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TECHNISCHER
BEREICH
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine thermische Sprühvorrichtung
mit einer Einrichtung zum Erzeugen einer Flamme und mit einer Einrichtung
zum Einspritzen eines Pulvers in die Flamme, wobei die Flammen erzeugende
Einrichtung ein Endstück
aufweist, aus dem die Flamme zu einem Substrat gerichtet wird, das
dem Sprühen
unterworfen wird.
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Die "thermische Sprühvorrichtung" bezieht sich auf
jede Vorrichtung zum Erzeugen einer Flamme, die dazu verwendet werden
kann, eine Beschichtung aus Metall oder Keramik auf ein Substrat
abzulegen, und kann Plasmasprühpistolen
unterschiedlicher Arten, Flammenstrahlvorrichtung, HVOF-Vorrichtungen,
usw. aufweisen.
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Der
technische Bereich der Erfindung ist insbesondere der des Aufbringens
von Beschichtungen, wie thermische Sperrschichten aus Metall oder
Keramik, auf Substraten, insbesondere auf Substraten wie Bauelementen
in der Luft- und Raumfahrt, insbesondere von Motorteilen. Die Erfindung
ist jedoch nicht auf solche Anwendungen beschränkt, sondern kann auch außerhalb
dieses relativ engen Bereichs vielseitig angewendet werden.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Zum
Stand der Technik gehörende
Vorrichtungen für
das Plasmasprühen
eines Pulvers auf ein Substrat haben einen Plasmastrahl erzeugende
Einrichtungen und ein oder mehrere Pulvereinspritzöffnungen, über welche
Pulver in den Plasmastrahl eingespritzt wird.
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Eine
solche herkömmliche
Plasmastrahlpistole, beispielsweise die in breitem Umfang verwendete
Pistole F4 Sulzer Metco, hat ein Endstück, durch welches der Plasmastrahl
aus der Pistole heraus und zu dem Substrat gerichtet wird, das beschichtet
werden soll. An dem End stück
ist eine Schulter oder ein Knopf befestigt, die/der mit einer Düse zum Einspritzen
eines Pulvers zu dem Plasmastrahl hin und in ihn hinein versehen
ist.
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Wenn
während
des Betriebs das Pulver in den Plasmastrahl eingespritzt wird, geschmolzen und
auf einem Substrat abgelegt wird, werden, wenn das Pulver den Strahl
erreicht, charakteristische Strömungsmuster
erzeugt. Während
der normalen Betriebsbedingungen kann häufig ein Pulverrückstrom
zu der Düse
zurückgehen,
was zu deren Verstopfung führt.
In der Düse
oder dem Endstück
verklumpte größere Teilchen
oder Pulveraggregat wird früher
oder später
lose und in den Strahl ausgestoßen,
was Störungen
in dem Sprühprozess
verursacht und zur Erzeugung von Blasen und Klumpen führt.
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Die
US 5,406,046 offenbart eine
Plasmasprühvorrichtung
mit einer Flammen erzeugenden Einrichtung und Pulvereinspritzöffnungen.
Die Pulvereinspritzöffnungen
sind als radiale Durchgangslöcher
in einem Rahmen vorgesehen, der von der Flammen erzeugenden Einrichtung
vorsteht. Die Düse
wird mit Hilfe eines Wassermantels gekühlt, der den Auslassbereich
umgibt.
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Die
US 5,854,470 zeigt einen
Plasmalichtbogen, in den parallel zu der Flamme aus den Düsen, die
an einem Rahmen angeordnet ist, der aus der Flammen erzeugenden
Einrichtung vorsteht, Steuerluft abgegeben wird. Die Luftdüsen werden
dazu verwendet, die Flamme zu formen und zu stabilisieren.
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ZIEL DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine thermische Sprühvorrichtung
mit einer verbesserten Pulverausbeute, d.h. einem verbesserten Wirkungsgrad,
im Vergleich zu vergleichbaren Vorrichtungen nach dem Stand der
Technik bereitzustellen. Mit anderen Worten, die Vorrichtung nach
der Erfindung soll ein gleiches oder besseres Ergebnis als die Vorrichtungen
des Standes der Technik bei geringerem Pulververbrauch garantieren.
