EP2562287A2

EP2562287A2 - Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Spritzen von Beschichtungswerkstoffen

Info

Publication number: EP2562287A2
Application number: EP12181320A
Authority: EP
Inventors: Martin Burger; Hans-Henning Witzmann; Sigurd Schrader; Friedhelm Heinrich
Original assignee: Technische Hochschule Wildau
Current assignee: Technische Hochschule Wildau
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2013-02-27
Also published as: DE102012107076A1; EP2562287A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien, wobei das Beschichtungsmaterial, welches in Form mindestens eines Spritzdrahtes vorliegt, aufgeschmolzen und mittels eines Zerstäubergases bzw. Verbrennungsgases zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das aufzuschmelzende Beschichtungsmaterial beim Aufschmelzen durch Einkopplung von Ultraschall in Schwingungen versetzt wird. Ebenso betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Anwendungsgebiet und Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien.
Es sind verschiedene Beschichtungsvorrichtungen bekannt, die das Beschichten eines Substrats mittels zerstäubten Materialien beinhalten.
Die DE 102 52 437 A1 beschreibt eine Ultraschall-Stehwellen-Zerstäuberanordnung zur Erzeugung eines Lack-Sprühnebels zum Lackieren eines Werkstücks. Die Ultraschall-Stehwellen-Zerstäuberanordnung ist dafür bestimmt, bei einem Lackierprozess die zerstäubte Lackmenge, d.h. die Lackrate, zu erhöhen und dabei einen ausgewählten Bereich an vorkommenden Tröpfchengrößen einzuhalten. Mit der Ultraschall-Stehwellen-Zerstäuberanordnung wird ein stehendes Ultraschallfeld mit ausgewählten Maxima erzeugt, wobei im Bereich des stehenden Ultraschallfeldes Rohrstücke zur Aufbringung von Lack vorgesehen sind. Charakteristisch ist hier, dass ein flüssig vorliegender Lack im Ultraschallfeld in Tröpfchenform überführt, d.h. zerstäubt wird. Nachteilig bei dieser Anordnung ist die Notwendigkeit einer aufwendigen Regelungstechnik, die das Ausbilden der Ultraschallwellen-Maxima kontrolliert und regelt. Zudem sind bei gegebenem Abstand der gegenüberliegenden Schallflächen die Frequenzen bzw. der Frequenzbereich für das Ausbilden der Maxima limitiert.
Die DE 37 35 787 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerstäuben mindestens eines Strahls eines flüssigen Stoffes, vorzugsweise geschmolzenen Metalls, wobei die flüssigen Stoffe innerhalb eines verdichteten gasförmigen Mediums durch das Ultraschallfeld hindurchgeleitet werden. Der als nachteilig erkannten geringen Ultraschall-Leistung wird mit einem verdichteten gasförmigen Medium begegnet. Mit dem verdichteten, also unter Überdruck stehenden Medium, wird eine höhere Energie-Übertragung des Ultraschallfeldes ermöglicht. Die hohe Dichte des Gases begünstigt demnach die Schallübertragung, insbesondere wegen besserer Impedanzanpassung. Die Ultraschall-Schwinger sind dabei senkrecht oder quer zur Strahlrichtung angeordnet. Charakteristisch ist auch hier, dass ein Strahl flüssigen Materials erst mittels nachgeschaltetem Ultraschallfeld zerstäubt wird. Das gasförmige, verdichtete Medium steigert lediglich die Effizienz der Ultraschallübertragung. Nachteilig bei dieser Anordnung ist die Notwendigkeit der Nutzung eines verdichteten, also unter Überdruck stehenden gasförmigen Mediums.
Für die Zerstäubung von Flüssigkeiten sind aus der Literatur Verfahren bekannt, bei denen durch die Verwendung von Ultraschall auf Flüssigkeitsoberflächen Kapillarwellen erzeugt werden, die schließlich zur Einschnürung und Tropfenbildung führen (Günter Wozniak, Zerstäubungstechnik, Kapitel 5, Springer, Berlin Heidelberg 2003, ISBN 3-540-41170-4).
