EP1603684A1 - Niedertemperatur hochgeschwindigkeits-flammspritzsystem - Google Patents

Niedertemperatur hochgeschwindigkeits-flammspritzsystem

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Publication number
EP1603684A1
EP1603684A1 EP03778244A EP03778244A EP1603684A1 EP 1603684 A1 EP1603684 A1 EP 1603684A1 EP 03778244 A EP03778244 A EP 03778244A EP 03778244 A EP03778244 A EP 03778244A EP 1603684 A1 EP1603684 A1 EP 1603684A1
Authority
EP
European Patent Office
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chamber
low
combustion chamber
temperature
speed flame
Prior art date
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Application number
EP03778244A
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English (en)
French (fr)
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EP1603684B1 (de
Inventor
Erwin Dieter Hühne
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Ibeda Sicherheitsgeraete und Gastechnik & Co GmbH
Original Assignee
Huehne Erwin Dieter
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10253794A external-priority patent/DE10253794B4/de
Application filed by Huehne Erwin Dieter filed Critical Huehne Erwin Dieter
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Publication of EP1603684B1 publication Critical patent/EP1603684B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/02—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by spraying
    • B05D1/08—Flame spraying
    • B05D1/10—Applying particulate materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • B05B7/20—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed by flame or combustion
    • B05B7/201—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed by flame or combustion downstream of the nozzle
    • B05B7/205—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed by flame or combustion downstream of the nozzle the material to be sprayed being originally a particulate material
    • 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
    • C23C4/129—Flame spraying

Definitions

  • the invention relates to low-temperature high-speed flame spraying systems for thermal spraying of powdery materials and an additional device for plasma torches for low-temperature high-speed spraying with the features of the preambles of claims 1, 2 and 11.
  • DE 199 05 811 AI discloses a high-speed flame spray gun for the thermal spraying of rod, wire and / or powdery spray additives with a connection for introducing operating media from gaseous and liquid fuels and a combustion chamber with expansion nozzle.
  • Noble gases such as argon, helium and the like a., as non-combustible gases can be mixed into the combustion chamber and create the possibility of optimally coordinating the physical and chemical properties of the high-energy hypersonic gas jet with the respective spray additive.
  • highly reactive spray additives such as. B. pure nickel or super alloys such as z. B. can be used advantageously when coating aircraft engine parts, found in the spray layers much lower levels of oxygen.
  • an electrical high-energy arc is ignited between a thoriated tungsten electrode (tungsten cathode) and a constricting copper nozzle as the anode.
  • the gas, nitrogen, hydrogen, argon, helium and their mixtures which flows in a space between the cathode and anode, is heated to a very high temperature, so that monatomic gases partially ionize, diatomic gases dissociate and partially ionize and form a plasma jet.
  • Injection additives which by means of a carrier gas, such as. B.
  • Ar, N 2 or the like are blown radially into the highly heated gas mixture of the plasma jet from one or more powder injectors connected downstream of the anode, adhere essentially mechanical anchoring on the by roughening, e.g. B. sandblasting, prepared base material.
  • the spray devices used are preferably direct-current plasma spray burners operated with nitrogen-hydrogen mixtures and having a “non-transmitted arc” at a power of approximately 30 to 100 kW.
  • Metallic, ceramic and metal-ceramic powder types which are not sprayed with the previously customary flame or arc spraying are preferably sprayed or could only be processed to a limited extent.
  • Plasma sprayed coatings expand the economic use of metal spraying and, in terms of their homogeneity, exceed the technical and physical properties of conventional spray coatings. Due to the high gas jet temperature of the plasma jet emerging from the end face of the plasma torch, into which spray additive materials are introduced, there is a more or less strong surface oxidation of the individual melt plastic and / or molten spray particles, depending on the chemical composition of the grain shape, the particle structure and size on. After the spray particles hit the substrate surface, these oxides cause reduced interparticle adhesion. The chemical and physical properties of a spray coating with high oxide contents are not suitable for special applications in coating technology.
  • the object of the invention is to provide improved and cost-effective low-temperature high-speed flame spraying systems which enable the processing of oxidation-sensitive, non-ductile spray additive materials with melting temperatures> 800 ° C. but also with low melting temperatures and at the same time practically oxidize the active substances during their flight phase prevented.
  • Another object of the invention is to provide low-temperature, high-speed flame spraying systems which offer retrofit prospects for the previous users of HVOF technology in order to upgrade existing, state-of-the-art HVOF burner systems or plasma powder spray guns.
  • an additional mixing chamber with an injection system with a downstream expansion nozzle is added to the combustion chamber of known HVOF combustion systems for operation with gaseous and / or liquid fuels in connection with oxidizing gases, for spraying powdered spray additive materials, in which in controllable quantities and with selectable inflow pressure , through a plurality of radially and / or axially arranged in the flow direction of the injection system non-combustible gases (e.g.
  • Teflon, Halar, and novel spray filler materials such as metallic, carbide and / or oxide ceramic, powdery materials with proportions of fluorine-containing plastics from> 5% -> 30% by weight, the processing of a precisely adjustable temperature of z. B. approx. 430 ° C, can also be processed according to the invention because the gas jet temperature can be set exactly to the required process temperature, without causing a decomposition process by overheating the fluorine-containing plastics and thereby forming toxic, neurotic gases would and the specific, technically physical properties of the fluorine-containing plastics would be lost.
  • the addition of the non-combustible gases and / or water into the mixing chamber in no way affects the combustion in the upstream combustion chamber, so that the combustion in the combustion chamber is not restricted by the admixture of the non-combustible gases into the mixing chamber.
  • the gas jet flowing from the mixing chamber into the downstream, optionally cylindrical, conical and / or laval nozzle-shaped, reduced to its target temperature is injected from at least two radial injectors or at an angle between approximately 45 ° and 90 ° of the mixing chamber outlet with the corresponding injectors powdery spray additive charged, which is heated to its temperature in the gas jet, accelerated and shot onto the substrate surface with the kinetic energy of the gas jet.
  • the "Low Temperature Hyperkinetics" HVOF burner according to the invention is designed with regard to material, functional components and its dimensions such that sufficient operational reliability of the burner system at sufficiently high inflow pressures of the gaseous and / or liquid fuels to protect against backflow, such as non-combustible cooling gases, between about 5 -
  • the low-temperature high-speed flame spraying system enables retrofitting or modification of HVOF burner systems corresponding to the state of the art by retrofitting a mixing chamber with e.g. radial injection and admixture of non-combustible gases and / or water to lower the high temperature of the hypersonic gas jet which flows out of the combustion chamber (primary chamber) through the retrofitted mixing chamber.
  • the advantage of the coating technology according to the invention lies inter alia. is based on the fact that practically all powdered spray additives in the melting point range 100 - 2000 ° C can be processed.
  • the controllable selection of the mixing ratios between gaseous or liquid fuels with oxidizing gases allows the hypersonic HVOF flame to be set to be under, over or stoichiometric as required become.
  • the low-temperature, high-speed flame spraying system according to the invention is preferably controlled by a so-called "mass flow meter", so that with increasing back pressure in the combustion chamber due to expanding coolant additions after the outlet opening of the combustion chamber, the flow rate of the gaseous or liquid fuels with oxidation gases is at a previously set value can be held. Malfunctions in the control are indicated acoustically and / or optically by the mass flow meter.
  • an HVOF combustion system with at least one injector through which preferably finely atomized demineralized water can be fed separately into the combustion chamber.
  • the combustion temperature could be lowered arbitrarily with tested fuel-oxygen combinations without the flame in the combustion chamber going out.
  • the cooled, regulated gas jet emerging from the combustion chamber is fed with spray powder from one or more radial powder injectors downstream of the combustion chamber and is injected with very high kinetic energy at a low spray particle temperature onto the surface to be coated, on which there is an optimally adhering surface , dense, oxide-free spray coating made of special powder with a very high degree of purity made of copper, aluminum, zinc and stainless steel (316L) in the Grain size range less than 25 ⁇ and greater than 5 ⁇ m.
  • the inflow pressures of the finely atomized water are preferably between about 3-> 15 bar.
  • HVOF Standard TopGun burners with centric powder feed from the rear connection flange through the center of the gas mixing block carrier, the gas mixing block and the combustion chamber into the water-cooled expansion nozzle and exiting at the end as in the prior art can be converted easily according to the invention, namely by replacing the central wear protection insert in the gas mixing block with a water injector Convertible with at least one or more diverging injection nozzle bores and exchange of the combustion chamber with a subsequent expansion nozzle, intermediate and outer screw sleeve of the prior art against the components according to the invention for radial powder injection with one or more powder injectors for the low-temperature HVOF coating system.
  • the injector of the finely atomized water is provided with at least one fine atomizer nozzle bore arranged axially or focusing in the mouth area to the combustion chamber.
  • At least one metal seal is provided between the housing of the combustion chamber and preferably an end face of a mixing block of the HVOF combustion system.
  • an additional device is arranged downstream, for low-temperature, high-speed spraying of powdery spraying additive materials, to a plasma torch corresponding to the prior art, which comprises a chamber, e.g. B. as a mixing or cooling chamber, an injection system for water or non-combustible gases into the chamber, injectors for powdered spray additives and an expansion nozzle downstream of the chamber.
  • the additional device according to the invention is flexible and inexpensive to adapt to practically all known plasma torches, with radial or central feed device, for thermal spraying of powdery materials.
  • the assembly of the additional device according to the invention with known plasma torches enables the spraying of highly reactive powdery spraying additive materials in a “hyperkinetic low-temperature, high-speed plasma gas jet, and thereby produces spray layer qualities with extremely low oxygen retention and excellent bonding (adhesion) to the substrate surface, with excellent density of the spray layer and optimal Interparticle adhesion, as was previously only possible with vacuum plasma spraying.
  • the plasma jet temperature is arbitrary, adjustable lowerable outside the plasma torch without lowering the preset performance data and values, such as. B. ignition voltage, current and plasma gas quantities with a simultaneous increase in the plasma gas jet speed up to> 1000 m / sec.
  • the plasma coating technology according to the invention can be used in the aerospace industry, for coating turbine blades of gas turbines, in the chemical industry, in paper factories, in the printing machine industry and others.
  • the plasma coating technology according to the invention is applicable in the field of modern medical technology, for. B. for coating applications such as implants made of titanium and. or stainless steel and other substrates.
  • a front plate with a central outlet bore is provided, from which the high-energy plasma jet emerges and into the cylindrical annular space (cooling space) of the additional device according to the invention eimündet.
  • At least one interchangeable injector of the injection system is provided, through which finely atomized, demineralized water can be fed into the chamber.
  • the injectors for powdered spray additive materials are connected after the at least one injector of the injection system.
  • interchangeable injection nozzles of different nozzle bore diameters are provided for the at least one injector of the injection system.
  • the outlet area of the plasma jet is provided in the cylindrical chamber (mixing chamber) with an inner wall made of a tungsten profile part which is cast around and is machined to size.
  • access and outlet connections for cooling water of an additional cooling system independent of the cooling circuit of the plasma torch are provided on the additional device.
