WO2011057612A1 - Verfahren und vorrichtung zur bauteilbeschichtung - Google Patents

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WO2011057612A1
WO2011057612A1 PCT/DE2010/001319 DE2010001319W WO2011057612A1 WO 2011057612 A1 WO2011057612 A1 WO 2011057612A1 DE 2010001319 W DE2010001319 W DE 2010001319W WO 2011057612 A1 WO2011057612 A1 WO 2011057612A1
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cold
nozzle
spray
purge gas
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PCT/DE2010/001319
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Andreas Jakimov
Stefan Schneiderbanger
Manuel Hertter
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Mtu Aero Engines Gmbh
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    • 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
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • B05B7/20—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed by flame or combustion
    • B05B7/201—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed by flame or combustion downstream of the nozzle
    • B05B7/205—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed by flame or combustion downstream of the nozzle the material to be sprayed being originally a particulate material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B15/00—Details of spraying plant or spraying apparatus not otherwise provided for; Accessories
    • B05B15/50—Arrangements for cleaning; Arrangements for preventing deposits, drying-out or blockage; Arrangements for detecting improper discharge caused by the presence of foreign matter
    • B05B15/55—Arrangements for cleaning; Arrangements for preventing deposits, drying-out or blockage; Arrangements for detecting improper discharge caused by the presence of foreign matter using cleaning fluids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a protective coating by means of a cold gas spraying nozzle according to the preamble of claim 1 and a cold gas spraying nozzle according to the preamble of claim 11.
  • wear protection coatings are, for example, erosion protection coatings, oxidation protection coatings and anti-corrosion coatings.
  • hot gas corrosion protection coatings are particularly important.
  • a process for producing a protective coating is known.
  • a component to be coated e.g. Turbine component coated with a powdery coating material which is mixed with a blowing agent. Coating and heat treatment of the coated component occurs at process temperature, below, or above, the decomposition temperature of the propellant to produce a porous protective coating which is subsequently cooled.
  • the coating is often carried out with the aid of a cold coating process, preferably with a cold-kinetic compacting process, which is also referred to as 3-process or cold gas spraying.
  • a powdered coating material is applied to the substrate at a very high speed.
  • powder particles are introduced into a gas jet of preheated process gas, wherein the gas jet was previously accelerated to supersonic speed by expansion in a spray nozzle, which was usually shaped in the manner of a Laval nozzle.
  • the powder particles are accelerated by the injection into the gas jet to such a high speed that, in contrast to other thermal spraying methods, they form a dense and firmly adhering layer even when they are not fused or melted when they impact the substrate.
  • a method for machining the surface of a component of an aircraft engine is known. According to this method, it is provided for preparing a machining of the component; whose surface is first illuminated by means of a cold gas Sprayer and using a powder having ceramic components roughen or activate. Thereafter, the pretreated surface is also coated with said cold gas spraying device.
  • the spray nozzles for use in this method of cold gas spraying can be made of metal, metal alloys, light metal such as aluminum, or hard material such as tungsten carbide.
  • nozzle cross-section is further narrowed.
  • the nozzles must then be lavishly irradiated, for example with A1203 particles.
  • DE 10 2007 032 021 A1 discloses a cold gas spraying nozzle which serves to accelerate gas and spray particles in the coating.
  • the cold gas spraying nozzle should be protected against buildup.
  • Plastic is made or designed as M1CA.
  • DE 10 2007 032 022 AI another cold gas spraying nozzle is known, which is also easy and inexpensive to produce and in which no turbulence of the gas flow occur. Therefore, the smallest diameter of the converging portion should deviate from the smallest diameter of the diverging portion. Preferably, the smallest diameter of the converging portion should be smaller than the smallest diameter of the diverging portion of the nozzle.
  • a step is formed from the smallest to a larger diameter to the widening nozzle part, so that here attachments of the spray material should be reliably prevented.
  • the said measures for keeping clean the cold gas spray nozzle on the one hand increase the cost of producing the spray nozzles and on the other hand contribute to their increased
  • the object of the invention is to provide a novel method and a corresponding nozzle arrangement for use in the cold gas spraying method, in which a cleaning of a cold gas spraying nozzle in a simple and cost-effective manner is possible.
  • the proposed method comprises, in addition to the known method steps of cold gas spraying, at least the steps of interrupting the injection process, introducing a cold or cooled purge gas into the injection nozzle and continuing the injection process.
  • the introduction of the purge gas is carried out in one or all pauses between successive injection processes.
  • the purge gas used is a cooled carrier gas from the injection process or a cold inert gas. So can be used as purge gas liquid C0 2 .
  • the flushing process can be carried out jerkily or in response to a temperature measurement at the spray nozzle.
  • the flushing of the spray nozzles with the purge gas can be carried out starting from the supply of the carrier gas. It can also be provided for the purge gas separate gas supply lines.
  • the flushing can be carried out flat on the entire nozzle structure or specifically for one or individual selected areas.
