EP2136927B1 - Expansionsdüse zum thermischen spritzen und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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EP2136927B1
EP2136927B1 EP08735291A EP08735291A EP2136927B1 EP 2136927 B1 EP2136927 B1 EP 2136927B1 EP 08735291 A EP08735291 A EP 08735291A EP 08735291 A EP08735291 A EP 08735291A EP 2136927 B1 EP2136927 B1 EP 2136927B1
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nozzle
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inner contour
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • 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 invention relates to a method for producing an expansion nozzle, which is used in particular for thermal spraying.
  • nozzles made by this method can also be used in a variety of other applications.
  • the mold When using such nozzles to produce a supersonic flow, the mold must be designed in the divergent region of the nozzle so that the increase in cross-section is continuous and with a not too large gradient in order to avoid skewed impacts. Accordingly, there are a variety of forms from the conical enlargement up to the optimized by the characteristic method parallel jet nozzle as in EP 1506816A1 described. Also known are forms in which the convergent divergent transition is formed by a displacer mounted in a cylindrical tube ( EP 1369498B1 ). The production of such nozzles, especially if they have a small narrowest cross-section, leads due to the above requirement to considerable technical problems.
  • the interior of the entire nozzle has the contour of a single-walled hyperboloid whose generatrix is a straight line.
  • the expansion nozzle can be made particularly simple and relatively inexpensive.
  • the material for the expansion nozzle must be electrically conductive.
  • a metal esp., A hard metal
  • a ceramic-like material eg. B. carbon fiber reinforced silicon carbide (C-SiC).
  • the inner contour of the expansion nozzle and a surface treatment such. As polishing and / or coating.
  • the ratio of the length of the convergent to the divergent region can be arbitrarily set.
  • ellipsoid hyperboloids can also be generated, which can generate a flat gas jet.
  • the divergent and / or the convergent region can be extended by means of an attachment element.
  • This attachment element may, according to an embodiment variant, have an inner contour continuing the hyperboloid or else an inner contour deviating from the hyperboloid.
  • the convergent region is coated with a gaseous or liquid wall-wetting film.
  • the main purpose of this film is to cool the expansion nozzle to increase its life and bring the temperature of the core streams to the limit of temperature stability of the nozzle material.
  • the suitable design forms a free wall surface for the supersonic jet and allows the formation of a parallel beam.
  • the shape and the deflection of the supersonic jet can thus also be varied.
  • the expansion nozzle 1 has a convergent region 2, a divergent region 3 and a continuous transition region 4.
  • the spray particles in the convergent region 2 are accelerated to subsonic speed.
  • the gas reaches the speed of sound and in the divergent region 3 finally the spray particles are further accelerated and reach supersonic speed.
  • the transition region 4 between the convergent region 2 and the divergent region 3 is formed in such an arc shape that the entire inner contour of convergent region 2, divergent region 3 and transition region 4 is formed as a single-shell hyperboloid. whose minor axis 5 lies in the narrowest cross section 4 and whose main axis forms the axis of rotation 6 of the expansion nozzle 1.
  • the convergent and / or the divergent region 2, 3 can be extended with an attachment element, which can have either an inner contour continuing the hyperboloid or an inner contour deviating from the hyperboloid.
  • a gaseous or liquid wall-wetting film can be applied to cool the expansion nozzle 1 to thus increasing the service life and bring the temperature of the core flows to the limit of the temperature stability of the nozzle material. Furthermore, it can be prevented deposition of particles.
  • the basic form of the expansion nozzle 1 according to the invention is single-shell hyperboloid, a three-dimensional geometric surface which is generated by rotation of a straight line offset from the central axis (cf. Fig. 3 ).
  • the expansion nozzle 1 according to the invention is produced by wire erosion, wherein the cutting wire 7 is skewed about the axis of rotation 6 of the expansion nozzle 1 rotates.
  • a hyperbolic inner contour of the expansion nozzle 1 is produced, in which the convergent region 2, the divergent region 3 merge into one another without points of discontinuity.
  • the expansion nozzle 1 consists of an electrically conductive material, for.
  • a metal preferably a hard metal, or a ceramic-like material, for.
