[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmaspritzbrenner mit gekühlter Elektrode
und Brennerdüse zum Einführen in Rohre und Bohrungen von Werkstücken und Beschichten
von Innenflächen dieser Werkstücke.
[0002] Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet derartiger Plasmaspritzbrenner ist die Beschichtung
der Berührungsflächen von Schaufelfuß und Turbinenscheibe innerhalb der Haltenuten
der Turbinenscheibe bei Turbinenrädern.
[0003] Bei einem bekannten Plasmaspritzbrenner dieser Art wurde durch Verkleinerung der
geometrischen Abmessungen der Brennerdüsen-Elektrodenpaarung erreicht, die Beschichtung
der Innenflächen in der erforderlichen Spritzschichtqualität in Bohrungen bis zu einem
minimalen Innendurchmesser von 70 mm durchzuführen. Bei dem bekannten Innenbrenner
sind Plasmastrahlenergie, Plasmagasfördermenge und Spritzpulverinjektion auf der einen
Seite sowie geometrische Verkleinerung der Brennerdüsen-Elektrodenpaarung auf der
anderen Seite derart aufeinander abgestimmt, daß praktisch jedes Spritzpulver, für
dessen Aufschmelzung Standardbrenner eine Flugstrecke innerhalb der Plasmaflamme bis
zu 150 mm benötigten, schon nach einer Flugstrecke von etwa 35 mm aufgeschmolzen ist.
Der Spritzabstand zwischen Plasmaspritzbrenner und Substratoberfläche sowie die geometrischen
Abmessungen des gesamten Innenbrenners begrenzen den minimalen Rohr- oder Bohrungsdurchmesser,
bei welchem noch mit gleicher Spritzschichtqualität beschichtet werden kann; letztere
ist somit von der Normalkonstruktion des Plasmaspritzbrenners vorgegeben. Es wäre
möglich, durch Absenkung der Plasmaenergie, der Plasmagasmenge und der injektierten
Pulvermenge die Plasmaflammlänge und damit den Spritzabstand zu verkleinern, um so
auch Bohrungen geringeren Durchmessers zu beschichten; dies wäre jedoch nur auf Kosten
der Spritzschichtqualität möglich.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmaspritzbrenner der eingangs
beschriebenen Art zu schaffen, welcher eine Beschichtung hoher Qualität der Innenflächen
von Rohren und Bohrungen mit minimalen Innendurchmessern. von bis zu etwa 25 mm mit
erhöhter Spritzeffizienz ermöglicht.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
a) die Elektrode im Bereich ihres Kopfes rotationsunsymmetrisch aufgebaut ist,
b) der Durchmesser der Elektrode kleiner als der kleinste Innendurchmesser der Brennerdüse
ist,
c) die Brennerdüse am der Elektrode abgewandten Ende wenigstens einen Teilbereich
mit einem Innendurchmesser größer als ihr kleinster Innendurchmesser aufweist, und
d) der Pulverinjektor einen flachen Austrittsquerschnitt aufweist.
[0006] Mit einem derartigen Aufbau des Plasmaspritzbrenners bewirkt die erfindungsgemäße
Brennerdüsen-Elektrodenpaarung, daß die injektierten Pulverpartikel auf sehr kurzer
Flammlänge und damit Flugstrecke aufgeschmolzen werden. Dabei ist nicht nur die Flammlänge
verkürzt, sondern auch die Plasmaflamme elliptisch verformt, was sowohl zu einer Erhöhung
der geometrischen Spritzeffizienz bezogen auf den Spritzstrahldurchmesser als auch
zu einer vergleichmäßigten Dicke der aufgespritzten Schicht bei jedem Spritzdurchgang
führt.
[0007] Die Elektrode weist zweckmäßig zwei diametral gegenüberliegende Abflachungen an ihrem
hälbkugelförmigen Kopf '
auf.
'
[0008] Vorteilhaft ist die Brennerdüse ausgehend von ihrem kleinsten Innendurchmesser von
der Elektrode weg konisch in einen Ausgangsbereich mit einer Innenringfläche größeren
Durchmessers erweitert.