  • the supply of the purge gas to a spray nozzle may with regard to a pressure and / or a
  • Volume can be controlled to optimize the cooling effect of adhering to the inner surface of the spray nozzle particles of the spray powder and at the same time to achieve the best possible cleaning effect for particles dissolved by the cooling.
  • the purge control can be adjusted depending on the status of an injection process, the duration of an injection, and the type of spray material being processed.
  • a device comprises in addition to the supply of carrier gas and spray powder, a supply of purge gas.
  • the supply for cold or cooled purge gas can be arranged separately next to the carrier gas supply.
  • the supply of purge gas can also be effected by the carrier gas supply. Then, by means of a suitable device, a cooling of the carrier gas before it enters the spray nozzle.
  • the supply of purge gas can also be done in connection with the device for powder feed.
  • the figure shows a schematic representation of a spray nozzle with a device according to the invention for supplying purge gas.
  • a provided for accelerating carrier gas and spray powder or spray particles Kaltgasspritzdüse 1 is shown.
  • the cold spray nozzle 1 is provided with a cover 2 covering the input side, in which a powder feeder 3 is arranged.
  • the aperture 3 forms with the left half of the cold spray nozzle a feed chamber 4 for the carrier gas.
  • the carrier gas is conducted into the supply chamber 4 by means of a carrier gas connection 5 at an adjustable pressure and adjustable temperature.
  • the carrier gas can also be conducted in connection with the powder feed 3 into the feed chamber 4 of the cold gas spraying nozzle 1.
  • the cold spray nozzle 1 has a total of a flow channel 6, which shows conically tapering on both sides to a narrowest cross section 7 in the middle.
  • the flow channel 6 is thus at its narrowest cross-section 7 from a in the flow direction S narrowing portion 6A from the feed chamber 4 in a widening in the flow direction S section 6B over.
  • the gas-particle mixture is thus compressed in the narrowing section 6A and pressed through the narrowest cross section 7.
  • the mixture and thus the spray particles are accelerated to a high speed.
  • spray particles are further accelerated in the expanding section 6B and then guided through a nozzle outlet in a spray jet 8 onto a substrate 9 to be coated. There they adhere due to their high kinetic energy and are compacted into a compact coating.
  • the cold gas spray nozzle 1 is equipped with a device for the targeted supply of cold or cooled purging gas. This device is particularly advantageous when using hard material materials, such as those used for the coating of turbine blades.
  • a Spülgasdüse 10 arranged in the panel 3.
  • the Spülgasdüse 10 is directed to the narrowest cross section 7 of the cold spray nozzle 1 in the flow channel.
  • the flushing gas nozzle can also be arranged in connection with the powder feed 3.
  • the temperature of the carrier gas fed into the cold gas spraying nozzle 1 can be chosen as high as desired, because at the narrowest cross section 7 of the cold gas spraying nozzle 1 during the expansion of the carrier gas, the carrier gas is abruptly cooled.
  • the gas temperature may be less than 300 degrees Celsius, on the flared side of the cold gas spray nozzle.
  • the gas velocity inside the cold gas spraying nozzle 1 is dependent on the temperature of the carrier gas fed into the cold gas spraying nozzle 1. It may therefore be particularly advantageous if the cold gas spraying nozzle 1 can be supplied with a carrier gas having a temperature of over 500 degrees Celsius, in particular of over 800 degrees Celsius and optionally also of over 1200 degrees Celsius. In this way, higher gas velocities can be achieved. In this way, correspondingly higher particle velocities are achieved, as a result of which, in particular in the coating of turbine blades, a significantly better efficiency is achieved and far more stable layers are formed.
  • the method according to the invention can be applied as follows:
  • the known method steps of cold gas spraying comprise the supply of carrier gas under preselected or adjustable pressure and preselected or adjustable temperature into the feed chamber 4 of the cold gas spraying nozzle 1.
  • a spray powder corresponding to the coating or into the feed chamber 4 Supplied stream of spray particles.
  • the spray powder or spray particles can be accelerated by the cold gas spray nozzle 1 by means of the carrier gas and applied to the substrate in such a way that a cold-kinetically consolidated (compacted) layer can form there.
  • a cold or cooled flushing gas is introduced into the cold spray nozzle in an interruption or at the end of an injection process.
  • adhering powder parts or spray particles are cooled so that they detach from the surface of the cold spray nozzle 1.
  • the purge gas then promotes the dissolved powder parts or spray particles from the cold gas injection nozzle 1 at the same time.
  • the purge gas stream can be sucked off. Also possible is a mechanical derivation of the purge gas stream at the outlet of the old gas spraying nozzle 1, so that the powder removed from the old gas spraying nozzle 1 or parts of spraying particles do not reach a substrate or can contaminate the process chamber.
  • the purge gas used may be a cooled carrier gas, as is also the case for the injection process. Furthermore, as a purge gas and a cold or cooled inert gas such as liquid C0 2 can be used.
  • a cooling device for the purge gas storage is provided.
  • the purge gas can also be cooled just before the introduction into the cold spray nozzle 1, so that only the amount of gas used in each case must be cooled.