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Es
ist ebenfalls ein Ziel der Erfindung, eine thermische Sprühvorrichtung
bereitzustellen, bei der die Neigung reduziert oder sogar beseitigt
ist, dass ungünstige
Rückströme des Pulvers
zu einem Verstopfen der Düsen
führen.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Sprührate zu
erreichen, also eine reduzierte Sprühzeit für eine gegebene Menge an verwendetem
Pulver bei Aufrechterhaltung einer zufrieden stellenden Qualität der aufgebrachten
Beschichtung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Ziel der Erfindung wird mit Hilfe der anfänglich definierten thermischen
Sprühvorrichtung
erreicht, die sich dadurch auszeichnet, dass die Pulvereinspritzeinrichtung
ein Rahmenelement aufweist, das von dem Endstück aus in Flammenausstoßrichtung
vorsteht, und dass das Rahmenelement eine Flammenzone, die sich
von dem Endstück
aus erstreckt, wenigstens teilweise umschließt. Von dem Rahmenelement wird
wenigstens 1/4, also 90°,
des Umfangs um die Flammenzone herum umschlossen.
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Aufgrund
der wenigstens teilweisen Umschließung der Ringform des Rahmenelements
erhält
man ein verbessertes Strömungsmuster,
was zu einer beträchtlich
reduzierten Rückstromtendenz führt. Normalerweise
entsprechen die Form und/oder die Abmessungen des Innenumfangs des
Teils des Rahmenelements, das in der Flammenrichtung vorsteht, denjenigen
des Endstücks
der Flammen erzeugenden Einrichtung. Die Düse(n) oder die Pulveröffnung(en)
ist (sind) in dem vorstehenden Teil des Rahmenelements angeordnet,
wodurch Pulverstrahlen von dem Innenumfang des Rahmenelements in eine
Radialrichtung zu der zentralen Flamme, senkrecht zur Längsrichtung
der Flamme oder schräg
teilweise in der Längsrichtung
der Flamme gerichtet werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform deckt
das Rahmenelement wenigstens 180°,
vorzugsweise wenigstens 270°,
oder besonders bevorzugt 360° des
Umfangs um eine Flammenzone ab, die sich von dem Endstück aus erstreckt.
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Vorzugsweise
bildet das Rahmenelement ein ringförmiges Element und ist als
ein durchgehender Ring mit einem fortlaufenden inneren Umfang ausgelegt,
der sich über
360° erstreckt
und diesen Winkel abdeckt. Als Alternative kann es natürlich auch
von zwei oder mehr getrennten Ringteilen gebildet werden, von denen
jeder einen Sektor des Rahmenelements bildet. Die gesonderten Ringteile
brauchen kein Rahmenelement zu bilden, das einen fortlaufenden Innenumfang
hat, sondern können
auch ein nicht fortlaufender, unterbrochener Ring sein und sich über wenigstens
180°, vorzugsweise
wenigstens 270° in
seiner Umfangsrichtung erstrecken und diesen Winkel abdecken. Zwischen
solchen einzelnen Ringteilen oder Ringsegmenten können eine
oder mehrere Düsen
oder Pulveröffnungen
angeordnet sein.
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Vorzugsweise
hat das Rahmenelement einen Innenumfang, dessen Querschnitt der
Geometrie des Querschnitts des Innenumfangs des Endstücks entspricht.
Der Querschnitt sollte eine Rotationssymmetrie haben.
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Nach
der Erfindung weist der Teil des Rahmenelements, der über das
Endstück
in der Flammenausstoßrichtung
vorsteht, wenigstens ein radiales offenes Durchgangsloch auf. Solche
Löcher
bilden eine Luftkühlung
der Flamme, um die Strömung in
dem Pulvereinspritzbereich zu stabilisieren. Neben den von den Löchern an
dem Innenumfang des Rahmenelements gebildeten Öffnungen und möglichen Pulvereinspritzdüsen ist
die Innenumfangsfläche
des vorstehenden Teils insgesamt eben und hat keine Vorsprünge oder
dergleichen, die das Strömungsmuster
der Flamme und des eingespritzten Pulvers negativ beeinflussen würden.
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Das
Rahmenelement hat vorzugsweise eine Vielzahl von radialen, offenen
Durchgangslöchern, normalerweise
wenigstens sechs, vorzugsweise mehr als zehn radiale, offene Durchgangslöcher. Die Löcher sollten
gleichförmig
um den Umfang des Rahmenelements herum verteilt sein. Dadurch können gleichförmige Strömungsbedingungen
um die ganze zentrale Flamme oder um den ganzen zentralen Strahl
herum erreicht werden.
