Grobpartikeln und metallischer Matrix ein grobkörniges Pulver aus grobkörnigen keramischen, vorzugsweise oxidkeramischen Pulvermaterialien eingesetzt wird.

6. Vorrichtung zum Flammspritzen mit einem Flammspritzbrenner (2) und einer Pulvermaterialzuführung, dadurch gekennzeichnet, daß in der Pulvermaterialzuführung (4) eine Heizeinrichtung (6) angeordnet ist und von dort aus eine wärmeisolierte Zuleitung (8) für das Pulver­ material zum Flammspritzbrenner (2) verläuft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pul­ vermaterialzuführung (4) eine schraubenförmig aufgerollte För­ derleitung (7) aufweist, die in der Heizeinrichtung (6) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeirichtung (6) ein Wirbelschichtwärmetauscher ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (6) zur Aufheizung metallischer Pulver oder metallbeschichteter Pulver eine Induktionsheizung umfaßt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Pulvermaterialzuführung (4) eine wärmeiso­ lierende Zuleitung zum Flammspritzbrenner mit Zusatzheizung auf­ weist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu­ satzheizung eine elektrische Widerstandsheizung (10) ist.