  • the introduction of the purge gas is carried out in at least one or all breaks between successive injection process stages.
  • the rinsing process with cold purge gas takes place in such a way that an abrupt temperature reduction takes place at the powder particles or spray particles adhering in the cold gas spraying nozzle 1.
  • the removal process should be done quickly and at the same time the warm and compared to the
  • Deposits thick-walled cold gas spraying nozzle 1 are cooled as little as possible to avoid damage.
  • the amount and the temperature of the purge gas can be preselected and can be applied to the injection process and / or the materials used as well as to the
  • Material of the cold gas spraying nozzle 1 (temperature sensitivity) tunable.
  • the rinsing process itself can be carried out jerkily to reduce downtime, so that a sudden decrease in temperature takes place at the adhering in the cold gas spray nozzle 1 powder parts or spray particles. Then the stripping process will be done quickly.
  • the cooling by means of purge gas can also be effected as a function of a temperature measurement at the spray nozzle. Then purge gas is cooled or supplied so long until at the narrowest cross section 7 of the cold spray nozzle 1 a certain matched to the spray material used material temperature has been reached and the powder parts or spray particles flake off safely, the cold gas spray nozzle 1 is cooled as little as possible and so can not be damaged.
  • the purge gas is controlled in terms of an amount and a temperature introduced into the cold gas spray nozzle 1. Quantity and temperature are chosen so that a rapid cooling of the deposits and the smallest possible cooling of the cold gas spray nozzle 1 takes place.
  • the supply of the purge gas to the cold gas spray nozzle 1 can be controlled with respect to the pressure and / or the volume and the temperature of the purge gas to be enforced in order to maximize the cooling effect of adhering to the inner surface of the cold gas spray nozzle 1 particles of the spray powder and at the same time a best possible cleaning effect for to achieve the cooling of dissolved particles.
  • the control of the purge gas purge process may be dependent upon the status of an injection process.
  • a rinsing process can be initiated as a function of the operating time of the system or during a single spraying process.
  • the continuity of the coating is taken into account.
  • the rinse can be adjusted depending on the type of sprayed material being processed. Here, it is considered how the tendency of certain spray materials to adhere to the cold gas spray nozzle 1 can be seen. It can also be considered on the material pairing between nozzle material and spray material.
  • a separate line can be provided as Spülgaszu operation or as Spülgasdüse 10 for the purge gas.
  • the Spülgasdüse 10 generates a purge gas jet 1 1, which is directed to the narrowest cross section 7 of the cold gas spray nozzle 1.
  • the flushing with purge gas can be directed by means of the carrier gas supply (carrier gas port 5) surface on the entire nozzle structure.
  • carrier gas supply carrier gas port 5
  • a cooling of the carrier gas is necessary. This can advantageously be the Kaltgasspritzdüse 1 directly upstream.
  • the embodiment according to the FIGURE shows a purge gas feed directed in the purge gas jet 1 1 via the purge gas nozzle 10, specifically targeted for one or a few selected regions.
  • the loose particles can then be blown out of the cold gas spraying nozzle 1.
  • a suction device 12 When exiting the cold gas spraying nozzle 1, finally, a suction device 12 may be provided, by means of which the particles to be regarded as soiling are removed from the substrate or from the process space.

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Abstract

In einem Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschichtung wird eine Kaltgasspritzdüse (1) zum Auftragen von Spritzpulver / Spritzpartikeln mittels eines Trägergases auf ein Substrat (9) verwendet. Zur Verbesserung ihrer Funktion wird der Kaltgasspritzdüse (1) während Unterbrechungen des Spritzvorganges oder zwischen Spritzvorgängen ein kaltes oder gekühltes Spülgas zugeführt, so dass mittels des Spülgases an der Innenseite der Kaltgasspritzdüse (1) anhaftende Ablagerungen abgekühlt werden und sich ablösen. Abgelöste Partikel können auf einfache Weise mittels des Spülgases aus der Kaltgasspritzdüse (1) ausgeblasen werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bauteilbeschichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschichtung mittels einer Kaltgasspritzdüse nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Kaltgasspritzdüse nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 1.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Bauteile, wie Gasturbinenbauteile, an deren Oberflächen mit Verschleißschutzbeschichtungen zu beschichten. Bei solchen Verschleißschutzbe- schichtungen handelt es sich zum Beispiel um Erosionsschutzbeschichtungen, Oxidationsschutz- beschichtungen sowie orrosionsschutzbeschichtungen. Bei Gasturbinenbauteilen sind Heißgas- korrosionsschutzbeschichtungen besonders wichtig.
Aus der DE 10 2005 045 241 AI ist hierzu ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschichtung bekannt. Dabei wird ein zu beschichtendes Bauteil, z.B. Turbinenbauteil mit einem pulverförmigen Beschichtungsmaterial beschichtet, das mit einem Treibmittel gemischt wird. Beschichtung und Wärmebehandlung des beschichteten Bauteils finden bei Prozesstemperatur, unterhalb bzw. oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels statt, um eine poröse Schutzbeschichtung zu erzeugen, die danach abgekühlt wird.
