EP1999297B1 - Kaltgasspritzpistole - Google Patents

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EP1999297B1
EP1999297B1 EP07723056.3A EP07723056A EP1999297B1 EP 1999297 B1 EP1999297 B1 EP 1999297B1 EP 07723056 A EP07723056 A EP 07723056A EP 1999297 B1 EP1999297 B1 EP 1999297B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
spray gun
mixing chamber
gas
anyone
gun according
Prior art date
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Active
Application number
EP07723056.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1999297A1 (de
Inventor
Tobias Schmidt
Peter Heinrich
Heinrich Kreye
Peter Richter
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
Oerlikon Metco AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Oerlikon Metco AG filed Critical Oerlikon Metco AG
Publication of EP1999297A1 publication Critical patent/EP1999297A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1999297B1 publication Critical patent/EP1999297B1/de
Active 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
    • 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
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • B05B7/1606—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 the spraying of the material involving the use of an atomising fluid, e.g. air
    • B05B7/1613—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 the spraying of the material involving the use of an atomising fluid, e.g. air comprising means for heating the atomising fluid before mixing with the material to be sprayed
    • B05B7/162—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 the spraying of the material involving the use of an atomising fluid, e.g. air comprising means for heating the atomising fluid before mixing with the material to be sprayed and heat being transferred from the atomising fluid to the material to be sprayed
    • B05B7/1626—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 the spraying of the material involving the use of an atomising fluid, e.g. air comprising means for heating the atomising fluid before mixing with the material to be sprayed and heat being transferred from the atomising fluid to the material to be sprayed at the moment of mixing

Definitions

  • the invention relates to a device for cold gas spraying.
  • the invention relates to a cold gas spray gun and a device with such a cold gas spray gun and a method that uses a cold gas spray gun according to the invention.
  • powder particles from 1 ⁇ m to 250 ⁇ m are accelerated in a gas stream to speeds of 200 m / s to 1600 m / s without melting or fusing, and sprayed onto the surface to be coated, the substrate. Only upon impact with the substrate does the temperature increase at the colliding interfaces due to plastic deformation under very high strain rates and leads to welding of the powder material to the substrate as well as to each other. For this, however, a minimum impact speed must be exceeded, the so-called critical speed.
  • the mechanism and quality of welding are comparable to explosive welding.
  • Laval nozzle i. an initially diverging up to a nozzle throat, then diverging nozzle to be accelerated to supersonic speed, wherein the powder material is injected before or after the nozzle throat in the gas jet and accelerated toward the substrate.
  • the particle temperature on impact increases with the process gas temperature. This leads to a thermal softening and ductilization of the powder material and lowers the critical velocity of the impacting particles. As the speed of sound also increases, raising the process gas temperature increases both particle velocity and particle temperature upon impact. Both have a positive effect on the order efficiency and coating quality.
  • the process gas temperature always remains below the melting temperature of the Spraying used powder material. In the cold gas spraying method, therefore, a "colder" gas is used in comparison to other spraying methods in which the powder particles are melted by the gas. As with injection molding, where filler metals are melted by hot gas, the gas must be heated in cold gas spraying as well.
  • gas at high pressure is necessary.
  • the components of a device for cold gas spraying must be designed to be pressure-resistant.
  • Most systems for stationary operation are designed for 30 bar, whereby the individual modules are designed for the necessary pre-pressure of approx. 35 bar.
  • Some plant types are even designed only for pressures up to 15 bar or for pressures up to 7 bar. If, as desired, the pressure is to be further increased and the high temperature can act directly on the material of the contact surfaces of the components, this leads to the fact that expensive and difficult to process high-temperature materials must be used or the component, in particular a spray gun, by his Size and the necessary wall thicknesses becomes relatively heavy.
  • the heat removal via the contact surface also leads to losses and an undesirable drop in the gas temperature, in particular in front of the nozzle throat of the Laval nozzle.
  • a spray gun with a Laval nozzle known, consisting of an input cone and an output cone, which abut one another at a nozzle neck.
  • the Laval nozzle is supplied with air under high pressure via an air heater and a mixing chamber in which an air powder is mixed. The powder is accelerated through the Laval nozzle as a supersonic nozzle and heated by the air heated in the air heater without it melts.
  • a disadvantage of this prior art is that the material strength and strength of the components of the spray gun must be designed very large in order to withstand the high pressure at high temperatures of the material can, as the material strength decreases sharply with temperature.
  • a spray gun with a nozzle and a mixing chamber is shown.
  • the gas is heated in a separate preheater and passed by a hose to the spray gun, the preheater is thus arranged independently of the spray gun.
  • a reheater is arranged on the spray gun.
  • a cold gas spray gun with a nozzle for accelerating gas jet and particles known to be in one converges converging nozzle portion and a nozzle outlet, which merge into one another at the nozzle neck, and a powder injection tube which ends more than 40 mm in front of the nozzle throat.
  • a device for cold gas spraying with a spray gun with a nozzle and a heater for gas heating is known, wherein the heating is divided into at least two heaters for gas heating and a post-heater is attached directly to the spray gun while a second, freestanding preheater via a line with the spray gun connected is.
  • the usable process gas pressure can be raised to well above 35 bar without excessively increasing the weight of the cold gas spray gun due to large material and wall thicknesses. Due to the internal insulation of the high-pressure gas heater and / or mixing chamber and the Laval nozzle, the components under pressure can be operated at significantly lower temperatures and thus higher material strength. The insulation further avoids unnecessary thermal losses to the environment and creates less Cost of gas heating. Finally, there is also a lower inertia of the cold gas spray gun when commissioning, since not the relatively large masses of wall material must be heated, and increased durability, due to the lower temperature stress of the materials.
