EP2788520A1 - Verfahren zum beschichten eines substrats - Google Patents

Verfahren zum beschichten eines substrats

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Publication number
EP2788520A1
EP2788520A1 EP12797907.8A EP12797907A EP2788520A1 EP 2788520 A1 EP2788520 A1 EP 2788520A1 EP 12797907 A EP12797907 A EP 12797907A EP 2788520 A1 EP2788520 A1 EP 2788520A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plasma
substrate
pretreatment
coating
same
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12797907.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Ernst
Jürg WIPF
Thomas LÖHKEN
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.)
Georg Fischer Druckguss GmbH and Co KG
Georg Fischer Automotive Suzhou Co Ltd
Georg Fischer GmbH
Original Assignee
Georg Fischer Druckguss GmbH and Co KG
Georg Fischer Automotive Suzhou Co Ltd
Georg Fischer GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Georg Fischer Druckguss GmbH and Co KG, Georg Fischer Automotive Suzhou Co Ltd, Georg Fischer GmbH filed Critical Georg Fischer Druckguss GmbH and Co KG
Priority to EP12797907.8A priority Critical patent/EP2788520A1/de
Publication of EP2788520A1 publication Critical patent/EP2788520A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • 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
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • 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
    • 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
    • C23C4/134—Plasma spraying

Definitions

  • the invention relates to a method for coating a substrate according to the preamble of the independent claim.
  • Thermal coating processes such as plasma spraying are frequently used today for coating substrates.
  • High-speed flame spraying HVOF
  • arc spraying or
  • the substrate is, for example, metallic and the coating can be metallic, ceramic or even a mixture of the two.
  • the coating comprises several individual layers, which are arranged one above the other and usually have different functionalities.
  • TBC Thermal protection layers
  • Coating material is used here usually a ceramic substance, for example a hydroxyapatite.
  • a ceramic substance for example a hydroxyapatite.
  • the layer produced by means of thermal spraying adheres as well as possible and permanently to the substrate.
  • the surface to be coated is usually subjected to a pre-treatment before the thermal spraying, which also as
  • Activation is called. This activation can be carried out, for example, by sandblasting, corundum blasting, chilled cast iron, high-pressure water jets, various laser methods or other activation methods known per se.
  • the pretreatment is usually very time consuming and also requires special substances such as corundum, sand or example
  • Hip joint prostheses can have serious consequences. But even if no corundum particles remain on the surface, the surface roughness produced by the roughening process can lead to the formation of fatigue cracks, especially in the case of high-strength substances.
  • thermal spraying suggest, in which the pretreatment or activation of the surface to be coated is very easy, with contamination of the surface to be coated should be avoided as possible.
  • the object of the invention solving this problem is characterized by the independent claim.
  • Starting material is sprayed onto a surface of the substrate in the form of a process beam, wherein first the surface of the substrate is pretreated with a plasma flame of a plasma sprayer without material application and then the surface with the
  • the plasma sprayer is operated with substantially the same parameters as it does
  • the inventive method is particularly suitable for those applications in which the substrate is metallic.
  • the starting material is preferably a metallic or a
  • ceramic material or a mixture of such materials, because it allows the desired properties of the coating can be adapted very well to the particular application.
  • metal matrix composite materials such as MMC or cermet.
  • the thermal spraying is a plasma spraying.
  • the inventive method is particularly suitable for thermal spraying in the low pressure region, which means that the spraying is carried out at a process pressure which is smaller than that
  • the invention is also especially suitable for vacuum plasma spraying (VPS) or for low-pressure plasma spraying processes such as LPPS (low pressure plasma spraying) or LPPS-TF (LPPS thin film).
  • VPS vacuum plasma spraying
  • LPPS-TF low-pressure plasma spraying
  • LPPS-TF low-pressure plasma spraying
  • Spray device for generating the process beam
  • Plasmaspritzcroft moved temporally or spatially offset relative to the surface of the substrate, such that first the plasma flame pretreated a portion of the surface and then after a predetermined period of time the same area is acted upon by the process beam.
  • This measure makes it possible to carry out the process in a particularly simple and inexpensive manner, since the pretreatment and the thermal spraying take place successively one after the other without any intermediate steps or the change from one apparatus to another being necessary.
  • the thermal spray device and the plasma spray gun for example, on a common axis or a
  • the two devices are, for example, mounted one behind the other with a predeterminable distance on the arm, so that in a linear movement of the arm first the plasma spray gun and then the thermal sprayer to the same
  • a second plasma torch is arranged so that it back to back with is the first plasma torch, so offset with respect to the circumferential direction by 180 degrees.
  • the first plasma torch for pretreatment then passes first an area and then the second plasma torch for coating the same area.
  • Such rotatable plasma torches are used, for example, for the coating of curved surfaces, such as cylinder surfaces used by internal combustion engines.
  • Plasma spraying device pretreated the surface of the substrate without material application and then generated with the same plasma spray gun, the process beam for coating. In this embodiment, therefore, only a plasma spray gun is needed, which is why this embodiment is particularly simple and economical. With the plasma sprayer, the pretreatment is then first carried out, wherein the supply of the
  • Starting material is switched off. Subsequently, the supply of the starting material is turned on and coated the previously pretreated area.
  • the distance between an outlet nozzle of the plasma spraying device and the surface of the substrate for the pretreatment and the application of the process beam is the same size.
  • Pretreatment and the application of the same area with the process jet (2) is a maximum of five minutes. It is particularly favorable if the time span between the pretreatment and the application of the same area to the process jet (2) is at most one minute.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for
  • Fig. 2 is a schematic representation of an apparatus for
  • the inventive method for coating a substrate 10 by means of thermal spraying is characterized in particular by first pretreating the surface of the substrate with a plasma flame.
  • the invention is suitable for all thermal spraying processes such as e.g. all plasma spraying processes, high-speed flame spraying HVOF), arc spraying or electric arc wire spraying.
  • thermal spraying also encompasses spraying processes in which the process gas is "cold" compared to conventional plasma spraying, for example only a few hundred Kelvin, these processes in which the particles adhere to the substrate primarily due to their kinetic energy , are commonly referred to as cold gas spraying or kinetic gas spraying.
  • thermal spraying is a plasma spraying. This can be both a
  • Plasma spraying process under normal pressure or atmospheric pressure APS: Atmospheric Plasma Spraying
  • APS Atmospheric Plasma Spraying
  • Fig. 1 shows a very schematic representation of a
  • Plasma spray device the entire by the reference numeral 1
  • FIG. 1 schematically shows a substrate 10 on which a coating in the form of a layer 11 is deposited.
