WO2012048703A2 - Verfahren und vorrichtung zum thermischen spritzen - Google Patents

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Gerd Paczkowski
Christian Rupprecht
Bernhard Wielage
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Technische Universitaet Chemnitz
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    • 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
    • C23C4/131—Wire arc spraying

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for thermal spraying, in particular for arc spraying with filler material, as it is, for example, the wire arc spraying, according to the preamble of the first and eighth claim, wherein a filler material, usually two electrically conductive wires, melted by an arc and means a compressed gas (also called atomizing gas) are sprayed at high speeds in the range of 1 Mach and larger on a prepared surface.
  • a filler material usually two electrically conductive wires, melted by an arc and means a compressed gas (also called atomizing gas) are sprayed at high speeds in the range of 1 Mach and larger on a prepared surface.
  • a burner with a corresponding nozzle with a preferably centric flow opening for the compressed gas is used.
  • the wires are fed through current-carrying sleeves with different polarity, with a wire feed device being used for this purpose.
  • a short arc is generated which, due to its high temperature (greater than 5000 K), partially melts the wire-shaped spray additive.
  • One or more atomizer gas nozzles guide the atomizing gas directed to the molten material phase due to the dynamic pressure of the
  • Nebulizer gas flow atomizes the material phase and accelerates it by momentum transfer of the gas phase in the resulting free jet.
  • the atomizing gas amount is continuously conveyed. This leads to massive Rezirkulations concerningen behind the wire-shaped spray additive, with the result that molten sprayed in the field of wire ends on the
  • Thermal spraying is to produce relatively rough wear layers in that the particles impinging on the surface are greater than 0.2 mm and reach the surface by the action of gravity. It is possible, the particles through
  • Trigger pulses in particular by compressed gas pulses, from the molten filler material.
  • the velocities generated by the compressed gas are thus very low.
  • This method is not suitable for the production of thin uniform and firmly adhering layers. Furthermore, this solution does not prevent the settling of molten particles on the nozzle or on the wire. Due to the system, it is only possible with this method to work with a burner pointing downwards, whereby no coatings are possible in other spatial directions.
  • a method for operating a plasma spray torch is known from document CH 578 622.
  • the working gas before its entry into the nozzle has a pressure of greater than or equal to 7 atmospheres and the fuel flow of the arc to a value of greater than or equal to 1000 amps.
  • the gas stream of the working gas and the fuel stream are pulsed synchronously, with the gas flow through the nozzle and the fuel flow between the pulses to values close to or equal to zero.
  • the plasma spraying burner has a pin-shaped cathode. This is followed in the direction of work by an anodically connected Laval nozzle, which widens in the working direction.
  • a DC voltage generates an arc between the anode and the cathode and the working gas flowing through the plasma torch, which contains particulate spray material, is passed through the arc and thereby ionized, producing a plasma jet which flows through the nozzle above the nozzle inlet and thus within the plasma spray torch and exits from this at a speed of a few 1000 m / s, bouncing on the substrate to be coated and this coated with the molten particles.
  • the cathode is moved axially over cams up and down, so that the nozzle inlet is opened and closed in a pulsed manner. In this case, the nozzle inlet of the anodically connected nozzle is not complete be closed, as this would lead to a short circuit. There is thus always a flow of the working gas.
  • a modulated / pulsating gas flow at a temporal is preferred
  • Nebulizer gas nozzle generated.
  • the high-pressure gas flow preferably expands in the nozzle to speeds greater than Mach 1. These high speeds of the
  • Atomizing gas ensures a Bescheun only the melted
  • the modulation of the gas flow of the compressed gas takes place in
  • Supplementary leads is preferred depending on the electrical parameters (current, voltage or current-voltage characteristic) of the current source voltage and / or in dependence on the fluid mechanical
  • the change in the frequency of the pulse of the gas flow of the atomizing gas is preferably carried out with a frequency from 20 Hz, wherein it is also possible, if necessary, to change the frequency or the pulse duration of the gas flow during the coating process.
  • the device according to the invention has a device for generating a
  • Compressed gas which flows out at high velocity through a nozzle and the molten material of the filler injected onto a surface, means are provided according to the invention, through which a modulated / pulsating gas flow of high velocity of the compressed gas can be generated, through which the formation of a quasi-stationary vortex field of the behind the spray filler and behind the short arc prevented or at least restricted.
  • a modulated / pulsating gas flow of high velocity of the compressed gas can be generated, through which the formation of a quasi-stationary vortex field of the behind the spray filler and behind the short arc prevented or at least restricted.
  • Most (eg thermal spraying) of the filler material in the form of two electrically conductive wires is formed, the ends of which are arranged in the region of the outlet of the nozzle or between the nozzle outlet and the surface to be coated, wherein in the region of the ends of the filler, through the means arranged in the device, a modulated / pulsating gas flow of the compressed gas with a time variation of the atomizing gas volumetric flow, the restriction or prevention of the quasi-stationary vortex field.
  • the means may be formed for example in the form of the gas flow of the pressure gas changing valves or in the form of mechanical elements and according to the required pulses interrupt the gas flow and greatly reduce and release again.
  • the mechanical elements are preferably arranged in a pressure line leading to the nozzle for the compressed gas and may be formed, for example, in the form of an angle to the pressure line through this rotatable shaft having one or more transverse bores in the region of the pressure line and by rotation the flow of the compressed gas locks or greatly reduces or releases.
  • the means are designed in particular in the form of valves which change the gas flow, which may be, for example, high-performance valves which ensure a fast switching frequency.
