DÜSENAUFBAU FÜR DAS THERMISCHE SPRITZEN MITTELS EINER SUSPENSION ODER EINER PRÄCURSORLÖSUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Düsenaufbau für das thermische Spritzen mittels einer Suspension oder einer Präkursorlösung. Dabei wird die Suspension, in der Partikel enthalten sind und mit denen auf einem Substrat eine Schicht ausgebildet werden kann, in eine Brennerkammer oder in den austretenden Flamm/Plasmastrahl zugeführt. Die Suspension ist mit einer Flüssigkeit und Partikeln gebildet. Als Partikel können metallische und/oder keramische Partikel eingesetzt werden, deren mittlere Partikelgröße d₅₀ im Bereich nano/submikrometer bis 5.µm liegen kann. Anstatt einer Suspension kann eine Präkursorlösung injiziert werden.

[0002] In der Brennerkammerkönnen die Partikel mit einem gasförmigen oder flüssigen Brennstoff nach dem so genannten High Velocity Oxy Fuel Verfahren (HVOF) durch Oxidation des Brennstoffs erwärmt und beschleunigt werden. Die Flüssigkeit, mit der Suspension gebildet worden ist, wird entweder verdampft, pyrolisiert oder oxidiert.

[0003] Beim atmosphärischen Plasmaspritzen Verfahren (APS) wird die Suspension in die Plasma-Fackel zugeführt. Dort erfolgt die Verdampfung der Suspensionsflüssigkeit und Erwärmung der resultierenden Partikel.

[0004] Für die Zufuhr der Suspension werden Düsen eingesetzt, die insbesondere bei kleinen Innendurchmessern unterhalb 500 µm Probleme bereiten. So kann keine geeignete und insbesondere als Vollstrahl ausgebildete Strahlform eines aus einer Düsenöffnung austretenden Suspensionsstrahls erreicht werden, die auch dauerhaft eingehalten werden kann. Dadurch kann es zu Ablösungen einzelner Tröpfchen, zu einem Zerfall des Strahls kommen.

[0005] Infolge der Art und Weise der Herstellung von Düsenbohrungen durch die die Suspension strömt treten Winkelabweichungen von der gewünschten vorgegebenen Achsrichtung der Strahlbewegungsrichtung auf. Die Achsrichtung mit der der Suspenssionsstrahl aus der Düsenbohrung austritt kann sich auch sukzessive oder stetig ändern, so dass ein "tanzender" Strahl in die Brennerkammer oder in eine Plasma-Fackel gelangt.

[0006] Es kann auch zu einer Reduzierung des Volumenstromes und/oder einer Erhöhung der Geschwindigkeit mit der die Suspension durch die Düsenbohrung strömt und aus dieser Austritt kommen, wenn sich beispielsweise Verunreinigungen in der Düsenbohrung abgesetzt haben oder dort ein Grat ausgebildet worden ist.

[0007] Diese Nachteile treten im Wesentlichen herstellungsbedingt auf. Üblicherweise werden die Düsenbohrungen durch Bohren während einer spanenden Bearbeitung oder durch Erodieren hergestellt. Dabei ist das Erodieren insbesondere bei kleinen Innendurchmessern bevorzugt. In jedem Fall kann jedoch nicht die gewünschte und erforderliche Maßhaltigkeit beim Innendurchmesser und der homogenen Zylinderform eingehalten werden. Besondere Probleme treten dabei im Bereich der Ein- und Austrittsöffnung von Düsenbohrungen auf. Es kann sich ein Grat bilden.

[0008] Besonders nachteilig sind die relativ hohen Kosten für die Fertigung, die bei den üblichen und gewünschten kleinen Innendurchmessern und einem großen Aspektverhältnis (Verhältnis Länge zu Innendurchmesser) erforderlich sind.

[0009] Ablagerungen innerhalb der Düsenbohrung können wenn überhaupt nur sehr aufwändig beseitigt werden.

[0010] Fehler bei der Strahlausbildung beeinflussen das Ergebnis von durch thermisches Spritzen hergestellten Beschichtungen negativ.

[0011] Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten für die Zuführung einer Suspension beim thermischen Spritzen anzugeben, mit denen die Qualität verbessert und gleichzeitig die Kosten reduziert sowie die Flexibilität erhöht werden können.
Beispielhafter Düsenaufbau ist z.B. aus DE 10 89 614 B, DE 10 2009 024111 A1 und FR 1 105 622 A bekannt.