  • the inventive method preferably comprises a plasma spraying, which in the generic manner in WO-A-03/087422 or in the
  • This plasma spraying method is a thermal spraying for producing a so-called LPPS (Low Pressure Plasma Spraying) thin film.
  • LPPS Low Pressure Plasma Spraying
  • the plasma spraying device 1 shown in FIG. 1 comprises as a thermal spraying device a plasma spraying device 3 known per se with a plasma torch (not shown) for generating a plasma.
  • a plasma spraying device 3 known per se with a plasma torch (not shown) for generating a plasma.
  • This may be, for example, a type F4 plasma sprayer available from Sulzer Metco AG (Switzerland).
  • a process jet 2 is generated with the plasma spraying device 3 from a starting material P, a process gas mixture G and electrical energy E.
  • the supply of these components E, G and P is symbolized in Fig. 1 by the arrows 4, 5, 6.
  • the generated process beam 2 exits through an outlet nozzle 7 and transports the starting material P in the form of the process jet 2 in the material particles 21, 22 are dispersed in a plasma. This transport is symbolized by the arrow 24.
  • the starting material P may comprise several different material particles, but of course not.
  • the material particles 21, 22 are usually powder particles.
  • the starting material is in the form of a wire.
  • the plasma spraying device 1 further comprises a second plasma spraying device 3 ', which may be of the same type but need not be like that
  • Plasma spraying device 3 This second plasma spraying device 3 'is used to generate a plasma flame 2' from a process gas mixture G 'and electrical energy E' which exits through an outlet nozzle T and to which a region B of the surface of the substrate 10 to be coated can be acted upon.
  • the supply of the components E 'and G' is symbolized in Fig. 1 by the arrows 4 'and 5'.
  • the two plasma spraying devices 3 and 3 ' are mounted on a common arm 8, so that they are fixed relative to each other at a predeterminable distance A.
  • the arm 8 may be movable, for example, by a treatment robot, not shown, as indicated by the arrow V in Fig. 1.
  • the two plasma spraying devices are mounted on the arm 8, the spray distance, that is, the distance D between the outlet nozzle 7 and the substrate 10 is the same size as the distance between the outlet nozzle 7 'of the second plasma spraying device 3' and the substrate 10, d.
  • the pretreatment takes place with the same distance between the plasma spraying device 3 'and the substrate 10 as the thermal spraying.
  • Plasma parameters for generating the plasma flame 2 ' are substantially the same as the plasma parameters for generating the process beam 2.
  • the plasma parameters are thus primarily the current for generating the plasma and the composition and flow rate of the plasma
  • the procedure is as follows.
  • the two plasma spraying devices 3, 3 ' are activated, so that the
  • Plasma spray gun 3 generates the process beam 2 and the second
  • Plasma sprayer 3 'the plasma flame 2' it may be advantageous to activate the plasma spraying device 3 for generating the process jet 2 a little later than the plasma spraying device 3 'for the pretreatment, because the latter has a certain flow.
  • the plasma spraying device 3 which generates the process jet 2 reaches the preselected region B a predetermined time later than the pretreatment by the plasma flame 2'. This period of time depends on the speed with which the two plasma spraying devices 3, 3 'are moved and on the spatial distance A of the two
  • Plasma spraying devices 3, 3 ' typically, this is the time span of up to a few tens of seconds. If the plasma sprayer 3 passes the previously pretreated area B, this is in a conventional manner with the
  • Plasma flame 2 'a very good adhesion of the layer 1 1 can be realized to the substrate 10, without the need for a prior treatment with corundum, sand, - high pressure water jets or the like is necessary.
  • adhesion strengths of at least up to 40 MPa can be achieved.
  • the inventive method is of course also suitable for multi-layer systems, for example, can first with the
  • an adhesion or adhesion-promoting layer can be applied to the substrate 10, onto which one or more other layers are subsequently sprayed.
  • the substrate 10 can be metallic or even made of a ceramic, a plastic or mixtures of these materials.
  • starting material P all materials are suitable which are used in thermal spraying processes.
  • the starting material P is generally present as a powder, which is conveyed by means of a carrier gas into the plasma flame.
  • a variant of the device shown in Fig. 1 is that the two plasma sprayers 3 and 3 'are not arranged on a common arm 8, but that they are independent
  • Moving devices can be moved independently, for example, two treatment robots can be provided, each of which moves one of the two plasma sprayers 3 and 3 '. Then it can be realized via the control of the two movement devices, that the plasma spraying device 3 for generating the process beam 2 the
  • Plasma sprayer 3 ' for generating the plasma flame 2' for the
  • Pre-treatment at a predeterminable distance follows, so that first the pretreatment of the area B takes place and then after a predetermined period of time the coating.
  • This variant has the advantage that even more complex, in particular curvilinear movements of
  • Plasma spraying devices 3, 3 ' can be performed.
  • a further variant consists in that only a plasma spraying device, for example the plasma spraying device 3 in FIG. 1, is used for carrying out the method.
  • a plasma spraying device for example the plasma spraying device 3 in FIG. 1, is used for carrying out the method.
  • the feed 6 of the starting material P is switched off so that the region B is initially charged only with the plasma flame.
  • this variant with only one plasma spraying device 3 can be carried out either by first pretreating the entire surface to be coated with the plasma flame and then by blanketing the entire surface
  • Process beam 2 is coated. But it is also possible initially only one area, z. B. pretreat a strip of the surface to be coated with the plasma flame, then coat this area with the process beam 2, then pretreat the next area and then coat and continue this in some areas until the entire surface of the substrate 10 with the layer 1 1 is provided.
  • the time interval between the plasma flame pretreatment and the thermal spraying can be several seconds to several minutes. Of course, this also depends on from the substrate to be coated. In general, it is advantageous if this time interval does not exceed five minutes and preferably one minute.
  • Cylinder surface with very good lubrication, friction and running properties can be generated.
  • Another example of application is the coating of prostheses made of titanium with hydroxyapatite. Especially here is the renunciation of a previous blasting with corundum or sand a very significant advantage.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an apparatus for
  • This is a rotatable plasma sprayer, for example, a device that has a combination of the under
  • the darg Congress in Fig. 2 plasma spray device 1 comprises only one
  • the substrate 10 is here a cylinder bore whose curved inner surface is to be provided with the layer 1 1 as a coating.
  • the plasma spraying device 3 (burner) for generating the process jet 2 or the plasma flame 2 'is provided on a burner shaft 30 of the plasma spraying device 1.
  • Plasma spray gun 3 for coating the curved inner surface of the substrate 10 is arranged rotatable about a shaft axis C.
