DE19540587A1 - Plasmabrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Plasmaspritzgerät zum Versprühen von Material nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Zum Versprühen von z. B. pulverförmigen Material in schmelzflüssigem Zustand sind Plasmaspritzgeräte in Gebrauch, welche mit einem indirekten Plasmatron arbeiten, d. h. einen Plasmaerzeuger mit einem aus einer Düse aus strömenden elektrisch nicht stromführenden Plasmastrahl. In der Regel wird das Plasma durch einen Lichtbogen erzeugt und durch einen Plasmakanal zu einer Austrittsmündung geleitet, wobei man zwischen Geräten mit Kurzlichtbogen und solchen mit Langlichtbogen unterscheidet.

Bei Geräten mit Kurzlichtbogen, die in der Regel mit einem radial angeordneten Injektor versehen sind, hat sich gezeigt, daß bei verschiedensten Materialien eine nur unzulängliche Aufschmelzung des zu versprühenden Pulvers stattfindet. Insbesondere wirkt sich auch das seitlich einströmende für den Pulvertransport nötige Trägergas nachteilig aus, da sogenannte Kurzlichtbögen vergleichsweise instabil brennen.

Zur Verbesserung der Aufschmelzung des zu versprühenden Pulvers wurden daher in der Vergangenheit Plasmabrenner mit sogenannten Langlichtbögen entwickelt. Ein solcher Langlichtbogen bietet den Vorteil, daß er erheblich stabiler brennt, als ein vorbeschriebener Kurzlichtbogen. Solche Plasmabrenner weisen einen Plasmakanal ausgehend von einer Kathode auf, wobei mehrere elektrisch untereinander isolierte Neutroden im Verlauf des Plasmakanals zur Anode hin angeordnet sind. Der Injektor ist hierbei axial ausgerichtet, so daß das Pulver unmittelbar ins Innere des Plasmakanals eingesprüht wird und über eine größere Wegstrecke mit dem Plasma in Berührung kommt. Hierdurch wird es weitestgehend aufgeschmolzen, bevor es aus der anodenseitigen Mündung des Plasmakanals austritt.

Ein derartiges Plasmaspritzgerät ist beispielsweise in der DE 41 05 408 beschrieben. In dieser besonderen Ausführungsform ist zusätzlich eine besondere Formgebung des Plasmakanals angegeben, die dafür sorgt, daß das Plasma im Innern des Plasmakanals in gewisser Weise konzentriert ist. Dies führt dazu, daß ein höherer Energieanteil auf das Pulvermaterial übertragbar ist, während der Energieanteil, der über die Wandkühlung des Plasmakanals abzuführen ist, erniedrigt ist. Derartige Plasmaspritzgeräte sind von Vorteil, wenn es darum geht, ein möglichst vollständig aufgeschmolzenes Spritzmaterial zu erhalten.

Die vorbeschriebene Anordnung wirkt sich jedoch nicht bei allen Anwendungsfällen positiv aus. Soll beispielsweise eine poröse Beschichtung auf einem Substrat aufgetragen werden, so ist dies mit einer vollständigen Aufschmelzung des pulverförmigen Spritzmaterials nicht möglich. Es bedarf hier eines Spritzgeräts, das zumindest die Möglichkeit bietet, das Spritzpulver nur kurzzeitig zu erhitzen und somit nicht vollständig, sondern allenfalls teilweise aufzuschmelzen. Dabei muß dennoch ein möglichst gleichbleibender Aufschmelzungsgrad des Pulvers gewährleistet werden, um eine dauerhaft gleichbleibende Schichtqualität zu erhalten. Außerdem hat sich gezeigt, daß durch eine Verringerung des Gasdurchsatzes der Aufbau einer porösen Schicht begünstigt wird. Dies wiederum führt bei einem Plasmabrenner der beschriebenen Art aufgrund der erniedrigten Strömungsgeschwindigkeiten zu einer noch längeren Verweildauer des Spritzpulvers in dem Plasma, was wie oben angegeben von Nachteil ist. Zudem wird die Gefahr, daß der Brenner verstopft durch einen niedrigeren Gasdurchsatz erhöht.

