EP1857183B1 - Vorrichtung zum Kaltgasspritzen - Google Patents

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EP1857183B1
EP1857183B1 EP06015705A EP06015705A EP1857183B1 EP 1857183 B1 EP1857183 B1 EP 1857183B1 EP 06015705 A EP06015705 A EP 06015705A EP 06015705 A EP06015705 A EP 06015705A EP 1857183 B1 EP1857183 B1 EP 1857183B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
cold gas
gas spray
coating
spray nozzle
Prior art date
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Revoked
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EP06015705A
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English (en)
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EP1857183A1 (de
Inventor
Frank Dr. Gärnter
Peter Heinrich
Heinrich Prof .Dr. Kreye
Peter Richter
Tobias Schmidt
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
Linde GmbH
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Publication date
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Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to US11/801,456 priority Critical patent/US20070278324A1/en
Publication of EP1857183A1 publication Critical patent/EP1857183A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1857183B1 publication Critical patent/EP1857183B1/de
Priority to US12/620,108 priority patent/US20100181391A1/en
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/14—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas designed for spraying particulate materials
    • B05B7/1481—Spray pistols or apparatus for discharging particulate material
    • B05B7/1486—Spray pistols or apparatus for discharging particulate material for spraying particulate material in dry state
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B15/00—Details of spraying plant or spraying apparatus not otherwise provided for; Accessories
    • B05B15/14—Arrangements for preventing or controlling structural damage to spraying apparatus or its outlets, e.g. for breaking at desired places; Arrangements for handling or replacing damaged parts
    • B05B15/18—Arrangements for preventing or controlling structural damage to spraying apparatus or its outlets, e.g. for breaking at desired places; Arrangements for handling or replacing damaged parts for improving resistance to wear, e.g. inserts or coatings; for indicating wear; for handling or replacing worn parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/14—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas designed for spraying particulate materials
    • B05B7/1404—Arrangements for supplying particulate material

Definitions

  • the invention relates to a cold gas injection nozzle for accelerating gas and spray particles, wherein the nozzle in the flow direction from a convergent section in the nozzle neck merges into a divergent section. Furthermore, the invention relates to a cold gas spray gun with a cold gas spray nozzle.
  • the spray particles are added as a powder, wherein the powder usually at least partially comprises particles having a size of 1 to 50 microns.
  • a de Laval nozzle is used as nozzle, hereinafter referred to as Laval nozzle.
  • Laval nozzles are axially symmetric and consist of a convergent and a subsequent divergent section in the current direction.
  • the contour of the nozzle must be shaped in the divergent area in a certain way, so that it does not come to flow separation and no compression shocks occur and the gas flow obeys the laws of de Laval.
  • Laval nozzles are characterized by this contour and the length of the divergent section and further by the ratio of the outlet cross section to the narrowest cross section.
  • the narrowest cross-section of the Laval nozzle is called nozzle throat.
  • Common cold gas spraying devices are designed for pressures of about 1 MPa up to a maximum pressure of 3.5 MPa and gas temperatures up to about 800 ° C.
  • the heated gas is released together with the spray particles in a Laval nozzle. While the pressure in the Laval nozzle drops, the gas velocity increases to values up to 3000 m / s and the particle velocity to values up to 2000 m / s.
  • the process gas used is nitrogen, helium, argon, air or mixtures thereof. However, nitrogen is usually used, higher particle velocities are achieved with helium or helium-nitrogen mixtures.
  • a generic device for cold gas spraying is further from the DE-A1-102 07 519 known.
  • the velocities which gas and spray particles have on exiting the Laval nozzle are determined primarily by the geometric dimensioning of the Laval nozzle. It follows from the characteristic sizes of the Laval nozzle that the inner diameter at the nozzle neck must be as small as possible, since the two sizes outlet cross-section and length of the divergent section are determined on the basis of external dimensions. Currently, nozzles are made with a diameter at the nozzle neck between 2 and 3 mm. Since the contours for the Laval nozzle in the inner body must arise and is therefore a bore, the production is extremely problematic due to the necessary dimensions. For example, the production is done by die sinking in a round or by a precision casting process in which the contour of the nozzle is made using a model.