  • the nozzle is designed in the manner of a nebulizer gas nozzle, in particular a Laval nozzle, which extends in Direction of flow of the gas first tapers and then expanded again, whereby the gas flow is first braked and then expanded, whereby its speed increases again.
  • the filler material is inclined with respect to the longitudinal axis of the nozzle in a shallow angle of attack, which is a maximum of 90 ° to 0 °, preferably about 25 ° ⁇ 5 °, with its ends in the region of the nozzle outlet or between the nozzle outlet and the to be coated surface.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the Drahtvorschub- device with which the filler material is tracked, not realized as usual, a continuous tracking of the wire, but the wire feed discontinuously, or gradually regulates, such that the tracking of the wire in particular depending / correlation with the pulses of the pulsating
  • the conceptual approach of the invention is based on a targeted, "high velocity" 'modulated' gas flow adapted to the process (or a temporal change in sputtering gas volumetric flow) to prevent settling of the molten phase (s) behind the wire ends and beyond the arc (preferably outside the nozzle).
  • This "pulsation" is preferably realized by high-performance solenoid valves, which relate their control signal as a function of the time interval of melting or melting a corresponding material fraction of the wire-shaped spray additive.
  • the high pressure gas flow is directed through suitable nebulizer gas nozzles (Laval similar) directed to speeds greater than Mach 1.
  • Wire ends is greatly reduced due to the pulsed gas flow and minimizes beam divergence.
  • the recirculation areas in the region of the wire ends are also greatly reduced, so that the melt film or drops do not or only partially recirculate and oxidize in these fluidized areas.
  • the control signal of the solenoid valves is synchronized with the control circuit of the current voltage source for better process control.
  • the nebulizer gas nozzles are designed mass flow-specific for this process. Achievable results include:
  • Expansion nozzles of the particle-loaded free jet can be influenced so that set higher particle velocities and lower spray jet divergences.
  • the basis for the invention is the utilization of a pulsed high-velocity gas flow of the atomizing gas.
  • valves The gas flow pulsed by valves becomes dependent on the electrical parameters (current, voltage - including their frequencies - and current-voltage characteristics) and depending on the fluid mechanics
  • FIG. 1 shows the basic representation of a device according to the invention with a device
  • Figure 2 is a schematic diagram of a variant for the mechanical pulses of
  • FIG. 1 shows a device for coating the surface 1 a of a base material 1, whereby a spray layer 2 was produced by means of wire arc spraying.
  • a filler material 3 here two wires, is guided in contact tubes 4. Both contact tubes 4 are connected to a voltage source 5, so that they are poled differently.
  • the filler material 3 is by one
  • Wire feed device 6 trackable.
  • the ends of the filler material 3 are between the unspecified outlet of the nozzle 7 and the surface 1 a of the base material 1. Its melting takes place via the voltage source 5, by their application between the mutually facing ends of the filler material 3, an arc is formed, whereby the ends of the filler material 3.
  • a pressurized gas 8 (represented by an arrow, also referred to as a sputtering gas) flows pulsed and at high speed in the direction of the base material 1 the molten material of the filler material 3 on the surface 1 a injected and the sprayed layer 2 is generated.
  • a mist 3a forms from the ablated filler material, whereby there is the danger that a quasi-stationary eddy field, i. forms massive recirculation areas behind the wire-shaped spray additive of the molten material in front of the nozzle in the region of the ends of the filler material, which can lead to
  • Trajectories dwells and oxidized in this time due to the atmospheric oxygen of the ambient or compressed air.
  • an alternating current or a pulsed direct current is preferably generated, wherein the pressurized gas 8 is pulsed by a corresponding device 9, which has a high-performance valve not designated, in particular in dependence on the frequency of the voltage source (in particular synchronously thereto).
  • a corresponding device 9 which has a high-performance valve not designated, in particular in dependence on the frequency of the voltage source (in particular synchronously thereto).
  • the required frequency of pulsation of the pressurized gas required for preventing the settling of droplets on the equipment or their removal can be determined by a few experiments and is preferably> 20 Hz.
  • the speed of the gas flow of the compressed gas is greater than 1 after the nozzle at Mach numbers.
  • the Drahtanstellwinkel ⁇ of the filler material 3 is very flat and is preferably in the range of about 10 ° relative to the longitudinal axis A of the nozzle. 7
  • the flow cross-section of the nozzle 7 decreases in the flow direction in the manner of a diffuser and then widens again in the manner of a confuser, whereby the compressed gas 8 is accelerated. Its speed is after the nozzle Mach 1 and more, whereby an excellent homogeneity of the spray layer 2 and a good adhesion to the base material 1 is ensured.
  • FIG. 1 A schematic diagram of a variant for the mechanical pulsing of the compressed gas is shown in FIG.
  • the means for generating the pulsating gas flow are integrated into the pressure line 10 for the compressed gas and can the gas flow
  • the pressure line 10 through a housing 1 1 in which at an angle of 90 ° and thus transverse to the pressure line 10 a this interrupting and is arranged by this rotatable shaft 12 is arranged.
  • the rotatable shaft 12 has in the region of the pressure line 10 a transverse bore 13 in the form of a
  • the shaft 12 is rotatably supported by bearings 14 in the housing 1 1.
  • the flow of the pressurized gas is alternately locked or released and thereby generates the pulsating gas flow.
  • the frequency with which the gas flow pulsates can be determined in a simple manner by the rotational speed of the shaft, which is driven by a motor, not shown here.