  • the inner contour of the expansion nozzle 1 also a surface treatment such. As polishing and / or coating. This can also be done via a rectilinear polishing body, which performs the same rotational movement as the cutting wire. 7
  • the geometry obtained may be obtained by any method, e.g. Senkerod Schlieren be post-processed to at least partially obtain a shape that differs from the shape of the single-sheet hyperboloids. Such modifications may e.g. be used for the design of a parallel jet nozzle.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Expansionsdüse, die insbesondere zum thermischen Spritzen eingesetzt wird. Nach diesem Verfahren hergestellte Düsen können jedoch auch in einer Vielzahl anderer Anwendungen eingesetzt werden.
  • Beim thermischen Spritzen werden pulverförmige Spritzpartikel in einen Strahl aus Gasen injiziert und dann in einer Expansionsdüse auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Derartige Expansionsdüsen sind hinlänglich bekannt. Sie weisen einen konvergenten und einen divergenten Bereich auf, die stetig über einen engsten Querschnitt ineinander übergehen.
  • Beim Einsatz derartiger Düsen zur Erzeugung einer Überschallströmung muss die Form im divergenten Bereich der Düse so gestaltet sein, dass die Querschnittszunahme stetig und mit einem nicht zu großen Gradienten erfolgt, um schiefe Stöße zu vermeiden. Dem entsprechend gibt es eine Vielzahl von Formen ausgehend von der kegelförmigen Erweiterung bis hin zur nach dem Charakteristikerverfahren optimierten Parallelstrahldüse wie in EP 1506816A1 beschrieben. Ebenfalls bekannt sind Formen bei denen der konvergent divergente Übergang durch einen in einem zylindrischen Rohr angebrachten Verdrängungskörper gebildet wird ( EP 1369498B1 ) . Die Herstellung derartiger Düsen, vor allem, wenn sie einen kleinen engsten Querschnitt aufweisen, führt aufgrund der oben genannten Anforderung zu erheblichen technischen Problemen. Die Längsteilung in einen konvergenten und einen divergenten Bereich vereinfacht zwar die Herstellung, birgt aber das Risiko einer Unstetigkeit an der Kontaktfläche mit der Gefahr der Ausbildung von Stößen. Dasselbe gilt für Düsen, die in der Symmetrieachse geteilt und durch konventionelle spanabhebende Fertigung hergestellt werden. Darüber hinaus führt die geteilte Ausführung der Düsen zu erheblichen Dichtungsproblemen, insbesondere wenn diese bei hohen Drücken und Temperaturen betrieben werden.
  • Sinterverfahren erlauben zwar das Herstellen komplexer Geometrien aus einem Stück; wenn die innere Oberfläche der Düse jedoch eine besondere Qualität aufweisen soll, bereitet die Nachbehandlung erhebliche Schwierigkeiten.
  • Weitere vorbekannte Expansionsdüsen werden in US 2005 01 73556 , wo eine Düse gezeigt wird, die nach dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 hergestellt wurde, und DE 101 26 320 vorgestellt.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine strömungsmechanisch möglichst optimale Expansionsdüse der eingangs genannten Art zu schaffen, welche aus einem Stück auf einfache Weise hergestellt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Der Innenbereich der gesamten Düse weist die Kontur eines einschaligen Hyperboloiden auf, dessen Erzeugende eine Gerade ist.
  • Dies geschieht erfingdungsgemäß dadurch, dass die Innenkontur der Expansionsdüse durch Drahterodieren hergestellt wird, wobei der Schneiddraht windschief um die Rotationsachse der Expansionsdüse rotiert.
  • Durch dieses Herstellungsverfahren kann die Expansionsdüse besonders einfach und auch relativ kostengünstig hergestellt werden .
  • Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Aufgrund dieses Verfahrens muss das Material für die Expansionsdüse elektrisch leitfähig sein. Dazu eignet sich besonders ein Metall, insbes, ein Hartmetall, oder ein keramikähnlicher Werkstoff, z. B. kohlenstofffaserverstärktes Siliziumcarbid (C-SiC).
