DE2818303A1

DE2818303A1 - Verfahren und vorrichtung zum plasmaspritzen eines ueberzugmaterials auf eine unterlage

Info

Publication number: DE2818303A1
Application number: DE19782818303
Authority: DE
Inventors: John H Harrington; Richard T Smyth; John D Weir
Original assignee: Metco Inc
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1977-04-27
Filing date: 1978-04-26
Publication date: 1978-11-02
Also published as: FR2389296A1; IT7849089A0; FR2389296B1; DE2818303C2; GB1597558A; US4121082A; JPS6242665B2; IT1102626B; CA1104003A; JPS53133536A

Description

PAT£.NTAN WALTE

A. GRÜNECKER

opl-ing.

H. KINKELDEY

εκ-ινο.

W. STOCKMAIR

OFL-INa-AaE(CALTBX

K. SCHUMANN

DR HBl NAT. - OPL-PHYS

P. H. JAKOB

CWL-ING.

G. BEZOLD

DR BERNAT-

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

Metco Inc.

P 12 560

Verfahren und Torrichtung zum Plasmaspritzen
eines Überzugmaterials auf eine Unterlage

Die Erfindung betrifft das Auftragen von Überzügen auf Unterlagen mittels der Plasma-Spritz-Technik, und insbesondere, ein Verfahren und eine Vorrichtung um den Austrittss.trahl einer Plasma-Spritzpistole gegenüber Verunreinigungen durch die ihn umschließende Umgebung abzuschirmen.

Es sind Plasma-Spritzpistolen bekannt, in denen ein elektrischer Bogen verwandt wird, um ein Gas anzuregen, wodurch ein thermisches Plasma sehr hoher Temperatur erzeugt wird. Zerstäubte oder pulverförmige Stoffe werden in das thermische Plasma eingebracht, geschmolzen und auf ein Substrat oder eine Unterlage ausgestoßen,

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TSLEPON (OBS) 92 38SQ TELEX OS-SS 3βΟ TELEGRAMME MONAPAT TELEKORIERER

um einen Überzug zu bilden. Solche pulverförmigen Stoffe können beispielsweise Metalle, Metallegierungen, keramische Werkstoffe wie Metalloxide und Karbide u.a. sein.

Bisher sind Schwierigkeiten wegen der Verunreinigung des von der Düse der Spritzpistole austretenden Strahls aufgetreten. Eine solche Verunreinigung kann beispielsweise ein Lufteinschluß sein, der eine beträchtliche Oxidation des Überzugstoffes zur Folge hat. Die Bedingungen zum Spritzen, insbesondere die Wärme und die Geschwindigkeit, wurden oft so eingestellt, daß sich ein Kompromiß ergab, um das Pulver gerade ausreichend zu erwärmen, so daß es schmilzt. Es sind Versuche unternommen worden, um diese Schwierigkeit zu überwinden, jedoch war ihnen nur ein beschränkter Erfolg beschieden. Ein solcher Versuch bestand darin, die Vorrichtung vollkommen in einer Kammer einzuschließen, was jedoch kostspielig und auch sehr umständlich ist. Bei anderen Einrichtungen waren die Bemühungen, um die Schwierigkeit zu überwinden, darauf gerichtet, eine Gasabschirmung zu verwenden. Beispielsweise ist in der US-PS 3 479 34-7 die Verwendung eines koaxialen, ringförmigen Stromes von nicht erwärmtem Gas angegeben. Jedoch ist hierfür ein relativ großer Durchfluß eines Gases erforderlich, wie z.B. von Argon, welches teuer ist. Ferner besteht bei solchen bekannten Einrichtungen, die Neigung, daß sich auf der Abschirmeinrichtung ein Überzug aufbaut. Die US-PSen 2 951 14-3, 3 082 314 und 3 313 909 beziehen sich auch auf dieses Gebiet der Technik.

Der vorliegenden Erfindung liegt grundsätzlich und allgemein die Zielsetzung zugrunde, ein neues und verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch die zumindest ein Teil der bekannten Probleme gelöst oder abgeschwächt wird.

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Eine genauere Zielsetzung "besteht darin, ein "Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch die Verbesserungen in Hinblick auf einen oder mehrere der folgenden Gesichtspunkte erreicht werden: höherer Ablagerungswirkungsgrad, verringerter Sauerstoffgehalt in dem Austrittsstrahl für metallische Stoffe, Verringerung der ungeschmolzenen Teilcheneinschlüsse, erhöhte Zuführgeschwindigkeit und bessere Qualität des Überzuges.