  • the solution according to the invention as a whole creates a simple and practical possibility for reducing or avoiding the developing vortex region of melted particles of the filler material and thereby undesirable settling or residence of particles / drops of the melted filler material on the burner / nozzle and / or on the filler material even avoided. As a result, a high-quality coating result can be realized.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen, insbesondere zum Lichtbogenspritzen mit Zusatzwerkstoff (3), der durch einen mittels Elektroden erzeugten Lichtbogen aufgeschmolzen wird, wobei das Druckgas (8) mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse (7) ausströmt und das aufgeschmolze Material des Zusatzwerkstoffes (3) auf eine vorbereitete Oberfläche (1a) spritzt, und wobei erfindungsgemäß das Druckgas (8) mit einer modulierten/pulsierenden Gasströmung hoher Geschwindigkeit erzeugt wird, wodurch ein sich unerwünscht aufbauendes Wirbelgebiet des aufgeschmolzenen Materials im Bereich der Enden des Zusatzwerkstoffes (3) eingeschränkt oder verhindert wird. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung zur Erzeugung des Druckgases (8) hoher Geschwindigkeit sowie Mittel auf, durch welche die modulierte/pulsierende Gasströmung hoher Geschwindigkeit erzeugbar ist derart, dass ein Absetzen bzw. Verweilen von Partikeln/Tropfen des aufgeschmolzenen Materials an der Düse (7) und/oder am Zusatzwerkstoff (3) verhindert wird und/oder daran abgesetzte Partikeln/Tropfen gelöst werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Spritzen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen, insbesondere zum Lichtbogenspritzen mit Zusatzwerkstoff, wie es beispielsweise das Drahtlichtbogenspritzen ist, nach dem Oberbegriff des ersten und achten Patentanspruchs, wobei ein Zusatzwerkstoff, meist zwei elektrisch leitende Drähte, durch einen Lichtbogen aufgeschmolzen und mittels eines Druckgases (auch als Zerstäubergas bezeichnet) mit hohen Geschwindigkeiten im Bereich 1 Mach und größer auf eine vorbereitete Oberfläche gespritzt werden.
Dazu wird ein Brenner mit einer entsprechenden Düse mit einer vorzugsweise zentrischen Strömungsöffnung für das Druckgas verwendet. Die Drähte werden durch stromführende Hülsen mit unterschiedlicher Polung zugeführt, wobei dafür eine Drahtvorschubeinrichtung Verwendung findet.
Beispielsweise beim Drahtlichtbogenspritzen wird ein Kurzlichtbogen erzeugt, der infolge seiner hohen Temperatur (größer 5000K) den drahtformigen Spritzzusatzwerkstoff partiell aufschmilzt. Eine oder mehrere Zerstäubergasdüsen (führen das Zerstäubergas gerichtet zu der aufgeschmolzenen Materialphase. Infolge des dynamischen Drucks der
Zerstäubergasströmung wird die Materialphase zerstäubt und durch Impulsübertragung der Gasphase im resultierenden Freistrahl beschleunigt. Bei herkömmlichen Verfahren (Stand der Technik) wird die Zerstäubergasmenge kontinuierlich gefördert. Dies führt zu massiven Rezirkulationsgebieten hinter dem drahtformigen Spritzzusatzwerkstoff, mit der Folge, dass aufgeschmolzenes Spritzgut im Bereich der Drahtenden auf den
wirbeiförmigen Trajektorien verweilt. In dieser Zeit wird der Werkstoff infolge des
Luftsauerstoffs der Umgebungs- bzw. Druckluft oxidiert. Durch das kontinuierliche
Abschmelzen des Drahtes vergrößert sich die rezirkulierende Menge der
schmelzflüssigen Phase, mit dem Resultat einer inhomogen Zerstäubung kritisch angewachsenen Schmelztropfen. Der sich um die Drahtenden ausbreitende Freistrahl baut eine so genannte "Karmansche Wirbelstraße" auf. Diese hat zur Folge, dass der partikelbeladene Freistrahl extrem aufweitet (divergiert). Durch die hohe Divergenz gelangt ein Teil der Partikelphase in langsame Außenbereiche der Zerstäubergasströmung und steht somit einer materialeffizienten Beschichtung (vor allem bei kleinen Bauteilen) entgegen.
Aus der Druckschrift EP 0 879 645 A2 ist zwar eine Lösung bekannt, durch welche die Standzeit der Vorrichtung verlängert werden soll. Dafür wird in die den Draht umgebende stromführende Hülse seitlich ein sogenanntes Spülgas eingebracht, welches die auf der Oberfläche des Drahtes befindlichen lockeren Verunreinigungen in der Gegenrichtung der Vorschubrichtung des Drahtes entfernt. Vorzugsweise wird dazu ein Teil des Spülgases des Zerstäubergasstromes abgezweigt. Dies beseitigt jedoch nicht die vorgenannten Nachteile des sich unerwünscht absetzenden aufgeschmolzenen Materials auf Bereichen der Düse oder des Drahtes.
Mit einem in der Druckschrift DE 433 46 10 A1 beschriebenen Verfahren zum
thermischen Spritzen sollen relativ raue Verschleißschichten erzeugt werden, indem die auf die Oberfläche auftreffenden Partikel größer als 0,2 mm sind und durch die Wirkung der Schwerkraft auf die Oberfläche gelangen. Dabei ist es möglich, die Partikel durch
Impulse, insbesondere durch Druckgasimpulse, aus dem geschmolzenen Zusatzwerkstoff auszulösen. Die durch das Druckgas erzeugten Geschwindigkeiten sind somit nur sehr gering. Dieses Verfahren ist für die Erzeugung dünner gleichmäßiger und fest haftender Schichten nicht geeignet. Weiterhin wird durch diese Lösung nicht das Absetzen aufgeschmolzener Partikel auf der Düse oder am Draht verhindert. Systembedingt ist es mit diesem Verfahren nur möglich, mit einem nach unten weisenden Brenner zu arbeiten, wodurch in andere Raumrichtungen keine Beschichtungen möglich sind.
