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DE102006044612A1 - Method for cold gas spraying - Google Patents

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DE102006044612A1
DE102006044612A1 DE200610044612 DE102006044612A DE102006044612A1 DE 102006044612 A1 DE102006044612 A1 DE 102006044612A1 DE 200610044612 DE200610044612 DE 200610044612 DE 102006044612 A DE102006044612 A DE 102006044612A DE 102006044612 A1 DE102006044612 A1 DE 102006044612A1
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DE
Germany
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substrate
particles
heating
heated
impact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE200610044612
Other languages
German (de)
Inventor
Frank Dr. Gärtner
Peter Heinrich
Thomas Prof. Dr. Klassen
Heinrich Prof. Dr. Kreye
Werner Krömmer
Horst J. Prof. Dr. Richter
Peter Richter
Tobias Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to DE200610044612 priority Critical patent/DE102006044612A1/en
Priority to EP06022876A priority patent/EP1903126A1/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C24/00Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04Impact or kinetic deposition of particles

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
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  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

Um Verfahren zum Kaltgasspritzen, bei welchem Partikel (20) in einem insbesondere strahlförmigen Gas beschleunigt werden und mit hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat (30) auftreffen, wobei das Gas komprimiert sowie erwärmt und anschließend durch Entspannen in einer Düse (10) beschleunigt wird und sich dabei abkühlt, so weiterzubilden, dass die zum Haften der Partikel (20) am Substrat (30) erforderliche kritische Geschwindigkeit verringert sowie auf eine bessere Anbindung der Partikel (20) an das Substrat (30) erzielt werden kann, wird vorgeschlagen, dass das Substrat (30) aufgeheizt (40) wird.To methods for cold gas spraying, in which particles (20) are accelerated in a particular jet-shaped gas and impinge at high speed on a substrate (30), wherein the gas is compressed and heated and then accelerated by relaxing in a nozzle (10) and thereby cooling, so on, that reduces the adhesion of the particles (20) to the substrate (30) required critical speed and on a better connection of the particles (20) to the substrate (30) can be achieved, it is proposed that the substrate (30) is heated (40).

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltgasspritzen, bei welchem Partikel in einem insbesondere strahlförmigen Gas beschleunigt werden und mit hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat auftreffen, wobei das Gas komprimiert sowie erwärmt und anschließend durch Entspannen in einer Düse beschleunigt wird und sich dabei abkühlt.The The present invention relates to a method for cold gas spraying, in which particles in a particular jet-shaped gas be accelerated and at high speed on a substrate impinge, whereby the gas is compressed as well as heated and then by Relax in a nozzle is accelerated and cools down.

Stand der TechnikState of the art

Der Vorteil des Kaltgasspritzens gegenüber seit längerem eingesetzten thermischen Spritzverfahren, wie etwa Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Lichtbogenspritzen und Plasmaspritzen, besteht darin, dass der Spritzwerkstoff im Spritzprozess nicht aufgeschmolzen wird. Die Haftung der Partikel beruht vielmehr auf ihrer hohen kinetischen Energie beim Aufprall sowie auf der dann durch Verformung an den Grenzflächen zwischen Partikel und Substrat sowie zwischen den Partikeln entstehenden Wärme.Of the Advantage of the cold gas spraying over long used thermal Spraying processes, such as flame spraying, high-speed flame spraying, Arc spraying and plasma spraying, is that the spray material in Spray process is not melted. The adhesion of the particles Rather, it relies on its high kinetic energy on impact as well as on the then by deformation at the interfaces between particles and substrate and heat generated between the particles.

Es ist bekannt, dass die Partikel erst bei Überschreiten einer kritischen Geschwindigkeit auf dem Substrat haften und dass diese Geschwindigkeit

  • – vom Spritzwerkstoff selbst,
  • – von der Größe der Partikel und
  • – von der Temperatur der Partikel im Moment ihres Aufpralls auf das Substrat abhängt. Kritische Geschwindigkeiten für verschiedene Spritzwerkstoffe und deren Abhängigkeit von der Partikelgröße und von der Partikeltemperatur werden beispielsweise von Tobias Schmidt, Frank Gärtner, Hamid Assadi und Heinrich Kreye im Aufsatz "Development of a generalized parameter window for cold spray deposition", Acta Materialia 54 (2006), Seiten 729 bis 742 , beschrieben.
It is known that the particles adhere to the substrate only when a critical speed is exceeded, and that this speed
  • - from the spray material itself,
  • - on the size of the particles and
  • - depends on the temperature of the particles at the moment of their impact on the substrate. Critical speeds for different spray materials and their dependence on the particle size and the particle temperature are, for example, of Tobias Schmidt, Frank Gardener, Hamid Assadi and Heinrich Kreye in the article "Development of a generalized parameter window for cold spray deposition", Acta Materialia 54 (2006), pages 729-742 , described.

