EP1644548A1 - Verfahren zum plasmaspritzen sowie dazu geeignete vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum plasmaspritzen sowie dazu geeignete vorrichtung

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Publication number
EP1644548A1
EP1644548A1 EP04738669A EP04738669A EP1644548A1 EP 1644548 A1 EP1644548 A1 EP 1644548A1 EP 04738669 A EP04738669 A EP 04738669A EP 04738669 A EP04738669 A EP 04738669A EP 1644548 A1 EP1644548 A1 EP 1644548A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plasma
powder
substrate
jet
particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04738669A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens-Erich DÖRING
Roberto Siegert
Robert Vassen
Detlev STÖVER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1644548A1 publication Critical patent/EP1644548A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying
    • 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
    • C23C4/123—Spraying molten metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B12/00—Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area
    • B05B12/16—Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area for controlling the spray area
    • 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
    • B05B7/22—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 electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc
    • B05B7/222—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 electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using an arc
    • B05B7/226—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 electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using an arc the material being originally a particulate material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a method for plasma spraying, in particular a method for suspension plasma spraying, and a device suitable therefor.
  • Plasma spraying has gained the greatest importance for the production of surface spray coatings with specific properties from all thermal spray processes.
  • the process uses a gas-stabilized arc with a high energy density that burns on a centrically arranged, water-cooled copper anode in a nozzle.
  • This heats an inert gas stream to very high temperatures via ionization and recombination reactions.
  • the inert gas stream comprises, for example, a mixture of argon, helium, nitrogen or hydrogen.
  • the added plasma gas ionizes to the plasma and leaves the burning nozzle at high speeds of around 300-700 m / s and at temperatures from 15000 to 20,000 K.
  • a powdered coating material is introduced into this high-energy plasma jet by means of a carrier gas via feed channels. There it is melted and hurled onto the substrate at high speed.
  • all materials and material mixtures that do not sublimate and do not decompose thermally are suitable for coating. These include in particular metals, metal alloys, MCrAlY powder (metal-chromium-aluminum-yttrium), iron-based powder, ceramic powder, carbide-based powder, hydroxylapathite powder and powder for running-in layers.
  • the coating material is generally used with a grain size distribution between 22 ⁇ 5 ⁇ m and 125 ⁇ 45 ⁇ m.
  • suspension plasma spraying SPS
  • a suspension with small particles ( ⁇ 10 ⁇ m) or very small particles ( ⁇ 100 nm) is introduced radially into the plasma arc.
  • the introduction of the suspension into the arc takes place via an atomizing nozzle with a pressurized gas, for. B. compressed air, nitrogen or argon.
  • a pressurized gas for. B. compressed air, nitrogen or argon.
  • the suspension is atomized into very fine droplets. Due to the plasma discharge, the suspension solution suddenly evaporates and the small solid particles are aggregated into partially or completely melted drops, accelerated and impact the substrate to form a layer there.
  • Suspension plasma spraying can advantageously be used for coatings of both ceramic and metallic materials, very fine, dense spherical particles being used in each case.
  • the very fine particles used can be protected against decomposition, evaporation in plasma or, in the case of pure metals, against oxidation by being surrounded by a fine film of liquid.
  • the suspension can be chosen such that a chemical reaction between the suspension liquid and the particles only takes place in the plasma. It is also possible to use precursors that decompose in contact with the plasma. This makes it possible to synthesize an advantageous ceramic or a composite material directly in the plasma.
  • HA Ca X o (P0 4 ) e (OH) 2
  • SPS suspension plasma spray process
  • Is bone and can be applied, for example, to an oxide ceramic using this method.
  • SPS suspension plasma spraying process
  • the general advantage of the suspension plasma spraying process (SPS) over conventional powder processes lies in the simplicity of the process, in which the coating material is atomized, dried, melted and attached to the corresponding one step
  • a disadvantage of this method is the overspray that generally occurs.
  • “Overspray” means the proportion of the coating material in the particle beam that leaves the area of the heat source - and thus the particle beam - laterally prematurely or does not even reach it premature cooling of the coating material (sprayed material)
  • these particles either do not even get onto the substrate to be coated (scrap) or they are incorporated into the layer to a not inconsiderable extent.
  • the layer components formed by overspray regularly lead to an inhomogeneous layer structure, which results in increased porosity. As a result, these layers disadvantageously have a reduced adhesive strength and thus a lower mechani stability.
