DE60023120T2

DE60023120T2 - Sprühbeschichtungsverfahren

Info

Publication number: DE60023120T2
Application number: DE60023120T
Authority: DE
Inventors: Richard Michael Ho ok Norton JORDAN; Jonathan Treboeth BETTS; Patrick Grant; Allen Dennis Roche; Piers Newbery
Original assignee: Sprayform Holdings Ltd; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Sprayform Holdings Ltd; Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2020-02-24
Also published as: ES2251364T3; EP1159085B1; DE60023120D1; EP1159085A4; EP1159085A1; ATE306343T1; EP1159085B8; WO2000050177A1; GB9903964D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sprühablagerungs-Prozeß, und speziell einen metallurgischen Sprühablagerungs-Prozeß.
Der Prozeß ist nützlich um dicke und dünne Beschichtungen und andere – auf Substrate aller Art aufgesprühte – gesprühte Metallablagerungen zu erzeugen, besonders dort wo manche der topographischen Merkmale aufgrund komplexer Geometrien schwer abzudecken oder aufzufüllen sind.
Es ist bekannt metallurgische Sprühablagerungs-Techniken zur Herstellung von Werkzeugen, Formen, Stempeln und anderen Körpern wesentlicher Stärke zu benutzen. In der Verwendung derartiger Techniken ist man aus Sicht einer dem im Sprühverfahren abgelagerten Material innewohnenden Porosität und innerer Spannungen, welche während des Sprühablagerungs-Prozesses entstehen, auf Probleme gestoßen. Es wurden Versuche unternommen diesen Problemen beizukommen, und bekannte Techniken sind zum Beispiel in WO-A-96/09421, PCT-Patentanmeldung GB97/00590 und US S-340 090 beschrieben.
In einer breiten Vielfalt kommerziell wichtiger Sprühprozesse ist die Art und Weise, in welcher gesprühte Tröpfchen auftreffen und sich auf die Ablagerung hin verteilen und verfestigen, darin kritisch, die nachfolgenden Eigenschaften der hergestellten Beschichtung oder Ablagerung zu beeinflussen. Die ersten abzulagernden Tröpfchen werden die Eigenschaften an der Grenzfläche Beschichtung/Substrat bestimmen. Im Fall der Sprühformung von Formgebungswerkzeugen bestimmen die ersten abgelagerten Tröpfchen die Wiedergabegenauigkeit und Werkzeugabnutzungs-Eigenschaften. Während die Ablagerung fortfährt, steuert das Tröpfchen-Ablagerungsverhalten die Mikrostruktur des Volumens (etwa Volumenanteil, Morphologie und Größe der Porosität), und bestimmt folglich die Beschichtungs- oder Ablagerungsvolumen-Eigenschaften. In allen Stufen der Ablagerung führt Zurückprallen oder Zerspritzen von Tröpfchen zu einer Verminderung in der Prozeßausbeute. Jüngste experimentelle Nachweise legen nahe, daß das Zerspritzen von Tröpfchen in einem wesentlichen und stärkeren Ausmaß auftritt als zuvor geglaubt.
Ein weiteres Problem mit der Sprühformung auf Mustern oder Substraten, die eine Zielfläche unterschiedlicher (dreidimensionaler) Topographie aufweisen, entsteht aufgrund der Tatsache daß Metallsprühprozesse „Sichtlinien"-Prozesse sind, in welchen für bestimmte Konfigurationen der Zielflächen-Topographie bekannte Effekte wie Schattenbildung und Brückenbildung auftreten.
Ein weiteres Problem tritt an Innen- und Außenkanten der Zielflächen-Topographie auf, wo Ablagerungsintegrität schlechter Qualität auftreten kann, was in Integrität schlechter Qualität für die Ablagerung resultieren kann. Dies kann in Abblättern oder Zerbröckeln der Ablagerung an Ecken und Kanten resultieren.
Gemäß der in Anspruch 1 gegebenen Erfindung stellen wir einen Prozeß zur Erzeugung eines metallischen Werkzeugs, einer Form, eines Stempels oder eines anderen Körpers wesentlicher Stärke oder einer Beschichtung bereit, wobei der Prozeß umfaßt einen geschmolzene metallische Tröpfchen umfassenden Sprühnebel, getragen von einem Treibgas, direkt in Richtung einer Zielfläche eines Substrats oder Musters zu sprühen, um eine die Form, das Werkzeug, den Stempel, den Körper oder die Beschichtung auf der Zielfläche des Substrats oder Musters umfassende metallische Ablagerung oder Beschichtung aufzubauen; worin in einem oder mehreren vorherbestimmten Stadien während des Sprühens um einen Gaußschen Mittelwert von 200 Mikron und darüber verteilten Tröpfchen versprüht werden; und worin in einem oder mehreren vorherbestimmten Stadien Tröpfchen versprüht werden, die eine Größe unterhalb 150 Mikron besitzen.
