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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung ist gerichtet auf einen Entwurf für einen
Gaskollimator und insbesondere auf einen Gaskollimator für eine kinetische
Spritzdüse
und ein Verfahren zur Injektion unter niedrigem Druck gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen Ansprüche 1, 5
bzw. 17. Die jeweiligen Merkmale oder Verfahrensschritte dieser
Oberbegriffe sind aus
US 6139913 bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst eine Verbesserung für den kinetischen
Spritzprozess, wie er in den US-Patenten Nr. 6,139,913, 6,283,386
und den Artikeln von Van Steenkiste, et al. mit dem Titel "Kinetic Spray Coatings", die in Surface
and Coatings Technology Band III, Seiten 62-72, 10. Januar 1999, und
in "Aluminum coatings
via kinetic spray with relatively large powder particles", der in Surface
and Coatings Technology 154, S. 237-252, 2002 veröffentlicht
wurden, im Wesentlichen beschrieben ist.
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Hintergrund
der Erfindung
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Eine
neue Technik zum Erzeugen von Beschichtungen auf einer großen Vielzahl
von Substratoberflächen
durch kinetisches Spritzen oder dynamisches Spritzen mit kaltem
Gas wurde jüngst
in zwei Artikeln von T.H. Van Steenkiste et al. berichtet. Der Erste
trug den Titel "Kinetic
Spray Coatings",
der in Surface and Coatings Technology, Bd. 111, S. 62-71, 10. Januar
1999 veröffentlicht
wurde, und der Zweite trug den Titel "Aluminum coatings via kinetic spray with
relatively large powder particles", der in Surface and Coatings Technology
154, S. 237-252, 2002 veröffentlicht
wurde. Die Artikel diskutieren die Erzeugung von Beschichtungen
aus durchgehenden Schichten mit hoher Adhäsion, niedrigem Oxidgehalt und
niedriger thermischer Spannung. Die Artikel beschreiben Beschichtungen,
die erzeugt werden, indem Metallpulver in einem beschleunigten Gasstrom durch
eine konvergierende-divergierende Düse vom Laval-Typ mitgerissen
und sie gegen ein Targetsubstrat projiziert werden. Die Partikel
wurden in einem Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit durch den Drag-Effekt
beschleunigt. Das verwendete Gas kann irgendeines einer Vielzahl
von Gasen einschließlich Luft,
Stickstoff oder Helium sein. Es wurde festgestellt, dass die Partikel,
die die Beschichtung bildeten, vor einem Auftreffen auf das Substrat
nicht schmelzen oder sich nicht thermisch erweichen. In der Theorie
ist man der Auffassung, dass die Partikel am Substrat haften, wenn
ihre kinetische Energie in einen ausreichenden Pegel einer thermischen
und mechanischen Verformung umgewandelt wird. Folglich glaubt man,
dass die Partikelgeschwindigkeit eine kritische Geschwindigkeit übersteigen
muss, um zu ermöglichen,
dass es haftet, wenn es das Substrat trifft. Es wurde festgestellt,
dass die Abscheidungseffizienz einer gegebenen Partikelmischung
erhöht wurde,
wenn die Hauptgastemperatur erhöht
wurde. Ein Erhöhen
der Temperatur des Hauptgases verringert dessen Dichte und erhöht somit
dessen Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit variiert ungefähr wie die
Quadratwurzel der Hauptgastemperatur. Der tatsächliche Mechanismus eines Bondens
bzw. Verbindens der Partikel an der Substratoberfläche ist derzeit
nicht vollständig
bekannt. Die kritische Geschwindigkeit hängt vom Material des Partikels
und des Substrats ab. Ist einmal eine Anfangsschicht aus Partikel
auf einem Substrat gebildet, eliminieren nachfolgende Partikel nicht
nur die Hohlräume
zwischen vorherigen Partikel, die an das Substrat gebunden sind,
durch Kompaktifizierung, sondern gehen auch Verbindungen von Partikel
zu Partikel ein. Der Bonding- bzw. Verbindungsprozess beruht nicht auf
ei nem Schmelzen der Partikel im Hauptgasstrom, da die Temperatur
der Partikel immer unterhalb ihrer Schmelztemperatur liegt.
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Die
obigen kinetischen Spritzverfahren basierten alle auf Beschicker
für Partikelpulver
mit hohem Druck. Diese Pulverbeschicker sind sehr teuer und können eine
Abtragung der Einschnürung
der kinetischen Spritzdüse
verursachen. Außerdem
sind Hochdrucksysteme anfällig
für ein
Verstopfen an der Einschnürung
der Düse,
was die Hauptgastemperaturen beschränkt, die genutzt werden können.