  • the burner shaft 30 itself rotates, as indicated by the arrow U.
  • the burner shaft 30 in the direction of the shaft axis C is linearly movable, ie movable up and down as shown, so that the entire inner surface of the cylinder bore can be coated by the rotation about the shaft axis C and the up and down movement of the plasma spray gun 3.
  • the procedure is as follows. First, the plasma spray gun 3 is activated, wherein the feed 6 of the starting material P is not yet turned on, so that the plasma spray gun 3 generates a plasma flame containing no coating material. Now, by the rotation U about the shaft axis C and the illustration downwards or
  • the plasma sprayer is moved out of the cylinder bore or at the upper end according to the representation and the feed 6 of the starting material P is activated, so now the
  • Plasma spray gun 3 generates the process beam 2. With this, the layer 1 1 is then sprayed onto the substrate 10 by one or more upward and downward movement of the plasma spray gun 3 with simultaneous rotation U about the shaft axis A.
  • the maximum is 10,000 Pa and preferably at most
  • defocusing plasma is injected and partially or completely melted or at least plasticized therein.
  • the starting material may also be vaporized or converted into the vapor phase, especially in the case of the LPPS-TF process.
  • a plasma is generated with sufficiently high specific enthalpy, so that a very dense and thin layer 11 is formed on the substrate.
  • the variation of the microstructure is due to the coating conditions, in particular of process enthalpy, working pressure in the coating chamber and the process beam significantly influenced and controlled.
  • Process beam 2 Properties determined by controllable process parameters are determined by controllable process parameters.
  • a variant of this method is to provide on the burner shaft 30, a second plasma spraying device, which with respect to the
  • Circumferential direction of the burner shaft 30 is arranged offset to the plasma spray gun 3, for example, offset by 180 °, so that the two
  • Plasmaspritzetti are arranged back to back. Then, the second plasma spray gun for generating the plasma flame for
  • Burner shaft 30 then happens first the plasma jet to
  • the process beam 2 passes this pretreated area. It is advantageous in practice, when the two plasma spraying additionally offset with respect to the axial direction, ie at different heights, are arranged
  • Plasma flame specified in each case a cylinder bore was coated.
  • the coating - as the pretreatment by means of the plasma flame and the subsequent thermal spraying - is carried out in each case with a plasma sprayer type F210 of Sulzer Metco AG (Switzerland) as an atmospheric plasma spraying process, as described in
  • Plasma sprayer 3 was removed and stored in the cylinder bore, while a repetition is a complete down and up movement.
  • Example 1 The pretreatment is carried out with the following plasma parameters:
  • Example 2 The pretreatment takes place with the following plasma parameters:
  • Process gas argon 60 SLPM (standard liters per minute), hydrogen 5 SPLM, nitrogen 4 SPLM.
  • a jacket gas is used to cover the plasma flame with 16 SLPM.
  • the coating thus produced shows a very good adhesion.
  • Example 3 The pretreatment takes place with the following plasma parameters:
  • Process gas Argon 60 SLPM (standard liters per minute), Hydrogen 6 SPLM, Nitrogen 4 SPLM.
  • a jacket gas is used to cover the plasma flame with 16 SLPM.
  • a ceramic eg Al 2 O 3 / ZrO 2 in the ratio 80 to 20.
  • the coating thus produced shows a very good adhesion.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats vorgeschlagen, bei welchem mittels thermischen Spritzens ein Ausgangsmaterial (P) in Form eines Prozessstrahls (2) auf eine Oberfläche des Substrats (10) aufgespritzt wird, wobei zunächst mit einer Plasmaflamme (2') eines Plasmaspritzgeräts (3;3') die Oberfläche des Substrats (10) ohne Materialauftrag vorbehandelt wird und anschliessend die Oberfläche mit dem das Ausgangsmaterial (P) umfassenden Prozessstrahl (2) beaufschlagt wird.

Description

Sulzer Metco AG. CH-5610 Wohlen (Schweiz
Verfahren zum Beschichten eines Substrats
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
Zum Beschichten von Substraten werden heutzutage häufig thermische Spritzverfahren eingesetzt wie beispielsweise Plasmaspritzen;
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), Lichtbogenspritzen bzw.
Lichtbogendrahtspritzen.
Mit diesen Verfahren werden Schichten auf einem Substrat erzeugt, wobei das Substrat beispielsweise metallisch ist und die Beschichtung metallisch, keramisch oder auch eine Mischung aus beiden sein kann. Oft umfasst die Beschichtung mehrere einzelne Schichten, die übereinander angeordnet sind und in der Regel unterschiedliche Funktionalitäten haben.
So sind z.B. thermische Schutzschichten (TBC) bekannt,
Korrosionsschutzschichten, Erosionsschutzschichten oder auch
Gleitschichten, welche das Aneinandergleiten von Gegenlaufkörpern vereinfachen. Ein Anwendungsbeispiel ist hier das Beschichten von
Zylinderlaufflächen in Verbrennungsmotoren mit Schichten die gute Schmierund Reibeigenschaften haben, wodurch die Laufeigenschaften des Kolbens im Zylinder verbessert werden. Auch gibt es Anwendungen, bei denen mittels thermischen Spritzens eine bewusst rauhe Schicht aufgetragen wird. So werden beispielsweise Prothesen wie Hüftgelenkprothesen, die üblicherweise aus dem biokompatiblen Metall Titan gefertigt werden, anschliessend mit einer rauhen Beschichtung versehen, um ein Anwachsen des
Knochengewebes an die Prothese zu vereinfachen. Als
Beschichtungsmaterial wird hier in der Regel eine keramische Substanz, beispielsweise ein Hydroxylapatit verwendet. Bei allen Anwendungen wird es angestrebt, dass die mittels thermischen Spritzens erzeugte Schicht möglichst gut und dauerhaft an dem Substrat anhaftet. Dazu wird in aller Regel die zu beschichtende Oberfläche vor dem thermischen Spritzen einer Vorbehandlung unterzogen, die auch als
Aktivierung bezeichnet wird. Diese Aktivierung kann beispielsweise durch Sandstrahlen, Korundstrahlen, Hartgussstrahlen, Hochdruckwasserstrahlen, diverse Laserverfahren oder andere an sich bekannte Aktivierungsverfahren erfolgen.
