WO2013014214A2 - Beschichtungsverfahren nutzend spezielle pulverförmige beschichtungsmaterialien und verwendung derartiger beschichtungsmaterialien - Google Patents

Beschichtungsverfahren nutzend spezielle pulverförmige beschichtungsmaterialien und verwendung derartiger beschichtungsmaterialien Download PDF

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    • 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
    • C23C4/134—Plasma spraying

Definitions

  • the present invention deals with specific powdered
  • the present invention comprises the
  • the present invention includes methods of substrate coating using such powdery coating materials.
  • the coating material to be applied must be compatible with the basecoat and a remainder of the basecoat also remains on the Substrate.
  • PVD deposition requires large amounts of energy to vaporize low volatility material.
  • Coating process developed to provide the desired properties for the particular application.
  • Known methods use for generating the coatings, for example, kinetic energy, thermal energy or mixtures thereof, wherein the thermal energy may for example come from a conventional combustion flame or a plasma flame.
  • the latter are further distinguished in thermal and non-thermal plasmas, which have in common that a gas is partially or completely separated into free charge carriers such as ions or electrons.
  • the formation of the coating takes place by applying a powder to a substrate surface, the powder particles being greatly accelerated.
  • a heated process gas is accelerated by expansion in a Laval nozzle to supersonic speed and then injected the powder. Due to the high kinetic energy, the particles form a dense layer upon impact with the substrate surface.
  • WO 2010/003396 A1 discloses the use of the
  • Flame spraying belongs to the group of thermal coating processes.
  • a powdery coating material is introduced into the flame of a fuel gas-oxygen mixture.
  • acetylene oxygen flames temperatures of up to about 3200 ° C. become. Details about the method can be found in publications such as EP 830 464 B1 and US Pat. No. 5,207,382.
  • thermal plasma spraying a powdered coating material is injected into a thermal plasma.
  • temperatures of up to about 20,000 K are reached, causing the injected powder to melt and as a coating on a substrate
  • Embodiments and process parameters are known to the person skilled in the art.
  • reference is made to WO 2004/016821 which describes the use of thermal plasma spraying for applying an amorphous coating.
  • EP 0 344 781 discloses the use of flame spraying and thermal plasma spraying as
  • EP 0 825 272 A2 discloses a
  • the non-thermal plasma spraying is largely analogous to thermal plasma spraying and flame spraying.
  • a powdered coating material is injected into a non-thermal plasma and thereby onto a
  • EP 2 104 750 A2 describes the use of this method and an apparatus for carrying it out.
  • EP 2 104 750 A2 describes the use of this method and an apparatus for carrying it out.
  • DE 103 20 379 A1 describes the production of an electrically heatable element using this method. Further disclosures regarding the method or devices for non-thermal plasma spraying can be found, for example, in EP 1 675 971 B1, DE 10 2006 061 435 A1, WO 03/064061 A1, WO 2005/031026 A1, DE 198 07 086 A1, DE 101 16 502 A1, WO 01/32949 A1, EP 0 254 424 B1, EP 1 024 222 A2, DE 195 32 412 A1, DE 199 55 880 A1 and DE 198 56 307 C1.
  • An object of the present invention is to provide a device for use in
  • Another object of the present invention is a method
  • Another object of the present invention is to provide a powdered coating material that offers advantages over the known powdered coating materials when used in the coating of substrates.
  • the present invention relates to the use of a particle-containing powdery coating material in a coating process selected from the group consisting of cold gas spraying, flame spraying, high-speed flame spraying, thermal plasma spraying and
  • non-thermal plasma spraying the particles having a relative
  • V m denotes the relative deformability factor.
  • d denotes the average smallest thickness of the particles, measured vertically to and in the middle half of the longitudinal axis of the particles. To determine this thickness, at least 50 randomly selected particles are measured and from this the mean value is formed.
  • D 50 is the average particle size at 50% of the volume-average particle size distribution below said size lie. The determination of the D 50 is preferably carried out by means of laser granulometry, wherein, for example, a particle size analyzer type HELOS the Fa.
  • Dispersion of a dry powder can be carried out here with a dispersion unit of the Rodos T4.1 type at a primary pressure of, for example, 4 bar.
  • size distribution curve of the particles can be measured, for example, with a device from the company Quantachrome (device: Cilas 1064) according to the manufacturer's instructions. For this purpose, 1, 5 g of powdered
  • Coating material suspended in about 100 ml of isopropanol, 300 seconds in an ultrasonic bath (device: Sonorex IK 52, Fa. Bandelin) treated and then added using a Pasteur pipette in the sample preparation cell of the meter and measured several times. From the individual measurement results, the resulting averages are formed.
  • the evaluation of the scattered light signals is carried out according to the Fraunhofer method.
  • the relative deformability factor is defined taking into account the Mohs hardness of silver-related Mohs hardness of the particles according to formula (II):
  • H is the Mohs hardness of the particles and H Ag is the Mohs hardness of silver.
  • H x the Mohs hardness of the particles
  • H Ag the Mohs hardness of silver.
  • the relative ductility factor of the powdered coating material is at most 0.01. In certain embodiments of the aforementioned uses, the technical elastic limit of the particles of the powdered
  • the melting point of the coating material measured in [K] is up to 60% of the temperature of the substrate-oriented medium used in the coating process, for example, the gas flow, measured in [K]
  • Combustion flame or plasma flame Combustion flame or plasma flame.
  • the particles of powdered coating material include or are metal particles, the metal being selected from the group consisting of silver, gold, platinum, palladium, vanadium, chromium, manganese, cobalt, germanium, antimony, aluminum, zinc, Tin, iron, copper, nickel, titanium, silicon, alloys and mixtures thereof.
  • the coating process is selected from the group consisting of
  • the coating process is nonthermal plasma spraying.
  • the powdery coating material has a particle size distribution with a D 50 value in the range from 1.5 to 84 ⁇ m.
  • the powdery coating material has a particle size distribution with a Di 0 - Value from a range of 3.7 to 26 ⁇ , a D 50 value from a range of 6 to 49 ⁇ and a D 90 value from a range of 12 to 86 ⁇ on.
  • the span of the powdered coating material is at most 2.9, the chip being defined according to formula (III):
  • the particles of the powdery coating material are at least partially coated. In certain of the aforementioned embodiments, the particles of the powdery coating material are coated.
  • the present invention relates to a method for coating a substrate selected from the group consisting of cold gas spraying,
  • Plasma spraying and non-thermal plasma spraying comprising the step of introducing a particle-containing powdered coating material into a medium directed onto the substrate, the particles having a relative ductility factor V m of at most 0.1 and the relative ductility factor according to formula ( I) is defined:
  • c / is the average minimum thickness of the particles, measured vertically to and in the middle half of the longitudinal axis of the particles, and D 50 is the mean diameter of the volume-average particle size distribution.
  • the method is selected from the group consisting of flame spraying and non-medical plasma spraying.
  • the coating process is nonthermal plasma spraying.
  • the powdery coating material is conveyed as an aerosol.
  • the medium directed to the substrate is air or was generated from air.
  • the aforementioned air can be taken from the ambient atmosphere.
  • the air is cleaned prior to its use, wherein, for example, dust and / or water vapor is separated.
  • the gaseous constituents of the air are substantially completely separated apart from nitrogen and oxygen (total amount ⁇ 0.01% by volume, preferably ⁇ 0.001% by volume).
  • powdery coating material in the context of the present invention refers to a particle mixture which acts on the substrate as
  • particles of the powdery coating material according to the invention can be particularly easily mechanically deformed and thereby significantly simpler unevenness of the substrate and gaps in the already applied
  • Coating materials which have a particularly high relative deformability. This high relative deformability is caused by in
  • Ratio to the average size of the total particles very thin spots or areas. Without intending to be construed as limiting the invention, it is the view of the inventors that such thin spots or regions
  • the powdered coating material according to the invention sprays to a reduced extent from the surface of the substrate during the application of the coating.
  • the higher mechanical deformability of the particles of the invention results in a lighter conversion of the kinetic energy into a deformation of the particle, whereby the tendency for an elastic shock
  • Gas velocities in particular, for example, the cold gas spraying and high-speed flame spraying.
  • the relative deformability factor is defined according to formula I.
  • V m denotes the relative deformability factor.
  • d denotes the average smallest thickness of the particles, measured vertically to and in the middle half of the longitudinal axis of the particles.
  • D 50 denotes the mean particle size in the 50% of the volume-averaged
  • the determination of the D 50 is preferably carried out by means of laser granulometry, using, for example, a HELOS particle size analyzer from Sympatec GmbH, Clausthal-Zellerfeld, Germany.
  • the mechanical deformability of the particles depends to a certain extent on the hardness of the material used.
  • Embodiments may therefore be preferred to introduce a correction factor based on the Mohs hardness of the material, as long as the Mohs hardness is above that of the silver. For substances with a Mohs hardness below that of silver, however, such a correction is only minor, which is why such substances the Mohs hardness of silver is used.
  • H Ag is the Mohs hardness of silver (2.7) and H x is the Mohs hardness of the material of the particles of the powdery coating material.
  • the Mohs hardness of the powdery coating material is calculated by summing the Mohs hardness of the materials of the layers corrected by the relative proportion of the respective layer to the total thickness according to formula IV:
  • r x denotes the average proportion of the thickness of the layer X on the total particle.
  • the average thickness of the layer is preferably determined by means of SEM by measuring 50 randomly selected particles.
  • Coating material has a relative deformability factor of at most 0.1, preferably of at most 0.07, more preferably of at most 0.05 and even more preferably at most 0.03. In particular, it is preferred in certain of the aforementioned embodiments that the relative
  • Deformability factor of the powdery coating material at most 0.01, preferably at most 0.007, more preferably at most 0.005 and even more preferably at most 0.003.
  • Processes according to the invention which can be used to build up coatings are cold gas spraying, thermal plasma spraying,
  • Embodiments therefore prefer that the method be selected from the group consisting of thermal plasma spraying, non-thermal plasma spraying and flame spraying.
  • the method is selected from the group consisting of cold gas spraying, non-thermal plasma spraying, flame spraying and high velocity flame spraying, preferably from the group consisting of non-thermal plasma spraying and flame spraying.
  • a plasma offers the advantage that non-combustible gases can also be used as the plasma gas, thereby simplifying the apparatus and, in particular, the necessary safety precautions.
  • a harmless, easy-to-use gas is used and for special process variants small amounts of other gases to be stored in stock.
  • the method be selected from the group consisting of thermal plasma spraying and non-thermal plasma spraying.
  • non-thermal plasma spraying is used as the coating method.
  • powdery Be Anlagenungsmatenalien also very homogeneous coatings under gentle coating conditions can be made of substances that have a high yield strength.
  • the yield strength is a relative limit that reflects a relation between the stress applied to a material and the resulting plastic deformation. Of particular importance in this case is the 0.2% proof stress, which is also referred to as the technical elastic limit.
  • Coating material is more than 45 N / mm 2 , preferably more than 70 N / mm 2 , more preferably more than 85 N / mm 2 and even more preferably more than 100 N / mm 2 . In particular, it is with certain of the aforementioned
  • the technical elastic limit of the coating material of the invention is more than 130 N / mm 2 , preferably more than 160 N / mm 2 , more preferably more than 190 N / mm 2 and even more preferably more than 210 N / mm 2 .
  • the average ratio of the largest thickness to the smallest thickness, measured vertically to and in the middle half of the longitudinal axis of the particles be at least 1.3, preferably at least 1.4, more preferably at least 1.5, and even more preferably at least 1.6.
  • the average ratio of the thickest point to the thinnest point measured vertically to and in the middle half of the longitudinal axis of the particles is at least 1.8, preferably at least 2.0, more preferably at least 2.2 and even more preferably at least 2.4.
  • the determination of the average greatest thickness is analogous to the determination of the aforementioned average minimum thickness.
  • the average ratio of the largest thickness to the smallest thickness is calculated by the average of the ratio of at least 50 randomly selected particles.
  • Coating materials with an unexpectedly high melting point is made possible. Without it being to be understood as a limitation of the invention, it is the view of the inventors that the particles of the powdery coating material selected according to the invention have already been replaced by those in the present invention
  • Coating used kinetic energy at least one
  • powdery coating materials according to the invention may also be used to produce homogeneous
  • Layers are used when the melting point of the particles of the coating material measured in [K] is up to 60%, preferably up to 70%, more preferably up to 80% and even more preferably up to 85% of that in [K]
  • measured temperature of the medium used in the coating process for example gas flow, the combustion flame and / or the plasma flame is.
  • Coating materials can also be used to produce homogeneous layers if the melting point of the particle measured in [K] is
  • Coating material up to 90%, preferably up to 95%, more preferably up to 100% and even more preferably up to 105% of the temperature measured in [K] of the medium used in the coating process,
  • gas flow, the combustion flame and / or the plasma flame is.
  • the abovementioned percentages relate to the ratio of the melting temperature of the coating material to the temperature of the gas stream during cold gas spraying, the combustion flame during flame spraying and
  • the resulting coating has only a few free, preferably no, particle or grain structures.
  • “Homogeneous layers” according to the invention are characterized in that the layers produced are less than 10%, preferably less than 5%, more preferably less than 3%, even more preferably less than 1% and most preferably less than 0.1% cavities exhibit. In particular it is
  • a determination of this proportion is carried out by means of SEM at 30 randomly selected locations of the coating, wherein, for example, a length of 100 ⁇ m of the substrate coating is considered.
  • the coatings of the invention have a significantly improved thermal conductivity.
  • the coatings produced according to the invention have a thermal conductivity which is close to the thermal conductivity of a homogeneous block of the corresponding coating material due, for example, to their significantly higher homogeneity. This is attributed, inter alia, to the fact that no inclusions of air are contained, the one
  • the barrier effect of the coatings according to the invention is drastically increased.
  • the coatings produced according to the invention have a denser structure, a smoother surface and a more uniform shape. Since isolated gaps in the coating represent targets for, for example, corrosion of the substrate, the coatings with denser structure and uniform shape produced according to the invention provide more reliable protection even with thin coatings, while the smoother surface offers fewer points of attack where, for example, by mechanical effects Damage to the coating occurs.
  • defined and reliable permeabilities of the coatings can be realized by the coatings produced according to the invention, since for the aforementioned reasons, for example, no indefinitely permeable gaps are present, the uniform formation of the coating provides a uniform barrier effect over the length of the coated substrate and mechanical effects not easy cause damage to the coating.
  • the determination of the size distribution of the particles is preferably carried out by means of laser granulometry.
  • the particles can be measured in the form of a powder.
  • the scattering of the irradiated laser light is in
  • the particles are treated mathematically as spheres.
  • the determined diameters always relate to the equivalent spherical diameter determined over all spatial directions, irrespective of the actual shape of the particles. It determines the size distribution, which is calculated in the form of a volume average, based on the equivalent spherical diameter. This volume-averaged size distribution can be considered Cumulative frequency distribution.
  • Sum frequency distribution is simplified characterized by various characteristics, such as the D10, D 5 o or D 90 value.
  • the measurements can be carried out, for example, using the particle size analyzer HELOS from Sympatec GmbH, Clausthal-Zellerfeld, Germany.
