DE3878570T2

DE3878570T2 - Verfahren und apparat zum hochleistungsplasmaspritzen.

Info

Publication number: DE3878570T2
Application number: DE8888302103T
Authority: DE
Inventors: James A Browning
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-03-11
Filing date: 1988-03-10
Publication date: 1993-06-09
Anticipated expiration: 2008-03-11
Also published as: EP0282310A2; JPS63252567A; EP0282310A3; JPH0580273B2; US4788402A; EP0282310B1; CA1300694C; DE3878570D1

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Plasma-Lichtbogenspritzen bei gegenüber üblichen Plasma-Spritzsystemen wesentlich höherem Strom und höherer Spannung sowie mit vierf acher Strahlgeschwindigkeit und einem erheblich verlängerten, äußeren Lichtbogen, mit dessen Hilfe die Erhitzung der Pulver-Sprühpartikel erleichtert werden kann, unabhängig von der wesentlich geringeren Verweilzeit der Partikel innerhalb des verlängerten Lichtbogen-Plasmastrahles.
Seit dem Aufkommen des Plasma-Spritzens in den 50er Jahren zum Spritzen von Metallen und Keramikwerkstoffen, ist das Plasma-Spritzverfahren wirtschaftlich sehr wichtig geworden. Überraschenderweise ist die verwendete Vorrichtung in ihrer Grundgeometrie im wesentlichen dieselbe geblieben.
In Fig. 1 ist eine übliche plasma-Spritzvorrichtung 10' dargestellt. Um die Darstellung zu vereinfachen, sind die Wasser-Kühlvorrichtungen in der Figur weggelassen worden. Eine Kathoden-Elektrode 12 ist koaxial in einem elektrisch isolierenden Gehäuseteil 10 von zylindrischer, tassenförmiger Form gelagert und erstreckt sich auf ein zweites Gehäuseteil 11 zu, das das Innere des elektrisch isolierenden Gehäuseteiles 10 an demjenigen Ende abschließt, das dem Ende gegenüberliegt, in dem die Elektrode gelagert ist; die Elektrode 12 reicht jedoch an das Gehäuseteil 11 nicht heran. Das zweite Gehäuseteil 11 ist mit einer Axialbohrung 11a versehen, die einen Düsendurchlaß 9 für die Plasma-Spritzvorrichtung darstellt. Durch Anlegen einer elektrischen Potentialdifferenz an der Kathodenelektrode 12 und am zweiten Gehäuseteil 11 wird ein Lichtbogen 17 gebildet, wobei das zweite Gehäuseteil 11 als Anode wirkt. Der Lichtbogen 17 erstreckt sich von der Kathode 12 zur Innenwand des Düsendurchlasses 9. Seine Länge wird durch eine Strömung eines plasmabildenden Gases vergrößert, wie dies durch den Pfeil G dargestellt ist; das plasmabildende Gas wird dem Verteilerraum 24 um die Kathodenelektrode 12 herum durch ein Gaszuführrohr 15 zugeleitet. Das Rohr 15 steht mit dem Gehäuseteil 10 über ein mit dem Rohr ausgerichtetes, radiales Loch in der Seite des zylindrischen Gehäuseteiles 10 in Verbindung. Eine Querabteilung 13 aus isolierendem Material, ähnlich dem des Gehäuseteiles 10, lagert die Elektrode 12. Die Abteilung 13 ist mit mehreren, im Durchmesser kleineren Durchlässen 23 versehen, die in den Düsendurchlaß 9 hineinführen, wobei um das abgeschrägte Vorderende 12a der Elektrode 12 herum eine Strömung entsteht. Zu verspritzendes Pulver, das mit dem Pfeil P bezeichnet ist, gelangt in die lichtbogen-erhitzten Gase an einem Punkt hinein, der jenseits des Anodenfußes 18 des Lichtbogens 17 liegt. Das Pulver wird durch das Rohr 16 eingeleitet und fließt in einen Durchlaß 16', der mit dem Rohr ausgerichtet ist und sich so in die Bohrung 11a hinein öffnet, daß die Pulverströmung längs des heißen Gasstrahles 25 bestmöglich zentriert wird, der aus dem Ende der Düse 9 austritt.
Ein extrem heller, konischer Lichtbogenbereich 19 erstreckt sich eine kurze Strecke über den Auslaß der Düse 9 hinaus, wobei dieser Bereich die weitere Verlängerung der ionisierten Gase darstellt. Innerhalb des konischen Bereiches 19 entstehen erhebliche Wärmeübertragungsgeschwindigkeiten. Es kann angenommen werden, daß die Partikelströmung P auch jenseits der ionisierten Zone 19 innerhalb des heißen Gasstrahles 25 erhitzt wird. Die Partikel nehmen in dem Hochgeschwindigkeitsstrahl 25 (Unterschallgeschwindigkeit) Geschwindigkeit auf, um auf die Oberfläche des Werkstückes 22 aufzuschlagen und darauf eine Beschichtung 21 zu bilden.
Die übliche Plasma-Spritzvorrichtung 10' ist beispielsweise mit einer Strömung von 8 x l0&supmin;&sup4;m,³s&supmin;¹ (100 SCFH) von Stickstoffgas G versehen, wobei ein Düsendurchlaß 9 mit einem Bohrungsdurchmesser von 8 mm verwendet wird; die Vorrichtung wird mit einem Betriebsstrom von 750 Amp. und einer Lichtbogenspannung von 80 V betrieben. Es wurde festgestellt, daß die ionisierte Zone oder der ionisierte Bereich 19 sich etwa 32 mm über das Ende 9a der Düse hinaus erstreckt. Das gesamte erreichte Leistungsniveau ist 60 kW. Die kombinierten Kathoden- und Anodenverluste betragen etwa 30 V bei einer wirklichen Erwärmungskapazität (I²R-Erhitzung des Gases) von 37,5 kW. Wenn ein zusätzlicher Wärmeverlust in das Kühlwasser hinein von 20º unterstellt wird, dann beträgt die Heizleistung des Gases 30 kW. Der Enthalpie-Anstieg des Plasma-Gases in einem solchen, üblichen System beträgt unter üblichen Betriebsparametern, die oben genannt worden waren, etwa 3,37x10&sup4;J/kg.
Der Anmelder hat eingehende Untersuchungen über die vorteilhafte Wirkung einer Hochtemperaturschneidvorrichtung und eines Verfahrens des Plasmaschneidens unternommen; diese Untersuchung und die Ergebnisse sind im kürzlich ausgegebenen US-Patent 4 620 648 des Anmelders vom 2. Dez. 1986 niedergelegt. In Verbindung mit der Betrachtung der vorteilhaften Wirkungen einer Verlängerung des Lichtbogens bei nichtübertragenden Plasma-Lichtbogenvorrichtungen hat der Anmelder die Verwendung einer Wirbelströmung des Plasmagases durch den Düsendurchlaß als Mittel zum Erleichtern des Schaffens eines verlängerten Lichtbogens in Betracht gezogen. Bei solchen Betrachtungen hatte der Anmelder volle Kenntnis davon, daß in der Vergangenheit Wirbelströmungen in nicht übertragenden Plasma-Lichtbogen-Vorrichtungen zu einer unzuverlässigen Wirkung geführt hatten. Bei der Verwendung von Strahlgeschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit bog sich die Lichtbogensäule zurück, um auf die Stirnfläche des winkligen Stückes aufzutreffen, wie z.B. auf das zweite Gehäuseteil 11 der üblichen Plasma-Lichtbogen-Spritzvorrichtung 10' in Fig. 1; dabei traf die Lichtbogensäule an Punkten auf, die radial vom Düsenausgang 9a entfernt waren. Dies führte zu schnellen Erosionen an der Vorrichtung.
Trotz dieser Kenntnisse suchte der Anmelder nach einer verbesserten Hochspannungs- und mit hohem Strom betriebenen Plasma-Lichtbogenvorrichtung mit verlängerter, ionisierter Lichtbobensäule, die dazu benutzt werden konnte, Partikel bei Überschall-Strahlgeschwindigkeiten und bei einer kurzen Verweildauer auf ein zu beschichtendes Substrat zu richten, wobei ein Aufschmelzen der Partikel sichergestellt war und wobei eine Erosion der Vorrichtung vermieden werden sollte.