[0012] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Düsenaufbau, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

[0013] Der erfindungsgemäße Düsenaufbau für das thermische Spritzen mittels einer Suspension, in der Partikel enthalten sind, oder einer Präkursorlösung mit denen/der auf einem Substrat eine Schicht ausgebildet wird, und die Suspension in eine Brennerkammer, in eine HVOF-Flame oder in eine Plasma-Fackel in der eine Erwärmung und Beschleunigung der Partikel erreicht wird, zugeführt wird, ist mit einem Anschluss für eine Zuführung für die Suspension oder die Präkursorlösung, einem Halter und einem Düseneinsatz gebildet. Nachfolgend soll die Zuführung durchgängig als Suspensionszuführung bezeichnet werden.

[0014] Der Düseneinsatz weist mit einem in Richtung Brennerkammer oder senkrecht zur HVOF-Flame / Plasma-Fackel angeordneten rohrförmigen Element und einer an der der Brennerkammer gegenüberliegend angeordneten Stirnseite eine flanschförmige Aufweitung auf, die im eingebauten Zustand an einem im Halter ausgebildeten Sitz anliegt und dabei
die Konturen der flanschförmigen Aufweitung und des Sitzes komplementär zueinander ausgebildet sind, so dass die Oberflächen der flänschförmigen Aufweitung und des Sitzes in unmittelbarem Kontakt miteinander stehen, so dass in diesem Bereich ein Endanschlag und eine Abdichtung ausgebildet sind.

[0015] Als Präkursorlösung kann man beispielsweise anorganische Salze oder Metallorganische Verbindungen gelöst in Wasser oder in organischen Lösungsmitteln wie z.B. Ethanol, Isopropanol oder Butanol einsetzen.

[0016] Der Düseneinsatz kann, insbesondere nach Lösen der Suspensionszuführung, die eine Leitung oder ein Schlauch sein kann, vom Anschluss in den Halter durch eine entsprechende Öffnung eingesetzt werden und dann die flanschförmige Aufweitung bis an den Sitz heran geschoben werden. Nach dem Anschluss der Suspensionszuführung kann der Düsenaufbau bestimmungsgemäß eingesetzt werden. Es liegt dabei auf der Hand, dass ein Düseneinsatz gegen einen neuen bzw. anderen Düseneinsatz ausgetauscht werden kann. Ein Austausch kann verschleißbedingt aber auch dann durchgeführt werden, wenn die Zuführungsbedingungen der Suspension verändert werden sollen. Dabei kann ein neuer bzw. anderer Düseneinsatz einen veränderten Innendurchmesser des rohrförmigen Elements und/oder eine veränderte Länge des rohrförmigen Elements aufweisen.

[0017] Die flanschförmige Aufweitung ist dabei an den Düseneinsätzen jeweils gleich geometrisch gestaltet und dimensioniert.

[0018] Das rohrförmige Element und die flanschförmige Aufweitung sollten vorteilhaft zwei einzelne Teile sein, die kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann dabei beispielsweise durch Kleben, Löten, Schweißen und/oder eine Presspassung hergestellt worden sein.

[0019] Rohrförmige Elemente können auf die gewünschte Länge geschnittene Teile eines rohrförmigen Halbzeuges sein. Solche Halbzeuge lassen sich kostengünstig mit an sich bekannten Herstellungsverfahren herstellen.

[0020] Die flanschförmige Aufweitung kann vorteilhaft aus oder mit einem Polymer und das rohrförmige Element aus Metall, bevorzugt aus passiviertem Edelstahl gebildet sein. Eine flanschförmige Aufweitung kann dabei vollständig aus einem Polymer gebildet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass lediglich eine mit einem Polymer gebildete Beschichtung im Bereich der flanschförmige Aufweitung vorhanden ist oder ein Verbundmaterial mit einem Polymer dafür eingesetzt wird. Durch die Eigenschaften des Polymers kann die Abdichtung verbessert werden. Außerdem kann die Herstellung eines so ausgebildeten Düseneinsatzes als Verbund Metall - Polymer einfach erreicht werden, indem die flanschförmige Aufweitung einfach durch Kunststoffspritzgießen an ein rohrförmiges Element angespritzt werden kann.