Die oben genannten Geräte mit Kurzlichtbogen sind zwar in der Lage, Spritzmaterial nur kurzzeitig zu erhitzen und anzuschmelzen, weisen jedoch ihrerseits den Nachteil auf, daß durch instabiles Brennverhalten die Qualität der porös aufgetragenen Beschichtung erheblichen Schwankungen unterliegt.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von einem Plasmaspritzgerät der einleitend genannten Art, eine Anordnung vorzuschlagen, mittels der insbesondere auch eine poröse Beschichtung auf einem Substrat herzustellen ist. Die bislang auftretenden Qualitätsschwankungen sollen hierbei weitgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Spritzgerät dadurch aus, daß zum einen ein Langlichtbogen der eingangs beschriebenen Art vorgesehen ist, jedoch der Injektor so angeordnet ist, daß der Injektionskanal mit einer seitlich im Plasmakanal angebrachten Injektionsöffnung versehen ist.

Je nach dem, wo der Injektionskanal längs des Plasmakanals angeordnet ist, wird die Verweildauer des Spritzpulvers im Plasma entsprechend größer oder kleiner sein.

Insbesondere ist es durch die seitliche Anordnung des Injektors möglich, diesen im Bereich der Mündung des Plasmakanals, d. h. in der Nähe des Austritts des Plasmastroms aus der Anode anzubringen. Hierdurch sind auch so niedrige Energieüberträge zwischen Plasma und Spritzpulver möglich, wie dies für das Auftragen bestimmter poröser Schichten notwendig ist. Insbesondere kann auch der Gasdurchsatz des für das plasmaverwendeten Gases herabgesetzt werden, ohne daß das Plasmaspritzgerät verstopft, wie dies bei einem axial angeordnetem Injektor häufig der Fall ist. Das Herabsetzen des Gasdurchsatzes wiederum begünstigt den Aufbau einer porösen Beschichtung. Durch die Verwendung eines Langlichtbogens liegt ein Plasmastrahl mit einer hohen Stabilität und somit weitgehend konstanter Energieverteilung vor. Hierdurch ist es möglich, poröse Schichten mit weitgehend gleichbleibender Qualität zu erzeugen, die beispielsweise als keramische Schutzschicht für Lambda-Sonden verwendbar sind.

Vorzugsweise wird der Injektionskanal in die Anode eingeformt. Dies hat den Vorteil, daß zum einen der Injektor weitestmöglichst an der Mündung des Plasmakanals angeordnet ist, zum anderen jedoch keine zusätzliche Kühlung für ein separates Injektionsrohr oder dergleichen vorgesehen werden muß.

In einer besonderen Ausführungsform wird die Anode und/oder wenigstens eine Neutrode ringförmig ausgebildet. Dies hat sich bei bekannten Plasmaspritzgeräten zur Erzeugung eines stabilen Langlichtbogens und einer gleichmäßigen Plasmaströmung bewährt. Außerdem bieten ringförmige Bauelemente fertigungstechnische Vorteile.

Vorzugsweise wird der Injektionskanal des Injektors radial angeordnet. Dadurch wird das Spritzpulver ins Zentrum des Plasmakanals eingespritzt. Je nach Anwendungsfall ist es jedoch möglich, den Injektionskanal auch so auszurichten, daß eine zusätzliche axiale und/oder tangentiale Komponente in der Ausrichtung des Injektionskanals wenigstens im Bereich der Injektionsöffnung vorliegt. Durch eine besondere Anpassung des Injektionskanals kann gezielt eine ganz bestimmte Region innerhalb des Plasmakanals mit dem Spritzmaterial erreicht werden.

Vorteilhafterweise werden zwei oder mehrere Injektoren vorgesehen. Dies bieten den Vorteil, daß verschiedene Regionen innerhalb des Plasmakanals mit Spritzmaterial erreichbar sind. Innerhalb des Plasmas im Plasmakanal sind regelmäßig verschiedene Zonen unterschiedlicher Energiedichte, Strömungsgeschwindigkeiten etc. gegeben. Durch das gezielte Anfahren verschiedener Regionen innerhalb des Plasmas mittels mehrerer Injektoren kann so unter Umständen die Qualität einer aufzutragenden Schicht, insbesondere einer porösen Schicht beeinflußt werden. Durch die Wahl mehrerer Injektionskanäle ist zudem der maximale Durchsatz an Spritzmaterial deutlich erhöht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform werden die Injektoren so ausgestaltet, daß wahlweise einer oder mehrere Injektoren nutzbar sind. Je nach Bedarf können somit einzelne Injektoren zugeschaltet werden, womit zum einen die Qualität, d. h. der Aufschmelzungszustand, und zum anderen die Menge des versprühten Spritzmaterials verändert werden kann. Vorzugsweise wird diese Ausführungsform so ausgebildet, daß die Zufuhr eines oder mehrerer Injektoren mit Spritzmaterial variabel gesteuert werden kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden zwei oder mehrerer Kathoden eingesetzt. Diese Kathoden, die beispielsweise in Form von Stabkathoden vorliegen können, sind in der Lage, jeweils einen Lichtbogen zu erzeugen. Diese Lichtbögen, die gegebenenfalls teilweise miteinander verschmelzen, ergeben insbesondere im Bereich der Anode eine größere Homogenität der Energiedichteverteilung. Bei der Verwendung mehrerer solcher Kathoden kann demnach das Spritzmaterial bei gleichbleibender Qualität der Aufschmelzung in größere Zonen innerhalb des Plasmas eingespritzt werden. Nicht zuletzt ist dadurch auch ein höherer Materialdurchsatz möglich.

