EP1903126A1 - Verfahren zum Kaltgasspritzen - Google Patents

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EP1903126A1
EP1903126A1 EP06022876A EP06022876A EP1903126A1 EP 1903126 A1 EP1903126 A1 EP 1903126A1 EP 06022876 A EP06022876 A EP 06022876A EP 06022876 A EP06022876 A EP 06022876A EP 1903126 A1 EP1903126 A1 EP 1903126A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
particles
heating
heated
impact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06022876A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Dr. Gärtner
Peter Heinrich
Thomas Prof. Dr. Klassen
Heinrich Prof. Dr. Kreye
Werner Krömmer
Horst J. Prof.Dr. Richter
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.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP1903126A1 publication Critical patent/EP1903126A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method for cold gas spraying, in which particles are accelerated in a particular jet-shaped gas and impinge on a substrate at high speed, wherein the gas is compressed and heated and then accelerated by relaxing in a nozzle and thereby cools.
  • the advantage of cold gas spraying over thermal spraying processes that have been used for a long time, such as flame spraying, high-speed flame spraying, arc spraying and plasma spraying, is that the spraying material is not melted in the spraying process.
  • the adhesion of the particles is based on their high kinetic energy on impact as well as on the heat produced by deformation at the interfaces between particles and substrate and between the particles.
  • the temperature of the particles at the moment of impact is significantly lower than the gas temperature. This is due to the fact that the particles are only in the hot gas jet for a period of milliseconds and that the gas jet cools very strongly during its relaxation in the divergent region of the nozzle, sometimes far below room temperature.
  • the present invention has the object, a method of the type mentioned in such a way that reduces the adherence of the particles to the substrate required critical speed and a better connection of the Particles can be achieved on the substrate.
  • the present invention is based on heating or heating the substrate or the workpiece.
  • the selected heating or heating agent is the option to heat or heat the entire substrate or the entire workpiece, which may be useful especially for small-sized substrates or small workpieces.
  • the principle on which the present invention is based therefore consists in heating or heating the substrate, in particular at the location of the particle impact, and thereby softening or ductilizing it in order to promote the deformation of the substrate upon particle impact.
  • the temperature of the substrate can be increased to a temperature between the impact temperature of the particles and the melting temperature of the particles.
  • increasing the substrate temperature to only about 200 degrees Celsius above the impact temperature of the particles already means reducing the minimum particle velocity required to adhere by about 100 meters per second.
  • the critical velocity necessary for adhering the particles can be reduced, so that a substantially better attachment of each particle to the substrate is achieved under otherwise identical impact conditions by a larger area and more homogeneous heating of the particle / substrate interface ,
  • an autonomous heating or heating of the particles can be accomplished, so that in synergetic manner both the particles and the substrate accomplish the improvement in terms of layer or mold production.
  • the plastic energy required for layer or mold production thus results, on the one hand, from the kinetic energy and the heat of the particles and, on the other hand, from the heat of the substrate. This leads to particularly good results in the shift or mold production, in particular in the coating of substrate materials and / or in the production of moldings using a powdered spray material.
  • the heating or heating of the substrate may expediently be limited to the point of impact or to precede the point of impact. This can be achieved in a particularly favorable manner if the heated or heated region of the substrate has a smaller, in particular lateral, extent than the particle beam.
  • the present invention further relates to a heating or heating means for heating or heating a substrate in a method according to the kind set forth above.
  • the present invention further relates to a cold gas spraying system, comprising at least one heating or heating means according to the kind set forth above.
  • the present invention relates to the use of a method according to the kind set out above and / or at least one heating or heating means according to the kind set out above and / or at least one cold gas spraying unit according to the manner set out above for the production of coatings or molds, in particular in the coating of substrate materials and / or in the production of moldings using a pulverulent spray material.
  • FIG. 1 The illustrated with reference to FIG. 1 embodiment of a cold gas spray system 100 according to the present invention shows a nozzle 10 with a convergent nozzle portion 12, which merges at the nozzle neck 14 in the nozzle outlet 16.
  • the nozzle 10 is assigned to a spray gun (not shown explicitly in FIG. 1 for reasons of clarity of presentation).
  • the particles 20 are accelerated in a gas jet at supersonic speed for the production of films or molds, strike the substrate 30 at high speed and form the coating therefrom;
  • the gas is compressed and advantageously heated and then accelerated by relaxation in the nozzle 10 and cools down.
