DE19756594A1 - Heißgaserzeugung beim thermischen Spritzen - Google Patents
Heißgaserzeugung beim thermischen SpritzenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Substratwerkstoffen durch
thermisches Spritzen, wobei das Gas oder Gasgemisch aus mindestens einem Gas
druckbehälter in einen Gaspufferbehälter und von diesem Gaspufferbehälter zu einer
Vorrichtung zum Vermischen eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffes mit dem Gas
oder Gasgemisch geleitet wird, wobei das Gas oder Gasgemisch erhitzt wird und
wobei der Zusatzwerkstoff mittels des Gases oder Gasgemisches auf die zu be
schichtende Oberfläche des Substratwerkstoffes geleitet wird. Die Erfindung betrifft
ferner eine Vorrichtung zum Beschichten von Substratwerkstoffen durch thermisches
Spritzen, wobei die Vorrichtung mindestens einen Gasdruckbehälter, mindestens
einen Gaspufferbehälter, eine Vorrichtung zum Vermischen eines pulverförmigen
Zusatzwerkstoffes mit dem Gas oder Gasgemisch und eine Vorrichtung zum Erhitzen
des Gases oder Gasgemisches, sowie Leitungen für das Gas oder Gasgemisch aus
dem Gasdruckbehälter in den Gaspufferbehälter und von diesem Gaspufferbehälter
zu der Vorrichtung zum Vermischen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffes mit dem
Gas oder Gasgemisch umfaßt.
Das thermische Spritzen zum Beschichten kennt als Verfahrensvarianten das auto
gene Flammspritzen oder das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das Lichtbogen
spritzen, das Plasmaspritzen, das Detonationsspritzen und das Laserspritzen.
Thermische Spritzverfahren werden in allgemeiner Form beispielsweise in
- - Übersicht und Einführung in das "Thermische Spritzen", Peter Heinrich, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 52/1982, Seiten 29 bis 37, oder
- - Thermisches Spritzen - Fakten und Stand der Technik, Peter Heinrich, Jahrbuch Oberflächentechnik 1992, Band 48, 1991, Seiten 304 bis 327, Metall-Verlag GmbH,
beschrieben.
Thermische Spritzverfahren zeichnen sich im wesentlichen dadurch aus, daß sie
gleichmäßig aufgetragene Beschichtungen ermöglichen. Durch thermische Spritz
verfahren aufgetragene Beschichtungen können durch Variation der Spritzmaterialien
an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden. Die Spritzmaterialien können
dabei in Form von Drähten, Stäben oder als Pulver verarbeitet werden. Beim thermi
schen Spritzen kann zusätzlich eine thermische Nachbehandlung vorgesehen sein.
In jüngerer Zeit wurde darüber hinaus ein weiteres thermisches Spritzverfahren ent
wickelt, welches auch als Kaltgasspritzen bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um
eine Art Weiterentwicklung des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens. Dieses
Verfahren ist beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 484 533 B1
beschrieben. Beim Kaltgasspritzen kommt ein Zusatzwerkstoff in Pulverform zum Ein
satz. Die Pulverpartikel werden beim Kaltgasspritzen jedoch nicht im Gasstrahl ge
schmolzen. Vielmehr liegt die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelz
punktes der Zusatzwerkstoffpulverpartikel (EP 0 484 533 B1). Im Kaltgasspritzver
fahren wird also ein im Vergleich zu den herkömmlichen Spritzverfahren "kaltes" bzw.
ein vergleichsweise kälteres Gas verwendet. Gleichwohl wird das Gas aber ebenso
wie in den herkömmlichen Verfahren erwärmt, aber in der Regel lediglich auf Tempe
raturen unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes.
Das Gas oder Gasgemisch, mit dessen Hilfe der Zusatzwerkstoff auf die zu beschich
tende Oberfläche des Substratwerkstoffes geleitet wird, wird üblicherweise in einem
oder mehreren Gasdruckbehälter, beispielsweise einem oder mehreren Gastanks,
unter hohem Druck gespeichert. Im Falle der Speicherung als tiefkalt verflüssigter
Gase ist üblicherweise zunächst eine Hochdruckverdampfer vorhanden, in welchem
das verflüssigte Gas in den gasförmigen Aggregatzustand überführt wird. Außerdem
ist eine Druckerhöhung erforderlich.
Als Gase für das thermische Spritzen kommen beispielsweise Stickstoff, Helium,
Argon, Neon, Krypton, Xenon, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoff
haltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, Sauerstoff, ein Sauerstoff enthaltend es
Gas, Luft oder Mischungen der vorgenannten Gase in Frage. Neben den aus der
EP 0 484 533 B1 bekannten Gasen Luft und/oder Helium eignen sich auch für das den
pulverförmigen Zusatzwerkstoff tragende Gas ein Stickstoff, Argon, Neon, Krypton,
Xenon, Sauerstoff, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas,
insbesondere Kohlendioxid, oder Mischungen der vorgenannten Gase und
Mischungen dieser Gase mit Helium. Der Anteil des Helium am Gesamtgas kann bis
zu 90 Vol.-% betragen. Bevorzugt wird ein Heliumanteil von 10 bis 50 Vol.-% im
Gasgemisch eingehalten.
