DE68925414T2 - Verfahren zum thermischen Aufspritzen von nicht schmelzbaren Materialien mit hoher Geschwindigkeit - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung mit einer Thermalspritzpistole, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
• Thermisches Sprühen, auch als Flammspritzen bekannt, umfaßt das Schmelzen oder wenigstens Wärmeaufweichen eines wärmeschmelzbaren Materials, wie zum Beispiel eines Metalls oder einer Keramik, und das Treiben des aufgeweichten Matrials in Partikelform gegen eine Oberfläche, welche zu beschichten ist. Die aufgeheizten Partikel schlagen auf die Oberfläche auf, wo sie abgekühlt und daran gebunden werden. Eine Flammspritzpistole wird sowohl für den Zweck der Heizung als auch des Austreibens der Partikel verwendet. In einer Art von Flammspritzpistole wird das wärmeschmelzbare Material der Pistole in Pulverform zugeführt. Solche Pulver umfassen typischerweise kleine Partikel, d.h. Partikel zwischen 100 mesh US-Standardkorngröße (149 um) und etwa 2 um. Die Wärme zum Pulverversprühen wird im allgemeinen mit einer Verbrennungsflamme oder mit einer durch einen Lichtbogen erzeugten Plasmaflamme erzeugt. Das Trägergas, welches das Pulver mitreißt und transportiert, kann eines der Verbrennungsgase oder ein Inertgas, wie zum Beispiel Druckluft, sein.
• Qualitätsbeschichtungen aus bestimmten Flammspritzmaterialien sind durch Aufsprühen mit hoher Geschwindigkeit erzeugt worden. Plasmasprühen mit hoher Geschwindigkeit hat sich in vieler Hinsicht als erfolgreich erwiesen, aber es kann durch eine nicht gleichförmige Heizung und/oder schlechte Partikelmitführung, welche durch das Zuführen von Pulvern seitlich in den Hochgeschwindigkeitsplasmastrom bewirkt werden muß, beeinträchtigt sein. Die US-Patentnummern 2 714 563 und 2 964 420 (beide von Poorman et al) offenbaren eine Detonationspistole zum Versprühen pulverisierten Materials in einer Serie von Detonationen, um Beschichtungen, wie zum Beispiel metallgebundene Karbide, zu erzeugen. Eine hohe Dichte und Zähigkeit von Beschichtungen werden durch starken Aufschlag der Pulverpartikel erreicht, und die kurze Verweilzeit in der Heizzone minimiert die Oxidation bei den hohen Sprühtemperaturen.
• Eine Pulverflammspritzpistole vom Raketentyp kann ausgezeichnete Beschichtungen aus Metall und metallgebundenen Karbiden erzeugen, insbesondere Wolframkarbid, und wird in den US-Patenten Nr. 3 741 792 (Peck et al) und 4 416 421 (Browning) beschrieben. Diese Art von Pistole weist eine innere Verbrennungskammer mit einem Hochdruck-Verbrennungsausstoß, der durch eine Düsenkammer geleitet wird, auf. Pulver wird seitlich in die Flamme oder in die Düsenkammer geführt, um aufgeheizt und durch den Verbrennungsausstoß angetrieben zu werden.
• Sprühgeräte mit einer kurzen Duse sind zum Hochgeschwindigkeitsspritzen in dem französischen Patent Nr. 1 041 056 und dem US-Patent Nr. 2 317 173 (Bleakley) beschrieben. Pulver wird axial in eine Schmelzkammer innerhalb einer ringförmigen Strömung von Verbrennungsgas zugeführt. Eine ringförmige Luftströmung wird koaxial außerhalb der Verbrennungsgasflamme entlang der Wand der Kammer eingeführt. Der Sprühstrahl mit dem aufgeheizten Pulver tritt aus dem offenen Ende der Verbrennungskammer aus.
• Da Flammspritzen das Schmelzen oder wenigstens Erweichen des Sprühmaterials durch Aufheizen der Oberfläche beinhaltet, können nicht schmelzende Pulver, wie zum Beispiel bestimmte Karbide und Nitride, nicht erfolgreich zur Herstellung von Beschichtungen ohne Einbeziehung eines Bindemittels in das Material versprüht werden. Zum Beispiel können Pulver durch Aufbringen eines Metalls auf einen Kern von nicht schmelzbarem Material gebildet werden, wie das in dem US-Patent Nr. 3 254 970 (Dittrich et al) beschrieben ist, oder umgekehrt, wie das in dem US-Patent Nr. 3 655 425 (Longo und Patel) beschrieben ist. Jedoch ist eine solche Zusammensetzung zur Herstellung von Beschichtungen hoher Qualität und optimaler Ablagerungeffizienz mit herkömmlichen Flammspritzpistolen gegenüber Plasmaspritzen oder Verbrennung mit niedriger Geschwindigkeit nicht voll befriedigend gewesen.