Die Beschleunigung der Partikel erfolgt beim Kaltgasspritzen in einem Überschall-Gasstrahl. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit erhält dieser Überschall-Gasstrahl beim Durchgang durch eine sogenannte Lavaldüse. Das Pulver wird vor der Düse in den Gasstrahl injiziert. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und damit auch die Beschleunigung der Partikel ist von der Art des Gases sowie von dessen Druck und Temperatur beim Eintritt in die Lavaldüse abhängig.The Acceleration of the particles takes place during cold gas spraying in a supersonic gas jet. The height flow rate receives this supersonic gas jet at Passage through a so-called Laval nozzle. The powder is in front of the Nozzle in the Injected gas jet. The flow velocity of the gas and thus the acceleration of the particles is from the type of gas and its pressure and temperature at entry in the Laval nozzle dependent.

In seltenen besonderen Fällen ist es auch möglich, die Partikel mit einem Gasstrahl, der nur sehr hohe Geschwindigkeiten, nicht aber Überschallgeschwindigkeit erreicht, auf die erforderliche kritische Geschwindigkeit zu beschleunigen.In rare special cases it is also possible the particles with a gas jet, the only very high speeds, but not supersonic speed achieved to accelerate to the required critical speed.

Mit Helium als Prozessgas werden bei gleichem Gasdruck und bei gleicher Gastemperatur deutlich höhere Gas- und Partikelgeschwindigkeiten als mit Stickstoff oder mit Druckluft erreicht. Der Grund hierfür ist die deutlich höhere Schallgeschwindigkeit für Helium. Prinzipiell kann jedoch jedes Gas zum Einsatz gelangen.With Helium as a process gas are at the same gas pressure and at the same Gas temperature much higher Gas and particle velocities as with nitrogen or with compressed air reached. The reason for that is the much higher Sound velocity for Helium. In principle, however, any gas can be used.

Bei allen Prozessgasen steigt die Geschwindigkeit der Partikel mit dem Druck und mit der Temperatur des Gases an. Besonders hohe Partikelgeschwindigkeiten werden daher dann erzielt, wenn mit dem anlagentechnisch größtmöglichen Druck und mit der größtmöglichen Gastemperatur gespritzt wird.at all process gases increase the speed of the particles with the Pressure and with the temperature of the gas on. Especially high particle speeds are therefore achieved when the largest possible with the plant technology Pressure and with the largest possible Gas temperature is injected.

Konventionelle Kaltgasspritzanlagen, wie zum Beispiel die KINETIKS® 4000 der Firma CGT Cold Gas Technology GmbH, Ampfing, können bei Drücken von bis zu etwa 3,5 Megapascal und bei Temperaturen von bis zu etwa 900 Grad Celsius betrieben werden. Allerdings kommt es bei vielen Metallen schon bei geringeren Gastemperaturen im Bereich von etwa 300 Grad Celsius bis etwa 600 Grad Celsius zum sogenannten Anbacken des Pulvers in der Düse, so dass dann nur mit entsprechend geringerer Gastemperatur gespritzt werden kann.Conventional cold gas spraying equipment, such as the KINETIKS ® 4000 of the company CGT Cold Gas Technology GmbH, Ampfing, can be operated at pressures of up to about 3.5 megapascals, and at temperatures of up to about 900 degrees Celsius. However, even with lower gas temperatures in the range from about 300 degrees Celsius to about 600 degrees Celsius, so-called caking of the powder in the nozzle occurs at many metals, so that then can only be injected with correspondingly lower gas temperature.

Das Aufheizen des Prozessgases dient zum einen dazu, die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und damit auch die Geschwindigkeit der Partikel zu erhöhen. Durch das Aufheizen des Gases erhöht sich andererseits auch die Temperatur der Partikel im Moment ihres Aufpralls, was ihre anschließende Verformung begünstigt. Die zum Haften erforderliche Mindestgeschwindigkeit wird dadurch deutlich verringert. Die maximal erreichbare Partikeltemperatur ist aber

  • – durch die Art des Gases bzw. durch den Wärmeübergang zwischen Gas und Partikel sowie
  • – durch die anlagentechnisch mögliche maximale Gastemperatur bzw. durch die zur Vermeidung von Pulveranbackungen in der Düse gerade noch tolerierbare Gastemperatur
begrenzt.The heating of the process gas serves on the one hand to increase the flow velocity of the gas and thus the speed of the particles. By heating the gas, on the other hand, the temperature of the particles increases at the moment of impact, which favors their subsequent deformation. The minimum speed required for adhesion is thereby significantly reduced. The maximum achievable particle temperature is
  • - By the nature of the gas or by the heat transfer between gas and particles as well
  • - By the maximum possible gas turbine temperature or by the just tolerable to avoid Pulveranbackungen in the nozzle gas temperature
limited.

Die Temperatur der Partikel im Moment ihres Aufpralls ist deutlich geringer als die Gastemperatur. Dies liegt daran, dass sich die Partikel nur für die Dauer von Millisekunden im heißen Gasstrahl befinden und dass der Gasstrahl bei seiner Entspannung im divergenten Bereich der Düse sehr stark abkühlt, zum Teil weit unter Raumtemperatur.The Temperature of the particles at the moment of impact is significantly lower as the gas temperature. This is because of the particles only for the duration of milliseconds are located in the hot gas jet and that the gas jet in its relaxation in the divergent area the nozzle cools very much, to Part far below room temperature.

