Beschreibung
VERFAHREN ZUM KALTGASSPRITZEN UND KALTGASSPITZPISTOLE MIT ERHÖHTER VERWEILDAUER DES PULVERS IM GASSTRAHL
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltgasspritzen, bei welchem Partikel zur Schicht- oder Formherstellung in einem Gasstrahl beschleunigt werden und mit hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat auftreffen, wobei Partikel unterschiedlicher Größe in einen heißen, Düsen-Eintrittstemperatur aufweisenden Gasstrahl injiziert und in dem heißen Gasstrahl auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur erwärmt wer¬ den und die Partikel durch Entspannung in einer Düse beschleunigt werden, wobei sich Gasstrahl und Partikel wieder abkühlen. Ferner betrifft die Erfindung eine Kaltgas- Spritzpistole umfassend eine Düse zur Beschleunigung von Gasstrahl und Partikeln, welche sich in einen konvergent zulaufenden Düsenabschnitt und einen Düsenauslauf gliedert, welche am Düsenhals ineinander übergehen, und ein Pulverinjektionsrohr, welches vor dem Düsenhals endet.
Beim Kaltgasspritzen wird ein Gas in einer de Lavaldüse auf Überschallgeschwindig¬ keit beschleunigt. Der Beschichtungswerkstoff wird als Pulver vor oder nach dem Dü¬ senhals in den Gasstrahl injiziert und auf das Substrat hin auf Geschwindigkeiten zwi¬ schen 200 und 1600 m/s, vorzugsweise zwischen 600 und 1200 m/s beschleunigt. Die auf hohe Geschwindigkeit gebrachten Partikel bilden beim Aufprall eine dichte und fest haftende Schicht. Dazu müssen sich die Partikel verformen. Ein Aufheizen des Gas¬ strahls erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und somit auch die Partikel¬ geschwindigkeit. Die damit ebenfalls verbundene Erwärmung der Partikel begünstigt das Verformen beim Aufprall. Die Gastemperatur liegt aber deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungswerkstoffs, so dass ein Schmelzen der Partikel im Gasstrahl nicht stattfinden kann. Im Vergleich zu den Verfahren des thermischen Spritzens lassen sich beim Kaltgasspritzen die mit dem Schmelzen verbundenen Nachteile wie Oxidation und andere Phasenumwandlungen vermeiden.
Das Verfahren des Kaltgasspritzens beinhaltet beispielsweise die EP 484 533. In jüngster Zeit hat sich gezeigt, dass dichte und fest haftende Schichten nicht nur dann entstehen, wenn das Gas in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit sondern auch wenn das Gas nur auf Geschwindigkeiten nahe an der Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird. Ein Verfahren mit Beschleunigung auf Geschwindigkeiten nahe der
Schallgeschwindigkeit beinhaltet beispielsweise die DE 101 19 288. Eine Lavaldüse gliedert sich in einen konvergenten Abschnitt, der im Düsenhals endet, und in einen am Düsenhals beginnenden divergenten Abschnitt. Eine Düse, in der Gas auf nahezu Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird, gliedert sich in einen konvergenten Abschnitt und einen sich daran anschließenden Abschnitt, der konisch oder zylindrisch gestaltet ist.
Von Vorteil für die Schicht ist, wenn die Partikel beim Aufprall auf das Substrat warm (aber nicht angeschmolzen) sind, da dies die plastische Verformung unterstützt. Ein Anschmelzen der Partikel kann die Eigenschaften der Beschichtung zu ihren Un- gunsten verändern. Um die Partikeltemperatur anzuheben, wird das Gas erwärmt. In der EP 924 315 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem das Gas bereits direkt nach dem Verlassen des Gaspuffers erwärmt und das erwärmte Gas zur Spritzpistole geleitet wird. Auch die Vorrichtung der EP1 200 200, in welcher Luft als Trägergas verwendet wird, beinhaltet eine Erwärmung des Gases bevor es in die Spritzpistole geleitet wird. Die Injektion der Partikel erfolgt normalerweise mittels eines Pulverinjek¬ tionsrohrs axial und zentrisch in den konvergenten Abschnitt der Düse. Der Übertrag der Wärme vom Gas auf die Spritzpartikel findet folglich im Wesentlichen im konver¬ genten Abschnitt und im Bereich des Düsenhalses statt. Nach dem Düsenhals kühlt der Gasstrahl aufgrund der Gasentspannung und dem damit verbundenen Anstieg der Geschwindigkeit wieder ab. Sobald die Gastemperatur dabei unter die Partikeltem¬ peratur fällt, kühlen die Partikel wieder ab. Da die Partikel nicht alle die gleiche Größe aufweisen sondern alle Größen bis hin zu einem Maximalwert, welcher die Partikel¬ größe spezifiziert, ist die Wärmeaufnahme der Partikel sehr unterschiedlich. Kleine Partikel erwärmen sich deutlich leichter, kühlen aber auch schneller wieder ab, wäh¬ rend größere Partikel sich schlechter erwärmen, aber auch langsamer wieder abküh¬ len. Aus diesen Gründen ist die Durchführung der Partikelerwärmung bisher nur unzu¬ friedenstellend gelöst. Besonders in gröberen Partikeln kann noch deutlich mehr ther¬ mische Energie gespeichert werden als das mit den bisher üblichen Verfahren der Fall ist.