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Eine
neue Verbesserung wurde in dem US-Patent
US 6811812 offenbart, das am 5. April 2002
eingereicht wurde. Bei dieser Verbesserung wird das Partikelpulver
im divergierenden Abschnitt durch die Seite der Düse eingeführt, was
ermöglicht, dass
ein Beschicker für
Pulver mit niedrigem Druck genutzt wird. Beschicker für Pulver
mit niedrigem Druck sind sehr verbreitet, günstig und zuverlässig. Dieses
Verfahren leidet an einer Abtragung der Düsenseitenwand gegenüber dem
Punkt einer Pulvereinführung,
besonders wenn harte Materialien gespritzt werden. In einigen Fällen werden
die Ränder des
durch dieses Verfahren erzeugten Spritzweges in Form von Sägezähnen und
nicht so saubere, gute definierte Ränder ausgebildet, wie sie unter
Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens mit hohem Druck nach
dem Stand der Technik erhalten werden. Der Grund dafür scheint
eine asymmetrische Assimilierung der Partikel in den Gasstrom zu
sein. Sowohl die Systeme nach dem Stand der Technik mit hohem Druck
als auch niedrigem Druck leiden an Turbulenz im mitgerissenen Hauptgas,
die mit einem Strom mit hoher Geschwindigkeit verbunden ist, besonders wenn
das Hauptgas durch einen rechten Winkel geht, während es in den konvergierenden
Abschnitt der Düse
eingeführt
wird. Die Turbulenz reduziert signifikant die Abscheidungseffizienz
des kinetischen Spritzsystems. Folglich erfordert der kinetische Spritzprozess
höhe re
Hauptgastemperaturen, um eine effiziente Abscheidung von Partikel
zu erreichen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
einer Ausführungsform
ist die vorliegende Erfindung ein Gaskollimator für eine kinetische Spritzdüse mit einem
Kollimator mit einem zentralen Loch, das von mehreren Gasstromlöchern umgeben ist,
und einer Länge
zwischen 10 und 30 Millimeter, wobei die Gasstromlöcher einen
hydraulischen Durchmesser zwischen 0,5 und 5,0 Millimeter aufweisen.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist die vorliegende Erfindung eine kinetische Spritzdüse mit einer
Ultraschalldüse
mit einem Gaskollimator, der zwischen einer Vormischkammer und einer
Mischkammer liegt, wobei die Mischkammer einem konvergierenden Abschnitt
der Düse
benachbart angeordnet ist; einer Einschnürung, die zwischen dem konvergierenden
Abschnitt und einem divergierenden Abschnitt der Düse liegt;
wobei der Kollimator ein zentrales Loch aufweist, das von mehreren
Gasstromlöchern
umgeben ist, und eine Länge
zwischen 10 und 30 Millimeter; und die Gasstromlöcher einen hydraulischen Durchmesser
zwischen 0,5 und 5,0 Millimeter haben.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen eines
Materials über
einen kinetischen Spritzprozess mit den Schritten: Bereitstellen
eines Partikelpulvers; Bereitstellen einer konvergierenden divergierenden Ultraschalldüse mit einem
Gaskollimator, der ein zentrales Loch aufweist, das von mehreren
Gasstromlöchern
umgeben ist, und eine Länge
zwischen 10 und 30 Millimeter hat; wobei die Gasstromlöcher einen hydraulischen
Durchmesser zwischen 0,5 und 5,0 Millimeter haben; Leiten eines
Stroms eines Gases durch den Kol limator und die Düse, wobei
das Gas eine Temperatur hat, die nicht ausreicht, um ein Schmelzen
der Partikel in der Düse
zu bewirken; und Mitreißen
der Partikel im Strom des Gases und Beschleunigen der Partikel auf
eine Geschwindigkeit, die ausreicht, um zu bewirken, dass die Partikel
an einem gegenüber
der Düse
angeordneten Substrat haften.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Verweis auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, worin gleiche Teile überall in
den Darstellungen die gleiche Bezugsziffer aufweisen:
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1 ist
eine allgemeine schematische Darstellung, die ein kinetisches Spritzsystem
zum Ausführen
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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2 ist
eine vergrößerte Schnittansicht
einer kinetischen Spritzdüse
nach dem Stand der Technik, die mit einem Beschicker für Pulver
mit hohem Druck in einem kinetischen Spritzsystem genutzt wird;
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3 ist
eine vergrößerte Querschnittansicht
einer kinetischen Spritzdüse
nach dem Stand der Technik, die mit einem Beschicker für Pulver
mit niedrigem Druck in einem kinetischen Spritzsystem genutzt wird;
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4 ist
eine vergrößerte Querschnittansicht
einer kinetischen Spritzdüse
der vorliegenden Erfindung, die mit einem Beschicker für Pulver
