EP1847629A2 - Method for determining process parameters in a thermal spraying process - Google Patents

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EP1847629A2
EP1847629A2 EP07102707A EP07102707A EP1847629A2 EP 1847629 A2 EP1847629 A2 EP 1847629A2 EP 07102707 A EP07102707 A EP 07102707A EP 07102707 A EP07102707 A EP 07102707A EP 1847629 A2 EP1847629 A2 EP 1847629A2
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EP
European Patent Office
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particles
thermal spraying
model
spraying device
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07102707A
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German (de)
French (fr)
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EP1847629A3 (en
Inventor
Dr. Torsten Wintergerste
Dr. Marc Heggemann
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.)
Oerlikon Metco AG
Original Assignee
Sulzer Metco AG
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Publication date
Application filed by Sulzer Metco AG filed Critical Sulzer Metco AG
Priority to EP07102707A priority Critical patent/EP1847629A3/en
Publication of EP1847629A2 publication Critical patent/EP1847629A2/en
Publication of EP1847629A3 publication Critical patent/EP1847629A3/en
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C24/00Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04Impact or kinetic deposition of particles
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134Plasma spraying

Definitions

  • the invention relates to a method for determining process parameters in a thermal spraying process.
  • Thermal spraying processes such as plasma spraying are used today for a wide variety of coatings on very different substrates.
  • a plasma spraying device such as a plasma torch
  • an arc is generated between an anode and a cathode.
  • a gas is ionized between the electrodes, creating a plasma.
  • the material required for the coating to be produced is usually blown into the hot plasma in powder form, melted there or at least made plastic and applied by the gas flow at high speed to the substrate to be coated.
  • the thermal spraying process usually has to be adapted to the particular application.
  • the result to be achieved is predetermined, such as the deposition rate, the layer thickness, the layer structure or other layer properties such as porosity, adhesion, surface roughness, electrical conductivity, thermal conductivity, viscosity, wear resistance, the proportion of unmelted Particles or chemical properties such as the degree of oxidation of the layer.
  • the injection process per se has a high stability, ie provides reproducible results, and that it involves a high process and deposition efficiency.
  • thermal spray devices In order to adapt the thermal spray devices to the particular application under these exemplified aspects, it is desirable, if not necessary, to have information about the process parameters such as gas velocity and temperature, particle velocity and temperature. Although such quantities are in principle detectable by measurement, for example with the aid of high-speed cameras, such measurements are very complex.
  • thermal spraying devices which today is mostly empirical, it is desirable to have more information about the process parameters or to obtain such information as simply as possible.
  • the problem solving method is characterized by the features of independent claim 1.
  • a method for determining process parameters in a thermal spraying process in which particles are melted or plastified or vaporized by means of a thermal spraying device and transported by a fluid flow to a substrate, in which process for the thermal spraying process or for the thermal Sprayer an operational model is built, with which a simulation of the thermal spraying process is feasible, and which includes a fluid mechanical model and an electromagnetic model, wherein the fluid mechanical model and the electromagnetic model coupled to each other and at least one process parameter is determined by means of the operating model.
  • the process parameters can be determined without the need for meso-technological detection of the respective operating parameter.
  • the operating model comprises the coupling of a fluid mechanical model with an electromagnetic model, ie the mechanical-electromagnetic interactions e.g. taken into account between the fluid flow and the arc, a reliable determination of the process parameters is made possible.
  • This operating model also makes it possible to make statements about the process parameters in thermal spray devices when operating under extreme operating conditions.
  • load limits for thermal spray devices can be investigated.
  • inventive method is particularly advantageous for further and new developments of thermal spray devices used. Namely, by determining the process parameters according to the invention, the entire injection process or the spraying device can be simulated. This allows a much simpler and faster optimization of the design of the spray device or parts thereof, for. B. the nozzle.
  • the operational model comprises the interaction between the particles and the fluid stream.
  • the process parameters can be determined even more accurately.
  • this makes statements such as the trajectory of the particles or their speed possible.
  • the particles are considered as extended bodies during modeling.
  • the process parameters which relate to a particle, for. B. the temperature of Particles are assumed to be constant over the extent or the total volume of the respective particle. This means, for example, it is assumed that the particle has a homogeneous or uniform temperature, which of course changes with its position in the gas stream.
  • variations of the process parameters over the extent of a particle are allowed, that is, for example, the temperature is no longer assumed to be constant over the extent of the particle.
  • At least one of the following process parameters is determined: velocity of the particles, temperature of the particles on the surface of the particles, temperature inside the particles, state of aggregation of the particles, trace of the particles, impact point of the particles.
  • Another advantageous measure is to create a temperature profile for the particles.
  • the inventive method is also suitable for the optimization of injection processes and devices in an advantageous manner.
  • a desired value can be preset and the thermal spraying device or the thermal spraying process can be optimized by means of the operating model until the desired value is reached within predefinable limits. This allows much faster optimization than a purely empirical approach.
  • the operating model is used to optimize the nozzle.
  • the method according to the invention is particularly suitable when the thermal spraying device is a plasma spraying device in which an arc is generated between an anode and a cathode.
  • the method according to the invention is also suitable for multi-cathode plasma torches.
  • An advantageous measure is to determine the shape and / or the contact points of the arc by means of the operating model. As a result, for example, extend the life of the sprayer. In addition, the stability of the arc under different operating conditions can be examined.
  • the invention further proposes a thermal spraying device, in particular a plasma spraying device, which is operated by means of a method according to the invention.
  • the fluid mechanical model is a CFD model and the electro-magnetic model is a model based on Maxwell's equations, which is suitable for quantitatively describing the interacting electrical and magnetic effects.
  • the invention also proposes a computer program product for implementing a method according to the invention in a data processing system.
  • the invention proposes a method for determining process parameters in a thermal spraying process in which particles are melted or made plastic by means of a thermal spraying device and transported by a fluid stream, for example a gas stream, to a substrate.
  • process parameters are meant all quantities which serve in any form for the characterization of the operating state of a thermal spraying device or the characterization of the thermal spraying process.
  • Such process parameters are, for example: velocity or velocity field of the fluid or gas, temperature or temperature profile of the fluid or gas, velocity of the particles (at different locations), temperature of the particles on the surface or inside the particles, state of aggregation of the particles , Position or trace of the particles, disintegration or breakup of particles, erosion, contact points between an arc and the electrodes, shape and shape of the arc, characteristic properties of the fluid or gas such as specific heat capacity, ionisationsgrad. This list is not exhaustive.
  • the thermal spraying process is a plasma spraying process and the spraying apparatus is a plasma spraying apparatus.
  • the invention is not limited to such applications, but is also suitable for other thermal spraying methods such as Radio Frequency (RF) plasma spraying or arc wire spraying.
  • RF Radio Frequency
  • FIG. 1 shows in a highly schematic representation an embodiment of a plasma spraying device, which is designated overall by the reference numeral 1.
  • the plasma spraying apparatus 1 comprises a housing 2 in which a cathode arrangement 3 and an anode 4 which is electrically insulated on the other hand are provided.
  • the anode 4 is designed here as a ring anode, which has in its center an outlet opening 42 which is provided with a nozzle 41.
  • a gas is blown through the plasma spray device 1 in the axial direction as indicated by the two arrows indicated by the reference symbol G.
  • a powder feeder 5 is provided which has one or more feed channels 51, which extend substantially in the radial direction.
  • the feed channels 51 for the powder or the particles to extend in the axial direction or obliquely, ie between the axial and radial direction.
  • the plasma spraying apparatus 1 may also be a multi-cathode burner, such as the burner marketed by the applicant under the tradename TriplexPro.
  • the cathode assembly 3 comprises a total of three cathodes. In operation, then arise three arcs.
  • the gas G flowing in the axial direction through the plasma spraying device 1 is ionized, and at least one arc is generated between the cathode assembly 3 and the anode 4.
  • the gas H heated by the plasma exits the anode through the nozzle 41 at high speed and high temperature.
  • 5 particles are blown in the form of a powder in the hot gas stream through the feed channels 51 of the powder feeder.
  • the particles are melted or at least plasticized in the gas stream, accelerated by the gas stream and thrown onto a substrate 6, where they form a coating 7.
  • the laden with the particles gas stream is shown schematically in Figure 1 as a coating beam B.
  • the invention now proposes a method for determining process parameters in which an operating model is set up which comprises a fluid mechanical model and an electromagnetic model coupled thereto and one or more process parameters are determined by means of this operating model.
  • the fluid mechanical modeling is preferably carried out by means of numerical fluid dynamics simulation (CFD - Computational Fluid Dynamics).
  • CFD numerical fluid dynamics simulation
  • the CFD method has become a very efficient tool for studying flows in recent years.
  • the CFD and its fundamentals per se are known to the person skilled in the art and therefore need not be explained in more detail here.
  • Navier-Stokes equations For each flow, the three fundamental principles of conservation of mass, momentum and energy apply. However, the resulting physical relationships and equations (the Navier-Stokes equations) are no longer analytically solvable in their general form. It's the Subject of the CFD to determine numerical solutions for such equations, so as to describe a flow field as realistic as possible.
  • the Navier-Stokes equations contain the variables describing the flow, such as velocity, pressure, density, viscosity, and temperature as a function of location and time.
  • CFD is understood as the method of calculating both smooth and frictional flows of single- or multi-phase fluids (continuous phase), optionally with simultaneous consideration of the movement of liquid droplets or solid particles (disperse phase).
  • the fluids may be compressible or incompressible.
  • the interaction or interaction of the continuous phase with the disperse phase can be described both with the Lagrange-Euler and with the Euler-Euler models.
  • the exchange of mass, momentum and energy can be considered either in one direction (from continuous to discrete phase or one-way coupling or vice versa) or in both directions (full coupling or two-way coupling).
  • the operational model also includes the particles and the interaction between the particles and the gas stream.
  • Both the continuous phase and the discrete phase may each contain multiple components (multi-component phase).
  • multi-component phase when plasma spraying a mixture of argon and helium can be used, then the continuous gas phase comprises the two components argon and helium.
  • the discrete phase may also contain several components, for example if a powder mixture of different substances is used as particles in plasma spraying, or if already molten and still solid particles form two components of the discrete phase.
  • the flow space to be calculated is first defined as a three-dimensional volume body, for example by means of a CAD model of the spray device. Then small finite sub-volumes are defined, into which the volume body is divided. These sub-volumes make up the numerical computational grid.
  • the boundary conditions are defined which define the physical operating conditions, for example mass flow or inlet flow rate, inlet gas temperature, wall temperature, amperage or the like.
  • the flow quantities such as pressure, velocity or temperature in each sub-volume are determined. The results lead to a three-dimensional flow field, which is then quantitatively and qualitatively evaluated.
  • the plasma can reach temperatures of up to 19,000 Kelvin, for example - the temperature dependence and / or the pressure dependence of the material properties is taken into account.
  • the temperature and / or pressure dependence in particular of the following variables can be taken into account: electrical conductivity, thermal conductivity, viscosity, specific heat capacity, electron density, molar mass, ion concentration for the various ionization stages, speed of sound. These dependencies are known or can be determined in a manner known per se.
  • the particles are taken into account as a disperse phase in the operating model.
  • the fluid mechanical model is coupled according to the invention with an electromagnetic model.
  • the at least one arc generated in the plasma spray device 1 between the cathode assembly 3 and the anode 4 heats and accelerates the gas G.
  • the coupling between the fluid mechanical and electromagnetic model allows the description of the arc (s).
  • the arc or the plasma in turn cause electromagnetic effects such as electrical potentials, magnetic fields, etc., whose influence is taken into account by the electromagnetic model or its coupling to the fluid mechanical model.
  • Boundary conditions are also defined for the electromagnetic properties, in particular for the electrical potential and for the magnetic vector potential.
  • the electrical potential it can be assumed, for example, that the cathode arrangement 3 is at ground potential, that is to say zero volts, and the potential of the anode is controlled in such a way that the predetermined current flows.
  • the electromagnetic model is based on the Maxwell equations and the material properties for the polarization (dielectric constant), the magnetization (permeability) and the conductivity.
  • the coupling between the fluid mechanical model and the electromagnetic model takes place via Ohm's law, the Lorentz force (force on moving charge carriers in the magnetic field) and the resistance heating.
  • the Lorentz force couples the electromagnetic effects with the fluid dynamics while the resistance heating couples the electromagnetic effects with the thermodynamic energy equations.
  • each process parameter can be determined by means of the operating model.
  • thermal spraying device Due to the fact that the entire thermal spraying process can be simulated by the operating model, it becomes possible to adapt the thermal spraying device much more quickly and efficiently to the respective application or to optimize it for the respective application. This is an important advantage, especially with regard to the new and further development of thermal spray devices. Namely, time-consuming and costly experimental series are no longer necessary for the adaptation and optimization, in which empirically motivated modifications are tested, but the influence of changes on the process parameters can be examined on the basis of the operating model without any experimental effort.
  • the inventive method can be used to identify the process variables essential process variables and to analyze the impact of their operational fluctuations.
  • the method according to the invention is suitable for more precisely determining these limits.
  • the inventive method is to improve the performance of the spray device in an efficient manner significantly.
  • the inventive method forms a very useful tool for optimizing the design.
  • the coating to be produced is predetermined, for example, by a customer, and the spray device or the spray method has to be adapted to these specifications.
  • constraints may be, for example, the type and degree of adhesion or adhesion of the coating to the substrate, or other properties of the coating 7 such as e.g. the structure, the crystallinity, the texture, the thickness, the porosity, the roughness, the electrical or thermal conductivity, the viscosity, the wear resistance or the degree of oxidation, to know only a few properties.
  • suitable process parameters In order to intentionally and controllably adjust such properties of the coating, suitable process parameters must be known.
  • the optimization takes place via the determination of the profiles of the gas flow, it can be advantageous for reasons of efficiency to first determine some possible optimal variants, for example for the geometry of the spray device, by not taking into account the particles in the operating model. If then some possible designs or parameter combinations are determined, the refinement and finally the optimization takes place by means of an operating model in which the particles and possibly also the substrate are taken into account.
  • Further process parameters which can be determined by the method according to the invention and whose knowledge is advantageous, are the state of aggregation of the particles, the trace, that is to say the trajectory of the particles, the point of impact of the particles on the substrate.
  • thermo profile of the gas stream For example, unevenness in the temperature distribution, so-called hot spots, can be localized.
  • thermodynamic image of the spray device it is possible to generate a thermal or a thermodynamic image of the spray device. With this, then the course of the cooling channels can be optimized so that just so much heat is dissipated that the temperature of the inner surfaces within preset limits to avoid erosion and other undesirable effects.
  • Knowing the trace or the trajectory of the particles allows targeted influencing the quality of the coating (porosity, adhesion, etc.), because it is known that these properties of the coating depend on the angle at which the particles hit the substrate.
  • the shape and the course of the arc or of the arcs and the associated starting points on the electrodes 3, 4 can also be determined by the method according to the invention.
  • the stability of the arc or of the arcs can be optimized so that, for example, a uniform and predictable heating of the gas flow results.
  • both the temperature at the surface and the temperature in the interior of the particles can be determined with the method according to the invention . It is precisely the temperature inside the particles that represents a quantity whose knowledge is of great interest, but which can not yet be measured today.
  • the metrological determination is limited to the temperature at the surface of the particles.
  • it is advantageous to know the temperature inside the particles because it is quite possible that the particles are melted on their surface but are still solid and "cold" in their interior. This results in a high proportion of unmelted areas in the coating, which are usually undesirable.
  • the substrate 6 may not be heated too much, or because a certain temperature range at the Substrate surface is necessary to achieve the predetermined properties of the coating.
  • the method according to the invention is also suitable for optimizing the nozzle 41 and in particular its geometry in a thermal spraying device 1, in particular in a plasma spraying device.
  • the nozzle 41 is a replacement part, that is, depending on the application, different nozzles 41 with different geometries and correspondingly different flow properties are used. If, for example, a nozzle 41 with a large opening is used, the plasma is very hot and the speed of the exiting gas flow is lower. With a smaller nozzle opening, the gas flow is slightly cooler, but has a higher speed. To generate colder high-speed streams, for example, convergent-divergent nozzles are used, which are designed similarly to a Laval nozzle.
  • the inventive method now makes it possible to optimize the design of the nozzle 41 so that it realizes as well as possible the predetermined process parameters for the exiting fluid or gas flow.
  • the method according to the invention is also suitable for operating a thermal spraying device, in particular a plasma spraying device 1.
  • the operating model can serve to record and store given process parameters, which are not directly measurable, during operation, for example, or the operating model can be integrated into the control or regulation of the spraying device, for example, to one or more process parameters to a desired value regulate.
  • inventive method is also suitable for the development and / or the implementation of hybrid processes, in which thermal spraying is combined with other processes, for example for a hybrid process cold gas spraying / plasma spraying.
  • the inventive method is preferably implemented in the form of a computer program product in a data processing system.
  • a method for determining process parameters in a thermal spraying process in which particles are melted or plasticized by means of a thermal spraying device (1) and transported by a fluid stream (G) to a substrate (6) the thermal spraying process or for the thermal spraying device, an operating model is built, which comprises a fluid mechanical model and an electromagnetic model, wherein the fluid mechanical model and the electromagnetic model are coupled together and at least one process parameter is determined by means of the operating model.

