EP1220584A1 - Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrates mit einem Plasmabrenner - Google Patents

Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrates mit einem Plasmabrenner Download PDF

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EP1220584A1
EP1220584A1 EP01710061A EP01710061A EP1220584A1 EP 1220584 A1 EP1220584 A1 EP 1220584A1 EP 01710061 A EP01710061 A EP 01710061A EP 01710061 A EP01710061 A EP 01710061A EP 1220584 A1 EP1220584 A1 EP 1220584A1
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EP
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plasma
laser beam
laser
cathode
gas
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Withdrawn
Application number
EP01710061A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Dr Ing. Nowotny
Roman Dipl.-Ing. Zieris
Tobias Dipl.-Ing. Naumann
Gerhard Dr. Ing. Eckart
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • 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 or liquid

Definitions

  • the invention relates to a device for coating a substrate with a plasma torch the preamble of claim 1.
  • powdered Additional material can be used. It is between a cathode or a cathode arrangement and preferably an annular anode an arc ignited and with a gas supplied generates a plasma that is in the plasma or in the correspondingly accelerated plasma gas supplied powdered Additional material melts and in the direction on the surface of the substrate that is coated should be accelerated. After hitting and cooling, the desired surface can then be used Coating are formed.
  • a corresponding plasma torch in which a cathode arrangement, consisting of several pen-shaped Elements arranged around a central axis, is described for example in DE 41 05 407 A1.
  • a cathode arrangement consisting of several pen-shaped Elements arranged around a central axis
  • the heated powdered additive e.g. Metal- or ceramic powder using a carrier gas stream centrally between the rod-shaped individual cathodes in the plasma room, in the plasma with an outside plasma gas supplied from the cathode assembly is trained.
  • the energy required is exclusively about the one required for the formation of the plasma Arc and the kinetic energy of the plasma and / or Carrier gas for the powdery additional material applied.
  • the laser-plasma hybrid spray processes and corresponding devices known, where additional energy with a laser beam is fed.
  • a corresponding procedure is described for example in DE 197 40 205 A1.
  • the laser beam is generally used from the outside in a more or less oblique inclined angle with respect to the longitudinal axis of the plasma jet on the surface to be coated Substrate directed, depending on the desired intensity the size of the focal spot on the surface can be set more or less large.
  • the energy supplied with the laser beam can, however not just to train the melt on the Utilized surface of additional material but it may also be for one required preheating of the substrate surface and / or for influencing the temperature regime at Solidification of the melt for the specific formation of certain Microstructures and microstructures are used.
  • the corresponding device consisting of plasma torch and laser elements, either stationary must be and for the formation of the coating on substrates, these substrates moved accordingly have to be lasered or in a complex manner
  • Plasma beam with the corresponding elements have to be moved synchronously, in which case the movement is not easily in any direction, i.e. occur simultaneously in the x and y axes can.
  • this object is achieved with a device having the features of claim 1 achieved.
  • Advantageous designs and further training of the invention can with the in the subordinate Features mentioned achieved become.
  • the device according to the invention uses the elements known in the art for a Plasma torch, with the powdery additional material warmed, melted and towards the accelerating coating surface of the substrate can be.
  • the essential elements for this are a cathode or an arrangement of several individual cathodes and an annular one spaced therefrom Anode, between which supplied with an arc Plasma gas a plasma can be generated.
  • the cathode should either be a ring cathode or as an arrangement of several cathodes that run around a longitudinal axis A are arranged, are formed and the Laser beam through the ring cathode or between the individual cathodes of the cathode arrangement through the generated plasma and the annular anode on the Substrate surface are directed, the laser beam is aligned coaxially to the longitudinal axis A.
  • cathode arrangement In the case of one formed from several individual cathodes These individual cathodes are preferred for the cathode arrangement symmetrical about the longitudinal axis A, i.e. in if possible equal angular distances from each other and in equidistant from the longitudinal axis A.
  • the plasma gas is used in a plasma room for training of the plasma and to accelerate the powdery Additional material in the direction of the substrate surface with increased speed compared to known solutions supplied, the supplied powdered Additional material not only towards the Accelerated substrate surface, but by the Plasma energy is already being heated.
