DE69123152T2

DE69123152T2 - Hochgeschwindigkeitslichtbogenspritzvorrichtung und verfahren zum formen von material

Info

Publication number: DE69123152T2
Application number: DE69123152T
Authority: DE
Inventors: Keith A. Merrick Ny 11566 Kowalsky; Daniel R. Sands Point Ny 11050 Marantz; David R. Sands Point Ny 11050 Marantz
Original assignee: Flame Spray Ind Inc
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1997-06-05
Anticipated expiration: 2011-08-31
Also published as: US5442153A; CA2089874A1; WO1992004133A1; ATE145159T1; JP2959842B2; DE69123152D1; EP0546121A4; JPH06501131A; EP0546121A1; CA2089874C; EP0546121B1; US5296667A

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Lichtbogen-Spritzvorrichtung und Verfahren zum thermischen Spritzen von Materialien, und insbesondere auf ein Lichtbogen-Spritzsystem mit einer einzigen Kabelzuführung, das einen mit Hochgeschwindigkeit übertragenen Plasmabogen zur Erzeugung äußerst dichter Materialien, wie beispielsweise Beschichtungen und freistehende netzförmige Formen verwendet, sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung hochdichter Materialien, die durch thermisches Spritzen erzeugt werden, und die verbesserte metallurgische und physikalische Eigenschaften haben.
Thermische Spritzvorgänge wurden in verschiedenen Industriezweigen in großem Ausmaß verwendet, um Schutzbeschichtungen auf verschiedene Substrate, wie beispielsweise Metall, Keramik, Kunststoff und Papier aufzubringen. In jüngster Zeit wurden thermische Spritzverfahren zur Herstellung von High-Tech-Kompositmaterialien wie Beschichtungen und freistehenden nahezu netzförmigen Strukturen verwendet. Durch Erhitzen und Beschleunigen von Partikeln aus einem oder mehreren Materialien zur Bildung eines hochenergetischen Teuchenstromes schafft das thermische Spritzen ein Verfahren, durch das Materialien ausgehend von einer Draht- oder Pulverform schnell auf einem Substrat abgelagert werden können. Da eine Anzahl an Parametern die Zusammensetzung und die Mikrostruktur der gespritzten Beschichtung oder des Gegenstandes festlegen, sind die Geschwindigkeit und die Temperatur der Partikel beim Auftreffen auf das Substrat wichtige Faktoren zur Festlegung der Dichte und der Gleichförmigkeit der Ablagerung.
Eine bekannte Technik zum thermischen Spritzen ist die Verwendung einer Verbrennungsflamme zum Spritzen von Metallen und anderen Materialien in Pulver-, Draht- oder Stabform auf einem Substrat. Eine Mischung eines Brenngases, wie beispielsweise Acetylen, und ein sauerstoffenthaltendes Gas (Oxy-Fuel) strömen durch eine Düse und werden dann an der Spitze der Düse entzündet. Das zu spritzende Material wird in die Flamme eingebracht, wo es erhitzt und zu der Obertläche des Substrates ausgestoßen wird. Der Zuführvorrat kann einen Metallstab oder -draht aufweisen, der axial in die Mitte der Flammenfront vorgeschoben wird, oder alternativ kann der Stab oder der Draht tangential in die Flamme geführt werden. In gleicher Weise kann ein Metallpulver axial in die Flammenfront mittels eines Trägergases eingespritzt werden. Einige Verbrennungsflammenpistolen nur für Pulver verwenden einen Schwerkraft- Zuführmechanismus, durch den ein pulverförmiges Material ganz einfach in die Flammenfront fallen gelassen wird. Das bekannte Flammspritzen ist indessen ein thermischer Spritzvorgang mit niedriger Geschwindigkeit in dem Ultraschallbereich und erzeugt gewöhnlicherweise Beschichtungen, die einen hohen Porositätgrad aufweisen.
Eine weitere bekannte Spritztechnik ist das Plasmaspritzen. Das Plasmaspritzen verwendet ein Hochgeschwindigkeits-Gasplasma zum Spritzen eines allgemein pulverförmigen oder teilchenförmigen Materiales auf ein Substrat. Zur Bildung eines Plasmas strömt ein Gas durch einen Lichtbogen in der Düse einer Plasmaspritzpistole, wodurch das Gas in einen Plasmastrom ionisiert wird. Der so gebildete Plasmastrom weist eine äußerst hohe Temperatur auf, die oft 10.000ºC überschreitet. Das zu spritzende Material, typischerweise Teilchen mit ungefähr 20 bis 100 µm, werden in das Plasma eingeführt und können eine Geschwindigkeit erreichen, die Mach 1 überschreitet. Auch wenn durch das Plasmaspritzen hochdichte Beschichtungen erzeugt werden können, ist es ein komplexer Vorgang, der teure Gerätschaffen und eine beträchtliche Geschicklichkeit seitens des Bedieners zur geeigneten Anwendung benötigt.
Bei einer weiteren aus der US 3,546,415 bekannten thermischen Spritztechnik wird ein Lichtbogen in einer Bogenzone zwischen zwei drahtförmigen Opferelektroden erzeugt. Wenn die Elektroden schmelzen, wird der Bogen durch kontinuierliches Zuführen der Elektroden in die Bogenzone aufrecht erhalten. Das geschmolzene Metall an den Elektrodenspitzen wird durch einen Strom von allgemein kaltkomprimiertem Gas atomisiert. Das atomisierte Metall wird dann durch den Gasstrom zu einem Substrat vorgestoßen, wodurch eine Ablagerung gebildet wird.
Bekannte thermische Lichtbogen-Spritzbeschichtungen sind allgemein dicht und weisen ausreichend wenig Oxid auf, indessen benötigt der Vorgang das Zuführen von zwei Opferdrähten (Elektroden) in die Spritzvorrichtung, wodurch sich mehrere Nachteile ergeben. Zuerst ist die Spritzpistole, die oft leicht und einfach handhabbar sein soll, voluminös und unangenehm aufgrund der Anzahl an schwergewichtigen elektrischen Leistungskabeln und elektrisch isolierten Drahtzuführleitungen, die benötigt werden.
Weiterhin treten Instabilitäten bei dem Spritzvorgang aufgrund unvermeidbarer Irregularitäten auf, die dem Vorgang des gleichzeitigen und genauen Zuführens zweiter Drähte in dem Bogenbereich der Spritzpistole eigen sind. Solche Drahtzuführ-Instabilitäten ergeben uneinheitliche Eigenschaften der Beschichtung, die oft der Qualität der Beschichtungsqualität abträglich sind. Da zusätzlich geschmolzene Teilchen zuerst sowohl an der Anode wie auch an der Kathode gebildet werden, werden zwei unterschiedliche Teilchengrößenbereiche von den beiden Elektroden erzeugt, was nicht zur Bildung einer gleichlörmigen Beschichtungsstruktur förderlich ist.
Ein Bogenspritzsystem, das aus der US 4,688,852 bekannt ist, schlägt eine Abänderung der Anordnung durch das Fließen des atomisierenden Gases durch und um den Bogenbereich herum vor. Indessen schafft diese Technik nur eine verbesserte Atomisierung bei Unterschallgeschwindigkeiten und beseitigt nicht die Schwierigkeiten aufgrund der Doppeldraht-Zuführinstabilitäten.
Zur Verbesserung der Geschwindigkeit des Atomisiergases schlägt die US 4,788,402 eine Anordnung vor, bei der ein Plasmastrom in solch einer Weise gebildet wird, daß das Plasmagas auf Schall- oder Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, wenn es die Anodendüse der Plasmapistole verläßt. Zwei Drähte werden gleichzeitig in den aktivierenden, hochgeschwindigkeitionisierten Gasstrom unter spitzen Winkeln zu der Achse des Stromes dieses Plasmastromes geftihrt. Diese beiden Drähte werden elektrisch bezüglich einander aktiviert und ein Bogen wird zwischen den beiden Drähten durch den ionisierten Plasmastrom hindurch gebildet. Solch eine Anordnung schafft eine Einrichtung zur Atomisierung der Metallteilchen, die an den schmelzenden Enden der beiden Drähte geschaffen werden, unter sehr hohen Geschwindigkeiten, die im Schall- oder Überschallbereich liegen können. Indessen erfordert solch eine Vorrichtung immer noch die gleichzeitige Zuftihr von zwei Opferdrähten, wodurch die Instabilitätsprobleme im Zusammenhang mit der gleichzeitigen Zuftihr der beiden Drähte nicht gelöst werden.
Aus der US 3,140,380 ist ein Verfahren zur Bildung mehrerer Plasmaströme bekannt, die winkelförmig um eine Mittenachse herum beabstandet sind. Ein einzelner Draht wird längs der Mittenachse der so angeordneten Multiplasmapistole zugeflihrt und durch die Hitze des Plasmas geschmolzen, und dann werden die geschmolzenen Teilchen atomisiert und zu einem Substrat vorgestoßen, um eine Beschichtung durch die kombinierten Plasmaströme an dem Konvergenzpunkt dieser mehreren Plasmaströme zu bilden. Bei dieser Anordnung beträgt die Wärme, die zum Schmelzen dieses einzelnen Drahtes verfügbar ist, nur die, die durch Konvektion von dem Plasmastrom erhalten wird. Weiterhin ist die Geschwindigkeit der konvergierenden Plasmaströme verhältnismäßig niedrig, und daher tritt das Atomisieren und Vorstoßen der Metallteilchen bei niedriger Geschwindigkeit auf, wodurch keine hochdichten porenfreien Beschichtungen geschaffen werden können.
Eine Bogenvorrichtung mit einem einzelnen Draht und ein derartiges Verfahren ist aus der US 3,064,114 bekannt, wobei ein einzelner Draht durch die Mittenachse einer Plasmapistole zugeführt wird. Dieser Draht dient als Opferelektrode, die in eine Bogenkammer geführt wird. Ein Bogen wird zwischen diesem Draht und einer koaxial ausgerichteten Auslaßdüse erzeugt. Gas wird in die Bogenkammer koaxial zu dem Elektrodendraht gegeben, wodurch es durch den Lichtbogen expandiert wird und ein stark erhitztes gasstromtragendes Metall von der Elektrodenspitze zu der Düse strömen läßt. Dieser Gasstrom koaxial zu dem Elektrodendraht hilft weiterhin zum Umformen der Elektrodendrahtspitze, die durch den Lichtbogen geschmolzen wird, in einen Strom kleiner Metalltropfen.
Aus der US 3,085,750 ist es bekannt, eine Metallplatte in den Stromweg der Pistole zu bringen, um den Stromweg des erhitzten Gasstromes abzulenken und zu richten. Bei dieser Art eines Metallspritzvorganges gibt es mehrere Mängel. Zuerst liegt die Geschwindigkeit dieses Vorganges im Unterschallbereich, wodurch Ablagerungen erhalten werden, die ziemiich porös sind und wodurch sich Beschichtungen ergeben, die allgemein aus verhältnismäßig großen Teilchen bestehen.
Zusätzlich besteht eine große Schwierigkeit bei der Verhinderung der Anlagerung der Metalltröpfchen an den Wänden der Auslaßdüse.
Aus der US 4,370,538 ist eine Anordnung bekannt, bei der ein einziger Draht unter einem spitzen Winkel in einen Plasmastrom innerhalb einer Zweistrahlpistole zugeführt wird. Ein übertragener Bogen wird zwischen der Kathode der Plasmapistole und der Drahtanode geschaffen, wodurch die Spitze des Drahtes geschmolzen wird. In dem Plasmastrom wird ein ausreichender Gasstrom geschaffen, um das ursprüngliche Atomisieren des geschmolzenen Metalles an der Drahtspitze zu unterstützen. Dieser Gasstrom ist verhältnismäßig langsam, weist aber eine hohe Temperatur auf und die ursprünglich atomisierten Teilchen werden später in einen zweiten, kühleren Hochgeschwindigkeits- Gasstrom zur weiteren Atomisierung und Beschleunigung gegeben. Dieser zweite Gasstrom wird durch Verbrennen einer Sauerstoff-Brennstoff(Oxy-Fuel)-Mischung in einer separaten Verbrennungskammer erhalten, die ebenfalls ein Bestandteil dieser thermischen Spritzpistole ist. Das heiße Verbrennungsprodukt, nämlich Gas, wird zum koaxialen Zusammenführen mit dem Plasmastrom gerichtet, der die teilweise atomisierten geschmolzenen Metallteilchen enthält. Einer der Nachteile von solch einer Vorrichtung ist die Kompliziertheit der Gerätschaften zur Kombination mehrerer Vorgänge (Plasma, Verbrennung und Drahtbogen) in einer Anordnung, längs der eine äußerst genaue Aussteuerung dieser drei Vorgänge nötig ist, damit sie harmonisch miteinander zusammenarbeiten. Zusätzlich ist der Betrieb einer solchen Vorrichtung sehr teuer und benötigt einen hohen Verbrauch an Brenngas und Sauerstoff Zusätzlich, wenn der Draht in einem spitzen Winkel in den Plasmastrom geführt wird und ein Bogen zwischen der Drahtspitzenanode und der Kathodenelektrode der Plasmapistole geschaffen wird, können willkürlich sekundäre Bögen (Doppelbogenbildung) zwischen dem Draht und der Anodendüse der internen Plasmapistole auftreten. Die Doppelbogenbildung ist ein Zustand, bei dem ein kürzerer elektrischer Weg für den bogenübertragenen Strom geftinden wird, um zwischen der Kathodenelektrode durch den inneren Bogen innerhalb der Pistole zu einem zweiten Bogen zu fließen, der sich zwischen einem Punkt an der äußeren Fläche der Pistole und dem Draht bildet. Solche sekundären (Doppel-) Bögen können das Innere der Plasmapistole und insgesamt die Spritzpistole zerstören.
Ein weiteres System ist aus der US 4,604,306 bekannt, wobei zwei separate Pistolen verwendet werden, nämlich eine Plasmapistole und eine Hochgeschwindigkeits- Verbrennungspistole. Die Plasmapistole ist eine Pistole vom Übertragungsbogentyp, bei der ein Bogen zwischen der Kathodenelektrode der Pistole und dem spitzen Ende eines Drahtes gebildet wird, der in einen zuvor gebildeten Pilotplasmastrom in einem spitzen Winkel bezüglich diesem geftihrt wird. Die geschmolzenen Teilchen, die teilweise atomisiert und aus der Übertragungsbogenzone beschleunigt werden, werden in eine "Beruhigungszone" geftihrt, die an dem Ausgang einer Hochgeschwindigkeits-Brennstoff- Verbrennungsmittelpistole gebildet ist. Bei dieser Anordnung treten die gleichen Nachteile auf wie bei der zuvor genannten US 4,370,538. Da der Draht in dem Plasmastrom in einem spitzen Winkel getührt wird, tritt eine Sekundärbogenbildung zwischen dem Draht und der Plasmapistolenanode-Pilotdüse gewöhnlich auf aufgrund dieser körperlichen Anordnung, wodurch sich eine Beschädigung und Zerstörung der Plasmapistole ergibt. Zusätzlich ist die Vorrichtung kompliziert, da eine schwierige mechanische Ausrichtung zwischen der Plasmapistole und der Sauerstoff-Brennstoff-Verbrennungspistole erforderlich ist und der Vorgang ist bei seiner Ausführung sehr kostspielig.
Eine Lösung für das Problem der Sekundärbogenbildung ist aus der US 4,762,977 bekannt. Eine Hochgeschwindigkeits-Ringgasscheide wird konzentrisch um die Übertragungsbogensäule gebildet, um eine Bogensäulenführung zu schaffen, die die Bogensäule innerhalb eines Bereiches einschränkt, der radial in der Nähe der axialen Ausdehnung der Düse liegt, so daß die Bogensäule nicht in diese Scheide eindringen kann. Wenn die Drahtbewegung angehalten wird oder der Draht aus der Bogenzone zurückgezogen wird, wird der Bogen der Spitze des Drahtes durch den kalten, Hochgeschwindigkeits-Ringgasstrom gelöscht. Diese Lösung hinsichtlich der sekundären Bogenbildung resultiert in einer größeren Komplexität und Voluminösität der Spritzvorrichtung sowie einer Erhöhung der Betriebskosten eines solchen Systems, da ein zusätzliches großes Volumen eines Hochgeschwindigkeitsstromes komprimierter Luft erforderlich ist. Zusätzlich ist es nicht immer nützlich, ein hohes Volumen einer kalten Luft unter Hochgeschwindigkeit zu haben, das auf der Beschichtung auftrifft, die auf dem Substrat gebildet wird, und kann in der Tat zur Erreichung der höchsten Qualität der Beschichtungseigenschaften nachteilig sein.
Bekannte thermische Spritzverfahren wurden verwendet, um Kompositmaterialien durch gleichzeitiges Spritzen von zwei oder mehreren unterschiedlichen Materialien zu bilden. Keramik-Keramik-Verbundstoffe, Keramik-Metall-Verbundstoffe, die als "Cermets" bekannt sind, und Metall-Keramik-Verbundstoffe, die als "Metall-Matrix-Verbundstoffe" bekannt sind, wurden als Beschichtungen und als freistehende nahezu netzförmige Gegenstände gebildet. Die Materialien können ebenfalls durch Bildung eines ersten Teilchenstromes unter Verwendung einer Spritzpistole und daraufhin der Zusammenführung des ersten Stromes mit einem Teilchenstrom von einer weiteren Pistole zur Bildung eines kombinierten Spritzens an der Target-Oberseite erzeugt werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Komposit-Materiales durch kombiniertes Schmelzspritzen ist aus der US-4,740,395 bekannt. Die Verwendung einer bekannten Einfacbdraht-Verbrennungsspritzpistole zum Schmelzen und Spritzen des Hauptbestandteilmetalles auf ein Substrat wird mit einer Einspritzvorrichtung kombiniert, die diskontinuierliche Phasen als Verstärkungsmaterial zusammen mit komprimierter Luft in das gespritzte Metall einspritzt, wobei diskontinuierliche Phasen in das gespritzte Metall gemischt werden. Somit wird ein Kompositmaterial auf einem Substrat gebildet. Die Grenzen dieser Technik liegen darin, daß die sich ergebenden Ablagerungen Oxidbildungen um jedes Metallteilchen aufweisen, sowie in einem hohen Porositätsgrad, der sich aus der niedrigen Geschwindigkeit des Vorganges ergibt. Diese beiden Faktoren ergeben Ablagerungen, die keine verbesserten Eigenschaften aufweisen. Zusätzlich ist die Verwendung zweier separater Spritzpistolen zur Bildung von Kompositbeschichtungen schwierig und unhandlich. Es ist daher wünschenswert, eine einzige Spritzpistole zu schaffen, die zur Bildung von Kompositmaterialien, wie beispielsweise Metall-Matrix- Verbundmaterialien verwendet werden kann, die hochdichte, im wesentlichen oxidfreie Ablagerungen sind.
Eine weitere Einrichtung zur Bildung von Kompositmaterialien, wie beispielsweise Metall- Matrix-Kompositmaterialien durch thermisches Spritzen als eine Beschichtung oder als freistehende nahezu netzförmige Teilchen ist in der US-Patentanmeldung Serial No. 07/247,024 des Miterfinders Daniel R. Marantz beschrieben. Diese Vorrichtung kombiniert in der einzigen Vorrichtung eine Hochgeschwindigkeits(Überschallbereich)-Spritzpistole des Brennstoff-Sauerstofftyps mit einem Zweidraht-Lichtbogen-Spritzkopf. Bei dieser Vorrichtung werden die Hochgeschwindigkeits-Verbrennungsprodukte direkt in den Bogenbereich gerichtet, der zwischen den beiden Drähten geformt wird, wo sie zum Atomisieren und Beschleunigen des geschmolzenen Metalles dienen, das in dem Bogen gebildet wird, aus den beiden Drähten zu einem Substrat oder zu dem beschichteten Gegenstand. Gleichzeitig wird ein pulverförmiger Vorrat an Verstärkungsteilchen in den Verbrennungsvorgang innerhalb der Hochgeschwindigkeits-Brennstoff-Sauerstoff(HVOF)- Pistole zugeführt. Diese Verstärkungsteilchen, typischerweise ein hitzebeständiges Oxid oder Carbid, wird erhitzt, innerhalb der HVOF-Pistole beschleunigt, sowie mit den Metallteilchen vereinigt, die in dem Zweidraht-Lichtbogen gebildet werden. Da sich die Metall- und Verstärkungsteilchen selbst in das Substrat einbetten, werden sie darauf durch die aufspritzenden Metallteilchen bedeckt. Dieser Vorgang erzeugt eine hochdichte Kompositbeschichtung oder ein volumenförmiges Metall-Matrix-Kompositmaterial.
Bei diesem Verfahren bestehen mehrere Beschränkungen und Nachteile. Zuerst, da ein Sauerstoff-Brennstoff-Verfahren verwendet wird, werden große Mengen an Oxiden gebildet, die jedes der Metall-Matrix-Teilchen umgeben. Diese Oxidbildung schwächt die Zwischenteilchenbindung, wodurch eine Metall-Matrix gebildet wird, die mechanisch schlechter als das feste Ausgangsmaterial ist. Zusätzlich, da der Mechanismus des Einbringens der Verstärkungsteilchen in die Metall-Matrix auf den Einschlag der heißen Teilchen in die beschichtete Oberfläche beruht, spielt die Härte des verwendeten Metall- Matrix-Materiales eine wichtige Rolle, ob und wie stark sich die Verstärkungsteilchen selbst in die Metall-Matrix einbetten. Das Beschicken eines Verstärkungsmateriales in die Metall-Matrix tritt bei keinen Materialien auf, die härter sind als Stahl und Legierungen auf Nickelbasis. Nur eine sehr niedrige Beschickung (weniger als 5%) kann in mittelharten Materialien, wie beispielsweise Kupfer und seine Legierungen erhalten werden. In weicheren Materialien, wie beispielsweise Aluminium und Aluminiumlegierungen können geeignete Beschickungen von 10 bis 15% erhalten werden. Indessen scheint dies der Grenzbereich der erhaltbaren Beschickung zu sein.
Ein weiteres Verfahren zur Bildung von Kompositen durch thermisches Spritzen ist aus der US 4,7620,977 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein einziger Draht in einem spitzen Winkel in einen Plasmastrom vorgeschoben, in dem ein Übertragungsbogen zwischen dem Plasmastrom und der Spitze des Drahtes geschaffen wird. Gleichzeitig wird ein Strom eines Trägergases, das einen Pulvervorrat trägt, in das Plasma stromaufwärts des Drahtes (zwischen der Plasma-Anodendüse und der Spitze des Drahtes) gerichtet. Der derart eingespritzte Pulvervorrat geht mit den geschmolzenen Metallteilchen zusammen, die an der Spitze des Drahtes gebildet werden und werden zusammen zu dem Substrat vorgestoßen, wodurch sich in der ergebenden Beschichtung eine Kompositstruktur ergibt. Indessen, da die Pulverteilchen und das Trägergas stromautwärts von der Spitze des Schmelzdrahtes eingespritzt werden, verursachen das kalte Trägergas und die mitgeführten Teilchen, die auf den Übertragungsbogen eintreffen, ein Abkühlen des Plasmastromes, was zusammen mit der Kinetik der Wechselwirkung des Trägergasstromes und des Plasmagasstromes unberechenbare Bogenzustände verursacht, was eine hohe Ungleichmäßigkeit der sich ergebenden Kompositbeschichtung verursacht. Weiterhin ist aufgrund dieser Wechselwirkungszustände und der sich ergebenden Beschickung der prozentuale Anteil an Sekundärmaterial in der Metallmatrix auf einen niedrigen Wert beschränkt.
Aus der US-A-2 982 845 ist eine Hochgeschwindigkeits-Bogenspritzvorrichtung mit einer Übertragungsbogen-Plasmapistolenanordnung zur Bildung einer Übertragungsbogensäule bekannt, wobei die Metallvorrat-Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Metallvorrates in die Übertragungsbogensäule in einem spitzen Winkel stromabwärtes der Kehle der Anode, eine Spannungsquelle, die mit der Plasmapistolenanordnung verbunden ist, um selektiv die Übertragungsbogen-Plasmapistolenanordnung und den Metallvorrat zu aktivieren, um einen elektrischen Potentialunterschied zwischen dem Metallvorrat und der Übertragungsbogen-Plasmapistolenanordnung mit einem entsprechenden elektrischen Stromfluß zu schaffen. Der Metallvorrat stellt eine Anode dar, um die Übertragung eines Bogens zu bewirken, der durch die Übertragungsbogensäule gebildet wird.
Dementsprechend besteht ein Bedarf zur Schaftung einer elektrischen Einzeldraht- Spritzpistole, die zur Bildung von Kompositmaterialien wie beispielsweise Metall-Matrix- Kompositmaterialien verwendet werden kann, und die die Vorteile von Überschall- Plasmabogenspritzen in Pulver und Drahtform ausnützen kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Hochgeschwindigkeits-Bogenspritzvorrichtung, die eine Übertragungsbogen- Plasmapistolenanordnung zur Bildung einer Übertragungsbogensäule und eine Metallvorrat-Zuführeinrichtung aufweist, um einen Metallvorrat in die Übertragungsbogensäule in einem solchen Winkel zuzuführen, daß kein Abschnitt des Metallvorrates näher an der Plasmapistolenanordnung liegt als die Führungskante des zugeführten Metallvorrates. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Spannungsquelle auf, die mit dem Metallvorrat und der Übertragungsbogen-Plasmapistolenanordnung verbunden ist. Die Spannungsquelle aktiviert selektiv die Übertragungsbogen-Plasmapistolenanordnung und den Metallvorrat, um eine elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Metallvorrat und der Übertragungsbogen-Plasmapistolenanordnung mit einem entsprechenden elektrischen Stromfluß zu schaffen. Der Metallvorrat besteht aus einer Anode, um die Übertragung eines Bogens zu bewirken, der durch die Übertragungsbogensäule gebildet wird.
Allgemein gesagt weist gemäß der Erfindung eine thermische Hochgeschwindigkeits- Spritzvorrichtung, die zur Bildung von Kompositmaterialien, wie beispielsweise Metall- Matrix-Kompositen verwendet wird, eine Plasmapistole auf, die einen Überschall- Plasmastrahlstrom erzeugen kann. Die Pistole weist eine Kathode auf Ein Metalldraht wird kontinuierlich in einer Winkelstellung in einem Winkel senkrecht zu der Achse des Plasmastrahlstromes vorgeschoben. Ein Übertragungsbogen wird zwischen der Drahtspitze, die als Anode wirkt, und der Kathodenelektrode geschaffen, die in der Plasmapistole enthalten ist, wodurch die Drahtspitze geschmolzen wird, wenn sie kontinuierlich in das Plasma vorgeschoben wird. Das so gebildete geschmolzene Metall wird durch den Überschall-Plasmastrahlstrom beschleunigt, atomisiert und auf das Substrat vorgestoßen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung einen einzigen Draht auf, der wenigstens senkrecht zu einem Plasmastrahlstrom orientiert ist, zu dem ein Übertragungsbogen geschaffen wurde. Das Ende des Drahtes wird kontinuierlich in den Übertragungsbogen vorgeschoben. Eine Beschickung an pulverförmigem Vorrat wird durch einen Trägergasstrom von einer Richtung vorgeschoben, die 180º zu der Richtung des Drahtvorschiebens einnimmt und so orientiert ist, daß sie den Plasmastrahlstrom stromabwärts von der Achse der Drahtvorschiebung schneidet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Plasmapistole eine Kathodenelektrode auf, die koaxial innerhalb eines elektrisch isolierten Elementes an einem Ende eines zylindrischen Metallkörpers angebracht ist, wodurch das Ende des zylindrischen Körpers abgeschlossen wird. Eine axiale Bohrung, die eine Düse bildet, ist an dem anderen Ende des Gehäuses vorgesehen. Die Kathodenelektrode liegt koaxial zu dem Düsendurchgang oder der Bohrung und innerhalb einer ringförmigen Kammer. Ein plasmabildendes Gas wird in die ringförmige Kammer eingeführt, wo es, vorzugsweise als eine verwirbelte Strömung, durch die Düse strömt. Ein tassenförmiges Element, das konzentrisch das Äußere des Metallgehäuses umgibt, bildet einen ringförmigen Raum zwischen dem Ende des tassenförmigen Elementes und dem zylindrischen Metallgehäuse. Ein Ende des tassenförmigen Elementes ist verschlossen, wodurch eine Abschlußwand gebildet wird, während das davon abgewandte Ende offen ist. Komprimiertes Gas wird in den ringförmigen Raum zur Entladung durch das offene Ende des tassenförmigen Elementes zugelührt, wodurch ein zusammenlaufender Strom an komprimiertem Gas gebildet wird, so daß der Konvergenzpunkt hinter dem Drahtzuführpunkt und somit stromabwärts von dem Draht liegt, wodurch jegliche Turbulenz minimiert wird, die sonst die Stabilität des Plasmastrahlstromes beeinträchtigen könnte. Ein Draht, Stab oder Streifen aus Metall wird senkrecht in eine geschaffene Plasmabogensäule vorgeschoben, die von der Düse der Plasmapistole her stammt. Ein elektrischer Potentialunterschied wird zwischen dem Draht, der als Anode dient, und der Kathodenelektrode innerhalb der Plasmapistole von einer Gleichspannungsquelle angelegt. Geschmolzene Metalltröpfchen, die von der Spitze des Bogens gebildet werden, werden zuerste atomisiert und durch den Überschall-Plasmastrahl beschleunigt, der sich zwischen der Kathodenelektrode und dem Anodendraht entwickelt. Eine zusätzliche Atomisierung und Beschleunigung wird durch den konvergierenden Gasauslaß von dem tassenförmigen Element bewirkt.
Gemäß einem weiteren Auslührungsbeispiel der Erfindung kann eine rotierende Scheibe eines Vorratsmateriales den Draht-, Stab- oder Streifenvorrat ersetzen. Die Kante der rotierenden Scheibe ist so ausgerichtet, daß die Mitte der Scheibe radial von der Achse des Plasmastrahles um einen Abstand beabstandet ist, der gleich dem Radius der Scheibe ist, und die Ebene der Vorderseite der Scheibe liegt senkrecht zu der Achse des Plasmastrahles. Wenn die Scheibe gedreht wird, wird ein Übertragungsbogen zwischen der Kathodenelektrode der Plasmapistole und der Kante der Scheibe gebildet, die als Anode elektrisch aufgeladen ist. Die Kante der Scheibe wird kontinuierlich geschmolzen und die geschmolzenen derart gebildeten Tröpfchen werden atomisiert und durch den auftreffenden Überschall-Plasmastrahl beschleunigt. Ein Zahnstangentrieb ist zur Bewegung der Scheibe vorgesehen, so daß die Kante der sich drehenden Scheibe weggeschmolzen wird, wobei die Radialposition der Mitte der sich drehenden Scheibe kontinuierlich nachgestellt wird, um die Kante der Scheibe in geeigneter Weise bezüglich der Achse des Plasmastrahles zu halten. Als Alternative können zwei rotierende Scheiben verwendet werden, so daß der tangentiale Berührungspunkt der beiden rotierenden Scheiben mit der Achse des Plasmastrahles ausgerichtet gehalten wird. Beide rotierenden Scheiben werden elektrisch als Anoden aufgeladen und ein Übertragungsbogen wird zwischen den beiden Scheibenanoden und der Kathodenelektrode innerhalb der Plasmapistole geschaffen. Die so gebildeten geschmolzenen Tröpfchen aus dem gleichzeitigen Schmelzen der Kanten der beiden Scheiben werden dann atomisiert und durch den Überschall-Plasmastrahl beschleunigt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dieser Erfindung kann eine Stange oder eine Platte des Vorratmateriales anstelle der Draht-, Stab- oder Streifenform des Vorrates verwendet werden. Eine Kante der Platte ist mit der Achse des Plasmastrahles ausgerichtet, während die Ebene der Platte senkrecht zu der Plasmastrahlachse liegt. Die Platte wird bezüglich der Plasmastrahlachse auf und ab bewegt. Ein Zahnstangentrieb ist vorgesehen, um die Platte so zu bewegen, daß ein Übertragungsbogen mit der Kante der Platte geschaffen wird, wodurch die Kante kontinuierlich geschmolzen wird, wobei die geschmolzenen so abgebildeten Tröpfchen atomisiert und durch den Überschall- Plasmastrahl beschleunigt werden. Wenn die Platte bewegt wird, muß die Position der Kante der Platte kontinuierlich nachgestellt werden, um die geeignete Stellung der Plattenkante bezüglich der Achse des Plasmas aufrecht zu erhalten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Draht koaxial an der Mittenlinie einer Bohrung zugeführt, die thermisch spritzbeschichtet werden soll. Eine Plasmapistole, die zuvor als Teil dieser Erfindung beschrieben wurde, wird radial bezüglich der Achse des Drahtes angeordnet und an einem Bauteil gehalten, das diese Plasmapistole um den Draht herum drehen kann. Die Achse der Plasmapistole wird ständig während der Drehung in einer senkrechten Stellung bezüglich der Achse des Drahtes gehalten. Drehdurchführungen sind vorgesehen, um die notwendigen Gase und die elektrische Leistung zu der sich drehenden Plasmapistole zuzuführen. Ein Übertragungsbogenplasma wird zwischen der Kathodenelektrode innerhalb der Plasmapistole und dem Draht geschaffen, der kontinuierlich zur Aufrechterhaltung dieses Übertragungsbogens vorgeschoben wird. Der Übertragungsbogen wird kontinuierlich aufrechterhalten, wenn die Plasmapistole konzentrisch um die Drahtachse gedreht wird, wodurch ein kontinuierliches Schmelzen der Spitze des Drahtes verursacht wird, während der Plasmastrahl gleichzeitig die an dem Ende des Drahtes geschaffenen geschmolzenen Tröpfchen atomisiert und beschleunigt, sowie sie gegen die Wand der Bohrung vorstößt. Eine Konstruktion ist vorgesehen, um die Plasmapistole axial innerhalb der Bohrung während der Drehung der Plasmapistole auf und ab zu bewegen, wodurch eine kontinuierliche, gleichförmige Beschichtung an der Innenseite einer zylindrischen Bohrung geschaffen wird.
Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Hochgeschwindigkeits-Lichtbogen-Spritzvorrichtung.
Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin eine Einzeldraht-Lichtbogen-Spritzvorrichtung und -verfahren vor, bei denen ein Überschall-Plasmastrahl geschaffen wird, der als elektrisches Kontaktmittel zu einem Metalldraht sowie zur Atomisierung und zum Vorstoßen der geschmolzenen Metallteilchen zu einem Substrat verwendet wird, um eine hochdichte Beschichtung zu bilden, wobei das Auftreten einer Sekundärbogenbildung verhindert wird.
Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin eine Einzeldraht-Plasmabogen-Spritzvorrichtung und eine pulverförmige Zuführ zur Erzeugung einer Met all-Matrix-Kompositbeschichtung und freistehender nahezu netzförmiger Materialien aus gleichförmig verteiltem Sekundärmaterial innerhalb der Metall-Matrix vor, wobei das Ausmaß der Beschickung über einen sehr weiten Bereich einheitlich und zuverlässig gesteuert werden kann.
Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin eine Hochgeschwindigkeits-Lichtbogen- Spritzvorrichtung, die eine Sekundärbogenbildung zwischen einer Drahtzuführ und einer Düse verhindert.
Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin eine thermische Hochgeschwindigkeits- Einzeldraht-Spritzvorrichtung, die einen einfachen Aufbau aufweist und mit verhältnismäßig niedrigem Gasverbrauch betrieben werden kann sowie wartungslos ist.
Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von gut kontaktierten Hochleistungsbeschichtungen, die im wesentlichen in ihrer Zusammensetzung gleichförmig sind, und eine sehr hohe Dichte mit einem sehr niedrigen Oxidgehalt innerhalb der Beschichtung aufweisen.
Die Erfindung weist dementsprechend mehrere Schritte auf, und die Beziehung von einem oder mehreren solcher Schritte bezüglich miteinander sowie die Vorrichtung, die die Merkmale der Konstruktion verkörpert, die Kombination solcher Elemente und die Anordnung der Teile, die zur Bewirkung solcher Schritte geeignet sind, wie es beispielsweise in der folgenden Beschreibung ersichtlich wird, sowie der Umfang der Erfindung ist in den Ansprüchen dargelegt.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Hochgeschwindigkeits-Lichtbogen- Spritzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die sowohl eine Drahtzuführ wie auch eine pulverförmige Zuführ aufweist;
Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Übertragungsbogen-Plasmapistole gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die nur die Drahtzuführ aufweist;
Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht der Übertragungsbogen-Plasmapistole gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer thermischen Hochgeschwindigkeits- Spritzvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der eine drehende Scheibe als Vorratsmaterial verwendet wird;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht der Übertragungsbogen-Plasmapistole gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht längs der Linien 6-6 von Fig. 5; und
Fig. 7 eine Schaltung einer Spannungspegel-Erfassungsschaltung gemäß der Erfindung.
Zuerst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, bei der eine Hochgeschwindigkeits-Lichtbogen- Spritzvorrichtung gemäß der Erfindung eine Übertragungsbogen-Plasma(TAP)- Pistolenanordnung 10 aufweist. Eine Hauptsteuer- und Spannungsversorgungskonsole (Hauptkonsole) 20 steuert den Betrieb der TAP-Pistolenanordnung 10 und weist ein Gassteuermpdul 19, eine Drahtzuführsteuerung 43 und eine Spannungsversorgung 27 auf Ein Plasmagas 18 wird in die TAP-Pistolenanordnung 10 durch das Gassteuermodul 19 zugeführt, während eine Spannung zu der TAP-Pistolenanordnung 10 sowie einen Draht 122 zur Bildung eines Bogens zwischen der TAP-Pistolenanordnung 10 und dem Draht 122 zugeführt wird.
Der Draht 122 wird in einer Stellung wenigstens senkrecht (90º) zu der Mittenachse der TAP-Pistolenanordnung 10 zugeführt. Der Draht 122 wird von einem Drahtvorrat 12 durch eine Drahtzuführanordnung 11 vorgeschoben. Die Drahtzuführanordnung 11 weist Drahtzuführrollen 13 auf, die an gegenüberliegenden Seiten eines Drahtes 122 angeordnet sind und durch einen Motor 14 angetrieben werden. Die Drahtzuführanordnung 11 wird durch die Drahtzuführsteuerung 43 gesteuert.
Ein Plasmagas wird von einer Kompressionsgasquelle 18 dem Gassteuermodul 19 der Hauptsteuerungs- und Spannungsversorgungskonsole 20 durch eine Gasleitung 21 zugeführt. Das Plasmagas verläßt das Gassteuermodul 19 durch eine Gasleitung 25, deren anderes Ende mit der TAP-Pistolenanordnung 10 verbunden ist.
Eine elektrische Leistung wird zu dem System durch die Hauptkonsole 20 an einem Eingang 26 angelegt, wo sie innerhalb des Spannungsversorgungsabschnittes 27 der Hauptkonsole 20 in eine Gleichspannung transformiert und umgesetzt wird. Die elektrische Leistung wird durch Steuerkontaktelemente 39 zu einer Gleichspannungsversorgung 36 eingegeben.
Nun wird Bezug auf Fig. 2 genommen, in der eine vergrößerte Ansicht einer TAP- Pistolenanordnung 10 gezeigt ist. Die TAP-Pistolenanordnung 10 weist ein Gehäuse 101 auf Ein Plasmagas-Einlaßblock 102 ist innerhalb des Gehäuses 101 koaxial zu einer Kathodenhalterung 104 vorgesehen. Eine Kathode 106 ist innerhalb des Kathodenträgers 104 und koaxial zu diesem vorgesehen. Eine tassenförmige Pilotdüse 107 ist an der Kathode 106 angeordnet. Der Kathoden-Trägerblock 104 ist koaxial innerhalb des Pilotdüsen-Trägerblocks 110 ausgerichtet und elektrisch von dem Düsenträgerblock 110 durch eine Isolationbuchse 111 zwischen ihnen isoliert.
Der Plasmagas-Einlaßblock 102 ist mit einem Gaseinlaß 103 ausgebildet, der das Plasmagas aufrümmt und es durch den Kathodenträger 104 hindurchgibt, den es durch tangential orientierte Anschlüsse 105 innerhalb der Kathode 106 verläßt. Die Anschlüsse 105 stehen in einem rechten Winkel mit einer Kammer 108 in Verbindung) die zwischen der Kathodenelektrode 106 und der Innenseite der tassenförmigen Pilotdüse 107 gebildet ist. Wenn das Plasmagas die tangentialen Anschlüsse 105 in die Kammer 108 verläßt, bildet es eine starke Wirbelströmung um die Kathode 106 und verläßt die Pilotdüsenbohrung 109, die innerhalb der Pilotdüse 107 vorgesehen ist.
Eine tassenförmige Atomisierdüse 119 ist um die Plasmadüse 107 angeordnet. Ein zweites komprimiertes Gas wird in einen Gaseinlaß 112 zugeführt, der sich an dem Kathoden- Trägerblock 104 befindet. Das zweite Gas geht durch einen Durchlaß in dem Block 104 hindurch, wo es sich in einer Vielfach-Kammer 113 selbst verteilt, bevor es durch mehrere Durchlässe 114 in dem Block 104 hindurchgeht, und danach tritt es in eine Kammer 115 ein und verteilt sich selbst in dieser. Von der Kammer 115 geht das zweite Gas durch mehrere Gruppen an Durchlässen 116 und 117 in einen Verteiler 118. Das zweite Gas, das nun sehr gleichmäßig innerhalb des Verteilers 118 verteilt ist, geht durch den koni schen Durchlaß 120 zwischen der Außenseite der Pilotdüse 107 und der Innenseite der Atomisierdüse 119 hindurch, was einen konvergierenden Fluß des zweiten Gases verursacht, die an einem Punkt 121 zusammenläuft, der sich in einem Abstand von ungefähr 24 mm von der Seite der Pilotdüse 107 befindet.
Der negative Anschluß der Spannungsversorgung 27 wird durch eine Leitung 28 zu der zentralen Kathodenelektrode 106 der TAP-Pistolenanordnung 10 geführt. Der positive Anschluß der Spannungsversorgung 27 ist mit dem Draht 122 durch eine elektrische Spannungsleitung 29 verbunden, so daß der Draht 122 eine Anode darstellt. Eine zusätzliche positive Verbindung mit der Spannungsversorgung 27 gibt eine Pilotspannung zu dem Hauptkörper 30 der TAP-Pistolenanordnung 10 durch eine elektrische Spannungsleitung 31. Ein Hochfrequenzgenerator 32 innerhalb der Spannungsversorgung 27 ist mit dem negativen Anschluß der Spannungsversorgung 27 durch einen Kondensator 33 verbunden, der zum Abblocken der negativen Gleichspannung der Gleichspannungsversorgung 36 dient und nur die Hochfrequenzleistung durchläßt. Die andere Seite des Hochfrequenzgenerators 32 ist direkt mit dem Pilot-Anschluß der Spannungsversorgung 27 verbunden und ist weiterhin mit einem Pilotabfall-Widerstand 34 und einem Kontaktschalter 45 mit dem positiven Anschluß der Spannungsversorgung 27 verbunden.
Ein Spannungspegelsensor 35 befindet sich innerhalb der Spannungsversorgung, wobei seinem Eingang mit dem Ausgang der Gleichspannungsversorgung 36 durch Leitungen 37 und 38 verbunden ist. Der Ausgang des Spannungspegelsensors ist mit einem Steuermodul 41 durch ein Zentralkabel 42 verbunden. Der Ausgang des Steuermodules 41 ist mit der Kabelzuführsteuerung 43 und der Gleichspannungsversorgung 36 durch ein Steuerkabel 44 verbunden, das schließlich das Ein- und Ausschalten der Steuerkontaktschalter 40 bzw. 39 zum Abschalten der Kabelzufuhr 11 und der Gleichspannungsquelle 36 bei Bedarf steuert.
Der Draht 122 wird in Richtung der Mittenachse der TAP-Pistolenanordnung 10 in einem Winkel von wenigstens 90º bezüglich diesem zugeführt. Die Mittenachse des Drahtes 122 ist ungefähr 4,5 mm von der Seite der Pilotdüse 107 beabstandet. Der Kathodenblock 104 ist elektrisch mit einer negativen Ladung aufgehoben und der Draht 122 ist elektrisch mit einer positiven Ladung geladen. Die Pilotdüse 107 wird elektrisch durch den Pilotausgang der Spannungsversorgung 27 aktiviert.
Um den Betrieb des Systems zu starten, wird nach dem Bedienen eines Ein-Steuerschalters das Plasmagas 18 durch das Gasmodul 19 durch eine Leitung 25 zu der TAP Pistolenanordnung 10 geströmt Nach einer ersten Zeitdauer, typischerweise 2 Sekunden, werden die Gleichspannungsversorgung 36, die Hochfrequenzversorgung 32 sowie der zugeordnete Kontaktschalter 45 und die Drahtzuführsteuerung 43 gleichzeitig aktiviert, wodurch zu dem gleichen Zeitpunkt ein Pilotplasma aktiviert wird. Während dem Betrieb wird, wobei das Plasma- und das zweite Gas fließen und die Spannungsversorgung 27 aktiviert ist, zuerst ein nicht übertragenes Plasma durch einen Bogenstrom gebildet, der zwischen der Kathodenspitze 106 und der Pilotplasmadüse 107 durch den Niedrigdruckbereich in der Mitte des Wirbelstromes des Plasmagases geschaffen wird, das die Pilotplasmadüse verläßt. Nachdem dieses nicht übertragene Plasma geschaffen ist, fließt ein Strom an heißem ionisierten elektrisch leitfähigem Gas aus der Pilotdüse 107, in Berührung mit der Spitze des Drahtes 122, mit dem ein Übertragungsbogen 127 gebildet ist, wodurch ein Strom von der Kathodenelektrodenspitze 106 durch den Niedrigdruck- Mittenbereich der Wirbelströmung durch die Pilotplasmadüse 107 fließt, die als Eingrenzungsöffilung für die Spitze des Drahtes 122 dient. Der Draht 122 wird kontinuierlich durch die Drahtzuführanordnung 11 in den ausfließenden Plasmastrom zugeführt, wodurch der Übertragungsbogen aufrecht erhalten wird, auch wenn die Drahtspitze abgeschmolzen wird.
Gleichzeitig mit der Schaftung des Übertragungsbogens wird die Hochfrequenzversorgung 32 abgeschaltet, wenn der Pilot-Kontaktschalter 45 geöffnet wird. Da der Draht 122 kontinuierlich durch die Drahtzuführanordnung 11 vorgeschoben wird, wird die Spitze des Drahtes 122 durch die kräftige Hitze an dem Übertragungsbogen und an seinem zugeordneten Plasma 127 geschmolzen. Geschmolzende Tröpfchen werden an der Spitze des Drahtes 122 gebildet, die beschleunigt und zuerst in kleine geschmolzene Teilchen atomisiert werden durch die viskose Scherkraft, die zwischen der hohen Überschallplasmastrahlgeschwindigkeit und der ursprünglich niedrigen Geschwindigkeit der geschmolzenen Tröpfchen besteht. Die geschmolzenen Teilchen werden weiter beschleunigt und durch den viel größeren Massenstrom des zweiten Gases atomisiert, der an dem Konvergenzbereich 121 hinter dem Strom der Plasmaströmung 127 konvergiert, der nun die fein aufgeteilten beschleunigten Teilchen des geschmolzenen Materiales enthält. Die Teilchen werden weiter beschleunigt, atomisiert und von dem Konvergenzbereich 121 zu der Substratfläche 123 vorgestoßen, wo sich die Ablagerung 124 bildet.
Während dem Betrieb des Systems tritt für den Fall einer Verzögerung oder Anhaltens der Drahtzuführ ein Zurückschmelzen des Drahtes 122 auf Diese Verzögerung bei der Drahtzuführ kann zufällig aufgrund gewisser Drahtzufuhr-Unregelmäßigkeiten auftreten, die durch einen Knick des Drahtes 122 oder dergleichen verursacht werden. Zusätzlich, wenn die Drahtzuftihr angehalten wird, beispielsweise an dem Ende des Betriebszyklus, wird ebenfalls ein Zurückschmelzen aufireten. Wenn ein Zurückschmelzen auftritt, verlängert sich die Übertragungsbogenlänge, so daß sie sich selbst zwischen der Kathode 106 und dem Draht 122 aufrecht erhält. Wenn dies auftritt, tritt eine Beschädigung und Zerstörung der Pilotplasmadüse 107 zusätzlich zu der Beschädigung und Zerstörung auf, die an der Drahtführungsspitze (nicht gezeigt) auftritt, die den Draht 122 in seiner geeigneten Stellung trägt und führt.