• Aus der GB 742387 ist ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung eines Materials mit hohem Schmelzpunkt auf einem Werkstück bekannt geworden, entsprechend welchem das verwendete Beschichtungsmaterial alternativ aus zerkleinertem Molybden, Wolfram, eines Kobaltchrom-Wolframlegierung, einer Nickelmolybdenlegierung, Borkarbid, einer Wolframkarbidzusammensetzung, einer Mischung aus einem Weichmetallpulver mit einem pulverisierten harten Material, oder einer Mischung aus Eisen-, Chrom- und Nickelpulver besteht.
• Das französische Patent 1148292 offenbart auch ein Flammspritzverfahren, in welchem ein Pulver mit hoher Geschwindigkeit und einer erhöhten Tempreratur in Richtung zu einem Substrat zugeführt wird, um die Oberfläche des Substrats mit unterschiedlichen Metallen, Legierungen, Metallverbundmaterialien, Plastikmaterialien, Keramiken und Mineralen zu beschichten.
• Thermoplastische Polymerpulver, wie zum Beispiel Polyethylen, schmelzen leicht, und viele können leicht thermisch versprüht werden. Jedoch schmelzen thermostatplastische Polymerpulver im allgemeinen nicht, wenigstens nicht ohne vorherige Zersetzung und/oder Oxidation bei der hohen Flammspritztemperatur. Bestimmte dieser thermostatplastische Pulver, wie sie in dem US- Patent Nr. 3 723 165 (Longo und Durman) (übergegangen auf den Vorgänger im Interesse des vorliegenden Rechtsnachfolgers) offenbart sind, können einer oberflächen chemischen oder physikalischen Modifikation der Polymeroberfläche der jeweiligen Partikel unterliegen, so daß die Oberfläche durch Wärme aufweichbar wird. Ein Beispiel ist das Poly(paraoxybenzoyl)esterpulver, das in dem US-Patent Nr. 3 784 405 (Economy et al) beschrieben ist. Wie in Beispiel 1 des vorangehend erwähnten US-Patents Nr. 3 723 165 erwähnt ist, können solche Polyester in einer Mischung mit einem Aliuminiumlegierungspulver verwendet werden. Das Flammspritzen einer solchen Mischung ist zur Erzeugung von verschleißbaren Beschichtungen für Gasturbinenmaschinendichtungen und dergleichen erfolgreich gewesen. Jedoch resultiert die grundlegende Unschmelzbarkeit des Polymers noch in einer schlechten Ablagerungseffizienz, so daß sogar bei der großen durch eine Plasmaspritzpistole erzeugten Hitze ein merklicher Teil des pulverbestandteils verloren geht. Da dieses Polymer ziemlich teuer ist, besteht ein Bedarf, das Flammspritzen der Polymer-Aluminiummischung zu verbessern. Es besteht auch ein zunehmender Bedarf zu Verbesserungen bezüglich der Abreibbarkeit und des Erosionswiderstandes der Beschichtungen.
• Daher bestehen die Aufgaben der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren zum Flammspritzen nicht schmelzbarer Materialien zu schaffen, ein Verfahren zum Flammspritzen mit hoher Geschwindigkeit von Partikeln, die eine nicht schmelzbare Komponente und eine wärmeaufweichbare Komponente aufweisen, und ein verbessertes Verfahren, bei dem nicht schmelzbare Partikel in den thermisch aufgesprühten Beschichtungen enthalten sind, mit vernünftigen Kosten zu schaffen, und ein Verfahren zum Erzeugen verbesserter Überzüge mit bestimmten wärmehärtbarten Plastikmaterialien zu schaffen. Diese Aufgaben werden durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale erreicht.
• Vorzugsweise umfassen die Polymerkörner Poly(paraoxybenzoyl) ester. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel bestehen die Polymerkörner im wesentlichen aus einem Kopolyester von Poly(paroxybenzoyl)ester. Das Pulver kann ferner auch Aluminiummetallkomponenten oder auf Aluminium basierendes Legierungspulver umfassen.
• Wo das Pulver Partikel mit wärmestabilen, nicht schmelzbaren Kernen und durch Wärme aufweichbaren Oberflächen umfaßt, umfassen die genannten Partikel metallische Partikel.
• In einem bevorzugten Verfahren enthält die Flammspritzpistole ein Düsenteil mit einer Düsenstirnfläche und einer röhrenförmigen Gaskappe, die sich von dem Düsenteil erstreckt und eine nach innen weisende zylindrische Wand aufweist, die eine Verbrennungskammer mit einem offenen Ende und einem gegenüberliegenden, durch die Düsenstirnfläche begrenzten Ende aufweist. Dieses Verfahren umfaßt die Einführung einer ringförmigen Strömung einer brennnbaren Mischung eines Verbrennungsgases und Sauerstoff aus der Düse koaxial in die Verbrennungskammer, die Einführung einer ringförmigen äußeren Strömung von unter Druck stehendem, nicht brennbarem Gas angrenzend an die zylindrische Wand radial nach außen von der ringförmigen Strömung der verbrennbaren Mischung, das Zuführen eines Pulvers in einem Trägergas axial von der Düse in die Verbrennungskammer und das Einführen einer ringförmigen inneren Strömung von unter Druck stehendem Gas aus dem Düsenteil in die Verbrennungskammer koaxial zwischen der brennbaren Mischung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer in der vorliegenden Erfindung verwendeten Flammspritzpistole.
• Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1.
• Fig. 3 ist eine Vergrößerung des vorderen Endes der Sektion von Fig. 2.
• Fig. 4 ist ein Schnitt entlang der Linie 4-4 von Fig. 1 und eine schematische Darstellung eines zugehörigen Pulverzuführungssystems.
• Fig. 5 ist eine schematische Ansicht der Pistole von Fig. 1, die einen Überschallstrahl entsprechend der vorliegenden Erfindung erzeugt.
• Fig. 6 ist die Ansicht von Fig. 5 mit einem geeignet angeordneten Substrat.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• Ein Beispiel einer bevorzugten Flammspritzvorrichtung zum Ausführen der vorliegenden Erfindung ist in der nicht vorveröffentlichten EP 0 341 672 des Anmelders offenbart, Die in den Fig. 1 und 2 erläuterte Vorrichtung zeigt einen horizontalen Schnitt davon. Eine Flammspritzpistole 10 weist einen Gaskopf 12 mit einem röhrenförmigen Teil in der Form einer daran angebrachten Gaskappe 14, einen Ventilabschnitt 16 zum Zuführen von Brennstoff, Sauerstoff und Luft zu dem Gaskopf und einen Griff 17 auf. Der Ventilabschnitt 16 weist einen Schlauchanschluß 18 für ein Verbrennungsgas, einen Schlauchanschluß 19 für Sauerstoff und einen Schlauchanschluß 20 für Luft auf. Die drei Anschlüsse sind jeweils durch Schläuche mit einer Brennstoffquelle 21, einer Sauerstoffquelle 22 und einer Luftquelle 24 verbunden. Öffnungen 25 in einem zylindrischen Ventil 26 steuern die Strömung der jeweiligen Gase von ihren Anschlüssen in die Pistole. Das Ventil und die zugehörigen Komponenten sind zum Beispiel von der Art, wie sie in dem US-Patent Nr. 3 530 892 gelehrt wird und enthalten ein Paar von Ventilhebeln 27 und Dichtungseinrichtungen für jede Gasströmungssektion, welche Kolben 28, Federn 29 und O-Ringe 30 enthält.
• Ein zylindrischer Siphonstöpsel 31 ist in eine entsprechende Bohrung in dem Gaskopf 12 eingepaßt, und eine Vielzahl von O- Ringen darauf bilden eine gasdichte Abdichtung. Der Siphonstöpsel ist mit einer Röhre 33 versehen, die einen zentralen Durchgang 34 aufweist. Der Siphonstöpsel weist ferner darin eine ringförmige Rille 35 und eine weitere ringförmige Rille 36 mit einer Vielzahl von Zwischenverbindungsdurchgängen 38 (zwei sind gezeigt) auf. Bei geöffneter Position des zylindrischen Ventils 26, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, wird Sauerstoff mit Hilfe eines Schlauchs 40 durch dessen Anschluß 19 und das Ventil 26 in einen Durchgang 42 gebracht, von wo er in die Rille 35 und durch den Durchgang 38 strömt. Eine ähnliche Anordnung ist vorgesehen, um Verbrennungsgas von der Quelle 21 und einem Schlauch 46 durch den Anschluß 18, das Ventil und einen Durchgang 48 in die Rille 36 zu schicken, mit dem Sauerstoff zu mischen und eine verbrennbare Mischung durch die Durchgänge 50, die mit den Durchgängen 38 ausgerichtet sind, in eine ringförmige Rille 52 zu leiten. Die ringförmige Rille 52 führt die Mischung einer Vielzahl von Durchgängen 53 in dem hinteren Abschnitt eines Düsenteils 54 zu.
• Bezüglich der Details wird auf Fig. 3 Bezug genommen, wo ein Düsenteil 54 gezeigt ist, das geeignet aus einem röhrenförmigen inneren Abschnitt 55 und einem röhrenförmigen äußeren Abschnitt 56 aufgebaut ist. (Der hier und in den Ansprüchen verwendete Ausdruck "inneren" bezeichnet zu der Achse hin und "äußeren" bezeichnet von der Achse weg. Auch "vordere" oder "nach vorn" bedeutet zu dem offenen Ende der Pistole hin; "hintere", "rückwärts" oder "rückwärtig" bedeutet das Gegenteil.) Der äußere Abschnitt 56 bildet eine äußere ringförmige Öffnungseinrichtung zum Einführen der ringförmigen Strömung der verbrennbaren Mischung in die Verbrennungskammer. Die Öffnungseinrichtung enthält vorzugsweise eine vordere ringförmige Öffnung 57 mit einer radialen Innenseite, die durch eine äußere Wand 58 des inneren Abschnitts begrenzt ist. Das von den Durchgängen 53 zu der ringförmigen Öffnung führende Öffnungssystem kann durch eine Vielzahl von bogenförmig beabstandeten Öffnungen gebildet sein, ist aber vorzugsweise eine ringförmige Öffnung 59.
