-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
-
1. GEBIET DER ERFINDUNG:
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein neuartige Beschichtungsverfahren
zur Beschichtung von Substraten, wie moderne zusammengesetzte Strukturen,
Aluminium, Titan, Stahl, usw., um einen Schaden durch Oxidation,
Feuchtigkeit, Erosion, Faulung, Salzsprühnebel, Abnutzung, Ultraviolettstrahlung,
Stöße, Höchsttempertaturen
und Chemikalien zu verhindern oder zu verzögern. Die Oberflächen dieser
Substrate, insbesondere bei Strukturen auf Schiffen, Militär- und Frachtflugzeugen,
die aufgrund dieser Ursachen erheblichen Schaden und Abnutzung erleiden,
müssen
geschützt
werden, um einen Ausfall und häufige
Reparaturen oder einen Austausch zu vermeiden.
-
2. STAND DER TECHNIK:
-
Eine
Vielzahl an Schutzschichten sind zur Aufbringung auf diese Oberflächen bekannt,
um eine Abnutzung aufgrund einer oder mehrerer der oben genannten
Ursachen zu verhindern oder zu reduzieren. Einige Schichten sind
nur mit Metalloberflächen verbindbar
und/oder bieten einen Schutz nur gegen bestimmte der oben genannten
Faktoren. Viele Schichten werden auch durch flüchtige organische Lösungsmittel
oder Lösemittel
aufgebracht, die umweltschädlich
und für
den Menschen gefährlich
sind und/oder Schwermetalle wie Chrom, Cadmium, Blei, usw. enthalten,
die ebenfalls gefährlich
und geruchsbelästigend
sind. Die meisten dieser Schichten sind nicht reparabel und/oder
erfordern Auftragungstemperaturen, die den Einsatz auf Einrichtungen
wie ein betanktes Flugzeug, Gehäuse
für elektronische
Geräte,
usw. hindern.
-
Die
U.S. Patentschrift 5,530,050 offenbart eine Thermo-Sprühpulverbeschichtungs-Zusammensetzung zum
Bilden von abschleifbaren Beschichtungen auf Turbinenluftleitbleche,
Kompressorgehäuse
und -dichtungen. Die Pulverzusammensetzungen enthalten 80 bis 99%
Gewichtsanteil an Zirconiumoxid und 1 bis 20% Gewichtsanteil an
keramik-beschichtete Kunststoffkernpartikel. Der Kunststoffkern
kann aus einer breiten Vielfalt verschiedener hitzebeständiger Kunststoffe
einschließlich
Flüssigkristallpolymere
bestehen. Die Zusammensetzungen werden auf die Zieloberfläche gesprüht, indem eine
oder mehrere Thermosprühkanonen
benutzt werden, um abschleifbare Beschichtungen herzustellen, die
Höchsttemperatureigenschaften
aufweisen.
-
Ein
Bezug wird auch auf die U.S. Patentschriften 5,216,092 und 5,296,542
genommen, die Spritzguß-
und Gießharzzusammensetzungen
offenbaren, die Mischungen von Flüssigkristallpolymere enthalten,
die aromatische Polyester enthalten.
-
Zuletzt
wird Bezug auf die U.S. Patentschrift 5,019,686 genommen, in der
bekannte Thermosprüheinrichtungen
und Techniken offenbart sind, einschließlich Plasmasprühverfahren,
die ein Hochgeschwindigkeits-Gasplasma verwenden, um pulverisierte
oder teilchenbeschichtete Zusammensetzungen auf ein Substrat zu
sprühen,
um eine hochverdichtete Beschichtung zu bilden.
-
DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung beinhaltet die einzigartige Kombination von
Plasmasprüh- und modernen Teilchenpolymerzusammensetzungen,
die auf thermotropische Flüssigkristallpolymere
basieren, um die außergewöhnliche
Fähigkeit
zu erreichen, die Haltbarkeit der Oberflächen von zusammengesetzten
und metallischen Strukturen zu erhöhen, indem die Arbeitsleistung
dieser Strukturen unter harten Umgebungsbedingungen erhöht wird
und gleichzeitig Wartungskosten reduziert werden, wobei die Lebensdauer
steigt und gefährliche
Abfallstoffe im Zusammenhang mit den meisten üblichen Beschichtungen reduziert
werden. Die Erfindung verbessert dermaßen die Leistungsfähigkeit
von Verbundschichtstoffen, dass der Einsatz derartiger Schichtstoffe
als Ersatz für
schwerere Metallstrukturen erhöht
werden kann, um das Gewicht von Vehikeln und anderen Körpern zu
reduzieren.