  • nozzles with complex contour with any expansion ratio and to produce sufficient length, it is known to produce nozzles from two half-shells.
  • the nozzle contour is thereby introduced with high precision by milling in the respective half-shells and the two finished half shells are assembled into a nozzle.
  • the nozzle material is usually steel, since steel is a good material to process.
  • carbide tungsten carbide cobalt since the tendency of the particles to cake on the nozzle inner wall at nozzles of tungsten carbide cobalt is much lower than with nozzles made of steel.
  • Tungsten carbide cobalt is a difficult material to process, so making a nozzle of this cemented carbide is very difficult and expensive. Also, for manufacturing reasons, it is not possible for tungsten carbide cobalt to produce the diverging section of the Laval nozzle at the desired nozzle throat diameter in the desired length.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a cold gas spray nozzle, in which the caking of the particles on the nozzle inner wall does not matter and which is easy to manufacture. Also, with the nozzle to be specified, the temperatures to which gas or spray particles can be heated can be expanded to the desired higher temperatures without the particles caking on the nozzle wall due to the particle size composition of the powder present.
  • the nozzle is at least partially coated on its inner wall.
  • a cold gas spray gun available, in which the caking of the particles is effectively prevented at the nozzle inner wall.
  • the coating is thus carried out with a material which has a low tendency to react with the material of the spray particles.
  • the nozzle according to the invention is easy to manufacture, since the nozzle body is made of a good material to be machined, such as steel, and the coating prevents the caking of the spray particles. As a result, the problem of easily clogging the nozzle by the nozzle of the present invention is also solved.
  • the length of the divergent nozzle portion can be produced almost arbitrarily large, and this even with a small nozzle throat.
  • the caking is effectively prevented, higher temperatures for gas and spray particles are possible compared to uncoated nozzles. This improves both the property of the spiked layer and the application rate.
  • spray materials can be used, which could not be used previously, and also a use of coarser powders than previously possible is possible.
  • the nozzle according to the invention not only, as previously customary particles are sprayed with up to 50 microns, but particles with up to 100 microns, sometimes even with particle sizes of up to 250 microns.
  • the coating contains a hard, erosion and wear resistant material.
  • a hard, erosion and wear resistant material is at the temperature present in the nozzle (by the gas and the spray particle heating heats up the nozzle) no or at least almost no reaction with the spray particles.
  • the no reaction is, for example, recognizable by the compiled in tables works of state graphs, for example, " Binary alloy phase diagrams "by TB Massalski, H. Okamoto, ASM International, 1992 or the positive mixture enthalpies, the tables to thermochemical data, eg " Thermochemical data of pure substances ", by I. Barin, G.
  • the coating has particular advantages when it is very hard, adheres well to the nozzle material, and has a smooth surface.
  • a smooth surface is achieved either by polishing the die contour prior to application of the coating and then by coating it with very uniform application or by polishing after the coating application.
  • the nozzle is coated at least in the region of the nozzle neck. From caking, especially the area around the nozzle throat is affected, since this forms the bottleneck for gas and spray particles. At least in this area around the nozzle throat is now advantageously the coating attached. As a result, the baking is effectively prevented.
  • the nozzle is made of two half-shells.
  • the two half shells are assembled with the corresponding contour.
  • the two half shells are coated in the disassembled state and joined together accurately after application of the coating.
  • the coating contains a metal, in particular chromium or a metal compound or a Oxitkeramik.
  • the metal compounds are particularly the carbides, nitrides and borides, ie the compounds of metals with carbon, nitrogen or boron, such as TiB 2 , TiC, TiN, TiCN, TiB 2 , TiBN, TiAlN, CrN, CrCN, ZrC, ZrN , or MiSi 2 and WSi 2 and also the metalloid compounds, such as boron nitride or boron carbide. Even the so-called diamond-like-carbon or DLC layers are suitable.
  • the Oxitkeramiken especially TiO 2 , ZrO 2 or Al 2 O 3 are suitable.