Aus der Literatur (Modern Surface Technology, Edited by F.-W. Bach, A. Laarmann, T. Wenz, Wiley-VCH, Weinheim 2004, ISBN 3-527-31532-2) sind weiterhin eine Reihe von Verfahren zur Erzeugung von thermischen Spritzschichten auf der Oberfläche eines Werkstücks bekannt, für die in der Regel die Bezeichnung "thermisches Spritzen" gebräuchlich ist.
Beim Beschichten eines Werkstückes mittels thermischen Spritzens werden die Spritzmaterialien, meist Metalle oder deren Legierungen, aber auch Keramiken, Karbide oder Kunststoffe/Polymere, durch die Zufuhr thermischer Energie aufgeschmolzen, angeschmolzen oder abgeschmolzen und mittels eines Gasstrahls beschleunigt.
Die Definition des thermischen Spritzens lautet nach DIN EN 657: "Das thermische Spritzen umfasst Verfahren, bei denen Spritzzusätze innerhalb oder außerhalb von Spritzgeräten an-, auf- oder abgeschmolzen und auf vorbereitete Oberflächen aufgeschleudert werden. Die Oberflächen werden dabei nicht aufgeschmolzen." DIN EN 657 fasst u.a. die folgenden Verfahren unter dem Begriff "thermisches Spritzen" zusammen: Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen, Detonationsspritzen, Laserspritzen, Induktionsspritzen, Schmelzbadspritzen und (Draht-)Flammspritzen.
Durch das Aufschmelzen verflüssigt sich das Material, welches dann durch den Gasstrom zerstäubt und gleichzeitig auf die zu besprühende Oberfläche geschleudert wird. Bei einigen der oben aufgelisteten Verfahren wie Plasmaspritzen oder Detonationsspritzen (Flammspritzen gibt es sowohl mit Pulvern als auch mit Drähten oder Stäben) wird mit Pulvern gearbeitet, die die Partikelgröße von Anfang an vorgeben. Die durch Aufschmelzen und Zerstäubung gebildeten Partikel sind die sogenannten Spritzpartikel, die durch den Gasstrahl auf die zu besprühende Oberfläche gelangen. Dabei erreichen die Spritzpartikel hohe Geschwindigkeiten, wobei je nach Verfahren Geschwindigkeiten zwischen einigen zehn Metern pro Sekunde bis zu über 1500 Metern pro Sekunde (Vorlesungsskript "thermisches Spritzen", E. Beyer, TU Dresden 2005) erzielt werden, mit denen die Materialien schließlich auf ein Substrat auftreffen. Die auftreffenden Tröpfchen oder Teilchen verkrallen sich mit der Oberfläche des Werkstücks (Haftmechanismus mechanische Verklammerung). Bei diesem Vorgang passt sich der auftreffende, meist noch flüssige Beschichtungswerkstoff an die Kontur der zu beschichtenden Oberfläche an, was beim Abkühlen zur Ausbildung von Schrumpfspannungen in der deponierten Schicht führen kann. Mechanische Verklammerung ist ein wesentlicher Haftmechanismus, aber nicht der einzige, wobei auf ein detailliertes Eingehen auf die je nach Material unterschiedlichen weiteren Haftmechanismen hier verzichtet wird.
Die Zufuhr thermischer Energie kann dabei unter anderem in Form elektrischer Energie (Lichtbogenspritzen und Plasmaspritzen), oder chemischer Energie durch Verbrennen von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen erfolgen (z.B. Drahtflammspritzen). In einzelnen Fällen wird die Energie auch optisch, induktiv oder kapazitiv eingekoppelt. Das Spritzmaterial liegt bei einigen Verfahren bereits als Pulver oder als Suspension vor und wird mittels einer geeigneten Fördervorrichtung zugeführt (z.B. Plasmaspritzen, Flammspritzen).
In vielen Fällen wird jedoch auf Spritzmaterialien in Form von Drähten, Fülldrähten, Stäben oder Schnüren zurückgegriffen (zusammengefasst unter der Bezeichnung "Spritzdraht"). In diesen Fällen muss das Spritzmaterial nach dem Aufschmelzen zunächst durch ein geeignetes Zerstäubergas zerstäubt werden, bevor es durch das meist gleiche Gas beschleunigt und auf die Oberfläche des Werkstücks aufgeschleudert wird. Als Zerstäubergas werden je nach Verfahren und Anforderungen an die Materialien Pressluft, Inertgase wie Stickstoff, Argon oder Helium, reaktive oder reduzierende Gase (Sauerstoff bzw. Wasserstoff), Gasgemische oder einfach die Verbrennungsgase, die auch für die Zufuhr der thermischen Energie sorgen, verwendet.
