EP1154033A2 - Bauteil zum Stoff- und Wärmetransport sowie Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zum Stoff- und Wärmetransport - Google Patents

Bauteil zum Stoff- und Wärmetransport sowie Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zum Stoff- und Wärmetransport Download PDF

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EP1154033A2
EP1154033A2 EP01111327A EP01111327A EP1154033A2 EP 1154033 A2 EP1154033 A2 EP 1154033A2 EP 01111327 A EP01111327 A EP 01111327A EP 01111327 A EP01111327 A EP 01111327A EP 1154033 A2 EP1154033 A2 EP 1154033A2
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EP
European Patent Office
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component according
layer
powder
base body
particles
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Withdrawn
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EP01111327A
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EP1154033A3 (de
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Heiko Thaler
Manfred Fischer
Rudolf Henne
Karl Stephan
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/137—Spraying in vacuum or in an inert atmosphere

Definitions

  • the present invention relates to components for mass and heat transport with a base body and with a layer supporting a material and heat transport on at least a component surface.
  • the invention relates to methods for producing a component for material and Heat transport with provision of a base body, with a base body a layer that supports material and heat transport is applied.
  • capillary structure layers can be made using different methods be built up, for example by known sintering techniques or by plasma spraying of powder particles.
  • a heat pipe, and a method for its production, for the transport of heat from an evaporation area to a condensation area, with a capillary structure within the heat pipe, is known from DE-A1 197 17 235.
  • the one described there Capillary structure is created by thermal plasma spraying of powder particles and has an open-pored capillary structure layer.
  • an arrangement as known from DE-A1 197 17 235 is for Heat pipes are particularly suitable, particularly with regard to their porosity, as they are caused by the plasma spraying used there is generated by powder particles.
  • To use a heat pipe Building up the inner coating is also proposed in DE-A1 197 17 235, two To provide half-shells with a capillary layer on the inside. Then be the two half-shells or the two cylinder halves are joined flat with their edges, so that there is a tube coated on the inside.
  • the present Invention the object of an arrangement for transporting liquids under Utilization of capillary forces of the type specified in the introduction so that a Material and heat transport with a higher transport capacity can take place with it, as well a corresponding method for building up a corresponding capillary structure layer specify for such an arrangement.
  • a component for material and heat transport with one Base body and with a layer supporting a material and heat transport at least one component surface, which is characterized in that the coating is generated by a vacuum plasma spraying process, using powder particles for production a pore structure are melted on the surface and by the degree of melting the proportion of open and closed pores is set.
  • the object is achieved in that the coating by a vacuum plasma spraying process is generated, the powder particles to produce a Pore structure are melted on the surface and by the degree of melting the proportion of open and closed pores is set.
  • the degree of melting is accordingly the individual powder particles set the porosity.
  • a suitable proportion of open and closed pores formed.
  • Pore structure can be influenced.
  • particle size distribution of the used ones To name powder fractions.
  • electrical power that is injected into the plasma. By Increasing the electrical power makes the plasma hotter and the powder particles in the Surface melted more.
  • a porosity can already be achieved with the formation of a layer of powder particles, which is useful for certain applications for mass and heat transport. Such a layer would have a thickness that corresponds approximately to the diameter of the powder particles.
  • Partially closed pores are preferably formed, which face towards the base body are more closed.
  • Another parameter to consider is the appropriate spray distance between Flame and base body. The larger this distance is chosen, the higher the resulting one Porosity. However, the distance must not be chosen so large that the melted Particles do not already solidify superficially before they hit the base body hit.
  • one Half should be closed-pore than the other half, the closed Pores point towards the base body, while the open-pored side faces the free surface forms.
  • the porosity should be adjusted so that the ratio of the total Pore volume fraction to the total volume of the layer changes from 0 to 80%; the preferred The range is between 10 to 50%.
  • a dense base layer can be applied at the start of spraying, by setting the parameters so that either the entire powder particles are melted, or a correspondingly high proportion of fine powder is mixed in, so that this results in the dense base layer.
  • a vacuum high-frequency plasma spray process is preferred as the plasma spray process used. This makes it possible, in comparison to flame spraying or DC plasma spraying to melt relatively coarse-grained powders (> 50 ⁇ m); in a vacuum Cannot Print Using High Frequency Plasma Spraying only the length of the plasma flame, but also the heat transfer between Plasma and powder particles can be checked.
  • the starting powder used should preferably be one whose particle size is in the range from 10 ⁇ m to 800 ⁇ m, a range between 100 ⁇ m and 250 ⁇ m to be emphasized as a particularly preferred range.
  • Investigations have further shown that a powder fraction should be used which comprises particles in a diameter range between a minimum particle diameter d min and a maximum particle diameter d max , which meets the following requirement: ⁇ d d a Max ⁇ 0.35 where d a max indicates the powder particle diameter that forms the largest portion in the selected powder fraction, and wherein ⁇ d represents the range of fluctuation of the particle diameter around the largest particle diameter.