Es hat sich gezeigt, daß durch den Einsatz von unterschiedlichen Gasen zum Be
schleunigen und Tragen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffes die Flexibilität und
Wirksamkeit des thermischen Spritzverfahrens wesentlich vergrößert werden kann.
Die so hergestellten Schichten haften sehr gut auf den verschiedensten Substrat
werkstoffen, beispielsweise auf Metall, Metallegierungen, Keramik, Glas, Kunststoffe
und Verbundwerkstoffe. Die Beschichtungen sind von hoher Güte, weisen eine außer
ordentlich geringe Porosität auf und besitzen extrem glatte Spritzoberflächen, so daß
sich in der Regel eine Nacharbeitung erübrigt. Die erwähnten Gase besitzen eine
ausreichende Dichte und Schallgeschwindigkeit, um die erforderlichen hohen
Geschwindigkeiten der Pulverpartikel gewährleisten zu können. Das Gas kann dabei
inerte und/oder reaktive Gase enthalten. Mit den genannten Gasen ist die Herstellung
von sehr dichten und besonders gleichmäßigen Beschichtungen möglich, welche sich
außerdem durch ihre Härte und Festigkeit auszeichnen. Die Schichten weisen extrem
geringe Oxidgehalte auf. Sie besitzen keine oder zumindest keine ausgeprägte
Textur, d. h. es gibt keine Vorzugsorientierung der einzelnen Körner oder Kristalle. Das
Substrat wird ferner nicht durch eine Flamme oder ein Plasma erwärmt, so daß keine
oder nur extrem geringe Veränderungen am Grundkörper und auch kein Verzug von
Werkstücken durch Wärmespannungen infolge des thermischen Spritzens auftreten.
Um sich für die Güte der gespritzten Schicht nachteilig auswirkende Druckschwan
kungen des Gases oder Gasgemisches zu verhindern, kann das Gas oder Gas
gemisch gepuffert werden. Dabei ist denkbar, die Heißgaserzeugung direkt im
Pufferbehälter vorzunehmen, d. h. das zur Pufferung gespeicherte Gas oder Gas
gemisch im Pufferbehälter zu erhitzen. Dies erscheint vorteilhaft, da in diesem Fall mit
Hilfe einer Steuereinheit leicht der gewünschte Druck und die gewünschte Temperatur
für den das pulverförmigen Zusatzwerkstoff tragenden Gasstrahl eingestellt werden
können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Ver
fahren und die Vorrichtung weiterzubilden, insbesondere die Effizienz und die
Flexibilität zu vergrößern.
Die gestellte Aufgabe wird für das Verfahren dadurch gelöst, daß das Gas oder
Gasgemisch nach Verlassen des Gaspufferbehälters erhitzt wird.
Die gestellte Aufgabe wird für die Vorrichtung dadurch gelöst, daß die Vorrichtung
zum Erhitzen des Gases oder Gasgemisches in Strömungsrichtung nach dem
Gaspufferbehälter angeordnet ist.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß einerseits nur das direkt benötigte Gas und
nicht die gesamte gepufferte Gasmenge erhitzt wird und somit die Heißgaserzeugung
effizienter, leichter einstellbar und kostengünstiger wird.
Dadurch, daß das Gas oder Gasgemisch unmittelbar vor der Vorrichtung zum
Vermischen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffes mit dem Gas oder Gasgemisch
erhitzt wird, kann die energetische Effizienz weiter und zusätzlich die Flexibilität
erhöht werden. Denn bei der Heißgaserzeugung im Pufferbehälter muß die Gas
leitung zwischen Pufferbehälter und Vorrichtung zum Vermischen des pulverförmigen
Zusatzwerkstoffes mit dem Gas oder Gasgemisch thermisch isoliert werden und/oder
der Wärmeverlust in dieser Leitung beim Erhitzen des Gases oder Gasgemisches
berücksichtigt werden. Insbesondere eine thermische Isolierung führt aber zu dicken
relativ steifen und wenig oder gar nicht biegsamen Leitungen. Diese schränken die
Flexibilität ein und reduzieren oder verhindern die Beweglichkeit der Vorrichtung zum
Vermischen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffes mit dem Gas oder Gasgemisch.
Mit der Erfindung wird ermöglicht, daß die Vorrichtung zum Vermischen des pulver
förmigen Zusatzwerkstoffes mit dem Gas oder Gasgemisch, beispielsweise eine
Spritzpistole, auch gegebenenfalls von Hand geführt werden kann.
Die Heißgaserzeugung kann mittels einer elektrischen Widerstandsheizung erfolgen.
Diese bringt den Vorteil einer gut handhabbaren und wenig aufwendigen Heizung.
