DE69506818T2

DE69506818T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Auftragen einer Schicht auf ein Substrat durch thermisches Verspritzen

Info

Publication number: DE69506818T2
Application number: DE69506818T
Authority: DE
Inventors: Valery Bogachek
Original assignee: Plas Plasma Ltd
Current assignee: Plas Plasma Ltd
Priority date: 1994-09-26
Filing date: 1995-09-25
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2015-09-26
Also published as: EP0703302B1; EP0703302A1; DE69506818D1; IL111063A0; US5733662A; ES2130539T3

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Oberflächenbehandlungstechnologie, bei der geschmolzenes metallisches oder nichtmetallisches Material auf die zu behandelnde Oberfläche verspritzt wird, daran anhaftet und darauf einen Überzug bildet.
Genauer betrifft die vorliegende Erfindung die sogenannte thermische Spritztechnologie, die kurz wie folgt definiert werden kann. Das Beschichtungsmaterial wird auf die behandelte Oberfläche mittels eines Plasmastroms verspritzt, der durch die Plasmabogenentladung ausgelöst wird, die zwischen Kathode und Anode in einer Atmosphäre aus einem ionisierbaren Gas gezündet wird. Das Gas wird kontinuierlich in das Plasmabogenentladungsgebiet geleitet, so daß darin das Halten des Plasmabogens bzw. Plasmalichtbogens und das Bilden eines Plasmastroms, der daraus austritt, möglich wird. Das Beschichtungsmaterial wird in die Plasmaströmung eingeführt, auf seinen Schmelzpunkt oder höher erhitzt und wird weiter durch das strömende Plasma auf die zu behandelnde Oberfläche getragen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich sowohl auf ein neues Beschichtungsverfahren, das thermisches Plasmaspritzen benutzt, als auch auf eine neue Vorrichtung, die zum Implementieren des Verfahrens entwickelt wurde.