  • Suitable pore radii should be applied to the respective layers applied to the Base bodies are between 25 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • the thickness of the coating can vary depending on Type of base body and the requirements, in the range from 10 ⁇ m to 2000 ⁇ m lie. Powders made of metals or metal alloys are preferably used; it is but it is also possible to use ceramic materials, as these are specified using the Process can also be processed due to the achievable high temperatures.
  • a ceramic coating over metallic powder can be advantageous if the metallic Base material should be protected against corrosion and the base material nevertheless should conduct heat well.
  • a ceramic coating can also have a very positive effect on heat and mass transfer influence, especially in the condensation of vapors. Because of poor wetting the ceramic can namely achieve the particularly advantageous drop condensation become.
  • At least one can be in the base body Groove in the material and heat transport direction to be formed by the powder particles while maintaining the cross-sectional shape of the groove.
  • Such a groove should therefore have an opening width that is smaller than the middle Particle diameter of the powder of the layer applied thereon.
  • the groove can be milled into the base body or etched into it.
  • the above-mentioned grooves can be in a desired number in the base body be trained, run in different directions and with cross connections among themselves.
  • powder particles are preferably used, which melted on the surface during the coating process become.
  • the degree of melting can then open and / or partially closed pore structure can be set.
  • the degree of melting is provided with a gradient in which the Seen in the thickness of the layer, a more open or closed pore structure is produced. This can be done in that the degree of melting of the surface of the powder particles, which are applied in layers to produce the capillary structure layer, are melted to a greater or lesser degree in the surface.
  • P refer a layer is created, the pores of which face towards the radially inner side are more closed than towards the radially outer side, i.e. towards the free surface.
  • porous layers are advantageous using a high-frequency plasma spraying process can be generated, this being done even more preferably in a vacuum becomes.
  • a defined melting process can be carried out the surface layer of the individual powder particles.
  • the process parameters can simply in terms of performance, pressure in the coating chamber, Flame distance to the layer, can be changed to change the degree of melting Surface and thus to change the pore structure.
  • the particle size is a factor influencing the pore structure.
  • the particle sizes should be in the range of 10 ⁇ m to 800 ⁇ m, with a particle size between 100 ⁇ m and 250 ⁇ m is preferable.
  • the pore radius of each pore that is between the fused powder particles should be in the range of 20 microns up to 500 ⁇ m.
  • particles should be in the fraction area 0.7 ⁇ d min d Max ⁇ 1 be used.
  • Preferred pressure ranges which are set in the coating chamber during vacuum plasma spraying are 8 ⁇ 10 3 Pa to 2 ⁇ 10 4 Pa, preferably 1 ⁇ 10 4 Pa to 1.7 ⁇ 10 4 Pa. It is precisely in this pressure range that it is ensured that the negative influence of oxidative reactions is largely prevented; a predominantly laminar plasma jet can be set in this pressure range, which results in a uniform melting. In addition, the heat transfer is large enough to control the controlled melting of the particle surface. In order to reduce residual oxygen and the formation of oxide on the individual powder particles, which reduces the strength of the layer, and in order to be able to control pore structure formation even better, plasma spraying should take place in a protective gas atmosphere, in particular with the appropriate reducing agent, such as hydrogen.
  • Preferred process parameters in vacuum plasma spraying are a pressure of 5 ⁇ 10 3 Pa to 3 ⁇ 10 4 Pa and a power of 5 to 50 kW to create an open pore structure, while a pressure range of 1 ⁇ 10 4 Pa to 5 ⁇ 10 4 Pa and a power of 7 to 50 kW can be set to create a closed pore structure.
  • Figure 1 shows schematically a base body 1, on which a single-layer layer of powder particles 2 is sprayed on. Since the individual powder particles 2 are controlled only in one Are melted surface area, the shape of the individual powder particles 2nd essentially maintained.
  • the powder particles can be considered with a suitable Throughput are applied to the base body 1 in such a way that they melt together, so that 2 pores are formed between the base body 1 and the powder particles. These pores arise in particular when powder fractions with particles are present relatively large particle diameter can be used.
  • Figure 2 shows a sectional view corresponding to Figure 1 with a three-layer Layer, i.e. the powder particles are layered on top of each other. Because the individual powder particles only superficially before hitting the base body 1 or the one below it lying powder particles 2 are melted, they essentially keep their Shape so that 2 defined pores 3 form between the individual powder particles.
  • This pore structure can be determined by the degree of melting on the one hand Powder particle size distribution, on the other hand, which is particularly immediate during a Vacuum high frequency plasma spraying can be changed, in addition about the pressure set in the plasma spraying system and the power with which the system is operated, adjusted or influenced.
  • the porosity is preferably gradually starting from the base layer 1 to the Increased outside, so that on the one hand in the area of the base body high strength can be achieved.
  • a particularly suitable starting powder of the regulation should be used ⁇ d d a Max ⁇ 0.35 are enough; the relationships between d a max , ⁇ d, d min (minimum particle diameter d) and d max (maximum particle diameter d) are shown in FIG. 6, depending on the percentage of the respective powder particle diameter that is present in a starting powder.
  • Figure 3 shows a structure according to Figure 2, but with two additional, V-shaped grooves 4 which are formed in the surface of the base body 1.