Ein Verfahren zum Betrieb eines Plasmaspritzbrenners ist aus der Druckschrift CH 578 622 bekannt. Dabei weist das Arbeitsgas vor seinem Eintritt in die Düse einen Druck von größer / gleich 7 Atmosphären und der Brennstrom des Bogens einen Wert von größer /gleich 1000 Amper auf. Der Gasstrom des Arbeitsgases und der Brennstrom werden synchron gepulst, wobei der Gasfluss durch die Düse und der Brennstrom zwischen den Impulsen auf werte nahezu oder gleich Null gebracht werden. Der Plasmaspritzbrenner weist eine stiftförmige Kathode auf. An diese schließt sich in Arbeitsrichtung eine anodisch geschaltete Laval-Düse an, die sich in Arbeitsrichtung erweitert. Durch eine Gleichspannung wird ein Lichtbogen zwischen Anode und Kathode erzeugt und dass durch den Plasmabrenner strömende Arbeitsgas, welches teilchenförmiges Spritzgut enthält, wird durch den Lichtbogen geleitet und hierbei ionisiert und erzeugt oberhalb des Düseneintritts und somit innerhalb des Plasmaspritzbrenners einen Plasmastrahl, der durch die Düse strömt und aus dieser mit einer Geschwindigkeit von einigen 1000 m/s austritt, auf das zu beschichtende Substrat prallt und dieses mit den aufgeschmolzenen Teilchen beschichtet. Zum Pulsen des Gasflusses wird die Kathode über Nocken axial auf und ab bewegt, so dass der Düseneinlauf pulsförmig geöffnet und geschlossen wird. Dabei kann der Düseneinlauf der anodisch geschalteten Düse nicht vollständig geschlossen werden, da dies zu einem Kurzschluss führen würde. Es ist somit immer eine Strömung des Arbeitsgases vorhanden.
Diese Lösung soll zur Erzeugung festhaftender Schichten verwendet werden, wobei davon ausgegangen wird, dass in Plasmastrahlen Geschwindigkeiten von einigen 1000 m/s (Unterschallströmung des Plasmas) erzeugt werden können, wenn große Werte des Bogenbrennstroms und hohe Gasdrücke vorgesehen werden. Da dies zu einer sehr hohen thermischen Belastung der Düse führt, wird bei diesem Stand der Technik eine gepulste Arbeitsweise vorgeschlagen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum thermischen
Hochgeschwindigkeits-Spritzen mit Zusatzwerkstoff zu entwickeln, die ein unerwünschtes Absetzen des Aufgeschmolzenen Materials an der Düse oder am Zusatzmaterial vermeidet und bei hohen Partikelgeschwindigkeiten eine Schicht hoher Qualität bei einem homogenen Schichtaufbau gewährleistet.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des ersten und achten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Bei dem Verfahren zum thermischen Hochgeschwindigkeits-Spritzen, insbesondere zum Lichtbogenspritzen mit Zusatzwerkstoff, der durch einen mittels Elektroden erzeugten Lichtbogen aufgeschmolzen wird, strömt ein Druckgases mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse aus und spritzt das aufgeschmolzene Material des Zusatzwerkstoffes auf eine meist vorbereitete Oberfläche, wobei das Druckgas erfindungsgemäß mit einer modulierten/ pulsierenden Gasströmung hoher Geschwindigkeit erzeugt und dadurch die Ausbildung eines quasistationären Wirbelfeldes des aufgeschmolzenen Materials im Bereich der Enden des Zusatzwerkstoffes eingeschränkt oder verhindert wird.
Durch die Reduzierung oder Vermeidung des sich aufbauenden Wirbelgebietes aufgeschmolzener Partikel des Zusatzwerkstoffes, welches insbesondere im Bereich hinter den Enden des Zusatzwerkstoffes (in Strömungsrichtung gesehen) hervorgerufen wird, kann ein Absetzen bzw. Verweilen von Partikeln/Tropfen des aufgeschmolzenen Materials auf dem Brenner bzw. Bauteilen des Brenners der Düse und/oder am
Zusatzwerkstoff vermieden werden bzw. werden daran abgesetzte Partikel/Tropfen gelöst. Dadurch wird ein unerwünschtes Absetzen von Partikeln/Tropfen des
aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoffes an dem Brenner / der Düse und/oder am Zusatzwerkstuff selbst vermieden, wodurch ein gleichmäßigeres Auftragen des
Zusatzwerkstoffes auf dem Grundwerkstoff gegeben ist.
Bevorzugt wird eine modulierte/pulsierende Gasströmung bei einer zeitlichen
Veränderung des Gasvolumenstroms des Druckgases unter Verwendung einer
Zerstäubergasdüse erzeugt.
Die unter hohem Druck stehende Gasströmung expandiert dabei bevorzugt in der Düse auf Geschwindigkeiten größer Mach 1. Diese hohen Geschwindigkeiten des
Zerstäubergases gewährleisten eine Bescheunigung der aufgeschmolzenen
Materialphase und deren Haftung auf dem Grundwerkstoff.
Vorteilhafter Weise erfolgt die Modulation der Gasströmung des Druckgases in
Abhängigkeit vom Regelverhalten der Strom-Spannungsquelle. Es ist jedoch auch möglich die Frequenz/Modulation des Druckgases unabhängig von der Frequenz der Strom-Spannungsquelle zu steuern bzw. zu regeln.