Hintergrund der Erfindung

Das oben genannte Verfahren des thermischen Plasmaspritzens ist wohlbekannt, und die theoretischen Grundlagen sind in zahlreichen Veröffentlichungen dargestellt, zum Beispiel in der Monographie "Plasma Coatings" (Plasmabeschichtungen)" von V. V. Kudinov, Ausgabe Nauka, 1977.
Eines der typischen Merkmale, das bekannten thermischen Plasmaspritzverfahren innewohnt, ist die Verwendung einer turbulenten Hochgeschwindigkeits-Plasmaströmung, die aus dem Bogenentladungsgebiet austritt und das geschmolzene Material auf die behandelte Oberfläche fördert. Der Einsatz des turbulenten Plasmastroms ist von einer Anzahl unerwünschter Konsequenzen begleitet, z. B.
- ein zu großer Streuwinkel des ausströmenden Plasmas (bis zu 30 Grad), was zu einer nichteffizienten Nutzung des Beschichtungsmaterials führt;
- das Aufnehmen kalter Umgebungsluft in de Plasmastrom hinein, was ein schnelles Abkühlen und Verkürzen der nutzbaren Anwesenheit des Materials in dem Strahl, wenn er noch heiß ist, hervorruft;
- eine unerwünschte intensive Oxidation und ein ungleichmäßiges Erhitzen des Materials innerhalb des Stroms, was zu einer verringerten Anhaftung und einer schlechten Qualität der Beschichtung führt.
Um den negativen Einfluß der obengenannten Konsequenzen auf die Beschichtungsqualität zu minimieren, ist es in der Technik bekannt, die Plasmaleistung bis zu 200 kW zu erhöhen und den Plasmastrom auf Geschwindigkeiten in dem Bereich von 0,5-3 Mach zu beschleunigen.
Unglücklicherweise erzeugt das ausströmende Plasma, das sich mit solch hohen Geschwindigkeiten fortpflanzt, einen beträchtlichen Geräuschpegel (100 bis 130 Dezibel). Daher ist diese Maßnahme unvermeidbar mit der Notwendigkeit verbunden, die gesamte Plasmaspritzvorrichtung in einer speziellen voluminösen Schallschutzkammer einzuschließen, was das Verfahren somit unzweckmäßig in der Ausführung macht.
Darüberhinaus kann der leistungsstarke Plasmastrom für kleine Teile nachteilig sein, insbesondere für solche mit dünnen Wänden, und er ist daher ungeeignet, auf diesen Beschichtungen abzulagern.
Der alternative Ansatz basiert auf dem Einrichten eines laminaren Plasmastroms zum Transportieren des geschmolzenen Materials auf das Substrat. Der Vorteil des linearen Plasmastroms liegt im effizienteren Aufschmelzen des Beschichtungsmaterials, einer erhöhten Länge des strömenden Plasmas (100-700 mm, verglichen mit 50 mm für den turbulenten Strom) und einem verringerten Streuwinkel (1-3 Grad).
In der Praxis jedoch einen effizienten laminaren Plasmastrom zu erhalten, der aus zwei Phasen besteht (Plasmastrom und Beschichtungsmaterial), stellt sich als schwierige Ingenieuraufgabe heraus. Zahlreiche Versuche sind durchgeführt worden, um sie zu lösen.
Ein Ansatz, der üblicherweise zu diesem Zweck genutzt wird, basiert auf dem Verwenden eines Vakuums oder verringertem Druck zum Bilden des laminaren Plasmastroms (das sogenannte dynamische Vakuumablagerungsverfahren). Unglücklicherweise ist die Implementierung dieser Maßnahme mit der Notwendigkeit einer speziellen hermetisch abgeschlossenen Kammer verbunden, die zum Aufrechterhalten eines Vakuums oder einer Umgebung mit niedrigem Druck erforderlich ist. Man wird leicht erkennen, daß ein solcher Ansatz an denselben Nachteilen leiden wird, wie das zuvor erwähnte Einschließen der Spritzvorrichtung in einer Schallschutzkammer.
Der andere Ansatz zum Sicherstellen der Laminarität des Plasmaflusses basiert auf dem Benutzen von Hilfseinrichtungen, mit denen die Plasmasspritzvorrichtung nachgerüstet wird und die bewußt so gestaltet sind, daß sie in der Lage sind, dem Plasmastrom, der daraus austritt, einen laminaren Charakter aufzuprägen.
Ein Beispiel eines solchen Ansatzes kann in der EP 202 077 gefunden werden, die auf die Onoda Cement Company übertragen worden ist.
In dieser Druckschrift ist eine Vorrichtung für das thermische Plasmaspritzen beschrieben, die mit einer speziellen Gleichrichtvorrichtung versehen ist, welche zwischen der Spitze der Kathode und einer Einlaßöffnung angebracht ist, durch die ionisierbares Gas in die Vorrichtung gespeist wird. Die Gleichrichtvorrichtung, die bei dieser Vorrichtung verwendet wird, dient als ein Widerstand, der die Geschwindigkeit des Gases, das in das Bogenentladungsgebiet geliefert wird, verringert.
Durch die verringerte Geschwindigkeit des Gases wird ein laminarer Plasmastrom erzeugt, und damit seine Laminarität entlang der gesamten Stromlänge aufrechterhalten wird, ist ein Feuerfest-Schutzmantel angeordnet, daß sich koaxial zu dem Strom erstreckt. Das Vorsehen eines Schutzmantels verhindert das Aussprühen des geschmolzenen Materials aus dem Strom heraus. Der Mantel ist auch mit Einlaß- und Auslaßöffnungen zum Einblasen eines Kühlgases versehen. Die Plasmaspritzvorrichtung, die in der obigen Druckschrift beschrieben ist, hat einen komplizierten Aufbau; ihr richtiges Funktionieren hängt von der genauen Einstellung der Geschwindigkeit von Haupt- und Zusatzgasen ab, die vor dem Laufen des Prozesses durchzuführen ist.
Ein anderer Nachteil dieser Vorrichtung ist mit der Tatsache verbunden, daß diejenigen abzulagernden Materialteilchen, die in engem Kontakt mit dem Schutzmantel sind, daran anhaften können, was die Instabilität des Plasmastroms hervorruft und sogar das Innere des Mantels blockieren könnte und den Prozeß unterbricht. Man kann annehmen, daß, damit diese Situation verhindert wird, der Prozeß in regelmäßigen Zeitabständen zum Überprüfen und Reinigen angehalten werden sollte.
Ein weiterer Nachteil dieser Vorrichtung ist mit der Tatsache verbunden, daß ihre Anode als konisches Element ausgebildet ist, das radial den Außenumfang einer Kathodenspitze umgibt. Wegen dieses Aufbaus ist ein geschlossener Raum zwischen Kathode und Anode gebildet, in dem der Plasmabogen gezündet wird. Der Nachteil, der diesem Aufbau innewohnt, ist, daß das abgelagerte Material nicht direkt in das Bogenentladungsgebiet eingeführt werden kann, das die günstigsten thermischen Bedingungen fürs Schmelzen hat. Statt dessen wird dieses Beschichtungsmaterial innerhalb des Plasmastroms erhitzt, wo die Intensität der Wärmeübertragung viel geringer ist.
Ein anderer Nachteil des geschlossenen Bogenentladungsgebietes ist mit dem starken Verschleiß der Anode verbunden, der ihre Lebensdauer verkürzt.
Als Folgerung sollte darauf hingewiesen werden, daß trotz der Tatsache, daß viele unterschiedliche thermische Spritzvorrichtungen bekannt sind, die einen laminaren Plasmastrom erzeugen, es immer noch eine Nachfrage nach einer neuen, einfachen, leicht zu wartenden und effizient arbeitenden Vorrichtung besteht.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Plasmaspritzverfahren und eine Vorrichtung zu seiner Implementation zur Verfügung zu stellen, bei denen die obengenannten Nach teile bekannter Plasmaspritzvorrichtungen ausreichend verringert oder überwunden sind, ohne daß jedoch ihre innewohnenden Nutzen verlorengehen.
