DE69928313T2 - Verfahren zur Entfernung von Unhebenheiten beim hin und her thermischen Spritzen - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft die Technologie des thermischen Sprühens, und spezieller die Technologie die Parameter des Sprühens zu variieren, während die Sprühpistolen-Bewegung geregelt wird, um Variationen in der Metallablagerung zu bewirken.
• Thermische Sprühpistolen werden herkömmlich gestützt und mit gleichförmiger Geschwindigkeit und gleichförmigen Sprühparametern bewegt. Dementsprechend werden thermische Sprühpistolen benutzt um eine Schicht gesprühten Materials in einer relativ dünnen Schicht abzulagern, um es zu vermeiden in den Zielbereichen ungebührlich Wärme zu konzentrieren. Um eine höhere Beschichtungsstärke aufzubauen sind mehrere Überläufe der Sprühpistole notwendig. Wird die Pistole in ihrer gleichförmig linearen Bewegung genau am Ende der zu beschichtenden Oberfläche sofort umgekehrt, so wird an einer solchen Umkehrkante ein uneinheitlicher Wulst resultieren. Überschüssiges Material wird an einer derartigen Umkehrkante abgelagert, als das Ergebnis der Verlangsamung der Pistole, um die Umkehr vorzunehmen. Dieser Wulst ist nachteilig, weil (i) er mehr Wärme zu der Beschichtung an einem derartigen Wulst einbringt, was zu „Hot Spots" oder thermischer Restspannung führt; (ii) die Wölbung als Ergebnis einer übermäßigen Schrumpfungsrate in der Beschichtung zur Ablösung führen kann, wenn sich die Sprühpistole fortbewegt.
• Ein Versuch dieses Problem zu überwinden umfaßt die Verwendung eines verlängerten Weges der Pistole deutlich über die Zielzone für die Beschichtung hinaus, bevor die Pistolenbewegung umgekehrt wird. Dies resultiert in einer erheblichen Verschwendung von Sprühmaterial. Werden komplizierte Struktursubstrate gesprüht, welche das Vorhandensein einer Beschichtung außerhalb der Zielzone nicht tolerieren können, so muß man entweder (i) eine teure Maskierung verwenden, um Verunreinigung solcher anderer Teile des Produkts oder Aufbaus zu vermeiden, die nicht zu beschichten sind; (ii) ein Ablösemittel ebenso wie langwierige Reinigung der angrenzenden Oberflächen einsetzen, um die unerwünschte Beschichtung zu entfernen (Reinigung ist unverzichtbar, um das Risiko loser Teilchen an der Kante und außerhalb des Zielbereichs zu beseitigen, weil diese Teilchen möglicherweise losbrechen und andere bewegliche Teile des Aufbaus verunreinigen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt beim thermischen Sprühen mit Überlaufumkehr einer Substratoberfläche, die eine Überlauflänge aufweist, die Unebenheit zu beseitigen; welches umfaßt: a) gleichmäßiges thermisches Sprühen dieser Substratoberfläche, indem eine thermische Lichtbogen-Sprühpistole mit konstanten Sprühparametern entlang der Länge dieser Substratoberfläche bewegt wird, während man eine erste Draht-Speiserate und einen ersten Strompegel für die Stromversorgung zu der Pistole verwendet; (b) Reduzieren der Draht-Speiserate und des Stroms um ungefähr 25%, um für ein vermindertes Volumen an gesprühtem Material zu sorgen, wenn die Bewegung der Pistole sich einer Umkehrzone in einer ersten Endzone der Überlauflänge nähert, wobei diese Zone durch die Verlangsamung eines Verschiebemechanismus der Pistole definiert ist, um eine Richtungsumkehr bereitzustellen; (c) Erhöhen des Stroms und der Draht-Speiserate zurück auf das erste Niveau, wenn die Bewegung dieser Pistole die Endzone wieder verlassen hat; und (d) Wiederholen der Schritte (b) und (c), während die Pistole bewegt wird um sich einer anderen oder wiederholten Zonen des Substrats zu nähern, um dadurch eine durchgehend einheitliche Stärke des mehrschichtigen Sprühmaterials zu erzeugen.
• Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
• 1 ein vergrößerte Ansicht des Sprühkopfes einer Drahtlichtbogen-Sprühpistole ist, die veranschaulicht wie das Metall-Sprühmuster geschaffen wird;
• 2 eine diagrammartige Ansicht der Apparatelemente ist, die im Mehrschicht-Sprühen gemäß dieser Erfindung verwendet werden, und die eine konstante Verschiebung eines Drehmechanismus für die Sprühpistole zeigt; ebenso wie Regelungen zur Variation der Sprühparameter, um angrenzend an die Endzonen der Überlauflänge in einer Verringerung des Volumens an gesprühtem Material zu resultieren;
• 3 eine diagrammartige Ansicht einer Mehrfachschichtung zum Aufbau einer thermischen Sprühbeschichtung ist, wenn man über die gesamte Mehrfachschichtung hinweg konstante Sprühparameter verwendet; und
• 4 eine andere diagrammartige Ansicht einer Mehrfachschichtung ist, die als ein Ergebnis der Variation der Sprühparameter im Einklang mit dieser Erfindung von Kante zu Kante von einheitlicher Stärke ist.
• Das diese Erfindung verkörpernde Verfahren erwägt es die Sprühparameter in einer solchen Art und Weise zu regeln, daß eine Umkehr eines Verschiebemechanismus für die Pistole direkt am äußersten Ende des Substrats stattfinden kann, ohne einen allmählich abnehmenden Anstieg in der Stärke der Beschichtung (Unebenheit) zu erfahren. Die Sprühparameter, die von Interesse sein können um das Volumen an versprühtem Material zu modifizieren, schließen ein: (i) den Betrag des auf die Elektroden der Pistole angewandten elektrischen Stroms; (ii) die Rate, mit welcher Draht durch die Schmelzzone der Pistole gespeist wir; (iii) den Druck jenes der Pistole zugeführten Gases, um ein Plasma zu bilden; (iv) der Druck der Luftversorgung, die verwendet wird um das Plasma zu umhüllen oder um es zu schneiden; und (v) die Verschiebemechanismus-Gleitrate. Zwei derartige Parameter sind unverzichtbar und müssen geregelt werden, um zumindest eine Abweichung im Sprühvolumen zu erhalten: elektrischer Strom und Drahtspeiserate.
• Das diese Erfindung verkörpernde Verfahren ist auf den Gebrauch einer Elektrodraht-Lichtbogen-Sprühpistole gerichtet, bevorzugt von dem Typ beschrieben in U.S. 5938944A, eingereicht am 14. Februar 1997, und gemeinsam im Besitz des Rechtnachfolgers dieser Erfindung. Wie in 1 gezeigt schafft ein solcher Elektrodraht-Sprühpistolenkopf 10 einen Sprühnebel 11 geschmolzener Metalltröpfchen 12, indem er zuerst einen Lichtbogen 13 zwischen einer kathodischen Elektrode 14 und einer anodischen Düse 15 schafft; die Elektroden werden mit Gleichstrom bei einem Strom im Bereich von 20–200 Ampere und einer Spannung im Bereich von 80–320 Volt versorgt. Ein Plasma schaffendes Gas 16 (wie etwa Luft, Stickstoff oder Argon, möglicherweise mit etwas Wasserstoff oder Helium gemischt) bei einem Druck von ungefähr 138000–1034000 Pa wird durch den Lichtbogen 13 gerichtet, um sofort auf eine Temperatur erhitzt zu werden die einen Strom heißen, ionisierten, elektrisch leitenden Gases – Plasma 17 – schafft. Um die Plasmaschwade auszudehnen wird der Lichtbogen von der Elektrode 14, an der Düse 15 vorbei, zu einer kontinuierlich gespeisten Drahtspitze 18 übertragen. Sekundärgas 19, vorzugsweise Luft, bei einem Druck von 345000–827000 Pa wird um die Plasmaschwade herum geleitet, um mit dem Sprühnebel 11 zusammenzulaufen und ihn zu schneiden, um die Metalltröpfchen zu beschleunigen, zu zerstäuben und zu umhüllen.