Die Vorbehandlung ist in aller Regel sehr zeitaufwändig und bedarf zudem spezieller Substanzen wie Korund, Sand oder beispielsweise
Hochdruckwasserstrahlen. Ein zusätzliches Problem ergibt sich dadurch, dass bei vielen Aktivierungsverfahren, z.B. beim Korundstrahlen
anschliessend zusätzliche Reinigungs- oder Trocknungsschritte notwändig sind, bevor das thermische Spritzen beginnen kann. Zudem kann es trotz sorgfältiger Reinigung vorkommen, dass Sand- oder Korundpartikel an der Oberfläche verbleiben und beim anschliessenden Beschichten in der Schicht verbleiben. Solche Fremdkörper können später zu unerwünschten
Rissbildungen führen, die beispielsweise im Falle von beschichteten
Hüftgelenkprothesen schwerwiegende Folgen haben können. Aber selbst wenn keine Korundpartikel auf der Oberfläche verbleiben, kann die durch den Aufrauhprozess erzeugte Oberflächenrauhigkeit insbesondere bei hochfesten Substanzen zur Bildung von Ermüdungsrissen führen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mittels
thermischen Spritzens vorzuschlagen, bei welchem die Vorbehandlung bzw. die Aktivierung der zu beschichtenden Oberfläche sehr einfach erfolgt, wobei eine Verunreinigung der zu beschichtenden Fläche möglichst vermieden werden soll. Der diese Aufgabe lösenden Gegenstand der Erfindung ist durch den unabhängigen Patentanspruch gekennzeichnet.
Erfindungsgemäss wird also ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats vorgeschlagen, bei welchem mittels thermischen Spritzens ein
Ausgangsmaterial in Form eines Prozessstrahls auf eine Oberfläche des Substrats aufgespritzt wird, wobei zunächst mit einer Plasmaflamme eines Plasmaspritzgeräts die Oberfläche des Substrats ohne Materialauftrag vorbehandelt wird und anschliessend die Oberfläche mit dem das
Ausgangsmaterial umfassenden Prozessstrahl beaufschlagt wird. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass sich durch eine Vorbehandlung bzw. eine Aktivierung mit der Plasmaflamme eine sehr gute Haftung der anschliessend aufgebrachten Schicht erzielen lässt. Da die Plasmaflamme bei der Vorbehandlung keine Partikel oder Fremdkörper enthält, ist auch eine Verunreinigung der zu beschichtenden Oberfläche ausgeschlossen. Es entfallen somit nach der Aktivierung aufwändige Reinigungs- oder
Trocknungsschritte. Während der Vorbehandlung wird das Plasmaspritzgerät im Wesentlichen mit den gleichen Parametern betrieben, wie sie
üblicherweise für das Beschichten mittels Plasmaspritzens verwendet werden. Es wird eben nur kein Ausgangsmaterial in die Plasmaflamme eingebracht.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere auch für solche Anwendungen, bei welchem das Substrat metallisch ist.
Das Ausgangsmaterial ist vorzugsweise ein metallisches oder ein
keramisches Material oder eine Mischung aus solchen Materialien, weil sich damit die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung sehr gut auf den jeweiligen Anwendungsfall anpassen lassen. Hiermit sind insbesondere auch Metall Matrix Verbundwerkstoffe wie MMC oder Cermet gemeint.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist das thermische Spritzen ein Plasmaspritzen. Das erfindungsgemässe Verfahren ist insbesondere auch für thermisches Spritzen im Niederdruckbereich geeignet, was bedeutet, dass das Spritzen bei einem Prozessdruck durchgeführt wird, der kleiner ist als der
Atmosphärendruck. Somit eignet sich die Erfindung speziell auch für Vakuum- Plasmaspritzen (VPS: vacuum plasma spraying) oder für Niederdruck- Plasmaspritzverfahren wie LPPS (low pressure plasma spraying) oder LPPS- TF (LPPS Thin Film).
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden eine thermische
Spritzvorrichtung zur Erzeugung des Prozessstrahls und das
Plasmaspritzgerät gemeinsam zeitlich oder räumlich versetzt relativ zu der Oberfläche des Substrats bewegt, derart dass zunächst die Plasmaflamme einen Bereich der Oberfläche vorbehandelt und anschliessend nach einer vorgebbaren Zeitspanne der gleiche Bereich mit dem Prozessstrahl beaufschlagt wird. Diese Massnahme ermöglicht eine besonders einfache und wenig aufwändige Verfahrensführung, denn die Vorbehandlung und das thermische Spritzen erfolgen sukzessive nacheinander ohne dass dafür Zwischenschritte oder der Wechsel von einer Apparatur zu einer anderen notwändig wäre. Die thermische Spritzvorrichtung und das Plasmaspritzgerät können beispielsweise auf einer gemeinsamen Achse oder einem
gemeinsamen Arm montiert sein, z.B. auf dem Arm eines
Behandlungsroboters. Die beiden Vorrichtungen sind beispielsweise hintereinander mit einem vorgebbaren Abstand auf dem Arm montiert, so dass bei einer linearen Bewegung des Arms zunächst das Plasmaspritzgerät und anschliessend das thermische Spritzgerät den gleichen zu
beschichtenden Bereich der Oberfläche passieren.
Eine andere Variante ist die , dass bei einem um eine Schaftachse rotierbaren Plasmaspritzgerät, wie beispielsweise der Plasmabrenner, der unter der Bezeichnung F210 von der Sulzer Metco AG (Schweiz) erhältlich ist, ein zweiter Plasmabrenner derart angeordnet ist, dass er sich Rücken an Rücken mit dem ersten Plasmabrenner befindet, also bezüglich der Umfangsrichtung um 180 Grad versetzt dazu. Bei einer Rotation passiert dann zunächst der erste Plasmabrenner zur Vorbehandlung einen Bereich und anschliessend der zweite Plasmabrenner zum Beschichten den gleichen Bereich. Derartige rotierbaren Plasmabrenner werden beispielsweise zur Beschichtung von gekrümmten Oberflächen, wie Zylinderlaufflächen von Verbrennungsmotoren verwendet.
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird mit dem
Plasmaspritzgerät die Oberfläche des Substrats ohne Materialauftrag vorbehandelt und anschliessend mit dem gleichen Plasmaspritzgerät der Prozessstrahl für das Beschichten generiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird also nur ein Plasmaspritzgerät benötigt, weshalb diese Ausführungsform besonders einfach und wirtschaftlich ist. Mit dem Plasmaspritzgerät wird dann zunächst die Vorbehandlung durchgeführt, wobei die Zufuhr des
Ausgangsmaterials abgeschaltet ist. Anschliessend wird die Zufuhr des Ausgangsmaterials eingeschaltet und der vorgängig vorbehandelte Bereich beschichtet.