  • the substrate 30 instead of the particles 20, the substrate 30 at the impact location 32 of the particles 20 and / or in the region of the impact location 32 the particle 20 and / or in the vicinity of the impact location 32 of the particles 20 to heat or heat.
  • the heating or heating of the substrate 30 with a laser beam that is focused on the impact location 32 of the particles 20 or leads this place of incidence 32 of the particles 20 is also particularly effective.
  • the desired temperatures of the substrate 30 may also be adjusted by a focused plasma jet or by an arc.
  • the critical speed required for adhering the particles 20 to the substrate 30 can be reduced and a better bonding of the particles 20 to the substrate 30 can be achieved.
  • This critical or minimal velocity of the particles 20, which decreases as the temperature of the particles 20 increases, is due to the fact that the particles 20 no longer adhere firmly to the substrate 30 below the threshold of this critical or minimal velocity, because the kinetic energy inherent in the particles 20, which is known to be square in particle velocity is too low. If at least the critical or minimum speed is maintained, then with the exemplary embodiment of the cold gas spraying system 100 illustrated with reference to FIG. 1 a better and more consistent adhesion of the particles 20 to the substrate or workpiece 30 is ensured.
  • the region of optimum layer or mold production is located between the (lowerable according to the invention) critical or minimum velocity of the particles 20 and the maximum velocity of the particles 20.

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Abstract

Um Verfahren zum Kaltgasspritzen, bei welchem Partikel (20) in einem insbesondere strahlförmigen Gas beschleunigt werden und mit hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat (30) auftreffen, wobei das Gas komprimiert sowie erwärmt und anschließend durch Entspannen in einer Düse (10) beschleunigt wird und sich dabei abkühlt, so weiterzubilden, dass die zum Haften der Partikel (20) am Substrat (30) erforderliche kritische Geschwindigkeit verringert sowie auf eine bessere Anbindung der Partikel (20) an das Substrat (30) erzielt werden kann, wird vorgeschlagen, dass das Substrat (30) aufgeheizt (40) wird.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltgasspritzen, bei welchem Partikel in einem insbesondere strahlförmigen Gas beschleunigt werden und mit hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat auftreffen, wobei das Gas komprimiert sowie erwärmt und anschließend durch Entspannen in einer Düse beschleunigt wird und sich dabei abkühlt.
    • Stand der Technik
  • Der Vorteil des Kaltgasspritzens gegenüber seit längerem eingesetzten thermischen Spritzverfahren, wie etwa Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Lichtbogenspritzen und Plasmaspritzen, besteht darin, dass der Spritzwerkstoff im Spritzprozess nicht aufgeschmolzen wird. Die Haftung der Partikel beruht vielmehr auf ihrer hohen kinetischen Energie beim Aufprall sowie auf der dann durch Verformung an den Grenzflächen zwischen Partikel und Substrat sowie zwischen den Partikeln entstehenden Wärme.
  • Es ist bekannt, dass die Partikel erst bei Überschreiten einer kritischen Geschwindigkeit auf dem Substrat haften und dass diese Geschwindigkeit
    • vom Spritzwerkstoff selbst,
    • von der Größe der Partikel und
    • von der Temperatur der Partikel im Moment ihres Aufpralls auf das Substrat abhängt. Kritische Geschwindigkeiten für verschiedene Spritzwerkstoffe und deren Abhängigkeit von der Partikelgröße und von der Partikeltemperatur werden beispielsweise von Tobias Schmidt, Frank Gärtner, Hamid Assadi und Heinrich Kreye im Aufsatz "Development of a generalized parameter window for cold spray deposition", Acta Materialia 54 (2006), Seiten 729 bis 742, beschrieben.
      Die Beschleunigung der Partikel erfolgt beim Kaltgasspritzen in einem Überschall-Gasstrahl. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit erhält dieser Überschall-Gasstrahl beim Durchgang durch eine sogenannte Lavaldüse. Das Pulver wird vor der Düse in den Gasstrahl injiziert. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und damit auch die Beschleunigung der Partikel ist von der Art des Gases sowie von dessen Druck und Temperatur beim Eintritt in die Lavaldüse abhängig.