• Die aus den ausgerichteten Rillen 52 strömende brennbare Mischung tritt so durch die Öffnung (oder Öffnungen) 59, um eine ringförmige Strömung zu erzeugen, welche in einer ringförmigen Öffnung 57 entzündet wird. Eine Düsenmutter 60 hält die Düse 54 und den Siphonstöpsel 28 auf dem Gaskopf 12. Zwei weitere O- Ringe 61 sind in herkömmlicher Weise zwischen der Düse 54 und dem Siphonstöpsel 31 zur gasdichten Abdichtung eingesetzt. Die Verbrennungsdüse 54 erstreckt sich in die Gaskappe 14, welche mit Hilfe eines Halterings 64 an Ort und Stelle gehalten wird und sich nach vorn von der Düse erstreckt.
• Das Düsenteil 54 ist auch mit einer axialen Bohrung 62 für das Pulver in einem Trägergas versehen, welche sich nach vorn von dem Röhrendurchgang 33 erstreckt. Alternativ kann das Pulver durch einen Ring von Öffnungen (nicht gezeigt) mit kleinem Durchmesser nahe der Achse 63 der Pistole eingeführt werden. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, erstreckt sich ein diagonaler Durchgang 64 nach hinten von der Röhre 33 zu einem Pulveranschluß 65. Ein Trägerschlauch 66 und, daher, eine zentrale Bohrung 62 nimmt Pulver aus einer Pulverzuführungseinrichtung 67 auf, welches in einem Trägergas aus einer unter Druck stehenden Gasquelle 68, zum Beispiel für komprimierte Luft, mit Hilfe des Zuführungsschlauchs 66 mitgenommen wird. Die Pulverzuführungseinrichtung 67 ist von herkömmlicher oder gewünschter Art, muß aber in der Lage sein, das Trägergas mit genügend hohem Druck zuzuführen, um Pulver in die Kammer 82 in der Pistole 10 zu liefern.
• Es wird nochmals auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen, wo gezeigt ist, daß Luft oder ein anderes nicht brennbares Gas aus der Quelle 24 und über einen Schlauch 69 durch seinen Anschluß 20, ein Zylinderventil 26 und einen Durchgang 70 zu einem Raum 71 im Inneren des Halterings 64 geschickt wird. Seitliche Öffnungen 72 in der Düsenmutter 60 bringen den Raum 71 in Verbindung mit einer zylindrischen Verbrennungskammer 82 in der Gaskappe 14, so daß die Luft als eine äußere Hülle aus dem Raum 71 durch diese seitlichen Öffnungen strömen kann, dann durch einen ringförmigen Schlitz 84 zwischen der äußeren Oberfläche des Düsenteils und einer nach innen weisenden zylindrischen Wand 86, welche die Verbrennungskammer 82, in welche der Schlitz 24 öffnet, bildet, strömt. Die Strömung setzt sich durch die Kammer 82 als eine ringförmige äußere Strömung fort, welche sich mit den inneren Strömungen mischt, und tritt aus dem offenen Ende 88 in der Gaskappe 14 aus. Die Kammer 82 ist an ihrem entgegengesetzten hinteren Ende durch die Stirnfläche 89 der Düse 54 begrenzt.
• Vorzugsweise läuft die Verbrennungskammer 82 nach vorn von der Düse unter einem Winkel mit der Achse zusammen, der insbesondere zwischen etwa 2 und 10º, zum Beispiel bei 5º liegt. Der Schlitz 84 läuft auch nach vorn unter einem Winkel mit der Achse zusammen, wobei der Winkel entsprechend einer am meisten bevorzugten Ausführungsform zwischen etwa 12 und 16º, zum Beispiel bei 14,5º liegt. Der Schlitz 84 sollte ferner eine genügende Länge zur Entwicklung der ringförmigen Luftströmung aufweisen, die zum Beispiel vergleichbar mit der Kammerlänge 102 ist, aber wenigstens größer als die Hälfte dieser Länge 102 ist. Zusätzlich sollte die Kammer mit einem kleineren Winkel als der Schlitz zusammenlaufen, wobei in einer am meisten bevorzugten Ausführungsform der Winkel zwischen 8º und 12º liegt, zum Beispiel unter 10º. Diese Konfiguration sorgt für eine zusammenlaufende Luftströmung in bezug auf die Kammer, um den Pulveransatz an der Kammerwand zu minimieren.