Abstract

Method for determining process parameters in a thermal spraying process comprises using an operating model for the thermal spraying process consisting of an electromagnetic model and a fluidic model connected together. Independent claims are also included for the following: (1) Thermal spraying device used in the above process; and (2) Computer program product for implementing the process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Prozessparametern in einem thermischen Spritzprozess.The invention relates to a method for determining process parameters in a thermal spraying process.

Thermische Spritzprozesse wie beispielsweise das Plasmaspritzen werden heute für eine grosse Vielfalt von Beschichtungen auf ganz unterschiedlichen Substraten eingesetzt. Dazu wird in einer Plasmaspritzvorrichtung, wie einem Plasmabrenner, ein Lichtbogen zwischen einer Anode und einer Kathode erzeugt. Ein Gas wird zwischen den Elektroden ionisiert, sodass ein Plasma entsteht. Der für die zu erzeugende Beschichtung benötigte Werkstoff wird üblicherweise in Pulverform in das heisse Plasma eingeblasen, dort aufgeschmolzen oder zumindest plastisch gemacht und durch den Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit auf das zu beschichtende Substrat aufgebracht.Thermal spraying processes such as plasma spraying are used today for a wide variety of coatings on very different substrates. For this purpose, in a plasma spraying device, such as a plasma torch, an arc is generated between an anode and a cathode. A gas is ionized between the electrodes, creating a plasma. The material required for the coating to be produced is usually blown into the hot plasma in powder form, melted there or at least made plastic and applied by the gas flow at high speed to the substrate to be coated.