  • the energy of the Laser beam is added and is used for Training and maintaining one essentially made of additional material melt pool the substrate surface, so that the laser energy already heated additional material, as a second form of energy can additionally heat, so that the coating effectiveness, especially by shortening the Coating time, can be increased.
  • the central axis of the laser beam should be parallel to the Longitudinal axis A, which is essentially through the cathode, Cathode arrangement and the annular anode specified is aligned in parallel. Should be preferred the longitudinal axis A and the central axis of the laser beam be identical.
  • Solid-state lasers or diode lasers are particularly suitable as laser light sources for generating the laser beam.
  • CO 2 lasers can also be used.
  • These laser light sources emit laser light in one Wavelength range from the plasma or plasma gas is only slightly absorbed from. It follows, that the laser energy for the most part from the supplied powdery additional material and from the substrate surface absorbed and correspondingly effective can be used.
  • laser light sources and plasma gas should be like this selected that the respective wavelength of the Laser light is not or only partially absorbed by the plasma becomes.
  • the plasma gas can be a pure gas, e.g. Helium, but also a gas mixture, e.g. a helium-containing one Be gas mixture.
  • the laser beam can have appropriate optical elements directly through a ring cathode or through a corresponding arrangement of several individual cathodes, the plasma space and the annular anode on the Surface of the substrate are directed.
  • Such a focusing element or a correspondingly designed laser optics can advantageously be set or selected such that the focus of the laser beam is formed in the area of the ring-shaped cathode or the cathode arrangement and, moreover, it is ensured that the laser beam widening in the direction of the substrate is non-contact through the ring-shaped anode is directed to the substrate surface.
  • the position of the focus and, consequently, the size of the focal spot can be influenced within limits.
  • the feeding of the powdery additional material in the correspondingly heated and accelerated plasma gas can be done in different forms. So there is once the opportunity for such a feeder powdery additional material following the to arrange annular anode so that it is between annular anode and substrate surface in the Plasma gas jet is introduced. This prevents especially with small free cross sections such a ring-shaped anode that has already melted Precipitate powder particles on the anode wall and clogging of the annular anode can easily be prevented.
  • the selection and arrangement of the feeder for powder Additional material can be considered of the additional material used, where two on a device according to the invention appropriately arranged and trained feeders may be present for powdery additional material, which are used alternatively, but also together can.
  • the supply for the required plasma gas in the Plasma space of a device according to the invention can take place in a manner known from the prior art, however, higher flow rates (200 up to 500 m / s) and volume flows (40 to 80 l / min) possible are.
  • the device according to the invention stands out the known solutions compared to the beginning mentioned hybrid method, in particular by the Interaction between the additional material and the Laser beam not only on the substrate surface done, from.
  • the interaction time between the powdery additional material and the Laser beam increases and energy losses are reduced become.
  • the part of the laser energy that is not powdery Additional material absorbed, reflected and has been spread almost entirely by absorbed by the substrate surface and consequently with increased efficiency can be used.
  • plasma with powder Additional material can be used in addition to the melting rate also the order rate compared to conventional solutions, like the well-known hybrid process many times over be increased.
  • the entire device can be easily in various Directions across the surface of the substrate moves and the coating according to the movement be trained.
  • With the plasma torch switched off can be a locally targeted heat treatment alone with the laser beam on the substrate surface or the coating.
  • FIG. 1 of an inventive Device starts from a plasma torch, as described in essential points in DE 41 05 407 A1 is.
  • the laser beam 1 is from the laser light source 4, here a conventional solid-state laser through a focusing laser optics 5 in the actual plasma torch blasted.
  • the laser optics 5 focuses the Laser beam 1 so that the focus is between each Cathodes 2 'is arranged.
  • the ring-shaped anode 3, which is also connected to the electrical power supply is connected at the exit of the plasma room 9 towards coating substrate 8.
  • the inner one is free Cross section of the annular anode 3 selected so that the laser beam 1 without contact on the surface of the substrate 8 can be directed.
  • the plasma can flow through the plasma gas with the, also in a form not shown, fed Additional material towards the surface accelerates the substrate 8 and as in the introductory Part of the description already mentioned, heated and be melted.
  • the combination works of plasma energy and energy of the laser beam 1 advantageous.