Die US-3 914 573 offenbart ein Plasma-Lichtbogenspritz-Verfahren, das die Verfahrensschritte des Zuführens eines ein Plasma produzierenden Gases durch eine Kammer umfaßt, das eine erste Elektrode beinhaltet, wobei das Gas von der Kammer durch eine Spritzdüse, die eine zweite Elektrode bildet und einen Elektroden-Düsendurchlaß definiert, der mit der ersten Elektrode ausgerichtet ist, von ihr aber entfernt ist, sowie das Schaffen eines elektrischen Lichtbogens zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, um einen Plasma-Flammenstrahl zu erzeugen, der aus dem Düsendurchlaß ausströmt und schließlich das Einführen des zu schmelzenden Materials in den Flammenstrahl und das Beschleunigen des Materials innerhalb des Flammenstrahles zum Beschichten durch Aufschlagen auf ein Trägermaterial vor und stromabwärts des Düsenausgangs.
Erfindungsgemäß ist ein Plasma-Lichtbogen-Spritzverfahren vorgesehen, das die Verfahrensschritte des Zuführens eines ein Plasma produzierenden Gases durch eine Kammer vorsieht, die eine erste Elektrode beinhaltet, wobei das Gas aus der Kammer durch eine Spritzdüse strömt, die eine zweite Elektrode bildet und einen Elektroden-Düsendurchlaß definiert, der mit der ersten Elektrode ausgerichtet ist, von ihr jedoch einen Abstand hat, ferner des Schaffens eines elektrischen Lichtbogens zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, um einen Plasma-Flammenstrahl zu erzeugen, der aus dem Düsendurchlaß austritt, des Einführens des zu schmelzenden Materials in den Flammenstrahl, ferner das Beschleunigen des Materials innerhalb des Flammenstrahls zum Beschichten eines Trägermaterials durch Aufschlagen vor und stromabwärts des Düsenausganges, Einführen des ein Plasma produzierenden Gases tangential in die zylindrische Kammer und um die mittige, sich axial erstreckende Elektrode herum, wobei eine Wirbelströmung des Plasma produzierenden Gases innerhalb der Kammer geschaffen wird, und Veranlassen der verwirbelten Gasströmung dazu, daß sie glatt durch einen konisch konvergierenden Übergangsabschnitt des Elektroden-Düsendurchlasses hindurchfließt, der am Eingangsende des Durchlasses vorgesehen ist, um einen Kern niedrigen Druckes in der Gasströmung zu erzeugen, die sich durch den Elektroden-Düsendurchlaß hindurcherstreckt, wodurch eine verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule in dem Elektroden-Düsendurchlaß aufgebaut wird und Einstellen der Geschwindigkeit der Gasströmung und des Lichtbogenstromes so, daß ein verlängerter, ionisierter Lichtbogen mit Überschallgeschwindigkeit erzeugt wird, der über das Auslaßende der Düse hinausreicht.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Plasma-Lichtbogenspritzen vorgesehen, bei der eine Kammer, die eine erste Elektrode enthält, eine zweite Elektrode, die von der ersten Elektrode isoliert ist und einen Elektroden-Düsendurchlaß aufweist, der mit der ersten Elektrode ausgerichtet, aber von ihr entfernt ist, und Mittel zum Einführen eines ein Plasma produzierenden Gases in die Kammer sowie Mittel zum Schaffen einer elektrischen Potential-Differenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode vorgesehen sind, um eine Plasma-Lichtbogen-Flamme zu erzeugen, die aus dem Düsendurchlaß ausströmt. Die Mittel zum Einführen des ein Plasma produzierenden Gases in die Kammer umfassen dabei Mittel zum Zuführen des Gases tangential in die zylindrische Kammer hinein und um die mittige, sich axial erstreckende erste Elektrode herum, um auf diese Weise eine Wirbelströmung des ein Plasma produzierenden Gases in der Kammer zu bilden, wobei der Düsendurchlaß an seinem Einlaßende einen konisch konvergierenden Übergangsabschnitt zum Bilden eines Niederdruckkernes in der Gasströmung umfaßt die sich durch den Düsendurchlaß hindurcherstreckt, wodurch eine ionisierte Lichtbogensäule geschaffen wird, die sich durch den Düsendurchlaß hindurch erstreckt. Ferner sind Mittel vorgesehen, mit deren Hilfe die Gas-Strömung und der Lichtbogenstrom so eingestellt werden können, daß eine verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule mit Überschallgeschwindigkeit erzeugt wird, die sich über das Auslaßende der Düse hinaus erstreckt.
Das zu verspritzende Material wird vorzugsweise an einem Punkt längs der verlängerten, ionisierten Lichtbogensäule eingeführt, der jenseits des Endes der Düse liegt, um die Spritzgeschwindigkeit zu erhöhen, ohne daß das gespritzte Material in unerwünschter Weise überhitzt würde.
Bei einem bevorzugten Verfahren wird das zu spritzende Material in die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule dadurch eingebracht, daß wenigstens ein Draht, der aus einem solchen Material besteht, in Richtung der Gasströmung schräg in die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule eingeführt, so daß er dort atomisiert und verspritzt werden kann.
Durch die Düse können ein oder mehrere Materialströme in Pulverform gleichzeitig in die Gasströmung eingeführt werden. Dies ist besonders dann geeignet, wenn thermisch unstabile Materialien flammgespritzt werden sollen, wie z.B. Industriediamanten, die mit einem Nickel enthaltenden Material oder mit Silikon-Karbid beschichtet sind. Die Partikel sind vor ihrer Berührung mit der ionisierten Lichtbogensäule vorzugsweise mit einer dünnen Schicht aus einem benetzbaren Material vorbeschichtet und die vorbeschichteten Pulver-Partikel werden nachfolgend nur auf das Maß erhitzt, das dazu benötigt wird, daß die Partikel an dem geschmolzenen Tropfen anhaften, die aus den Materialien bestehen, die in dem Draht enthalten sind.
Bei einem besonders bevorzugten Verfahren wird auf den Artikeln eines unstabilen, pulverisierten Materials eine dünne Beschichtung eines benetzbaren Materials aufgebracht, die beschichteten Partikel werden in den Plasmalichtbogen-Flammenspritzstrahl eingeführt und nur auf diejenige Temperatur erhitzt, die notwendig ist, daß sie an anderen Partikeln anhaften, wonach dem Plasma-Lichtbogen-Flammenstrahl getrennt weitere Partikel eines Materials zugeführt werden, das ähnlich oder gleich demjenigen der beschichteten Partikel ist, um auf diese Weise die weiteren Materialpartikel durch die Hitze zu erweichen oder so zu schmelzen, daß sie an den beschichteten Flammspritz-Partikeln anhaften.
Das pulverisierte Material kann in den Plasmalichtbogen-Flammenspritzstrahl als Kern eines kontinuierlich in den Plasmalichtbogenspritzstrahl eingeführten Metallblechs zugeführt werden, das in Spritzrichtung schräg liegt und den Strahl schneidet, wobei das Blech zu der Achse des Plasmalichtbogen-Flammenspritzstrahles koplanar ist.
Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsform werden zwei Drähte schräg in die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule stromabwärts des Düsendurchlasses eingeführt. Die Drähte bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material und an die beiden Drähte ist eine elektrische Potentialdifferenz so angeschlossen, daß eine zweite Lichtbogensäule zwischen den Enden der Drähte entsteht, die in die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule eingeführt werden, wobei der zweite Lichtbogen gezwungen wird, gleichzeitig mit der verlängerten, ionisierten Lichtbogensäule zu strömen, die aus dem Anoden-Düsendurchlaß der Plasmaspritzvorrichtung austritt.
Eine bekannte Plasmalichtbogen-Spritzvorrichtung (siehe beispielsweise US-A-3 914 573) umfaßt ein zylindrisches Gehäuse, das eine Kammer bildet, das eine erste, elektrisch leitfähige Endwand hat, durch die hindurch axial ein Anoden-Düsendurchlaß führt und die eine Anoden-Elektrode bildet sowie eine zweite, gegenüberliegende Endwand des zylindrischen Gehäuses, an der koaxial eine Kathoden-Elektrode befestigt ist, die von der ersten Endwand elektrisch isoliert ist und kurz vor dieser endet, wobei der Anoden-Düsendurchlaß an seinem Ende, das auf die Kathoden-Elektrode zu gerichtet ist, nach außen abgeschrägt ist; die bekannte Vorrichtung umfaßt ferner Mittel zum Einführen eines ein Plasma erzeugenden Gases unter Druck in die Kammer, wodurch ein verwirbelter Gasfluß durch die Kammer erzeugt wird sowie Mittel zum Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der Kathoden-Elektrode und der ersten Endwand, die die Anode darstellt, um auf diese Weise eine Plasmalichtbogen-Flamme zu erzeugen, die aus dem Anoden-Düsendurchlaß austritt.
Gemäß der Erfindung umfaßt die Vorrichtung ferner Mittel zum Zuführen des Gases tangential in dasjenige Ende der Kammer, die von dem Düsendurchlaß entfernt ist, um auf diese Weise eine verwirbelte Strömung des Gases zu erzeugen, die zu einem Kern niedrigen Druckes führt, der sich durch den Düsendurchlaß hindurch erstreckt, wobei der Kern eine Lichtbogensäule aufbaut, die sich durch den Düsendurchlaß hindurch und außerhalb dessen erstreckt. Der Düsendurchlaß hat vorzugsweise einen relativ kleinen Durchmesser und die Vorrichtung umfaßt ferner Mittel zum Einstellen der Gasströmung und des Lichtbogen-Stromes für den Lichtbogen zwischen der Kathode und der Anode so, daß eine ionisierte Lichtbogensäule mit Überschallgeschwindigkeit erzeugt wird, die sich auf eine Entfernung jenseits des Auslaßendes der Düse erstreckt; vorzugsweise erstreckt sich die Lichtbogensäule auf ein Maß über das Auslaßende der Düse hinaus, das das Drei- bis Fünffache, insbesondere etwa das Vierfache des Düsendurchlaß-Durchmessers trägt.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise mit Mitteln zum Zuführen von Material in den Flammenstrahl versehen, um das Material zu schmelzen und zum Beaufschlagen eines Trägermaterials zu beschleunigen, das vor und stromabwärts des Düsenausganges angeordnet ist. Die Zuführ-Mittel können Vorrichtungen zum Zuführen des Materials zur verlängerten, ionisierten Lichtbogensäule stromabwärts des Düsenauslasses umfassen,um die Spritzgeschwindigkeit maximal zu gestalten, ohne eine unerwünschte Überhitzung des Spritzmaterials zu schaffen. Das Material kann in Pulverform, oder in Form von Drähten oder Stangen, an dem Ende des Lichtbogens eingeführt werden, das von der Düse entfernt liegt. Wenn das Material in Drahtform eingeführt wird, kann es durch ein Paar von einander gegenüberliegenden, angetriebenen Rollen zugeführt werden, die den Draht zwischen sich aufnehmen und ihn schräg in den Weg des Lichtbogens in Richtung des Strahles einführen. Wenn zwei oder mehr Drähte zugeführt werden, vorzugsweise schräg zum Lichtbogen und in Längsrichtung längs des Bogens gegeneinander versetzt, kann zwischen den Drähten ein elektrischer Potentialunterschied erzeugt werden, beispielsweise durch Erden eines Drahtes an der Anode. Zwischen den Enden der Drähte wird eine zweite Lichtbogensäule erzeugt, die gleichzeitig mit dem ersten Lichtbogen strömt, wodurch die Geschwindigkeit des zu spritzenden Materials erhöht wird.
Bei einer bevorzugten Vorrichtung nach der Erfindung umfaßt die erste Endwand erste und zweite Bauteile, die ihrerseits koaxiale Bohrungen umfassen, die mit der Kathoden-Elektrode ausgerichtet sind, wobei die ersten und zweiten Bauteile axial einen Abstand voneinander haben und voneinander elektrisch isoliert sind, um eine zylindrische, zweite Gaskammer zwischen sich zu bilden, die einen Durchmesser hat, der über den Durchmesser der koaxialen Bohrungen hinausgeht.
Die koaxialen Bohrungen innerhalb der ersten und zweiten Endwand-Bauteile bilden einen ersten, stromaufwärtigen und einen zweiten, stromabwärtigen Düsendurchlaß, die miteinander ausgerichtet sind. Die Vorrichtung umfaßt ferner Mittel zum Zuführen eines Sekundär-Gases tangential in die zweite Gaskammer hinein, die zwischen dem ersten und dem zweiten Düsendurchlaß liegt. Die Mittel zum Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode können aus Mitteln zum Verbinden einer elektrischen Stromquelle mit der Kathodenelektrode und den Bauteilen der ersten Endwand umfassen, die von der Kathodenelektrode entfernt ist und die Anodenelektrode bildet. Dasjenige Bauteil der Endwand, das den ersten, stromaufwärtigen Düsendurchlaß bildet, kann elektrisch floaten, während es eine Erhöhung der Lichtbogenspannung durch Verlängerung der Lichtbogensäule bewirkt, die zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode entsteht, was zu einer verlängerten, ionisierten Lichtbogensäule führt, die sich um ein Maß stromabwärts der Düse in die Atmosphäre erstreckt, das die mehrfache Länge des Düsendurchlaßdurchmessers hat. Die Bauteile der ersten Endwand umfassen vorzugsweise Stirnflächen, die aufeinander zu gerichtet sind und in ihren äußeren Umfangsflächen haben sie an den einander zugerichteten Stirnflächen ringförmige Vertiefungen. An den jeweiligen Enden kann in den Vertiefungen ein Ring aus elektrisch isolierendem Material aufgepaßt sein, um zwischen den Bauteilen einen axialen Abstand aufrecht zu erhalten. An dem Ring kann ein Rohr für das Sekundärgas angeschlossen sein und der Ring kann in sich einen Durchlaß aufweisen, der sich tangential in seinen Innendurchmesser öffnet, um eine verwirbelte Strömung des Sekundärgases zu bewirken und auf diese Weise die Schaffung eines Kernes niedrigen Druckes zu erleichtern, der sich durch den Anoden-Düsendurchlaß des zweiten Bauteiles hindurcherstreckt sowie durch den Düsendurchlaß des floatenden Bauteiles der ersten Endwand.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ist eine Längsschnitt-Ansicht einer üblichen Plasma-Spritzvorrichtung, die dazu benutzt wird, auf ein Trägermaterial eine Spritzbeschichtung aufzubringen.