  • the powdery coating material has a particle size distribution having a D 50 value of not more than 84 ⁇ m, preferably not more than 79 ⁇ m, more preferably not more than 75 ⁇ m and even more preferably not more than 71 ⁇ m.
  • the powdery coating material is a
  • Particle size at which 50% of the above-mentioned particle size distribution by means of laser granulometry is below the stated value The measurements may, for example, according to the aforementioned
  • the powdery coating material has a particle size distribution with a D 50 value of at least 1.5 ⁇ , preferably at least 2 ⁇ , more preferably at least 4 ⁇ and even more preferably at least 6 ⁇ ,
  • the powdery coating material is a Particle size distribution with a D 50 value of at least 7 ⁇ , preferably at least 9 ⁇ , more preferably at least 1 1 ⁇ and more preferably at least 13 ⁇
  • the powder has a particle size distribution with a D 50 value from a range of 1, 5 to 84 ⁇ , preferably from a range of 2 to 79 ⁇ , more preferably from a range of 4 to 75 ⁇ and even more preferably from a range of 6 to 71 ⁇ .
  • the powder has a particle size distribution with a D 50 value from a range of 7 to 64 ⁇ , preferably from a range of 9 to 61 ⁇ , more preferably from a range of 1 1 to 59 ⁇ and more preferably from a range of 13 to 57 ⁇ .
  • the powder has a particle size distribution with a D 50 value from a range of 1.5 to 53 ⁇ m, preferably from a range from 2 to 51 ⁇ m, more preferably from a range of 2.5 to 50 ⁇ , and more preferably from a range of 3 to 49 ⁇ .
  • the powder has a particle size distribution with a D 50 value from a range of 3.5 to 48 ⁇ , preferably from a range of 4 to 47 ⁇ , more preferably from a range of 4.5 to 46 ⁇ and even more preferably from a range of 5 to 45 ⁇ .
  • the powder has a particle size distribution with a D 50 value from a range of 9 to 84 ⁇ , preferably from a range of 12 to 79 ⁇ , more preferably from a range of 15 to 75 ⁇ , more preferably from a range of 17 to 71 ⁇ .
  • the powder has a particle size distribution with a D 50 value from a range of 19 to 64 ⁇ , preferably from a range of 21 to 61 ⁇ , more preferably from a range of 23 to 59 ⁇ and even more preferably from a Range of 25 to 57 ⁇ has.
  • the powdery coating material has a particle size distribution with a Dgo value of at most 132 ⁇ , preferably at most 122 ⁇ , more preferably at most 1 15 ⁇ and even more preferably at most 109 ⁇ .
  • the powdery coating material has a D 90 value of at most 97 ⁇ , preferably at most 95 ⁇ , more preferably at most 91 ⁇ and even more preferably at most 89 ⁇ .
  • Particle size at which 90% of the above-mentioned particle size distribution by means of laser granulometry is below the stated value The measurements may, for example, according to the aforementioned
  • powdery coating material having a particle size distribution with a D 90 - value of at least 9 ⁇ , preferably at least 1 1 ⁇ , more preferably at least 13 ⁇ and even more preferably at least 15 ⁇ .
  • the powdery coating material is a
  • the powdery coating materials have a particle size distribution with a D 90 value from a range of 42 to 132 ⁇ , preferably from a range of 45 to 122 ⁇ , more preferably from a range of 48 to 1 15 ⁇ and even more preferably from a range of 50 to 109 ⁇ .
  • a D 90 value from a range of 42 to 132 ⁇ , preferably from a range of 45 to 122 ⁇ , more preferably from a range of 48 to 1 15 ⁇ and even more preferably from a range of 50 to 109 ⁇ .
  • the powdery coating material a D 90 value from a range of 52 to 97 ⁇ , preferably from a range of 54 to 95 ⁇ , more preferably from a range of 56 to 91 ⁇ and even more preferably from a range of 57 to 89 ⁇ .
  • the powdery coating material has a particle size distribution with a Dio value of at most 9 ⁇ , preferably at most 8 ⁇ , more preferably at most 7.5 ⁇ and even more preferably at most 7 ⁇ .
  • the powdery coating material is a
  • Di 0 in the context of the present invention denotes the
  • Particle size at which 10% of the above-mentioned particle size distribution by means of laser granulometry is below the stated value The measurements may, for example, according to the aforementioned
  • Coating material a particle size distribution with a Di 0 value of at least 0.2 ⁇ , preferably at least 0.4 ⁇ , more preferably
  • the powdery coating material is a
  • this is powdery
  • Di 0 value from a range of 0.2 to 9 ⁇ , preferably from a range of 0.4 to 8 ⁇ , more preferably from a range of 0.5 to 7.5 ⁇ and even more preferably from a Range from 0.6 to 7 ⁇ have.
  • the powdery coating material a particle size distribution with a Di 0 value from a range of 0.7 to 6.5 ⁇ , preferably from a range of 0.8 to 6 ⁇ , more preferably from a range of 0.9 to 5.7 ⁇ , and more preferably from a range of 1, 0 to 5.4 ⁇
  • the powdery coating material ⁇ a particle size distribution having a Di 0 value of 3.7 to 26 ⁇ , a D 50 value of 6 to 49 ⁇ and a Dgo value of 12 to 86 ⁇ ,
  • the powdery coating material has a
  • the pulverulent coating material it is preferred, for example, for the pulverulent coating material to have a particle size distribution with a Di 0 value of 0.8 to 60 ⁇ m, a D 50 value of 1.5 to 84 ⁇ m and a Dco value of 2.5 has up to 132 ⁇ .
  • Coating material has a particle size distribution with a Di 0 value of 2.2 to 56 ⁇ , a D 50 value of 4 to 79 ⁇ and a D 90 value of 4 to 122 ⁇ . In certain of the aforementioned embodiments, it is even more preferable that the powdery coating material has a
  • the pulverulent coating material it is preferred, for example, for the pulverulent coating material to have a particle size distribution with a Di 0 value of 4.8 to 44 ⁇ m, a D 50 value of 9 to 64 ⁇ m and a Dco value of 13 to 97 ⁇ m , for certain of the above
  • Coating material has a particle size distribution with a Di 0 value of 12 to 41 ⁇ , a D 50 value of 23 to 59 ⁇ and a D 90 value of 35 to 91 ⁇ .
  • the powdery coating material has a Particle size distribution with a Di 0 value of 15 to 39 ⁇ , a D 50 value of 28 to 57 ⁇ and a D 90 value of 41 to 89 ⁇ .
  • the inventors have found that the use of a lower span powdered coating material in certain embodiments achieves, for example, even more uniform recoverability of the powdered coating material, thereby further simplifying the formation of a more homogeneous and higher quality layer.
  • the span of the powdery coating material is at most 2.9, preferably at most 2.6, more preferably at most 2.4, and even more preferably at most 2.1.
  • the span of the powdered coating material is at most 1, 9, preferably at most 1, 8, more preferably at most 1, 7 and even more preferably at most 1, 6.
  • the span of the powdered coating material is at least 0.4, preferably at least 0.5, more preferably at least 0.6, and even more preferably at least 0.7.
  • the span value of the powdered coating material is at least 0.8, preferably at least 0.9, more preferably at least 1.0, and even more preferably at least 1.1.
  • the powdered coating material may have a span value in the range of 0.4 to 2.9, preferably in the range of 0.5 to 2.6, more preferably in the range of 0.6 to 2.4, and more preferably from a range of 0.7 to 2.1.
  • the powdered coating material it is with certain of the aforementioned
  • the powdery coating material has a span value from a range of 0.8 to 1, 9, preferably from a range of 0.9 to 1, 8, more preferably from a range of 1, 0 to 1, 7 and even more preferably from a range of 1.1 to 1.6.
  • Coating material in certain preferred embodiments, a particle size distribution with a span from a range of 0.4 to 2.9 and a D 50 value from a range of 1, 5 to 53 ⁇ , preferably from a range of 2 to 51 ⁇ , more preferably from a range of 4 to 50 ⁇ , more preferably from a range of 6 to 49 ⁇ and most preferably from a range of 7 to 48 ⁇ on.
  • Coating material a particle size distribution with a chip of one Range of 0.5 to 2.6 and a D 50 value from a range of 1, 5 to 53 ⁇ , preferably from a range of 2 to 51 ⁇ , more preferably from a range of 4 to 50 ⁇ , even more preferably from a range of 6 to 49 ⁇ , and most preferably from a range of 7 to 48 ⁇ .
  • the powdered coating material has a particle size distribution with a span of from 0.6 to 2.4 and a D 50 value from a range of 1.5 to 53 ⁇ m, preferably from a range of 2 to 51 ⁇ , more preferably from a range of 4 to 50 ⁇ , even more preferably from a range of 6 to 49 ⁇ and most preferably from a range of 7 to 48 ⁇ on.
  • the powdered coating material has a particle size distribution with a span of from 0.7 to 2.1 and a D 50 value of from 1.5 to 53 ⁇ m, preferably from a range of 2 to 51 ⁇ , more preferably from a range of 4 to 50 ⁇ , even more preferably from a range of 6 to 49 ⁇ and most preferably from a range of 7 to 48 ⁇ on.
  • Span 0 K is the corrected upper span value
  • Span 0 is the upper span value
  • p A is the density of aluminum (2.7 g / cm 3 )
  • px is the density of the
  • Coating materials having a density less than the density of aluminum are therefore used with an uncorrected upper span powdery coating material.
  • Coating processes which can be used according to the invention are known to the person skilled in the art under the name of cold gas spraying, thermal plasma spraying, non-thermal plasma spraying, flame spraying and high-speed flame spraying.
  • the cold gas spraying is characterized in that the powder to be applied is not melted in the gas jet, but that the particles are greatly accelerated and form a coating on the surface of the substrate due to their kinetic energy.
  • a carrier gas such as nitrogen, helium, argon, air, krypton, neon, xenon, carbon dioxide, oxygen or mixtures thereof.
  • particles for example, speeds between 300 m / s and 1600 m / s, preferably between 1000 m / s and 1600 m / s, more preferably between 1250 m / s and 1600 m / s to reach.
  • a powder is converted into the liquid or plastic state by means of a flame and then applied as a coating to a substrate.
  • a substrate e.g. a mixture of oxygen and a combustible gas such as acetylene or hydrogen burned.
  • Variants of flame spraying use part of the oxygen to convey the powdery coating material into the combustion flame.
  • the particles reach in conventional variants of this method
  • high-velocity flame spraying converts a powder into a liquid or plastic state by means of a flame.
  • the particles are accelerated significantly faster compared to the aforementioned method.
  • a velocity of the gas stream of 1220 to 1525 m / s is called with a velocity of the particles of about 550 to 795 m / s.
  • gas velocities of over 2000 m / s are achieved.
  • the speed of the flame be between 1000 and 2500 m / s.
  • the flame temperature is between 2200 ° C and 3000 ° C.
  • the temperature of the flame is thus comparable to the temperature during flame spraying. This is achieved by combustion of the gases under a pressure of about 515 to 621 kPa followed by the expansion of the combustion gases in a nozzle. Generally, it is believed that coatings produced thereby have a higher density compared to, for example, coatings obtained by the flame spraying process.
  • the detonation / explosive flame spraying can be classified as subspecies of the
  • the powdery coating material is greatly accelerated by repeated detonations of a gas mixture such as acetylene / oxygen, for example, particle velocities of about 730 m / s are achieved.
  • Detonation frequency of the method is in this case, for example, between about 4 to 10 Hz. In variants such as the so-called high frequency gas detonation spraying but also detonation frequencies are selected by about 100 Hz.
  • the resulting layers should usually have a particularly high hardness, strength, density and good bonding to the substrate surface. A disadvantage of the aforementioned method, the increased security costs, and, for example, the large noise pollution due to the high
  • a primary gas such as argon is passed through a DC arc furnace at a rate of 40 l / min and a secondary gas such as hydrogen at a rate of 2.5 l / min, thereby generating a thermal plasma.
  • a secondary gas such as hydrogen
  • the supply of, for example, 40 g / min of the pulverulent takes place Coating material with the aid of a carrier gas stream, which with a
  • the delivery rate of the powdery coating material is between 5 g / min and 60 g / min, more preferably between 10 g / min and 40 g / min.
  • argon, helium or mixtures thereof as ionizable gas.
  • the total gas flow is also preferably 30 to 150 SLPM (standard liters per minute) for certain variants.
  • the electrical power used for the ionization of the gas flow without the heat energy dissipated as a result of cooling can be selected, for example, between 5 and 100 kW, preferably between 40 and 80 kW.
  • plasma temperatures between 4000 and a few 10000 K can be achieved.
  • a non-thermal plasma is used to activate the powdery coating material.
  • the plasma used here is, for example, with a barrier discharge or
  • the temperature of the plasma here is preferably less than 3000 K, preferably less than 2500 K and even more preferably less than 2000 K. This minimizes the technical complexity and keeps the energy input in the applied
  • Coating material as low as possible, which in turn is a gentle
  • the magnitude of the temperature of the plasma flame is thus preferably comparable to that in flame spraying or high-speed flame spraying.
  • Targeted choice of parameters also allows the generation of nonthermal plasmas with core temperatures below 1 173 K or even below 773 K in the core region.
  • the measurement of Temperature in the core region occurs here, for example, with a thermocouple type NiCr / Ni and a tip diameter of 3 mm in 10 mm distance from the nozzle exit in the core of the exiting plasma jet at
  • Such non-thermal plasmas are particularly suitable for coatings of very temperature-sensitive substrates.
  • the outlet opening of the plasma flame such that the web widths of the coatings produced are between 0.2 mm and 10 mm. This allows a very accurate, flexible, energy-efficient coating with the best possible utilization of the coating material used. As a distance of the spray lance to the substrate, for example, a distance of 1 mm is selected. This allows for the greatest possible flexibility of the coatings while ensuring high-quality coatings.
  • the distance between the spray lance and the substrate is between 1 mm and 35 mm.
  • ionizable gas various gases known to those skilled in the art and mixtures thereof can be used in the non-thermal plasma process.
  • the speed of the plasma flow is below 200 m / s.
  • a flow rate for example, a value between 0.01 m / s and 100 m / s, preferably between 0.2 m / s and 10 m / s are selected.
  • the volume flow of the carrier gas is between 10 and 25 l / min, more preferably between 15 and 19 l / min.
  • the particles of the powdered coating material are preferably metallic particles or metal-containing particles.
  • the metal content of the metallic particles or metal-containing particles is at least 95% by weight, preferably at least 99% by weight, more preferably at least 99.9% by weight.
  • the metal or metals are selected from the group consisting of silver, gold, platinum, palladium, vanadium, chromium, manganese, cobalt, germanium, antimony, aluminum, zinc, tin, iron, copper, nickel, titanium, silicon , Alloys and mixtures thereof.
  • the metal or metals be selected from the group consisting of silver, gold, aluminum, zinc, tin, iron, copper, nickel, titanium, silicon, alloys, and mixtures thereof, preferably from the group consisting of silver, gold, aluminum, zinc, tin, iron, nickel, titanium, silicon, alloys and mixtures thereof.
  • powdery coating material selected from the group consisting of silver, aluminum, zinc, tin, copper, alloys and mixtures thereof. As particularly suitable in specific embodiments
  • Particles have been found to be particularly metallic particles or metal-containing particles, in which the metal or metals are selected from the group consisting of silver, aluminum and tin.
