SE445651B - Forfarande for applicering av partiklar av ett vermebestendigt material pa ett substrat och anordning for genomforande av forfarandet - Google Patents

Description

8004283-1 2 partiklarnas energitillstând ökar till plasmaförhållande. Mycket stora mängder energi tillföres på detta sätt strömningsmediet. De stora energimängderna behövs för att medge acceleration av gas~ mediet till hög hastighet och medge uppvärmning av beläggnings- materialpulvret som senare sprutas in i plasmat.

I en vanlig anordning (US patentskrift 3 145 287) ledes en plasmaalstrande båge från en tappformad katod till en cylindrisk anod. Bågen mellan katod och anord sträcker sig helt ned till den cylindriska anoden. Den inärta gasen tvingas genom båqen och plasma- flödet bildas. Flödet karaktäriseras av en värmeprofil med tem- peraturtopp i flödets centrum. Anodlängden på 2,54 cm och 0,635 cm.nämnes i US patentskrifterna 3 145 287 och 3 851 140 och anses vara normalt för moderna plasmageneratorer. Högsta plasmatemperatur vid anoden är ca 11095°C eller högre, varför anoden måste kylas för att förhindra snabb förstöring av strukturen pga. värme. Kylvatten cirkulerar härför runt anoden.

Pulver av beläggningsmaterialet för applicering, sprutas in i plasmaflödet antingen vid anodänden (US patentskrifterna 3 145 287 och 3 914 573) eller omedelbart nedströms därom (US patentskrift 3 851 140). Pulvret förblir företrädesvis i plasmaflödet tillräck~ ligt länge för att bli mjukt eller plasticeras men inte så länge att det blir flytande eller förångas. ' Acceleration av pulvret till hög hastighet vid närmandet av lsubstratet har visat sig vara fördelaktig. ökning av den relativa differentialhastigheten mellan plasma och pulver och ökning av uppehållstiden för pulvret i flödet är två sätt att uppnå detta syfte. Som ett sätt att öka differentialhastigheten har föreslagits insprutning av pulver i plasmaflöden med överljudshastighet. US patentskrift 3 914 573 beskriver ett sådant sätt och föreslår plasma- hastigheter på Mach 1-3. Andra har föreslagit inneslutning av plasma/pulverflödet med hög hastighet i en rörformad del nedströms om anoden (se US patentskrift 3 851 140).

Fastän många av förfarandena och anordningarna enligt ovan angivna publikationer funnit användning inom beläggningsindustrin, fortsätter sökandet efter ännu bättre beläggningsförfaranden och -anordningar, speciellt sådana som medger produktion av belägg- ningar med större kvalitet och ökad materialappliceringshastighet.

Ett primärt syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma' ett förfarande och anordning för avsättning av beläggningsmaterial på underliggande substrat. Beläggningar av hög kvalitet och hög 80042834 materialavsättningshastighet eftersträvas. Ett ändamål med upp- finningen är att medge adekvat acceleration av beläggninqspulvret i plasmaflödet, medan pulvret överföras till ett plasticerat men inte smält tillstånd. Pulvertillförselhastigheter på ca 3,65 kg/h eller mer är önskvärt.

Enligt uppfinningen är magnituden på värmetoppen i temperatur- profilen tvärs igenom plasmaflödet från generatorn i en plasmasprut- anordning väsentligt reducerad och medeltemperaturen i plasmaflödet betydligt minskad innan införingen av beläggningspulver i plasma- flödet.

Enligt ett anordningsutförande bildas en plasmasprutanordninq av en plasmagenerator av konventionell typ till vilken ett plasma- bearbetande munstyckeaggregat med en plasmakvlzon, en plasmaaccele- rerande zon, en pulverinsprutningszon och en plasma/pulverinneslut- ningszon är anslutet.

Ett primärt uppfinningsdrag är plasmakylzonen i munstyckes- aggregatet. Ett annat är plasmaaccelerationszonen. Båda dessa zoner är lokaliserade i aggreqatet uppströms om den punkt där beläggnings- materialpartiklarna insprutas i plasmaflödet. I ett utförande är två diametralt motsatta partikelinsprutningsöppningar anordnade för in- föring av beläggningspartiklar i plasmaflödet. Plasma/partikel- blandningen sprutas ut ur munstyckesaggregatet via en blandnings- inneslutningszon nedströms om partikelinsprutningsöppningarna. En kanal sträcker sig i längdled genom zonerna i aggregatet. Ett kyl- medium, t.ex. vatten, cirkulerar runt den struktur som bildar kanalen.