Besonders vorteilhaft ist es hierbei, die Anordnung der Injektoren auf die Anordnung der Kathoden bzw. umgekehrt abzustimmen. Durch die Geometrie der Kathodenanordnung ergibt sich eine entsprechende Geometrie des Verlaufs der daraus entstehenden Lichtbögen und somit auch eine dadurch heraus gebildete Struktur der Energiedichte im Plasma im Bereich der Anode. In einer besonderen Ausführungsform hat es sich gezeigt, daß, beispielsweise bei drei unter einem Winkel von jeweils 120° angeordneten Kathoden, drei Lichtbögen schraubenartig verwunden im Plasmakanal verlaufen und an der inneren Umfangskante der Ringanode enden. Bei diesem Verlauf ergibt sich dementsprechend eine in etwa symmetrisch unter ca. 120° jeweils auftretende Symmetrie der Energieverteilung im Bereich der Anode. Dementsprechend empfiehlt es sich, die Injektoren ebenfalls unter entsprechenden Winkeln entlang dem Umfang der Anode radial so anzuordnen, daß jeweils ein Lichtbogen optimal genutzt wird. Die Anordnung bewirkt jedoch auch, daß das Zentrum des Plasmas homogener bezüglich der Energiedichte wird, da die entsprechenden, jedem Lichtbogen kreissegmentartig zuzuordnenden Zonen in ihren Randbereichen überlappen.

Vorzugsweise wird in der Nähe der Kathode bzw. der Kathoden der Plasmakanal mit einer Verjüngung versehen. Eine solche Verjüngung bewirkt, wie eingangs erläutert, eine gewisse Konzentration des Plasmas im Zentrum des Plasmakanals, wodurch der Wärmeeintrag in die Wandung des Plasmakanals vermindert wird und somit bei einer Steigerung des Wirkungsgrades ein geringerer Aufwand bei der Kühlung erforderlich ist.

Vorteilhafterweise kann bei einem durch die genannten Maßnahmen äußerst stabil brennenden Langlichtbogen reines Argon als Plasmagas verwendet werden. Auch dies hat sich insbesondere bei der Fertigung von porösen keramischen Schutzschichten für Lambda-Sonden als vorteilhaft erwiesen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Im einzelnen zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Plasmaspritzvorrichtung und

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Ringanode mit drei Injektoren.

Ausführungsbeispiel

Der Mehrkathodenplasmabrenner 1 umfaßt eine Ringanode 2, die am Ende eines Plasmakanals 3 angeordnet ist. Der Plasmakanal 3 wird durch vier hintereinander angeordnete Neutroden 4, 5, 6, 7 gebildet. Die Neutroden 4, 5, 6, 7 sind untereinander und gegenüber der Anode 2 durch Isolationsteile 8 elektrisch isoliert. Die Neutroden 4 bis 7 befinden sich innerhalb eines Neutrodenträgers 9 aus Isoliermaterial, an den sich ein Anodenträger 10 anschließt. Die beschriebene Anordnung wird durch drei Metallhülsen 11, 12, 13 zusammengehalten, die untereinander über nicht näher dargestellte Verbindungselemente miteinander verbunden sind. Die Hülse 11 ist zusätzlich an einem Kathodenträger 14 befestigt, z. B. verschraubt. Am Kathodenträger 14 sind drei Stabkathoden 15 befestigt, die an ihrer zum Plasmakanal 3 hinweisenden Seite einen Isolierkörper 16 durchsetzen. (Es ist in Fig. 1 nur eine der Kathoden 15 vollständig und eine weitere mit ihrem Kathodenstift 17′ dargestellt, da es sich um eine Schnittzeichnung handelt.) An ihrem in den Plasmakanal 3 hineinragenden Ende umfassen die Stabkathoden 15, Kathodenstifte 17, 17′, die aus einem elektrisch und thermisch besonders gut leitenden und zudem hochschmelzenden Material, z. B. thoriertem Wolfram bestehen. Im Innern der Stabkathoden 15 sind Hohlräume 18 für eine Wasserkühlung 19 vorgesehen.