  • the pressure vessel of the high-pressure gas heater and / or the mixing chamber are lined with an insulation consisting of solid or flexible ceramic insulating material.
  • the pressure vessel of the high pressure gasifier and / or the mixing chamber is isolated by a gas gap between an inner shell enclosing the gas and an outer shell.
  • high pressure gas heater, mixing chamber and Laval nozzle are linearly and concentrically aligned.
  • An angled gas guide in the available spray guns leads to an uneven thermal load, component distortion and thermally induced stresses, which would quickly lead to damage of the gun at the high gas temperatures required here. This is avoided by a straight gas flow.
  • the flow direction of the gas between high-pressure gas heater and mixing chamber can be deflected by an angle of up to 60 ° to each other.
  • the mixing chamber is at the same time the convergent section of the Laval nozzle.
  • the converging portion of the Laval nozzle has a length between 50 and 250 mm and has a conical or concave or convex inner contour.
  • the converging nozzle section is insulated from the inside or consists overall of an insulating material, in particular ceramic.
  • the pressure vessel and / or the mixing chamber and / or the convergent section and / or the divergent section may consist in whole or in part of titanium or aluminum and their alloys.
  • the spray gun can be made particularly easy, as well as by the use of aluminum.
  • the latter is particularly cost-effective as a construction material for the cold gas spray gun.
  • the distance between the particle feed in the mixing chamber and the nozzle throat 40 to 400 mm preferably 100 to 250 mm.
  • a sufficiently long residence time of the particles in the heated gas can be achieved by heating the particles.
  • the flow cross-section of the mixing chamber and / or the convergent section may be between 5 and 50 times the nozzle throat cross-sectional area, preferably between 8 and 30 times, more preferably between 10 and 25 times to at least 70% of the distance from the particle feed to the nozzle throat amount.
  • the flow velocity in the region between the particle feed and the nozzle throat is not too small, so that the two-phase flow of gas and particles is maintained. Particle agglomerations and deposits on walls, which can disturb the operation of the cold gas spray gun sensitive, such as in the case of a nozzle clogging, are prevented.
  • the nozzle throat has a diameter between 2 and 4 mm
  • the diverging portion has a length which corresponds to 30 to 90 times the diameter of the nozzle throat, and at the same time the area ratio of the cross section at the end of the diverging portion to that of the nozzle neck cross section 3 and 15 and the inner contour is conical, or convex or concave.
  • the gas is supplied under a pressure of 15 to 100 bar, preferably from 20 to 60 bar, more preferably from 25 to 45 bar and a flow rate of 30 and 600 m 3 / h.
  • the particle feed can consist of a tube supplied sideways at any angle or of one or more bores at the end of the high-pressure gas heater or in the mixing chamber.
  • the heating power of the heating element related to the flow cross section in the nozzle throat is advantageously 1.5 to 7.5 kW / mm 2 , preferably 2 to 4 kW / mm 2 .
  • the power volume of the heating element may be from 10 to 40 MW / m 3 , preferably from 20 to 30 MW / m 3 .
  • the spray gun the gas via a plastic tube, in particular Teflon, which is connected to a second high-pressure gas heater, preheated to up to 230 ° C, or via a H redesigngasmetallschlauch, preheated to up to 700 ° C, fed.
  • the total heat output of the high-pressure gas heater and the second high-pressure gas heater relating to the flow cross section in the nozzle throat is 4 to 16 kW / mm 2 , preferably 5 to 9 kW / mm 2 .
  • the gas can be supplied in a method according to the invention after the high-pressure gas heater in the mixing chamber with temperatures greater than 600 ° C, preferably greater than 800 ° C, more preferably greater than 1000 ° C.
  • more than 80 percent by weight of the particles fed into the mixing chamber in the nozzle throat reach 70% of the gas temperature in the nozzle throat, measured in Kelvin. This ensures a sufficient quality of the forming coating, since a sufficient proportion of the particles has the energy required for the formation of the layer upon impact.
  • a mixture of particles may be used whose mass is at least 80% of particles of grain size between 5 and 150 microns, preferably between 10 and 75 microns and more preferably between 15 and 50 microns.
  • the impact temperature of coarser particles can be significantly increased by efficient preheating of the particles in the hot process gas stream.
  • coarser particles lose in the expanding gas jet of the nozzle not so quickly back to temperature and the use of high quality and precisely specified powder of particles in coarser fractions (-38 + 11 microns, -45 + 15 microns, -75 + 25 microns; 105 + 45 microns) unproblematic and cheaper.
  • the handling and promotion of spraying is much easier than with conventional powder fractions with -22 microns and - 25 + 5 microns.
  • FIG. 1 schematically shows an advantageous embodiment of the cold gas spray gun according to the invention in longitudinal section.
  • a pressure vessel 1 has on its inside an insulation 2.
  • a heating element 3 is arranged, here in the form of a filament heater, which consists of a plurality of electrical heating wires.
  • the gas to be heated is supplied to the pressure vessel 1 via a gas supply line 4.
  • the pressure vessel 1 is a rotationally symmetrical body.
  • a gas outlet 5 directs the heated or further heated gas in a mixing chamber 6, to which the converging portion 7 of a Laval nozzle 8 connects.
