DE102006061977A1 - Method and apparatus for thermal spraying - Google Patents
Method and apparatus for thermal spraying Download PDFInfo
- Publication number
- DE102006061977A1 DE102006061977A1 DE102006061977A DE102006061977A DE102006061977A1 DE 102006061977 A1 DE102006061977 A1 DE 102006061977A1 DE 102006061977 A DE102006061977 A DE 102006061977A DE 102006061977 A DE102006061977 A DE 102006061977A DE 102006061977 A1 DE102006061977 A1 DE 102006061977A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- cooling
- coating
- substrate
- layer
- burner
- 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- Withdrawn
Links
Classifications
-
- 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
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
-
- 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
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
- C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
-
- 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
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
- C23C4/129—Flame spraying
-
- 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
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
- C23C4/134—Plasma spraying
-
- 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
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/18—After-treatment
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrates mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens, bei dem nach dem Spritzübergang eine Kühlung der abgeschiedenen Schicht und auch des Substrats erfolgt. Erfindungsgemäß erfolgt eine definierte Kühlung der abgeschiedenen Schicht und auch des Substrats derart, dass im Mittel ein Temperaturniveau von mindestens 200 K oberhalb der Umgebungstemperatur im Schicht-/Substratverbund vorliegt. Vorteilhaft vergeht zwischen dem Spritzübergang und der definierten Kühlung dieser abgeschiedenen Schicht eine Zeitspanne von weniger als 100 ms, insbesondere in weniger als 10 ms und insbesondere zwischen 0,1 und 5 ms nach dem Spritzübergang. Das erhöhte Temperaturniveau verbunden mit der definierten Kühlung nach dem Aufbringungsvorgang ermöglicht durch dieses Verfahren einerseits die Herstellung dünner, gasdichter Schichten < 100 µm sowie andererseits auch dickerer Schichten (> 100 µm) mit einer hohen Segmentationsrissdichte.The invention relates to a method for coating a substrate by means of a thermal spraying method, in which, after the transfer transition, cooling of the deposited layer and also of the substrate takes place. According to the invention, a defined cooling of the deposited layer and also of the substrate takes place in such a way that on average there is a temperature level of at least 200 K above the ambient temperature in the layer / substrate composite. Advantageously passes between the splash transition and the defined cooling of this deposited layer a period of less than 100 ms, in particular less than 10 ms and in particular between 0.1 and 5 ms after the spray transition. The increased temperature level associated with the defined cooling after the application process allows by this method, on the one hand, the production of thin, gas-tight layers <100 microns and on the other hand thicker layers (> 100 microns) with a high Segmentationsrissdichte.
Description
Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren, insbesondere ein thermisches Spritzverfahren sowie eine dafür geeignete Vorrichtung.The The invention relates to a coating method, in particular a thermal spraying method and a device suitable for this purpose.
Stand der TechnikState of the art
Mit Hilfe von Beschichtungsverfahren werden eine einzelne oder auch mehrere festhaftende Schichten aus formlosem Material auf die Oberfläche eines Werkstückes aufgebracht. Dabei kann es sich um eine dünne Schicht oder eine dicke Schicht handeln, die Unterscheidung ist nicht genau definiert und orientiert sich am Beschichtungsverfahren und Anwendungszweck.With Help of coating processes become a single or even several adherent layers of shapeless material on the surface of a workpiece applied. This can be a thin layer or a thick Act shift, the distinction is not well defined and oriented on the coating process and application.
Die Beschichtungsverfahren selbst unterscheiden sich einerseits in der Art der Schichtaufbringung in chemische, mechanische, thermische und thermomechanische Verfahren, und andererseits nach dem Ausgangszustand des aufzubringenden Materials. Hier unterscheidet man insbesondere das gasförmige Aufbringen, wie beispielsweise über die chemische Gasphasenabscheidung (auch CVD von engl. chemical vapor deposition) oder die physikalische Gasphasenabscheidung (auch PVD von engl. physical vapor deposition), die flüssige Aufbringung, wie beispielsweise beim Lackieren, Spritzen und thermischen Spritzen inklusive dem Flammspritzen, dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, dem Drahtlichtbogenspritzen sowie dem Plasmaspritzen und auch die feste Aufbringungsart wie bei Sinterverfahren.The Coating processes themselves differ on the one hand in the Type of coating application in chemical, mechanical, thermal and thermomechanical processes, and on the other hand, the initial state of the material to be applied. Here one differentiates in particular the gaseous Apply, such as over the chemical vapor deposition (also CVD of English chemical vapor deposition) or the physical vapor deposition (also PVD from engl. physical vapor deposition), the liquid application, such as during painting, spraying and thermal spraying including the Flame spraying, the high-speed flame spraying, the wire arc spraying as well as the plasma spraying and also the firm application method like in sintering process.