  • the gas jet which flows out of the cylindrical chamber or mixing chamber into the downstream, optionally cylindrical, conical and / or laval nozzle-shaped expansion nozzle and is lowered to its desired temperature, is produced from at least two radial or at an adjusted angle between approx. 45 ° to 90 ° of the mixing chamber outlet downstream injectors are charged with the corresponding powdery .spray additive material, which is heated to its temperature in the gas jet, accelerated and shot onto the substrate surface with the kinetic energy of the gas jet.
  • the additional device according to the invention for adapting to plasma torches is designed with regard to material, functional components and their dimensions such that sufficient operational reliability of the torch system, with sufficiently high inflow pressures of the gaseous and / or liquid cooling media, such as, for. B. non-combustible cooling gases, or finely atomized, demineralized water between about 5-> 20 bar is guaranteed.
  • the additional device according to the invention for plasma torches for low-temperature, high-speed flame spraying enables retrofitting or modification of plasma torch systems corresponding to the state of the art by retrofitting an additional device with a mixing chamber with e.g. B. radial injection and admixture of water and / or non-combustible gases for any lowering of the high temperature of the plasma gas jet which flows from the central bore of the front plate of the plasma torch through the downstream cylindrical chamber (mixing chamber) of the additional device according to the invention.
  • the advantage of the coating technology according to the invention is based, among other things, on the fact that practically all powdered spray additive materials in the melting point range 200 -> 2000 ° C. can be processed inexpensively and flexibly.
  • a Hypersonic HVOF burner system type a Hypersonic HVOF burner system type:
  • FIG. 2 shows a cross section through the burner system of FIG. 1,
  • ⁇ Fig. 8 an additional device for one
  • Plasma torch for "low-temperature, high-speed flame spraying of powdered spray filler materials" according to the invention
  • a high-speed flame spray gun 10 contains a connection 9 for introducing operating media from gaseous and liquid fuels, which are fed to the connection 9 under high pressure.
  • liquid fuel such as. B. kerosene
  • gaseous fuel such as. B. hydrogen
  • oxidizing gas such as. B. air or oxygen.
  • Port 9 is gas and liquid tight in a mouthpiece 4 on the outer circumference and on a flat end surface.
  • a combustion chamber housing 6 is flanged to the mouthpiece 4 with a seal.
  • the combustion chamber housing 6 contains a combustion chamber 8 and, following the combustion chamber 8, an expansion nozzle 13. Radially on the expansion nozzle 13, nozzles 7 are provided for the injection of spray additive materials.
  • Mouthpiece 4 lies flat and gas-tight and liquid-tight on the flat end face 12 of connection 9. Through a central bore 14 in the mouthpiece 4, the needle-shaped injection nozzle 11 protrudes a little beyond an end face 19 of the mouthpiece 4 into the combustion chamber 8. Coaxial to the channels 2, connection bores 15 with a narrower cross section are contained in the mouthpiece 4. Channels 3 open into a chamber 16 between the outer circumference of the connection 9 and the mouthpiece 4. Bores 17 in the mouthpiece 4 connect the chamber 16 to the combustion chamber 8.
  • the piece of the needle-shaped injection nozzle 11 projecting into the combustion chamber 8 via the end face 19 of the mouthpiece 4 is in the Operation preferably glowing hot, so that the kerosene passing through is evaporated and flows into the combustion chamber 8 in gaseous form.
  • the high-speed flame spray gun 10 can be mounted in a periphery which corresponds to that from DE 197 32 815.6.
  • the disclosure of DE 197 32 815.6 is included in full in the present description.
  • the individual channels can be variably loaded with different fuels.
  • Fig. 2 Corresponding features are provided with the reference numerals from Fig. 1.
  • the end face 19 of the mouthpiece 4 has the bores 17, the connecting bores 15 and the central bore 14 on concentric rings.
  • a low-temperature, high-speed flame spraying system is supplied with cooling water at connection 3 at an inflow pressure> 8 bar.
  • the cooling water passes through the channels 9, 21 via the radial bores 27 into the cooling water annulus 18, which is formed by the intermediate sleeve 19 and the outer wall of the expansion nozzle 23, then flows through the annular space is formed by the intermediate sleeve 19 and the secondary chamber outer wall 16 to ultimately flow out through an outflow bore which is connected to the connection 47.
  • the above-described cooling water guide optimally cools all the functional parts exposed to the operating temperature around the combustion chamber 30 during operation.
  • oxidizing gas predominantly oxygen
  • connection piece 1 After the cooling system of the low-temperature, high-speed flame spraying system is activated, oxidizing gas (predominantly oxygen) is fed to the connection piece 1 via an upstream explosion protection device with integrated gas backflow protection at an inflow pressure> 5 bar (max. 40 bar) and reaches the distributor groove 5 and an axial bore in the radial oxygen distributor groove 11 of the mixing block carrier 39. From here it reaches the annular space 35 via a plurality of axial channels, in order then to reach the narrowed injector mixing bores 48, 49 arranged axially or focusing in the flow direction.
  • oxidizing gas predominantly oxygen
  • the highly accelerated oxygen flows flow through the injector ring channel 34, which is filled with hydrogen as fuel gas and is fed into the injector ring chamber 34 at a flow pressure> 8 bar via the connection 44 with an upstream automatic circuit breaker with integrated gas backflow safety device in order to then concentrate from the concentrically around the Injector mixing holes 48 and 49 arranged in the central bore flow into the combustion chamber space 30 as a premixed fuel gas / oxygen mixture (predominantly hydrogen / oxygen mixture).
  • the fuel gas-oxygen mixture is selected with respect to the mixing ratio so that stoichiometric combustion takes place in the combustion chamber 30 when the mixture is ignited.
  • the mixture of oxygen and fuel gas flows out of the narrowed outlet bore 29 and flows through the mixing chamber 28, in order to then flow through the central outlet bore X of the mixing chamber 28 and finally as a fuel gas-oxygen mixture to exit from the end in the Laval nozzle-shaped expansion nozzle bore 26, where the fuel gas -Oxygen mixture is ignited electrically.
  • the inflow pressure for fuel gas and oxygen is selected so that the ignition speed of the fuel gas-oxygen mixture emerging from the expansion nozzle mouth is higher than the outflow speed of the fuel gas-oxygen mixture so that the flame ignites back into the combustion chamber 30.
  • the inflow pressures for both operating gases, fuel gas and oxygen in a predetermined time interval of z. B. 5 seconds to the setpoints, so that a hypersonic flame beam with a temperature> 2,600 ° C arises from the output bore 29, which flows through the mixing chamber 28 at a very high speed in order to get into the expansion nozzle bore 26 through the central outlet bore X and emerge from the front.
  • one or two different, non-combustible gases and / or water with an inflow pressure> 10 bar are fed in via the connections 2 and / or 43, which are mixed via corresponding bores and channels 14, 31, 51 or also unmixed via the concentric, partially bores 46, 47, focussing around the central outlet bore 29, open into the mixing chamber 28 and lower the hypersonic flame jet to the desired temperature of up to 100 ° C.
  • the cooled "HyperKinetic gas jet" now has the desired temperature and flows through the central outlet bore X in order to then flow through the expansion nozzle bore 26 and at the end with a very high kinetic jet velocity of> 1,000 m / sec. withdraw.
  • the wettable powder feed into the "HyperKinetic gas jet” takes place via two or more injectors 22 arranged radially to the jet direction, between the outlet bore X and the expansion nozzle bore Y, into the expansion nozzle bore 26 with a larger diameter in the HyperKinetic gas jet, in which the powder is heated to the gas jet temperature and with the kinetic energy of the Hyper-Kinetic gas jet of> 1,000 m / sec. is shot onto the substrate surface to form a practically oxide-free, dense spray layer with excellent interparticle adhesion and excellent connection to the base material.
  • the central bore 45 can be used to measure the pressure in the combustion chamber 30.
  • the measurement data determined in this way are digitally displayed via a process control (not shown) and u. a. used as a parameter for process control.
  • a known high-speed flame spray system with kerosene as fuel has, for upgrading to the low-temperature high-speed flame spray system, opposing injectors AI for non-combustible gas, which are fitted with an insert 2 to an end cross-section 37 of the known high-speed Flame spray systems are mountable.
  • the mission 2 forms a mixing chamber X to an expansion nozzle 5 with an injection system B2 for powder injectors 4 after a passage.
  • cooling water is supplied to the low-temperature, high-speed flame spraying system at a connecting piece 33 at an inflow pressure> 5 bar with an inlet temperature of approximately 16-20 ° C.
  • Combustion chamber 36 and flange nut 13 form a cooling water annulus.
  • the cooling water passes through channels between a water jacket 1 and an intermediate sleeve 3 to the outlet mouth of the expansion nozzle 5, then flows through a plurality of radial bores in the intermediate sleeve 3 and cools the wall of the expansion nozzle 5, the wall of the cylindrical mixing chamber X with the injectors AI for non-flammable, cold gas.
  • the cooling water When flowing back, the cooling water cools the outer wall 36 of the combustion chamber and an oxygen-kerosene mixture block 17 in order to ultimately flow out of the connecting piece 34 via channels via a hose line to an external cooling system (not shown).
  • the cooling water flow described above heats the cooling water to over 60 ° C.
  • the combustion chamber 36 is optimally cooled during operation.
  • the cooling water In the external cooling system of the circuit, the cooling water is cooled to 16-20 ° C before it is fed back into the connecting piece 33.
  • the kerosene-oxygen mixture is ignited with a special spark plug 49 protruding into the combustion chamber 36.
  • Oxygen is supplied at an inflow pressure> 8 bar via connection piece 27 and reaches the combustion chamber 36 via axial bores arranged concentrically around the central bore of the nozzle carrier 20 and radial-axial pressure compensation chambers for oxygen and kerosene via a plurality of bores arranged axially or focusing in the flow direction ,
  • Kerosene is fed in via connection 26 by means of a fuel pump with an inflow pressure> 8 bar and passes via the radial-axial pressure compensation chamber of nozzle carrier 20 via channels arranged concentrically and axially around the central bore of nozzle carrier 20 in at least four atomizing bores of mixing block 17, which on one inner pitch circle are arranged concentrically focusing around the central bore 20 with special spark plug 49 and open into the combustion chamber 36.
  • the finely atomized kerosene is mixed with the oxygen and ignited in the combustion chamber 36.
  • the high-speed flame generated during the combustion of the kerosene-oxygen mixture flows through the central outlet bore of the combustion chamber 36 and the mixing chamber X with at least 2 injectors AI for non-combustible gas and then reaches the area of the injection system B2 for powder injectors 4 of the injector-shaped, water-cooled expansion nozzle 5, where the flame emerges at the end.
  • the respective inflow pressures for the kerosene and oxygen are raised to the setpoints greater than 8 bar and the mixing ratio is selected so that stoichiometric combustion takes place in the combustion chamber 36 when the mixture is ignited.
  • the combustion chamber pressure rises to values greater than 8 to greater than 20 bar.
  • the extreme gas expansion during combustion leads to a hypersonic gas jet which, with a gas jet temperature of approx. 2,600-2,900 ° C., emerges from the narrowed central bore of the water-cooled combustion chamber 36, the mixing chamber X, and through the expansion nozzle bore 5, which is cylindrical or Laval nozzle-shaped emerges from the front.
  • Non-flammable gases with any inflow pressures and quantities can be introduced into the cylindrical mixing chamber X in the high-energy hypersonic flame jet via the injectors AI in order to lower it to the desired temperature.