I accelerationszonen är kanalens tvärsnittsyta i ett utförande reducerat till ca 1/4 av kanalens tvärsnittsyta i kylzonen. Kanalens tvärsnittsyta i inneslutningszonen är ca 6 ggr större än tvärsnitts- ytan vid pulverinsprutningsöppningarna.

En principiell fördel med föreliggande uppfinning är anordningens och förfarandets förmåga att applicera beläggningar av hög kvalitet med hög hastighet. Väsentlig reduktion av temperaturtoppen i värme- profilen i plasmaflödets kärna i insprutningszonen medger jämn upp- värmning av insprutningspartiklarna och därmed ett homogent flöde av plasticerade partiklar. Reducering av plasmats medeltemperatur till ca 6650oC vid partikelinsprutning medger kvarhållning av pulver- partiklarna i plasmaflödet vid överföring av pulvret till ett plasti- cerat men icke-smält tillstånd. Längre uppehållstid i plasmaflödet får pulverpartiklarna att accelerera till utströmningshastigheter som ligger närmare plasmahastigheterna än i de kända anordningarna.

Optimala beläggningsstrukturer i ett antal belägqningssystem kan er- 8004283-1 4 hållas med god materialfästförmåga och jämn densitet. Återvinning av i kylsteget förlorad hastighet och accelerering av plasmat förbi detsammas ursprungshastighet, ökar hastighetsskillnaden mellan plasmaflödet och den insprutade pulvret. Dessa fördelar uppnås dess- utom i samband med förbättrad processekonomi och -säkerhet.

Uppfinningen skall nedan närmare förklaras med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka figur 1 är en förenklad vy i tvärsnitt genom anordningen; figur 2 är en diagrammatisk vy över plasmats temperaturprofil vid olika stationer längs kanalen genom munstyckesaggregatet; och figur 3 är en kurva över plasmats och pulverpartiklarnas hastig- het utmed kanalen genom munstyckesaggregatet.

Plasmasprutanordningen enligt föreliggande uppfinning visas i figur 1. Anordningen innefattar principiellt en konventionell plasmagenerator 10 av ovannämnd känd typ samt ett munstyckesför- längningsaggregat 12. Generatorn kan alstra ett höghastighetsflöde av plasma med högt energivärde och munstyckesförlänqningsaggregatet bearbetar nämnda flöde genom preparering av plasmat för insprutning av pulverpartiklar av beläggningsmaterial för sprutning. Generatorns 10 huvuddelar är en toppformad katod 14 och en anod 16. En cylindrisk vägg 18 på anoden avgränsar en kanal 20 genom anoden. Cylinderväqgen är utformad att mottaga en ljusbåge från katoden. Generatorn innefattar vidare ett organ 22 för att leda ett gasformat medium, t.ex. helium eller argon, genom ljusbågen mellan katod och anod för alstring av plasmat med hög hastighet och högt energivärde. I visat utförande måste generatorn kunna alstra ett plasmaflöde som karaktäriseras av en lång medelhastiqhet på ca 610 m/s och en plasmamedeltemperatur på 8315°C i flödet. "Metco 3MB" plasmapistol med "G"-munstycke är känd för att ha sådant utflöde, men även andra plasmapistoler kan användas.

I den utsträckning dylika pistolers utflöde avviker från Metcopisto- lens, kan motsvarande ändringar i detaljutförandet av munstyckes- förlängningsaggregatet göras. Ett sådant modifierat aggregat inne- fattar dock de principiella grunddragen enligt nedanstående beskriv- ning.

