[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Plasmaspritzverfahrens
unter erschwerten Bedingungen.
[0002] Beim atmosphärischen Plasmaspritzen wird ein gasförmiger Schutzmantel aufgebaut,
der aus einer ringförmigen Düse vor der Frontseite der Plasmapistole austritt und
auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet ist. Der Nachteil besteht jedoch darin,
dass das austretende Gas für den Schutzmantel mit der umgebenden Atmosphäre verwirbelt,
wodurch es zu Reaktionen mit den schmelzflüssigen Pulverpartikeln im Plasmastrahl
kommt. Dies ist insbesondere bei sauerstoffempfindlichen Materialien der Fall. Die
Grenze der zu verwendenden Beschichtungswerkstoffe für das Gasmantelspritzverfahren
ist durch die Reaktionszeit der Elemente der umgebenden Atmosphäre mit dem schmelzflüssigen
Werkstoff gegeben, das heisst durch einen metallographischen Schliff und dessen Untersuchung
kann die unerwünschte Phasenbildung fetgestellt werden. Darüberhinaus hat das konventionelle
atmosphärische Plasmaspritzen insbesondere in Bezug auf die Arbeitsplatz- und Umweltverträglichkeit
erhebliche Nachteile. Die hohen Temperaturen bis ca 20.000
oC bewirken eine starke Strahlung, sodass nur mit entsprechendem Körperschutz gearbeitet
werden darf. Der Lärmpegel liegt aufgrund der hohen Plasmageschwindigkeit bei ca 120
dBa, das heisst es muss in einer Schallkabine gearbeitet werden und das Personal steht
ausserhalb der Kabine oder das Personal muss Ohrenschützer tragen. Darüberhinaus entstehen
verfahrensbedingt Spritzpulververluste, die durch eine aufwendige Absaugung nach
den Richtlinien der TA-Luft entsorgt werden müssen.
[0003] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Durchführung des Plasmaspritzverfahrens unter erschwerten Bedingungen zu schaffen,
insbesondere die Verarbeitung von Werkstoffen zu ermöglichen, die bisher nur im Versuch
verarbeitet werden konnten.
[0004] Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass bei der erfindungsgemässen Vorrichtung
um die Austrittsöffnung der Anode, aus der der Plasmastrahl austritt, eine Ringdüse
mit definiertem Ringspalt angeordnet ist, durch die Wasser mit mindestens 6 bar gedrückt
wird und der Durchmesser der Ringdüse mindestens das fünffache des Plasmastrahldurchmessers
beträgt.
[0005] Vorteilhaft beträgt die Temperatur des aus der Ringdüse austretenden Wassers, das
zweckmässig einen pH von 7 und eine Gesamthärte von 3
o Deutsche Gesamthärte besitzt, etwa 32
oC.
[0006] Der Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass durch den absolut
dichten Wassermantel auch bei sehr hohen Pulvergeschwindigkeiten im Plasmastrahl
und unter Verwendung sehr reiner Gase ähnliche Verhältnisse wie in einer Vakuumkammer
zum Flammspritzen geschaffen werden können. Durch den dichten Abschluss des Wassermantels
entsteht quasi eine Kaverne und die hohen Geschwindigkeiten der Gase führen zu einem
Einschnüren des Wassermantels auf der Wasseroberfläche, sodass auch sauerstoffaffine
Werkstoffe verarbeitet werden können.
[0007] Das Wasser bindet darüberhinaus die Spritzpulververluste und es lässt keine schädliche
Strahlung für das Bedienungspersonal nach aussen treten und die Schallquelle ist durch
den dichten Wassermantel abgedeckt.