In der Praxis hat es sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die Plasmaflamme zum Vorbehandeln im Wesentlichen mit den gleichen Plasmaparametern, insbesondere dem gleiche Strom, dem gleichen Gas und der gleichen Gasflussrate erzeugt wird wie die Plasmaflamme zum Generieren des Prozessstrahls.
Unter praktischen Aspekten ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen einer Austrittsdüse des Plasmaspritzgeräts und der Oberfläche des Substrats für das Vorbehandeln und das Beaufschlagen mit dem Prozessstrahl gleich gross ist.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Zeitspanne zwischen dem
Vorbehandeln und der Beaufschlagung des gleichen Bereichs mit dem Prozessstrahl (2) höchstens fünf Minuten beträgt. Besonders günstig ist es, wenn die Zeitspanne zwischen dem Vorbehandeln und der Beaufschlagung des gleichen Bereichs mit dem Prozessstrahl (2) höchstens eine Minute beträgt.
Weitere vorteilhafte Massnahmen und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen teilweise im Schnitt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
Durchführung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Verfahrens, und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
Durchführung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Verfahrens. Das erfindungsgemässe Verfahren zum Beschichten eines Substrats 10 mittels thermischen Spritzens ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass zunächst mit einer Plasmaflamme die Oberfläche des Substrats vorbehandelt wird. Die Erfindung eignet sich für alle thermischen Spritzverfahren wie z.B. sämtliche Plasmaspritzverfahren, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen HVOF), Lichtbogenspritzen bzw. Lichtbogendrahtspritzen. Der Begriff thermisches Spritzen umfasst dabei auch solche Spritzprozesse, bei welchen das Prozessgas im Vergleich zum klassischen Plasmaspritzen„kalt" ist, beispielsweise nur einige hundert Kelvin. Diese Prozesse, bei denen die Partikel für die Beschichtung in erster Linie aufgrund ihrer kinetischen Energie am Substrat anhaften, werden üblicherweise als Kaltgassspritzen oder kinetisches Gasspritzen bezeichnet.
Im Folgenden wird mit beispielhaftem Charakter auf den für die Praxis wichtigen Anwendungsfall Bezug genommen, dass das thermische Spritzen ein Plasmaspritzen ist. Hierbei kann es sich sowohl um einen
Plasmaspritzprozess unter Normaldruck oder Atmosphärendruck handeln (APS: Atmospheric Plasma Spraying) als auch um einen Vakuum- oder Niederdruckplasmaspritzprozess wie die bereits erwähnten VPS-, LPPS- oder LPPS-TF Prozesse.
Fig. 1 zeigt in einer sehr schematischen Darstellung eine
Plasmaspritzvorrichtung, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1
bezeichnet ist, und die zur Durchführung eines erfindungsgemässen Verfahrens geeignet ist. Zudem ist in Fig. 1 schematisch ein Substrat 10 dargestellt, auf welchem eine Beschichtung in Form einer Schicht 1 1 abgeschieden wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst vorzugsweise ein Plasmaspritzen, welches gattungsgemäss in der WO-A-03/087422 oder auch in der
US-A-5,853,815 beschrieben ist. Dieses Plasmaspritzverfahren ist ein thermisches Spritzen zur Herstellung eines sogenannten LPPS-Dünnfilms (LPPS = Low Pressure Plasma Spraying).
Die in Fig. 1 dargestellte Plasmaspritzvorrichtung 1 umfasst als thermische Spritzvorrichtung ein an sich bekanntes Plasmaspritzgerät 3 mit einem nicht näher dargestellten Plasmabrenner zur Erzeugung eines Plasmas. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Plasmaspritzgerät vom Typ F4 handeln, das von der Sulzer Metco AG (Schweiz) erhältlich ist. In an sich bekannter Weise wird mit dem Plasmaspritzgerät 3 aus einem Ausgangssmaterial P, einem Prozessgasgemisch G und elektrischer Energie E ein Prozessstrahl 2 erzeugt. Die Einspeisung dieser Komponenten E, G und P ist in Fig. 1 durch die Pfeile 4, 5, 6 symbolisiert. Der erzeugte Prozessstrahl 2 tritt durch eine Austrittsdüse 7 aus und transportiert das Ausgangssmaterial P in Form des Prozessstrahls 2 in dem Material partikel 21 ,22 in einem Plasma dispergiert sind. Dieser Transport ist durch den Pfeil 24 symbolisiert. Durch die
unterschiedlichen Material partikel 21 ,22 soll angedeutet werden, dass es durchaus möglich sein kann, dass das Ausgangsmaterial P mehrere verschiedene Material partikel umfassen kann, aber natürlich nicht muss. Die Material partikel 21 , 22 sind in der Regel Pulverpartikel. Im Falle drahtbasierter Verfahren wie beispielsweise PTWA (Plasma Transferred Wire Are) liegt das Ausgangsmaterial als Draht vor.
Die Plasmaspritzvorrichtung 1 umfasst ferner ein zweites Plasmaspritzgerät 3', das vom gleichen Typ sein kann aber nicht muss wie das
Plasmaspritzgerät 3. Dieses zweite Plasmaspritzgerät 3' dient dazu, aus einem Prozessgasgemisch G' und elektrischer Energie E' eine Plasmaflamme 2' zu erzeugen, die durch eine Austrittsdüse T austritt und mit welcher ein Bereich B der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats 10 beaufschlagbar ist. Die Einspeisung der Komponenten E' und G' ist in Fig. 1 durch die Pfeile 4' und 5' symbolisiert.
Die beiden Plasmaspritzgeräte 3 und 3' sind auf einem gemeinsamen Arm 8 montiert, derart dass sie relativ zueinander in einem vorgebbaren Abstand A fixiert sind. Der Arm 8 kann beispielsweise durch einen nicht dargestellten Behandlungsroboter bewegbar sein, so wie dies der Pfeil V in Fig. 1 andeutet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die beiden Plasmaspritzgeräte so auf dem Arm 8 befestigt, das die Spritzdistanz, das heisst der Abstand D zwischen der Austrittsdüse 7 und dem Substrat 10 gleich gross ist wie der Abstand zwischen der Austrittsdüse 7' des zweiten Plasmaspritzgeräts 3' und dem Substrat 10, d. h. die Vorbehandlung erfolgt mit dem gleichen Abstand zwischen dem Plasmaspritzgerät 3' und dem Substrat 10 wie das thermische Spritzen. Je nach Anwendung kann es natürlich auch günstiger sein, für die Vorbehandlung und für das thermische Spritzen unterschiedliche Abstände zwischen dem jeweiligen Plasmaspritzgerät und der zu beschichtenden Oberfläche zu wählen.