Unter dem Begriff des thermischen Spritzens versteht man unterschiedliche Spritzverfahren, welche sich durch die Art des Spritzzusatzwerkstoffes (Draht bzw. Pulver), der Fertigung oder des Energieträgers unterscheiden.Under The term thermal spraying is understood to mean different Spraying, which is characterized by the nature of the spray additive (wire or powder), the production or the energy carrier.
Als Energieträger für die An- oder Aufschmelzung des Spritzzusatzwerkstoffes dienen in der Regel elektronischer Lichtbogen, Laserstrahl, Brenngas-Sauerstoff-Flamme bzw. Kerosin-Sauerstoff-Hochgeschwindigkeitsflamme, hochkinetische Gase und der Plasmastrahl. Die Dichte der Beschichtung, die Haftfestigkeit der Spritzschicht und die Haftzugfestigkeit zwischen Beschichtung und Grundwerk stoff ergeben sich in der Regel aus der Energie, welche mit der Partikelgeschwindigkeit und -temperatur gekoppelt ist.When fuels for the On or melting of the spray additive serve in the Usually electronic arc, laser beam, fuel gas-oxygen flame or kerosene-oxygen high-velocity flame, high-kinetic gases and the plasma jet. The density of the coating, the adhesion of the sprayed layer and the adhesion between Coating and base material usually result from the Energy, which coincides with the particle velocity and temperature is coupled.
Thermische Spritzverfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass das für die Beschichtung vorgesehene Material in Form von schmelzfähigen Partikeln auf ein Substrat trifft und dort eine Schicht ausbildet. Sowohl die zur Erzeugung der schmelzflüssigen Partikel genutzten thermischen Energiequellen, wie Plasmen, Lichtbögen oder Verbrennungsprozesse sowie der thermische Energieinhalt der Partikel selbst, führen regelmäßig zu einer Erwärmung des Substrates. Diese Erwärmung hat häufig negative Folgen, wie Verzug, Korrosion oder Oxidation des Substrates.thermal Spray processes are characterized in that for the coating envisaged material in the form of meltable particles on a substrate meets and trains a shift there. Both to the generation the molten one Particle used thermal energy sources, such as plasmas, arcs or Combustion processes and the thermal energy content of the particles themselves, to lead regularly to one warming of the substrate. This warming has often negative consequences, such as distortion, corrosion or oxidation of the substrate.
Aus
diesem Grund wird typischerweise beim thermischen Spritzen eine
Kühlung
eingesetzt. Die verwendete Kühlung
erfolgt in der Regel über
Kühldüsen, durch
die das Substrat mit einem Kühlmedium,
wie z. B. Pressluft, angeblasen wird. Die Kühldüsen sind dabei feststehend
auf das Substrat gerichtet oder sie sind neben dem Brenner angeordnet
und bewegen sich dementsprechend mit diesem mit. Aus
Aufgabe und LösungTask and solution
Aufgabe der Erfindung ist es ein Beschichtungsverfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Herstellung von Schichten mit einem guten Verbund der einzelnen Spritzlamellen ohne Vorheizverfahren erlaubt und so auf einfache Weise einerseits eine Abscheidung von hochdichten, dünnen Schichten aber auch von dickeren, segmentierten Schichten ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen.task The invention is a coating method available which makes the production of layers with a good bond of allowed individual splash blades without preheating and so on simple way, on the one hand, a deposition of high-density, thin layers but also allows for thicker, segmented layers. It is another object of the invention to provide a device for carrying out this Provide method.
Die Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zum Beschichten mit der Gesamtheit der Merkmale des Hauptanspruchs, sowie durch eine Vorrichtung zum Beschichten gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Vorrichtung ergeben sich aus den jeweils darauf zückbezogenen Unteransprüchen.The Tasks are solved by a method of coating with the entirety of the features of the main claim, and by a device for coating according to additional claim. Advantageous embodiments the method according to the invention as well as the device result from the respective draw-dependent subclaims.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass die Art der Kühlung des Substrates, bzw. der abgeschiedenen Schichten einen entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis der Schichtausbildung der Beschichtung hat. Es hat sich herausgestellt, dass sich eine Kühlung des Substrates bzw. einer schon abgeschiedenen Schicht vor der Beschichtung als nachteilig erweist, während die unmittelbare direkte Kühle im Anschluss an den Beschichtungsvorgang deutliche Vorteile zeigt.In the context of the invention, it has been found that the type of cooling of the substrate or of the deposited layers has a decisive influence on the result of the layer formation of the coating. It has been found that cooling the substrate or an already deposited layer before coating proves to be disadvantageous, while the immediate direct cooling after the coating process shows significant advantages.
