WO2021104876A1 - Cold gas spraying system comprising a heating gas nozzle and method for coating a substrate - Google Patents

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WO2021104876A1
WO2021104876A1 PCT/EP2020/081745 EP2020081745W WO2021104876A1 WO 2021104876 A1 WO2021104876 A1 WO 2021104876A1 EP 2020081745 W EP2020081745 W EP 2020081745W WO 2021104876 A1 WO2021104876 A1 WO 2021104876A1
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gas
heating
substrate
nozzle
jet
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PCT/EP2020/081745
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Axel Arndt
Uwe Pyritz
Manuela Schneider
Oliver Stier
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Siemens Aktiengesellschaft
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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

Definitions

  • the invention relates to a cold gas spray system and a method for coating a substrate with a cold gas spray system.
  • the method described is also referred to as cold spray.
  • the use of this method or such a system has the advantage that the thermal load on the coating particles and the substrate compared to other thermal spraying methods (in English: "Thermal spray"), for example plasma spray, can be kept low, so that the structure of the coating particles is little or not influenced.
  • coating particles with special properties can be used for the production of layers without the properties of the coating particles being impaired due to thermal loading thereof.
  • a method for coating a workpiece is known from EP 1844 181 B1, in which particles of a coating material are accelerated towards the surface of the workpiece to be coated by means of a cold gas spray nozzle, the particles being acted upon in the cold gas jet with an amount of energy that is too small, to bring about permanent adhesion of the particles to the surface and that permanent adhesion of the particles is generated by a local entry of electromagnetic radiation into the surface.
  • the spray system for coating a substrate has a cold gas nozzle for generating a particle beam which strikes the substrate in a beam area and forms a coating there.
  • the cold gas spray system has a heating nozzle which is designed to generate a heating gas jet for temperature control, in particular for heating, of the substrate in the jet area.
  • the heating nozzle is arranged and / or designed in such a way that the heating gas jet hits the jet area in such a way that the substrate in the jet area and possibly beyond is tempered before and / or while the particle jet hits.
  • the advantage is that the preheating of the substrate material, which is now possible and carried out very promptly with regard to the coating process, considerably improves the adhesive strength of the particles on the substrate.
  • the invention is based on the knowledge that the ductility of the substrate can be optimally adjusted by tempering the substrate.
  • the device on which the invention is based thus leads a heating gas jet that is different from the particle beam until immediately in front of or on the coating zone. In this way, the substrate is tempered, in particular heated, immediately before the coating, and a time-shifted cooling of the binding site and its oxidation are thus prevented.
  • the cold gas spray system has a gas source which is designed to provide a gas, in particular an inert gas, for the heating gas jet.
  • a gas in particular an inert gas
  • Protective gases and / or inert gases are of advantage, since in this way oxidation of the substrate and / or the coating can be almost completely prevented.
  • the cold gas spray system has a gas source which is designed to provide a gas, in particular an inert gas, for the heating gas jet and the particle jet.
  • a gas source which is designed to provide a gas, in particular an inert gas, for the heating gas jet and the particle jet.
  • the common gas source now provided can thus provide gas for both nozzles. It is conceivable that a separate temperature control unit is provided for generating the heating gas jet becomes. This has the advantage that the system can be made compact and economically favorable. The flexibility to set different temperatures is retained.
  • the heating nozzle is arranged and / or designed in such a way that the heating gas jet heats the temperature of the jet area before the particle jet hits it.
  • the cold gas nozzle and the heating nozzle are arranged in a common nozzle housing. This can be implemented in such a way that the heating nozzle is arranged in such a way that the heating gas jet always leads the particle jet by a certain distance.
  • the cold gas spray system has one or more gas heating devices which are designed such that the temperature of the heating gas jet can be set independently of the temperature of the particle jet.
  • the heating gas can thus have a different temperature than the transport gas exiting the spray nozzle for the cold gas jet.
  • the cold gas spray system can have a gas source which is designed such that the temperature of the heating gas jet can be set independently, in particular differently, from the temperature of the particle jet. It is conceivable that a separate gas source is provided for the particle beam and another gas source is provided for the heating nozzle. Since inert gases are also suitable as propellants, i.e. to accelerate the particle beam, a single gas source can also be used for the particle beam and heating nozzle. If necessary, two gas heating devices can be used for independent gene temperature control of the gas in the cold gas spray nozzle and the heating nozzle can be provided.
  • the heating nozzle is designed to be movable relative to the cold gas spray nozzle.