Da die zu erzeugenden Beschichtungen oft ganz unterschiedlicher Natur sind, muss der thermische Spritzprozess üblicherweise an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Oft ist dabei das zu erzielende Ergebnis vorgegeben, wie beispielsweise die Ablagerungsrate, die Schichtdicke, die Schichtstruktur oder andere Schichteigenschaften wie die Porösität, die Adhäsion, die Oberflächenrauhigkeit, die elektrische Leitfähigkeit, die thermische Leitfähigkeit, die Viskosität, die Verschleissfestigkeit, der Anteil der ungeschmolzenen Partikel oder chemische Eigenschaften wie der Oxidationsgrad der Schicht.Since the coatings to be produced are often quite different in nature, the thermal spraying process usually has to be adapted to the particular application. Often, the result to be achieved is predetermined, such as the deposition rate, the layer thickness, the layer structure or other layer properties such as porosity, adhesion, surface roughness, electrical conductivity, thermal conductivity, viscosity, wear resistance, the proportion of unmelted Particles or chemical properties such as the degree of oxidation of the layer.

Daneben ist es insbesondere auch für industrielle Anwendungen sehr wichtig, dass der Spritzprozess an sich eine hohe Stabilität aufweist, also reproduzierbare Ergebnisse liefert, und dass er eine hohe Prozess- und Ablagerungseffizienz beinhaltet.In addition, it is very important for industrial applications in particular that the injection process per se has a high stability, ie provides reproducible results, and that it involves a high process and deposition efficiency.

Um die thermischen Spritzvorrichtungen unter diesen beispielhaft erwähnten Aspekten an die jeweilige Anwendung anzupassen, ist es wünschenswert wenn nicht sogar notwendig, Informationen über die Prozessparameter wie beispielsweise Gasgeschwindigkeit und -temperatur, Partikelgeschwindigkeit und Temperatur zu haben. Derartige Grössen sind zwar prinzipiell messtechnisch erfassbar, beispielsweise mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitskameras, aber solche Messungen sind sehr aufwändig.In order to adapt the thermal spray devices to the particular application under these exemplified aspects, it is desirable, if not necessary, to have information about the process parameters such as gas velocity and temperature, particle velocity and temperature. Although such quantities are in principle detectable by measurement, for example with the aid of high-speed cameras, such measurements are very complex.

Auch im Hinblick auf die Weiter- oder Neuentwicklung von thermischen Spritzvorrichtungen, die heute meist empirisch erfolgt, ist es wünschenswert, mehr Informationen über die Prozessparameter zu haben bzw. solche Informationen möglichst einfach zu erhalten.Also with regard to the further or new development of thermal spraying devices, which today is mostly empirical, it is desirable to have more information about the process parameters or to obtain such information as simply as possible.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit welchem eine möglichst einfache und doch zuverlässige Bestimmung von Prozessparametern unter verschiedenen Betriebsbedingungen in einem thermischen Spritzprozess ermöglicht wird.It is therefore an object of the invention to propose a method with which the simplest and yet reliable determination of process parameters under different operating conditions in a thermal spraying process is made possible.

Das diese Aufgabe lösende Verfahren ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gekennzeichnet.The problem solving method is characterized by the features of independent claim 1.

Erfindungsgemäss wird also ein Verfahren vorgeschlagen zur Bestimmung von Prozessparametern in einem thermischen Spritzprozess, bei welchem mittels einer thermischen Spritzvorrichtung Partikel aufgeschmolzen oder plastisch gemacht oder verdampft werden und von einem Fluidstrom zu einem Substrat transportiert werden, bei welchem Verfahren für den thermischen Spritzprozess oder für die thermische Spritzvorrichtung ein Betriebsmodell errichtet wird, mit dem eine Simulation des thermischen Spritzprozesses durchführbar ist, und welches ein strömungsmechanisches Modell sowie ein elektromagnetisches Modell umfasst, wobei das strömungsmechanische Modell und das elektromagnetische Modell miteinander gekoppelt werden und mittels des Betriebsmodells mindestens ein Prozessparameter bestimmt wird.According to the invention, therefore, a method is proposed for determining process parameters in a thermal spraying process in which particles are melted or plastified or vaporized by means of a thermal spraying device and transported by a fluid flow to a substrate, in which process for the thermal spraying process or for the thermal Sprayer an operational model is built, with which a simulation of the thermal spraying process is feasible, and which includes a fluid mechanical model and an electromagnetic model, wherein the fluid mechanical model and the electromagnetic model coupled to each other and at least one process parameter is determined by means of the operating model.

Dadurch, dass die thermische Spritzvorrichtung bzw. der thermische Spritzprozess durch ein Betriebsmodell beschrieben wird, können die Prozessparameter bestimmt werden, ohne dass dafür eine messterchnische Erfassung des jeweiligen Betriebsparameters notwendig ist. Da das Betriebsmodell die Kopplung eines strömungsmechanischen Modells mit einem elektromagnetischen Modell umfasst, also die mechanischelektromagnetischen Wechselwirkungen z.B. zwischen dem Fluidstrom und dem Lichtbogen berücksichtigt, wird eine zuverlässige Bestimmung der Prozessparameter ermöglicht.As a result of the fact that the thermal spraying device or the thermal spraying process is described by an operating model, the process parameters can be determined without the need for meso-technological detection of the respective operating parameter. Since the operating model comprises the coupling of a fluid mechanical model with an electromagnetic model, ie the mechanical-electromagnetic interactions e.g. taken into account between the fluid flow and the arc, a reliable determination of the process parameters is made possible.

Dieses Betriebsmodell erlaubt es auch, Aussagen über die Prozessparameter in thermischen Spritzvorrichtungen zu machen, wenn diese unter extremen Betriebsbedingungen arbeiten. Somit können beispielsweise Belastbarkeitsgrenzen für thermische Spritzvorrichtungen untersucht werden.This operating model also makes it possible to make statements about the process parameters in thermal spray devices when operating under extreme operating conditions. Thus, for example, load limits for thermal spray devices can be investigated.

Desweiteren ist das erfindungsgemässe Verfahren insbesondere für Weiter- und Neuentwicklungen von thermischen Spritzvorrichtungen besonders vorteilhaft einsetzbar. Durch die erfindungsgemässe Bestimmung der Prozessparameter kann nämlich der gesamte Spritzprozess bzw. die Spritzvorrichtung simuliert werden. Dies ermöglicht eine deutlich einfachere und schnellere Optimierung des Designs der Spritzvorrichtung oder Teilen davon, z. B. der Düse.Furthermore, the inventive method is particularly advantageous for further and new developments of thermal spray devices used. Namely, by determining the process parameters according to the invention, the entire injection process or the spraying device can be simulated. This allows a much simpler and faster optimization of the design of the spray device or parts thereof, for. B. the nozzle.

Vorzugsweise umfasst das Betriebsmodell die Wechselwirkung zwischen den Partikeln und dem Fluidstrom. Durch die Berücksichtigung der in den Fluidstrom eingebrachten Partikel im Betriebsmodell können die Prozessparameter noch genauer bestimmt werden. Zudem werden hierdurch Aussagen wie beispielsweise über die Flugbahn der Partikel oder ihre Geschwindigkeit möglich.Preferably, the operational model comprises the interaction between the particles and the fluid stream. By taking into account the particles introduced into the fluid flow in the operating model, the process parameters can be determined even more accurately. In addition, this makes statements such as the trajectory of the particles or their speed possible.

Die Partikel werden bei der Modellierung als ausgedehnte Körper betrachtet. Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die Prozessparameter, welche ein Partikel betreffen, z. B. die Temperatur des Partikels als konstant über die Ausdehnung bzw. das gesamte Volumen des jeweiligen Partikels angenommen. Das heisst beispielsweise es wird angenommen, dass das Partikel eine homogene bzw. einheitliche Temperatur hat, die sich natürlich mit seiner Position im Gasstrom ändert. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden bei der Modellierung Variationen der Prozessparameter über die Ausdehnung eines Partikels zugelassen, das heisst beispielsweise, die Temperatur wird nicht mehr als konstant über die Ausdehnung des Partikels angenommen.The particles are considered as extended bodies during modeling. In one embodiment of the method, the process parameters which relate to a particle, for. B. the temperature of Particles are assumed to be constant over the extent or the total volume of the respective particle. This means, for example, it is assumed that the particle has a homogeneous or uniform temperature, which of course changes with its position in the gas stream. In another embodiment, during modeling, variations of the process parameters over the extent of a particle are allowed, that is, for example, the temperature is no longer assumed to be constant over the extent of the particle.

Vorzugsweise wird zumindest einer der folgenden Prozessparameter bestimmt: Geschwindigkeit der Partikel, Temperatur der Partikel an der Oberfläche der Partikel, Temperatur im Innern der Partikel, Aggregatzustand der Partikel, Spur der Partikel, Auftreffpunkt der Partikel. Eine weitere vorteilhafte Massnahme ist es, ein Temperaturprofil für die Partikel zu erstellen.Preferably, at least one of the following process parameters is determined: velocity of the particles, temperature of the particles on the surface of the particles, temperature inside the particles, state of aggregation of the particles, trace of the particles, impact point of the particles. Another advantageous measure is to create a temperature profile for the particles.

Durch die Kenntnis der Temperatur im Innern der Partikel bzw. des Temperaturprofils ist es beispielsweise möglich zu erkennen, ob die Partikel auch im Innern aufgeschmolzen bzw. plastisch sind. Solche Informationen sind nützlich, um die Eigenschaften der zu erzeugenden Beschichtung zu kontrollieren.By knowing the temperature in the interior of the particles or the temperature profile, it is possible, for example, to detect whether the particles are also melted or plastic in the interior. Such information is useful to control the properties of the coating to be formed.

Aus den gleichen Gründen ist es vorteilhaft, ein Geschwindigkeitsprofil oder ein Temperaturprofil für den Fluidstrom zu erstellen.For the same reasons, it is advantageous to create a velocity profile or a temperature profile for the fluid flow.

Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich in vorteilhafter Weise auch für die Optimierung von Spritzprozessen und -vorrichtungen. So kann für mindestens einen Prozessparameter ein Sollwert vorgegeben werden und die thermische Spritzvorrichtung oder der thermische Spritzprozess mittels des Betriebsmodells optimiert werden, bis der Sollwert innerhalb vorgebbarer Grenzen erreicht wird. Dies ermöglicht eine deutlich schnellere Optimierung als eine rein auf empirischer Vorgehensweise basierte.The inventive method is also suitable for the optimization of injection processes and devices in an advantageous manner. Thus, for at least one process parameter, a desired value can be preset and the thermal spraying device or the thermal spraying process can be optimized by means of the operating model until the desired value is reached within predefinable limits. This allows much faster optimization than a purely empirical approach.

In einer bevorzugten Anwendung, nämlich falls die thermische Spritzvorrichtung eine Düse umfasst, durch welche der Fluidstrom austritt, wird das Betriebsmodell zur Optimierung der Düse herangezogen.In a preferred application, namely if the thermal spray device comprises a nozzle through which the fluid flow exits, the operating model is used to optimize the nozzle.

Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere, wenn die thermische Spritzvorrichtung eine Plasmaspritzvorrichtung ist, bei der ein Lichtbogen zwischen einer Anode und einer Kathode erzeugt wird. Speziell eignet sich das erfindungsgemässe Verfahren auch für Mehrkathoden-Plasmabrenner.The method according to the invention is particularly suitable when the thermal spraying device is a plasma spraying device in which an arc is generated between an anode and a cathode. In particular, the method according to the invention is also suitable for multi-cathode plasma torches.

Eine vorteilhafte Massnahme besteht darin, mittels des Betriebsmodells die Form und/oder die Kontaktpunkte des Lichtbogens zu bestimmen. Dadurch lässt sich beispielsweise die Lebensdauer der Spritzvorrichtung verlängern. Ausserdem kann die Stabilität des Lichtbogens unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen untersucht werden.An advantageous measure is to determine the shape and / or the contact points of the arc by means of the operating model. As a result, for example, extend the life of the sprayer. In addition, the stability of the arc under different operating conditions can be examined.

Durch die Erfindung wird ferner eine thermische Spritzvorrichtung, insbesondere eine Plasmaspritzvorrichtung vorgeschlagen, welche mit Hilfe eines erfindungsgemässen Verfahrens betrieben wird.The invention further proposes a thermal spraying device, in particular a plasma spraying device, which is operated by means of a method according to the invention.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das strömungsmechanische Modell ein CFD Modell und das elektomagnetische Modell ein auf den Maxwellschen Gleichungen basierendes Modell, welches geeignet ist, die wechselwirkenden elektrischen und magnetischen Effekte quantitativ zu beschreiben.In a particularly preferred embodiment, the fluid mechanical model is a CFD model and the electro-magnetic model is a model based on Maxwell's equations, which is suitable for quantitatively describing the interacting electrical and magnetic effects.

Auch wird durch die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Implementierung eines erfindungsgemässen Verfahrens in eine Datenverarbeitungsanlage vorgeschlagen.The invention also proposes a computer program product for implementing a method according to the invention in a data processing system.

Weitere vorteilhafte Massnahmen und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantageous measures and preferred embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:

Fig. 1:
eine schematische Darstelllung eines Ausführungsbeispiels einer thermischen Spritzvorrichtung, die als Plasmaspritzvorrichtung ausgestaltet ist.
In the following the invention will be explained in more detail by means of embodiments and with reference to the drawing. In the schematic drawing show:
Fig. 1:
a schematic representation of an embodiment of a thermal spray device, which is designed as a plasma spraying device.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung von Prozessparametern in einem thermischen Spritzprozess vorgeschlagen, bei welchem mittels einer thermischen Spritzvorrichtung Partikel aufgeschmolzen oder plastisch gemacht und von einem Fluidstrom, beispielsweise einem Gasstrom zu einem Substrat transportiert werden. Mit dem Begriff "Prozessparameter" sind dabei alle Grössen gemeint, die in irgendeiner Form der Charakterisierung des Betriebszustands einer thermischen Spritzvorrichtung oder der Charakterisierung des thermischen Spritzprozesses dienen. Solche Prozessparameter sind beispielsweise: Geschwindigkeit oder Geschwindigkeitsfeld des Fluids bzw. des Gases, Temperatur bzw. Temperaturprofil des Fluids bzw. des Gases, Geschwindigkeit der Partikel (an verschiedenen Orten), Temperatur der Partikel an der Oberfläche oder im Innern der Partikel, Aggregatzustand der Partikel, Position bzw. Spur der Partikel, Desintegration oder Aufbrechen von Partikeln, Erosion, Kontaktpunkte zwischen einem Lichtbogen und den Elektroden, Form und Verlauf des Lichtbogens, charakteristische Eigenschaften des Fluids bzw. des Gases wie spezifische Wärmekapazität, lonisationsgrad. Diese Aufzählung ist nicht abschliessend.The invention proposes a method for determining process parameters in a thermal spraying process in which particles are melted or made plastic by means of a thermal spraying device and transported by a fluid stream, for example a gas stream, to a substrate. By the term "process parameters" are meant all quantities which serve in any form for the characterization of the operating state of a thermal spraying device or the characterization of the thermal spraying process. Such process parameters are, for example: velocity or velocity field of the fluid or gas, temperature or temperature profile of the fluid or gas, velocity of the particles (at different locations), temperature of the particles on the surface or inside the particles, state of aggregation of the particles , Position or trace of the particles, disintegration or breakup of particles, erosion, contact points between an arc and the electrodes, shape and shape of the arc, characteristic properties of the fluid or gas such as specific heat capacity, ionisationsgrad. This list is not exhaustive.

Im Folgenden wird auf den für die Praxis besonders wichtigen Anwendungsfall Bezug genommen, dass der thermische Spritzprozess ein Plasmaspritzprozess ist und die Spritzvorrichtung eine Plasmaspritzvorrichtung. Natürlich ist die Erfindung nicht auf solche Anwendungen beschränkt, sondern eignet sich auch für andere thermische Spritzverfahren wie beispielsweise Radio-Frequency (RF)-Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen.In the following, reference will be made to the application, which is particularly important in practice, in that the thermal spraying process is a plasma spraying process and the spraying apparatus is a plasma spraying apparatus. Of course, the invention is not limited to such applications, but is also suitable for other thermal spraying methods such as Radio Frequency (RF) plasma spraying or arc wire spraying.

Fig. 1 zeigt in einer stark schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Plasmaspritzvorrichtung, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Die Plasmaspritzvorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, in welchem eine Kathodenanordnung 3 und eine dagegen elektrisch isolierte Anode 4 vorgesehen ist. Die Anode 4 ist hier als Ringanode ausgestaltet, die in ihrem Zentrum eine Auslassöffnung 42 aufweist, die mit einer Düse 41 versehen ist. Während des Betriebs wird in axialer Richtung ein Gas durch die Plasmaspritzvorrichtung 1 geblasen wie dies durch die beiden mit dem Bezugszeichen G bezeichneten Pfeile angedeutet ist. In Strömungsrichtung gesehen hinter der ringförmigen Anode 4 ist eine Pulverzuführung 5 vorgesehen, die einen oder mehrere Zuführkanäle 51 aufweist, die sich im wesentliche in radialer Richtung erstrecken. Natürlich ist es auch möglich, dass sich die Zuführkanäle 51 für das Pulver bzw. die Partikel in axialer Richtung oder schräg - also zwischen axialer und radialer Richtungerstrecken.FIG. 1 shows in a highly schematic representation an embodiment of a plasma spraying device, which is designated overall by the reference numeral 1. The plasma spraying apparatus 1 comprises a housing 2 in which a cathode arrangement 3 and an anode 4 which is electrically insulated on the other hand are provided. The anode 4 is designed here as a ring anode, which has in its center an outlet opening 42 which is provided with a nozzle 41. During operation, a gas is blown through the plasma spray device 1 in the axial direction as indicated by the two arrows indicated by the reference symbol G. In the flow direction seen behind the annular anode 4, a powder feeder 5 is provided which has one or more feed channels 51, which extend substantially in the radial direction. Of course, it is also possible for the feed channels 51 for the powder or the particles to extend in the axial direction or obliquely, ie between the axial and radial direction.

Auf die Darstellung weiterer an sich bekannter Komponenten der Plasmaspritzvorrichtung 1 wie beispielsweise, Kühlung, Energieversorgung und Kontrolleinrichtungen wurde aus Gründen der besseren Übersicht verzichtet.On the presentation of other known per se components of the plasma spray device 1, such as, cooling, power and control devices was omitted for the sake of clarity.

Die Plasmaspritzvorrichtung 1 kann insbesondere auch ein Mehrkathodenbrenner sein, wie beispielsweise der Brenner, der von der Anmelderin unter dem Handelsnamen TriplexPro vertrieben wird. Bei diesem Brenner umfasst die Kathodenanordnung 3 insgesamt drei Kathoden. Im Betriebszustand entstehen dann drei Lichtbögen.In particular, the plasma spraying apparatus 1 may also be a multi-cathode burner, such as the burner marketed by the applicant under the tradename TriplexPro. In this burner, the cathode assembly 3 comprises a total of three cathodes. In operation, then arise three arcs.