Zudem hat sich in jüngster Zeit gezeigt, dass die zur Partikelhaftung notwendige kriti¬ sche Geschwindigkeit bei vielen Spritzwerkstoffen mit größer werdendem Partikel¬ durchmesser sinkt. Dieser Größeneffekt begünstigt die Verwendung gröberer Partikel im Spritzprozess.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzu¬ geben, die die Wärmeaufnahme der Partikel verbessern und dadurch zu höheren Par¬ tikeltemperaturen beim Aufprall auf das Substrat führen und die die Verwendung von gröberen Partikel verbessert.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verweildauer der Partikel im heißen Gasstrahl erhöht wird, so dass mindestens 80 Gewichtsprozent der Partikel mindestens eine Düsen-Eintrittstemperatur erreichen, die das 0,7-fache der Düsen-Eintrittstemperatur des Gasstrahls in Kelvin beträgt. Dazu wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verweildauer in dem heißen Gasstrahl derartig eingestellt, dass nicht nur die kleineren Partikel, die sich sehr schnell erwär¬ men, mindestens die 0,7-fache Temperatur des Gasstrahls in Kelvin erreichen, son¬ dern auch die größeren Partikel, die sich vergleichsweise langsam erwärmen, diese Temperatur erreichen. Durch die Erhöhung der Verweildauer erreichen somit nahezu alle Partikel das gewünschte Temperaturniveau. Dadurch wird mit dem erfindungsge¬ mäßen Verfahren der Anteil an Wärmeenergie, der beim Aufprall neben der kineti¬ schen Energie zur Verfügung steht, deutlich erhöht. Dies ist nicht durch eine Erhöhung der Düsen-Eintrittstemperatur des Gasstrahls möglich: Mit einer höheren Gastempera- tur würde zwar erreicht, dass die größeren Partikel wärmer würden, aber die kleineren Partikel würden aufschmelzen und die für das Kaltgasspritzen typischen Eigenschaften der Schichten würden sich nicht einstellen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen wird das Temperatumiveau der Partikel insgesamt erhöht, ohne jedoch dabei ein Aufschmelzen der kleineren Partikeln zu riskieren. Dies wird erreicht, indem einer- seits eine Gaseintrittstemperatur in Abhängigkeit der Partikeleigenschaften und vor¬ zugsweise unterhalb der Schmelztemperatur der Partikel eingestellt wird und ander¬ seits die Verweildauer so lange gewählt wird, dass auch die größeren Partikel auf das gewünschte Temperaturniveau erwärmt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also erreicht, dass die Partikel beim Auf¬ prall deutlich wärmer sind als bei den bisher üblichen Verfahren. Die Temperaturen beim Aufprall liegen vorteilhafterweise um 100 bis 400 0C über den bisher üblichen Temperaturen. Wärmere Partikel verformen sich beim Auftreffen auf das Werkstück durch ihre thermische Erweichung besser als kältere Partikel. Neben der kinetischen Energie steht nun deutlich mehr thermische Energie der Partikel zur Schichtausbildung
zur Verfügung. Die Erhöhung der zur Verfügung stehenden Energie führt zu einer Ver¬ besserung der Haftung der Partikel auf dem Untergrund und der Partikel untereinan¬ der. Bei gleicher Aufprallgeschwindigkeit der Partikel wird folglich mit dem erfindungs¬ gemäßen Verfahren die Festigkeit und die Qualität der Schicht deutlich verbessert. Ist die Aufprallgeschwindigkeit geringer als bisher üblich - etwa durch die Bauart der Düse oder durch Verwendung von Pulvern mit größeren Partikeldurchmessern - haften die Partikel trotz der geringeren kinetischen Energie zufrieden stellend, da den Partikeln zusätzliche Energie in Form von Wärme zur Verfügung steht. Die Verwendung von Pulvern mit größeren Partikeldurchmessern, welche durch das erfindungsgemäße Ver- fahren unter gleichzeitiger Nutzung von Größeneffekten (kritische Geschwindigkeit für die Partikelhaftung sinkt mit steigendem Partikeldurchmesser) möglich wird, erhöht die Wirtschaftlichkeit des Kaltgasspritzens, da gröbere Pulver günstiger als feinere sind. Gröbere Partikel lassen sich zudem besser fördern und neigen weniger zu Anbackun¬ gen in der Düse.