Zur Herstellung der Heißgaskorrosionsschutzbeschichtung erfolgt die Beschichtung vielfach mit Hilfe eines Kaltbeschichtungsprozesses, vorzugsweise mit einem Kalt-Kinetischen-Kompaktier- Prozess, der auch als 3-Prozess oder als Kaltgasspritzen bezeichnet wird.
Beim Kaltgasspritzen wird ein pul verförmiger Beschichtungswerkstoff mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Substrat aufgebracht. Hierzu werden Pulverpartikel in einen Gasstrahl aus vorgeheiztem Prozessgas eingebracht, wobei der Gasstrahl zuvor durch Expansion in einer meist in der Art einer Lavaldüse geformten Spritzdüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wurde. Die Pulverpartikel werden durch die Injektion in den Gasstrahl auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne ein An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest anhaftende Schicht bilden.
Aus der DE 10 2007 031 602 AI ist ein Verfahren zum Bearbeiten der Oberfläche eines Bauteils eines Flugtriebwerkes bekannt. Gemäß dieses Verfahrens ist vorgesehen, zur Vorbereitung einer Bearbeitung des Bauteils; dessen Oberfläche zunächst durch Strahlen mittels einer Kaltgas- Sprüheinrichtung und unter Verwendung eines Pulvers, das Keramikbestandteile aufweist, aufzurauen bzw. zu aktivieren. Danach wird ebenso mit der genannten Kaltgas-Sprüheinrichtung die vorbehandelte Oberfläche beschichtet. Die Spritzdüsen zum Einsatz für dieses Verfahren zum Kaltgasspritzen können aus Metall, aus Metalllegierungen, aus Leichtmetall, wie Aluminium, oder aus Hartstoff, wie Wolframcarbid, hergestellt werden. Bekannt sind Volldüsen und auch geteilte Düsen, wie etwa aus Halbschalen zusammengesetzte Düsen. Es ist bekannt, dass sich beim Spritzprozess Partikel im Inneren der Spritzdüse festsetzen, insbesondere am engsten Düsenquerschnitt. Damit wird der Düsenquerschnitt weiter verengt. Nach bisherigem Stand müssen die Düsen dann aufwändig beispielsweise mit A1203-Partikeln freigestrahlt werden. Hierzu ist aus der DE 10 2007 032 021 AI eine Kaltgasspritzdüse bekannt, die zum Beschleunigen von Gas und von Spritzpartikeln bei der Beschichtung dient. Die Kaltgasspritzdüse soll gegen Anhaftungen geschützt werden. Dazu wird im Bereich des geringsten Durchmessers, also im Übergang von einem in Strömungsrichtung konvergierenden Abschnitt in einen divergierenden Abschnitt
ein hitzebeständiger Kunststoff vorgesehen. Das Verstopfen der Kaltgasspritzdüse
mit Spritzpartikeln soll zuverlässig verhindert werden, indem der hitzebeständige Kunststoff aus Polyetherketonen (PEK), Polyimid (PI), Polytetrafluorethylen (PTFE), faserverstärktem
Kunststoff besteht oder als M1CA ausgebildet ist. Schließlich ist aus der DE 10 2007 032 022 AI eine weitere Kaltgasspritzdüse bekannt, die zusätzlich einfach sowie preiswert herstellbar ist und in der keine Verwirbelungen des Gasstroms auftreten. Daher soll der geringste Durchmesser des konvergierenden Abschnitts vom geringsten Durchmesser des divergierenden Abschnitts abweichen. Vorzugsweise soll der geringste Durchmesser des konvergierenden Abschnitts kleiner sein als der geringste Durchmesser des divergierenden Abschnitts der Düse. So wird im Übergang der Düse in Richtung des divergierenden Abschnitts eine Stufe vom kleinsten auf einen größeren Durchmesser zu dem sich erweiternden Düsenteil gebildet, so dass hier Anhaftungen des Sprühmaterials sicher verhindert werden sollen. Die genannten Maßnahmen zum Sauberhalten der Kaltgasspritzdüse erhöhen einerseits den Aufwand für die Herstellung der Spritzdüsen und tragen andererseits zu deren erhöhtem
Verschleiß bei. Dies ist dadurch zu erwarten, dass die empfindlichste Stelle der Düsenkontur nämlich den engsten Querschnitt aus einem relativ weichen Material besteht oder aber dass dort eine verschleißträchtige Kante angeordnet werden soll.
Daher stellt sich der Erfindung die Aufgabe, ein neuartiges Verfahren und eine entsprechende Düsenanordnung zur Verwendung im Kaltgasspritzverfahren zu schaffen, bei denen eine Reinigung eine Kaltgasspritzdüse auf einfache und kostengünstige Weise möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine zugehörige Kaltgasspritzdüse gemäß Anspruch 1 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das vorgeschlagene Verfahren zusätzlich zu den bekannten Verfahrensschritten des Kaltgasspritzens zumindest die Schritte einer Unterbrechung des Spritzvorganges, das Einleiten eines kalten oder gekühlten Spülgases in die Spritzdüse und die Fortsetzung des Spritzvorganges.