  • To form the arc to generate the Plasmas can be attached to the ring-shaped anode 3 and the individual Cathode 2 'a voltage of about 60 V is applied and a current with a current of 580 A. to be used.
  • a gas mixture for example, can exist as the plasma gas from argon and hydrogen, which in proportion of 40 1 argon and 5 1 hydrogen per minute in the Plasma room 9 will be introduced.
  • a self-flowing metal alloy which supplied with a mass flow of 30 g / min will be used.
  • the feeding of the powdery additional material can, as in the general part of the description, immediately into the plasma space 9, i.e. coaxial to the plasma and laser beam 1, but also radially from the outside, outside the plasma torch, i.e. after the plasma gas has left the annular anode 3, supplied be, in which case the feed in different Angles are made with respect to the longitudinal axis A. can.
  • Figure 2 of an inventive Device differs from the example according to Figure 1 essentially by using a one-piece ring cathode 2 through which the laser beam 1 on the surface of the to be coated Substrate 8 can be directed.
  • the center axis is correct of the laser beam 1 and the longitudinal axis A coincide.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrates mit einem Plasmabrenner und mit dem Plasmabrenner soll pulverförmiges Zusatzmaterial mit im Plasmabrenner erzeugten Plasmagas und einem zusätzlichen Laserstrahl erwärmt, aufgeschmolzen und in Richtung auf die Oberfläche eines Substrates beschleunigt werden. Im Plasmabrenner ist eine Ringkathode oder es sind mehrere einzelne Kathoden um eine Längsachse angeordnet. In einen Plasmaraum, der zwischen der einen Ringkathode oder den mehreren Kathoden und einer ringförmigen Anode angeordnet ist, wird Gas zugeführt. Mit der Erfindung sollen die Beschichtung mit höherer Geschwindigkeit bzw. Auftragsrate, bei gegenüber herkömmlichen Lösung gleicher bzw. erhöhter Qualität ausgebildet werden können und die Richtungsunabhängigkeit für die Ausbildung der Beschichtung gewährleistet werden. Diese Aufgabe wird im Wesentlichen dadurch gelöst, dass der Laserstrahl durch die eine Ringkathode oder zwischen mehreren um die Längsachse des Plasmabrenners angeordnete Kathoden und die ringförmig ausgebildete Anode koaxial zur Längsachse A auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrates mit einem Plasmabrenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, die unterschiedlichsten Substrate mit einer Oberflächenbeschichtung zu versehen, wobei pulverförmiges Zusatzmaterial eingesetzt werden kann. Dabei wird zwischen einer Kathode bzw. einer Kathodenanordnung und bevorzugt einer ringförmigen Anode ein Lichtbogen gezündet und mit einem zugeführten Gas ein Plasma erzeugt, das in das Plasma bzw. in das entsprechend beschleunigte Plasmagas zugeführtes pulverförmiges Zusatzmaterial aufschmilzt und in Richtung auf die Oberfläche des Substrates, die beschichtet werden soll, beschleunigt. Nach dem Auftreffen und Erkalten, kann auf der Oberfläche dann die gewünschte Beschichtung ausgebildet werden.
Ein entsprechender Plasmabrenner, bei dem eine Kathodenanordnung, bestehend aus mehreren stiftförmigen Elementen, die um eine Mittenachse angeordnet sind, ist beispielsweise in DE 41 05 407 A1 beschrieben. Dabei ist eine ringförmige Anode am Ausgang des Plasmabrenners angeordnet und durch die Ringöffnung wird das erhitzte pulverförmige Zusatzmaterial, z.B. Metall- oder Keramikpulver mit Hilfe eines Trägergasstromes zentral zwischen den stabförmigen Einzelkathoden in den Plasmaraum, in dem Plasma mit einem außenseitig von der Kathodenanordnung zugeführten Plasmagas ausgebildet ist, zugeführt.
Die erforderliche Energie wird ausschließlich über den für die Ausbildung des Plasmas erforderlichen Lichtbogen und die kinetische Energie des Plasmaund/oder Trägergases für das pulverförmige Zusatzmaterial aufgebracht.