  • phosphide coatings, such as NiP are possible. Such coatings are characterized by being very hard, erosion and wear resistant.
  • the coating is a coating applied electrolytically or by deposition from the gas phase.
  • An electrolytically applied coating is also called galvanic.
  • the PVD process Physical Vapor Deposition
  • the CVD process Chemical Vapor Deposition
  • the coating is composed of two or more layers.
  • the adhesion of the coating on the base material can be verbes sert in certain cases.
  • the lower layer serves as a primer. Also on the properties of the coating can be influenced by the layer structure.
  • the nozzle has a gas / air or water cooling and / or cooling fins.
  • the nozzle has a diameter at the nozzle neck of 1 to 6 mm and an expansion ratio, which is defined by the ratio of area at the nozzle exit to surface at the nozzle neck, from 3 to 15 and further a 30 to 100 times the diameter at the nozzle throat exhibiting length.
  • a cold gas spray nozzle which consists of two half-shells coated.
  • the two half-shells of the nozzle are made of a steel and the inner surface of the two halves coated with chrome.
  • nickel can be used as a primer.
  • the application of chromium as so-called hard chrome with a Vickers hardness of typically 800 HV and more is achieved by electrolytic (galvanic) deposition.
  • the thickness of the chromium layer can be 2 to 100 microns.
  • copper as a spray material such a hard chrome-coated steel nozzle shows a similar tendency to caking as a nozzle made of a hard metal.
  • the impact velocity of a 20 micron copper particle from 630 m / s can be further increased to 700 m / s, since the nozzle according to the invention can be manufactured with a very long divergent section and the caking of the spray particles is effectively prevented.
  • the advantages are evident not only in the spraying of copper powder, but also, for example, when spraying with powders of steel, aluminum or aluminum alloys.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kaltgas-Spritzdüse zur Beschleunigung von Gas und Spritzpartikel, wobei die Düse in Strömungsrichtung von einem konvergenten Abschnitt im Düsenhals in einen divergenten Abschnitt übergeht. Ferner betrifft die Erfindung eine Kaltgasspritzpistole mit einer Kaltgas-Spritzdüse.
  • Es ist bekannt, auf Werkstoffe unterschiedlichster Art Be schichtungen mittels thermischen Spritzens aufzubringen. Bekannte Verfahren hierfür sind beispielsweise Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen. In jüngerer Zeit wurde ein Verfahren entwickelt, das sog. Kaltgasspritzen, bei welchem die Spritzpartikel in einem "kalten" Gasstrahl auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Die Beschichtung wird durch das Auftreffen der Partikel auf dem Werkstück mit hoher kinetischer Energie gebildet. Beim Aufprall bilden die Partikel, die in dem "kalten" Gasstrahl nicht schmelzen, eine dichte und fest haftende Schicht, wobei plastische Verformung und daraus resultierende lokale Wärmefreigabe für Kohäsion und Haftung der Spritzschicht auf dem Werkstück sorgen. Ei n Aufheizen des Gasstrahls erwärmt die Partikel zur besseren plastischen Verformung beim Aufprall und erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und somit auch die Partikelgeschwindigkeit. Die damit verbundene Gastemperatur beträgt bis hin zu 800 °C (und mehr), liegt aber deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungswerkstoffs, so dass ein Schmelzen der Partikel im Gasstrahl nicht