Munstycksförlängningsaggregatet 12 anligger direkt mot gene- ratorn 10 och uppvisar en långsträckt kanal 24 som ligger i linje med kanalen 20 i anoden i generatorn. Såsom visas sträcker sig kana- len 24 genom en rörformad, flänsförsedd del 25. Utflödet från generatorn ledes direkt in i kanalen 24 i förlängningsaggregatet. En rörledning 26 är utformad att leda kylmedium t.ex. vatten genom 5 8004283-1 aggregatet. En plasmakylzon 28 är lokaliserad vid kanalens 24 uppströmsände och avsedd att reducera plasmats temperatur innan insprutning av beläggningsmaterialpartiklarna. Kanalen 24 sträcker sig vid kylzonen i axielled ca 2,54 cm och har en diameter på 0,728 cm. Kanalens diameter vid kylzonen motsvarar anodkanalens diameter. I det visade utförandet är kanalens 24 tvärsnittsyta vid kylzonen mindre än tvärsnittsytan avgränsad av anodens cylinder- vägg 18, till vilken ljusbâgen ledes. övriga dimensioner och para- metrar utgår från denna basstorlek.

En plasmaaccelerationszon 30 utmed kanalen 24 omedelbart ned- ströms om kylzonen är anordnad för att accelerera det kylda plasma- flödet. I detta utförande är accelerationszonen inte bara avpassad för återvinning av i kylzonen toppad hastighet, utan också för acceleration av det kylda plasmat till hastigheter väl överstigande hastigheten vid inträdandet i munstyckesförlängningen. I accelera- tionszonen är i visat utförande kanalens diameter reducerad till ca 0,386 cm från den ursprungliga 0,728 cm. Detta innebär en reduk- tion av tvärsnittsytan med ca 1/4, men även något större eller mindre reduktioner fungerar bra.

En pulverpartikelinföringszon 32 längs kanalen 24 omedelbart nedströms om zonen 30 är utformad för insprutning av pulverpartiklar av beläggningsmaterial i det kylda och accelererade plasmaflödet.

Partiklar strömmar in i kanalen genom en eller flera pulveröpp- ningar 34. Två diametralt motsatta öppningar visas. Med två öpp- ningar kan pulvertillförselvärden på 3,65 kh/h uppnås. Kanalens diameter är i införingszonen ca 0,386 cm. Plasmahastigheten är vid inloppet till införingszonen 3353-4267 m/s.

En fördelnings- och uppvärmningszon 36 är anordnad längs kana- len 24 nedströms om zonen 32 för acceleration av partiklarna av plasma- flödet innan dessa lämnar anordningen. Fördelnings- och uppvärmnings- zonen sträcker sig i en längd på ca 2,54 cm nedströms om pulverin- föringspunkten. Kanalen 24 vidgar sig i denna zon till en diameter på ca 0,939 cm i änden på munstyckesaggregatet. Detta utgör en tvärsnittsareaökning på ca 6 ggr arean i insprutningszonen. Partikel- hastigheter på ca 610 m/s erhålles i anordningen.

Såsom diskuterats ovan befinner sig det utflöde med vilket mun- styckesförlängningsaggregatet arbetar i ett högenergitillstånd. Livs- bågen mellan katoden och anoden bryter ned gasnolelylernns struktur till bildande av ett plasmaflöde innehållande ett aggregat av joner, elektroner, neutrala atomer och molekyler. Flödet kännetecknas av s0o42s3-1 6 en medeltemperatur och en värmetopp i flödets kärna som väsentligt överstiger medeltemperaturen, t.ex. med 1/3. Temperaturprofilen tvärs genom flödet visas i figur 2 och värmetoppen kan lätt ses vid plasma- kylzonens 28 uppströmsände. Vid plasmats passage genom kylzonen sjunker medeltemperaturen med ca 1110°C eller 10-15% från ca 8315°C till ca 72O5OC. Av samma betydelse är att plasmatemperaturen i kärnan reducerades ännu mer från ca 11095°C eller mer till ca 8315°C eller inom ca 1110°C eller ca 15% av medeltemperaturen i området. Då plasmat passerar genom accelerationszonen, har detsamma nått en jämn temperatur på 66500C. Väsentlig eliminering av värmetoppen till bildande av en nästan jämn plasmatemperaturprofil vid pulverin- sprutningspunkten är viktig. Ovannämnda normaliserinq av plasma- temperaturen visas i figur 2.