[0009] Die Längsachse des flachen Austrittsquerschnitts des Pulverinjektors ist dabei zweckmäßig
senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den Abflachungen der Elektrode angeordnet.
[0010] Um die Wärmeabfuhr von dem Plasmaspritzbrenner zu optimieren und damit sowohl die
für die geforderte Spritzschichtqualität notwendige Dauerbrennerleistung zu erhalten
als auch die Lebensdauer der Brennerbauelemente zu vergrößern, sind die Elektrode
und die Brennerdüse zweckmäßig durch zwei getrennte Wasserkreisläufe gekühlt.
[0011] Zur Unterstützung dieser Wirkung kann zusätzlich ein Düsenring zur Oberflächenkühlung
und Spritzstaubausblasung durch einen ringförmigen Gasschutzmantel vorgesehen sein.
Alternativ kann eine separate Leitung vorgesehen sein, durch die eine Gaskühlung und
Spritzstaubausblasung unmittelbar an der Brennerdüse erfolgt. Durch derartige Ausbil=
- dungen des Plasmaspritzbrenners erfolgt eine zusätzliche Abfuhr des reflektierten
Spritzstaubs von der zu beschichtenden Bohrungsoberfläche, was zu einer Erhöhung der
Qualität der Beschichtung führt.
[0012] Weiter besteht der Brenner vorteilhaft aus einem stabil vergossenen Teil mit allen
nicht dem Verschleiß unterworfenen Elementen und einem öffenbaren Teil, der die verschleißbehafteten
Teile Elektrode, Brennerdüse und Pulverinjektor leicht auswechselbar trägt. Alle Bauteile,
welche während des Brennerbetriebs naturgemäß einem Abnützungsprozeß unterworfen sind,
können damit einfach und leicht ausgewechselt werden.
[0013] Der öffenbare Teil weist zweckmäßig zwei aufklappbare Halbschalen auf, die durch
eine Isolationsplatte getrennt sind.
[0014] Zur weiteren Erhöhung der Standzeit der auswechselbaren Brennerdüse ist diese durch
0-Ringe gegen den Kühlkanal abgedichtet und der Sitz der O-Ringe derart ausgebildet,
daß diese an höchstens einer von vier Dichtflächen an der Brennerdüse direkt und wenigstens
an zwei der vier Dichtflächen an gut wärmeleitenden, gekühlten Bauteilen anliegen.
Vorteilhaft sind weiter Kanäle für den direkten Kühlmittelzutritt aus dem
Kühlkanal zu den O-Ringen vorgesehen.
[0015] Mit dem erfindungsgemäßen Plasmaspritzbrenner erfolgt die Verteilung und Aufschmelzung
der injektierten Pulverpartikel in einem breiten Beschichtungsfleck, wodurch das Substratmaterial
trotz des sehr geringen Spritzabstandes ohne übermäßige thermische Belastung beschichtbar
ist, was insbesondere für dünnwandige Rohre wichtig ist. Die zusätzliche Gaskühlung
unterstützt diese Wirkung.
[0016] Die Erfindung ist im folgenden an Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen
näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Plasmaspritzbrenners
für Innenbeschichtungen;
Fig. 2 einen vergrößerten Teilausschnitt des Brennerkopfes in Fig. 1 in schematischer
Darstellung,
Fig. 3 eine schematische Seitenschnittansicht von Elektrode und Brennerdüse des Plasmaspritzbrenners,
Fig. 4 eine schematische Vorderansicht der Anordnung in Fig. 3,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Beschichtungseffizienz und Schichtdickenverteilung
im statischen Spritzbild bei einer rotationssymmetrischen Brennerdüsen-Elektrodenkonfiguration,
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Beschichtungseffizienz und Schichtdickenverteilung
im statischen Spritzbild bei einer Brennerdüsen-Elektrodenkonfiguration gemäß der
Erfindung,
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Brennerdüsenhalterung und -abdichtung,
Fig. 8 ein Beispiel für die Zuführung getrennter Kühlwasserkreisläufe, und
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Turbinenscheibe mit Turbinenschaufel und
innenbeschichteter Haltenut.