Bei der Zerstäubung mittels Gasstrom handelt es sich um einen stochastischen, also zufallsgesteuerten Prozess, aus dem eine breite Größenverteilung mit Partikeln von weniger als einem Mikrometer bis hin zu über 200 Mikrometern Durchmesser resultiert, welche simultan auftreten (polydispers). Die bekannten Verfahren zur Erzeugung von thermischen Spritzschichten auf der Oberfläche eines Werkstücks haben den Nachteil, dass sehr große Partikel im Gasstrahl nur unzureichend beschleunigt werden, während kleine Partikel hingegen bereits vor dem Auftreffen erstarren können, was sich negativ auf die Schichteigenschaften auswirkt.
Zur Beeinflussung der Partikelgrößenverteilung beim thermischen Spritzen ist die Regelgrö-βe in erster Linie die Geschwindigkeit des zerstäubenden Gasstroms. Auf den Gasstrom kann nur in beschränktem Maße durch die Wahl von Gasart, Druck, Gastemperatur oder Düsengeometrie Einfluss genommen werden, wobei aber das Problem einer breiten Partikelgrößenverteilung bestehen bleibt.

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen von Beschichtungswerkstoffen zu schaffen, wobei die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden und die Tröpfchengrößenverteilung bzw. die SpritzpartikelGrößenverteilung der Beschichtungsmaterialien gezielt beeinflusst werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien, welche in der Regel in Form von Spritzdrähten vorliegen, wobei das aufzuschmelzende Material aufgeschmolzen, beim Aufschmelzen durch Einkopplung von Ultraschall in Schwingungen versetzt und mittels eines Zerstäubergases bzw. mittels des Verbrennungsgases (Gemisch aus Brenngas und Sauerstoff/Druckluft) zerstäubt wird. Im Sinne dieser Erfindung werden unter thermischem Spritzen vorzugsweise Drahtflammspritzen und Lichtbogenspritzen verstanden, wobei letzteres bevorzugt ist. Beim Drahtflammspritzen dient die Mischung aus Brenngas und Sauerstoff bzw. Druckluft (Verbrennungsgas) gleichzeitig als Mittel zum Aufschmelzen und als Zerstäubergas, beim Lichtbogenspritzen wird lediglich ein Zerstäubergas eingesetzt, da das Aufschmelzen durch den Lichtbogen erfolgt.
Unter Verbrennungsgas wird synonym die Mischung aus Brenngas oder flüssigem Brennstoff und Sauerstoff bzw. Druckluft verstanden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien wird der Ultraschall direkt in das aufzuschmelzende Beschichtungsmaterial eingekoppelt, indem mindestens ein Ultraschallgeber direkt mit dem aufzuschmelzenden Beschichtungsmaterial, d.h. dem Spritzdraht, in Kontakt gebracht wird.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien wird der Ultraschall indirekt in das aufzuschmelzende Beschichtungsmaterial eingekoppelt, indem der mindestens eine Ultraschallgeber über eine kontaktgebende Drahtführung mit dem aufzuschmelzenden Beschichtungsmaterial in Kontakt gebracht wird.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien wird der Ultraschall indirekt in das aufzuschmelzende Beschichtungsmaterial eingekoppelt, indem im Gasstrom des Zerstäuber- bzw. des Verbrennungsgases in Strömungsrichtung mindestens ein Ultraschallgeber angeordnet ist oder die Gasdüse oder Brennerdüse selbst als Ultraschallgeber ausgebildet ist, welcher den Ultraschall indirekt über den Gasstrom in das aufzuschmelzende Beschichtungsmaterial einkoppelt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien wird der Ultraschall direkt in das aufzuschmelzende Beschichtungsmaterial eingekoppelt, indem der Ultraschall mittels Modulation oder impulsartiger Variation des Stromes der Stromversorgung gebildet wird, wobei der Strom seine Richtung ändert (Polaritätswechsel), die Stromrichtungsänderung innerhalb von Zehntelsekunden bis Picosekunden erfolgt und die Stromstärke zwischen 0,01 Ampere und 3000 Ampere liegt. Dies ist insbesondere beim Lichtbogenspritzen anwendbar.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien wird der Ultraschall direkt in das aufzuschmelzende Beschichtungsmaterial eingekoppelt, indem der Ultraschall mittels Modulation oder impulsartiger Variation des Zerstäubergas-Gasstromes oder des Verbrennungsgas-Gasstromes gebildet wird.