      In seltenen besonderen Fällen ist es auch möglich, die Partikel mit einem Gasstrahl, der nur sehr hohe Geschwindigkeiten, nicht aber Überschallgeschwindigkeit erreicht, auf die erforderliche kritische Geschwindigkeit zu beschleunigen.
      Mit Helium als Prozessgas werden bei gleichem Gasdruck und bei gleicher Gastemperatur deutlich höhere Gas- und Partikelgeschwindigkeiten als mit Stickstoff oder mit Druckluft erreicht. Der Grund hierfür ist die deutlich höhere Schallgeschwindigkeit für Helium. Prinzipiell kann jedoch jedes Gas zum Einsatz gelangen.
      Bei allen Prozessgasen steigt die Geschwindigkeit der Partikel mit dem Druck und mit der Temperatur des Gases an. Besonders hohe Partikelgeschwindigkeiten werden daher dann erzielt, wenn mit dem anlagentechnisch größtmöglichen Druck und mit der größtmöglichen Gastemperatur gespritzt wird.
      Konventionelle Kaltgasspritzanlagen, wie zum Beispiel die KINETIKS® 4000 der Firma CGT Cold Gas Technology GmbH, Ampfing, können bei Drücken von bis zu etwa 3,5 Megapascal und bei Temperaturen von bis zu etwa 900 Grad Celsius betrieben werden. Allerdings kommt es bei vielen Metallen schon bei geringeren Gastemperaturen im Bereich von etwa 300 Grad Celsius bis etwa 600 Grad Celsius zum sogenannten Anbacken des Pulvers in der Düse, so dass dann nur mit entsprechend geringerer Gastemperatur gespritzt werden kann.
      Das Aufheizen des Prozessgases dient zum einen dazu, die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und damit auch die Geschwindigkeit der Partikel zu erhöhen. Durch das Aufheizen des Gases erhöht sich andererseits auch die Temperatur der Partikel im Moment ihres Aufpralls, was ihre anschließende Verformung begünstigt. Die zum Haften erforderliche Mindestgeschwindigkeit wird dadurch deutlich verringert. Die maximal erreichbare Partikeltemperatur ist aber
    • durch die Art des Gases bzw. durch den Wärmeübergang zwischen Gas und Partikel sowie
    • durch die anlagentechnisch mögliche maximale Gastemperatur bzw. durch die zur Vermeidung von Pulveranbackungen in der Düse gerade noch tolerierbare Gastemperatur
    begrenzt.
  • Die Temperatur der Partikel im Moment ihres Aufpralls ist deutlich geringer als die Gastemperatur. Dies liegt daran, dass sich die Partikel nur für die Dauer von Millisekunden im heißen Gasstrahl befinden und dass der Gasstrahl bei seiner Entspannung im divergenten Bereich der Düse sehr stark abkühlt, zum Teil weit unter Raumtemperatur.
  • Selbst wenn man die Verweilzeit des Pulvers im heißen Gas vor Eintritt in den Düsenhals gemäß der Druckschrift WO 2006/034778 A1 durch eine etwa 100 Millimeter bis etwa 200 Millimeter lange Vorkammer oder durch einen entsprechend verlängerten konvergenten Düsenabschnitt erhöht und Druck sowie Temperatur des Gases auf die anlagentechnisch heutzutage möglichen Maximalwerte steigert, ist die maximale Aufpralltemperatur nach oben begrenzt.
  • Obwohl nun das Kaltgasspritzen in letzter Zeit durch die Entwicklung derartiger Düsen zur Steigerung der Partikelgeschwindigkeit sowie durch Maßnahmen zur Steigerung der Partikeltemperatur, wie etwa
    • durch die Integration eines zweiten Heizers in die Pistole (vgl. Druckschrift WO 2006/034777 A1 ),
    • durch die Verlängerung des konvergierenden Düsenabschnitts bzw. den Einbau einer verlängerten Vorkammer in die Spritzpistole (vgl. Druckschrift WO 2006/034778 A1 ) und/oder
    • durch die Möglichkeit des Nachheizens der Partikel auf deren Weg zwischen der Pistole und dem Substrat durch Mikrowellenheizung (vgl. Druckschrift EP 1 593 437 A1 ),
    bedeutende Fortschritte gemacht hat, besteht im Hinblick auf eine erstrebenswerte Verringerung der zum Haften der Partikel am Substrat erforderlichen kritischen Geschwindigkeit sowie auf eine bessere Anbindung der Partikel an das Substrat noch ein weiteres Entwicklungspotenzial. Darstellung der vorliegenden Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
  • Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die zum Haften der Partikel am Substrat erforderliche kritische Geschwindigkeit verringert sowie eine bessere Anbindung der Partikel an das Substrat erzielt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Mithin basiert die vorliegende Erfindung auf einem Erwärmen oder Aufheizen des Substrats bzw. des Werkstücks.