[0008] In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Plasmaspritzpistole
11 mit teilweisen Schnitten dargestellt, wobei die Plasmaspritzpistole 11 an der Vorderseite
eine Anode 12 trägt, aus deren Austrittsöffnung 13 der Plasmastrahl 14 austritt und
auf das Werkstück 15 auftrifft. Um die Anode 12 ist eine Ringdüse 16 mit einem definierten
Ringspalt 17 angeordnet. Die Grösse des Ringspalts 17 ist nicht kritisch, sondern
muss nur so eingestellt sein, dass aus dem vorderen Ende 18 der Ringdüse 16 ein zusammenhängender
Wasserstrahl oder Wassermantel 19 austritt. Zur Erleichterung der Bildung des Wassermantels
19 ist die äussere vom Plasmastrahl abgewandte Seite 20 der Ringdüse 16 länger als
die innere Düsenwand 21. Das vordere Ende 18 der Ringdüse 16, welche den Ringdüsenaustritt
darstellt, ist zwischen 50 und 100 mm vom Plasmastrahlaustritt 13 aus der Anode 12
entfernt. U
[0009] Um einen möglichst gleichmässigen Wassermantel 19 zu erhalten, ist der Ringspalt
17 am pistolenseitigen Ende der Ringdüse 16 mit vier gleichmässig über den Umfang
der Ringdüse 16 verteilten Einlassöffnungen 22 verbunden. Es ist jedoch auch möglich
mehr oder weniger Einlassöffnungen 22 vorzusehen, was teilweise auch von dem zur Verfügung
stehenden Wasserdruck abhängt.
[0010] Die besten Ergebnisse werden erhalten, wenn der Durchmesser des Ringdüsenaustritts
18 mindestens das fünffache des Durchmessers des Plasmastrahls 14 beträgt und das
Wasser eine Temperatur von 32
oC sowie eine pH von 7 und 3
o Deutsche Gesamthärte besitzt. Diese Werte können aber auch dem Material des Spritzpulvers
entsprechend verändert werden.
[0011] Der Wassermantel unterstützt die optimale Temperatureinstellung der zu beschichtenden
Werkstückoberfläche 15, um die spezifischen Bindemechanismen beim Plasmaspritzen weitgehend
zu nutzen. Durch den auf das Werkstück 15 auftreffenden Wassermantel wird eine gleichmässige
Wärmeabfuhr rund um den Auftreffpunkt der schmelzflüssigen Pulverpartikel gewährleistet
und eine Oxydation der Oberfläche des Werkstücks 15 durch die hohe Temperaturbelastung
des Plasmastrahls wird weitgehend vermieden.
[0012] Die erfindungsgemässe Vorrichtung erlaubt auch ohne weiteres eine hohe Werkstücktemperatur
bei besonderen Werkstoffen, ohne dass eine Oxydation der Oberfläche eintritt. Die
Verhältnisse sind somit dem dem Vakuum-Plasmaspritzen vergleichbar, denn das auf die
heisse Werkstückoberfläche auftreffende Wasser verdampft sofort und hat keinen Einfluss
auf die aufzubringende Schutzschicht. Die hohe Geschwindigkeit des Plasmastrahls
und der damit verbundene Einschnüreffekt des Wassermantels an der Auftreffstelle
der aufgeschmolzenen Pulverpartikel sorgen für einen gleichmässigen, dichten Schichtauftrag.
1) Vorrichtung zur Durchführung des Plasmaspritzverfahrens unter erschwerten Bedingungen,
bei dem um die Austrittsöffnung (13) der Anode (12), aus der der Plasmastrahl (14)
austritt, eine Ringdüse (16) mit definiertem Ringspalt (17) angeordnet ist, durch
die Wasser mit mindestens 6 bar gedrückt wird und der Durchmesser des Ringdüsenaustritts
(18) mindestens das fünffache des Plasmastrahldurchmessers beträgt, wodurch um den
Plasmastrahl (14) ein Wassermantel (19) entsteht.
2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wassermantels
(19) etwa 32 oC beträgt.
3) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser des
Wassermantels (19) einen pH von 7 und mindestens 3o Deutsche Gesamthärte besitzt.
4) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
äussere vom Plasmastrahl (14) abgewandte Seite (20) des Ringdüsenaustritts (18) länger
ist als die innere Ringdüsenwand (21).
5) Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringdüsenaustritt
(18) zwischen 50 und 100 mm vom Plasmastrahlaustritt (13) aus der Anode (12) entfernt
ist.