-
Die
gemäß des vorliegenden
Thermo-Plasmasprühverfahrens
benutzten modernen Teilchenpolymer-Zusammensetzungen haben einen
hohen Schmelzpunkt, wobei die thermoplastischen Flüssigkristallpolymere
aromatische Copolyester, Copolyester-Amide, mehrfach monomere völlig aromatische Polyester
und ähnliche
thermoplastische Flüsigkristallpolymere
mit Schmelzpunkten oberhalb von etwa 300°C enthalten, wobei diese für Feuchtigkeit
und Sauerstoff im Vergleich zu anderen bekannten Polymermaterialien
außergewöhnlich undurchlässig sind.
-
Das
vorliegende Plasmasprühverfahren
verwendet eine gewöhnliche
elektrische Gleichstrombogenplasmasprühkanone, wobei ein inertes
Plasmagas in die Kanone eingeführt
wird und einen Wirbel zwischen einer Kathode und einer Ausgangsanodendüse verursacht
und als eine rotierende Plasmaflamme mit einer außergewöhnlichen
Temperatur austritt, bei der das Teilchen-Flüssigkristallpolymer geschmolzen
und auf die Zieloberfläche
befördert
wird, auf der die geschmolzenen Teilchen aufgetragen werden und
abkühlen,
um einen Auftragung in der gewünschten
Dicke zu bilden.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
-
In
der beiliegenden Zeichnung ist 1 eine Querschnittsdarstellung
einer Plasmasprühkanonen-Einrichtung
in Betrieb, die eine geschmolzene Teilchenschutzschicht auf die
Oberfläche
eines zusammengesetzten Substrats gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufbringt, in der Vorwärm- und
Nacherhitzungs-Thermosprühkanonen
im Zusammenhang mit der Plasmasprühkanone in Wirkverbindung sind.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die
gemäß des Verfahrens
eingesetzten physikalischen Flüssigkristallpolymer-Zusammensetzungen
sind thermoplastische Polymere mit hohem Schmelzpunkt.
-
LCPs
unterscheiden sich von anderen Kunststoffen durch ihre stabförmige Mikrostruktur
in der Schmelzphase. Andere Harze haben in der Schmelzphase willkürlich ausgerichtete
Moleküle, aber
bei geschmolzenen LCPs können
ihre langen starren Moleküle
in eine hochgeordnete Konfiguration ausgerichtet werden, die eine
Vielzahl von einzigartigen Vorteilen hervorbringt. Dies schafft
eine Niedrigtemperatur-Kristallisation, einen extrem hohen Durchfluss
und eine hohe Schmelzfestigkeit. Die Molekularstruktur übt einen
solchen Einfluss auf die Materialeigenschaft und die Aufbereitungscharakteristik aus,
dass LCPs als eine separate Polymerklasse optimal behandelt werden.
-
Es
stehen zwei Typen von Flüssigkristallpolymere
zur Verfügung:
Lyotropische Aramide und thermotropische aromatische Copolyster.
Die lyotropischen Aramide werden aus Lösungen wie Kevlar verarbeitet.
Die thermotropischen Copolyester werden aus dem geschmolzenen Zustand
verarbeitet und für
Thermosprühverfahren
bevorzugt.
-
Aromatische
Vectra LCP Polyester-Polymere sind thermotropisch und fließen sofort
in den geschmolzenen Zustand. Diese und andere einzigartigen Eigenschaften
machen Vectra LCP's
ideal für das
Thermoplasmasprühen.
-
Geeignete
aromatische Flüssigkristall-Polyesterpolymere
für den
Einsatz gemäß des vorliegenden
Verfahrens sind solche, die in den U.S. Patentschriften 5,216,092
und 5,296,542 offenbart sind sowie die hier offenbart sind. Solche
Polymere werden in Form eines Teilchenvorrats verwendet, die eine durchschnittliche
Teilchengröße von 30
bis 70 Mikron aufweisen. All diese LCP Polymere haben einen Schmelzpunkt
von über
300°C und
sind extrem sauerstoff- und wasserdampfundurchlässig, das heisst, sie haben
einen Sauerstoffdurchdringungswert von unter etwa 39 (cm3 pm)/(100 cm2·day·atm) (0,1 cm3-mil/100 in2-day-atm),
wenn dieser bei 23°C
und 80% relative Luftfeuchtigkeit gemäß ASTM D1434 und einer Wasserdampf-Transmissionsnote
unterhalb von 39,4 (g·pm)/(cm2·day)
(0,1g-mil/100 in2-day) @ 100% RH gemäß ASTM E96
gemessen wird.