  • the cooled "HyperKinetic gas jet” now has the desired temperature and flows through the central outlet bore X, in order to then flow through the expansion nozzle bore 5 and at the end with a high kinetic jet speed of> 1,000 m / sec. withdraw.
  • the wettable powder is fed into the "HyperKinetic gas jet" via two or more injectors "B2" arranged radially to the jet direction between the outlet bore X and the expansion nozzle bore 5 into the expansion nozzle 5 into the "HyperKinetic gas jet", in which the powder is heated to the gas jet temperature and with the kinetic energy of the "HyperKinetic gas jet” of> 1,000 m / sec. is shot onto the substrate surface to form a super-dense, oxide-free, sprayed layer with excellent interparticle adhesion and excellent connection to the base material.
  • An alternative high-speed flame spray burner 50 has an external screw sleeve 1, a receptacle 6 and a device housing
  • connection piece 28 an oxidizing gas connection piece 26, a fuel connection piece 27 and cooling water connections 33, 34 are provided on a device connection flange 25.
  • Device connection flange 25 is screwed to device housing 16.
  • a union nut 18 lies axially on a radially outer stop of the mixing block
  • a distributor plate 22 for the operating components is provided between the device connection flange 25 and the device housing 16.
  • An injector 53 for demineralized water with at least one nozzle bore 52 leads coaxially from the connecting piece 28 through the mixing block carrier 20 and mixing block 17 instead of wear protection insert 35, which is arranged axially or diverging in the mouth area to the combustion chamber 36.
  • An annular channel 60 for liquid fuels, in particular kerosene, is arranged between mixing block 17 and mixing block carrier 20.
  • An expansion nozzle tube 5 connects coaxially to the combustion chamber 36. Coaxial with the expansion nozzle tube 5, an adapter sleeve 3 is sheathed in the outer screw sleeve 1 to delimit the cooling water supply and return lines of the expansion nozzle tube 5. The outer screw sleeve 1 is screwed to an outer screw connector 6.
  • a press nut 11 is screwed onto a thread in the device housing 16 and holds the outer screw plug sleeve 6 in the device housing 16.
  • the outer screw plug sleeve 6 bears against a flange nut 13 for fastening the combustion chamber 36.
  • Flange nut 13 is screwed into device housing 16.
  • Nozzles 65, 66 are screwed into the outer screw plug-in sleeve 6 and open with their nozzle heads into the interior of the expansion nozzle tube 5.
  • the spray additives are injected into the hypersonic flame jet in the expansion nozzle through the nozzles 65, 66.
  • the for assembly The adjustment of the nozzles 65, 66 between the outer screw-type plug-in sleeve 6 and the expansion nozzle tube 5 is carried out by means of cylinder pins 38.
  • the alternative high-speed flame spray burner 50 is ignited analogously to the method described for FIG. 3, the injection of demineralized water by injector 53 into the combustion chamber 36 preferably only taking place after a stable combustion state in the combustion chamber 36.
  • a plasma torch 6 contains a connection 8 for introducing plasma gases, nitrogen, argon and the like. a., and plasma gas mixtures with hydrogen files.
  • a rear connection 5 with a cooling water inlet and power connection (minus pole) 7, cooling water return and power connection (plus pole) 9 is flanged to a plasma torch housing 4.
  • a Wo cathode 3 and an anode 10 are arranged in the plasma torch housing 4. Radially in the plasma torch housing 4 on the anode 10, powder inlet bores are provided for a connected powder supply connection pipe 2 with a connection thread for spray additive materials.
  • the cathode 10 has a flat end surface, with a central exit hole for the plasma jet (plasma flame).
  • the transferring plasma arc is drawn between the cathode 3 and the anode 10.
  • the plasma gas expanding due to the highly heated tungsten cathode 3 is greatly accelerated and thereby receives outflow velocities in the order of magnitude of up to> approximately 800 m / sec.
  • the plasma torch is first supplied with cooling water at connection 7 at an inflow pressure> 5 bar.
  • the cooling water reaches the cooling water outlet connection 9 via channels, radial bores and cooling water annuli of the plasma torch.
  • the cooling water guide described above optimally cools all the functional parts exposed to the operating temperature around the combustion chamber between cathode 3 and anode 10 during operation.
  • an HF current is first supplied to connection 7 and connection 9 and a pilot arc is ignited between the negatively polarized tungsten cathode 3 and the positively polarized copper anode 10.
  • plasma gas is simultaneously passed through from the connection 8 between the cathode 3 and the anode 10 and is ionized, ie made electrically conductive, then the main current is switched on by the sequence control, which is via that between the negatively polarized cathode 3 and the positively polarized Anode 10 flowing, ionized plasma gas jumps from cathode 3 to anode 10, see above that there is an extreme expansion of the plasma gas and the high-energy arc burning between the cathode 3 and anode 10 is blown out of the central bore, so that a brightly lit plasma flame is produced.
  • An additional device 1 is mounted on the flat end surface in a gas-tight and liquid-tight manner for upgrading the plasma torch, shown schematically in FIG. 1, to a low-temperature, high-speed flame spraying system.
  • Opposed injectors 16 for finely atomized, demineralized water open into a cooling chamber 28 of the additional device 1.
  • An injection system with powder injectors 20 for powdery spray additive materials opens into a mixing chamber X, to which an expansion nozzle 29 with a central outlet bore of the additional device 1 connects
  • the plasma torch 6 is switched on by generating a high-energy arc between the tungsten cathode 3 and the copper anode 10, as a result of which the extremely expanding plasma gas flowing between the cathode 3 and anode 10 is blown at the end face out of the plasma torch 6 and via the central bore 13 of the connecting flange 11 of the additional device 1 reaches the cylindrical annular space of the mixing chamber 28.
  • the plasma jet temperature is> 5000 degrees K, depending on the set current and the plasma gas used.
  • the inner wall of the central bore 13 is made of a tungsten profile part 14, which is cast with copper for thermal reasons and is then machined to size.
  • cooling water with an inlet temperature of approx. 18 ° C first flows through the cooling system of the plasma torch 6 and opens via cooling water channels 12 and the subsequent radial cooling water annulus via radial / axial bores 25 into the cooling water annulus 31 arranged on the end face, which, inter alia, on the end face of the screw cap 24 is formed with the central outlet bore 30.
  • the cooling water then flows at a temperature of max. 60 ° C via radially / axially arranged cooling water channels 26, radially arranged distributor groove 27 and radially / axially arranged cooling water channels 31 back into the cooling water system of the plasma torch Cooling block system, where it is cooled down again to approx. 18 degrees Celsius and the cooling cycle starts again.
  • the cooling system of the additional device can be accessed or Outlet connections for cooling water to the cooling water inlet 12 and cooling water return 32 (not shown) to an additional cooling circuit. Cooling block system can be connected.
  • the additional device 1 can also be designed so that it has its own cooling water circuit, which is independent of the plasma torch 6 to be adapted, with its own connections "cooling water inlet” 7 and “cooling water outlet” 9 and for the best possible cooling of the entire system 1, 6 by one separate cooling block system is fed.
  • 16 non-combustible gases such as e.g. Bar. He. N 2 , gaseous or deep-frozen, liquid, or gas mixtures, as well as finely atomized, demineralized water, through a large number of radial bores 16 with exchangeable injection nozzles 33 with different nozzle bore diameters, injected into the annular space 28 at an inflow pressure of 1 -> 20 bar, so that the The gas jet temperature of the high-energy plasma jet flowing axially into the cylindrical annular space 28 is reduced by the injected cooling media.
  • 16 non-combustible gases such as e.g. Bar. He. N 2 , gaseous or deep-frozen, liquid, or gas mixtures, as well as finely atomized, demineralized water
  • the plasma gas jet which is reduced in temperature and accelerated, first flows through the entire annular space (mixing space) 28 and opens into the reduced diameter cylindrical transition bore “X”, in order to then flow through the expansion nozzle bore 29, which has a larger diameter, in order to finally end out of the central bore 30 of the central bore 30 Screw cap 24 emerge.
  • spray powder is fed radially, preferably in the grain size ranges -25p + 10 ⁇ m, into the injector-like transition of the cylinder bore X into the expansion nozzle bore 29 into the accelerated gas jet, which has a lower temperature.
  • the spray powder particles are accelerated by the gas jet and warm up during the dwell time - ie from entering the gas jet until it hits the substrate surface - to the preselected setpoint temperature, the gas jet temperature and speed being preselected such that highly reactive spray additives have a very high affinity for oxygen, do not oxidize in the gas jet during the coating process, ie do not take up oxygen.
  • the spray powder particles in the highly accelerated gas jet which are matched to the process temperature, are shot with the high kinetic energy of the gas jet onto the substrate surface, where they plastically deform due to the extremely high impact energy, whereby the impact energy of the spray particles is converted into thermal energy, resulting in a very dense , extremely low-pore, oxide-free spray coating with optimal connection to the base material.

Description

Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits- Flammspritzsystem
Die Erfindung betrifft Niedertemperatur Hochgeschwindig- keits-Flammspritzsysteme zum thermischen Spritzen von pulverförmigen Werkstoffen und eine Zusatzeinrichtung für Plasmabrenner zum Niedertemperatur-Hochgeschwindigkeits- Spritzen mit den Merkmalen der Oberbegriffe von Ansprüchen 1, 2 und 11.
Die DE 199 05 811 AI offenbart eine Hochgeschwindigkeits- Fla mspritzkanone zum thermischen Spritzen von stab-, draht-, und/oder pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen mit einem Anschluß zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen und einer Brennkammer mit Expansionsdüse. Edelgase, wie Argon, Helium u. a., als nicht brennbare Gase können der Brennkammer zugemischt werden und schaffen die Möglichkeit, die physikalischen und chemischen Eigenschaften des hochenergetischen Hypersonicgasstrahls exakt auf den jeweiligen Spritzzusatzwerkstoff optimal abzustimmen. Durch das Zumischen von Edelgasen werden gemäß diesem Stand der Technik beim Verarbeiten hochreaktiver Spritzzusatzwerkstoffe, wie z. B. Reinnickel oder Superlegierungen, wie sie z. B. beim Beschichten von Flugzeugtriebwerksteilen vorteilhaft zum Einsatz gebracht werden, in den Spritzschichten wesentlich geringere Sauerstoffanteile gefunden. Durch das Zumischen von Edelgasen in die Brennkammer gemäß diesem Stand der Technik darf die Temperatur der Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen allerdings nicht zu weit abgesenkt werden, da sonst die Flamme ausgeht und die Verbrennung in der Brennkammer zum Erliegen kommt, was einem Totalausfall der Hochgeschwindigkeits- Flammspritzkanone entsprechen würde.