Mit besonderem Vorteil beträgt die Düsen-Eintrittstemperatur der Partikel das 0,8- fache, vorzugsweise das 0,9-fache der Düsen-Eintrittstemperatur des Gasstrahls. Bei höheren Partikeltemperaturen steht beim Aufprall mehr Wärme zur Schichtausbildung zur Verfügung und es zeigen sich die auf das erfindungsgemäße Verfahren zurückzu- führenden Verbesserungen der Schichteigenschaften. Die aufprallenden Partikel wer¬ den durch die höhere Aufpralltemperatur duktilisiert und verformen sich besser. Die Bindingsqualität ist höher, die Schicht als ganzes ist dichter und Eigenspannungen werden reduziert.
Vorteilhafterweise erreichen mindestens 90 Gewichtsprozent, vorzugsweise mindes¬ tens 95 Gewichtsprozent der Partikel die Düsen-Eintrittstemperatur. Je mehr Partikel eine höhere Temperatur erreichen, desto mehr Energie steht beim Aufprall zur Verfü¬ gung. Wenn erfindungsgemäß mehr Partikel eine höhere Temperatur erreichen, be¬ deutet dies, dass auch die größeren Partikel auf höhere Temperaturen erwärmt wer- den. Größere Partikel haben einen starken Einfluss auf die Schichteigenschaften, so dass sich die Schichteigenschaften durch die Erwärmung der großen Partikel stark verbessern. Auch wird es möglich, mit grobkörnigeren Pulvern unter gleichzeitiger Nut¬ zung von Größeneffekten (kritische Geschwindigkeit für die Partikelhaftung sinkt mit steigendem Partikeldurchmesser) akzeptable Schichten zu spritzen, da besonders bei
den gröberen Pulvern neben der kinetischen Energie die thermische Erweichung zur Schichtausbildung unabdingbar ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden Partikel mit einer Partikelgröße von kleiner 200 μm, vorzugsweise von kleiner 100 μm, besonders bevorzugt von kleiner 50 μm verwendet. Eine Begrenzung der Partikelgröße auf eine Minimalgröße oder die Festlegung eines Fensters für die Partikelgröße ist nicht notwendig, da bei dem er¬ findungsgemäßen Verfahren die in dem Pulver vorkommenden kleineren Partikel ma¬ ximal eine Düsen-Eintrittstemperatur erhalten, die der Düsen-Eintrittstemperatur des Gases entspricht. Die Düsen-Eintrittstemperatur des Gases liegt verfahrensbedingt unter der Schmelztemperatur des Spritzwerkstoffes.
Die Aufgabe wird für die Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Pul¬ verinjektionsrohr mehr als 40 mm vor dem Düsenhals endet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung führt zu einer längeren Verweildauer der Spritzpartikel in dem heißen Gas¬ strahl und weist somit alle vorgenannten Vorteile auf.
Vorteilhafterweise endet das Pulverinjektionsrohr 40 bis 500 mm, vorzugsweise 60 bis 400 mm, besonders bevorzugt 80 bis 250 mm vor dem Düsenhals. Bei diesen Abstän- den ist die Verweildauerverlängerung zur Partikelerwärmung genügend groß und die Kaltgasspritzpistole bleibt in der Bedienung handlich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vor dem konvergenten Düsen¬ abschnitt eine Vorkammer angeordnet, wobei das Pulverinjektionsrohr in der Vor- kammer endet. Durch das bisher nicht übliche Enden des Pulverinjektionsrohrs in der Vorkammer verlängert sich die Verweildauer der Partikel in dem heißen Gas.