  • Zum Beispiel in Abhängigkeit von den Möglichkeiten des gewählten Wärme- oder Heizmittels besteht hierbei die Option, das gesamte Substrat bzw. das ganze Werkstück zu erwärmen oder aufzuheizen, was insbesondere bei gering dimensionierten Substraten bzw. bei kleinen Werkstücken sinnvoll sein kann.
  • Jedoch kann das Substrat oder Werkstück auch nur
    • am Auftreffort der Partikel und/oder
    • im Bereich des Auftrefforts der Partikel und/oder
    • im Umkreis des Auftrefforts der Partikel
    erwärmt oder aufgeheizt werden, so zum Beispiel am oder im Bereich des Orts, an dem die in einem Gasstrahl beschleunigten, auf das Substrat bzw. Werkstück gerichteten Partikel in festem Zustand auf das Substrat bzw. Werkstück aufprallen oder auftreffen.
  • In zweckmäßiger Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der aufgeheizte Bereich oder Umkreis
    • eine geringere, insbesondere laterale, Ausdehnung oder
    • eine größere, insbesondere laterale, Ausdehnung
    als der Partikelstrahl aufweisen. Hierbei kann der Art des eingesetzten Wärmemediums oder Heizmittels bei der Dimensionierung des aufgeheizten Bereichs oder Umkreises entscheidende Bedeutung zukommen.
  • Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Prinzip besteht also darin, das Substrat, insbesondere am Ort des Partikelaufpralls, zu erwärmen bzw. aufzuheizen und dadurch zu erweichen bzw. zu duktilisieren, um die Verformung des Substrats beim Partikelaufprall zu begünstigen.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann die Temperatur des Substrats auf eine Temperatur zwischen der Aufpralltemperatur der Partikel und der Schmelztemperatur der Partikel erhöht werden.
  • Hierbei bedeutet im exemplarischen Falle von Kupferpartikeln mit einer Größe von etwa fünfzig Mikrometern eine Erhöhung der Substrattemperatur auf nur etwa 200 Grad Celsius über der Aufpralltemperatur der Partikel schon eine Verringerung der zum Haften erforderlichen Mindestgeschwindigkeit der Partikel um etwa 100 Meter pro Sekunde.
  • Durch die erfindungsgemäß bessere Verformbarkeit des Substrats kann zunächst die zum Haften der Partikel notwendige kritische Geschwindigkeit verringert werden, so dass bei ansonsten gleichen Aufprallbedingungen durch eine großflächigere und homogenere Aufheizung der Grenzfläche zwischen Partikel und Substrat eine wesentlich bessere Anbindung eines jeden Partikels an das Substrat erreicht wird.
  • Dies hat einerseits zur Folge, dass die zum Haften der Partikel am Substrat erforderliche kritische Geschwindigkeit schon bei im Vergleich zum Stand der Technik geringerem Gasdruck und geringerer Gastemperatur erreicht wird; andererseits wird die kritische Geschwindigkeit auch noch mit im Vergleich zum Stand der Technik größeren und daher langsameren Partikeln erreicht, so dass durch die vorliegende Erfindung das Einsatz- und Anwendungsspektrum der Methode des Kaltgasspritzens unter verschiedensten Bedingungen erweitert wird.
  • Hierbei wird der Fachmann auf dem technischen Gebiet des Kaltgasspritzens insbesondere zu schätzen wissen, dass Pulver mit gröberen und mithin im Unterschied zum Stand der Technik vorliegend einsetzbaren Partikeln in der Regel kostengünstiger herzustellen sind als Pulver mit feineren Partikeln, wie sie im Stand der Technik obligatorisch sind.