  • the heating nozzle can be positioned both in front of the cold gas jet and after the cold gas jet in order to allow flexible temperature control around the jet area.
  • the cold gas spray system has a second heating nozzle which is designed to control the temperature of particles that have already been deposited on the substrate. Tempering, in particular controlled cooling, by the second heating nozzle can have an advantageous effect on the quality of the layer.
  • the object is also achieved by a method for Beschich th a substrate with a cold gas spray system.
  • the cold gas spray system has a cold gas nozzle for generating a particle beam.
  • the cold gas jet strikes the substrate in a jet area.
  • the substrate is tempered richly by a heating gas jet in Strahlbe.
  • the heating gas jet can be generated by a heating gas nozzle. Tempering is to be understood here in such a way that the substrate z. B. preheated and thus more ductile. The higher ductility leads to a higher layer quality, since the particles can better embed themselves in the substrate. It is therefore possible to set an optimal temperature control for the pairing of substrate and particle.
  • the beam area is tempered before the particle beam impinges. This ensures that the beam area is already at an optimal temperature when the particle beam hits. shows. It is also conceivable for the beam area to be further tempered while the particle beam is already impinging. This can be implemented in such a way that the gas jet is fanned out wider and tempered a zone in front of the jet and the zone that has just been coated.
  • the temperature of the beam area is controlled as a function of a layer thickness to be built up.
  • the thicker the layer to be built up, the warmer the substrate could be, e.g. to build up a base layer in which the particles penetrate particularly deeply, but not completely, into the substrate.
  • the temperature of the beam area is controlled at a temperature different from the temperature of the particle beam. This enables a particularly precise setting of the temperature of the beam area, the temperature being optimized for the material of the substrate in the beam area. Thus, for different materials of the particles and of the substrate at different temperatures, optimal embedding of the particles in the surface of the substrate can be made possible.
  • the jet area is tempered with an inert gas.
  • an inert gas that is to say a gas which is inert with respect to the substrate material and / or the particle material, improves the coating quality in that corrosion of the substrate and / or the particles can be suppressed.
  • Technical nitrogen i.e. the nitrogen does not have to be highly pure, e.g.> 99.8% by volume; H20 ⁇ 40 ppmv / v and 02 ⁇ 100 ppmv / v
  • argon or water vapor e.g. superheated steam
  • the figure shows an embodiment of a cold gas spray system with a heating nozzle.
  • the FIGURE shows a cold gas spray system 100 which generates a particle beam 10 for coating a substrate 50.
  • the particle beam 10 emerges from a cold gas spray nozzle 110 at supersonic speed. It has been shown that the gas temperature of the transport gas of the particle jet 10 when it emerges from the cold gas nozzle 110 is not suitable for optimally controlling the temperature of the substrate.
  • the used particles are accelerated by expansion of a gas, which comes from a gas source 140 in the cold gas spray nozzle 110.
  • the gas source 140 also supplies the gas for a heating gas jet 20 which emerges from a heating nozzle 120.
  • a Strahlbe rich 15 is drawn, in which the particle beam 10 is to auftref fen or impinges.
  • the Strahlbe is rich 15 by the particle beam 10 with particles beschich tet.
  • the heating gas beam 20 also strikes the beam area 15. This increases the ductility of the substrate and thus better embeds the particles.
  • the heating gas jet 20 can be arranged in front of the particle jet 10 when the cold gas nozzle 110 moves in the direction of movement in order to temper the jet area 15 to be coated before the particle jet 10 hits.
  • One or one heating device for heating the gases can also be provided in the gas source.
  • the invention relates to a cold gas spray system 100 for coating a substrate 50 having a cold gas nozzle 110 for generating a particle beam 10 which strikes the substrate 50 in a beam region 15.
  • the cold gas spraying system 100 have a heating nozzle 120 which is designed to generate a heating gas jet 20 for tempering the substrate 50 in the jet area 15 .
  • the invention also relates to a method for coating a substrate 50 with a cold gas spray system 100.

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Abstract

The invention relates to a cold gas spraying system (100) for coating a substrate (50) comprising a cold gas nozzle (110) for generating a particle beam (10), which impinges on the substrate (50) in a beam region (15). According to the invention, in order to improve the adhesion of particles on the substrate (50) to be coated and therefore improve the layer quality, the cold gas spraying system (100) has a heating nozzle (120) which is designed to generate a heating gas beam (20) for heating the substrate (50) in the beam region (15). The invention also relates to a method for coating a substrate (50) using a cold gas spraying system (100).