• Die Luftströmungsgeschwindigkeit sollte stromaufwärts von dem Schlitz 84, zum Beispiel in einer hinteren schmalen Öffnung 92 oder mit einem separaten Strömungsregulator, gesteuert werden. Zum Beispiel beträgt die Schlitzlänge 8 mm, die Schlitzbreite liegt bei 0,38 mm auf einem 15 mm-Kreis und der Luftdruck der Pistole (Quelle 24) beträgt 4,9 kg/cm² (70 psi), um eine Gesamtluftströmung von 425 std 1/min (900 scfh) bei einem Druck von 4,2 kg/cm² (60 psi) in der Kammer 82 zu erzeugen. Auch wenn sich das Ventil 26 in einer Entzündungsposition befindet, welche zu Anzapföffnungen ausgerichtet ist, wie in dem zuvor erwähnten US-Patent Nr. 3 530 892 beschrieben ist, ermöglicht ein Luftloch 90 im Ventil 26 eine Luftströmung zur Entzündung, und die oben angegebenen Winkel und Dimensionen sind wichtig, um eine solche Entzündung ohne Rückschlag zu ermöglichen. (Ablaßventilöffnungen im Ventil 26 für Sauerstoff und Brennstoff zum Entzünden, ähnlich den Löchern 90, sind nicht gezeigt.)
• Der innere Abschnitt 55 des Düsenteils 54 weist darin eine Vielzahl von parallelen inneren Öffnungen 91 (zum Beispiel 8 Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,89 mm) auf einem Bolzenkreis (zum Beispiel 2,57 mm Durchmesser) auf, welche für eine innere Hüllenströmung aus Gas, vorzugsweise Luft, um die zentrale Pulverzuführung, die von der Bohrung 62 der Düse ausströmt, zu sorgen. Diese innere Hüllenströmung aus Luft trägt merklich zur Reduzierung irgendeiner Tendenz des Ansatzes von Pulvermaterial an der Wand 86 bei. Die Hüllenluft wird geeignet von dem Durchgang 70 über eine Leitung 93 (Fig. 2) zu einer ringförmigen Rille 94 um den hinteren Abschnitt des Siphonstöpsels 31 und wenigstens eine Öffnung 96 in einen ringförmigen Raum 98, der an die Tube 33 angrenzt, abgezapft. Vorzugsweise sind wenigstens drei solcher Öffnungen 96 im gleichen Abstand bogenförmig vorgesehen, um genügend Luft bereitzustellen und eine wirbelströmung zu minimieren, welche das Pulver unzweckmäßig nach außen zur Wand 86 der Kammer 82 schleudern könnte. Die innere Hüllenluftströmung sollte zwischen 1 und 10 %, vorzugsweise etwa 2 und 5 %, der äußeren Hüllenströmungsrate liegen, zum Beispiel bei etwa 3 %. Die innere Hülle kann alternativ unabhängig von der äußeren Hüllenluft, zur besseren Steuerung, reguliert werden.
• Die Möglichkeiten zum Pulveransatz werden ferner dadurch minimiert, daß der innere Abschnitt 55 des Düsenteils in die Kammer 82 nach vorn von dem äußeren Abschnitt 56, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, vorsteht. Die Kammerlänge 102 kann als die kürzeste Entfernung von der Düsenstirnfläche 89 zu dem offenen Ende 88 definiert sein, d.h. von dem vordersten Punkt auf der Düse zu dem offenen Ende. Der vorderste Punkt auf dem inneren Abschnitt sollte nach vorn von dem äußeren Abschnitt 56 um etwa eine Länge zwischen 10 % und 40 % der Kammerlänge 102, zum Beispiel 30 %, vorstehen.
• Ein bevorzugter Aufbau für den inneren Abschnitt ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Was die äußere Wand 58 des inneren Abschnitts 55 der Düse betrifft, welcher die ringförmige Öffnung 57 bildet, so sollte sich eine solche Wand 58 nach vorn von der ringförmigen Öffnung mit einer Krümmung nach innen zu der Achse erstrecken. Die Krümmung sollte gleichmäßig sein. Zum Beispiel, wie gezeigt ist, ist die Krümmung derart, daß eine im wesentlichen halbkugelförmige Stirnfläche 89 auf dem inneren Abschnitt 58 gebildet ist. Es wird angenommen, daß die Verbrennungsflamme dadurch nach innen gezogen wird, um die Strömung von der Kammerwand 86 femzuhalten.
• Als ein Beispiel für weitere Details einer Flammspritzpistole, die die vorliegende Erfindung enthält, weist der Siphonstöpsel 31 acht Sauerstoffdurchgänge 38 von 1,51 mm Durchmesser, um jeweils eine ausreichende Sauerstoffströmung zu ermöglichen, und 1,51 mm-Durchmesser-Durchgänge 50 für die Gasmischung auf. In diesem Gaskopf beträgt der Durchmesser der Zentralbohrung 62 3,6 mm, und das offene Ende 88 der Gaskappe ist 0,95 cm von der Stirnfläche der Düse (Länge 102) entfernt. So ist die Verbrennungskammer 82, welche auch das Pulver mitreißt, verhältnismäßig kurz, und sie sollte im allgemeinen zwischen dem Ein- und Zweifachen des Durchmessers des offenen Endes 88 liegen.