Während des Betriebs wird das in axialer Richtung durch die Plasmaspritzvorrichtung 1 strömende Gas G ionisiert und es wird zwischen der Kathodenanordnung 3 und der Anode 4 mindestens ein Lichtbogen erzeugt. Das durch das Plasma erhitzte Gas G tritt mit hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur durch die Düse 41 aus der Anode aus. Direkt hinter der Anode 4 (in Strömungsrichtung des Gases gesehen) werden durch die Zuführkanäle 51 der Pulverzuführung 5 Partikel in Form eines Pulvers in den heissen Gasstrom eingeblasen. Die Partikel werden in dem Gasstrom aufgeschmolzen oder zumindest plastisch gemacht, von dem Gasstrom beschleunigt und auf ein Substrat 6 geschleudert, wo sie eine Beschichtung 7 bilden. Der mit den Partikeln beladene Gasstrom ist in Fig.1 schematisch als Beschichtungsstrahl B dargestellt.During operation, the gas G flowing in the axial direction through the plasma spraying device 1 is ionized, and at least one arc is generated between the cathode assembly 3 and the anode 4. The gas H heated by the plasma exits the anode through the nozzle 41 at high speed and high temperature. Directly behind the anode 4 (seen in the direction of flow of the gas) 5 particles are blown in the form of a powder in the hot gas stream through the feed channels 51 of the powder feeder. The particles are melted or at least plasticized in the gas stream, accelerated by the gas stream and thrown onto a substrate 6, where they form a coating 7. The laden with the particles gas stream is shown schematically in Figure 1 as a coating beam B.

Häufig ist es im Anwendungsfall so, dass das zu erzielende Ergebnis - also die Beschichtung 7 auf dem Substrat 6 bzw. deren Eigenschaften vorgegeben sind und der thermische Spritzprozess so einzustellen ist, dass das gewünschte Ergebnis möglichst gut, effizient, kostengünstig und reproduzierbar realisiert wird. Hierfür ist es wichtig, Prozessparameter zu kennen.It is often the case in the application that the result to be achieved - ie the coating 7 on the substrate 6 and their properties are given and the thermal spraying process is adjusted so that the desired result as well as possible, efficient, inexpensive and reproducible realized. For this it is important to know process parameters.

Durch die Erfindung wird nun ein Verfahren zur Bestimmung von Prozessparametern vorgeschlagen, bei dem ein Betriebsmodell errichtet wird, welches ein strömungsmechanisches Modell sowie ein damit gekoppeltes elektromagnetisches Modell umfasst und mittels dieses Betriebsmodells einer oder mehrere Prozessparameter bestimmt werden.The invention now proposes a method for determining process parameters in which an operating model is set up which comprises a fluid mechanical model and an electromagnetic model coupled thereto and one or more process parameters are determined by means of this operating model.

Es hat sich gezeigt, dass durch die Berücksichtigung sowohl der strömungsmechanischen Effekte als auch der elektromagnetischen bzw. elektrodynamischen Effekte eine zuverlässige Bestimmung der Prozessparameter ermöglicht wird.It has been shown that by taking into account both the fluid mechanical effects and the electromagnetic or electrodynamic effects a reliable determination of the process parameters is made possible.

Da somit eine messtechnische Erfassung der Prozessparameter nicht mehr notwendig ist, sondern der Spritzprozess simuliert werden kann, ist das Verhalten der thermischen Spritzvorrichtung nun auch in solchen Betriebszuständen analysierbar, die bisher noch nicht untersucht worden sind. Zudem ist es möglich, Prozessparameter zu bestimmen, die bisher messtechnisch nur sehr schwierig oder gar nicht ermittelt werden konnten, beispielsweise die von Partikeln (speziell in ihrem Inneren).Since a metrological detection of the process parameters is no longer necessary, but the injection process can be simulated, the behavior of the thermal spray device can now be analyzed even in those operating conditions that have not yet been investigated. In addition, it is possible to determine process parameters that were hitherto difficult or impossible to determine by measurement, for example those of particles (especially in their interior).

Im folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens erläutert.In the following an embodiment of the inventive method will now be explained.

Die strömungsmechanische Modellierung erfolgt vorzugsweise mittels numerischer Strömungssimulation (CFD - Computational Fluid Dynamics). Die CFD-Methode hat sich in den letzten Jahren zu einem sehr effizienten Werkzeug zur Untersuchung von Strömungen entwickelt. Die CFD und ihre Grundlagen an sich sind dem Fachmann bekannt und brauchen daher hier nicht näher erläutert zu werden.The fluid mechanical modeling is preferably carried out by means of numerical fluid dynamics simulation (CFD - Computational Fluid Dynamics). The CFD method has become a very efficient tool for studying flows in recent years. The CFD and its fundamentals per se are known to the person skilled in the art and therefore need not be explained in more detail here.

Für jede Strömung gelten die drei fundamentalen Prinzipien der Erhaltung von Masse, Impuls und Energie. Die hieraus resultierenden physikalischen Zusammenhänge und Gleichungen (die Navier-Stokes-Gleichungen) sind jedoch in ihrer allgemeinen Form nicht mehr analytisch lösbar. Es ist der Gegenstand der CFD, numerische Lösungen für solche Gleichungen zu bestimmen, um so ein Strömungsfeld möglichst realistisch zu beschreiben. Die Navier-Stokes-Gleichungen enthalten die die Strömung beschreibenden Variablen wie Geschwindigkeit, Druck, Dichte, Viskosität und Temperatur als Funktion von Ort und Zeit.For each flow, the three fundamental principles of conservation of mass, momentum and energy apply. However, the resulting physical relationships and equations (the Navier-Stokes equations) are no longer analytically solvable in their general form. It's the Subject of the CFD to determine numerical solutions for such equations, so as to describe a flow field as realistic as possible. The Navier-Stokes equations contain the variables describing the flow, such as velocity, pressure, density, viscosity, and temperature as a function of location and time.

Im Rahmen dieser Anmeldung wird CFD als die Methode der Berechnung von sowohl reibungslosen als auch reibungsbehafteten Strömungen ein- oder mehrphasiger Fluide (kontinuierliche Phase) gegebenenfalls unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Bewegung von flüssigen Tropfen oder festen Partikeln (disperse Phase) verstanden. Die Fluide können kompressibel oder inkompressibel sein. Die Interaktion oder Wechselwirkung der kontinuierlichen Phase mit der dispersen Phase kann sowohl mit den Lagrange-Euler- als auch mit den Euler-Euler-Modellen beschrieben werden. Der Austausch von Masse, Impuls und Energie kann entweder in eine Richtung (von der kontinuierlichen zur diskreten Phase bzw. one-way-coupling oder umgekehrt) oder in beiden Richtungen (vollständige Kopplung bzw. two-way-coupling) betrachtet werden.For the purposes of this application, CFD is understood as the method of calculating both smooth and frictional flows of single- or multi-phase fluids (continuous phase), optionally with simultaneous consideration of the movement of liquid droplets or solid particles (disperse phase). The fluids may be compressible or incompressible. The interaction or interaction of the continuous phase with the disperse phase can be described both with the Lagrange-Euler and with the Euler-Euler models. The exchange of mass, momentum and energy can be considered either in one direction (from continuous to discrete phase or one-way coupling or vice versa) or in both directions (full coupling or two-way coupling).

Es sind also sowohl solche CFD-Methoden gemeint, bei denen die disperse Phase in das Modell einbezogen wird als auch CFD-Methoden, bei denen die disperse Phase nicht in das Modell einbezogen wird. Das heisst, die Partikel müssen nicht zwangsläufig im Modell berücksichtigt werden. Vorzugsweise umfasst das Betriebsmodell jedoch auch die Partikel und die Wechselwirkung zwischen den Partikeln und dem Gasstrom.Thus, it is meant both CFD methods in which the disperse phase is included in the model and CFD methods in which the disperse phase is not included in the model. This means that the particles do not necessarily have to be considered in the model. Preferably, however, the operational model also includes the particles and the interaction between the particles and the gas stream.

Sowohl die kontinuierliche Phase als auch die diskrete Phase können jeweils mehrere Komponenten enthalten (multi-component phase). Beispielsweise kann beim Plasmaspritzen ein Gemisch aus Argon und Helium verwendet werden, dann umfasst die kontinuierliche Gasphase die beiden Komponenten Argon und Helium. Auch die diskrete Phase kann mehrere Komponenten enthalten, wenn beispielsweise eine Pulvermischung verschiedener Substanzen als Partikel beim Plasmaspritzen verwendet wird, oder wenn bereits aufgeschmolzene und noch feste Partikel zwei Komponenten der diskreten Phase bilden.Both the continuous phase and the discrete phase may each contain multiple components (multi-component phase). For example, when plasma spraying a mixture of argon and helium can be used, then the continuous gas phase comprises the two components argon and helium. The discrete phase may also contain several components, for example if a powder mixture of different substances is used as particles in plasma spraying, or if already molten and still solid particles form two components of the discrete phase.

Es gibt zahlreiche an sich bekannte und kommerziell erhältliche Computerprogrammprodukte und Algorithmen für CFD, die dem Fachmann hinreichend bekannt sind, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird.There are numerous well-known and commercially available computer program products and algorithms for CFD that are well known to those skilled in the art, so will not be discussed further here.

Bei der strömungsmechanischen Modellierung wird zunächst der zu berechnende Strömungsraum als dreidimensionaler Volumenkörper definiert, beispielsweise mittels eines CAD-Modells der Spritzvorrichtung. Dann werden kleine finite Sub-Volumina definiert, in die der Volumenkörper eingeteilt wird. Diese Sub-Volumina bilden das numerische Rechengitter. Die Randbedingungen werden festgelegt, welche die physikalischen Betriebsbedingungen definieren, beispielsweise Massenströme oder Flussrate beim Eintritt, Temperatur des Gases beim Eintritt, Temperatur an den Wänden, Stromstärke oder ähnliches. Nun werden mit an sich bekannten numerischen Prozeduren die Strömungsgrössen wie Druck, Geschwindigkeit oder Temperatur in jedem Sub-Volumen bestimmt. Die Ergebnisse führen zu einem dreidimensionalen Strömungsfeld, welches dann quantitativ und qualitativ ausgewertet wird.In fluid mechanical modeling, the flow space to be calculated is first defined as a three-dimensional volume body, for example by means of a CAD model of the spray device. Then small finite sub-volumes are defined, into which the volume body is divided. These sub-volumes make up the numerical computational grid. The boundary conditions are defined which define the physical operating conditions, for example mass flow or inlet flow rate, inlet gas temperature, wall temperature, amperage or the like. Now, with numerical procedures known per se, the flow quantities such as pressure, velocity or temperature in each sub-volume are determined. The results lead to a three-dimensional flow field, which is then quantitatively and qualitatively evaluated.