mit hohem Druck im kinetischen Spritzsystem genutzt wird;
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5 ist
eine vergrößerte Querschnittansicht
einer kinetischen Spritzdüse
der vorliegenden Erfindung, die mit einem Beschicker für Pulver
mit niedrigem Druck im kinetischen Spritzsystem genutzt wird;
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6 ist
eine graphische Darstellung, die den Druck am Ende eines Injektors
in einer kinetischen Spritzdüse
der vorliegenden Erfindung, die mit einem Beschicker für Pulver
mit niedrigem Druck im System genutzt wird, gegen die Hauptgastemperatur zeigt;
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7 ist
eine graphische Darstellung, die die Abscheidungseffizienz der in 2, 3 und 5 dargestellten
Düsen vergleicht;
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8A ist
eine Endansicht eines Gaskollimators nach dem Stand der Technik;
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8B ist
eine Endansicht eines Gaskollimators, der gemäß der vorliegenden Erfindung
entworfen wurde;
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9A ist
eine graphische Darstellung, die die Beladung eines Substrats durch
eine Düse
mit einem Gaskollimator nach dem Stand der Technik gegenüber einer
Düse mit
einem Gaskollimator, der gemäß der vorliegenden
Erfindung entworfen wurde, vergleicht; und
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9B ist
eine graphische Darstellung, die die Abscheidungseffizienz einer
Düse mit
einem Gaskollimator nach dem Stand der Technik gegen eine Düse mit einem
gemäß der vorliegenden
Erfindung entworfenen Gaskollimator vergleicht.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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In 1 ist
zunächst
ein kinetisches Spritzsystem gemäß der vorliegenden
Erfindung als Ganzes mit 10 dargestellt. Das System 10 umfasst
ein Gehäuse 12,
in welchem sich ein Tragtisch 14 oder ein anderes Tragmittel
befindet. Eine am Tisch 14 befestigte Montageplatte 16 trägt einen
Arbeitshalter 18, der sich in drei Richtungen bewegen und
ein geeignetes, aus einem zu beschichtenden Substrat bestehendes
Werkstück
tragen kann. Der Arbeitshalter 18 ist vorzugsweise so entworfen,
dass er ein Substrat in Bezug auf eine Düse 34 des Systems 10 bewegt,
wodurch gesteuert wird, wo das Pulvermaterial auf dem Substrat abgeschieden
wird. In anderen Ausführungsformen
kann der Arbeitshalter 18 ein Substrat an der Düse 34 vorbei
mit Querraten von bis zu 127 Zentimeter (50 Inches) pro Sekunde
zuführen. Das
Gehäuse 12 umfasst
umgebende Wände
mit mindestens einem, nicht dargestellten Lufteinlass und einem
Luftauslass 20, der durch eine geeignete Abgasleitung 22 mit
einem nicht dargestellten Staubkollektor verbunden ist. Während Beschichtungsvorgänge saugt
der Staubkollektor kontinuierlich Luft aus dem Gehäuse 12 und
sammelt etwaigen Staub oder Partikel, die in der Abluft enthalten
sind, für
eine anschließende
Entsorgung.
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Das
Spritzsystem 10 enthält
ferner einen Luftkompressor 24, der einen Luftdruck von
bis zu 3,4 MPa (500 Pfund pro Quadratzoll) an einen Luftballasttank 26 unter
hohem Druck liefern kann. Der Luftballasttank 26 ist über eine
Leitung 28 mit sowohl einem Pulverbeschicker 30 als
auch einem separaten Luftheizer 32 verbunden. Der Luftheizer 32 liefert erhitz te
Luft unter hohem Druck, das unten beschriebene Hauptgas, an eine
kinetische Spritzdüse 34. Der
Druck des Hauptgases ist im Allgemeinen zwischen 1,03-3,4 MPa (150
bis 500 Pfund pro Quadratzoll (psi)), eher vorzugsweise zwischen
2,07-2,76 MPa (300 bis 400 psi) eingestellt. Der Pulverbeschicker 30 ist
in Abhängigkeit
vom Entwurf der Düse 34 entweder
ein Beschicker für
Pulver mit hohem Druck oder ein Beschicker für Pulver mit niedrigem Druck, wie
im Folgenden beschrieben ist. Wenn der Pulverbeschicker 30 ein
Beschicker 30 mit hohem Druck ist, ist der Druck vorzugsweise
bei einem Druck zwischen 0,17-0,69 MPa (25 bis 100 psi) und eher
vorzugsweise zwischen 0,17-0,34 MPa (25 bis 50 psi) über dem
Druck des Hauptgases eingestellt. Wenn der Pulverbeschicker 30 ein
Beschicker mit niedrigem Druck ist, liegt der Druck vorzugsweise
zwischen 0,41 und 0,86 MPa (60-125 psi), noch bevorzugter zwischen
0,41-0,69 MPa (60 bis 100 psi), noch mehr bevorzugt zwischen 0,41-0,62
MPa (60 bis 90 psi) und am meisten bevorzugt zwischen 0,48-0,55
MPa (70 bis 80 psi). Der Pulverbeschicker 30 mischt Partikel
eines Spritzpulvers mit der Luft unter hohem oder niedrigem Druck
und liefert die Mischung an eine ergänzende Einlassleitung 48 der Düse 34.