  • the object of the invention is to provide a coating method in which the advantages of suspension plasma spraying can be used, but the disadvantages are significantly reduced by the overspray which is known from the prior art. Furthermore, it is the object of the invention to provide a device with which this method can be carried out.
  • Overspray in a plasma spray process can be significantly reduced or even prevented.
  • the new method regularly prevents the particles that diverge from the plasma jet from either not contributing to the coating or from contributing to a poor coating.
  • at least one agent is used which has the effect that the trajectory of the particles diverging from the plasma jet (overspray) is changed in such a way that these particles are either directed back into the plasma jet and / or are derived to such an extent that they no longer strike the substrate to be coated.
  • the divergent particles are masked out from the plasma particle beam.
  • a nozzle attachment in the form of an orifice is advantageously introduced into the particle steel in such a way that the axis of the orifice and the particle beam form a line.
  • the diaphragm is arranged between the nozzle opening of the plasma torch and the substrate to be coated.
  • the aperture corresponds at least to the diameter of the nozzle or the diameter of the initial plasma particle beam. This usually has a diameter of 6 to 10 mm.
  • the aperture should not exceed twice the nozzle diameter.
  • the distance between the diaphragm and the plasma nozzle can be variably adjusted within a certain range. It is possible to arrange the orifice directly at the nozzle opening or at a distance, the distance not to exceed the length of the plasma free steel.
  • An advantageous distance is, for example, between 5 and 30 mm from the nozzle opening.
  • the injection device is preferably integrated in the orifice.
  • the outer dimensions of the screen are advantageously between 40 and 90 mm. However, they can be more than 120 mm, in particular for the function of the blanking.
  • the length of the screen depends on the geometry of the screen. It is regularly between 10 and 70 mm, in particular between 15 and 40 mm. It has been found that the length of the plasma free steel is advantageously increased by using an aperture.
  • high-melting materials such as graphite or stainless steel, have proven to be suitable materials for the screen.
  • the embodiment in the form of a nozzle attachment can be made in one piece or in several pieces.
  • a possible embodiment provides, for example, a two-part design.
  • Various aperture inserts with different geometries made of graphite, tungsten, boron carbide or also TZM, MHC, SiC, CFC, SiC / SiC and others are arranged in an outer aperture ring with or without cooling.
  • the advantage lies in the fixed arrangement of the outer aperture ring in relation to the plasma torch.
  • the insert (cover) can be changed in a simple manner without having to readjust the entire arrangement.
  • a water-cooled aperture ring is introduced into the particle beam, in the middle of which different inserts (apertures) close to the axis can be arranged.
  • the axes of the orifice and the burner form a line.
  • the distance between the orifice and the burner and the orifice opening are adjusted according to the performance of the burner.
  • a variable spacing system using guide rods allows the spacing of the orifice system from the burner nozzle to be additionally adapted to the aerodynamic conditions.
  • the distance between the burner nozzle and the orifice can be changed during the experiment using actuators to achieve gradations in the microstructure.
  • particles with a trajectory remote from the axis are masked out of the jet cone of the sprayed material in order to set well-defined particle properties.
  • a tubular bushing is inserted into the aperture ring, which does not have a convergent, focusing geometry, but rather has a separating function, so that particles that do not fly through the opening are hidden on the aperture ring.
  • the baffle of the orifice ring should be aerodynamically adapted to the flow field of the burner, so that no reflection of particles at the orifice can take place back into the particle beam.
  • those particles which diverge from the plasma free jet but do not move too far away from it are reflected back into the plasma free jet through a funnel-shaped opening in the socket. In this way, these particles are returned to the particle beam.
  • the configuration can take on both a single and a double funnel shape.
  • a U-profile is adapted to the holder of a Sulzer Metco F4VB plasma torch as a holder for guide rods.
  • the aperture ring is attached to these guide rods at a defined distance in the range of 30 - 50 mm from the burner opening.
  • the bezel ring will consist of a solid copper ring, which should have an internal thread in the middle, so that different inside diameters can be achieved simply by replacing the screwed-in bush (bezel).
  • the dimensions of the socket are in the order of magnitude of the nozzle opening of the burner (6 - 10 mm).
  • the bushing can be made from wear-resistant materials such as tungsten and boron carbide.
  • the aperture ring is cooled by an internal or external cooling coil that is connected to a 600 kPa water cooling circuit is connected. During the coating process, the entire structure is moved over the component so that the overspray can be permanently hidden.