  • Coating material of inorganic particles preferably from the Group consisting of carbonates, oxides, hydroxides, carbides, halides, nitrides and mixtures thereof. Particularly suitable are mineral and / or metal oxide particles. In other embodiments, the inorganic particles are alternatively or additionally selected from the group consisting of carbon particles or
  • the powdery coating material may comprise or consist of glass particles. In certain embodiments, it is particularly preferred that the powdered coating material be coated
  • the powdered coating material includes certain
  • Embodiments organic or inorganic salts or consists of them.
  • the powdered coating material comprises or consists of plastic particles.
  • the abovementioned plastic particles are formed from, for example, pure or mixed homo-, co-, block- or prepolymers or mixtures thereof.
  • the plastic particles may be pure crystals or be mixed crystals or have amorphous phases.
  • the plastic particles can be obtained, for example, by mechanical comminution of plastics.
  • the powdery coating material comprises or consists of mixtures of particles of different materials. In certain preferred
  • the particles can be produced by different methods.
  • the metal particles can be obtained by atomization or atomization of molten metal.
  • Glass particles can be produced by mechanical comminution of glass or else from the melt. In the latter case, the molten glass can also be atomized or atomized. Alternatively, molten glass can also be used on rotating elements,
  • a drum be divided.
  • Mineral particles, metal oxide particles and inorganic particles selected from the group consisting of oxides, hydroxides, carbonates, carbides, nitrides, halides and mixtures thereof can be obtained by comminuting the naturally occurring minerals, rocks, etc. and subsequently size-classified.
  • Size classification can be carried out, for example, by means of cyclones, air separators, screening, etc.
  • the easily deformable particles of the invention are the powdery particles
  • Coating material has been provided with a coating to
  • the aforesaid coating may comprise a metal or may consist of a metal.
  • a coating of a particle may be closed or particulate, with closed structure coatings being preferred.
  • the layer thickness of such a metallic coating is preferably less than 1 ⁇ m, more preferably less than 0.8 ⁇ m, and even more preferably less than 0.5 ⁇ m. In certain embodiments, such
  • Coatings a thickness of at least 0.05 ⁇ , more preferably of at least 0.1 ⁇ on. Especially in certain embodiments
  • Preferred metals for use in any of the foregoing coatings are selected from the group consisting of copper, titanium, gold, silver, tin, zinc, iron, silicon, nickel and aluminum, preferably selected from the group consisting of gold, silver , Tin and zinc, more preferably from the group consisting of silver, tin and zinc.
  • the term main constituent in the sense of the abovementioned coating denotes that the metal in question or a mixture of the abovementioned metals represents at least 90% by weight, preferably 95% by weight, more preferably 99% by weight, of the metal content of the coating. It must be understood that in the case of partial oxidation, the oxygen content of the corresponding
  • Oxide layer is not included.
  • the production of such metallic coatings can be carried out, for example, by means of gas-phase synthesis or wet-chemical processes.
  • the particles of the powdery coating material according to the invention are additionally or alternatively coated with a metal oxide layer.
  • this metal oxide layer consists essentially of silicon oxide, aluminum oxide, boron oxide, zirconium oxide, cerium oxide, iron oxide, titanium oxide, chromium oxide, tin oxide, molybdenum oxide, their hydrated oxides, their hydroxides and mixtures thereof.
  • the metal oxide layer consists essentially of
  • Silicon oxide The aforementioned term "consists essentially of" in the sense of the present invention means that at least 90%, preferably
  • Metal oxide layer consists of the aforementioned metal oxides, in each case based on the number of particles of the metal oxide layer, wherein optionally contained water is not included. The determination of
  • composition of the metal oxide layer can be carried out by methods known to the person skilled in the art, for example sputtering in combination with XPS or TOF-SIMS. In particular, it is with certain of the aforementioned
  • the metal oxide layer is not an oxidation product of an underlying metal core.
  • the application of such a metal oxide layer can be carried out, for example, by the sol-gel method.
  • the substrate is selected from the group consisting of plastic substrates, inorganic substrates, and
  • Cellulose-containing substrates and mixtures thereof are Cellulose-containing substrates and mixtures thereof.
  • the plastic substrates may be, for example, plastic films or molded plastic.
  • the shaped bodies can have geometrically simple or complex shapes.
  • the plastic molding may be, for example, a component of the automotive industry or the construction industry.
  • the cellulose-containing substrates may be cardboard, paper, wood, wood-containing substrates, etc.
  • the inorganic substrates may be, for example, metallic substrates, such as metal sheets or metallic moldings or ceramic or mineral substrates or moldings.
  • the inorganic substrates may also be solar cells or silicon wafers onto which, for example, electrically conductive coatings or contacts are applied.
  • Substrates made of glass can also be used as inorganic substrates.
  • the glass, in particular glass panes can be provided using the method according to the invention, for example with electrochromic coatings.
  • the coated by the process according to the invention substrates are suitable for very different applications.
  • the coatings have optical and / or electromagnetic effects.
  • the coatings have optical and / or electromagnetic effects.
  • the coatings may be electrically conductive, semi-conductive or non-conductive. Electrically conductive layers may, for example, be in the form of
  • Conductor tracks are applied to components. This can be used, for example, to enable the power supply in the context of the electrical system in a motor vehicle component. Furthermore, however, such a track may also be shaped, for example, as an antenna, as a shield, as an electrical contact, etc. This is for example particularly advantageous for RFID applications (radio frequency identification). Furthermore, inventive
  • Coatings are used for example for heating purposes or for specific heating of special components or special parts of larger components.
  • the coatings produced serve as slip layers, diffusion barriers for gases, and
  • Liquids, wear and / or corrosion protection coatings Furthermore, the coatings produced can influence the surface tension of liquids or have adhesion-promoting properties.
  • the coatings produced according to the invention can furthermore be described as
  • Sensor surfaces for example as a human-machine interface (HMI: Human Machine Interface), for example in the form of a touch screen (touch screen) can be used.
  • HMI Human Machine Interface
  • touch screen touch screen
  • the coatings may be used to shield from electromagnetic interference (EMI) or to protect against
  • ESD electrostatic discharges
  • the coatings can also be used to effect electromagnetic compatibility (EMC).
  • layers can be applied by the use of the particles according to the invention, which are applied, for example, to increase the stability of corresponding components after their repair.
  • An example is repairs in the aircraft sector, for example, a loss of material due to
  • the coatings serve as electrical contacts and permit electrical connection between different materials.
  • Coating material and the particles contained therein apply, and vice versa.
  • Figures 1 to 4 show a wafer, which first by means of
  • Pulverformigen coating materials using a HELOS device (Sympatec, Germany). For the measurement, 3 g of the powdery coating material was placed in the meter and sonicated for 30 seconds prior to measurement. For dispersion, a Rodos T4.1 dispersion unit was used, the primary pressure being 4 bar. The evaluation was carried out with the standard software of the device.
  • Example 1 flame spraying of copper particles
  • the application of the powdery coating material was carried out by means of a Plasmatron plant from Inocon, Attnang-Puchheim, Austria. Argon was used as the ionizable gas. Here were
  • Coating material adapts well to the uneven surface structure of the solar contact paste and even partially penetrates into it without impairing the structure of the solar contact paste or even damaging the wafer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Partikel-haltigen pulverförmigen Beschichtungsmatenals bei einem Beschichtungsverfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kaltgasspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, thermischem Plasmaspritzen und nichtthermischem Plasmaspritzen, wobei die Partikel einen relativen Verformbarkeitsfaktor V m von höchstens 0,1 aufweisen und der relative Verformbarkeitsfaktor gemäß Formel (I) definiert ist, wobei d die durchschnittliche geringste Dicke der Partikel, gemessen vertikal zur und in der mittleren Hälfte der Längsachse der Partikel, und D 50 der mittlere Durchmesser der volumengemittelten Partikelgrößenverteilung ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Beschichtung.

Description

Beschichtungsverfahren nutzend spezielle pulverförmige
Beschichtungsmaterialien und Verwendung derartiger
Beschichtungsmaterialien
Die vorliegende Erfindung behandelt spezielle pulverförmige
Beschichtungsmaterialien. Ferner umfasst die vorliegende Erfindung die
Verwendung derartiger pulverförmiger Beschichtungsmaterialien. Ferner umfasst die vorliegende Erfindung Verfahren zur Substratbeschichtung unter Verwendung derartiger pulverförmiger Beschichtungsmaterialien.
Es sind bereits eine Vielzahl an Beschichtungsverfahren für unterschiedliche Substrate bekannt. Beispielsweise werden Metalle oder deren Vorstufen aus der Gasphase auf einer Substratoberfläche abgeschieden, siehe z.B. PVD- oder CVD- Verfahren. Ferner können entsprechende Stoffe beispielsweise aus einer Lösung mittels galvanischer Verfahren abgeschieden werden. Zudem ist es möglich, Beschichtungen beispielsweise in der Form von Lacken auf die Oberfläche aufzubringen. Alle Verfahren besitzen jedoch spezifische Vor- und Nachteile.
Beispielsweise werden bei der Auftragung in Form von Lacken große Mengen an Wasser und/oder organische Lösemittel benötigt, eine Trocknungszeit ist erforderlich, das aufzubringende Beschichtungsmaterial muss mit dem Basislack kompatibel sein und ein Rest der Basislackes verbleibt ebenfalls auf dem Substrat. Beispielsweise die Aufbringung mittels PVD-Verfahren erfordert große Mengen an Energie, um schwerflüchtige Stoffe in die Gasphase zu bringen.
In Anbetracht der vorgenannten Einschränkungen wurde eine Vielzahl von
Beschichtungsverfahren entwickelt, um die für den jeweiligen Verwendungszweck gewünschten Eigenschaften bereitzustellen. Bekannte Verfahren nutzen zur Erzeugung der Beschichtungen beispielsweise kinetische Energie, thermische Energie oder Mischungen hiervon, wobei die thermische Energie beispielsweise aus einer konventionellen Verbrennungsflamme oder einer Plasmaflamme stammen kann. Letztere werden weiter unterschieden in thermische und nichtthermische Plasmen, denen gemein ist, dass ein Gas partiell oder vollständig in freie Ladungsträger wie Ionen oder Elektronen aufgetrennt wird.
Beim Kaltgasspritzen erfolgt die Bildung der Beschichtung durch Aufbringen eines Pulvers auf eine Substratoberfläche, wobei die Pulverpartikel stark beschleunigt werden. Hierzu wird ein erhitztes Prozessgas durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend das Pulver injiziert. Infolge der hohen kinetischen Energie bilden die Partikel beim Auftreffen auf der Substratoberfläche eine dichte Schicht.
Beispielsweise offenbart die WO 2010/003396 A1 die Verwendung des
Kaltgasspritzens als Beschichtungsverfahren zum Aufbringen von
Verschleißschutzbeschichtungen. Weiterhin finden sich Offenbarungen des Kaltgasspritzverfahrens beispielsweise in EP 1 363 81 1 A1 , EP 0 91 1 425 B1 und US 7,740,905 B2.
Das Flammspritzen gehört zur Gruppe der thermischen Beschichtungsverfahren. Hierbei wird ein pulverförmiges Beschichtungsmaterial in die Flamme eines Brenngas-Sauerstoff-Gemisches eingebracht. Hierbei können beispielsweise mit Acetylen-Sauerstoffflammen Temperaturen von bis zu ungefähr 3200 °C erreicht werden. Details zum Verfahren können Publikationen wie z.B. EP 830 464 B1 und US 5,207,382 A entnommen werden.
Beim thermischen Plasmaspritzen wird ein pul verförmiges Beschichtungsmaterial in ein thermisches Plasma injiziert. Im typischerweise verwendeten thermischen Plasma werden Temperaturen von bis zu ca. 20 000 K erreicht, wodurch das injizierte Pulver aufschmilzt und als Beschichtung auf einem Substrat
abgeschieden wird. Das Verfahren des thermischen Plasmaspritzens und spezifische
Ausführungsformen sowie Verfahrensparameter sind dem Fachmann bekannt. Exemplarisch wird auf die WO 2004/016821 verwiesen, die den Einsatz des thermischen Plasmaspritzens zum Aufbringen einer amorphen Beschichtung beschreibt. Ferner offenbart beispielsweise EP 0 344 781 den Einsatz des Flammspritzens und des thermischen Plasmaspritzens als
Beschichtungsverfahren unter Einsatz eines Wolframcarbidpulvergemisches. Spezifische Geräte zur Verwendung in Plasmaspritzverfahren sind vielfach in der Literatur beschrieben, wie beispielsweise in EP 0 342 428 A2, US 7,678,428 B2, US 7,928,338 B2 und EP 1 287 898 A2.
Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wird ein Kraftstoff unter hohem Druck verbrannt, wobei als Kraftstoff sowohl Brenngase, flüssige Brennstoffe und Mischungen hiervon eingesetzt werden können. In die hochbeschleunigte Flamme wird ein pulverförmiges Beschichtungsmaterial injiziert. Dieses Verfahren ist bekannt dafür, dass es sich durch verhältnismäßig dichte Spritzschichten auszeichnen soll. Auch das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen ist dem
Fachmann gut bekannt und wurde bereits in zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben. Beispielsweise offenbart EP 0 825 272 A2 eine
Substratbeschichtung mit einer Kupferlegierung unter Einsatz des
Hochgeschwindigkeitsflammspritzens. Ferner offenbaren beispielsweise WO 2010/037548 A1 und EP 0 492 384 A1 das Verfahren des
Hochgeschwindigkeitflammspritzens und Geräte zur Verwendung hierin.
Das nichtthermische Plasmaspritzen erfolgt weitgehend analog zum thermischen Plasmaspritzen und Flammspritzen. Ein pulverförmiges Beschichtungsmaterial wird in ein nichtthermisches Plasma injiziert und hiermit auf eine
Substratoberfläche aufgetragen. Wie beispielsweise der EP 1 675 971 B1 entnommen werden kann, zeichnet sich dieses Verfahren durch eine besonders niedrige thermische Belastung des beschichteten Substrats aus. Auch dieses Verfahren, besondere Ausführungsformen und entsprechende
Verfahrensparameter sind dem Fachmann aus verschiedenen Publikationen bekannt. Beispielsweise beschreibt die EP 2 104 750 A2 die Anwendung dieses Verfahrens und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung. Beispielsweise
DE 103 20 379 A1 beschreibt die Herstellung eines elektrisch beheizbaren Elementes unter Einsatz dieses Verfahrens. Weitere Offenbarungen hinsichtlich des Verfahrens oder Vorrichtungen für das nichtthermische Plasmaspritzen finden sich beispielsweise in EP 1 675 971 B1 , DE 10 2006 061 435 A1 , WO 03/064061 A1 , WO 2005/031026 A1 , DE 198 07 086 A1 , DE 101 16 502 A1 , WO 01/32949 A1 , EP 0 254 424 B1 , EP 1 024 222 A2, DE 195 32 412 A1 , DE 199 55 880 A1 und DE 198 56 307 C1 .
