NO148113B - Fremgangsmaate og apparat for plasma-sproeyting av metaller - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte og apparat for plasma-sprøyting av metaller.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte

ved plasma-sprøyting av metallpulver, innbefattet generering av et plasma, innføring av et beleggingspulver i en plasma-strøm i en dyse og tilførsel av pulveret til en flate som skal belegges samt oppbygging av et belegg på flaten til ønsket tykkelse.

Oppfinnelsen vedrører også et apparat for plasma-sprøyting av metallpulver til utførelse av fremgangsmåten, utstyrt med en plasma-generator og en dyse for en plasma-strøm, idet dysen har åpninger for innføring av pulver i plasma-strømmen i dysen.

For tiden benyttes det tre teknikker for termisk sprøy-ting, nemlig flamme-, plasma- og detonasjonsprøyting. Alle disse er basert på dannelse av en varm gasstrøm som anvendes for å oppvarme og drive fremover et findelt beleggsmateriale til en overflate som skal belegges.

Ved flammesprøyting danner forbrenningen av en gassblan-ding, såsom oksygen og acetylen, den nødvendige varme. Plasma-sprøyting er ikke avhengig av en forbrenning. Istedenfor magne-tiseres en inertgass, vanligvis argon, noe som resulterer i et høytemperaturplasma. Ved detonasjonsprøyting foregår det en kontrollert eksplosjon av gasser, såsom en blanding av oksygen, acetylen og nitrogen, inne i en detonasjonskanon, og pulverne drives bort fra denne på en sjokkbølge.

Flammetemperaturene i flammekannen er selvfølgelig bestemt av de temperaturer som kan oppnås ved forbrenningen. Ved detona-sjonsprøyting er temperaturer på ca. 3350°C og gassutstrømnings-hastigheter i størrelsesorden 750 m/sek. typisk. Men plasma-gasstemperaturer er ytterst høye idet de når opp til ca. 11.000°C,-og det kan oppnås meget høye gasshastigheter.

På grunn av de betydelige forskjeller i de ulike prosess-parametre, særlig temperatur og gasshastighet, vil det kunne iakttas betydelige forskjeller i de avsatte belegg avhengig av den prosess som er benyttet til tross for at det sprøytes med pulvere av samme sammensetning. De høyere temperaturer i plasma-sprøyten resulterer, i noen beleggsystemer, i et avsatt belegg som har en annen fasestruktur enn et belegg som er dannet med detonasjonskanonen. Denne forskjell i fasestruktur resulterer i en forskjell i beleggets fysikalske egenskaper. Forskjel-len er i mange tilfeller stor nok til å være avgjørende for om belegget er akseptabelt eller uakseptabelt for det aktuelle formål.

Et beleggmateriale som er egnet til avsetting ved sprøy-ting, vanligvis ved plasma- eller detonasjonsprøyting, er et nikkelaluminiummateriale. Dette anvendes for å frembringe ero-sjons- og rivebestandighet hos visse titanlegeringer i gasstur-binmotordeler. Erfaring har vist at mange belegg som er avsatt ved konvensjonell plasma-sprøyting har god tetthet, men har høye spenninger, og er derfor tilbøyelig til å sprekke og skalle av, særlig under forhold med termiske sjokk. De belegg som dannes ved detonasjonsprøyting med lavere dannelsestemperatur er mer tilfredsstillende når det gjelder sprekking og avskalling, men er ikke optimale, særlig når det gjelder krav til maskering og økonomi.

Med eksisterende prosesser og apparater er det mulig,

i det minste i svært mange tilfeller, å frembringe sprøytebelegg som har ikke bare den forlangte sammensetning og metallurgiske struktur, men også ønsket heft og tetthet. Det er også ønskelig å minimalisere noen av produksjonsproblemene som følger med konvensjonell sprøyting. F.eks. utføres detonasjonsprøyting av sikkerhetsgrunner med operatøren på et annet sted enn der hvor beleggingen foregår, noe som krever nøyaktig forhåndsan-bringelse av delen som skal belegges og/eller fjernkontroll. Konvensjonell plasma-sprøyting krever nøyaktig overflatepre-parering og maskering og kan gi en viss fare for overheting av underlaget.

