EP0342428A2 - Vorrichtung zum Plasmaspritzen - Google Patents

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EP0342428A2
EP0342428A2 EP89107896A EP89107896A EP0342428A2 EP 0342428 A2 EP0342428 A2 EP 0342428A2 EP 89107896 A EP89107896 A EP 89107896A EP 89107896 A EP89107896 A EP 89107896A EP 0342428 A2 EP0342428 A2 EP 0342428A2
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plasma
plasma jet
water
ring nozzle
water jacket
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Bodo Dipl.-Ing. Häuser
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    • H05H1/24—Generating plasma
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
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    • H05H1/341—Arrangements for providing coaxial protecting fluids
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder, liquid

Definitions

  • the invention relates to a device for carrying out the plasma spraying process under difficult conditions.
  • the high temperatures up to approx. 20,000 oC cause strong radiation, so that only appropriate body protection may be used. Due to the high plasma speed, the noise level is around 120 dBa, which means that work must be carried out in a sound booth and the staff is outside the booth or the staff must wear ear muffs. In addition, there is process-related loss of wettable powder, which must be disposed of by means of a complex extraction system in accordance with the guidelines of TA-Luft.
  • the object of the present invention is therefore to create a device for carrying out the plasma spraying process under difficult conditions, in particular to enable the processing of materials which could hitherto only be processed in an experiment.
  • an annular nozzle with a defined annular gap is arranged around the outlet opening of the anode from which the plasma jet emerges, through which water is pressed at least 6 bar and the diameter of the annular nozzle is at least five times the diameter Plasma beam diameter is.
  • the temperature of the water emerging from the ring nozzle which suitably has a pH of 7 and a total hardness of 3 ° German total hardness, is advantageously approximately 32 ° C.
  • the advantage of the device according to the invention is that the absolutely dense water jacket enables conditions similar to those in a vacuum chamber for flame spraying to be created even in the case of very high powder velocities in the plasma jet and using very pure gases.
  • the tight sealing of the water jacket creates a kind of cavern and the high velocities of the gases cause the water jacket to constrict on the water surface, so that materials with an affinity for oxygen can also be processed.
  • the water also binds the spray powder losses and it does not allow harmful radiation for the operating personnel to escape and the sound source is covered by the dense water jacket.
  • an example embodiment of the plasma spray gun 11 according to the invention is shown with partial sections, the plasma spray gun 11 carrying an anode 12 on the front, from whose outlet opening 13 the plasma jet 14 emerges and strikes the workpiece 15.
  • An annular nozzle 16 with a defined annular gap 17 is arranged around the anode 12.
  • the size of the annular gap 17 is not critical, but only has to be set in such a way that from the front end 18 of the ring nozzle 16 a coherent water jet or water jacket 19 emerges.
  • the outer side 20 of the ring nozzle 16 facing away from the plasma jet is longer than the inner nozzle wall 21.
  • the front end 18 of the ring nozzle 16, which represents the ring nozzle outlet, is between 50 and 100 mm from the plasma jet outlet 13 from the anode 12 removed.
  • the annular gap 17 at the gun-side end of the annular nozzle 16 is connected to four inlet openings 22 distributed uniformly over the circumference of the annular nozzle 16.
  • the diameter of the ring nozzle outlet 18 is at least five times the diameter of the plasma jet 14 and the water has a temperature of 32 ° C. and a pH of 7 and 3 ° German total hardness.
  • these values can also be changed according to the material of the wettable powder.
  • the water jacket supports the optimal temperature setting of the workpiece surface 15 to be coated in order to largely use the specific binding mechanisms during plasma spraying.