  • the Laval nozzle 8 further consists of a nozzle throat 9 and a diverging section 10.
  • a particle tube 11 can supply particles to the mixing chamber 3. In this case, the mouth of the particle tube 11 is aligned with the forming gas stream.
  • the gas flows through the pressure vessel 1 and with this linearly aligned mixing chamber 6 and Laval nozzle 9 as indicated by the arrows, wherein it is distributed uniformly over the cross section of the heating element 3. Due to the internal insulation 2 is achieved that only a few heat energy reaches the wall of the pressure vessel 1 and the mixing chamber 6. Since the pressure vessel 1 and the mixing chamber 6 at the same time give off heat to the environment, the pressure vessel 1 and the mixing chamber 6 is a considerably lower temperature than the heated gas has. The pressure vessel 1 and the mixing chamber 6 can therefore be relatively thin-walled and lightweight.
  • the heated gas via the particle tube 11, the particles to be sprayed admixed. This is done by the particles are transported through the particle tube via a carrier gas stream.
  • the particles are heated, wherein more than 80 percent by weight of the particles in the nozzle throat reach 0.7 times the temperature of the gas jet in Kelvin at this location.
  • This distance has in the present embodiment, a length between 40 and 400 mm, preferably between 100 and 250 mm, depending on the particles and gases used.
  • the expanding gas is accelerated to speeds above the speed of sound.
  • the particles are strongly accelerated in this supersonic flow and reach speeds between 200 and 1500 m / s.
  • An extension of the diverging nozzle section 11 has a particularly strong effect together with an inventively possible temperature and pressure increase of the gas.
  • the effective use of elongate diverging nozzle sections 11 requires a high enthalpy of the gas.
  • Advantageous lengths of the diverging nozzle section 11 are 100 mm and more, preferably 100 to 300 mm, particularly preferably 150 to 250 mm.
  • a uniform flow through the heating element is ensured by the cross-sectional area of the heating cartridge is not greater than 1500 times, preferably not more than 1000 times the area of the flow cross-section in the nozzle throat 9.
  • Such a cold gas spray gun is characterized by a compact design and high power density.
  • the length to diameter ratio is between 3 and 6.
  • the power density of the cold gas spray gun, the quotient of heating power to total mass is between 1 and 8 kW / kg, with a well-realizable range between 2 and 4 kW / kg.
  • the heating element 3 used has a power volume of 10 to 40 MW / m 3 . This allows temperatures of the gas at the gas supply from 400 ° C to 700 ° C. This temperature can be achieved by a second stationary preheater, which is connected to the cold gas spray gun via a hose. If a metal hot gas hose is used, 700 ° C is possible.
  • Fig. 2 schematically shows a further embodiment of a cold gas spray gun according to the invention in longitudinal section. Identical components are provided with the same reference numerals.
  • the pressure vessel 1 and the mixing chamber 6 have on their inside an insulation 2. Inside the pressure vessel 1, the heating element 3 is arranged. Adjoining the mixing chamber 6 is a converging section 12 of the Laval nozzle 8, which further comprises the nozzle throat 9 and the diverging section 10.
  • the particle tube 11 can supply the mixing chamber 3 particles.
  • the converging section 12 also has an insulation 13. As a result, thermal stress on the nozzle and thermal losses are avoided.
  • Fig. 3 schematically shows a third embodiment of a cold gas spray gun according to the invention in longitudinal section. Identical components are again provided with the same reference numerals.
  • the pressure vessel 1 has on its inside an insulation 2 and in its interior, the heating element 3 is arranged.
  • a mixing chamber 14 is at the same time a converging section 15 of the Laval nozzle 8, which further comprises the nozzle throat 9 and the diverging section 10.
  • the particle tube 11 can supply 3 particles in the mixing chamber.
  • the converging section 15 or the mixing chamber 14 also has an insulation and has a length of between 50 to 250 mm. This results in a simpler construction of the cold gas spray gun.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Kaltgasspritzpistole und eine Vorrichtung mit einer solchen Kaltgasspritzpistole sowie ein Verfahren, dass eine erfindungsgemäße Kaltgasspritzpistole verwendet.
  • Beim Kaltgasspritzen oder dem kinetischen Spritzen werden Pulverpartikel von 1 µm bis 250 µm in einem Gasstrom auf Geschwindigkeiten von 200 m/s bis 1600 m/s beschleunigt, ohne dabei an- oder aufzuschmelzen, und auf die zu beschichtende Fläche, das Substrat, gespritzt. Erst beim Aufprall auf das Substrat steigt durch plastische Verformung unter sehr hohen Dehnraten die Temperatur an den kollidierenden Grenzflächen und führt zu einer Verschweißungen des Pulverwerkstoffs mit dem Substrat sowie untereinander. Dazu muss jedoch eine Mindestaufprallgeschwindigkeit überschritten werden, die so genannte kritische Geschwindigkeit. Der Mechanismus und die Qualität der Verschweißung sind mit dem Explosivschweißen vergleichbar. Durch Aufheizen des Prozessgases wird die Schallgeschwindigkeit des Gases, damit die Strömungsgeschwindigkeit des Gases in der Düse und somit auch die Partikelgeschwindigkeit beim Aufprall gesteigert. Das Gas kann z.B. in einer Lavaldüse, d.h. einer zunächst bis zu einem Düsenhals konvergierenden, sodann divergierenden Düse, auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden, wobei der Pulverwerkstoff vor oder nach dem Düsenhals in den Gasstrahl injiziert und auf das Substrat hin beschleunigt wird.