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Bei
einer Ausführungsform
hat das Endstück eine
innere Breite oder einen Innendurchmesser d und das Rahmenelement
steht über
eine Entfernung p vor. Die Beziehung zwischen d und p ist 0,5d < p < 2d. Dies hat sich
als bevorzugte Beziehung wenigstens für Endstücke mit einem Innendurchmesser
von 6 oder 8 mm erwiesen und wird gleichermaßen die bevorzugte Beziehung
für die
meisten anderen in der Praxis verwendeten Durchmesser.
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Wenn
das Endstück
eine innere Breite oder einen Innendurchmesser d und der vorstehende
Teil des Rahmenelements eine innere entsprechende Breite oder einen
Durchmesser D hat, ist D gleich oder größer als d, und vorzugsweise
ist D < 1,2 d. Diese
Beziehung hat sich wenigstens für
Endstücke mit
einem Innendurchmesser d von 6 oder 8 mm als geeignet erwiesen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind um den Innenumfang des Rahmenelements herum zwei
oder mehr Pulvereinspritzöffnungen
zum Richten von Pulver zu der Flamme verteilt. Dadurch wird eine
verbesserte und gleichförmigere
Pulververteilung in dem Plasmastrahl erreicht. Da das eingespritzte
Pulver über
eine Anzahl von Düsen
verteilt wird, kann eine größere Pulvermenge
pro Zeiteinheit in das Plasma eingespritzt werden, ohne dass sich
das gleiche Problem mit der Instabilität einstellt, wie es der Fall
wäre, wenn
nur eine Düse
oder Öffnung
verwendet würde.
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Vorzugsweise
sind die Pulvereinspritzöffnungen
gleichmäßig um den
Umfang des Rahmenelements herum verteilt. Dadurch wird eine gleiche
Verteilung des Pulvers in dem Plasma begünstigt. Vorzugsweise hat die
Vorrichtung Einrichtungen zum gleichförmigen Verteilen des Pulvers
auf die Pulverinjektoren oder ist mit solchen Einrichtungen verbunden.
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Bei
einer Ausführungsform
hat jede Pulvereinspritzöffnung
eine Düse,
die in ein radiales Loch oder eine radiale Öffnung durch das Rahmenelement hindurch
eingesetzt ist, und wenigstens eines oder mehrere der Durchgangslöcher sind
für die
Aufnahme solcher Düsen
in ihnen ausgelegt. Dementsprechend ist das Rahmenelement mit einer
Vielzahl von radialen Durchgangslöchern versehen, die sich von der
Außenseite
zur Innenseite des Rahmenelements erstrecken und es irgendeinem
Medium, wie Luft, erlauben, durch sie hindurchzugehen. Wenigstens
einige der Löcher
sind für
die Aufnahme einer Düse
oder dergleichen in ihnen ausgelegt. Beispielsweise können einige
Löcher
mit einem Gewinde für
den Eingriff mit einer Düse
versehen sein, was eine vielseitiger verwendbare Vorrichtung ergibt.
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Das
Rahmenelement sollte an dem Endstück lösbar befestigt sein. Beispielsweise
kann ein Teil des Rahmenelements so ausgelegt sein, dass es in den
Außenumfang
des Endstücks
gezogen werden kann, wobei dieser Teil des Rahmenelements mit Befestigungsschrauben
versehen ist, die in seine Wand eindringen. Zur Befestigung des
Rahmenelements bezüglich
des Endstücks
könnte
auch jede Art einer Klemme oder dergleichen verwendet werden.
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Nach
der Erfindung ist die von der Flammen erzeugenden Einrichtung erzeugte
Flamme ein Plasmastrahl, der dadurch gebildet wird, dass ein Gas
auf einer Ringbahn zwischen einer Kathode und einer Anode strömen gelassen
wird. Gewöhnlich
kann die Temperatur eines solchen Strahls 15000°C erreichen, und das in das
Plasma eingeführte
Pulver kann eine Geschwindigkeit von bis zu 500 m/s erreichen, wenn
es geschmolzen und von dem Plasmastrahl beschleunigt wird, bevor
es auf ein Substrat trifft.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden
detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
angegeben.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
wird nun eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, in denen
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1 eine
vergrößerte Ansicht
eines Endstücks
einer thermischen Sprühvorrichtung
ist, die mit einer Pulvereinspritzeinrichtung nach dem Stand der
Technik versehen ist,
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2 eine
Stirnansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung ist,
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3 eine
erste Ausführungsform
der Vorrichtung von 1 zeigt, die mit einer Pulvereinspritzeinrichtung
versehen ist, die zwei gegenüberliegende
Düsen aufweist,
die in einem Rahmenelement angeordnet sind, das von zwei gesonderten
Ringteilen gebildet wird,
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4 eine
Stirnansicht der in 3 gezeigten Vorrichtung ist,
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5 eine
bevorzugte zweite Ausführungsform
der thermischen Sprühvorrichtung
nach der Erfindung zeigt,
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6 eine
Stirnansicht der in 5 gezeigten Vorrichtung ist,
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7 ein
Querschnitt des in 5 und 6 gezeigten
Rahmenelements ist, und
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8 eine
Schnittansicht einer typischen Plasmasprühvorrichtung nach der Erfindung
ist.
