DE2818304A1

DE2818304A1 - Verfahren und vorrichtung zum plasmaspritzen eines ueberzugmaterials auf eine unterlage

Info

Publication number: DE2818304A1
Application number: DE19782818304
Authority: DE
Inventors: Richard T Smyth
Original assignee: Metco Inc
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1977-04-27
Filing date: 1978-04-26
Publication date: 1978-11-16
Also published as: CA1104004A; GB1597559A; JPS6242666B2; DE2818304C2; IT7849090A0; US4121083A; IT1102190B; FR2389297B1; FR2389297A1; JPS53137036A

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER H. KlNKELDEY

2818304 W. STOCKMAlR

K. SCHUMANN P. H. JAKOB

G. BEZOLD

OR RBlWiIMSFL-CHB*

8 MÜNCHEN

MAXIMIUANSTRASSS

P 12 561-Metco Inc.

Verfahren und Vorrichtung zum Plasmaspritzen eines Überzugmaterials auf eine Unterlage

Die Erfindung betrifft das Auftragen von "überzügen auf Unterlagen mittels der Plasma-Spritz-Technik, und insbesondere, ein Verfahren und eine Vorrichtung um den Austrittsstrahl einer Plasma-Spritzpistole gegenüber Verunreinigungen durch die ihn umschließende Umgebung abzuschirmen.

Es. sind Plasma-Spritzpistolen bekannt, in denen ein elektrischer Bogen verwandt wird, um ein Gas anzuregen^ xtfodurch ein thermisches Plasma sehr hoher Temperatur erzeugt wird. Zerstäubte oder pulverförmige Stoffe iirerden in das thermische Plasma eingebracht, geschmolzen und auf ein Substrat oder eine Unterlage ausgestoßen,

8098 46/0686

telefon (oaa) 339saa telkx oe-aasao tcleqramme moiupat telekopierer

um einen Überzug zu "bilden. Solche pulverförmigen Stoffe können "beispielsweise Metalle, Metallegierungen, keramische Werkstoffe wie Metalloxide und Karbide u.a. sein.

Bisher sind Schwierigkeiten wegen der Verunreinigung des von der Düse der Spritzpistole austretenden Strahls aufgetreten. Eine solche Verunreinigung kann beispielsweise ein Lufteinschluß sein, der eine betrachtliche Oxidation des Überzugstoffes zur Folge hat. Die Bedingungen zum Spritzen, insbesondere die Wärme und die Geschwindigkeit, wurden oft so eingestellt, daß sich ein Kompromiß ergab, um das Pulver gerade ausreichend zu erwärmen, so daß es schmilzt. Es sind Versuche unternommen worden, um diese Schwierigkeit zu überwinden, jedoch war ihnen nur ein beschränkter Erfolg beschieden. Ein solcher Versuch be- ' stand darin, die Vorrichtung vollkommen in einer Kammer einzuschließen, was jedoch kostspielig und auch sehr umständlich ist. Bei anderen Einrichtungen waren die Bemühungen, um die Schwierigkeit zu überwinden, darauf gerichtet, eine Gasabschirmung zu verwenden. Beispielsweise ist in der US-PS 3 4-70 3^7 die Verwendung eines koaxialen, ringförmigen Stromes von nicht erwärmtem Gas angegeben. Jedoch ist hierfür ein relativ großer Durchfluß eines Gases erforderlich, wie z.B. von Argon, welches teuer ist. ferner besteht bei solchen bekannten Einrichtungen die Neigung, daß sich auf der Abschirmeinrichtung ein Überzug aufbaut. Die US-PSen 2 951 143, 3 082 314- und 3 313 909 beziehen sich auch auf dieses Gebiet der Te'chnik.

Der vorliegenden Erfindung liegt grundsätzlich und allgemein die Zielsetzung zugrunde, ein neues und verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch die zumindest ein Teil der bekannten Probleme gelöst oder abgeschwächt wird.

809846/0686

Eine genauere Zielsetzung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch die Verbesserungen in Hinblick auf einen oder mehrere der folgenden Gesichtspunkte erreicht werden: höherer Ablagerungswirkungsgrad, verringerter Sauerstoffgehalt in dem Austrittsstrahl für metallische Stoffe, Verringerung der ungeschmolzenen Teilcheneinschlüsse, erhöhte Zuführgeschwindigkeit und bessere Qualität des Überzuges.

Um die oben genannte Zielsetzungen und weitere Zielsetzungen und Vorteile zu erzielen, welche aus der folgenden Beschreibung offenbar werden, ist gemäß einer Form der Erfindung vorgesehen, eine neue und verbesserte Plasma-Spritzpistole zur Beschichtung von Unterlagen zu schaffen, welche in Kombination eine Düsenelektrode mit einem durch sie hindurchgehenden Düsenkanal, eine rückwärtige Elektrode und eine Einrichtung aufweist, um ein plasmabildendes Gas durch die Düsenelektrode zu schicken. Ferner umfaßt die Plasma-Spritzpistole eine Einrichtung, damit ein bogenbildender Strom zwischen den Elektroden fließt, um einen Plasmaaustrittsstrahl zu schaffen, und eine Einrichtung, um in den Plasmaaustritts strahl einen Stoff für den Überzug einzuführen. Ferner umfaßt die Plasma-Spritzpistole nach der Erfindung eine Abschirmwand für den Plasmaaustrittsstrahl, welche sich von der Austrittsöffnung der Düsenelektrode her erstreckt, und eine Einrichtung, durch welche eine Flammenabschirmung für den Plasmaaustrittsstrahl innerhalb der Abschirmwand gebilde-t wird und welche sich ggf. über die Abschirmwand hinaus erstreckt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Flainmenabschirmung unter einem Winkel zwischen, ungefähr 160° und ungefähr 180° in Bezug auf die Achse des