Ein allgemeines Problem von Beschichtungsverfahren unter Einsatz eines pulverförmigen Beschichtungsmaterials ist es jedoch, dass unter verhältnismäßig milden Beschichtungsbedingungen nur eine unzureichende Beschichtungsqualität erreicht wird. Insbesondere bilden sich bei einem unvollständigen Aufschmelzen der Partikel des pulverförmigen Beschichtungsmaterials Hohlräume, die beispielsweise die optischen, haptischen oder elektrischen Eigenschaften, die Barrierewirkung und/oder die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung beeinflussen können. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein für die Verwendung in
Beschichtungsverfahren geeignetes pulverförmiges Beschichtungsmatehal bereitzustellen, wobei die Herstellung bekannter Beschichtungen verbessert oder die Herstellung neuer Beschichtungen ermöglicht werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
bereitzustellen, durch das unter möglichst milden Beschichtungsbedingungen (Temperatur, Geschwindigkeit der auftreffenden Teilchen) die Erzeugung einer hochwertigen und homogenen Beschichtung ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines pulverformigen Beschichtungsmaterials, das Vorteile gegenüber den bekannten pulverformigen Beschichtungsmatenalien beim Einsatz bei der Beschichtung von Substraten bietet.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Partikel-haltigen pulverformigen Beschichtungsmaterials bei einem Beschichtungsverfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kaltgasspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, thermischem Plasmaspritzen und
nichtthermischem Plasmaspritzen, wobei die Partikel einen relativen
Verformbarkeitsfaktor Vm von höchstens 0,1 aufweisen und der relative
Verformbarkeitsfaktor gemäß Formel (I) definiert ist:
Hierbei bezeichnet Vm den relativen Verformbarkeitsfaktor. Ferner kennzeichnet d die durchschnittliche geringste Dicke der Partikel, gemessen vertikal zur und in der mittleren Hälfte der Längsachse der Partikel. Zur Bestimmung dieser Dicke werden mindestens 50 zufällig ausgewählte Partikel vermessen und hieraus der Mittelwert gebildet. Der Begriff D50 ist die mittlere Partikelgröße bei der 50 % der volumengemittelten Partikelgrößenverteilung unterhalb der genannten Größe liegen. Die Bestimmung des D50 erfolgt vorzugsweise mittels Lasergranulometrie, wobei beispielsweise ein Partikelgrößenanalysator vom Typ HELOS der Fa.
Sympatec GmbH, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland, eingesetzt wird. Die
Dispergierung eines trockenen Pulvers kann hierbei mit einer Dispergiereinheit vom Typ Rodos T4.1 bei einem Primärdruck von beispielsweise 4 bar erfolgen. Alternativ kann Größenverteilungskurve der Partikel beispielsweise mit einem Gerät der Fa. Quantachrome (Gerät: Cilas 1064) gemäß Herstellerangaben vermessen werden. Hierzu werden 1 ,5 g des pulverförmigen
Beschichtungsmaterials in ca. 100 ml Isopropanol suspendiert, 300 Sekunden im Ultraschallbad (Gerät: Sonorex IK 52, Fa. Bandelin) behandelt und anschließend mittels einer Pasteurpipette in die Probenvorbereitungszelle des Messgerätes gegeben und mehrmals vermessen. Aus den einzelnen Messergebnissen werden die resultierenden Mittelwerte gebildet. Die Auswertung der Streulichtsignale erfolgt dabei nach der Fraunhofer Methode.
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorgenannten Verwendung ist der relative Verformbarkeitsfaktor unter Berücksichtigung der auf die Mohshärte von Silber bezogenen Mohshärte der Partikel gemäß Formel (II) definiert:
wobei H die Mohshärte der Partikel und HAg die Mohshärte von Silbers ist. Für Stoffe X mit einer Mohshärte (Hx) kleiner als die Mohshärte des Silbers (HAg) ist die Mohshärte des Silbers zu verwenden.
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorgenannten Verwendungen beträgt der relative Verformbarkeitsfaktor des pulverförmigen Beschichtungsmaterials höchstens 0,01 . Bei bestimmten Ausführungsformen der vorgenannten Verwendungen beträgt die technische Elastizitätsgrenze der Partikel des pulverförmigen
Beschichtungsmaterials mehr als 45 N/mm2. Bei bestimmten Ausführungsformen der vorgenannten Verwendungen beträgt der in [K] gemessene Schmelzpunkt des Beschichtungsmaterials bis zu 60 % der in [K] gemessenen Temperatur des im Beschichtungsverfahren eingesetzten auf das Substrat gerichteten Mediums, beispielsweise des Gasstromes, der
Verbrennungsflamme oder der Plasmaflamme.
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorgenannten Verwendungen umfassen oder sind die Partikel des pulverförmigen Beschichtungsmaterials Metallpartikel, wobei das Metall ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Silber, Gold, Platin, Palladium, Vanadium, Chrom, Mangan, Cobalt, Germanium, Antimon, Aluminium, Zink, Zinn, Eisen, Kupfer, Nickel, Titan, Silizium, Legierungen und Mischungen davon.
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorgenannten Verwendungen wird das Beschichtungsverfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
Flammspritzen, und nichtthermisches Plasmaspritzen. Vorzugsweise ist das Beschichtungsverfahren bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen das nichtthermische Plasmaspritzen.
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorgenannten Verwendungen weist das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem D50- Wert aus einem Bereich von 1 ,5 bis 84 μηη auf.
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorgenannten Verwendungen weist das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Di0- Wert aus einem Bereich von 3,7 bis 26 μητι, einen D50-Wert aus einem Bereich von 6 bis 49 μΐη und einen D90-Wert aus einem Bereich von 12 bis 86 μηη auf.
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorgenannten Verwendungen beträgt der Span des pulverformigen Beschichtungsmatenals höchstens 2,9, wobei der Span gemäß Formel (III) definiert ist:
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorgenannten Verwendungen sind die Partikel des pulverformigen Beschichtungsmatenals zumindest teilweise beschichtet. Bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen sind die Partikel des pulverformigen Beschichtungsmatenals beschichtet.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kaltgasspritzen,
Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, thermischem
Plasmaspritzen und nichtthermischem Plasmaspritzen, wobei das Verfahren den Schritt umfasst, dass ein Partikel-haltiges pulverförmiges Beschichtungsmaterial in ein auf das Substrat gerichtetes Medium eingebracht wird, wobei die Partikel einen relativen Verformbarkeitsfaktor Vm von höchstens 0,1 aufweisen und der relative Verformbarkeitsfaktor gemäß Formel (I) definiert ist:
wobei c/ die durchschnittliche geringste Dicke der Partikel, gemessen vertikal zur und in der mittleren Hälfte der Längsachse der Partikel, und D50 der mittlere Durchmesser der volumengemittelten Partikelgrößenverteilung ist.
Bei bestimmten Ausführungsformen des vorgenannten Verfahrens wird das Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Flammspritzen und nichtthernnischenn Plasmaspritzen. Vorzugsweise ist das Beschichtungsverfahren bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen das nichtthermische Plasmaspritzen. Bei bestimmten Ausführungsformen der vorgenannten Verfahren wird das pulverförmige Beschichtungsmaterial als Aerosol gefördert.
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorgenannten Verfahren ist das auf das Substrat gerichtete Medium Luft oder wurde aus Luft erzeugt. Die vorgenannte Luft kann aus der Umgebungsatmosphäre entnommen werden. Bei bestimmten Ausführungsformen, bei denen beispielsweise eine besonders hohe Reinheit der Beschichtung gewünscht ist, wird die Luft vor ihrem Einsatz gereinigt, wobei beispielsweise Staub und/oder Wasserdampf abgetrennt wird. Ebenfalls kann es bevorzugt sein, dass auch die gasförmigen Bestandteile der Luft außer Stickstoff und Sauerstoff weitgehend vollständig abgetrennt werden (Gesamtmenge < 0,01 Vol.-%, vorzugsweise <0,001 Vol.-%).
Der Begriff "pulverförmiges Beschichtungsmaterial" im Sinne der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Partikelgemisch, das auf das Substrat als
Beschichtung aufgebracht wird. Es ist hierbei nicht erforderlich, dass die erfindungsgemäßen Partikel des pulverförmigen Beschichtungsmaterials eine gleichmäßige Dicke aufweisen. Ohne dass es als Einschränkung der Erfindung verstanden werden soll, ist es die Ansicht der Erfinder, dass sich die
erfindungsgemäßen Partikel des pulverförmigen Beschichtungsmaterials besonders leicht mechanisch verformen lassen und dadurch bedeutend einfacher Unebenheiten des Substrats und Lücken in der bereits aufgebrachten
Beschichtung ausfüllen können, ohne dass die Notwendigkeit besteht, die Partikel mittels großer Menge thermischer Energie aufzuschmelzen oder sehr stark zu beschleunigen, um ausreichend kinetische Energie zur Verformung
bereitzustellen. Dies wird beispielsweise nicht nur beobachtet bei gleichmäßig dünnen Partikeln, sondern auch bei Partikeln unregelmäßiger Dicke, da die dünnsten Stellen hierbei nach Ansicht der Erfinder als Schwachpunkte besonders leicht verformbar sind und durch Verformung der Partikel an derartigen
Schwachstellen eine besonders leichte Anpassung an den Untergrund ermöglicht wird.
Zur Überraschung der Erfinder wurde gefunden, dass durch den Einsatz des erfindungsgemäßen pulverförmigen Beschichtungsmaterials deutlich homogenere Beschichtungen mit verminderter Anzahl und Größe oder sogar gänzlich ohne Hohlräume auch unter sehr milden Bedingungen erhalten werden können. Dies wird erreicht durch die Herstellung und den Einsatz pulverförmiger
Beschichtungsmaterialien, die eine besonders hohe relative Verformbarkeit aufweisen. Diese hohe relative Verformbarkeit wird hervorgerufen durch im
Verhältnis zu der gemittelten Größe der Gesamtpartikel sehr dünne Stellen oder Bereiche. Ohne dass es als Einschränkung der Erfindung verstanden werden soll, ist es die Ansicht der Erfinder, dass derartige dünne Stellen oder Bereiche
Schwachstellen aufweisen, an denen eine Verformung der Partikel besonders leicht stattfinden kann. Hierdurch erfolgt eine besonders gute Anpassung an beispielsweise die Oberflächenstruktur des Substrats bereits unter sehr milden Bedingungen.
Zudem wurde überraschenderweise beobachtet, dass das erfindungsgemäße pulverförmige Beschichtungsmaterial während der Aufbringung der Beschichtung in verringertem Maße von der Oberfläche des Substrats abspritzt. Ohne dass es als Einschränkung der Erfindung verstanden werden soll, ist es die Ansicht der Erfinder, dass die höhere mechanische Verformbarkeit der erfindungsgemäßen Partikel in einer leichteren Umsetzung der kinetischen Energie in eine Verformung des Partikels resultiert, wodurch die Neigung zu einem elastischen Stoß
resultierend in einem Abspritzen der Partikel von dem zu beschichtenden Substrat verringert wird, was beispielsweise besonders vorteilhaft bei der Verwendung teurer oder schlecht recyclebarer Beschichtungsmaterialien ist. Dieser Effekt ist von besonderer Bedeutung für Verfahren unter Verwendung hoher
Gasgeschwindigkeiten, insbesondere beispielsweise dem Kaltgasspritzen und dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen.
Die erfindungsgemäßen Partikel des pulverförmigen Beschichtungsmaterials zeichnen sich daher durch die vorgenannte Obergrenze des relativen
Verformbarkeitsfaktors aus. Der relative Verformbarkeitsfaktor ist definiert gemäß Formel I
Hierbei bezeichnet Vm den relativen Verformbarkeitsfaktor. Ferner kennzeichnet d die durchschnittliche geringste Dicke der Partikel, gemessen vertikal zur und in der mittleren Hälfte der Längsachse der Partikel. Zur Bestimmung dieser
durchschnittlichen Dicke werden mindestens 50 zufällig ausgewählte Partikel mittels REM vermessen und hieraus der Mittelwert gebildet. Der Begriff D50 bezeichnet die mittlere Partikelgröße bei der 50 % der volumengemittelten
Partikelgrößenverteilung unterhalb der genannten Größe liegen. Die Bestimmung des D50 erfolgt vorzugsweise mittels Lasergranulometrie, wobei beispielsweise ein Partikelgrößenanalysator vom Typ HELOS der Fa. Sympatec GmbH, Clausthal- Zellerfeld, Deutschland, eingesetzt wird.
Die mechanische Verformbarkeit der Partikel ist jedoch in bestimmten Umfang auch von der Härte des eingesetzten Materials abhängig. Bei bestimmten
Ausführungsformen kann es daher bevorzugt sein, einen Korrekturfaktor basierend auf der Mohshärte des Materials einzuführen, sofern die Mohshärte über der des Silbers liegt. Für Stoffe mit einer Mohshärte unter der des Silbers ist eine derartige Korrektur jedoch lediglich geringfügig, weshalb für derartige Stoffe die Mohshärte von Silber verwendet wird. Der korrigierte relative
Verfornnbarkeitsfaktor ergibt sich hierbei aus Formel II
Figure imgf000013_0001
Hierbei ist HAg die Mohshärte des Silber (2,7) und Hx die Mohshärte des Materials der Partikel des pulverformigen Beschichtungsmatenals.
In Fällen, in denen die Partikel des pulverformigen Beschichtungsmatenals mit einer Beschichtung versehen wurden, deren Mohshärte über der des
zugrundeliegenden Materials liegt, errechnet sich die betreffende Mohshärte des pulverformigen Beschichtungsmatenals durch Aufsummieren der Mohshärten der Materialien der Schichten korrigiert um den relativen Anteil der betreffenden Schicht an der Gesamtdicke gemäß Formel IV:
Ηχ— Γι*Ηι + Γ2*Η2 + (IV)
Hierbei bezeichnet rx den durchschnittlichen Anteil der Dicke der Schicht X am Gesamtpartikel. Die Bestimmung der durchschnittlichen Dicke der Schicht erfolgt bevorzugt mittels REM durch Messung von 50 zufällig ausgewählten Partikeln.
Insbesondere ist es bei bestimmten Ausführungsformen bevorzugt, dass der relative Verformbarkeitsfaktor gemäß Formel (I) oder (II), gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Formel (IV), des erfindungsgemäßen pulverformigen
Beschichtungsmaterials einen relativen Verformbarkeitsfaktor von höchstens 0,1 , vorzugsweise von höchstens 0,07, mehr bevorzugt von höchstens 0,05 und noch mehr bevorzugt höchstens 0,03 aufweist. Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass der relative
Verformbarkeitsfaktor des pulverformigen Beschichtungsmaterials höchstens 0,01 , vorzugsweise höchstens 0,007, mehr bevorzugt höchstens 0,005 und noch mehr bevorzugt höchstens 0,003 beträgt.
Erfindungsgemäße Verfahren, die zum Aufbau von Beschichtungen eingesetzt werden können, sind Kaltgasspritzen, thermisches Plasmaspritzen,
nichtthermisches Plasmaspritzen, Flammspritzen und
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Besonders stark wirkt sich die Verwendung der erfindungsgemäßen pulverförmigen Beschichtungsmaterialien bei Verfahren aus, bei denen keine besonders hohen kinetischen Energien auf die Partikel übertragen werden, da eine ausreichende Verformung der Partikel bereits bei deutlich geringeren Geschwindigkeiten erreicht wird. Bei bestimmten
Ausführungsformen ist es daher bevorzugt, dass das Verfahren ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus thermisches Plasmaspritzen, nichtthermisches Plasmaspritzen und Flammspritzen.