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INS EINZELNE
GEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 und 2 zeigen
Endstücke 1 einer thermischen
Sprühvorrichtung,
genauer gesagt einer Plasmasprühvorrichtung,
nach dem Stand der Technik. Die Vorrichtung hat eine Einrichtung 2 zum
Erzeugen einer Flamme, hier eines Plasmastrahls. Eine solche Einrichtung
hat eine Kathode und eine Anode, wie es in 8 gezeigt
ist, die in an sich bekannter Weise angeordnet sind und eine ringförmige Bahn
zwischen sich bilden. Sie hat auch eine Einrichtung 3 zum
Einspritzen eines Pulvers in den Plasmastrahl.
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Das
Endstück 1 hat
ein Rohr mit einem Kreisquerschnitt und kann auch die Anode aufweisen.
Die Pulvereinspritzeinrichtung 3 hat eine Schulter oder
einen Knopf 4, die/der an dem Endstück 1 befestigt ist.
Die Schulter oder der Knopf 4 haben ein radiales Loch,
durch das eine Pulvereinspritzdüse 5 hindurchgeht,
die eine Öffnung
für die
Pulvereinspritzung zu der Flamme hin bildet.
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2 zeigt,
wie nur ein kleiner Teil der Flamme tatsächlich einen Vorteil des Spritzens
aus der einzigen Düse 5 nutzt.
Aufgrund des kleinen Winkelsektors, der von der Schulter oder dem
Knopf 4 abgedeckt ist, wird ein Rückstrom von rückkehrendem, teilweise
geschmolzenem Pulver erzeugt, was zu einer unerwünschten Ansammlung an der Düse 5 führt.
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3 und 4 zeigen
eine erste Ausführungsform
der thermischen Sprühvorrichtung
nach der Erfindung. Von den gleichen Einrichtungen, wie sie in 1 und 2 beschrieben
sind, wird eine Flamme oder ein Plasmastrahl erzeugt. Ein Rahmenelement 6,
das von zwei gesonderten Ringteilen 7, 8 gebildet
wird, deckt etwa 180° des
Umfangs um die Flamme herum ab. D.h. mit anderen Worten, dass es 50%
des Umfangs abdeckt, den ein entsprechender durchgehender Ring abdecken
würde.
Hier bildet jeder Ringteil 7, 8 einen Sektor,
der wenigstens 90° des Umfangs
abdeckt.
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Das
Rahmenelement 6 steht in der Längsrichtung, die die gleiche
wie die Flammenrichtung ist, vor und verlängert das Endstück 1.
Jeder Ringteil 7, 8 ist mit einem oder mehreren
radialen Löchern
versehen, wobei durch wenigstens eines von ihnen eine Pulvereinspritzdüse 5 hindurchgeht.
Jede Düse 5 kann
wie vorstehend anhand der zum Stand der Technik gehörenden Düse von 1 und 2 beschrieben
angeordnet sein. Aufgrund der doppelten Düsenanordnung und des Vorhandenseins
des Rahmenelements 6 wird die Tendenz eines Rückstroms unterdrückt und
ein stabilerer und besser genutzter Plasmastrahl erreicht. Dementsprechend
wird verglichen mit dem Stand der Technik eine höhere Pulverausbeute erzielt.
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In 5 bis 7 ist
eine bevorzugte zweite Ausführungsform
einer Vorrichtung nach der Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung hat
eine Einrichtung zum Erzeugen einer Flamme, vorzugs weise wie sie vorher
unter Bezug auf 1 bis 4 beschrieben wurde.
Sie unterscheidet sich von der in 3 und 4 gezeigten
Ausführungsform
dadurch, dass sie ein Rahmenelement 6 hat, das von einem
einzigen durchgehenden Ring gebildet wird.
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Der
Ring 6 ist lösbar
an dem Ende des Endstücks 1 in
der Plasmastrahlrichtung befestigt und steht eine Entfernung p darüber hinaus
vor. Das Endstück 1 hat
einen Innendurchmesser d, wobei 0,5d < p < 2d,
und vorzugsweise d ≅ p.