stattfindet. Eine Oxidation und/oder Phasenumwandlungen des Beschichtungswerkstoffes lassen sich somit weitgehend vermeiden. Die Spritzpartikel werden als Pulver zugegeben, wobei das Pulver üblicherweise zumindest teilweise Partikel mit einer Größe von 1 bis 50 µm umfasst. Ein solches Verfahren und eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen sind in der europäischen Patentschrift EP 0 484 533 B1 im einzelnen beschrieben. Als Düse wird dabei eine de Laval'sche Düse benutzt, im Folgenden kurz Lavaldüse genannt. Lavaldüsen sind axialsymmetrisch und bestehen aus einem konvergenten und einem sich in Stromrichtung daran anschließenden divergenten Abschnitt. Die Kontur der Düse muss im divergenten Bereich in bestimmter Weise geformt sein, damit es nicht zu Strömungsablösungen kommt und keine Verdichtungsstöße auftreten und die Gasströmung den Gesetzen nach de Laval gehorcht. Charakterisiert sind Lavaldüsen durch diese Kontur und die Länge des divergenten Abschnitts und des weiteren durch das Verhältnis des Austrittquerschnitts zum engsten Querschnitt. Der engste Querschnitt der Lavaldüse heißt Düsenhals. Derzeit übliche Vorrichtungen zum Kaltgasspritzen sind auf Drücke von etwa 1 MPa bis zu einem Maximaldruck von 3,5 MPa und Gastemperaturen bis zu etwa 800 °C ausgelegt. Das erhitzte Gas wird zusammen mit den Spritzpartikeln in einer Lavaldüse entspannt. Während der Druck in der Lavaldüse abfällt, steigt die Gasgeschwindigkeit auf Werte bis zu 3000m/s und die Partikelgeschwindigkeit auf Werte bis zu 2000 m/s. Als Prozessgas werden Stickstoff, Helium, Argon, Luft oder deren Gemische verwendet. Meist kommt jedoch Stickstoff zur Anwendung, höhere Partikelgeschwindigkeiten werden mit Helium oder Helium-Stickstoff-Gemischen erreicht.
  • Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Kaltgasspritzen ist ferner aus der DE-A1-102 07 519 bekannt.
  • In der Praxis ist es jedoch nicht möglich, das Gas und die Partikel bis auf die gewünschte, für das Kaltgasspritzen maximal mögliche Temperatur aufzuwärmen, da die Partikel bei zu hoher Temperatur an der Düseninnenwand anbacken. Durch das Anbacken der Partikel an der Düseninnenwand setzt sich die Düse innerhalb kurzer Zeit zu und ist dann nicht mehr zu verwenden. Auch ändern sich durch das Anbacken die Kontur und damit die Eigenschaften der Düse. Die Neigung, an der Düseninnenwand anzubacken ist für die kleineren Partikel des Spritzpulvers besonders ausgeprägt. Jedoch ist eine gewisse Größenverteilung innerhalb des Spritzpartikelpulvers bei der Herstellung nicht zu vermeiden. Zudem erhöht sich mit steigender Anforderung an die Größenselektion der Preis des Spritzpulvers wesentlich.
  • Die Geschwindigkeiten, welche Gas und Spritzpartikel beim Austreten aus der Lavaldüse aufweisen, sind jedoch in erster Linie durch die geometrische Dimensionierung der Lavaldüse bestimmt. Aus den charakteristischen Größen der Lavaldüse folgt, dass der Innendurchmesser am Düsenhals möglichst klein sein muss, da die beiden Größen Austrittsquerschnitt und Länge des divergenten Abschnitts aufgrund von Erfordernissen an die äußeren Abmessungen festgelegt sind. Derzeit werden Düsen mit einem Durchmesser am Düsenhals zwischen 2 und 3 mm gefertigt. Da die Konturen für die Lavaldüse im Innenkörper entstehen müssen und es folglich um eine Bohrung handelt, ist die Fertigung aufgrund der notwendigen Dimensionen äußert problematisch. Beispielsweise geschieht die Fertigung durch Senkerodieren in einen Rundling oder durch ein Feingussverfahren, bei welchem