In den meisten Anwendungsfällen ist es auch günstig, wenn die
Plasmaparameter zur Erzeugung der Plasmaflamme 2' im Wesentlichen die gleichen sind, wie die Plasmaparameter zur Erzeugung des Prozessstrahls 2. Mit den Plasmaparametern sind damit in erster Linie der Strom zum Erzeugen des Plasmas sowie die Zusammensetzung und die Flussrate des
Prozessgases G bzw. G' gemeint.
Zum Beschichten des Substrats 10 wird nun wie folgt vorgegangen. Die beiden Plasmaspritzgeräte 3, 3' werden aktiviert, sodass das
Plasmaspritzgerät 3 den Prozessstrahl 2 erzeugt und das zweite
Plasmaspritzgerät 3' die Plasmaflamme 2'. Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, das Plasmaspritzgerät 3 zur Erzeugung des Prozessstrahls 2 etwas später zu aktivieren als das Plasmaspritzgerät 3' für die Vorbehandlung, weil letzteres ja einen gewissen Vorlauf hat. Nun werden die beiden
Plasmaspritzgeräte 3 und 3' im Abstand D an der zu beschichtenden
Oberfläche des Substrats 10 vorbeibewegt, so wie dies der Pfeil V in Fig. 1 andeutet. Mittels der Plasmaflamme 2' des Plasmaspritzgeräts 3' wird nun die Oberfläche des Substrats 10 im Bereich B vorbehandelt. Dabei erfolgt kein Materialauftrag sondern lediglich die Beaufschlagung mit der Plasmaflamme 2'. Durch die gemeinsame Bewegung der beiden Plasmaspritzgeräte 3 und 3' erreicht das Plasmaspritzgerät 3, welches den Prozessstrahl 2 erzeugt, den soeben vorbehandelten Bereich B eine vorgebbare Zeitspanne später als die Vorbehandlung durch die Plasmaflamme 2' erfolgte. Diese Zeitspanne hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die beiden Plasmaspritzgeräte 3, 3' bewegt werden und vom räumlichen Abstand A der beiden
Plasmaspritzgeräte 3, 3'. Typischerweise liegt hier die Zeitspanne im Bereich von bis zu ein paar zehn Sekunden. Wenn das Plasmaspritzgerät 3 den vorgängig vorbehandelten Bereich B passiert, wird dieser in an sich bekannter Weise mit dem das
Ausgangsmaterial P enthaltenden Prozessstrahl 2 beaufschlagt, wodurch die Schicht 1 1 auf dem Substrat 10 generiert wird.
Es hat sich gezeigt, dass durch diese Vorbehandlung mittels der
Plasmaflamme 2' eine sehr gute Anhaftung der Schicht 1 1 an den Substrat 10 realisiert werden kann, ohne dass dafür eine vorgängige Behandlung mit Korund-, Sand,- Hochdruckwasserstrahlen oder ähnliches notwändig ist. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich Haftfestigkeiten von mindestens bis zu 40 MPa erzielen. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich selbstverständlich auch für Mehrschichtsysteme, beispielsweise kann zunächst mit dem
erfindungsgemässen Verfahren eine Haft- oder Haftvermittlungsschicht auf das Substrat 10 aufgebracht werden, auf die anschliessend eine oder mehrere andere Schichten aufgespritzt werden. Das Substrat 10 kann ein metallisches sein oder auch aus einer Keramik, einem Kunststoff oder Mischungen dieser Materialien bestehen.
Als Ausgangsmaterial P sind alle Materialien geeignet, die in thermischen Spritzprozessen verwendet werden. Im Falle von Plasmaspritzen als thermischem Spritzverfahren liegt das Ausgangsmaterial P in aller Regel als Pulver vor, welches mittels eines Trägergases in die Plasmaflamme gefördert wird. Eine Variante der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung besteht darin, dass die beiden Plasmaspritzgeräte 3 und 3' nicht auf einem gemeinsamen Arm 8 angeordnet sind, sondern dass sie von unabhängigen
Bewegungsvorrichtungen unabhängig voneinander bewegt werden können, beispielsweise können zwei Behandlungsroboter vorgesehen sein, von denen jeder eine der beiden Plasmaspritzgeräte 3 bzw. 3' bewegt. Dann kann über die Ansteuerung der beiden Bewegungsvorrichtungen realisiert werden, dass das Plasmaspritzgerät 3 zur Erzeugung des Prozessstrahls 2 dem
Plasmaspritzgerät 3' zur Erzeugung der Plasmaflamme 2' für die
Vorbehandlung in einem vorgebbaren Abstand folgt, sodass zunächst die Vorbehandlung des Bereichs B erfolgt und dann nach einer vorgebbaren Zeitspanne die Beschichtung. Diese Variante hat den Vorteil, dass auch komplexere, insbesondere auch krummlinige Bewegungen der
Plasmaspritzgeräte 3, 3' durchgeführt werden können. Eine weitere Variante besteht darin, dass nur ein Plasmaspritzgerät, beispielsweise das Plasmaspritzgerät 3 in Fig. 1 für die Durchführung des Verfahrens verwendet wird. Dazu wird für die Vorbehandlung eines Bereichs B die Einspeisung 6 des Ausgangsmaterials P abgeschaltet, sodass der Bereich B zunächst nur mit der Plasmaflamme beaufschlagt wird.
Anschliessend wird die Einspeisung 6 des Ausgangsmaterials 6 aktiviert und der soeben vorbehandelte Bereich wird mit dem Prozessstrahl 2 beschichtet. Diese Variante mit nur einem Plasmaspritzgerät 3 kann je nach Grösse des zu beschichtenden Substrats 10 entweder so durchgeführt werden, dass zunächst die gesamte zu beschichtende Oberfläche mit der Plasmaflamme vorbehandelt wird und anschliessend die gesamte Oberfläche mit dem
Prozessstrahl 2 beschichtet wird. Es ist aber auch möglich zunächst nur einen Bereich, z. B. einen Streifen der zu beschichtenden Oberfläche mit der Plasmaflamme vorzubehandeln, diesen Bereich dann mit dem Prozessstrahl 2 zu beschichten, anschliessend den nächsten Bereich vorzubehandeln und dann zu beschichten und dies bereichsweise so lange fortsetzen bis die gesammte Oberfläche des Substrats 10 mit der Schicht 1 1 versehen ist.
In der Praxis hat es sich gezeigt, dass der zeitliche Abstand zwischen der Vorbehandlung mit der Plasmaflamme und dem thermischen Spritzen einige Sekunden bis zu einige Minuten betragen kann. Dies hängt natürlich auch von dem zu beschichtenden Substrat ab. In der Regel ist es vorteilhaft wenn dieser zeitliche Abstand fünf Minuten und vorzugsweise eine Minute nicht übersteigt.