Aufgrund der extrem hohen Temperaturen beim Plasmaspritzen - das Plasma kann beispielsweise Temperaturen von bis zu 19000 Kelvin erreichen -wird die Temperaturabhängigkeit und/oder die Druckabhängigkeit der Materialeigenschaften berücksichtigt. Hinsichtlich der kontinuierlichen Phase, hier also der Gasphase, kann die Temperatur- und/oder Druckabhängigkeit insbesondere der folgenden Grössen berücksichtigt werden: elektrische Leitfähigkeit, thermische Leitfähigkeit, Viskosität, spezifische Wärmekapazität, Elektronendichte, molare Masse, lonenkonzentration für die verschiedenen lonisationsstufen, Schallgeschwindigkeit. Diese Abhängigkeiten sind bekannt oder können in an sich bekannter Weise ermittelt werden.Due to the extremely high temperatures in the plasma spraying - the plasma can reach temperatures of up to 19,000 Kelvin, for example - the temperature dependence and / or the pressure dependence of the material properties is taken into account. With regard to the continuous phase, in this case the gas phase, the temperature and / or pressure dependence, in particular of the following variables can be taken into account: electrical conductivity, thermal conductivity, viscosity, specific heat capacity, electron density, molar mass, ion concentration for the various ionization stages, speed of sound. These dependencies are known or can be determined in a manner known per se.

Für manche Prozessgrössen oder qualitative Aussagen oder erste Näherungen beispielsweise in Optimierungsprozessen kann es ausreichend sein, wenn man die beim Plasmaspritzen in den Gasstrom eingeblasenen Partikel bei der strömungsmechanischen Modellierung nicht berücksichtigt. Vorzugsweise werden die Partikel als disperse Phase jedoch in dem Betriebsmodell berücksichtigt.For some process variables or qualitative statements or first approximations, for example in optimization processes, it may be sufficient to ignore the particles blown into the gas stream during plasma spraying during fluid mechanical modeling. Preferably, however, the particles are taken into account as a disperse phase in the operating model.

Das strömungsmechanische Modell wird erfindungsgemäss mit einem elektromagnetischen Modell gekoppelt. Der mindestens eine zwischen der Kathodenanordnung 3 und der Anode 4 erzeugte Lichtbogen in der Plasmaspritzvorrichtung 1 erhitzt und beschleunigt das Gas G. Die Kopplung zwischen dem strömungsmechanischen und elektromagnetischen Modell erlaubt die Beschreibung des Lichtbogens bzw. der Lichtbögen. Der Lichtbogen bzw. das Plasma verursachen wiederum elektromagnetische Effekte wie elektrische Potentiale, magnetische Felder usw., deren Einfluss durch das elektromagnetische Modell bzw. seine Kopplung an das strömungsmechanische Modell berücksichtigt werden.The fluid mechanical model is coupled according to the invention with an electromagnetic model. The at least one arc generated in the plasma spray device 1 between the cathode assembly 3 and the anode 4 heats and accelerates the gas G. The coupling between the fluid mechanical and electromagnetic model allows the description of the arc (s). The arc or the plasma in turn cause electromagnetic effects such as electrical potentials, magnetic fields, etc., whose influence is taken into account by the electromagnetic model or its coupling to the fluid mechanical model.

Auch für die elektromagnetischen Eigenschaften werden Randbedingungen festgelegt, insbesondere für das elektrische Potential und für das magnetische Vektorpotential. Für das elektrische Potential kann beispielsweise angenommen werden, dass die Kathodenanordnung 3 auf Erdpotential, das heisst null Volt, liegt und das Potential der Anode so kontrolliert wird, das der vorgegebene Strom fliesst.Boundary conditions are also defined for the electromagnetic properties, in particular for the electrical potential and for the magnetic vector potential. For the electrical potential, it can be assumed, for example, that the cathode arrangement 3 is at ground potential, that is to say zero volts, and the potential of the anode is controlled in such a way that the predetermined current flows.

Das elektromagnetische Modell basiert auf den Maxwell-Gleichungen sowie den Materialeigenschaften für die Polarisation (Dielektrizitätskonstante), die Magnetisierung (Permeabilität) und die Leitfähigkeit.The electromagnetic model is based on the Maxwell equations and the material properties for the polarization (dielectric constant), the magnetization (permeability) and the conductivity.

Die Kopplung zwischen dem strömungsmechanischen Modell und dem elektromagnetischen Modell erfolgt über das Ohmsche Gesetz, über die Lorentzkraft (Kraft auf bewegte Ladungsträger im Magnetfeld) und die Widerstandserwärmung. Dabei koppelt die Lorentzkraft die elektromagnetischen Effekte mit der Fluiddynamik während die Widerstandserwärmung die elektromagnetischen Effekte mit den thermodynamischen Energiegleichungen koppelt.The coupling between the fluid mechanical model and the electromagnetic model takes place via Ohm's law, the Lorentz force (force on moving charge carriers in the magnetic field) and the resistance heating. The Lorentz force couples the electromagnetic effects with the fluid dynamics while the resistance heating couples the electromagnetic effects with the thermodynamic energy equations.

Die Lösung der resultierenden Gleichungen erfolgt üblicherweise numerisch. Dem Fachmann ist hinreichend bekannt wie solche elektromagnetischen Modelle an sich erstellt und gerechnet werden. Auch hierfür sind Computerprogrammprodukte bekannt, sodass diesbezüglich keine weiteren Erläuterungen notwendig sind.The solution of the resulting equations usually takes place numerically. The person skilled in the art is sufficiently well-known how to create and calculate such electromagnetic models per se. Computer program products are also known for this, so that no further explanations are necessary in this regard.

Programmiertechnisch kann die Berücksichtigung des elektromagnetischen Modells in Form eines Programm-Moduls (Plug-in) erfolgen, das in das CFD-Programm für die strömungstechnische Modellierung eingeschoben bzw. integriert wird.Programmatically, the consideration of the electromagnetic model in the form of a program module (plug-in) done, which is inserted or integrated into the CFD program for fluid dynamics modeling.

Mit Hilfe des Betriebsmodells ist eine vollständige Simulation des thermischen Spritzprozesses möglich. Das heisst insbesondere, dass jeder Prozessparameter mittels des Betriebsmodells bestimmt werden kann.With the help of the operating model, a complete simulation of the thermal spraying process is possible. This means in particular that each process parameter can be determined by means of the operating model.

Im Folgenden sollen nun noch einige Anwendungsbeispiele erläutert werden.In the following, some application examples will now be explained.

Dadurch, dass durch das Betriebsmodell der gesamte thermische Spritzprozess simuliert werden kann, wird es möglich, die thermische Spritzvorrichtung wesentlich schneller und effizienter an den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen bzw. für den jeweiligen Anwendungsfall zu optimieren. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Neu- und Weiterentwicklung von thermischen Spritzvorrichtungen ein wichtiger Vorteil. Es sind nämlich für die Anpassung und Optimierung keine zeit- und kostenintensiven Versuchsreihen mehr notwendig, in welchen empirisch motivierte Modifikationen getestet werden, sondern der Einfluss von Änderungen auf die Prozessparameter kann anhand des Betriebsmodells ohne experimentellen Aufwand untersucht werden.Due to the fact that the entire thermal spraying process can be simulated by the operating model, it becomes possible to adapt the thermal spraying device much more quickly and efficiently to the respective application or to optimize it for the respective application. This is an important advantage, especially with regard to the new and further development of thermal spray devices. Namely, time-consuming and costly experimental series are no longer necessary for the adaptation and optimization, in which empirically motivated modifications are tested, but the influence of changes on the process parameters can be examined on the basis of the operating model without any experimental effort.

Für industrielle Anwendungen des thermischen Spritzens ist insbesondere die Stabilität des Prozesses von grosser Bedeutung, das heisst, über einen längeren Zeitraum soll immer wieder die gleiche Beschichtung mit den gleichen Eigenschaften erzeugt werden. Hier kann das erfindungsgemässe Verfahren dazu genutzt werden, die für die Prozessstabilität wesentlichen Prozessgrössen zu identifizieren und den Einfluss ihrer betriebsbedingten Schwankungen zu analysieren.For industrial applications of thermal spraying, in particular the stability of the process is of great importance, that is to say over a longer period of time the same coating with the same properties is to be produced over and over again. Here, the inventive method can be used to identify the process variables essential process variables and to analyze the impact of their operational fluctuations.

Da die Effizienz der Spritzvorrichtung unter wirtschaftlichen Aspekten eine wesentliche Rolle spielt, besteht das Bestreben, solche Spritzvorrichtungen an der Grenze ihrer Belastbarkeit zu betreiben. Hier eignet sich das erfindungsgemässe Verfahren, diese Grenzen genauer zu bestimmen.Since the efficiency of the sprayer plays an essential role in economic terms, there is an effort to operate such spraying devices at the limit of their capacity. Here, the method according to the invention is suitable for more precisely determining these limits.