Description

Beschreibung description
Kaltgas-Spritzanlage mit einer Heizgasdüse und Verfahren zum Beschichten eines Substrats Cold gas spray system with a heating gas nozzle and method for coating a substrate
Die Erfindung betrifft eine Kaltgas-Spritzanlage sowie ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit einer Kaltgas- Spritzanlage . The invention relates to a cold gas spray system and a method for coating a substrate with a cold gas spray system.
Das beschriebene Verfahren wird auch als Kaltgasspritzen (im Englischen „cold spray") bezeichnet. Die Verwendung dieses Verfahrens bzw. einer derartigen Anlage hat den Vorteil, dass die thermische Belastung der Beschichtungspartikel und des Substrates im Vergleich zu anderen thermischen Spritzverfah ren (im Englischen: „thermal spray"), beispielsweise Plasma spritzen, geringgehalten werden kann, so dass das Gefüge der Beschichtungspartikel wenig oder gar nicht beeinflusst wird. Hierdurch lassen sich Beschichtungspartikel mit besonderen Eigenschaften für die Herstellung von Schichten verwenden, ohne dass die Eigenschaften der Beschichtungspartikel auf grund einer thermischen Belastung derselben beeinträchtigt würde. The method described is also referred to as cold spray. The use of this method or such a system has the advantage that the thermal load on the coating particles and the substrate compared to other thermal spraying methods (in English: "Thermal spray"), for example plasma spray, can be kept low, so that the structure of the coating particles is little or not influenced. As a result, coating particles with special properties can be used for the production of layers without the properties of the coating particles being impaired due to thermal loading thereof.
Aus EP 1844 181 Bl ist ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstückes bekannt, bei dem Partikel eines Beschichtungs stoffes mittels einer Kaltgas-Spritzdüse zur beschichtenden Oberfläche des Werkstückes hin beschleunigt werden, wobei die Partikel im Kaltgasstrahl mit einer Energiemenge beaufschlagt werden, die zu gering ist, um eine bleibende Haftung der Par tikel auf der Oberfläche hervorzurufen und dass eine bleiben de Haftung der Partikel durch einen lokalen Eintrag von elektromagnetischer Strahlung in die Oberfläche erzeugt wird. A method for coating a workpiece is known from EP 1844 181 B1, in which particles of a coating material are accelerated towards the surface of the workpiece to be coated by means of a cold gas spray nozzle, the particles being acted upon in the cold gas jet with an amount of energy that is too small, to bring about permanent adhesion of the particles to the surface and that permanent adhesion of the particles is generated by a local entry of electromagnetic radiation into the surface.
Es ist Aufgabe der Erfindung die Anhaftung von Partikeln an ein zu beschichtendes Substrat zu verbessern. It is the object of the invention to improve the adhesion of particles to a substrate to be coated.
Diese Aufgabe wird durch eine Kaltgas-Spritzanlage mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Kaltgas- Spritzanlage zum Beschichten eines Substrats weist dazu eine Kaltgas-Düse zum Erzeugen eines Partikelstrahls auf, der auf dem Substrat in einem Strahlbereich auftrifft und dort eine Beschichtung bildet. Ferner weist die Kaltgas-Spritzanlage eine Heizdüse auf, die zum Erzeugen eines Heizgasstrahls zum Temperieren, insbesondere zum Erwärmen, des Substrats im Strahlbereich ausgebildet ist. Die Heizdüse ist dabei so an geordnet und/oder ausgebildet, dass der Heizgasstrahl so auf den Strahlbereich trifft, dass das Substrat im Strahlbereich und ggf. darüber hinaus temperiert wird bevor und/oder wäh rend der Partikelstrahl auftrifft. Der Vorteil liegt darin, dass die nun mögliche und bzgl. des Beschichtungsprozesses sehr zeitnah durchgeführte Vorheizung des Substratmaterials die Haftfestigkeit der Partikel am Substrat erheblich verbes sert. Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass durch ein Temperieren des Substrats die Duktilität des Sub strats optimal einstellbar ist. Die der Erfindung zugrunde liegende Vorrichtung führt also einen vom Partikelstrahl un terschiedlichen Heizgasstrahl bis unmittelbar vor bzw. an die Beschichtungszone. Damit wird das Substrat unmittelbar vor der Beschichtung temperiert, insbesondere erwärmt, und damit eine zeitlich versetzte Entwärmung der Bindungsstelle und de ren Oxidation verhindert. This object is achieved by a cold gas spray system with the features specified in claim 1. The cold gas For this purpose, the spray system for coating a substrate has a cold gas nozzle for generating a particle beam which strikes the substrate in a beam area and forms a coating there. Furthermore, the cold gas spray system has a heating nozzle which is designed to generate a heating gas jet for temperature