Als konkretes Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemässe Verfahren seien hier das Beschichten von Aluminium oder Grauguss in den Bohrungen von Zylindern einer Brennkraftmaschine genannt, wodurch eine
Zylinderlauffläche mit sehr guten Schmier-, Reib- und Laufeigenschaften generierbar ist.
Ein anderes Anwendungsbeispiel ist das Beschichten von Prothesen, die aus Titan hergestellt sind, mit Hydroxylapatit. Gerade hier ist der Verzicht auf ein vorgängiges Strahlen mit Korund oder Sand ein ganz wesentlicher Vorteil.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur
Durchführung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Verfahrens. Hierbei handelt es sich um ein rotierbares Plasmaspritzgerät, beispielsweise ein Vorrichtung, die eine Kombination des unter der
Bezeichnung F 210 von der Sulzer Metco AG (Schweiz) vertriebenen
Plasmabrenners mit der von der gleichen Firma vertiebenen RotaPlasma- Einheit ist.
Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zu dem anhand von Fig. 1 erläutertem Ausführungsbeispiel näher eingegangen. Ansonsten gelten die im Zusammenhang bzw. mit Bezugnahme auf Fig. 1 gemachten Erklärungen in sinngemäss gleicher weise auch für das anhand von Fig. 2 erläuterte
Ausführungsbeispiel. Insbesondere haben die Bezugszeichen die gleiche Bedeutung. Die in Fig. 2 dargstellte Plasmaspritzvorrichtung 1 umfasst nur ein
Plasmaspritzgerät 3. Das Substrat 10 ist hier eine Zylinderbohrung deren gekrümmte innere Oberfläche mit der Schicht 1 1 als Beschichtung versehen werden soll. In an sich bekannter Weise ist an einem Brennerschaft 30 der Plasmaspritzvorrichtung 1 das Plasmaspritzgerät 3 (Brenner) zur Erzeugung des Prozessstrahls 2 bzw. der Plasmaflamme 2' vorgesehen. Das
Plasmaspritzgerät 3 zur Beschichtung der gekrümmten inneren Oberfläche des Substrats 10 ist um eine Schaftachse C rotierbar angeordnet. Im Beispiel der Fig. 2 rotiert dabei der Brennerschaft 30 selbst, wie dies der Pfeil U andeutet. Zudem ist der Brennerschaft 30 in Richtung der Schaftachse C linear bewegbar, also darstellungsgemäss auf- und abbewegbar, sodass die gesammte innere Oberfläche der Zylinderbohrung durch die Rotation um die Schaftachse C und das Auf- und Abbewegen des Plasmaspritzgeräts 3 beschichtet werden kann.
Zur Durchführung dieses Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Verfahrens wird wie folgt vorgegangen. Zunächst wird das Plasmaspritzgerät 3 aktiviert, wobei die Einspeisung 6 des Ausgangsmaterials P noch nicht eingeschaltet wird, sodass das Plasmaspritzgerät 3 eine Plasmaflamme generiert die kein Beschichtungsmaterial enthält. Nun wird durch die Rotation U um die Schaftachse C und das darstellungsgemässe Abwärts- bzw.
Aufwärtsbewegen des Plasmaspritzgeräts 3 die gesamte innere Oberfläche der als Substrat 10 dienenden Zylinderbohrung mit der Plasmaflamme vorbehandelt. Dabei kann die Auf- und Abbewegung des Plasmaspritzgeräts 3 in der Zylinderbohrung mehrmals, beispielsweise dreimal erfolgen.
Anschliessend wird das Plasmaspritzgerät aus der Zylinderbohrung herausgefahren bzw. an deren darstellungsgemäss oberes Ende und die Einspeisung 6 des Ausgangsmaterials P wird aktiviert, sodass nun das
Plasmaspritzgerät 3 den Prozessstrahl 2 generiert. Mit diesem wird nun durch ein- oder mehrmaliges Auf- und Abwärtsbewegen des Plasmaspritzgeräts 3 bei gleichzeitiger Rotation U um die Schaftachse A die Schicht 1 1 auf das Substrat 10 aufgespritzt. Bei dem hier beschriebenen LPPS-TF-Prozess wird bei einem niedrigen Prozessdruck, der höchstens 10 000 Pa und vorzugsweise höchstens
1000 Pa ist, das Ausgangsmaterial P in ein den Materialstrahl
defokussierendes Plasma injiziert und darin teilweise oder vollständig geschmolzen oder zumindest plastisch gemacht. Speziell beim LPPS-TF- Prozess kann dabei je nach Prozessführung mindestens auch ein Teil des Ausgangsmaterials verdampft bzw. in die Dampfphase übergeführt werden. Dazu wird ein Plasma mit ausreichend hoher spezifischer Enthalpie erzeugt, so dass eine sehr dichte und dünne Schicht 1 1 auf dem Substrat entsteht. Die Variation der Gefüge ist durch die Beschichtungsbedingungen, insbesondere von Prozess-Enthalpie, Arbeitsdruck in der Beschichtungskammer sowie den Prozessstrahl wesentlich beeinflusst und steuerbar. Somit hat der
Prozessstrahl 2 Eigenschaften, die durch steuerbare Prozessparameter bestimmt werden. Eine Variante dieses Verfahrens besteht darin, an dem Brennerschaft 30 ein zweites Plasmaspritzgerät vorzusehen, welches bezüglich der
Umfangsrichtung des Brennerschafts 30 versetzt zu dem Plasmaspritzgerät 3 angeordnet ist, beispielsweise um 180° versetzt, sodass die beiden
Plasmaspritzgeräte Rücken an Rücken angeordnet sind. Dann wird das zweite Plasmaspritzgerät zur Erzeugung der Plasmaflamme für die
Vorbehandlung genutzt und das andere Plasmaspritzgerät zur Erzeugung des Prozessstrahls zwei, in sinngemäss gleicher Weise wir das im
Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wurde. Bei einer Rotation U des
Brennerschafts 30 passiert dann zunächst der Plasmastrahl zur
Vorbehandlung einen Bereich und eine halbe Umdrehung später passiert der Prozessstrahl 2 diesen vorbehandelten Bereich. Dabei ist es in der Praxis vorteilhaft, wenn die beiden Plasmaspritzgerät zusätzlich bezüglich der axialen Richtung versetzt, also auf unterschiedlichen Höhen, angeordnet sind
Im folgenden werden noch Beispiele für die Vorbehandlung mittels
Plasmaflamme angegeben, bei denen jeweils eine Zylinderbohrung beschichtet wurde. Die Beschichtung -also das Vorbehandeln mittels der Plasmaflamme und das anschliessende thermische Spritzen- wird jeweils mit einem Plasmaspritzgerät vom Typ F210 der Sulzer Metco AG (Schweiz) als atmosphärischer Plasmaspritzprozess durchgeführt, so wie es im
Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert wurde.