Insbesondere ist es die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues, einfaches und effizientes thermisches Spritzbeschichtungsverfahren und eine Vorrichtung zu seiner Implementation zur Verfügung zu stellen, wobei die Effizienz des Verspritzens verbessert wird, indem Material direkt in das Bogenentladungsgebiet eingeführt wird und indem ein stabiler laminarer Plasmastroms erzeugt wird, der in der Lage ist, dieses Material auf die Oberfläche zu fördern, die beschichtet werden soll, ohne daß es nach außen versprüht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue thermische Spritzvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die einfach zu warten ist und eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufgrund der verlängerten Anodenlebensdauer hat.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte, einfach aufgebaute thermische Plasmaspritzvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Verwendung eines kommerziell verfügbaren Gerätes ermöglicht, zum Beispiel einer Plasmaschweißvorrichtung.
Die obigen und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung können mit der folgenden Kombination ihrer wesentlichen Merkmale erreicht werden, die sich auf unterschiedliche Ausführungsformen beziehen.
Ein Verfahren zum Auftragen einer Schicht auf ein Substrat durch thermisches Verspritzen einer Beschichtung, bei dem ein primärer Plasmabogen zwischen einer Kathode und einer Anode gezündet wird und von der Bildung einer im wesentlichen laminaren Plasmaströmung begleitet ist, die auf das Substrat gerichtet ist, und bei dem Beschichtungsmaterial durch die Strömung zu dem Substrat gebracht wird, sich darauf verfestigt und daran anhaftet.
Dieses Verfahren umfaßt die folgenden Hauptschritte:
- Aufbau einer Atmosphäre aus einem ersten ionisierbaren Fluid zwischen der Kathode und der Anode, die zum Zünden des primären Plasmabogens und zum Erzeugen der Strömung erforderlich ist;
- Versorgen der Kathode und der Anode mit elektrischer Energie, die zum Übertreten eines einen Bogen erzeugenden Stromes zwischen denselben ausreicht, den primären Plasmabogen zu zünden.
Gemäß der folgenden Erfindung umfaßt das Verfahren die folgenden zusätzlichen Schritte:
- Einleiten des Materials direkt in den Raumbereich, der durch den primären Plasmabogen definiert ist, um so ein effizientes Schmelzen des Materials darin zu ermöglichen, bevor es durch die Strömung in Richtung auf das Substrat ausgetragen wird, und
- Zuführen des ersten Fluides in den Bereich mit einem steuerbaren Durchsatz, gewählt in einem Bereich von 0,1 bis 10 Liter pro Minute, bevorzugt 0,2 bis 3,0 Liter pro Minute, um so der Plasmaströmung laminaren Charakter aufzuprägen, definiert durch eine lineare Geschwindigkeit von nicht mehr als 50 m pro Sekunde, bevorzugt 50 bis 30 m pro Sekunde.
Gemäß einer der bevorzugten Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens umfaßt dies das Unterhalten einer Hilfsbogenentladung, die das erste Fluid ionisieren kann, um bei der Zündung und Aufrechterhaltung des primären Plasmabogens zu helfen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist das erste Fluid aus einer Gruppe ausgewählt, die in Inertgas oder eine Mischung davon mit weiteren Gasen umfaßt.
Nach noch einer weiteren Ausführungsform umfaßt das Verfahren das Zuführen eines zweiten Fluids zur Anode, um diese vor einer übermäßigen Abnutzung zu schützen und eine Steuerung der Querschnittsgestalt des primären Plasmabogens und des Strahles zu ermöglichen.
In einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform werden das erste und zweite Fluid koaxial mit der Kathode zugeführt.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens sollte die Größe des elektrischen Stromes, der zum Einleiten des primären Plasmabogens gewählt wird, 100 Ampere nicht überschreiten und bevorzugt 20 bis 70 Ampere betragen, wobei die Größe des elektrischen Stromes, der zum Zünden des Hilfsbogens gewählt wird, 10 Ampere nicht überschreitet und bevorzugt 4 bis 8 Ampere beträgt.
Nach einer noch weiteren Ausführungsform wird das Beschichtungsmaterial in den Bereich des primären Plasmabogens bevorzugt in einer zerkleinerten Form in einer Menge von 5 bis 30 g/min eingeleitet.
Gemäß einer der bevorzugten Ausführungsformen, die sich auf die Implementation der vorliegenden Erfindung beziehen, weist sie als eine Vorrichtung auf:
- eine Kathode und eine Anode,
- eine Hauptstromversorgungsquelle, ausreichend zum Zünden und Halten des primären Plasmabogens in einem Raumbereich dazwischen,
- ein Mittel zum Fördern eines ersten ionisierbaren Fluides in das Gebiet um so einen linearen Plasmastrom einzurichten, der daraus in Richtung auf das Substrat austritt,
- eine Einrichtung zum Einleiten des Beschichtungsmaterials im wesentlichen in den Bereich des primären Plasmabogens, um so das Schmelzen dieses Materials und dessen Austragen durch den Plasmastrom zum Substrat hin zu ermöglichen,
- wobei das Mittel zum Fördern eines ersten ionisierbaren Fluides als ein längliches rohrförmiges Element mit distalem und proximalem Ende ausgebildet ist, wobei dessen distales Ende mit einer Einlaßöffnung versehen ist, die mit einer Quelle für das Fluid kommuniziert; dessen proximales Ende mit einer Auslaßöffnung versehen ist, die mit dem primären Plasmabogengebiet kommuniziert, und die nach innen weisende Fläche des rohrförmigen Elementes die Kathode so umgibt, daß ein ringförmiger Durchtgang zwischen ihnen gebildet wird, der ausreichend ist, das erste Fluid hindurchzulassen;
- die Anode als ein flaches Element ausgebildet ist, dessen Ebene im wesentlichen senkrecht zu der Kathode gerichtet ist,
- das Mittel zum Einleiten von Beschichtungsmaterial sich benachbart dem Gebiet des Plasmabogens befindet, um das Einführen des Materials dorthin zu ermöglichen.
Bei einer der bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung ist der Durchmesser der Auslaßöffnung in einem Bereich von 0,5 bis 5 mm gewählt, und beträgt bevorzugt 1,0-3,0 mm, um somit das Austreten des ersten Fluides mit einem steuerbaren Durchsatz von 0,1-10 Liter pro Minute und bevorzugt 0,2-3 Liter pro Minute ermöglicht. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das rohrförmige Element mit einer Hilfsstromversorgungsquelle verbunden, um die Hilfsfunkenentladung zwischen der Kathode und der Auslaßöffnung aufrecht zu erhalten.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung mit einer Anodenkühleinrichtung und mit einem Anodenverschiebemittel versehen, die es ermöglicht, den Ort der Anode in bezug auf den primären Plasmabogen zu ändern.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist sie mit einem Mittel zum Zuführen eines zweiten Fluides zwischen Kathode und Anode versehen.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Mittel zum Zuführe eines zweiten Fluides als eine Hülse ausgebildet, die mit einer Schutzdüse versehen ist, welche wenigstens einen Teil der nach außen weisenden Fläche des rohrförmigen Elementes umgibt, so daß sie in koaxialer Anordnung damit liegt und einen Durchgang dazwischen zur Verfügung stellt, wobei die Hülse eine Einlaßöffnung zum Kommunizieren mit einer Quelle für das zweite Fluid hat und die Düse eine Auslaßöffnung zum Kommunizieren mit dem Gebiet des primären Plasmabogens hat, um so die Zufuhr des zweiten Fluides dorthin zu ermöglichen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1a zeigt eine Seitenansicht einer Vorrichtung für das thermische Plasmaspritzen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt C der Fig. 1a.
Fig. 2 ist eine Vorderansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist ein Querschnitt von Fig. 2 entlang B-B.
Fig. 4 zeigt schematisch die Hauptkomponenten der Plasmaspritzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine kommerziell verfügbare Plasmaschmelzanlage bilden.
Fig. 5 zeigt ein Kleingefügebild mit einem Beispiel der Mikrostruktur einer Beschichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgetragen worden ist.