809846/0686

Plasmaaustrittsstrahls gerichtet. Ia Trevorzugter Weise ist die Flaiimenab schirmung unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse des Plasmaaustrittsstrahls ausgerichtet.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Abschirmwand zylinderförmig ausgebildet, und es ist eine Einrichtung zur Wasserkühlung dieser Abschirmwand vorgesehen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Einrichtung, durch welche eine Flammenabschirmung für den Plasmaaustrittsstrahl zumindest innerhalb der Abschirmwand gebildet wird, eine Brennereinrichtung, welche anschließend an die Auslaßöffnung der Abschirmwand angeordnet ist. Gemäß einem Gedanken der Erfindung ist das Gas in der Brenner einrichtung eine brennbare Mischung, wie z.B. Luft oder Sauerstoff, welcher mit Propan, Acetylen, mit dem von der Air Products Inc. , hergestelltem APAGHI Gas , mit von der Dow Chemical Company hergestelltem MAPP Gas , oder mit Wasserstoff gemischt wird. Vorzugsweise wird ein Gas mit einem hohen Molekulargewicht benutzt. Bei manchen Einrichtungen ist es wünschenswert, dieses Gas vorzuwärmen. Bei einigen Einrichtungen kann auch eine brennbare Flüssigkeit verwandt werden.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein ringförmiger Verteiler anschließend an das äußere Ende der Abschirmwand befestigt, der Düsenöffnungen aufweist, um- die Wirkung eines ringförmigen Vorhanges um die Plasmaflamme zu erzielen, wenn sie die Abschirmwand verläßt und sich zu der Zielunterlage bewegt.

Die Erfindung betrifft in einer anderen Form auch ein Verfahren zum Plasmaspritzen eines "Überzugsnaterials auf

809846/068B

eine Unterlage, "bei dem ein plasmabildendes Gas durch eine Düsenelektrode fließt und ein bogenbildender Strom zwischen der Düsenelektrode und einer rückwärtigen Elektrode fließt, um einen Plasmaaustrittsstrahl zu bilden. Zu dem Verfahren gehört ferner das Einführen eines Überzugsmaterials in den Plasmaaustrittsstrahl, wobei der Plasmaaustrittsstrahl durch eine Wandabschirmung hindurchtritt, welche sich von der Austrittsöffnung der Düsenelektrode her erstreckt, und die Bildung einer Flammenabschirmung für den Plasmaaustrittsstrahl innerhalb der Wandabschirmung. Es ist offenbar, daß das Überzugsmaterial in jeder für das Plasmaspritzen geeigneten Form vorliegen kann, wie beispielsweise als ein fester Draht oder ein Stab. Jedoch wird die Pulverform bevorzugt. Das Pulver kann frei fließen oder in einem Bindemittel vorliegen, wie beispielsweise ein durch Kunststoff gebundener Draht o.a.. Das in den Plasmaaustrittsstrahl eingeführte Spritzmaterial kann an jeder geeigneten Stelle und zwar auch stromaufwärts von dem Bogen eingeführt werden. Jedoch wird es im allgemeinen an einer von dem Bogen stromabwärts gelegenen Stelle eingeführt, und vorzugsweise anschließend an die Düsenaustrittsöffnung an deren stromabwärts gelegener Seite. Ferner können mehrere Zuführstellen gleichzeitig verwandt werden.

Erfindungsgemäß ist die Flammenabschirmung vorzugsweise unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse des Plasmaaustrittsstrahles ausgerichtet. Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein ringförmiger Fluidvorhang um den Plasmaaustrittsstrahl herumgebildet, wenn er die Plasma-Spritzpistole verläßt.

809846/0686

Die wesentlicheren Merkmale der Erfindung wurden ziemlich ausführlich dargestellt, damit die ins Einzelne gehende und nun folgende Beschreibung hesser verstanden werden kann, und um den vorliegenden Beitrag zu diesem Gebiet der Technik besser würdigen zu können. Es gibt natürlich noch zusätzliche Merkmale der Erfindung, welche im folgenden genauer beschrieben werden. Der Fachmann wird erkennen, daß das Grundprinzip, auf dem die Offenbarung beruht, ohne weiteres als Ausgangspunkt für die Ausgestaltung anderer Verfahren und Torrichtungen verwandt werden kann, um die verschiedenen Zielsetzungen und Absichten der Erfindung zu erreichen. Es ist deshalb von Bedeutung, daß diese Offenbarung so zu betrachten ist, daß von ihr äquivalente Verfahren und Vorrichtungen umfaßt werden, die nicht von dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Erfindung abweichen.