  • the water jacket striking the workpiece 15 ensures uniform heat dissipation around the point of impact of the molten powder particles and largely prevents the surface of the workpiece 15 from being oxidized by the high temperature load on the plasma jet.
  • the device according to the invention also readily permits a high workpiece temperature for special materials without the surface being oxidized.
  • the situation is therefore comparable to that of vacuum plasma spraying, because the water hitting the hot workpiece surface evaporates immediately and has no influence on the protective layer to be applied.
  • the high speed of the plasma jet and the associated constriction effect of the water jacket at the point of impact of the melted powder particles ensure an even, dense layer application.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Plasmaspritzverfahrens unter erschwerten Bedingungen, bei dem die Austrittsöffnung (13) der Anode (12), aus der der Plasmastrahl (14) austritt, eine Ringdüse (16) mit definiertem Ringspalt (17) angeordnet ist, durch die Wasser mit mindestens 6 bar gedrückt wird und der Durchmesser des Ringdüsenaustritts (18) mindestens das fünffache des Plasmastrahldurchmessers beträgt, wodurch um den Plasmastrahl (14) ein Wassermantel (19) entsteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Plasmaspritzverfahrens unter erschwerten Bedingungen.
  • Beim atmosphärischen Plasmaspritzen wird ein gasförmiger Schutz­mantel aufgebaut, der aus einer ringförmigen Düse vor der Front­seite der Plasmapistole austritt und auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet ist. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass das austretende Gas für den Schutzmantel mit der umgebenden Atmo­sphäre verwirbelt, wodurch es zu Reaktionen mit den schmelz­flüssigen Pulverpartikeln im Plasmastrahl kommt. Dies ist ins­besondere bei sauerstoffempfindlichen Materialien der Fall. Die Grenze der zu verwendenden Beschichtungswerkstoffe für das Gas­mantelspritzverfahren ist durch die Reaktionszeit der Elemente der umgebenden Atmosphäre mit dem schmelzflüssigen Werkstoff gegeben, das heisst durch einen metallographischen Schliff und dessen Unter­suchung kann die unerwünschte Phasenbildung fetgestellt werden. Darüberhinaus hat das konventionelle atmosphärische Plasmaspritzen insbesondere in Bezug auf die Arbeitsplatz- und Umweltverträglich­keit erhebliche Nachteile. Die hohen Temperaturen bis ca 20.000oC bewirken eine starke Strahlung, sodass nur mit entsprechendem Körperschutz gearbeitet werden darf. Der Lärmpegel liegt aufgrund der hohen Plasmageschwindigkeit bei ca 120 dBa, das heisst es muss in einer Schallkabine gearbeitet werden und das Personal steht ausserhalb der Kabine oder das Personal muss Ohrenschützer tragen. Darüberhinaus entstehen verfahrensbedingt Spritzpulver­verluste, die durch eine aufwendige Absaugung nach den Richt­linien der TA-Luft entsorgt werden müssen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Plasmaspritzverfahrens unter erschwerten Bedingungen zu schaffen, insbesondere die Verarbeitung von Werkstoffen zu ermöglichen, die bisher nur im Versuch ver­arbeitet werden konnten.
  • Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass bei der erfindungs­gemässen Vorrichtung um die Austrittsöffnung der Anode, aus der der Plasmastrahl austritt, eine Ringdüse mit definiertem Ring­spalt angeordnet ist, durch die Wasser mit mindestens 6 bar ge­drückt wird und der Durchmesser der Ringdüse mindestens das fünffache des Plasmastrahldurchmessers beträgt.
  • Vorteilhaft beträgt die Temperatur des aus der Ringdüse austreten­den Wassers, das zweckmässig einen pH von 7 und eine Gesamthärte von 3o Deutsche Gesamthärte besitzt, etwa 32 oC.
  • Der Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass durch den absolut dichten Wassermantel auch bei sehr hohen Pulver­geschwindigkeiten im Plasmastrahl und unter Verwendung sehr reiner Gase ähnliche Verhältnisse wie in einer Vakuumkammer zum Flamm­spritzen geschaffen werden können. Durch den dichten Abschluss des Wassermantels entsteht quasi eine Kaverne und die hohen Ge­schwindigkeiten der Gase führen zu einem Einschnüren des Wasser­mantels auf der Wasseroberfläche, sodass auch sauerstoffaffine Werkstoffe verarbeitet werden können.
