Verfahren und Vorrichtung zum Kaltgasspritzen

Abstract

 Erfindungsgemäß wird der Kaltgasspritzprozess in einer Vakuumkammer bei einem Druck, der unterhalb von 800 mbar(80 kPa) liegt, ausgeführt. Dazu befindet sich die Kaltgasspritzpistole (3) sowie das Werkstück (5) in einer Vakuumkammer (4). Dies ermöglicht den Einsatz von optimal wirkenden Trägergasen wie beispielsweise Helium oder heliumhaltigen Mischungen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Werkstück oder eines Formteils in einem Kaltgasspritzprozess, wobei ein Trägergas und pulverförmige Spritzpartikel in einer Kaltgas-Spritzpistole entspannt werden und die Spritzpartikel dabei auf hohe Geschwindigkeiten, zum Beispiel von bis zu 2000 m/s, gebracht werden.

[0002] Es ist bekannt, auf Werkstoffe unterschiedlichster Art Beschichtungen mittels thermischen Spritzens aufzubringen. Bekannte Verfahren hierfür sind beispielsweise Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen. In jüngerer Zeit wurde ein Verfahren entwickelt, das sog. Kaltgasspritzen, bei welchem die Spritzpartikel in einer Kaltgas-Spritzpistole in einem "kalten" Gasstrahl auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Die Beschichtung wird durch das Auftreffen der Partikel auf dem Werkstück mit hoher kinetischer Energie gebildet. Beim Aufprall bilden die Partikel, die in dem "kalten" Gasstrahl nicht schmelzen, eine dichte und fest haftende Schicht, wobei plastische Verformung und daraus resultierende lokale Wärmefreigabe für Kohäsion und Haftung der Spritzschicht auf dem Werkstück sorgen. Ein Aufheizen des Trägergasstrahls erwärmt die Partikel zur besseren plastischen Verformung beim Aufprall und erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und somit auch die Partikelgeschwindigkeit. Die damit verbundene Gastemperatur kann bis zu 800 °C betragen, liegt aber deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungswerkstoffs, so dass ein Schmelzen der Partikel im Gasstrahl nicht stattfindet. Eine Oxidation und/oder Phasenumwandlungen des Beschichtungswerkstoffes lassen sich somit weitgehend vermeiden. Die Spritzpartikel werden als Pulver zugegeben, indem die Partikel mit einem Hilfsgasstrom in den Hauptgasstrom gefördert werden. Das Pulver umfasst dabei üblicherweise Partikel mit einer Größe von 1 bis 50 µm. Die hohe kinetische Energie erhalten die Spritzpartikel bei der Gasentspannung. Im allgemeinen wird das Gas nach der Injektion der Spritzpartikel in den Hauptgasstrahl in einer Düse entspannt, wobei Trägergas und Spritzpartikel auf Geschwindigkeiten über Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Aber auch eine Injektion der Spritzpartikel in den bereits beschleunigten Hauptgasstrahl wird praktiziert. Ein solches Verfahren und eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen sind in der europäischen Patentschrift EP 0 484 533 B1 im einzelnen beschrieben.
Als Trägergase werden im allgemeinen Stickstoff, Helium und Stickstoff-Helium-Gemische verwendet. Für Haupt- und Hilfsgasstrom kann dabei das gleiche Gas oder es können unterschiedliche Gase verwendet werden. Stickstoff, das am häufigsten verwendete Trägergas, eignet sich als inertes und preiswertes Gas gut für den Kaltgasspritzprozess. Luft hingegen kommt trotz seines hohen Stickstoffanteils aufgrund des Sauerstoffanteils nur für wenige Anwendungen in Betracht. Mit Helium als Trägergas werden, wie Grundlagenuntersuchungen zeigen, die höchsten Partikelgeschwindigkeiten erreicht. Da sehr große Mengen Trägergas benötigt werden, kommen in der Praxis jedoch nur Stickstoff-Helium-Gemische mit geringem Heliumanteil zum Einsatz.