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind zum Zweck der Erläuterung und Beschreibung ausgewählt worden und sind in den anliegenden Zeichnungen dargestellt, welche einen Teil der Anmeldung bilden. Es zeigen:

Pig. 1 einen Mittellängsschnitt einer Plasma-Spritzpistolenanordnung, die gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist,

Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 5 einen Teil eines Mittellängsschnitts, der den Auslaßabschnitt der Plasma-Spritzpistole gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt,

809846/0686

Pig. 4· eine Tatelle --< in der die Ergebnisse eines ■Vergleichsversuchs zairischen einer erfindungsgemäßen Plasma-Spritzpistole und herkömmlichen Pistolen angegeben sind, und

Fig. 5 "bis 9 schematische Darstellungen, von denen eine jede eine Wand- und Flammenabschirmungsanordnung gemäß anderer Ausführungsformen der Erfindung darstellt.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist eine Plasma-Spritzpistolenanordnung zur Beschichtung einer Unterlage allgemein mit 10 bezeichnet. Sie umfaßt eine Düsenelektrode 12, durch die eine Düsenbohrung oder ein Düsenkanal 10 hindurchgeht, und eine rückwärtige Elektrode 16, welche an einem Elektrodenhalter 18 befestigt ist. Elektrische Leitungsanschlüsse 20 und 22 dienen dazu, die Elektroden mit einer geeigneten elektrischen Quelle zu verbinden. Ein plasmabildendes Gas wie z.B. Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff o.a. wird von einer geeigneten Druckquelle her durch eine Verbindung 24 über einen ringförmigen Durchlaß, welcher von der Elektrodenspitze und dem schräg verlaufenden Abschnitt der Düse gebildet wird, in den Raum 14· um die Spitze der Elektrode 16 geführt. Der elektrische Strom fließt von der "Verbindung 20 durch den Elektrodenhalter 18 zur Elektrode 16 und von der Spitze der Elektrode 16 in der Form eines Bogens zur Düse 12 und dann zu der Verbindung 22, um auf diese Weise eine sehr heiße Plasmaflamme zu bilden, welche sich nach außen durch den Auslaß 26 der Düsenelektrode 12 er-* streckt. Ein oder zusätzliche Gase können mit dem Hauptgas gemischt vrerden, wenn dieses erwünscht ist.

809846/06

Eil wärmeschmelzbares, pulverförmiges Überzugsmaterial, wie z.B. ein pulverförmiges Metall oder keramischer Werkstoff o.a. wird von einem irägergas mitgenommen, welches beispielsweise ein Gas wie Stickstoff, Helium, Argon oder sogar Luft sein kann und von einer geeigneten Quelle durch einen Anschluß 28, welcher hierfür vorgesehen ist, zugeführt wird. Bei der dargestellten Ausführungsform wird das pulverförmige Material in die Plasmaflamme anschließend an den Düsenaustritt 26 mittels der Düse . 30 eingebracht. Beim Betrieb bewegt sich infolgedessen der Plasma-Austrittsstrahl oder die Piasmafiamme mit dem von ihr mitgenommenen pulverförmigen Material mit sehr hoher Geschwindigkeit in die Richtung, die durch den Pfeil 32 angezeigt ist. Ihre Achse selbst ist mit 33 bezeichnet.

Gemäß der Erfindung ist eine ringförmige AbschirnMand, die bei 34- bezeichnet ist, an der Düse 12 anschließend an den Düsenauslaß 36 angeordnet, um eine Abschirmkammer 37 zu bilden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Abschirmwand 34- zylindrisch und weist einen inneren Stufenabschnitt 38 und einen äußeren Stufenabschnitt A-O auf.

In Eig. 1 ist ein Gasbrenner, welcher allgemein mit 42 bezeichnet ist, am äußeren Ende der Abschirmwand 34· angeordnet. Er weist eine ringförmige Verbrennungskammer 44 auf, die eine Vielzahl von Strahlöffnungen 46 speist, welche unter einem Winkel von zwischen ungefähr 60° und ungefähr 180° in Bezug auf die Achse 33 des Plasma-Austrittsstrahl oder der Plasmaflamme ausgerichtet sind. Vorzugsweise sind die Strahlöffnungen unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse 33 der Plasmaflamme ausgerichtet, um eine ringförmige j/erbrennungs-

809846/0686

flammenabschirmung innerhalb der Kammer 37 nahe der Wandabschirmung zu bilden, wie es durch die Pfeile 4-8 angezeigt ist. Andererseits können die Strahlöffnungen auch in der Form einer durchgehenden, schmalen, ringförmigen, schlitzähnlichen Öffnung ausgebildet sein. Die Verbrennungsgase für die Flammenabschirmung werden der Brennkammer 4-4- über eine Steuereinrichtung 50., einen Verbrennungsgaseinlaß 52 und Rohrleitungen 54·, die innerhalb der Wandabschirmung 34- vorgesehen sind, zugeführt. Die Punktion der Steuereinrichtung wird mehr ins einzelne gehend, weiter unten erklärt.