Selbst wenn man die Verweilzeit des Pulvers im heißen Gas vor Eintritt in den Düsenhals gemäß der Druckschrift WO 2006/034778 A1 durch eine etwa 100 Millimeter bis etwa 200 Millimeter lange Vorkammer oder durch einen entsprechend verlängerten konvergenten Düsenabschnitt erhöht und Druck sowie Temperatur des Gases auf die anlagentechnisch heutzutage möglichen Maximalwerte steigert, ist die maximale Aufpralltemperatur nach oben begrenzt.Even if the residence time of the powder in the hot gas before entering the nozzle throat according to the publication WO 2006/034778 A1 increased by a about 100 millimeters to about 200 millimeters long pre-chamber or by a correspondingly extended convergent nozzle section and Pressure and temperature of the gas increases to the system technically possible maximum values today, the maximum impact temperature is limited upwards.

Obwohl nun das Kaltgasspritzen in letzter Zeit durch die Entwicklung derartiger Düsen zur Steigerung der Partikelgeschwindigkeit sowie durch Maßnahmen zur Steigerung der Partikeltemperatur, wie etwa

  • – durch die Integration eines zweiten Heizers in die Pistole (vgl. Druckschrift WO 2006/034777 A1 ),
  • – durch die Verlängerung des konvergierenden Düsenabschnitts bzw. den Einbau einer verlängerten Vorkammer in die Spritzpistole (vgl. Druckschrift WO 2006/034778 A1 ) und/oder
  • – durch die Möglichkeit des Nachheizens der Partikel auf deren Weg zwischen der Pistole und dem Substrat durch Mikrowellenheizung (vgl. Druckschrift EP 1 593 437 A1 ),
bedeutende Fortschritte gemacht hat, besteht im Hinblick auf eine erstrebenswerte Verringerung der zum Haften der Partikel am Substrat erforderlichen kritischen Geschwindigkeit sowie auf eine bessere Anbindung der Partikel an das Substrat noch ein weiteres Entwicklungspotenzial.Although now the cold gas spraying lately by the development of such nozzles to increase the particle velocity and measures to increase the particle temperature, such as
  • - By the integration of a second heater in the gun (see WO 2006/034777 A1 )
  • - By the extension of the converging nozzle section or the installation of an extended pre-chamber in the spray gun (see WO 2006/034778 A1 ) and or
  • - By the possibility of Nachheizens the particles on their way between the gun and the substrate by microwave heating (see EP 1 593 437 A1 )
Significant progress has been made in terms of a desirable reduction in the critical velocity required to adhere the particles to the substrate, as well as better attachment of the particles to the substrate.

Darstellung der vorliegenden Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die zum Haften der Partikel am Substrat erforderliche kritische Geschwindigkeit verringert sowie eine bessere Anbindung der Partikel an das Substrat erzielt werden kann.presentation OBJECT OF THE INVENTION: OBJECT, SOLUTION, ADVANTAGES Starting from the shortcomings and inadequacies set out above and of the prior art is the present invention the task is based on a method of the type mentioned above to further develop that required for adhering the particles to the substrate Reduces critical speed as well as better connectivity the particle can be achieved on the substrate.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.These The object is achieved by a method with the specified in claim 1 Characteristics solved. advantageous Embodiments and expedient developments The present invention is characterized in the subclaims.

Mithin basiert die vorliegende Erfindung auf einem Erwärmen oder Aufheizen des Substrats bzw. des Werkstücks.therefore For example, the present invention is based on heating or heating the substrate or the workpiece.

Zum Beispiel in Abhängigkeit von den Möglichkeiten des gewählten Wärme- oder Heizmittels besteht hierbei die Option, das gesamte Substrat bzw. das ganze Werkstück zu erwärmen oder aufzuheizen, was insbesondere bei gering dimensionierten Substraten bzw. bei kleinen Werkstücken sinnvoll sein kann.To the Example in dependence from the possibilities of the chosen Warmth- or heating medium here is the option, the entire substrate or the whole workpiece to warm up or to heat up, which is especially true for small sized substrates or for small workpieces can be useful.

Jedoch kann das Substrat oder Werkstück auch nur

  • – am Auftreffort der Partikel und/oder
  • – im Bereich des Auftrefforts der Partikel und/oder
  • – im Umkreis des Auftrefforts der Partikel
erwärmt oder aufgeheizt werden, so zum Beispiel am oder im Bereich des Orts, an dem die in einem Gasstrahl beschleunigten, auf das Substrat bzw. Werkstück gerichteten Partikel in festem Zustand auf das Substrat bzw. Werkstück aufprallen oder auftreffen.However, the substrate or workpiece may only
  • - At the impact of the particles and / or
  • - In the area of the impact of the particles and / or
  • - in the vicinity of the place of impact of the particles
be heated or heated, for example, at or in the region of the location at which the accelerated in a gas jet, directed onto the substrate or workpiece particles in the solid state impact or impinge on the substrate or workpiece.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der aufgeheizte Bereich oder Umkreis