Genaue Beschreibung spezieller Ausführungsformen

Mit Bezug auf Fig. 1a wird eine Vorrichtung für das Auftragen eines Materials auf ein Substrat mittels des thermischen Spritzverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Diese Vorrichtung weist ein Gehäuse (nicht gezeigt) auf, wobei auf einer Halteplatte 1 eine Kathode 2 befestigt ist, bevorzugt als ein länglicher Stab ausgebildet, der an dem spitzen Bereich 3 der Spritze endet und sich entlang der horizontalen Achse X-X längs erstreckt. Die Kathode ist elektrisch mit einem negativen Anschluß einer Hauptstromversorgungsquelle 4 verbunden.
Die Anodenanordnung 5 ist an der Halteplatte 1 befestigt und weist eine Anode, ausgebildet als eine flache Scheibe 6 auf, die sich zwischen Kühlplatten 7, 8 befindet. Die Anode und die Kühlplatten werden von einem Haltebolzen 9 zusammengehalten, und die gesamte Anordnung ist auf der Halteplatte 1 angeordnet, mit der Möglichkeit, daß sie steuerbar entlang von Gleitstangen 11, 12 in einer Richtung senkrecht zu der Achse X-X (siehe Fig. 2, 3) verschoben werden kann. Das Verschieben der Anodenanordnung kann mittels Einstellschrauben 10 bewirkt werden. Die Kühlplatten 7, 8 sind mit geeigneten Einlaß- und Auslaßöffnungen 13, 14 für Kühlflüssigkeit (nicht gezeigt) ausgebildet, die darin während des Betriebes umläuft, um so das Kühlen der Anodenlochscheibe zu bewirken.
Die Anodenanordnung ist mit einem positiven Anschluß der Hauptstromversorgungsquelle 4 verbunden, um so das Aufbringen einer Spannung auf die Kathode 2 und die Anodenlochscheibe 6 und das Durchlaufen eines Stromes im wesentlichen in einem Raumbereich zwischen der Kathodenspitze 3 und dem benachbarten Bereich der Anodenscheibe 6 zu ermöglichen. Mit Bezug auf Fig. 1b wird dieser Bereich mit R bezeichnet.
Das längliche rohrförmige Element 15 ist an der Halteplatte 1 so befestigt, daß es sich koaxial mit der Kathode erstreckt und einen ringförmigen Durchgang 16 bildet, definiert durch die nach innen weisende Fläche des rohrförmigen Elementes 15 und die nach außen weisende Fläche der Kathodenstange 2.
Das Ende des rohrförmigen Elementes 15, das proximal der Kathodenspitze 3 liegt, ist mit einer Auslaßöffnung 150 versehen, die die direkte Kommunikation des ringförmigen Durchgangs 16 mit dem Raumbereich R ermöglicht. Der Durchmesser der Öffnung ist D. Es wird später erläutert werden, wie dieser Durchmesser gemäß der vorliegenden Erfindung gewählt werden sollte, um die vorteilhafteste Leistungsfähigkeit der Vorrichtung sicherzustellen.
Das entgegengesetzte distale Ende des rohrförmigen Elementes 15 ist mit dem positiven Anschluß der Hauptstromversorgungsquelle verbunden und ist mit einer Einlaßöffnung (nicht gezeigt) zur Verbindung mit einer Quelle des unter Druck stehenden ersten ionisierbaren Fluides 17 versehen. Das Fluid wird unter Druck gezwungen, den ringförmigen Durchgang 16 zu durchlaufen und dort durch die Mündung in der Auslaßöffnung 150 in Richtung auf den Raumbereich R auszutreten.
Als geeignetes Fluid kann Gas benutzt werden, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff oder irgendein anderes Gas, das ionisiert werden kann, wenn ein elektrischer Strom zwischen der Kathode und dem rohrförmigen Element läuft und die Größe dieses Stromes ausreichend ist, eine Bogenentladung zwischen Kathodenspitze und Auslaßöffnung zu zünden, umfaßt. Diese Entladung wird weiterhin als die Hilfsbogenentladung bezeichnet werden, und sie ist in Fig. 1b als AAD bezeichnet. In der Praxis werden Argon oder eine Mischung mit anderen Gasen üblicherweise als geeignetes fluides Medium benutzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Hilfsbogenentladung kontinuierlich aufrecht erhalten wird. Zu diesem Zweck kann eine spezielle Hilfsstromversorgungsquelle 40, die mit einem Hochspannungsoszillator ausgestattet ist, verwendet werden. Man sollte sich darüber im klaren sein, daß die Hilfsstromversorgungsquelle auch als eine eingebaute Einheit, integriert in die Hauptstromversorgungsquelle 4, gebildet sein kann.
In der Praxis sollte die Hilfsstromversorgungsquelle 40, die zum Zünden und Halten der Hilfsbogenentladung verwendet wird, in der Lage sein, einen elektrischen Strom von nicht mehr als 15 Ampere, bevorzugt 4 bis 8 Ampere, zu liefern.
Nachdem die Hilfsbogenentladung aufgebaut worden ist, wird elektrische Energie von der Hauptstromversorgungsquelle an die Anode und die Kathode geliefert, und elektrischer Strom fließt zwischen diesen. Dieser Strom sollte ausreichend sein, um einen primären Plasmabogen im wesentlichen in einem Bereich R zwischen der Kathode und der Anode einzuleiten. Mit Bezug auf Fig. 1b, die diesen Bereich in weiteren Einzelheiten zeigt, ist zu sehen, wie die Hilfsbogenentladung und der primäre Plasmabogen in bezug auf die Kathode und Anode liegen. Man sieht, daß sich die Hilfsbogenentladung im wesentlichen innerhalb der Auslaßöffnung nahe der Kathodenspitze 3 konzentriert, während sich der primäre Plasmabogen entlang dem Raumbereich R zwischen der Kathodenspitze und der Anode erstreckt.