[0017] Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Plasmaspritzbrenner 1 für Innenbeschichtungen
weist ein stabil vergossenes Teil 2 mit allen nicht dem Verschleiß unterworfenen Elementen
und ein öffenbares Teil 3 auf. Das öffenbare Teil 3 besteht aus einer Kathodenhalbschale
4 und einer Anodenhalbschale 5, die durch eine Isolationsplatte 6 getrennt, aufklappbar
gestaltet und durch eine Klammer 7 zusammengehalten.sind. Auf dem stabil vergossenen
Teil 2 sitzt ein, Düsenring 8 mit Düsenöffnungen 9, durch die ein Gasschutzmantel
um den Plasmaspritzbrenner zur Oberflächenkühlung und Spritzstaubausblasung erzeugbar
ist. Statt des Düsenrings 8 oder auch zusätzlich zu ihm kann eine separate Leitung
31 unmittelbar in den Bereich der Brennerdüse geführt werden.
[0018] In der Kathodenhalbschale 4 ist eine Elektrode 10 leicht auswechselbar befestigt.
In die Isolationsplatte 6 ist ein isolierender und auswechselbarer Gasverteilungsring
11 eingesetzt. In die Anodenhalbschale 5 ist eine Brennerdüse 12, fixiert mit einer
Verlängerungslasche, leicht auswechselbar eingesetzt. Ein Pulverinjektor 13 mit flachem
Austrittsquerschnitt ist ebenfalls auswechselbar in die Anodenhalbschale 5 eingesetzt.
[0019] In der Kathodenhalbschale 4 ist ein Kühlkanal 14 zur Kühlung der Elektrode 10 und
in der Anodenhalbschale 5 ein
Kühlkanal 14 zur Kühlung der Brennerdüse 12 vorgesehen. Beide Kühlkanäle werden parallel
mit Kühlmittel, beispielsweise Wasser, Gas oder flüssigem Kohlendioxid beschickt.
[0020] Der Teil 2 stellt den Brennerschaft dar, der Teil 3 den Brennerkopf. Nach Lösen der
Klammer 7 können die Kathodenhalbschale 4 und die Anodenhalbschale 5 auseinandergeklappt
werden, um Zugang zu dem Gasverteilungsring 11 gegebenenfalls zu dessen Auswechselung
zusammen mit der Isolationsplatte 6 zu haben. Die Elektrode 10 weist einen halbkugelförmigen
Kopf 15 mit diametral gegenüberliegenden Abflachungen 16 auf. Der Durchmesser der
Elektrode 10 ist kleiner als der kleinste Innendurchmesser der Brennerdüse 12. Die
Brennerdüse 12 ist, ausgehend von ihrem kleinsten Innendurchmesser, von der Elektrode
10 weg konisch in einen Ausgangsbereich mit einer Innenringfläche 17 größeren Innendurchmessers
erweitert.
[0021] An den Abflachungen 16 wird der zwischen Elektrode 10 und Brennerdüse 12 entstehende
Lichtbogen 18 unterdrückt und auf die ungestörte Kugeloberfläche des Kopfes 15 konzentriert.
Dadurch entsteht eine flachgedrückte Plasmaflamme 19. Durch die konische Erweiterung
der Brennerdüse 12 zur Innenringfläche 17 wird die Länge der Plasmaflamme 19 erheblich
verkürzt. Der flache Austrittsquerschnitt des Pulverinjektors 13 sorgt für eine der
abgeflachten Plasmaflamme 19 entsprechende Pulverinjektion.
[0022] Fig. 5 zeigt schematisch die Beschichtungseffizienz verteilt über den Plasmastrahlquerschnitt,
aufgenommen durch ein statisches Spritzbild auf einer Substratschicht und die entsprechende
Schichtdicke bei einer konventionellen, rotationssymmetrischen Elektroden-Brennerdüsenkonfiguration.