Die Wasserkühlung 19 durchläuft in mehreren Ringbohrungen 20, 21, 22 den Kathodenträger 14. Ein Wassereingang 23 sowie ein Wasserausgang 24 stehen zur Wasserzufuhr bzw. zur Wasserabfuhr über nicht näher dargestellte Zwischenleitungen mit den Ringbohrungen 20 bis 22 in Verbindung. Die Anode 2 sowie die Neutroden 4 bis 7 werden ebenfalls mittels Wasserkühlung gekühlt, wofür entsprechende Durchlässe 25, 26 im Neutrodenträger 9 bzw. im Anodenträger 10 vorgesehen sind. Zwischen dem Neutrodenträger 9 und den Neutroden 4 bis 7 besteht ebenfalls ein Hohlraum, durch den das Kühlwasser fließen kann.

Die Anode 2 weist, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, im Bereich ihrer Mündungsöffnung 38 drei Injektoren 28, 29, 30 mit Injektionsöffnungen 28′, 29′, 30′ auf. Diese sind in einen Anschlußteil 31 zur Verbindung mit einer Einspritzleitung sowie eine Injektionsbohrung 32 aufgeteilt.

Über einen Gasdurchgang 33 kann durch einen Ringspalt 34 Gas ins Innere des Plasmakanals 3 eingelassen werden. Der Ringspalt 34 geht an seiner äußeren Wandung in eine Querschnittsverjüngung 35 der kathodenseitigen Neutrode 7 über.

Zum Betrieb wird zunächst ein Plasmagas beispielsweise Argon über den Gaseinlaß 33 und den Ringspalt 34 in den Plasmakanal 3 eingelassen. Er wird durch die kontinuierliche Querschnittsverjüngung 35 der kathodenseitigen Neutrode 7 nach innen umgelenkt und in gewissem Maße eingeschnürt. Jeweils ein Lichtbogen, wie durch die Linie 36 dargestellt ist, kann nun über das Anlegen einer entsprechenden Spannung zwischen den Kathodenstiften 17 und der kathodenseitigen Neutrode 7 auf kurze Distanz gezündet werden. Durch Fortschaltung der Spannung entlang den Neutroden 6, 5, 4 kann dieser Lichtbogen 36 schließlich bis zur Anode 2 aufgezogen werden. Er brennt in dieser Anordnung anschließend stabil zwischen der Kathode 17 und der Anode 2. Er trifft hierbei auf die Anode im Bereich der ins Innere des Plasmakanals hingewandten Innenkante 37 auf. Das durch den brennenden Lichtbogen 36 gebildete Plasma strömt, durch die Querschnittsverjüngung 35 in der Nähe der Achse des Plasmabrenners 1 mit erhöhter Dichte konzentriert durch den Plasmakanal 3 und tritt durch die Mündung 38 aus der Ringanode 2 aus. Durch die in unmittelbarer Nähe der Mündung 38 befindlichen Injektoren 28 bis 30 wird das aufzutragende Material in Pulverform injiziert. Es wird im heißen Plasma aufgeschmolzen und im Plasmastrom aus der Mündung 38 herausgetragen, bis es auf einem nicht näher dargestellten Substrat auftritt.

Es hat sich gezeigt, daß die Lichtbögen 36, ausgehend von jeder Kathode 17 leicht spiralförmig verwunden im Innern des Plasmakanals 3 brennen. Entsprechend dem Verlauf der Lichtbögen 36 stellt sich die Energiedichte im Innern des durchströmenden Plasmas ein. Falls wie vorliegend, drei Kathoden 17 unter einem Winkel von jeweils 120° gleichverteilt um die Achse des Plasmakanals 3 liegen, so stellt sich am Ende des Plasmakanals 3 im Innern der Anode 2 eine dementsprechende Verteilung der Energiedichte ein. Bei drei um die Achse des Plasmabrenners gleich verteilten Kathoden ergeben sich grob vereinfachend ausgedrückt drei in Fig. 2 durch gestrichelte Linien angedeutete Segmente innerhalb der ringförmigen Anode 2, die jeweils eine Zone erhöhter Energiedichte aufweisen. Da die tatsächlich den jeweiligen Lichtbögen 36 zuzuordnenden Zonen nicht scharf gegeneinander abgetrennt sind, sondern einander überlappen, ergibt sich jedoch auch insgesamt eine homogenere Energiedichteverteilung im Innern der Anode über einen großflächigeren Bereich, als wenn lediglich eine Kathode mit einem Lichtbogen verwendet wird.