• Der Mechanismus 20 zum Stützen und Bewegen des Drahtlichtbogen-Sprühpistolenkopfs 10, wie in 2 gezeigt, ermöglicht die Beschichtung von Innenwänden 21 von Zylinderbohrungen eines Verbrennungsmotorblocks 22. Mechanismus 20 kann eine an einem Ende den Sprühkopf 10 tragende Spindel 23 umfassen, wobei diese Spindel Kanäle 24, 25, 26 enthält um jeweils Draht 27, Plasmagas 28 und Sekundärgas 29 zu dem Sprühkopf zu liefern. Die Spindel 23 wird an ihrem gegenüberliegenden Ende 30 von einem Drehantrieb 31 getragen, um die Spindel entweder um ihre eigene Achse 32 oder um eine dazu parallele Achse zu drehen. Der Drehantrieb 31 wird wiederum auf einem Linearverschiebemechanismus oder Schlitten 33 getragen, welcher den Drehantrieb durch Wirkung eines mechanischen Antriebs 35 vom Typ der Kugelumlaufspindel entlang einer Schiene 34 auf und ab bewegt (wobei letzterer Antrieb die Drehbewegung eines Elektromotors durch ineinandergreifende Schneckentriebe in eine Linearbewegung umwandelt). Folglich wird der Sprühkopf 10 (während er sich dreht) innerhalb der Zylinderbohrung auf und ab bewegt, wobei er seine Linearrichtung an den Kanten 36, 37 der Zylinderbohrungswand umkehrt, und dadurch eine mehrschichtige Beschichtung 38 aufbaut. Wenn mehrere Überläufe des Sprühkopfs 10 benutzt wurden um eine mehrschichtige Beschichtung 38 aufzubauen, und die Sprühparameter für die Pistole über die mehreren Überläufe hinweg konstant gehalten werden (wie es gemäß der Praxis des Stands der Technik herkömmlich ist), wird an den an die Beschichtungskanten 42 angrenzenden Endzonen 45, wo eine Richtungsumkehr der Pistolenbewegung 43 stattfindet (siehe 3), eine Unebenheit oder Verjüngung 41 in der Beschichtung auftreten. Um dieses Problem zu überwinden erwägt es diese Erfindung die Sprühparameter zu modifizieren, um das Volumen an aufgesprühtem Material zu verringern, welches das Substrat 44 an den Endzonen 45 der Überlauflänge 46 trifft. Hat der Verschiebemechanismus den Sprühnebel 11 in eine Stellung bewegt, wo er beginnt in eine Endzone 45 einzutreten, so wird ein Stellungssensor 50 auf dem Mechanismus 20 den Antrieb 35 dazu bringen, mit der Umkehr zu beginnen; dies erfordert eine Verlangsamung und die Umkehr der Pistolenmasse, die linear sein kann oder auch nicht. Eine derartige Verlangsamung wird von Natur aus mehr Material ablagern und mehr Ablagerungswärme einbringen. Um dies zu überwinden wird mindestens die Regelung 51 für die Drahtspeisung angepaßt, und auch die Regelung 52 für den elektrischen Strom wird angepaßt. Der Strom und die Drahtspeiserate werden in einem oder mehreren Schritten bis auf 25% des Werts der Parameter bei normalen Konstantwerten verringert, bevor die Umkehrzone erreicht wird. Der Gesamteffekt wird es sein, ohne Overspray Beschichtungsschichten abzulagern, die bis genau zu den Kanten 42 der Zielsubstrat-Oberfläche darüber hinweg fortlaufend eine im Groben gleichmäßige Stärke aufweisen (siehe 4).
• Das die Erfindung verkörpernde Verfahren umfaßt hierin deshalb: gleichmäßiges thermisches Sprühen der Substratoberfläche 44 durch Bewegung des Sprühpistolen-Verschiebemechanismus 20 derart, daß der Sprühnebel 11 sich mit konstanten Sprühparametern entlang der Länge 46 des Substrats bewegt (mindestens eine erste Drahtspeiserate und ein erster Strompegel von der Stromquelle 52 sind konstant); Fortsetzen des thermischen Sprühens bei derart konstanten Sprühparametern, außer wenn der Sprühnebel beginnt in eine Endzone 45 einzutreten. Ein Stellungssensor 50 wird benutzt um die Umkehr der Verschiebemechanismus-Richtung auszulösen, während die Drahtspeiserate und der Strom ungefähr 25% unter die ersten Pegel gesenkt werden. Das Volumen an versprühtem Material wird proportional gesenkt. Die Senkung der Parameter wird fortgesetzt, bis der Verschiebemechanismus die Zone in umgekehrter Richtung verlassen hat. Danach werden die Sprühparameter (einschließlich der Drahtspeiserate und des Strompegels) zurück auf die ersten Werte erhöht, nachdem der Verschiebemechanismus 20 die Endzone verlassen hat, und das Sprühen wird bei derartigen Werten fortgesetzt bis man sich einer anderen Endzone des Substrats nähert und in sie eintritt, wodurch die anfänglichen Schritte wiederholt werden.