  • Das Wasser bindet darüberhinaus die Spritzpulververluste und es lässt keine schädliche Strahlung für das Bedienungspersonal nach aussen treten und die Schallquelle ist durch den dichten Wassermantel abgedeckt.
  • In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Plasmaspritzpistole 11 mit teilweisen Schnitten dargestellt, wobei die Plasmaspritzpistole 11 an der Vorderseite eine Anode 12 trägt, aus deren Austrittsöffnung 13 der Plasma­strahl 14 austritt und auf das Werkstück 15 auftrifft. Um die Anode 12 ist eine Ringdüse 16 mit einem definierten Ringspalt 17 angeordnet. Die Grösse des Ringspalts 17 ist nicht kritisch, sondern muss nur so eingestellt sein, dass aus dem vorderen Ende 18 der Ringdüse 16 ein zusammenhängender Wasserstrahl oder Wassermantel 19 austritt. Zur Erleichterung der Bildung des Wassermantels 19 ist die äussere vom Plasmastrahl abgewandte Seite 20 der Ringdüse 16 länger als die innere Düsenwand 21. Das vordere Ende 18 der Ringdüse 16, welche den Ringdüsenaus­tritt darstellt, ist zwischen 50 und 100 mm vom Plasmastrahl­austritt 13 aus der Anode 12 entfernt. U
  • Um einen möglichst gleichmässigen Wassermantel 19 zu erhalten, ist der Ringspalt 17 am pistolenseitigen Ende der Ringdüse 16 mit vier gleichmässig über den Umfang der Ringdüse 16 verteilten Einlassöffnungen 22 verbunden. Es ist jedoch auch möglich mehr oder weniger Einlassöffnungen 22 vorzusehen, was teilweise auch von dem zur Verfügung stehenden Wasserdruck abhängt.
  • Die besten Ergebnisse werden erhalten, wenn der Durchmesser des Ringdüsenaustritts 18 mindestens das fünffache des Durch­messers des Plasmastrahls 14 beträgt und das Wasser eine Tem­peratur von 32 oC sowie eine pH von 7 und 3o Deutsche Gesamthärte besitzt. Diese Werte können aber auch dem Material des Spritz­pulvers entsprechend verändert werden.
  • Der Wassermantel unterstützt die optimale Temperatureinstellung der zu beschichtenden Werkstückoberfläche 15, um die spezifischen Bindemechanismen beim Plasmaspritzen weitgehend zu nutzen. Durch den auf das Werkstück 15 auftreffenden Wassermantel wird eine gleichmässige Wärmeabfuhr rund um den Auftreffpunkt der schmelzflüssigen Pulverpartikel gewährleistet und eine Oxydation der Oberfläche des Werkstücks 15 durch die hohe Temperaturbe­lastung des Plasmastrahls wird weitgehend vermieden.
  • Die erfindungsgemässe Vorrichtung erlaubt auch ohne weiteres eine hohe Werkstücktemperatur bei besonderen Werkstoffen, ohne dass eine Oxydation der Oberfläche eintritt. Die Verhältnisse sind somit dem dem Vakuum-Plasmaspritzen vergleichbar, denn das auf die heisse Werkstückoberfläche auftreffende Wasser verdampft sofort und hat keinen Einfluss auf die aufzubringende Schutz­schicht. Die hohe Geschwindigkeit des Plasmastrahls und der damit verbundene Einschnüreffekt des Wassermantels an der Auftreff­stelle der aufgeschmolzenen Pulverpartikel sorgen für einen gleichmässigen, dichten Schichtauftrag.

Claims (5)

1) Vorrichtung zur Durchführung des Plasmaspritzverfahrens unter erschwerten Bedingungen, bei dem um die Austrittsöffnung (13) der Anode (12), aus der der Plasmastrahl (14) austritt, eine Ringdüse (16) mit definiertem Ringspalt (17) angeordnet ist, durch die Wasser mit mindestens 6 bar gedrückt wird und der Durchmesser des Ringdüsenaustritts (18) mindestens das fünffache des Plasmastrahldurchmessers beträgt, wodurch um den Plasmastrahl (14) ein Wassermantel (19) entsteht.
2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wassermantels (19) etwa 32 oC beträgt.
3) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser des Wassermantels (19) einen pH von 7 und mindestens 3o Deutsche Gesamthärte besitzt.
4) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­zeichnet, dass die äussere vom Plasmastrahl (14) abgewandte Seite (20) des Ringdüsenaustritts (18) länger ist als die innere Ringdüsenwand (21).
5) Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­zeichnet, dass der Ringdüsenaustritt (18) zwischen 50 und 100 mm vom Plasmastrahlaustritt (13) aus der Anode (12) entfernt ist.
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