die Kontur der Düse mit Hilfe eines Modells angefertigt wird. Um Düsen mit komplexer Kontur, mit beliebigem Expansionsverhältnis und ausreichender Länge herstellen zu können, ist es bekannt, Düsen aus zwei Halbschalen zu fertigen. Die Düsenkontur wird dabei mit hoher Präzision durch Fräsen in die jeweiligen Halbschalen eingebracht und die beiden fertig bearbeiteten Halbschalen werden zu einer Düse zusammengesetzt. Als Düsenwerkstoff wird üblicherweise Stahl verwendet, da Stahl ein gut zu bearbeitendes Material ist. In manchen Fällen wird als Düsenwerkstoff auch das bestimmte Vorteile aufweisende Hartmetall Wolframkarbid-Kobalt verwendet, da die Neigung der Partikel an der Düseninnenwand anzubacken bei Düsen aus Wolframkarbid-Kobalt sehr viel geringer ist als bei Düsen aus Stahl. Wolframkarbid-Kobalt ist jedoch ein schwierig zu bearbeitender Werkstoff, so dass die Fertigung einer Düse aus diesem Hartmetall sehr schwierig und aufwendig ist. Auch ist es aus fertigungstechnischen Gründen für Wolframkarbid-Kobalt nicht möglich, den divergierenden Abschnitt der Lavaldüse bei gegebenen Düsenhalsdurchmesser in der gewünschten Länge herzustellen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kaltgas-Spritzdüse anzugeben, bei welcher das Anbacken der Partikel an der Düseninnenwand keine Rolle spielt und welche einfach zu fertigen ist. Auch soll mit der anzugebenden Düse die Temperaturen, auf welche sich Gas beziehungsweise Spritzpartikel erwärmen lassen, zu den gewünschten höheren Temperaturen hin erweitern lassen, ohne dass die Partikel aufgrund der vorliegenden Partikelgrößezusammensetzung des Pulvers an der Düsenwand anbacken.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Düse an ihrer Innenwand zumindest teilweise beschichtet ist. Durch die Beschichtung der Düse an ihrer Innenwand steht eine Kaltgas-Spritzpistole zur Verfügung, bei welcher das Anbacken der Partikel an der Düseninnenwand wirkungsvoll unterbunden ist. Die Beschichtung erfolgt somit mit einem Material, welches eine geringe Neigung zur Reaktion mit dem Werkstoff der Spritzpartikel aufweist. Zudem ist die erfindungsgemäße Düse einfach zu fertigen, da der Düsenkörper aus einem gut zu bearbeitenden Material, wie beispielsweise Stahl, ist und die Beschichtung das Anbacken der Spritzpartikel unterbindet. Folglich ist auch das Problem des leichten Zusetzens der Düse durch die erfindungsgemäße Düse gelöst. Zudem ist es möglich, die erfindungsgemäße Düse mit jeder gewünschten Kontur sowie in allen wünschenswerten Abmessungen und Abmessungsverhältnissen herzustellen. Insbesondere ist auch die Länge des divergenten Düsenabschnitts nahezu beliebig groß herstellbar, und dies auch bei kleinem Düsenhals. Da mit der erfindungsgemäßen Düse das Anbacken wirkungsvoll unterbunden wird, sind im Vergleich zu unbeschichteten Düsen höhere Temperaturen für Gas und Spritzpartikel möglich. Dies verbessert sowohl die Eigenschaft der Spitzschicht als auch die Auftragsrate. Ferner sind nun auch Spritzwerkstoffe einsetzbar, die bisher nicht verwendet werden konnten, und auch eine Verwendung von gröberen Pulvern als bisher üblich ist möglich. So können mit der erfindungsgemäßen Düse nicht nur, wie bisher üblich Partikel mit bis zu 50 µm gespritzt werden, sondern Partikel mit bis zu 100 µm, teilweise sogar mit Partikelgrößen von bis zu 250 µm. Weiterhin ist es von Vorteil, dass, wenn die Düse Verschleißerscheinungen zeigt, die Beschichtung auf einfache Weise ausgebessert oder nach einer Reparatur der Düsenkörpers erneuert werden kann.