  • FIG. 1 shows the dependency of the speed (triangles) and the temperature (squares) of the particles in the plasma jet as a function of the distance of the particles from the plasma nozzle.
  • An undisturbed plasma jet shows a clear decrease in the temperature and the speed of the particles with increasing distance from the nozzle.
  • the temperatures drop from over 6000 K to approx. 4000 K at a distance of 50 mm and to just under 3500 K at a distance of approx. 60 mm.
  • the filled symbols indicate the temperature and the speed of particles that have flown through an aperture or a nozzle attachment.
  • Distance of the nozzle attachment from the nozzle 30 mm
  • length of the nozzle attachment 50 mm
  • inlet panel 30 mm
  • outlet cross section 10 mm
  • taper angle 13 °.
  • FIG. 2 schematically shows some selected, particularly suitable, embodiments of a nozzle attachment (orifice) as a means of preventing overspray.
  • the above-mentioned screen geometries are only representative of a large number of options.
  • all further screens and arrangements are included which have the same mode of operation as the aforementioned screens.
  • the mode of action includes the masking of overspray particles and / or the returning of overspray particles to the plasma jet.
  • the integrated injection arrangement can be selected independently of the chosen geometry of the orifice.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit einem Pulver mit Hilfe eines ther­mischen Spritzverfahrens, bei dem das Pulver in einen Plasmastrahl eingebracht und mit Hilfe des Plasmas auf das Substrat aufgebracht wird. Erfindungsgemäss wird zumindest ein Teil des aus dem Plasmastrahl divergie­renden Pulvers durch ein Mittel vom Substrat abgeleitet und/oder wieder in den Plasmastrahl geleitet. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrich­tung zum Ableiten und/oder Fokussieren eines Anteils aus einem Pulverstrahl weist ein Mittel zum Ableiten und/oder Fokussieren von Teilchen, welches die Form eines Hohlzylinders aufweist und Graphit und/oder Edel­ stahl umfasst, auf. Das Mittel weist einen minimalen inneren Durchmesser zwischen 5 und 30 mm, insbesondere zwischen 10 und 20 mm und eine Länge von 5 bis 80, ins­besondere zwischen 10 und 50 mm auf. Die innere und/oder äussere Oberfläche des Mittels weist eine der­ artig gekrümmte Oberflächengeometrie auf, dass es aus einem eingebrachten Pulverstrahl, divergierende Pulver­teilchen abzuleiten und/oder zu fokussieren vermag.

Description

B e s c h r e i b u n g Verfahren zum Plasmaspritzen sowie dazu geeignete Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasmaspritzen, insbesondere ein Verfahren zum Suspensions- Plasmaspritzen, sowie eine dazu geeignete Vorrichtung.
Stand der Technik
Das Plasmaspritzen hat zur Herstellung von Oberflächen- Spritzschichten mit spezifischen Eigenschaften von allen thermischen Spritzverfahren die grösste Bedeutung erlangt. Als Wärme- und Energiequelle benutzt das Ver- fahren einen an einer zentrisch angeordneten, wassergekühlten Kupferanode in einer Düse brennenden, gasstabilisierten Lichtbogen mit hoher Energiedichte. Dieser erhitzt einen inerten Gasstrom über Ionisations- und deren Rekombinations-Reaktionen auf sehr hohe Tempera- turen. Der inerte Gasstrom umfasst beispielsweise eine Mischung aus Argon, Helium, Stickstoff oder Wasserstoff. Das zugefügte Plasmagas ionisiert zum Plasma und verlässt die Brenndüse mit hohen Geschwindigkeiten von etwa 300-700 m/s und bei Temperaturen von 15000 bis 20000 K. In der Regel wird ein pulverförmiger Beschich- tungswerkstoff mittels eines Trägergases über Zufuhrkanäle in diesen energiereichen Plasmastrahl eingebracht . Dort wird er aufgeschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat geschleudert .