Beim Plasmaspritzen wird ein elektrischer Hochenergie- Lichtbogen zwischen einer thorierten Wolframelektrode (Wolframkathode) und einer sich einengenden Kupferdüse als Anode gezündet. Das in einem Zwischenraum zwischen Kathode und Anode strömende Gas, Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Helium und deren Gemische, wird sehr hoch erhitzt, so dass einatomige Gase teilweise ionisieren, zweiatomige Gase dissozieren und teilweise ionisieren und einen Plasmastrahl bilden. Spritzzusatzwerkstoffe, die mittels eines Trägergases, wie z. B. Ar, N2 o. a in das hoch erhitzte Gasgemisch des Plasmastrahls radial aus einem oder mehreren der Anode nachgeschalteten Pulverinjektoren eingeblasen werden, haften im wesentlichen durch mechanische Verankerung auf dem durch Aufrauhen, z. B. Sandstrahlen, vorbereiteten Grundwerkstoff. Als Spritzeinrichtungen dienen vorzugsweise mit Stickstoff- Wasserstoff-Gemischen betriebene Gleichstrom- Plasmaspritzbrenner mit „nicht übertragenem Lichtbogen" bei einer Leistung von etwa 30 bis 100 kW. Verspritzt werden vorzugsweise metallische, keramische und metallkeramische Pulversorten, die mit dem bisher üblichen Flamm- oder Lichtbogenspritzen nicht oder nur bedingt verarbeitet werden konnten.
Plasmagespritzte Schichten erweitern den wirtschaftlichen Einsatz des Metallspritzens und übertreffen in bezug auf ihre Homogenität die technischen und physikalischen Eigenschaften herkömmlicher Spritzschichten. Auf Grund der hohen Gasstrahltemperatur des aus der Stirnseite des Plasmabrenners austretenden Plasmastrahls, in die Spritzzusatzwerkstoffe eingebracht werden, tritt in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Kornform, der Partikelstruktur und -große, eine mehr oder weniger starke Oberflächenoxidation der einzelnen schmelzplastischen- und oder schmelzflüssigen Spritzpartikel ein. Diese Oxide verursachen nach dem Auftreffen der Spritzpartikel auf die Substratoberfläche eine abgeminderte Interpartikelhaftung. Die chemischen- und physikalischen Eigenschaften einer Spritzschicht mit hohen Oxidgehalten sind für spezielle Anwendungen in der Beschichtungstechnik nicht geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte und kostengünstige Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritz- systeme zu schaffen, welche die Verarbeitung oxidations- empfindlicher, nicht duktiler Spritzzusatzwerkstoffe mit Schmelztemperaturen > 800° C aber auch mit niedrigen Schmelztemperaturen ermöglicht und gleichzeitig die Oxidation der Wirkstoffe während ihrer Flugphase praktisch verhindert. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritz- systeme zu schaffen, die den bisherigen Verwendern der HVOF-Technologie Nachrüstperspektiven bieten, um vorhandene, dem Stand der Technik entsprechende HVOF Brennersysteme oder Plasmapulverspritzbrenner aufzuwerten.
Die Lösung erfolgt erfindungsgemäß mit Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystemen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2 oder einer Zusatzeinrichtung für Plasmabrenner zum Niedertemperatur-Hochgeschwindig- keits-Spritzen mit den Merkmalen von Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind mit den Unteransprüchen dargestellt. Gemäß der Erfindung wird der Brennkammer von bekannten HVOF Brennsystemen zum Betrieb mit gasförmigen und/oder flüssigen Brennstoffen in Verbindung mit Oxidationsgasen, zum Verspritzen von pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen eine zusätzliche Mischkammer mit einem Injektionssystem mit nachgeschalteter Expansionsdüse hinzu gefügt, in die in steuerbaren Mengen und mit wählbarem Zuströmdruck, durch eine Vielzahl von radial und/oder axial in Strömungsrichtung angeordnete Zuführungskanäle des Injektionssystems nichtbrennbare Gase (z.B. Argon, Helium, Stickstoff u.a.) sowie Formiergase und/oder Wasser, mengen- und druckmäßig steuerbar so zuführbar sind, dass nach der Austrittsmündung der Brennkammer der mit einer Gastemperatur von ca. 1600 - 3,165° C in die Mischkammer einströmende Hypersonic Flammstrahl durch Zumischen der nichtbrennbaren Gase und/oder Wasser mit einer Temperatur, die der Entnahmetemperatur aus Stahlflaschen, Flaschenbündel oder Tankanlagen entspricht, auf gewünschte Gasstrahltemperaturen bis zum vollständigen Erlöschen der Flamme absenkbar ist. Spritzzusatzwerkstoffe mit einem Schmelzpunkt > 1200° C wie z.B. Cr-Stahl, CrNI-Stahl, sowie die Superlegierungen "M-CrAIY" u.a. können gemäß der Erfindung verarbeitet werden. Fluorhaltige Kunststoffe, wie z. B. Teflon, Halar, sowie neuartige Spritzzusatzwerkstoffe, wie metallische, karbidische und/oder oxidkeramische, pulverförmige Werkstoffe mit Anteilen von fluorhaltigen Kunststoffen von > 5% - > 30% Gewichtsanteilen, deren Verarbeitung eine genau einstellbare Temperatur von z. B. ca. 430° C voraussetzt, können gemäß der Erfindung auch verarbeitet werden, weil die Gasstrahltemperatur exakt auf die erforderliche Prozesstemperatur eingestellt werden kann, ohne dass es zu einem Zersetzungsprozess durch Überhitzen der fluorhaltigen Kunststoffe und dadurch zur Bildung von giftigen, neurosen Gasen kommen würde und die spezifischen, technisch physikalischen Eigenschaften der fluorhaltigen Kunststoffe dabei verloren gehen würden. Die Zugabe der nichtbrennbaren Gase und/oder Wasser in die Mischkammer beeinträchtigt die Verbrennung in der stromaufwärts gelegenen Brennkammer in keiner Weise, so daß die Verbrennung in der Brennkammer durch die Zumischung der nichtbrennbaren Gase in die Mischkammer nicht eingeschränkt ist. Der aus der Mischkammer in die nachgeschaltete, wahlweise zylindrisch, konisch und/oder lavaldüsenförmig ausgebildete Expansionsdüse einströmende, auf seine Solltemperatur abgesenkte Gasstrahl wird aus mindestens zwei, radialen oder mit eingestelltem Winkel zwischen ca. 45° bis 90° der Mischkammeraustrittsmündung nachgeordneten Injektoren mit dem entsprechenden pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoff beschickt, der im Gasstrahl auf dessen Temperatur aufgeheizt, beschleunigt und mit der kinetischen Energie des Gasstrahles auf die Substratoberfläche aufgeschossen wird. Der erfindungsgemäße "Low Temperature Hyperkinetik" HVOF Brenner ist bezüglich Werkstoff, Funktionsbauteilen und in seiner Dimensionierung so ausgelegt, dass ausreichende Betriebssicherheit des Brennersystems bei ausreichend hohen Zuströmdrücken der gasförmigen- und/oder flüssigen Brennstoffe zur Absicherung gegen Rückströmung, wie nichtbrennbare Kühlgase zwischen ca. 5-
> 20 bar, sowie, Primär- und Mischkammerdrücken in der gleichen Größenordnung gewährleistet ist.
Mit der Erfindung wurde eine neue Technologie entwickelt, die es mit geringem Kostenaufwand ermöglicht, Spezial- werkstoffe, wie z. B. Tantal, Niob, Titan, Titanhydrid, Silber und Silberlegierungen, sowie die große Palette an Superlegierungen ( M-CrAlY,s), Zinn, Lote auf Kupfer- und / oder Silberbasis, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Zink und Zinklegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen, Molybdän, oxidfrei zu verspritzen, so daß mit dem erfindungsgemäßen Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits- Flammspritzsystem, Sauerstofffreie Schichten erzeugt werden können und ein neues HVOF Beschichtungsverfahren damit den Anwendern die Möglichkeit eröffnet, die vorgenannten Spritzzusatzwerkstoffe auf nichtmetallische Substratoberflächen, wie z. B. Keramik oder Kunststoffe aufzuspritzen, was mit den dem Stand der Technik entsprechenden HVOF Verfahren, auf Grund ihrer hohen auf die Substratoberflächen einwirkenden Gasstrahltemperatur
> 2000° C nicht möglich ist.
Das erfindungsgemäße Niedertemperatur Hochgeschwindig- keits-Flammspritzsystem ermöglicht die Nachrüstung, bzw. Modifikation von dem Stand der Technik entsprechenden HVOF Brennersystemen durch die Nachrüstung einer Mischkammer mit z.B. radialer Injektion und Zumischung von nichtbrennbaren Gasen und/oder Wasser zur beliebigen Absenkung der hohen Temperatur des Hypersonic Gasstrahls, der aus der Brennkammer (Primärkammer) die nachgerüstete Mischkammer durchströmt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Beschichtungstechnologie liegt u.a. darin begründet, daß praktisch alle pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffe im Schmelzpunktbereich 100 - 2000° C verarbeitet werden können.
Durch die steuerbare Wahl der Mischungsverhältnisse zwischen gasförmigen- bzw. flüssigen Brennstoffen mit Oxidationsgasen kann je nach Bedarf eine unter-, über- oder stöchiometrische Hypersonic HVOF Flamme eingestellt werden. Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem mit einem sogenannten "Mass Flow Meter" geregelt, so dass bei steigendem Gegendruck in der Brennkammer durch expandierende Kühlmittelzugaben nach der Austrittsöffnung der Brennkammer die Strömungsmenge der gasförmigen- bzw. flüssigen Brennstoffen mit Oxidationsgasen auf einem vorher eingestellten Wert gehalten werden kann. Störungen der Regelung werden vom Mass Flow Meter akustisch und/oder optisch angezeigt.