  • – eine geringere, insbesondere laterale, Ausdehnung oder
  • – eine größere, insbesondere laterale, Ausdehnung
als der Partikelstrahl aufweisen. Hierbei kann der Art des eingesetzten Wärmemediums oder Heizmittels bei der Dimensionierung des aufgeheizten Bereichs oder Umkreises entscheidende Bedeutung zukommen.In an advantageous embodiment of the present invention, the heated area or perimeter
  • A smaller, in particular lateral, expansion or
  • - A larger, especially lateral, expansion
have as the particle beam. Here, the type of heat medium or heating medium used in the dimensioning of the heated area or perimeter crucial importance.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Prinzip besteht also darin, das Substrat, insbesondere am Ort des Partikelaufpralls, zu erwärmen bzw. aufzuheizen und dadurch zu erweichen bzw. zu duktilisieren, um die Verformung des Substrats beim Partikelaufprall zu begünstigen.The The underlying principle of the present invention is therefore in it, the substrate, in particular at the location of the particle impact, to warm up or heat and thereby soften or ductilize, to promote the deformation of the substrate during particle impact.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann die Temperatur des Substrats auf eine Temperatur zwischen der Aufpralltemperatur der Partikel und der Schmelztemperatur der Partikel erhöht werden.According to one particularly advantageous embodiment of the present invention The temperature of the substrate may be at a temperature between Impact temperature of the particles and the melting temperature of the particles elevated become.

Hierbei bedeutet im exemplarischen Falle von Kupferpartikeln mit einer Größe von etwa fünfzig Mikrometern eine Erhöhung der Substrattemperatur auf nur etwa 200 Grad Celsius über der Aufpralltemperatur der Partikel schon eine Verringerung der zum Haften erforderlichen Mindestgeschwindigkeit der Partikel um etwa 100 Meter pro Sekunde.in this connection in the exemplary case of copper particles with a size of about fifty microns an increase the substrate temperature to only about 200 degrees Celsius above the Impact temperature of the particles already a reduction of sticking required minimum speed of the particles by about 100 meters per second.

Durch die erfindungsgemäß bessere Verformbarkeit des Substrats kann zunächst die zum Haften der Partikel notwendige kritische Geschwindigkeit verringert werden, so dass bei ansonsten gleichen Aufprallbedingungen durch eine großflächigere und homogenere Aufheizung der Grenzfläche zwischen Partikel und Substrat eine wesentlich bessere Anbindung eines jeden Partikels an das Substrat erreicht wird.By the invention better Deformability of the substrate may be the first to adhere the particles necessary critical speed can be reduced so that with otherwise the same impact conditions by a larger area and Homogeneous heating of the interface between particle and substrate a much better connection of each particle to the substrate is reached.

Dies hat einerseits zur Folge, dass die zum Haften der Partikel am Substrat erforderliche kritische Geschwindigkeit schon bei im Vergleich zum Stand der Technik geringerem Gasdruck und geringerer Gastemperatur erreicht wird; andererseits wird die kritische Geschwindigkeit auch noch mit im Vergleich zum Stand der Technik größeren und daher langsameren Partikeln erreicht, so dass durch die vorliegende Erfindung das Einsatz- und Anwendungsspektrum der Methode des Kaltgasspritzens unter verschiedensten Bedingungen erweitert wird.This has, on the one hand, the fact that the critical velocity required to adhere the particles to the substrate is already lower in comparison with the prior art, lower gas pressure and clotting gerer gas temperature is reached; On the other hand, the critical speed is still achieved with compared to the prior art larger and therefore slower particles, so that is extended by the present invention, the range of applications and application of the method of cold gas spraying under various conditions.

Hierbei wird der Fachmann auf dem technischen Gebiet des Kaltgasspritzens insbesondere zu schätzen wissen, dass Pulver mit gröberen und mithin im Unterschied zum Stand der Technik vorliegend einsetzbaren Partikeln in der Regel kostengünstiger herzustellen sind als Pulver mit feineren Partikeln, wie sie im Stand der Technik obligatorisch sind.in this connection the person skilled in the art of cold gas spraying especially appreciated know that powder with coarser and thus applicable in contrast to the prior art Particles usually produce more cheaply are as powders with finer particles, as in the prior art are compulsory.

Bei ansonsten gleichen Aufprallbedingungen bewirkt die Möglichkeit des Absenkens der kritischen Geschwindigkeit infolge der Erweichung und Duktilisierung des Substrats eine deutlich höhere Auftragsrate oder einen deutlich höheren Auftragswirkungsgrad (sogenannte deposition efficiency), wobei sich dieser erfindungsgemäß erhöhte Auftragswirkungsgrad in einer größeren Masse des haftenden Pulvers in Bezug auf die Masse des aufprallenden Pulvers widerspiegelt.at otherwise equal impact conditions causes the possibility lowering of the critical speed due to softening and ductilization of the substrate a significantly higher application rate or a significantly higher Order efficiency (so-called deposition efficiency), this being according to the invention increased application efficiency in a larger mass of the adhering powder with respect to the mass of the impacting powder reflects.

