DE8332226U1 - Vorrichtung zum einleiten von hochschmelzenden pulverfoermigen werkstoffen in eine plasmaflamme - Google Patents

Description

Vorrichtung zum Einleiten von hochschmelzenden pulverförmiger) Werkstoffen in eine Plasmaflamme

iikäeaseasiissaasBsaaaaasssssaasaaasssasssssasasasaas

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einleiten von hochschmelzenden pulverförmiger* Werkstoffen in eine Plasmaflamme, insbesondere zum sphäroidisieren der pulverförmiger! Werkstoffe.

Pulver aus hochschmelzenden Werkstoffen, wie man sie zum Beispiel für thermisches Auftragsspritzen verwendet, weisen wegen der meist irregulären Partikelformen ein unbefriedigendes Fließverhalten auf und lassen sich deshalb nicht störungsfrei spritzen. Durch Sphäroidisieren (d.h. Rundschmelzen) kann man die Partikelform solcher Pulver jedoch soweit abrunden, daß das Pulver frei fließt. Dadurch kann das Pulver das Zuführsystem der Spritzvorrichtung gleichmäßig passieren und es ist dadurch eine sehr genaue Dosierung möglich. Das Sphäroidisieren von Spritzpulvern ist aber trotz der Vorteile hinsichtlich des Fließverhaltens ein Verfahrensschritt, der die Herstellungskosten, besonders bei Spritzpulvern aus geringerwertigen Ausgangsstoffen, wesentlich erhöht. Man muß für die naturgemäß sehr hoch schmelzenden Spritzpulver die Temperatur einer Plasmaflamme anwenden, damit die Pulverpartikel im freien Flug durch die Plasmaflemme anschmelzen oder aufschmelzen und auf die kleinste Oberfläche (Kugelform) zurückschrumpfen.

Ein weiterer Vorteil des sphäroidisierten Pulvers ist die hohe Schüttdichte, die man durch die Kugelform der Pulverpartikel erreicht. Die

hohe Schüttdichte ist im Hinblick auf die Verringerung von Lagerund Transportvolumen des Pulvers von Vorteil. Insbesondere bei Vorstoffen der Sintermetallurgie ist eine hohe Schüttdichte oft von großem Vorteil, weil eine Verdichtung derartiger Pulver erleichtert wird.

Nun ist die Energiedichte der bekannten Plasmabrenner so groß, daß beim Sphäroidisieren des Pulvers der größte Teil der verfügbaren Energie

nicht ausgenutzt wird, weil der vom Fördersystem maximal angebotene Pulverdurchsatz zu gering ist. Das bedeutet, daß der Energiekostenanteil zur Erzeugung sphäroidisierter Spritzpulver unnötig hoch ist.

Bei den bekannten Plasmabrennern oder PulVerspritzpistolen kommerziell erhältlicher Bauart sind die Pulvereinleitsysteme so angeordnet, daß von einer Dosiervorrichtung aus das Spritzpulver mit einem Trägergasstrom durch einzelne oder paarweise gegenüberliegende Öffnungen in die Plasmaflamme geblasen wird. Der Pulverstrahl trifft dabei konzentriert und ungleichmäßig in bestimmte Bereiche der Plasmaflamme, während die Energie der übrigen, nicht betroffenen Bereiche nahezu ungenutzt bleibt. Werden die bekannten Brenner zum Sphäroidisieren von Pulver aus Hochtemperaturwerkstoffen verwendet, so ist der maximale Durchsatz z.B. von Molybdänpulver auf 4 20 kg/h begrenzt, obwohl von der verfügbaren thermischen Leistung des Plasmabrenners her das Vielfache des Durchsatzes möglich wäre.