Des weiteren sind die so genannten Laser-Plasma-Hybridspritzverfahren und entsprechende Vorrichtungen bekannt, bei denen zusätzlich Energie mit einem Laserstrahl zugeführt ist. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise in DE 197 40 205 A1 beschrieben. Bei diesem Hybridverfahren wird aber generell der Laserstrahl von außen in einem mehr oder weniger schräg geneigten Winkel in Bezug zur Längsachse des Plasmastrahls auf die zu beschichtende Oberfläche eines Substrates gerichtet, wobei je nach gewünschter Intensität die Größe des Brennfleckes auf der Oberfläche mehr oder weniger groß eingestellt werden kann.
Die mit dem Laserstrahl zugeführte Energie kann aber nicht nur zur Ausbildung der Schmelze des auf die Oberfläche auftreffenden Zusatzmaterials ausgenutzt werden, sondern sie kann auch für eine möglicherweise erforderliche Vorwärmung der Substratoberfläche und/oder für die Beeinflussung des Temperaturregimes beim Erstarren der Schmelze zur gezielten Ausbildung bestimmter Gefüge- und Mikrostrukturen genutzt werden.
Bei den Hybridverfahren ist es aber nachteilig, dass die entsprechende Vorrichtung, bestehend aus Plasmabrenner und Laserelementen, entweder stationär ausgebildet sein muss und für die Ausbildung der Beschichtung auf Substraten, diese Substrate entsprechend bewegt werden müssen oder in aufwendiger Weise Laserund Plasmastrahl mit den entsprechenden Elementen synchron bewegt werden müssen, wobei in diesem Fall die Bewegung nicht ohne weiteres in beliebige Richtungen, d.h. gleichzeitig in x- und y-Achse erfolgen kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung vorzuschlagen, bei der die Beschichtung mit höherer Geschwindigkeit bzw. Auftragsrate, bei gegenüber herkömmlichen Lösungen gleicher bzw. erhöhter Qualität ausgebildet werden kann und mit der die Beschichtung richtungsunabhängig ausgebildet werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung, können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet die aus dem Stand der Technik bekannten Elemente für einen Plasmabrenner, mit dem pulverförmiges Zusatzmaterial erwärmt, aufgeschmolzen und in Richtung auf die zu beschichtende Oberfläche des Substrates beschleunigt werden kann.
Hierfür sind die wesentlichen Elemente eine Kathode oder eine Anordnung aus mehreren einzelnen Kathoden und einer im Abstand dazu angeordneten ringförmigen Anode, zwischen denen mit einem Lichtbogen aus zugeführtem Plasmagas ein Plasma erzeugt werden kann.
Dabei soll die Kathode entweder als Ringkathode oder als Anordnung mehrerer Kathoden, die um eine Längsachse A angeordnet sind, ausgebildet werden und der Laserstrahl durch die Ringkathode oder zwischen den einzelnen Kathoden der Kathodenanordnung durch das erzeugte Plasma und die ringförmige Anode auf die Substratoberfläche gerichtet werden, wobei der Laserstrahl koaxial zur Längsachse A ausgerichtet ist.
Bei einer aus mehreren einzelnen Kathoden gebildeten Kathodenanordnung sind diese einzelnen Kathoden bevorzugt symmetrisch um die Längsachse A, d.h. in möglichst gleichen Winkelabständen voneinander und in gleichen Abständen zur Längsachse A angeordnet.
Das Plasmagas wird in einen Plasmaraum zur Ausbildung des Plasmas und zum Beschleunigen des pulverförmigen Zusatzmaterials in Richtung auf die Substratoberfläche mit gegenüber bekannten Lösungen erhöhter Geschwindigkeit zugeführt, wobei das zugeführte pulverförmige Zusatzmaterial nicht nur in Richtung auf die Substratoberfläche beschleunigt, sondern durch die Plasmaenergie bereits erwärmt wird. Die Energie des Laserstrahls kommt zusätzlich hinzu und dient zur Ausbildung und Aufrechterhaltung eines im Wesentlichen aus Zusatzmaterial bestehenden Schmelzbades auf der Substratoberfläche, so dass die Laserenergie das bereits erwärmte Zusatzmaterial, als zweite Energieform zusätzlich erwärmen kann, so dass die Beschichtungseffektivität, insbesondere durch Verkürzung der Beschichtungszeit, erhöht werden kann.