Die größeren Tröpfchen werden anfänglich, vor dem Aufsprühen relativ kleinerer Tröpfchen, auf die Zielfläche des Substrats oder Musters aufgesprüht. Wo das Substrat oder Muster topographische Entlastungsmerkmale einschließt, hängt das Sprühen der relativ größeren Tröpfchen wünschenswert von der Natur und/oder der Lage der topographischen Entlastungsmerkmale ab.
Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß – wenn man über Abschnitte der Zielfläche sprüht, die zum Beispiel topographische Merkmale mit einem Tiefen/Breiten-Verhältnis aufweisen, oder aber in oder auf scharfe Ecken oder ähnliches – zumindest anfänglich metallische Tröpfchen relativ größerer Größe versprüht werden, um Schattenbildung, Brückenbildung und schlecht abgegrenzte Kanten- und Eckendetails zu verringern, von denen herausgefunden wurde daß sie mit bisherigen Techniken ein Problem sind.
Es wurde herausgefunden, daß zur Herstellung von Details und Vermeidung der Schattenbildung oder Brückenbildung metallische Sprühtröpfchen mit mittleren Durchmessern von im Wesentlichen 200 Mikron und darüber (bevorzugt im Wesentlichen 350 Mikron und darüber) höchst vorteilhafte Ergebnisse erzeugen. Dieses Ergebnis ist überraschend, weil Trends in der Sprühablagerungs-Forschung und -Praxis bisher zu dem Vorschlag neigten, daß fein versprühte Tröpfchen und relativ höhere Tröpfchen-Sprühgeschwindigkeiten während der Herstellung von Beschichtungen und den meisten anderen Produkten verbesserte Ergebnisse erzeugen sollten, wenn man Sprühablagerungs-Techniken verwendet. Kleinere Tröpfchengrößen wurden außerdem bevorzugt, weil die Ablagerungsporosität durch Verwendung kleinerer Tröpfchengrößen minimiert wird. Dies ist eine der Voraussetzungen hinter der Entwicklung von Techniken wie Plasmasprühen und Hochgeschwindigkeits-Oxo-Kraftstoff-Metallsprühtechniken.
Zusätzlich wurde herausgefunden, daß das Versprühen größerer Tröpfchengrößen für die anfängliche Ablagerung (einschließlich für Beschichtungen) in verminderter Porosität in dem abgelagerten, direkt an das Substrat oder Muster angrenzenden Material resultiert.
Es wird bevorzugt daß das Treibgas des Sprühnebels innerhalb eines niedrigeren Druckbereichs liegt, als es gewöhnlich für die Verwendung mit einem bestimmten Metallsprühapparat empfohlen ist. Der Betriebsdruck wird daher für verschiedene Ausrüstung verschieden sein, liegt bevorzugt aber bei 3 bar oder weniger. Dies resultiert in den gewünschten, verglichen mit bekannten Techniken relativ großen Tröpfchen und relativ niedrigen Tröpfchengeschwindigkeiten.
Es wird bevorzugt daß die Tröpfchen durch Lichtbogensprühen erzeugt werden, weil Lichtbogensprühen typischerweise gröbere Tröpfchengrößen erzeugt als andere bekannte Sprühablagerungs-Prozesse. Ein herkömmlicher Lichtbogen-Sprühapparat ist jedoch nicht konstruiert um bei den größeren Tröpfchengrößen der vorliegenden Erfindung zu sprühen, und während des Nachweises der Erfindung wurde Modifikation und häufige Reinigung von Lichtbogen-Sprühpistolen als notwendig herausgefunden. Es wird geglaubt, daß dies für den Prozeß des Sprühens metallischer Tröpfchen bei den als neu bevorzugten Größen – und für die Erfindung an sich – stark bezeichnend ist.
Verglichen mit den in herkömmlichen Lichtbogen-Sprühtechniken verwendeten Strömen werden in dem Lichtbogen-Sprühprozeß vorzugsweise relativ hohe Ströme verwendet.