-
Gemäß des vorliegenden
Verfahrens werden LCP Teilchen auf die Oberfläche des zusammengesetzten oder
des metallischen Substrats zum Schutz plasma-gesprüht, so wie
bei einer Struktur auf einem Schiff oder einem Militär- oder
Frachtflugzeug, wobei die Struktur in Folge von Oxidation, Feuchtigkeit,
Erosion, Faulung, Salzsprühnebel,
Abnutzung, Ultraviolettstrahlung, Stöße, thermische Wechselbeanspruchung,
Korrosion und/oder anderen Belastungen einer Beschädigungsgefahr
und Abnutzungserscheinungen ausgesetzt ist.
-
Die
konventionelle Plasmasprühkanone steuert
alle kritischen Parameter einschließlich Sprührate, Flammen- und Substrattemperatur, Druckkanonenwinkel,
Positions- und Verschiebungsrate und die Form der 30–50 Mikron
großen
LCP Teilchen. Das Substratmaterial, die Textur und die Temperatur
sind Variablen, die das Verfahren im Detail beeinflussen, wobei
die Wärmetransferrate
des Substrats die angewandte kontrollierte Abkühlung der Beschichtung vermeiden
oder reduzieren kann. Daher wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung eine Vorwärm-Thermo-Sprühkanone vor
der Plasma-Sprühkanone
montiert, um das Substrat auf eine Temperatur zwischen etwa 149
und 316°C
(300°F und
600°F) mit
einem heißen
inerten Gas unmittelbar vor der Auftragung der LCP Beschichtung
vorzuheizen, wobei eine Nacherhitzungs-Thermo-Sprühkanone
stromabwärts
des Weges der Plasma-Sprühkanone
montiert ist, um die aufgebrachte LCP Beschichtung mit einem heißen inerten
Gas unmittelbar nach der Auftragung nachzuheizen, um die Abkühlrate der
Beschichtung zu kontrollieren. Die Vorwärm- und Nacherhitzungstemperaturen können in
Abhängigkeit
von der Beschaffenheit des Substrats reguliert werden, um eine gleichmäßige Abkühlrate für die aufgebrachte
LCP Beschichtung unabhängig
von der Beschaffenheit des Substrats zu liefern. Die Vorwärm- und/oder
Nacherhitzungs-Thermo-Sprühkanone
wird in Abhängigkeit von
den Eigenschaften des ausgewählten
LCP Materials und des Substratmaterials nicht benötigt.
-
Bezugnehmend
auf 1 umfasst die Vorrichtung 10 eine ausgerichtete
Vorwärm-Thermo-Sprühkanone 11,
eine Plasma-Sprühkanone 12 und
eine Nacherhitzungs-Thermo-Sprühkanone 13, die
jeweils in einem vorbestimmten „stand-off" Abstand „d" bezüglich
der Zieloberfläche 15 eines
zu beschichtenden Substrats 14 montiert sind. Das Substrat 14 und
die Vorrichtung 10 lassen sich gegeneinander in die durch
den Pfeil in 1 angezeigte Richtung verschieben,
so dass jede Kanone gegen die Substratoberfläche 15 entlang eines
gemeinsamen Weges abfeuert, um den vorderen Abschnitt vorzuheizen,
um die vorgeheizte Oberfläche
mit einer Beschichtung 16 durch Plasma zu besprühen und
um die Beschichtung 16 nachzuerhitzen, um ihre Abkühlrate zu
verlangsamen und zu regulieren.
-
Es
ist nachvollziehbar, dass die Vorrichtung in 1 nur aus
der Plasma-Sprühkanone 12 ohne die
Thermosprühkanonen 11 und 13 besteht,
solange ausreichende Plasmasprüh-Beschichtungen
auf die meisten Substrate unter kontrollierten Umgebungsbedingungen
aufgebracht werden können,
um die Aufheiz- und
Abkühlrate
der LCP Beschichtung auf dem Substrat zu regulieren.
-
Die
Plasma-Sprühkanone 12 gemäß 1 ist
eine konventionelle koaxiale Kanone, die ein äußeres Zylindergehäuse 17 umfasst,
das mit einer Wasserummantelung 18 versehen ist, um das
Gehäuse 17 und
seine ringförmige
Düse 19 zu
kühlen, die
eine Kupferanode umfasst. Der innere Zylinder 20 der Kanone 12 hat
eine hohle Bohrung 21 und eine äußere ringförmige thorierte Wolframkathode 22.
Der ringförmige
Kanal 23 zwischen der inneren Oberfläche des Gehäuses 17 und der äußeren Oberfläche des
Zylinders 20 sorgt für
die Bereitstellung des Plasmagases als rotierender Wirbel an die
Düse 19,
das durch einen elektrischen Bogen zwischen der mit Gleichstrom
versorgten Anode und der Kathode gezündet wird, um eine Plasmaflamme 24 zu
werten. Die abzuwerfenden LCP Teilchen werden in die Bohrung 21 mit
einer vorbestimmten Vorschubgeschwindigkeit in den Wirbel der Plasmaflamme 24 eingeführt, die
eine Temperatur von etwa über
14000°K
bei einem typischen Gleichstrombrennbetrieb von 40 Kilowatt hat.