In einer Zone I des Spritzstrahls ergibt sich eine hohe Beschichtungseffizienz mit
praktisch konstanter Aufwachsrate pro Beschichtungszeiteinheit, in einer Zone II eine
mit dem Abstand vom Zentrum stark abnehmende Beschichtungseffizienz und in einer Zone
III praktisch keine zusammenhängende Spritzschicht mehr. Die Zonen I und II sind durch
konzentrische Kreise begrenzt.
[0023] In Fig. 6 ist die Beschichtungseffizienz und Schichtdikkenverteilung für eine erfindungsgemäße
rotationsunsymmetrische Elektroden-Brennerdüsenkonfiguration dargestellt. Die Zonen
1 und II sind hier stark elliptisch abgeflacht, wobei die Breite der Zone II sehr
gering ist. Die Schichtdicke ist innerhalb der Zone I praktisch konstant und fällt
in der Zone II über geringe Breite auf Null ab. Hierdurch ergibt sich eine starke
Erhöhung der geometrischen Spritzeffizienz bezogen auf den Spritzstrahldurchmesser.
[0024] Fig. 7 zeigt, daß die Brennerdüse 10 durch zwei O-Ringe 21, 22 gegenüber ihrem zugehörigen
Kühlkanal 20 abgedichtet ist. Beide 0-Ringe 21, 22 liegen jeweils nur an einer ihrer
vier Dichtflächen an der Brennerdüse 12 an. Eine zweite Dichtfläche der O-Ringe 21,
22 wird zu deren Wärmeschutz an der Isolationsplatte 6 bzw. an einem Isolationskörper
23 gebildet, während die 0-Ringe 21, 22 an ihren weiteren zwei Dichtflächen an gut
wärmeleitenden, über den Kühlkanal 20 gekühlten Bauteilen anliegen. Von dem Kühlkanal
20 sind außerdem zusätzliche Kanäle 24, 25 für direkten Kühlmittelzutritt zu den O-Ringen
21, 22 vorgesehen. Damit ergibt sich ein besonders guter Wärmeschutz der gefährdeten
0-Ringe 21, 22.
[0025] Fig. 8 zeigt die Leitungszuführung zu dem Plasmaspritzbrenner 1. Über einen Wassereingang
26 wird Kühlmittel parallel zu den Kühlkanälen 14 und 20 zugeführt und über einen
Wasserausgang 27 wieder abgeführt. Am Wassereingang 26 ist der Pluspol und am Wasserausgang
27 der Minuspol angeschlossen. Zur entsprechenden Isolierung der Kühlkreisfläufe von
den elektrischen Leitungen sind in den Leitungsführungen Isolierrohre 28 vorgesehen.
Plasmagas wird über einen Anschluß 29 zugeführt, Spritzpulver über einen Anschluß
30. Über eine zusätzliche Leitung 31 kann Luft oder Gas in den Bereich des Brenners
zugeführt werden.
[0026] Fig. 9 zeigt ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für den erfindungsgemäßen Plasmaspritzbrenner.
In Haltenuten 32 einer Turbinenscheibe 33 werden Schaufelfüße 34 von Turbinenschaufeln
35 eingesetzt. An den Berührungsflächen von Schaufelfuß 34 und Haltenut 32 werden
Beschichtungen 36 mit dem erfindungsgemäßen Plasmaspritzbrenner vorgesehen. Zweck
der Beschichtungen 36 ist es, Reibverschleiß, Reibverschweißung und/oder Ausschlagen
der Nutwandungen im Betrieb der Turbine zu verhindern. Diese Beanspruchungen der Haltenut
32 entstehen durch den notwendigerweise nicht spielfreien Einbau der Turbinenschaufeln
35 in den Haltenuten 32. Die Beanspruchungen treten vor allem beim Anlauf und Abstellen
der Turbine auf. Sie sind auch deshalb relativ groß, weil meist aus Gewichtsgründen
Titan oder Titanlegierungen verwendet werden.
[0027] Als Beschichtung kommt beispielsweise eine CuNiIn-Spritzschicht zum Einsatz. Die
Beschichtungen 36 werden flach und breitspurig in drei Segmenten, vorzugsweise jeweils
mit einem Brennerdurchgang, aufgetragen.