  • Bei ansonsten gleichen Aufprallbedingungen bewirkt die Möglichkeit des Absenkens der kritischen Geschwindigkeit infolge der Erweichung und Duktilisierung des Substrats eine deutlich höhere Auftragsrate oder einen deutlich höheren Auftragswirkungsgrad (sogenannte deposition efficiency), wobei sich dieser erfindungsgemäß erhöhte Auftragswirkungsgrad in einer größeren Masse des haftenden Pulvers in Bezug auf die Masse des aufprallenden Pulvers widerspiegelt.
  • Des Weiteren wird mittels der vorliegenden Erfindung auch eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Schichten erzielt. Hierbei können
    • sowohl die innere Festigkeit (sogenannte Cohesive Strength)
    • als auch die plastische Verformbarkeit (sogenannte Duktilität)
    beträchtlich verbessert werden. Darüber hinaus wird insbesondere auf verhältnismäßig harten Substraten die Haftfestigkeit der Schicht (sogenannte Bond Strength) deutlich gesteigert.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann nicht nur dem Substrat, sondern auch den Partikeln, insbesondere
    • durch Integrieren mindestens eines zweiten Wärme- oder Heizmittels in der Düse und/oder
    • durch Verlängern des konvergenten Abschnitts der Düse und/oder
    • durch Einbauen mindestens einer verlängerten Vorkammer in die Spritzpistole, der die Düse zugeordnet ist, und/oder
    • durch Mikrowellenheizung im Bereich zwischen der Düse und dem Substrat,
    Energie zugeführt werden.
  • Auf diese Weise kann - neben der Erwärmung oder Aufheizung des Substrats - auch eine autonome Erwärmung oder Aufheizung der Partikel bewerkstelligt werden, so dass in synergetischer Weise sowohl die Partikel als auch das Substrat die Verbesserung hinsichtlich Schicht- oder Formherstellung bewerkstelligen. Die zur Schicht- oder Formherstellung notwendige plastische Energie ergibt sich somit einerseits aus der kinetischen Energie und der Wärme der Partikel und anderseits aus der Wärme des Substrats. Dies führt zu besonders guten Ergebnissen bei der Schicht- oder Formherstellung, insbesondere bei der Beschichtung von Substratwerkstoffen und/oder bei der Herstellung von Formteilen unter Einsatz eines pulverförmigen Spritzwerkstoffs.
  • Unabhängig hiervon oder in Verbindung hiermit kann im Falle eines bewegten Partikelstrahls das Erwärmen oder Aufheizen des Substrats in zweckmäßiger Weise auf den Auftreffort begrenzt sein bzw. dem Auftreffort vorauseilen. Dies kann in besonders günstiger Weise dann bewerkstelligt werden, wenn der erwärmte oder aufgeheizte Bereich des Substrats eine geringere, insbesondere laterale, Ausdehnung als der Partikelstrahl aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Wärme- oder Heizmittel zum Erwärmen oder Aufheizen eines Substrats bei einem Verfahren gemäß der vorstehend dargelegten Art.
  • Bei diesem Wärme- oder Heizmittel kann es sich vorzugsweise
    • um mindestens eine mindestens einen Kontakt zum Substrat aufweisende Wärme- oder Heizplatte und/oder
    • um mindestens einen Wärme- oder Heizstrahler, insbesondere mindestens eine Heizlampe oder Infrarotlampe, und/oder
    • um mindestens ein induktives Wärme- oder Heizmittel, insbesondere basierend auf dem Einkoppeln mittel- oder hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, und/oder
    • um mindestens einen Laserstrahl und/oder
    • um mindestens einen Lichtbogen und/oder
    • um mindestens einen Plasmastrahl
    handeln. In zweckmäßiger Weise können mindestens zwei der vorgenannten Wärme- oder Heizmittel auch in Kombination miteinander zum Einsatz gelangen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Kaltgasspritzanlage, aufweisend mindestens ein Wärme- oder Heizmittel gemäß der vorstehend dargelegten Art.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung eines Verfahrens gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder mindestens eines Wärme- oder Heizmittels gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder mindestens einer Kaltgasspritzanlage gemäß der vorstehend dargelegten Art zur Schicht- oder Formherstellung, insbesondere bei der Beschichtung von Substratwerkstoffen und/oder bei der Herstellung von Formteilen unter Einsatz eines pulverförmigen Spritzwerkstoffs.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche verwiesen, andererseits werden weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung nachstehend anhand des durch Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1
    in schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausgestaltung einer Kaltgasspritzanlage gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der das Substrat nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung am Auftreffort der Partikel bzw. im Bereich des Auftrefforts der Partikel bzw. im Umkreis des Auftrefforts der Partikel erwärmt oder aufgeheizt wird.
    Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Das anhand Fig. 1 veranschaulichte Ausführungsbeispiel einer Kaltgasspritzanlage 100 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt eine Düse 10 mit einem konvergenten Düsenabschnitt 12, der am Düsenhals 14 in den Düsenauslauf 16 übergeht. Die Düse 10 ist einer (aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung in Fig. 1 nicht explizit wiedergegebenen) Spritzpistole zugeordnet.
  • Innerhalb der Düse 10 werden die Partikel 20 zur Schicht- oder Formherstellung in einem Gasstrahl mit Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, treffen mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat 30 auf und bilden dort die Beschichtung aus; zur Beschleunigung der Partikel 20 wird das Gas komprimiert sowie vorteilhafterweise erwärmt und anschließend durch Entspannung in der Düse 10 beschleunigt und kühlt sich dabei ab.
  • Hinsichtlich der anhand Fig. 1 veranschaulichten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist nun grundsätzlich zu bedenken, dass beim Kaltgasspritzen die zum Haften der Partikel 20 erforderliche Wärme durch plastische Verformung an der Grenzfläche zwischen den Partikel 20 und dem Substrat 30 entsteht.
  • Um nun die Haftbedingungen für das Spritzen von Metallen oder Verbundwerkstoffen mit metallischen Anteilen auf metallische und nichtmetallische Substrate 30 zu verbessern, reicht es daher erfindungsgemäß aus, anstelle der Partikel 20 das Substrat 30 am Auftreffort 32 der Partikel 20 und/oder im Bereich des Auftrefforts 32 der Partikel 20 und/oder im Umkreis des Auftrefforts 32 der Partikel 20 zu erwärmen oder zu erhitzen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch auch von Vorteil, sowohl den Partikeln 20, zum Beispiel
    • durch Integrieren einer zweiten Heizeinrichtung in der Spritzpistole,
    • durch Verlängern des konvergierenden Düsenabschnitts bzw. Einbauen einer verlängerten Vorkammer in die Spritzpistole und/oder
    • durch Mikrowellennachheizung der Partikel auf deren Weg zwischen der Düse 10 und dem Substrat 30,
    als auch dem Substrat 30, zum Beispiel durch nachstehend näher erläuterte Wärme- oder Heizmittel 40, Energie zuzuführen, so dass sowohl die Partikel 20 als auch das Substrat 30 über die hierbei erfolgende Erwärmung oder Aufheizung plastisch verformbar sind.
  • Das Erwärmen oder Aufheizen des Substrats 30, das heißt die Wahl des Wärmemediums oder Heizmittels 40 kann in Abhängigkeit
    • vom Werkstoff des Substrats 30 und/oder
    • von den Abmessungen des Substrats 30
      erfolgen, zum Beispiel mit einer elektrischen Widerstandsheizung, mit einer Induktionsheizung oder mit einer Flamme.
  • Möglich ist auch das Erwärmen oder Aufheizen des Substrats 30 mit einer Quarzlampe von höherer Leistungsdichte, deren Licht auf den Aufprallort 32 der Partikel 20 fokussiert wird.
  • Besonders wirkungsvoll ist auch das Erwärmen oder Aufheizen des Substrats 30 mit einem Laserstrahl, der auf den Auftreffort 32 der Partikel 20 fokussiert ist bzw. diesem Auftreffort 32 der Partikel 20 vorauseilt.
  • Darüber hinaus können die gewünschten Temperaturen des Substrats 30 auch durch einen fokussierten Plasmastrahl oder durch einen Lichtbogen eingestellt werden.
  • Mittels der anhand Fig. 1 veranschaulichten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die zum Haften der Partikel 20 am Substrat 30 erforderliche kritische Geschwindigkeit verringert sowie eine bessere Anbindung der Partikel 20 an das Substrat 30 erzielt werden. Diese mit steigender Temperatur der Partikel 20 abnehmende kritische oder minimale Geschwindigkeit der Partikel 20 ist dadurch gegeben, dass die Partikel 20 unterhalb der Schwelle dieser kritischen oder minimalen Geschwindigkeit nicht mehr fest genug am Substrat 30 haften, weil die den Partikel 20 innewohnende kinetische Energie, in die die Partikelgeschwindigkeit bekanntlich quadratisch eingeht, zu niedrig ist. Wird zumindest die kritische oder minimale Geschwindigkeit beibehalten, so ist mit dem anhand Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel der Kaltgasspritzanlage 100 eine bessere und beständigere Haftung der Partikel 20 am Substrat oder Werkstück 30 gewährleistet.