Vorzugsweise wird die Einleitung des Spülgases in einer oder allen Pausen zwischen aufeinan- der folgenden Spritzvorgängen durchgeführt.
Als Spülgas wird ein gekühltes Trägergas des Spritzvorganges oder ein kaltes Inertgas verwendet. So kann als Spülgas flüssiges C02 verwendet werden.
Der Spülvorgang kann stoßartig oder in Abhängigkeit von einer Temperaturmessung an der Spritzdüse erfolgen.
Die Spülung der Spritzdüsen mit dem Spülgas kann ausgehend von der Zufuhr des Trägergases erfolgen. Es können auch separate Gaszuleitungen für das Spülgas vorgesehen werden.
Die Spülung kann flächig auf die gesamte Düsenstruktur oder gezielt für einen oder einzelne ausgewählte Bereiche durchgeführt werden.
Die Zuführung des Spülgases zu einer Spritzdüse kann hinsichtlich eines Druckes und/oder eines
Volumens gesteuert werden, um die Kühlwirkung von an der Innenfläche der Spritzdüse anhaftenden Partikeln des Spritzpulvers zu optimieren und gleichzeitig einen bestmöglichen Reinigungseffekt für durch die Kühlung gelöste Partikel zu erzielen. Die Steuerung der Spülung kann in Abhängigkeit vom Status eines Spritzprozesses von der Betriebsdauer eines Spritzvorganges und der Art des verarbeiteten Spritzwerkstoffes eingestellt werden.
Mittels der Spülung der Spritzdüsen wird erreicht, dass die warmen Partikel der Ablagerungen in der Spritzdüsenkontur sich möglichst schnell abkühlen und damit eine Veränderung ihrer Abmessung gegenüber der Spritzdüsenkontur erfahren. Die Ablagerungen lösen sich so von der inneren Kontur der Spritzdüse ab. Ein Spülstrahl kann dann die losen Partikel aus der Spritzdüse heraus blasen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zusätzlich zu der Zuführung von Trägergas und Spritzpulver eine Zuführung von Spülgas.
Die Zuführung für kaltes oder gekühltes Spülgas kann separat neben der Trägergaszuführung angeordnet sein.
Die Zuführung von Spülgas kann auch durch die Trägergaszuführung erfolgen. Dann kann mittels einer geeigneten Einrichtung eine Kühlung des Trägergases vor dem Zutritt in die Spritzdüse erfolgen.
Die Zuführung von Spülgas kann auch in Verbindung mit der Einrichtung zur Pulverzuführung erfolgen.
Weitere vorteilhafte Anwendung und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer grafischen Darstellung beispielhaft erläutert.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Spritzdüse mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Zuführung von Spülgas.
In der Figur wird eine zum Beschleunigen von Trägergas und von Spritzpulver oder Spritzpartikeln vorgesehene Kaltgasspritzdüse 1 gezeigt. Die Kaltspritzdüse 1 ist mit einer die Eingangsseite abdeckenden Blende 2 versehen, in der eine Pulverzuführung 3 angeordnet ist. Die Blende 3 bildet mit der linken Hälfte der Kaltspritzdüse eine Zuführkammer 4 für das Trägergas. Das Trägergas wird dazu mittels eines Trägergasanschlusses 5 bei einstellbarem Druck und einstellbarer Temperatur in die Zuführkammer 4 geleitet. Das Trägergas kann auch in Verbindung mit der Pulverzuführung 3 in die Zuführkammer 4 der Kaltgasspritzdüse 1 geleitet werden.
Die Kaltspritzdüse 1 weist insgesamt einen Strömungskanal 6 auf, der beidseitig konisch zu einem engsten Querschnitt 7 in der Mitte zulaufende Konturen zeigt. Damit geht der Strömungskanal 6 also an seinem engsten Querschnitt 7 von einem in Strömungsrichtung S sich verengenden Abschnitt 6A aus der Zuführkammer 4 in einen sich in Strömungsrichtung S erweiternden Abschnitt 6B über.
Nach der Vermischung der Spritzpartikel bzw. des Spritzpulvers mit dem Trägergas in der Zuführkammer 4 wird das Gas-Partikel-Gemisch also in dem verengenden Abschnitt 6A verdichtet und durch den engsten Querschnitt 7 gedrückt. Hier werden das Gemisch und damit auch die Spritzpartikel auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Die beschleunigten
Spritzpartikel werden bei der Expansion im sich erweiternden Abschnitt 6B weiter beschleunigt und dann durch einen Düsenaustritt in einem Sprühstrahl 8 auf ein zu beschichtendes Substrat 9 geführt. Dort haften sie infolge ihrer hohen kinetischen Energie an und werden zu einer kompakten Beschichtung verdichtet.