Wegen des ionisierbaren Fluides 17, das kontinuierlich in das rohrförmige Element 15 eingeleitet wird und aus der Auslaßöffnung austritt, wird die ionisierte Umgebung im Raumbereich R aufrecht erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden der Durchsatz und der Druck des Fluides 17 so gewählt, daß sie ausreichend sind, nicht nur um diese Umgebung aufrecht zu erhalten, sondern auch, um einen Plasmastrom oder Fluß 18 zu erzeugen, der aus dem Bereich R des primären Plasmabogens auf das Substrat 19, das beschichtet werden soll, austritt.
Das Aufrechterhalten der Hilfsfunkenentladung mittels einer Hilfsstromversorgungsquelle hängt mit der kontinuierlichen Ionisation eines ersten Fluides zusammen, das dabei hilft, den primären Plasmabogen zu erzeugen und es erlaubt, relativ kleine Stromversorgungsquellen zu benutzen, die Strom von nicht mehr als 100 Ampere zu liefern brauchen. Der zusätzliche positive Effekt, der mit dem Aufrechterhalten der Hilfsfunkenentladung verbunden ist, ist es, die Stabilität des primären Plasmabogens zu verbessern und die Möglichkeit, höhere Stromdichten zu erreichen. Dieses sind einige der Vorteile der vorliegenden Erfindung, im Vergleich mit bekannten Plasmaspritzverfahren, bei denen der Plasmabogen ohne das Verwenden der Hilfsstromversorgungsquelle eingeleitet und aufrecht erhalten wird.
Gemäß er Erfindung wird das wärmeschmelzbare Material 20 direkt in den Bereich R eingeleitet, in dem der primäre Plasmabogen gezündet worden ist.
Um das Beschichtungsmaterial in den Bereich R einzuführen, ist ein Rohr 21, das einen Innendurchmesser d hat, vorgesehen. Das Rohr wird mit der Klammer 22 auf der Halteplatte 2 gehalten. In der Praxis wird das Beschichtungsmaterial in den primären Plasmabogen eingeleitet, nachdem dieses Material gemahlen, zerstoßen oder durch irgendeine andere geeignete Technik zerkleinert worden ist, so daß sein freier Durchgang durch das Rohr 21 möglich wird.
Es ist empirisch gefunden worden, daß es wegen des Einleitens des Beschichtungsmaterials direkt in den primären Plasmabogen möglich war, in effektiver Weise selbst Materialien mit relativ hohem Schmelzpunkt aufzuschmelzen, z. B. Mo, Al&sub2;O&sub3;, wobei immer noch relativ geringe Ströme im Bereich von 40-80 Ampere verwendet wurden. Das Beschichtungsmaterial, das in den primären Plasmabogen eingeführt wird, wird darin in effektiver Weise erhitzt, dadurch aufgeschmolzen und dann mittels des Plasmastromes 18 in Richtung auf das Substrat 19 abgezogen, wo es sich schnell verfestigt und unter Bilden einer Beschichtung 23 anhaftet.
Es kann vorteilhaft sein, das Rohr 21 innerhalb der Klammer 22 mit der Möglichkeit zu befestigen, daß es in eine Richtung verschoben werden kann, die senkrecht zu der Achse X-X ist, um so die Einstellung des Ortes zu ermöglichen, an dem das Material in den Plasmabogen eintritt.
Es ist nicht genau gezeigt, es sollte jedoch verstanden werden, daß eine geeignete Steuervorrichtung zum Ändern der elektrischen Parameter von Haupt- und Hilfsstromversorgungsquellen und für den Durchsatz des Gases, das aus der Auslaßöffnung austritt, vorgesehen ist.
Indem die elektrischen Parameter gewählt werden und indem der Ort des Rohres 21 innerhalb der Klammer 22 eingestellt wird, kann man einen primären Plasmabogen erzeugen, der sehr geeignet zum Erhitzen und Schmelzen eines weiten Bereiches von Beschichtungsmaterialien ist, ohne daß sie verdampfen oder sich zersetzen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Kathodenanordnung mit einer hohlen Schutzhülse 25 versehen, mit einem Innendurchmesser, der den Außendurchmesser des rohrförmigen Elementes 15 übersteigt. Die Hülse 25 ist koaxial zum rohrförmigen Element 15 angeordnet und erstreckt sich damit, um so einen länglichen Durchgang 26 zwischen den beiden Elementen zu bilden, der einen ringförmigen Querschnitt zeigt. Das Ende der Schutzhülse 25, das proximal an der Auslaßöffnung des rohrförmigen Elementes 15 liegt, ist mit einer Düse 27 versehen, die eine Auslaßöffnung für die Kommunikation mit dem Raumbereich R hat. Die Düse 27 ist abnehmbar und an der Halteplatte 1 mittels einer Klemmschraube 24 befestigt.
In der Praxis besteht die Düse 27 aus Feuerfestmaterial, das hohen Temperaturen widerstehen kann, die zusammen mit der Aufrechterhalten der Hilfsfunkenentladung und des primären Plasmabogens auftreten.
Das gegenüberliegende proximale Ende der Hülse 25 ist mit einer geeigneten Druckquelle (nicht gezeigt) für ein zweites Fluid 28 verbunden, das kontinuierlich in den Durchlaß 26 eingeleitet wird. Als ein geeignetes Fluid kann man dieselben Gase nehmen, wie für das erste Fluid, z. B. Argon, Helium, Wasserstoff oder dergleichen. In der Praxis ist Argon das am üblichsten verwendete Gas. Durch Druck wird das zweite Fluid gezwungen, aus der Düsenauslaßöffnung in Richtung auf den Raumbereich R auszutreten, wo das Beschichtungsmaterial eingefügt wird und der Plasmabogen erzeugt und gehalten wird. Der Zweck des zweiten Fluides ist ein doppelter. Es dient als ein Schutzmedium, was eine übermäßige Oxidation des Beschichtungsmaterials während seines Aufschmelzens verhindert, und andererseits stabilisiert es den primären Plasmabogen und ermöglicht die Kontrolle seines Querschnittsaufbaus.
Der Aufbau der Anodenanordnung, die bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird, wird nun in weiteren Einzelheiten erläutert. Die Anordnung weist eine Anodenplatte auf, bevorzugt gebildet als eine flache Scheibe 6 in runder Ausgestaltung.