Bei der vorliegenden Erfindung wird bei der Beschichtung so verfahren, dass eine Kühlung derart gesteuert wird, dass ausschließlich nur die Bereiche gezielt gekühlt werden, in denen unmittelbar vorher eine Beschichtung durchgeführt wurde. Zweckmäßig lässt sich dies zum Beispiel so realisieren, dass der Einsatz der am Brenner befestigten Kühldüsen mit der Brennerbewegung abgestimmt wird.at In the coating process of the present invention, that a cooling is controlled so that only the targeted areas chilled in which a coating has been applied immediately before. Appropriately, can be So for example, realize that the use of the burner attached cooling nozzles with the Burner movement is tuned.
Eine erste Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass ein Brenner mit einer Kühldüse eingesetzt wird, wobei sich die Kühldüse relativ zur Bewegungsrichtung des Brenners bezogen auf das Substrat hinter dem Brenner befindet. Beim Überfahren des Substrates wird nun diese Kühldüse aktiviert, so dass die Kühlung immer nur den gerade aufgebrachten Spritzfleck ankühlt. In dieser Ausgestaltung wird das Substrat jeweils nur in einer Richtung überfahren.A first embodiment of the method provides that a burner with a cooling nozzle used is, with the cooling nozzle relative to the direction of movement of the burner relative to the substrate behind located on the burner. When driving over the Substrates, this cooling nozzle is now activated, so the cooling always cool only the just applied spray spot. In In this embodiment, the substrate is run over only in one direction.
In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Brenner mit wenigstens zwei Kühldüsen vorgesehen. Während der Beschichtung wird jedoch nur jeweils die Kühldüse aktiviert, die sich in Bewegungsrichtung hinter dem Brenner befinden. Dies ermöglicht vorteilhaft ein Überfahren des Substrates wenigstens in zwei Richtun gen, z. B. in Form eines Mäanders. Anlagentechnisch kann dies erreicht werden durch eine Ventilsteuerung der Kühldüsen entsprechend der Brennerbewegung.In Another embodiment is a burner with at least two Cooling nozzles provided. During the Coating, however, only the cooling nozzle is activated, which is behind in the direction of movement to the burner. this makes possible advantageous overriding of the substrate in at least two directions, e.g. B. in the form of a Meander. In terms of plant technology, this can be achieved by a valve control the cooling nozzles accordingly the burner movement.
Auf zylindrische Proben oder komplex geformte Bauteile, wie Turbinenschaufeln, lässt sich das Verfahren entsprechend übertragen. Ebenso können mehrere Kühldüsen angebracht sein, so dass auch ein Überfahren in mehreren Raumrichtungen möglich wird, sofern eine entsprechende Steuerung der Kühldüsen für eine definierte nachgeschaltete Kühlung des soeben abgeschiedenen Spritzflecks sorgt.On cylindrical samples or complex shaped components, such as turbine blades, that can be Transfer procedure accordingly. Likewise several cooling nozzles attached be, so also a run over possible in several directions is provided that a corresponding control of the cooling nozzles for a defined downstream cooling the just deposited spray spot provides.
Als Kühlmedien kommen sowohl Gase, wie CO2, Pressluft, Stickstoff, Helium oder Wasserdampf, als auch Flüssigkeiten, wie Wasser, in Frage. Ferner ist ein Feststoff, wie z. B. CO2-Schnee, ebenfalls geeignet.Suitable cooling media are both gases, such as CO 2 , compressed air, nitrogen, helium or water vapor, as well as liquids, such as water in question. Further, a solid such. As CO 2 snow, also suitable.
