DE102009051948A1

DE102009051948A1 - Verfahren und Brenner zur Erzeugung von Beschichtungen

Info

Publication number: DE102009051948A1
Application number: DE102009051948A
Authority: DE
Inventors: Matthäus Götz
Original assignee: Thermico & Co KG GmbH
Current assignee: Thermico & Co KG GmbH
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2011-05-05

Abstract

Mit einem Verfahren sowie einem Brenner zur Erzeugung von Beschichtungen, insbesondere auf temperaturempfindlichen Bauteilen, mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens, soll eine HVOF-Flamme ausgebildet werden mit hoher kinetischer Energie, aber reduzierter Temperatur. Dies wird verfahrensmäßig dadurch erreicht, dass die die Flammen ausbildenden Medien über eine Düse einer in ihrem Querschnitt gegenüber der Düse (Konus) stark vergrößerten Brennkammer, einem im Durchmesser stark verringerten Lavall-Bereich und ggf. über einen Krümmer auf die zu behandelnde Oberfläche geführt werden.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und einen Brenner zur Erzeugung von Beschichtungen, insbesondere auf temperaturempfindlichen Bauteilen, mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens.
Bei Oberflächen, die z. B. mit einer Cerment-Beschichtung ausgerüstet werden sollen, besteht eine Möglichkeit, diese Cerment-Schicht (Keramik/Metall-Schicht) mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf Außen- und Innenoberflächen aufzubringen. Sind die entsprechenden Bauteile temperaturempfindlich, so ist vonnöten, Überhitzungsphänomene und Cluster-Bildung zu vermeiden, was bei kritischen Spritzabständen nicht immer möglich ist.
Trifft beispielsweise eine HVOF-Flamme (High Velocity Oxy Fuel) auf die Bauteiloberfläche, kann es zu starker Wärmeeinbringung kommen, so dass die eingespritzten Stäube zum Teil zur Cluster-Bildung neigen. Aus diesem Grunde ist bei einer typischen Flammenlänge von 200 bis 300 mm der typische Spritzabstand 50 bis 200 mm zuzüglich der Länge der Flamme. Dies bedeutet einen Gesamtabstand von 250 bis 500 mm. Ein derartiger Abstand kann bei Innenbeschichtungen häufig nicht eingehalten werden.
Aufgabe der Erfindung ist daher, eine HVOF-Flamme auszubilden mit hoher kinetischer Energie, aber reduzierter Temperatur.
Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die die Flammen ausbildenden Medien über eine Düse einer in ihrem Querschnitt gegenüber der Düse stark vergrößerten Brennkammer einem im Durchmesser stark verringerten Lavall-Bereich und ggf. über einen Krümmer auf die zu behandelnde Oberfläche geführt werden.
Es hat sich gezeigt, dass die Führung der entsprechenden Medien durch eine sich plötzlich stark erweiternde Brennkammer möglich macht, hohe Wärmeinhalte abzuführen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der notwendigen Spritzgeschwindigkeiten im Überschallbereich. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Spritzabstand gegen die Flamme selbst zu verlegen, so dass beispielsweise Spritzabstände von nur 20 mm möglich gemacht werden.
Die Gefahr der Korrosion durch Cluster- oder Pickel-Bildungen kann auf diese Art und Weise vermieden werden, wobei gleichzeitig die Beschichtung eine Zähigkeit und Härtung aufweist, es kommt damit auch nicht zur Bauteilüberhitzung, da der Aufprallpunkt der Partikel innerhalb der auslaufenden Verbrennungsreaktion der Überschallströmung stattfindet.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei kann vorgesehen sein, dass hinter dem Lavall-Bereich ultrafeine Pulver der Strömung zugeführt werden. Durch diese feinen Pulver lässt sich das Energieniveau und damit auch die Temperatur absenken. Bei einer Körnung von 2 bis 10 μm auf 20 bis 50 kW, was im Vergleich zu konventionellen Pulvern in der Größenordnung von 15 bis 45 μm die aufgebrachte Energie (dort 100 bis 250 kW) deutlich absenkt.
Die Erfindung sieht auch vor, dass aus der im Querschnitt vergrößerten Brennkammer insbesondere mittels Wasserkühlung das Temperaturniveau derart abgesenkt wird, dass die zu beschichtenden Bauteiloberflächen einer Temperatur von maximal 220°C ausgesetzt werden.
Wie oben schon erwähnt, ist es zweckmäßig Pulverpartikel in einer Körnung von kleiner 15 μm, insbesondere 2 bis 10 μm, einzusetzen.
Das Verfahren sieht auch vor, dass die so beschichteten Bleche innerhalb der aus der Vorrichtung austretenden Gasströmung und auslaufender Verbrennungsreaktion positioniert werden, insbesondere am Endpunkt der Verbrennungsreaktion.
Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die in den Brenner eingebrachte Druck- und Verbrennungsenergie zu 20 bis 80%, insbesondere 50%, durch die Wasserkühlung abgeführt wird.
Die Erfindung sieht zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch einen entsprechenden Brenner zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen mit einer Hochdruckbrennkammer, einem anschließenden Lavall-Bereich zur Beschleunigung der Strömung auf Überschallgeschwindigkeit sowie ggf. einem Umlenkelement zur Umlenkung der Überschallströmung vor, der sich dadurch ausgezeichnet, dass die Hochdruckbrennkammer vor dem Lavall-Bereich und hinter dem Einspritzkonus stark vergrößert ausgebildet ist.
In Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, das Volumenverhältnis zwischen dem Lavall-Bereich und dem Druckkammerbereich 1:50 und kleiner beträgt, insbesondere 1:130 und/oder dass die Länge des Lavall-Bereiches bis zum Krümmer weniger als die Hälfte der Länge des erweiterten Druckkammerbereiches beträgt.
Beim Stand der Technik beträgt das Volumenverhältnis etwa 1:1,25.
An dieser Stelle sei bemerkt, dass die angegebenen Verhältnisse auch anders gewählt werden können, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in
1 in stark vereinfachter Darstellung einen Brenner nach dem Stand der Technik sowie in
2 in gleicher Darstellung den Brenner nach der vorliegenden Erfindung.
Bei der hier folgenden Beschreibung des Standes der Technik nach 1 sind alle Bezugszeichen mit einem ”a” versehen:
Der allgemein mit 1a bezeichnete, in 1 dargestellte Brenner nach dem Stand der Technik weist einen Zuführkopf 2a für die flammenerzeugenden Medien auf, wobei die einzelnen Zuführorgane ebenso nicht wie die die Lichtbögen ausbildenden Elemente hier dargestellt sind. Nach Verlassen der Zuführung 2a werden diese Medien in eine mit 3a bezeichnete Hochdruckbrennkammer eingedüst. Die Länge der Hochdruckbrennkammer ist mit ”B_a” bezeichnet.
An die Hochdruckbrennkammer 3a schließt sich ein Lavall-Bereich 4a an, dessen Länge in 1 mit ”L_a” bezeichnet ist. Erkennbar ist die geometrische Ausdehnung dieses Bereiches ”L_a” deutlich größer als die Länge ”B_a” der Hochdruckbrennkammer.
Hinter dem Lavall-Bereich ist ein Strömungskrümmer 5a vorgesehen, dem sich ein Düsenkopf 6a anschließt, in den über Leitungen 7a die Beschichtungspartikel eingebracht werden. Die durch den Lavall-Bereich 4a stark beschleunigte Flamme erreicht die Überschallgeschwindigkeit.
In 2, die stark vereinfacht den Brenner nach der Erfindung darstellt, weisen die funktionell gleichen Elemente das gleiche Bezugszeichen ohne ”a” auf:
Über den Zuführkopf 2 gelangen die Medien in eine anders gestaltete, allgemein mit 3 bezeichnete Brennkammer, die aus einem ersten kegelstumpfförmig zusammenlaufenden Konusbereich 3a' mit einer Länge B₁ und einem im Durchmesser sehr stark vergrößerten zweiten Bereich 3'' mit einer Länge B₂ gebildet wird. An diese Hochdruckbrennkammer 3 (3' und 3'') schließt sich der Lavall-Bereich 4 an, gefolgt von einem Kummer 5 und dem Düsenkopf 6 mit Pulverzufuhr 7.
Das Verhältnis zwischen den Volumen (vereinfacht berechnet über den Durchmesser und die Länge) des Kanalbereiches 4 mit ”d” und ”L” zur Hochdruckbrennkammer mit D und B₂ zuzüglich des Konusbereiches liegt in der Größenordnung von 1:130, wobei das Verhältnis des Standes der Technik z. B. nach 1 1:1,25 beträgt.
Die durchströmten Bauelemente sind gekühlt, z. B. wassergekühlt, was durch entsprechende Hohlräume 8 in den Figuren angedeutet ist.
Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen, 2 stellt lediglich eine Schemazeichnung dar.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Beschichtungen, insbesondere auf temperaturempfindlichen Bauteilen, mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens, dadurch gekennzeichnet, dass die die Flammen ausbildenden Medien über eine Düse einer in ihrem Querschnitt gegenüber der Düse stark vergrößerten Brennkammer einem im Durchmesser stark verringerten Lavall-Bereich und ggf. über einen Krümmer auf die zu behandelnde Oberfläche geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Lavall-Bereich ultrafeine Pulver der Strömung zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der im Querschnitt vergrößerten Brennkammer insbesondere mittels Wasserkühlung das Temperaturniveau derart abgesenkt wird, dass die zu beschichtenden Bauteiloberflächen einer Temperatur von maximal 220°C ausgesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Pulverpartikel in einer Körnung von kleiner 15 μm, insbesondere 2 bis 10 μm, eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die so beschichteten Bleche innerhalb der aus der Vorrichtung austretenden Gasströmung und auslaufender Verbrennungsreaktion positioniert werden, insbesondere am Endpunkt der Verbrennungsreaktion.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Brenner eingebrachte Druck- und Verbrennungsenergie zu 20 bis 80%, insbesondere 50%, durch die Wasserkühlung abgeführt wird.
Brenner (1) zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen mit einer Hochdruckbrennkammer (3), einem anschließenden Lavall-Bereich (4) zur Beschleunigung der Strömung auf Überschallgeschwindigkeit sowie ggf. einem Umlenkelement (5) zur Umlenkung der Überschallströmung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckbrennkammer (3) vor dem Lavall-Bereich (4) und hinter dem Einspritzkonus (3') stark vergrößert ausgebildet ist.
Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis zwischen dem Lavall-Bereich und dem Druckkammerbereich 1:50 und kleiner beträgt, insbesondere 1:130.
Brenner nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Lavall-Bereiches ”L” bis zum Krümmer weniger als die Hälfte der Länge ”B₂” des erweiterten Druckkammerbereiches beträgt.
Brenner nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die durchströmten Elemente (2–8), wie an sich bekannt, wassergekühlt ausgebildet sind.
Brenner nach Anspruch 7 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvereindüsung (7), wie an sich bekannt, unmittelbar hinter dem Krümmer vorgesehen ist.