Vegen der hohen Temperaturen, die bei Plasma-Spritzpistolen dieser Gattung auftreten, ist eine Wasserkühlung vorgesehen. Die elektrischen Leitungsanschlüsse 20 und 22 sind so ausgebildet, daß sie wassergekühlte, elektrische Leitungen aufnehmen, durch welche das Kühlwasser unter Druck durchgeleitet wird. Dieses Kühlwasser fließt durch den Anschluß 22 und um die Düse 12 herum und dann nach außen durch eine Seite und anschließend nach innen durch die andere Seite einer Wassertasche 56, um die Wandabschirmung 34- zu kühlen. Das Kühlwasser wird anschließend durch einen Durchlaß 58 geführt, um die Elektrode 16 zu kühlen, bevor es das System durch den Anschluß 20 verläßt.

Man sieht, wie es durc'a den Pfeil 48 angedeutet ist, daß die Flammenabschirmung innerhalb der Wandabschirmung 34-in Richtung auf das Ausströmen der Plasmabogenflamme gerichtet ist, welches durch den Pfeil 32 angedeutet ist. Die Kombination dieser beiden Strömungen zusammen mit der hohen Temperatur der Flammengase befriedigt das Eigenansaugen von umgebender Atmosphäre durch den Plasmabogenstrahl, ohne daß der Plasmastrahl durch einen kalten

809846/0686

Gasstrom oder mitgerissene Luft abgeschreckt wird, was sonst die Gefahr in sich "birgt, daß eine unkontrollierte oxidierende Reaktion mit de:m zu spritzenden Material abläuft. Jede geeignete Verbrennungsmischung kann verwandt, werden. Jedoch hat es sich als wünschenswert erwiesen, ein Gas mit einem hohen Molekulargewicht zu verwenden, um eine wesentliche Eigenausdehnung und eine relativ große Menge an Verbrennungsprodukten zu schaffen. Zu den zur Zeit bevorzugten Verbrennungsmischungen gehören Luft oder Sauerstoff, welcher mit Acetylen, Propan, von der Air Products Inc. hergestelltem APACHI Gas, von der Dow Chemical Company hergestelltem MAPP Gas oder Wasserstoff gemischt wird. Die Steuereinrichtung dient dazu, die Eigenschaften des der Verbrennungskammer 44- zugeführten Gases zu steuern. Bei manchen Einrichtungen ist es wünschenswert, die Ver— "brennungsmischung vorher zu erwärmen. Ferner können in Abhängigkeit von dem zu spritzenden Material die Verbrennungsgase eingestellt werden, um entweder eine oxidierende, eine neutrale oder eine reduzierende Atmosphäre sowohl in der Kammer 37 und über deren Auslaß hinaus zu schaffen. Dadurch kann die chemische Zusammensetzung des gespritzten Überzuges gesteuert werden, wie z.B. dadurch, daß der Kohlenstoffgehalt von Karbiden, Eisen oder ähnlichem gesteuert werden. Auch ist es möglich, Verbindungen wie Bariumtitanat ohne die übliche Verringerung des Sauerstoffgehaltes zu spritzen. Im allgemeinen ist beim Spritzen von Metallen eine reduzierende Atmosphäre erforderlich, wogegen es beim Spritzen von keramischen . Stoffen wünschenswert ist, einen Sauerstoffüberschuß vorzusehen.

809846/0686

Um die Art der Erfindung näher im einzelnen zu erläutern, ist in Fig. 4 eine Tabelle dargestellt, in der Ergebnisse von Yergleichsversuchen angegeben sind, wobei das gleiche Material mit einer herkömmlichen Plasma-Spritzpistole ohne Abschirmung und einer erfindungsgemäßen Plasma-Spritzpistole gespritzt worden ist. Die erfindungsgemäße Plasma-Spritzpistole weist eine ringförmige Vandabschirmung und eine ringförmige Flammenabschirmung innerhalb und anschließend an die Wandabschirmung auf, wobei sie unter einem Winkel von ungefähr 180 in Bezug auf die Achse der Plasmaflamme ausgerichtet ist. Die in der Tabelle der Fig. 4 angegebene Haltbarkeit wurde gemäß dem in Tabelle I angegebenen Testverfahren bestimmt. Die 'Versuchsergebnisse zeigen eine klare Überlegenheit der erfindungsgemäßen Plasma-Spritzpistole.

Das folgende Beispiel beschreibt die typische Arbeitsweise der Plasma-Spritzpistole.

Beispiel 1

Eine Plasma-Spritzpistole, ähnlich derjenigen, die in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, wurde verwandt. Der Durchmesser D^ der Bohrung der Düsenelektrode 12 betrug ο,.'τ mm. Der innere Durchmesser D~ der Wandabschirmung 34 betrug 37? 5 mm und der innere Durchmesser D, des Gasbrenners 42 28,8 mm. Der Abstand L^ zwischen dem Ende der Düse 12 und dem inneren Ende des Gasbrenners 42 betrug 42,5 mm, und der Abstand Lp zwischen dem Ende der Düsenelektrode 12 und der Unterlage oder dem Wegstück 11 betrug 68,8 na. Der Durchmesser der Düse J>0 für das pulverförmige Überzugsnaterial betrug 0,15 mm. Sechsundreißig Strahlenöffnungen 46 mit einem Durchmesser von 1 mm wurden auf einem Kreis nit einen Durchmesser \ron 34,5 sin verwandt. Als Plasmagese wurden Argon