Fig. 2a ist eine Längsschnittansicht einer verbesserten Plasmalichtbogen-Vorrichtung, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt;
Fig. 2b ist eine Querschnittansicht der Vorrichtung nach Fig. 2a längs der Linie 2b-2b;
Fig. 3a ist eine Längsschnittansicht eines Teiles der verbesserten Plasma-Lichtbogenvorrichtung nach Fig. 2a, bei der das Material, das flammgespritzt werden soll, in Stangenform in die verlängerte Lichtbogensäule eingeführt wird;
Fig. 3b ist eine Längsschnittansicht eines Teiles der Vorrichtung nach Fig. 2a, die so abgewandelt ist, daß das Material, was flammgespritzt werden soll, in Stangenform in einem wesentlich kleineren, spitzen Winkel zur Achse der verlängerten Lichtbogensäule eingeführt wird.
Fig. 4 ist eine teilweise geschnittene, teilweise perspektivische Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 2a, bei der das Material, das flammgespritzt werden soll, in die verlängerte Lichtbogensäule als relativ dünner, ebener Streifen eingeführt wird;
Fig. 5 ist eine Längsschnittansicht eines Teiles der Vorrichtung nach Fig. 2a, die zwei, voneinander getrennte Materialzuführungen für das flammzuspritzende Material in Stangenform aufweist, die in verschiedenen Winkeln in die verlängerte Lichtbogensäule eingeführt werden und in der Säule an Stellen liegen, die in Längsrichtung voneinander beabstandet sind;
Fig. 6 ist eine Längsschnittansicht einer verbesserten Plasmalichtbogenvorrichtung, die eine verlängerte Lichtbogensäule hat und eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 7 ist eine Darstellung der Spannung über dem Gas-Druck, die das Optimum der Betriebsbedingungen für die Plasmalichtbogen-Vorrichtung mit der verlängerten Lichtbogensäule nach den Fig. 2 bis 6 zeigt.
Gemäß den Fig. 2a und 2b benutzt eine verbesserte Plasma-Spritzvorrichtung, die allgemein mit 10 bezeichnet worden ist und die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, ein zylindrisches, elektrisch isolierendes Gehäuseteil 30, das dem Gehäuseteil 10 bei der bekannten Ausführungsform nach der Fig. 1 ähnlich ist. Das Gehäuseteil 30 ist an seinem einen Ende durch ein zweites, zylindrisches Gehäuseteil 31 abgeschlossen und das gegenüberliegende Ende des Gehäuseteiles 30 hat eine querliegende Endwand 30a, in der koaxial eine Kathodenelektrode 32 gelagert ist. Das Vorderende 32a der Kathodenelektrode 32 erstreckt sich in einen sich konisch verjüngenden Abschnitt 35 der Bohrung 31a hinein, die ihrerseits einen Düsendurchlaß 34 bildet. Die Erfindung beruht auf einer hohen Wirbelwirksamkeit der Plasmagasströmung, um eine Zone einer verlängerten, ionisierten Lichtbogensäule zu erzeugen. In diesem Fall ist das Gas-Zufuhrrohr 26 in bezug auf die ringförmige Kammer 41 so angeordnet, daß es die Kathodenelektrode 32 mit einer Gasströmung umgibt, die mit dem Pfeil G angedeutet ist und die durch die Bohrung 33 tangential in die Kammer 41 eintritt; die Gasströmung verläßt die Kammer durch den sich konisch verjüngenden Abschnitt 35, der zu der Bohrung 31a mit verringertem Durchmesser führt, die ihrerseits den Düsendurchlaß 34 darstellt. Der sich konisch verjüngende Abschnitt 35 führt auf diese Weise die verwirbelte Strömung glatt in den Düsendurchlaß 34 mit verringertem Durchmesser ein. Das Prinzip der Erhaltung des Winkelmoments erzeugt eine größere Wirbelstärke bei einer Verminderung des äußeren Grenzdurchmessers der Gasströmung. Ein Wirbelkern mit kleinem Durchmesser weist einen niedrigen Gasdruck relativ zu dem Gasdruck auf, der in den Schichten nahe der Umfangswand des Durchlasses 34 herrscht. Eine verlängerte Lichtbogensäule 37 führt dazu, daß die Stellung der Lichtbogensäule, die durch den Kern niedrigen Druckes hindurchgeht, sich über den Auslaß 34a des Durchlasses 34 hinaus erstreckt.
Aufgrund physikalischer Erscheinungen, die dem Anmelder nicht vollständig klar sind, erzeugt eine Verminderung des Durchmessers der Düse 34 und/oder eine Erhöhung des Lichtbogenstromes einen größeren als den kritischen Druckabfall bei seinem Durchgang durch die Düse in die Atmosphäre, um die Schwierigkeiten des Lichtbogen-Anodenfleckes auszuschalten, die bei dem Unterschall-Gegenstück auftreten. Bei der Überschallströmung wird der Anodenbereich weiter verteilt und sprüht über die Innenwand der Düse 34 nahe des Düsenausganges und über einen dünnen, radialen Umfangsabschnitt des Gehäuseteiles 31, der den Auslaß 34a der Düse umgibt. Der verlängerte Lichtbogen 37 (ionisierte Zone) hat im Vergleich zur ionisierten Zone 19 der Vorrichtung nach dem Stand der Technik (Fig. 1) einen verminderten Durchmesser. Ihre Länge, die sich über den Düsenausgang 34a hinaus erstreckt, ist gegenüber der Länge der ionisierten Zone 19 bei der Vorrichtung nach Fig. 1 erheblich verlängert. Der Vergleich der Ausführungsform der verbesserten Vorrichtung 10 nach den Fig. 2a, 2b, bei der im Gegensatz zur Ausführungsform nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 die Prinzipien der vorliegenden Anmeldung angewendet worden sind, ermöglicht es, die wichtigen Unterschiede zwischen der verbesserten Vorrichtung und derjenigen nach dem Stand der Technik zu unterscheiden. Eine Spritzvorrichtung 10 wurde mit 9,6 x 10&supmin;&sup4;m³s&supmin;¹ (120 SCFH) von Stickstoff bei einer angewandten Spannung von 200 V über der Lücke zwischen der Kathodenelektrode 32 und der Anode 31 betrieben bei einem Strom von 400 Amp. Bei der dargestellten Vorrichtung war der Düsendurchmesser 5 mm und unter Betriebsbedingungen erstreckte sich die ionisierte Zone 31 mm über den Düsenauslaß 34a hinaus. Bei Elektrodenverlusten, die wiederum bei etwa 30 V lagen, erreichte die Netto-Gasenthalpie am Düsenauslaß (nach 20% Kühlungsverlust) 6, 27 x 10&sup4; J/kg, nahezu doppelt soviel wie bei der bekannten Vorrichtung nach Fig. 1. Während es schwierig ist, die Strahlgeschwindigkeit am Düsenauslaß zu errechnen oder anderweitig zu bestimmen, können die Strahlgeschwindigkeiten der zweiten Ausführungsform, bei der im Gegensatz zur bekannten Vorrichtung 10a die verbesserte Plasmaspritzvorrichtung 10 nach den Fig. 2a, 2b verwendet worden ist, auf der Grundlage der Gas-Enthalpien und Düsenquerschnittsbereiche verglichen werden. In dieser Beziehung ist die Gasströmung bei der zweiten Ausführungsform, bei der die Vorrichtung 10 verwendt wird, 1,2-fach höher als bei der ersten Ausführungsform, bei der die Vorrichtung 10' verwendet wird. Bei der Anwendung der umgekehrten Beziehung der Düsenbereiche ist die Strahlgeschwindigkeit der zweiten Ausführungsform (für eine gegebene Gasenthalpie) 3 1/3 mal höher als bei der Ausführungsform 1. Die Anwendung der Quadratwurzel des Enthalpie-Verhältnisses führt zu einem zusätzlichen Geschwindigkeitsanstieg auf das 1,4-fache. Die Strahlgeschwindigkeit des Plasma-Flammenstrahles 38 hat auf diese Weise eine Strahlgeschwindigkeit, die maximal etwa 4 1/2 mal so groß ist wie der Flammenstrahl 25 bei der bekannten Ausführungsform.