Ifølge britiske patentskrifter 972.183, 1.125.806 og 1.320.809 utføres det kjøling av deler av apparatene eller sprøytene. Men det utføres ingen kjøling av selve plasmaet før innføring av pulveret, som påføres i smeltet tilstand. Høy plasma-temperatur medfører de ovenfor anførte problemer med det ferdige belegg.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved

at plasmaet - som føres med høy hastighet gjennom en langstrakt dyse - avkjøles i den langstrakte dyse, idet det dannes en plasma-strøm med noe lavere temperatur enn plasma-strømmen har idet den genereres,

det kjølte plasma akselereres deretter og beleggpulver innføres i den avkjølte plasma-strøm i den langstrakte dyse, hvori det sikres tilstrekkelig oppholdstid i den kjølte plasma-strøm til å plastifisere pulveret og tilføre dette høy hastighet,

hvoretter pulveret i plastifisert tilstand rettes an mot

flaten som skal belegges.

Apparatet ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved

en plasma-kjøleanordning, som er anbrakt nedstrøms for

en plasma-genererende innretning, for å frembringe en kjølt plasma-strøm,

en plasma-akselerator for akselerering av den kjølte

plasma-strøm inne i apparatet, og

én eller flere porter for innføring av metallpulver, som skal tilføres til plasma-strømmen, anbrakt i et område av apparatet hvori plasma-strømmen er kjølt av nevnte plasma-kjøleanord-ning.

Ifølge oppfinnelsen avkjøles altså plasmaet før innføring av pulveret. Dette blir derved påført i plastisk tilstand. Men for å oppnå tilfredsstillende densitet og adhesjon må det av-kjølte plasma akselereres, noe som oppnås ved fremgangsmåten og med apparatet ifølge oppfinnelsen, som derved gjør det mulig å redusere de problemer man tidligere hadde på dette området og som er anført ovenfor.

Det er altså mulig å danne en optimal beleggstruktur,

i forskjellige beleggsystemer, med utmerket heft og tetthet. Denne fordel oppnås sogar ved samtidig forbedring i prosess-økonomi og -sikkerhet. I bruk anvendes helium som plasmagass.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i det etterfølgende under henvisning til den medfølgende tegning som viser et snitt gjennom plasma-sprøyteapparatet ifølge oppfinnelsen.

En langstrakt dyse 2 er innrettet til å passe om en dyse

4 på en standard plasma-sprøyte 6, såsom plasma-sprøyte "METCO 3MB". Dysen 2 omfatter en rørformet del 8 som er utstyrt med ribber, og en kanal 10. Denne del er fremstilt av et materiale med høy varmeledningsevne, såsom kobber,, og er omgitt av en

vannkappe 14 av stål med et innløp 16 og et utløp 18 for kjøle-vann. Kjølefluidet som passerer gjennom et vannkammer 19 avkjøler delen 8 med ribbene og hindrer smelting eller annen varmeskade som skyldes varmt plasma som strømmer gjennom kanalen 10 når apparatet er i bruk. Når det strømmer gjennom kanalen i delen utstyrt med ribber blir plasmaet selv avkjølt betydelig. For å opprettholde høy gasshastighet er i dette apparat kanalen 10 utformet for aerodynamisk effektivitet ved å anordne et innløpsparti 20, et dyseparti 22 og et utløpsparti 24. Den viste enhet har en lengde på 16 cm, med et innløpsparti på 4 x 0,545 cm, et dyseparti med en lengde på ca. 0,63 cm som har en munningsdiameter på 0,35 cm, samt et utløpsparti som har en diameter på 0,38 cm.

Typisk er det ønskelig å bringe pulverne frem til flaten som skal belegges, ikke bare med høy hastighet og oppvarmet,

men i plastisk istedenfor smeltet tilstand. Når plasmaet strøm-mer gjennom kanalen avkjøles det, og følgelig vil innføring av pulverne på et sted lenger fremme i kanalen generelt resultere i mindre oppvarming av pulverne idet temperaturen er lavere enn temperaturen lenger bak i kanalen. Følgelig er dysen fremstilt med tilstrekkelig lengde til at plasma-temperaturen senkes betydelig. Med "langstrakt" menes det derfor tilstrekkelig lengde til å frembringe betydelig avkjøling av plasmaet. Av det som er anført ovenfor fremgår det at ifølge den foreliggende oppfinnelse utsettes pulverne for en syklus med lav temperatur og lang tid i motsetning til syklus med høy temperatur og kort tid ved konvensjonell plasma-sprøyting.