Durch die Möglichkeit der Zumischung steuerbarer Mengen und bei steuerbar einstellbaren Zuströmdrücken und/oder - temperaturen von nicht brennbaren Gasen und/oder Wasser in den "HyperKinetic-Gasstrahl" kann dessen Strahltemperatur und dessen kinetische Energie den jeweiligen Erfordernissen flexibel angepasst werden. Durch die spezifische Ausbildung im Bereich der Pulverzuführung in das Gerätesystem, kann mit kostengünstigen, extremen Niederdruck Pulverfördersystemen gearbeitet werden.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist ein HVOF Brennsystem mit mindestens einem Injektor vorgesehen, durch den vorzugsweise fein zerstäubtes entmineralisiertes Wasser separat in die Brennkammer geführt werden kann. In Abhängigkeit vom jeweiligen Wasserzuströmdruck und der davon abhängigen Einspritzmenge des fein zerstäubten entmineralisierten Wassers in die Brennkammer konnte die Verbrennungstemperatur bei getesteten Brennstoff- Sauerstoffkombinationen beliebig abgesenkt werden, ohne dass die Flamme in der Brennkammer erlosch. Bei einem Brennversuch mit einer Wasserstoff-Sauerstoff Mischung bei einem Mischverhältnis 1:2, z. B. stöchiometrische Verbrennung von 40 m3/h Wasserstoff + 20 m3/h Sauerstoff, in der Brennkammer des HVOF Brennsystems der alternativen Ausgestaltung der Erfindung wurde eine Flammtemperatur von ca. 2950° C erzielt und durch die Injektion von 50 dm3/h entmineralisiertes, fein zerstäubtes Wasser direkt in die Brennkammer während der Verbrennung konnte die Gasstrahltemperatur bis auf 300° C abgesenkt werden. Der aus der Brennkammer austretende, abgekühlte, geregelte Gasstrahl wird aus einem oder mehreren der Brennkammer nachgeschalteten Radial-Pulver-injektoren mit Spritzpulver beschickt und mit sehr hoher kinetischer Energie bei niedriger Spritzpartikeltempera-tur auf die zu beschichtende Oberfläche aufgeschossen, auf der sich eine optimal haftende, dichte, oxidfreie Spritzschicht ablagert aus Spezialpulver mit sehr hohem Reinheitsgrad aus Kupfer, Aluminium, Zink und CrNi-Stahl (316L) im Korngrößenbereich kleiner 25 μ und größer 5 μm. Vorzugsweise sind die Zuströmdrücke des fein zerstäubten Wassers zwischen ca. 3-> 15 bar. HVOF Standard TopGun Brenner mit zentrischer Pulverzuführung vom Heckanschlußflansch durch das Zentrum des Gasmischblockträgers, den Gasmischblock und die Brennkammer in die wassergekühlte Expansionsdüse und stirnseitig austretend wie beim Stand der Technik sind erfindungsgemäß durch einfache Umrüstung, nämlich durch den Austausch des zentralen Verschleißschutzinserts im Gasmischblock gegen einen Wasserinjektor mit mindestens einer oder mehreren divergierend angeordneten Einspritzdüsenbohrungen und Austausch der Brennkammer mit nach geschalteter Expansionsdüse, Zwischen- und Außenschraub- hülse des Standes der Technik gegen die erfindungsgemäß entsprechenden Bauteile für Radialpulverinjektion mit einem oder mehreren Pulverinjektoren zum Niedertemperatur HVOF-Beschichtungssystem umrüstbar. Der Injektor des fein zerstäubten Wassers ist mit mindestens einer axial oder fokussierend im Mündungsbereich zur Brennkammer angeordneten, feinen Zerstäuberdüsenbohrung versehen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Gehäuse der Brennkammer und vorzugsweise einer stirnseitigen Planfläche eines Mischblocks des HVOF Brennsystems mindestens eine Metalldichtung vorgesehen.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Zusatzeinrichtung stromabwärts, zum Niedertemperatur-Hochgeschwindigkeits-Spritzen von pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen an einen dem Stand der Technik entsprechenden Plasmabrenner montierbar angeordnet, der eine Kammer, z. B. als Misch- oder Kühlkammer, ein Injektionssystem für Wasser oder nicht brennbare Gase in die Kammer, Injektoren für pulverförmige Spritzzusatzwerkstoffe und eine der Kammer nachgeschaltete Expansionsdüse aufweist. Die erfindungsgemäße Zusatzeinrichtung eignet sich flexibel und kostengünstig zum adaptieren an praktisch alle bekannten Plasmabrenner, mit radialer oder zentrischer Zufuhreinrichtung, zum thermischen Spritzen von pulverförmigen Werkstoffen. Der Zusammenbau der erfindungsgemäßen Zusatzeinrichtung mit bekannten Plasmabrennern ermöglicht das Verspritzen von hochreaktiven pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen in einem „Hyperkinetik Niedertemparatur Hochgeschwindigkeits Plasmagasstrahl, und erzeugt dadurch Spritzschichtqualitäten mit extrem niedrigen Sauersto fgehalten und exzellenter Anbindung (Haftung) an der Substratoberfläche, bei hervoragender Dichte der Spritzschicht und optimaler Interpartikelhaftung, wie dies bisher nur durch Vakuumplasmaspritzen möglich ist. Erfindungsgemäß ist die Plasmastrahlteraperatur beliebig, regelbar absenkbar außerhalb des Plasmabrenners ohne Absenkung der voreingestellten Leistungsdaten und -werte, wie z. B. Zündspannung, Stromstärke und Plasmagasmengen bei gleichzeitiger beliebiger Erhöhung der Plasmagasstrahlgeschwindigkeit bis > 1000 m/sec. Die erfindungsgemäße Plasmabeschich- tungstechnik ist anwendbar in der Luft- und Raumfahrtindustrie, zum Beschichten von Turbienenschaufeln von Gasturbinen, der Chemischen Industrie, Papierfabriken, in der Druckmaschinenindustrie u. a.. Die erfindungsgemäße Plasmabeschichtungstechnik ist anwendbar im Bereich der modernen Medizintechnik, z. B. für Beschichtungs- applikationen wie Implantaten aus Titan u. oder CrNi- Stahl u. a. Trägerwerkstoffe.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist an einen Plasmabrenner, der mit einer Kathode und einer Anode ausgestattet ist, eine Frontplatte mit zentraler Auslassbohrung vorgesehen, aus der der Hochenergie - Plasmastrahl austritt und in den zylindrichen Ringraum (Kühlraum) der erfindungsgemäßen Zusatzeinrichtung eimündet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein auswechselbarer Injektor des Injektionssystem vorgesehen, durch den fein zerstäubtes, entmineralisiertes Wasser in die Kammer zuführbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Injektoren für pulverförmige Spritzzusatzwerkstoffe dem mindestens einen Injektor des Injektionssystem nach geschaltet .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind für den mindestens einen Injektor des Injektionssystem auswechselbare Einspritzdüsen verschiedener Düsenbohrungsdurchmesser vorgesehen .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Einmündungsbereich des Plasmastrahles, bei sehr hoch eingestellter Leistung, in die zylindrische Kammer (Mischkammer) mit einer Innenwandung versehen aus einem mit Kupfer umgossenen, maßgenau bearbeiteten Wolframprofilteil . Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind an der Zusatzeinrichtung Zugangs- und Abgangsanschlüsse für Kühlwasser eines zusätzlichen, unabhängig vom Kühlkreislauf des Plasmabrenners, eigenen Kühlsystem vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Zugabe der nichtbrennbaren Gase, oder von fein zerstäubtem Wasser in die zylindrische Kammer oder Mischkammer der erfindungsgemäßen Zusatzeinrichtung, die an die Frontplatte des Plasmabrenner adaptiert ist, beeinträchtigt den Lichtbogen - Übergang von der negativ gepolten Kathode zur positiv gepolten Anode und die durch den Zwischenraum strömenden, ionisierten und expandierenden Plasmagase und den daraus entstehenden Plasmastrahl in keiner Weise.
Der aus der zylindrischen Kammer oder Mischkammer in die nachgeschaltete, wahlweise zylindrisch, konisch und/oder lavaldüsenförmig ausgebildete Expansionsdüse einströmende, auf seine Solltemperatur abgesenkte Gasstrahl wird aus mindestens zwei, radialen oder mit eingestelltem Winkel zwischen ca. 45° bis 90° der Mischkammeraustitts- mündung nachgeordneten Injektoren mit dem entsprechenden pulverförmigen .Spritzzusatzwerkstoff beschickt, der im Gasstrahl auf dessen Temperatur aufgeheizt, beschleunigt und mit der kinetischen Energie des Gasstrahles auf die Substratoberfläche aufgeschossen wird. Die erfindungsgemäße Zusatzeinrichtung zum Adaptieren an Plasmabrenner ist bezüglich Werkstoff, Funktionsbauteilen und in ihrer Dimensionierung so ausgelegt, dass ausreichende Betriebssicherheit des Brennersystems, bei ausreichend hohen Zuströmdrücken der gasförmigen- und/oder flüssigen Kühlmedien, wie z. B. nichtbrennbare Kühlgase, oder fein zerstäubtes, entmineralisiertes Wasser zwischen ca. 5-> 20 bar gewährleistet ist.
Die erfindungsgemäße Zusatzeinrichtung für Plasmabrenner für Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen ermöglicht die Nachrüstung, bzw. Modifikation von dem Stand der Technik entsprechenden Plasmabrennersystemen durch die Nachrüstung einer Zusatzeinrichtung mit einer Mischkammer mit z. B. radialer Injektion und Zumischung von Wasser und/oder nichtbrennbaren Gasen zur beliebigen Absenkung der hohen Temperatur des Plasma Gasstrahls, der aus der Zentralbohrung der Frontplatte des Plasmabrenners die nachgeschaltete, zylindrische Kammer (Mischkammer) der erfindungsgemäßen Zusatzeinrichtung durchströmt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Beschichtungstechnolo- gie liegt u.a. darin begründet, dass praktisch alle pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffe im Schmelzpunktbereich 200 - > 2000° C kostengünstig und flexibel verarbeitet werden können.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Figuren nun näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1: ein Hypersonic HVOF Brennersystem Typ:
TopGun K" (Kerosin) des Standes der Technik und
- Fig. 2: einen Querschnitt durch das Brennersystem von Fig. 1,
- Fig. 3: ein Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-
Flammspritzsystem gemäß der Erfindung,
- Fig. 4: ein weitere Ausgestaltung des Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystems gemäß der Erfindung,
~ Fig. 5: eine Ansicht des Heckflanschs des
Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits- Flammspritzsystems von Fig. 4,
- Fig. 6: einen Querschnitt durch ein alternatives
Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits- Flammspritzsystem gemäß der Erfindung,
- Fig. 7: einen Querschnitt durch einen Gasmischblock des Injektors gemäß Fig. 6,
~ Fig. 8: eine Zusatzeinrichtung für einen
Plasmabrenner zum „Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen von pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen" gemäß der Erfindung, und
- Fig. 9: einen Ausschnitt eines alternativen
Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits- Flammspritzsystems gemäß Fig. 6 der Erfindung.
Fig. 1: Eine Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone 10 enthält einen Anschluß 9 zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen, die dem Anschluß 9 unter Hochdruck zugeführt werden. Durch einen Kanal 1 mit einer nadeiförmigen Einspritzdüse 11 des An- Schlusses 9 wird flüssiger Brennstoff, wie z. B. Kerosin, durch Kanäle 2 des Anschlusses 9 wird gasförmiger Brennstoff, wie z. B. Wasserstoff, und durch Kanäle 3 des Anschlusses 9 wird Oxidationsgas, wie z. B. Luft oder Sauerstoff, geleitet.
Anschluß 9 ist am äußeren Umfang und an einer planen Endfläche 12 gas- und flüssigkeitsdicht in ein Mundstück 4 eingefaßt. An das Mundstück 4 ist mit einer Dichtung ein Brennkammergehäuse 6 angeflanscht. Das Brennkammergehäuse 6 enthält eine Brennkammer 8 und anschließend an die Brennkammer 8 eine Expansionsdüse 13. Radial an der Expansionsdüse 13 sind Düsen 7 für die Injektion von SpritzzusatzWerkstoffen vorgesehen.
Mundstück 4 liegt an der planen Endfläche 12 von Anschluß 9 plan und gas- und flüssigkeitsdicht an. Durch eine Zentralbohrung 14 in Mundstück 4 ragt die nadeiförmige Einspritzdüse 11 ein kleines Stück über eine Stirnseite 19 des Mundstücks 4 hinaus in die Brennkammer 8. Koaxial zu den Kanälen 2 sind im Mundstück 4 Anschlußbohrungen 15 mit engerem Querschnitt enthalten. Kanäle 3 münden in eine Kammer 16 zwischen äußerem Umfang des Anschlusses 9 und Mundstück 4. Bohrungen 17 in Mundstück 4 verbinden Kammer 16 mit der Brennkammer 8. Das über die Stirnseite 19 des Mundstücks 4 in die Brennkammer 8 ragende Stück der nadeiförmigen Einspritzdüse 11 ist im Betrieb vorzugsweise glühend heiß, so daß das hindurchtretende Kerosin verdampft wird und gasförmig in die Brennkammer 8 strömt .