Zum Aufschmelzen von 20 kg Mo, die über eine Stunde zugeführt werden, sind ca. 23600 kJ erforderlich, das entspricht ca. 6,6 kWh In einem Plasma mit einer Leistung von ca. 30 kW könnte daher theoretisch etwa die 4,5-fache Menge sphäroidisiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß die Energie der Plasmaflamme besser ausgenutzt und ein höherer Durchsatz an Pulver möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmals im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die symmetrisch um die Plasmaaustrittsöffnung angeordneten Pulverzuführöffniingen ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung des Pulvers auf die Plasmaflamme, wobei durch eine entsprechende Anzahl von Zuführöffnungen auch der Durchsatz an Pulver bei gleichem Energieangebot der Plasmaflamme wesentlich erhöht werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung wiedergegeben.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Einleiten von Pulver in eine Plasmakanone und

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig.

In Fig. 1 ist ein rotationssymmetrischer Körper 1 mit einer zentrischen AnodenbQhrung 2 versehen, aus deren Austrittsöffnung 3 beim Betrieb der Vorrichtung ein frei brennender Plasmastrahl austritt. Der Körper 1 ist in ein etwa topfförmig ausgebildetes Teil 4 eingeschraubt, in dessen offene Seite ein Ringkörper 5 eingeschraubt ist, dessen konische Innenfläche 6 in einem Abstand von dem in entsprechender Weise kegelstumpfförmig ausgebildeten Boden 7 des topfförmigen Teiles 4 liegt . Die in einem Abstand konisch verlaufenden Flächen 6 und 7 bilden eine Ringkammer 8, die über einen Ringspalt 9 um die Austrittsöffnung 3 mündet, wobei der Ringspalt 9 die Austrittsöffnung 3 konzentrisch umgibt. Der Ringraum 8 ist am außen liegenden Ende mit Zuführleitungen 10 verbunden, wobei bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier solcher Zuführleitungen 10 über den Umfang verteilt sind.

Das mittels eines Transportgases durch die ZufQhrleitungen 10 eingeleitete Pulver verteilt sich in der Ringkammer 8 Ober den Umfgang und tritt über den Ringspalt 9 schräg zur Längsachse der Anodenbohrung gleichmäßig verteilt aus, so daß sich in der nicht dargestellten Plasmaflamme eine gleichmäßige Pulververteilung bei hohem Durchsatz ergibt. Die Pulverpartikel werden in der Plasmaflamme aufgeschmolzen und erstarren im freien Flug durch eine Abkühlzone (z.B. in einer Argon-Atmosphäre). Dabei erhält man ein sehr leicht fließendes Pulver aus kugelförmigen Einzelpartikeln.

Die Vorrichtung ist nicht nur zum Sphäroidisieren von Spritzpulvern

geeignet, sondern läßt sich auch vorteilhaft bein Plasma-Flammspritzen (Auftragsspritzen) verwenden. Ebenso kann die Vorrichtung auch bei plasmachemischen Prozessen Anwendung finden, bei denen Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase in Plasmaflammen zur Reaktion kommen. Es Können Pulver metallischer und auch nicht metallischer Beschaffenheit thermisch behandelt werden, insbesondere Molybdännetallpulver.

Die Vorrichtung läßt sich auch dann sehr vorteilhaft einsetzen, wenn aus mehreren PartikelSorten bestehende Sphäröidpulver hergestellt oder auch direkt auf ein Substrat durch Plasmaspritzen aufgetragen werden sollen. In diesem Falle ist die getrennt Dosierung der einzelnen Pulversorten durch die Zuführleitungen 10, die Durchmischung der . verschiedenen Pulversorten in der Ringkammer 8 und die gleichmäßige '-. Verteilung der unterschiedlichen Pulverpartikel in Ringspalt 9 vor

dem Eintritt in die Plasmaflamme eine besonders vorteilhafte Maßnahme zur Homogenisierung von Sphäroidpulvergemischen oder aber zur Erzielung gleichmäßiger Spritzschichten, die aus mehreren Komponenten t bestehen. Im Falle des Einsatzes von legierungsbildenen Metallpulvern |; läßt sich mit dieser Anordnung sogar zusätzliche Warne für den

gewünschten Prozess durch Reaktionenthalpie aus den Komponenten geil
if winnen.