Den langstrakte dyse 2 er utstyrt med innløpskanal(er)

40, 42 for innføring av pulver i plasma-gasstrømmen. Plasseringen av disse pulverinnløpskanaler vil være avhengig av pulverne som skal sprøytes og de spesielle prosessparametre og apparatet som anvendes. Men generelt velges plasseringen slik at det oppnås riktig oppvarming av pulverne.

Ved sprøyting av nikkel-aluminium i det beskrevne apparat tilføres pulverne i en inert bærergass gjennom innløpskanalene 42 som har diameter på 0,16 cm og befinner seg ca. 9 cm fra den langstrakte dyses innløp, dvs. like ved dysepartiet 22.

Det kan anvendes én eller flere kanaler for tilførselen

av pulver med forskjellig- sammensetning når slike pulver skal sprøytes samtidig eller etter hverandre, eller for tilførsel

av pulver med samme sammensetning hvor prosessparametrene skal forandres. Dannelsen av graderte belegg ved gradvis innkopling av én sammensetning mens en annen koples ut slik at en plan grenseflate mellom sammensetningen unngås, kan lettvint oppnås.

Som anført ovenfor kan pulvertemperaturen reguleres lettvint i et gitt system ved nøye valg av det sted pulverne inn-føres i de varme gasstrømmer langs kanalen. Apparatet kan også lettvint tilpasses andre anordninger for pulvertemperaturregu-lering. F.eks. kan innløpskanalen 40 eller en annen åpning anvendes for innføring av en temperaturregulerende gass i plasma-strømmen. Denne temperaturregulerende gass kan være en kald gasstrøm med samme sammensetning som plasma-gassen, eller den kan være en gass som forandrer varmeoverføringsegenskapene eller en annen egenskap hos plasmaet.

Som vist omfatter den langstrakte dyse 2 et apparat som

er atskilt fra selveplasmapistolen. Denne spesielle konstruk-sjon ble valgt av praktiske grunner for å muliggjøre anvendelse av den foreliggende oppfinnelse sammen med eksisterende plasma-utstyr. Det er selvfølgelig ingen grunn til at den langstrakte dyse ikke skal kunne være utformet i ett stykke med selve plasma-sprøyten. Selv om også delen 8 som er utstyrt med ribber også

er vist utformet i ett stykke, kan ulike deler av den med fordel være utformet som separate deler for å muliggjøre tilpassing av enheten til alternative beleggingsoperasjoner eller -utstyr, eller også for å muliggjøre reparasjon eller utskifting av deler når de er blitt slitt ved bruk.

For optimal .faseoppbygning i det påførte belegg er det vanligvis fordelaktig å sørge for at pulverpartiklene treffer flaten som skal belegges i plastisk tilstand, men med en så

lav temperatur som mulig. Men jo kaldere partiklene er, desto større må treffhastigheten være for å frembringe maksimal tetthet og heft. Det kan således oppnås en betydelig fordel med å sørge for muligheten til å bevirke høy beleggpartikkelhastighet.

Partikkelhastighetene begrenses automatisk av gasshastig-heten i det spesielle system som anvendes. Ved detonasjonsprøy-ting er partiklene typisk begrenset til sjokkbølgehastigheter i størrelsesorden 750 m pr. sek. Plasma-sprøyter, hvor det etter anbefaling av produsentene anvendes argon, kan nå gasshastigheter på opp til 1200 m/sek. Ifølge den foretrukne utførelses-form av oppfinnelsen er det mulig med gasshastigheter på opp til 3600 m/sek. eller høyere.

I motsetning til vanlig praksis innen industrien foretrekkes ifølge den foreliggende oppfinnelse helium som plasmagass. Selv om det er kjent at helium eventuelt kan anvendes ved plasma-sprøyting, har dens lave vekt og dårlige varmeover-føringsegenskaper resultert i at industrien har unnlatt å an-vende den i konvensjonelt plasma-sprøyteutstyr. Ifølge den foreliggende oppfinnelse er bruken av den ikke bare mulig, men sogar fordelaktig.