Des Weiteren wird mittels der vorliegenden Erfindung auch eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Schichten erzielt. Hierbei können

  • – sowohl die innere Festigkeit (sogenannte Cohesive Strength)
  • – als auch die plastische Verformbarkeit (sogenannte Duktilität)
beträchtlich verbessert werden. Darüber hinaus wird insbesondere auf verhältnismäßig harten Substraten die Haftfestigkeit der Schicht (sogenannte Bond Strength) deutlich gesteigert.Furthermore, the present invention also achieves a significant improvement in the mechanical properties of the layers. Here you can
  • - both the internal strength (so-called Cohesive Strength)
  • - as well as the plastic deformability (so-called ductility)
considerably improved. In addition, the adhesion of the layer (so-called bond strength) is significantly increased, especially on relatively hard substrates.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann nicht nur dem Substrat, sondern auch den Partikeln, insbesondere

  • – durch Integrieren mindestens eines zweiten Wärme- oder Heizmittels in der Düse und/oder
  • – durch Verlängern des konvergenten Abschnitts der Düse und/oder
  • – durch Einbauen mindestens einer verlängerten Vorkammer in die Spritzpistole, der die Düse zugeordnet ist, und/oder
  • – durch Mikrowellenheizung im Bereich zwischen der Düse und dem Substrat, Energie zugeführt werden.
According to an expedient embodiment of the present invention, not only the substrate but also the particles, in particular
  • By integrating at least one second heating or heating means in the nozzle and / or
  • By extending the convergent section of the nozzle and / or
  • By incorporating at least one elongated prechamber into the spray gun associated with the nozzle, and / or
  • - Are supplied by microwave heating in the region between the nozzle and the substrate, energy.

Auf diese Weise kann – neben der Erwärmung oder Aufheizung des Substrats – auch eine autonome Erwärmung oder Aufheizung der Partikel bewerkstelligt werden, so dass in synergetischer Weise sowohl die Partikel als auch das Substrat die Verbesserung hinsichtlich Schicht- oder Formherstellung bewerkstelligen. Die zur Schicht- oder Formherstellung notwendige plastische Energie ergibt sich somit einerseits aus der kinetischen Energie und der Wärme der Partikel und anderseits aus der Wärme des Substrats. Dies führt zu besonders guten Ergebnissen bei der Schicht- oder Formherstellung, insbesondere bei der Beschichtung von Substratwerkstoffen und/oder bei der Herstellung von Formteilen unter Einsatz eines pulverförmigen Spritzwerkstoffs.On this way can - besides the warming or heating the substrate - too an autonomous warming or heating of the particles be accomplished, so that in synergetic Both the particles and the substrate improve with regard to layer or mold production. The necessary for the production of layers or mold plastic energy thus results on the one hand from the kinetic energy and the Heat the Particles and on the other hand from the heat of the substrate. This leads to special good results in the layer or mold production, in particular in the coating of substrate materials and / or in the production of moldings using a powdered spray material.

Unabhängig hiervon oder in Verbindung hiermit kann im Falle eines bewegten Partikelstrahls das Erwärmen oder Aufheizen des Substrats in zweckmäßiger Weise auf den Auftreffort begrenzt sein bzw. dem Auftreffort vorauseilen. Dies kann in besonders günstiger Weise dann bewerkstelligt werden, wenn der erwärmte oder aufgeheizte Bereich des Substrats eine geringere, insbesondere laterale, Ausdehnung als der Partikelstrahl aufweist.Independent of this or in conjunction with this, in the case of a moving particle beam heating or heating the substrate in an appropriate manner to the place of impact be limited or ahead of the place of impact. This can be particularly favorable Way then be accomplished when the heated or heated area of the substrate a smaller, in particular lateral, expansion as the particle beam.

Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Wärme- oder Heizmittel zum Erwärmen oder Aufheizen eines Substrats bei einem Verfahren gemäß der vorstehend dargelegten Art.The The present invention further relates to a heat or Heating means for heating or heating a substrate in a method according to the above set forth.

Bei diesem Wärme- oder Heizmittel kann es sich vorzugsweise

  • – um mindestens eine mindestens einen Kontakt zum Substrat aufweisende Wärme- oder Heizplatte und/oder
  • – um mindestens einen Wärme- oder Heizstrahler, insbesondere mindestens eine Heizlampe oder Infrarotlampe, und/oder
  • – um mindestens ein induktives Wärme- oder Heizmittel, insbesondere basierend auf dem Einkoppeln mittel- oder hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, und/oder
  • – um mindestens einen Laserstrahl und/oder
  • – um mindestens einen Lichtbogen und/oder
  • – um mindestens einen Plasmastrahl
handeln. in zweckmäßiger Weise können mindestens zwei der vorgenannten Wärme- oder Heizmittel auch in Kombination miteinander zum Einsatz gelangen.In this heating or heating means, it may preferably
  • - At least one at least one contact with the substrate having heat or hot plate and / or
  • - At least one heat or radiant heater, in particular at least one heat lamp or infrared lamp, and / or
  • - At least one inductive heating or heating means, in particular based on the coupling medium or high frequency electromagnetic radiation, and / or
  • - At least one laser beam and / or
  • - at least one arc and / or
  • - at least one plasma jet
act. Conveniently, at least two of the aforementioned heating or heating means can also be used in combination with each other.

Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Kaltgasspritzanlage, aufweisend mindestens ein Wärme- oder Heizmittel gemäß der vorstehend dargelegten Art.The The present invention further relates to a cold gas spray system, having at least one heat or heating means according to the above set forth.

Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung eines Verfahrens gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder mindestens eines Wärme- oder Heizmittels gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder mindestens einer Kaltgasspritzanlage gemäß der vorstehend dargelegten Art zur Schicht- oder Formherstellung, insbesondere bei der Beschichtung von Substratwerkstoffen und/oder bei der Herstellung von Formteilen unter Einsatz eines pulverförmigen Spritzwerkstoffs.Finally, the present invention relates to the use of a method according to the kind set out above and / or at least one heating or heating means according to the kind set out above and / or at least one cold gas spraying unit according to the above-described type of layer or mold production, in particular in the coating of Substrate materials and / or in the production of moldings using a powdered spray material.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche verwiesen, andererseits werden weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung nachstehend anhand des durch 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.As already discussed above, there are various possibilities for embodying and developing the teaching of the present invention in an advantageous manner. For this purpose, reference is made on the one hand to the claims subordinate to claim 1, on the other hand, further embodiments, features and advantages of the present invention will be described below with reference to 1 illustrated embodiment explained in more detail.

Es zeigt:It shows:

1 in schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausgestaltung einer Kaltgasspritzanlage gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der das Substrat nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung am Auftreffort der Partikel bzw. im Bereich des Auftrefforts der Partikel bzw. im Umkreis des Auftrefforts der Partikel erwärmt oder aufgeheizt wird. 1 a schematic representation of an exemplary embodiment of a cold gas spray system according to the present invention, in which the substrate is heated or heated according to the method according to the present invention at the impact of the particles or in the region of incidence of the particles or in the vicinity of the impact of the particles.

Bester Weg zur Ausführung der ErfindungBest way to execute the invention

Das anhand 1 veranschaulichte Ausführungsbeispiel einer Kaltgasspritzanlage 100 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt eine Düse 10 mit einem konvergenten Düsenabschnitt 12, der am Düsenhals 14 in den Düsenauslauf 16 übergeht. Die Düse 10 ist einer (aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung in 1 nicht explizit wiedergegebenen) Spritzpistole zugeordnet.The basis 1 illustrated embodiment of a cold gas spray system 100 according to the present invention shows a nozzle 10 with a convergent nozzle section 12 , the nozzle neck 14 in the nozzle outlet 16 passes. The nozzle 10 is one (for reasons of clarity of presentation in 1 not explicitly reproduced) spray gun assigned.

Innerhalb der Düse 10 werden die Partikel 20 zur Schicht- oder Formherstellung in einem Gasstrahl mit Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, treffen mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat 30 auf und bilden dort die Beschichtung aus; zur Beschleunigung der Partikel 20 wird das Gas komprimiert sowie vorteilhafterweise erwärmt und anschließend durch Entspannung in der Düse 10 beschleunigt und kühlt sich dabei ab.Inside the nozzle 10 become the particles 20 accelerated to supersonic speed for layer or mold production in a gas jet, hit the substrate at high speed 30 on and form there the coating; to accelerate the particles 20 the gas is compressed and advantageously heated and then by relaxation in the nozzle 10 accelerates and cools down.

Hinsichtlich der anhand 1 veranschaulichten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist nun grundsätzlich zu bedenken, dass beim Kaltgasspritzen die zum Haften der Partikel 20 erforderliche Wärme durch plastische Verformung an der Grenzfläche zwischen den Partikel 20 und dem Substrat 30 entsteht.Regarding the basis 1 illustrated embodiment of the present invention is now basically to be considered that the cold gas spraying for adhering the particles 20 required heat by plastic deformation at the interface between the particles 20 and the substrate 30 arises.

Um nun die Haftbedingungen für das Spritzen von Metallen oder Verbundwerkstoffen mit metallischen Anteilen auf metallische und nichtmetallische Substrate 30 zu verbessern, reicht es daher erfindungsgemäß aus, anstelle der Partikel 20 das Substrat 30 am Auftreffort 32 der Partikel 20 und/oder im Bereich des Auftrefforts 32 der Partikel 20 und/oder im Umkreis des Auftrefforts 32 der Partikel 20 zu erwärmen oder zu erhitzen.In order now to consider the bonding conditions for the spraying of metals or composite materials with metallic components on metallic and non-metallic substrates 30 to improve, it is therefore sufficient according to the invention, instead of the particles 20 the substrate 30 at the place of impact 32 the particle 20 and / or in the area of the place of impact 32 the particle 20 and / or around the place of impact 32 the particle 20 to heat or to heat.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch auch von Vorteil, sowohl den Partikeln 20, zum Beispiel

  • – durch Integrieren einer zweiten Heizeinrichtung in der Spritzpistole,
  • – durch Verlängern des konvergierenden Düsenabschnitts bzw. Einbauen einer verlängerten Vorkammer in die Spritzpistole und/oder
  • – durch Mikrowellennachheizung der Partikel auf deren Weg zwischen der Düse 10 und dem Substrat 30,
als auch dem Substrat 30, zum Beispiel durch nachstehend näher erläuterte Wärme- oder Heizmittel 40, Energie zuzuführen, so dass sowohl die Partikel 20 als auch das Substrat 30 über die hierbei erfolgende Erwärmung oder Aufheizung plastisch verformbar sind.In the context of the present invention, however, it is also advantageous, both the particles 20 , for example
  • By integrating a second heating device in the spray gun,
  • By extending the convergent nozzle section or installing an extended prechamber into the spray gun and / or
  • - By microwave Nachheizung the particles on their way between the nozzle 10 and the substrate 30 .
as well as the substrate 30 , for example by heating or heating means explained in more detail below 40 To supply energy so that both the particles 20 as well as the substrate 30 can be plastically deformed by the resulting heating or heating.