  • Die Partikeltemperatur beim Aufprall erhöht sich mit der Prozessgastemperatur. Dies führt zu einer thermischen Erweichung und Duktilisierung des Pulverwerkstoffes und senkt die kritische Geschwindigkeit der aufprallenden Partikel ab. Da auch die Schallgeschwindigkeit steigt, erhöht sich durch Anheben der Prozessgastemperatur sowohl die Partikelgeschwindigkeit als auch die Partikeltemperatur beim Aufprall. Beides wirkt sich positiv auf den Auftragswirkungsgrad und Schichtqualität aus. Die Prozessgastemperatur bleibt dabei immer unter der Schmelztemperatur des zum Spritzen verwendeten Pulverwerkstoffes. Beim Kaltgasspritzverfahren wird also ein im Vergleich zu anderen Spritzverfahren, bei denen die Pulverpartikel durch das Gas geschmolzen werden, "kälteres" Gas benutzt. Ebenso wie bei Spritzverfahren, bei denen Zusatzwerkstoffe durch heißes Gas aufgeschmolzen wird, muss auch beim Kaltgasspritzen folglich das Gas erhitzt werden.
  • Um Pulverpartikel, insbesondere gröbere Partikel zwischen 25 und 100 µm stark beschleunigen zu können, ist Gas mit hohem Druck nötig. Dazu müssen die Bauteile einer Vorrichtung zum Kaltgasspritzen entsprechend druckfest ausgeführt sein. Die meisten Anlagen für den stationären Betrieb sind für 30 bar ausgelegt, wobei die Einzelbaugruppen auf den dazu notwendigen Vordruck von ca. 35 bar ausgelegt sind. Einige Anlagentypen sind sogar nur für Drücke bis 15 bar bzw. für Drücke bis 7 bar ausgelegt. Wenn, wie gewünscht, der Druck weiter erhöht werden soll und die hohe Temperatur direkt auf den Werkstoff der Kontaktflächen der Bauteile wirken kann, führt dies dazu, dass teure und schwer zu verarbeitende Hochtemperaturwerkstoffe Verwendung finden müssen oder das Bauteil, insbesondere eine Spritzpistole, durch seine Größe und die nötigen Wandstärken relativ schwer wird. Auch führt die Wärmeabfuhr über die Kontaktfläche zu Verlusten und einem unerwünschten Abfallen der Gastemperatur insbesondere vor dem Düsenhals der Lavaldüse.
  • Aus der US 6,623,796 B1 ist eine Spritzpistole mit einer Lavaldüse bekannt, bestehend aus einem Eingangskonus und einem Ausgangskonus, die an einem Düsenhals aneinander stoßen. Der Lavaldüse wird Luft unter hohem Druck über einen Lufterhitzer und eine Mischkammer zugeführt, in derein Luft-Pulver zugemischt wird. Das Pulver wird durch die Lavaldüse als Überschalldüse beschleunigt und durch die im Lufterhitzer erhitzte Luft erwärmt, ohne dass es schmilzt.
  • Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass die Materialfestigkeit und -stärke der Bauteile der Spritzpistole sehr groß ausgelegt werden muss, um dem hohen Druck bei hohen Temperaturen des Materials standhalten zu können, da die Materialfestigkeit mit der Temperatur stark abnimmt.
  • Aus der US 2002/033135 A1 ist eine Spritzpistole mit einer Düse, einer Mischkammer und einem von der Mischkammer entkoppelten Hochdruckgaserhitzer bekannt. Das Gas wird dabei mittels eines Schlauchs direkt in die Mischkammer geleitet.
  • In der WO 2006/034777 A1 wird eine Spritzpistole mit einer Düse und einer Mischkammer gezeigt. Das Gas wird in einem separaten Vorwärmer erhitzt und mittels eines Schlauchs zur Spritzpistole geleitet, der Vorwärmer ist also unabhängig von der Spritzpistole angeordnet. An der Spritzpistole ist ein Nacherhitzer angeordnet.
  • Aus der US 2007/0160769 A1 ist eine Spritzpistole mit einem Hochdruckgaserhitzer der an der Mischkammer angeordnet ist bekannt, aber ohne eine Düse.
  • Aus der nachveröffentlichten DE 102005004116 ist eine Kaltgasspritzpistole mit einer Düse zur Beschleunigung von Gasstrahl und Partikeln bekannt, die sich in einen konvergierend zulaufenden Düsenabschnitt und einen Düsenauslauf gliedert, die am Düsenhals ineinander übergehen, sowie ein Pulverinjektionsrohr aufweist, das mehr als 40 mm vor dem Düsenhals endet.
    Aus der nachveröffentlichten DE 102005004117 ist eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen mit einer Spritzpistole mit einer Düse und einer Heizung zur Gaserwärmung bekannt, wobei sich die Heizung zur Gaserwärmung in mindestens zwei Heizer gliedert und ein Nachheizer direkt an der Spritzpistole angebracht ist während ein zweiter, freistehender Vorheizer über eine Leitung mit der Spritzpistole verbunden ist.
    Aus der nachveröffentlichten DE 102005053731 ist eine Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung mit einem von Gas durchströmten Druckbehälter, einem in dem Druckbehälter angeordneten Heizelement und einer Isolierung bekannt. Die Isolierung ist auf der Innenwand des Druckbehälters angeordnet und es sind Mittel zur Wärmeabfuhr des Druckbehälters vorhanden, so dass der Druckbehälter eine niedrigere Temperatur als das erhitzte Gas hat.
    Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen, insbesondere eine Spritzpistole zur Verfügung zu stellen, die mit Gas unter hohen Temperaturen und Drücken betrieben werden kann und dennoch ein geringes Gewicht aufweist und eine leicht zu führende Spritzpistole hat.
    Diese Aufgabe wird durch eine Kaltgasspritzpistole mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung werden durch die Unteransprüche angegeben.
    Vorteilhaft kann mit der erfindungsgemäßen Kaltgasspritzpistole der nutzbare Prozessgasdruck auf deutlich über 35 bar angehoben werden, ohne das Gewicht der Kaltgasspritzpistole übermäßig durch große Material- und Wandstärken zu erhöhen. Durch die innere Isolierung von Hochdruckgaserhitzer und/ oder Mischkammer sowie Lavaldüse können die druckbelasteten Bauteile bei deutlich niedrigeren Temperaturen und somit höherer Materialfestigkeit betrieben werden. Durch die Isolierung werden weiter unnötige thermische Verluste an die Umgebung vermieden und entstehen geringere Kosten für die Gasaufheizung. Schließlich ergibt sich auch eine geringere Trägheit der Kaltgasspritzpistole bei Innbetriebnahme, da nicht die relativ große Massen an Wandmaterial erwärmt werden muss, und eine erhöhte Dauerhaltbarkeit, durch die geringere Temperaturbelastung der Werkstoffe. Eine Erhöhung des Prozessgasdruckes und somit Steigerung der Gasdichte wirkt sich zusammen mit einer Erhöhung der Prozessgastemperatur und der Verwendung gröberen Partikeln besonders vorteilhaft auf die Qualität der Beschichtung aus und wird erst durch die innere Isolierung möglich. Auch kann trotz hohem Prozessgasdruck und Prozessgastemperaturen eine hohe Effizienz des Spritzens erreicht werden und es werden die Nachteile einer geringen Gasdichte und kleinerer Querschnitte vermieden. Ohne die Isolierung treten diese Probleme bei einer Verkleinerung der Kaltgasspritzpistole auf. Diese Verkleinerung wäre notwendig, um Gewichtsgrenzen bei den gleichzeitig nötigen Materialstärken einzuhalten.
    In günstiger Ausführungsform sind der Druckbehälter des Hochdruckgaserhitzers und/ oder die Mischkammer mit einer Isolierung ausgekleidet, die aus festen oder flexiblen keramischen Isoliermaterial besteht.
  • Gemäß der Vorrichtung nach Anspruch 1 wird der Druckbehälter des Hochdruckgaserhitzers und/ oder die Mischkammer durch einen Gasspalt zwischen einer das Gas einschließenden Innenhülle und einer Außenhülle isoliert.
    Vorteilhaft sind Hochdruckgaserhitzer, Mischkammer und Lavaldüse zueinander linear und konzentrisch ausgerichtet.
    Eine verwinkelte Gasführung in den verfügbaren Spritzpistolen führt zu einer ungleichmäßigen thermischen Belastung, Bauteilverzug und thermisch induzierten Spannungen, welches bei den hier geforderten hohen Gastemperaturen recht schnell zu einer Beschädigung der Pistole führen würde. Die wird durch eine geradlinige Gasführung vermieden.
    Die Strömungsrichtung des Gases zwischen Hochdruckgaserhitzer und Mischkammer kann um einen Winkel von bis zu 60° zueinander umgelenkt werden.
  • Wenn die Strömungsführung im Bereich der Zweiphasenströmung aus zugeführten Partikeln kontinuierlich und frei von Kanten ist, wird dadurch die Gefahr von Partikelablagerungen vermindert. Vor der Mischkammer kann durch eine Umlenkung von bis zu 60° ein kompakterer Aufbau der Kaltgasspritzpistole erreicht werden.
  • In günstiger Ausführungsform ist die Mischkammer zugleich der konvergierende Abschnitt der Lavaldüse.
  • Vorteilhaft besitzt der konvergierende Abschnitt der Lavaldüse eine Länge zwischen 50 und 250 mm und weist eine kegelförmige oder konkave oder konvexe Innenkontur auf.
  • In günstiger Ausführungsform ist der konvergierende Düsenabschnitt von innen isoliert oder besteht insgesamt aus einem isolierenden Material, insbesondere Keramik.
  • In günstiger Ausführungsform kann der Druckbehälter und/ oder die Mischkammer und/ oder der konvergierender Abschnitt und/ oder der divergierender Abschnitt insgesamt oder zum Teil aus Titan oder Aluminium sowie deren Legierungen bestehen.
  • Durch die Verwendung von Titan als Konstruktionswerkstoff kann die Spritzpistole besonders leicht gestaltet werden, ebenso durch die Verwendung von Aluminium. Letzteres ist als Konstruktionswerkstoff für die Kaltgasspritzpistole besonders kostengünstig.
  • In günstiger Gestaltung kann die Strecke zwischen der Partikelzuführung in der Mischkammer und dem Düsenhals 40 bis 400 mm, bevorzugt 100 bis 250 mm betragen.
  • Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases kann dadurch eine ausreichend lange Verweildauer der Partikel in dem erwärmten Gas das Aufheizen der Partikel erreicht werden.