Der Ultraschall liegt im Frequenzbereich von 15 kHz bis 10 MHz.
Die aus dem Beschichtungsmaterial aufgeschmolzenen Spritzpartikel werden mittels Zerstäubergas oder Verbrennungsgas auf Geschwindigkeiten von zehn Metern pro Sekunde bis zu 1500 Metern pro Sekunde beschleunigt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien erfolgt eine Vorerwärmung des Zerstäubergas oder des Verbrennungsgases, vorzugsweise auf Temperaturen oberhalb der Raumtemperatur, mehr bevorzugt auf 100-1.000 °C, höchst bevorzugt auf 300-600 °C. Diese Vorerwärmung erfolgt ausschließlich beim Lichtbogenspritzen.
Beim Drahtflammspritzen ist eine Vorerwärmung unnötig, da die Temperatur des Verbrennungsgases bereits deutlich oberhalb des Schmelzpunktes des Spritzdrahtes liegt (Literaturdaten für das Flammspritzen: Verbrennungstemperaturen typischerweise von 2660°C (Wasserstoff), 2850°C (Propan) und 3160°C (Acetylen)).
Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit mindestens einem Spritzdraht (1, 1') mit aufzuschmelzendem Drahtende (2, 2') und mindestens einer Drahtzuführvorrichtung (3, 3'), welche Drahtvorschub (4, 4') und kontaktgebende Drahtführung (5, 5') umfasst, wobei mindestens ein Ultraschallgeber (6, 6') am mindestens einen Spritzdraht (1, 1') angeordnet ist.
Wie oben bereits erwähnt sind die zwei als thermisches Spritzen bevorzugten Varianten das Drahtflammspritzen und das Lichtbogenspritzen.
Beim Drahtflammspritzen weist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine Brennerdüse (7) auf, in der sich das aufzuschmelzende Ende (2) des mindestens einen Spritzdrahtes (1) befindet. Diese Brennerdüse (7) weist Zugänge für Brenngas (8) und Sauerstoff/Druckluft (9) auf, deren Gemisch das Verbrennungsgas liefert. Als Brenngase werden die gängigen Prozessgase oder brennbare Flüssigkeiten eingesetzt, insbesondere Acetylen, Propan, Ethen, Methan, Erdgas, Wasserstoff, wobei Acetylen bevorzugt ist.
Beim Lichtbogenspritzen weist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens einen ersten und zweiten Spritzdraht (1, 1') mit aufzuschmelzenden Drahtenden (2, 2') und zwei Drahtzuführvorrichtungen (3, 3') auf, welche jeweils Drahtvorschub (4, 4') und kontaktgebende Drahtführung (5, 5'), sowie elektrische Anschlüsse (10, 10') für die Erzeugung des Lichtbogens (11) zwischen den aufzuschmelzenden Drahtenden (2, 2') umfassen. Der mindestens eine Ultraschallgeber ist entweder am ersten oder zweiten Spritzdraht (1, 1') angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Ultraschallgeber (6, 6') vorhanden, von denen jeweils einer am ersten und der andere am zweiten Spritzdraht (1, 1') angeordnet ist. Diese bevorzugte Form mit zwei Ultraschallgebern gilt sowohl für die direkte als auch für die indirekte Einkopplung des Ultraschalls in die Spritzdrähte (nachfolgend genauer erläutert).
Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich sowohl auf das Drahtflamm- als auch auf das Lichtbogenspritzen.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung sind der mindestens eine bzw. die Ultraschallgeber (6, 6') direkt am mindestens einen bzw. am ersten und/oder zweiten Spritzdraht (1, 1') angeordnet und koppeln somit den Ultraschall direkt ein.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung sind der mindestens eine bzw. die Ultraschallgeber (6, 6') an der Drahtführung (5, 5') angeordnet und koppeln somit den Ultraschall in den mindestens einen bzw. in den ersten und/oder zweiten Spritzdraht (1, 1') indirekt ein.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung ist im Gasstrom (12) in Strömungsrichtung mindestens ein Ultraschallgeber (6) angeordnet, wobei der Ultraschallgeber (6) den Ultraschall indirekt über den Gasstrom (12) des Zerstäuber- oder Verbrennungsgases in den mindestens einen bzw. den ersten und/oder zweiten Spritzdraht (1, 1') einkoppelt.
Es handelt sich hierbei um ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien, vorzugsweise mittels Drahtflamm- oder Lichtbogenspritzens, besonders bevorzugt mittels Lichtbogens, wobei der in das Beschichtungsmaterial eingekoppelte Ultraschall eine günstige Spritzpartikelbildung und -ablösung bewirkt. Erfindungsgemäß wird mittels Ultraschall-Anwendung eine enge Spritzpartikelgrößenverteilung erreicht, die im Idealfall monodispers ist, d.h. alle Partikel haben die gleiche Größe. In der Praxis ergeben sich Partikelgrößenverteilungen, bei denen zumindest 50 Prozent der Partikel im Durchmesser weniger als zwanzig Prozent von einem Mittelwert abweichen, bevorzugt 70 Prozent der Partikel im Durchmesser weniger als 15 Prozent vom Mittelwert abweichen und höchst bevorzugt mehr als 90 Prozent der Partikel im Durchmesser weniger als 10 Prozent vom Mittelwert abweichen, wobei der Mittelwert über die Frequenz des Ultraschalls eingestellt werden kann. Wegen der geringen dynamischen Viskosität bei sehr hoher Oberflächenspannung von flüssigen Metallen funktioniert die Zerstäubung mittels Ultraschalls für Metalle besonders gut im Vergleich zu etwa Wasser oder aber aufgeschmolzenen Kunststoffen.
Die mittlere Spritzpartikelgröße hängt hierbei von der Frequenz des Ultraschalls ab. Möglich sind Größen zwischen 200 Mikrometern bis unter ein Mikrometer. Günstig sind Partikelgrößen von einigen Mikrometern bis wenigen zehn Mikrometern, abhängig von Werkstoff und Anwendung. Höhere Frequenzen ergeben kleinere Partikel und umgekehrt. Eine kontrollierte Einstellung einer definierten Größe der erzeugten Partikel ist wünschenswert, da verschiedene Anwendungen realisiert werden sollen. Beispielsweise werden, wenn geschlossene, nicht-poröse Spritzschichten angestrebt werden, kleinere Partikel erzeugt, d.h. höhere Frequenzen des Ultraschalls angewendet. Wenn poröse Schichten angestrebt werden, wird eine geringere Frequenz des Ultraschalls eingesetzt, um somit größere Partikel zu erzeugen, die dann bei Auftrag auf das Substrat poröse Schichten bilden.
Mit abnehmender Spritzpartikelgröße spielt die Oxidation zunehmend eine Rolle, wobei die Oxidation mit einem Schutzgas verringert oder verhindert werden kann (relevant beim Lichtbogenspritzen). Kleine Spritzpartikel können der Gasströmung besser folgen, was für einen kontrollierten Beschichtungsvorgang vorteilhaft ist.

Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: eine Vorrichtung für das Drahtflammspritzen
Fig. 2: eine Vorrichtung zum Lichtbogenspritzen mit Ultraschallgebern an den Spritzdrähten
Fig. 3: eine Vorrichtung zum Lichtbogenspritzen mit im Gasstrom angeordneten Ultraschallgebern

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Drahtflammspritzen, bei welcher ein Spritzdraht 1 mit einem aufzuschmelzenden Drahtende 2 von einer Drahtzuführvorrichtung 3 gehalten bzw. geführt wird. Diese Drahtzuführvorrichtung 3 besteht aus einem Drahtvorschub 4 und einer Drahtführung 5, wobei an letzterer der Ultraschallgeber 6 direkt angeordnet ist. Der Spritzdraht 1 verläuft weiterhin durch eine Brennerdüse 7, welche Zugänge für Brenngas 8 und Zugänge für Sauerstoff/Druckluft aufweist. Das Verbrennungsgas, dessen Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Spritzdrahtes 1 liegt, schmilzt den Spritzdraht 1 am aufzuschmelzenden Drahtende 2 auf. In der Schmelzzone 21 bildet sich durch den Gasstrom 12 der Spritzstrahl 22, welcher Spritzpartikel 23 enthält. Diese bilden die Spritzschicht 24 bei Auftreffen auf das Substrat 25.