Um die oben genannten Zielsetzungen und weitere Zielsetzungen und Vorteile zu erzieln, welche aus der folgenden Beschreibung offenbar werden, ist gemäß einer Form der Erfindung vorgesehen, eine neue und verbesserte Plasma-Spritzpistole zur Beschichtung von Unterlagen zu schaffen, welche in Kombination eine Düsenelektrode mit einem durch sie hindurchgehenden Düsenkanal, eine rückwärtige Elektrode und eine Einrichtung aufweist, um ein plasmabildendes Gas durch die Düsenelektrode zu schicken. Ferner umfaßt die Plasma-Spritzpistole eine Einrichtung, damit ein bogenbildender Strom zwischen den Elektroden fließt, um einen Plasma-Austrittsstrahl zu schaffen, und eine Einrichtung, um in den Plasma-Austrittsstrahl einen Stoff für den Überzug einzuführen. Ferner umfaßt die Plasma-Spritzpistole nach der Erfindung eine Abschirmwand für den Plasma-Austrittsstrahl, welche sich von der Austrittsöffnung der Düsenelektrode her erstreckt, und eine Einrichtung, durch welche eine Abschirmung aus heißem Gas für den Plasmaaustrittsstrahl innerhalb der Abschirmwand gebildet wird und welche sich ggf. über die Abschirmwand hinaus erstreckt.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist die Heißgas-Abschirmung unter einem Winkel zwischen ungefähr 160° und ungefähr 180° in Bezug auf die Achse des

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Plasma-Austrittsstrahls gerichtet. In bevorzugter Weise ist die Heißgas-Abschirmung unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse des Plasma-Austrittsstrahls ausgerichtet.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Abschirmwand zylinderförmig ausgebildet, und es ist eine Einrichtung zur Wasserkühlung dieser Abschirmwand vorgesehen.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gedankens umfaßt die Einrichtung, durch welche eine Heißgas-Abschirmung für den Plasma-Austrittsstrahl zumindest innerhalb der Abschirmwand gebildet wird, eine Einrichtung, um das Gas für die Heißgas-Abschirmung vorzuwärmen, welche in verschiedenen Ausbildungen vorliegen kann, und zwar als ein elektrischer Gasvorwärmer, eine zweite Plasmaflammen-Anordnung, die als Gasvorwärmer dient, oder als eine innere Durchführung durch die Wandabschirmung, welche als Gasvorwärmer dient.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein ringförmiger Verteiler anschließend an das äußere Ende der Abschirmwand befestigt, der Düsenöffnungen aufweist, um die Wirkung eines ringförmigen Vorhanges um die Plasmaflamme zu erzielen, wenn sie die Abschirmwand verläßt und sich zu der Zielunterlage bewegt.

Die Erfindung betrifft in einer anderen Form auch ein Verfahren zum Plasmaspritzen eines tJberzugsmaterials auf eine Unterlage, bei dem ein plasmabildendes Gas durch eine Düsenelektrode fließt und ein bogenbildender Strom zwischen der Düsenelektrode und einer rückwärtigen Elektrode fließt, um einen Plasma-Austrittsstrahl zu bil-

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den. Zu dem Verfahren gehört ferner das Einführen eines Überzugsmaterials in den Plasma-Austrittsstrahl, wobei der Plasma-Austrittsstrahl durch eine Mandatschirmung hindurchtritt, welche sich von der Austrittsöffnung der Düsenelektrode her erstreckt, und die Bildung einer Heißgas-Abschirmung für den Plasma-Austrittsstrahl zumindest innerhalb der Wandabschirmung. Es ist offenbar, daß das Überzugsmaterial in jeder fir das Plasmaspritzen geeigneten !Form vorliegen kann, wie beispielsweise als ein fester Draht oder ein Stab. Jedoch wird die Pulverform bevorzugt. Das Pulver kann frei fließend oder in einem Bindemittel vorliegen, wie beispielsweise ein durch Kunststoff gebundener Draht u.a.. Das in den Plasma-Austrittsstrahl eingeführte Spritzmaterial kann an jeder geeigneten Stelle und zwar auch stromaufwärts von dem Bogen eingeführt werden. Jedoch wird es im allgemeinen' an einer von dem Bogen stromabwärts gelegenen Stelle eingeführt, und vorzugsweise anschließend an die Düsenaustrittsöffnung an deren stromabwärts gelegener Seite. Ferner können mehrere Zuführstellen gleichzeitig verwandt werden.

Erfindungsgemäß ist die Heißgas-Abschirmung vorzugsweise unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse des Plasma=Austrittsstrahles ausgerichtet. Vorzugs weise wird das Gas, welches die Heißgas-Abschirmung bildet, auf eine Temperatur oberhalb von ungefähr 300⁰C vorgewärmt. In besonders bevorzugter V/eise wird das Gas auf eine Temperatur von zwischen ungefähr 500 C und ungefähr DOO⁰C vorgewärmt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gas ein reduzierendes Gas oder ein inertes Gas, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, die Stickstoff, Argon und Helium, und bei manchen Einrichtungen, eine kleine Menge eines zugesetzten Verbrennungsgases umfaßt. Vorzugspreise liegt

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die Strömungsmenge des heißen Gases oberhalb von ungefähr 17,5 l/h, und in besonders bevorzugter Weise liegt die Strömungsmenge zwischen etwa 35 l/h und etwa 70 l/h bei .einer Temperatur von etwa 500⁰G.

Bei einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein ringförmiger Fluidvorhang um den Plasma-Austritts strahl herumgebildet, wenn er die Plasma-Spritzpistole verläßt und sich auf die Zielunterlage zu bewegt.