Die Plasmatemperatur sinkt hinter dem Ausgang der Anodendüse 19 schnell,
und deshalb wird der LCP an die heißeste Stelle der Flamme eingeführt, die
aufgrund des Wirbelmoments des Gases axial herum wirbelt, um die
geschmolzenen LCP Teilchen gegen die Oberfläche 15 des Substrats 14 zu schmelzen
und zu schleudern, auf der die Teilchen abkühlen und durch das wiederholte
Ablagern vieler dieser Teilchen eine Ablagerung aufgebaut wird,
die eine Schutzschicht 16 bildet.
-
In
der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Vorrichtung 10 ein Paar von Thermo-Sprühkanonen 11 und 13 für die Erzeugung
eines geheizten Gasflusses gegen die Oberfläche 15 des Substrats 14,
um die Oberfläche 15 oder die
Beschichtung 16 auf eine vorbestimmte Temperatur vorzuheizen,
wie etwa zwischen 149 und 316°C (300° und 600°F) vor jedem
Sprühen
einer Plasmaschicht, und um die Beschichtung 16 nach jeder
Aufbringung auf eine Temperatur zwischen etwa 92 und 260°C (200°F und 500°F) nachzuheizen,
um die Abkühlung
zu regulieren bzw. zu steuern. Die Thermo-Sprühkanonen sind im Wesentlichen
identisch, haben aber eine individuelle Temperatursteuerung, indem
die gelieferte Gaszusammensetzung und die Gasflussrate reguliert
werden.
-
Die
Thermo-Sprühkanonen 11 und 13 umfassen
jeweils ein äußeres Gehäuse 25,
das einen konvergierenden Düsenabschnitt 26 hat,
und einen inneren koaxialen Zylinder 27, der eine Bohrung 28 aufweist.
Ein inertes Gas (Argon) wird in die ringförmige Bohrung 29 zwischen
dem Gehäuse 25 und dem
Zylinder 27 mit einer vorbestimmten Vorschubgeschwindigkeit
eingeführt,
und ein oxidationsfähiges,
enthalpie-verstärkendes
Gas, wie Wasserstoff, wird in die Zylinderbohrung 28 mit
einer Vorschubgeschwindigkeit von 1 Liter pro Minute eingeführt, um eine
brennbare Mischung an der Düse 26 zu
erzeugen, die gezündet
wird, um die thermische Gasflamme 30 zu bilden, die das
geheizte Gas auf die Substratoberfläche 15 und die Beschichtung 16 bringt.
-
Die
Dicke der aufgebrachten Beschichtung 16 wird hauptsächlich durch
die Anzahl der wiederholten Durchgängen an der Plasma-Sprühkanone 12 über den
gleichen Abschnitt oder Substratbereich bestimmt, wobei die Durchlässigkeit
innerhalb der Beschichtung 16 von der Beschichtungstemperatur,
der Beschaffenheit der Substratoberfläche und der Wahl des LCP Materials
abhängt. Üblicherweise
beträgt die
Dicke zwischen 127–381
pm (5 und 15 mils).
-
Die
Aufbringung der vorliegenden Plasma-Sprüh-Flüssigkristallpolymer-Zusammensetzungen
auf die Oberfläche
von zusammengesetzten strukturierten Komponenten, wie Flugzeug-Steueroberflächen, die
aus einer synthetischen Epoxydharz-Film-Mini-Verbundplatte oder
Laminat hergestellt werden, das eine Grafitfasergewebe-Epoxydoberfläche und
konventionelle Verbindungsmittel enthält, die sich aus einer gleichmäßigen Oberflächenbeschichtung
des Flüssigkristallpolymers über die zusammengesetzte
Oberfläche
und Verbindungsmittel ergeben, die eine visuelle Prüfung ohne
Anzeichen von Abblättern
oder anderen Fehlern bestanden haben. Der beschichtete Verbundstoff
wurde zyklisch ohne Auftreten von Rissen um 0,6% belastungsermüdet und
wurde einer beschleunigten Alterung bei 177°C (350°F) ohne Abnutzung ausgesetzt.
-
Während bevorzugte
Ausführungsformen der
Erfindung detailliert beschrieben sind, versteht sich von selbst,
dass der Fachmann Modifikationen der veranschaulichten Beispiele
durchführen
kann, ohne den Erfindungsgedanken der Erfindung, wie in der Beschreibung
und den aufgeführten
Ansprüchen definiert
ist, zu verlassen.