Das Erwärmen oder Aufheizen des Substrats 30, das heißt die Wahl des Wärmemediums oder Heizmittels 40 kann in Abhängigkeit

  • – vom Werkstoff des Substrats 30 und/oder
  • – von den Abmessungen des Substrats 30
erfolgen, zum Beispiel mit einer elektrischen Widerstandsheizung, mit einer Induktionsheizung oder mit einer Flamme.Heating or heating the substrate 30 That is, the choice of the heat medium or heating medium 40 can depend on
  • - From the material of the substrate 30 and or
  • - on the dimensions of the substrate 30
done, for example, with an electrical resistance heater, with an induction heater or with a flame.

Möglich ist auch das Erwärmen oder Aufheizen des Substrats 30 mit einer Quarzlampe von höherer Leistungsdichte, deren Licht auf den Aufprallort 32 der Partikel 20 fokussiert wird.It is also possible to heat or heat the substrate 30 with a quartz lamp of higher power density, whose light is on the impact site 32 the particle 20 is focused.

Besonders wirkungsvoll ist auch das Erwärmen oder Aufheizen des Substrats 30 mit einem Laserstrahl, der auf den Auftreffort 32 der Partikel 20 fokussiert ist bzw. diesem Auftreffort 32 der Partikel 20 vorauseilt.The heating or heating of the substrate is also particularly effective 30 with a laser beam that hits the point of impact 32 the particle 20 is focused or this place of incidence 32 the particle 20 is ahead.

Darüber hinaus können die gewünschten Temperaturen des Substrats 30 auch durch einen fokussierten Plasmastrahl oder durch einen Lichtbogen eingestellt werden.In addition, the desired temperatures of the substrate 30 also be adjusted by a focused plasma jet or by an arc.

Mittels der anhand 1 veranschaulichten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die zum Haften der Partikel 20 am Substrat 30 erforderliche kritische Geschwindigkeit verringert sowie eine bessere Anbindung der Partikel 20 an das Substrat 30 erzielt werden. Diese mit steigender Temperatur der Partikel 20 abnehmende kritische oder minimale Geschwindigkeit der Partikel 20 ist dadurch gegeben, dass die Partikel 20 unterhalb der Schwelle dieser kritischen oder minimalen Geschwindigkeit nicht mehr fest genug am Substrat 30 haften, weil die den Partikel 20 innewohnende kinetische Energie, in die die Partikelgeschwindigkeit bekanntlich quadratisch eingeht, zu niedrig ist. Wird zumindest die kritische oder minimale Geschwindigkeit beibehalten, so ist mit dem anhand 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel der Kaltgasspritzanlage 100 eine bessere und beständigere Haftung der Partikel 20 am Substrat oder Werkstück 30 gewährleistet.By means of the 1 illustrated embodiment of the present invention, the adhesion of the particles 20 on the substrate 30 Required critical speed decreases as well as a better binding of the particles 20 to the substrate 30 be achieved. This with increasing temperature of the particles 20 decreasing critical or minimum velocity of the particles 20 is given by the fact that the particles 20 below the threshold of this critical or minimal velocity, it is no longer strong enough on the substrate 30 stick because of the particle 20 inherent kinetic energy, in which the particle velocity is known to be square, is too low. If at least the critical or minimum speed is maintained, so is with the basis 1 illustrated embodiment of the cold gas spray system 100 a better and more consistent adhesion of the particles 20 on the substrate or workpiece 30 guaranteed.

So wie eine kritische oder minimale Geschwindigkeit der Partikel 20 existiert, gibt es auch eine mit steigender Temperatur der Partikel 20 ebenfalls abnehmende maximale Geschwindigkeit der Partikel 20; oberhalb der Schwelle dieser maximalen Geschwindigkeit spritzen die Partikel 20 aufgrund ihrer zu hohen kinetischen Energie, in die die Partikelgeschwindigkeit bekanntlich quadratisch eingeht, vom Substrat 30 zurück, das heißt die Auftragsrate oder der Auftragswirkungsgrad (sogenannte deposition efficiency) wird zu gering.Such as a critical or minimal velocity of the particles 20 There is also one with increasing temperature of the particles 20 also decreasing maximum velocity of the particles 20 ; Above the threshold of this maximum speed, the particles spray 20 because of their too high kinetic energy, in which the particle velocity is known to be square, from the substrate 30 back, that is the order rate or the order efficiency (so-called deposition efficiency) is too low.