Die Injektoren 28, 29, 30 werden so angeordnet, daß sie ins Zentrum der genannten Segmente weisen. Es hat sich bewährt, die in der gleichen Winkelanordnung wie die Kathoden 17 angebrachten Injektoren 28, 29, 30 gegenüber der Kathodenanordnung soweit zu verdrehen, wie es dem Verwindungsgrad der Lichtbögen 36 entspricht.

Ein Plasmabrenner 1 der vorbeschriebenen Art hat sich-bewährt bei der Fertigung von Lambda-Sonden-Keramiken, die eine Schutzschicht (Spinellschicht) mit gleichmäßiger Porosität aufweisen sollen. Zur Einsparung des für die Schichtherstellung notwendigen Spinellpulvers wird gegebenenfalls nur einer der drei Injektoren 28, 29, 30 verwendet.

Ein erfindungsgemäßer Brenner reagiert bei einem Eingreifen, z. B. der Erhöhung der Leistung, Veränderung der Pulverdosierung, etc., definiert. Man kann somit eine bestimmte gewünschte Porösität einer Spinellschicht erzeugen. Außerdem brennt ein derartiger Brenner konstanter über einen längeren Zeitraum. Es läßt sich über längere Zeit somit eine gleichbleibende Schichtqualität ohne externe Regelung herstellen.

Dieses Ergebnis ist auf eine sehr stabile Plasmaflamme mit stabiler Plasmaspannung zurückzuführen. Diese stabile Plasmaspannung ist einerseits auf den Betrieb mit Argongas zurückzuführen, andererseits liegt die Stabilität der Spannung darin, daß der Fußpunkt des Langlichtbogens axial nicht oder nur unwesentlich beweglich ist. Diese axiale Fixierung des Lichtbogenfußpunktes wird durch die Verwendung eines Langlichtbogens in einem Plasmakanal 3 mit gegeneinander isolierten Neutrodenringen erreicht. Die Porösität der Spinellschicht wird hierbei dadurch gewährleistet, daß das Spinellpulver nur kurze Zeit im Plasma auf- oder angeschmolzen wird, was wiederum auf die radiale Einspritzung in der Nähe der Mündung 38 des Plasmakanals zurückzuführen ist. Gleichzeitig wird durch diese Anordnung eine Reduzierung des Gasdurchsatzes ohne Verstopfung des Plasmabrenners 1 möglich.

Claims (12)

1. Plasmaspritzgerät zum Versprühen von Material, insbesondere von pulverförmigem Material, mit einem Plasmatron zur Erzeugung eines Langlichtbogens, das wenigstens eine Kathoden eine Anode und mindestens einen Injektionskanal für das zu versprühende Material mit mindestens einer Injektionsöffnung in einen Plasmakanal umfaßt, wobei der Plasmakanal ausgehend von der Kathode mit einer Mündung für den Austritt des Plasmas an der Anode gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionskanal (28, 29, 30) mit seiner Injektionsöffnung (28′, 29′, 30′) seitlich in den Plasmakanal eintritt.

2. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsöffnung (28′, 29′, 30′) im Bereich der Mündung (38) des Plasmakanals (3) liegt.

3. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionskanal (28, 29, 30) in die Anode (2) eingeformt ist.

4. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2) und/oder wenigstens eine Neutrode (4, 5, 6, 7) ringförmig ausgebildet sind.

5. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionskanal (28, 29, 30) radial in der ringförmigen Anode (2) angeordnet ist.

6. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionskanal (28, 29, 30) axiale und/oder tangentiale Richtungskomponenten aufweist.

7. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise ein oder mehrere Injektionskanäle (28, 29, 30) nutzbar sind.

8. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Kathoden (17, 17′) vorhanden sind.

9. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Anordnung der Injektionskanäle (28, 29, 30) an die räumliche Anordnung der Kathoden (17, 17′) angepaßt sind.

10. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verjüngung (35) des Plasmakanals (3) in der Nähe der Kathode (15) vorhanden ist.

11. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas Argon vorgesehen ist.

12. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit Hilfe eines Plasmaspritzgeräts, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasmaspritzgerät (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.