I konvensjonelt utstyr spres gassene som strømmer ut fra plasma-sprøyten hurtig. Pulver som innføres til en slik gasstrøm forblir der bare i et meget kort tidsrom. I løpet av den korte oppholdstid ville bruken av helium, med dens dårlige varmeover-føringsegenskaper, istedenfor argon, øke vanskelighetene med å tilføre tilstrekkelig varme til pulverne. Den korte oppholdstid og det forhold at gassen spres hurtig øker også problemet med å overføre hastighetskomponenten til pulverne.

Bruk av helium, som foretrekkes ifølge oppfinnelsen, bevirker regulert oppvarming og mulighet for høy hastighet. I tillegg oppnås det.andre fordeler. I enhver beleggingsprosess er det vesentlig å ta i betraktning ikke bare beleggbestand-delenes og prosessparametrenes innvirkning på belegget, men også deres virkning på underlaget som skal belegges. Ofte er underlagets beskaffenhet slik at visse temperaturer i underlaget ikke må overskrides. Heliums relativt dårlige varmeoverførings-•egenskaper sammenliknet med argon, f.eks., resulterer automatisk i minsket varmeoverføring til underlaget.

Ved konvensjonell plasma-sprøyting resulterer spredningen av de oppvarmete gasser i at et forholdsvis stort område av underlaget opptar varme, særlig områder hvor det ikke-er ønskelig med oppvarming og som kan være maskert. Ifølge den foreliggende oppfinnelse fokuseres strømmen i mye høyere grad. Min-.dre områder av underlaget utsettes derfor til ethvert tidspunkt for de varme gasser, og som følge av større varmeinntrengning forblir underlagene kaldere. Som en ytterligere fordel har det vist seg at som følge av bedre avsettingsområderegulering senkes behovet for og omfanget av maskering. Variasjoner i beleggstruktur og -tykkelse reguleres bedre, og det er mindre pulver-avfall, noe som bevirker bedre økonomi.

Belegging kan også utføres på en annen måte ifølge den foreliggende oppfinnelse. Ved bruk av en detonasjonsprøyte ut-føres operasjonene vanligvis med operatøren på et annet sted enn der hvor beleggingen foregår av sikkerhetsgrunner. Med kon-vensjonelle plasma-sprøyter har den utstrømmende gass så høy temperatur at det lett kan oppstå øyeskader som følge av ultra-fiolett stråling, og egnet øyebeskyttelse er nødvendig. Ifølge den foreliggende oppfinnelse er temperaturen til den utstrøm-mende gass senket, og muligheten for øyeskade er minsket, selv om hensiktsmessige sikkerhetsforanstaltninger selvfølgelig bør iakttas i alle fall.

I en konvensjonell prosess forbehandles en del som skal belegges typisk ved først å maskere slik at bare områdene som skal belegges blir blottlagt, deretter sandblåsing og deretter rengjøring for å fjerne partikler fra sandblåsingen, og til slutt maskering på nytt. Ifølge den foreliggende oppfinnelse elimineres i mange tilfeller behovet for mange av disse kon-vensjonelle trinn. Idet fokuseringen er særlig god er graden av maskering meget mindre. Idet partikkelhastighetene er meget høye, har det dessuten vist seg å være mulig å eliminere sandblåsingen og maskeringen og rengjøringen som er forbundet med denne. En enkel overflateavtørking med et fluorhydrokarbon-vaskemiddel ("Freon") har vist seg å være tilstrekkelig.

Eksempel

Prosess-parametre:

Avsetting:

Med plasma-sprøyten, som hadde en tilhørende langstrakt

dyse, og som ble holdt i hånden, ble det på den ene side av den flate skive påført et 0,20-0,25 mm tykt belegg som var be-

standig mot erosjon og riving.