Der Teil der Anodenplatte, der während des Betriebes nahe am Bereich R des Plasmabogens liegt, unterliegt relativ starkem Verschleiß und sollte in regelmäßigen Zeitabständen durch die noch unverschlissenen Teile ersetzt werden. Diese Maßnahme sollte rechtzeitig durchgeführt werden, da übermäßiger Verschleiß das Beenden des gesamten Prozesses hervorrufen kann. Um die Servicebedingungen zu erleichtern und um das Einführen von neuen unverschlissenen Anodenteilen in regelmäßigen Zeitabständen zu ermöglichen, ist die Anodenplatte zwischen zwei Kühlplatten 7, 8 angebracht, mit der Möglichkeit, daß sie gedreht werden, wenn der Haltebolzen 9 gelöst wird.
Man kann sich vorstellen, daß das Ersetzen der Anodenteile eine leichte und bequeme Wartungsoperation ist, die nicht das Unterbrechen des Umlaufs der Kühlfüssigkeit innerhalb der Platten 7, 8 erfordert.
Anstelle der runden Ausgestaltung kann die Anodenscheibe durch eine polygonale Gestalt definiert werden, zum Beispiel rechteckig, dreieckig, usw. Es wird leicht verstanden, daß wegen der flachen Gestalt es immer noch möglich sein wird, eine solche Anode zu drehen und nicht verschlissene Teile in den Betrieb zu nehmen.
Der oben beschriebene Aufbau der Vorrichtung ist sehr einfach, und, gemäß der vorliegenden Erfindung, kann sie vorteilhaft implementiert werden, indem eine kommerziell verfügbare Plasmaschweißvorrichtung benutzt wird. Diese Vorrichtung ist in schematischer Weise in Fig. 4 gezeigt, und man kann sehen, daß ihre Hauptteile, einschließlich der Kathode 2', Haupt- und Hilfsstromversorgungsquelle 4', 40', Gaseinführeinrichtung 15', Schutzhülse 25' und Düse 27' ähnlich denen sind, die für die Plasmaspritzvorrichtung erforderlich sind. Die 5 Vorrichtung dient zum Erzeugen des Plasmastromes P zwischen der Kathode 2' und der Platte 30, die die Anode bildet. Da der Plasmastrom aus der Düse 27' austritt, wird das Schweißen der Platte 30 bewirkt. Man erkennt leicht, daß durch einfaches Ersetzen der Platte 30 durch die Anodenanordnung, wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, und durch Nachrüsten einer Materialeinführeinrichtung diese Plasmaschweißvorrichtung einfach in eine Plasmaspritzbeschichtungsvorrichtung umgewandelt werden kann.
Man hat gefunden, daß, wenn einige technologische Parameter des vorliegenden Verfahrens und die Konstruktionsparamter beim Implementieren der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gewählt werden, man einen sehr laminaren Plasmastrom erreichen kann, der aus dem Bereich R des primären Plasmabogens austritt.
Dieser Strom ist durch eine Geschwindigkeit, die 50 m/s nicht überschreitet, bevorzugt bei 15 -30 m/s liegt, und durch die Reynolds-Zahl Re = 0,12 bis 0,55 definiert. Die bekannte Beziehung, um die Reynolds-Zahl zu berechnen, 0,11 ≤ M Re ≤ 0,22 wurde benutzt (siehe Polak und Surov, Investigation of powder particles within plasma stream [Untersuchung von Pulverteilchen im Plasmastrom], Chemistry of Materials Treatment, 2, 1969, Seiten 19-29).
Wenn man einen solchen laminaren Plasmastrom erhält, ist dies mit einem verringerten Streuen von Beschichtungsmaterial verbunden, mit deren effizienterer Verwendung und es erlaubt, Beschichtungen auf kleinen Teilen aufzubringen.
In der Praxis sollten die Konstruktionsparameter der oben beschriebenen Vorrichtung wie folgt gewählt werden:
Der Durchmesser D der Auslaßöffnung sollte den Durchmesser d des Materialeinführrohres 21 um wenigstens einen Faktor 1,5 überschreiten.
Der Durchmesser D der Auslaßöffnung 150 sollte 0,5-5 mm, bevorzugt 1,0-3,0 mm, betragen.
Das erste Fluid sollte im rohrförmigen Element 15 mit einem Durchsatz von 0,1-10 l/min, bevorzugt 0,2-3 l/min, geliefert werden.
Der Strom, der den primären Plasmabogen erzeugt, welcher von der Hauptenergiequelle 4 geliefert wird, sollte nicht mehr als 100 Ampere, bevorzugt 20-70 Ampere, betragen.
Das Beschichtungsmaterial sollte in den Bereich R des primären Plasmabogens mit einer Ausgangsleistung bis zu 30 g/min, bevorzugt 8-20 g/min, eingeleitet werden.
Es sollte angemerkt werden, daß, wenn das D/d-Verhältnis geringer als 1,5 gewählt wird oder der Durchmesser D weniger als 1 mm ist, es schwierig ist, kommerziell erhältliche pulverisierte Beschichtungsmaterialien in den Bereich des Plasmabogens einzuführen, und der gesamte Ablagerungsprozeß wird instabil.
Andererseits, wenn der Durchmesser D mehr als 3 mm beträgt, kann der laminare Charakter der Plasmaströmung nur gewährleistet werden, indem der plasmaerzeugende Strom und der Durchsatz des ersten Fluids signifikant erhöht werden. Dieses Maßnahmen sind unerwünscht, denn sie machen den ganzen Prozeß unökonomisch.
Wenn das erste Fluid mit weniger als 0,1 l/min zugeführt wird, wird die Plasmaströmung instabil. Wenn dieser Durchsatz jedoch mehr als 10 l/min beträgt, ist es nicht länger möglich, den laminaren Plasmastrom aufrecht zu erhalten, und er wird turbulent.
Es ist empirisch festgestellt worden, daß der geeignetste Bereich für den Durchsatz des ersten Fluids zwischen 0,2 und 3 l/min liegt.
Mit Bezug auf das nicht einschränkende Beispiel 1, die Tabelle 1 und Fig. 5 wird gezeigt, wie die vorliegende Erfindung implementiert wurde, um eine metallische Beschichtung auf ein Substrat aus rostfreiem Stahl aufzutragen.