Die wesentlicheren Merkmale der Erfindung wurden ziemlich ausführlich dargestellt, damit die ins Einzelne gehende und nun folgende Beschreibung besser verstanden werden kann, und um den vorliegenden Beitrag zu diesem Gebiet der Technik besser würdigen zu können. Es gibt natürlich noch zusätzliche Merkmale der Erfindung, welche im folgenden genauer beschrieben werden. Der Fachmann wird erkennen, daß das Grundprinzip, auf dem die Offenbarung beruht, ohne weiteres als Ausgangspunkt für die Ausgestaltung anderer "Verfahren und Vorrichtung verwandt werden kann, um die verschiedenen Zielsetzungen und Absichten der Erfindung zu erreichen. Es ist deshalb von Bedeutung, daß diese Offenbarung so zu betrachten ist, daß von ihr äquivalente Verfahren und Vorrichtungen umfaßt werden, die nicht von dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Erfindung abweichen.

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind zum Zweck der Erläuterung und Beschreibung ausgewählt worden und sind in den anliegenden Zeichnungen dargestellt, welche einen Teil der Anmeldung bilden. Es zeigen: ·

Fig. 1 einen Mittellängsschnitt einer Plasmaflammen-Spritzpistolenanordnung, die gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist,

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Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 einen Teil eines Mittellängsschnittes, der den Auslaßabschnitt einer Plasmaflammen-Spritzpistole gemäß einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 4 einen Mittellängsschnitt einer Plasmaflammen-Spritzpistole .gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 t>is 9 schematische Darstellungen, von denen eine jede eine Wand- und Heißgas-Abschirmungsanordnung gemäß anderer Ausführungsformen der Erfindung darstellt , und

Fig. 10 eine Tabelle, in der die Ergebnisse von Yergleichsversuchen zwischen einer erfindungsgemäßen Plasmaflammen-Spritzpistole und herkömmlichen Pistolen angegeben sind.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist eine Plasma-Spritzpistolenanordnung zur Beschichtung einer Unterlage allgemein mit 10 bezeichnet. Sie umfaßt eine Düsenelektrode 12, durch die eine Düsenbohrung oder ein Düsenkanal 10 hindurchgeht, und eine rückwärtige Elektrode 16, welche an einem Elektrodenhalter 18 befestigt ist. Elektrische Leitungsanschlüsse 20 und 22 dienen dazu, die Elektroden mit einer geeigneten elektrischen Quelle zu verbinden. Ein plasmabildendes Gas wie z.B. Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff o.a. wird von einer geeigneten Druckquelle her durch eine Verbindung 24 über einen ringförmigen Durchlaß, welcher von der Elektrodenspitze und dem schräg verlaufenden Abschnitt der Düse gebildet wird, in den Haum 14 um die Spitze der Elektrode

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16 geführt. Der elektrische Strom fließt von der Verbindung 20 durch den Elektrodenhalter 18 zur Elektrode 16 und von der Spitze der Elektrode 16 in der Form eines Bogens zur Düse 12 und dann zu'der Verbindung 22, um auf diese Weise eine sehr heiße Plasmaflamme zu bilden, welche sich nach außen durch den Auslaß 26 der Düsenelektrode 12 erstreckt. Ein oder mehrere zusätzliche Gase können mit dem Hauptgas gemischt werden, wenn dieses erwünscht ist.

Ein wärmeschmelzbares, pulverförmiges Überzugsmaterial, wie z.B. ein pulverförmiges Metall oder keramischer Werkstoff u.a. wird von einem Trägergas mitgenommen, welches beispielsweise ein Gas wie Stickstoff, Helium, Argon oder sogar Luft sein kann und von einer geeigneten Quelle durch einen Anschluß 28, welcher hierfür vorgesehen ist, zugeführt wird. Bei der dargestellten Ausführungsform wird das pulverförmige Material in die Plasmaflamme anschließend an den Düsenaustritt 26 mittels der Düse 30 eingebracht. Beim Betrieb bewegt sich infolgedessen der Plasma-Austrittsstrahl oder die Plasmaflamme mit dem von ihr mitgenommenen pulverförmigen Material mit sehr hoher Geschwindigkeit in die Richtung, die durch den Pfeil 32 angezeigt ist. Ihre Achse selbst ist mit 33 bezeichnet.

Gemäß der Erfindung ist eine ringförmige Abschirmwand, die bei 34 bezeichnet ist, an der Düse 12 anschließend an den Düsenauslaß 36 angeordnet, um eine Abschirmkaomer 37 zu- bilden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Abschirmwand 34 zylindrisch und weist einen inneren Stufenabschnitt 38 und einen äußeren Stufenabschnitt AO auf.