Die gezielte Kühlung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Schichtausbildung der Beschichtung. Durch die ausschließliche Kühlung im Nachgang wird vermieden, dass die bereits abgeschiedene Schicht, bzw. das Substrat, unmittelbar vor der Schichtabscheidung gekühlt wird. Zudem wird die Substrattemperatur durch die gezielte Kühlungsdosierung so eingestellt, dass auch nach der Kühlung eine gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhte Temperatur vorliegt. Beim ersten Spritzvorgang kann dies vorteilhaft durch ein Vorheizen mit dem Brenner ohne Partikelinjektion erfolgen. Durch die damit gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Temperaturen des Substrats wird nun erreicht, dass die neu abgeschiedenen Schichten sich vorteilhaft mit einer hohen Dichte abscheiden können. Die nachfolgende, gezielte Kühlung führt nun dazu, dass die zulässigen Temperaturen des Substrates nicht überschritten werden, andererseits aber ein genügend hohes Temperaturniveau eingestellt werden kann, um eine Schichtabscheidung mit hoher Dichte zu erreichen. Die Temperaturen des Substrates liegen vorteilhaft 200 bis 800 K oberhalb der Umgebungstemperatur, idealerweise zwischen 300 und 600 K über der Umgebungstemperatur. Damit lassen sich auch ohne die hohe Temperaturbelastung des Substrates und die damit verbundenen negativen Folgen, wie Verzug, Korrosion oder Oxidation hochdichte, relativ dünne, typischerweise kleiner als 100 μm dicke Schichten abscheiden.The targeted cooling has a decisive influence on the stratification of the Coating. By the exclusive cooling afterwards it is avoided that the already deposited layer, or the substrate, directly cooled before the layer deposition becomes. In addition, the substrate temperature is due to the targeted cooling dosing adjusted so that even after cooling one opposite the Ambient temperature increased temperature is present. In the first injection, this can be advantageous by preheat with the burner without injecting particles. By the opposite increased in the prior art Temperatures of the substrate is now reached that the newly deposited Layers can advantageously deposit with a high density. The subsequent, targeted cooling leads now to that the allowable temperatures of the substrate are not exceeded, on the other hand, one enough high temperature level can be adjusted to a layer deposition to achieve high density. The temperatures of the substrate are advantageously 200 to 800 K above the ambient temperature, ideally between 300 and 600 K over the ambient temperature. This can be done without the high temperature load of the substrate and the associated negative consequences, such as distortion, corrosion or oxidation high density, relatively thin, typically smaller as 100 μm deposit thick layers.
Bei abgeschiedenen Schichten mit einer Schichtdicke von mehr als 100 μm wird zudem eine andere vorteilhafte Mikrostruktur erreicht. Die intensive, gezielte Kühlung unmittelbar direkt nach der Schichtabscheidung führt zu einem sehr schnellen Abkühlen und damit zu einem hohen Zugspannungsniveau in der Schicht. Dies wiederum hat eine hohe Dichte an Segmentierungsrissen zur Folge. Soll dieser Mechanismus aktiviert werden, ist eine genaue Ausrichtung der Kühldüsen erforderlich, so dass das Kühlmedium unmittelbar nach der Abscheidung auf die Schicht trifft. Typische Abstände zwischen Spritzfleck und dem Maximum des Kühlstroms liegen im Millimeterbereich. Bei einer Brennergeschwindigkeit von 1 m/s ergeben sich damit Zeiten zwischen der Abscheidung und dem Einsetzen der externen Kühlung im Millisekundenbereich. In dieser Zeit hat der Temperaturübergang von dem abgeschiedenen Spritzpartikel (Splat) auf das Substrat regelmäßig noch nicht vollständig stattgefunden. Das heißt, dass die Temperatur des Splats in dieser Zeit noch deutlich über der Substrattemperatur liegt, und die gewählte Konfiguration zu einer deutlichen Erhöhung des Zugspannungsniveaus in der abgeschiedenen Schicht führt. Die Zeit zum Abkühlen der Splats lässt sich aus der Lamellendicke, die typischerweise bei 5 μm liegt, geteilt durch die Wurzel der thermischen Diffusivität (materialabhängig, typisch 10–6 m2/s) abschätzen, was etwa 5 ms ergibt.In the case of deposited layers with a layer thickness of more than 100 μm, another advantageous microstructure is additionally achieved. The intensive, targeted cooling immediately after the layer deposition leads to a very rapid cooling and thus to a high level of tensile stress in the layer. This in turn results in a high density of segmentation cracks. If this mechanism is to be activated, precise alignment of the cooling nozzles is required so that the cooling medium strikes the layer immediately after deposition. Typical distances between the spray spot and the maximum of the cooling flow are in the millimeter range. At a burner speed of 1 m / s, this results in times between the deposition and the onset of external cooling in the millisecond range. During this time, the temperature transfer from the separated spray particle (splat) to the substrate has not yet taken place regularly. That is, the temperature of the splat at this time is still significantly above the substrate temperature, and the chosen configuration leads to a significant increase in the tensile stress level in the deposited layer. The cooling time of the splats can be estimated from the lamella thickness, which is typically 5 μm, divided by the root of the thermal diffusivity (depending on the material, typically 10 -6 m 2 / s), which gives about 5 ms.