Beispiel 1

Substrat: sich drehender Stab aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 18 mm
Drehzahl: 600 Upm
Durchmesser D der Auslaßöffnung: 1,5 mm
Beschichtungsmaterial: kommerziell erhältliches Cu-Ni-Nickellegierungspulver
Erstes ionisierbares Fluid: Argongas
Schutzgas: Argon
Strom für Hilfsbogenentladung: 6 Ampère
Reynolds-Zahl des Plasmastroms, der aus dem Bereich des primären Bogens austritt: 0,14
Parameter für die Ablagerung und Eigenschaften der erhaltenen Beschichtungen sind in Tabelle 1 unten zusammengefaßt, d. h. Tabelle 1.
* Das Anhaften ist als Zughafttest gemäß der Vorgaben von Pratt ad Whitney PWA 53, "Coating, Plasma Spray Deposition (Beschichtung, Plasmaspritzauftrag)" berechnet worden.
Die Untersuchung der Mikrostruktur der erhaltenen Beschichtung, in Fig. 5 gezeigt, erlaubt den Schluß, daß sie den Anforderungen der obengenannten Spezifikation PWA 53 genügt, d. h.
- sie ist durch gleichförmige Verteilung ihrer Bestandteile definiert,
- sie ist frei von Rissen, massiver Porosität und übermäßigen Oxiden;
- sie ist frei von Einschlüssen und Verunreinigungen an der Grenzfläche Beschichtung - Basis.
Mit den oben aufgelisteten Parametern in Kombination mit dem direkten Einführen des Beschichtungsmaterials in den Bereich des primären Bogens werden die folgenden Vorteile erreicht:
- die thermische Energie des Plasmabogens wird effektiver genutzt
- das Beschichtungsmaterial schmilzt praktisch ohne Oxidation und bildet eine Beschichtung mit einer Mikrostruktur, die den nötigen Anforderungen genügt
- es gibt keine Notwendigkeit für leistungsstarke Energiequellen
- die Lebensdauer der Kathoden- und Anoden-Anordnungen wird verbessert
- es ist möglich, Beschichtungen auf kleinen Teilen mit einer Wanddicke bis zu 0,1 mm abzulagern
- die Auflösung des Plasmapunktes kann effektiv gesteuert und innerhalb 3-4 mm gehalten werden
- der Verwendungsgrad des Beschichtungsmaterials ist nicht geringer als 0,8
- der Rauschpegel überschreitet 30 dB nicht; somit gibt es keine Notwendigkeit für Schallschutzmaßnahmen
- das effektive Beschichten ist möglich mit einer einfachen, kompakten und zweckmäßigen Vorrichtung.
Die vorliegende Erfindung sollte nicht auf die obigen Ausführungsformen begrenzt werden. Man sollte sich darüber im klaren sein, daß Änderungen und Modifikationen vom Durchschnittsfachmann durchgeführt werden können, ohne daß man sich vom Rahmen der Erfindung entfernt, wie sie unten in den beigefügten Ansprüchen definiert wird.