Das Gas oder Gasgemisch kann aber auch mittels eines Flammbrenners oder mittels
eines Plasmabrenners erhitzt werden. Diese Möglichkeiten sind in der Regel energe
tisch besonders günstig.
Der Gasstrahl kann auf eine Temperatur im Bereich zwischen 30 und 1000°C,
vorzugsweise zwischen 100 und 800°C erwärmt werden, wobei alle bekannten
pulverförmigen Spritzmaterialien eingesetzt werden können, beispielsweise Spritz
pulver aus Metallen, Metallegierungen, Hartstoffen, Keramiken und/oder Kunststoffen.
Im Zusammenhang mit der Erfindung kann insbesondere ein Gasstrahl mit einem
Druck von 5 bis 50 bar eingesetzt werden. Vor allem das Arbeiten mit höheren Gas
drücken bringt zusätzliche Vorteile, da die Energieübertragung in Form von kineti
scher Energie erhöht wird. Es eignen sich insbesondere Gasdrücke im Bereich von 21
bis 50 bar. Hervorragende Spritzergebnisse wurden beispielsweise mit Gasdrücken
von etwa 35 bar erzielt. Die Hochdruckgasversorgung kann beispielsweise durch das
in der eigenen deutschen Patentanmeldung DE 197 16 414.5 beschriebene Verfah
ren bzw. die dort beschriebene Gasversorgungsanlage sichergestellt werden.
Die Pulverpartikel können vorteilhafterweise auf eine Geschwindigkeit von 300 bis
1600 m/s beschleunigt werden. Es eignen sich dabei insbesondere Geschwindig
keiten der Pulverpartikel zwischen 1000 und 1600 m/s, besonders bevorzugt
zwischen 1250 und 1600 m/s, da in diesem Fall die Energieübertragung in Form von
kinetischer Energie besonders hoch ausfällt.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Pulver besitzen bevorzugt
Partikelgrößen von 1 bis 100 µm.
Die Erfindung bietet auch die Möglichkeit, in Verbindung mit einer Automatisierung
und mit computergesteuerter Bewegung des Substrats oder der Vorrichtung zum
Vermischen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffes mit dem Gas oder Gasgemisch
bzw. der Spritzpistole das thermische Spritzverfahren besonders rasch und
kostengünstig durchzuführen.
Claims (11)
1. Verfahren zum Beschichten von Substratwerkstoffen durch thermisches Spritzen,
wobei das Gas oder Gasgemisch aus mindestens einem Gasdruckbehälter in
einen Gaspufferbehälter und von diesem Gaspufferbehälter zu einer Vorrichtung
zum Vermischen eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffes mit dem Gas oder
Gasgemisch geleitet wird, wobei das Gas oder Gasgemisch erhitzt wird und
wobei der Zusatzwerkstoff mittels des Gases oder Gasgemisches auf die zu be
schichtende Oberfläche des Substratwerkstoffes geleitet wird, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Gas oder Gasgemisch nach Verlassen des Gaspufferbehälters
erhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas oder Gas
gemisch unmittelbar vor der Vorrichtung zum Vermischen des pulverförmigen
Zusatzwerkstoffes mit dem Gas oder Gasgemisch erhitzt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gas oder Gasgemisch mittels einer elektrischen Widerstandsheizung erhitzt
wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gas oder Gasgemisch mittels eines Flammbrenners oder mittels eines
Plasmabrenners erhitzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gas oder Gasgemisch auf eine Temperatur für das thermische Spritzen im Be
reich zwischen 30 und 1000°C, vorzugsweise zwischen 100 und 800°C erhitzt
wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als
Gaspufferbehälter ein Gasflaschenbündel eingesetzt wird.
7. Vorrichtung zum Beschichten von Substratwerkstoffen durch thermisches
Spritzen, wobei die Vorrichtung mindestens einen Gasdruckbehälter, mindestens
einen Gaspufferbehälter, eine Vorrichtung zum Vermischen eines pulverförmigen
Zusatzwerkstoffes mit dem Gas oder Gasgemisch und eine Vorrichtung zum
Erhitzen des Gases oder Gasgemisches, sowie Leitungen für das Gas oder Gas
gemisch aus dem Gasdruckbehälter in den Gaspufferbehälter und von diesem
Gaspufferbehälter zu der Vorrichtung zum Vermischen des pulverförmigen
Zusatzwerkstoffes mit dem Gas oder Gasgemisch umfaßt, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Vorrichtung zum Erhitzen des Gases oder Gasgemisches in
Strömungsrichtung nach dem Gaspufferbehälter angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum
Erhitzen des Gases oder Gasgemisches unmittelbar vor der Vorrichtung zum
Vermischen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffes mit dem Gas oder Gas
gemisch angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung zum Erhitzen des Gases oder Gasgemisches eine elektrische
Widerstandsheizung umfaßt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung zum Erhitzen des Gases oder Gasgemisches einen
Flammbrenner oder Plasmabrenner umfaßt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gaspufferbehälter aus einem Gasflaschenbündel besteht.
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