Dabei kann ohne weiteres bei konstanter Laserleistung und Laserintensität im Brennfleck auf der Substratoberfläche gearbeitet werden.
Die Mittelachse des Laserstrahls sollte parallel zur Längsachse A, die im Wesentlichen durch die Kathode, Kathodenanordnung und die ringförmige Anode vorgegeben ist, parallel ausgerichtet sein. Bevorzugt sollen die Längsachse A und die Mittenachse des Laserstrahls identisch sein.
Zur Erzeugung des Laserstrahls sind insbesondere Festkörperlaser oder Diodenlaser als Laserlichtquellen geeignet. Es können aber auch CO2-Laser eingesetzt werden.
Diese Laserlichtquellen strahlen Laserlicht in einem Wellenlängenbereich, der vom Plasma bzw. Plasmagas nur unwesentlich absorbiert wird, aus. Daraus folgt, dass die Laserenergie zum größten Teil vom zugeführten pulverförmigen Zusatzmaterial und von der Substratoberfläche absorbiert und entsprechend effektiv genutzt werden kann.
Generell sollten Laserlichtquellen und Plasmagas so ausgewählt werden, dass die jeweilige Wellenlänge des Laserlichtes vom Plasma nicht oder nur begrenzt absorbiert wird.
Das Plasmagas kann ein reines Gas, z.B. Helium, aber auch ein Gasgemisch, z.B. eine Helium enthaltende Gasmischung sein.
Der Laserstrahl kann über entsprechende optische Elemente direkt durch eine Ringkathode oder durch eine entsprechende Anordnung mehrerer einzelner Kathoden, den Plasmaraum und die ringförmige Anode auf die Oberfläche des Substrates gerichtet werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, den einen Laserstrahl über mindestens eine Lichtleitfaser oder mehrere Laserstrahlen in die Vorrichtung zu führen, wobei am Austritt des der Lichtleitfaser(n) ein fokussierendes Element angeordnet sein soll.
Ein solches fokussierendes Element oder eine entsprechend ausgebildete Laseroptik können vorteilhaft so eingestellt oder ausgewählt sein, dass der Fokus des Laserstrahls im Bereich der ringförmigen Kathode oder der Kathodenanordnung ausgebildet und außerdem gesichert ist, dass der sich in Richtung des Substrates aufweitende Laserstrahl berührungslos durch die ringförmige Anode auf die Substratoberfläche gerichtet ist. Mit einer entsprechenden Optik kann die Lage des Fokus und demzufolge auch die Größe des Brennfleckes in Grenzen beeinflusst werden.
Die Zuführung des pulverförmigen Zusatzmaterials in das entsprechend erwärmte und beschleunigte Plasmagas kann in unterschiedlicher Form erfolgen. So besteht einmal die Möglichkeit, eine solche Zuführung für pulverförmiges Zusatzmaterial nachfolgend an die ringförmige Anode anzuordnen, so dass es zwischen ringförmiger Anode und Substratoberfläche in den Plasmagasstrahl eingeführt wird. Dies verhindert, insbesondere bei kleinen freien Querschnitten einer solchen ringförmigen Anode, dass sich bereits aufgeschmolzene Pulverteilchen an der Anodenwandung niederschlagen und ein Verstopfen der ringförmigen Anode kann so ohne weiteres verhindert werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Zuführung für das pulverförmige Zusatzmaterial als Ringdüse bzw. Ringlochdüse auszubilden und diese so zu dimensionieren und anzuordnen, dass sie eine außenseitige Pulverzuführung um die Laseroptik und/oder die Kathode bzw. die Kathodenanordnung ermöglicht.
Die Auswahl und Anordnung der Zuführung für pulverförmiges Zusatzmaterial kann unter Berücksichtigung des eingesetzten Zusatzmaterials gewählt werden, wobei an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch zwei entsprechend angeordnete und ausgebildete Zuführungen für pulverförmiges Zusatzmaterial vorhanden sein können, die alternativ, aber auch gemeinsam benutzt werden können.