In relativ dick abgelagerten, in metallurgischen Sprühablagerungs-Prozessen gebildeten Körpern ist es wichtig innere Spannungen zu steuern. WO-A-96/09421 legt metallurgische Sprühablagerungs-Techniken offen, welche benutzt werden können um innere Spannungen in abgelagerten Körpern zu steuern. Die relativ großen Tröpfchengrößen, die benötigt werden um die Detailwiedergabe und Kantenabgrenzung der Zielfläche des Substrats oder Musters zu verbessern (und außerdem Brückenbildung und Schattenbildung zu hemmen) wurde jedoch als nicht geeignet zum Steuern von Spannungen herausgefunden. Es wird daher bevorzugt, daß in dem Prozeß gemäß der Erfindung Prozeßparameter derart variiert werden, daß die relativ größeren Tröpfchen während der Zeitdauer und über die Bereiche hinweg gesprüht werden, wo es erforderlich ist daß ein Detail des Substrats wiedergegeben werden muß. Nach der Zeitdauer, in der das Detail wie erforderlich repliziert wurde, und in anderen Bereichen der Ablagerung, wo es nicht erforderlich ist Details zu replizieren, werden relativ kleinere Tröpfchen versprüht; vorzugsweise unter Bedingungen, um innere Spannungen in der Ablagerung zu steuern.
Daher kann der Prozeß gemäß der Erfindung es typischerweise umfassen, anfänglich relativ große Tröpfchen auf die Zielfläche des Substrats oder Musters aufzusprühen, wo Detailwiedergabe erforderlich ist (wie zum Beispiel etwa wiederzugebende Kantenabgrenzung, und/oder wo Schattenbildung zu vermeiden ist); und dann eine Modifizierung der Sprühparameter (vorzugsweise so früh wie möglich nachdem dieses Musterdetail und die Kantenabgrenzung erzielt wurde), um so relativ kleinere Tröpfchen auf die Zielfläche des Musters oder Substrats aufzusprühen. (Vorzugsweise um Steuerung der Spannungen zum Einsatz zu bringen, wie zum Beispiel in WO-A-96/09421 beschrieben).
Alternativ kann der Prozeß das Versprühen relativ größerer Tröpfchen aus einer Sprühquelle auf die Zielfläche des Substrats oder Musters umfassen, wo ein Detail erforderlich ist (wie etwa wiederzugebende Kantenabgrenzung, und/oder zu verbessernde Schattenbildung), und weiterhin einen weiteren Sprühnebel relativ kleinerer metallischer Tröpfchen aus einer zweiten Sprühquelle (vorzugsweise abwechselnd mit dem ersten Sprühnebel) einzubringen, wobei der weitere Sprühnebel vorzugsweise zugeschnitten ist um innere Spannungen in der Ablagerung zu minimieren.
Es wird bevorzugt daß der Steuerschritt c) durch Regelvorrichtungen (vorzugsweise Computer-Regelvorrichtungen) funktioniert und vorprogrammiert ist.
Um die benötigte Steuerung zu erzielen sind eine oder mehrere Sprühpistolen bevorzugt auf Manipulatorvorrichtungen montiert; wie etwa einem Industrieroboter, welcher vorzugsweise durch die Regelvorrichtung – vorteilhaft zusammen mit den Sprühpistolen – programmiert ist. Alternativ oder zusätzlich kann der eine oder die mehreren von den Sprühpistolen erzeugten Sprühnebel von metallischen Tröpfchen abtastbar sein, in welchem Fall die Vorrichtung zum Abtasten der Sprühnebel bevorzugt koordiniert und geregelt ist, vorzugsweise durch die gleiche Regelvorrichtung.
Die Erfindung wird nun, nur anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben werden, in denen:
1(a) und 1(b) erklärende Schnittansichten bekannter Sprühablagerungs-Prozesse sind, die das in der bisherigen Technik bekannte Problem der Schattenbildung und Brückenbildung hervorheben;
2 eine schematische Ansicht eines Apparats zur Verwendung in dem Prozeß gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Unter Bezug auf 1(a) ist ein unter einem Paar von im Lichtbogen versprühten, metallischen Tröpfchen-Sprühnebeln 103 und 104 gedrehtes Substrat 101 gezeigt. Die im Lichtbogen versprühten metallischen Tröpfchen werden aus zwei auf einem 6-Achsen Industrieroboter (nicht gezeigt) montierten Lichtbogen-Sprühpistolen versprüht, um ein Sprühmuster 102 zu erzeugen, welches durch jenen zusammen die Sprühpistolen manipulierenden Roboter über das Substrat bewegt wird, um eine die Zielfläche 106 des Substrats 101 wiedergebende Ablagerung 105 zu erzeugen. Die Oberflächentopographie von Zielfläche 106 ist derart, daß sie mit einem Kanal 107 bereitgestellt wird, der ein Paar paralleler Seiten 107a, 107b und eine senkrechte Oberfläche 107c aufweist. Während sich die Sprühablagerung fortsetzt, baut sich die gesprühte Ablagerung 105 auf der Zielfläche 106 auf, überbrückt schließlich die Breite von Kanal 107 und hinterläßt einen Hohlraum 108, wie in 1(b) gezeigt, verursacht durch den Schattenbildungseffekt des Aufbaus von Ablagerung 105.