Bei dieser Ausführungsform werden Ultraschallschwingungen direkt in den Spritzdraht eingeleitet. Hieraus ergeben sich als Vorteile, dass wenig Regelungstechnik erforderlich ist und ein hoher Wirkungsgrad im Vergleich zu Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, erzielt wird.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Lichtbogenspritzen mit Spritzdrähten 1, 1', welche aufzuschmelzende Drahtenden 2, 2' aufweisen. Die Spritzdrähte werden von Drahtzuführvorrichtungen 3,3' geführt, welche aus Drahtvorschüben 4,4' und Drahtführungen 5,5' bestehen, wobei an letzteren direkt die Ultraschallgeber 6,6' angeordnet sind. Elektrische Anschlüsse 10, 10' in Verbindung mit der Stromversorgung 14 dienen der Erzeugung des Lichtbogens 11. Durch den Lichtbogen 11 werden die aufzuschmelzenden Drahtenden 2, 2' der Spritzdrähte 1, 1' aufgeschmolzen, woraus durch den Gasstrom 12 in der Schmelzzone 21 der Spritzstrahl 22 erzeugt wird, der die Spritzpartikel 23 enthält. Diese werden bei Auftreffen als Spritzschicht 24 auf das Substrat 25 aufgebracht.
Bei dieser Ausführungsform werden ebenfalls Ultraschallschwingungen direkt in den Spritzdraht eingeleitet. Hieraus ergeben sich als Vorteile, dass wenig Regelungstechnik erforderlich ist und ein hoher Wirkungsgrad im Vergleich zu Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, erzielt wird.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des Lichtbogenspritzens, bei welcher die Ultraschallschwingungen indirekt in die Spritzdrähte 1, 1' mit aufzuschmelzenden Drahtenden 2, 2' eingeleitet werden. Die gezeigte Vorrichtung umfassend Drahtzuführvorrichtungen 3,3' mit Drahtvorschüben 4,4' und Drahtführungen 5,5' entspricht der in Fig. 2 gezeigten. Der Ultraschallgeber 6 ist hier im Gasstrom 12 angeordnet, so dass die Ultraschallwellen auf das Zerstäubergas und dann auf die aufzuschmelzenden Drahtenden 2, 2' übertragen werden.
Die Ultraschallschwingungen werden bei dieser Ausführungsform in den Gasstrom 12 eingeleitet (Impedanzanpassung nötig), aber nicht quer zu diesem, sondern in Strömungsrichtung, bevorzugt bevor der Gasstrom 12 den Lichtbogen 11 mit dem aufzuschmelzenden Spritzwerkstoff (1,1', 2, 2') passiert. Ein weiterer Vorteil hierbei ist die einfache Integration in bestehende Anlagen.

Bezugszeichenliste

1, 1': Spritzdraht
2, 2': aufzuschmelzendes Drahtende
3,3': Drahtzuführvorrichtung
4,4': Drahtvorschub
5,5': Drahtführung
6,6': Ultraschallgeber
7: Brennerdüse
8: Zugang für Brenngas
9: Zugang für Sauerstoff/Druckluft
10, 10': elektrische Anschlüsse
11: Lichtbogen
12: Gasstrom
14: Stromversorgung
21: Schmelzzone
22: Spritzstrahl
23: Spritzpartikel
24: Spritzschicht
25: Substrat

Claims

Verfahren zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien, wobei das Beschichtungsmaterial, welches in Form mindestens eines Spritzdrahtes vorliegt, aufgeschmolzen und mittels eines Zerstäubergases bzw. Verbrennungsgases zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das aufzuschmelzende Beschichtungsmaterial beim Aufschmelzen durch Einkopplung von Ultraschall in Schwingungen versetzt wird.