[0021] Vorteilhaft kann an der flanschförmigen Aufweitung ein konischer Bereich vorhanden sein, der bevorzugt im eingebauten Zustand am Sitz des Halters anliegt. Ein zylinderförmiger Bereich, der im Inneren des Halters und im Bereich des Sitzes ausgebildet ist, kann eine Führungsfunktion für den Düseneinsatz erfüllen, wenn dessen Dimensionierung und geometrische Gestaltung an die Außenkontur der flanschförmigen Aufweitung außerhalb eines konisch ausgebildeten Bereichs angepasst ist.

[0022] Das rohrförmige Element sollte einen maximalen Innendurchmesser von 0,8 mm, bevorzugt von 0,25 mm aufweisen.

[0023] Günstig ist es auch, wenn der Halter gekühlt werden kann, dazu können im Halter bzw. zwischen Halter und Düseneinsatz Kanäle ausgebildet sein, durch die ein Fluid (gasförmig oder flüssigförmig) zum Kühlen hindurch strömen kann.

[0024] Zwischen der Innenwand des Halters und der Außenwand des rohrförmigen Elements kann ein radial umlaufender Spalt vorhanden sein, mit dem eine thermische Isolationswirkung erreicht werden kann. In diesem Bereich kann ein ringförmiges Element vorhanden sein, in dem eine Bohrung ausgebildet ist, durch die das rohrförmige Element hindurchgeführt werden kann. Dabei sollte der Innendurchmesser dieser Bohrung an den Außendurchmesser des rohrförmigen Elements angepasst sein, so dass das ringförmige Element die Funktion der Führung und radialen Fixierung für das rohrförmige Element erfüllen kann. Das ringförmige Element sollte dazu aus einem Material mit schlechter thermischer Leitfähigkeit bestehen.

[0025] Mit der Erfindung können für die Düseneinsätze Stückpreise erreicht werden, die unterhalb eines 1 € liegen. Der Austausch gegen einen anderen bzw. einen verschlissenen Düseneinsatz ist einfach und in kurzer Zeit möglich. Insbesondere die rohrförmigen Elemente können mit hoher und konstanter Maßhaltigkeit zur Verfügung gestellt werden, so dass eine jeweils gewünschte geometrische Gestaltung und Dimensionierung eingehalten werden kann.

[0026] Dadurch kann eine sehr gute reproduzierbare und sichere Zuführung einer Suspension in den Prozess des thermischen Spritzens erreicht werden. Lediglich durch entsprechende Gestaltung von Haltern können Düseneinsätze an Brennern (Spritzpistolen) verschiedener Hersteller und für unterschiedlich durchführbare Verfahren des thermischen Spritzens eingesetzt werden.

[0027] Durch geeignete Auswahl eines Düseneinsatzes, was insbesondere den Innendurchmesser des rohrförmigen Elements und sein Länge betrifft können je nach Bedarf verschiedene Zuführungsbedingungen in den Prozess des thermischen Spritzens berücksichtigt werden.

[0028] Es ist auch eine Integration der Zuführung eines Gases zum Zerstäuben der Suspension möglich. Dadurch kann die Suspension nach dem Austritt aus dem rohrförmigen Element in Form sehr kleiner Tröpfchen (Sprayform) erwärmt und dabei die Flüssigkeit verdampft bzw. oxidiert und die Partikel erwärmt und dann in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates beschleunigt werden.

[0029] Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.

[0030] Dabei zeigt:

Figur 1 eine Schnittdarstellung durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Düsenaufbaus.

[0031] Dabei ist eine Suspensionszuführung 4, von der in Figur 1 nur ein kleiner Teil angedeutet ist, an einem Anschluss 1 befestigt. Der Anschluss 1 kann eine herkömmliche Verbindung mit einer Überwurfmutter sein. Der Anschluss 1 ist an einem Halter 2 vorhanden, der in seinem Inneren hohl ist.

[0032] Nach dem Trennen der Verbindung Anschluss 1 und Suspensionszuführung 4 kann ein Düseneinsatz 3 von der im Bereich des Anschlusses 1 offenen Seite des Halters 2 eingeführt und bis an einen Sitz, der im Inneren des Halters 2 ausgebildet ist, eingeführt werden.