Die Partikel werden vorzugsweise mit einer Rate zwischen 20 und
1200 Gramm pro Minute, eher vorzugsweise zwischen 60 und 600 Gramm
pro Minute der Düse 34 zugeführt. Eine
Computersteuerung 35 arbeitet dahingehend, den Pulverbeschicker 30,
den Druck der an den Pulverbeschicker 30 gelieferten Luft,
den Druck der an den Luftheizer 32 gelieferten Luft und
die Temperatur des den Luftheizer 32 verlassenden erhitzten
Hauptgases zu steuern.
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Die
in der vorliegenden Erfindung verwendeten Partikel können beliebige
der in den US-Patenten Nr. 6,139,913 und 6,283,386 offenbarten Materialien zusätzlich zu
anderen bekannten Partikeln sein. Diese Partikel umfassen im Allgemeinen
Metalle, Legierungen, Keramiken, Polymere, Diamanten und Mischungen
von diesen. Die Partikel haben vorzugsweise ei nen durchschnittlichen
nominellen Durchmesser zwischen 60 und 110 Mikrometer, eher vorzugsweise
zwischen 63 und 106 Mikrometer und am meisten bevorzugt zwischen
63 und 90 Mikrometer. Die in der vorliegenden Erfindung nützlichen
Substratmaterialien können
aus beliebigen einer großen Vielzahl
von Materialien bestehen, welche ein Metall, eine Legierung, einen
Halbleiter, eine Keramik, einen Kunststoff und Mischungen dieser
Materialien einschließen.
All diese Substrate können
durch den Prozess der vorliegenden Erfindung beschichtet werden.
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In
Abhängigkeit
von den Partikel oder der Kombination von Partikel, die gewählt werden
oder wird, kann die Hauptgastemperatur zwischen 316 und 649°C (600 bis
1200 Grad Fahrenheit) liegen. Das Hauptgas hat eine Temperatur,
die stets nicht ausreicht, um ein Schmelzen, innerhalb der Düse 34, etwaiger
Partikel, die gerade bespritzt werden, zu bewirken. Für die vorliegende
Erfindung wird bevorzugt, dass die Hauptgastemperatur je nach dem
Material, das gespritzt wird, zwischen 316 und 649°C (600 bis 1200
Grad Fahrenheit) liegt. Es ist notwendig, dass die Temperatur und
die Einwirkzeit der Partikel auf das Hauptgas so ausgewählt werden,
dass die Partikel in der Düse 34 nicht
schmelzen. Die Temperatur des Gases fällt schnell, wenn es sich durch
die Düse 34 bewegt.
Tatsächlich
liegt die Temperatur des Gases, die gemessen wird, wenn es die Düse 34 verlässt, oft
bei oder unterhalb der Raumtemperatur, sogar wenn dessen anfängliche
Einlasstemperatur über
538°C (1000°F) liegt.
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2 ist
eine Querschnittansicht einer Düse 34 nach
dem Stand der Technik und ihrer Verbindungen mit dem Luftheizer 32 und
einem Beschicker 30 für
Pulver mit hohem Druck. Diese Düse 34 wurde
in einem Hochdrucksystem verwendet. Ein Hauptluftdurchgang 36 verbindet
den Luftheizer 32 mit der Düse 34. Der Durchgang 36 verbindet
mit einer Vormischkammer 38, die Luft durch einen Gaskollimator 40 und
in eine Kammer 42 leitet. Dieser Gaskollimator 40 nach
dem Stand der Technik ist eine Scheibe mit einer Dicke von ungefähr 1 Millimeter,
siehe 8A für eine Endansicht. Der Kollimator 40 enthält ein zentrales
Injektorloch 108, um ein Pulverinjektorrohr 50 aufzunehmen.
Eine Reihe von Gasstromlöchern 110 umgibt
das Injektorloch 108. Die Temperatur und der Druck der
Luft oder eines anderen erhitzten Hauptgases werden durch ein Thermoelement 44 für die Einlasstemperatur
des Gases im Durchgang 36 und einen mit der Kammer 42 verbundenen Drucksensor 46 überwacht.
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Die
Mischung der Luft unter hohem Druck und des Beschichtungspulvers
wird durch die ergänzende
Einlassleitung 48 dem Pulverinjektorrohr 50 mit
einem geraden Rohr, das einen vorbestimmten Innendurchmesser aufweist,
zugeführt.
Das Rohr 50 hat eine zentrale Achse 52, die vorzugsweise
die gleiche wie die Achse der Vormischkammer 38 ist. Das
Rohr 50 erstreckt sich durch die Vormischkammer 38 und
den Gleichrichter 40 in die Mischkammer 42.