Um ein Ansetzen von Spritzpartikeln an dem engsten Querschnitt 7 der Kaltgasspritzdüse 1 oder gar ein Verstopfen der Kaltspritzdüse 1 mit Spritzpartikeln zu verhindern, ist die Kaltgasspritzdüse 1 mit einer Einrichtung zur gezielten Zufuhr von kaltem oder gekühltem Spülgas ausgerüstet. Diese Einrichtung ist insbesondere beim Einsatz von Hartstoff-Materialien, wie sie für die Beschichtung von Turbinenschaufeln verwendet werden, von Vorteil.
Hierzu ist beispielsweise, wie in der Figur dargestellt, eine Spülgasdüse 10 in der Blende 3 angeordnet. Die Spülgasdüse 10 ist auf den engsten Querschnitt 7 der Kaltspritzdüse 1 in deren Strömungskanal gerichtet. Hierzu kann die Spülgasdüse auch in Verbindung mit der Pulverzu- führung 3 angeordnet sein.
Die Temperatur des in die Kaltgasspritzdüse 1 eingespeisten Trägergases kann beliebig hoch gewählt werden, weil an dem engsten Querschnitt 7 der Kaltgasspritzdüse 1 bei der Expansion des Trägergases das Trägergas schlagartig abgekühlt wird. Wenn also die Kaltgasspritzdüse 1 mit 600 Grad Celsius heißem Trägergas gespeist wird, kann die Gastemperatur auf der sich erweiternden Seite der Kaltgasspritzdüse weniger als 300 Grad Celsius, betragen. Andererseits ist die Gasgeschwindigkeit innerhalb der Kaltgasspritzdüse 1 von der Temperatur des in die Kaltgasspritzdüse 1 eingespeisten Trägergases abhängig. Es kann also besonders vorteilhaft sein, wenn die Kaltgasspritzdüse 1 mit einem Trägergas gespeist werden kann, das eine Temperatur von über 500 Grad Celsius, insbesondere von über 800 Grad Celsius und gegebenenfalls auch von über 1200 Grad Celsius, aufweist. Auf diese Weise können höhere Gasgeschwindigkeiten erreicht werden. Damit werden entsprechend höhere Partikelgeschwindigkeiten erreicht, wodurch insbesondere bei der Beschichtung von Turbinenschaufeln eine deutlich bessere Effizienz erreicht wird und weitaus beständigere Schichten gebildet werden.
Bei einem auf diese Weise entstehenden Temperaturniveau im Betriebszustand der Kaltgas- spritzdüse 1 ermöglicht eine besonders effiziente Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens über weite Betriebsbereiche.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann wie folgt angewendet werden: Die bekannten Verfahrensschritten des Kaltgasspritzens umfassen die Zufuhr von Trägergas unter vorgewähltem oder einstellbarem Druck und vorgewählter oder einstellbarer Temperatur in die Zufuhrkarnmer 4 der Kaltgasspritzdüse 1. Weiterhin wird in die Zuführkammer 4 ein der Beschichtung entsprechendes Spritzpulver oder ein Strom von Spritzpartikeln zugeführt. Damit kann das Spritzpulver bzw. die Spritzpartikel mittels des Trägergases durch die Kaltgasspritzdü- se 1 beschleunigt und auf das Substrat so aufgebracht, dass sich dort eine kalt-kinetisch verfestigte (kompaktierte) Schicht ausbilden kann.
Zur Vermeidung einer Leistungs- oder Qualitätsminderung der Funktion der Kaltspritzdüse 1 ist für das Verfahren weiterhin vorgesehen, dass in einer Unterbrechung oder am Ende eines Spritzprozesses ein kaltes oder gekühltes Spülgas in die Kaltspritzdüse eingeleitet wird. Dabei werden in dem engsten Querschnitt 7 der Kaltgasspritzdüse 1 anhaftende Pulverteile oder Spritzpartikel abgekühlt, so dass sie sich von der Oberfläche der Kaltspritzdüse 1 ablösen. Der Spülgasstrom fördert danach die gelösten Pulverteile oder Spritzpartikel aus der Kaltgas- spritzdüse 1 gleichzeitig ab.
Zur Sicherung der Prozessbedingungen und der Reinheit des Prozessraumes kann der Spülgas- ström abgesaugt werden. Möglich ist auch eine mechanische Ableitung des Spülgasstromes am Austritt der altgasspritzdüse 1 , so dass die aus der altgasspritzdüse 1 entfernten Pul verteile oder Spritzpartikel nicht auf ein Substrat gelangen oder den Prozessraum verschmutzen können.
Nach Unterbrechung des Spritzvorganges und das Einleiten des kalten oder gekühlten Spülgases in die Kaltgasspritzdüse 1 kann die Fortsetzung oder Beendigung des jeweiligen Spritzprozesses vorgesehen sein.
Als Spülgas kann ein gekühltes Trägergas verwendet, wie es auch für den Spritzprozess Anwendung findet. Weiterhin kann als Spülgas auch ein kaltes oder gekühltes Inertgas wie etwa flüssiges C02 verwendet werden.