[0003] Wirtschaftliche Gründe geben bei der Wahl des Trägergases aufgrund des außerordentlich hohen Trägergasverbrauchs den Ausschlag. So liegt der Verbrauch an Trägergas beim Kaltgasspritzen zwischen 40 und 150 m³/h. Der Gasverbrauch richtet sich dabei nach dem verwendeten Trägergas für Haupt- und Hilfsgasstrom und dem Material der Spritzpartikel. Versuche mit Helium als Trägergas haben gezeigt, dass, um 3 kg Spritzmaterial (z.B. McrAIY) zu verspritzen, ein Bündel Helium mit 110 m³ notwendig ist. Bei der Wahl des Trägergases stehen folglich wirtschaftliche Aspekte im Vordergrund, welche den Einsatz von verfahrenstechnisch optimalen Trägergasen nicht zulassen.

[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches die Auswahl eines für den Kaltgasspritzprozess optimalen Trägergases für Haupt- und Hilfsgasstrom erlaubt und das Verfahren des Kaltgasspritzens verbessert.

[0005] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kaltgasspritzprozess im Niederdruck bei Werten unterhalb von 800 mbar (80 kPa) ausgeführt wird. Dazu kann die Spritzpistole in dem Gehäuse einer Vakuumkammer angebracht sein, so dass sie in den Innenraum zielt oder es werden die Kaltgas-Spritzpistole und das zu beschichtende Werkstück beziehungsweise das Formteil in eine Vakuumkammer gebracht. Da sich nun die Kaltgasspritzpistole sowie das Spritzgut in einer Vakuumkammer befinden, findet der gesamte Spritzprozess unter Vakuumbedingungen statt. Damit erniedrigt sich der Verbrauch an Trägergas drastisch. Dadurch wird es möglich, das Trägergas nach seinen Eigenschaften und nicht nach seiner wirtschaftlichen Verfügbarkeit auszuwählen. Auch die Spritzpartikelgeschwindigkeit, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht wird, liegt deutlich über der Spritzpartikelgeschwindigkeit, welche mit analoger Anordnung unter Normalbedingungen erreicht wird. Durch die hohe Spritzpartikelgeschwindigkeit sind die Ergebnisse beim Kaltgasspritzen von hoher Qualität. Da bei dem erfindungsgemäßen Kaltgasspritzen unter Vakuumbedingungen der Luftwiderstand, welcher die Spritzpartikel nach dem Austreten aus der Kaltgas-Spritzpistole bis zum Erreichen des Spritzgutes bremst, nahezu entfällt, bleibt die hohe Spritzpartikelgeschwindigkeit, welche beim Austreten aus der Spritzpistole vorherrscht, bis zum Auftreffen auf das Werkstück erhalten. Aufgrund der hohen Partikelgeschwindigkeit wiederum ist die kinetische Energie der Partikel höher und ihre plastische Verformung beim Aufprall stärker. Dadurch entstehen sehr dichte und festhaftende Schichten. Auch der Abstand des Spritzgutes von der Spritzpistole kann, da die Spritzpartikel auf diesem Weg nicht durch den Luftwiderstand abgebremst werden, größer gewählt werden als unter Atmosphäre. Dies hat den Vorteil, dass alle Geometrien an Formteilen und Werkstücken beschichtet werden können. Darüber hinaus erlaubt das Kaltgasspritzverfahren unter Vakuumbedingungen auch die Verwendung eines breiten Spritzstrahls. Das Erhaltenbleiben der hohen Geschwindigkeiten der Partikel im Niederdruck bis hin zum Werkstück zeigt sich besonders ausgeprägt, wenn Werkstück und Spritzpistole einen Abstand von mehr als 60 mm aufweisen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Geschwindigkeit der Partikel direkt nach dem Verlassen der Spritzpistole noch zunimmt, bevor sich die Abbremsung durch die Umgebungsluft bemerkbar macht. Liegen die Spritzabstände über 60 mm zeigen sich die Vorteile des Niederdrucks und das damit verbundene Fehlen der Abbremsung deutlich. Spritzabständen von mehr als 60 mm erweisen sich als vorteilhaft, wenn große Werkstücke oder sehr viele Werkstücke beschichtet werden, da auf dem längeren Weg zum Werkstück hin der Spritzstrahl weiter auffächert und der aufgefächerte Strahl eine im Vergleich zum gebündelten Strahl großflächigere Beschichtung ermöglicht. Ferner können, wenn der Spritzabstand so groß gewählt wird, auch Werkstücke mit unebener Oberfläche, bei denen der Abstand zwischen Spritzpistole und Werkstoffoberfläche örtlich stark variiert, ohne Probleme beschichtet werden.