Um eine Fläche zu beschichten wird der Plasmabrenner in der Regel mit einer definierten Lineargeschwindigkeit bewegt und seitlich versetzt. Ein üblicher Wert für die Lineargeschwindigkeit ist beispielsweise v = 0,5 m/s. Infolge der sehr hohen Plasmatemperaturen, die bei einem Ar/H2 Plasma, in welches 40 kW eingekoppelt werden, bei ca. 10000 K liegen, eignen sich zur Beschichtung alle Materialien und Materialmischungen, die nicht sub- limieren und sich nicht thermisch zersetzen. Dazu gehören insbesondere Metalle, Metalllegierungen, MCrAlY- Pulver (Metall-Chrom-Aluminium-Yttrium) , Eisen-Basis Pulver, keramische Pulver, Karbid-Basis Pulver, Hydro- xylapathit Pulver und Pulver für Einlaufschichten. Das Beschichtungsmaterial wird in der Regel mit einer Korngrößenverteilung zwischen 22 ± 5 μm und 125 ± 45 μm eingesetzt .
Auf dem Gebiet des Plasmaspritzens sind in den letzten Jahren verschiedene Verfahrensvarianten entwickelt worden. Sie basieren alle auf den Grundlagen des beschriebenen Verfahrens und unterscheiden sich vor allem durch die Umgebungsbedingungen, beispielsweise in Atmosphäre (APS) oder im Vakuum (VPS) . Sie wurden zum Teil für bestimmte Anwendungen oder besondere Spritzwerkstoffe entwickelt .
Eine der neuesten Entwicklungen ist das Suspensi- onsplasmaspritzen (SPS) , bei dem eine Suspension mit kleinen Partikeln (< 10 μm) oder auch sehr kleinen Partikeln (< 100 nm) radial in den Plasmabogen eingeleitet wird. Die Einleitung der Suspension in den Lichtbogen erfolgt dabei über eine Zerstäuberdüse mit einem unter Druck gesetzten Gas, z. B. Druckluft, Stickstoff oder Argon. Es ist aber auch möglich, die Suspension direkt über einen geeigneten Injektor in den Plasmafreistrahl einzubringen. Die Suspension wird dabei in feinste Tröpfchen zerstäubt. Durch die Plasmaentladung kommt es schlagartig zur Verdunstung der Suspensionslösung und die kleinen festen Partikel werden in teilweise oder ganz geschmolzene Tropfen zusammengeballt, beschleunigt und prallen auf das Substrat um dort eine Schicht auszubilden.
Das Suspensionsplasmaspritzen kann vorteilhaft für Be- Schichtungen sowohl aus keramischen als auch aus metallischen Materialien eingesetzt werden, wobei jeweils sehr feine, dichte sphärische Partikel eingesetzt werden. Es gibt einige Vorteile, die für ein Suspensi- onsplasmaspritzverfahren sprechen. Beispielsweise kön- nen die eingesetzten sehr feinen Partikel gegen Zersetzung, Verdampfung im Plasma oder im Fall von reinen Metallen gegen Oxidation dadurch geschützt werden, dass sie von einem feinen Flüssigkeitsfilm umgeben sind. Ferner kann die Suspension derart gewählt werden, dass eine chemische Reaktion zwischen der Suspensionsflüssigkeit und den Partikeln erst im Plasma stattfindet. Zudem ist der Einsatz von Precursoren möglich, die sich im Kontakt mit dem Plasma zersetzen. Dadurch wird es möglich, eine vorteilhafte Keramik oder einen Komposit- Werkstoff direkt im Plasma zu synthetisieren.
Als Beispiel für den Einsatz eines Suspensionsplas- maspritz-Verfahrens (SPS) kann die erfolgreiche Synthese von (HA = CaXo (P04) e (OH) 2) genannt werden. HA ist ein Biomaterial, welches kompatibel zu den menschlichen
Knochen ist, und über dieses Verfahren beispielsweise auf eine oxidische Keramik aufgebracht werden kann. Der generelle Vorteil des Suspensionsplasmaspritz- verfahrens (SPS) gegenüber herkömmlichen Pulververfahren liegt in der Einfachheit des Verfahrens, bei dem in einem Schritt das Beschichtungsmaterial zerstäubt, ge- trocknet, aufgeschmolzen und an der entsprechenden
Stelle wieder verfestigt wird. Und all dies erfolgt in weniger als 10 Millisekunden.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist der in der Regel dabei auftretende Overspray. Unter „Overspray" ist der Anteil des Beschichtungsmaterials im Teilchenstrahl gemeint, der den Bereich der Wärmequelle - und damit den Teilchenstrahl - vorzeitig seitlich verlässt oder gar nicht erst erreicht. Dadurch kommt es zu einem ver- minderten oder gar nicht stattfindenden Aufschmelzen oder auch zu einem vorzeitigen Abkühlen des Beschichtungsmaterials (Spritzgut) . Je nach Wahl des Verfahrens gelangen diese Teilchen entweder gar nicht erst auf das zu beschichtende Substrat (Ausschuss) oder sie werden zu einem nicht unerheblichen Anteil in die Schicht eingebaut. Zudem kann es durch das Bestrahlen der Schicht- Oberfläche mit Teilchen aus dem Overspraybereich zur Erosion der neu gebildeten Oberfläche kommen. Die von Overspray gebildeten Schichtbestandteile führen regel- mäßig zu einer inhomogenen Schichtstruktur, die eine erhöhte Porosität zur Folge hat. Damit einhergehend weisen diese Schichten nachteilig eine verminderte Haftfestigkeit und somit eine geringere mechanische Stabilität auf. Aufgabe und Lösung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Beschichtungsverfah- ren zur Verfügung zu stellen, bei dem zwar die Vorteile des Suspensionsplasmaspritzens genutzt werden können, jedoch die Nachteile durch den aus dem Stand der Technik bekannten auftretenden Overspray deutlich reduziert werden. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung bereit zu stellen, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann.
Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß des Hauptanspruchs, sowie durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens und der Vorrichtung finden sich in den jeweils auf diese Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen wieder.
Gegenstand der Erfindung Im Rahmen dieser Erfindung wurde gefunden, dass der
Overspray bei einem Plasmaspritzverfahren deutlich verringert oder sogar verhindert werden kann. Im Gegensatz zum bislang eingesetzten Verfahren des Plasmaspritzens, wird durch das neue Verfahren regelmäßig verhindert, dass die dem Plasmastrahl divergierenden Teilchen entweder keinen Beitrag zur Beschichtung liefern, oder aber zu einer schlechten Beschichtung beitragen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest ein Mittel eingesetzt, welches bewirkt, dass die Flugbahn der aus dem Plasmastrahl divergierenden Teilchen (Overspray) derart verändert wird, dass diese Teilchen entweder wieder zurück in den Plasmastrahl geleitet werden und/oder so weit abgeleitet werden, dass sie nicht mehr auf das zu beschichtende Substrat treffen. Im ersten Fall spricht man von einer Rückreflexion der divergierenden Pulverteilchen in den Plasmateil- chenstrahl, im zweiten Fall werden die divergierenden Teilchen aus dem Plasmateilchenstrahl ausgeblendet.
Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als geeignetes Mittel insbesondere ein Düsenvorsatz in Form einer Blende derart in den Teilchenstahl eingebracht, dass die Achse der Blende und des Teilchenstrahls eine Linie bilden. Die Blende ist zwischen Düsenöffnung des Plasmabrenners und dem zu beschichtenden Substrat angeordnet. Die Blendenöffnung entspricht min- destens dem Durchmesser der Düse bzw. dem Durchmesser des anfänglichen Plasmateilchenstrahls. Dieser weist in der Regel einen Durchmesser von 6 bis 10 mm auf. Die Blendenöffnung sollte den zweifachen Düsendurchmesser nicht überschreiten. Der Abstand der Blende von der Plasmadüse kann in einem gewissen Bereich variabel eingestellt werden. Möglich ist sowohl eine Anordnung der Blende direkt an der Düsenöffnung als auch in einem Abstand, wobei der Abstand die Länge des Plasmafreistahls nicht überschreiten soll. Ein vorteilhaf- ter Abstand beträgt beispielsweise zwischen 5 und 30 mm von der Düsenöffnung. Im Fall einer direkt an der Düsenöffnung angeordneten Blende ist vorzugsweise die Injektionsvorrichtung mit in der Blende integriert. Die äußeren Abmessungen der Blende liegen vorteilhaft zwi- sehen 40 und 90 mm. Sie können aber insbesondere für die Funktion der Ausblendung mehr als 120 mm betragen. Die Länge der Blende ist abhängig von der Geometrie der Blende. Sie beträgt regelmäßig zwischen 10 und 70 mm, insbesondere zwischen 15 und 40 mm. Es hat sich herausgestellt, dass die Länge des Plasmafreistahls durch den Einsatz einer Blende vorteilhaft vergrößert wird.
Als für die Blende geeignetes Material haben sich insbesondere hochschmelzende Materialien, wie Graphit oder Edelstahl herausgestellt.