Wenn das Spülgas kalt zugeführt werden soll, ist eine Kühleinrichtung für den Spülgasspeicher vorzusehen ist.
Weiterhin kann das Spülgas aber auch erst direkt vor der Einleitung in die Kaltspritzdüse 1 abgekühlt werden, so dass nur die jeweils verwendete Gasmenge gekühlt werden muss.
Letztere Alternative eignet sich auch für die Verwendung von im Kaltgasspritzprozess eingesetztem Trägergas. Dieses Trägergas wird dann vor der Einleitung in die Kaltgasspritzdüse 1 nicht vorgewärmt sondern gekühlt
Vorzugsweise wird die Einleitung des Spülgases aber in wenigstens einer oder in allen Pausen zwischen aufeinander folgenden Spritzprozessstufen durchgeführt.
Der Spülvorgang mit kaltem Spülgas erfolgt so, dass eine schlagartige Temperaturabsenkung an den in der Kaltgasspritzdüse 1 anhaftenden Pulverteilen oder Spritzpartikeln erfolgt. Dabei soll der Ablöseprozess schnell erfolgen und gleichzeitig die warme und im Vergleich zu den
Ablagerungen dickwandige Kaltgasspritzdüse 1 möglichst wenig gekühlt werden, um Beschädigungen zu vermeiden. Hierzu sind die Menge und die Temperatur des Spülgases vorwählbar und können auf den Spritzprozess und/oder die dabei verwendeten Werkstoffe sowie auf den
Werkstoff der Kaltgasspritzdüse 1 (Temperaturempfindlichkeit) abstimmbar. Der Spülvorgang selbst kann zur Verringerung von Stillstandszeiten stoßartig erfolgen, so dass eine schlagartige Temperaturabsenkung an den in der Kaltgasspritzdüse 1 anhaftenden Pulverteile oder Spritzpartikel erfolgt. Dann wird der Ablöseprozess schnell erfolgen.
Gemäß Erfahrungswerten kann die Abkühlung mittels Spülgas auch in Abhängigkeit von einer Temperaturmessung an der Spritzdüse erfolgen. Dann wird Spülgas so weit abgekühlt oder so lange zugeführt bis an dem engsten Querschnitt 7 der Kaltgasspritzdüse 1 eine bestimmte auf das verwendete Spritzmaterial abgestimmte Materialtemperatur erreicht worden ist und die Pulver- teile oder Spritzpartikel sicher abplatzen, wobei die Kaltgasspritzdüse 1 möglichst wenig abgekühlt wird und so nicht beschädigt werden kann.
Grundsätzlich wird das Spülgas hinsichtlich einer Menge und einer Temperatur gesteuert in die Kaltgasspritzdüse 1 eingeleitet. Menge und Temperatur werden so gewählt, dass eine schnelle Abkühlung der Ablagerungen und eine kleinst mögliche Abkühlung der Kaltgasspritzdüse 1 erfolgt.
Die Zuführung des Spülgases zu der Kaltgasspritzdüse 1 kann dabei hinsichtlich des Druckes und/oder des Volumens und der Temperatur des durchzusetzenden Spülgases gesteuert werden, um die Kühlwirkung von an der Innenfläche der Kaltgasspritzdüse 1 anhaftenden Partikeln des Spritzpulvers zu maximieren und gleichzeitig einen bestmöglichen Reinigungseffekt für durch die Kühlung gelöste Partikel zu erzielen.
So kann etwas zu Beginn der Spülgaszufuhr ein großer Volumenstrom an Spülgas zur schnellen Abkühlung eingeleitet werden. Danach kann durch eine Druckerhöhung die Entfernung der gelösten Partikel unterstützt werden.
Die Steuerung des Vorganges der Spülung mit Spülgas kann in Abhängigkeit vom Status eines Spritzprozesses erfolgen. Hierbei kann ein Spülvorgang in Abhängigkeit von der Betriebsdauer der Anlage oder während eines einzelnen Spritzprozesses eingeleitet werden. Dabei wird selbstverständlich die Kontinuität der Beschichtung mit berücksichtigt. Weiterhin kann die Spülung in Abhängigkeit von der Art des verarbeiteten Spritzwerkstoffes eingestellt werden. Hier wird berücksichtigt, wie die Tendenz von bestimmten Spritzwerkstoffen zum Anhaften in der Kaltgasspritzdüse 1 zu sehen ist. Dabei kann auch auf die Werkstoffpaarung zwischen Düsenwerkstoff und Spritzwerkstoff Berücksichtigung finden.
Wie in der Figur dargestellt kann auch eine separate Leitung als Spülgaszuführung bzw. als Spülgasdüse 10 für das Spülgas vorgesehen werden. Die Spülgasdüse 10 erzeugt einen Spülgasstrahl 1 1 , der auf den engsten Querschnitt 7 der Kaltgasspritzdüse 1 gerichtet ist. Die Spülung mit Spülgas kann mittels der Trägergaszuführung (Trägergasanschluss 5) flächig auf die gesamte Düsenstruktur gerichtet werden. Hier ist wie oben erwähnt eine Kühlung des Trägergases notwendig. Diese kann vorteilhaft der Kaltgasspritzdüse 1 direkt vorgeschaltet sein.