• Ist die Beschichtung eine direkt auf das Substrat – etwa die Innenwand der Zylinderbohrung eines Aluminium-Motorblocks – aufgebrachte Haftbeschichtung, so sollte das Substrat ätzend gereinigt und bevorzugt durch Naß- oder Trockentechniken gefluxt werden, um die Oberfläche von Oxiden zu befreien, um eine metallurgische ebenso wie eine mechanische Anbindung zu fördern. Beim Sprühen einer Bohrungsoberfläche bewegt sich die Pistole nicht nur entlang der Länge der Bohrung auf und ab, sondern die Pistole dreht sich auch um eine mit der Bohrungsachse zusammenfallende oder mit ihr parallelen Achse, wie in 2 veranschaulicht. In dieser Art und Weise wird eine gleichmäßig starke Beschichtungshülse 54 auf der Bohrungsoberfläche abgelagert.
• Auf Empfang des Signals, daß der Sprühkopf in eine Endzone eingetreten ist, senkt der Stromregler 52 den Strompegel von ungefähr 65 Ampere auf 45–50 Ampere, und senkt die Drahtspeiserate von ungefähr 4,19 m pro Minute auf 3,18–3,56 m pro Minute.
• Um eine Verminderung des Sprühmaterials in der Umkehrzone weiter zu erleichtern, kann der Plasmagasdruck unter Verwendung des Gas/Luft-Versorgungsreglers 53 von ungefähr 793000 Pa auf ungefähr 627000 Pa gesenkt werden. Variation des Plasmagasdrucks resultiert in einer Senkung der Ionisierungstemperatur und senkt folglich die Geschwindigkeit, mit welcher ein Schmelzen des Drahts auftreten wird. Zur gleichen Zeit kann die Temperatur an der Schmelzzone der Drahtspitze 18 auch geringfügig gesenkt werden, wenn der Druck des Sekundärgases 19 leicht von ungefähr 689000 Pa auf 758000 Pa erhöht wird, was eine Verminderung des Volumens an versprühtem Material erleichtert.
• Die Verschiebemechanismus-Geschwindigkeit kann ebenfalls modifiziert werden, indem man die Verschieberate in der Umkehrzone hochsetzt, aber dies ist mit einem Kugelumlaufspindel- Antrieb 35 nicht leicht zu erreichen. Es wäre ein anderer Verschiebemechanismus einzusetzen, wie etwa ein von einem Linearmotor angetriebener Schlitten, um eine genaue Geschwindigkeits- und Momentregelung zu erleichtern.

Claims (5)

1. Ein Verfahren beim thermischen Sprühen mit Überlaufumkehr einer Substratoberfläche, die eine Überlauflänge (46) aufweist, die Unebenheit zu beseitigen; welches umfaßt: (a) gleichmäßiges thermisches Sprühen dieser Substratoberfläche (44), indem eine thermische Lichtbogen-Sprühpistole (10) mit konstanten Sprühparametern entlang der Länge (46) dieser Substratoberfläche (44) bewegt wird, während man eine erste Draht-Speiserate und einen ersten Strompegel für die Stromversorgung (52) zu der Pistole (10) verwendet; (b) Reduzieren der Draht-Speiserate und des Stroms um ungefähr 25%, um für ein vermindertes Volumen an gesprühtem Material zu sorgen, wenn die Bewegung der Pistole (10) sich einer Umkehrzone in einer ersten Endzone (45) der Überlauflänge nähert, wobei diese Zone durch die Verlangsamung eines Verschiebemechanismus (20) der Pistole (10) definiert ist, um eine Richtungsumkehr bereitzustellen; (c) Erhöhen des Stroms und der Draht-Speiserate zurück auf das erste Niveau, wenn die Bewegung dieser Pistole (10) die Endzone (45) wieder verlassen hat; und (d) Wiederholen der Schritte (b) und (c), während die Pistole (10) bewegt wird um sich einer anderen oder wiederholten Zonen des Substrats zu nähern, um dadurch eine durchgehend einheitliche Stärke des mehrschichtigen Sprühmaterials zu erzeugen.
2. Ein Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, in welchem die Reduzierung von Strom und Drahtspeiserate von Schritt (b) in einem geringeren Sprühpartikel-Volumen und geringerer Sprühpartikel-Temperatur während der Sprühablagerung resultiert.
3. Ein Verfahren wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, in welchem diese Substratoberfläche (44) ätzend gereinigt und gefluxt ist.
4. Ein Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht, in welchem diese Überlauflänge eine Breite von ungefähr 11 Zoll im Umfang und eine Länge von ungefähr 5,0 Zoll aufweist.
5. Ein Verfahren wie in irgendeinem der vorstehenden Ansprüche beansprucht, in welchem dieser erste Pegel dieser ersten Speiserate ungefähr 4,19 m pro Minute beträgt, und dieser erste Pegel für diesen Strom ungefähr 65 Ampere beträgt.