• Eine Zuführung von jedem der Gase zu der zylindrischen Verbrennungskammer ist unter einem ausreichend hohen Druck vorgesehen, zum Beispiel wenigstens 2,11 kg/cm² (30 psi) oberhalb des Atmosphärendrucks, und wird in herkömmlicher Weise zum Beispiel mit einem Lichtbogengerät entzündet, so daß die Mischung aus verbrannten Gasen und Luft aus dem offenen Ende als das Pulver mitführende überschallströmung austritt. Die Wärme der Verbrennung wird wenigstens das Pulvermaterial derart aufweichen, daß es sich als Beschichtung auf einem Substrat ablagert. Schockdiamanten sollten beobachtbar sein. Wegen der ringförmigen Strömungskonfiguration ist ein Düsenausgang vom Expansionstyp, um die überschallströmung zu erreichen, nicht erforderlich.
• Das Verbrennungsgas kann Propan oder Wasserstoff oder dergleichen sein, aber es ist vorzuziehen, daß das Verbrennungsgas Polypropylengas oder Methylacetylen-Propadiengas ("MPS") ist. Diese letzteren Gase ermöglichen eine relativ hohe Geschwindigkeit, und ausgezeichnete Beschichtungen werden ohne Flammrückschlag erreicht. Zum Beispiel sind mit einem der Pistole zugeführten Propylen- oder MPS-Druck von 7 kg/cm² (oberhalb Atmosphärendruck), Sauerstoff mit 10 kg/cm² und Luft mit 5,6 kg/cm² wenigstens 8 Schockdiamenten leicht in dem Sprühstrahl ohne Pulverfluß sichtbar. Das Auftreten dieser Schockdiamanten 108 im Sprühstrahl 110 ist in Fig. 5 dargestellt. Die Position des Substrats 112, auf welches eine Beschichtung 114 aufgesprüht wird, liegt vorzugsweise etwa dort, wo der fünfte vollständige Diamant, wie in Fig. 6 gezeigt ist, liegen würde, zum Beispiel etwa in einem Sprühabstand von 9 cm.
• Entsprechend dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung werden bestimmte Pulver mit Überschallverbrennungsflammspritzpistolen verspritzt. Obwohl die bevorzugte Vorrichtung die oben beschriebene ist, kann das Verfahren alternativ andere Überschallpistolen verwenden, wie zum Beispiel die in dem zuvor erwähnten US-Patent Nr. 4 416 421 beschriebene Pistole. Die bestimmten Pulver sind solche, welche eine wärmestabile, nicht schmelzbare Komponente in jedem Pulverkorn enthalten. Der hier und in den Ansprüchen verwendete Ausdruck "wärmestabil" bedeutet, daß die betreffende Komponente sich unter der Temperatur und den Zeitbedingungen der Flamme der Flammspritzpistole nicht wesentlich zersetzt oder oxidiert, ähnlich bedeutet der Ausdruck "nicht schmelzbar", daß die betreffende Komponente nicht wesentlich in der Flamme schmilzt. Als ein Test kann die nicht schmelzbare Komponente durch eine zu ihrem Verspritzen verwendete Flammspritzpistole geschickt, gesammelt und mikroskopisch und/oder metallogrphisch hinsichtlich Zersetzung, Oxidation oder Schmelzen untersucht werden. Zum Beispiel zeigt ein normales Abplatten der Partikel auf einem Substrat ein Schmelzen an. Daher wird ein Material, das nur zäh aufweicht und keinen speziellen Schmelzpunkt aufweist, um ein Abplatten auf einem Substrat zu ermöglichen, für die Zwecke dieser Erfindung als nicht schmelzbar angesehen. Publizierte Handbücher über Schmelzpunkte sind alternative Quellen für Informationen bezüglich Schmelzbarkeit.
• Die Gruppe von wärmestabilen, nicht metallischen Materialien, die für das hier beschriebene Verfahren in Betracht kommen, besteht aus thermostatplastischen Polymeren. Die Wärmehärtbarkeit ist hier und in den Ansprüchen in breiter Bedeutung zu sehen, um herkömmlich Hydrokarbone (Plastikmaterialien), die durch Hitze, Katalyse oder Reaktion zu polymerisiert sind, einzubeziehen, wobei das Polymer gewöhnlich nicht durch Wärme aufweichbar ist, zum Beispiel ohne geringfügige chemische Modifikation durch die Flamme. Der Poly (paraoxybenzoyl)ester und dessen Kopolyester der zuvor erwähnten US-Patente Nr. 3 723 165 und 3 784 405, wie auch andere, wie zum Beispiel bestimmte Epoxydharze und Polyimide, welche solche enthalten, die in der Form eines unvollständig polymerisierten Pulvers auftreten können, fallen in diese Gruppe. Ein Merkmal dieser ausgewählten Polymere besteht darin, daß nur ein Oberflächenteil in der Flamme durch Wärme aufgeweicht wird. Diese Oberflächenaufweichung wird möglicherweise