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Der
Ring 6 hat einen kreisförmigen
Innenumfang mit einem Durchmesser D, der etwa gleich dem Innendurchmesser
d des Endstücks 1 ist.
Genauer gesagt, in diesem Fall entspricht der Innendurchmesser D
dem Außendurchmesser
d des Endstücks 1 plus
der Wanddicke des Endstücks 1.
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Das
Rahmenelement 6 hat weiterhin eine Vielzahl von radial
durchgehenden Löchern 9,
die gleichmäßig um den
Umfang des vorstehenden Teils herum verteilt sind. Wenigstens einige
der Löcher 9 sind
mit einem Gewinde für
den Eingriff mit einer Pulvereinspritzdüse 5 versehen, die
darin aufgenommen werden kann. Alternativ kann ein gesonderter Satz von
Löchern
mit oder ohne Ausrichtung zu den Löchern 9 angeordnet
werden, um als Düsenaufnahmelöcher oder
Pulveröffnungen
zu wirken.
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Die
Löcher 9 sind
insgesamt auf einer Linie zueinander um den Innenumfang des Rings 6 herum angeordnet.
Diejenigen Löcher,
die keine Pulvereinspritzdüse 5 aufnehmen,
tragen zu einer radialen Verbindung zwischen der Innenseite und
der Außenseite
des Rings bei. Normalerweise ist außen eine Luftatmosphäre, und
die Löcher 9 wirken
als Luftkühllöcher, die
den Strahl weiter stabilisieren und auch einem Pulverrückstrom
zu den Düsen 5 hin
entgegenwirken.
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Vorzugsweise
sind die Düsen
(oder Pulveröffnungen)
gleichförmig
(mit dem gleichen Winkelabstand voneinander) um den Innenumfang
des Rahmenelements 6 herum verteilt. Die Anzahl der Düsen 5 kann
variieren, Computersimulationen haben jedoch gezeigt, dass häufig drei
Düsen bevorzugt
werden, die eine vorteilhafte Pulverausbeute (geringerer Pulververlust)
und stabile Strömungsbedingungen ergeben.
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Für ein leichtes
Befestigen an dem Endstück 1 und
Lösen davon
ist die Pulvereinspritzeinrichtung 3, hier das Rahmenelement 6,
so ausgebildet, dass es in das Ende des Endstücks 1 gezogen und
in einer Position mit Hilfe von Fixierschrauben 16 festgelegt werden
kann. Alternativ können
andere Verbindungseinrichtungen, wie Klemmen oder dergleichen, Verwendung
finden.
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In 8 ist
eine Plasmasprühvorrichtung nach
der Erfindung schematisch gezeigt. Die Vorrichtung hat eine Anode 10,
die eine zentrale Kathode 11 umgibt und eine Düse oder
einen Ringkanal für
Gase bildet, wobei eine solche Vorrichtung aus dem Stand der Technik
bekannt ist und nicht weiter im Einzelnen erläutert zu werden braucht. Mit
Hilfe der Steuerung der Spannungsdifferenz zwischen der Anode 10 und der
Kathode 11 und mit Hilfe des Strömenlassens eines Gases durch
die Düse
wird ein elektrischer Lichtbogen- oder Plasmastrahl 12 erzeugt.
Die Vorrichtung hat weiterhin eine Einrichtung 3 nach der
Erfindung zum Einführen
eines Stroms von Pulverteilchen 13 in den Plasmastrahl 12.
Der Strahl 12 ist zu einem Substrat 15 gerichtet
und transportiert die Pulverteilchen 13 zum Substrat 15 hin,
während
Teilchen 13 gleichzeitig wenigstens teilweise geschmolzen
werden.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Rahmenelement 6,
wie es vorstehend beschrieben ist, zum Austausch der Einzelschulter- und
Düsenanordnung
des Standes der Technik an heute auf dem Markt verfügbaren,
weit verbreiteten Plasmastrahlpistolen, wie die F4-Pistole, ohne übermäßige Arbeit
verwendet werden kann, was eine verbesserte Pulverausbeute, einen
verbesserten Plasmastrahlwirkungsgrad und eine verbesserte Stabilität sowie
ein geringeres Risiko des Zusetzens der Pulveröffnung ergibt.
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Es
sollte realisiert werden, dass die vorstehende Darstellung der Erfindung
beispielsweise erfolgte und dass alternative Ausführungsformen
für den
Fachmann offensichtlich sind. Der beanspruchte Schutzumfang ist
jedoch in den Patentansprüchen definiert,
die von der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen gestützt werden.