Pulver sprutas in i flödet genom öppningarna 34 och uppvärmes av plasmat. Partiklarna accelereras av plasmat. Ungefärligen mot- svarande plasma- eller gashastigheter (kurva A) och partikelhastig~ heter (kurva B) visas i figur 3. Då partiklarna strömmar nedströms genom munstyckesaggregatet, uppvärmes pulverpartiklarna till ett plasticerat tillstånd. Den nästan jämna plasmatemperaturprofilen uppvärmer alla partiklarna till samma mjukhetsgrad och ett homogent partikelflöde ut ur munstycket erhålles. Kylflödet till munstyckes- förlängningsaggregatet regleras för erhållande av plasticerat pulver i flödet vid påföringen på substratet som skall belägqas.

Genomsnittstemperaturen på plasmaflödet ut ur munstyckesaggregatet är ca 5537°C eller 2/3 av den ursprungliga medeltemperaturen.

Den beskrivna anordningen har speciellt utvecklats för av- sättning av nickel- eller koboltlegeringspulver, t.ex. de som typbestämmes av NiCrALY-kompositionen enligt nedan: ' 14-20 vikt-a krom, ll-13 vikt-% aluminium, 0,10-0,70 vikt-% yttrium, max 2 vikt-% kobolt och resten nickel.

Partiklar med en storlek på 5-45 mikron har använts med gott resultat. Anordningen är också lämpad för applicering av Haynes "Stellite Alloy No. 6", en legering med hård yta från Stellite Division av Cobot Corporation. "Stellite Alloy No. 6" användes inom bilindustrin som t.ex. beläggningsmaterial för att förbättra nötningsmotståndet hos ventiler i förbränningsmotorer.

Föreliggande uppfinning medger påföring av högenerginivåer på u»

Claims (15)

7 8804283-1 plasmaflödet vid acceleration av flödet i bärarkanalerna. Även om reducering av plasmatemperaturen länqs kanalen kan uppnås genom att reducera krafttillförseln till generatorn och plasmats accelerationseffekter på pulvret är inte så stora. Plasmats förmåga att accelerera snabbt i generatorn försämras inte nämnvärt qenom reduktionen av plasmatemperaturen i munstyckesagareqatet. Fackmannen vet att empiriska temperatur- och hastighetsmätningar i ett plasmaflöde är omöjliga att utföra exakt, varför analytiska beräkningar av förhållanden och tillstånd 1 plasmaflödet i syfte att underlätta förståelsen av uppfinningen. De verkliga temperatur- och hastighetsförhällanden kan skilja sig från ovan beskrivna utan att frångå uppfinninçens idë och ändamål. Patentkrav

1. Förfarande för applicerinq av partiklar av ett värmebeständigt material på ett substrat, varvid ett värmebeständiqt plasmaflöde alstras, varvid partiklarna som skall appliceras på substratet in- föres i plasmaflödet, k ä n n e t e c k n a t a v att plasma- flödet inneslutes i en lånqsträckt kanal för att accelereras, att partiklarna införes i kanalen för att accelereras och uppvärmas, att partiklarna därefter ledes ut ur kanalen och i plasticerat till- stånd riktas mot substratet, att det värmebeständiqa plasmaflödet erhåller en temperaturtopp i flödets centrum som är ca 1/3 större än flödets medeltemperatur, att det erhållna flödets medeltempera- tur reduceras med 30-15% och temperaturtoppen med under ca 15% av den reducerade medeltemperaturen, varvid nämnda partiklar införes i plasmaflödet med reducerad temperatur, och att det erhållna flödets medeltemperatur ytterligare reduceras i den långsträckta kanalen till ca 2/3 av den ursprungliga medeltemperaturen.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a l: a v att alstringen av ett värmebeständiqt plasmaflöde innefattar att ett flöde alstras, vilket karaktäriseras av en medeltemperatur tvärs genom flödet på ca 8315OC och en temperaturtopp i flödets centrum överstigande 11095OC, och att reduceringen av det erhållna flödets medeltemperatur innefattar att mede.temperaturen i flödet reduceras till ca 72O5ÖC och att temperaturtoppen i flödets centrum reduceras till inom ca 1110OC av den reducerade medel- temperaturen.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k - n a t a v att plasmaflödet med reducerad temperatur accelereras 8Q04285=°1 8 innan de värmebeständiga partiklarna införes däri.

4. Förfarande enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a t a v att accelerationen av plasmaflödet med reducerad temperatur innefattar att detsamma accelereras till en hastighet av 3353-4267 m/s.