Die Ausführungsform in Form eines Düsenvorsatzes kann sowohl einstückig als auch mehrstückig ausgefertigt sein. Eine mögliche Ausführungsform sieht beispielsweise eine zweiteilige Ausgestaltung vor. Dabei werden in einen äußeren Blendenring mit oder ohne Kühlung, wahlweise verschiedene Blendeneinsätze mit unterschiedlichen Geometrien aus Graphit, Wolfram, Borcarbid oder auch TZM, MHC, SiC, CFC, SiC/SiC und anderen angeordnet. Der Vorteil liegt in der festen Anordnung des äu- ßeren Blendenringes in Bezug zum Plasmabrenner. Bei unterschiedlichen Anforderungen kann auf einfache Weise der Einsatz (Blende) entsprechend gewechselt werden, ohne die gesamte Anordnung neu justieren zu müssen.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren und einem Anwendungsbeispiel näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch besehränkt wird.
In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens, bzw. einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird ein wassergekühlter Blendenring in den Teilchenstrahl eingebracht, in dessen Mitte unterschiedliche achsnahe Einsätze (Blenden) angeordnet werden können. Die Achsen der Blende und des Brenners bilden dabei eine Linie . Der Abstand der Blende zum Brenner und die Blendenöffnung werden entsprechend der Leistung des Brenners angepasst. Zudem wird durch ein variables Abstandssystem durch FührungsStangen eine Variation des Abstandes des Blendensystems von der Brennerdüse eine zusätzliche Anpassung an die aerodynamischen Verhältnisse möglich. Der Abstand zwischen Brennerdüse und Blende kann über Aktuatoren noch während des Versuchs verändert werden, um Gradierungen der MikroStruktur zu erreichen.
I . Ausblendende Geometrie der Buchse (Röhrenprinzip)
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung werden zur Einstellung wohldefinierter Teilcheneigenschaften Teilchen mit einer achsfernen Flugbahn aus dem Strahlkegel des Spritzguts ausgeblendet. Dazu wird eine rohr- förmige Buchse in den Blendenring eingesetzt, der keine konvergente, fokussierende Geometrie aufweist, sondern eine separierende Funktion besitzt, so dass Teilchen, die nicht durch die Öffnung fliegen, am Blendenring ausgeblendet werden. Die Prallfläche des Blendenrings sollte aerodynamisch an das Strömungsfeld des Brenners angepasst werden, damit keine Reflexion von Teilchen an der Blende zurück in den Teilchenstrahl erfolgen kann. II. Reflektierende Geometrie der Buchse (Trichter) in Richtung der Strahlachse
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden zur Erhöhung der Effizienz der Abscheidung diejenigen Teilchen, die zwar aus dem Plasma-Freistrahl divergieren sich aber nicht zu weit von diesem entfernen, durch eine trichterförmige Öffnung der Buchse wieder zurück in den Plasma-Freistrahl reflektiert. Auf diese Weise werden diese Teilchen dem Teilchenstrahl wieder zugeführt. Dabei kann die Ausgestaltung sowohl eine einfache, als auch eine doppelte Trichterform annehmen.
Anwendungsbeispiel An die elektrisch isolierte Halterung eines Sulzer Met- co F4VB-Plasmabrenners wird ein U-Profil als Aufnahme für FührungsStangen adaptiert. Auf diesen Führungsstangen wird der Blendenring in definiertem Abstand im Bereich von 30 - 50 mm von der Brenneröffnung befestigt. Der Blendenring wird aus einem massiven Kupferring bestehen, der in der Mitte ein Innengewinde aufweisen soll, damit unterschiedliche Innendurchmesser einfach durch Austausch der eingeschraubten Buchse (Blende) erfolgen können. Die Abmessungen der Buchse liegen in der Größenordnung der Düsenöffnung des Brenners (6 - 10 mm) . Zudem sind Wartungsarbeiten an dieser stark thermisch und erosiv beanspruchten Innenfläche des Rings schnell möglich. Die Buchse kann aus Verschleiß beständigeren Materialien wie Wolfram und Borcarbid gefertigt sein. Die Kühlung des Blendenrings wird durch eine innen liegende oder von aussen aufgelötete Kühlschlange ausgeführt, die an einen 600 kPa Wasser-Kühlkreislauf angeschlossen wird. Während des Beschichtungsvorgangs wird der gesamte Aufbau über dem Bauteil verfahren, so dass eine permanente Ausblendung des Oversprays realisiert werden kann.