Die gezielte Kühlung beinhaltet des Weiteren, dass der Durchmesser des Stromes des Kühlgasmediums abgestimmt ist auf die Spritzfleckgröße. Idealerweise sollte der gekühlte Bereich nicht größer als der Spritzfleck sein. Für typische Spritzfleckgrößen von einigen Millimetern sollte entsprechend das Profil des Kühlstroms nur einige Millimeter im Durchmesser sein. Dies kann z. B. durch Verwendung geeigneter Düsen mit geringem Durchmesser und mit geringer Divergenz des Kühlmediums nach dem Austritt erreicht werden. Zudem ist es günstig, den Austritt des Kühlmediums aus der Düse möglichst nahe an den Bereich des Spritzflecks zu legen. Dies lässt sich z. B. durch hochwarmfeste Materialien, wie Keramikrohre, realisieren.The targeted cooling further includes that the diameter of the flow of the cooling gas medium is matched to the spray spot size. Ideally, the cooled area should not be larger than the spray spot. For typical spray spot sizes of a few millimeters, the profile of the cooling flow should accordingly be only a few millimeters in diameter. This can be z. B. by using suitable nozzles with a small diameter and with low divergence of the cooling medium can be achieved after the exit. In addition, it is favorable to place the exit of the cooling medium from the nozzle as close as possible to the area of the spray spot. This can be z. B. by high temperature resistant materials, such as ceramic pipes realize.
Des
Weiteren ist es günstig,
die Ausrichtung der Kühldüse zur Brennerachse
dergestalt vorzunehmen, dass beide Achsen gegeneinander geneigt
sind und vom Schicht/Substrat-Verbund reflektiertes Kühlmedium
nur zu einem geringen Anteil in den Heißgasbereich des Brenners geführt wird.
Damit wird wiederum der Partikelverbund erhöht. Entsprechend sollten gemäß
Es ist bekannt, dass Schichten mit Segmentierungsrissen häufig zusätzlich auch Delaminationsrisse aufweisen, d. h. Risse zwischen den Schichten des Verbundes, die zu einem frühzeitigen Versagen der Schicht führen können. Durch die hohen Substrattemperaturen bei der Schichtabscheidung wird bei Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlung jedoch regelmäßig ein sehr guter Verbund zwischen den Spritzlamellen erzielt und damit die Neigung zu Delaminationsrissen deutlich herabgesetzt.It It is known that layers with segmentation cracks are common as well Have delamination cracks, d. H. Cracks between the layers of the Connected to an early Failure of the layer lead can. Due to the high substrate temperatures during the layer deposition However, when using the cooling according to the invention is a regular one achieved very good bond between the spray lamellae and thus the tendency to Delaminationsrissen significantly reduced.
Die Wahl des Materials der Beschichtung hängt unter anderem vom Anwendungszweck der Beschichtung ab. Als besonders geeignetes Material für eine ionenleitende Membran für einen Festelektrolyt-Brennstoffzelle ist mit Yttriumstabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ) zu nennen. Ebenso kann an Stelle des YSZ aber auch ein anderer Werkstoff, wie ein mischleitendes Oxid (z. B. ein Perowskit auf LaxSr1-xFeyCo1-yO3-Basis oder BaxSr1CoyFe1-yO3 mit x, y = 0 bis 1, z. B. in der Anwendung einer Gasseparationsmembran oder auch ein Protonenleiter, wie ein Perowskit auf SrZrxY1-xO3- oder BaCexGd1-xO3-Basis mit x = 0 bis 1, typisch 0,3 bis 0,7) verwendet werden.The choice of the material of the coating depends inter alia on the application of the coating. A particularly suitable material for an ion-conducting membrane for a solid electrolyte fuel cell may be mentioned with yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ). Likewise, instead of the YSZ, it is also possible to use another material, such as a mixed-conducting oxide (for example, a La x Sr 1-x Fe y Co 1 -y O 3 perovskite Ba x or Ba x Sr 1 Co y Fe 1). y O 3 with x, y = 0 to 1, for example in the application of a gas separation membrane or else a proton conductor, such as an SrZr x Y 1-x O 3 or BaCe x Gd 1-x O 3 perovskite based perovskite with x = 0 to 1, typically 0.3 to 0.7).