Die Anzahl der Wiederholungen gibt dabei jeweils an, wie oft das
Plasmaspritzgerät 3 in der Zylinderbohrung ab- und aufbewegt wurde, dabei ist eine Wiederholung eine komplette Ab- und Aufbewegung.
Beispiel 1 : Die Vorbehandlung erfolgt mit den folgenden Plasmaparametern:
Strom: 400 A Prozessgas: Argon 60 SLPM (Standardliter pro Minute), Wasserstoff 5 SPLM, Stickstoff 4 SPLM.
Abstand D zwischen dem Plasmaspritzgerät 3 und der zu beschichtenden Oberfläche: 30 mm
Anzahl Wiederholungen: 3
Anschliessend wird in an sich bekannter Weise zunächst eine Haftschicht aus der nickelbasierten Legierung Diamalloy 4008NS der Sulzer Metco AG
(Schweiz) aus einem Abstand D von 30 mm aufgespritzt und darauf als Deckschicht aus einem Abstand von 45 mm eine Schicht aus einem niedrig legierten Stahl, zu welchem 30 Gew.% Molybdän zugemischt sind. Dabei liegen der Stahl und das Molybdän im Ausgangsmaterial als Pulvermischung, nicht als Legierung vor . Die so erzeugte Beschichtung zeigt eine sehr gute Anhaftung.
Beispiel 2: Die Vorbehandlung erfolgt mit den folgenden Plasmaparametern:
Strom: 410 A
Prozessgas: Argon 60 SLPM (Standardliter pro Minute), Wasserstoff 5 SPLM, Stickstoff 4 SPLM.
Zusätzlich wird ein Mantelgas zur Ummantelung der Plasmaflamme mit 16 SLPM verwendet.
Abstand D zwischen dem Plasmaspritzgerät 3 und der zu beschichtenden Oberfläche: 45 mm
Anzahl Wiederholungen: 3
Bei dieserm Beispiel wird keine Haftschicht aufgebracht, sondern auf die mit der Plasmaflamme vorbehandelte Oberfläche wird anschliessend direkt in an sich bekannter Weise als Deckschicht aus einem Abstand von 45 mm eine Schicht aus dem Material F4301 der Sulzer Metco AG (Schweiz) aufgespritzt.
Die so erzeugte Beschichtung zeigt eine sehr gute Anhaftung.
Beispiel 3 Die Vorbehandlung erfolgt mit den folgenden Plasmaparametern:
Strom: 550 A
Prozessgas: Argon 60 SLPM (Standardliter pro Minute), Wasserstoff 6 SPLM, Stickstoff 4 SPLM.
Zusätzlich wird ein Mantelgas zur Ummantelung der Plasmaflamme mit 16 SLPM verwendet.
Abstand D zwischen dem Plasmaspritzgerät 3 und der zu beschichtenden Oberfläche: 45 mm
Anzahl Wiederholungen: 3 Bei dieserm Beispiel wird keine Haftschicht aufgebracht, sondern auf die mit der Plasmaflamme vorbehandelte Oberfläche wird anschliessend direkt in an sich bekannter Weise als Deckschicht aus einem Abstand von 45 mm eine Schicht aus dem Material F2071 der Sulzer Metco AG (Schweiz) aufgespritzt. Bei diesem Material handelt es sich um einen Metall Matrix Verbundwerkstoff, ein Gemisch aus 65 Gew.% eines korrosionsbeständigen Stahls und
35 Gew.% einer Keramik, z.B. AI2O3/ZrO2 im Verhältnis 80 zu 20.
Die so erzeugte Beschichtung zeigt eine sehr gute Anhaftung.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Beschichten eines Substrats, bei welchem mittels thermischen Spritzens ein Ausgangsmaterial (P) in Form eines
Prozessstrahls (2) auf eine Oberfläche des Substrats (10) aufgespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst mit einer Plasmaflamme (2') eines Plasmaspritzgeräts (3;3') die Oberfläche des Substrats (10) ohne Materialauftrag vorbehandelt wird und anschliessend die
Oberfläche mit dem das Ausgangsmaterial (P) umfassenden
Prozessstrahl (2) beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , bei welchem das Substrat (10) metallisch ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Ausgangsmaterial (P) ein metallisches oder ein keramisches Material ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das thermische Spritzen ein Plasmaspritzen ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches bei einem Prozessdruck durchgeführt wird, der kleiner ist als der
Atmosphärendruck.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem eine thermische Spritzvorrichtung (3) zur Erzeugung des
Prozessstrahls (2) und das Plasmaspritzgerät (3') gemeinsam zeitlich oder räumlich versetzt relativ zu der Oberfläche des Substrats (10) bewegt werden, derart das zunächst die Plasmaflamme (2') einen Bereich (B) der Oberfläche vorbehandelt und anschliessend nach einer vorgebbaren Zeitspanne der gleiche Bereich (B) mit dem Prozessstrahl (2) beaufschlagt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem mit dem Plasmaspritzgerät (3) die Oberfläche des Substrats (10) ohne Materialauftrag vorbehandelt wird und anschliessend mit dem gleichen Plasmaspritzgerät (3) der Prozessstrahl (2) für das Beschichten generiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Plasmaflamme (2') zum Vorbehandeln im wesentlichen mit den gleichen Plasmaparametern, insbesondere dem gleiche Strom, dem gleiche Gas und der gleichen Gasflussrate erzeugt wird wie die Plasmaflamme zum Generieren des Prozessstrahls (2).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei welchem der
Abstand (D) zwischen einer Austrittsdüse (7, 7') des
Plasmaspritzgeräts (3, 3') und der Oberfläche des Substrats (10) für das Vorbehandeln und das Beaufschlagen mit dem Prozessstrahl (2) gleich gross ist.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Zeitspanne zwischen dem Vorbehandeln und der Beaufschlagung des gleichen Bereichs (B) mit dem Prozessstrahl (2) höchstens fünf Minuten beträgt. 1 1 . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Zeitspanne zwischen dem Vorbehandeln und der Beaufschlagung des gleichen Bereichs (B) mit dem Prozessstrahl (2) höchstens eine Minute beträgt.
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