Die gepulste Gasströmung, welche zur Vermeidung des Rezirkulierens des
Zerstäubergases hinter den Drahtenden und hinter dem Lichtbogen und/oder zur verzögerungsfreien Ablösung der aufgeschmolzenen Tropfen bzw. Partikel des
Zusatzwerkstoffen führt, wird dabei bevorzugt in Abhängigkeit von den elektrischen Parametern (Strom, Spannung bzw. Strom-Spannungs-Kennlinie) der Strom- Spannungsquelle und /oder in Abhängigkeit von den strömungsmechanischen
Bedingungen an die jeweilige Beschichtungsaufgabe angepasst und kann durch wenige Versuche ermittelt werden.
Die Veränderung der Frequenz des Pulses der Gasströmung des Zerstäubergases erfolgt bevorzugt mit einer Frequenz ab 20 Hz, wobei es auch möglich ist, die Frequenz bzw. die Pulsdauer der Gasströmung während des Beschichtungsvorganges bedarfsweise zu verändern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Einrichtung zur Erzeugung eines
Druckgases auf, welches mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse ausströmt und das aufgeschmolze Material des Zusatzwerkstoffes auf eine Oberfläche spritzt, wobei erfindungsgemäß Mittel vorgesehen sind, durch welche eine modulierte/pulsierende Gasströmung hoher Geschwindigkeit des Druckgases erzeugbar ist, durch welche die Ausbildung eines quasistationären Wirbelfeldes des hinter dem Spritz-Zusatzwerkstoff und hinter dem Kurzlichtbogen verhindert oder zumindest eingeschränkt. Dadurch wird das Rezirkulieren der Partikelphase bzw. des aufgeschmolzenen Materials auf den Trajektorien (Bewegungsbahnen) dieser Wirbelgebiete minimiert bzw. ausgelöscht, was zu einer kürzeren Verweilzeit und einer schlagartigen Zerstäubung der Materialphase am Düsenaustritt führt. An der Düse und/oder an den Enden des Zusatzwerkstoffs wird dadurch ein schnelles Ablösen von Partikeln/Tropfen gewährleistet.
Meist (z.B. beim thermischen Spritzen) ist der Zusatzwerkstoff in Form von zwei elektrisch leitenden Drähten ausgebildet, deren Enden im Bereich des Ausgangs der Düse bzw. zwischen dem Düsenaustritt und der zu beschichtenden Oberfläche angeordnet sind, wobei im Bereich der Enden des Zusatzwerkstoffes, durch die in der Vorrichtung angeordneten Mittel eine modulierte/pulsierende der Gasströmung des Druckgases bei einer zeitlichen Veränderung des ZerstäubergasVolumenstroms, die Einschränkung oder Verhinderung des quasistationären Wirbelfeldes erfolgt.
Die Mittel können beispielsweise in Form von die Gasströmung des Druckgases verändernden Ventilen oder in Form von mechanischen Elementen ausgebildet sein und entsprechend der geforderten Pulse die Gasströmung unterbrechen bzw. stark verringern und wieder Freigeben.
Die mechanischen Elemente werden bevorzugt in einer zur Düse führenden Druckleitung für das Druckgas angeordnet und können beispielsweise in Form einer im Winkel zur Druckleitung durch diese führende drehbare Welle ausgebildet sein, die im Bereich der Druckleitung eine oder mehrere Querbohrungen aufweist und durch Rotation den Durchfluss des Druckgases sperrt oder stark verringert oder freigibt.
Durch diese Mittel ist insbesondere eine modulierte/pulsierende Gasströmung in der erforderlichen Frequenz bei einer zeitlichen Veränderung des Zerstäubergasvolumenstroms erzeugbar.
Die Mittel sind insbesondere in Form von Ventilen ausgebildet, welche die Gasströmung verändern, dies können beispielsweise Hochleistungsventile sein, die eine schnelle Schaltfrequenz gewährleisten. Um ein Expandieren /Beschleunigen des Gasstroms zu gewährleisten, ist die Düse in der Art einer Zerstäubergasdüse, insbesondere einer Laval - Düse ausgebildet, die sich in Strömungsrichtung des Gases zuerst verjüngt und anschließend wieder erweitert, wodurch der Gasstrom zuerst gebremst wird und anschließend expandiert, wodurch dessen Geschwindigkeit wieder zunimmt.
Dabei ist der Zusatzwerkstoff in Bezug auf die Längsachse der Düse in einem flachen Anstellwinkel geneigt, der maximal 90° bis 0°, vorzugsweise ca. 25°±5° beträgt, wobei sich dessen Enden im Bereich des Düsenaustritts bzw. zwischen dem Düsenaustritt und der zu beschichtenden Oberfläche befinden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass die Drahtvorschub- einrichtung, mit welcher der Zusatzwerkstoff nachgeführt wird, nicht wie bisher üblich ein kontinuierliches Nachführen des Drahtes realisiert, sondern den Drahtvorschub diskontinuierlich, bzw. schrittweise regelt, derart, dass das Nachführen des Drahtes insbesondere in Abhängigkeit/Korrelation mit den Impulsen der pulsierenden
Gasströmung des Druckgases erfolgt.
Der gedankliche Ansatz der Erfindung beruht auf einer gezielten, dem Prozess angepassten "modulierten" Gasströmung hoher Geschwindigkeit (bzw. einer zeitlichen Veränderung des Zerstäubergasvolumenstroms) zur Verhinderung des Absetzens bzw. Verweilen der Schmelzphase/der Partikeltröpfchen hinter den Drahtenden und hinter dem Lichtbogen (bevorzugt außerhalb der Düse).