Die Hochgeschwindigkeitsflammspritzkanone 10 kann in eine Peripherie montiert sein, die der aus der DE 197 32 815.6 entspricht. Die Offenbarung der DE 197 32 815.6 wird vollinhaltlich in die vorliegende Beschreibung aufgenommen. Die einzelnen Kanäle können variabel mit unterschiedlichen Brennstoffen beaufschlagt sein.
Fig. 2: Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 1 versehen. Die Stirnseite 19 des Mundstücks 4 weist auf konzentrischen Ringen die Bohrungen 17, die Anschlußbohrungen 15 und die Zentralbohrung 14 auf.
Fig. 3: Vor Inbetriebnahme wird einem Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem am Anschluss 3 Kühlwasser bei einem Zuströmdruck > 8 bar zugeführt. Das Kühlwasser gelangt über die Kanäle 9, 21 über die Radialbohrungen 27 in den Kühlwasserringraum 18, der durch die Zwischenhülse 19 und die Außenwand der Expansionsdüse 23 gebildet wird, - strömt alsdann über den Ringraum, der durch die Zwischenhülse 19 und die Sekundärkammer Außenwand 16 gebildet wird, um letztendlich über eine Abströmbohrung, die mit dem Anschluss 47 verbunden ist, auszuströmen. Durch die voran beschriebene Kühlwasserführung werden alle der Betriebstemperatur ausgesetzten Funktionsteile um die Brennkammer 30 während des Betriebes optimal gekühlt.
Nachdem das Kühlsystem des Niedertemperatur Hochgeschwin- digkeits-Flammspritzsystem aktiviert ist, wird an den Anschlussstutzen 1 über eine vorgeschaltete Explosionsschutzsicherung mit integrierter Gas-Rückstromsicherung Oxidationsgas (vorwiegend Sauerstoff) bei einem Zuströmdruck > 5 bar (max. 40 bar) zugeführt und gelangt über die Verteilernute 5 und eine axiale Bohrung in die radiale Sauerstoffverteilernute 11 von Mischblockträger 39. Von hier aus gelangt es über eine Vielzahl von Axialkanälen in den Ringraum 35, um dann in axiale bzw. fokus- sierend in Strömungsrichtung angeordnete verengte Injektormischbohrungen 48, 49 zu gelangen. Die hoch beschleunigten Sauerstoffströme durchströmen den mit Wasserstoff als Brenngas gefüllten Injektorringkanal 34, der über den Anschluss 44 mit vorgeschaltetem Sicherungsautomat mit integrierter Gasrückströmsicherung mittels der Zuführungskanäle 36 in den Injektorringraum 34 bei einem Zuströmdruck > 8 bar eingespeist wird, um alsdann stirnseitig aus den konzentrisch um die Zentralbohrung angeordneten Injektormischbohrungen 48 und 49 in den Brennkammerraum 30 als vorgemischtes Brenngas- /Sauerstoffgemisch (vorwiegend Wasserstoff- /Sauerstoffgemisch) einzumünden.
Das Brenngas-Sauerstoffgemisch wird bezüglich des Mischungsverhältnisses so gewählt, dass bei der Zündung des Gemisches eine stöchiometrische Verbrennung in der Brennkammer 30 stattfindet. Vor der Zündung strömt das Gemisch aus Sauerstoff und Brenngas aus der verengten Austrittsbohrung 29 und durchströmt die Mischkammer 28, um dann die zentrale Abgangsbohrung X der Mischkammer 28 zu durchströmen und schlußendlich als Brenngas- Sauerstoffgemisch aus der lavaldüsenförmig ausgebildeten Expansionsdüsenbohrung 26 stirnseitig auszutreten, wo das Brenngas-Sauerstoffgemisch elektrisch gezündet wird.
Bei dieser Operation wird der Zuströmdruck für Brenngas und Sauerstoff so gewählt, dass die Zündgeschwindigkeit des aus der Expansionsdüsenmündung austretenden Brenngas- Sauerstoffgemisches höher ist, als die Ausströmgeschwindigkeit des Brenngas-Sauerstoffgemisches so dass die Flamme in die Brennkammer 30 zurück zündet. Nun werden die Zuströmdrücke für beide Betriebsgase, Brenngas und Sauerstoff, in einem vorgegebenen Zeitintervall von z. B. 5 sec auf die Sollwerte hochgefahren, so dass aus der Ausgangsbohrung 29 ein Hypersonic Flammenstrahl mit einer Temperatur > 2.600° C entsteht, der mit sehr hoher Geschwindigkeit die Mischkammer 28 durchströmt, um über die zentrale Abgangsbohrung X in die Expansionsdüsenbohrung 26 zu gelangen und stirnseitig auszutreten.
Dann werden über die Anschlüsse 2 und/oder 43 ein oder zwei verschiedene, nicht brennbare Gase und/oder Wasser mit einem Zuströmdruck > 10 bar eingespeist, die über entsprechende Bohrungen und Kanäle 14, 31, 51 gemischt oder auch ungemischt über die konzentrisch, teilweise fokussierend um die zentrale Austrittsbohrung 29 angeordneten Bohrungen 46, 47 in die Mischkammer 28 einmünden und den Hypersonic Flammenstrahl auf die gewünschte Temperatur von bis zu 100° C absenken. Der abgekühlte "HyperKinetic-Gasstrahl" besitzt nun die gewünschte Temperatur und strömt durch die zentrale Abgangsbohrung X, um dann die Expansionsdüsenbohrung 26 zu durchströmen und stirnseitig mit sehr hoher kinetischer Strahlgeschwindigkeit von > 1.000 m/sec. auszutreten.
Die Spritzpulverzuführung in den "HyperKinetic-Gasstrahl" erfolgt über zwei oder mehrere radial zur Strahlrichtung, zwischen der Abgangsbohrung X und der Expansionsdüsenbohrung Y angeordnete Injektoren 22 in die im Durchmesser erweiterte Expansionsdüsenbohrung 26 in dem HyperKinetic- Gasstrahl, in dem das Pulver auf die Gasstrahltemperatur aufgeheizt und mit der kinetischen Energie des Hyper-Ki- netic-Gasstrahls von > 1.000 m/sec. auf die Substratoberfläche aufgeschossen wird, um eine praktisch oxidfreie, dichte Spritzschicht mit hervorragender Interpartikel- haftung und exzellenter Anbindung an den Grundwerkstoff zu bilden.
Die Zentralbohrung 45 kann zur Messung des Drucks in der Brennkammer 30 herangezogen werden. Die so ermittelten Messdaten werden über eine Prozesssteuerung (nicht dargestellt) digital angezeigt und u. a. als Parameter zur Prozesssteuerung herangezogen.
Fig. 4, 5: Ein an sich bekanntes Hochgeschwindigkeits- Flammspritzsystem mit Kerosin als Brennstoff weist zur Aufrüstung zum Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits- Flammspritzsystem einander gegenüber liegende Injektoren AI für nichtbrennbares Gas auf, die mit einem Einsatz 2 an einen Endquerschnitt 37 des bekannten Hochgeschwindig- keits-Flammspritzsystems montierbar sind. Der Einsatz 2 bildet nach einem Durchlass eine Mischkammer X zu einer Expansionsdüse 5 mit einem Injektionssystem B2 für Pulverinjektoren 4.
Vor Inbetriebnahme wird dem Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem an einem Anschlussstutzen 33 Kühlwasser bei einem Zuströmdruck > 5 bar mit ca. 16 - 20° C Eingangstemperatur zugeführt. Brennkammer 36 und Flanschmutter 13 bilden einen Kühlwasserringraum. Das Kühlwasser gelangt über Kanäle zwischen einem Wassermantel 1 und einer Zwischenhülse 3 bis zur Austrittsmündung der Expansionsdüse 5, - strömt dann durch eine Vielzahl von Radialbohrungen in der Zwischenhülse 3 und kühlt die Wandung der Expansionsdüse 5, die Wandung der zylindrischen Mischkammer X mit den Injektoren AI für nichtbrennbares, kaltes Gas. Beim Rückströmen kühlt das Kühlwasser die Außenwand 36 der Brennkammer und einen Sauerstoff-Kerosin-Gemischblock 17, um letztendlich über Kanäle aus dem Anschlussstutzen 34 auszuströmen über eine Schlauchleitung zu einem externen Kühlsystem (nicht dargestellt) . Durch die voran beschriebene Kühlwasserführung erwärmt sich das Kühlwasser auf über 60° C. Brennkammer 36 wird während des Betriebes optimal gekühlt. Im externen Kühlsystem des Kreislaufs wird das Kühlwasser auf 16 - 20° C abgekühlt, bevor es wieder in den Anschlussstutzen 33 eingespeist wird. Nachdem das Kühlsystem des Niedertemperatur Hochgeschwin- digkeits-Flammspritzsystem aktiviert ist, wird das Kerosin-Sauerstoffgemisch mit einer in die Brennkammer 36 ragenden Spezial-Zündkerze 49 gezündet. Sauerstoff wird bei einem Zuströmdruck > 8 bar über Anschlussstutzen 27 zugeführt und gelangt über konzentrisch um die Zentralbohrung des Düsenträgers 20 angeordnete axiale Bohrungen und radial-axiale Druckausgleichskammern für Sauerstoff und Kerosin über eine Vielzahl von axial bzw. fokussierend in Strömungsrichtung angeordneten Bohrungen in die Brennkammer 36.
Über den Anschluss 26 wird Kerosin mittels einer Kraftstoffpumpe mit einem Zuströmdruck > 8 bar eingespeist und gelangt über die radial-axiale Druckausgleichskammer des Düsenträgers 20 über konzentrisch, axial um die Zentralbohrung des Düsenträgers 20 angeordnete Kanäle in mindestens vier Zerstäuberbohrungen des Mischblocks 17, die auf einem inneren Teilkreis konzentrisch fokussierend um die Zentralbohrung 20 mit Spezial-Zündkerze 49 angeordnet sind und in die Brennkammer 36 münden. In der Brennkammer 36 wird das fein zerstäubte Kerosin mit dem Sauerstoff gemischt und gezündet. Die bei der Verbrennung des Kerosin- Sauerstoffgemisches entstehende Hochgeschwindigkeitsflamme durchströmt die zentrale Austrittsbohrung der Brennkammer 36 und die Mischkammer X mit mindestens 2 Injektoren AI für nicht brennbares Gas und gelangt dann in den Bereich des Injektionssystems B2 für Pulverinjektoren 4 der injektorförmigen, wassergekühlten Expansionsdüse 5, wo die Flamme stirnseitig austritt.
Nach Zündung des Kerosin- Sauerstoffgemisches werden die jeweiligen Zuströmdrücke für das Kerosin und den Sauerstoff auf die Sollwerte größer 8 bar hochgefahren und das Mischungsverhältnis so gewählt, dass bei der Zündung des Gemisches eine stöchiometrische Verbrennung in der Brennkammer 36 stattfindet. Der Brennkammerdruck steigt dabei auf Werte größer 8 bis größer 20 bar an. Die extreme Gasexpansion bei der Verbrennung führt zu einem Hypersonic-Gasstrahl, der mit einer Gasstrahltemperatur von ca. 2 600 - 2 900° C aus der verengten Zentralbohrung der wassergekühlten Brennkammer 36, der Mischkammer X, und durch die zylindrisch- oder lavaldüsenförmig ausgebildete Expansionsdüsenbohrung 5 stirnseitig austritt.