Vorteilhafterweise ist dabei der konvergente Düsenabschnitt zwischen 20 und 100 mm lang. Die Verlängerung der Verweildauer der Partikel in dem heißen Gas durch die Vergrößerung des Abstands zwischen Pulverinjektionsrohrende und Düsenhals erfolgt somit durch eine Verlängerung der Vorkammer. Eine Vorkammerverlängerung ist ferti¬ gungstechnisch leicht durchzuführen, insbesondere da die bisher üblichen Düsen wei- . terhin verwendet werden können.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung endet das Pulverinjektions¬ rohr im konvergenten Düsenabschnitt. Auch eine Verlängerung des konvergenten Ab¬ schnitts erhöht die Verweildauer im heißen Gasstrahl.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Düsenauslauf divergierend oder zylindrisch oder kpnisch zulaufend gestaltet. Derartige Düsengeometrien eignen sich in besonderer Weise zum Kaltgasspritzen.
Im Folgenden wird zunächst eine Düse mit Pulverinjektion nach dem Stand der Tech- nik und anschließend die Erfindung anhand von drei beispielhaften Ausgestaltungen näher erläutert. Hierzu zeigt
Figur 1 eine Düse mit Pulverinjektion nach dem Stand der Technik,
Figur 2 eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung mit verlängerter Vor- kammer,
Figur 3 eine andere beispielhafte Ausgestaltung mit verlängertem konvergent zulaufenden Düsenabschnitt und
Figur 4 eine dritte beispielhafte Ausgestaltung verlängerter Vorkammer und ver¬ längertem konvergenten Düsenabschnitt.
Weiterhin zeigt Figur 5 die Entwicklung von Gas- und Partikeltemperatur von der Pul¬ verinjektion ab bis zum Düsenaustritt für eine Pulverinjektion nach dem Stand der Technik und die erfindungsgemäße Pulverinjektion.
Figur 1 bis 4 beinhalten eine Düse mit einem konvergenten Düsenabschnitt 1 und ei¬ nem Düsenauslauf 2, eine Vorkammer 3 (mit Ausnahme von Figur 3) und ein Pulverin¬ jektionsrohr 4.
Figur 1 zeigt die bisher übliche Injektion der Partikel in die Düse. Die Düse gliedert sich in den konvergenten Düsenabschnitt 1 , der am Düsenhals in den Düsenauslauf 2 über¬ geht. Vor dem konvergenten Düsenabschnitt 1 befindet sich eine Vorkammer 3, in wel¬ che das Gas strömt bevor es in die Düse gelangt. Das Pulverinjektionsrohr 4 reicht über die Vorkammer 3 hinaus und endet in dem konvergenten Düsenabschnitt 1. Das Pulverinjektionsrohrende befindet sich üblicherweise in einem Abstand von 20 bis 30 mm vor dem Düsenhals.
In der beispielhaften Ausgestaltung gemäß Figur 2 ist die Vorkammer 3 deutlich länger ausgestaltet als bisher üblich. Das Pulverinjektionsrohr 4 endet bereits weit vorne in der Vorkammer 3. Der Abstand zwischen Pulverinjektionsrohrende und Düsenhals ist damit gegenüber den bisher üblichen Ausgestaltungen verlängert. Mit Vorteil beträgt er nun - bei unveränderten Düsenabmessungen - mindestens 40 mm. Möglich ist ein Abstand von 500 mm und mehr. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen 60 mm und 400 mm, besonders bevorzugt 80 bis 250 mm.
Eine andere beispielhafte Ausgestaltung zeigt Figur 3. Hier ist der konvergent zulau¬ fende Düsenabschnitt 1 gegenüber den bisher üblichen Ausgestaltungen verlängert. Das Pulverinjektionsrohr 4 endet im vorderen Bereich des konvergenten Düsenab¬ schnitts 1. Eventuell ist vor dem konvergenten Düsenabschnitt eine kurze Vorkammer angebracht. Der Abstand zwischen Pulverinjektionsrohrende und Düsenhals erreicht durch die Verlängerung des konvergenten Abschnitts vorteilhafterweise die für das vorherige Beispiel genannten Werte.