Diese "Pulsung" wird bevorzugt durch Hochleistungsmagnetventile realisiert, die ihr Regelsignal in Abhängigkeit vom Zeitintervall des Ab- bzw. Aufschmelzens einer entsprechenden Materialfraktion des drahtformigen Spritzzusatzwerkstoffes beziehen. Die unter hohem Druck stehende Gasströmung wird durch geeignete Zerstäubergasdüsen (Laval ähnlich) gerichtet auf Geschwindigkeiten größer Mach 1 expandiert. Das
Impulsartige Auftreffen der Gasphase führt zu einer feinen und homogenen Zerstäubung der Materialphasen. Das sich aufbauende quasistationäre Wirbelfeld (hinter den
Drahtenden) wird infolge des gepulsten Gasstroms stark reduziert und bewirkt eine Minimierung der Strahldivergenz. Die Rezirkulationsgebiete im Bereich der Drahtenden werden ebenfalls stark verkleinert, so dass der Schmelzfilm bzw. Tropfen nicht oder nur teilweise in diesen Wirbelgebieten rezirkulieren und oxidieren. Das Regelsignal der Magnetventile wird zur besseren Prozesssteuerung mit dem Regelkreis der Strom- Spannungsquelle synchronisiert.
Die Zerstäubergasdüsen werden für diesen Prozess massestromspezifisch ausgelegt. Erreichbare Ergebnisse sind unter anderen:
1. homogen zerstäubte Materialphase (homogener Schichtaufbau),
2. verringerte Oxidation des Spritzzusatzwerkstoffes,
3. Schichten hoher Güte,
4. Partikelgeschwindigkeiten größer 300 m/s,
5. Materialeffiziente Beschichtung (Erhöhung des Auftragwirkungsgrades). Um die Qualität lichtbogengespritzter Beschichtungen zu verbessern, ist eine
konsequente Anpassung der Prozessführung unter strömungsdynamisch optimierten Bedingungen zwingend erforderlich. Es ist davon auszugehen, dass bereits geringfügige Veränderungen an marktgängiger Brennertechnik ausreichen, um deutliche
Verbesserungen zu erzielen. Da der Bereich des Hochgeschwindigkeitsspritzens mit Lichtbogensystemen bisher nur ungenügend erschlossen wurde, soll durch die gezielte Auslegung der zur Erzeugung überschallschneller Gasströmungen notwendigen
Expansionsdüsen der partikelbeladene Freistrahl so beeinflusst werden, dass sich höhere Partikelgeschwindigkeiten und geringere Spritzstrahldivergenzen einstellen. Grundlage für die Erfindung ist die Ausnutzung einer gepulsten Hochgeschwindigkeitsgasströmung des Zerstäubergases.
Die durch Ventile gepulste Gasströmung wird in Abhängigkeit von den elektrischen Parametern (Strom, Spannung - einschließlich deren Frequenzen - und Strom- Spannungs-Kennlinie) und in Abhängigkeit von den strömungsmechanischen
Bedingungen, die zur Tropfenablösung führen, an die jeweilige Beschichtungsaufgabe angepasst.
Durch den Einsatz einer gepulsten Zerstäubergasströmung wird eine homogenere und feinere Partikelphase erwartet. Die Ausprägung starker Turbulenzballen im Bereich der Drahtspitzen, welche für die massive Aufweitung des partikelbeladenen Freistrahls verantwortlich sind, soll reduziert werden. Im Zusammenhang einer gezielt expandierenden (vorgespannten) Gasströmung werden Partikelgeschwindigkeiten von über 300 m/s erreicht.
Es kommen als Druckgas homogen strömende, zum Teil expandierende, heiße bzw. kalte, vorgespannte Prozessgase (verschiedener Art - bspw. Brenn-, Inertgase,
Verbrennungsprodukte usw.) zur Anwendung. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 die Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit einem
Hochleistungsventil zum Pulsen des Druckgases,
Figur 2 eine Prinzipdarstellung einer Variante zum mechanischen Pulsen des
Druckgases. In Figur l eine Einrichtung zur Beschichtung der Oberfläche 1 a eines Grundwerkstoffs 1 dargestellt, wodurch mittels Drahtlichtbogenspritzen eine Spritzschicht 2 erzeugt wurde.
Dazu wird ein Zusatzwerkstoff 3, hier zwei Drähte, in Kontaktrohren 4 geführt. Beide Kontaktrohre 4 sind an eine Spannungsquelle 5 angeschlossen, so dass diese unterschiedlich gepolt sind. Der Zusatzwerkstoff 3 ist durch jeweils eine
Drahtvorschubeinrichtung 6 nachführbar. Die Enden des Zusatzwerkstoffes 3 liegen zwischen dem nicht bezeichneten Austritt der Düse 7 und der Oberfläche 1 a des Grundwerkstoffs 1. Dessen Schmelzen erfolgt über die Spannungsquelle 5, durch deren Anlegen zwischen den aufeinander zuweisenden Enden des Zusatzwerkstoffes 3 ein Lichtbogen gebildet wird, wodurch die Enden des Zusatzwerkstoffes 3 aufschmelzen., Durch die zentrisch zwischen den Kontaktrohren 5 angeordnete Düse 7, die eine Längsachse A aufweist, strömt ein Druckgas 8 (dargestellt durch einen Pfeil, auch als Zerstäubergas bezeichnet) gepulst und mit hoher Geschwindigkeit in Richtung zum Grundwerkstoff 1 , wodurch das aufgeschmolzene Material des Zusatzwerkstoffes 3 auf die Oberfläche 1 a spritzt und die Spritzschicht 2 erzeugt. Dabei bildet sich ein Nebel 3a aus dem abgeschmolzenen Zusatzwerkstoff aus, wobei die Gefahr besteht, dass sich daraus ein quasistationäres Wirbelfelde, d.h. massive Rezirkulationsgebiete hinter dem drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoff des aufgeschmolzenen Materials vor der Düse im Bereich der Enden des Zusatzwerkstoffes bildet, was dazu führen kann, dass
aufgeschmolzenes Spritzgut im Bereich der Drahtenden auf den wirbeiförmigen
Trajektorien verweilt und in dieser Zeit infolge des Luftsauerstoffs der Umgebungs- bzw. Druckluft oxidiert.