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch dichte, isolierende Schichten hergestellt werden, z. B. unter Verwendung von Pulvern umfassend Aluminiumoxid, Spinellverbindungen, Steatite, Forsterite, Porcelan, Pyrochlore, Mullite, Magnesiumoxid, Zirkon, Zirkonoxid (unstabilisiert und stabilisiert) sowie Titanoxid.With the method according to the invention can also dense, insulating layers are produced, for. More colorful Use of powders comprising alumina, spinel compounds, Steatite, Forsterite, Porcelan, Pyrochlore, Mullite, Magnesium Oxide, Zirconia, zirconia (unstabilized and stabilized) and titanium oxide.
Ebenso ist die Herstellung von dichten keramischen oder metallischen Schutzschichten zur Vermeidung von Korrosion und Oxidation möglich.As well is the production of dense ceramic or metallic protective coatings to avoid corrosion and oxidation possible.
Als Aufbringungsverfahren können neben dem Plasmaspritzen auch andere thermische Spritzverfahren, wie beispielsweise das Hochgeschwindigkeitsflamm spritzen, unter Verwendung der dargelegten Kühlung im Nachgang zur Abscheidung hochdichter Schichten bei geringer thermischer Belastung des Substrates verwendet werden.When Application methods can In addition to plasma spraying, other thermal spraying methods, such as the high-speed flame, under Use of the stated cooling after the deposition of high-density layers at low thermal Load of the substrate can be used.
Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet die Vorteile eines insgesamt erhöhten Temperaturniveaus des Substrates mit einer unmittelbar auf die Spritzfleckaubfbringung folgenden definierten Kühlung zur Erzielung besonders vorteilhafter gasdichter, dünner oder auch hochgradig segmentierter dickerer Schichten.The inventive method combines the advantages of an overall increased temperature level of the Substrates with a direct on the Spritzfleckaubbringung following defined cooling to achieve particularly advantageous gas-tight, thinner or also highly segmented thicker layers.
Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es zeigenfollowing The subject of the invention is based on figures and embodiments explained in more detail, without that the subject of the invention is limited thereby. Show it
In
Außerdem ist
der Auftragungswirkungsgrad, d. h. die pro Beschichtungszyklus abgeschiedene Schichtdicke,
deutlich erhöht,
wie aus der deutlich größeren Schichtdicke
in
1. Ausführungsbeispiel1st embodiment
Mit
Hilfe eines TRIPLEX II Brenners und unter Verwendung von YSZ-Hohlkugelpulver
(Metco 204NS) wurde bei einer Robotergeschwindigkeit von 250 mm/s
mit der erfindungsgemäßen CO2 Kühlung im
Nachgang eine Schicht auf einem Edelstahl-Substrat abgeschieden.
Der Spritzabstand betrug 100 mm, als Prozessgase wurden 50 Standardliter
pro Minute (slpm) Ar und He verwendet. Die Beschichtungstemperatur
lag zwischen 700 und 800°C,
ein Vorheizzyklus erwärmte
das Substrat auf etwa 500°C.
Die Schicht wurde durch viermaliges Überfahren mit dem Brenner abgeschieden.
Bei den verwendeten heißen
Spritzparametern konnte eine extrem dichte Schicht mit einer hohen
Dichte an Segmentationsrissen (> 3,5
pro mm) abgeschieden werden. Ferner zeigt diese Schicht keine Delaminationsrisse,
wie aus
Mit verringerter Brennergeschwindigkeit (125 mm/s) wurde eine zweite Schicht auf ein Bondcoat (NiCOCrAlY) beschichtetes Superlegierungssubstrat (IN738) erfindungsgemäß abgeschieden. Diese Schicht weist entsprechend dem vorab gesagten eine reduzierte Segmentierungsrissdichte auf, wobei ebenfalls keinerlei Delaminationsrisse sowie die extrem hohe Dichte der Schicht zwischen Segmentierungsrissen hervorzuheben ist.With reduced burner speed (125 mm / s) became a second Layer on a Bondcoat (NiCOCrAlY) coated superalloy substrate (IN738) deposited according to the invention. These Layer has a reduced segmentation crack density according to the above on, with no delamination cracks as well as the extreme emphasize high density of the layer between segmentation cracks is.