Viele pulverformige Beschichtungsmaterialien werden in dem thermischen Plasma beim thermischen Plasmaspritzen vollständig aufgeschmolzen, so dass lediglich eine Flüssigkeit auf der Oberfläche des Substrates auftrifft und der zusätzliche Aufwand, verbunden mit der Bereitstellung der erfindungsgemäßen
pulverförmigen Beschichtungsmaterialien, unökonomisch ist. Bei bestimmten Ausführungsformen wird das Verfahren daher ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kaltgasspritzen, nichtthermisches Plasmaspritzen, Flammspritzen und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus nichtthermischen Plasmaspritzen und Flammspritzen.
Die Verwendung eines Plasmas bietet den Vorteil, dass als Plasmagas auch nichtbrennbare Gase eingesetzt werden können, wodurch der apparative Aufwand und insbesondere die notwendigen Sicherheitsvorkehrungen erleichtert werden. So kann für die meisten Fälle ein ungefährliches, einfach zu handhabendes Gas eingesetzt und für spezielle Verfahrensvarianten geringe Mengen anderer Gase auf Lager gelegt werden. Bei bestinnnnten Ausführungsformen ist es daher bevorzugt, dass das Verfahren ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus thermischen Plasmaspritzen und nichtthermischen Plasmaspritzen. Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass als Beschichtungsverfahren das nichtthermische Plasmaspritzen genutzt wird.
Ferner wurde überraschenderweise gefunden, dass mittels den
erfindungsgemäßen pulverförmigen Beschichtungsmatenalien auch besonders homogene Beschichtungen unter schonenden Beschichtungsbedingungen aus Stoffen hergestellt werden können, die eine hohe Dehngrenze aufweisen. Die Dehngrenze ist ein relativer Grenzwert, der eine Relation zwischen der auf einen Werkstoff ausgeübten Spannung der hieraus resultieren plastischen Verformung wiedergibt. Besondere Bedeutung hat hierbei die 0,2%-Dehngrenze, die auch als technische Elastizitätsgrenze bezeichnet wird. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die technische Elastizitätsgrenze des eingesetzten
Beschichtungsmaterials mehr als 45 N/mm2, vorzugsweise mehr als 70 N/mm2, mehr bevorzugt mehr als 85 N/mm2 und noch mehr bevorzugt mehr als 100 N/mm2 beträgt. Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten
Ausführungsformen bevorzugt, dass die technische Elastizitätsgrenze des erfindungsgemäßen Beschichtungsmaterials mehr als 130 N/mm2, vorzugsweise mehr als 160 N/mm2, mehr bevorzugt mehr als 190 N/mm2 und noch mehr bevorzugt mehr als 210 N/mm2 beträgt. Die Bestimmung der technischen
Elastizitätsgrenze erfolgt hierbei gemäß DIN EN ISO 6892. Ohne dass es als Einschränkung der Erfindung verstanden werden soll, ist es die Ansicht der Erfinder, dass bislang verwendete pulverformige Beschichtungsmatenalien bei der Verwendung schonender Beschichtungsbedingungen beim Auftreffen auf die Oberfläche nicht ausreichend verformbar waren, sich daher der
Oberflächenstruktur bzw. Struktur der bereits aufgebrachten Beschichtung nicht ausreichend anpassen konnten und Hohlräume einschließen. Bei den
erfindungsgemäßen pulverförmigen Beschichtungsmatenalien ist es jedoch nicht mehr erforderlich, dass der gesamte Partikel verformt wird, sondern lediglich die erfindungsgemäßen dünnen Stellen oder Bereiche müssen verformt werden, um eine Anpassung an die vorhandene Oberflächenstruktur zur ermöglichen. Daher sind deutlich geringere Kräfte zur Verformung von Stoffen mit hoher technischer Elastizitätsgrenze erforderlich und bedeutend mildere Beschichtungsbedingungen können zur erfindungsgemäßen Beschichtung eingesetzt werden.
Zudem wurde überraschenderweise gefunden, dass auch einfach zugängliche Partikel mit deutlich ungleichmäßiger Dicke erfindungsgemäß eingesetzt werden können. Ohne dass es als Einschränkung der Erfindung verstanden werden soll, ist es die Ansicht der Erfinder, dass die vorgenannten Stellen geringster Dicke der Partikel die Verformbarkeit maßgeblich beeinflussen und auch deutlich dickere vorhandene Stellen oder Bereiche die Anpassung der Partikel an beispielsweise die Oberfläche des Substrats nicht in gravierender Weise stören. Es kann daher bevorzugt sein, derart ungleichmäßige Partikel einzusetzen, um beispielsweise den zusätzlichen Aufwand der Bereitstellung besonders gleichmäßig ausgeformter Partikel einzusparen. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es daher bevorzugt, dass das durchschnittliche Verhältnis der größten Dicke zur geringsten Dicke gemessen vertikal zur und in der mittleren Hälfte der Längsachse der Partikel mindestens 1 ,3, vorzugsweise mindestens 1 ,4, mehr bevorzugt mindestens 1 ,5 und noch mehr bevorzugt mindestens 1 ,6 beträgt. Insbesondere ist es bei bestimmten Ausführungsformen bevorzugt, dass das durchschnittliche Verhältnis der dicksten Stelle zur dünnsten Stelle gemessen vertikal zur und in der mittleren Hälfte der Längsachse der Partikel mindestens 1 ,8, vorzugsweise mindestens 2,0, mehr bevorzugt mindestens 2,2 und noch mehr bevorzugt mindestens 2,4 beträgt. Die Bestimmung der durchschnittlich größten Dicke erfolgt analog zur Bestimmung der vorgenannten durchschnittlichen geringsten Dicke. Das durchschnittliche Verhältnis der größten Dicke zur geringsten Dicke wird durch den Mittelwert des Verhältnisses von mindestens 50 zufällig ausgewählten Partikeln berechnet. Ferner haben die Erfinder überraschenderweise gefunden, dass durch die
Verwendung der erfindungsgemäßen mechanisch leicht verformbaren
pulverförmigen Beschichtungsmatehalien auch der Einsatz von
Beschichtungsmaterialien mit einem unerwartet hohen Schmelzpunkt ermöglicht wird. Ohne dass es als Einschränkung der Erfindung verstanden werden soll, ist es die Ansicht der Erfinder, dass den erfindungsgemäß ausgewählten Partikel des pulverförmigen Beschichtungsmaterials bereits durch die im
Beschichtungsverfahren eingesetzte kinetische Energie eine zumindest
weitgehend ausreichende Energie zur Verfügung steht, um die Partikel an die Substratoberfläche bzw. die Lücken zwischen bereits aufgebrachte Partikel anzupassen. Wenn überhaupt eine thermische Komponente erforderlich ist, so wird eine deutlich verringerte Menge an thermischer Energie benötigt, um eine feste Verbindung der aufgebrachten Partikel unter Ausbildung einer homogener Schicht zu ermöglichen.
Beispielsweise können bei bestimmten Ausführungsformen erfindungsgemäße pulverförmige Beschichtungsmaterialien auch zur Herstellung homogener
Schichten eingesetzt werden, wenn der in [K] gemessene Schmelzpunkt der Partikel des Beschichtungsmaterials bis zu 60 %, vorzugsweise bis zu 70 %, mehr bevorzugt bis zu 80% und noch mehr bevorzugt bis zu 85 % der in [K]
gemessenen Temperatur des im Beschichtungsverfahren eingesetzten Mediums, beispielsweise Gasstroms, der Verbrennungsflamme und/oder der Plasmaflamme beträgt. Bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen können ferner erfindungsgemäß zu verwendende Partikel-haltige pulverförmige
Beschichtungsmaterialien auch zur Herstellung homogener Schichten eingesetzt werden, wenn der in [K] gemessene Schmelzpunkt der Partikel des
Beschichtungsmaterials bis zu 90 %, vorzugsweise bis zu 95 %, mehr bevorzugt bis zu 100 % und noch mehr bevorzugt bis zu 105 % der in [K] gemessenen Temperatur des im Beschichtungsverfahren eingesetzten Mediums,
beispielsweise Gasstroms, der Verbrennungsflamme und/oder der Plasmaflamme beträgt. Die vorgenannten Prozentzahlen beziehen sich auf das Verhältnis der Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials zur Temperatur des Gasstromes beim Kaltgasspritzen, der Verbrennungsflamme beim Flammspritzen und
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder der Plasmaflamme beim
nichtthermischen oder thermischen Plasmaspritzen in [K]. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung des Kaltgasspritzens und des
Hochgeschwindigkeitsflammspritzens. Die so erhaltene Beschichtung weist nur wenige freie, vorzugsweise keine, Partikel- oder Kornstrukturen auf. Die
erfindungsgemäßen "homogenen Schichten" zeichnen sich dadurch aus, dass die erzeugten Schichten weniger als 10 %, vorzugsweise weniger als 5 %, mehr bevorzugt weniger als 3 %, noch mehr bevorzugt weniger als 1 % und am meisten bevorzugt weniger als 0,1 % Hohlräume aufweisen. Insbesondere ist es
bevorzugt, dass gar keine Hohlräume zu erkennen sind. Der vorgenannte Begriff "Hohlraum" im Sinne der vorliegenden Erfindung beschreibt den Anteil der in der Beschichtung eingeschlossenen Lücken an der zweidimensionalen Fläche eines Querschliffes des beschichteten Substrates, bezogen auf die in der
zweidimensionalen Fläche enthaltene Beschichtung. Eine Bestimmung dieses Anteils erfolgt mittels REM an 30 zufällig ausgewählten Stellen der Beschichtung, wobei beispielsweise eine Länge von 100 μηη der Substratbeschichtung betrachtet wird.
Zudem wurde überraschenderweise festgestellt, dass die erfindungsgemäßen Beschichtungen eine deutlich verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ohne dass es als Einschränkung der Erfindung verstanden werden soll, ist es die Ansicht der Erfinder, dass die erfindungsgemäß hergestellten Beschichtungen infolge beispielsweise ihrer deutlich höheren Homogenität eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die nahe an der Wärmeleitfähigkeit eines homogenen Blockes des entsprechenden Beschichtungsmaterials liegt. Dies wird unter anderem darauf zurückgeführt, dass keine Einschlüsse von Luft enthalten sind, die eine
Wärmeleitung behindern könnten. Überraschenderweise hat sich ferner gezeigt, dass die Barrierewirkung der erfindungsgemäßen Beschichtungen drastisch erhöht ist. Ohne dass es als Einschränkung der Erfindung verstanden werden soll, ist es die Ansicht der Erfinder, dass die erfindungsgemäß hergestellten Beschichtungen eine dichtere Struktur, glattere Oberfläche und gleichmäßigere Ausformung aufweisen. Da bereits vereinzelte Lücken in der Beschichtung Angriffspunkte für beispielsweise eine Korrosion des Substrats darstellen, bieten die erfindungsgemäß hergestellten Beschichtungen mit dichterer Struktur und gleichmäßiger Ausformung einen zuverlässigeren Schutz auch bei dünnen Beschichtungen, während die glattere Oberfläche weniger Angriffsstellen bietet, bei denen beispielsweise durch mechanische Einwirkungen eine Beschädigung der Beschichtung auftritt. Ferner lassen sich durch die erfindungsgemäß hergestellten Beschichtungen auch definierte und zuverlässige Durchlässigkeiten der Beschichtungen realisieren, da aus den vorgenannten Gründen beispielsweise keine unbegrenzt durchlässigen Lücken vorhanden sind, die gleichmäßige Ausbildung der Beschichtung eine gleichförmige Barrierewirkung über die Länge des beschichteten Substrats bietet und mechanische Einwirkungen nicht leicht zu Schäden an der Beschichtung führen.
Die Bestimmung der Größenverteilung der Partikel erfolgt vorzugsweise mittels Lasergranulometrie. Bei dieser Methode können die Partikel in Form eines Pulvers vermessen werden. Die Streuung des eingestrahlten Laserlichts wird in
verschiedene Raumrichtungen erfasst und gemäß der Fraunhofer
Beugungstheorie ausgewertet. Dabei werden die Partikel rechnerisch als Kugeln behandelt. Somit beziehen sich die ermittelten Durchmesser stets auf den über alle Raumrichtungen ermittelten Äquivalentkugeldurchmesser, unabhängig von der tatsächlichen Form der Partikel. Es wird die Größenverteilung ermittelt, die in Form eines Volumenmittels, bezogen auf den Äquivalentkugeldurchmesser berechnet wird. Diese volumengemittelte Größenverteilung kann als Summenhäufigkeitsverteilung dargestellt werden. Die
Summenhäufigkeitsverteilung wird vereinfachend durch verschiedene Kennwerte charakterisiert, beispielsweise den D10-, D5o- oder D90-Wert. Die Messungen können beispielsweise mit dem Partikelgroßenanalysator HELOS der Fa. Sympatec GmbH, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland, durchgeführt werden.
Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung ist es bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem D50- Wert von höchstens 84 μητι, vorzugsweise höchstens 79 μητι, mehr bevorzugt höchstens 75 μηη und noch mehr bevorzugt höchstens 71 μηη aufweist.
Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine
Korngrößenverteilung mit einem D50-Wert von höchstens 64 μητι, vorzugsweise höchstens 61 μητι, mehr bevorzugt höchstens 59 μηη und noch mehr bevorzugt höchstens 57 μηη aufweist.
Der Begriff "D50" im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet die
Partikelgröße, bei der 50 % der vorgenannten mittels Lasergranulometrie volumengemittelten Partikelgrößenverteilung unterhalb des angegebenen Wertes liegen. Die Messungen können beispielsweise gemäß dem vorgenannten
Messverfahren mit einem Partikelgroßenanalysator HELOS der Fa. Sympatec GmbH, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland, durchgeführt werden. Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung ist es ferner bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem D50-Wert von mindestens 1 ,5 μητι, vorzugsweise mindestens 2 μητι, mehr bevorzugt mindestens 4 μηη und noch mehr bevorzugt mindestens 6 μηη aufweist,
insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem D50-Wert von mindestens 7 μητι, vorzugsweise mindestens 9 μητι, mehr bevorzugt mindestens 1 1 μηη und noch mehr bevorzugt mindestens 13 μηη aufweist Bei bestimmten Ausführungsformen ist es insbesondere bevorzugt, dass das Pulver eine Korngrößenverteilung mit einem D50-Wert aus einem Bereich von 1 ,5 bis 84 μητι, vorzugsweise aus einem Bereich von 2 bis 79 μητι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 4 bis 75 μηη und noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 6 bis 71 μΐη aufweist. Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass das Pulver eine Korngrößenverteilung mit einem D50-Wert aus einem Bereich von 7 bis 64 μητι, vorzugsweise aus einem Bereich von 9 bis 61 μητι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 1 1 bis 59 μηη und noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 13 bis 57 μηη aufweist. Bei anderen Ausführungsformen ist es beispielsweise bevorzugt, dass das Pulver eine Korngrößenverteilung mit einem D50-Wert aus einem Bereich von 1 ,5 bis 53 μητι, vorzugsweise aus einem Bereich von 2 bis 51 μητι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 2,5 bis 50 μηη und noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 3 bis 49 μΐη aufweist. Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten
Ausführungsformen bevorzugt, dass das Pulver eine Korngrößenverteilung mit einem D50-Wert aus einem Bereich von 3,5 bis 48 μητι, vorzugsweise aus einem Bereich von 4 bis 47 μητι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 4,5 bis 46 μηη und noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 5 bis 45 μηη aufweist. Bei wieder anderen Ausführungsformen ist es hingegen beispielsweise bevorzugt, dass das Pulver eine Korngrößenverteilung mit einem D50-Wert aus einem Bereich von 9 bis 84 μητι, vorzugsweise aus einem Bereich von 12 bis 79 μητι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 15 bis 75 μητι, noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 17 bis 71 μηη aufweist. Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass das Pulver eine Korngrößenverteilung mit einem D50-Wert aus einem Bereich von 19 bis 64 μητι, vorzugsweise aus einem Bereich von 21 bis 61 μητι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 23 bis 59 μηη und noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 25 bis 57 μΐη aufweist.