809846/0688

mit einem Druck von 7 »031 kg/cm und einer Durchflußmenge von 3,15 l/h ^icL Wasserstoff mit einem Druck von 4,219 kg/cm und einer Durchflußmenge von 0,245 l/h verwandt. Der Bogenstrom "betrug 700 Amper "bei 48 Volt. Als Abschirmgas wurde eine Mischung aus Luft mit einem Druck von 3,156 kg/cm und einer Durchflußmenge von 14-,O l/h und Propan mit einem Druck von 3 »516 kg/cm mit einer Durchflußmenge von 3»15 l/h verwandt. Das pulverförmige Überzugmaterial xvar eine Legierung auf Kobalt-Basis mit einer Teilchengröße von ungefähr 10 bis 40 ii und einer Flußmenge von 2,7 kg/h. Als Träger gas wurde. Argon mit einer Plußmenge von 0,245 Vh verwandt .Die erhaltenen "Überzüge wiesen eine wesentlich bessere Qualität als äene auf, die normalerweise mit herkömmlichen Spritzpistolen erhalten werden.

Bei manchen Einrichtungen ist eine ringförmige Verzweigung 59 gemäß !"ig. 3 am äußeren Ende des Gasbrenners 42 angeordnet. Kühlwasser oder ein inertes Gas, wie z.B. Stickstoff oder Argon wird dieser Verzweigung durch einen Einlaß 61 zugeführt. Auf der der Unterlage 11 zugewandten Seite der Verzweigung ist eine ringförmige Einrichtung 60 mit Strahlöffnungen vorgesehen, um einen ringförmigen Vorhang um die Plasmaflamme, wie es durch den Pfeil 42 angedeutet ist, zu schaffen. Der Sprühstrahl dient nicht nur dazu, die Spritzströmung abzuschirmen, sondern er ermöglicht auch eine Steuerung des Spritzkegels und ferner dient er dazu, eine Kühlung für die Unterlage zu schaffen. In ähnlicher Weise kann die gleiche Verzweigung mit Propan verwandt werden, um eine sekundäre Jlammenabschirmung um die Spritζströmung zu schaffen, und dadurch weiterhin den Sauerstoffgehalt des Überzuges zu verringern. In manchen Fällen ist es erwünscht

8098A6/0686

Kohlenstoffdioxid für diesen Zweck zu verwenden.

Während in den Figuren 1 und 2 die gegenwärtig "bevorzugte Ausführungsform dargestellt ist, sind andere wünschenswerte Ausführungsformen der Erfindung in den Pig. 5 "bis 9 angegeben. Fig. 5 zeigt in schematischer Form eine Eingwandab schirmung 64- mit einer Plasmaflamme oder einem Auslaßstrahl 66, welcher in Längsrichtung entlang einer mit 68 bezeichneten Achse verläuft. Bei dieser Ausführungsform ist eine Ringflammenabschirmung 70 parallel zur Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahles ausgerichtet. " ■

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 geht der Plasma-Austrittsstrahl 66 in Längsrichtung längs seiner Achse durch eine Ringwandabschirmung 72, und eine Flammenringabschirmung 74- ist unter einem Winkel ausgerichtet und hat eine Komponente, welche sich parallel zur Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahles erstreckt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 "bewegt sich der Plasma-Austritts strahl 66 in Längsrichtung längs seiner Achse 68 durch eine ringförmige Wandabschirmung 76. Ein Teil des Gases zur Bildung der Flainmenabschirmung wird, wie es bei 78 angedeutet ist, unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse 68 des Plasma-Austrittsstrahles oder der Plasmaflamme ausgerichtet, und ein zweiter Teil des Gases zur Bildung der Flammenabscnirmung wird, wie es bei 80 angezeigt ist, unter einem Winkel eingeführt, wobei sich eine Komponente parallel zur Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahles erstreckt.

809846/0688

Bei der Ausführungsform gemäß Pig. 8 "bewegt sicli der Plas ma-Austritts strahl- 66 in Längsrichtung entlang seiner Achse 68 durch eine Ringwandabschirmung 82 und eine Flammenringabschirmung 84 ist unter einem Winkel ausgerichtet, wobei sie eine Komponente aufweist, welche sich in der zu der Strömungsrichtung des Plasma-Austritts strahles' entgegengesetzten Richtung erstreckt·

In I*ig. 9 ist eine Ausfuhrungsform der Erfindung dargestellt, "bei der sich der Plasma-Austrittstrahl 66 in Längsrichtung längs der Achse 68 durch eine Ringwandabschirmung 86 bewegt. Ein Teil des Gases zur Bildung der Flammenabschirmung, wie es bei 88 angegeben ist, wird unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse 68 des Plasma-Austrittsstrahles und ein"zweiter Teil des Gases zur Bildung der Flammenabschirmungwird, wie es bei 90 angegeben ist. unter einem Winkel zugeführt, wobei sich eine Komponente ergibt, welche sich in einer Richtung erstreckt, die der Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahles entgegengesetzt, ist.

Es ist somit offenbar, daß das Gas zur Bildung der 3?lammenabschirmung an einem oder mehreren Einlassen eingeführt werden kann und daß jeder Einlaß unter -irgendeinem Winkel von ungefähr O bis ungefähr 180° angeordnet sein kann, und daß er selbst senkrecht zur Strömungsrichtung des Plasma-AustrittsStrahles verlaufen kann.