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Die
Kammer 42 steht in Verbindung mit der Ultraschalldüse 54 vom
Laval-Typ. Die Düse 54 hat eine
zentrale Achse 52 und einen Eingangskonus 56, der
im Durchmesser zu einer Einschnürung 58 abnimmt.
Der Eintrittskonus 56 bildet einen konvergierenden Bereich
der Düse 54.
Stromabwärts
der Einschnürung 58 befindet
sich ein Austrittsende 60, und ein divergierender Bereich
ist zwischen der Einschnürung 58 und
dem Austrittsende 60 definiert. Der größte Durchmesser des Eintrittskonus 56 kann
zwischen 10 und 6 Millimeter liegen, wobei 7,5 Millimeter bevorzugt
werden. Der Eintrittskonus 56 verengt sich auf die Einschnürung 58.
Der Einschnürung 58 kann einen
Durchmesser zwischen 5,5 und 1,5 Millimeteraufweisen, wobei 4,5
bis 2 Millimeter bevorzugt werden. Der divergierende Bereich der
Düse 54 von stromabwärts der
Einschnürung 58 bis
zum Austrittsende 60 kann eine Vielzahl von Formen aufwei sen;
in einer bevorzugten Ausführungsform
hat er aber eine rechtwinklige Querschnittform. Am Austrittsende 60 hat
die Düse 54 vorzugsweise
eine rechtwinklige Form mit einer langen Abmessung zwischen 8 und
14 mm mal einer kurzen Abmessung zwischen 2 und 6 Millimeter.
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Wie
in den US-Patenten Nr. 6,139,913 und 6,283,386 offenbart ist, liefert
das Pulverinjektorrohr 50 eine Partikelpulvermischung an
das System 10 unter einem Druck, der den Druck des erhitzten Hauptgases
vom Durchgang 36 übersteigt.
Die Düse 54 kann
eine Austrittsgeschwindigkeit der mitgerissenen Partikel zwischen
300 Meter pro Sekunde und bis zu 1200 Meter pro Sekunde erzeugen.
Die mitgerissenen Partikel nehmen kinetische und thermische Energie
während
ihres Stroms durch diese Düse 54 auf.
Der Fachmann erkennt, dass die Temperatur der Partikel im Gasstrom
in Abhängigkeit
von der Partikelgröße und der
Hauptgastemperatur variiert. Der Hauptgastemperatur ist definiert
als die Temperatur des erhitzten Gases unter hohem Druck am Einlass in
die Düse 54.
Da die Partikel selbst beim Aufprall nie bis zu ihrem Schmelzpunkt
erhitzt werden, findet keine Änderung
der festen Phase der ursprünglichen Partikel
aufgrund einer Übertragung
von kinetischer und thermischer Energie und daher keine Änderung in
ihren ursprünglichen
physikalischen Eigenschaften statt. Die Partikel liegen immer bei
einer Temperatur unterhalb der Hauptgastemperatur. Die die Düse 54 verlassenden
Partikel sind in Richtung auf eine Oberfläche eines zu beschichtenden
Substrats gerichtet.
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Es
wird bevorzugt, dass das Austrittsende 60 der Düse 54 eine
Standoff-Distanz
von der zu beschichtenden Oberfläche
zwischen 10 und 80 Millimeter und am meisten bevorzugt zwischen
10 und 20 Millimeter hat. Bei Auftreffen auf ein der Düse 54 gegenüberliegendes
Substrat flachen sich die Partikel in eine noppenartige Struktur
mit einem Aspektverhältnis
von im Wesentlichen etwa 5 bis 1 ab. Beim Aufprall haften die kinetischen
ge spritzten Partikel an der Substratoberfläche, falls ihre kritische Geschwindigkeit überschritten
wurde. Damit ein bestimmtes Partikel an einem Substrat haftet, ist
es notwendig, dass es seine kritische Geschwindigkeit erreicht oder übersteigt,
die als die Geschwindigkeit definiert ist, bei der es an einem Substrat
haften wird, da die kinetische Energie der Partikel beim Aufprall über plastische
Verformung in thermische und Spannungsenergien umgewandelt werden
muss. Diese kritische Geschwindigkeit hängt von der Materialzusammensetzung
des Partikels und der Art des Substratmaterials ab. Härtere Materialien
müssen
im Allgemeinen eine höhere
Geschwindigkeit erreichen, bevor sie an einem bestimmten Substrat
haften. Die Art der Verbindungen mit zwischen kinetisch gespritzten
Partikel und dem Substrat wird in dem oben erwähnten Artikel in Surface an
Coatings Technology 154, S. 237-252, 2002, diskutiert.