Die Zuführung für das erforderliche Plasmagas in den Plasmaraum einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auf aus dem Stand der Technik bekannte Art erfolgen, wobei jedoch höhere Strömungsgeschwindigkeiten (200 bis 500 m/s) und Volumenströme (40 bis 80 l/min) möglich sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich gegenüber den bekannten Lösungen, gegenüber den eingangs erwähnten Hybridverfahren, insbesondere durch die Wechselwirkung zwischen dem Zusatzmaterial und dem Laserstrahl, die nicht erst auf der Substratoberfläche erfolgt, aus.
Vorteilhafterweise können die Wechselwirkungsdauer zwischen dem pulverförmigen Zusatzmaterial und dem Laserstrahl erhöht und Energieverluste verringert werden. Der Teil der Laserenergie, der nicht vom pulverförmigen Zusatzmaterial absorbiert, reflektiert und gestreut worden ist, kann nahezu vollständig von der Substratoberfläche absorbiert und demzufolge mit erhöhtem Wirkungsgrad genutzt werden.
Durch die Möglichkeit der orthogonalen Ausrichtung von Plasma- und Laserstrahl auf die zu beschichtende Substratoberfläche, können Abbildungsverzerrungen des Laserstrahls auf der Substratoberfläche vermieden und eine gleichmäßige Intensität im Brennfleck eingehalten werden.
Durch den erhöhten Wirkungsgrad und die günstigere Wechselwirkung von Laserlicht, Plasma mit pulverförmigem Zusatzmaterial kann neben der Abschmelzleistung auch die Auftragsrate gegenüber herkömmlichen Lösungen, wie den bekannten Hybridverfahren um ein mehrfaches gesteigert werden.
Die gesamte Vorrichtung kann einfach in verschiedensten Richtungen über die Oberfläche des Substrates bewegt und die Beschichtung entsprechend der Bewegung dabei ausgebildet werden. Bei ausgeschaltetem Plasmabrenner kann eine lokal gezielte Wärmebehandlung allein mit dem Laserstrahl an der Substratoberfläche bzw. der Beschichtung durchgeführt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrieben werden.
Dabei zeigen:
Figur 1
ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer aus mehreren einzelnen Kathoden gebildeten Kathodenanordnung und
Figur 2
ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer ringförmig ausgebildeten Kathode.
Das in Figur 1 gezeigte Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geht von einem Plasmabrenner aus, wie er in wesentlichen Punkten in DE 41 05 407 A1 beschrieben ist. Dabei sind mehrere stabförmige einzelne Kathoden 2' in einem Isolierkörper 7 aufgenommen, die in nicht dargestellter Weise an der Elektroenergieversorgung angeschlossen sind. Die einzelnen Kathoden 2' sind symmetrisch um die Längsachse A angeordnet.
Zwischen den stabförmigen Kathoden 2' ist im Isolierkörper 7 eine Öffnung, durch die der Laserstrahl 1 geführt werden kann, ausgebildet, die bei diesem Beispiel nach außen mit einem transparenten Fenster 6 abgeschlossen ist.
Es besteht aber auch in nicht dargestellter Form, die Möglichkeit den Isolierkörper 7, zumindest in seinem zentralen Bereich, zwischen den einzelnen Kathoden 2' transparent für den Laserstrahl auszubilden.
Der Laserstrahl 1 wird von der Laserlichtquelle 4, hier einem herkömmlichen Festkörperlaser durch eine fokussierende Laseroptik 5 in den eigentlichen Plasmabrenner gestrahlt. Die Laseroptik 5 fokussiert den Laserstrahl 1 so, dass der Fokus zwischen den einzelnen Kathoden 2' angeordnet ist.
Die ringförmige Anode 3, die ebenfalls an die Elektroenergieversorgung angeschlossen ist, befindet sich am Ausgang des Plasmaraumes 9 in Richtung auf das zu beschichtende Substrat 8. Dabei ist der innere freie Querschnitt der ringförmigen Anode 3 so gewählt, dass der Laserstrahl 1 berührungslos auf die Oberfläche des Substrates 8 gerichtet werden kann.