Die Ausführung gemäß der Figur zeigt jedoch eine gezielt für einen oder einzelne ausgewählte Bereiche ausgerichtete Spülgaszufuhrung in dem Spülgasstrahl 1 1 über die Spülgasdüse 10.
Mittels der Spülung der Kaltgasspritzdüsen 1 wird also erreicht, dass sich die warmen Partikel der Ablagerungen in der Kontur der Kaltgasspritzdüse 1 so schnell wie möglich abkühlen und damit eine Veränderung ihrer Abmessung erfahren. Die Ablagerungen lösen sich durch die Verformung auf und werden von der inneren Kontur (Abschnitt 6A, engster Querschnitt 7,
Abschnitt 6B) der Kaltgasspritzdüse 1 getrennt.
Mittels des Spülstrahles 1 1 können dann die losen Partikel aus der Kaltgasspritzdüse 1 heraus geblasen werden.
Beim Austritt aus der Kaltgasspritzdüse 1 kann schließlich noch eine Absaugeinrichtung 12 vorgesehen sein, mittels derer die als Verschmutzung anzusehenden Partikel von dem Substrat bzw. aus dem Prozessraum abgeführt werden.
Zur Fernhaltung der Schmutzpartikel vom Substrat oder aus dem Prozessraum kann auch eine mechanische Abieiteinrichtung angeordnet sein, die beim Spülen vor den Austritt der Kaltgasspritzdüse 1 verbracht wird und dabei den austretenden Spülgasstrahl samt der mit dem Spülgas geförderten Schmutzpartikel seitlich ableiten kann.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Schicht mittels einer Kaltgasspritzdüse (1) zum Auftragen von Spritzpulver / Spritzpartikeln mittels eines Trägergases auf ein Substrat (9) in einem Spritzvorgang, dadurch gekennzeichnet,
dass der Kaltgasspritzdüse (1) während einer Unterbrechung oder bei Beendigung eines Spritzvorgangs ein Spülgas zur Abkühlung und dadurch zur Ablösung von Ablagerungen zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine Unterbrechung des Spritzvorganges, das Einleiten eines kalten oder gekühlten Spülgases in die Kaltgasspritzdüse (1) und die Fortsetzung des Spritzvorganges vorgesehen sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Beendigung eines Spritzvorganges und das Einleiten eines kalten oder gekühlten Spülgases in die Kaltgasspritzdüse (1) vorgesehen sind.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Einleitung des Spülgases in die Kaltgasspritzdüse (1) in Pausen zwischen aufeinander folgenden Spritzvorgängen durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass als Spülgas ein gekühltes Trägergas des Spritzvorganges oder ein separates kaltes Gas, vorzugsweise ein Inertgas, verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass das Spülgas der Kaltgasspritzdüse (1) hinsichtlich eines Volumens und/oder einer Temperatur gesteuert zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerung des Spülvorgangs in Abhängigkeit vom Status des Spritzvorganges und/oder von der Betriebsdauer des Spritzvorganges und/oder von der Art des verarbeite- ten Spritzwerkstoffes eingestellt wird.
8. altgasspritzdüse (1) zum Beschleunigen von Trägergas und Spritzpulver / Spritzpartikeln mit einem Strömungskanal (6) und mit einer Pulverzuführung (3) und einem Trägergasan- schluss (5), die in eine Zuführkammer (4) münden, wobei die Zuführkammer (4) einen Teil des Strömungskanals (6) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführkammer (4) eine Zuführung für ein kaltes oder gekühltes Spülgas zugeordnet ist, wobei mittels des Spülgases Ablagerungen in der Kaltgasspritzdüse (1) abkühlbar und dadurch ablösbar sind.
9. Kaltgasspritzdüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass zur Zuführung des Spülgases zur Kaltgasspritzdüse (1) eine Zufuhreinrichtung des Trägergases vorgesehen ist oder dass eine von der Trägergaszuführung unabhängige Spülgaszuführung vorgesehen ist.
10. Kaltgasspritzdüse nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuerung vorgesehen ist, mittels der die Zuführung des Spülgases hinsichtlich des Druckes und/oder des Volumens steuerbar ist.
1 1. Kaltgasspritzdüse nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuerung vorgesehen ist, mittels der die Zuführung des Spülgases in Abhängigkeit vom Status eines Spritzvorganges und/oder von der Betriebsdauer eines Spritzvorganges und/oder von der Art des verarbeiteten Spritzwerkstoffes eingestellt wird.
12. Kaltgasspritzdüse nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Kaltgasspritzdüse (1) ausgangsseitig eine Ableitvorrichtung für aus der Kaltgasspritzdüse (1) mittels des Spülgases ausgeblasene Partikel zugeordnet ist, wobei die Ableitvorrichtung als Absaugeinrichtung (12) oder als mechanische Ableitvorrichtung ausgebildet ist.
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