durch eine chemische Modifikation während der kurzen Einwirkung der heißen Flamme bewirkt, welche eine Oberflächenschicht von einer wärmehärtbaren Schicht in eine wenigstens teilweise thermoplastische Schicht ändert. So ist für den Zweck der vorliegend beanspruchten Erfindung die Oberflächenschicht effektiv eine wärmeaufweichbare Komponente, und der Kern verbleibt als eine wärmestabile, nicht schmelzbare Komponente, obwohl die Anfangspartikel homogen sein können. Alternativ kann ein nicht schmelzbares wärmehärtbares Polymer überzogen oder auf andere Weise mit einem schmelzbaren Polymer, wie zum Beispiel einem Polyamid, Polyethylen oder unvollständig polymerisierten Polyester oder Epoxyharz oder einem Kopolyester der in dem zuvor erwähnten US-Patent Nr. 3 784 405 beschriebenen Art gebildet werden. Charakteristische Pulver entsprechend der vorliegenden Erfindung können unvermischt oder vermischt mit einem herkömmlichen Flammspritzmaterial, wie zum Beispiel einem Metall, versprüht werden. Ziemlich überraschend erfolgt das Verfahren des Überschallverbrennungsflammspritzens des oben beschriebenen Pulvers mit relativ hoher Ablagerungseffizienz und erzeugt dichte Überzüge von hoher Qualität. Die hohe Ablagerungseffizienz ist insbesondere überraschend, weil die kurze Verweilzeit der Partikel in der Überschallflamme eigentlich erwarten läßt, daß eine schlechtere Ablagerungseffizienz, insbesondere mit nicht schmelzbaren Komponenten, bewirkt wird. Die verbesserte Ablagerungseffizienz führt nicht nur zu einem Kostenvorteil für sich, sondern erlaubt kostengünstige Modifikationenvermischungen, um eine spezielle Beschichtungszusammensetzung zu erreichen.
• Ein bevorzugtes Beispiel ist eine Mischung aus wärmestabilem Polyester und einer Aluminiumlegierung, wie sie weiter unten detailliert im Beispiel 1 beschrieben ist. Bei herkömmlichem Plasmaspritzen geht trotz der großen Hitze ein merklicher Teil des Polyesters im Verhältnis zu der Legierung verloren. Herkömmliches Verbrennungssprühen mit niedriger Geschwindigkeit verkohlt das Polyester oder resultiert, bei geringerer Hitze, in schlecht anhaftenden Ablagerungen. Sprühen mit einer Überschallverbrennungsflamme sorgt für eine hohe Ablagerungseffizienz, welche einen geringeren Anteil von Polyester in der Anfangsmischung ermöglicht, um die ursprünglich spezifizierten Proportionen in der Beschichtung zu erhalten, und liefert ausgezeichnete Beschichtungen.
Beispiell
• Eine Mischung aus Polyesterplastikmaterial und einer Aluminiumlegierung, ähnlich der Mischung, die unter Beispiel 1-A des zuvor erwähnten US-Patents Nr. 3 723 165 beschrieben ist,wird hergestellt, ausgenommen daß das Plastikpulver in der Mischung zu 30 Gewichtsprozent und die Legierung zu 70 Gewichtsprozent vorliegt. Das Plastikmaterial ist ein aromatischer Hochtemperatur-Poly(paraoxybenzoyl)ester, der unter dem Handelsnamen EKONOL durch Metaullics Division of the Carboundary Company, Sanborn, N.Y. angeboten wird, und eine Korngröße von -88 + 44 um aufweist, und die Legierung ist Aluminium mit 12 % Silizium mit einer Korngröße von -44 + 10 um.
• Die Mischung wird mit der bevorzugten Vorrichtung, die oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben ist, insbesondere eine Metco Type DJ -Pistole, Metaullics Division of the Carboundary Compass, Sanford, N.Y., die durch die Perkin-Elmer Corporation, Westbury, New York, vertrieben wird, versprüht, wobei ein Nr. 3-Einsatz, ein Nr. 3-Injektor, eine Format-"A"- Schale, ein Nr. 2-Siphonstöpsel und eine Nr. 2-Luftkappe verwendet werden. Sauerstofflag bei 10,5 kg/cm² (150 psig) und 212 l/min (450 scfh), Propylengas bei 7,0 kg/cm² (100 psig) und 47 l/min (100 scfh), und Luft bei 5,3 kg/cm² (75 psig) und 290 l/min (615 scfh). Eine Hochdruckpulverzuführungseinrichtung von der Art, wie sie in der US-A-4 900 199 offenbart und als eine Metco Type DJP Pulverzuführungseinrichtung von Perkin-Elmer vertrieben wird, wird verwendet, um die Pulvermischung mit 23 gm/min (3 lb/hr) in einem Stickstoffträger bei 8,8 kg/cm² (125 psig) und 7 l/min (15 scfh) zuzuführen. Der Sprühabstand ist 20 cm, und das Substrat ist eine abgestrahlte Nickellegierung.