  • Vorteilhaft kann der Strömungsquerschnitt der Mischkammer und/ oder des konvergierenden Abschnitts zwischen dem 5-fachen und 50-fachen der Düsenhalsquerschnittsfläche, bevorzugt zwischen dem 8-fachen und 30-fachen, besonders bevorzugt zwischen dem 10-fachen und 25-fachen auf mindestens 70 % der Strecke von der Partikelzuführung bis zum Düsenhals betragen.
  • Dadurch ist die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich zwischen Partikelzuführung und Düsenhals nicht zu klein, so dass die Zweiphasenströmung aus Gas und Partikeln aufrechterhalten wird. Partikelzusammenballungen und Ablagerungen an Wänden, die den Betrieb der Kaltgasspritzpistole empfindlich stören können, etwa im Falle einer Düsenverstopfung, werden verhindert.
  • In einer günstigen Ausführungsform besitzt der Düsenhals einen Durchmesser zwischen 2 und 4 mm, der divergierende Abschnitt eine Länge, die dem 30 bis 90-fachen Durchmesser des Düsenhalses entspricht, und liegt zugleich das Flächenverhältnis des Querschnitts am Ende des divergierenden Abschnitts zu demjenigen des Düsenhalsquerschnitts zwischen 3 und 15 und ist die Innenkontur kegelförmig, oder konvex oder konkav.
  • Vorteilhaft wird das Gas unter einem Druck von 15 bis 100 bar, bevorzugt von 20 bis 60 bar, besonders bevorzugt von 25 bis 45 bar und einem Durchsatzvolumen von 30 und 600 m3/h zugeführt.
  • Dadurch können größere Partikel auf die erforderlichen Geschwindigkeiten beschleunigt werden.
  • Die Partikelzuführung kann aus einem seitwärts unter einem beliebigen Winkel zugeführten Rohr oder aus einer oder mehreren Bohrungen am Ende des Hochdruckgaserhitzer oder in der Mischkammer bestehen.
  • Vorteilhaft beträgt die auf den Strömungsquerschnitt im Düsenhals bezogene Heizleistung des Heizelements 1,5 bis 7,5 kW/mm2, bevorzugt 2 bis 4 kW/mm2.
  • Das Leistungsvolumen des Heizelements kann von 10 bis 40 MW/m3, bevorzugt von 20 bis 30 MW/m3 betragen.
  • Dadurch wird ein kompakter Aufbau möglich.
  • Der Spritzpistole kann das Gas über einen Kunststoffschlauch, insbesondere aus Teflon, der mit einem zweiten Hochdruckgaserhitzer verbunden ist, auf bis zu 230°C vorerwärmt, oder über einen Heißgasmetallschlauch, auf bis zu 700°C vorerwärmt, zugeführt werden.
    In günstiger Ausführungsform beträgt die auf den Strömungsquerschnitt im Düsenhals bezogene Gesamtheizleistung des Hochdruckgaserhitzers und des zweiten Hochdruckgaserhitzers 4 bis 16 kW/mm2, bevorzugt 5 bis 9 kW/mm2.
    Das Gas kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Hochdruckgaserhitzer in der Mischkammer mit Temperaturen größer 600°C, bevorzugt größer 800°C, besonders bevorzugt größer 1000°C zugeführt werden.
    Vorteilhaft erreichen mehr als 80 Gewichtsprozent der in der Mischkammer zugeführten Partikel im Düsenhals 70% der Gastemperatur im Düsenhals gemessen in Kelvin.
    Dadurch wird eine ausreichende Güte der bildenden Beschichtung sichergestellt, da ein ausreichender Anteil der Partikel die für die Ausbildung der Schicht nötige Energie beim Aufprall hat.
    Vorteilhaft kann eine Mischung von Partikeln verwendet werden, deren Masse zu mindestens 80 % aus Partikeln der Körnung zwischen 5 und 150 µm, bevorzugt zwischen 10 und 75 µm und besonders bevorzugt zwischen 15 und 50 µm besteht.
  • Mit der erfindungsgemäßen Kaltgasspritzpistole lässt sich die Aufpralltemperatur gröberer Partikel (ab 15 µm) durch effizientes Vorheizen der Partikel im heißen Prozessgasstrom signifikant steigern. Solche gröberen Partikel verlieren im expandierenden Gasstrahl der Düse nicht so schnell wieder an Temperatur und die Verwendung qualitativ hochwertiger und genau spezifizierter Pulver aus Partikeln ist in gröberen Fraktionen (-38+11 µm; -45+15 µm; -75+25 µm; -105+45 µm) unproblematischer und kostengünstiger. Auch die Handhabung und Förderung beim Spritzen ist deutlich einfacher als bei bisher üblichen Pulverfraktionen mit -22 µm und - 25+5 µm.
  • Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Hochdruckgaserhitzung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
    • Fig. 1
    schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kaltgasspritzpistole im Längsschnitt,
    Fig. 2
    schematisch eine weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kaltgasspritzpistole im Längsschnitt und
    Fig. 3
    schematisch eine weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kaltgasspritzpistole im Längsschnitt und
  • Fig. 1 zeigt schematisch ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kaltgasspritzpistole im Längsschnitt. Ein Druckbehälter 1 weist auf seiner Innenseite eine Isolierung 2 auf. Im Inneren des Druckbehälters 1 ist ein Heizelement 3 angeordnet, hier in Form eines Filamentheizers, der aus einer Vielzahl von elektrischen Heizdrähten besteht. Das aufzuheizende Gas wird dem Druckbehälter 1 über eine Gaszuleitung 4 zugeführt. In dem vorliegenden Beispiel ist der Druckbehälter 1 ein rotationssymmetrischer Körper. Ein Gasaustritt 5 leitet das aufgeheizte oder weiter aufgeheizte Gas in eine Mischkammer 6, an die sich der konvergierende Abschnitt 7 einer Lavaldüse 8 anschließt. Die Lavaldüse 8 besteht weiter aus einem Düsenhals 9 und einem divergierenden Abschnitt 10. Ein Partikelrohr 11 kann der Mischkammer 3 Partikel zuführen. Dabei ist die Mündung des Partikelrohrs 11 mit dem sich bildenden Gasstrom ausgerichtet.