Über die Injektoren AI können nicht brennbare Gase mit beliebigen Zuströmdrücken und Mengen in die zylindrische Mischkammer X in den hochenergetischen Hypersonic Flammenstrahl eingebracht werden, um diesen auf die gewünschte Temperatur abzusenken.
Der abgekühlte "HyperKinetic-Gasstrahl" besitzt nun die gewünschte Temperatur und strömt durch die zentrale Abgangsbohrung X, um dann die Expansionsdüsenbohrung 5 zu durchströmen und stirnseitig mit hohe kinetischer Strahlgeschwindigkeit von > 1.000 m/sec. auszutreten.
Die Spritzpulverzuführung in den "HyperKinetic-Gasstrahl" erfolgt über zwei oder mehrere radial zur Strahlrichtung zwischen der Abgangsbohrung X und der Expansionsdüsenbohrung 5 angeordnete Injektoren "B2" in die Expansionsdüse 5 in den "HyperKinetic-Gasstrahl", in dem das Pulver auf die Gasstrahltemperatur aufgeheizt und mit der kinetischen Energie des "HyperKinetic-Gasstrahls" von > 1.000 m/sec. auf die Substratoberfläche aufgeschossen wird, um eine superdichte oxidfreie, Spritzschicht mit hervorragender Interpartikelhaftung und exzellenter Anbindung an den Grundwerkstoff zu bilden.
Fig. 6, 7: Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Fig. 4, 5 bezeichnet. Ein alternativer Hoch- geschwindigkeitsflammspritzbrenner 50 weist eine Außen- schraubhülse 1, eine Steckhülse 6 und ein Gerätegehäuse
16 auf. Im Gerätegehäuse 16 sind ein Anschlussstutzen 28, ein Oxidationsgasanschlussstutzen 26 ein Brennstoffan- schlusssLutzen 27 und Kühlwasseranschlüsse 33, 34 an einem Geräteanschlussflansch 25 vorgesehen. Geräteanschlussflansch 25 ist mit Gerätegehäuse 16 verschraubt .
Im Gerätegehäuse 16 ist ein Mischblock 17 für die Mischung der Betriebsmedien, nämlich von flüssigen Brennstoffen mit mindestens einem Oxidationsgas, vorzugsweise Sauerstoff, enthalten. Eine Überwurfmutter 18 liegt axial an einem radial außen gelegenen Anschlag des Mischblocks
17 an und hält den Mischblock 17 gegen einen Mischblockträger 20, der koaxial im Geräteanschlussflansch 25 und im Gerätegehäuse 16 angeordnet ist. Zwischen Geräteanschlussflansch 25 und Gerätegehäuse 16 ist eine Verteilerplatte 22 für die Betriebskomponenten vorgesehen.
Vom Anschlussstutzen 28 führt koaxial durch den Mischblockträger 20 und Mischblock 17 anstelle von Verschleißschutzinsert 35 ein Injektor 53 für entmineralisiertes Wasser mit mindestens einer Düsenbohrung 52, die axial oder divergierend im Mündungsbereich zur Brennkammer 36 angeordnet ist. Mit Sauerstoffkanälen 58, 59 fluchtende achsial-radial gerichtete Mischdüsen 54, 55 münden in Brennkammer 36.
Zwischen Mischblock 17 und Mischblockträger 20 ist ein Ringkanal 60 für flüssige Brennstoffe, insbesondere Kerosin, angeordnet.
An die Brennkammer 36 schließt koaxial ein Expansionsdüsenrohr 5 an. Koaxial zu Expansionsdüsenrohr 5 ummantelt in der Außenschraubhülse 1 eine Zwischensteck- hülse 3 als Abgrenzung zwischen Kühlwasservor- und - rücklauf das Expansionsdüsenrohr 5. Außenschraubhülse 1 ist mit einer Außenschraubsteckhülse 6 verschraubt.
Eine Pressmutter 11 ist auf ein Gewinde im Gerätegehäuse 16 geschraubt und hält die Außenschraubsteckhülse 6 im Gerätegehäuse 16. Außenschraubsteckhülse 6 liegt an einer Flanschmutter 13 für die Befestigung der Brennkammer 36 an. Flanschmutter 13 ist in Gerätegehäuse 16 verschraubt. In die Außenschraubsteckhülse 6 sind Düsen 65, 66 eingeschraubt, die mit ihren Düsenköpfen in das Innere des Expansionsdüsenrohrs 5 münden. Durch die Düsen 65, 66 werden die Spritzzusatzwerkstoffe in den Hypersonicflammstrahl in der Expansionsdüse eingedüst. Die zur Montage der Düsen 65, 66 erforderliche Justierung zwischen Außenschraubsteckhülse 6 und Expansionsdüsenrohr 5 erfolgt mittels Zylinderstiften 38.
Der alternative Hochgeschwindigkeitsflammspritzbrenner 50 wird gezündet analog dem für Fig. 3 beschriebenen Verfahren, wobei die Injektion von entmineralisiertem Wasser durch Injektor 53 in die Brennkammer 36 vorzugsweise erst nach stabilem Brennzustand in der Brennkammer 36 erfolgt.
Fj g . 8 : Ein Plasmabrenner 6 enthält einen Anschluss 8 zum Einleiten von Plasmagasen, Stickstoff, Argon u. a., sowie Plasmagasgemischen mit Wasserstoffanfeilen. An ein Plasmabrennergehäuse 4 ist ein Heckanschluss 5 mit einen Kühlwassereingangs- und Stromanschluss (Minus Pol) 7 Kühlwasserrücklauf- und Stromanschluss (Plus Pol) 9, angeflanscht. Im Plasmabrennergehäuse 4 ist eine Wo fram- kathode 3 und eine Anode 10 angeordnet. Radial im Plasmabrennergehäuse 4 an der Anode 10 sind Pulvereinlassbohrungen für ein angeschlossenes Pulverzufuhranschluss- rohr 2 mit Anschlussgewinde für Spritzzusatzwerkstoffe vorgesehen. Die Kathode 10 weist eine plane Endfläche auf, mit einer zentralen Ausrittsbohrung für den Plasmastrahl (Plasmaflamme) . Zwischen der Kathode 3 und der Anode 10 wird der übertragende Plasmalichtbogen gezogen. Durch die Einengung der Anode 10 wird das durch die hocherhitzte Wol framkathode 3 sich ausdehnende Plasmagas stark beschleunigt und erhält dadurch Äusströmgeschwin- digkeiten in der Größenordnung von bis > ca. 800 m/sek.
Bei der Inbetriebnahme wird dem Plasmabrenner zunächst am Anschluß 7 Kühlwasser bei einem Zuströmdruck > 5 bar zugeführt. Das Kühlwasser gelangt über Kanäle, Radialbohrungen und Kühlwasserringräume des Plasmabrenners zum Kühlwasserabgangsanschluss 9. Durch die beschriebene Kühlwasserführung werden alle der Betriebstemperatur ausgesetzten Funktionsteile um die Brennkammer zwischen Kathode 3 und Anode 10 während des Betriebes optimal gekühlt. Nachdem der Kühlwasserkreislauf aktiviert ist, wird am Anschluss 7 und dem Anschluss 9 zunächst ein Hf Strom zugeführt und ein Pilotlichtbogen zwischen der negativ gepolten Wolframkathode 3 und der positiv gepolten Kupferanode 10 gezündet. Während dieser Operation wird gleichzeitig vom Anschluß 8 aus Plasmagas zwischen der Kathode 3 und der Anode 10 durchgeleitet und dabei ionisiert, d. h. elektrisch leitend gemacht, dann wird der Hauptstrom durch die Folgesteuerung eingeschaltet, der über das zwischen der negativ gepolten Kathode 3 und der positiv gepolten Anode 10 strömende, ionisierte Plasmagas von der Kathode 3 zur Anode 10 überspringt, so dass es zu einer extremen Expansion des Plamagases kommt und der zwischen der Kathode 3 und Anode 10 brennende Hochenergielichtbogen aus der Zentralbohrung geblasen wird, so dass eine hellleuchtend Plasmaflamme entsteht.
An der planen Endfläche liegt plan, gas- und flüssigkeitsdicht montiert eine Zusatzeinrichtung 1 an zur Aufrüstung des in FIG 1 Abb. 1 schematisch dargestellten Plasmabrenners zum Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits- Flammspritzsystem. Einander gegenüber liegende Injektoren 16 für fein zerstäubtes, entmineralisiertes Wasser münden in eine Kühlkammer 28 der Zusatzeinrichtung 1. Ein Injektionssystem mit Pulverinjektoren 20 für pulver- förmige Spritzzusatzwerkstoffe mündet in eine Mischkammer X, an die eine Expansionsdüse 29 mit einer zentralen Austrittsbohrung der Zusatzeinrichtung 1 anschließt
Der Plasmabrenner 6 wird eingeschaltet, indem zwischen der Wolframkathode 3 und der Kupferanode 10 ein Hochenergielichtbogen erzeugt wird, wodurch das zwischen der Kathode 3 und Anode 10 strömende, extrem expandierende Plasmagas stirnseitig aus dem Plasmabrenner 6 geblasen und über die Zentralbohrung 13 des Anschlussflansches 11 der Zusatzeinrichtung 1 in den zylindrischen Ringraum der Mischkammer 28 gelangt. Die Plasmastrahltemperatur beträgt zu diesen Zeitpunkt, je nach eingestellter Stromstärke und verwendetem Plasmagas > 5000 Grad K.
Beim Einmünden der Plasmaflamme in die Zusatzeinrichtung 1 über die Zentralbohrung 13 in den zylindrischen Ringraum der Mischkammer 28 wirkt sehr hohe Temperatur auf die betroffenen Baukomponenten. Die Innenwandung der Zentralbohrung 13 ist aus einem Wolframprofilteil 14 gefertigt, das aus wärmetechnischen Gründen mit Kupfer umgössen und alsdann auf Maß bearbeitet ist.
Nach dem Einschalten eines Kühlsystems durchströmt Kühlwasser mit einer Eingangstemperatur von ca. 18° C zunächst das Kühlsystem des Plasmabrenners 6 und mündet über Kühlwasserkanäle 12 und dem sich anschließenden Radialkühlwasserringraum über Radial/ Axialbohrungen 25 in den stirnseitig angeordneten Kühlwasserringraum 31, der u. a. stirnseitig von dem Schraubverschlussdeckel 24 mit der zentralen Austrittsbohrung 30 gebildet wird. Das Kühlwasser strömt dann mit einer Temperatur von max. 60° C über radial/axial angeordnete Kühlwasserkanäle 26, radial angeordnete Verteilernute 27 und radial/axial angeordnete Kühlwasserkanäle 31 wieder in das Kühlwassersystem des Plasmabrenners zurück zu einem Kühlblocksystem, wo es wieder auf ca. 18 Grad Celsius abgekühlt wird und der Kühlkreislauf aufs Neue beginnt.