  • Vorteilhafterweise enthält die Beschichtung ein hartes, erosions- und verschleißbeständiges Material. Ein derartiges Material geht bei den in der Düse vorliegenden Temperatur (durch das Gas- und die Spritzpartikelerwärmung heizt sich auch die Düse auf) keine oder zumindest nahezu keine Reaktion mit den Spritzpartikeln ein. Es tritt keine Reaktion ein bei einer Temperatur, die größer als das 0,5-fache der Schmelztemperatur des Spritzwerkstoffes in Kelvin ist. Das keine Reaktion erfolgt ist beispielsweise erkennbar an den in Tabellenwerken zusammengestellten Zustandsschaubildern, die z.B. "Binary alloy phase diagrams" von T.B. Massalski, H. Okamoto, ASM International, 1992 zu finden sind, oder den positiven Mischungsenthalpien, die Tabellenwerken zu thermochemischen Daten, z.B. "Thermochemical data of pure substances", von I. Barin, G. Platzki, VCH, Weinheim, New York, 1995 (ISBN: 3527287450) entnommen werden können. Zusammenfassend ist zu sagen, dass die Beschichtung besondere Vorteile aufweist, wenn sie sehr hart ist, gut auf dem Düsenwerkstoff haftet und eine glatte Oberfläche besitzt. Eine glatte Oberfläche wird erreicht, indem entweder die Düsenkontur vor dem Aufbringen der Beschichtung poliert wird und anschließend mit sehr gleichmäßigem Auftrag beschichtet wird oder indem nach dem Beschichtungsauftrag poliert wird.
  • Mit Vorteil ist die Düse zumindest im Bereich des Düsenhalses beschichtet. Vom Anbacken ist vor allem der Bereich um den Düsenhals betroffen, da dieser die Engstelle für Gas- und Spritzpartikel bildet. Zumindest in diesem Bereich um den Düsenhals ist nun vorteilhafterweise die Beschichtung angebracht. Dadurch wird das Anbacken wirkungsvoll unterbunden.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Düse aus zwei Halbschalen gefertigt. Durch Zusammensetzen der beiden Halbschalen mit entsprechender Kontur entsteht die Düse. Vorteilhafterweise werden die beiden Halbschalen im zerlegten Zustand beschichtet und nach dem Aufbringen der Beschichtung passgenau zusammengefügt. Durch die Aufteilung der Düse in zwei Halbschalen ist die Fertigung der Düsen und insbesondere die Fertigung von Düsen mit sehr langem divergenten Abschnitt gut zu bewerkstelligen.
  • Mit besonderem Vorteil enthält die Beschichtung ein Metall, insbesondere Chrom oder eine Metallverbindung oder eine Oxitkeramik. Von den Metallverbindungen eignen sich besonders die Karbide, Nitride und Boride, also die Verbindungen von Metallen mit Kohlenstoff, Stickstoff oder Bor, wie beispielsweise TiB2, TiC, TiN, TiCN, TiB2, TiBN, TiAlN, CrN, CrCN, ZrC, ZrN, oder auch MiSi2 und WSi2 und auch die Metalloidverbindungen, wie beispielsweise Bornitrid oder Borkarbid. Auch die sogenannten diamond-like-carbon oder DLC-Schichten sind geeignet. Von den Oxitkeramiken sind besonders TiO2, ZrO2 oder Al2O3 geeignet. Auch Phosphidbeschichtungen, wie beispielsweise NiP, sind möglich. Derartige Beschichtungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie sehr hart, erosions- und verschleißbeständig sind.
  • Mit besonderen Vorteilen ist die Beschichtung eine elektrolytisch oder durch Abscheidung aus der Gasphase aufgebrachte Beschichtung. Eine elektrolytisch aufgebrachte Beschichtung heißt auch galvanisch. Als Beschichtungsverfahren aus der Gasphase können dafür beispielsweise das PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) und das CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) angewandt werden. Ferner kann es auch möglich sein, die Beschichtung durch thermisches Spritzen aufzubringen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Beschichtung aus zwei oder mehreren Lagen aufgebaut. Durch einen Lagenaufbau der Beschichtung kann in bestimmten Fällen die Haftung der Beschichtung auf dem Grundwerkstoff verbes sert werden. Die untere Lage dient dabei als Haftvermittler. Auch auf die Eigenschaften der Beschichtung kann durch den Schichtaufbau Einfluss genommen werden.
  • Mit besonderem Vorteil weist die Düse eine Gas-/Luft- oder Wasserkühlung und/oder Kühlrippen auf. Mit einer Düsenkühlung wird die beim Betrieb der Kaltgas-Spritzdüse entstehende Wärme sofort abgeführt, so dass die Temperaturen für Gas und Spritzpartikel weiter erhöht werden können, ohne dass es zu Anbackungen kommt. Die Anbringung einer Düsenkühlung unterstützt somit die Vorteile der Erfindung.