In Figur 4 ist eine weitere beispielhafte Ausgestaltung gezeigt. Die Vergrößerung des Abstands Pulverinjektionsrohrende - Düsenhals wird hier durch eine Verlängerung des konvergenten Düsenabschnitts 1 und Vorkammer 3 erreicht. Das Pulverinjektionsrohr 4 endet in der Vorkammer 3. Vorteilhafterweise werden für den Abstand wiederum die vorgenannten Werte eingerichtet.
Für alle beispielhaften Ausgestaltungen (Figur 2 bis 4) ist eine thermische Isolierung der Vorkammer und des konvergenten Düsenabschnittes anzustreben, um unnötige Wärmeverluste zu vermeiden und die thermische Belastung tragender Bauteile zu mi¬ nimieren.
Bei den bisher üblichen Verfahren mit einer Pulverinjektion 20 mm vor dem Düsenhals wird bei der Verwendung von Stickstoff für den Gasstrahl bei einem Gasdruck von 30 bar und einer Gastemperatur von 600 0C vor Düseneintritt für ein Partikel mit 5 μm Durchmesser beim Aufprall eine Temperatur von nur 50 0C erreicht während ein Parti¬ kel mit 50 μm Durchmesser beim Aufprall eine Temperatur von 175 0C aufweist. Bei der erfindungsgemäßen frühen Partikelinjektion treffen die Partikel bei gleichen Pro- zessparametem und sonst unveränderten Düsenabmessungen mit deutlich höheren
Temperaturen auf das Substrat. Erfolgt die Partikelinjektion 80 mm vor dem Düsen¬ hals, weist ein Partikel mit 50 μm Durchmesser beim Aufprall eine Temperatur von 280 0C auf und bei einer Partikelinjektion 150 μm vor dem Düsenhals gar eine Tempe¬ ratur von 340 0C. Durch das erfindungsgemäße Verfahren steigt u.a. die Festigkeit der erzeugten Schicht an: bei Verwendung von Kupferpartikeln der Körnung -38+10 μm . steigt die Festigkeit der gespritzten Kupferschicht von 100 MPa (bei 20 mm Abstand) auf 150 MPa (bei 250 mm Abstand) an.
In Figur 5 ist der Verlauf der Partikeltemperatur für Kupferpartikel mit einem Durch- messer von 45 μm dargestellt. Für den Gasstrahl wurde Stickstoff bei 30 bar und
600 0C in die Kaltgasspritzpistole geleitet. In dem Diagramm ist nach rechts der Ort in m aufgetragen, wobei die negativen Werte die Abstände vor dem Düsenhals und die positiven Zahlen die Abstände nach dem Düsenhals in Richtung Düsenaustritt ange¬ geben. Nach oben ist die Temperatur in 0C angegeben. Die Kurve C zeigt den Verlauf der Gastemperatur: Der Gasstrahl gelangt mit einer Temperatur von 580 °C in die Vorkammer. Im Bereich des Düsenhalses beginnt das Gas aufgrund der Entspannung sehr schnell abzukühlen. Nach dem schnellen Abfall klingt der Temperaturabfall lang¬ sam aus. Kurve B zeigt den Temperaturverlauf eines Partikels bei einer Injektion 20 mm vor dem Düsenhals. Die Partikeltemperatur steigt bis hin zum Düsenhals auf ca. 230 0C an. Nach dem Düsenhals kühlen die Partikel relativ gleichmäßig wieder ab und bei Düsenaustritt liegt die Partikeltemperatur bei 180 0C. Erfolgt die Partikelinjek- ' tion erfindungsgemäß 150 mm vor dem Düsenhals steigt die Partikeltemperatur bis zum Düsenhals auf 480 0C an. Nach dem Düsenhals sinkt die Partikeltemperatur ab und beim Düsenaustritt beträgt sie 340 0C. Durch die Verlegung des Injektionsorts von 20 mm auf 150 mm vor Düsenhals steigt somit die Partikeltemperatur beim Düsenaus¬ tritt um 160 0C an.
Bezugszeichenliste 1 konvergenter Düsenabschnitt 2 Düsenauslauf .3 Vorkammer 4 Pulverinjektionsrohr