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3 ist
eine Querschnittansicht einer Düse 34 nach
dem Stand der Technik zur Verwendung in einem Beschicker für Pulver
mit niedrigem Druck. Die Laval-Düse 54 ist
mit Ausnahme der Lage der ergänzenden
Einlassleitung 48 und des Pulverinjektorrohrs 50 der
in 2 gezeigten Hochdruckdüse sehr ähnlich. In diesem System nach
dem Stand der Technik wird das Pulver nach der Einschnürung 58 injiziert, und
daher kann ein Beschicker 30 mit niedrigem Druck genutzt
werden. Der Kollimator 40 ist der gleiche wie in 2 gezeigt.
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4 und 5 zeigen
eine Düse 54 und
einen Gaskollimator 40',
die gemäß der vorliegenden Erfindung
entworfen wurden. 4 zeigt eine Querschnittansicht
einer Hochdruckdüse 54,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung entworfen wurde, während 5 eine
Niederdruckdüse 54 zeigt,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung entworfen wurde. Eine Endansicht des Kollimators 40' ist in 8B gezeigt.
Der Kollimator 40' ist
viel länger
als der Kollimator 40 nach dem Stand der Technik. Der Kollimator 40' hat eine Länge zwischen
10 und 30 Millimeter und eher bevorzugt zwischen 25 und 30 Millimeter.
Der Kollimator 40' ist
vorzugsweise aus einem keramischen Material geschaffen, so dass
er der Temperatur und den Drücken
des Hauptgases standhalten kann. Der Kollimator 40' kann jedoch
auch aus einem beliebigen Metall oder einer Legierung hergestellt werden,
das oder die den Temperaturen und Drücken des Hauptgases standhalten
kann. Der Kollimator 40' hat
ein zentrales Loch 114 zum Aufnehmen des Injektorrohrs 50,
und dieses zentrale Loch 114 ist von mehreren Gasstromlöchern 116 umgeben.
In 8B sind die Löcher 116 als
hexagonale bienenwabenförmige
Löcher
dargestellt; andere Formen wie zum Beispiel Kreisformen und andere
Formen funktionieren jedoch ebenso. Es ist vorzuziehen, dass der
hydraulische Durchmesser für
ein einzelnes Rohr 116 zwischen 0,5 und 5,0 Millimeter
liegt. Es ist auch vorzuziehen, dass das Verhältnis des hydraulischen Durchmessers
der Löcher 116 zu
einer Länge
des Kollimators 40' zwischen
1:5,0 und 1:50,0 liegt. Schließlich
ist vorzuziehen, dass das Verhältnis
des gesamten offenen Raums in einer Querschnittfläche des
Kollimators 40' zur
offenen Querschnittfläche
der Mischkammer 42 zwischen 0,5:1,0 und 0,9:1,0 liegt.
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Die
einzigen Unterschiede zwischen der Düse 54 in 5 gegenüber 4 sind
die Länge des
Injektorrohrs 50 und der Durchmesser der Einschnürung 58.
In der Düse 54 mit
niedrigem Druck von 5 ist das Injektorrohr 50 länger und
erstreckt sich in den divergierenden Abschnitt der Düse 54.
Da das Injektorrohr 50 sich durch die Einschnürung 58 erstreckt,
muss die Einschnürung 58 weiter
sein. Die Einschnürung 58 ist
so geweitet, dass ein Spalt zwischen der Außenseite des Injektorrohrs
und dem Innendurchmesser der Einschnürung 58 vorliegt.
Dieser Spalt schafft eine Querschnittsfläche für den Luftstrom, die derjenigen
von 4 äquivalent
ist und so dass sie 0,42-1,4 m3/Min. (15 bis 50 Kubikfuß pro Minute (cfm))
Luftstrom, eher vorzugsweise 0,7-0,98 m3/Min.
(25 bis 35 cfm) liefert.
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Die
Distanz vom Ende der Einschnürung 58 zum
Ende des Injektorrohrs 50 in der in 5 dargestellten
Düse für niedrigen
Druck beeinflusst die Abscheidungseffizienz der Partikel. Eine Computermodellierung
zeigt, dass es vorzuziehen ist, dass das Ende des Injektorrohrs 50 innerhalb
des ersten 1/3 des divergierenden Abschnitts der Düse 54 angeordnet
ist, um maximale Beschleunigung der Partikel zu erhalten. Der Injektor
erstreckt sich vorzugsweise zwischen 2 und 50 Millimeter und eher
vorzugsweise zwischen 5 und 30 Millimeter über die Einschnürung 58 hinaus
in den divergierenden Abschnitt der Düse 54. In einem tatsächlichen
Test wurden die Längen von
zwei Injektoren 50 verglichen. Der erste erstreckte sich
12 Millimeter über
die Einschnürung 58 hinaus,
und der zweite erstreckte sich 38 Millimeter über die Einschnürung 58 hinaus.