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In Pig. 1 ist am äußeren Ende der Abschirmwand 34 eine ringförmige Kammer 44 angeordnet, die eine Vielzahl von Strahlöffnungen 46 speist, welche unter einem Winkel von zwischen etwai60° und etwa 180° in Bezug auf die Achse 33 des Plasma-Austrittsstrahls oder der Plasmaflamme ausgerichtet sind. Vorzugsweise sind die Strahlöffnungen unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse 33 des Plasma-AustrittsStrahls ausgerichtet, um eine ringförmige Heißgas-Abschirmung innerhalb der Kammer, anschließend an die Wandabschirmung zu bilden, wie es durch Pfeile- 48 angezeigt ist. Das Heißgas für die Heißgas-Abschirmung wird der Kammer 44 durch einen Einlaß 50■ von einer Heizeinrichtung 52 zugeführt. Das Gas wird in der Heizeinrichtung auf eine Temperatur oberhalb von ungefähr 300 C erwärmt, wobei die obere Grenze bei2000°C oder darüber liegt. Die jeweilige obere Grenze wird durch die verwandten Stoffe bestimmt. Der bevorzugte Temperaturbereich liegt zwischen etwa 500⁰C und etwa 1000⁰C. Jede geeignete Art eines inerten oder reduzierenden Gases kann verwandt werden, wie z.B. Stickstoff, Argon oder Helium. Bei manchen Einrichtungen kann eine Henge eines Verbrennungsgases von weniger als 50% als ein Getter-Mittel für den Sauerstoff in der Umgebung zugeführt werden. Geeignete Verbrennungsgase schließen beispielsweise Propan oder Wasserstoff ein. Die Plußmenge des Heißgases in der Heißgas-Abschirmung liegt oberhalb von etwa 17»5 l/h und vorzugsweise zwischen etwa 35 l/h und etwa 70 l/h bei einer Temperatur von etwa 500⁰C. Die Plußmenge des Gases hängt umgekehrt von der Temperatur ab, so daß je höher die Temperatur ist, je kleiner die erforderliche Flußmenge ist.

Die Heizeinrichtung 52 kann von irgendeiner geeigneten Art sein, wie z.B. eine elektrische Heizung. Eine Plasmaflannien-Pistolenanordnung, ähnlich derjenigen, wie sie

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oben beschrieben wurde, jedoch ohne der Zuführung von pulverförmigem Überzugsmaterial, wird zur Verwendung als eine Heißgas-Quelle besonders bevorzugt.

Wegen der hohen Temperaturen, die "bei Plasma-Spritzpistolen dieser Gattung auftreten, ist eine Wasserkühlung vorgesehen. Die elektrischen Leitungsanschlüsse 20 und 22 sind so ausgebildet, daß sie wassergekühlte, elektrische Leitungen aufnehmen, durch welche das Kühlwasser unter Druck durchgeleitet wird. Dieses Kühlwasser fließt durch den Anschluß 22 und um die Düse 12 herum und dann nach außen durch eine Seite und anschließend nach innen durch die andere Seite einer Wassertasche 56, um die Wandabschirmung 34 zu. kühlen. Das Kühlwasser wird anschließend durch einen Durchlaß 58 geführt, um die Elektrode 16 zu kühlen, bevor es das System durch den Anschluß 20 verläßt.

Man sieht, wie es durch den Pfeil 48 angedeutet ist, daß die Heißgas-Abschirmung innerhalb der Wandabschirmung 34 in Richtung auf das Ausströmen der Plasmabogenflamme gerichtet ist, welche durch den Pfeil 32 angedeutet ist. Die Kombination dieser beiden Strömungen zusammen mit der hohen Temperatur der Gase befriedigt das Eigenansaugen von umgebender Atmosphäre durch den Plasmabogenstrahl, ohne daß der Plasmastrahl durch einen kalten Gasstrom oder mitgerissene Luft abgeschreckt wird, was sonst die Gefahr in sich birgt, daß eine unkontrollierte oxidierende Reaktion mit dem zu spritzenden Material abläuft. Die Eigenschaften des der Kammer 44 zugeführten Gases werden gesteuert. In Abhängigkeit von dem zu spritzenden Material können diese Gase eingestellt werden, um entweder eine oxidierende, eine neutrale oder eine reduzierende Atmosphäre sowohl in der Kammer 37 und über ihren Auslaß

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hinaus zu schaffen. Dadurch kann die chemische Zusammensetzung des gespritzten Überzuges gesteuert werden, wie z.B. dadurch, daß der Kohlenstoffgehalt von Karbiden, Eisen oder ähnlichem gesteuert wird. Auch ist es möglich, Verbindungen wie Bariumtitanat ohne die übliche Verringerung des Sauerstoffgehaltes.zu spritzen. Im allgemeinen 3sb beim Spritzen von Metallen eine reduzierende Atmosphäre erforderlich, wogegen es beim Spritzen von keramischen Stoffen wünschenswert ist, einen Sauerstoffüberschuß vorzusehen.

Bei -manchen Einrichtungen ist eine ringförmige Verzweigung 59 gemäß Fig. 3 am äußeren Ende der Kammer 42 angeordnet. Kühlwasser oder ein inertes Gas, wie z.B. Stickstoff oder Argon wird dieser Verzweigung durch einen Einlaß 61 zugeführt. Auf der der Unterlage 11 zugewandten Seite der Verzweigung ist eine ringförmige Einrichtung 60 mit Strahlöffnungen vorgesehen, um einen ringförmigen Vorhang um die Plasmaflamme, wie es durch den Pfeil 42 angedeutet ist, zu schaffen. Der Sprühstrahl dient nicht nur dazu, die Spritzströmung abzuschirmen, sondern er ermöglicht auch eine Steuerung des Spritzkegels und ferner dient er dazu, eine Kühlung für die Unterlage zu schaffen. In ähnlicher Weise kann die gleiche Verzweigung mit Propan verwandt werden, um eine sekundäre I¹Iammenabschirmung um die Spritzströmung zu schaffen, und dadurch weiterhin den Sauerstoffgehalt des Überzuges zu verringern. In manchen Fällen ist es erwünscht, Kohlenstoffdioxid für diesen Zweck zu verwenden.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der das Gas für die Heißgas-Abschirmung durch ein regeneratives Verfahren vorgewärmt wird, bei dem der Plasma-Austrittsstrahl selbst die Wandabschirmung