In Figur 1 wird die Abhängigkeit der Geschwindigkeit (Dreiecke) und der Temperatur (Quadrate) der Teilchen im Plasmastrahl in Abhängigkeit von dem Abstand der Teilchen von der Plasmadüse wiedergegeben.
Bei einem ungestörten Plasmastrahl (leere Symbole) zeigt sich eine deutliche Abnahme der Temperatur und der Geschwindigkeit der Teilchen mit größer werdendem Abstand von der Düse. Die Temperaturen sinken von über 6000 K auf ca. 4000 K bei einem Abstand von 50 mm und auf knapp 3500 K bei einem Abstand von ca. 60 mm.
Die ausgefüllten Symbole kennzeichnen die Temperatur und die Geschwindigkeit von Teilchen, die eine Blende, bzw. einen Düsenvorsatz durchflogen haben. Abstand des Düsenvorsatzes von der Düse: 30 mm, Länge des Düsenvorsatzes: 50 mm, Eintrittsblende: 30 mm, Austrittsquerschnitt: 10 mm, Verjüngungswinkel : 13°.
In der Figur 2 sind schematisch einige ausgewählte, besonders geeignete, Ausführungsformen eines Düsenvorsatzes (Blende) als Mittel zur Verhinderung von Overspray dargestellt . Dabei bedeuten
1 Achse des Plasma-Teilchenstrahls
2 hohlzylindrisches Mittel
3 äußere Oberfläche 4 innere Oberfläche
5 Integrierte Injektionsdüse
Die einzelnen Ausführungsformen stellen dabei dar:
2a) eine einfache Blende, deren Eintrittsfläche dem Strömungsfeld angepasst wird, und hauptsächlich dem Ausblenden des Oversprays dient , 2b) eine Blende mit gerader Bohrung, 2c) eine Blende mit konvergierendem Trichter und mit einer optionalen, sich anschließender parallelen Führung, 2d) eine Blende mit einer fokussierenden-defokussie- renden DeLaval-Geometrie, 2e) eine Blende mit integrierter Injektion, beispielsweise um die Düse direkt vor dem Brenner anzuordnen.
Die vorgenannten Blendengeometrien sind nur stellver- tretend für eine Vielzahl von Möglichkeiten aufgeführt. Im Rahmen der Erfindung sind alle weiteren Blenden und Anordnungen mit umfasst, die dieselbe Wirkungsweise wie die vorgenannten Blenden aufweisen. Die Wirkungsweise umfasst dabei das Ausblenden von Oversprayteilchen und/oder das Zurückführen von Oversprayteilchen in den Plasmastrahl. Beispielsweise kann die integrierte Injektionsanordnung, unabhängig von der gewählten Geometrie der Blende, ausgewählt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit einem Pulver mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens, bei dem Pulver in einen Plasmastrahl ein- gebracht und mit Hilfe des Plasmas auf das Substrat aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des aus dem Plasmastrahl divergierenden Pulvers durch ein Mittel vom Substrat ab- geleitet und/oder wieder in den Plasmastrahl geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Ableitblende als Mittel eingesetzt wird, welches einen Teil des aus dem Plasmastrahl divergierenden Pulvers vom Substrat ableitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, bei dem eine Leitblende als Mittel eingesetzt wird, welches einen Teil des aus dem Plasmastrahl divergierenden Pulvers wieder in das Plasma leitet.
4. Vorrichtung zum Ableiten und/oder Fokussieren eines Anteils aus einem Pulverstrahl, gekennzeichnet durch, ein Mittel zum Ableiten und/oder Fokussieren von Teilchen, wobei - das Mittel eine hohlzylindrische Geometrie aufweist und Graphit und/oder Edelstahl umfasst, - das Mittel einen minimalen inneren Durchmesser zwischen 5 und 30 mm, insbesondere zwischen 10 und 20 mm aufweist, - das Mittel eine Länge von 5 bis 80, insbesondere zwischen 10 und 50 mm aufweist,
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei dem die innere und/oder äußere Oberfläche des Mittels wenigstens teilweise konkav gekrümmt vorliegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei dem die innere und/oder äußere Oberfläche des Mittels wenigstens teilweise konvex gekrümmt vorliegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei dem die innere und/oder äußere Oberfläche des Mittels eine konische Geometrie aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, mit einem Mittel, welches in einer Aufnahmevorrichtung angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8 umfassend eine zusätzlichen Kühlleitung.
10. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9 als Vorsatz für eine thermische Spritz- Vorrichtung.
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