Es wurde überraschend herausgefunden, daß die Effekte von Schattenbildung und Brückenbildung in Situationen, in denen die Oberflächentopographie der Zielfläche 106 variiert wird, durch anfängliches Aufsprühen mit Tröpfchen größerer Größe, als herkömmlich in metallurgischen Sprühablagerungs-Techniken verwendet, wesentlich modifiziert werden. Weiterhin werden abgelagerte Außen- und Innenkanten (wie etwa Kanten 105a bis 105d) mit überlegener Integrität gebildet, als es ansonsten der Fall wäre, wenn Tröpfchen herkömmlicher Größe verwendet würden. Es wurde herausgefunden daß Sprühnebel, die um einen Gaußschen Mittelwert von 200 Mikron und darüber (vorzugsweise 350 Mikron und darüber) verteilte Tröpfchen aufweisen, bedeutende Prozeßvorteile bereitstellen. Es wird geglaubt, daß die Verwendung größerer Tröpfchen möglicherweise verbesserte Prozeßleistung bereitstellt, weil eines oder beides des Folgenden auftritt:

(a) Tröpfchen besitzen ein erhöhtes Moment und bleiben länger flüssig, mit größerer Wahrscheinlichkeit daß der Strom durch das Moment getrieben wird;
(b) „Zerspritzen" von Partikeln in Folge des Auftreffens auf dem Substrat oder die Ablagerung verringert „Sichtlinien"-Probleme.

Unter Verwendung des in 2 gezeigten Apparats kann die verbesserte Leistung des Prozesses gemäß der Erfindung erzielt werden. Der Apparat von Abbildung 2 umfaßt auf einem 6-Achsen Industrieroboter 10 montierte Lichtbogen-Sprühpistolen 1, 2, die zerstäubte Metall-Sprühnebel 3, 4 erzeugen, welche auf Muster oder Substrat 5 auftreffen. Muster oder Substrat 5 sitzt auf einem Drehtisch 6, und ist mit einer Zielfläche 7 variierender Topographie bereitgestellt. Eine Computer-Regelanordnung 8 wird benutzt, um die Manipulierung des Roboters 10 zu regeln, und auch um Prozeßparameter der durch die Pistolen 1, 2 erzeugten jeweiligen Sprühnebel 3, 4 (wie zum Beispiel etwa den Gassprühdruck, und Drahtspeisegeschwindigkeit/Strom der jeweiligen Pistolen 1, 2) zu koordinieren und zu regeln. Der Apparat ist vollständig innerhalb einer staubdichten Akustikkammer 9 gekapselt, die an ein geeignetes Staub- und Rauchabzugsystem (nicht gezeigt) angeschlossen ist.
Beispiel
Beide Sprühpistolen 1, 2 wurden benutzt um Stahl mit geringem Kohlenstoffanteil (aus einem Speisedrahtvorrat) zu versprühen. Für das spezielle Modell der verwendeten Lichtbogen-Sprühpistole konnte mittels verdichtetem Treibgas bei einem Druck von 2,6 bar eine anfängliche Tröpfchengröße von ungefähr 350 Mikron erzielt werden. Diese Bedingungen wurden für eine Zeitdauer von ungefähr 120 Sekunden für beide Sprühpistolen beibehalten. Diese Zeitdauer war ausreichend, um sicherzustellen daß alle Innen- und Außenkanten der Zielfläche des Substrats durch abgelagerten Sprühnebel bedeckt waren, der Tröpfchen mit durchschnittlichem Durchmesser von ungefähr 350 Mikron besaß. Die Sprühparameter für beide Lichtbogen-Sprühpistolen wurden dann angepaßt, indem der Druck des Treibgases auf 3,5 bar erhöht wurde, und gleichzeitig der Versorgungsstrom gesenkt wurde, um die Erzeugungsrate von geschmolzenem Metall in dem Lichtbogen zu senken. Diese Bedingungen wurden benutzt, um eine feinere Tröpfchengröße unterhalb 150 Mikron zu erzeugen, um den Rest der Ablagerung aufzubauen, und um gemäß WO-A-96/09421 Spannungen zu steuern.