Claims

1. Verfahren zum Auftragen einer Schicht auf ein Substrat durch thermisches Verspritzen eines Beschichtungsmaterials, bei dem ein primärer Plasmalichtbogen zwischen einer Kathode und einer Anode gezündet wird und von der Bildung eines im wesentlichen laminaren Plasmastrahls begleitet wird; wobei der Strahl auf das Substrat gerichtet wird und das Beschichtungsmaterial von dem Strahl zu dem Substrat gebracht wird, um eine Verfestigung desselben mit nachfolgender Bildung einer Schicht zu ermöglichen,

wobei das Verfahren die folgenden Hauptschritte umfaßt:

- Aufbau einer Atmosphäre aus einem ersten ionisierbaren Fluid zwischen der Kathode und der Anode, die zum Zünden des primären Plasmalichtbogens und Erzeugen des Plasmastrahls erforderlich ist,

- Versorgen der Kathode und der Anode mit elektrischer Energie, die zum Übertreten eines einen Bogen erzeugenden Stromes zwischen denselben ausreicht, wodurch die Zündung des primären Plasmalichtbogens resultiert,

dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial im wesentlichen direkt in das Gebiet eingeleitet wird, wo der primäre Plasmalichtbogen gezündet wird, um darin ein Schmelzen des Beschichtungsmaterials zu ermöglichen, bevor es von dem Strahl zu dem Substrat verdampft wird, und

das erste Fluid mit einem steuerbaren Durchsatz zugeführt wird, der im Bereich von 0,1 bis 10 l pro Minute, vorzugsweise 0,2 bis 3 l pro Minute gewählt ist, um die Erzeugung des laminaren Plasmastrahls zu erzielen, der durch eine lineare Geschwindigkeit von nicht mehr als 50 m/s, vorzugsweise 15 bis 30 m/s definiert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Unterhalten einer Hilfsbogenentladung einschließt, die das erste Fluid ionisieren kann, um bei der Zündung und Aufrechterhaltung des primären Plasmalichtbogens zu helfen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fluid ein Gas ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die ein Inertgas oder ein Gemisch desselben mit weiteren Gasen umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Argon ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Zuführen eines zweiten Fluids zu der Anode einschließt, um dieselbe vor einer übermäßigen Abnutzung zu schützen und eine Steuerung der Querschnittsgestalt des primären Plasmalichtbogens und des Plasmastrahls zu ermöglichen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Fluid mit dem ersten Fluid identisch ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des den Bogen bildenden elektrischen Stromes, der zur Zündung des primären Plasmalichtbogens erforderlich ist, nicht 100 Ampere überschreitet und vorzugsweise 20 bis 70 Ampere beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des elektrischen Stromes, der zur Aufrechterhaltung der Hilfsbogenentladung erforderlich ist, nicht 15 Ampere überschreitet und vorzugsweise 4 bis 8 Ampere beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmaterial in den primären Plasmalichtbogen vorzugsweise in einer zerkleinerten Form in einer Menge von nicht mehr als 30 g/min, vorzugsweise 8 bis 20 g/min eingeleitet wird.

10. Vorrichtung zum Auftragen einer Schicht auf ein Substrat durch thermisches Verspritzen eines aufzutragenden Beschichtungsmaterials, wobei die Vorrichtung umfaßt

- eine Kathode und eine Anode

- eine Hauptstromversorgungsquelle, die elektrische Energie liefern kann, die zur Zündung eines primären Plasmabogens und Aufrechterhaltung desselben in einem Raumgebiet zwischen der Kathode und der Anode ausreicht,

- ein Mittel zum Fördern eines ersten Fluids zu dem Raumgebiet, um einen laminaren Plasmastrom zu erzeugen, der davon zu dem Substrat austritt,

- wobei das Mittel zum Fördern eines ersten Fluids als ein längliches rohrförmiges Element mit distalen und proximalen Enden ausgebildet ist, während das distale Ende mit einer Einlaßöffnung versehen ist, die mit einer Quelle des ersten Fluids in Verbindung steht, und das proximale Ende mit einer Auslaßmündung versehen ist, die mit dem Raumgebiet in Verbindung steht, worin die nach innen zeigende Fläche des rohrförmigen Elements die Kathode in der Weise umgibt, daß dazwischen ein Durchgang bereitgestellt wird, der zum Hindurchtreten des ersten Fluids ausreicht,

- ein Mittel zum Einleiten des Beschichtungsmaterials in das Raumgebiet, um darin ein Schmelzen des Materials mit nachfolgender Verdampfung zu dem Substrat zu ermöglichen,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Anode als ein im wesentlichen flaches Element ausgebildet ist, dessen Oberfläche im wesentlichen senkrecht zu der Kathode gerichtet ist, und das Materialeinleitmittel benachbart zu dem Raumgebiet angeordnet ist, um ein Einleiten des Beschichtungsmaterials direkt in den primären Plasmalichtbogen zu ermöglichen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Öffnung der Auslaßmündung im Bereich von 0,5 bis 5 mm, vorzugsweise 1 bis 3 gewählt ist, um ein Austreten des Fluids mit einem steuerbaren Durchsatz von 0,1 bis 10 l/min, vorzugsweise 0,2 bis 3 l/min zu ermöglichen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Element mit einer Hilfsstromversorgungsquelle elektrisch verbunden ist, um ein Aufrechterhalten der Hilfsfunkenentladung im wesentlichen zwischen der Kathode und der Auslaßmündung zu ermöglichen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstromversorgungsquelle die selbständig arbeitende Quelle ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Anodenkühlmittel versehen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Anodenverschiebemittel versehen ist, das eine Variation der Anordnung der Anode in Bezug auf den primären Plasmalichtbogen ermöglicht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Mittel zum Zuführen eines zweiten Fluids zwischen der Kathode und der Anode versehen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Zuführen eines zweiten Fluids mit einem Hohlzylinder versehen ist, der mit einer Schutzdüse versehen ist, die wenigstens einen Teil der nach außen zeigenden Fläche des rohrförmigen Elements umgibt, um damit koaxial angeordnet zu sein und dazwischen einen Durchgang zu liefern, worin der Zylinder eine Einlaßöffnung für eine Verbindung mit einer Quelle des zweiten Fluids aufweist und die Düse mit einer Auslaßmündung versehen ist, um ein Zuführen des zweiten Fluids zu dem Raumgebiet zu ermöglichen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode, Anode, Haupt- und Hilfsstromversorgungsquellen, das rohrförmige Element, der Hohlzylinder und die Schutzdüse den Aufbau einer kommerziell erhältlichen Plasmaschweißvorrichtung bilden.