Weitere wesentliche Aspekte insbesondere für die industrielle Anwendung sind eine hohe Auftragsrate (Wie schnell kann die Beschichtung erzeugt werden?), eine hohe Auftragseffizienz (Wieviel Energie wird benötigt, um eine bestimmte Masse von Beschichtungsmaterial aufzutragen?) und eine hohe Lebensdauer der Vorrichtung und ihrer Komponenten. Auch hier eignet sich das erfindungsgemässe Verfahren, um das Betriebsverhalten der Spritzvorrichtung in effizienter Weise deutlich zu verbessern.Other important aspects, in particular for industrial applications, are a high application rate (how fast can the coating be produced?), High application efficiency (how much energy is needed to apply a certain mass of coating material?) And a long service life of the device and its components , Again, the inventive method is to improve the performance of the spray device in an efficient manner significantly.

Auch im Hinblick auf Neu- und Weiterentwicklungen von Spritzvorrichtungen bildet das erfindungsgemässe Verfahren ein sehr nützliches Werkzeug zur Optimierung des Designs.Also with regard to new and further developments of spray devices, the inventive method forms a very useful tool for optimizing the design.

Häufig ist es so, dass die zu erzeugende Beschichtung beispielsweise von einem Kunden vorgegeben wird und die Spritzvorrichtung bzw. das Spritzverfahren an diese Vorgaben angepasst werden muss.It is often the case that the coating to be produced is predetermined, for example, by a customer, and the spray device or the spray method has to be adapted to these specifications.

Solche Vorgaben können zum Beispiel die Art und Stärke der Anhaftung oder Adhäsion der Beschichtung an dem Substrat sein, oder andere Eigenschaften der Beschichtung 7 wie z.B. die Struktur, die Kristallinität, die Textur, die Dicke, die Porösität, die Rauhigkeit, die elektrische oder thermische Leitfähigkeit, die Viskosität, die Verschleissfestigkeit oder der Oxidationsgrad, um nur einige Eigenschaften zu kennen. Um solche Eigenschaften der Beschichtung bewusst gezielt und kontrolliert einzustellen, müssen geeignete Prozessparameter bekannt sein.Such constraints may be, for example, the type and degree of adhesion or adhesion of the coating to the substrate, or other properties of the coating 7 such as e.g. the structure, the crystallinity, the texture, the thickness, the porosity, the roughness, the electrical or thermal conductivity, the viscosity, the wear resistance or the degree of oxidation, to know only a few properties. In order to intentionally and controllably adjust such properties of the coating, suitable process parameters must be known.

Dies soll an einem Beispiel veranschaulicht werden: Um eine vorgegebene Beschichtung zu erzeugen ist es beispielsweise notwendig, dass die Partikel gegebener Grösse mit einer Solltemperatur und einer Sollgeschwindigkeit auf das Substrat 6 auftreffen. Nun kann mit Hilfe des Betriebsmodells eine Optimierung durchgeführt werden, bei welcher die einstellbaren Prozessparameter, beispielsweise Stromstärke oder Gasflussrate solange variiiert werden bis der gewünschte Sollwert für die Temperatur und die Geschwindigkeit der Partikel beim Auftreffen auf das Substrat 6 innerhalb vorgebbarer Grenzen erreicht ist.This will be illustrated by an example: In order to produce a given coating, it is necessary, for example, for the particles of a given size to strike the substrate 6 with a setpoint temperature and a setpoint speed. Now, with the aid of the operating model, an optimization can be carried out in which the adjustable process parameters, such as current or gas flow rate are varied until the desired setpoint for the temperature and the velocity of the particles is reached within predeterminable limits when hitting the substrate 6.

Alternativ ist es auch möglich, zunächst zu bestimmen, welches Geschwindigkeits- und Temperaturprofil der Gasstrom haben muss, damit die Partikel auf die Solltemperatur aufgeheizt und auf die Sollgeschwindigkeit beschleunigt werden. Anschliessend werden dann die beeinflussbaren Parameter solange variiert, bis diese Profile für den Gasstrom resultieren. Hierbei ist es insbesondere bei Neu- und Weiterentwicklungen von Spritzvorrichtungen auch möglich, die Geometrie der Spritzvorrichtung als Parameter zu variieren und zu optimieren.Alternatively, it is also possible to first determine which speed and temperature profile the gas flow must have, so that the particles are heated to the desired temperature and accelerated to the desired speed. Subsequently, the controllable parameters are then varied until these profiles for the gas flow result. In this case, it is also possible in particular in new and further developments of spray devices to vary the geometry of the spray device as a parameter and to optimize.

Falls die Optimierung über die Bestimmung der Profile des Gasstroms erfolgt, kann es aus Gründen der Effizienz vorteilhaft sein, wenn man zunächst einige mögliche optimale Varianten beispielsweise für die Geometrie der Spritzvorrichtung bestimmt, indem man im Betriebsmodell die Partikel nicht berücksichtigt. Wenn dann einige mögliche Designs oder Parameterkombinationen ermittelt sind, erfolgt die Verfeinerung und schliesslich die Optimierung mittels eines Betriebsmodells, in welchem die Partikel und gegebenenfalls auch das Substrat berücksichtigt sind.If the optimization takes place via the determination of the profiles of the gas flow, it can be advantageous for reasons of efficiency to first determine some possible optimal variants, for example for the geometry of the spray device, by not taking into account the particles in the operating model. If then some possible designs or parameter combinations are determined, the refinement and finally the optimization takes place by means of an operating model in which the particles and possibly also the substrate are taken into account.

Weitere Prozessparameter, die mit dem erfindungsgemässen Verfahren bestimmbar sind und deren Kenntnis vorteilhaft ist, sind der Aggregatzustand der Partikel, die Spur, das heisst die Flugbahn der Partikel, der Auftreffpunkt der Partikel auf dem Substrat.Further process parameters, which can be determined by the method according to the invention and whose knowledge is advantageous, are the state of aggregation of the particles, the trace, that is to say the trajectory of the particles, the point of impact of the particles on the substrate.

Auch ist es vorteilhaft, das Geschwindigkeitsfeld bzw. das Geschwindigkeitsprofil des Gasstroms zu bestimmen. Anhand dessen kann eine Optimierung der Strömungsverhältnisse in der Spritzvorrichtung erreicht werden.It is also advantageous to determine the velocity field or the velocity profile of the gas stream. Based on this, an optimization of the flow conditions in the spray device can be achieved.

Ferner ist es vorteilhaft, das Temperaturprofil des Gasstroms zu kennen. So lassen sich beispielsweise Ungleichmässigkeiten in der Temperaturverteilung, sogenannte heisse Punkte (hot spots), lokalisieren.Furthermore, it is advantageous to know the temperature profile of the gas stream. For example, unevenness in the temperature distribution, so-called hot spots, can be localized.

So ist es beispielsweise möglich, ein thermisches bzw. ein thermodynamisches Abbild der Spritzvorrichtung zu erzeugen. Mit diesem kann dann der Verlauf der Kühlkanäle optimiert werden, so, dass gerade so viel Wärme abgeführt wird, dass die Temperatur der inneren Oberflächen innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt, um Erosion und andere unerwünschte Effekte zu vermeiden.For example, it is possible to generate a thermal or a thermodynamic image of the spray device. With this, then the course of the cooling channels can be optimized so that just so much heat is dissipated that the temperature of the inner surfaces within preset limits to avoid erosion and other undesirable effects.

Die Spur oder die Flugbahn der Partikel zu kennen, erlaubt beispielsweise die Qualität der Beschichtung (Porösität, Anhaftung usw.) gezielt zu beeinflussen, denn es ist bekannt, dass diese Eigenschaften der Beschichtung davon abhängen, unter welchem Winkel die Partikel auf das Substrat treffen.Knowing the trace or the trajectory of the particles, for example, allows targeted influencing the quality of the coating (porosity, adhesion, etc.), because it is known that these properties of the coating depend on the angle at which the particles hit the substrate.

Auch die Form und der Verlauf des Lichtbogens bzw. der Lichtbögen und die zugehörigen Ansatzpunkte an den Elektroden 3,4 sind mit dem erfindungsgemässen Verfahren bestimmbar. Über diese Kenntnis kann die Stabilität des Lichtbogens bzw. der Lichtbögen optimiert werden, so dass beispielsweise eine gleichmässige und voraussagbare Erhitzung des Gasstroms resultiert.The shape and the course of the arc or of the arcs and the associated starting points on the electrodes 3, 4 can also be determined by the method according to the invention. By means of this knowledge, the stability of the arc or of the arcs can be optimized so that, for example, a uniform and predictable heating of the gas flow results.

Wenn man die Partikel nicht nur als ausgedehnte Gebilde mit einem bestimmten Durchmesser bzw. einer bestimmten Ausdehnung sondern als ausgedehnte Körper mit variierenden Prozessgrössen im Betriebsmodell berücksichtigt, kann mit dem erfindungsgemässen Verfahren sowohl die Temperatur an der Oberfläche als auch die Temperatur im Innern der Partikel ermittelt werden. Es lässt sich auch ein Temperaturprofil für die Partikel erstellen. Gerade die Temperatur im Innern der Partikel stellt eine Grösse dar, deren Kenntnis von grossem Interesse ist, die aber heute messtechnisch noch nicht erfassbar ist. Die messtechnische Bestimmung ist auf die Temperatur an der Oberfläche der Partikel beschränkt. Um die Beschichtung gezielt zu beeinflussen, ist es aber vorteilhaft, die Temperatur im Innern der Partikel zu kennen, denn es kommt durchaus vor, dass die Partikel zwar an ihrer Oberfläche aufgeschmolzen sind, aber in ihrem Innern noch fest und "kalt" sind. Dies führt zu einem hohen Anteil ungeschmolzener Bereiche in der Beschichtung, die üblicherweise unerwünscht sind.If the particles are considered not only as expanded structures with a specific diameter or a certain extent but as expanded bodies with varying process variables in the operating model, both the temperature at the surface and the temperature in the interior of the particles can be determined with the method according to the invention , It is also possible to create a temperature profile for the particles. It is precisely the temperature inside the particles that represents a quantity whose knowledge is of great interest, but which can not yet be measured today. The metrological determination is limited to the temperature at the surface of the particles. However, in order to influence the coating in a targeted manner, it is advantageous to know the temperature inside the particles, because it is quite possible that the particles are melted on their surface but are still solid and "cold" in their interior. This results in a high proportion of unmelted areas in the coating, which are usually undesirable.