[0006] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Kaltgasspritzprozess bei einem Druck zwischen 1 und 500 mbar (0,1 bis 50 kPa), vorzugsweise zwischen 20 bis 100 mbar (2 bis 10 kPa) ausgeführt. Bei diesem Niederdruck sind die vorgenannten Vorteile des Kaltgasspritzen unter Vakuumbedingungen gegeben. Dieser Druckbereich wird mit handelsüblichen Vakuumpumpen problemlos erreicht.

[0007] Die Erfindung hat den großen Vorteil, dass nunmehr mit wesentlich kleinerem Aufwand gleich hohe Partikelgeschwindigkeiten erreicht werden oder mit gleichem Aufwand höhere Geschwindigkeiten. Benötigt man z.B. 40 bar, um unter Umgebungsdruck Partikel auf eine gewünschte Geschwindigkeit zu bringen, so reichen bei 500 mbar Druck in der Kammer 20 bar Gasdruck. Beim Sprühen in eine Kammer mit 100 bar reichen sogar 4 bar Gasdruck für die gleichen Effekte

[0008] Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipiell mit allen Gasen und Gasmischungen sowie Luft durchführbar. Als Gase eignen sich besonders die Edelgase und inerte Gase sowie deren Gemische. Insbesondere werden Helium, Argon und Stickstoff sowie Gemische aus diesen Gasen verwendet. Mit besonderem Vorteil ist Helium im Trägergas enthalten. Mit Helium und heliumhaltigen Gemischen als Trägergas werden sehr hohe Partikelgeschwindigkeiten erreicht. Hohe Spritzpartikelgeschwindigkeiten garantieren dichte und festhaftende Beschichtungen und damit qualitativ hochwertige Ergebnisse beim Kaltgasspritzen.

[0009] Mit besonderem Vorteil enthält das Trägergas mindestens 20 Vol.-% Helium vorzugsweise zwischen 30 und 80 Vol.-%. Diese Heliumanteile gewährleisten die hohen Spritzpartikelgeschwindigkeiten. Besonders vorteilhaft haben sich dabei Mischungen aus Helium und Stickstoff sowie aus Helium und Argon erwiesen. Aber auch Argon-Stickstoff-Mischungen werden eingesetzt.

[0010] In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird es möglich, Spritzpartikel mit einer Komgröße von bis zu 150 µm zu verwenden. Größere Spritzpartikel müssen auf höhere Partikelgeschwindigkeiten beschleunigt werden als kleinere Partikel bis ihre kinetische Energie ausreicht, um auf dem zu beschichtenden Werkstück haften zu bleiben. Bisher übliche Spritzpartikel weisen Korngrößen im Bereich von 5 bis 25 µm, teilweise auch bis 50 µm auf und werden meist in Luft oder Stickstoff beschleunigt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es nun möglich auch Helium oder heliumhaltige Gasmischungen als Trägergas im größeren Umfang zu verwenden. Mit Helium werden deutlich höhere Spritzpartikelgeschwindigkeiten erzielt, wodurch auch größere Spritzpartikel mit einer Korngröße im Bereich von 80 bis 150 µm genügend stark beschleunigt werden, so dass sie am Werkstück gut haften. Größere Spritzpartikel wiederum haben gegenüber kleineren Spritzpartikeln den Vorteil, dass sie weniger leicht in der Düse der Spritzpistole anbacken und diese verstopfen. Da größere Spritzpartikel im Vergleich zu kleineren Spritzpartikel deutlich kostengünstiger sind, erhöht sich die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Weiterbildung der Erfindung wird das Trägergas nach dem Kaltgasspritzprozess einer Rückgewinnungseinheit zugeführt. Die Rückgewinnungseinheit reinigt das Trägergas von Verunreinigungen, welche beim Kaltgasspritzen und beim Zu- und Ableiten in das Trägergas gelangten. Dazu wird das verbrauchten Trägergas aus der Vakuumkammer mit einer Vakuumpumpe, welcher ein Partikelfilter vorgeschaltet ist, entnommen und der Rückgewinnungseinheit zugeführt. Die Rückgewinnungseinheit reinigt das verbrauchte Trägergas von den Verunreinigungen und trennt evtl. einzelne Gaskomponenten ab. Insbesondere das Rückgewinnen von Helium ist wirtschaftlich sehr vorteilhaft und ermöglicht es auch Helium als Trägergas einzusetzen. Das gereinigte Trägergas bzw. die wiedergewonnene Gaskomponente wird nun entweder in einem Behälter gesammelt und einer andersartigen Verwendung zugeführt oder nach Speicherung in einem Zwischenbehälter der Kaltgas-Spritzvorrichtung wieder zugeführt.