Der Bereich optimaler Schicht- oder Formherstellung befindet sich zwischen der (erfindungsgemäß absenkbaren) kritischen oder minimalen Geschwindigkeit der Partikel 20 und der maximalen Geschwindigkeit der Partikel 20.The region of optimum layer or mold production is located between the (lowerable according to the invention) critical or minimum velocity of the particles 20 and the maximum velocity of the particles 20 ,

100100
KaltgasspritzanlageCold spray system
1010
Düsejet
1212
konvergenter Abschnitt der Düse 10 Convergent section of the nozzle 10
1414
Hals der Düse 10 Neck of the nozzle 10
1616
Auslauf der Düse 10 Outlet of the nozzle 10
2020
Partikel oder Partikelstrahlparticle or particle beam
3030
Substrat oder Werkstücksubstratum or workpiece
3232
Auftreffort der Partikel 20 auf das Substrat 30 Impact of the particle 20 on the substrate 30
4040
Wärme- oder HeizmittelHeat or heating

Claims (12)

Verfahren zum Kaltgasspritzen, bei welchem Partikel (20) in einem insbesondere strahlförmigen Gas beschleunigt werden und mit hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat (30) auftreffen, wobei das Gas komprimiert sowie erwärmt und anschließend durch Entspannen in einer Düse (10) beschleunigt wird und sich dabei abkühlt, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (30) aufgeheizt (40) wird.Method for cold gas spraying, in which particles ( 20 ) are accelerated in a particularly jet-shaped gas and at high speed onto a substrate ( 30 ), wherein the gas is compressed and heated and then by relaxing in a nozzle ( 10 ) and thereby cooling, characterized in that the substrate ( 30 ) heated up ( 40 ) becomes. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (30) am Auftreffort (32) der Partikel (20) und/oder im Bereich des Auftrefforts (32) der Partikel (20) und/oder im Umkreis des Auftrefforts (32) der Partikel (20) aufgeheizt (40) wird.Method according to claim 1, characterized in that the substrate ( 30 ) at the place of impact ( 32 ) of the particles ( 20 ) and / or in the area of the place of impact ( 32 ) of the particles ( 20 ) and / or in the vicinity of the place of impact ( 32 ) of the particles ( 20 ) heated up ( 40 ) becomes. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeheizte (40) Bereich oder Umkreis – eine geringere, insbesondere laterale, Ausdehnung oder – eine größere, insbesondere laterale, Ausdehnung als der Strahl von Partikeln (20) aufweist.Process according to claim 1 or 2, characterized in that the heated ( 40 ) Area or perimeter - a smaller, in particular lateral, expansion or - a larger, in particular lateral, extent than the jet of particles ( 20 ) having. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen (40) des Substrats (30) im Falle eines bewegten Strahls von Partikeln (20) auf den Auftreffort (32) begrenzt ist bzw. dem Auftreffort (32) vorauseilt.Method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the heating ( 40 ) of the substrate ( 30 ) in the case of a moving jet of particles ( 20 ) on the place of impact ( 32 ) is limited or the place of impact ( 32 ) leads. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Substrats (30) auf eine Temperatur zwischen der Aufpralltemperatur der Partikel (20) und der Schmelztemperatur der Partikel (20) erhöht wird.Method according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the temperature of the substrate ( 30 ) to a temperature between the impact temperature of the particles ( 20 ) and the melting temperature of the particles ( 20 ) is increased. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (20) erwärmt werden.Method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the particles ( 20 ) are heated. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (30) – mittels mindestens einer mindestens einen Kontakt zum Substrat (30) aufweisenden Wärme- oder Heizplatte und/oder – mittels mindestens eines Wärme- oder Heizstrahlers, insbesondere mittels mindestens einer Heizlampe oder Infrarotlampe, aufgeheizt (40) wird.Method according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the substrate ( 30 ) By means of at least one at least one contact to the substrate ( 30 ) having heating or heating plate and / or - by means of at least one heat or radiant heater, in particular by means of at least one heat lamp or infrared lamp, heated ( 40 ) becomes. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (30) induktiv, insbesondere durch Einkoppeln von mittel- oder hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, aufgeheizt (40) wird.Method according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the substrate ( 30 ) inductively, in particular by coupling medium or high frequency electromagnetic radiation, heated ( 40 ) becomes. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (30) mittels mindestens eines Laserstrahls und/oder mittels mindestens eines Lichtbogens und/oder mittels mindestens eines Plasmastrahls aufgeheizt (40) wird.Method according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the substrate ( 30 ) is heated by means of at least one laser beam and / or by means of at least one electric arc and / or by means of at least one plasma jet ( 40 ) becomes. Wärme- oder Heizmittel (40) zum Aufheizen eines Substrats (30) bei einem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9.Heating or heating means ( 40 ) for heating a substrate ( 30 ) in a method according to any one of claims 1 to 9. Kaltgasspritzanlage (100), gekennzeichnet durch mindestens ein Wärme- oder Heizmittel (40) gemäß Anspruch 10.Cold gas spray system ( 100 ), characterized by at least one heating or heating means ( 40 ) according to claim 10. Verwendung eines Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder mindestens eines Wärme- oder Heizmittels (40) gemäß Anspruch 10 und/oder mindestens einer Kaltgasspritzanlage (100) gemäß Anspruch 11 zur Schicht- oder Formherstellung, insbesondere bei der Beschichtung von Substratwerkstoffen und/oder bei der Herstellung von Formteilen unter Einsatz eines pulverförmigen Spritzwerkstoffs.Use of a method according to any one of claims 1 to 9 and / or at least one heating or heating means ( 40 ) according to claim 10 and / or at least one cold gas spray system ( 100 ) according to claim 11 for layer or mold production, in particular in Be layering of substrate materials and / or in the production of moldings using a powdered spray material.
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