Es ist somit zu erkennen, daß durch die vorliegende Erfindung tatsächlich eine neue und verbesserte Plasaa-Spritzpistolenanordnung geschaffen vird, welche den herkömmlichen Spritzpistolen gegenüber in Bezug auf den üiederschlagswirkungsgi'ad, den verringerten Sauer-

809846/0686

stoffgenalt, die verringerten Einschlüsse an ungeschmolzenen Teilchen und auch in Bezug auf andere Betriebseigenschaften überlegen ist.

Die Erfindung ist unter besonderer Bezugnahme auf ihre: bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden. Es ist offensichtlich für den Durchschnittsfachmann, den die Erfindung betrifft, daß er, nachdem er die Erfindung verstanden hat, verschiedene Änderungen und Abwandlungen an ihr vornehmen kann, ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Bereich der Erfindung, wie sie durch die anliegenden Ansprüche umrissen werden, abzuweichen.

Zusammenfassend ergibt sich somit, daß durch die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plasmaspritzen von Überzugsmaterial auf eine Unterlage dadurch geschaffen wird, daß ein plasmabildendes Gas durch eine Düsenelektrode hindurchgeht,ein bogenbildender - Strom zwischen dieser Düsenelektrode und einer rückwärtigen Elektrode fließt,um einen Plasma-Austrittsstrahl zu bilden, und daß ein Überzugsmaterial in den Plasma-Austrittsstrahl eingeführt wird, wobei der Plasma-Austrittsstrahl axial durch eine Wandabschirmung hindurchgeht, welche sich von dem Auslaß der Düsenelektrode her erstreckt und wobei eine Plammenabschirmung für den Plasmar-Austrittsstrahl zumindest innerhalb der Wandabschirmung gebildet wird.

8098A6/068S

Tabelle I

Versuchsbeschreibung zur Bestimmung der Verschleißfestigkeit bzvr. der Haltbarkeit

Die Pulver wurden unter Bedienungen gespritzt, um Überzüge herzustellen, deren Abriebfestigkeit oder Verschleißfestigkeit wie folgt bestimmt wurde:

1. Die Dicke der Versuchs scheiben (unter Einschluß des Überzuges) wird an vier Stellen mit einem Supermikrometer gemessen. Die Meßwerte werden notiert. Die vier Stellen werden für eine nachfolgende Messung dadurch angezeichnet, daß eine Markierung oder Zahl am Umfang der Scheibe angebracht wird.

2. Jede Scheibe wird genau gewogen, wobei eine analytische Waage verwandt wird. Das Gewicht wird niedergeschrieben.

3. In das Spannfutter einer Ständerbohrmaschine wird eine Antriebseinrichtung eingespannt.

4·. Eine Brückenwaage wird auf dem Tisch der Bohrmaschine angeordnet. Der Bohrdruckarm (Handhabe) wird nach unten in eine waagerechte Stellung gezogen und in dieser Stellung arretiert.

5. Der Bohrtisch wird angehoben bis die Antriebseinrich-. tung eine Last von 11,25 kg auf der Brückenwaage anzeigt.

6. Die Bohrdruckspindel wird freigegeben. Ein Gewicht wird an den Druckarm gehängt und so angeordnet, daß die Waage 11,25 "kg anzeigt. Die Stelle an dem Arm, bei der dieser ließwert erhalten wird, vrird markiert.

809846/063 6

7- Die Waage wird entfernt.

8. Die Spindel wird nach oben bewegt und der Paßstift wird durch einen 3 »18 cm Steckstift ersetzt.

9- Zwei . Testscheiben werden auf einer Abriebbahn angeordnet. Die Bohrspindel wird gesenkt, bis die Antriebsstifte in die Antriebsöffnungen der Scheiben eintreten. Ohne Last auf den Scheiben wird in dieser Stellung arretiert.

10.Die Ständerbohrmaschine wird angeschaltet. In eine:. Pfanne wird eine gründlich gemischte Aufschlämmung aus Tonerdeschmirgelpulver (Metco 101) - 270 mesh +15 micron in einer Aufschlämmung von 25 g Schmirgelpulver in 200 cnr leichtem Maschinenöl - geschüttet. Die Arretierung an der Spindel wird gelöst, so daß das Gewicht von 11,25 kg auf die Testscheiben wirkt. Der Zeitpunkt des Beginns wird notiert.

11.Der Test wird während 20 Minuten durchgeführt.

12.Die Scheiben werden herausgenommen und in einem Lösungsmittel gewaschen. Die Scheiben werden gewogen und ihre Dicke wird gemessen. Diese Meßxtferte werden aufgeschrieben und mit den ursprünglichen verglichen.

809846/068S

Claims

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DlPL-ING.

H. KINKEUDEY

DA-INQ.