  • So wie eine kritische oder minimale Geschwindigkeit der Partikel 20 existiert, gibt es auch eine mit steigender Temperatur der Partikel 20 ebenfalls abnehmende maximale Geschwindigkeit der Partikel 20; oberhalb der Schwelle dieser maximalen Geschwindigkeit spritzen die Partikel 20 aufgrund ihrer zu hohen kinetischen Energie, in die die Partikelgeschwindigkeit bekanntlich quadratisch eingeht, vom Substrat 30 zurück, das heißt die Auftragsrate oder der Auftragswirkungsgrad (sogenannte deposition efficiency) wird zu gering.
  • Der Bereich optimaler Schicht- oder Formherstellung befindet sich zwischen der (erfindungsgemäß absenkbaren) kritischen oder minimalen Geschwindigkeit der Partikel 20 und der maximalen Geschwindigkeit der Partikel 20.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Kaltgasspritzanlage
    10
    Düse
    12
    konvergenter Abschnitt der Düse 10
    14
    Hals der Düse 10
    16
    Auslauf der Düse 10
    20
    Partikel oder Partikelstrahl
    30
    Substrat oder Werkstück
    32
    Auftreffort der Partikel 20 auf das Substrat 30
    40
    Wärme- oder Heizmittel

Claims (12)

  1. Verfahren zum Kaltgasspritzen, bei welchem Partikel (20) in einem insbesondere strahlförmigen Gas beschleunigt werden und mit hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat (30) auftreffen, wobei das Gas komprimiert sowie erwärmt und anschließend durch Entspannen in einer Düse (10) beschleunigt wird und sich dabei abkühlt, dadurch gekennzeichnet,
    dass das Substrat (30) aufgeheizt (40) wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (30) am Auftreffort (32) der Partikel (20) und/oder im Bereich des Auftrefforts (32) der Partikel (20) und/oder im Umkreis des Auftrefforts (32) der Partikel (20) aufgeheizt (40) wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeheizte (40) Bereich oder Umkreis
    - eine geringere, insbesondere laterale, Ausdehnung oder
    - eine größere, insbesondere laterale, Ausdehnung als der Strahl von Partikeln (20) aufweist.
  4. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen (40) des Substrats (30) im Falle eines bewegten Strahls von Partikeln (20) auf den Auftreffort (32) begrenzt ist bzw. dem Auftreffort (32) vorauseilt.
  5. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Substrats (30) auf eine Temperatur zwischen der Aufpralltemperatur der Partikel (20) und der Schmelztemperatur der Partikel (20) erhöht wird.
  6. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (20) erwärmt werden.
  7. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (30)
    - mittels mindestens einer mindestens einen Kontakt zum Substrat (30) aufweisenden Wärme- oder Heizplatte und/oder
    - mittels mindestens eines Wärme- oder Heizstrahlers, insbesondere mittels mindestens einer Heizlampe oder Infrarotlampe, aufgeheizt (40) wird.
  8. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (30) induktiv, insbesondere durch Einkoppeln von mittel- oder hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, aufgeheizt (40) wird.
  9. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (30) mittels mindestens eines Laserstrahls und/oder mittels mindestens eines Lichtbogens und/oder mittels mindestens eines Plasmastrahls aufgeheizt (40) wird.
  10. Wärme- oder Heizmittel (40) zum Aufheizen eines Substrats (30) bei einem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Kaltgasspritzanlage (100), gekennzeichnet durch mindestens ein Wärme- oder Heizmittel (40) gemäß Anspruch 10.
  12. Verwendung eines Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder mindestens eines Wärme- oder Heizmittels (40) gemäß Anspruch 10 und/oder mindestens einer Kaltgasspritzanlage (100) gemäß Anspruch 11 zur Schicht- oder Formherstellung, insbesondere bei der Beschichtung von Substratwerkstoffen und/oder bei der Herstellung von Formteilen unter Einsatz eines pulverförmigen Spritzwerkstoffs.
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