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wärmt. Der Plasma-Austrittsstrahl 64- bewegt sich in Längsrichtung längs seiner Achse 66 durch eine ringförmige Wandabschirmung 68. Die Wandabschirmung hat einen Einlaß 70 für das Gas und einen inneren Durchlaß 72, der allgemein seipenünenartig· ausgebildet ist und zu einer ringförmigen* Xammer 7^· führt, welche am nach außen"gerichteten Ende der Wandabschirmung angeordnet ist. Die Kammer speist eine Vielzahl von Strahlöffnungen 76 oder andere geeigneten düsenähnlichen Öffnungen, um einen Strom von Heißgas, wie es durch den Pfeil 78 angedeutet ist, unter einen Winkel von zwischen etwa 160 und etwa 180°, und zwar vorzugsweise von etwa 180°, in Bezug auf die Achse 66 des Plasma-Austrittsstrahls 6A- auszurichten. Im Betrieb wird das Gas erwärmt, wenn es durch die innere Durchführung 72 fließt, so daß zu dem Zeitpunkt, wenn es durch die Strahlöffnungen 76 austritt, seine Temperatur innerhalb des erwünschten Bereiches liegt, wie es oben im Zusammenhang mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dargestellt worden ist.

Während in den Figuren 1 und 4- die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen dargestellt sind, sind andere wünschenswerte Ausführungsformen der Erfindung in den Figuren 5 bis 9 angegeben. Fig. 5 zeigt in schematischer Form eine Ringwandabschirmung 80 mit einer Plasmaflamme oder einem Plasma-Austrittsstrahl 82, welcher in Längsrichtung entlang einer mit 84 bezeichneten Achse verläuft. Bei dieser Ausführungsform ist eine Heißgas-Ringabschirmung 86 parallel zur Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahls ausgerichtet.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 geht der Plasma-Austrittsstrahl 82 in Längsrichtung längs seiner Achse 84-durch eine Ringwandabschirmung 33 und eine Heißgas-Ring-

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abschirmung 90 ist unter einem Winkel ausgerichtet und hat eine Komponente, welche sich parallel zur Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahles erstreckt.

Bei der Ausführungsform gemäß Pig. 7 "bewegt sich der Plasma-Austrittsstrahl 82 in Längsrichtung längs seiner Achse 84 durch eine ringförmige Wandabschirmung 92. Ein Teil des Gases zur Bildung der Heißgas-Abschirmung wird, wie es "bei 94 angegeben ist, unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse 84 des Plasma-Austritts Strahls ausgerichtet, und ein zweiter Teil des Gases zur Bildung der Heißgas-Abschirmung wird, wie* es bei 96 angegeben ist, unter einem Winkel eingeführt, wobei sich eine Komponente parallel zur Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahles erstreckt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 bewegt sich der Plasma-Austrittsstrahl 82 in Längsrichtung entlang seiner Achse 84 durch eine Ringwandabschirmung 98, und eine Heißgas-Ringabschirmung 100 ist unter einem Winkel ausgerichtet, wobei sie eine Komponente aufweist, welche sich in der zu der Strömungsrichtung des Plasma-Austritts strahles entgegengesetzten Richtung erstreckt.

In Pig. 9 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der sich der Plasma-Austrittsstrahl 82 in Längsrichtung längs der Achse 84 durch eine Ringwandabschirmung 102 bewegt. Ein Teil des Gases zur Bildung der Heißgas-Abschirmung, wie es bei 104 angegeben ist, wird unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse 84 des Plasma-AustrittsStrahles und ein zweiter Teil des Gases zur Bildung der Heißgas-Abschirmung wird, wie es bei 106 angegeben ist, unter einem Winkel

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zugeführt, wohei sieb, eine Komponente ergibt, welche sich in einer Richtung erstreckt, die zu der Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahles entgegengesetzt ist.

Es ist offensichtlich, daß die Eigenschaften des Heißgases, wie sie im einzelnen im Zusammenhang mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 angegeben sind, auch "bei den Ausführungsformen der Fig. 4- bis 9 angewandt werden können.

Es ist somit offenbar, daß das Gas zur Bildung der Heißgäs-A"b schirmung an einem oder mehreren Einlassen eingeführt werden'kann und daß jeder Einlaß unter"einem be-" lieMgen Winkel von ungefähr 0° "bis ungefähr 180° angeordnet sein kann, und daß er selbst senkrecht zur Strömungsrichtung des Plasma-Auslaßstrahles verlaufen kann.

TJm die Art der Erfindung näher im Einzelnen zu erläutern, ist in Fig. 10 eine Tabelle dargestellt, in der Ergebnisse von Tergleichsversuchen angegeben sind, wo"bei das gleiche Material mit einer herkömmlichen Plasma-Spritzpistolenanordnung ohne- Abschirmung und einer erfindungsgemäßen Plasma-Spritzpistolenanordnung gespritzt worden ist. Die Versuchsergebnisse zeigen eine klare Überlegenheit der erfindungsgemäßen Spritzpistolenanordnung.