Die intensive Erwärmungsfähigkeit der Lichtbogenvorrichtung 10 nach der vorliegenden Erfindung führt zusammen mit dem erheblichen Anstieg in der Strahlgeschwindigkeit zu einem technischen Fortschritt beim Plasmaspritzen von erheblichem Ausmaß. Dabei muß daran erinnert werden, daß es während der vergangenen Jahre bekannt und erwünscht war, daß beim Plasma-Spritzen für eine dichte Beschichtung hohe Partikel-Aufschlaggeschwindigkeiten notwendig waren. Zusätzlich ist jedoch eine entsprechende Partikelerhitzung notwendig, um den geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand des Materials vor dem Aufschlagen auf dem Trägermaterial sicherzustellen. Das Verfahren und die Vorrichtung des Anmelders sind zum Glück dadurch gekennzeichnet, daß der Anstieg der Gas-Enthalpie in der Lage ist, die Partikel entsprechen aufzuheizen, die aufgrund ihrer höheren Geschwindigkeiten für eine sehr kurze Zeitdauer vor ihrem Aufschlag gegen das zu beschichtende Trägermaterial im Strahl 38 verbleiben. Die vorliegende Erfindung erfordert im wesentlichen die Benutzung eines Druckabfalles des Gases, das durch die Düse hindurchgeht, der größer ist als der kritische Druckabfall. Ein solcher Abfall kann auch visuell dadurch dargestellt werden, daß innerhlb des Flammenstrahles 38 in Fig. 2a Stoß-Rhomben (shock diamonds) 40 beobachtet werden. Um beste Flamm-Spritzresultate zu erreichen, sollte die ionisierte Zone (die Länge des Lichtbogens, der sich über den Düsenausgang 34a hinaus erstreckt) wenigstens viermal so groß sein wie der Durchmesser des Düsen-Durchlasses (der Bohrung 31a).
Die Vorrichtung, die in den Fig. 2a, 2b dargestellt ist, betrifft das Flammspritzen von pulverförmigem Material, wie dies durch den Pfeil P in Fig. 2a angedeutet ist. Die vorliegende Erfindung ist darüber hinaus in der Lage, Material in Draht- oder Stangenform zu spritzen, um Flammspritz-Beschichtungen von hoher Qualität zu erzeugen. Aufgrund einer unwirtschaftlichen Draht-Atomisierung durch Plasmastrahlen von niedriger Geschwindigkeit, wie durch den Strahl 25 der Vorrichtung nach Fig. 1, ist es tatsächlich bis jetzt nicht möglich gewesen, Draht beim Plasmaspritzen praktisch zu verwenden.
Die Fig. 3a und 3b stellen zwei verschiedene Stellungen des Drahtes zum Plasmastrahl dar, die beide aufgrund der stark ausgedehnten Lichtbogenzone angewendet werden können. Fig. 3a zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform nach den Fig. 2a, 2b und stellt eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar. Ein Draht 50 liegt zwischen einem Paar von Förderrollen 51, die entsprechend den Pfeilen angetrieben sind, was dazu führt, daß der Draht langsam in Richtung des Pfeiles 28 in den Plasmastrahl 37 eingeführt wird und zwar unter einem gegebenen Winkel θ &sub1;. Es wurde gefunden, daß der Draht 50, der so nahe am Düsenausgang 34a der Düse 34 innerhalb des Gehäuseteiles 31 angeordnet wird, einen hohen Anteil der gesamten Lichtbogen-Anodenerwärmung aufnimmt. Dies führt zu sehr hohen Abschmelzungen. Für viele Metalle ist dies die bevorzugte Geometrie der Anordnung. Für andere Werkstoffe kann eine solche intensive Erhitzung zu einer Überhitzung führen und zu einer unerwünschten Verdampfung. Wenn z.B. Zinkdraht verspritzt wird, dann würde bei der Anordnung nach Fig. 3a eine große Wolke von feinen Partikeln weißen Zinkoxides erzeugt werden. Legierungen, die kritische Verhältnisse ihrer Bestandteile umfassen, können stark beschädigt werden.
Fig. 3b zeigt eine weitere Ausführungsform 10 von grundsätzlich derselben Vorrichtung wie die Vorrichtung 10 nach den Fig. 2a, 2b; die Vorrichtung nach der Fig. 3b ist jedoch insofern abgeändert, daß die Partikel nicht über ein Rohr 27 und einen Durchlaß 27', wie bei der genannten Ausführungsform, zugeführt werden, sondern daß ein Draht oder eine Stange 50 in Richtung des Pfeiles 28 durch ein Paar angetriebener Förderrollen 51 zugeführt wird, die in Richtung der Pfeile angetrieben werden und die die Stange oder den Draht 50 unter einem gewissen Druck zwischen sich aufnehmen. Durch Verwendung eines kleinen, spitzen Winkels θ&sub2; im Gegensatz zum größeren Winkel θ&sub1; bei der Fig. 3a, zeigt die Vorrichtung nach der Fig. 3b eine bevorzugte Draht-Zuführart für viele niedrigschmelzende Materialien und für kritische Legierungsmaterialien. Der Eintrittspunkt für das vordere Ende des Drahtes oder der Stange 50 liegt ferner nahe am Ende der ionisierten Zone, d.h. des verlängerten Lichtbogens 37 und dies führt zu einer lediglich geringeren Anoden-Erwärmung Das Ergebnis der Verwendung dieser Anordnung, wie sie schematisch in Fig. 3b dargestellt ist, ist im Gegensatz zu der Anordnung gemäß Fig. 3a ähnlich der Erhitzung mit heißen Gasen mit nur geringer Überhitzung der atomisierten, geschmolzenen Tröpfchen. Unter diesen Bedingungen erzeugt ein Zink-Draht keine dichte Rauchwolke.
Um die Geschwindigkeit des Draht-Spritzens zu erhöhen, kann man mehr als einen Draht in die verlängerte, ionisierte Zone einführen. Beispielsweise können die Betriebsarten, die in den Fig. 3a, 3b dargestellt sind, gleichzeitig verwendet werden. In manchen Fällen ist es vorteilhaft, drei oder mehr Drähte gleichzeitig in den Strahl einzuführen, um ein Maximum an Abschmelz-Mengen zu erzielen.
Anstelle dessen, daß mehrere Drähte in die ionisierte Zone, d.h. in die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule 37 eingeführt werden, kann die Vorrichtung auch so ausgelegt werden, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Bei der dort dargestellten Vorrichtung wird ein Streifen 60 aus Metall oder einem anderen Material schräg in die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule 37 in Richtung des Pfeiles eingeführt, wobei der Streifen 60 in derselben Art bewegt wird wie bei den Fig. 3a, 3b und zwar dadurch, daß er zwischen einem Paar von angetriebenen Rollen oder Rädern (nicht dargestellt) eingeklemmt ist. Versuche haben bestätigt, daß die Abschmelzgeschwindigkeiten beträchtlich größer sind als bei einem Draht bei einer Vorrichtung nach den Fig. 3a, 3b. Es sollte festgestellt werden, daß aufgrund der hohen Spannung und des hohen Stromes, der bei der Erzeugung des Lichtbogens angewendet wird und der daraus entstehenden verfügbaren Hitze die Abschmelzgeschwindigkeit erheblich verbessert wird. Bei einer Versuchsreihe, die bei einem Leistungsniveau von 50 kW durchgeführt worden ist, hatte der optimale Streifenquerschnitt für einen Streifen aus rostfreiem Stahl eine Dicke von 2,4 mm und eine Breite von 20 mm.