  • Um eine noch höhere Oberflächenbeschaffenheit und eine bessere Beständigkeit gegen Abrasion zu erreichen, kann zusätzlich die Innenkontur der Expansionsdüse auch einer Oberflächenbehandlung, wie z. B. Polieren und/oder Beschichten, unterzogen werden .
  • Durch geeignete Wahl des Rotationspunktes des Drahtes kann das Verhältnis der Länge des konvergenten zum divergenten Bereich beliebig eingestellt werden. Durch Veränderung der Steigung des Drahtes während einer Rotation können jedoch auch ellipsoide Hyperboloide erzeugt werden, die einen flächigen Gasstrahl erzeugen können.
  • Um das Strömungsverhalten weiter zu verbessern, kann der divergente und/oder der konvergente Bereich mit einem Vorsatzelement verlängert werden.
  • Dieses Vorsatzelement kann nach einer Ausgestaltungsvariante eine den Hyperboloiden fortsetzende Innenkontur oder auch eine von dem Hyperboloiden abweichende Innenkontur aufweisen.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist der konvergente Bereich mit einem gasförmigen oder flüssigen wandbenetzenden Film überzogen. Die Hauptaufgabe dieses Films besteht darin, die Expansionsdüse zu kühlen, um so die Standzeit zu erhöhen und die Temperatur der Kernströmungen an die Grenze der Temperaturbeständigkeit des Düsenmaterials heranzuführen.
  • Um zu verhindern, dass es bedingt durch die Grundgeometrie der Expansionsdüse, die sich mit zunehmender Länge immer mehr aufweitet, zu einer Strömungsablösung kommen kann, sind vorteilhafterweise im divergenten Bereich am Umfang Bohrungen angebracht, über die ein Stützstrahl eingeblasen werden kann, der bei geeigneter Ausführung eine freie Wandoberfläche für den Überschallstrahl bildet und die Ausbildung eines Parallelstrahles ermöglicht. Bei einer asymmetrischen Einblasung können damit auch die Form und die Ablenkung des Überschallstrahles variiert werden.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
    • Figur 1
    ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Expansionsdüse zur Veranschaulichung der Innenkontur,
    Figur 2
    eine perspektivische Ansicht der Innenkontur der erfindungsgemäßen Expansionsdüse, und
    Figur 3
    eine schematische Ansicht, welche verdeutlicht, wie die Expansionsdüse hergestellt wird.
  • In den Figuren ist die Innenkontur einer erfindungsgemäßen Expansionsdüse 1 dargestellt.
  • Die erfindungsgemäße Expansionsdüse 1 weist einen konvergenten Bereich 2, einen divergenten Bereich 3 und einen stetigen Übergangsbereich 4 auf.
  • Beim Durchströmen des Expansionsdüse 1 werden die Spritzpartikel im konvergenten Bereich 2 auf Unterschallgeschwindigkeit beschleunigt. Am engsten Querschnitt, d. h. im Übergangsbereich 4 erreicht das Gas Schallgeschwindigkeit und im divergenten Bereich 3 schließlich werden die Spritzpartikel weiter beschleunigt und erreichen Überschallgeschwindigkeit.
  • Um die Düse einfach aus einem Stück fertigen zu können, ist der Übergangsbereich 4 zwischen dem konvergenten Bereich 2 und dem divergenten Bereich 3 derart bogenförmig ausgebildet, dass die gesamte Innenkontur von konvergentem Bereich 2, divergentem Bereich 3 und Übergangsbereich 4 als einschaliger Hyperboloid ausgebildet ist, dessen Nebenachse 5 im engsten Querschnitt 4 liegt und dessen Hauptachse die Rotationsachse 6 der Expansionsdüse 1 bildet.
  • Der konvergente und/oder der divergente Bereich 2, 3 kann mit einem Vorsatzelement verlängert werden, welches entweder eine den Hyperboloiden fortsetzende Innenkontur oder eine von dem Hyperboloiden abweichende Innenkontur aufweisen kann.
  • Weiterhin kann im konvergenten Unterschallbereich 2 der Expansionsdüse 1 ein gasförmiger oder flüssiger wandbenetzender Film aufgegeben werden, um die Expansionsdüse 1 zu kühlen, um so die Standzeit zu erhöhen und die Temperatur der Kernströmungen an die Grenze der Temperaturbeständigkeit des Düsenmaterials heranzuführen. Weiterhin können damit Ablagerung von Partikel verhindert werden.