Bei weiteren bestimmten Ausführungsformen der Erfindung ist es bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Dgo-Wert von höchstens 132 μητι, vorzugsweise höchstens 122 μητι, mehr bevorzugt höchstens 1 15 μηη und noch mehr bevorzugt höchstens 109 μηη.
Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial einen D90-Wert von höchstens 97 μητι, vorzugsweise höchstens 95 μητι, mehr bevorzugt höchstens 91 μΐη und noch mehr bevorzugt höchstens 89 μηη aufweist.
Der Begriff "D90" im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet die
Partikelgröße, bei der 90 % der vorgenannten mittels Lasergranulometrie volumengemittelten Partikelgrößenverteilung unterhalb des angegebenen Wertes liegen. Die Messungen können beispielsweise gemäß dem vorgenannten
Messverfahren mit einem Partikelgrößenanalysator HELOS der Fa. Sympatec GmbH, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland, durchgeführt werden.
Bei bestimmten Ausführungsformen ist es daher bevorzugt, dass das
pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem D90- Wert von mindestens 9 μητι, vorzugsweise mindestens 1 1 μητι, mehr bevorzugt mindestens 13 μηη und noch mehr bevorzugt mindestens 15 μηη aufweist.
Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine
Korngrößenverteilung mit einem D90-Wert von mindestens 17 μητι, vorzugsweise mindestens 19 μητι, mehr bevorzugt mindestens 21 μηη und noch mehr bevorzugt mindestens 22 μηη aufweist.
Gemäß bestimmten bevorzugten Ausführungsformen weisen die pulverförmigen Beschichtungsmaterialien eine Korngrößenverteilung mit einem D90-Wert aus einem Bereich von 42 bis 132 μιτι, vorzugsweise aus einem Bereich von 45 bis 122 μιτι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 48 bis 1 15 μηη und noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 50 bis 109 μηη auf. Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass das
pulverförmige Beschichtungsmaterial einen D90-Wert aus einem Bereich von 52 bis 97 μιτι, vorzugsweise aus einem Bereich von 54 bis 95 μιτι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 56 bis 91 μηη und noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 57 bis 89 μηη aufweist. Bei weiteren bestimmten Ausführungsformen der Erfindung ist es bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Dio-Wert von höchstens 9 μητι, vorzugsweise höchstens 8 μητι, mehr bevorzugt höchstens 7,5 μηη und noch mehr bevorzugt höchstens 7 μηη aufweist.
Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine
Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert von höchstens 6,5 μητι, vorzugsweise höchstens 6 μητι, mehr bevorzugt höchstens 5,7 μηη und noch mehr bevorzugt höchstens 5,4 μηη aufweist. Der Begriff "Di0" im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet die
Partikelgröße, bei der 10 % der vorgenannten mittels Lasergranulometrie volumengemittelten Partikelgrößenverteilung unterhalb des angegebenen Wertes liegen. Die Messungen können beispielsweise gemäß dem vorgenannten
Messverfahren mit einem Partikelgrößenanalysator HELOS der Fa. Sympatec GmbH, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland, durchgeführt werden. Andererseits neigen auch die pulverförmigen Beschichtungsmatehalien mit hohem Feinanteil in starkem Maße zur Bildung von Feinstäuben, wodurch die
Handhabung entsprechender Pulver deutlich erschwert wird. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es daher bevorzugt, dass das pulverförmige
Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert von mindestens 0,2 μητι, vorzugsweise mindestens 0,4 μητι, mehr bevorzugt
mindestens 0,5 μηη und noch mehr bevorzugt mindestens 0,6 μηη aufweisen.
Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine
Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert von mindestens 0,7 μητι, vorzugsweise 0,8 μητι, mehr bevorzugt 0,9 μηη und noch mehr bevorzugt mindestens 1 ,0 μηη aufweist. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist das, pulverförmige
Beschichtungsmaterial dadurch gekennzeichnet, dass es eine
Körngrößenverteilung mit einem Di0-Wert aus einem Bereich von 0,2 bis 9 μητι, vorzugsweise aus einem Bereich von 0,4 bis 8 μητι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 0,5 bis 7,5 μηη und noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 0,6 bis 7 μΐη aufweisen. Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten
Ausführungsformen bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert aus einem Bereich von 0,7 bis 6,5 μητι, vorzugsweise aus einem Bereich von 0,8 bis 6 μητι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 0,9 bis 5,7 μηη und noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 1 ,0 bis 5,4 μηη aufweist
Insbesondere ist es beispielsweise bei bestimmten Ausführungsformen bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert von 3,7 bis 26 μιτι, einem D50-Wert von 6 bis 49 μιτι und einem Dgo-Wert von 12 bis 86 μιτι aufweist. Bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen ist es besonders bevorzugt, dass das pulverförmige
Beschichtungsmatehal eine Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert von 5,8 bis 26 μιτι, einem D50-Wert von 1 1 bis 46 μιτι und einem D90-Wert von 16 bis 83 μιτι aufweist. Bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen ist es noch mehr bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine
Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert von 9 bis 19 μιτι, einem D50-Wert von 16 bis 35 μιτι und einem D90-Wert von 23 bis 72 μιτι aufweist.
Bei weiteren bestimmten Ausführungsformen ist es beispielsweise bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert von 0,8 bis 60 μιτι, einem D50-Wert von 1 ,5 bis 84 μιτι und einem Dgo-Wert von 2,5 bis 132 μιτι aufweist. Bei bestimmten der vorgenannten
Ausführungsformen ist es besonders bevorzugt, dass das pulverförmige
Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert von 2,2 bis 56 μιτι, einem D50-Wert von 4 bis 79 μιτι und einem D90-Wert von 4 bis 122 μιτι aufweist. Bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen ist es noch mehr bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine
Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert von 2,8 bis 49 μιτι, einem D50-Wert von 6 bis 71 μιτι und einem D90-Wert von 9 bis 109 μιτι aufweist.
Bei weiteren bestimmten Ausführungsformen ist es beispielsweise bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert von 4,8 bis 44 μιτι, einem D50-Wert von 9 bis 64 μιτι und einem Dgo-Wert von 13 bis 97 μιτι aufweist. Bei bestimmten der vorgenannten
Ausführungsformen ist es besonders bevorzugt, dass das pulverförmige
Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert von 12 bis 41 μιτι, einem D50-Wert von 23 bis 59 μιτι und einem D90-Wert von 35 bis 91 μιτι aufweist. Bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen ist es noch mehr bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert von 15 bis 39 μιτι, einem D50-Wert von 28 bis 57 μιτι und einem D90-Wert von 41 bis 89 μιτι aufweist.
Ferner wurde beobachtet, dass die Forderbarkeit des pulverformigen
Beschichtungsmatenals von der Breite der Korngrößenverteilung abhängig ist. Eine Berechnung dieser Breite kann durch Angabe des sogenannten Span-Wertes erfolgen, welcher gemäß Formel (III) definiert ist:
D90 - D
Span 10
'50
Die Erfinder haben gefunden, dass durch den Einsatz eines pulverformigen Beschichtungsmatenals mit niedrigerem Span bei bestimmten Ausführungsformen beispielsweise eine noch gleichmäßigere Forderbarkeit des pulverformigen Beschichtungsmatenals erzielt wird, wodurch die Bildung einer homogeneren und höherqualitativen Schicht weiter vereinfacht wird. Bei bestimmten
Ausführungsformen ist es daher bevorzugt, dass der Span des pulverformigen Beschichtungsmatenals höchstens 2,9, vorzugsweise höchstens 2,6, mehr bevorzugt höchstens 2,4 und noch mehr bevorzugt höchstens 2,1 ist.
Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass der Span des pulverformigen Beschichtungsmatenals höchstens 1 ,9, vorzugsweise höchstens 1 ,8, mehr bevorzugt höchstens 1 ,7 und noch mehr bevorzugt höchstens 1 ,6 ist.
Andererseits haben die Erfinder gefunden, dass nicht notwendigerweise ein sehr enger Span zur Bereitstellung der gesuchten Forderbarkeit erforderlich ist, was die Herstellung des pulverformigen Beschichtungsmatenals erleichtert. Bei
bestimmten Ausführungsformen ist es daher bevorzugt, dass der Span-Wert des pulverformigen Beschichtungsmatenals mindestens 0,4, vorzugsweise mindestens 0,5, mehr bevorzugt mindestens 0,6 und noch mehr bevorzugt mindestens 0,7 ist. Insbesondere ist es bei bestimmten Ausführungsformen bevorzugt, dass der Span-Wert des pulverförmigen Beschichtungsmaterials mindestens 0,8, vorzugsweise mindestens 0,9, mehr bevorzugt mindestens 1 ,0 und noch mehr bevorzugt mindestens 1 ,1 ist.
Basierend auf der hierin offenbarten Lehre kann der Fachmann eine beliebige Kombination insbesondere der vorgenannten Span-Wertgrenzwerte auswählen, um die gewünschten Eigenschaftskombination bereitzustellen. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es beispielsweise bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial einen Span-Wert aus einem Bereich von 0,4 bis 2,9, vorzugsweise aus einem Bereich von 0,5 bis 2,6, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 0,6 bis 2,4 und noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 0,7 bis 2,1 aufweist. Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten
Ausführungsformen bevorzugt, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial einen Span-Wert aus einem Bereich von 0,8 bis 1 ,9, vorzugsweise aus einem Bereich von 0,9 bis 1 ,8, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 1 ,0 bis 1 ,7 und noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 1 ,1 bis 1 ,6 aufweist.
Dem Fachmann ist bewusst, dass basierend auf der hierin offenbarten Lehre je nach gewünschter Kombination der Vorteile bestimmte Kombinationen der Span- Grenzwerte oder Wertbereiche mit den oben genannten bevorzugten D50- Wertbereichen bevorzugt sind. Beispielsweise weist das pulverförmige
Beschichtungsmaterial bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen eine Korngrößenverteilung mit einem Span aus einem Bereich von 0,4 bis 2,9 und einem D50-Wert aus einem Bereich von 1 ,5 bis 53 μητι, vorzugsweise aus einem Bereich von 2 bis 51 μητι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 4 bis 50 μητι, noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 6 bis 49 μηη und am meisten bevorzugt aus einem Bereich von 7 bis 48 μηη auf. Bei bestimmten bevorzugten der vorgenannten Ausführungsformen weist das pulverförmige
Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Span aus einem Bereich von 0,5 bis 2,6 und einem D50-Wert aus einem Bereich von 1 ,5 bis 53 μητι, vorzugsweise aus einem Bereich von 2 bis 51 μητι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 4 bis 50 μητι, noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 6 bis 49 μΐη und am meisten bevorzugt aus einem Bereich von 7 bis 48 μηη auf. Bei bestimmten weiter bevorzugten Ausführungsformen weist das pulverformige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Span aus einem Bereich von 0,6 bis 2,4 und einem D50-Wert aus einem Bereich von 1 ,5 bis 53 μητι, vorzugsweise aus einem Bereich von 2 bis 51 μητι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 4 bis 50 μητι, noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 6 bis 49 μΐη und am meisten bevorzugt aus einem Bereich von 7 bis 48 μηη auf. Bei bestimmten noch weiter bevorzugten Ausführungsformen weist das pulverformige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Span aus einem Bereich von 0,7 bis 2,1 und einem D50-Wert aus einem Bereich von 1 ,5 bis 53 μητι, vorzugsweise aus einem Bereich von 2 bis 51 μητι, mehr bevorzugt aus einem Bereich von 4 bis 50 μητι, noch mehr bevorzugt aus einem Bereich von 6 bis 49 μΐη und am meisten bevorzugt aus einem Bereich von 7 bis 48 μηη auf.
Ferner wurde gefunden, dass die Dichte des pulverförmigen
Beschichtungsmatenals einen Einfluss auf die Förderung derartiger Pulver in Form eines Aerosols haben kann. Ohne dass es als Einschränkung der Erfindung verstanden werden soll, ist es die Ansicht der Erfinder, dass die
Trägheitsunterschiede gleichgroßer Partikel unterschiedlicher Dichte zu einem unterschiedlichen Verhalten der Aerosolströme pulverförmiger
Beschichtungsmaterialien mit identischer Korngrößenverteilung führen. Daher kann es sich als schwierig erweisen, Förderungsverfahren, die für einen
spezifischen D50 optimiert wurden, auf pulverformige Beschichtungsmaterialien anderer Dichte zu übertragen. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es daher bevorzugt, dass die obere Grenze des Span-Wertes in Abhängigkeit von der Dichte des eingesetzten pulverförmigen Beschichtungsmaterials gemäß Formel V korrigiert wird.
Span0K = Spani (V)
Figure imgf000029_0001
Hierbei ist Span0K der korrigierte obere Span-Wert, Span0 der obere Span- Wert, pAiu die Dichte von Aluminium (2,7 g/cm3) und px die Dichte des
eingesetzten pulverförmigen Beschichtungsmaterials. Es wurde jedoch ferner gefunden, dass die Unterschiede bei pulverförmigen Beschichtungsmaterialien mit einer geringeren Dichte als Aluminium nur geringfügig sind und eine diesbezüglich optimierte Auswahl des pulverförmigen Beschichtungsmaterials keine merkliche Verbesserung der Förderbarkeit bewirkt. Für pulverförmige
Beschichtungsmaterialien mit einer Dichte geringer als die Dichte von Aluminium wird daher ein pulverförmiges Beschichtungsmaterial mit un korrigiertem oberem Span-Wert eingesetzt.
Erfindungsgemäß einsetzbare Beschichtungsverfahren sind dem Fachmann unter den Namen Kaltgasspritzen, thermisches Plasmaspritzen, nichtthermisches Plasmaspritzen, Flammspritzen und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen bekannt.