Bei der Erfindung werden besonders hohe Spannungen verwendet, wobei der Vorteil entsteht, daß man für eine gegebene Leistung ein niedriges Ampère-Niveau haben kann. Bei einem Leistungsniveau von 80 kW, sind 400 Amp viel verläßlicher in ihrer Verwendung als ein Strom von 1000 Amp. Insbesondere werden Düsen-Anodenprobleme bei der Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung erheblich vermindert. Bei den hohen, erreichten Geschwindigkeiten, bei denen die Geschwindigkeiten des Flammenstrahls der Atomisierung des Drahtes entsprechen, macht es wenig Sinn, die Abschmelzgeschwindigkeit durch einen weiteren Leistungsanstieg der Vorrichtung zu erhöhen.
Fig. 5 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der die Vorrichtung 10 nach den Fig. 2a, 2b verwendet wird. In diesem Falle fehlen wieder das Rohr 27 und der Durchlaß 27' sowie die Zufuhr der Materialien in pulverisierter Form wie bei P in Fig. 2a; an der Vorrichtung 10 sind vielmehr zwei Drähte 71, 72 zuführbar gelagert und zwar für einen Durchlaß in die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule 37 zu zwei verschiedenen Stellungen längs der verlängerten, ionisierten Lichtbogensäule. Zusätzlich wird der Auslaß einer mit niedrigen Spannung arbeitenden Schweißmaschine an die zu schmelzenden und auf ein Trägermaterial aufzuspritzenden Drähte angelegt. Eine Gleichstromquelle 70 ist schematisch dargestellt, die den eben erwähnten Auslaß einer mit niedriger Spannung arbeitenden Schweißmaschine darstellen kann; sie ist über die Leitungen 76, 77 an die Drähte 71, 72 angeschlossen. Der Plasma-Lichtbogen erstreckt sich zu dem Draht 72 mit dem Masse-Potential, der längs des Plasmastrahles weiter von dem Düsenausgang entfernt ist. Darüber hinaus wird ein zusätzlicher Lichtbogen 73 zwischen den sich annäherenden Enden der beiden Drähte 71, 72 in der Nähe der verlängerten, ionisierten Lichtbogensäule 37 erzeugt und dieser zusätzliche Lichtbogen addiert seine Elektrodenverluste direkt den Drähten 71 und 72 hinzu, was zu einem weiteren Anstieg der Abschmelzgeschwindigkeit führt. Der elektrische Schaltkreis ist so, daß die Düsenanode 31 und der stromabwärtige Draht 72 eine gemeinsame Masse bilden, da das Zuführrohr 78 als Führung für den stromabwärtigen Draht 72 dient und mit dem Gehäuseteil 31 mechanisch und durch eine Leitung 79 elektrisch verbunden ist, die die Düsenanode darstellt. Der Draht 71 wird zur zweiten Kathode (zur Kathodenelektrode 32> der Vorrichtung 10 in Fig. 2 und der Draht 71 muß bei Durchgang durch das Gehäuseteil 31 von diesem elektrisch isoliert sein. In dieser Beziehung trägt ein elektrisch isolierendes Führungsrohr 75 Draht 71 verschiebbar, wobei das elektrisch isolierende Rohr 75 innerhalb eines schrägen Loches 80 fest angeordnet ist, das innerhalb des Gehäuseteiles 31 eingeformt ist. Die Drähte sind wiederum in den Richtungen angetrieben, wie sie durch die jeweiligen Pfeile angedeutet sind und zwar durch die Antriebsrollen 51, die die Drähte zwischen sich aufnehmen und die axial in die ionisierte Lichtbogensäule 37 vorschieben. Die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule 37, die in diesem Falle die Haupt-Lichtbogensäule ist, stellt den ionisierten Weg zum Erregen des Elektronenflusses vom Draht 71 zum Draht 72 dar. Das heißt, der Lichtbogen 37 wird zunächst aufgebaut und danach werden die Drähte 71 und 72 in den Lichtbogen 73 hineingestoßen und befinden sich in einem Abstand von 6 mm voneinander.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit der Vorrichtung, gleichzeitig sowohl Drähte als auch Pulvermaterial zu verspritzen. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung 10 das Rohr 27 und den Durchlaß 27a behalten und gleichzeitig paarweise Rollen, wie z.B. 51, zum Zuführen eines Drahtes 50 in Fig. 3a in die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule 37 aufweisen. Auf diese Weise hat jede Art des Aufspritzens ihre eigenen Eigenschaften und die Kombination der dargestellten Ausführungsformen kann einzigartige Ergebnisse erzeugen. Ein Draht, der verspritzt werden soll, muß vollständig geschmolzene Partikel erzeugen oder Partikel, die durch die Hitze lediglich angeweicht sind. Der Draht kann höhere Festigkeiten und Beschichtungsdichten erzeugen; ein höheres Temperaturniveau kann jedoch auch zu einer Oxidation oder zu einer anderen Beschädigung des Materials führen.
Dort, wo ein extrem hohes Leistungsniveau benötigt wird, ist es notwendig, die Geometrie einer Ausführungsform zu verwenden, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Der Grund für die komplexere Geometrie kann am besten aus der ersten Ausführungsform nach den Fig. 2a, 2b ersehen werden. Um eine höhere Leistung zu erzielen, muß entweder der Strom oder die Spannung des Lichtbogens erhöht werden. Wenn der Strom erhöht wird, dann bewegt sich der Anlaufpunkt des Lichtbogens zurück in den Düsendurchlaß 34 hinein, wobei axial die Spannung vermindert wird. Eine erhöhte Spannung kann durch eine Steigerung der Gasströmung erzielt werden. Der Gasdruck innerhalb der Vorrichtung 10 kann jedoch bei dieser Ausführungsform zu einem schnellen Verbrauch der Kathode 32 führen.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 arbeitet die verbesserte Plasma-Spritzvorrichtung 10'' nach dieser Ausführungsform in derselben Weise wie die Spritzvorrichtung 10 nach den Fig. 2a, 2b. Ein tassenförmiges1 zylindrisches und elektrisch isolierendes Gehäuseteil 30' lagert koaxial eine Kathodenelektrode 60' in derselben Weise wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung in der Weise, daß dieses Gehäuseteil durch ein zweites Gehäuseteil 61 abgeschlossen ist, das die Anoden-Elektrode für die Spritzvorrichtung 10'' darstellt. In Fig. 6 ist die Kathode 60' durch eine Leitung 67 mit einer Gleichstromquelle 59 verbunden, während eine Leitung 58 zum zweiten Gehäuseteil 61 führt. Die Ausführungsform nach Fig. 6 zeigt, nebenbei bemerkt, die Art, in der die Potentialdifferenz zwischen der Kathode und der Anode bei allen Spritzvorrichtungen einschl. der bekannten nach Fig. 1 angelegt wird. Ähnlich wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 2a, 2b fließt ferner ein Primärgas G aus einem Rohr 26 durch dine tangential verlaufende Bohrung 33 in die Ringkammer 41 