  • Bedingt durch ihre Grundgeometrie weitet sich die Expansionsdüse 1 mit zunehmender Länge immer mehr auf, was zur Strömungsablösung führen kann. Um dies zu verhindern, können im divergenten Bereich 3 am Umfang Bohrungen angebracht sein, über die ein Stützstrahl eingeblasen wird, der bei geeigneter Ausführung eine freie Wandoberfläche für den Überschallstrahl bildet. Bei einer asymmetrischen Einblasung können damit auch die Form und die Ablenkung des Überschallstrahles variiert werden.
  • Im folgenden wird ein einfaches Herstellungsverfahren für eine Expansionsdüse sowie darauf aufbauend die spezielle Optimierung der Strömung beschrieben.
  • Basisform der erfindungsgemäßen Expansionsdüse 1 ist einzelnschalige Hyperboloid, eine dreidimensionale geometrische Fläche, die durch Rotation einer aus der Mittelachse versetzten Geraden erzeugt wird (vgl. Fig. 3). Die erfindungsgemäße Expansionsdüse 1 wird durch Drahterodieren hergestellt, wobei der Schneiddraht 7 windschief um die Rotationsachse 6 der Expansionsdüse 1 rotiert. Dadurch wird eine hyperbelförmige Innenkontur der Expansionsdüse 1 erzeugt, bei welcher der konvergente Bereich 2, der divergente Bereich 3 ohne Unstetigkeitsstellen ineinander übergehen.
  • Die Expansionsdüse 1 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, z. B. ein Metall, vorzugsweise ein Hartmetall, oder einem keramikähnlichen Werkstoff, z. B. kohlenstofffaserverstärktes Siliziumcarbid (C-SiC).
  • Zusätzlich kann die Innenkontur der Expansionsdüse 1 auch noch einer Oberflächenbehandlung, wie z. B. Polieren und/oder Beschichten, unterzogen werden. Dies kann ebenfalls über einen geradlinigen Polierkörper erfolgen, der dieselbe Rotationsbewegung durchführt wie der Schneiddraht 7.
  • Selbstverständlich kann die erhaltene Geometrie durch beliebige Verfahren, z.B. Senkerodieren, nachbearbeitet werden, um zumindest bereichsweise eine Form zu erhalten, die von der Form des einschaligen Hyperboloiden abweicht. Solche Modifikationen können z.B. zur Ausgestaltung einer Parallelstrahldüse verwendet werden.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Die Offenbarung der Figuren wird als expliziter Inhalt der vorliegenden Beschreibung angesehen.
  • Alle oben beschriebenen Komponenten können auch in Alleinstellung oder in beliebiger Kombination in anderen Herstellungsverfahren von metallischen oder Verbundbauteilen zur Anwendung kommen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Expansionsdüse
    2
    konvergenter Bereich
    3
    divergenter Bereich
    4
    Übergangsbereich
    5
    Nebenachse
    6
    Rotationsachse (Hauptachse)
    7
    Schneiddraht

Claims (5)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Expansionsdüse zum thermischen Spritzen von pulverförmigen Spritzpartikeln, wobei die Expansionsdüse einen konvergenten und einen divergenten Bereich mit einem dazwischen liegenden engsten Querschnitt aufweist, und wobei die Kontur die Form eines einschaligen Hyperboloiden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur der Expansionsdüse (1) durch Drahterodieren hergestellt wird, wobei der Schneiddraht (7) windschief um die Rotationsachse (6) der Expansionsdüse (1) rotiert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Expansionsdüse (1) ein elektrisch leitfähiges Material verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metall, insbes ein Hartmetall verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramikähnlicher Werkstoff, z. B. kohlenstofffaserverstärktes Siliziumcarbid (C-SiC), verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur der Expansionsdüse (1) einer Oberflächenbehandlung, wie Polieren und/oder Beschichten, unterzogen wird.
EP08735291A 2007-04-16 2008-04-16 Expansionsdüse zum thermischen spritzen und verfahren zu deren herstellung Active EP2136927B1 (de)

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