2. Ausführungsbeispiel2nd embodiment
In
einem Übergang
wurde eine dünne Schicht
aus YSZ unter Verwendung von geschmolzenen und gebrochenen Pulvern
bei Verwendung einer CO2 Kühlung im
Nachgang mit Hilfe des atmosphärischen
Plasmaspritzens hergestellt. Der Spritzabstand betrug in diesem
Falle 95 mm, die Brenner-Leistung etwa 61 kW. Die Temperatur des
Substrates während
des Beschichtens betrug etwa 450°C, vorgeheizt
wurde auf etwa 400°C.
Die Schicht zeigt eine hohe Dichte und keinerlei Segmentationsrisse, wie
aus
3. Ausführungsbeispiel3rd embodiment
Mit Hilfe des atmosphärischen Plasmaspritzverfahrens wurde eine YSZ-Schicht abgeschieden. Als Kühlung wurde in diesem Fall Pressluft im Nachgang verwendet. Alternativ können hierbei neben dem bereits erwähnten CO2 auch Kühlmedien, wie He, Ar, Wasserdampf oder andere Flüssigkeiten, eingesetzt werden.By means of the atmospheric plasma spraying method, a YSZ layer was deposited. As cooling, compressed air was subsequently used in this case. Alternatively, in addition to the CO 2 already mentioned, cooling media such as He, Ar, water vapor or other liquids can also be used.
Die
erhaltene YSZ-Schicht weist eine hohe Dichte an Segmentierungsrissen
(ca. 3 pro mm) jedoch ohne die schädlichen Delaminationsrisse
auf (siehe
4. Ausführungsbeispiel4th embodiment
Hier wurde ein thermisches Spritzverfahren eingesetzt, bei dem anstelle eines fließfähigen Pulvers eine Suspension z. B. aus teilstabilisiertem Zirkonoxid verwendet wurde und die Kühlung erfindungsgemäß im Nachgang erfolgte. Hierbei ließen sich die über das Suspensionplasmaspritzen erreichbaren hohen Segmentierungrissdichten noch weiter steigern. Bei einer Abscheidung von sehr dünnen Schichten unterhalb von 100 μm, können regelmäßig hochdichte Schichten erreicht werden, bei denen Gasdichtigkeiten unter 0,1 mbar l/s/cm2, vorzugsweise unter 10–3 mbar l/s/cm2 erreicht werden.Here, a thermal spraying method was used in which instead of a flowable powder, a suspension z. B. from partially stabilized zirconium oxide was used and the cooling was carried out according to the invention in the wake. Here, the high segmentation crack densities achievable via suspension plasma spraying could be further increased. In a deposition of very thin layers below 100 microns, regularly high density layers can be achieved in which gas tightness below 0.1 mbar l / s / cm 2 , preferably below 10 -3 mbar l / s / cm 2 can be achieved.
Claims (24)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102006061977A DE102006061977A1 (en) | 2006-12-21 | 2006-12-21 | Method and apparatus for thermal spraying |
| PCT/DE2007/002250 WO2008074301A2 (en) | 2006-12-21 | 2007-12-13 | Process and apparatus for thermal spraying |
| EP07856100.8A EP2104748B1 (en) | 2006-12-21 | 2007-12-13 | Process for thermal spraying |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102006061977A DE102006061977A1 (en) | 2006-12-21 | 2006-12-21 | Method and apparatus for thermal spraying |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102006061977A1 true DE102006061977A1 (en) | 2008-06-26 |
Family
ID=39126578
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102006061977A Withdrawn DE102006061977A1 (en) | 2006-12-21 | 2006-12-21 | Method and apparatus for thermal spraying |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP2104748B1 (en) |
| DE (1) | DE102006061977A1 (en) |
| WO (1) | WO2008074301A2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20190078463A1 (en) * | 2017-09-08 | 2019-03-14 | United Technologies Corporation | Segmented Ceramic Coatings and Methods |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2615022B1 (en) * | 1976-04-07 | 1977-07-21 | Agefko Kohlensaeure Ind | Method of coating a surface by means of a jet of heated gas and molten material |
| WO1985004121A1 (en) * | 1984-03-12 | 1985-09-26 | Commissariat A L'energie Atomique | Treatment of a surface of a part and utilization of said treatment to improve the adhesion of a coating deposited on the part particularly by hot projection |
| DE3337012C2 (en) * | 1982-03-19 | 1987-01-15 | Castolin S.A., Lausanne, St. Sulpice, Vaud | Process for applying a metallic and / or ceramic protective layer to a substrate |
| US6180260B1 (en) * | 1998-04-13 | 2001-01-30 | General Electric Company | Method for modifying the surface of a thermal barrier coating, and related articles |