ein, die zwischen der Kathodenelektrode 60' und der Innenwand des isolierenden Gehäuseteiles 30' ausgebildet ist. Der sich konisch verjüngende Abschnitt 35 leitet wiederum die verwirbelte Gasströmung glatt in die Düse des Durchlasses 55 mit vermindertem Durchmesser am stromaufwärtigen Ende des zweiten Gehäuseteiles 61 ein, das für die Spritzvorrichtung 10'' als Anoden-Elektrode wirkt. Das zweite Gehäuseteil 61 ist aus zwei, axial getrennten, leitfähigen Bauteilen zusammengesetzt, nämlich aus einem stromaufwärts gelegenen Teil 6la und einem stromabwärts gelegenen Teil 61b. Am Umfang des zweiten Gehäuseteiles 61 sind bei 64 ringförmige Nuten eingeformt, die einen Ring 52 von kurzer Länge aufnehmen, der aus einem elektrisch isolierenden Material ähnlich dem besteht, aus dem der erste Gehäuseteil 30a der Plasma-Spritzvorrichtung 10'' besteht. Der Ring 52 isoliert mit 69a des zweiten Gehäuseteile 61 vom Abschnitt 61b. Im technischen Sinne steht daher die Leitung von der positiven Seite der Batterie mit dem stromabwärts gelegenen Bauteil 61b des zweiten Gehäuseteiles 61 in Verbindung. Der sich konisch verjüngende Abschnitt 35 führt zu einer axialen Bohrung 62, die einen ersten, stromaufwärts gelegenen Düsendurchlaß 55 im Bauteil 6la des Gehäuseteiles 61 bildet und eine erste Düse darstellt. Das zweite Bauteil 61b des Gehäuseteiles 61 bildet eine zweite Düse und ist mit einer Bohrung 63 versehen, die einen zweiten Düsendurchlaß 56 bildet, wobei das stromaufwärtige Ende des zweiten Düsendurchlasses 56 nach außen abgeschrägt ist, um einen sich konisch verjüngenden Abschnitt 65 für den Gasströmungsdurchlaß zu bilden. Das stromabwärts gelegene Bauteil 6lb des zweiten Gehäuseteiles 61 bildet auf diese Weise eine zweite Düse, die axial von der ersten, stromaufwärts gelegenen Düse 61a entfernt ist. Der Anodenbereich 53 dieser Vorrichtung ist dem Auslaß 56a des Durchlasses 56 benachbart, wobei die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule 52' sich um ein Maß in die Atmosphäre hinein erstreckt, dessen Länge gleich mehreren Durchmessern des Düsendurchlasses ist. Die erste Düse 6a floatet elektrisch und wirkt einfach zur Erhöhung der Lichtbogenspannung durch Verlängerung der ionisierten Lichtbogensäule 52'. In den meisten Fällen hat die Bohrung 62 des ersten Düsenbauteiles 61a einen größeren Durchmesser als die Bohrung 63, die jeweils den ersten und zweiten Düsendurchlaß 55, 56 bilden.
Es ist wichtig festzustellen, daß bei dem Verfahren und bie der Vorrichtung ein Sekundärgas verwendet wird, das durch den Pfeil G' angedeutet ist und das in die zylindrische Kammer eingeleitet wird, die durch die axial voneinander entfernten Wände der stromaufwärtigen und stormabwärtigen Düsenbestandteile 61a, 61b und den elektrisch isolierenden Ring 52 gebildet wird, der diese beiden Bauteile miteinander verbindet, sie jedoch auf einen gewissen Abstand voneinander hält. Das Sekundärgas wird über ein Rohr 63 zugeführt, das zu einer tangentialen Bohrung 68 mit kleinem Durchmesser führt, die sich ihrerseits tangential in die zweite Gaskammer 66 öffnet. Das Sekundärgas G' und das Primärgas G können aus demselben Gas bestehen, das lediglich an zwei verschiedenen, voneinander getrennten Punkten innerhalb der Vorrichtung eingeleitet wird, wobei beide Gase mit der verlängerten, ionisierten Lichtbogensäule 52 austreten und diese stützen. Die Partikel können in den Plasma-Gasstrom stromaufwärts oder am Ende der verlängerten, ionisierten Lichtbogensäule 52 in derselben Art wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen eingeführt werden.
Für eine gegebene Lichtbogen-Düsenlänge und einen gegebenen Durchmesser ist es relativ einfach, die optimale Gasströmung zu bestimmen. Diese Strömung ist diejenige, bei der sich durch einen Versuch herausstellt, daß sie die ionisierte Lichtbogensäule 37 über den Düsenauslaß hinaus verlängert, aber dennoch das meiste des Anoden-Lichtbogenbereiches innerhalb der Düsenbohrung hält, wie dies bei 80a bei der Ausführungsform nach Fig. 3b dargestellt ist. Eine zu große Anodenwirkung auf die offene Stirnfläche des zweiten Gehäuseteiles 61 außerhalb des Düsenauslasses führt zu einem schnellen Verschleiß. Eine gewisse Anodenwirkung in der unmittelbaren Umgebung des Düsenauslasses deutet auf eine optimale Wirkung hin.
Der Weg zur Bestimmung der optimalen Gasstrdmung besteht darin, die Veränderung der Lichtbogenspannung in bezug auf den Gasdruck zu messen. Die Darstellung in Fig. 7 zeigt einen typischen Fall für einen stromabwärtigen Düsenteil 61b, der eine Düsenbohrung 63 von 5 mm Durchmesser hat. Die Kurve gemäß Fig. 7 stellt den Anstieg der Spannung über dem Gasdruck dar, wobei der letztere anhand der Messung der Gasströmung festgestellt wird. Bei dem Beispiel, das in der Darstellung nach Fig. 7 gezeigt ist, war das verwendete Gas Stickstoff. Zwischen den Punkten A und B der Kurve steigt die Spannung stetig und gleichmäßig an. Hinter dem Punkt B verursacht ein kleiner Anstieg der Strömung einen schnellen Anstieg der Spannung, also zwischen den Punkten B und C der Kurve. Unter den Bedingungen, wie sie jenseits des Punktes B vorherrschen, beginnt die Bogenanode, aus der Düsenbohrung 63 auszutreten. Nahe am Punkt B befindet sich die meiste Anoden-Wirkung noch innerhalb der Düsenbohrung. Optimale Bedingungen herrschen in dem Bereich, der in der Darstellung in Fig. 7 gestrichelt ist bei einem Gasdruck zwischen 11,5 und 12 bar (165 - 170 psi).
Dieser einfache Indikator für eine optimale Wirkung ist eine strenge Konstruktionsbegrenzung. Beispielsweise hat die Stromquelle (ein Silikon-Gleichrichter) eine maximale Betriebsspannung von 200 Volt. Die maximale Stromstärke ist 400 Amp. Die maximale Leistungsabgabe bei 100% Einschaltdauer ist 80 kW. Es ist eine schwierige Aufgabe, die Vorrichtung unter diesen maximalen Bedingungen zu betreiben und dennoch die Lebensdauer der Düse möglichst groß zu halten, während eine Strahlgeschwindigkeit erzeugt wird, die am Ausgang Uberschallgeschwindigkeit aufweist. Als erstes wird ein vernünftiger Düsendurchmesser und eine entsprechende Länge ausgewählt. In einem Fall war der gewählte Düsendurchmesser 4 mm bei einer Düsenlänge von 25 mm. Wenn die Stickstoffströmung anstieg, stieg die Lichtbogenspannung mit verminderter Geschwindigkeit an und erreichte ein Maximum von 160 Volt. Der Anodenfleck konnte nicht über den Düsenausgang hinaus verlagert werden. Eine mögliche Abwandlung bestand darin, die Düsenlänge zu vermindern. Die andere bestand darin, bei konstanter Düsenlänge den Düsendurchmesser leicht zu erhöhen. Die letzte Möglichkeit wurde gewählt und die Ergebnisse sind graphisch in Fig. 7 dargestellt.