[0011] Die Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung dadurch gelöst, dass die Kaltgas-Spritzpistole (3) und das zu beschichtende Werkstück / das Formteil (5) in einer Vakuumkammer (4) angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht das Kaltgasspritzen unter Vakuumbedingungen mit all seinen vorgenannten Vorteilen.

[0012] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines, in der Zeichnung dargestellten, Ausführungsbeispiels näher erläutert:

[0013] Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kaltgasspritzen unter Vakuumbedingungen.

[0014] Figur 1 umfasst eine Kaltgasspritzpistole 3, eine Vakuumkammer 4, ein Werkstück 5, die Zuleitungen 1, 2 und 6, sowie eine Partikelfilter 7 und eine Vakuumpumpe 8. Über die Gaszuleitung 1 gelangt der Hauptgasstrom, beispielsweise eine Helium-Stickstoffmischung mit 40 Vol.-% Helium, und über die Zuleitung 2 die Spritzpartikel im Hilfsgasstrom in die Vakuumkammer 4, wo ein Druck von 40 mbar herrscht, und dort in die Kaltgas-Spritzpistole 3. Die Zuleitungen 1 und 2 werden dazu in die Vakuumkammer 4 hineingeführt, in welcher sich sowohl die Kaltgas-Spritzpistole 3 als auch das Werkstück 5 befindet. Der gesamte Kaltgasspritzprozess findet somit in der Vakuumkammer 4 statt. Das Trägergas, welches beim Kaltgasspritzen zusammen mit den Spritzpartikeln aus der Spritzpistole 3 spritzt und die Spritzpartikel zum Werkstück trägt, gelangt nach dem Spritzprozess in die Vakuumkammer 4. Das verbrauchte Trägergas wird über die Gasleitung 6 aus der Vakuumkammer 4 mittels der Vakuumpumpe 8 entfernt. Zwischen Vakuumpumpe 8 und Vakuumkammer 4 ist der Partikelfilter 7 geschaltet, welcher freie Spritzpartikel aus dem verbrauchten Trägergas entfernt, damit die Festkörperteilchen die Pumpe nicht beschädigen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Werkstück oder eines Formteils in einem Kaltgasspritzprozess, wobei ein Trägergas in einer Kaltgas-Spritzpistole entspannt wird und dabei Spritzpartikel auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und auf das Werkstück/Formteil aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltgasspritzprozess im Niederdruck bei Werten unterhalb von 800 mbar (80 kPa) ausgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltgasspritzprozess bei einem Druck zwischen 1 und 500 mbar (0,1 bis 50 kPa), vorzugsweise zwischen 20 bis 100 mbar (2 bis 10 kPa) ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Helium im Trägergas enthalten ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Trägergas mindestens 20 Vol.-% Helium, vorzugsweise 30 bis 80 Vol.-% Helium enthalten sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Spritzpartikel mit einer Korngröße von bis zu 150 µm verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas nach dem Kaltgasspritzprozess einer Rückgewinnungseinheit zugeführt wird.

7. Vorrichtung zur Herstellung einer Kaltgasspritz-Beschichtung auf einem Werkstück oder eines Formteils umfassend eine Kaltgas-Spritzpistole (3) und eine Werkzeughalterung für das zu beschichtende Werkstück / das Formteil (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltgas-Spritzpistole (3) und das zu beschichtende Werkstück / das Formteil (5) in einer Vakuumkammer (4) angeordnet sind.

Zeichnung