Es ist somit zu erkennen, daß durch die vorliegende Erfindung tatsächlich eine neue und verbesserte Plasma-Spritzpistolenanordnung geschaffen wird, welche den herkömmlichen Spritzpistolen gegenüber in Bezug auf den Niederschlagswirkungsgrad, den verringerten Sauerstoffgehalt, die verringerten Einschlüsse an ungeschmolzenen Teilchen und auch in Bezug auf andere Betriebseigenschaften überlegen ist.

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Jt

Die Erfindung ist unter besonderer Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden. Es ist offensichtlich für den Durchschnittsfachmann, den die Erfindung betrifft, daß er, nachdem er die Erfindung verstanden hat, verschiedene Änderungen und Abwandlungen an ihr vornehmen kann, ohne von dem Erfindungsgedanken und dem Bereich der Erfindung, wie sie durch die anliegenden Ansprüche umrissen werden, abzuweichen.

Zusammenfassend ergibt sich somit,daß durch die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plasmaspritzen von Überzugsmaterial auf eine Unterlage dadurch geschaffen wird, daß ein plasmabildendes G-as durch eine Düsenelektrode hindurchgeht, ein bogenbildender Strom zwischen dieser Düsenelektrode und einer rückwärtigen Elektrode fließt, um einen Plasma-Austrittsstrahl zu bilden, und daß ein Überzugsmaterial in den Plasma-Austrittsstrahl eingeführt wird, wobei der Plasma-Austrittsstrahl axial durch eine Wandabschirmung hindurchgeht, welche sich von dem Auslaß der Düsenelektrode her erstreckt und wobei eine Heißgas-Abschirmung für den Plasma-Austrittsstrahl zumindest innerhalb der Wandabschirmung gebildet wird.

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Claims

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DCPL-INQ.

H. KINKELDEY

DR-ING.

W. STOCKMAIR

K. SCHUMANN

on. her NKC- Dpu-pma

P. H. JAKOB

G. BEZOLD

CR BSt MAT.· DCPL-OCM.

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MAXIMIUANSTRASSS «3

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Patentansprüche

Plasma-Spritzpistolenanordnung zum Aufbringen von Überzügen auf eine Unterlage, gekennzeichnet durch eine Düsenelektrode (12) mit einem durch sie hindurchgehenden Düsenkanal (14), eine rückwärtige Elektrode (16), eine Einrichtung (24,1A-) um ein plasmabildendes Gas durch die Düsenelektrode (12) zu uhren, eine Einrichtung (20,22), um einen bogenbildenden Strom zwischen den Elektroden (12,16) zu führen und einen Plasma-Austrittsstrahl .zu "bilden, eine Einrichtung (28) zum Einführen eines zu spritzenden Überzugmaterials in den Plasma-Austritt sstrahl, eine Wandabschirmung (34) für den Plasma-Austrittsstrahl, welche sich von dem Auslaß (26) der Düsenelektrode (12) erstreckt, und eine Einrichtung (44,45) zur Bildung einer Heißgas-Abschirmung für den Plasma-Austrittsstrahl mindestens innerhalb der Wandabschirmung (34).

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TELEFON (OSB) 32 98 62 TELEX O6-20 3B0 TeLEQBAMME MONAPAT TELEKOPIEBER

2. Plasma-Spritzpistole nach. Anspruch 1, dadurch g e kennze ichnet, daß das zu spritzende "Uberzugsmaterial in Pulverform vorliegt.

3- Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch g e kennze ichnet, daß die Einrichtung (44,4-6) zur Bildung einer Heißgas-Abschirmung zumindest innerhalb der Wandabschirmung (34) für den Plasma-Austrittsstrahl eine Einrichtung (46) aufweist, durch die die Heißgas-Abschirmung unter einem Winkel von zwischen ungefähr 160° und ungefähr 180° in Bezug auf die Achse (33) des Plasma-Austrittsstrahls ausrichtbar ist.

4. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch g e kennz eichnet, daß die Einrichtung (44,46) zur Bildung einer Heißgas-Abschirmung zumindest innerhalb der Wandabschirmung (34·) für den Plasma-Austrittsstrahl eine Einrichtung (46) aufxireist, durch die die Heißgas-Abschirmung unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse (33) des Plasma-Austrittsstrahls ausrichtbar ist.

5- Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 4, dadurch g e kennz e i chne t, daß die Einrichtung (44,46) zur Bildung einer Heißgas-Abschirmung zumindest innerhalb der Wandabschirmung (34) für den Plasma-Austrittsstrahl eine Ringkammer (44) umfaßt, welche mit Strahlöffnungen (46) ausgebildet ist, die unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse (33) des Plasma-Austrittsstrahls ausgerichtet sind.

6. Plasna-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (56) zur V/asser.cühlun"j der Wandabschirnung (3^-) vorgesehen ist.

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7. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandabschirmung (34) eine zylindrische Ausgestaltung hat.

8. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (28,30) zum Einführung von spritzbarem tlberzugsmaterial in den Plasma-Austrittsstrahl anschließend an die Auslaßöffnung (26) der Düsenelektrode (12) angeordnet ist.

9. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch g e kennz e ichne t, daß die Einrichtung (44,46) zur Bildung einer Heißgas-Abschirmung wenigstens innerhalb der Wandabschirmung (3*0 für den Plasma-Austrittsstrahl eine elektrische Heizeinrichtung aufweist, um das Gas für die Heißgas-Abschirmung vorzuwärmen.

10. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Einrichtung (44,46) zur Bildung einer Heißgas-Abschirmung wenigstens innerhalb der Vandabschirmung (34) für den Plasma-Austrittsstrahl eine zweite Plasmaflammen-Pistolenanordnung umfaßt, um das Gas für die Heißgas-Abschirmung vorzuwärmen.

11. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (74-j76) zur Bildung einer Heißgas-Abschirmung zumindest innerhalb der Wandabschirmung (68) eine innere Durchführung zum Vorwärmen des Gases für die Heißgas-Abschirmung aufweist, die allgemein serpentinenförmig ausgebildet ist.

12. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (44,46) zur Bildung einer Heißgas-Abschirmung zumindest innerhalb der Wandabschirnung (34) für den Plasna-Austritts-

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strahl eine Einrichtung (52) auf weist, durch dLedas Gas für die Heißgas-Abschirmung auf eine Temperatur von etwa 50O⁰C bis etwa 100O⁰C vorwärmbar ist.

13- Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Einrichtung (AA,46) zur Bildung einer Heißgas-Abschirmung zumindest innerhalb der Wandabschirmung (34) für den Plasma-Austrittsstrahl eine Einrichtung (52) umfaßt, durch die heißes Gas mit einer Flußmenge von zwischen etwa 35 l/k etwa 70 l/k ^si einer Temperatur von etwa 5OO C zuführbar ist, um die Heißgas-Abschirmung zu bilden.

14. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch g e kennz e ichne t, daß die Heißgas-Abschirmung aus einem inerten Gas gebildet wird.

15· Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 14, dadurch g ekennzeichnet, daß das inerte Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Stickstoff, Argon und Helium umfaßt.

16. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 15> dadurch g ekennze ichnet, daß die Heißgas-Abschirmung ferner ein brennbares Gas aufweist.

17. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (59) vorgesehen ist, durch die eine ringförmige Yorhangwirkung um den Plasma-Austrittsstrahl herum erzeugbar ist, wenn er die Wandabschirmung (34) verläßt und sich in Richtung auf die Unterlage (11) bewegt.

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18. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch. 17» dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung (59) zur Bildung einer ringförmigen Vorhangwirkung eine ringförmige Verzweigung (59) und Öffnungen (60) aufweist, die anschließend an das äußere Ende der Wandabschirmung (34·) angeordnet sind.

19. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (44,46) zur Bildung einer Heißgas-Abschirmung zumindest innerhalb der Wandabschirmung (34) für den Plasma-Austrittsstrahl eine Einrichtung aufweist, durch die das Heißgas unter einem Winkel derart ausrichtbar ist, daß eine sich parallel zur Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahls erstreckende Komponente vorliegt.

20. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß die Einrichtung (44,46) zur Bildung einer Heißgas-Abschirmung zumindest inner- · halb der Wandabschirmung (34) für den Plasma-Austrittsstrahl eine Einrichtung (46) aufweist, durch die das Heißgas ' ' unter einem Winkel derart ausrichtbar ist, daß eine Komponente in der Richtung auftritt, die zur Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahls entgegengesetzt gerichtet ist.

21. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Einrichtung mit Strahlenöffnungen (96,106) vorgesehen ist, welche unter einem Winkel von etwa 0° bis etwa 180 in Bezug auf die Achse (33) des Plasma-Austrittsstrahls ausgerichtet sind.

22. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Einrichtung mit Otrahlenöffnungen (96,106) vorgesehen ist, die unter einem

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Winkel derart ausgerichtet sind, daß sich eine parallel zur Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahls erstreckende Komponente ergibt.

23. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 5i dadurch g e kennz e ichnet, daß eine zweite Einrichtung mit Strahlenöffnungen (106) vorgesehen dsb, die unter einem Winkel derart ausgerichtet sind, daß sich eine entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahls erstreckende Komponente ergibt.

24·. Plasma-Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand ab schirmung (34·) einen radial nach innen gerichteten Lippenabschnitt aufweist, welcher in Richtung auf ihr Auslaßende hin angeordnet ist.

25. Verfahren zum Plasmaflammenspritzen von Überzugsmaterial auf eine Unterlage, dadurch gekennzeichn et, daß ein plasmabildendes Gas durch eine Düsenelektrode und ein bogenbildender Strom durch die Düsenelektrode und eine rückwärtige Elektrode geführt wird, um einen Plasma-Austrittsstrahl zu bilden, daß ein Überzugsmaterial in den Plasma-Austrittsstrahl eingeführt xdlrd, daß der Plasma-Austrittsstrahl in Längsrichtung durch eine Wandabschirmung, welche sich von dem Auslaß der Düsenelektrode her erstreckt, hindurchgeht und daß zumindest innerhalb der Wandabschirmung eine Heißgas-Abschirmung für den Plasma-Austrittsstrahl gebildet wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmaterial in pulverförmiger Form vorliegt.