  • This Grooves 4 form capillaries below the porous layer; they are completely through the powder particles 2 covered. Since the opening width of the grooves 4 is less than the particle diameter the bottom layer, the grooves are not closed, i.e. their free Cross section is completely preserved.
  • Figure 4 shows an 8 mm stainless steel sheet, which is by means of high-frequency plasma spraying was produced.
  • a powder made of a nickel-based alloy was sprayed on in one Grain size of -160 + 125 ⁇ m.
  • the layer thickness is approx. 500 ⁇ m.
  • the coating was at a pressure between 100 and 200 mbar (at a distance of 320 mm) carried out.
  • the electrical power was between 15 - 20 kW.
  • plasma gases were Argon and hydrogen were used in a total of 140 SLPM.
  • FIG. 5 shows a scanning electron microscope image of the surface layer of the one in FIG 4 component shown in a 30-fold magnification. Based on this shot is clearly recognizable that the structuring of the layer, in particular the surface, it happens that the particles are melted on the surface and by the Degree of melting largely resembles the shape of the original, spherical particle was maintained. The proportion of molten material connects the particles with each other and strengthens shift cohesion. Such a structured layer, in particular Surface, promotes heat and mass transfer.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauteil zum Stoff- und Wärmetransport mit einem Basiskörper und mit einer einen Stoff- und Wärmetransport unterstützenden Schicht auf mindestens einer Bauteilfläche, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Beschichtung durch ein Vakuumplasmaspritzverfahren erzeugt ist, wobei Pulverpartikel zur Erzeugung einer Porenstruktur oberflächlich angeschmolzen sind und durch den Grad des Anschmelzens der Anteil an offenen und geschlossenen Poren eingestellt ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zum Stoff- und Wärmetransport.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Bauteile zum Stoff- und Wärmetransport mit einem Basiskörper und mit einer einen Stoff- und Wärmetransport unterstützenden Schicht auf mindestens einer Bauteilfläche.
Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zum Stoff- und Wärmetransport unter Bereitstellung eines Basiskörpers, wobei auf den Basiskörper eine einen Stoff- und Wärmetransport unterstützende Schicht aufgebracht wird.
Anordnungen zum Transport von Flüssigkeiten, unter Ausnutzung von Kapillarkräften, sind allgemein bekannt. Solche Kapillarstrukturschichten können mit unterschiedlichen Verfahren aufgebaut werden, beispielsweise durch bekannte Sintertechniken oder durch Plasmaspritzen von Pulverpartikeln.
Ein Wärmerohr, und ein Verfahren zu dessen Herstellung, zum Transport von Wärme von einem Verdampfungsbereich zu einem Kondensationsbereich, mit einer Kapillarstruktur innerhalb des Wärmerohrs, ist aus der DE-A1 197 17 235 bekannt. Die dort beschriebene Kapillarstruktur wird durch ein thermisches Plasmaspritzen von Pulverpartikeln hergestellt und besitzt eine offenporige Kapillarstrukturschicht. Hierzu werden Pulverpartikel mit einer mittleren Partikelgröße im Bereich von ungefähr 30 µm bis ungefähr 300 µm eingesetzt.
Grundsätzlich ist eine Anordnung, wie sie aus der DE-A1 197 17 235 bekannt ist, für Wärmerohre gut geeignet, insbesondere hinsichtlich deren Porosität, wie sie durch das dort verwendete Plasmaspritzen von Pulverpartikeln erzeugt wird. Um ein Wärmerohr mit Innenbeschichtung aufzubauen, ist in der DE-A1 197 17 235 auch vorgeschlagen, zwei Halbschalen auf der Innenseite mit einer Kapillarschicht zu versehen. Anschließend werden die beiden Halbschalen bzw. die zwei Zylinderhälften mit ihren Kanten flächig gefügt, so daß sich ein auf der Innenseite beschichtetes Rohr ergibt.
Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Transport von Flüssigkeiten unter Ausnutzung von Kapillarkräften der eingangs angegebenen Art so weiterzubilden, daß ein Stoff- und Wärmetransport mit einer höheren Transportleistung damit erfolgen kann, sowie ein entsprechendes Verfahren zum Aufbauen einer entsprechenden Kapillarstrukturschicht für eine derartige Anordnung anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Bauteil zum Stoff- und Wärmetransport mit einem Basiskörper und mit einer einen Stoff- und Wärmetransport unterstützenden Schicht auf mindestens einer Bauteilfläche, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Beschichtung durch ein Vakuumplasmaspritzverfahren erzeugt ist, wobei Pulverpartikel zur Erzeugung einer Porenstruktur oberflächlich angeschmolzen sind und durch den Grad des Anschmelzens der Anteil an offenen und geschlossenen Poren eingestellt ist.
Verfahrensgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Beschichtung durch ein Vakuumplasmaspritzverfahren erzeugt wird, wobei die Pulverpartikel zur Erzeugung einer Porenstruktur oberflächlich angeschmolzen sind und durch den Grad des Anschmelzens der Anteil an offenen und geschlossenen Poren eingestellt ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird demzufolge durch den Anschmelzgrad der einzelnen Pulverpartikel die Porosität eingestellt. Je nach Anforderung an die Schicht und insbesondere hinsichtlich des Einsatzgebietes wird ein geeigneter Anteil an offenen und geschlossenen Poren gebildet.