Das Kaltgasspritzen zeichnet sich dadurch aus, dass das aufzubringende Pulver nicht im Gasstrahl aufgeschmolzen wird, sondern dass die Partikel stark beschleunigt werden und infolge ihrer kinetischen Energie eine Beschichtung auf der Oberfläche des Substrats bilden. Hierbei können verschiedene dem
Fachmann bekannte Gase als Trägergas eingesetzt werden wie Stickstoff, Helium, Argon, Luft, Krypton, Neon, Xenon, Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff oder Mischungen davon. Bei bestimmten Varianten ist es insbesondere bevorzugt, dass als Gas, Luft, Helium oder Gemische davon eingesetzt werden. Durch eine kontrollierte Expansion der vorgenannten Gase in einer entsprechenden Düse werden Gasgeschwindigkeiten von bis zu 3000 m/s erreicht. Die Partikel können hierbei auf bis zu 2000 m/s beschleunigt werden. Bei bestimmten Varianten des Kaltgasspritzens ist es jedoch bevorzugt, dass sie Partikel beispielsweise Geschwindigkeiten zwischen 300 m/s und 1600 m/s, vorzugsweise zwischen 1000 m/s und 1600 m/s, mehr bevorzugt zwischen 1250 m/s und 1600 m/s erreichen.
Nachteilig ist beispielsweise die große Lärmentwicklung, die durch die hohen Geschwindigkeiten der verwendeten Gasströme hervorgerufen wird.
Beim Flammspritzen wird beispielsweise ein Pulver mittels einer Flamme in den flüssigen oder plastischen Zustand überführt und dann als Beschichtung auf ein Substrat aufgetragen. Hierbei wird z.B. eine Mischung aus Sauerstoff und einem brennbaren Gas wie Acetylen oder Wasserstoff verbrannt. In bestimmten
Varianten des Flammspritzens wird ein Teil des Sauerstoff genutzt, um das pulverförmige Beschichtungsmaterial in die Verbrennungsflamme zu befördern. Die Partikel erreichen bei gebräuchlichen Varianten dieses Verfahrens
Geschwindigkeiten zwischen 24 bis 31 m/s.
Ähnlich wie bei Flammspritzen wird auch beim
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen beispielsweise ein Pulver mittels einer Flamme in einen flüssigen oder plastischen Zustand überführt. Die Partikel werden jedoch im Vergleich zum vorgenannten Verfahren bedeutend höher beschleunigt. Bei spezifischen Beispielen des vorgenannten Verfahrens wird beispielsweise eine Geschwindigkeit des Gasstroms von 1220 bis 1525 m/s mit einer Geschwindigkeit der Partikel von ca. 550 bis 795 m/s genannt. Bei weiteren Varianten dieses Verfahrens werden jedoch auch Gasgeschwindigkeiten von über 2000 m/s erreicht. Im Allgemeinen ist es bei gebräuchlichen Varianten des voranstehenden Verfahrens bevorzugt, dass die Geschwindigkeit der Flamme zwischen 1000 und 2500 m/s liegt. Ferner ist es bei gebräuchlichen Varianten bevorzugt, dass die Flammentemperatur zwischen 2200 °C und 3000 °C liegt. Die Temperatur der Flamme ist somit vergleichbar zur Temperatur beim Flammspritzen. Dies wird erreicht durch Verbrennung der Gase unter einem Druck von ca. 515 bis 621 kPa gefolgt von der Expansion der Verbrennungsgase in einer Düse. Im Allgemeinen wird die Auffassung vertreten, dass hierbei erzeugte Beschichtungen eine höhere Dichte aufweisen, verglichen mit beispielsweise Beschichtungen erhalten durch das Flammspritzverfahren. Das Detonations/Explosivflammspritzen kann als Unterart des
Hochgeschwindigkeitsflammspritzens betrachtet werden. Hierbei wird das pulverförmige Beschichtungsmaterial durch wiederholte Detonationen eines Gasgemisches wie Acetylen/Sauerstoff stark beschleunigt, wobei beispielsweise Partikelgeschwindigkeiten von ca. 730 m/s erreicht werden. Die
Detonationsfrequenz des Verfahrens wird hierbei beispielsweise zwischen ca. 4 bis 10 Hz. Bei Varianten wie dem sogenannten Hochfrequenz- Gasdetonationsspritzen werden jedoch auch Detonationsfrequenzen um ca. 100 Hz gewählt. Die erhaltenen Schichten sollen gewöhnlicherweise eine besonders hohe Härte, Stärke, Dichte und gute Bindung an die Substratoberfläche aufweisen. Nachteilig ist bei den vorgenannten Verfahren der erhöhte Sicherheitsaufwand, sowie beispielsweise die große Lärmbelastung aufgrund der hohen
Gasgeschwindigkeiten.
Beim thermischen Plasmaspritzen wird beispielsweise ein Primärgas wie Argon mit einer Geschwindigkeit von 40 l/min und ein Sekundärgas wie Wasserstoff mit einer Geschwindigkeit von 2,5 l/min durch einen Gleichstromlichtbogenofen geleitet, wobei ein thermisches Plasma erzeugt wird. Anschließend erfolgt die Zuführung von beispielsweise 40 g/min des pulverförmigen Beschichtungsmaterials unter Hilfe eines Trägergasstromes, der mit einer
Geschwindigkeit von 4 l/min in die Plasmaflamme geleitet wird. Bei
gebräuchlichen Varianten des thermischen Plasmaspritzens beträgt die Förderrate des pulverförmigen Beschichtungsmaterials zwischen 5 g/min und 60 g/min, mehr bevorzugt zwischen 10 g/min und 40 g/min.
Bei bestimmten Varianten des Verfahrens ist es bevorzugt Argon, Helium oder Mischungen davon als ionisierbares Gas einzusetzen. Der gesamte Gasstrom beträgt bei bestimmten Varianten ferner bevorzugt 30 bis 150 SLPM (Standard liters per minute). Die zur Ionisation des Gasstromes eingesetzte elektrische Leistung ohne die infolge einer Kühlung abgeführte Wärmeenergie kann beispielsweise zwischen 5 und 100 kW, vorzugsweise zwischen 40 und 80 kW, gewählt werden. Hierbei können Plasmatemperaturen zwischen 4000 und einigen 10000 K erreicht werden.
Beim nichtthermischen Plasmaspritzen wird ein nichtthermisches Plasma zur Aktivierung des pulverförmigen Beschichtungsmaterials eingesetzt. Das hierbei verwendete Plasma wird beispielsweise mit einer Barriereentladung oder
Coronaentladung mit einer Frequenz von 50 Hz bis 1 MHz erzeugt. In bestimmten Varianten des nichtthermischen Plasmaspritzens ist es bevorzugt, dass bei einer Frequenz von 10 kHz bis 100 kHz gearbeitet wird. Die Temperatur des Plasmas beträgt hierbei bevorzugt weniger als 3000 K, vorzugsweise weniger als 2500 K und noch mehr bevorzugt weniger als 2000 K. Dies minimiert den technischen Aufwand und hält den Energieeintrag in das aufzubringende
Beschichtungsmaterial möglichst gering, was wiederum eine schonende
Beschichtung des Substrats erlaubt. Die Größenordnung der Temperatur der Plasmaflamme ist somit bevorzugt vergleichbar mit der beim Flammspritzen oder beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Durch gezielte Wahl der Parameter lassen sich auch nichtthermische Plasmen erzeugen, deren Kerntemperatur unter 1 173 K oder sogar unter 773 K im Kernbereich beträgt. Die Messung der Temperatur im Kernbereich erfolgt hierbei beispielsweise mit einem Thermoelement Typ NiCr/Ni und einem Spitzendurchmesser von 3 mm in 10 mm Abstand vom Düsenaustritt im Kern des austretenden Plasmastrahls bei
Umgebungsdruck. Derartige nichtthermische Plasmen sind insbesondere für Beschichtungen von sehr temperaturempfindlichen Substraten geeignet.
Zur Erzeugung von Beschichtungen mit scharfen Begrenzungen ohne die
Notwendigkeit gezielt Bereiche abdecken zu müssen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, insbesondere die Austrittöffnung der Plasmaflamme derart zu gestalten, dass die Bahnbreiten der erzeugten Beschichtungen zwischen 0,2 mm und 10 mm liegen. Dies ermöglicht eine sehr genaue, flexible, energieeffiziente Beschichtung unter bestmöglicher Ausnutzung des eingesetzten Beschichtungsmaterials. Als Abstand der Spritzlanze zum Substrat wird beispielsweise eine Distanz von 1 mm gewählt. Dies ermöglicht eine größtmögliche Flexibilität der Beschichtungen und gewährleistet gleichzeitig qualitativ hochwertige Beschichtungen.
Zweckdienlicherweise liegt der Abstand zwischen Spritzlanze und Substrat zwischen 1 mm und 35 mm.
Als ionisierbares Gas können im nichtthermischen Plasmaverfahren verschiedene, dem Fachmann bekannte Gase und deren Mischungen eingesetzt werden.
Beispiele hierfür sind Helium, Argon, Xenon, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder Luft, vorzugsweiseweise Argon oder Luft. Ein besonders bevorzugtes ionisierbares Gas ist Luft. Beispielsweise zur Verminderung der Lärmbelastung kann es auch hier bevorzugt sein, dass die Geschwindigkeit des Plasmastromes unter 200 m/s liegt. Als Strömungsgeschwindigkeit kann beispielsweise ein Wert zwischen 0,01 m/s und 100 m/s, vorzugsweise zwischen 0,2 m/s und 10 m/s gewählt werden.
Insbesondere ist es bei bestimmten Ausführungsformen beispielsweise bevorzugt, dass der Volumenstrom des Trägergases zwischen 10 und 25 l/min, mehr bevorzugt zwischen 15 und 19 l/min liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Partikel des pulverformigen Beschichtungsmaterials vorzugsweise metallische Partikel oder metallhaltige Partikel. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Metallgehalt der metallischen Partikel oder metallhaltigen Partikel mindestens 95 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 99 Gew.-%, noch mehr bevorzugt mindestens 99,9 Gew.-% ist. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird das Metall oder die Metalle aus der Gruppe bestehend aus Silber, Gold, Platin, Palladium, Vanadium, Chrom, Mangan, Cobalt, Germanium, Antimon, Aluminium, Zink, Zinn, Eisen, Kupfer, Nickel, Titan, Silizium, Legierungen und Mischungen davon ausgewählt.
Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten Ausführungsformen bevorzugt, dass das Metall oder die Metalle aus der Gruppe bestehend aus Silber, Gold, Aluminium, Zink, Zinn, Eisen, Kupfer, Nickel, Titan, Silizium, Legierungen und Mischungen davon, vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Silber, Gold, Aluminium, Zink, Zinn, Eisen, Nickel, Titan, Silizium, Legierungen und Mischungen davon, ausgewählt wird. Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Metall oder werden die Metalle der Partikel des
pulverformigen Beschichtungsmaterials ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silber, Aluminium, Zink, Zinn, Kupfer, Legierungen und Mischungen davon ausgewählt. Als bei spezifischen Ausführungsformen besonders geeignete
Partikel haben sich insbesondere metallische Partikel oder metallhaltige Partikel erwiesen, bei denen das Metall oder die Metalle ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Silber, Aluminium und Zinn.
Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung besteht das pulverförmige
Beschichtungsmaterial aus anorganischen Partikeln, die vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Carbonaten, Oxiden, Hydroxiden, Carbiden, Halogeniden, Nitriden und Mischungen davon ausgewählt werden. Besonders geeignet sind mineralische und/oder metalloxidische Partikel. Bei anderen Ausführungsformen werden die anorganischen Partikel alternativ oder zusätzlich aus der Gruppe bestehend aus Kohlepartikeln oder
Graphitpartikeln ausgewählt.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Mischungen der metallischen Partikel und der vorgenannten anorganischen Partikel, wie
beispielsweise mineralische und/oder metalloxidische Partikel, und/oder den Partikeln, die aus der Gruppe bestehend aus Carbonaten, Oxiden, Hydroxiden, Carbiden, Halogeniden, Nitriden und Mischungen davon, ausgewählt werden. Ferner kann das pulverformige Beschichtungsmaterial Glaspartikel umfassen oder aus ihnen bestehen. Bei bestimmten Ausführungsformen ist es insbesondere bevorzugt, dass das pulverformige Beschichtungsmaterial beschichtete
Glaspartikel umfasst oder aus ihnen besteht. Zudem umfasst das pulverformige Beschichtungsmaterial bei bestimmten
Ausführungsformen organische und/oder anorganische Salze oder besteht aus ihnen.
Bei wieder anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst das pulverformige Beschichtungsmaterial Kunststoffpartikel oder besteht aus ihnen. Die vorgenannten Kunststoffpartikel werden gebildet aus beispielsweise reinen oder gemischten Homo-, Co-, Block- oder Präpolymeren oder Mischungen davon. Hierbei können die Kunststoffpartikel reine Kristalle sein oder Mischkristalle sein oder amorphe Phasen aufweisen. Die Kunststoffpartikel können beispielsweise durch mechanische Zerkleinerung von Kunststoffen erhalten werden. Bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst oder besteht das pulverförmige Beschichtungsmaterial aus Mischungen von Partikeln unterschiedlicher Materialien. Bei bestimmten bevorzugten
Ausführungsformen besteht das pulverförmige Beschichtungsmaterial
insbesondere aus mindestens zwei, vorzugsweise drei, verschiedenen Partikeln unterschiedlicher Materialien.
Die Partikel können über unterschiedliche Verfahren hergestellt sein.
Beispielsweise können die Metallpartikel durch Verdüsung oder Zerstäubung von Metallschmelzen erhalten werden. Glaspartikel können durch mechanische Zerkleinerung von Glas oder aber auch aus der Schmelze erzeugt werden. Im letzteren Fall kann die Glasschmelze ebenfalls zerstäubt oder verdüst werden. Alternativ kann geschmolzenes Glas auch auf rotierenden Elementen,
beispielsweise einer Trommel, zerteilt werden.
Mineralische Partikel, metalloxidische Partikel und anorganische Partikel, die aus der Gruppe, die aus Oxiden, Hydroxiden, Carbonaten, Carbiden, Nitriden, Halogeniden und Mischungen davon besteht, ausgewählt werden, können erhalten werden, indem die natürlich vorkommenden Mineralien, Gesteine, etc. zerkleinert und nachfolgend größenklassiert werden.
Das Größenklassieren kann beispielsweise mittels Zyklonen, Windsichtern, Sieben, etc. durchgeführt werden.
Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die erfindungsgemäßen leicht verformbaren Partikel des pulverförmigen
Beschichtungsmaterials mit einer Beschichtung versehen worden, um
beispielsweise eine verbesserte Oxidationsstabilität während der Lagerung des pulverförmigen Beschichtungsmaterials bereitzustellen. Bei bestinnnnten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die vorgenannte Beschichtung ein Metall umfassen oder aus einem Metall bestehen. Eine derartige Beschichtung eines Partikels kann geschlossen oder partikulär ausgebildet sein, wobei Beschichtungen mit geschlossener Struktur bevorzugt sind. Die Schichtdicke einer derartigen metallischen Beschichtung liegt vorzugsweise unter 1 μιτη, mehr bevorzugt unter 0,8 μιτι und noch mehr bevorzugt unter 0,5 μιτι. Bei bestimmten Ausführungsformen weisen derartige
Beschichtungen eine Dicke von mindestens 0,05 μιτη, mehr bevorzugt von mindestens 0,1 μιτι auf. Bei bestimmten Ausführungsformen besonders
bevorzugte Metalle zur Verwendung in einer der vorgenannten Beschichtungen, vorzugsweise als Hauptbestandteile, werden ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus Kupfer, Titan, Gold, Silber, Zinn, Zink, Eisen, Silicium, Nickel und Aluminium, vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Gold, Silber, Zinn und Zink, weiter bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Silber, Zinn und Zink. Der Begriff Hauptbestandteil im Sinne der vorgenannten Beschichtung bezeichnet, dass das betreffende Metall oder eine Mischung der vorgenannten Metalle mindestens 90 Gew.-%, vorzugsweise 95 Gew.-%, weiter bevorzugt 99 Gew.-% des Metallgehalts der Beschichtung darstellen. Es muss verstanden werden, dass im Falle einer partiellen Oxidation der Sauerstoffanteil der entsprechenden
Oxidschicht nicht eingerechnet wird. Die Herstellung derartiger metallischer Beschichtungen kann beispielsweise mittels der Gasphasensynthese oder nasschemischen Verfahren erfolgen. Bei weiteren bestimmten Ausführungsformen sind die erfindungsgemäßen Partikel des pulverförmigen Beschichtungsmaterials zusätzlich oder alternativ mit einer Metalloxidschicht beschichtet. Vorzugsweise besteht diese Metalloxidschicht im Wesentlichen aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Boroxid, Zirkoniumoxid, Ceroxid, Eisenoxid, Titanoxid, Chromoxid, Zinnoxid, Molybdänoxid, deren Oxidhydraten, deren Hydroxiden und Mischungen davon. Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen besteht die Metalloxidschicht im Wesentlichen aus
Siliziumoxid. Der vorgenannte Begriff "besteht im Wesentlichen aus" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass mindestens 90 %, vorzugsweise
mindestens 95 %, mehr bevorzugt mindestens 98 %, noch mehr bevorzugt mindestens 99 % und am meisten bevorzugt mindestens 99,9 % der
Metalloxidschicht aus den vorgenannten Metalloxiden besteht, jeweils bezogen auf die Anzahl der Teilchen der Metalloxidschicht, wobei gegebenenfalls enthaltenes Wasser nicht mitgerechnet wird. Die Bestimmung der
Zusammensetzung der Metalloxidschicht kann mittels dem Fachmann bekannter Verfahren wie beispielsweise dem Sputtern in Kombination mit XPS oder TOF- SIMS erfolgen. Insbesondere ist es bei bestimmten der vorgenannten
Ausführungsformen bevorzugt, dass die Metalloxidschicht kein Oxidationsprodukt eines darunter befindlichen Metallkernes darstellt. Die Aufbringung einer derartigen Metalloxidschicht kann beispielsweise mit dem Sol-Gel-Verfahren erfolgen.
Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen wird das Substrat aus der Gruppe bestehend aus Kunststoffsubstraten, anorganischen Substraten,
Cellulose-haltigen Substraten und Mischungen davon ausgewählt.
Bei den Kunststoffsubstraten kann es sich beispielsweise um Kunststofffolien oder Formkörper aus Kunststoffen handeln. Die Formkörper können dabei geometrisch einfache oder komplexe Formen aufweisen. Der Kunststoffformkörper kann beispielsweise ein Bauteil aus der Kraftfahrzeugindustrie oder der Bauindustrie sein.
Bei den Cellulose-haltigen Substraten kann es sich um Pappe, Papier, Holz, Holzenthaltende Substrate, etc. handeln. Die anorganischen Substrate können beispielsweise metallische Substrate, wie Bleche oder metallische Formkörper oder keramische oder mineralische Substrate oder Formkörper sein. Die anorganischen Substrate können auch Solarzellen oder Siliziumwaver sein, auf die beispielsweise elektrisch leitfähige Beschichtungen oder Kontakte aufgebracht werden.
Als anorganische Substrate können auch Substrate aus Glas, wie beispielsweise Glasscheiben, verwendet werden. Das Glas, insbesondere Glasscheiben, können unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise mit elektrochromen Beschichtungen versehen werden.
Die mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichteten Substrate sind für sehr unterschiedliche Anwendungen geeignet. Bei bestimmten Ausführungsformen weisen die Beschichtungen optische und/oder elektromagnetische Wirkungen auf. Hierbei können die Beschichtungen
Reflexionen oder Absorptionen hervorrufen. Ferner können die Beschichtungen elektrisch leitfähig, semi -leitfähig oder nichtleitend sein. Elektrisch leitfähige Schichten können beispielsweise in der Form von
Leiterbahnen auf Bauteile aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise dazu verwendet werden, um die Stromführung im Rahmen des Bordnetzes bei einem Kraftfahrzeugbauteil zu ermöglichen. Ferner kann eine derartige Leiterbahn jedoch auch beispielsweise als Antenne, als Abschirmung, als elektrischer Kontakt, etc. geformt sein. Dies ist beispielsweise besonders vorteilhaft für RFID-Anwendungen (radio frequency identifcation). Weiterhin können erfindungsgemäße
Beschichtungen beispielsweise für Heizzwecke oder zur gezielten Beheizung spezieller Bauteile oder spezieller Teile größerer Bauteile verwendet werden. Bei weiteren bestimmten Ausführungsformen dienen die erzeugten Beschichtungen als Gleitschichten, Diffusionsbarrieren für Gase und
Flüssigkeiten, Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschichten. Weiterhin können die erzeugten Beschichtungen die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten beeinflussen oder haftvermittelnde Eigenschaften aufweisen.
Die erfindungsgemäß hergestellten Beschichtungen können ferner als
Sensorflächen, beispielsweise als Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI: Human- Machine-Interface), beispielsweise in Form eines Berührungsbildschirmes (Touch Screen) verwendet werden. Ebenso können die Beschichtungen zur Abschirmung von elektromagnetischen Interferenzen (EMI) oder zum Schutz vor
elektrostatischen Entladungen (ESD) verwendet werden. Die Beschichtungen können auch verwendet werden, um eine elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu bewirken.
Ferner können durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Partikel Schichten appliziert werden, die beispielsweise zum Erhöhung der Stabilität entsprechender Bauteile nach deren Reparatur aufgetragen werden. Ein Beispiel sind Reparaturen im Flugzeugsektor, wobei beispielsweise ein Materialschwund infolge von
Bearbeitungsschritten ausgeglichen werden muss oder eine Beschichtung beispielsweise zur Stabilisierung aufgetragen werden soll. Dies erweist sich als schwierig für beispielsweise Aluminiumbauteile und erfordert normalerweise Nachbearbeitungsschritte wie das Sintern. Mittels der erfindungsgemäßen
Verfahren können hingegen festhaftende Beschichtung unter sehr schonenden Bedingungen aufgebracht werden, auch ohne dass Nachbearbeitungsschritte wie Sintern erforderlich sind.
Bei wieder anderen Ausführungsformen dienen die Beschichtungen als elektrische Kontakte und erlauben eine elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Materialien. Dem Fachmann ist bewusst, dass die vorstehend im Hinblick auf das
erfindungsgemäße Verfahren angegebenen Spezifizierungen bezüglich des pulverformigen Beschichtungsmaterials und der darin enthaltenen Partikel entsprechend auch für die Verwendung des pulverformigen
Beschichtungsmaterials und der darin enthaltenen Partikel gelten, sowie umgekehrt.
Abbildungen
Abbildungen 1 bis 4 zeigen einen Wafer, welcher zunächst mittels
Solarkontaktpaste und nachfolgend mittels nichtthermischen Plasmaspritzen beschichtet wurde, wobei ein erfindungsgemäßes pulverförmiges Kupfer- Beschichtungsmaterial eingesetzt wurde.
Beispiele
Verwendete Materialien und Methoden. Die Bestimmung der Größenverteilung der Partikel der verwendeten
pulverformigen Beschichtungsmatenalien erfolgte mittels eines HELOS Gerätes (Sympatec, Deutschland). Für die Messung wurden 3 g des pulverformigen Beschichtungsmaterials in das Messgerät gegeben und vor der Messung für 30 Sekunden mit Ultraschall behandelt. Zur Dispergierung wurde eine Rodos T4.1 Dispergiereinheit eingesetzt, wobei der Primärdruck 4 bar betrug. Die Auswertung erfolgte mit der Standardsoftware des Gerätes.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nunmehr anhand der nachstehenden Beispiele näher erläutert, ohne dabei auf die Bespiele beschränkt zu sein. Beispiel 1: Flammspritzen von Kupferpartikeln
Mittels einer Flammsphtzanlage der Firma CASTOLIN wurden mittels einer Acetylen/Sauerstoffflamme sphärische Kupferpartikel, die eine relative
Verformbarkeit von ca. 0,6 aufweisen, mit einem D50-Wert von 54 μηη
(Vergleichsbeispiel 1 .1 ), sowie Kupferpartikel mit einem relativen
Verformbarkeitsfaktor von 0,03 und einem D50-Wert von 55 μηη
(erfindungsgemäßes Beispiel 1 .2) auf ein Blech aufgebracht. Die erhaltenen Bleche wurden mittels REM untersucht.
Bereits beim Aufsprühen des erfindungsgemäß zu verwendenden pul verförmigen Beschichtungsmaterials zeigt sich, dass bedeutend weniger Material von dem Blech abspritzt. Das erfindungsgemäß beschichtete Blech ist in Bezug auf seine Optik wie auch Haptik deutlich homogener. REM-Aufnahmen der Oberflächen belegen die Ausbildung größerer einheitlicher Bereiche der Beschichtung, während die Oberfläche des Vergleichsbeispiels durch eine Vielzahl vereinzelter Partikel geprägt ist. Ferner zeigt der Querschliff, dass in der Beschichtung des erfindungsgemäßen Bleches enthaltene Hohlräume bedeutend kleiner sind. Beispiel 2: nichtthermisches Plasmaspritzen von Kupferpartikeln
Die Applikation des pulverförmigen Beschichtungsmaterials erfolgte mittels einer Plasmatron Anlage der Firma Inocon, Attnang-Puchheim, Österreich. Als ionisierbares Gas wurde Argon verwendet. Hierbei wurden
Standardprozessparameter genutzt.
Hierbei wurde ein nicht erfindungsgemäßes pulverformiges Beschichtungsmatenal mit einem relativen Verformbarkeitsfaktor von 0,6 und einem D50 von 25 μητι, sowie ein erfindungsgemäßes pulverformiges Beschichtungsmatenal mit einem relativen Verformbarkeitsfaktor von 0,009 und einem D50 von 35 μηη eingesetzt. Als Substrat diente ein mit Solarkontaktpaste beschichteter Wafer. Hierbei wurde beobachtet, dass die höheren Energien, welche vom Fachman normalerweise zum Aufbringen der pulverformigen Beschichtungsmaterialien gewählt werden, zu einer Beschädigung des Wafers führen können. Bei schonenderen Bedingungen wurden hingegen mit einem pulverformigen Beschichtungsmaterial mit einem relativen Verformbarkeitsfaktor von 0,6 keine befriedigenden Beschichtungen mehr erzielt, da beispielsweise die Anhaftung der Beschichtungen nicht mehr zufriedenstellend war. Die erfindungsgemäßen pulverformigen Beschichtungsmaterialien ermöglichen hingegen eine Applikation auch unter sehr milden Bedingungen. Beispielsweise kann eine sehr niedrige Aufbringungsgeschwindigkeit und/oder eine sehr niedrige Temperatur gewählt werden. Die Abbildungen 1 bis 4 zeigen verschiedene Ausschnitte eines applizierten erfindungsgemäßen pulverformigen
Beschichtungsmaterials. Die applizierte Beschichtung passt sich gut der ungleichmäßigen Oberflächenstruktur der Solarkontaktpaste an und dringt partiell sogar darin ein ohne die Struktur der Solarkontaktpaste zu beeinträchtigen oder gar den Wafer zu beschädigen.

Claims

Patentansprüche
Verwendung eines Partikel-haltigen pulverförmigen Beschichtungsmatenals bei einem Beschichtungsverfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kaltgasspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, thermischem Plasmaspritzen und nichtthermischem Plasmaspritzen, wobei die Partikel einen relativen Verformbarkeitsfaktor Vm von höchstens 0,1 aufweisen und der relative Verformbarkeitsfaktor gemäß Formel (I) definiert ist:
wobei c/ die durchschnittliche geringste Dicke der Partikel, gemessen vertikal zur und in der mittleren Hälfte der Längsachse der Partikel, und D50 der mittlere Durchmesser der volumengemittelten Partikelgrößenverteilung ist.
Verwendung gemäß Anspruch 1 , wobei der relative Verformbarkeitsfaktor unter Berücksichtigung der auf die Mohshärte von Silber bezogenen Mohshärte der Partikel gemäß Formel (II) definiert ist:
wobei H die Mohshärte der Partikel und HAg die Mohshärte von Silber ist. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der relative Verformbarkeitsfaktor des pulverförmigen Beschichtungsmaterials höchstens 0,01 beträgt.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Partikel des pulverförmigen Beschichtungsmaterials eine technische Elastizitätsgrenze von mehr als 45 N/mm2 aufweisen.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der in [K] gemessene Schmelzpunkt der Partikel des Beschichtungsmaterials maximal 60 % der in [K] gemessenen Temperatur des in dem
Beschichtungsverfahren eingesetzten auf das Substrat gerichteten
Mediums beträgt.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Partikel Metallpartikel umfassen oder sind und das Metall ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Silber, Gold, Platin, Palladium, Vanadium, Chrom, Mangan, Cobalt, Germanium, Antimon, Aluminium, Zink, Zinn, Eisen, Kupfer, Nickel, Titan, Silizium, Legierungen und Mischungen davon.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das
Beschichtungsverfahren ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Flammspritzen und nichtthermischem Plasmaspritzen, und vorzugsweise das nichtthermische Plasmaspritzen ist.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem D50-Wert aus einem Bereich von 1 ,5 bis 84 μηη aufweist.
9. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das pulverförmige Beschichtungsmaterial eine Korngrößenverteilung mit einem Di0-Wert aus einem Bereich von 3,7 bis 26 μητι, einen D50-Wert aus einem Bereich von 6 bis 49 μΐη und einen D90-Wert aus einem Bereich von 12 bis 86 μηη aufweist.
Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Span des pulverförmigen Beschichtungsmaterials höchstens 2,9 beträgt, wobei der Span gemäß Formel (III) definiert ist:
1 1 . Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Partikel des pulverförmigen Beschichtungsmaterials zumindest teilweise beschichtet sind.
12. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kaltgasspritzen, Flammspritzen,
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, thermischem Plasmaspritzen und nichtthermischem Plasmaspritzen,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren folgenden Schritt umfasst:
Einbringen eines Partikel-haltigen pulverförmiges Beschichtungsmaterial in ein auf ein zu beschichtendes Substrat gerichtetes Medium, wobei die Partikel einen relativen Verformbarkeitsfaktor Vm von höchstens 0,1 aufweisen und der relative Verformbarkeitsfaktor gemäß Formel (I) definiert ist: wobei c die durchschnittliche geringste Dicke der Partikel, gemessen vertikal zur und in der mittleren Hälfte der Längsachse der Partikel, und D50 der mittlere Durchmesser der volumengemittelten Partikelgrößenverteilung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Verfahren ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Flammspritzen und nichtthermischem
Plasmaspritzen, und vorzugsweise nichtthermisches Plasmaspritzen ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei das
pulverförmige Beschichtungsmaterial als Aerosol gefördert wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das auf das
Substrat gerichtete Medium Luft ist oder aus Luft erzeugt wurde.
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