Ferner ist es möglich, mittels des erfindungsgemässen Verfahrens die Temperatur an der Oberfläche des Substrat 6 zu bestimmen. Dies ist vorteilhaft, weil bei manchen Anwendungen das Substrat nicht zu stark aufgeheizt werden darf, oder weil ein bestimmter Temperaturbereich an der Substratoberfläche notwendig ist, um die vorgegebenen Eigenschaften der Beschichtung zu erzielen.Furthermore, it is possible to determine the temperature at the surface of the substrate 6 by means of the method according to the invention. This is advantageous because in some applications, the substrate may not be heated too much, or because a certain temperature range at the Substrate surface is necessary to achieve the predetermined properties of the coating.

Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäse Verfahren auch dazu, um in einer thermischen Spritzvorrichtung 1, insbesondere in einer Plasmaspritzvorrichtung die Düse 41 und insbesondere ihre Geometrie zu optimieren. Die Düse 41 ist ein Austauschteil, das heisst je nach Anwendung kommen unterschiedliche Düsen 41 mit unterschiedlichen Geometrien und dementsprechend unterschiedlichen Strömungseigenschaften zum Einsatz. Wird beispielsweise eine Düse 41 mir grosser Öffnung eingesetzt, so ist das Plasma sehr heiss und die Geschwindigkeit des austretenden Gasstroms niedriger. Bei kleinerer Düsenöffnung ist der Gasstrom etwas kühler, hat aber eine höhere Geschwindigkeit. Zur Erzeugung kälterer Hochgeschwindigkeitsströme werden beispielsweise konvergent-divergente Düsen verwendet, die ähnlich einer Lavaldüse ausgestaltet sind. Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt es nun, das Design der Düse 41 so zu optimieren, das es möglichst gut die vorgegebenen Prozessparameter für den austretenden Fluid- bzw. Gasstrom realisiert.In particular, the method according to the invention is also suitable for optimizing the nozzle 41 and in particular its geometry in a thermal spraying device 1, in particular in a plasma spraying device. The nozzle 41 is a replacement part, that is, depending on the application, different nozzles 41 with different geometries and correspondingly different flow properties are used. If, for example, a nozzle 41 with a large opening is used, the plasma is very hot and the speed of the exiting gas flow is lower. With a smaller nozzle opening, the gas flow is slightly cooler, but has a higher speed. To generate colder high-speed streams, for example, convergent-divergent nozzles are used, which are designed similarly to a Laval nozzle. The inventive method now makes it possible to optimize the design of the nozzle 41 so that it realizes as well as possible the predetermined process parameters for the exiting fluid or gas flow.

Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich auch, um eine thermische Spritzvorrichtung insbesondere eine Plasmaspritzvorrichtung 1 zu betreiben. Dabei kann das Betriebsmodell dazu dienen, vorgegebene Prozessparameter, die beispielsweise nicht direkt messbar sind, während des Betriebs aufzuzeichnen und zu speichern, oder das Betriebsmodell kann in die Steuerung bzw. Regelung der Spritzvorrichtung integriert werden, um beispielsweise einen oder mehrere Prozessparameter auf einen Sollwert zu regeln.The method according to the invention is also suitable for operating a thermal spraying device, in particular a plasma spraying device 1. In this case, the operating model can serve to record and store given process parameters, which are not directly measurable, during operation, for example, or the operating model can be integrated into the control or regulation of the spraying device, for example, to one or more process parameters to a desired value regulate.

Das erfindungsgemässe Verfahren eigent sich ferner für die Entwicklung und/oder die Durchführung von Hybridprozessen, bei denen thermisches Spritzen mit anderen Prozessen kombiniert wird, beispielsweise für einen Hybridprozess Kaltgasspritzen/Plasmaspritzen.The inventive method is also suitable for the development and / or the implementation of hybrid processes, in which thermal spraying is combined with other processes, for example for a hybrid process cold gas spraying / plasma spraying.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist vorzugsweise in Form eines Computerprogrammprodukts in einer Datenverarbeitungsanlage implementiert.The inventive method is preferably implemented in the form of a computer program product in a data processing system.

Erfindungsgemäss wird also ein Verfahren vorgeschlagen zur Bestimmung von Prozessparametern in einem thermischen Spritzprozess, bei welchem mittels einer thermischen Spritzvorrichtung (1) Partikel aufgeschmolzen oder plastisch gemacht werden und von einem Fluidstrom (G) zu einem Substrat (6) transportiert werden, bei welchem Verfahren für den thermischen Spritzprozess oder für die thermische Spritzvorrichtung ein Betriebsmodell errichtet wird, welches ein strömungsmechanisches Modell sowie ein elektromagnetisches Modell umfasst, wobei das strömungsmechanische Modell und das elektromagnetische Modell miteinander gekoppelt werden und mittels des Betriebsmodells mindestens ein Prozessparameter bestimmt wird.According to the invention, therefore, a method is proposed for determining process parameters in a thermal spraying process in which particles are melted or plasticized by means of a thermal spraying device (1) and transported by a fluid stream (G) to a substrate (6) the thermal spraying process or for the thermal spraying device, an operating model is built, which comprises a fluid mechanical model and an electromagnetic model, wherein the fluid mechanical model and the electromagnetic model are coupled together and at least one process parameter is determined by means of the operating model.

Claims (11)

Verfahren zur Bestimmung von Prozessparametern in einem thermischen Spritzprozess, bei welchem mittels einer thermischen Spritzvorrichtung (1) Partikel aufgeschmolzen oder plastisch gemacht oder verdampft werden und von einem Fluidstrom (G) zu einem Substrat (6) transportiert werden, bei welchem Verfahren für den thermischen Spritzprozess oder für die thermische Spritzvorrichtung ein Betriebsmodell errichtet wird, mit dem eine Simulation des thermischen Spritzprozesses durchführbar ist, und welches ein strömungsmechanisches Modell sowie ein elektromagnetisches Modell umfasst, wobei das strömungsmechanische Modell und das elektromagnetische Modell miteinander gekoppelt werden und mittels des Betriebsmodells mindestens ein Prozessparameter bestimmt wird.Method for determining process parameters in a thermal spraying process, in which particles are melted or plasticized or vaporized by means of a thermal spraying device (1) and transported by a fluid flow (G) to a substrate (6), in which process for the thermal spraying process or for the thermal spraying device, an operating model is set up, with which a simulation of the thermal spraying process is feasible, and which comprises a fluid mechanical model and an electromagnetic model, wherein the fluid mechanical model and the electromagnetic model are coupled to each other and determines at least one process parameter by means of the operating model becomes. Verfahren nach Anspruch 1 bei welchem das Betriebsmodell die Wechselwirkung zwischen den Partikeln und dem Fluidstrom (G) umfasst.The method of claim 1, wherein the operating model comprises the interaction between the particles and the fluid stream (G). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem zumindest einer der folgenden Prozessparameter bestimmt wird: Geschwindigkeit der Partikel, Temperatur der Partikel an der Oberfläche der Partikel, Temperatur im Innern der Partikel, Aggregatzustand der Partikel, Spur der Partikel, Auftreffpunkt der Partikel.Method according to one of the preceding claims, wherein at least one of the following process parameters is determined: velocity of the particles, temperature of the particles on the surface of the particles, temperature inside the particles, state of aggregation of the particles, trace of the particles, impact point of the particles. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein Temperaturprofil für die Partikel erstellt wird.Method according to one of the preceding claims, in which a temperature profile is established for the particles. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein Geschwindigkeitsprofil oder ein Temperaturprofil für den Fluidstrom erstellt wird.Method according to one of the preceding claims, in which a velocity profile or a temperature profile for the fluid flow is created. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem für mindestens einen Prozessparameter ein Sollwert vorgegeben wird und die thermische Spritzvorrichtung oder der thermische Spritzprozess mittels des Betriebsmodells optimiert wird, bis der Sollwert innerhalb vorgebbarer Grenzen erreicht wird.Method according to one of the preceding claims, wherein for at least one process parameter, a desired value is specified and the thermal spraying device or the thermal spraying process is optimized by means of the operating model until the desired value is reached within predefinable limits. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die thermische Spritzvorrichtung eine Düse (41) umfasst, durch welche der Fluidstrom austritt, wobei das Betriebsmodell zur Optimierung der Düse herangezogen wird.Method according to one of the preceding claims, in which the thermal spraying device comprises a nozzle (41) through which the fluid flow exits, the operating model being used to optimize the nozzle. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die thermische Spritzvorrichtung eine Plasmaspritzvorrichtung ist, bei der mindestens ein Lichtbogen zwischen einer Anode (4) und einer Kathodenanordnung (3) erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the thermal spraying device is a plasma spraying device in which at least one arc is produced between an anode (4) and a cathode arrangement (3). Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem mittels des Betriebsmodells die Form und/oder die Kontaktpunkte des Lichtbogens bestimmt werden.Method according to Claim 8, in which the shape and / or the contact points of the arc are determined by means of the operating model. Thermische Spritzvorrichtung, insbesondere Plasmaspritzvorrichtung, welche mit Hilfe eines Verfahrens gemäss einem der vorangehenden Ansprüche betrieben wird.Thermal spray device, in particular plasma spray device, which is operated by means of a method according to one of the preceding claims. Computerprogrammprodukt zur Implementierung eines Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1-9 in eine Datenverarbeitungsanlage.Computer program product for implementing a method according to one of claims 1-9 in a data processing system.
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