Die Ablagerung wurde nachfolgend von dem Substrat 5 gelöst und als bessere Kantenintegrität und weniger starke Schattenbildung- oder Brückenbildung-Defekte aufweisend befunden, als es der Fall gewesen wären wenn herkömmlich über den gesamten Prozeß hinweg mit Tröpfchengrößen von weniger als 150 Mikron gesprüht.

Claims

Ein Prozeß zur Erzeugung eines metallischen Werkzeugs, einer Form, eines Stempels oder eines anderen Körpers wesentlicher Stärke oder einer Beschichtung, wobei der Prozeß umfaßt einen geschmolzene metallische Tröpfchen umfassenden Sprühnebel, getragen von einem Treibgas, direkt in Richtung einer Zielfläche eines Substrats oder Musters zu sprühen, um eine die Form, das Werkzeug, den Stempel, den Körper oder die Beschichtung auf der Zielfläche des Substrats oder Musters umfassende metallische Ablagerung oder Beschichtung aufzubauen; worin in einem oder mehreren vorherbestimmten Stadien während des Sprühens um einen Gaußschen Mittelwert von 200 Mikron und darüber verteilten Tröpfchen versprüht werden; und worin in einem oder mehreren vorherbestimmten anderen Stadien Tröpfchen versprüht werden, die eine Größe unterhalb 150 Mikron besitzen; und worin die größeren Tröpfchen anfänglich auf die Zielfläche des Substrats oder Musters aufgesprüht werden.
Ein Prozeß gemäß Anspruch 1, der es umfaßt Tröpfchen einer um einen Gaußschen Mittelwert von 350 Mikron verteilten Größe zu versprühen; und in einem oder mehreren Stadien Tröpfchen, die eine Größe unterhalb von 150 Mikron besitzen.
Ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in dem ein metallisches Werkzeug, eine Form, ein Stempel oder ein anderer Körper wesentlicher Stärke auf einem topographische Relief- oder Entlastungsmerkmale einschließenden Substrat oder Muster erzeugt wird, und die Umschaltung zwischen dem Versprühen relativ großer und kleinerer Tröpfchen von der Natur und/oder der Lage der topographischen Entlastungsmerkmale abhängt.
Ein Prozeß gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, in dem die relativ gesehen größeren Tröpfchen auf die topographischen Relief- oder Entlastungsmerkmale aufgesprüht werden, und der Sprühnebel nachfolgend umgeschaltet wird, um die relativ gesehen kleineren Tröpfchen zu versprühen.
Ein Prozeß gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, in dem die Tröpfchen durch Lichtbogensprühen erzeugt werden.
Ein Prozeß gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, in dem Sprühparameter zugeschnitten sind um die inneren Belastungen in dem abgelagerten Metall zu steuern, wenn man die Tröpfchen relativ kleinerer Größe versprüht.
Ein Prozeß gemäß Anspruch 6, in dem die Sprühparameter zugeschnitten sind um einen Phasenwechsel oder eine Reaktion in dem abgelagerten Metall zu bewirken.
Ein Prozeß gemäß Anspruch 7, in dem die Sprühparameter zugeschnitten sind um einen martensitischen Phasenwechsel in dem abgelagerten Metall zu bewirken.
Ein Prozeß gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, in dem während eines Stadiums des Ablagerungsprozesses im Wesentlichen nur Tröpfchen einer relativ größeren mittleren Größe versprüht werden.
Ein Prozeß gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, der weiterhin das Versprühen relativ großer Tröpfchen von einer Sprühquelle auf die Zielfläche des Substrats oder Musters umfaßt, und einen weiteren Sprühnebel von relativ gesehen kleineren metallischen Tröpfchen von einer zweiten Sprühquelle einzubringen.
Ein Prozeß gemäß Anspruch 10, in dem der weitere Sprühnebel von relativ gesehen kleineren metallischen Tröpfchen gleichzeitig mit dem ersten Sprühnebel betrieben wird.
Ein Prozeß gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, indem ein Wechsel zwischen dem Versprühen von Sprühnebeln relativ gesehen größerer und kleinerer Tröpfchengrößen durch vorprogrammierte Steuervorrichtungen getätigt wird.