• Vergleiche wurden mit dem versprühten 40 %-Pulver des Beispiels 1-A des '165-Patents durchgeführt, wobei das 40 % Pulver als Metco 601NS durch Perkin-Elmer vertrieben wird und 40 % Plastikpulver enthält, das heißt ein Drittel mehr als das vorliegende 30 % Pulver. Das 40 %-Pulver des Beispiels 1-A wurde in herkömmlicher Weise mit Argon-Wasserstoffplasmagas plasmaverspritzt. Die mit der Überschallverbrennungspistole verprühte 30 %-Pulvermischung führt zu einer Ablagerungseffizienz von 85 % gegenüber einer typischen 65 %-Ablagerungseffizienz für das versprühte 40 % Pulver. Von größerer Wichtigkeit ist die Tatsache, daß die Beschichtungen untereinander im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung aufwiesen, was die bessere Ablagerungseffizienz des Plastikbestandteils des 30 %-Pulvers mit der Überschallverbrennungspistole verdeutlicht. Die Verschleißfestigkeit und die Erosionsfestigkeit der Beschichtungen waren auch im wesentlichen gleich. Die Porosität für die mit hoher Geschwindigkeit aufgetragene Beschichtung betrug etwa 1 % und war gleichmäßig verteilt, gegenüber 5 % nicht gleichmäßiger Porosität bei plasmaversprühtem 40 %-Pulver. Die Härte der mit hoher Geschwindigkeit aufgetragenen Beschichtung betrug R15y 78 bis 83 gegenüber 65 bis 75, das heißt, diese war wieder gleichmäßiger.
Beispiel2
• Beispiel 1 wird wiederholt, ausgenommen, daß das Polyester durch ein Kopolyester mit wiederkehrenden Einheiten der Formel I, III und IV, wie es in dem zuvor erwähnten US-Patent Nr. 3 784 405 (durch Bezugnahme einbezogen) offenbart und als Xydar durch Dartco Manufacturing Inc., Augusta Georgia, vertrieben wird, ersetzt wird. Ähnliche Resultate werden erreicht.

Claims (8)

1. Ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung mit einer Flammspritzpistole

die ein röhrenförmiges Teil (14), das eine Verbrennungskammer (82) darin mit einem offenen Ende zum Austreiben von Verbrennungsprodukten in die Umgebungsatmosphäre mit Überschallgeschwindigkeit bildet, aufweist, wobei das Verfahren die Einführung einer brennbaren Mischung aus brennbarem Gas und Sauerstoff in die Kammer, die Zuführung eines Pulvers in die Kammer,

die Verbrennung der verbrennbaren Mischung in der Kammer, wobei ein Überschallstrahl, der das Pulver enthält, durch das offene Ende ausgetrieben wird, und das Richten des Sprühstrahls in Richtung auf ein Substrat, um so eine Beschichtung darauf zu erzeugen, umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Verbrennungsgas und Sauerstoff bei einem Druck in der Kammer von wenigstens zwei Atmosphären oberhalb des Umgebungsatmosphärendrucks eingeführt wird,

das Pulver Partikel mit einer wärmestabilen, nicht schmelzbaren Polymerkomponente und einer Metallkomponente umfaßt,

wobei das Pulver thermostatplastische Polymerkörner umfaßt, welche durch den Sprühstrahl an der Oberfläche durch Wärme aufweichbar sind.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei die brennbare Mischung mit einem genügenden Druck in die Verbrennungskammer (82) eingeführt wird, um wenigstens acht sichtbare Schockdiamanten in dem Sprühstrahl bei abwesender Pulver-Trägergaszuführung zu erzeugen.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches ferner das Auswählen des Verbrennungsgases aus der aus Propylengas und Methylacetylen-Propadiengas bestehenden Gruppe umfaßt.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Polymerkörner Poly (poraoxybenzoyl)ester umfassen.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Polymerkörner im wesentlichen aus Poly(paraoxybenzoyl)ester bestehen.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Polymerkörner im wesentlichen aus einem Kopolyester von Poly(paraoxybenzoyl) ester bestehen.

7. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Pulver eine Aluminiummetallkomponente oder ein auf Aluminium basierendes Legierungspulver umfaßt.

8. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Flammspritzpistole ein Düsenteil (54) mit einer Düsenstirnfläche (89) enthält, das röhrenförmge Teil eine röhrenförmige Gaskappe (14) umfaßt, die sich von dem Düsenteil erstreckt und eine nach innen weisende zylindrische Wand aufweist, welche die Verbrennungskammer (82) mit einem offenen Ende (88) und einem durch die Düsenstirnfläche begrenzten gegenüberliegenden Ende bildet, wobei die brennbare Mischung von der Düse als eine ringförmige Strömung koaxial in die Verbrennungskammer eingeführt wird, das Pulver in einem Trägergas axial von der Düse in die Verbrennungskammer eingeführt wird, und das Verfahren ferner die Einführung einer ringförmigen äußeren Strömung von unter Druck stehendem, nicht brennbarem Gas angrenzend an die zylindrische Wand radial nach außen zu der ringförmigen Strömung der verbrennbaren Mischung und die Einführung einer ringförmigen inneren Strömung von unter Druck stehendem Gas von dem Düsenteil in die Verbrennungskammer koaxial zwischen der brennbaren Mischung und dem Pulver-Trägergas umfaßt.