| EP0954619B1 (en) * | 1996-12-09 | 2002-02-13 | Institut Polytechnique De Sevenans | Method and device for producing a coating on a substrate |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2762667B1 (en) | 1997-04-28 | 1999-05-28 | Air Liquide | HEAT TREATMENT DEVICE AND METHOD |
| EP0960955A1 (en) * | 1998-05-26 | 1999-12-01 | Universiteit Gent | Method and apparatus for flame spraying to form a tough coating |
| DE10230847B3 (en) | 2002-07-04 | 2004-02-05 | Universität Stuttgart Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile | Process and device for the internal coating of cavities by thermal spraying |
| US8715772B2 (en) | 2005-04-12 | 2014-05-06 | Air Products And Chemicals, Inc. | Thermal deposition coating method |
-
2006
- 2006-12-21 DE DE102006061977A patent/DE102006061977A1/en not_active Withdrawn
-
2007
- 2007-12-13 EP EP07856100.8A patent/EP2104748B1/en not_active Not-in-force
- 2007-12-13 WO PCT/DE2007/002250 patent/WO2008074301A2/en not_active Ceased
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2615022B1 (en) * | 1976-04-07 | 1977-07-21 | Agefko Kohlensaeure Ind | Method of coating a surface by means of a jet of heated gas and molten material |
| DE3337012C2 (en) * | 1982-03-19 | 1987-01-15 | Castolin S.A., Lausanne, St. Sulpice, Vaud | Process for applying a metallic and / or ceramic protective layer to a substrate |
| WO1985004121A1 (en) * | 1984-03-12 | 1985-09-26 | Commissariat A L'energie Atomique | Treatment of a surface of a part and utilization of said treatment to improve the adhesion of a coating deposited on the part particularly by hot projection |
| EP0954619B1 (en) * | 1996-12-09 | 2002-02-13 | Institut Polytechnique De Sevenans | Method and device for producing a coating on a substrate |
| US6180260B1 (en) * | 1998-04-13 | 2001-01-30 | General Electric Company | Method for modifying the surface of a thermal barrier coating, and related articles |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2008074301A3 (en) | 2009-06-04 |
| EP2104748B1 (en) | 2015-01-14 |
| WO2008074301A2 (en) | 2008-06-26 |
| EP2104748A2 (en) | 2009-09-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0219536B1 (en) | Protection layer | |
| EP1495151B1 (en) | Plasma injection method | |
| EP0915184B1 (en) | Process for producing a ceramic layer on a metallic substrate | |
| EP2468925A2 (en) | Method for producing a thermal insulation layer construction | |
| EP2644738B1 (en) | Plasma spray method for producing an ion conducting membrane and ion conducting membrane | |
| EP2631025A1 (en) | Plasma spray method | |
| DE102015113762A1 (en) | METHOD FOR FORMING OXID DISPERSION RESISTANT (ODS) ALLOYS | |
| DE69522098T2 (en) | THERMAL SPRAY NOZZLE FOR PRODUCING THERMAL ROUGH SPRAY COATINGS; METHOD FOR PRODUCING THERMAL ROUGH SPRAY COATINGS | |
| WO2017215687A1 (en) | Self-healing heat damping layers and method for producing same | |
| DE19535078B4 (en) | Monitoring and control of thermal spray processes | |
| EP2503018A1 (en) | Plasma spray method for producing an ion conducting membrane | |
| US20190301000A1 (en) | Compositionally graded and porosity graded coatings using a solution precursor plasma spray process | |
| DE102004044597B3 (en) | Method for producing thin, dense ceramic layers | |
| EP4225961A1 (en) | Method for producing a coating, and coating | |
| EP2104748B1 (en) | Process for thermal spraying | |
| EP0412355B1 (en) | High velocity flame spray gun | |
| EP2711441B1 (en) | Device and method for creating a coating system | |
| DE202021104848U1 (en) | Laser spray gun that can be used to produce an ultra-high bond strength coating | |
| EP0911423B1 (en) | Method for joining workpieces | |
| DE10309968A1 (en) | Method for producing a layer system comprising a metallic carrier and an anode functional layer | |
| EP2354267A1 (en) | Method for producing a functional structured layer on a substrate and coating device and substrate plate for a coating device | |
| WO2022152495A1 (en) | Article having a heat-insulating coating system and method for the production thereof | |
| WO2006128424A1 (en) | Method for producing gas-tight layers and layer systems by means of thermal spraying | |
| Guignard | Development of thermal spray processes with liquid feedstocks | |
| EP2099948A2 (en) | Method for coating a component |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |