DE68910072T2 - Wear-resistant coating and process for its production. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Materialien und Beschichtungen, hauptsächlich solche, welche leicht verschleissen, wie beispielsweise als selbsteinschleifende Dichtungen für Turbinen verwendete Beschichtungen. Insbesondere betrifft sie ein verbessertes Verschleissmaterial und sein Herstellungsverfahren.The present invention relates to materials and coatings, primarily those which wear easily, such as coatings used as self-grinding seals for turbines. In particular, it relates to an improved wear material and its method of manufacture.
Materialien, welche in kontrollierter Weise leicht verschleissen, werden bei einer Reihe von Anwendungen eingesetzt, einschliesslich als selbsteinschleifende Dichtung. Dem Fachmann ist klar, dass die Berührung zwischen einem rotierenden Teil und einer festen selbsteinschleifenden Dichtung bewirkt, dass das Verschleissmaterial zu einer Struktur abgetragen wird, welche sich in der Berührungszone dem sich bewegenden Teil anpasst. Dies bedeutet, dass der sich bewegende Teil einen Teil der selbsteinschleifenden Dichtung abschabt, so dass die Dichtung eine Geometrie annimmt, welche sich dem sich bewegenden Teil genau anpasst. Dadurch wird wirkungsvoll eine Dichtung mit äusserst enger Toleranz gebildet.Materials that wear easily in a controlled manner are used in a variety of applications, including as self-adjusting seals. Those skilled in the art will understand that contact between a rotating part and a fixed self-adjusting seal causes the wear material to be worn down to a structure that conforms to the moving part in the contact zone. This means that the moving part shaves away part of the self-adjusting seal so that the seal assumes a geometry that closely conforms to the moving part. This effectively forms a seal with extremely close tolerance.
Eine besondere Anwendung von selbsteinschleifenden Dichtungen ist ihre Verwendung in Turbinen. Typischerweise wird die innere Oberfläche der Turbinenverkleidung mittels einer Spritzpistole bis zu einer vorbestimmten Dicke mit einem Verschleissmaterial beschichtet. Wenn im Betrieb die Turbinenschaufeln rotieren, dehnen sie sich infolge der gebildeten Wärme etwas aus. Die Spitzen der rotierenden Schaufeln berühren dann das Verschleissmaterial und graben genau definierte Rillen in die Beschichtung, ohne die Verkleidung selbst zu berühren. Diese Rillen schaffen den genauen Spielraum, welchen die Schaufeln zur Rotation benötigen und erübrigen somit eine im wesentlichen massgefertigte Dichtung.A particular application of self-grinding seals is their use in turbines. Typically, the inner surface of the turbine casing is coated with a wear material to a predetermined thickness using a spray gun. During operation, as the turbine blades rotate, they expand slightly due to the heat generated. The tips of the rotating blades then contact the wear material and dig precisely defined grooves in the coating without touching the casing itself. These grooves create the precise clearance that the blades need to rotate, thus eliminating the need for an essentially custom-made seal.
Damit die Turbinenschaufeln in die verschleissbare Beschichtung Rillen schneiden können, muss das Material, aus dem die Beschichtung gebildet wird, leicht verschleissbar sein, ohne dass die Schaufelspitzen sich abnutzen. Dies erfordert, dass in der Beschichtung ein sorgfältiges Gleichgewicht der Materialien vorliegt. In dieser besonderen Umgebung muss die verschleissbare Beschichtung auch eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Teilchenerosion und andere Verschlechterungen bei erhöhten Temperaturen aufweisen. Wie dem Fachmann bekannt ist, sind diese Eigenschaften jedoch mit herkömmlichen Verfahren zur Erzeugung von Verschleissbeschichtungen schwierig zu erzielen.In order for the turbine blades to cut grooves into the wearable coating, the material from which the coating is formed must be easily wearable without the blade tips wearing away. This requires that coating requires a careful balance of materials. In this particular environment, the wearable coating must also have good resistance to particle erosion and other deterioration at elevated temperatures. However, as is known to those skilled in the art, these properties are difficult to achieve using conventional methods for producing wear coatings.
Im besonderen werden manche herkömmlichen Verschleissbeschichtungen durch Plasmaspritzen des Füllstoffs und der Metallkomponenten in Pulverform erzeugt, was eine sorgfältige Überwachung einer Anzahl Parameter notwendig macht. Diese Parameter umfassen die Zusammensetzung des zugeführten Pulvers, die Pulvergrösse und die verschiedenen Betriebsbedingungen der Sprühpistole. Selbst wenn diese Faktoren genau überwacht wurden, erwiesen sich die herkömmlichen Einrichtungen und Techniken jedoch nicht durchwegs als erfolgreich für die Erzeugung von Verschleissbeschichtungen hoher Qualität. In particular, some conventional wear coatings are produced by plasma spraying the filler and metal components in powder form, which requires careful monitoring of a number of parameters. These parameters include the composition of the powder fed, the powder size, and the various operating conditions of the spray gun. However, even when these factors were closely monitored, conventional equipment and techniques have not consistently proven successful in producing high quality wear coatings.
Im Detail werden die herkömmlichen zusammengesetzten Verschleissbeschichtungen durch thermisches Verspritzen eines Aufgabegutes, welches aus zwei verschiedenen allgemeinen Typen ausgewählt ist, erzeugt. Der einfachste von diesen umfasst ein Gemisch aus einem Metallpulver und einem Füllstoff, welcher gewöhnlich ein nichtmetallisches Pulver ist. Das heisst, dass ein Gemisch diskreter Teilchen jedes Bestandteils hergestellt wird, welches dann mittels einer Plasmaspritzpistole verspritzt wird. Diese Pulvermischungen entmischen sich jedoch oft, nicht nur bei der Lagerung sondern auch im Teilchenspritzstrom selbst. Beides beeinflusst die Mikrostruktur der erzeugten Beschichtung nachteilig. Es ist bekannt, dass die Teilchenentmischung in der Beschichtung lokalisierte Zcnen erzeugt, welche vorwiegend aus einem einzigen Pulverbestandteil bestehen. Dies wiederum erzeugt Beschichtungen von nicht-gleichförmiger Zusammensetzung und Härte, welche geringere Nützlichkeit aufweisen. Dieses Fehlen an Gleichförmigkeit kann auch durch bevorzugte Verdampfung oder andere thermische Umwandlungen eines der Pulverbestandteile verursacht werden, insbesondere wenn ein Kunststoffmaterial als eine der Komponenten verwendet wird. Dazu kommt, dass die Verwendung vermischter oder vermengter Pulver es auch schwierig macht, das Verhältnis der Bestandteile so einzustellen, dass geschichtete Beschichtungen, welche für jede Schicht unterschiedliche Mischungen des Aufgabegutes erfordern, hergestellt werden können.In detail, conventional composite wear coatings are produced by thermal spraying a feedstock selected from two different general types. The simplest of these comprises a mixture of a metal powder and a filler, which is usually a non-metallic powder. That is, a mixture of discrete particles of each component is produced which is then sprayed using a plasma spray gun. However, these powder mixtures often segregate, not only during storage but also in the particle spray stream itself. Both of these adversely affect the microstructure of the coating produced. Particle segregation is known to produce localized zones in the coating which consist predominantly of a single powder component. This in turn produces coatings of non-uniform composition and hardness which have lower utility. This lack of uniformity can also be caused by preferential evaporation or other thermal transformations of one of the powder components, particularly when a plastic material is used as one of the components. In addition, the use of mixed or blended powders also makes it difficult to adjust the ratio of the components to produce layered coatings which require different feedstock mixtures for each layer.
Bei einer anderen allgemeinen Klasse von Sprühpulvern werden die beiden Bestandteile zu zusammengesetzten Teilchen aneinander gebunden. Es sind eine Reihe von Bindetechniken bekannt, wie beispielsweise Umhüllen eines ersten pulverförmigen Materials mit einem zweiten Material, oder einfaches Zusammenkleben der beiden Pulver mit einem geeigneten Bindemittel. Es kann jedoch sein, dass das Bindemittel die Trennung der beiden ungleichen Materialien nicht zu verhindern vermag. Ausserdem sind nicht nur die Umhüllungstechniken teuer, sondern es kann auch ein bevorzugtes Verdampfen der Umhüllung stattfinden, welches das Gleichgewicht der Zusammensetzung des Überzuges vermindert, und es kann nicht eine einzelne Pulverzusammensetzung verwendet werden, um eine Beschichtung herzustellen, welche über ihre Dicke verschiedene Eigenschaften aufweist.In another general class of spray powders, the two components are bonded together to form composite particles. A number of bonding techniques are known, such as coating a first powdered material with a second material, or simply sticking the two powders together with a suitable binder. However, the binder may not be able to prevent the two dissimilar materials from separating. In addition, not only are the coating techniques expensive, but preferential evaporation of the coating may occur, reducing the compositional balance of the coating, and a single powder composition cannot be used to produce a coating having different properties throughout its thickness.
Für viele Materialien verlangt die Herstellung von zufriedenstellenden Verschleissbeschichtungen die Verwendung von ausserordentlich hohen Geschwindigkeiten, welche mit herkömmlichen Verbrennungs-Flammspritzpistolen nicht erzielt werden können. Obschon Flammspritzpistolen hohe Geschwindigkeiten erzeugen, arbeiten sie bei derart hohen Temperaturen, dass sie Verdampfung und thermischen Abbau erzeugen können, beispielsweise Verdampfung von Kunststoff-Bestandteilen und Oxydation von Pulver-Bestandteilen. Letztere wird durch die Turbulenz des Spritzstroms beschleunigt.For many materials, the production of satisfactory wear coatings requires the use of extremely high speeds that cannot be achieved with conventional combustion flame spray guns. Although flame spray guns produce high speeds, they operate at such high temperatures that they can produce vaporization and thermal degradation, such as vaporization of plastic components and oxidation of powder components. The latter is accelerated by the turbulence of the spray stream.
In Patent Abstracts of Japan, Bd. 12, Nr. 372 (C-533) wird auf das Ziel hingewiesen, eine gleichmässige und gute thermisch verspritzte Schicht eines zusammengesetzten Materials auf Metallbasis herzustellen, indem Drahtstäbe, welche als Matrix dienen, mittels eines Lichtbogens geschmolzen werden und das geschmolzene Metall zusammen mit einem feinteiligen Verstärkungsmaterial mittels Gas weggeblasen wird.Patent Abstracts of Japan, Vol. 12, No. 372 (C-533) refers to the aim of obtaining a uniform and good thermally sprayed layer of a metal-based composite material by melting wire rods, which serve as a matrix, using an electric arc and blowing away the molten metal together with a finely divided reinforcing material using gas.
Gemäss diesem Abstract wird ein Paar aus dem Metall bestehender Drähte durch Düsen zugeführt, und es wird ein Lichtbogen zum Schmelzen der Drähte erzeugt. Feinteiliges Verstärkungsmaterial wird von einem Gas durch die Drähte hindurch transportiert, um eine Oberfläche thermisch zu bespritzen.According to this abstract, a pair of metal wires are fed through nozzles and an arc is created to melt the wires. Finely divided reinforcing material is carried through the wires by a gas to thermally spray a surface.
Es wäre wünschenswert, ein Verfahren zur Bildung eines Verschleissmaterials zu schaffen, durch welches das Problem der Teilchenentmischung vermindert oder beseitigt werden kann. Es wäre ebenfalls wünschenswert, ein solches Verfahren zu schaffen mit dem zusätzlichen Merkmal, dass qualitativ hochwertige Verschleissbeschichtungen erzeugt werden, ohne dass ein wesentlicher Abbau des Aufgabegutes stattfindet. Weiter wäre es wünschenswert, ein solches Verfahren zu schaffen, durch welches in der Beschichtung ein Gradient in der Zusammensetzung erzeugt werden kann, wobei eine unabhängige Steuerung der Aufgabegut-Bestandteile ohne die Verwendung komplexer Meßsysteme ermöglicht und die steilen Temperatur- und Geschwindigkeits-Gradienten des Plasmaspritzens vermieden werden. Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Bildung eines Verschleissmaterials, welches diese Zielsetzungen erfüllt. Sie schafft ebenfalls ein neuartiges Verschleissmaterial, welches durch das erfindungsgemässe Verfahren gebildet wird.It would be desirable to provide a process for forming a wear material that can reduce or eliminate the problem of particle segregation. It would also be desirable to provide such a process with the additional feature of producing high quality wear coatings without significant degradation of the feedstock. It would also be desirable to provide such a process that can produce a composition gradient in the coating, allowing independent control of the feedstock components without the use of complex measurement systems and avoiding the steep temperature and velocity gradients of plasma spraying. The present invention provides a process for forming a wear material that meets these objectives. It also provides a novel wear material formed by the process of the invention.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verschleissmaterials geschaffen, welches folgende Schritte umfasst:According to the present invention, a method for producing a wear material is provided, which comprises the following steps:
- axiales Zuführen eines Füllstoffs in einen Strom von Verbrennungsgasen hoher Temperatur, um den Füllstoff im Strom der Verbrennungsgase hcfter Temperatur mitzureissen;- axially feeding a filler into a stream of high temperature combustion gases in order to entrain the filler in the stream of high temperature combustion gases;
- Zerstäuben eines geschmolzenen Metalls mittels des Stroms der Verbrennungsgase hoher Temperatur, welche den mitgerissenen Füllstoff enthalten, so dass das zerstäubte geschmolzene Metall im Strom der Verbrennungsgase hoher Temperatur zusammen mit dem Füllstoff mitgerissen wird;- atomising a molten metal by means of the stream of high temperature combustion gases containing the entrained filler so that the atomised molten metal is entrained in the stream of high temperature combustion gases together with the filler;
- Richten des Stroms der Verbrennungsgase hoher Temperatur, welcher den mitgerissenen Füllstoff und das mitgerissene, zerstäubte, geschmolzene Metall enthält, auf ein Zielobjekt;- directing the stream of high temperature combustion gases, containing the entrained filler and the entrained atomised molten metal, towards a target object;
- Bildung einer Ablagerung aus dem vom Strom der Verbrennungsgase hoher Temperatur mitgerissenen Füllstoff und zerstäubten Metall auf dem Zielobjekt, wobei die Ablagerung ein Verschleissmaterial umfasst, welches eine Metallmatrix aufweist, in die der Füllstoff eingebettet ist.- forming a deposit of the filler and atomized metal entrained by the stream of high temperature combustion gases on the target object, the deposit comprising a wear material having a metal matrix in which the filler is embedded.
Gemäss einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verschleissmaterials durch Einbringen eines Füllstoffs, vorzugsweise in Teilchenform, und insbesondere eines pulverfömigen nichtmetallischen Materials, wie beispielsweise eines Kunststoff-Materials, in einen Strom von Verbrennungsgasen hoher Temperatur hinein, wobei der Füllstoff durch den Gasstrom mitgerissen wird. Der Füllstoff wird dem Verbrennungsgasstrom vorzugsweise axial zugeführt, wobei eine unkontrollierte seitliche Zerstreuung, wenn die Teilchen in den Hochgeschwindigkeits-Gasstrom eintreten, vermieden wird. Der Füllstoff wird durch die Verbrennungsgase längs einer Achse, welche das geschmolzene Metall schneidet, erhitzt und mit einer ausserordentlich hohen Geschwindigkeit bewegt. Der Strom der Verbrennungsgase hoher Temperatur, welcher den Füllstoff mitführt, zerstäubt das geschmolzene Metall, derart, dass das geschmolzene Metall im Strom mit dem Füllstoff mitgerissen wird. Es wird somit ein zusammengesetzter Strom gebildet, welcher sowohl den Füllstoff als auch das zerstäubte geschmolzene Metall enthält. Der zusammengesetzte Strom oder Spray wird dann gegen ein Zielobjekt geleitet, wobei der erhitzte Füllstoff und das geschmolzene Metall mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Zielobjekts aufprallen und dabei eine Schicht oder Beschichtung aus Verschleissmaterial bilden. Beim Aufprallen bildet das geschmolzene Metall eine im wesentliche kontinuierliche Metallmatrix, in welcher der Füllstoff in die Zwischenräume eingebettet ist. Die erhaltene Beschichtung ist leicht verschleissbar und gut für eine Verwendung bei der Herstellung von selbsteinschleifenden Dichtungen geeignet.In one aspect, the present invention provides a method of making a wear material by introducing a filler, preferably in particulate form, and in particular a powdered non-metallic material such as a plastic material, into a stream of high temperature combustion gases, the filler being entrained by the gas stream. The filler is preferably fed axially into the combustion gas stream, avoiding uncontrolled lateral dispersion as the particles enter the high velocity gas stream. The filler is heated by the combustion gases along an axis which intersects the molten metal and is moved at an extremely high velocity. The stream of high temperature combustion gases carrying the filler atomizes the molten metal such that the molten metal is entrained in the stream with the filler. A composite stream is thus formed which contains both the filler and the atomized molten metal. The composite stream or spray is then directed against a target object whereby the heated filler and molten metal impact the surface of the target object at high speed, forming a layer or coating of wear material. Upon impact, the molten metal forms a substantially continuous metal matrix in which the filler is embedded in the interstices. The resulting coating is easily abradable and well suited for use in the manufacture of self-grinding seals.
Gemäss einem bevorzugten Aspekt wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Hochgeschwindigkeits-Flammspritzvorrichtung, welche in der gleichzeitig hängigen Europäischen Patentanmeldung 89 309 078.7 (EP-A-0 361 710) offenbart ist, ausgeführt. Dort ist eine Flammspritzvorrichtung offenbart, welche einen Gehäuseteil mit einer Bohrung mit einem Einlass für das Aufgabegut und einem mit einer in Verbindung stehenden Auslass aufweist. Vorzugsweise ist die trichterförmigen Verengung koaxial mit der Bohrung für das Aufgabegut ausgerichtet. Das Gehäuse weist einen Brennstoffkanal mit einem Einlass für den Brennstoff und einem die Bohrung für dasAufgabegut umschliessenden Auslass auf, welcher mit der trichterförmigen Verengung in Verbindung steht. Der Gehäuseteil der Pistole weist weiter einen Oxydationsmittel-Kanal mit einem Einlass, welcher für die Aufnahnie eines oxydierenden Gases ausgelegt ist, und einen mit der Verengung in Verbindung stehenden Auslass auf. Daher nimmt die Verengung vor einer Vermischung des Brennstoffs mit dem Füllstoff- Aufgabegut getrennt einen Brennstoff und ein oxydierendes Gas auf. Die Verengung weist eine konische Wand auf, welche von den Auslässen für den Brennstoff und das oxydierende Gas einen genügenden Abstand aufweist, um in der Verengung ein Mischen des Brennstoffs und des oxydierenden Gases und eine teilweise Verbrennung zu bewirken. Beim Zünden von Brennstoff und Oxydationsmittel, wird in der Verengung eine Flammenfront erzeugt, welche den ankomenden Brennstoff rasch erhitzt. Durch die daraus resultierenden chemiscen Reaktionen wird Energie freigesetzt, welche die treibende Kraft zur Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen HochgeschwindigkeitsDiffusionsreaktion liefert. Auf diese Weise wird das Aufgabegut durch einen Auslass in der Spitze der konischen Wand hindurch beschleunigt. Die Spitze der konischen Wand ist mit der Aufgabegut-Bohrung ausgerichtet, wodurch das beschleunigte Aufgabegut durch die Pistolentrommel hindurch auf die Spitzenöffnung in einer geraden Bohrungsdüse gerichtet wird. Bei einer Ausführungsform weisen die erhitzten Verbrennungsgase, welche das Aufgabegut mit führen, eine Temperatur auf, die ausreicht, um die Spitze eines Metalldrahtes zu schmelzen, welche dann durch den Hochgeschwindigkeits-Gasstrom zerstäubt wird. Bei einer anderen Ausführungsform ist die bevorzugte Spritzvorrichtung mit einer elektrischen Lichtbogenvorrichtung mit zwei Drähten versehen, derart, dass die Drahtspitze durch elektrische Lichtbogenheizung geschmolzen wird. Dabei wird das geschmolzene Metall zerstäubt und in dem aus der Pistolenverengung austretenden Strom mitgerissen, wobei ein zusammengesetzter Spray gebildet wird. According to a preferred aspect, the method of the present invention is carried out using the high velocity flame spraying apparatus disclosed in copending European Patent Application 89 309 078.7 (EP-A-0 361 710). Therein disclosed is a flame spraying apparatus having a housing portion with a bore having a feedstock inlet and an outlet communicating therewith. Preferably, the funnel-shaped constriction is coaxially aligned with the feedstock bore. The housing has a fuel channel with a fuel inlet and an outlet surrounding the feedstock bore and communicating with the funnel-shaped constriction. The gun housing portion further has an oxidant channel with an inlet adapted to receive an oxidizing gas and an outlet communicating with the constriction. Therefore, the constriction receives a fuel and an oxidizing gas separately before the fuel is mixed with the filler feed material. The constriction has a conical wall which is sufficiently spaced from the outlets for the fuel and the oxidizing gas to cause the fuel and the oxidizing gas to mix and partially burn in the constriction. When the fuel and the oxidizing agent are ignited, a flame front is generated in the constriction which rapidly heats the incoming fuel. The resulting chemical reactions release energy which provides the driving force to maintain a continuous high velocity diffusion reaction. In this way, the feed material is accelerated through an outlet in the tip of the conical wall. The tip of the conical wall is aligned with the feed bore, thereby directing the accelerated feed material through the gun barrel to the tip opening in a straight bore nozzle. In one embodiment, the heated combustion gases carrying the feed material are at a temperature sufficient to melt the tip of a metal wire, which is then atomized by the high velocity gas stream. In another embodiment, the preferred spray device is provided with a two-wire electric arc device such that the wire tip is melted by electric arc heating. The molten metal is atomized and entrained in the stream exiting the gun throat, forming a composite spray.
Gemäss einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung Verschleissmaterialien, welche verbesserte Gleichförmigkeit und einen geringeren Metalloxydgehalt als manche herkömmliche gespritzte Materialien aufweisen. Die Verschleissmaterialien weisen ein Matrix aus Metall auf, in welcher ein Füllstoff, vorzugsweise ein weiches, krümeliges nichtmetallisches Material, gleichmässig verteilt ist. Bei einer Ausführungsform umfassen die erfindungsgemässen Verschleissmaterialien zusammengesetzte selbsteinschleifende Dichtungen zur Verwendung in Anwendungen wie selbsteinschleifende Turbinendichtungen. Die erfindungsgemässen Verschleissmaterialien und Dichtungen, werden unter Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens gebildet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die erfindungsgemässen Verschleissmaterialien eine Metallmatrix, in welcher ein Kunststoff in den Matrix-Zwischenräumen gleichmässig verteilt ist.In another aspect, the present invention provides wear materials that have improved uniformity and lower metal oxide content than some conventional sprayed materials. The wear materials comprise a matrix of metal in which a filler, preferably a soft, crumbly non-metallic material, is evenly distributed. In one embodiment, the wear materials of the invention comprise composite self-grinding seals for use in applications such as self-grinding turbine seals. The wear materials and seals of the invention are formed using the method of the invention. In a preferred embodiment, the wear materials of the invention comprise a metal matrix in which a plastic is evenly distributed in the matrix interstices.
Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verschleissmaterials geschaffen, welches folgende Schritte umfasst:According to one embodiment of the present invention, a method for producing a wear material is provided, which comprises the following steps:
- im wesentlichen axiales Einspritzen eines teilchenförmigen Füllstoff-Aufgabegutes in einen Strom von Verbrennungsgasen hoher Temperatur hinein, welcher durch eine Spritzpistole fliesst, derart, dass das teilchenförmige Füllstoff-Aufgabegut vom Strom der Verbrennungsgase hoher Temperatur mitgerissen wird;- injecting a particulate filler feedstock substantially axially into a stream of high temperature combustion gases flowing through a spray gun such that the particulate filler feedstock is entrained by the stream of high temperature combustion gases;
- Zerstäuben eines Endes mindestens eines geschmolzenen Metalldrahtes, indem das eine Ende des einen geschmolzenen Metalldrahtes im Weg des Stroms der Verbrennungsgase hoher Temperatur plaziert wird, derart, dass das geschmolzene Metall vom Strom der Verbrennungsgase hoher Temperatur zusammen mit dem Füllstoff mitgerissen wird;- atomizing one end of at least one molten metal wire by placing one end of the one molten metal wire in the path of the stream of high temperature combustion gases such that the molten metal is entrained by the stream of high temperature combustion gases together with the filler;
- Richten des Stroms der Verbrennungsgase hoher Temperatur, welcher das mitgerissene teilchenförmige Füllstoff-Aufgabegut und das zerstäubte geschmolzene Metall enthält, auf eine zu beschichtende Oberfläche; und- directing the stream of high temperature combustion gases, containing the entrained particulate filler feedstock and the atomized molten metal, towards a surface to be coated; and
- Beschichten der Oberfläche mit dem teilchenförmigen Füllstoff- Aufgabegut und dem geschmolzenen Metall aus dem Strom unter Bildung einer Verschleissbeschichtung auf der Oberfläche, wobei die Verschleissbeschichtung eine im wesentlichen kontinuierliche Metallmatrix aufweist, deren Zwischenräume mit dem teilchenförmigen Füllstoff-Aufgabegut gefüllt sind.- coating the surface with the particulate filler feedstock and the molten metal from the stream to form a wear coating on the surface, the wear coating comprising a substantially continuous metal matrix having interstices filled with the particulate filler feedstock.
Nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer zusammengesetzten Metallmatrix-Verschleissbeschichtung zur Verwendung als selbsteinschleifende Dichtung, welches folgende Schritte umfasst:According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of making a composite metal matrix wear coating for use as a self-grinding seal, comprising the steps of:
- Einspritzen eines pulverförmigen Füllstoff-Aufgabegutes, indem das pulverförmige Füllstoff-Aufgabegutes im wesentlichen axial in einen Strom von sich schnell ausdehnenden Hochgeschwindigkeits-Verbrennungsgasen in einer Spritzpistole eingebracht wird;- Injecting a powdered filler feed material by injecting the powdered filler feed material substantially axially introduced into a stream of rapidly expanding high-velocity combustion gases in a spray gun;
- Zerstäuben eines geschmolzenen Metalls, indem der Strom der Verbrennungsgase hoher Temperatur, welche das pulverförmigen Füllstoff-Aufgabegut enthält, zur Spitze von mindestens einem Metalldraht geführt wird, derart, dass ein zusammengesetzter Strom von Hochgeschwindigkeits-Verbrennungsgasen hoher Temperatur gebildet wird, von welchen das pulverförmige Füllstoff-Aufgabegut und das geschmolzene Metall mitgerissen werden; und- atomizing a molten metal by directing the stream of high temperature combustion gases containing the powdered filler feedstock to the tip of at least one metal wire so as to form a composite stream of high velocity high temperature combustion gases entraining the powdered filler feedstock and the molten metal; and
- Ablagern des Füllstoffs und des geschmolzenen Metalls auf einer Oberfläche, indem der zusammengesetzte Strom auf die Oberfläche gerichtet wird, derart, dass der Füllstoff und das geschmolzenen Metall mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche aufprallen, um auf der Oberfläche eine zusammengesetzte, als selbsteinschleifende Dichtung dienende Verschleissbeschichtung zu bilden.- depositing the filler and the molten metal on a surface by directing the composite stream onto the surface such that the filler and the molten metal impact the surface at high velocity to form a composite wear coating on the surface acting as a self-grinding seal.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein neuartiges Verschleissmaterial und ein Verfahren zur Herstellung des Verschleissmaterials. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemässe Material als Verschleissbeschichtung auf der Oberfläche eines Teils gebildet. Bei der bevorzugtesten Ausführungsform ist das erfindungsgemässe Verschleissmaterial eine selbsteinschleifende Dichtung.The present invention also provides a novel wear material and a method of making the wear material. In a preferred embodiment, the inventive material is formed as a wear coating on the surface of a part. In the most preferred embodiment, the inventive wear material is a self-grinding seal.
Beim erfindungsgemässen Verfahren wird ein Strom von Hochgeschwindigkeits-Verbrennungsgasen hoher Temperatur mittels einer Verbrennungs-Spritzvorrichtung gebildet, deren bevorzugteste Ausgestaltung in der obenerwähnten gleichzeitig hängigen Europäischen Patentanmeldung (welche die Priorität der US-Patentanmeldung Ser.-Nr. 247 024 beansprucht) dargelegt ist. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass zur Beschleunigung der Füllstoff-Teilchen andere Spritzsysteme, vorzugsweise Hochgeschwindigkeits-Spritzsysteme, verwendet werden können.In the process of the invention, a stream of high-velocity, high-temperature combustion gases is formed by means of a combustion spray device, the most preferred embodiment of which is set out in the above-mentioned co-pending European patent application (claiming priority to US patent application Ser. No. 247,024). However, it will be clear to those skilled in the art that in order to accelerate the filler particles other spray systems, preferably high-velocity spray systems, can be used.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, ohne jedoch in irgendeiner Weise auf diese beschränkt zu sein.The present invention will now be described with reference to the drawing, without, however, being in any way limited to these.
In der Zeichnung stellen dar:In the drawing represent:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Flammspritzvorrichtung zur Verwendung bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei der Einfachheit halber der Draht und die Drahtzuführung nicht dargestellt sind;Fig. 1 is a cross-section through a preferred flame spraying device for use in carrying out the method according to the invention, the wire and the wire feed not being shown for the sake of simplicity;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Flammspritzvorrichtung zur erfindungsgemässen Verwendung, bei welcher eine Lichtbogenanordnung mit zwei Drähten gezeigt ist;Fig. 2 is a plan view of a preferred flame spraying device for use in accordance with the invention, showing a two-wire arc arrangement;
Fig. 3 eine schematische Darstellung, welche die Bildung der Flammenfront in der konvergierenden Verengung der Spritzpistole und die Bildung des parallelgerichteten zusammengesetzten Teilchenstroms, welcher das erfindungsgemässe Verschleissmaterial bildet, dargestellt; undFig. 3 is a schematic diagram showing the formation of the flame front in the converging throat of the spray gun and the formation of the parallel-directed composite particle stream which forms the wear material according to the invention; and
Fig. 4 eine Mikrophotographie eines erfindungsgemässen Verschleissmaterials im Querschnitt.Fig. 4 is a microphotograph of a wear material according to the invention in cross section.
Mit Bezug auf die Zeichnung (und insbesondere Fig. 1) weist die insgesamt mit 10 bezeichnete Flammspritzvorrichtung ein Brennergehäuse 12 auf, welches einstückig mit dem Zylinder 14 dargestellt ist. Die konische Wand 16 des Brennergehäuses 12 weist eine konvergierende Verengung 18, in welcher eine kontinuierliche Hochgeschwindigkeits-Diffusionsreaktion durchgeführt wird. Die Aufgabegut-Zufuhrbohrung 20 wird durch das Aufgabegut-Zufuhrrohr 22 definiert, welches vom Aufgabegut-Gehäuse 24 eng umschlossen wird. Das Aufgabegut-Gehäuse 24 ist bei der offenbarten Ausführungsform mit einem Gewindeende 26 versehen, welches von dem mit einer Gewindebohrung versehenen Brennergehäuse 12 aufgenommen wird. Es kann ein Kragen 28 vorgesehen sein, um die Positionierung des Aufgabegut-Gehäuses 24 zu erleichtern. Das Aufgabegut- Gehäuse 24 und das Aufgabegut-Zufuhrrohr 22 sind im Innern der Brennstoff-Versorgungsdüse 30 angeordnet, derart, dass ein ringförmiges Brennstoffzufuhrrohr 32 definiert wird. Vorzugsweise ist das Ende 34 der Brennstoffdüse 30 verjüngt und in das Brennergehäuse 12 eingepresst.With reference to the drawing (and in particular Fig. 1), the flame spraying apparatus, generally designated 10, comprises a burner housing 12 which is shown integral with the cylinder 14. The conical wall 16 of the burner housing 12 has a converging throat 18 in which a continuous high-velocity diffusion reaction is carried out. The feed material feed bore 20 is defined by the feed material feed tube 22 which is closely enclosed by the feed material housing 24. The feed material housing 24 is in the disclosed embodiment provided with a threaded end 26 which is received in the burner housing 12 provided with a threaded bore. A collar 28 may be provided to facilitate positioning of the feed housing 24. The feed housing 24 and the feed feed tube 22 are arranged inside the fuel supply nozzle 30 such that an annular fuel feed tube 32 is defined. Preferably, the end 34 of the fuel nozzle 30 is tapered and pressed into the burner housing 12.
Das Aufgabegut-Gehäuse 24 weist einen zweiten Kragen oder Flanschteil 36 auf, welcher mit der Brennstoffdüse 30 zusammenwirkt. Der Kragen 36 weist Längskanäle auf, welche mit der Aufgabegut-Bohrung 20 ausgerichtet ist. Der in der durch die Pfeile angegebene Richtung fliessende Brennstoff wird während des Betriebes durch den Kragen 36 nicht wesentlich behindert. Der Kragen 36 weist eine gerillte äussere Oberfläche auf, so dass er gegenüber der Brennstoffdüse 30 als Abstandshalter wirken und dennoch einen im wesentlichen uneingeschnürten Brennstofffluss durch den ringförmigen Brennstoffdurchlass 32 erlauben kann. In gleicher Weise ist der Endteil 38 der Brennstoffdüse 30 mit einer Reihe von im wesentlichen parallelen Längkanälen versehen. Auch diese Kanalanordnung erlaubt es dem Endteil 38 der Brennstoffdüse 30 mit der konischen Wand 16 zusammenzuwirken und gleichzeitig zu erlauben, dass ein Oxydationsmittel durch den ringförmigen Oxydationsmittel-Durchlass 40 in die konvergierende Verengung 18 fliesst. Der ringförmige Oxydationsmittel-Durchlass 40 ist ein Ringraum, welcher durch die Abschnitte 42 und 44 des Brennergehäuses 12 definiert wird. Der Abschnitt 44 schafft auch eine konische Wand 16. Um den Abschnitt 44 fest mit dem Abschnitt 42 zu verbinden, ist der Abschnitt 42 mit einem Innengewinde versehen, welches den Gewindeteil des Abschnittes 44 aufnimmt.The feed housing 24 has a second collar or flange portion 36 which cooperates with the fuel nozzle 30. The collar 36 has longitudinal channels which are aligned with the feed bore 20. The fuel flowing in the direction indicated by the arrows is not substantially impeded by the collar 36 during operation. The collar 36 has a grooved outer surface so that it can act as a spacer with respect to the fuel nozzle 30 and yet allow substantially unrestricted fuel flow through the annular fuel passage 32. Similarly, the end portion 38 of the fuel nozzle 30 is provided with a series of substantially parallel longitudinal channels. This channel arrangement also allows the end portion 38 of the fuel nozzle 30 to cooperate with the conical wall 16 while allowing an oxidant to flow through the annular oxidant passage 40 into the converging throat 18. The annular oxidant passage 40 is an annular space defined by the sections 42 and 44 of the burner housing 12. The section 44 also creates a conical wall 16. To securely connect the section 44 to the section 42, the section 42 is provided with an internal thread which receives the threaded portion of the section 44.
Der Brennstoff-Versorgungsdurchlass 48, welcher sich durch den Endteil 50 des Brennergehäuses 12 hindurch erstreckt, führt in den ringförmigen Brennstoff-Durchlass 32 hinein und steht mit diesem in Strömungsverbindung. Dieser kontinuierliche Durchlass dient als Kanal, durch welchen der Flammenfront in der konvergierenden Verengung 18 ein Brennstoff zugeführt wird. Desgleichen steht die ringförmige Oxydationsmittel-Durchlass 40 in Strömungsverbindung mit dem Oxydationsmittel-Einlassdurchlass 42. Der Endteil 50 weist ein Verbindungsstück 54 auf, welches zur Verbindung mit einem Aufgabegut-Zuführungsschlauch mit Gewinde versehen sein kann, wie dies im Zusammenhang mit dem erfindungsgemässen Verfahren detaillierter erläutert werden wird. Das Füllstoff-Aufgabegut wird über das Verbindungstück 54 in die Aufgabegut-Bohrung 20 eingeführt.The fuel supply passage 48, which extends through the end portion 50 of the burner housing 12, leads into the annular fuel passage 32 and is connected to This continuous passage serves as a channel through which a fuel is supplied to the flame front in the converging throat 18. Likewise, the annular oxidant passage 40 is in flow communication with the oxidant inlet passage 42. The end portion 50 has a connector 54 which can be threaded for connection to a feed material supply hose, as will be explained in more detail in connection with the method according to the invention. The filler feed material is introduced into the feed material bore 20 via the connector 54.
Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche der Aufgabegut-Bohrung 20 wesentlich kleiner als die Querschnittsfläche des ringförmigen brennstoff-Durchlasses 32 und der ringförmigen Oxydationsmittel-Durchlasses 40, derart, dass das pulverförmige Aufgabegut mit genügender Geschwindigkeit in die konvergierende Verengung 18 hineingespeist wird, damit es sich durch die konvergierende Verengung 18 hindurch bewegt. Die Zufuhrbohrung 20 ist im allgemeinen kleiner als etwa 15 % der Querschnittsflächen sowohl des ringförmigen Brennstoff-Durchlasses 32 als auch des ringförmigen Oxydationsmittel-Durchlasses 40. Ausserdem beträgt das Verhältnis von Durchmesser der Zufuhrbohrung 20 zu Innendurchmesser hältnis von Durchmesser der Zufuhrbohrung 20 zu Innendurchmesser des Spritzdurchlasses 56 im allgemeinen 1 bis 5. Das Verhältnis der Querschnittsflächen beträgt somit im allgemeinen etwa 1 bis 25.Preferably, the cross-sectional area of the feed bore 20 is substantially smaller than the cross-sectional area of the annular fuel passage 32 and the annular oxidizer passage 40 such that the powdered feed material is fed into the converging throat 18 at sufficient velocity to move through the converging throat 18. The feed bore 20 is generally smaller than about 15% of the cross-sectional areas of both the annular fuel passage 32 and the annular oxidizer passage 40. In addition, the ratio of the diameter of the feed bore 20 to the inner diameter of the spray passage 56 is generally 1 to 5. The ratio of the cross-sectional areas is thus generally about 1 to 25.
Der Zylinder 14, welcher eine ringförmige Düse mit gerader Bohrung darstellt, weist einen hohlen zylindrischen Abschnitt 46 auf, welcher den Spritzdurchlass 56 definiert. Wie noch näher beschrieben werden wird, werden die Hochgeschwindigkeits-Teilchen eines Füllstoff-Aufgabegutes als parallelgerichteter Strom durch den Durchlass 56 getrieben. Um eine übermässige Erhitzung der Zylinderwand 46 zu vermeiden und um einen hier als "thermischer Pinch" bezeichneten Effekt zu erzeugen - ein Phänomen, welches die Parallelausrichtung des Teilchenstroms aufrechterhält und verstärkt - ist ein Wärmeaustauschmantel 58 vorgesehen, welcher eine ringförmige Wärmeaustauschkammer 60 definiert. Die Wärmeaustauschkammer 60 ist auf den Zylinder 14 beschränkt, so dass die Wärme nicht direkt von der konvergierenden Verengung 18 abgeführt wird. Im Betrieb wird ein Wärmeaustauschmittel, wie beispielsweise Wasser, über die Kanäle 62 und 64 durch die Wärmeaustauschkammer 60 geleitet. An jedem Ende sind Schläuche (nicht dargestellt) mit den Verbindungsstücken 66 und 68 verbunden, um das Wärmeaustauschmittel durch die Wärmeaustauschkammer 60 zirkulieren zu lassen.The cylinder 14, which is a straight bore annular nozzle, has a hollow cylindrical portion 46 which defines the spray passage 56. As will be described in more detail, the high velocity particles of a filler feedstock are driven through the passage 56 as a parallel stream. To avoid excessive heating of the cylinder wall 46 and to create an effect referred to herein as "thermal pinch" - a phenomenon which maintains the parallel orientation of the particle stream and reinforced - a heat exchange jacket 58 is provided which defines an annular heat exchange chamber 60. The heat exchange chamber 60 is confined to the cylinder 14 so that heat is not directly removed from the converging throat 18. In operation, a heat exchange medium, such as water, is passed through the heat exchange chamber 60 via the channels 62 and 64. Hoses (not shown) are connected at each end to the connectors 66 and 68 to circulate the heat exchange medium through the heat exchange chamber 60.
Die in Fig. 2 dargestellte Flammspritzvorrichtung 10 weist Mittel zur Versorgung mit geschmolzenem metall auf, welche hier als elektrische Lichtbogenvorrichtung mit zwei Drähten dargestellt sind (in Fig. 1 der Einfachheit halber nicht dargestellt). Die Lichtbogenvorrichtung 70 weist einen Schlitten 72 auf, welcher die Drahtführungen 74 und 76 beherbergt. Die Drahtführungen 74 und 76 sind so ausgebildet, dass sie der Lichtbogenzone 82 die Drähte 78 und 80 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit zuführen. Der Winkel, welchen die Drähte 78 und 80 einschliessen, beträgt bei den meisten Anwendungen vorzugsweise weniger als etwa 60º. Bei einem bevorzugten Verfahren wird zwischen den Enden der Drahtelektroden ein elektrischer Lichtbogen vorbestimmter Intenistät gezündet und kontinuierlich aufrechterhalten. Bei einer anderen Ausführungsform schmilzt die Wärme des parallelgerichteten Verbrennungsgasstroms die Spitzen der Drähte 78 und 80. Bei einigen Anwendungen kann es zweckmässig sein, einen einzigen Draht 78 zu verwenden, wobei die Wärme der Verbrennungsgase den Draht schmilzt. Bei der offenbarten Ausführungsform werden die Drähte 78 und 80 in dem Masse, wie sie geschmolzen und als zerstäubtes geschmolzenes Metall verbraucht werden, kontinuierlich gegen einen Schnittpunkt in der Lichtbogenzone 82 vorgeschoben. Während der Abstand der Lichtbogenzone 82 vom Ende des Zylinders 14 nicht kritisch ist und zwecks Regulierung verschiedener Eigenschaften der Beschichtung oder des während des Spritzvorganges zu bildenden Gegenstandes eingestellt werden kann, werden die Enden der Drähte 78 und 80 für die meisten Anwendungen vorzugsweise etwa 4 bis 10 cm vom Ende des Zylinders 14 weg angeordnet. Der Lichtbogen und die Enden des geschmolzenen Metalldrahtes sollten innerhalb des aus dem Zylinder 14 austretenden parallelgerichteten Teilchenstroms angeordnet sein, d.h. längs der Längsachse des Zylinders 14.The flame spraying apparatus 10 shown in Fig. 2 includes means for supplying molten metal, which is shown here as a two-wire electric arc device (not shown in Fig. 1 for simplicity). The arc device 70 includes a carriage 72 which houses wire guides 74 and 76. The wire guides 74 and 76 are designed to feed the wires 78 and 80 to the arc zone 82 at a predetermined speed. The angle formed by the wires 78 and 80 is preferably less than about 60° in most applications. In a preferred method, an electric arc of predetermined intensity is ignited and continuously maintained between the ends of the wire electrodes. In another embodiment, the heat of the parallel flow of combustion gases melts the tips of the wires 78 and 80. In some applications, it may be convenient to use a single wire 78, with the heat of the combustion gases melting the wire. In the disclosed embodiment, the wires 78 and 80 are continuously advanced toward an intersection point in the arc zone 82 as they are melted and consumed as atomized molten metal. While the distance of the arc zone 82 from the end of the cylinder 14 is not critical and can be adjusted to control various properties of the coating or article to be formed during the spraying process, the ends of the Wires 78 and 80 are preferably positioned about 4 to 10 cm from the end of cylinder 14 for most applications. The arc and the ends of the molten metal wire should be positioned within the parallel particle stream exiting cylinder 14, ie, along the longitudinal axis of cylinder 14.
Bei der vorliegenden Erfindung kann eine Reihe von Brennstoffen und Oxydationsmitteln verwendet werden. Wie in der obenerwähnten gleichzeitig hängigen Europäischen Patentanmeldung beschrieben ist, können Gas, flüssige oder teilchenförmige Brennstoffe oder Oxydationsmittel geeignet sein. Als Oxydationsmittel sind die meisten sauerstoffhaltigen Gase geeignet. Im wesentlichen reiner Sauerstoff wird hier besonders bevorzugt. Geeignete Brennstoffgase zur Erzeugung einer Hochgeschwindigkeits-Schubkraft auf das Spritzmaterial sind bei der vorliegenden Erfindung Kohlenwasserstoff-Gase, vorzugsweise hochreines Propan oder Propylen, welche hochträge Oxydationsreaktionen erzeugen. Für gewisse Anwendungen können auch Wasserstoff und andere flüssige oder gasförmige Brennstoffe geeignet sein. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Flammentemperatur und damit die Temperatur des Füllstoff-Aufgabegutes gesteuert werden durch geeignete Brennstoffauswahl sowie durch Steuerung der Gasdrücke und der Verweil- oder Aufenthaltsdauer der Aufgabegut-Teilchen in der konvergierenden Verengung 18 und der Bohrung 56.A variety of fuels and oxidizers may be used in the present invention. As described in the above-mentioned co-pending European patent application, gas, liquid or particulate fuels or oxidizers may be suitable. Most oxygen-containing gases are suitable as oxidizers. Substantially pure oxygen is particularly preferred. Suitable fuel gases for producing a high-velocity thrust on the spray material in the present invention are hydrocarbon gases, preferably high-purity propane or propylene, which produce highly inert oxidation reactions. Hydrogen and other liquid or gaseous fuels may also be suitable for certain applications. In the present invention, the flame temperature and hence the temperature of the filler feed material can be controlled by appropriate fuel selection as well as by controlling the gas pressures and the residence or dwell time of the feed material particles in the converging throat 18 and the bore 56.
Durch Steuerung der Zusammensetzung des Brennstoffs und des Gasdruckes kann ein weiter Bereich von Teilchengeschwindigkeiten erhalten werden. Derbevorzugte Brennstoffgas-Druck beträgt etwa 137,9 bis 689,5 kPa, insbesondere etwa 275,8 bis 482,7 kPa. Der Druck des Oxydationsgases liegt für die meisten Anwendungen typischerweise im Bereich von etwa 137,9 bis 689,5 kPa, vorzugsweise von etwa 275, bis 551,6 kPa. Wenn innerhalb dieser Bereiche gearbeitet wird, liegen die Geschwindigkeiten der aus dem Zylinder 14 austretenden Verbrennungsprodukte im Überschallbereich und deutlich über den Geswindigkeiten anderer, herkömmlicher Flammspritzpistolen unter ähnlichen Betriebsbedingungen. Es ist gestzustellen, dass die Natur des Brennstoffgases und dessen Fliesseigenschaften die Geschwindigkeit wesentlich bestimmen.By controlling the composition of the fuel and the gas pressure, a wide range of particle velocities can be obtained. The preferred fuel gas pressure is about 137.9 to 689.5 kPa, more preferably about 275.8 to 482.7 kPa. The pressure of the oxidizing gas is typically in the range of about 137.9 to 689.5 kPa for most applications, preferably about 275 to 551.6 kPa. When operating within these ranges, the velocities of the combustion products exiting the cylinder 14 are in the supersonic range and significantly higher than the velocities of other conventional flame spray guns. under similar operating conditions. It is clear that the nature of the fuel gas and its flow properties determine the speed to a large extent.
In Fig. 3 ist die Flammspritzvorrichtung 10, bei welcher ein Füllstoff-Augabegut 116 durch die Aufgabegut-Bohrung 20 eingespritzt wird, schematisch dargestellt. Bei dieser Ausführungsform liegt der Füllstoff 110 in Teilen- oder Pulverform vor und wird von einem Trägergas mitgerissen, vorzugsweise einem, das den gespritzten Materialien gegenüber inert ist. In der Verengung 18 sind die Flammenfront 112 und die Niederdruck-Region 114 dargestellt. Nach dem Zerstäuben der geschmolzenen Metallspitzen des Drähte 78 und 80 wird ein zusammengesetzter Strom 115 gebildet, welcher ein Zielobjekt 116 beaufschlagt, um dort erfindungsgemäss eine Schicht des Verschleissmaterials 118 zu bilden.In Fig. 3, the flame spraying device 10 is shown schematically in which a filler feedstock 116 is injected through the feedstock bore 20. In this embodiment, the filler 110 is in particle or powder form and is entrained by a carrier gas, preferably one that is inert to the sprayed materials. The flame front 112 and the low pressure region 114 are shown in the throat 18. After atomization of the molten metal tips of the wires 78 and 80, a composite stream 115 is formed which impinges on a target object 116 to form a layer of the wear material 118 therein in accordance with the invention.
Zur Bildung des erfindungsgemässen Verschleissmaterials sind eine Reihe von Füllstoffen geeignet. Der hier bevorzugteste Füllstoff ist ein Kunststoff-Material. Der Ausdruck "Füllstoff", wie er hier verwendet wird, ist allgemein wie folgt zu definieren: Ein Material, welches vor dem Verspritzen, während des erfindungsgemässen Verspritzens und in der Verwendungsumgebung des endgültigen Verschleissmaterials physikalisch und chemisch im wesentlichen wärmestabil ist. Weiter weist der bevorzugte Füllstoff Härtwerte auf, welche kleiner sind als jene des Materials, welche zum Abreiben des Verschleissmaterials verwendet wird, d.h. weicher ist als das Material, aus welchem der sich bewegende Teil, welcher das Verschleissmaterial berührt, geformt ist. Schliesslich ist der bevorzugte Füllstoff gegenüber dem Matrixmaterial währen des erfindungsgemässen Spritzens und während des Betriebes der Verschleissbeschichtung chemisch stabil. Wenn der Füllstoff in Pulverform eingesetzt wird, muss er auch fliessfähig sein. Auch werden die bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt verwendeten Füllstoff beim Verfahren zur Herstellung des Verschleissmaterials nicht in wesentlichem Ausmasse thermisch abgebaut. Obschon der Füllstoff vorzugsweise in Teilchenform, beispielsweise als Pulver, eingesetzt wird, kann er auch in Stabform eingesetzt werden.A number of fillers are suitable for forming the wear material of the invention. The most preferred filler is a plastic material. The term "filler" as used herein is generally defined as follows: A material which is physically and chemically substantially heat stable prior to molding, during molding according to the invention and in the use environment of the final wear material. Further, the preferred filler has hardness values which are lower than those of the material used to abrade the wear material, i.e. is softer than the material from which the moving part which contacts the wear material is formed. Finally, the preferred filler is chemically stable to the matrix material during molding according to the invention and during operation of the wear coating. If the filler is used in powder form, it must also be flowable. Also, the fillers preferably used in the present invention are not thermally degraded to any significant extent during the process for producing the wear material. Although the filler is preferably in particle form, For example, it is used as a powder, but it can also be used in rod form.
Es werden hier daher im allgemeinen weiche, krümelige Füllstoffe bevorzugt. Besonders bevorzugte Füllstoffe sind synthetische Polymere vom Typ, welcher als Kunststoffe, Fasern oder Elastomere eingesetzt wird. Auch natürliche Polymere, welche die gewünschten Eigenschaften aufweisen, können geeignet sein. Bevorzugte synthetische Polymere oder Copolymere umfassen Acrylharze, wie beispielsweise Polymere oder Copolymere von Acrylsäure, Methacrylsäure, Ester dieser Säuren, und Acrylnitril. Bevorzugt für eine Verwendung hier sind auch Bismaleinimide, welche durch Kondensation eines Diamins mit Maleinsäureanhydrid erhalten wurden, beispielsweise durch Kondensation von Methylendianilin mit Maleinsäure; Fluorkunststoffe, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen und Polyvinylfluorid; vollaromatische Copolyester, wie beispielsweise flüssige kristalline Polymere, beispielsweise die unter den registrierten Warenzeichen Xydar (von Amoco Chemicals Corp.) und Vectra (von Hoechst Celanese) verkauften; Polyamidimide, beispielsweise die unter dem registrierten Warenzeichen Torlon (von Amoco Chemicals Corp.) verkauften; sowohl thermoplastische als auch duroplastische Polyimide; und Sulfonpolymere, einschliesslich Polysulfone, Polyarylsulfone und Polyethersulfone; plastische Polyester, wie beispielsweise aromatische Polyester, vorzugsweise aus Iso- und Terephthalat und aromatischen Bisphenol-Homopolyester hergestellte Polyarylate, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, vollaromatische Copolyester; Silikonharz; Epoxyharz; Poletherketon und Polyethylensulfid. Allgemein sind die meisten thermoplastischen und duroplastischen Kunststoffe, welche die beschriebenen Eigenschaften aufweisen, für eine Verwendung als Füllstoff-Komponente bei der vorliegenden Erfindung geeignet. Die für die vorliegenden Erfindung geeigneten thermoplastischen und duroplastischen Kunststoffe umfassen einen weiten Bereich von Molekulargewichten, beispielsweise von etwa 2000 bis 1'500'000. Auch Kunststoffe mit Werten ausserhalb dieses Bereiches sowie Monomere und Präpolymere können geeignet sein.Soft, crumbly fillers are therefore generally preferred here. Particularly preferred fillers are synthetic polymers of the type used as plastics, fibers or elastomers. Natural polymers which have the desired properties can also be suitable. Preferred synthetic polymers or copolymers include acrylic resins, such as polymers or copolymers of acrylic acid, methacrylic acid, esters of these acids, and acrylonitrile. Also preferred for use here are bismaleimides obtained by condensing a diamine with maleic anhydride, for example by condensing methylenedianiline with maleic acid; fluoroplastics such as polytetrafluoroethylene and polyvinyl fluoride; fully aromatic copolyesters such as liquid crystalline polymers, for example those sold under the registered trademarks Xydar (by Amoco Chemicals Corp.) and Vectra (by Hoechst Celanese); Polyamideimides, such as those sold under the registered trademark Torlon (by Amoco Chemicals Corp.); both thermoplastic and thermosetting polyimides; and sulfone polymers, including polysulfones, polyarylsulfones and polyethersulfones; plastic polyesters, such as aromatic polyesters, preferably polyarylates made from iso- and terephthalate and aromatic bisphenol homopolyesters, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, wholly aromatic copolyesters; silicone resin; epoxy resin; polyetherketone and polyethylene sulfide. In general, most thermoplastics and thermosetting resins that have the properties described are suitable for use as a filler component in the present invention. The thermoplastics and thermosetting resins suitable for the present invention cover a wide range of molecular weights, for example from about 2,000 to 1,500,000. Plastics with values outside this range as well as monomers and prepolymers may also be suitable.
Wie erwähnt, soll der hier für das Verschleissmaterial verwendete Füllstoff weich und krümelig sein, damit ein Verschleissmaterial mit den gewünschten Eigenschaften erhalten wird. Ausser Polymeren sind andere nichtmetallische Materialien, welche bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise als Füllstoff-Komponente verwendet werden, feste Schmiermittel, wie beispielsweise Bornitrid, Calciumfluorid, Molybdensulfid, fluorierter (nicht-graphitischer) Kohlenstoff, fluorierter Graphit, nicht-graphitischer Kohlenstoff, Graphit, sowie Kombinationen dieser Stoffe.As mentioned, the filler used here for the wear material should be soft and crumbly in order to obtain a wear material with the desired properties. In addition to polymers, other non-metallic materials which are preferably used as a filler component in the present invention are solid lubricants such as boron nitride, calcium fluoride, molybdenum sulfide, fluorinated (non-graphitic) carbon, fluorinated graphite, non-graphitic carbon, graphite, and combinations of these materials.
Gewisse weiche keramische Materialien sind als Füllstoffmaterial ebenfalls geeignet, beispielsweise Calciumcarbonat; Tonerden als solche, beispielsweise Kaolin und Bentonit; Calciumphosphate; Wollastonit; Pyrophyllit; Perlit; Gips; Baryt; hydriertes Aluminiumoxid; Siliciumdioxid; und Diatomit, einschliesslich calcinierter Diatomit; sowie Kombinationen dieser Stoffe. Allgemein sind die meisten nicht-schleifenden Mineralien, welche beim Flammspritzverfahren nicht übermässig gehärtet werden, annehmbar. Darüber hinaus kann es zweckmässig sein, gewisse weiche Metalle als Füllstoff-Komponente bei der vorliegenden Erfindung zu verwenden.Certain soft ceramic materials are also suitable as filler material, for example calcium carbonate; clays per se, for example kaolin and bentonite; calcium phosphates; wollastonite; pyrophyllite; perlite; gypsum; barite; hydrated alumina; silica; and diatomite, including calcined diatomite; and combinations thereof. In general, most non-abrasive minerals which are not excessively hardened by the flame spraying process are acceptable. In addition, it may be desirable to use certain soft metals as a filler component in the present invention.
Der Füllstoff der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Pulver, welches vorzugsweise eine Teilchengrösse von etwa 5 bis 100 Mikrometer aufweist, obschon für gewisse Anwendungen Durchmesser ausserhalb dieses Bereiches geeignet sein können. Das Füllstoffpulver sollte im Rahmen der Bedürfnisse der Spritzvorrichtung fliessfähig sein und sollte ein ziemlich enge Grössenverteilung aufweisen, so dass übermässig feine oder grosse Teilchen nicht vorhanden sind. Die Techniken zur Erzeugung dieser Pulver sind dem Fachmann wohlbekannt.The filler of the preferred embodiment of the present invention is a powder which preferably has a particle size of about 5 to 100 micrometers, although diameters outside this range may be suitable for certain applications. The filler powder should be flowable within the needs of the spraying equipment and should have a fairly narrow size distribution so that excessively fine or large particles are not present. The techniques for producing these powders are well known to those skilled in the art.
Wie erwähnt, wird das Metall für die Metallmatrix des erfindungsgemässen Verschleissmaterials vorzugsweise als Draht eingesetzt, von dem ein Ende im Weg des Stroms der Verbrennungsgase, durch welche der Füllstoff mitgerissen wird, positioniert wird, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Es kann ein einziger Draht verwendet werden, wobei das Schmelzen der Spitze durch die Wärme der Verbrennungsgase bewerkstelligt wird. Alternativ können, wie in Fig. 3 dargestellt, zwei Drähte verwendet werden, wobei zwischen den beiden Drahtspitzen ein Lichtbogen geschmolzen. Dadurch wird eine Quelle von geschmolzenem Metall, welches dann durch den Gasstrom zerstäubt wird, geschaffen. Wenn zwei Drähte verwendet werden, können diese aus demselben oder aus verschiedenen Metallen bestehen. Demzufolge muss der Draht durch eines dieser Mittel verbrauchbar sein.As mentioned, the metal for the metal matrix of the wear material according to the invention is preferably used as a wire, one end of which is in the path of the flow of the combustion gases, through which the filler is entrained, as shown in Fig. 3. A single wire may be used, with melting of the tip being accomplished by the heat of the combustion gases. Alternatively, as shown in Fig. 3, two wires may be used, with an arc melting between the two wire tips. This creates a source of molten metal which is then atomized by the gas stream. If two wires are used, they may be of the same or different metals. Accordingly, the wire must be consumable by either of these means.
Die für die Bildung der Metallmatrix bei der vorliegenden Erfindung geeigneten Metalle werden vorzugsweise in Drahtform zugeführt. Bevorzugte metalle umfassen Aluminium und seine Legierungen, wie beispielsweise Aluminium 1100, 1350 und andere 1XXX- Serien; Aluminium/Magnesium-Legierungen als solche, beispielsweise 5356 und andere 5XXX-Serien; Aluminium/Silicium-Legierungen als solche, beispielsweise 4043, 4047 und andere 4XXX-Serien; Aluminium/Magnesium-Legierungen als solche, beispielsweise 5356 und andere 5XXX-Serien; Aluminium/Magnesium/Silicium-Legierungen der 6XXX-Serien; und Aluminium/Titan-Legierungen. Geeignet sind auch Kupfer und seine Legierungen, einschliesslich Kupfer UNDS C101000-C15735; Kupfer/Aluminium-Legierungen als solche, beispielsweise UNS C60600C64400 (Aluminiumbronze); Kupfer/Nickel-Legierungen als solche, beispielsweise UNS C70100-C72500. Ebenfalls geeignet sind Nickel und seine Legierunge, einschliesslich Nickel UNS NO2200, UNS NO2201 und UNS NO2205; Nickel/Kupfer-Legierungen, einschliesslich UNS NO4400, UNS NO4404 und UNS NO4405; und Nickel/Chrom-Legierungen als solche, beispielsweise UNS NO4405; und Nickel/Chrom-Legierungen als solche, beispielsweise UNS NO6003. Andere Metalle, welche sich für eine Verwendung zur Bildung der Metallmatrix der erfindungsgemässen Verschleissbeschichtungen eignen, sind Superlegierungen auf Nicke- und/oder Cobalt-Basis und hochtemperatur- oder korrosionsbeständige Legierungen. Bevorzugt werden MCrAlX-Legierungen, worin bedeuten: M Fe, Ni, Co und Kombinationen davon; X ein Seltenerdmetall, einschliesslich La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf und Kombination davon, oder Zr, Si und Kombinationen davon. Bevorzugt für die erfindungsgemässe Verwendung sind auch intermetallische Verbindungen, einschliesslich der Aluminide von Ni, Ti und dgl. Geeignet sind auch Stähle, einschliesslich kohlenstoffarmer Stahl, Legierstahl und rostfreier Stahl. Annehmbar sind auch reine Metalle, einschliesslich Nickel, Cobalt, Eisen, Kupfer, Aluminium und jedes andere Metall, das zu Drähten geformt werden kann.The metals suitable for forming the metal matrix in the present invention are preferably supplied in wire form. Preferred metals include aluminum and its alloys, such as aluminum 1100, 1350 and other 1XXX series; aluminum/magnesium alloys as such, for example 5356 and other 5XXX series; aluminum/silicon alloys as such, for example 4043, 4047 and other 4XXX series; aluminum/magnesium alloys as such, for example 5356 and other 5XXX series; aluminum/magnesium/silicon alloys of the 6XXX series; and aluminum/titanium alloys. Also suitable are copper and its alloys, including copper UNDS C101000-C15735; copper/aluminum alloys as such, for example UNS C60600C64400 (aluminum bronze); Copper/nickel alloys as such, for example UNS C70100-C72500. Also suitable are nickel and its alloys, including nickel UNS NO2200, UNS NO2201 and UNS NO2205; nickel/copper alloys, including UNS NO4400, UNS NO4404 and UNS NO4405; and nickel/chromium alloys as such, for example UNS NO4405; and nickel/chromium alloys as such, for example UNS NO6003. Other metals which are suitable for use in forming the metal matrix of the wear coatings according to the invention are nickel and/or cobalt-based superalloys and high-temperature or corrosion-resistant alloys. MCrAlX alloys are preferred, wherein M is Fe, Ni, Co and combinations thereof; X is a rare earth metal including La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf and combinations thereof, or Zr, Si and combinations thereof. Also preferred for use in the present invention are intermetallic compounds including the aluminides of Ni, Ti and the like. Also suitable are steels including low carbon steel, alloy steel and stainless steel. Also acceptable are pure metals including nickel, cobalt, iron, copper, aluminum and any other metal that can be formed into wires.
Die Dicke des Drahtes ist nicht kritisch, hält sich aber im allgemeinen in einem Durchmesserbereich von etwa 0,762 bis 6,35 mm. Werte ausserhalb dieses Bereiches können ebenfalls geeignet sein. Wenn die Spitzen des geschmolzenen Metalls schmelzen und zerstäubt werden, werden der Draht oder die Drähte in Stromrichtung mit einer Geschwindigkeit vorwärts bewegt, welche eine konstante Zufuhr von zerstäubtem geschmolzenem Metall gewährleistet.The thickness of the wire is not critical, but generally is in the range of about 0.762 to 6.35 mm in diameter. Values outside this range may also be suitable. As the tips of molten metal melt and become atomized, the wire or wires are advanced in the direction of the stream at a rate that ensures a constant supply of atomized molten metal.
Einer der vielen Vorteile, welche die Flammspritzvorrichtung 10 bietet, ist die Fähigkeit, dass die Geschwindigkeit, mit welcher der teilchenförmige Füllstoff in die Flammenfront injiziert wird, reguliert werden kann. Im Gegensatz zu manchen Vorrichtungen erlaubt es die Flammspritzvorrichtung 10, die Raten der Teilcheninjektion, des Brenngasflusses und des Flusses des oxydierenden Gases unabhängig voneinander zu regulieren. Die Aufgabegut- Teilchen werden in die Flammenfront durch einen unabhängigen Strom eines inerten Trägergases injiziert. Durch die unabhängige Regulierung der Flussraten wird die Turbulenz in der konvergierenden Verengung 18 wesentlich vermindert, indem der Druck der Trägergases auf einem höheren Wert als der Druck des Brenngases gehalten wird. Dies vergrössert die Teilchengeschwindigkeiten. Der Druck des Trägergases liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 275,8 bis 482,7 kPa, insbesondere von etwa 344,7 bis 413,7 kPa. Vorzugsweise ist er immer grösser als der Druck des Brenngases. Obschon, wie erwähnt, die relativen Abmessungen der in Fig. 3 dargestellten Auslässe 33 und 41 in weiten Vereichen variieren können, ist der Innendurchmesser des Aufgabegut-Zufuhrrohrs 22 im allgemeinen wesentlich kleiner als der Querschnitt des ringförmigen Oxydationsmittel-Durchlasses 40. Das Verhältnis der Querschnittsfläche der Aufgabegut-Bohrung 20 zu derjenigen des Spritzdurchlasses 56 des Zylinders 14 beträgt im allgemeinen etwa 1 zu 25, um die Wahrscheinlichkeit, dass die Füllstoff-Teilchen währen des Spritzens die innere Oberfläche des Zylinders 14 berühren und dort ankleben, zu vermindern. Das "Spratzen' genannte Phänomen, welches bei niedrigeren Drücken des Trägergases auftritt, wird vermieden, indem der Druck des Trägergases oberhalb von etwa 344,7 KPa gehalten wird, während der Druck des Brenngases etwa 310,2 bis 448,2 kPa und der Druck oxydierenden Gases etwa 482,6 bis 620,6 kPa beträgt. Das Spratzen ergibt sich aus der Radialbewegung der Teilchen, welche an der konischen Wand 16 ankleben können. Es wird angenommen, dass es bei niedrigeren Trägergas-Drücken infolge erhöter Turbulenz auftritt. Daher wird die Turbulenz reduziert, wenn der Druck des Trägergases auf hohen Werten gehalten wird.One of the many advantages offered by the flame sprayer 10 is the ability to regulate the rate at which the particulate filler is injected into the flame front. Unlike some devices, the flame sprayer 10 allows the rates of particle injection, fuel gas flow, and oxidizing gas flow to be regulated independently. The feed particles are injected into the flame front by an independent flow of an inert carrier gas. By independently regulating the flow rates, turbulence in the converging throat 18 is substantially reduced by maintaining the pressure of the carrier gas at a higher value than the pressure of the fuel gas. This increases particle velocities. The pressure of the carrier gas is preferably in the range of about 275.8 to 482.7 kPa, more preferably about 344.7 to 413.7 kPa. Preferably, it is always greater than the pressure of the fuel gas. Although, as noted, the relative dimensions of the outlets 33 and 41 shown in Fig. 3 can vary widely, the inside diameter of the feed supply tube 22 is generally substantially smaller than the cross-sectional area of the annular oxidant passage 40. The ratio of the cross-sectional area of the feed bore 20 to that of the spray passage 56 of the barrel 14 is generally about 1 to 25 to reduce the likelihood of the filler particles contacting and sticking to the inner surface of the barrel 14 during spraying. The phenomenon called "spattering" which occurs at lower carrier gas pressures is avoided by maintaining the carrier gas pressure above about 344.7 kPa while maintaining the fuel gas pressure at about 310.2 to 448.2 kPa and the oxidizing gas pressure at about 482.6 to 620.6 kPa. The spattering results from the radial movement of particles which may adhere to the conical wall 16. It is believed to occur at lower carrier gas pressures due to increased turbulence. Therefore, turbulence is reduced when the carrier gas pressure is maintained at high values.
Wenn sich die Füllstoff-Teilchen in die konvergierende Verengung 18 hineinbewegen, nimmt die thermische und kinetische Energie der Teilchen infolge einer exothermen kontinuierlichen Hochgeschwindigkeits-Diffusion wesentlich zu. Die energiereichen Füllstoff-Teilchen strömen durch die konvergierende Verengung 18 und bilden einen parallelgerichteten Stron von hochenergetischen Teilchen, welche in einer im wesentlichen geraden Linie durch den Durchlass 56 des Zylinders 14 getrieben werden. Wie erwähnt findet auch eine Verminderung der turbulenten Radialbewegung der Spritzteilchen statt. Ein axialer, im wesentlichen nicht-turbulenter Fluss der Verbrennungsgase und der Füllstoff-Teilchen, welcher einen parallelgerichteten Hochgeschwindigkeits-Teilchenstrom ergibt, wird erhalten, indem ein nicht-turbulenter Gasfluss in die konvergierende Verengung 18 hinein erzeugt und eine auf die konvergierende Verengung 18 beschränkte kontinuierliche Hochgeschwindigkeits-Diffusionsreaktion aufrechterhalten wird. Ausserdem wird eine Verbreiterung des Teilchenstroms beim Durchströmen des Zylinders 14 vermindert, indem mittels eines Wärmeaustauschmantels 58 Wärme von der Zylinderwand 46 abfeführt wird. Wird der Zylinder 14 auf diese Weise gekühlt, wird ein thermischer Pinch erzeugt, welcher jegliche Radialbewegung der energiereichen Teilchen gegen die Seitenwände des Zylinders 14 weiter vermindert.As the filler particles move into the converging throat 18, the thermal and kinetic energy of the particles increases substantially due to an exothermic continuous high-velocity diffusion. The energetic filler particles flow through the converging throat 18 and form a parallel stream of high-energy particles which are driven in a substantially straight line through the passage 56 of the barrel 14. As mentioned, there is also a reduction in the turbulent radial motion of the spray particles. An axial, substantially non-turbulent flow of the combustion gases and the filler particles, which results in a parallel high-velocity particle stream, is obtained by creating a non-turbulent gas flow into the converging throat 18 and a continuous high-velocity diffusion reaction is maintained. In addition, broadening of the particle stream as it passes through the cylinder 14 is reduced by removing heat from the cylinder wall 46 by means of a heat exchange jacket 58. When the cylinder 14 is cooled in this manner, a thermal pinch is created which further reduces any radial movement of the energetic particles against the side walls of the cylinder 14.
Wenn der parallelgerichtete Teilchenstrom den Zylinder 14 verlässt, bewegt er sich durch die Lichtbogenzone 82. Während dieses Durchgangs werden die Drähte 78 und 80 bei der bevorzugtesten Ausführungsform mit elektrischer Energie versorgt, um einen anhaltenden elektrischen Lichtbogen zu zünden. Eine Spannung, welche ausreicht, um zwischen den Enden der Drähte 78 und 80 einen Lichtbogen aufrechtzuerhalten, wird durch eine geeignete Stromversorgung 90 aufrechterhalten. Eine Spannung zwischen etwa 15 und 30 Volt ist im allgemeinen aureichend. Wenn sich an den Drahtenden geschmolzenes Metall gebildet hat, zerstäubt der Teilchenstrom das geschmolzene Metall. Um den elektrischen Lichtbogen aufrechtzuerhalten und, wie erwähnt, einen kontinuierlichen Nachschub an geschmolzenem Metall zu liefern, werden die Drähte 78 und 80 mit einer vorbestimmeten Geschwindigkeit vorwUartsbewegt. Bei der Zerstäubung des geschmolzenen Metalls, wird ein kombinierter oder zusammengesetzter Teilchenstrom 115 gebildet, welcher sowohl den Füllstoff als auch das geschmolzene Metall enthält. Obschon durch die Anwesenheit der Drähte 78 und 80 eine gewisse Turbulenz entsteht, wird der Teilchenstrom in guter Parallelausrichtung gehalten. Der zusammengesetzte Strom wird dann auf das Zielobject 116 gerichtet, wo er das erfindungsgemässe Verschleissmaterial 118 bildet.As the collimated particle stream exits the cylinder 14, it moves through the arc zone 82. During this passage, in the most preferred embodiment, the wires 78 and 80 are energized to strike a sustained electric arc. A voltage sufficient to maintain an arc between the ends of the wires 78 and 80 is maintained by a suitable power supply 90. A voltage between about 15 and 30 volts is generally sufficient. When molten metal has formed at the wire ends, the particle stream atomizes the molten metal. To maintain the electric arc and, as mentioned, to provide a continuous supply of molten metal, the wires 78 and 80 are advanced at a predetermined speed. As the molten metal is atomized, a combined or composite particle stream 115 is formed which contains both the filler and the molten metal. Although some turbulence is created by the presence of the wires 78 and 80, the particle stream is maintained in good parallel alignment. The composite stream is then directed toward the target object 116 where it forms the inventive wear material 118.
Bei einer typischen bevorzugten kommerziellen selbsteinschleifenden Dichtung umfasst die Metallmatrix der entstehenden Beschichtung etwa 40 bis 95 Vol.- des Verschleissmaterials und die Füllstoff-Komponente etwa 5 bis 60 Vol.- des Verschleissmaterials. Bei einer spezifischen Anwendung wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet, um auf der Oberfläche eines Teils eine Verschleissbeschichtung zu bilden. Bei einer bevorzugtesten Ausführungsform wird erfindungsgemäss eine selbsteinschleifende Dichtung für einen sich bewegenden Teil, wie eine selbsteinschliefebde Dichtung für Turbinen, gebildet. Bei diesem Aspekt wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet, um eine Verschleissbeschichtung auf der inneren Oberfläche einer Turbinenverkleidung gebildet. Nach dem Erstarren der Beschichtung werden die Turbinenschaufeln rotieren gelassen, um Rillen in die Verschleissbeschichtung zu schneiden und eine genau passende selbsteinschleifende Dichtung zu bilden.In a typical preferred commercial self-grinding seal, the metal matrix of the resulting coating comprises about 40 to 95 volumes of the wear material and the filler component comprises about 5 to 60 volumes of the wear material. In a specific application, the method of the present invention is used to form a wear coating on the surface of a part. In a most preferred embodiment, the invention is used to form a self-adjusting seal for a moving part, such as a self-adjusting seal for turbines. In this aspect, the method of the present invention is used to form a wear coating on the inner surface of a turbine shroud. After the coating has solidified, the turbine blades are rotated to cut grooves in the wear coating and form a closely fitting self-adjusting seal.
Die folgenden Beispiele beschreiben die vorliegende Erfindung genauer.The following examples describe the present invention in more detail.
Unter Verwendung der Spritzpistole, wie sie im wesentlichen in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist, wurde ein Verschleissmaterial wie folgt hergestellt: Zwei Drähte aus Aluminium 1100 mit einem Durchmesser von 1,59 mm wurden mit einer Rate von 34,5 g/min dem Spritzstrom zugeführt. Die Füllstoff-Komponente war ein thermoplastisches Polyimid, welches axial in den Verbrennungsgas- Strom in der oben beschreibenen Weise mit einer Rate von etwa 15 g/min eingeführt wurde. Die Grösse des thermoplastischen Pulvers betrug im wesentlichen 45 bis 106 Mikrometer. Das oxydierende Gas was im wesentlichen reiner Sauerstoff mit einer Flussrate von 225 l/min. Als Brenngas wurde Propylen mit einer Flussrate von 46 l/min verwendet. Es wurden zwei Trägergase ausprobiert: Stickstoff mit 85 l/min und Kohlendioxyd mit 67 l/min. Die Distanz zwischen dem Zielobject und der Pistole, gemessen von der Lichtbogenzone an, betrug ungefähr 29,2 cm. Die Geschwindigkeit des Verbrennungsgases entsprach ungefähr der Schallgeschwindigkeit. Das erhaltenen Verschleissmaterial ist im Querschnitt als Mikrophotographie in Fig. 4 dargestellt.Using the spray gun substantially as shown in Figures 1-3, a wear material was prepared as follows: Two 1100 aluminum wires of 1.59 mm diameter were fed into the spray stream at a rate of 34.5 g/min. The filler component was a thermoplastic polyimide which was fed axially into the combustion gas stream in the manner described above at a rate of about 15 g/min. The size of the thermoplastic powder was substantially 45 to 106 micrometers. The oxidizing gas was substantially pure oxygen at a flow rate of 225 l/min. The fuel gas used was propylene at a flow rate of 46 l/min. Two carrier gases were tried: nitrogen at 85 l/min and carbon dioxide at 67 l/min. The distance between the target object and the gun, measured from the arc zone, was approximately 29.2 cm. The velocity of the combustion gas was approximately the speed of sound. The resulting consumable material is shown in cross-section as a photomicrograph in Fig. 4.
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