control, in particular for heating, of the substrate in the jet area. The heating nozzle is arranged and / or designed in such a way that the heating gas jet hits the jet area in such a way that the substrate in the jet area and possibly beyond is tempered before and / or while the particle jet hits. The advantage is that the preheating of the substrate material, which is now possible and carried out very promptly with regard to the coating process, considerably improves the adhesive strength of the particles on the substrate. The invention is based on the knowledge that the ductility of the substrate can be optimally adjusted by tempering the substrate. The device on which the invention is based thus leads a heating gas jet that is different from the particle beam until immediately in front of or on the coating zone. In this way, the substrate is tempered, in particular heated, immediately before the coating, and a time-shifted cooling of the binding site and its oxidation are thus prevented.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgas- Spritzanlage eine Gasquelle auf, die zum Bereitstellen eines Gases, insbesondere eines Inertgases, für den Heizgasstrahl ausgebildet ist. Schutzgase und/oder Inertgase sind von Vor teil, da so eine Oxidation des Substrats und/oder der Be schichtung fast vollständig verhindert werden kann. In a further embodiment, the cold gas spray system has a gas source which is designed to provide a gas, in particular an inert gas, for the heating gas jet. Protective gases and / or inert gases are of advantage, since in this way oxidation of the substrate and / or the coating can be almost completely prevented.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgas- Spritzanlage eine Gasquelle auf, die zum Bereitstellen eines Gases, insbesondere eines Inertgases, für den Heizgasstrahl und den Partikelstrahl ausgebildet ist. Es kann somit durch die nun vorgesehene gemeinsame Gasquelle Gas für beide Düsen bereitgestellt werden. Es ist denkbar, dass eine separate Temperiereinheit zum Erzeugen des Heizgasstrahls vorgesehen wird. Dies hat den Vorteil, dass die Anlage kompakt und wirt schaftlich günstig ausgestaltet werden kann. Die Flexibilität unterschiedliche Temperaturen einstellen zu können bleibt er halten. In a further embodiment, the cold gas spray system has a gas source which is designed to provide a gas, in particular an inert gas, for the heating gas jet and the particle jet. The common gas source now provided can thus provide gas for both nozzles. It is conceivable that a separate temperature control unit is provided for generating the heating gas jet becomes. This has the advantage that the system can be made compact and economically favorable. The flexibility to set different temperatures is retained.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Heizdüse so ange ordnet und/oder ausgebildet, dass der Heizgasstrahl den Strahlbereich vor Auftreffen des Partikelstrahls temperiert, d.h. erwärmt. Dies hat den Vorteil, dass das Substrat an der Stelle, an der der Partikelstrahl als nächstes eine Beschich tung aufträgt bereits eine optimale Temperatur und damit Duk tilität aufweist, um eine optimale Beschichtung zu bilden. In a further embodiment, the heating nozzle is arranged and / or designed in such a way that the heating gas jet heats the temperature of the jet area before the particle jet hits it. This has the advantage that the substrate already has an optimal temperature and thus ductility at the point at which the particle beam next applies a coating in order to form an optimal coating.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Kaltgas-Düse und die Heizdüse in einem gemeinsamen Düsen-Gehäuse angeordnet. Dies kann so realisiert werden, dass die Heizdüse so angeord net ist, dass der Heizgasstrahl dem Partikelstrahl immer um einen gewissen Abstand vorauseilt. In a further embodiment, the cold gas nozzle and the heating nozzle are arranged in a common nozzle housing. This can be implemented in such a way that the heating nozzle is arranged in such a way that the heating gas jet always leads the particle jet by a certain distance.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgas- Spritzanlage ein oder mehrere Gas-Heizeinrichtungen auf, die so ausgebildet sind, dass die Temperatur des Heizgasstrahls unabhängig von der Temperatur des Partikelstrahls einstellbar ist. Das Heizgas kann somit eine andere Temperatur aufweisen wie das aus der Spritzdüse austretende Transportgas für den Kaltgasstrahl. In a further embodiment, the cold gas spray system has one or more gas heating devices which are designed such that the temperature of the heating gas jet can be set independently of the temperature of the particle jet. The heating gas can thus have a different temperature than the transport gas exiting the spray nozzle for the cold gas jet.
Ferner kann die Kaltgas-Spritzanlage eine Gasquelle aufwei sen, die so ausgebildet ist, dass die Temperatur des Heiz gasstrahls unabhängig, insbesondere verschieden, von der Tem peratur des Partikelstrahls einstellbar ist. Es ist denkbar, dass eine separate Gasquelle für den Partikelstrahl und eine weitere Gasquelle für die Heizdüse vorgesehen ist. Da Inert gase aber ebenso als Treibgas, also zur Beschleunigung des Partikelstrahls geeignet sind, kann auch eine einzige Gas quelle für Partikelstrahl und Heizdüse eingesetzt werden. Es können bedarfsweise zwei Gasheizvorrichtungen zum unabhängi- gen Temperieren des Gases in der Kaltgas-Spritzdüse und der Heizdüse vorgesehen sein. Furthermore, the cold gas spray system can have a gas source which is designed such that the temperature of the heating gas jet can be set independently, in particular differently, from the temperature of the particle jet. It is conceivable that a separate gas source is provided for the particle beam and another gas source is provided for the heating nozzle. Since inert gases are also suitable as propellants, i.e. to accelerate the particle beam, a single gas source can also be used for the particle beam and heating nozzle. If necessary, two gas heating devices can be used for independent gene temperature control of the gas in the cold gas spray nozzle and the heating nozzle can be provided.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Heizdüse relativ zur Kaltgas-Spritzdüse beweglich ausgebildet. Dies könnte beispielsweise eine an einem Roboterarm montierte Heizgasdüse sein, die so positioniert werden kann, dass jede der Bewe gungsrichtungen der Kaltgas-Düse mit einer Temperierung des Substrats vereint werden kann. Dabei kann die Heizdüse sowohl vor dem Kaltgasstrahl als auch nach dem Kaltgasstrahl positi oniert werden, um eine Temperierung um den Strahlbereich her um flexibel zu ermöglichen. In a further embodiment, the heating nozzle is designed to be movable relative to the cold gas spray nozzle. This could, for example, be a heating gas nozzle mounted on a robot arm, which can be positioned in such a way that each of the movement directions of the cold gas nozzle can be combined with a temperature control of the substrate. The heating nozzle can be positioned both in front of the cold gas jet and after the cold gas jet in order to allow flexible temperature control around the jet area.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgas- Spritzanlage eine zweite Heizdüse auf, die zum Temperieren von bereits auf dem Substrat abgeschiedenen Partikeln ausge bildet ist. Ein Temperieren, insbesondere ein gesteuertes Ab kühlen, durch die zweite Heizdüse kann sich vorteilhaft auf die Schichtqualität auswirken. In a further embodiment, the cold gas spray system has a second heating nozzle which is designed to control the temperature of particles that have already been deposited on the substrate. Tempering, in particular controlled cooling, by the second heating nozzle can have an advantageous effect on the quality of the layer.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Beschich ten eines Substrats mit einer Kaltgas-Spritzanlage gelöst.The object is also achieved by a method for Beschich th a substrate with a cold gas spray system.
Die Kaltgas-Spritzanlage weist dazu eine Kaltgas-Düse zum Er zeugen eines Partikelstrahls auf. Der Kaltgasstrahl trifft auf dem Substrat in einem Strahlbereich auf. Das Substrat wird erfindungsgemäß durch einen Heizgasstrahl im Strahlbe reich temperiert. Der Heizgasstrahl kann durch eine Heizgas düse erzeugt werden. Temperieren ist hier so zu verstehen, dass das Substrat z. B. vorgeheizt und damit duktiler wird. Die höhere Duktilität führt zu einer höheren Schichtqualität, da die Partikel sich besser ins Substrat einbetten können. Es kann also eine für die Paarung aus Substrat und Partikel op timale Temperierung eingestellt werden. For this purpose, the cold gas spray system has a cold gas nozzle for generating a particle beam. The cold gas jet strikes the substrate in a jet area. According to the invention, the substrate is tempered richly by a heating gas jet in Strahlbe. The heating gas jet can be generated by a heating gas nozzle. Tempering is to be understood here in such a way that the substrate z. B. preheated and thus more ductile. The higher ductility leads to a higher layer quality, since the particles can better embed themselves in the substrate. It is therefore possible to set an optimal temperature control for the pairing of substrate and particle.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlbereich vor Auftreffen des Partikelstrahls temperiert. Dies stellt si cher, dass der Strahlbereich zum Zeitpunkt des Auftreffens des Partikelstrahls bereits eine optimale Temperatur auf- weist. Es ist ebenso denkbar, dass der Strahlbereich noch während der Partikelstrahl bereits auftrifft weiter tempe riert wird. Dies kann so realisiert werden, dass der Gas strahl breiter aufgefächert ist und eine Zone vor dem Strahl sowie die soeben beschichtete Zone temperiert. In a further embodiment, the beam area is tempered before the particle beam impinges. This ensures that the beam area is already at an optimal temperature when the particle beam hits. shows. It is also conceivable for the beam area to be further tempered while the particle beam is already impinging. This can be implemented in such a way that the gas jet is fanned out wider and tempered a zone in front of the jet and the zone that has just been coated.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlbereich ab hängig von einer aufzubauenden Schichtdicke temperiert. Je dicker die aufzubauende Schicht, desto wärmer könnte das Sub strat sein, um z.B. eine Grundschicht aufzubauen, in der die Partikel besonders tief, aber nicht vollständig, in das Sub strat eindringen. In a further embodiment, the temperature of the beam area is controlled as a function of a layer thickness to be built up. The thicker the layer to be built up, the warmer the substrate could be, e.g. to build up a base layer in which the particles penetrate particularly deeply, but not completely, into the substrate.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlbereich mit einer von der Temperatur des Partikelstrahls verschiedenen Temperatur temperiert. Dies ermöglicht eine besonders genaue Einstellung der Temperatur des Strahlbereichs, wobei die Tem peratur auf das Material des Substrats im Strahlbereich opti miert ist. So kann für verschiedene Materialien der Partikel und des Substrats mit verschiedenen Temperaturen eine optima le Einbettung der Partikel in die Oberfläche des Substrats ermöglicht werden. In a further embodiment, the temperature of the beam area is controlled at a temperature different from the temperature of the particle beam. This enables a particularly precise setting of the temperature of the beam area, the temperature being optimized for the material of the substrate in the beam area. Thus, for different materials of the particles and of the substrate at different temperatures, optimal embedding of the particles in the surface of the substrate can be made possible.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlbereich mit einem Inertgas temperiert. Das Verwenden eines Inertgases, also eines bezüglich des Substratmaterials und/oder des Par tikelmaterials inerten Gases, verbessert die Beschichtungs qualität, indem eine Korrosion des Substrates und/oder der Partikel unterdrückt werden kann. Als Inertgas können techni scher Stickstoff (d. h. der Stickstoff muss nicht hochrein sein, z. B. > 99,8 Vol.%; H20 < 40 ppmv/v und 02 < 100 ppmv/v), Argon oder Wasserdampf (z. B. überhitzter Wasser dampf) zum Einsatz kommen. In a further embodiment, the jet area is tempered with an inert gas. The use of an inert gas, that is to say a gas which is inert with respect to the substrate material and / or the particle material, improves the coating quality in that corrosion of the substrate and / or the particles can be suppressed. Technical nitrogen (i.e. the nitrogen does not have to be highly pure, e.g.> 99.8% by volume; H20 <40 ppmv / v and 02 <100 ppmv / v), argon or water vapor (e.g. superheated steam) can be used.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dar gestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläu tert. Die FIG zeigt eine Ausführungsform einer Kaltgas-Spritzanlage mit einer Heizdüse. In the following, the invention is described in more detail with reference to the embodiment shown in the figure and erläu tert. The figure shows an embodiment of a cold gas spray system with a heating nozzle.
In der FIG ist eine Kaltgas-Spritzanlage 100 zu sehen, die zum Beschichten eines Substrats 50 einen Partikelstrahl 10 erzeugt. Der Partikelstrahl 10 tritt dabei aus einer Kaltgas- Spritzdüse 110 mit Überschallgeschwindigkeit aus. Es hat sich gezeigt, dass die Gastemperatur des Transportgases des Parti kelstrahls 10 bei Austritt aus der Kaltgas-Düse 110 nicht ge eignet ist, das Substrat optimal zu temperieren. Die verwen deten Partikel werden durch Expansion eines Gases, das aus einer Gasquelle 140 stammt in der Kaltgas-Spritzdüse 110 be schleunigt. In dieser Ausführungsform liefert die Gasquelle 140 ebenso das Gas für einen Heizgasstrahl 20, der aus einer Heizdüse 120 austritt. Auf dem Substrat 50 ist ein Strahlbe reich 15 eingezeichnet, in dem der Partikelstrahl 10 auftref fen soll bzw. auftrifft. In anderen Worten wird der Strahlbe reich 15 durch den Partikelstrahl 10 mit Partikeln beschich tet. Um nun den Strahlbereich 15 auf eine ideale Temperatur zu erwärmen, trifft der Heizgasstrahl 20 ebenso auf den Strahlbereich 15. Damit wird die Duktilität des Substrates erhöht und somit die Partikel besser eingebettet. Je nach Ausrichtung der Heizgasdüse 120 kann der Heizgasstrahl 20 bei einer Bewegung der Kaltgas-Düse 110 in Bewegungsrichtung vor dem Partikelstrahl 10 angeordnet sein, um den zu beschichten den Strahlbereich 15 bereits zu temperieren bevor der Parti kelstrahl 10 auftrifft. In der Gasquelle kann auch eine oder jeweils eine Heizeinrichtung zum Heizen der Gase vorgesehen sein. The FIGURE shows a cold gas spray system 100 which generates a particle beam 10 for coating a substrate 50. The particle beam 10 emerges from a cold gas spray nozzle 110 at supersonic speed. It has been shown that the gas temperature of the transport gas of the particle jet 10 when it emerges from the cold gas nozzle 110 is not suitable for optimally controlling the temperature of the substrate. The used particles are accelerated by expansion of a gas, which comes from a gas source 140 in the cold gas spray nozzle 110. In this embodiment, the gas source 140 also supplies the gas for a heating gas jet 20 which emerges from a heating nozzle 120. On the substrate 50, a Strahlbe rich 15 is drawn, in which the particle beam 10 is to auftref fen or impinges. In other words, the Strahlbe is rich 15 by the particle beam 10 with particles beschich tet. In order to heat the beam area 15 to an ideal temperature, the heating gas beam 20 also strikes the beam area 15. This increases the ductility of the substrate and thus better embeds the particles. Depending on the orientation of the heating gas nozzle 120, the heating gas jet 20 can be arranged in front of the particle jet 10 when the cold gas nozzle 110 moves in the direction of movement in order to temper the jet area 15 to be coated before the particle jet 10 hits. One or one heating device for heating the gases can also be provided in the gas source.
Weiterhin ist es möglich den Heizgas-Strahl 20 so aufzufä chern, dass das Substrat 50 großflächig und über den Strahl bereich 15 hinaus temperiert wird. Dies hat ein flächiges und gleichmäßiges Temperieren des Substrats 50 zur Folge, was Spannungen im Substrat 50 und damit auch Spannungen in der Beschichtung verringern kann. Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Kaltgas- Spritzanlage 100 zum Beschichten eines Substrats 50 aufwei send eine Kaltgas-Düse 110 zum Erzeugen eines Partikelstrahls 10, der auf dem Substrat 50 in einem Strahlbereich 15 auf- trifft. Um die Anhaftung von Partikeln an das zu beschichten de Substrat 50 und folglich die Schichtqualität zu verbessern wird vorgeschlagen, dass die Kaltgas-Spritzanlage 100 eine Heizdüse 120 aufweist, die zum Erzeugen eines Heizgasstrahls 20 zum Temperieren des Substrats 50 im Strahlbereich 15 aus- gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats 50 mit einer Kaltgas- Spritzanlage 100. Furthermore, it is possible to open the heating gas jet 20 in such a way that the substrate 50 is tempered over a large area and beyond the jet area 15. This results in a flat and uniform temperature control of the substrate 50, which can reduce stresses in the substrate 50 and thus also stresses in the coating. In summary, the invention relates to a cold gas spray system 100 for coating a substrate 50 having a cold gas nozzle 110 for generating a particle beam 10 which strikes the substrate 50 in a beam region 15. In order to improve the adhesion of particles to the substrate 50 to be coated and consequently the layer quality, it is proposed that the cold gas spraying system 100 have a heating nozzle 120 which is designed to generate a heating gas jet 20 for tempering the substrate 50 in the jet area 15 . The invention also relates to a method for coating a substrate 50 with a cold gas spray system 100.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Kaltgas-Spritzanlage (100) zum Beschichten eines Sub strats (50), aufweisend eine Kaltgas-Düse (110) zum Erzeugen eines Partikelstrahls (10), der auf dem Substrat (50) in ei nem Strahlbereich (15) auftrifft, ferner aufweisend eine Heizdüse (120), die zum Erzeugen eines Heizgasstrahls (20) zum Erwärmen des Substrats (50) im Strahlbereich (15) ausge bildet ist. 1. Cold gas spray system (100) for coating a sub strate (50), comprising a cold gas nozzle (110) for generating a particle beam (10) which strikes the substrate (50) in egg nem beam area (15), furthermore having a heating nozzle (120) which forms out for generating a heating gas jet (20) for heating the substrate (50) in the beam area (15).
2. Kaltgas-Spritzanlage (100) nach Anspruch 1, aufweisend eine Gasquelle (140), die zum Bereitstellen eines Gases, ins besondere eines Inertgases, für den Heizgasstrahl (20) ausge bildet ist. 2. Cold gas spray system (100) according to claim 1, comprising a gas source (140) which is formed out for providing a gas, in particular an inert gas, for the heating gas jet (20).
3. Kaltgas-Spritzanlage (100) nach Anspruch 1 oder 2, auf weisend eine Gasquelle (140), die zum Bereitstellen eines Ga ses, insbesondere eines Inertgases, für den Heizgasstrahl (20) und den Partikelstrahl (10) ausgebildet ist. 3. Cold gas spray system (100) according to claim 1 or 2, having a gas source (140) which is designed to provide a gas, in particular an inert gas, for the heating gas jet (20) and the particle jet (10).
4. Kaltgas-Spritzanlage (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizdüse (120) so angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass der Heizgasstrahl (20) den Strahlbe reich (15) vor Auftreffen des Partikelstrahls (10) erwärmt. 4. Cold gas spray system (100) according to one of the preceding claims, wherein the heating nozzle (120) is arranged and / or designed so that the heating gas jet (20) heats the Strahlbe rich (15) before the particle jet (10) hits.
5. Kaltgas-Spritzanlage (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kaltgas-Düse (110) und die Heizdüse5. cold gas spray system (100) according to any one of the preceding claims, wherein the cold gas nozzle (110) and the heating nozzle
(120) in einem gemeinsamen Düsen-Gehäuse angeordnet sind. (120) are arranged in a common nozzle housing.
6. Kaltgas-Spritzanlage (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein oder mehrere Gas-Heizeinrichtungen6. cold gas spray system (100) according to any one of the preceding claims, comprising one or more gas heating devices
(140), die so ausgebildet sind, dass die Temperatur des Heiz gasstrahls (20) unabhängig von der Temperatur des Partikel strahls (10) einstellbar ist. (140) which are designed so that the temperature of the heating gas jet (20) is adjustable independently of the temperature of the particle jet (10).
7. Kaltgas-Spritzanlage (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Heizdüse relativ zur Kaltgas-Spritzdüse (110) beweglich ausgebildet ist. 7. cold gas spray system (100) according to any one of the preceding claims, wherein the heating nozzle relative to the cold gas spray nozzle (110) is designed to be movable.
8. Kaltgas-Spritzanlage (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine zweite Heizdüse, die zum Temperie ren von bereits auf dem Substrat abgeschiedenen Partikeln ausgebildet ist. 8. cold gas spray system (100) according to any one of the preceding claims, comprising a second heating nozzle which is designed for Temperie Ren of particles already deposited on the substrate.
9. Verfahren zum Beschichten eines Substrats (50) mit einer Kaltgas-Spritzanlage (100) aufweisend eine Kaltgas-Düse (110) zum Erzeugen eines Partikelstrahls (10), der auf dem Substrat (50) in einem Strahlbereich (15) auftrifft, wobei das Sub strat (50) durch einen Heizgasstrahl (20) im Strahlbereich (15) erwärmt wird. 9. A method for coating a substrate (50) with a cold gas spray system (100) having a cold gas nozzle (110) for generating a particle beam (10) which strikes the substrate (50) in a beam area (15), wherein the sub strate (50) is heated by a heating gas jet (20) in the beam area (15).
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Strahlbereich (15) vor Auftreffen des Partikelstrahls (10) erwärmt wird. 10. The method according to claim 9, wherein the beam region (15) is heated before the particle beam (10) impinges.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Strahlbe reich (15) abhängig von einer aufzubauenden Schichtdicke er wärmt wird. 11. The method according to claim 9 or 10, wherein the Strahlbe rich (15) depending on a layer thickness to be built it is heated.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Strahlbereich (15) mit einer von der Temperatur des Partikel strahls (10) unabhängigen Temperatur temperiert wird. 12. The method according to any one of claims 9 to 11, wherein the beam region (15) is tempered with a temperature independent of the temperature of the particle beam (10).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Strahlbereich (15) mit einem Inertgas erwärmt wird. 13. The method according to any one of claims 9 to 12, wherein the beam region (15) is heated with an inert gas.
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