Für beide
Düsen 54 waren
die Partikel Aluminiumpulver, betrug die Zufuhrrate 1 Gramm pro
Sekunde, betrug die Quergeschwindigkeit 5,08 Zentimeter (2 Inches)
pro Sekunde und die Hauptgastemperatur betrug 482°C (900°F). Das Substrat
war Aluminium. Die Düse 54 mit
dem kürzeren
Injektorrohr 50 eine Abscheidung von 325 Gramm pro Quadratmeter
und dem längeren Injektorrohr 50 wies
eine Abscheidung von nur 295 Gramm pro Quadratmeter auf. Folglich
war das kürzere
Injektorrohr 50 effizienter. Außerdem wurde festgestellt,
dass die vorliegende Erfindung die Sägezahnränder eliminierte, die man bei
der Verwendung der Düse
für niedrigen
Druck nach dem Stand der Technik fand. Die Ränder von Durchgängen unter Verwendung
des Kollimators 40' der
vorliegenden Erfindung waren sauber und scharf wie jene, die man unter
Verwendung von kinetischen Spritzsystemen mit hohem Druck findet.
Die vorliegende Erfindung eliminiert auch die Abtragung der Seitenwände der Düse 54,
die man bei der Düse 54 für niedrigen
Druck nach dem Stand der Technik fand. Eine Verwen dung der Düse 54 für niedrigen
Druck der vorliegenden Erfindung gestattet auch, dass der Hauptgasdruck
unabhängig
vom Druck des Pulverbeschickers 30 erhöht wird. Dies gestattet eine
Erhöhung
der gesamten Massenstromrate, die wiederum die Abscheidungseffizienz
erhöht.
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In 6 ist
eine graphische Darstellung, die die Drücke am Ende einer Düse 54 für niedrigen Druck
veranschaulicht, die gemäß der vorliegenden Erfindung
entworfen wurde und ein Injektorrohr 50 aufweist, das sich
25 Millimeter über
die Einschnürung 58 hinaus
erstreckt, bei verschiedenen Hauptgastemperaturen gezeigt. Der Hauptgasdruck
wurde bei 2,07 MPa (300 psi) konstant gehalten. Obgleich die gemessenen
Drücke
in 6 den wahren Druck am Ende des Injektors 50 ein
wenig unterschätzen, demonstrieren
die Ergebnisse die Existenz des Bereichs mit niedrigem Druck. Dies
ist der Grund, warum das Injektionsverfahren die Verwendung von
Beschickern 30 für
Pulver mit niedrigem Druck gestattet.
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7 zeigt
die Ergebnisse einer Reihe von Vergleichsstudien unter Verwendung
der in 2, 3 und 5 gezeigten
Düsen 54.
Die Y-Achse ist die Partikelladung pro Quadratmeter auf dem Substrat,
und die X-Achse ist die Pulverzufuhrrate. Für alle Düsen 54 betrug die
Hauptgastemperatur 427°C (800°F), waren
die Partikel eine Legierung aus Al-Zn-Si (80-12-8), die auf Aluminium
gespritzt wurden, betrug die Partikelgröße 53 bis 106 Mikrometer, betrug
die Quergeschwindigkeit 5 cm/s (2 Zoll pro Sekunde), und der Hauptgasdruck
betrug 2,07 MPa (300 psi). Die Referenzlinie 100 wurde
unter Verwendung einer Düse 54 für hohen
Druck nach dem Stand der Technik wie in 2 gezeigt
erzeugt, wobei ein Injektionsdruck von 2,41 MPa (350 psi) verwendet wurde.
Die Referenzlinie 102 wurde unter Verwendung einer Düse 54 für niedrigen
Druck wie in 5 gezeigt erzeugt, die gemäß der vorliegenden
Erfindung entworfen wurde. Die Referenzlinie 104 wurde unter
Verwendung einer Düse 54 für niedrigen
Druck erzeugt, die wie in 3 gezeigt
entworfen wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass der neue Kollimator 40' in einer Düse 54 für niedrigen
Druck die Menge an abgeschiedenen Partikel auf dem Substrat bei
allen Zufuhrraten signifikant erhöht gegenüber der Düse 54 für niedrigen
Druck nach dem Stand der Technik und dem Kollimator 40.
Die neue Düse 54 für niedrigen
Druck ist noch nicht so effizient wie die Düse 54 für hohen
Druck nach dem Stand der Technik.
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Der
gemäß der vorliegenden
Erfindung entworfene Kollimator 40' erhöhte auch die Effizienz der Düsen 54 für hohen
Druck. In einem Vergleich wurde eine wie in 2 gezeigt
entworfene Düse 54 für hohen
Druck verglichen, die gemäß der vorliegenden Erfindung
wie in 4 gezeigt entworfen wurde. Die Ergebnisse sind
in 9A und 9B dargestellt.
In allen Tests war das Pulver eine Legierung aus Al-Zn-Si (80-12-8),
die auf Aluminium gespritzt wurde, wurden die Zufuhrraten bei 0,5
Gramm pro Sekunde konstant gehalten, betrug die Partikelgröße 53 bis
106 Mikrometer, betrug der Hauptgasdruck 2,07 MPa (300 psi), betrug
der Druck des Pulverbeschickers 30 2,41 MPa (350 psi), und die Ergebnisse
sind der Durchschnitt von 12 Läufen.