Insbesondere mit einem Vakuumplasmaspritzverfahren, um die Pulverpartikel auf den Basiskörper aufzubringen, kann durch Änderung verschiedener Verfahrensparameter die Porenstruktur beeinflußt werden. Hier ist zum einen die Partikelgrößenverteilung der eingesetzten Pulverfraktionen zu nennen. Durch definiertes Beimischen von Pulverpartikeln mit geringem Durchmesser, verglichen mit dem Pulveranteil mit maximalem Durchmesser, können mehr Poren geschlossen werden, da gerade solche feinen Pulverpartikel stärker im Oberflächenbereich anschmelzen als die Partikel mit großem Partikeldurchmesser. Ein weiterer Parameter ist die elektrische Leistung, die ins Plasma eingekoppelt wird. Durch Erhöhung der elektrischen Leistung wird das Plasma heißer und die Pulverpartikel in der Oberfläche stärker angeschmolzen.
Bereits mit der Bildung einer Schicht aus Pulverpartikeln kann eine Porosität erreicht werden, die für bestimmte Anwendungsfälle für einen Stoff- und Wärmetransport dienlich ist. Eine solche Schicht hätte eine Dicke, die etwa dem Durchmesser der Pulverpartikel entspricht.
Vorzugsweise werden teilweise geschlossene Poren gebildet, die zum Basiskörper hin geschlossener sind.
Ein wichtiger Parameter, um den Anteil an offenen und/oder geschlossenen Poren, insbesondere an geschlossenen Poren, einzustellen und zu beeinflussen, ist der Druck. Grundsätzlich sollte daher im Vakuum gearbeitet werden, d.h. im Bereich von etwa 5 x 103 Pa bis 3 x 104 Pa.
Ein weiterer Parameter, der zu beachten ist, ist der geeignete Spritzabstand zwischen Flamme und Basiskörper. Je größer dieser Abstand gewählt wird, desto höher ist die resultierende Porosität. Der Abstand darf jedoch nicht so groß gewählt werden, daß die angeschmolzenen Partikel nicht bereits oberflächlich erstarren, bevor sie auf das Basiskörper auftreffen.
Sofern Abstände zwischen Flamme/Plasma und Basiskörper angegeben sind, beziehen sich diese auf das Ende des jeweiligen Brenners.
Im Hinblick auf einen Gradienten zwischen offenen Poren und geschlossenen Poren ist es zu bevorzugen, daß in Richtung der Dicke der aufzubringenden Schicht gesehen die eine Hälfte geschlossenporiger ausgebildet sein soll als die andere Hälfte, wobei die geschlossenen Poren zum Basiskörper hin weisen, während die offenporige Seite die freie Oberfläche bildet.
Durch kontinuierliche Veränderung der Verfahrensparameter unmittelbar während des Plasmaspritzens, sowie einer Änderung der Pulverfraktion in Bezug auf den Anteil an feinkörnigerem Pulver gegenüber demjenigen Anteil an größeren Pulverpartikeln, kann ein kontinuierlicher Gradient der Porosität über die Schichtdicke erhalten werden. Vorzugsweise sollte die Porosität so eingestellt werden, daß sich das Verhältnis des gesamten Poren-Volumenanteils zum Gesamtvolumen der Schicht von 0 bis 80% ändert; der bevorzugte Bereich liegt hierbei zwischen 10 bis 50%.
Zusätzlich kann zu Beginn des Spritzens eine dichte Basisschicht aufgebracht werden, indem die Parameter so eingestellt werden, daß entweder die gesamten Pulverpartikel aufgeschmolzen werden, oder es wird ein entsprechend hoher Anteil an Feinpulver zugemischt, so daß sich dadurch die dichte Basisschicht ergibt.
Als Plasmaspritzverfahren wird bevorzugt ein Vakuum-Hochfrequenzplasmaspritzverfahren eingesetzt. Gerade hiermit ist es möglich, im Vergleich zu Flammspritzen oder Gleichstromplasmaspritzen, relativ grobkörnige Pulver (> 50 µm) anzuschmelzen; im Vakuum kann unter Einsatz des Hochfrequenzplasmaspritzverfahrens durch den Druck nicht nur die Länge der Plasmaflamme, sondern darüber hinaus auch der Wärmeübergang zwischen Plasma und Pulverpartikel kontrolliert werden.
Als Ausgangspulver sollte bevorzugt solches eingesetzt werden, dessen Partikelgröße im Bereich von 10 µm bis 800 µm liegt, wobei ein Bereich zwischen 100 µm und 250 µm als besonders bevorzugter Bereich herauszustellen ist. Untersuchungen haben weiterhin gezeigt, daß eine Pulverfraktion eingesetzt werden sollte, die Partikel in einem Durchmesserbereich zwischen einem minimalen Partikeldurchmesser dmin und einem maximalen Partikeldurchmesser dmax umfaßt, die folgender Vorschrift genügt: Δdda max < 0,35 wobei da max den Pulverpartikeldurchmesser angibt, der in der gewählten Pulverfraktion den größten Anteil bildet, und wobei Δd die Schwankungsbreite der Partikeldurchmesser um den größten Partikeldurchmesser darstellt.