[0028] Im folgenden sind als Anwendungsbeispiel für die Verwendung eines Maschinenbrenners
nach dem Stand der Technik, eines Innenbrenners nach dem Stand der Technik und eines
erfindungsgemäß ausgebildeten Innenbrenners die einzelnen Leistungs- und Spritzdaten
angegeben:
Spritzpulver: NiA1 95/5% Kornfraktionierung: - 325 mesh Kornkonfiguration: Ni-Kugel
mit außen aufgesetzten Al-Partikeln Plasmaflamme: Ar/H2-Gemisch
[0029] Beschichtungsparameter für dicht gespritzte, haftfeste Plasmaspritzschicht:
A. Maschinenbrenner nach dem Stand der Technik:

B. Innenbrenner nach dem Stand der Technik:

C. Erfindungsgemäß ausgebildeter Innenbrenner:

1. Plasmaspritzbrenner mit gekühlter Elektrode (10) und Brennerdüse (12) zum Einführen
in Rohre und Bohrungen von Werkstücken und Beschichten von Innenflächen dieser Werkstücke,
dadurch gekennzeichnet, daß
a) die Elektrode (10) im Bereich ihres Kopfes (15) rotationsunsymmetrisch aufgebaut
ist,
b) der Durchmesser der Elektrode (10) kleiner als der kleinste Innendurchmesser der
Brennerdüse (12) ist;
c). die Brennerdüse (12) am der Elektrode (10) abgewandten Ende wenigstens einen Teilbereich
(17) mit Innendurchmesser größer als ihr kleinster Innendurchmesser aufweist, und
d) der Pulverinjektor (13) einen flachen Austrittsquerschnitt aufweist.
2. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (10) zwei diametral gegenüberliegende Abflachungen
(16) an ihrem halbkugelförmigen Kopf (15) aufweist.
3. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerdüse (12) ausgehend von ihrem kleinsten Innendurchmesser
von der Elektrode (10) weg konisch in einen Ausgangsbereich mit einer Innenringfläche
(17) größeren Innendurchmessers erweitert ist.
4. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des flachen Austrittsquerschnitts des Pulverinjektors
(13) senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den Abflachungen (16) der Elektrode
(10) angeordnet ist.
5.' Plasmaspritzbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Elektrode (10) und Brennerdüse (12) durch zwei getrennte
Wasserkreisläufe (14, 20) gekühlt sind.
6. Plasmaspritzbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Düsenring (8) zur Oberflächenkühlung und Spritzstaubausblasung
durch einen ringförmigen Gasschutzmantel vorgesehen ist.
7. Plasmaspritzbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß eine separate Leitung (31) vorgesehen ist, durch die eine
Gaskühlung und Spritzstaubausblasung unmittelbar an der Brennerdüse erfolgt.
8. Plasmaspritzbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (1) aus einem stabil vergossenen Teil (2)
mit allen nicht dem Verschleiß unterworfenen Elementen und einem öffenbaren Teil (3)
besteht, der die verschleißbehafteten Teile Elektrode (10), Brennerdüse (12) und Pulverinjektor
(13) leicht auswechselbar trägt.
9. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der öffenbare Teil (3) zwei aufklappbare Halbschalen (4,
5) aufweist, die durch eine Isolationsplatte (6) getrennt sind.
10. Plasmaspritzbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerdüse (12) durch O-Ringe (21, 22) gegen ihren
Kühlkanal (20) abgedichtet ist, und daß der Sitz der O-Ringe (21, 22) derart ausgebildet
ist, daß diese an höchstens einer von vier Dichtflächen an der Brennerdüse (12) direkt
und wenigstens an zwei der vier Dichtflächen an gut wärmeleitenden, gekühlten Bauteilen
anliegen.
11. Plasmaspritzbrenner.nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß Kanäle (24, 25) für den direkten Kühlmittelzutritt aus
dem Kühlkanal (20) zu den O-Ringen (21, 22) vorgesehen sind.