Das Kühlsystem der Zusatzeinrichtung kann mit Zugangsbzw. Abgangsanschlüssen für Kühlwasser an den Kühlwasserzugang 12 und Kühlwasserrücklauf 32 (nicht dargestellt) an einen zusätzlich Kühlkreislauf bez. Kühlblocksystem angeschlossen werden.
Die Zusatzeinrichtung 1 kann aber auch so ausgelegt sein, daß sie einen eigenen, von dem zu adaptierenden Plasmabrenner 6 unabhängigen Kühlwasserkreislauf, mit eigenen Anschlüssen „Kühlwassereingang" 7 und „Kühlwasserausgang" 9 aufweist und für eine bestmögliche Kühlung des gesamten Systems 1, 6 durch ein separates Kühlblocksystem gespeist wird.
Bereits während des Zündvorganges des Plasmabrenners 6 durch Zünden des Hf - Pilotlichtbogens, öffnen der Magnetventile für die Plasmagase und dem Einschalten des Hauptstromes werden über einen oder mehrere Kühlmedieninjektoren 16 wahlweise nichtbrennbare Gase, wie z. B. Ar. He. N2, gasförmig oder tiefgekühlt, flüssig, oder Gasgemische, sowie feinzerstäubtes, entmineralisiertes Wasser, über eine Vielzahl von Radialbohrungen 16 mit austauschbaren Einspritzdüsen 33 mit verschiedenen Düsenbohrungsdurchmesser, in den Ringraum 28 bei einem Zuströmdruck von 1 - > 20 Bar injektiert, so dass die Gasstrahltemperatur des axial in den zylindrischen Ringraum 28 einströmende Hochenergie Plasmastrahls durch die injektierten Kühlmedien abgesenkt wird.
Zu dem Zeitpunkt zu dem die Plasmaflamme Ihre vorgegebene volle Leistung erreicht hat, wird über mindestens einen Injektor 16 soviel Kühlmedium über die radial angeordneten Düsensysteme eingespeist, bis die gewünschte, vorgewählte Gasstahltemperatur, sowie Gasstrahlgeschwindigkeit erreicht ist. Durch die jeweiligen Mengen und die Art der eingespeisten Kühlmedien kommt es beim Auftreffen auf den Plasmagasstrahl zu einer extremen Volumenexpansion der eingespeisten Kühlmedien, was zu einer enormen Beschleunigung > 2000 m/sec. des in seiner Temperatur abgesenkten Plasmagasstrahles führt. Der in seiner Temperatur abgesenkte, hoch beschleunigte Plasmagasstrahl durchströmt zunächst den gesamten Ringraum (Mischraum) 28 und mündet in die im Durchmesser reduzierte zylindrische Übergangsbohrung „X", um dann die im Durchmesser erweiterte Expansionsdüsenbohrung 29 zu durchströmen, um schlussendlich stirnseitig aus der Zentralbohrung 30 des Schraubverschlussdeckels 24 auszutreten. Über mindestens einen oder mehrere Pulverinjektoren 20 wird radial Spritzpulver, vorzugsweise in den Korngrößenbereichen -25p +10μm in den injektorartig ausgebildeten Übergang der Zylinderbohrung X in die Expansionsdüsenbohrung 29 in den in seiner Temperatur abgesenkten, beschleunigten Gasstrahl eingespeist. Die Spritzpulver- partikel werden von dem Gasstrahl hoch beschleunigt und erwärmen sich während der Verweilzeit - d. h. vom Eintreten in den Gasstrahl bis zum Auftreffen auf die Substratoberfläche - auf die vorgewählte Solltemperatur, wobei die Gasstrahltemperatur und -geschwindigkeit so vorgewählt wird, daß hochreaktive Spritzzusatzwerkstoffe, die eine sehr hohe Affinität zu Sauerstoff besitzen, während des Beschichtungsprozesses im Gasstrahl nicht oxidieren, d. h. keinen Sauerstoff aufnehmen. Die sich im auf Prozeßtemperatur abgestimmten, hochbeschleunigten Gasstrahl befindlichen Spritzpulverpartikel werden mit der hohen kinetischen Energie des Gasstrahle auf die Substratoberfläche geschossen, wo sie sich durch die extrem hohe Aufprallenergie plastisch verformen, wobei die Aufprallenergie der Spritzpartikel in Wärmeenergie umgewandelt wird, was zu einer sehr dichten, extrem porenarmen, oxidfreien Spritzschicht führt mit optimaler Anbindung an den Grundwerkstoff.
Fig. 9: Entsprechende Merkmale sind mit den Bezugszeichen aus Figur 6 bezeichnet. Zwischen dem Gehäuse der Brennkammer 36 und einer stirnseitigen Planfläche des Mischblocks 17 ist eine als sogenannter "Wills Ring" ausgebildete C-förmige Metalldichtung 67 vorgesehen für erhöhte Drücke und Temperaturen beim Betrieb des Hochgeschwindigkeitsflammspritzbrenners 50.

Claims

Ansprüche
1. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem zum thermischen Spritzen von pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen mit mindestens einem Anschluß (1, 3, 9, 26, 27, 44) zum Einleiten von Betriebsmedien aus gasförmigen und flüssigen Brennstoffen in eine Brennkammer (30, 36) , wobei dieser mindestens eine Anschluß so ausgebildet ist, daß flüssiger und gasförmiger Brennstoff und Oxidationsgas jeweils separat in die Brennkammer (30, 36) geführt werden können, und einer Expansionsdüse (5, 26) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß stromabwärts der Brennkammer (30, 36) eine zusätzliche Kammer als Mischkammer (28, X) mit einem Injektionssystem (2, 43, AI) für nichtbrennbare Gase und/oder Wasser vorgesehen ist, die Temperatur des aus der Brennkammer ausströmenden und in die Mischkammer einströmenden Hypersonic Flammstrahl mit einer Gastemperatur von ca. 1600 - 3,165° C, durch Zumischen nichtbrennbarer Gase und/oder Wasser mit einer Gastemperatur, die der Entnahmetemperatur aus Stahlflaschen, Flaschenbündel oder Tankanlagen entspricht, einstellbar absenkbar ist, und der Mischkammer (28, X) mindestens zwei Injektoren (22) zum Einleiten von pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen und die Expansionsdüse (5, 26) nachgeschaltet sind.
2. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritz- system zum thermischen Spritzen von pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Injektor (53) vorgesehen ist, durch den vorzugsweise fein zerstäubtes Wasser separat in die Brennkammer (30, 36) geführt werden kann, und der Brennkammer (30, 36) mindestens zwei Injektoren (22) zum Einleiten von pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen und die Expansionsdüse (5, 26) nachgeschaltet sind.
3. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Injektionssystem (2, 43, AI) mindestens einen radial- und/oder axial in Strömungsrichtung angeordneten Zuführungskanal aufweist, durch den mit steuerbarem Zuströmdruck die nichtbrennbaren Gase und/oder Wasser zuführbar sind.
4. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht- brennbaren Gase Argon, Helium, Stickstoff sind sowie Formiergase, die mengen- und druckmäßig steuerbar sind.
5. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den aus der Mischkammer (28, X) in die nachgeschaltete, wahlweise zylindrisch, konisch und/oder lavaldüsenförmig ausgebildete Expansionsdüse (5, 26) einströmenden, auf seine Solltemperatur abgekühlten Gasstrahl aus mindestens zwei, radialen oder mit eingestelltem Winkel zwischen ca. 45° bis 90° der Mischkammeraustrittsmündung nachgeordneten Injektoren mit dem entsprechenden pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoff beschickbar ist.
6. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zuströmdrücke der gasförmigen- und/oder flüssigen Brennstoffe, wie der nichtbrennbaren Kühlgase, zwischen ca. 5-> 20 bar, sowie Primär- und Mischkammerdrücke in der gleichen Größenordnung sind.
7. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einen Endquerschnitt eines Hochgeschwindigkeits-Flammspritz- systems einander gegenüberliegende Injektoren (AI) für nichtbrennbares Gas vorgesehen sind, die mit einem Einsatz des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystems montierbar sind, der nach einem Durchlass eine Mischkammer (X) zu einer Expansionsdüse (5) mit einem In ektionssystem B2 für Pulverinjektoren aufweist.
8. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzzusatzwerkstoffe z.B. Cr-Stahl, CrNI-Stahl, sowie die Superlegierungen "M-CrAIY" und fluorhaltige Kunststoffe, wie z. B. Teflon, Halar, sowie metallisch, karbidische und/oder oxidkeramische, pulverförmige Werkstoffe mit Anteilen von fluorhaltigen Kunststoffen von > 5% - > 30% Gewichtsanteilen sind.
9. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mass Flow Meter vorgesehen ist, der bei steigendem Gegendruck in der Brennkammer durch expandierende Kühlmittelzugaben nach der Austrittsöffnung der Brennkammer die Strömungsmenge der gasförmigen- bzw. flüssigen Brennstoffen mit Oxidationsgasen auf einem vorher eingestellten Wert regelt .
10. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Störungen der Regelung vom Mass Flow Meter akustisch und/oder optisch anzeigbar sind.
11. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Zuströmdrücke des fein zerstäubten, entmineralisierten Wassers zwischen ca. 3-> 15 bar sind.
12. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (53) mit mindestens einer axial oder fokussierend im Mündungsbereich zur Brennkammer (36) angeordneten, feinen Zerstäuberdüsenbohrung (52) versehen ist.
13. Niedertemperatur Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gehäuse der Brennkammer (30, 36) und vorzugsweise einer stirnseitigen Planfläche eines Mischblocks (17) mindestens eine Metalldichtung (67) vorgesehen ist.
14. Zusatzeinrichtung (1) zum Niedertemperatur-Hochgeschwin- digkeits-Spritzen von pulverförmigen Spritzzusatzwerkstoffen, die an einen Plasmabrenner (1) montierbar ist und eine Kammer (28, X), z. B. als Misch- oder Kühlkammer, ein Injektionssystem (16) für Wasser oder nicht brennbare Gase in eine Kammer (28, X), Injektoren (20) für pulverförmige Spritzzusatzwerkstoffe und eine der Kammer (28, X) nachgeschaltete Expansionsdüse (29) aufweist .
15. Zusatzeinrichtung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein auswechselbarer Injektor des Injektorsystems (16) vorgesehen ist, durch den fein zerstäubtes, entmineralisiertes Wasser in die Kammer (28) zuführbar ist.
16. Zusatzeinrichtung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektoren (20) für pulverförmige Spritzzusatzwerkstoffe dem mindestens einen Injektor des Injektorsystem (16) nachgeschaltet sind.
17. Zusatzeinrichtung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für den mindestens einen Injektor des Injektionssysterα (16) auswechselbare Einspritzdüsen verschiedener Düsenbohrungsdurchmesser vorgesehen sind.
18. Zusatzeinrichtung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (28, X) mit einer Innenwandung (14) versehen ist aus einem mit Kupfer umgossenen, maßgenau bearbeiteten Wolframprofilteil .
19. Zusatzeinrichtung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Zugangs- und Abgangsanschlüsse für Kühlwasser eines zusätzlichen Kühlkreislaufs vorgesehen sind.
20. Zusatzeinrichtung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Kühlkreislauf an den Kühlkreislauf des Plasmabrenners anschließbar ist.
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