  • Das Gas durchströmt den Druckbehälter 1 und die mit diesem linear ausgerichtete Mischkammer 6 und Lavaldüse 9 wie durch die Pfeile angezeigt, wobei es sich gleichmäßig über den Querschnitt des Heizelements 3 verteilt. Durch die innen angebrachte Isolierung 2 wird erreicht, dass nur wenige Wärmeenergie die Wand des Druckbehälters 1 und der Mischammer 6 erreicht. Da der Druckbehälters 1 und die Mischammer 6 an die Umgebung zugleich Wärme abgeben, stellt sich beim Druckbehälter 1 und der Mischammer 6 eine erheblich niedrigere Temperatur ein, als das erhitzte Gas hat. Der Druckbehälter 1 und die Mischammer 6 können daher relativ dünnwandig und leicht gebaut sein. In der Mischkammer 3 werden dem erhitzten Gas über das Partikelrohr 11 die zu verspritzenden Partikel beigemischt. Die erfolgt, indem über einen Trägergasstrom die Partikel durch das Partikelrohr befördert werden. Auf der Strecke zwischen Partikelinjektion und engstem Querschnitt der Lavaldüse 9, dem Düsenhals 10 werden die Partikel aufgeheizt, wobei mehr als 80 Gewichtsprozent der Partikel im Düsenhals die 0,7-fache Temperatur des Gasstrahls in Kelvin an diesem Ort erreichen. Diese Strecke hat bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Länge zwischen 40 und 400 mm, bevorzugt zwischen 100 und 250 mm, je nach verwendeten Partikeln und Gasen. Eine frühe Partikelinjektion wirkt sich zusammen mit der Verwendung größerer Partikel und höherer Gastemperaturen besonders stark auf die Qualität und Effizienz der Beschichtung aus. Denn dadurch wird eine sehr deutliche Steigerung der Aufpralltemperatur der Partikel erreicht.
  • In dem divergierenden Abschnitt 11 der Lavaldüse 4 wird das expandierende Gas auf Geschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Die Partikel werden in dieser Überschallströmung stark beschleunigt und erreichen Geschwindigkeiten zwischen 200 und 1500 m/s. Eine Verlängerung des divergierenden Düsenabschnittes 11 wirkt sich dabei zusammen mit einer erfindungsgemäß möglichen Temperatur- und Drucksteigerung des Gases besonders stark aus. Die effektive Nutzung langgestreckter divergierender Düsenabschnitte 11 erfordert dabei eine hohe Enthalpie des Gases. Vorteilhafte Längen des divergierenden Düsenabschnitts 11 sind dabei 100 mm und mehr, bevorzugt 100 bis 300 mm, besonders bevorzugt 150 bis 250 mm.
  • Eine gleichmäßige Durchströmung des Heizelementes wird sichergestellt, indem die Querschnittsfläche der Heizpatrone nicht größer als das 1500-fache, bevorzugt nicht mehr als das 1000-fache der Fläche des Strömungsquerschnittes im Düsenhals 9 beträgt. Eine solche Kaltgasspritzpistole zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise und eine hohe Leistungsdichte aus. Das Längen zu Durchmesser Verhältnis liegt zwischen 3 und 6. Die Leistungsdichte der Kaltgasspritzpistole, der Quotient aus Heizleistung zu Gesamtmasse liegt zwischen 1 und 8 kW/kg, mit einem gut zu verwirklichenden Bereich zwischen 2 und 4 kW/kg. Das verwendete Heizelement 3 besitzt dabei ein Leistungsvolumen von 10 bis 40 MW/m3. Damit sind Temperaturen des Gases an der Gaszuleitung von 400°C bis zu 700°C zulässig. Diese Temperatur kann durch eine zweite stationäre Vorheizung erreicht werden, die mit der Kaltgasspritzpistole über einen Schlauch verbunden ist. Wird dabei ein Metallheißgasschlauch verwendet, sind 700°C möglich.
  • Fig. 2 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kaltgasspritzpistole im Längsschnitt. Gleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Druckbehälter 1 und die Mischkammer 6 haben auf ihrer Innenseite eine Isolierung 2. Im Inneren des Druckbehälters 1 ist das Heizelement 3 angeordnet. An die Mischkammer 6 schließt sich ein konvergierende Abschnitt 12 der Lavaldüse 8 an, die weiter den Düsenhals 9 und den divergierenden Abschnitt 10 umfasst. Das Partikelrohr 11 kann der Mischkammer 3 Partikel zuführen. Der konvergierende Abschnitt 12 hat ebenfalls eine Isolierung 13.
    Dadurch werden eine thermische Belastung der Düse sowie thermische Verluste vermieden.