Verfahren zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall direkt in das aufzuschmelzende Beschichtungsmaterial eingekoppelt wird, indem mindestens ein Ultraschallgeber direkt mit dem aufzuschmelzenden Beschichtungsmaterial in Kontakt gebracht wird.
Verfahren zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall indirekt in das aufzuschmelzende Beschichtungsmaterial eingekoppelt wird, indem der mindestens eine Ultraschallgeber über eine kontaktgebende Drahtführung mit dem aufzuschmelzenden Beschichtungsmaterial in Kontakt gebracht wird.
Verfahren zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall indirekt in das aufzuschmelzende Beschichtungsmaterial eingekoppelt wird, indem im Gasstrom des Zerstäuber- bzw. des Verbrennungsgases in Strömungsrichtung mindestens ein Ultraschallgeber angeordnet ist oder die Düse selbst als Ultraschallgeber ausgeführt ist, welcher den Ultraschall indirekt über den Gasstrom in das aufzuschmelzenden Beschichtungsmaterial einkoppelt.
Verfahren zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall direkt in das aufzuschmelzende Beschichtungsmaterial eingekoppelt wird, indem der Ultraschall mittels Modulation oder impulsartiger Variation des Stromes der Stromversorgung gebildet wird, wobei der Strom seine Richtung ändert (Polaritätswechsel), die Stromrichtungsänderung innerhalb von Zehntelsekunden bis Picosekunden erfolgt und die Stromstärke zwischen 0,01 Ampere und 3000 Ampere liegt.
Verfahren zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall direkt in das aufzuschmelzende Beschichtungsmaterial eingekoppelt wird, indem der Ultraschall mittels Modulation oder impulsartiger Variation des Zerstäubergas- bzw. Verbrennungsgas-Gasstromes gebildet wird.
Verfahren zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall im Frequenzbereich von 15 kHz bis 10 MHz liegt.
Verfahren zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen mittels Lichtbogen erfolgt.
Verfahren zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen mittels Drahtflammspritzen erfolgt.
Verfahren zum thermischen Spritzen von Beschichtungsmaterialien mittels Lichtbogen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerstäubergas beim Lichtbogenspritzen zur Temperaturerhöhung vorgewärmt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 mit mindestens einem Spritzdraht (1, 1') mit aufzuschmelzendem Drahtende (2, 2') und mindestens einer Drahtzuführvorrichtungen (3, 3'), welche Drahtvorschub (4, 4') und kontaktgebende Drahtführung (5, 5') umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ultraschallgeber (6, 6') am mindestens einen Spritzdraht (1, 1') angeordnet ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 11 mittels Drahtflammspritzens in welcher eine Brennerdüse (7) vorhanden ist, in welcher sich das aufzuschmelzende Ende (2, 2') des mindestens einen Spritzdrahts (1, 1') befindet, und welche Zugänge für Brenngas (8) und Sauerstoff/Druckluft (9) (Verbrennungsgas) aufweist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 11 mittels Lichtbogenspritzens mit einem ersten und zweiten Spritzdraht (1, 1') mit aufzuschmelzenden Drahtenden (2, 2') und zwei Drahtzuführvorrichtungen (3,3'), welche Drahtvorschub (4, 4') und kontaktgebende Drahtführung (5,5') sowie elektrische Anschlüsse (10, 10') für die Erzeugung eines Lichtbogens (11) zwischen den aufzuschmelzenden Drahtenden (2, 2') umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ultraschallgeber (6, 6') am ersten und/oder zweiten Spritzdraht (1, 1') angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ultraschallgeber (6, 6') direkt am mindestens einen Spritzdraht (1, 1') bzw. am ersten und/oder zweiten Spritzdraht (1, 1') angeordnet ist und somit den Ultraschall direkt einkoppelt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ultraschallgeber (6, 6') an der mindestens einen Drahtführung (5, 5') angeordnet ist und somit den Ultraschall in den mindestens einen Spritzdraht (1, 1') indirekt einkoppelt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasstrom (12) in Strömungsrichtung mindestens ein Ultraschallgeber (6) angeordnet ist, wobei der Ultraschallgeber (6) den Ultraschall indirekt über den Gasstrom (12) des Zerstäuber- oder Verbrennungsgases in den mindestens einen Spritzdraht (1, 1') einkoppelt.