In nicht dargestellter Form kann das Plasmagas von den äußeren Rändern des Isolierkörpers 7 ausgehend, in den Plasmaraum 9 einströmen und mit dem Lichtbogen, der zwischen der ringförmigen Anode 3 und den einzelnen Kathoden 2' brennt, das Plasma erzeugt werden. Durch nachströmendes Plasmagas kann das Plasma mit dem, ebenfalls in nicht dargestellter Form, zugeführten Zusatzmaterial in Richtung auf die Oberfläche des Substrates 8 beschleunigt und wie im einleitenden Teil der Beschreibung bereits erwähnt, erwärmt und aufgeschmolzen werden. Dabei wirkt sich die Kombination von Plasmaenergie und Energie des Laserstrahls 1 vorteilhaft aus.
Zur Ausbildung des Lichtbogens zur Erzeugung des Plasmas, kann an die ringförmige Anode 3 und die einzelnen Kathoden 2' eine Spannung von ca. 60 V angelegt und ein Strom mit einer Stromstärke von 580 A benutzt werden.
Als Plasmagas kann beispielsweise ein Gasgemisch, bestehend aus Argon und Wasserstoff, die im Verhältnis von 40 1 Argon und 5 1 Wasserstoff pro Minute in den Plasmaraum 9 eingeführt werden.
Als Zusatzmaterial kann eine selbstfließende Metalllegierung, die mit einem Massestrom von 30 g/min zugeführt wird, eingesetzt werden.
Die Zuführung des pulverförmigen Zusatzmaterials kann, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung unmittelbar in den Plasmaraum 9, also koaxial zu dem Plasma- und Laserstrahl 1, aber auch radial von außen, außerhalb des Plasmabrenners, d.h. nachdem das Plasmagas die ringförmige Anode 3 verlassen hat, zugeführt werden, wobei dann die Zuführung in unterschiedlichsten Winkeln in Bezug zur Längsachse A erfolgen kann.
Das in Figur 2 gezeigte Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unterscheidet sich vom Beispiel nach Figur 1 im Wesentlichen durch die Verwendung einer einteiligen Ringkathode 2, durch die der Laserstrahl 1 auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrates 8 gerichtet werden kann.
Bei beiden gezeigten Beispielen stimmen die Mittenachse des Laserstrahls 1 und die Längsachse A überein.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrates mit einem Plasmabrenner, bei der ein pulverförmiges Zusatzmaterial mit dem im Plasmabrenner erzeugten Plasmagas und einem Laserstrahl erwärmt, aufgeschmolzen und in Richtung auf die Oberfläche des Substrates beschleunigt wird;
    wobei im Plasmabrenner eine Ringkathode oder mehrere einzelne Kathoden um eine Längsachse (A) angeordnet ist/sind;
    Gas in einen Plasmaraum zwischen der/den Kathode(n) und einer ringförmigen Anode zuführbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) durch eine Ringkathode (2) oder zwischen mehreren um die Längsachse (A) angeordnete Kathoden (2') und die ringförmig ausgebildete Anode (3) koaxial zur Längsachse (A) auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse des Laserstrahls (1) und die Längsachse (A) parallel zueinander ausgerichtet sind und/oder auf einer gemeinsamen Achse liegen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserlichtquelle (4) zur Erzeugung des Laserstrahls (1) ein Festkörperlaser oder ein Diodenlaser ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) eine Wellenlänge aufweist, die vom Plasma nicht absorbiert wird.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmagas ein ein Plasma bildendes Gas oder Gasgemisch ist, das für die Wellenlänge des Laserlichtes transparent ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmagas Helium oder ein Helium enthaltendes Gasgemisch ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) von der Laserlichtquelle (4) über mindestens eine Lichtleitfaser in die Vorrichtung geführt ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Laseroptik (5) so eingestellt oder ausgewählt ist, dass der Fokus des Laserstrahls (1) im Bereich der Kathode(n) (2, 2') ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung für pulverförmiges Zusatzmaterial nachfolgend an die ringförmige Anode (3) in Richtung auf das zu beschichtende Substrat (8) angeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführung für eine koaxiale Einführung des pulverförmigen Zusatzmaterials, als Ringdüse, die die Laseroptik (5) oder die Kathode(n) (2, 2') umschließt, ausgebildet ist.
EP01710061A 2000-12-21 2001-12-21 Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrates mit einem Plasmabrenner Withdrawn EP1220584A1 (de)

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