Dies wird erfindungsgemäß eingeschränkt oder verhindert dadurch, dass die Tropfen des Plasmanebels durch das gepulste Druckgas sich nicht an der Düse 7 bzw. den
Kontaktrohren 4 oder dem Zusatzwerkstoff 3 absetzen können. Sollten sich
Schmelztropfen dennoch absetzen, so werden diese durch den pulsierenden Gasstrom wieder gelöst und in Richtung zur Oberfläche 1 a des Grundwerkstoffs transportiert. Durch den gepulsten Gaststrom des Druckgases verringert sich somit die rezirkulierende Menge der schmelzflüssigen Phase oder es wird die Rezirkulation ganz verhindert somit eine materialeffiziente Beschichtung gewährleistet.
Durch die Spannungsquelle 5 wird bevorzugt ein Wechselstrom oder ein gepulster Gleichstrom erzeugt, wobei das Druckgas 8 durch eine entsprechende Einrichtung 9, die ein nicht bezeichnetes Hochleistungsventil aufweist, insbesondere in Abhängigkeit der Frequenz der Spannungsquelle (insbesondere synchron dazu) gepulst wird. Alternativ ist es auch möglich, die Frequenz, mit welcher das Druckgas gepulst wird, unabhängig von der Frequenz der Spannungsquelle einzustellen.
Wird durch die Spannungsquelle Gleichstrom zur Verfügung gestellt, pulsiert lediglich das Druckgas.
Die erforderliche Frequenz des Pulsierens des Druckgases, die für das Verhindern des Absetzens von Tropfen an der Anlage oder deren Entfernen erforderlich ist, kann durch wenige Versuche ermittelt werden und ist vorzugsweise >20 Hz.
Die Geschwindigkeit des Gasstroms des Druckgases liegt nach der Düse bei Machzahlen größer 1 . Der Drahtanstellwinkel α des Zusatzwerkstoffes 3 ist sehr flach und liegt bevorzugt im Bereich von ca. 10° bezogen auf die Längsachse A der Düse 7.
Der Durchströmquerschnitt der Düse 7 verringert sich in Strömungsrichtung in der Art eines Diffusors und erweitert sich dann wieder in der Art eines Konfusors, wodurch das Druckgas 8 beschleunigt wird. Dessen Geschwindigkeit beträgt nach der Düse Mach 1 und mehr, wodurch eine hervorragende Homogenität der Spritzschicht 2 und eine gute Haftung auf dem Grundwerkstoff 1 gewährleistet wird.
Eine Prinzipdarstellung einer Variante zum mechanischen Pulsen des Druckgases ist in Figur 2 dargestellt. Die Mittel zur Erzeugung der pulsierenden Gasströmung sind dabei in die Druckleitung 10 für das Druckgas integriert und können die Gasströmung
unterbrechen und freigeben. Dazu führt die Druckleitung 10 durch ein Gehäuse 1 1 in dem im Winkel von 90° und somit quer zur Druckleitung 10 eine diese unterbrechende und dazu durch diese führende drehbare Welle 12 angeordnet ist. Die drehbare Welle 12 weist im Bereich der Druckleitung 10 eine Querbohrung 13 in Form einer
Durchgangsbohrung auf. Durch Drehen der Welle 12 strömt das Druckgas durch die
Querbohrung 13 in Pfeilrichtung zur hier nicht dargestellten Düse, wenn die Querbohrung 13 sich in einer Position befindet in welcher deren beide Öffnungen 13.1 , 13.2 eine Verbindung mit der Druckleitung 10 aufweisen. Dreht die Welle 12 weiter, so wird die Durchgangsbohrung 13 so verdreht, dass die Druckleitung 10 unterbrochen ist. Die Welle 12 ist über Lager 14 im Gehäuse 1 1 drehbar gelagert.
Durch Rotation der Welle 12 wird der Durchfluss des Druckgases abwechselnd gesperrt oder freigegeben und dadurch die pulsierende Gasströmung erzeugt. Die Frequenz, mit welcher die Gasströmung pulsiert kann dabei auf einfache Art und Weise durch die Drehzahl der Welle bestimmt werden, die von einem hier nicht dargestellten Motor angetrieben wird.
Gemäß einer nicht dargestellten Variante können auch mehrere Durchgangsbohrungen durch die Welle führen.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird insgesamt eine einfache und praktikable Möglichkeit zur Reduzierung oder Vermeidung des sich aufbauenden Wirbelgebietes aufgeschmolzener Partikel des Zusatzwerkstoffes geschaffen und dadurch ein unerwünschtes Absetzen bzw. Verweilen von Partikeln/Tropfen des aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoffes an dem Brenner / der Düse und/oder am Zusatzwerkstoff selbst vermieden. Dadurch kann ein qualitativ hochwertiges Beschichtungsergebnis realisiert werden.