    Fig. 3 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kaltgasspritzpistole im Längsschnitt. Gleiche Bauteile sind wiederum mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Druckbehälter 1 hat auf seiner Innenseite eine Isolierung 2 und in seinem Inneren ist das Heizelement 3 angeordnet. Eine Mischkammer 14 ist zugleich ein konvergierender Abschnitt 15 der Lavaldüse 8, die weiter den Düsenhals 9 und den divergierenden Abschnitt 10 umfasst. Das Partikelrohr 11 kann in der Mischkammer 3 Partikel zuführen. Der konvergierende Abschnitt 15 bzw. die Mischkammer 14 hat ebenfalls eine Isolierung und weist eine Länge zwischen 50 bis 250 mm auf. Dies ergibt einen einfacheren Aufbau der Kaltgasspritzpistole.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Druckbehälter
    2
    Isolierung
    3
    Heizelement
    4
    Gaszuleitung
    5
    Gasaustritt
    6
    Mischkammer
    7
    konvergierender Abschnitt
    8
    Lavaldüse
    9
    Düsenhals
    10
    divergierender Abschnitt
    11
    Partikelrohr
    12
    konvergierender Abschnitt
    13
    Isolierung
    14
    Mischkammer
    15
    konvergierender Abschnitt

Claims (14)

  1. Kaltgasspritzpistole mit einem Hochdruckgaserhitzer, der einen von Gas durchströmten Druckbehälter (1) und ein in dem Druckbehälter (1) angeordnetes Heizelement (3) aufweist, sowie mit einer Mischkammer (6,14), in der Partikel dem Gas durch eine Partikelzuführung (11) zugeführt werden können und einer Lavaldüse (8), bestehend aus einem konvergierenden Abschnitt (7,12, 15), einem Düsenhals (9) und einem divergierenden Abschnitt (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckgaserhitzer an der Mischkammer (6,14) und die Mischkammer (6, 14) an der Lavaldüse (9) in Strömungsrichtung des Gases aufeinanderfolgend angeordnet sind, und wobei der Hochdruckgaserhitzer und die Mischkammer (6,14) an den Kontaktflächen mit dem Gas zumindest teilweise innen isoliert sind und dass der Druckbehälter des Hochdruckgaserhitzers und/oder die Mischkammer durch einen Gasspalt zwischen einer das Gas einschließenden Innenhülle und einer Außenhülle isoliert werden.
  2. Kaltgasspritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter des Hochdruckgaserhitzers und/ oder die Mischkammer (6,14) mit einer Isolierung ausgekleidet sind, die aus festen oder flexiblen keramischen Isoliermaterial besteht.
  3. Kaltgasspritzpistole nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hochdruckgaserhitzer, Mischkammer (6,14) und Lavaldüse (8) zueinander linear und konzentrisch ausgerichtet sind.
  4. Kaltgasspritzpistole nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des Gases zwischen Hochdruckgaserhitzer und Mischkammer um einen Winkel von bis zu 60° zueinander umgelenkt wird.
  5. Kaltgasspritzpistole nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer zugleich der konvergierende Abschnitt (15) der Lavaldüse (8) ist.
  6. Kaltgasspritzpistole nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konvergierende Abschnitt (15) der Lavaldüse eine Länge zwischen 50 und 250 mm aufweist und eine kegelförmige oder konkave oder konvexe Innenkontur besitzt.
  7. Kaltgasspritzpistole nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konvergierende Düsenabschnitt (12,15) von innen isoliert ist oder insgesamt aus einem isolierenden Material besteht, insbesondere Keramik.
  8. Kaltgasspritzpistole nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Druckbehälter und/ oder Mischkammer und/ oder konvergierender Abschnitt und/ oder divergierender Abschnitt insgesamt oder zum Teil aus Titan oder Aluminium sowie deren Legierungen bestehen.
  9. Kaltgasspritzpistole nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strecke zwischen der Partikelzuführung (11) in der Mischkammer (6,12,15) und Düsenhals (9) 40 bis 400 mm, bevorzugt 100 bis 250 mm beträgt.
  10. Kaltgasspritzpistole nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Mischkammer und/ oder des konvergierenden Abschnitts auf mindestens 70 % der Strecke von der Partikelzuführung bis zum Düsenhals zwischen dem 5-fachen und 50-fachen der Düsenhalsquerschnittsfläche, bevorzugt zwischen dem 8-fachen und 30-fachen, besonders bevorzugt zwischen dem 10-fachen und 25-fachen beträgt.
  11. Kaltgasspritzpistole nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenhals einen Durchmesser zwischen 2 und 4 mm besitzt, der divergierende Abschnitt eine Länge besitzt, die dem 30 bis 90-fachen Durchmesser des Düsenhalses entspricht, und zugleich das Flächenverhältnis des Querschnitts am Ende des divergierenden Abschnitts zu demjenigen des Düsenhalsquerschnitts zwischen 3 und 15 liegt und die Innenkontur kegelförmig, oder konvex oder konkav ist.
  12. Kaltgasspritzpistole nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelzuführung aus einem seitwärts unter einem beliebigen Winkel zugeführten Rohr (11) oder aus einer oder mehreren Bohrungen am Ende des Hochdruckgaserhitzer oder in der Mischkammer besteht.
  13. Kaltgasspritzpistole nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Strömungsquerschnitt im Düsenhals bezogene Heizleistung des Heizelements (3) 1,5 bis 7,5 kW/mm2, bevorzugt 2 bis 4 kW/mm2 beträgt.
  14. Kaltgasspritzpistole nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsvolumen des Heizelements (3) von 10 bis 40 MW/m3, bevorzugt von 20 bis 30 MW/m3 beträgt.
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