5. Anordning med plasmagenerator och sprutverktyg för genom- förande enligt patentkrav 1 - 4, k ä n n e t e c k n a d a V att anordningen innefattar en plasmagenerator (10) för alstring av ett pelarformat plasmaflöde med en medelhastighet på 610 m/s och en medeltemperatur på 8315oC och ett kylbart munstycke (12) som är placerat i plasmaflödets strömningsriktning efter generatorn (10) och utformat med en genomgående långsträckt kanal (24) för att mot- taga plasmaflödet med medelhastigheten 610 m/s och medeltemperaturen 831506 i knalanens (24) inloppsände, varvid kylorgan längs kanalen (24) i en zon (28) vid kanalens (24) inloppsände medger reducering av plasmaflödets medeltemperatur, varvid munstyckskanalen (24) i en zon (30) omedelbart nedströms om avkylningszonen (28) accelererar plasma- flödet till en medelhastighet som överstiger medelhastigheten vid kanalens (24) inlopp, varvid partikelinföringsorgan (34) längs kanalen (24) omedelbart nedströms om accelerationszonen (30) medger införing av partiklar av värmebeständigt material i det kylda och accelererade plasmaflödet och varvid kanalen (24) nedströms om partikelinförings- organet (34) är utformad med en fördelnings- och uppvärmningszon (36), så att partiklarna fördelas och uppehåller sig i det kylda och accele- rerade plasmaflödet under så lång tid att partiklarna blir uppvärmda till ett plasticerat tillstånd.

6. Anordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d a v att munstyckskanalens (24) tvärsnittsyta genom plasmaflödets accelera- tionszon (20) är reducerad till ca. 1/4 av kanalens (24) tvärsnitts- yta i avkylningszonen (28).

7. Anordning enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a d a v att kanalens (24) tvärsnittsyta i fördelnings- och uppvärmningszonen (36) är ca. 6 ggr större än kanalens (24) tvärsnittsyta vid partikel- införingsorganet (34).

8. Anordning enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k n a d a v att plasmageneratorn (10) innefattar ett tappformad katod (14) och en anord (16) med en cylindrisk vägg (18) till vilken en ljusbâge 4 ledes under plasmaalstringsprocessen och genom vilken det alstrade _, plasmaflödet kan strömma, och att kanalens (24) avkylningszon (28) uppvisar en tvärsnittsyta som är större än tvärsnittsytan avgränsad 9 8004285-1 av anodcylindervägqen (18).

9. Anordning enligt patentkrav 7 eller 8, k ä n n e t e c k - n a d a v att kanalen (24) i avkylningszonen (28) har ett cirkulärt tvärsnitt med en diameter på ca 0,728 cm och en axiell längd på ca 2,54 cm.

10. Anordning enligt patentkrav 9, k ä n n e t e c k n a d a v att kanalen (24) vid accelerationszonens (30) inloppsände har ett cirkulärt tvärsnitt med en diameter på ca 0,728 cm och vid utloppe- änden ett cirkulärt tvärsnitt med en diameter på ca 0,386 cm.

11. Anordning enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k n a d a v att kanalen (24) vid partikelinföringsorganet har ett cirkelformat tvärsnitt med en diameter på ca 0,386 cm och minst en öppning (34) i kanalväggen, genom vilken partiklarna av värmebeständigt material strömmar in i det kylda och accelererade plasmaflödet.

12. Anordning enligt patentkrav 11, k ä n n e t e c k n a d a v att organet uppvisar två diametralt motsatta öppningar (34) i kanalväggen.

13. Anordning enligt patentkrav 11 eller 12, k ä n n e t e c k - n a d a v att kanalen (24) i fördelnings- och uppvärmningszonen (36) har ett cirkelformat tvärsnitt med en diameter överstigande kanalens (24) diameter vid partikelinföringsorganet (34).

14. Anordning enligt patentkrav 13, k ä n n e t e c k n a d a v att kanalen (24) vid fördelnings- och uppvärmningszonen (36) har en diameter på ca 0,939 cm.

15. Anordning enligt patentkrav 13 eller 14, k ä n n e t e c k - n a d a v att kanalens (24) fördelnings- och uppvärmningszon (36) har en axiell längd på ca 2,54 cm nedströms om partikelinförings- organet (34). ..._ _ V. _ ........ wøfls-u-v- ~--- -~V