Claims

1. Verfahren zum Plasma-Lichtbogenspritzen, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

Einleiten eines ein Plasma produzierenden Gases in eine Kammer (41), die eine erste Elektrode (32) enthält und Weiterleiten des Gases von der Kammer (41) durch eine Spritzdüse, die eine zweite Elektrode (34) bildet, und einen Elektroden-Düsendurchlaß (31a) enthält, der mit der ersten Elektrode (32) ausgerichtet, aber von ihr entfernt ist,

Erzeugen eines elektrischen Lichtbogens zwischen der ersten Elektrode (32) und der zweiten Elektrode (34), um einen Plasma-Flammenstrahl (37) zu erzeugen, der aus dem Düsendurchlaß (31a) austritt,

Zuführen von zu schmelzendem Material (50) in den Flammenstrahl (30) und Beschleunigen des Materials innerhalb des Flammenstrahles (37) zum Beschichten eines vor und stromabwärts des Düsenauslasses angeordneten Trägerwerkstoffes (31) durch Beaufschlagen,

Zuführen des ein Plasma produzierenden Gases in die zylindrische Kammer (31) tangential und um die mittlere, axial vorstehende Elektrode herum, so daß eine Wirbel-Strömung des ein Plasma produzierenden Gases innerhalb der Kammer (31) entsteht, Veranlassen der Wirbelströmung dazu, glatt durch einen sich konisch verengenden und am Eintrittsende des Düsendurchlasses angebrachten Übergangsabschnitt (35) zu fließen, um auf diese Weise einen Kern niedrigen Druckes in der Gasströmung zu erzielen, der sich durch den Elektroden-Düsendurchlaß (31a) hindurch erstreckt, wodurch im Elektroden-Düsendurchlaß (31a) eine verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule entsteht und

Einstellen der Geschwindigkeit der Gasströmung und des Lichtbogenstromes so, daß ein verlängerter, ionisierter Lichtbogen mit Uberschallgeschwindigkeit erzeugt wird, der sich über das Ende der Düse hinaus erstreckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den weiteren Schritt des Einführens des zu spritzenden Materials (50) an einem Punkt längs der verlängerten, ionisierten Lichtbogensäule (37) außerhalb des Endes der Düse (31a).

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Schritt des Einführens des zu spritzenden Materials (50) in die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule (37) das Zuführen wenigstens eines, aus einem solchen Material bestehenden Drahtes schräg in die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule in Richtung der Gasströmung hinein, umfaßt, um ihn zu atomisieren und zu verspritzen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, das den weiteren Verfahrensschritt des Zuführens wenigstens einer separaten Strömung von Material in Pulverform in die Gasströmung durch den Elektroden-Düsendurchlaß (31a) umfaßt.

5. Verfahren nach Ansprudh 3, wobei der Schritt des Zuführens wenigstens einen Drahtes eines Materials, das flammgespritzt werden soll, das Zuführen von zwei Drähten (71, 72) schräg in die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule stromabwärts des Düsendurchlasses umfaßt, wobei die Drähte aus elektrisch leitfähigem Material bestehen und wobei das Verfahren ferner einen Schritt umfaßt, bei dem die beiden Drähte einer elektrischen Potential-Differenz unterworfen werden, um zwischen den Enden der Drähte, die in die verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule hineingefördert werden, eine Sekundär-Lichtbogensäule zu erzeugen, wobei der Sekundärlichtbogen gezwungen wird, gleichzeitig mit der verlängerten, ionisierten Lichtbogensäule zu strömen, die aus dem Düsendurchlaß der Vorrichtung ausströmt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend die Schritte des Vorbeschichtens der Partikel des Pulvers mit einer dünnen Schicht eines benetzbaren Materials vor ihrer Berührung mit der verlängerten, ionisierten Lichtbogensäule (37) und des nachfolgenden Erhitzens der vorbeschichteten Pulverpartikel nur insoweit, wie dies benötigt wird, um die Partikel an den geschmolzenen Tropfen anhaften zu lassen, die aus den Materialien gebildet werden, aus denen die Drähte bestehen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 6, wobei die Partikel aus Industrie-Diamanten bestehen, die mit einem Nickel enthaltenden Material oder mit Silikon-Karbid beschichtet sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei Partikel in einen Plasma-Lichtbogen-Spritzflammenstrahl (37) als Kern eines kontinuierlich zugeführten Metallbleches in den Plasma-Lichtbogenspritzstrahl schräg eingeführt werden in Richtung des Spritzens und wobei sich der Strahl mit dem Blech coplanar zu der Achse des Plasmalichtbogen-Spritzflammenstrahles schneidet.

9. Vorrichtung zum Plasma-Lichtbogenspritzen mit folgenden Teilen:

einer Kammer (41), die eine erste Elektrode (32) enthält,

einer zweiten Elektrode (31), die von der ersten Elektrode (32) isoliert ist, wobei die zweite Elektrode (31) einen Elektroden-Düsendurchlaß (31a) aufweist, der mit der ersten Elektrode (32) ausgerichtet, von ihr aber entfernt ist,

Mitteln (26, 33) zum Einführen eines ein Plasma produzierenden Gases in die Kammer (41),

Mitteln (57, 58, 59) zum Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode (32) und der zweiten Elektrode (31), um eine Plasma-Lichtbogenflamme zu erzeugen, die aus dem Düsendurchlaß (31a) austritt, wobei

die Mittel (26, 33) zum Einführen des ein Plasma produzierenden Gases in die Kammer (41) Mittel umfassen, mit deren Hilfe das Gas tangential in die zylindrische Kammer (41) und um die mittig angeordnete, sich axial erstreckende erste Elektrode herum eingeführt wird, um auf diese Weise eine Wirbelströmung des ein Plasma produzierenden Gases in der Kammer (41) zu erzeugen,

wobei der Düsendurchlaß (31a) zum Bilden eines Kernes niedrigen Druckes in der Gasströmung, die sich durch den Düsendurchlaß (31a) erstreckt, einen sich konisch verjüngenden Ubergangsabschnitt (35) an seinem Eintrittsende aufweist, wodurch eine ionisierte Lichtbogensäule aufgebaut wird, die sich durch den Düsendurchlaß (31a) hindurch erstreckt und

Mitteln zum Einstellen der Gasströmung und des Lichtbogenstromes so, daß eine verlängerte, ionisierte Lichtbogensäule mit Überschallgeschwindigkeit erzeugt wird, die sich über das Auslaßende (34a) der Düse hinaus erstreckt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, die zusätzlich Mittel zum Zuführen von Material in den Lichtbogen umfaßt, die aus einem Paar einander gegenüberliegender, angetriebener Rollen (51) bestehen, die zwischen sich einen Draht (50) aus dem Zuführmaterial aufnehmen und den Draht schräg in den Weg des verlängerten, ionisierten Lichtbogens (37) in Richtung des Strahles bewegen.