^W· STOCKMAlR

DR-WG.-A^(CALTBCH

K. SCHUMANN

Kl RERNAT.-DlPL-PHYS

P. H. JAKOB

G. BEZOLD

DR RER. NÄt· DIPL-CHEM

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

P 12 561

Pat ent ansp rüche

rl J Plasma-Spritapistolenanordnung zum Aufbringen von Überzügen auf eine Unterlage, gekennzeichnet durch, eine Düsenelektrode (12) mit einem durch sie hindurchgehenden Düsenkanal (14), eine rückwärtige Elektrode (16), eine Einrichtung (24,14) um ein plasmabildendes Gas durch die Düsenelektrode (12) zu führen, eine Einrichtung (20,22), um einen "bogenbildenden Strom zwischen den Elektroden (12,16) zu führen und einen Plasma-Austritts strahl zu "bilden, eine Einrichtung (28) zum Einführen eines zu spritzenden t)"berzugmaterials in den. Plasma-Austrittsstrahl, eine Wandabschirmung (34) für den Plasma-Austrittsstrahl, welche sich von dem Auslaß (26) der Düsenelektrode (12) erstreckt, und eine Einrichtung (42) zur Bildung einer Plammenabschirmung für den Plasma-Austrittsstrahl mindestens innerhalb der Wandabschirmung (34).

809846/0686

telefon (oeo) aaasea telex 05-s93so Telegramme monapat telekopierer

2. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu spritzende Überzugsmaterial in Pulverform vorliegt.

3- Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch g e kennz e i chne t, daß die Einrichtung (42) zur Bildung einer Flammenabschirmung zumindest innerhalb der Wandabschirmung (34·) für den Plasmaaustrittsstrahl eine Einrichtung (46) aufweist, durch die die Plammenabschirmung unter einem Winkel von zwischen ungefähr 160 und ungefähr 180° in Bezug auf die Achse (33) des Plasmaaustritts Strahls ausrichtbar ist.

4. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (42) zur Bildung einer Flammenabschirmung zumindest innerhalb der Wandabschirmung (34) für den Plasmaaustrittsstrahl eine Einrichtung (46) aufweist, durch die die Flammenabschirmung unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse (33) des Plasmaaustrittsstrahls ausrichtbar ist.

5- Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (42) zur Bildung einer Plammenabschirmung zumindest innerhalb der Wandabschirmung (34) für den Plasmaaustrittsstrahl eine Brennereinrichtung (42) aufweist, xrelche. nahe an dem Auslaß der Wandabschirmung (34) angeordnet ist.

6. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 5» dadurch g e kennae ichnet, daß die Brennereinrichtung (42) eine ringförmige Brennkammer (44) umfaßt, welche mit Strahlenöffnungen (46) ausgebildet ist, welche unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse

809846/0686

(33) des PlasmaaustrittsStrahls ausgerichtet sind.

7. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennereinrichtung (4-2) eine Einlaßeinrichtung (54·) für ein Verbrennungsgas umfaßt, welche sich in Längsrichtung der Wandabschirmung erstreckt.

8. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Wasserkühlung der Wandabschirmung (34·) vorgesehen ist.

9. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch g ekennz eichnet, daß die Wandabschirmung (34·) eine zylindrische Ausgestaltung hat.

10. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (28, 30) zum Einführen von pulverf örmigeni Überzugsmaterial in dem Plasmaaustrittsstrahl anschließend an die Auslaßöffnung (26) der Düsenelektrode (12) angeordnet ist.

11. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4-2) zur Bildung einer Plammenabschirmung für den Plasmaaustrittsstrahl innerhalb der Wandab schirmung (34·) eine Einrichtung umfaßt, um eine brennbare Mischung mit hohem Molekulargewicht zu verbrennen.

12. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsmischung mit hohem Molekulargewicht Propan enthält.

809846/0686

13· Plasma-Spritzpistole nach Anspruch. 1, dadurch g ekennzeich.net, daß eine Einrichtung (59) vorgesehen ist, durch die eine ringförmige Vorhangwirkung um den Plasmaaustrittsstrahl herum erzeugbar ist, wenn er die Wandabschirmung (34) verläßt und sich in Richtung auf die Unterlage (11) "bewegt.

14. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (59) zur Bildung einer ringförmigen Vorhangwirkung eine ringförmige Verzweigung (59) und Öffnungen (60) aufweist, die anschließend an das äußere Ende der Wandabschirmung (34) angeordnet sind.

15· Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung (42) zur Bildung einer Flammenabschirmung zumindest innerhalb der Wandabschirmung (34) für den Plasmaaustrittsstrahl eine Einrichtung (46) umfaßt, durch die die Flammenabschirmung unter einem Winkel derart ausrichtbar ist, daß eine sich parallel ,zur Strömungsrichtung des Plasmaaustrittsstrahls erstreckende Komponente vorliegt.

16. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung (42) zur Bildung einer Έlammenabschirmung zumindest innerhalb der Wandabschirmung (34) für den Plasmaaustrittsstrahl eine Einrichtung (46) aufweist, durch die die 3?lammenabschirmung unter einem Winkel ausrichtbar ist, wobei eine Komponente in der Sichtung auftritt, die zur Strömungsrichtung des Plasmaaustrittsstrahls entgegengesetzt gerichtet ist.

809846/0686

17- Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 6, dadurch g ekennz.eich.net, daß eine zweite Einrichtung mit Strahlöffnungen-r.< (80,90) vorgesehen ist, welche unter einem Winkel von ungefähr O°bis ungefähr 180° in Bezug auf die Achse (33) des PlasmaaustrittsStrahls ausgerichtet .sind. -

18. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 6, dadurch g ekennz eichnet, daß eine zweite Einrichtung (80) mit Strahlöffnungen ■_·vorgesehen ist, die unter einem Winkel ausgerichtet sind, wobei eine sich parallel · zur Strömungsrichtung des Plasmaaustrittsstrahls erstreckende Komponente ergibt.

19· Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Einrichtung (90) mit Strahlöffnungen vorgesehen ist, die unter einem Winkel ausgerichtet .'sind,wobei sich eine entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Plasmaaustrittsstrahls erstreckende Komponente vorliegt.

20. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch g e kennz eichnet, daß die Wandabschirmung (34-) einen radial nach innen gerichteten Lippenabschnitt aufweist, welcher* zu ihrem Auslaßende hin angeordnet ist.

21. Verfahren zum Plasmaflammenspritzen von tTberzugsmaterial auf eine Unterlage, dadurch gekennzeichnet, daß ein p'lasmabildendes Gas durch eine Düsenelektrode und ein bogenbildender Strom durch die Düsenelektrode und eine rückwärtige Elektrode geführt wird, um einen Plasmaaustrittsstrahl zu bilden, daß ein Überaugsmaterial in den Plasmaaustrittsstrahl eingeführt

809846/068 6

wird, daß der Plasmaaustrittsstralil in Längsrichtung durch eine Wandabschirmung, welche sich von dem Auslaß der Düsenelektrode her erstreckt, hindurchgeht und daß zumindest innerhalb der Wandabschirmung eine Flammenabschirmung für den Plasmaaustrittsstrahl gebildet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch -gekennzeichnet, daß das Überzugsmaterial in pulverförmiger Form vorliegt.

23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenabschirmung unter einem Winkel von ungefähr 160° bis ungefähr 180° in Bezug auf die Achse des Plasmaaustrittsstrahls ausgerichtet wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Flammenabschirmung unter einem Winkel von ungefähr 180 in Bezug auf die Achse der Plasmaflamcie ausgerichtet wird.

25. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch g e k e η η zei chnet, daß Kühlwasser durch die Wandabschirmung hindurchgeführt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsgas für die Flammenabschirmung vorgewärmt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Überzugsmaterial in den Plasmaaustritts strahl nahe dem Auslaß der Düsenelektrode eingeführt wird.

809846/088S

28. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Bildung der Plaamenabschirmung verwandte Mischung eine Verbrennungsmischung mit einem hohen Molekulargewicht ist.

29 · Verfahren nach Anspruch 21, dadurch g e k e η η ze ichnet, daß eine Verbrennungsmischung zur
Bildung der Flammenabschirmung Propan enthält.

30. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbrennungsmischung zur
Bildung der Flammenabschirmung Acetylen enthält.

31. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbrennungsmischung zur Bildung der 3?lammenabschirmung MAPP-Gas enthält.

32. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbreimungsmischung zur Bildung der Plammenabschirmung APACHI-Gas enthält.

33 · Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbrennungsmischung zur Bildung der Flammenabschirmung Wasserstoff enthält.

34-. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmaterial ein schmelzbares, pulverförmiges Metall ist.

35· Verfahren nach Anspruch 21, dadurch g e k e η η ζ e i ch'ne t, daß das tJberzugsmaterial ein keramischer Stoff ist.

809846/0686

36. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Überzugsmaterial ein Karbid ist.

37· Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Fluid ein Singvorhang um den Plasmaaustrittstrahl gebildet wird, sobald er die Wandabschirmung verläßt und sich in Sichtung auf die Unterlage bewegt.

38. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammenabschirmung unter einem Winkel ausgerichtet ist, bei dem eine sich parallel zur StrÖHungsrichtung des Plasmaaustrifcbsstrahls erstreckende Komponente auftritt.

39· Verfahren nach Anspruch 21, dadur cn gekennzeichnet, daß die Plaminenabschirmung unter einem Winkel ausgerichtet ist, bei dem eine Komponente auftritt, die sich in einer Richtung erstreckt, welche der Strömungsrichtung des Plasmaaustrittsstrahls entgegengesetzt ist.

40. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch g e k e η η ze ichnet» daß ein Teil der Mischung zur Bildung der Flammenabschirmung unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse des PlasmaaustrittsStrahls und ein zweiter Teil der Mischung zur Bildung der Flammenabschirmung unter einem Winkel von ungefähr 0° bis ungefähr 180 in Bezug auf die Achse des Piasinaaustritt sstrahls eingeführt wird.

809846/0686

4-1. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch g e k e η η ze ichnet, daß ein Teil der Hischung zur Bildung der 11 ammenab schirmung unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse des PlasmäaustrittsStrahls und ein zweiter Teil der Mischung zur Bildung der Flammenabschirmung unter einem Winkel zugeführt wird, hei dem sich eine parallel zur Strömungsrichtung des Plasmaaustrittsstrahls erstreckende Komponente ergibt.

42. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Mischung zur Bildung der Plammenahschirmung unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse des Plasmaaustrittsstrahls und ein zweiter Teil der Mischung zur Bildung der Flammenahschirmung unter einem Winkel eingeführt wird, "bei dem eine Komponente auftritt, deren Richtung zu der Strömungsrichtung des Plasmaaustrittsstrahls entgegensetzt gerichtet ist.

809846/0686