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In 9A ist
die Ladung pro Quadratmeter Substrat dargestellt. Ein Referenzbalken 118 repräsentiert
die Ergebnisse von einer Düse 54 zur
Zufuhr von Pulver unter hohem Druck, die gemäß der vorliegenden Erfindung
entworfen wurde, mit einer Hauptgastemperatur von 371 °C (700°F) und einer
Quergeschwindigkeit von 10,1 cm/s (4 Zoll pro Sekunde). Ein Referenzbalken 120 repräsentiert
die Ergebnisse von der gleichen Düse 54 wie der Referenzbalken 118,
außer
dass die Quergeschwindigkeit auf 12,7 cm/s (5 Zoll pro Sekunde)
erhöht
wurde. Ein Referenzbalken 122 repräsentiert die Ergebnisse von
einer Düse 54 nach
dem Stand der Technik, die gemäß 2 entworfen
wurde, mit einem Kollimator 40 nach dem Stand der Technik,
einer Hauptgastemperatur von 427°C
(800°F)
und einer Quergeschwindigkeit von 7,62 cm/s (3 Zoll pro Sekunde).
Die Ergebnisse demonstrieren die Vorteile des Kollimators 40', der gemäß der vorliegenden
Erfindung entworfen wurde. Der Kollimator 40' der vorliegenden Erfindung gestattet
viel höhere
Abscheidungen bei höheren
Quergeschwindigkeiten und niedrigeren Hauptgastemperaturen. Die
Fähigkeit,
eine niedrigere Hauptgastemperatur zu verwenden, hat auch ein geringeres
Verstopfen der Einschnürung 58 zur
Folge.
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In 9B ist
die Abscheidungseffizienz dargestellt. Ein Referenzbalken 124 repräsentiert
die Ergebnisse von einer Düse 54 für hohen
Druck, die gemäß der vorliegenden
Erfindung entworfen wurde, mit einer Hauptgastemperatur von 371 °C (700°F) und einer
Quergeschwindigkeit von 10,1 cm/s (4 Zoll pro Sekunde). Ein Referenzbalken 126 repräsentiert die
Ergebnisse von der gleichen Düse 54 wie
der Referenzbalken 124, außer dass die Quergeschwindigkeit
auf 12,7 cm/s (5 Zoll pro Sekunde) erhöht wurde. Ein Referenzbalken 128 repräsentiert
die Ergebnisse von einer Düse 54 nach
dem Stand der Technik, die gemäß 2 entworfen
wurde, mit einem Kollimator 40 nach dem Stand der Technik,
einer Hauptgastemperatur von 427°C
(800°F)
und einer Quergeschwindigkeit von 10,1 cm/s (4 Zoll pro Sekunde).
Die Ergebnisse demonstrieren die Vorteile des Kollimators 40', der gemäß der vorliegenden
Erfindung entworfen wurde. Der Kollimator 40' der vorliegenden Erfindung gestattet
viel höhere
Abscheidungseffizienzen bei den gleichen und bei höheren Quergeschwindigkeiten,
alle mit niedrigeren Hauptgastemperaturen. Die Abscheidungseffizienz
war mehr als doppelt so hoch mit dem Kollimator 40' bei der gleichen
Quergeschwindigkeit und einer niedrigeren Hauptgastemperatur, vergleiche
die Referenzbalken 124 und 128. Selbst wenn die
Quergeschwindigkeit auf 12,7cm/s (5 Zoll pro Sekunde) erhöht wurde,
eine Erhöhung von
25 %, war die Abscheidungseffizienz noch doppelt so hoch wie beim
Kollimator 40 nach dem Stand der Technik, vergleiche Referenzbalken 126 und 128.
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In
der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, dass die Düse 34 unter
einem Winkel zwischen 0 und 45 Grad in Bezug auf eine Linie liegt,
die senkrecht zur Ebene der Oberfläche gezeichnet ist, die gerade
beschichtet wird, eher bevorzugt unter einem Winkel von 15 bis 25
Grad in Bezug auf die senkrechte Linie. Der Arbeitshalter 18 bewegt
vorzugsweise die Struktur mit einer Quergeschwindigkeit zwischen 0,64-15,2
cm/s (0,25 bis 6,0 Zoll pro Sekunde) und eher bevorzugt mit einer
Quergeschwindigkeit zwischen 0,64-7,62 cm/s (0,25 bis 3,0 Zoll pro
Sekunde) an der Düse 34 vorbei.
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Die
vorhergehende Beschreibung wurde gemäß den betreffenden gesetzlichen
Maßstäben beschrieben,
und folglich ist die Beschreibung beispielhaft statt in ihrer Art
beschränkend.