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2?. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißgas-Abschirmung unter einem Winkel von etwa 160° "bis etwa 180° in Bezug auf die Achse des Plasma-Austrittsstrahls ausgerichtet wird.

28. Verfahren nach Anspruch 2?, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißgas-Abschirmung unter einem Winkel von etwa.180° in Bezug auf die Achse der Blasma-Flamme ausgerichtet wird.

29. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch g ek e η η zeichnet, daß Kühlwasser durch die Wandabschirmung hindurchgeführt wird.

30. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmaterial in den Plasma-Austritts strahl anschließend an den Auslaß der Düsenelektrode eingeführt wird.

31. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch g e k e η η zeichne t, daß der Verfahrensschritt, durch den zumindest innerhalb der Wandabschirmung eine Heißgas-Abschirmung für den Plasma-Austrittsstrahl gebildet wird, auch umfaßt, daß das Gas zur Bildung der Heißgas-Abschirmung durch einen elektrischen Vorwärmer geführt wird.

32. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt, durch den zumindest innerhalb der Wandabschirnung eine Heißgas-Abschirmung für den Plasma-Austrittsstrahl gebildet wird, auch umfaßt, daß eine zweite Plasmaflaamen-Pistolenanordnung verwandt wird, um das Gas für die Heißgas-Abschimun^ vorzuwärmen.

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33. "Verfaliren nach. Anspruch. 25» dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt, durch, den zumindest innerhalb der Wandabschirmung eine Heißgas-Äbschirmung für den Plasma-Austrittsstrahl gebildet wird, auch umfaßt, daß das Gas für die Heißgas-Abschirmung durch eine innere, allgemein serpentinenförmig ausgebildete Durchführung in der Wandabschirmung hindurchgeht.

34·. "Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt, durch den zumindest innerhalb der Wandabschirmung eine Heißgas-Abschirmung für den Plasma-Austrittsstrahl gebildet vtird, auch umfaßt, daß das Gas für die Gasabschirmung auf eine Temperatur von oberhalb 3OO°C erwärmt wird.

35· Verfahren nach Anspruch 25, dadurch g e k e η η ζ e i c hn e t, daß der Verfahrensschritt, durch den zumindest innerhalb der Wandabschirmung eine Heißgas-Abschirmung für den Plasma-Austrittsstrahl gebildet wird, auch umfaßt, daß das Gas für die Gasabschirmung auf eine Temperatur von zwischen etwa 5OO°C und etwa 100O⁰G vorgewärmt wird.

36. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas für die Heißgas-Abschirmung ein reduzierendes Gas ist.

37- Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Gas in der Heißgas-Abschirmung in einem turbulenten Zustand befindet.

38. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas für die Hei3gas-Abschirmung ein inertes Gas ist.

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39· Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, welche.?Stickstoff, Argon und Helium umfaßt.

40. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas zur Bildung der Heißgas-Abschirmung ein Verbrennungsgas enthält.

41. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch g e k e η η ze ichnet, daß die Flußmenge des Gases in der Heißgas-Abschirmung größer als etwa 17,5 1/k ist.

42 i Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußmenge des Gases zur Bildung der Heißgas-Abschirmung zwischen etwa 35 l/k undetwa 70 l/h "bei einer Temperatur von etwa 500⁰G liegt.

43· Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmaterial ein schmelzbares, pulverförmiges Hetall ist.

44. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmaterial ein keramischer Stoff ist.

45- Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmaterial ein Karbid ist.

46. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Fluid ein Ringvorhang um den Plasma-Austrittsstrahl gebildet wird, sobald er die Wandabschirmung verläßt und sich in Richtung auf die Unterlage bewegt.

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47- "Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißgas-Abschirmung unter einem Winkel ausgerichtet ist, bei dem eine sich parallel zur Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahl erstreckende Komponente auftritt.

48. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißgas-Abschirmung unter einem Winkel ausgerichtet ist, bei dem eine Komponente auftritt, die sich in einer Eichtung erstreckt, welche der Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahl entgegengesetzt ist.

49· Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Gases zur Bildung der Heißgas-Abschirmung unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse des Plasma-Austrittsstrahls und ein zx^eiter Teil des Gases zur Bildung der Heißgas-Abschirmung unter einem Winkel von ungefähr O bis ungefähr Ί8Ο⁰ in Bezug auf die Achse des Plasma-Austrittsstrahls eingeführt wird.

50. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Gases zur Bildung der Heißgas-Abschirmung unter einem Winkel von ungefähr 180° in Bezug auf die Achse des Plasma-Austrittsstrahls und ein zweiter Teil des Gases zur Bildung der Heißgas-Abschirmung unter einem Winkel zugeführt wird, bei dem sich eine parallel zur Strömungsrichtung des Plasma-Austritts Strahls erstreckende Komponente ergibt.

51. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Gases zur Bildung der Eeiiicas-Abscliirinung unter einem Winkel von ungefähr 130° in Besug auf die Achse des Plasma-Austrittsstrahln und ein zweiter Teil des Gases zur Bildung der Heißgas-Abschirmung unter einem Winkel eingeführt wird, bei dem eine IComponente

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auftritt, deren Richtung zu der Strömungsrichtung des Plasma-Austrittsstrahls entgegengesetzt gerichtet ist.

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