  • Vorteilhafterweise weist die Düse einen Durchmesser am Düsenhals von 1 bis 6 mm und ein Expansionsverhältnis, welches durch das Verhältnis von Fläche am Düsenaustritt zu Fläche am Düsenhals definiert ist, von 3 bis 15 und weiterhin eine das 30- bis 100-fache des Durchmessers am Düsenhals aufweisende Länge auf. Durch eine Beschichtung derartig dimensionierter Kaltgas-Spritzdüsen werden die Vorteile hinsichtlich des Kaltgas-Spritzverfahrens in besonderer Weise unterstützt.
  • Ferner wird die Aufgabe durch eine Kaltgasspritzpistole mit einer Kaltgas-Spritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gelöst.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine Kaltgas-Spritzdüse, welche aus zwei Halbschalen besteht, beschichtet. Die beiden Halbschalen der Düse sind aus einem Stahl gefertigt und die Innenfläche der beiden Hälften mit Chrom beschichtet. Dabei kann Nickel als Haftvermittler eingesetzt werden. Die Aufbringung des Chroms als sog. Hartchrom mit einer Härte nach Vickers von typischerweise 800 HV und mehr erfolgt durch elektrolytische (galvanische) Abscheidung. Die Dicke der Chromschicht kann dabei 2 bis 100 µm betragen. Im Falle von Kupfer als Spritzwerkstoff zeigt eine solche mit Hartchrom beschichtete Stahldüse eine ähnlich geringe Neigung zu Anbackungen wie eine Düse, die aus einem Hartmetall gefertigt wurde. Durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Kaltgas-Spritzdüse kann die Aufprallgeschwindigkeit eines 20 µm Kupferpartikels von 630 m/s auf 700 m/s weiter gesteigert werden, da die erfindungsgemäße Düse mit sehr langem divergenten Abschnitt gefertigt werden kann und das Anbacken der Spritzpartikel wirkungsvoll unterbunden ist. Die Vorteile zeigen sich nicht nur beim Spritzen von Pulver aus Kupfer sondern beispielsweise auch beim Spritzen mit Pulvern aus Stahl, Aluminium oder Aluminiumlegierungen.

Claims (10)

  1. Kaltgas-Spritzdüse zur Beschleunigung von Gas und Spritzpartikeln, wobei die Düse in Strömungsrichtung von einem konvergenten Abschnitt im Düsenhals in einen divergenten Abschnitt übergeht dadurch gekennzeichnet, dass die Düse an ihrer Innenwand zumindest teilweise beschichtet ist.
  2. Kaltgas-Spritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein hartes, erosions- und verschleißbeständiges Material enthält.
  3. Kaltgas-Spritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse zumindest im Bereich des Düsenhals beschichtet ist.
  4. Kaltgas-Spritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse aus zwei Halbschalen gefertigt ist.
  5. Kaltgas-Spritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein Metall, insbesondere Chrom, oder eine Metallverbindung oder eine Oxitkeramik enthält.
  6. Kaltgas-Spritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine elektrolytisch oder durch Abscheidung aus der Gasphase aufgebrachte Beschichtung ist.
  7. Kaltgas-Spritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus zwei oder mehreren Lagen aufgebaut ist.
  8. Kaltgas-Spritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse eine Gas-/Luft- oder Wasserkühlung und/oder Kühlrippen aufweist.
  9. Kaltgas-Spritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse einen Durchmesser am Düsenhals von 1 bis 6 mm und ein Expansionsverhältnis, welches durch das Verhältnis von Fläche am Düsenaustritt zu Fläche am Düsenhals definiert ist, von 3 bis 15 und weiterhin eine das 30- bis 100-fache des Durchmessers am Düsenhals aufweisende Länge aufweist.
  10. Kaltgasspritzpistole mit einer Kaltgas-Spritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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