Für da max kann zur Vereinfachung auch der Vorschrift gefolgt werden: da max = dmin + dmax 2
Um zu einer teilweisen offenen Porenstruktur zu gelangen, sollte der Grad des Anschmelzens m der Oberflächenschicht der Partikel der Vorschrift m = d - ds *d folgen,
wobei d den Partikeldurchmesser bezeichnet und
wobei ds* den Durchmesser des verbleibenden festen Kerns bezeichnet, wobei für m gilt 5% < m ≤60%.
Zur Erzeugung der zumindest teilweise geschlossenen Porenstruktur wird die Oberflächenschicht der Partikel angeschmolzen, wobei der Grad des Anschmelzens m wiederum der Vorschrift m = d - ds * d genügt, allerdings mit 10% < m ≤ 100%.
Geeignete Porenradii sollten in Bezug auf die jeweiligen aufgebrachten Schichten auf dem Basiskörper zwischen 25 µm bis 200 µm liegen. Die Dicke der Beschichtung kann, je nach Art des Basiskörpers und den gestellten Forderungen, im Bereich von 10 µm bis 2000 µm liegen. Vorzugsweise werden Pulver aus Metallen oder Metallegierungen eingesetzt; es ist aber auch möglich, Keramikmaterialien zu verwenden, da diese mittels des angegebenen Verfahrens auch aufgrund der erreichbaren, hohen Temperaturen, verarbeitbar sind.
Ein Keramiküberzug über metallisches Pulver kann von Vorteil sein, wenn der metallische Grundwerkstoff gegen Korrosion geschützt werden soll und der Grundwerkstoff dennoch die Wärme gut leiten soll.
Ein keramischer Überzug kann jedoch auch den Wärme- und Stoffübergang sehr positiv beeinflussen, insbesondere bei der Kondensation von Dämpfen. Durch schlechtere Benetzung der Keramik kann nämlich die besonders vorteilhafte Tropfenkondensation erreicht werden.
Um die Wärmetransportleistung zu erhöhen, kann in dem Basiskörper mindestens eine Nut in Stoff- und Wärmetransportrichtung verlaufend ausgebildet sein, die durch die Pulverpartikel unter Erhaltung der Querschnittsform der Nut abgedeckt werden.
Auf diese Art und Weise ist es möglich, spritztechnisch eine poröse Kapillarstruktur mit Kanälen bzw. Nuten, auch als Arterien bezeichnet, herzustellen. Diese Kombination ist besonders vorteilhaft, da Bereiche hoher Kapillarität mit solchen niedriger Druckverluste effizient verknüpfbar sind. Die Möglichkeit, poröse Funktionsschichten herzustellen, in die unmittelbar Kanäle bzw. Nuten eingearbeitet sind, führt dazu, daß solche Anordnungen mit hoher Wärme- und Stofftransportleistung sehr kostengünstig hergestellt werden können.
Beim Aufbauen der porösen Schicht auf der Basisschicht, in die eine oder mehrere Nut(en) eingearbeitet sind, sollte darauf geachtet werden, daß die Pulverpartikel eine Größe aufweisen derart, daß die Querschnittsform der Nut nur abgedeckt wird, d.h. der freie Querschnitt der Nut soll nach Aufspritzen der Schicht erhalten werden. Bevorzugt wird eine V-förmige Nut eingesetzt.
Eine solche Nut sollte folglich eine Öffnungsbreite aufweisen, die kleiner ist als der mittlere Partikeldurchmesser des Pulvers der darauf aufgebrachten Schicht.
Die Nut kann in den Basiskörper eingefräst werden oder darin eingeätzt werden.
Die vorstehend angegebenen Nuten können in einer gewünschten Anzahl in dem Basiskörper ausgebildet werden, auch in unterschiedlichen Richtungen verlaufen und mit Querverbindungen untereinander.
Um die angegebene Schicht mit Porenstruktur zu erzeugen, werden vorzugsweise Pulverpartikel eingesetzt, die während des Beschichtungsvorgangs oberflächlich angeschmolzen werden. Durch den Grad des Anschmelzens kann dann eine offene und/oder teilweise geschlossene Porenstruktur eingestellt werden. Weiterhin kann durch den Grad des Anschmelzens die Porenstruktur mit einem Gradienten versehen werden, in dem über die Dicke der Schicht gesehen eine offenere oder geschlossenere Porenstruktur erzeugt wird. Dies kann dadurch erfolgen, daß der Grad des Anschmelzens der Oberfläche der Pulverpartikel, die schichtweise zur Erzeugung der Kapillarstrukturschicht aufgebracht werden, mit einem höheren oder geringeren Grad in der Oberfläche angeschmolzen werden. Bevorzugt wird hierbei eine Schicht erzeugt, deren Poren zur radial innenliegenden Seite hin geschlossener sind als zur radial außenliegenden Seite hin, d.h. zur freien Oberfläche hin.
Es hat sich gezeigt, daß poröse Schichten vorteilhaft mit einem Hochfrequenzplasmaspritzverfahren erzeugt werden können, wobei dies noch bevorzugter im Vakuum vorgenommen wird. Mit dem Hochfrequenzplasmaspritzverfahren kann ein definiertes Anschmelzen der Oberflächenschicht der einzelnen Pulverpartikel erfolgen. Die Verfahrensparameter können einfach im Hinblick auf Leistung, Druck in der Beschichtungskammer, Flammabstand zu der Schicht, geändert werden, um dadurch den Anschmelzgrad der Oberfläche und damit die hervorgerufene Porenstruktur zu ändern. Auch stellt die Wahl der Partikelgröße einen die Porenstruktur beeinflussenden Faktor dar. Die Partikelgrößen sollten im Bereich von 10 µm bis 800 µm liegen, wobei eine Partikelgröße zwischen 100 µm und 250 µm zu bevorzugen ist. Der Porenradius der einzelnen Poren, der zwischen den aneinandergeschmolzenen Pulverpartikeln gebildet wird, sollte im Bereich von 20 µm bis 500 µm liegen.
Sofern Abstände zwischen Flamme/Plasma und Basiskörper angegeben sind, beziehen sich diese auf das Ende des jeweiligen Brenners.
Um die Bildung einer offenen Porenstruktur zu fördern, sollten Partikel in dem Fraktionsbereich 0,7 ≤ dmin dmax < 1 eingesetzt werden.
Um die Bildung einer geschlossenen Porenstruktur zu fördern, sollten dagegen Partikel im Fraktionsbereich von dmin dmax < 0,7 eingesetzt werden.
Bevorzugte Druckbereiche, die beim Vakuum-Plasmaspritzen in der Beschichtungskammer eingestellt werden, liegen bei 8 · 103 Pa bis 2 · 104 Pa, vorzugsweise bei 1 · 104 Pa bis 1,7 · 104 Pa. Gerade in diesem Druckbereich wird sichergestellt, daß der negative Einfluß oxidativer Reaktionen weitgehend verhindert wird; in diesem Druckbereich läßt sich ein überwiegend laminarer Plasmastrahl einstellen, wodurch sich eine einheitliche Aufschmelzung ergibt. Außerdem ist der Wärmeübergang groß genug, um die kontrollierte Aufschmelzung der Partikeloberfläche zu kontrollieren. Um Restsauerstoff und die Oxidhautbildung auf den einzelnen Pulverpartikeln, die die Festigkeit der Schicht herabsetzt, zu vermindern und um dadurch die Porenstrukturbildung noch besser kontrollieren zu können, sollte das Plasmaspritzen in Schutzgasatmosphäre, insbesondere mit dem entsprechenden Reduktionsmittel, wie zum Beispiel Wasserstoff, erfolgen.
Bevorzugte Verfahrensparameter beim Vakuum-Plasmaspritzen sind ein Druck von 5 · 103 Pa bis 3 · 104 Pa und eine Leistung von 5 bis 50 kW, um eine offene Porenstruktur zu erzeugen, während ein Druckbereich von 1 · 104 Pa bis 5 · 104 Pa und eine Leistung von 7 bis 50 kW eingestellt werden, um eine geschlossene Porenstruktur zu erzeugen.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, den Basiskörper vor der Beschichtung aufzuwärmen, insbesondere auf Temperaturen im Bereich von einigen 100°C; hierdurch wird die Abscheidung der Pulverpartikel günstig beeinflußt, d.h. es werden beispielsweise Risse zwischen Basiskörper und Schicht vermieden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowohl des Bauteils als auch der Verfahren sind in den jeweiligen Unteransprüchen 2 bis 29 und 31 bis 34 angegeben.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung erläutert. In den beigefügten Zeichnungen zeigen im einzelnen
Figur 1
eine schematische Darstellung im Schnitt eines Teils eines Basiskörpers mit einer darauf aufgebrachten, einlagigen, porösen Schicht,
Figur 2
eine Schnittdarstellung entsprechend der Figur 1 mit einer dreilagigen Schicht,
Figur 3
eine der Figur 2 entsprechenden Darstellung mit einer zusätzlichen Nut im Basiskörper,
Figur 4
ein rohrförmiges Bauteil mit einer Außenbeschichtung, wobei für einen größenmäßigen Vergleich eine 1-Pfennig-Münze zu sehen ist,
Figur 5
eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer Oberflächenschicht, wie sie auf einem Bauteil entsprechend Figur 4 aufgebracht ist, und
Figur 6
eine graphische Darstellung der Partikeldurchmesserverteilung der zum Plasmaspritzen eingesetzten Pulverfraktionen.
Figur 1 zeigt schematisch einen Basiskörper 1, auf dem eine einlagige Schicht aus Pulverpartikeln 2 aufgespritzt ist. Da die einzelnen Pulverpartikel 2 kontrolliert nur in einem Oberflächenbereich eingeschmolzen werden, wird die Form der einzelnen Pulverpartikel 2 im wesentlichen beibehalten. Die Pulverpartikel können unter Beachtung einer geeigneten Durchsatzmenge so auf den Basiskörper 1 aufgebracht werden, daß sie aneinander anschmelzen, so daß zwischen Basiskörper 1 und den Pulverpartikeln 2 Poren entstehen. Diese Poren ergeben sich insbesondere dann, wenn Pulverfraktionen mit Partikeln mit relativ großem Partikeldurchmesser verwendet werden.
Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung entsprechend der Figur 1 mit einer dreilagigen Schicht, d.h. die Pulverpartikel sind übereinandergeschichtet. Da die einzelnen Pulverpartikel nur oberflächlich vor dem Auftreffen auf den Basiskörper 1 bzw. die jeweils darunter liegenden Pulverpartikel 2 angeschmolzen werden, behalten sie im wesentlichen ihre Form, so daß sich zwischen den einzelnen Pulverpartikeln 2 definierte Poren 3 bilden. Diese Porenstruktur kann durch den jeweiligen Grad des Anschmelzens einerseits, die Pulverpartikelgrößenverteilung andererseits, die unmittelbar insbesondere während eines Vakuum-Hochfrequenzplasmaspritzverfahrens geändert werden können, darüber hinaus über den in der Plasmaspritzanlage eingestellten Druck und die Leistung, mit der die Anlage betrieben wird, eingestellt bzw. beeinflußt werden. So ist es möglich, während des Plasmaspritzens den Anteil an feinem Pulver, mit geringem Durchmesser, zu erhöhen, so daß sich die Poren schließen, während für eine stärkere Porosität die Pulver mit größeren Radius hin geändert werden. Weiterhin kann der Grad des Anschmelzens der Oberfläche heraufgesetzt werden, so daß die einzelnen Pulverpartikel stärker miteinander verschmelzen, so daß im Gegensatz zu einer offenen Porosität die einzelnen Poren geschlossen werden. Bevorzugt wird die Porosität graduell von der Basisschicht 1 ausgehend zu der Außenseite hin erhöht, so daß zum einen im Bereich des Basiskörpers eine hohe Festigkeit erreicht werden kann.
Wie eingangs erläutert ist, sollte ein besonders geeignetes Ausgangspulver der Vorschrift Δdda max < 0,35 genügen; die Zusammenhänge zwischen da max, Δd, dmin (minimaler Partikeldurchmesser d) und dmax (maximaler Partikeldurchmesser d) sind in Figur 6 dargestellt, und zwar in Abhängigkeit des prozentualen Anteils der jeweiligen Pulverpartikeldurchmesser, die in einem Ausgangspulver vorhanden sind.
Figur 3 zeigt einen Strukturaufbau entsprechend Figur 2, allerdings mit zwei zusätzlichen, V-förmigen Nuten 4, die in der Oberfläche des Basiskörpers 1 ausgebildet sind. Diese Nuten 4 bilden Kapillare unterhalb der porösen Schicht; sie sind vollständig durch die Pulverpartikel 2 abgedeckt. Da die Öffnungsweite der Nuten 4 geringer ist als die Partikeldurchmesser der unteren Schicht, werden die Nuten nicht verschlossen, d.h. deren freier Querschnitt wird vollständig erhalten.
Figur 4 zeigt ein 8 mm Edelstahlblech, das mittels des Hochfrequenzsplasmaspritzens hergestellt wurde. Aufgespritzt wurde ein Pulver aus einer Nickel-Basis-Legierung in einer Korngröße von -160 + 125 µm. Die Schichtdicke beträgt ca. 500 µm. Die Beschichtung wurde bei einem Druck zwischen 100 und 200 mbar (bei einem Abstand von 320 mm) durchgeführt. Die elektrische Leistung betrugt zwischen 15 - 20 kW. Als Plasmagase wurden Argon und Wasserstoff in einer Gesamtmenge von 140 SLPM eingesetzt.
Figur 5 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Oberflächenschicht des in Figur 4 gezeigten Bauteils in einer 30-fachen Vergrößerung. Anhand dieser Aufnahme ist deutlich zu erkennen, daß die Strukturierung der Schicht, insbesondere der Oberfläche, dadurch geschieht, daß die Partikel oberflächlich angeschmolzen werden und durch den Grad des Anschmelzens die Gestalt des ursprünglichen, kugelförmigen Partikels weitgehend beibehalten wurde. Der Anteil an schmelzflüssigem Material verbindet die Partikel miteinander und stärkt den Schichtzusammenhalt. Eine solche strukturierte Schicht, insbesondere Oberfläche, begünstigt den Wärme- und Stofftransport.

Claims (34)

  1. Bauteil zum Stoff- und Wärmetransport mit einem Basiskörper und mit einer einen Stoff- und Wärmetransport unterstützenden Schicht auf mindestens einer Bauteilfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch ein Vakuumplasmaspritzverfahren erzeugt ist, wobei Pulverpartikel zur Erzeugung einer Porenstruktur oberflächlich angeschmolzen sind und durch den Grad des Anschmelzens der Anteil an offenen und geschlossenen Poren eingestellt ist.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiskörper auf seiner Beschichtungsfläche mit Vertiefungen strukturiert ist, wobei die Vertiefungen gegenüberliegende Flächen umfassen, die so zueinander geneigt sind, daß sich deren Flächennormalen schneiden.