Bezuqszeichenliste
Grundwerkstoffs
a Oberfläche
Spritzschicht
Zusatzwerkstoff
a Nebel
Kontaktrohre
Spannungsquelle
Drahtvorschubeinrichtung
Düse
Druckgas
Hochleistungsventil
0 Druckleitung
1 Gehäuse
2 Welle
3 Querbohrung
3.1 , 13.2 Öffnungen
4 Lager
Drahtanstellwinkel
Längsachse

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum thermischen Spritzen, insbesondere zum Lichtbogenspritzen mit Zusatzwerkstoff (3), der durch einen mittels Elektroden erzeugten Lichtbogen aufgeschmolzen wird, wobei ein Druckgas (8) mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse (7) ausströmt und das aufgeschmolzene Material des
Zusatzwerkstoffes (3) auf eine Oberfläche (1 a) spritzt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckgas (8) mit einer modulierten/pulsierenden Gasströmung hoher Geschwindigkeit erzeugt und dadurch die Ausbildung eines quasistationären Wirbelfeldes des aufgeschmolzenen Materials des Zusatzwerkstoffes (3) eingeschränkt oder verhindert wird derart, dass ein Absetzen bzw. Verweilen von Partikeln/Tropfen des aufgeschmolzenen Materials an der Düse (7) und/oder am Zusatzwerkstoff (3) verhindert wird und/oder daran abgesetzte Partikel/Tropfen gelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch
modulierte/pulsierende der Gasströmung des Druckgases (3) bei einer zeitlichen Veränderung des Zerstäubergasvolumenstroms die Einschränkung oder Verhinderung des quasistationären Wirbelfeldes im Bereich der Enden des Zusatzwerkstoffes (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine modulierte/pulsierende Gasströmung bei einer zeitlichen Veränderung des Gasvolumenstroms des Druckgases (3) unter Verwendung einer Düse (7) in einer Zerstäubergasdüse erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unter hohem Druck stehende Gasströmung des Druckgases (8) auf
Geschwindigkeiten größer Mach 1 expandiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Gasströmung des Druckgases (8) in Abhängigkeit von der Frequenz der Strom-Spannungsquelle (5) der Elektroden erfolgt oder dass die Modulation der Geschwindigkeit des Druckgases (8) unabhängig von der Frequenz der Strom-Spannungsquelle (5) der Elektroden gesteuert bzw. geregelt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Gasströmung in Abhängigkeit von den elektrischen Parametern (Strom, Spannung und Strom-Spannungs-Kennlinie) der Elektroden und /oder in
Abhängigkeit von den strömungsmechanischen Bedingungen an die jeweilige Beschichtungsaufgabe angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Frequenz des Pulses der Gasströmung des Druckgases (8) mit einer Frequenz ab 20 Hz erfolgt und dass die Frequenz der Gasströmung bedarfsweise veränderbar ist.
Vorrichtung zum thermischen Spritzen, insbesondere zum Lichtbogenspritzen mit Zusatzwerkstoff (3), der durch einen mittels Elektroden erzeugten Lichtbogen aufgeschmolzen wird, wobei die Vorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines Druckgases (8) aufweist, welches mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse (7) ausströmt und das aufgeschmolze Material des Zusatzwerkstoffes (3) auf eine vorbereitete Oberfläche (1 a) spritzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Druckgases Mittel aufweist, durch welche eine modulierte/ pulsierende Gasströmung des Druckgases (8) erzeugbar ist, durch welche die Ausbildung eines quasistationären Wirbelfeldes des aufgeschmolzenen Materials eingeschränkt oder verhindert wird so dass ein Absetzen von Partikeln/Tropfen des aufgeschmolzenen Materials an der Düse (7) und/oder an den Enden des Zusatzwerkstoffs (3) vermieden wird und/oder daran abgesetzte Partikeln/Tropfen gelöst werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Enden des Zusatzwerkstoffes (3) durch die in der Vorrichtung angeordneten Mittel eine modulierte/pulsierende der Gasströmung des Druckgases (8) bei einer zeitlichen Veränderung des Zerstäubergasvolumenstroms die Einschränkung oder Verhinderung des quasistationären Wirbelfeldes erfolgt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel in Form von die Gasströmung des Druckgases (8) verändernden Ventilen oder in Form von mechanischen Elementen ausgebildet sind, die entsprechend der geforderten Pulse die Gasströmung unterbrechen oder stark verringern und Freigeben.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Elemente in einer zur Düse (7) führenden Druckleitung (10) für das Druckgas (8) angeordnet sind und den Durchfluss des Druckgases (8) durch die Druckleitung (10) sperren oder stark verringern und dann wieder freigeben.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Winkel zur Druckleitung (10) eine durch diese führende drehbare Welle (12) angeordnet ist, die im Bereich der Druckleitung (10) eine oder mehrere Querbohrungen (13) aufweist und durch Rotation den Durchfluss des Druckgases (8) sperrt oder stark verringert oder freigibt.
13. Vorrichtung nach Anspruch- 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (7) in der Art einer Zerstäubergasdüse, insbesondere einer Laval - Düse ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Düse (7) in Strömungsrichtung des Druckgases (8) zuerst verjüngt und anschließend erweitert.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (7) eine Längsachse (A) aufweist und der Zusatzwerkstoff in Bezug auf die Längsachse (A) der Düse in einem Winkel (a) von 90° bis 0° geneigt ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der in Form eines Drahtes ausgebildete Zusatzwerkstoff (3) durch eine
Drahtvorschubeinrichtung (6) nachführbar ist, wobei das Nachführen des
Drahtes/Zusatzwerkstoffs (3)„schrittweise" in Korrelation mit den Impulsen der pulsierenden Gasströmung des Druckgases (8) erfolgt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel aufweist durch welche die Modulation der Gasströmung des Druckgases (3) in Abhängigkeit von der Frequenz der Strom-Spannungsquelle (5) bzw. des Abschmelzverhaltens des (Spritz-) Zusatzwerkstoffes (3) erfolgt.
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