Resultater:

Det ble oppnådd en beleggtetthet på godt over 99% av den teoretiske tetthet. Dette er over det som er oppnåelig ved en-

hver tradisjonell plasma-prosess. Heft var utmerket. Gjentatte termiske sjokk fra høy temperatur resulterte ikke i noen som helst tegn på sprekking eller avflaking.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte ved plasma-sprøyting av metallpulver, innbefattet generering av et plasma, innføring av et beleggpulver i en plasma-strøm i en dyse (2) og tilførsel av pulveret til en flate som skal belegges samt oppbygging av et belegg på flaten til ønsket tykkelse, karakterisert ved at plasmaet - som føres med høy hastighet gjennom en langstrakt dyse (2) - avkjøles i den langstrakte dyse, idet det dannes en plasma-strøm med noe lavere temperatur enn plasma-strømmen har idet den genereres, det kjølte plasma akselereres deretter og beleggpulver innføres i den avkjølte plasma-strøm i den langstrakte dyse (2), hvori det sikres tilstrekkelig oppholdstid i den kjølte plasma-strøm til å plastifisere pulveret og tilføre dette høy has fcighet,

hvoretter pulveret i plastifisert tilstand rettes an mot flaten som skal belegges.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at plasma-strømmen kjøles ved at den føres gjennom en passasje (20,22,24) i et dyserør (10) som omsluttes av kjøle-finner (8), idet et kjølemedium sirkuleres (via innløp 16 og utløp 18), om kjølefinnene.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at kjølingen av plasma-strømmen innbefatter tilførsel av fortynningsgass (via kanalen 40) til plasma-strømmen forut for tilførselen av pulveret til samme.

4. Apparat for plasma-sprøyting av metallpulver, til ut-førelse av fremgangsmåten ifølge et av kravene 1-3, utstyrt med en plasma-generator og en dyse (2) for en plasma-strøm, idet dysen har åpninger (42) for innføring av pulver i plasma-strømmen i dysen, karakterisert ved en plasma-kjøleanordning (40,20), som er anbrakt nedstrøms for en plasma-genererende innretning, for å frembringe en kjølt plasma-strøm, en plasma-akselerator (22) for akselerering av den kjølte plasma-strøm inne i apparatet, og én eller flere porter (42) for innføring av metallpulver, som skal tilføres til plasma-strømmen, anbrakt i et område (ved 22) av apparatet hvori plasma-strømmen er kjølt av nevnte plasma-kjøleanordning (40,20).

5. Apparat i samsvar med krav 4, karakterisert ved at plasma-kjøleanordningen (40,20) omfatter en port (40) for innsprøyting av en temperatursenkende gass i plasma-strømmen.

6. Apparat i samsvar med krav 4 eller 5, karakterisert ved at plasma-kjøleanordningen (20,40) omfatter en langstrakt passasje (20) i dysen (2), idet selve dysen (2) er innrettet til å senke temperaturen på plasma-strømmen som gjennomstrøm-mer passasjen (20) i dysen (2).

7. Apparat i samsvar med et av kravene 4-6, karakterisert ved at porten eller portene (42), for innføring av pulver i den kjølte plasma-strøm er anordnet oppstrøms for dysens (2) nedstrømsende (24) i en viss avstand fra den nevnte nedstrøms-ende for å oppnå en oppholdstid for pulveret i plasma-strømmen tilstrekkelig til å tilføre pulveret en bestemt oppvarming og en bestemt hastighet.

8. Apparat i samsvar med et av kravene 4-7, karakterisert ved at plasma-kjøleanordningen (20,40) er anordnet mellom en sylindrisk elektrode i en plasma-sprøytekanon og porten eller portene (42) for innføring av metallpulver i plasma-strømmen.

9. Apparat i samsvar med et av kravene 6-8, karakterisert ved at dysen (2) inneholder et første passasjeparti (20) hvori plasma-strømmen kjøles i betydelig grad samt et annet, innsnevret passasjeparti (22) hvori den kjølte plasma-strøm akselereres.

10. Apparat i samsvar med et av kravene 4-9, karakterisert ved at plasma-kjøleanordningen (40,20) omfatter en rørformet, finnebærende anordning (8) med innvendig passasje (20,22,24) for gjennomstrømning av plasma-strømmen og en kappe (14) som omslutter nevnte anordning (8), idet et kjølemedium via et innløp (16) og et utløp (18) er innrettet til å sirkuleres i et rom (19) mellom kappen (14) og den finnebærende anordning (8) for reduksjon av temperaturen på plasma-strømmen gjennom anordningen (8).