  3. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen im Querschnitt V-förmig sind.
  4. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen einen konkaven Querschnitt aufweisen.
  5. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiskörper als Halbschale ausgebildet ist, wobei die konkave Fläche eine Beschichtungsoberfläche bildet.
  6. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß teilweise geschlossene Poren gebildet sind, die zum Basiskörper hin geschlossener sind.
  7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung der Dicke der Schicht gesehen die eine Hälfte der Schicht geschlossenporig ist und die andere Hälfte der Schicht offenporig ist.
  8. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität über die Dicke der Schicht gesehen einen Gradienten aufweist.
  9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Porosität derart ändert, daß das Verhältnis des gesamten Hohlvolumenanteils zum Gesamtvolumen der Schicht 0 bis 80% beträgt.
  10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des gesamten Hohlvolumenanteils zum Gesamtvolumen der Schicht 10 bis 50% beträgt.
  11. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Basiskörper eine im wesentlichen dichte Grundschicht aufgebracht ist, die keine Porosität besitzt.
  12. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch ein Hochfrequenzvakuumplasmaspritzverfahren, erzeugt ist.
  13. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Beschichtung 10 µm bis 2000 µm beträgt.
  14. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen mindestens eine Nut in Stoff- und Wärmetransportrichtung verlaufend umfassen, die durch die Pulverpartikel unter Erhaltung der Querschnittsform der Nut abgedeckt ist.
  15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut V-förmig ist.
  16. Bauteil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut eine Öffnungsbreite aufweist, die kleiner ist als der mittlere Partikeldurchmesser des Pulvers der darauf aufgebrachten Schicht.
  17. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut in dem Basiskörper eingefräst ist.
  18. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut in dem Basiskörper geätzt ist.
  19. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverdurchsatzmenge im Bereich von 4 bis 100 g/min, vorzugsweise von 10 bis 50 g/min, liegt.
  20. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch mindestens eine Schicht aus Pulverpartikeln gebildet ist, derart, daß die Schicht eine Dicke aufweist, die etwa dem Durchmesser der Pulverpartikel entspricht.
  21. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelgröße des Ausgangspulvers im Bereich von 10 µm bis 800 µm, vorzugsweise zwischen 100 µm und 250 µm, liegt.
  22. Bauteil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pulverfraktion eingesetzt ist, die Partikel in einem Durchmesserbereich zwischen einem minimalen Partikeldurchmesser dmin und einem maximalen Partikeldurchmesser dmax umfaßt, die folgender Vorschrift genügt: Δdda max < 0,35 wobei da max den Pulverpartikeldurchmesser angibt, der in der genannten Pulverfraktion den größten Anteil bildet, und wobei Δd die Schwankungsbreite der Partikeldurchmesser um diesen Partikeldurchmesser darstellt.
  23. Bauteil nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß näherungsweise da max = dmin + dmax 2 gilt.
  24. Bauteil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der zumindest teilweise offenen Porenstruktur die Oberflächenschicht der Partikel angeschmolzen ist, wobei der Grad des Anschmelzens m folgender Vorschrift genügt: m = d - ds *d wobei
    d: Partikeldurchmesser
    ds*: verbleibender fester Kern
       mit 5% < m < 60%.
  25. Bauteil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der zumindest teilweise geschlossenen Porenstruktur die Oberflächenschicht der Partikel angeschmolzen ist, wobei der Grad des Anschmelzens m folgender Vorschrift genügt: m = d - ds * d wobei
    d: Partikeldurchmesser
    ds*: verbleibender fester Kern
       mit 10% < m ≤ 100%.
  26. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver aus Metallen und/oder Metallegierungen gebildet ist.
  27. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf die aus dem Metallpulver und/oder die Metallpulverlegierung aufgebaute Schicht eine aus Keramikpulver gebildete Überzugsschicht aufgebracht ist.
  28. Bauteil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der zumindest teilweise offenen Porenstruktur Partikel in den Fraktionsbereich 0,7 ≤ dmin dmax < 1 eingesetzt sind.
  29. Bauteil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der geschlossenen Porenstruktur Partikel in den Fraktionsbereich dmin dmax < 0,7
  30. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zum Stoff- und Wärmetransport unter Bereitstellung eines Basiskörpers, wobei auf den Basiskörper eine einen Stoff- und Wärmetransport unterstützende Schicht aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch ein Vakuumplasmaspritzverfahren erzeugt wird, wobei die Pulverpartikel zur Erzeugung einer Porenstruktur oberflächlich angeschmolzen sind und durch den Grad des Anschmelzens der Anteil an offenen und geschlossenen Poren eingestellt ist.
  31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuumhochfrequenzplasmaspritzverfahren eingesetzt wird.
  32. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Spritzen unter einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere einer Argonatmosphäre, erfolgt.
  33. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reduktionsmittel, insbesondere Wasserstoff, der Schutzgasatmosphäre zugegeben wird.
  34. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß während des Plasmaspritzens ein Druck von 5 · 103 bis 3 · 104 Pa und eine Leistung von 5 bis 50 kW eingestellt werden, um eine offene Porenstruktur zu erzeugen.
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