,Ü Der Winkel zwischen dem konisch verlaufenden Ringraum 8 und der Längs-I; achse der Bohrung ζ Hegt über 15° und beträgt vorzugsweise 30 bis 60°.

Anstelle eines Ringspaltes 9 können auch symmetrisch um die Austrittsöffnung 3 verteilte Zuführöffnungen vorgesehen werden, die wie der Ringspalt 9 in einem Winkel zur Brennerachse derart liegen, daß sich die Achsen der Zuführöffnungen vor der Austrittsöffnung 3 schneiden. Dabei ist der radiale Abstand der Zuführöffnungen bzw. des Ringspaltes 9 so gewählt, daß der Schnittpunkt der Achsen der Zuführöffnungen in einem Abstand vor der Austrittsöffnung 3 liegt.

ι I t ι ·

Anstelle der dargestellten vier Zuführleitungen 10 können auch mehrere Ober den umfang verteilt angeordnet werden.

Es ist auch möglich in der Ringkammer 8 Verteilerelemente vorzusehen, die eine Verteilung des mittels Trägergas zugeführten Pulvers über den umfang begünstigen, beispielsweise wenn nur zwei diametral gegenüberliegende Zuführleitungen 10 vorgesehen sind.

Die durch die Vorrichtung erzielte hohe Energieausnutzung wird durch folgendes Beispiel deutlich.

In einer Apparatur zur Sphäroidisierung von Metallpulvern bestehend aus einer Pulver-Dosierschnecke mit Inertgasleitung, einem Plasmabrenner des Typs PJ 139 P der Firma Arcos (Plasma Spraying Torch), einer Inertgaskammer (Beruhigungs- und kühlzone) und einer Gleichstromenergieanlage mit 45 kW Nennleistung der Ar/Hg-Plasmaflamme wurde das serienmäßig vorhandene Einleitsystem des Plasmabrenners durch die Vorrichtung nach Fig» 1 und 2 ersetzt.

Unter der geforderten Voraussetzung einer annähernd 100 %igen Sphäroidisierung wurden mit dieser Vorrichtung folgende Durchsätze in der genannten Anlage erreicht:

Molybdänpulver:	80 kg/h	(12 kg/h)
Ni-Legierungspulver:	80 kg/h	(12 kg/hΓ
WC-Co-Verbundpulver:	40 kg/h	(6-8 kg/h)
Wolframcarbid (Schmelzcarbid):	40 kg/h	(6-8 kg/h)

Die Angaben in Klammern beziehen sich auf den Durchsatz bei Verwendung des Original-Einleitsystems aus der Serienfertigung des genannten Brennertyps.

* · » I t t I I «

Il Il * ·
■ Il Il

I II«·
i III

Claims (4)

Dr. F. ZumsteifVsen'.'-' Dr. E. Assmann Dipl.-lng. F. Klingseisen - Or. F. Zumstein jun. PATENTANWÄLTE ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEPORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE Case 2780 40/my HERMANN C. STARCK BERLIN Vorrichtung zum Einleiten von hochschmelzenden pulverförmigen Werkstoffen in eine Plasmaflamme -PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Einleiten von hochschmelzenden pulverförmigen Werkstoffen in eine Plasmaflamme, insbesondere zum Sphäroidisieren der pulverförmigen Werkstoffe,

dadurch gekennzeichnet,

daß um eine Austrittsöffnung (3), aus der die Plasmaflamme austritt, symmetrisch verteilt Zuführöffnungen (9) für den pulverförmigen Werkstoff angeordnet sind, die mit Zuführleitungen (10) in Verbindung stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Zuführöffnungen in einem Winkel auf die Achse der Plasmaaustrittsöffnung (3) gerichtet sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2,

* I I I Il

dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführöffnungen in Form eines durchgehenden Ringspaltes (9) ausgebildet sind, der die Plasmaaustrittsöffnung (3) konzentrisch umgibt.

4. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ringkanmer (8) für die Pulververteilung zwisch*?-; Zuführöffnungen bzw. Ringspalt (9) und wenigstens zwei Zuführleixungen(IO) ausgebildet ist.