[0033] Der Düseneinsatz 3 ist mit einem rohrförmigen Element 3.1 an dem an der in Richtung des Halterinneren weisenden Stirnseite eine flanschförmige Aufweitung 3.2 ausgebildet ist, gebildet. Die in Richtung Austrittsöffnung weisende Stirnfläche der flanschförmigen Aufweitung 3.2 ist konisch ausgebildet. Der Sitz im Halter 2 weist einen entsprechend komplementär konisch ausgebildeten Bereich auf. Zumindest dort liegen die Oberflächen des Sitzes und der flanschförmigen Aufweitung flächig unmittelbar aneinander. Ein sich daran in Richtung Anschluss 1 anschließender Bereich kann als Hohlzylinder im Halter 2 und als äußere Mantelfläche eines Zylinders an der flanschförmigen Aufweitung 3.2 des Düseneinsatzes 3 ausgebildet sein und eine entsprechende Längsführung für den Düseneinsatz 3 im Halter 2 bilden.

[0034] Das rohrförmige Element 3.1 hat bei diesem Beispiel eine Länge von 9 mm, einen inneren Durchmesser von 0,25 mm und einen Außendurchmesser von 0,52 mm. Es wurde durch ein Trennverfahren auf die gewünschte Länge aus einem rohrförmigen Halbzeug aus Edelstahl erhalten.

[0035] An einer seiner Stirnseiten wurde die flanschförmige Aufweitung 3.2 mittels Kunststoffspritzgießen in an sich bekannter Art und Weise ausgebildet und dort dabei mit dem rohrförmigen Element 3.1 zumindest kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden. Die flanschförmige Aufweitung 3.2 kann mit einem nahezu beliebigen durch Kunststoffspritzgießen verarbeitbaren Polymer gebildet werden.

[0036] Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel ist an der Stirnseite des Halters 2 eine zusätzliche innen hohle Umkleidung 5, durch die das rohrförmige Element 3.1 in Richtung einer nicht dargestellten Brennerkammer bzw. in Richtung eines mittels thermischen Spritzens zu beschichtenden Substrat vorhanden. Die Umkleidung 5 kann Bestandteil des Halters 2 oder als gesondertes Element am Halter 2, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung befestigt sein. Die Umkleidung 5 kann insbesondere eine Schutzfunktion für das rohrförmige Element 3.1 erfüllen.

Ansprüche

1. Düsenaufbau für das thermische Spritzen mittels einer Suspension, in der Partikel enthalten sind oder eine Präkursorlösung, mit denen/der auf einem Substrat eine Schicht ausgebildet wird, und die in eine Brennerkammer oder in eine Plasma-Fackel, in der eine Erwärmung und Beschleunigung der Partikel erreicht wird, zugeführt wird, wobei der Düsenaufbau mit einem Anschluss (1) für eine Zuführung (4) für die Suspension oder die Präkursorlösung, einem Halter (2) und einem Düseneinsatz (3) gebildet ist, und
der Düseneinsatz (3) mit einem in Richtung Brennerkammer oder senkrecht zu einer HVOF-Flame oder Plasma-Fackel angeordneten rohrförmigen Element (3.1) und einer an der der Brennerkammer gegenüberliegend angeordneten Stirnseite eine flanschförmige Aufweitung (3.2) aufweist, die im eingebauten Zustand an einem im Halter (2) ausgebildeten Sitz anliegt und dabei
die Konturen der flanschförmigen Aufweitung (3.2) und des Sitzes komplementär zueinander ausgebildet sind, so dass die Oberflächen der flanschförmigen Aufweitung (3.2) und des Sitzes in unmittelbarem Kontakt miteinander stehen, so dass in diesem Bereich ein Endanschlag und eine Abdichtung ausgebildet sind; wobei
die flanschförmige Aufweitung (3.2) aus oder mit einem Polymer und das rohrförmige Element (3.1) aus Metall gebildet ist und
das rohrförmige Element (3.1) und die flanschförmige Aufweitung (3.2) form- und stoffschlüssig mittels Kunststoffspritzgießen miteinander verbunden sind.

2. Düsenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element (3.1) aus passiviertem korrosionsbeständigem Edelstahl gebildet ist.

3. Düsenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am an der flanschförmigen Aufweitung (3.2) ein konischer Bereich vorhanden ist.

4. Düsenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düseneinsatz (3) austauschbar im Halter (2) befestigt ist.

5. Düsenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Düseneinsätze (3) mit unterschiedlicher Länge des rohrförmigen Elements (3.1) und/oder mit unterschiedlichen Innendurchmessern im Halter (2) befestigbar sind.

6. Düsenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element (3.1) einen maximalen Innendurchmesser von 0,8 mm, bevorzugt von 0,25 mm aufweist.

7. Düsenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (2) kühlbar ist.

Claims

1. A nozzle construction for thermal spraying using a suspension that contains particles or a precursor solution, with which a layer is formed on a substrate, and that is fed into a burner chamber or into a plasma torch in which the particles are heated and accelerated, wherein the nozzle construction is formed with a port (1) for a feed (4) for the suspension or the precursor solution, with a holder (2) and with a nozzle insert (3), and

the nozzle insert (3) has a tubular element (3.1) arranged in the direction of the burner chamber or perpendicularly in an HVOF flame or plasma torch, and, on the end face arranged opposite the burner chamber, a flange-like widened portion (3.2), which, in the installed state, bears against a seat formed in the holder (2), and in this case

the contours of the flange-like widened portion (3.2) and of the seat are formed in a complementary manner to one another such that the surfaces of the flange-like widened portion (3.2) and of the seat are in direct contact with one another, such that, in this region, an end stop and a seal are formed; wherein

the flange-like widened portion (3.2) is formed from or with a polymer and the tubular element (3.1) from metal, and

the tubular element (3.1) and the flange-like widened portion (3.2) are connected together in a form-fitting and materially bonded manner by means of plastic injection molding.

2. The nozzle construction as claimed in claim 1, characterized in that the tubular element (3.1) is formed from passivated corrosion-resistant stainless steel.

3. The nozzle construction as claimed in one of the preceding claims, characterized in that there is a conical region on the flange-like widened portion (3.2).

4. The nozzle construction as claimed in any one of the preceding claims, characterized in that the nozzle insert (3) is fastened interchangeably in the holder (2).

5. The nozzle construction as claimed in one of the preceding claims, characterized in that nozzle inserts (3) that have tubular elements (3.1) of different lengths and/or have different inside diameters are able to be fastened in the holder (2).

6. The nozzle construction as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the tubular element (3.1) has a maximum inside diameter of 0.8 mm, preferably 0.25 mm.

7. The nozzle construction as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the holder (2) is coolable.

Revendications

1. Structure de buse pour la pulvérisation thermique au moyen d'une suspension contenant des particules ou d'une solution de précurseur, laquelle vient former une couche sur un substrat et est introduite dans une chambre de combustion ou une torche à plasma dans laquelle les particules sont chauffées et accélérées, dans laquelle la structure de buse est constituée d'un raccord (1) destiné à l'alimentation (4) en suspension ou en solution de précurseur, d'un support (2) et d'un insert de buse (3), et

l'insert de buse (3) présente un élargissement en forme de bride (3.2), formé d'un élément tubulaire (3.1) disposé en direction de la chambre de combustion ou perpendiculairement à une flamme HVOF ou à la torche à plasma et d'une face frontale placée à l'opposé de la chambre de combustion, qui, une fois monté, épouse un siège formé dans le support (2) de sorte que

les contours de l'élargissement en forme de bride (3.2) et du siège sont formés de manière complémentaire l'un à l'autre, que les surfaces de l'élargissement en forme de bride (3.2) et du siège sont en contact direct l'une avec l'autre et qu'une butée d'extrémité et un joint d'étanchéité sont formés dans cette zone ;

dans laquelle l'élargissement en forme de bride (3.2) est constitué de ou avec un polymère, l'élément tubulaire (3.1) est constitué de métal et

l'élément tubulaire (3.1) et l'élargissement en forme de bride (3.2) sont joints par complémentarité de forme et liaison de matière au moyen d'un moulage par injection de plastique.

2. Structure de buse selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément tubulaire (3.1) est constitué d'acier inoxydable passivé et résistant à la corrosion.

3. Structure de buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par la présence d'une zone conique au niveau de l'élargissement en forme de bride (3.2).

4. Structure de buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'insert de buse (3) est fixé dans le support (2) de manière à pouvoir être remplacé.

5. Structure de buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que des inserts de buse (3) ayant des éléments tubulaires (3.1) de longueurs différentes et/ou des diamètres intérieurs différents peuvent être fixés dans le support (2).

6. Structure de buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément tubulaire (3.1) présente un diamètre intérieur maximal de 0,8 mm, de préférence de 0,25 mm.

7. Structure de buse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le support (2) peut être refroidi.

Zeichnung