Dieses Rückschmelzen tritt auf, da die bei dem Betrieb der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Spannungsversorgung eine Konstantstrom- Charakteristik hat. Eine Konstantstrom-Charakteristik legt fest, daß ein voreingestellter elektrischer Strom über einen weiten Betriebsbereich durch automatisches Einstellen der Spannung zur Aufrechterhaltung dieses eingestellten Stromes gehalten wird. Der Draht 122 wird in einer Position zugeführt, die 90º oder mehr bezüglich der Achse der TAP Pistolenanordnung 10 beträgt. Wenn somit das Rückschmelzen auftritt, beginnt die Übertragungsbogenspannung aufgrund einer sich bildenden größeren Bogenlänge anzusteigen. Ein Spannungspegelsensor 35, der Teil der Spannungsversorgung 27 ist, erfaßt die ansteigende Spannung und an einem vorbestimmten Spannungswert schaltet der Spannungspegelsensor die Gleichstromquelle 36 sowie die Drahtzuführsteuerung 43 ab, um eine Beschädigung der Vorrichtung zu verhindern.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 7, in der eine Spannungspegel-Sensorschaltung zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Die Spannungspegel- Sensorschaltung 35 hat eine positive und eine negative Verbindung mit der Gleichspannungsquelle 36. Ein Widerstand R&sub1; ist zwischen dem positiven und dem negativen Anschluß geschaltet. Eine erste Diode D&sub1; ist zwischen dem Widerstand R&sub1; und einer Induktionsspule CR&sub1; geschaltet. Eine zweite Diode D&sub2; ist in Serie mit dem zweiten Widerstand R&sub2; zwischen einem Widerstand R&sub3; und der Verbindung zwischen der Kathode D&sub1; und Induktion CR&sub1; an ihrer Kathode geschaltet. Der Widerstand R&sub3; ist zwischen dem negativen Anschluß der Gleichspannungsquelle 36 und dem Widerstand R&sub2; geschaltet. Ein Transistor Q&sub1; ist mit dem Widerstand R&sub3; an seinem Kollektor verbunden, durch den Widerstand R&sub4; mit der Induktivität CR&sub1; an seinem Emitter und an seiner Basis mit dem negativen Ausgang der Gleichspannungsquelle 36.
Durch Vorsehen einer thermischen Hochgeschwindigkeits-Spritzvorrichtung, die einen Draht senkrecht zu der Achse des Plasmastrahles vorschiebt, wodurch der Bogenabstand ausreichend groß gehalten wird, so daß der kürzeste elektrische Pfad zu dem Draht an seiner Spitze liegt, können keine Sekundärbögen zwischen irgendeinem Punkt längs des Drahtes gebildet werden, der sich radial von der Achse der Plasmaströmung weg erstreckt, und einem Punkt an der Seite der Pilotplasmadüse (Anode) der Plasmapistole gebildet werden. Wenn der Draht von der Achse des Plasmastrahles zurückgezogen wird, bleibt der Abstand zwischen der Spitze des Drahtes und der Seite der Pilotplasmadüse entweder konstant oder steigt mit zunehmendem Zurückziehen an. Dies ist ein Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, bei dem die Drahtzufuhr unter einem spitzen Winkel erfolgt, was Abschnitte schafft, wo der Draht näher an der Pilotplasmadüse liegt als die Spitze, was zu einer Doppelbogenbildung führt. Da zusätzlich Plasmabögen die Eigenschaft aufweisen, daß bei ansteigender Bogenlänge die Bogenspannung proportional ansteigt, schaltet, wenn der Draht von dem Plasmastrahl zurückgezogen wird und die Bogenspannung ansteigt, die Spannungs-Erfassungsschaltung die Spannungsversorgung zu der Plasmapistoe an einer vorbestimmten Spannung ab und stoppt die Drahtzufuhr, wodurch verhindert wird, daß sich der Übertragungsbogen ausdehnt oder sich Sekundärbögen bilden, wobei beide Zustände die Spritzvorrichtung beschädigen können.
Die körperliche Anordnung der Winkelpositionierung des Drahtes 122 bezüglich der Mittenachse der TAP-Pistolenanordnung 10 in Verbindung mit der Spannungspegelerfassung und -steuerung sind zentrale Aspekte der vorliegenden Erfindung, die eine TAP-Pistolenanordnung 10 vorteilhaft verwendet, wobei eine Beschädigung und/oder Zerstörung von Bauteilen der TAP-Pistolenanordnung 10 verhindert wird, die für ihren Betrieb und ihre Leistungsfähigkeit wichtig sind.
Nun wird Bezug auf Fig. 1 und 3 genommen, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt ist. Gleiche Bezugsziffern werden zur Bezeichnung gleicher Bauteile verwendet, wobei der Unterschied zwischen dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 und dem von Fig. 1 in der Aufnahme einer Pulverröhrenzufuhr zur Implantierung von Verunreinigungen in das Metall zur Bildung eines Metall-Matrix-Kompositmateriales liegt.
Eine Pulvereinspritzröhre 125, durch die ein Pulvervorratsmaterial in die Richtung eines Pfeiles C vorgeschoben wird, liegt in einem Winkel von 180º zu dem Draht 122, so daß es auf der abgewandten Seite des Plasmastrahles 127 liegt. Eine Pulverzuführ 16 ist mit der Pulverzufuhrröhre 17 verbunden. Ein Trägergas wird von einer Kompressionsgasquelle 22 durch eine Gasleitung 23 zu den Gassteuermodulen 19 der Hauptkonsole 20 gegeben. Das Trägergas verläßt das Gassteuermodul 19 durch eine Gasleitung 24 zu der Pulverzuführ 16. Die Pulverzufuhr 16 ist mit der Pulvereinspritzröhre 125 durch eine Pulverzuführröhre 17 verbunden. Durch Schaftung einer thermischen Metalldraht-Spritzvorrichtung mit einer Pulvervorrat-Einspritzeinrichtung in dieser Weise können hochdichte Metall-Matrix- Kompositmaterialien gespritzt werden.
Wie aus Fig. 3 zu sehen, befindet sich die Pulvereinspritzröhre 125 in einem Winkel von 180º zu dem Draht 122 und ihre Mittenachse liegt in einem Winkel von 90º zu der Achse der TAP-Pistolenanordnung 10. Weiterhin befindet sich die Mittenachse der Pulvereinspritzröhre 125 wenigstens in einem Abstand gleich dem Radius des Drahtes 122 stromabwärts von der Mittenachse des Drahtes 122 längs des Plasmaweges. Beispielsweise befindet sich die Pulvereinspritzröhre 125 wenigstens 1 mm stromabwärts des Drahtes 122. In einem Trägergas 126 suspendierte Pulverteilchen werden durch den Plasmastrom 127 direkt in die großen geschmolzenen Tröpfchen eingespritzt, die an der schmelzenden Spitze des Drahtes 122 gebildet werden und sich von dieser wegbewegen. Wenn diese Pulverteilchen auf die geschmolzenen Tröpfchen auftreffen, schließen sie sich selbst in die geschmolzenen Tröpfchen ein. Diese geschmolzenen Tröpfchen mit den Pulverteilchen darin werden zuerst durch den Plasmastrahl 127 und dann durch das konvergierende Sekundärgas an der Konvergenzzone 121 und von da zu dem Substrat 123 (Fig. 2) weggetragen, wodurch eine Beschichtung 124 gebildet wird, die in diesem Ausführungsbeispiel ein hochdichtes Metall-Matrix-Kompositmaterial ist, in dem die Pulverteilchen gleichförmig in der Ablagerung verteilt sind.
Bezugnehmend auf Fig. 3 ist es besser ersichtlich, daß der Fluß des Übertragungsbogenstromes 128 zwischen der Kathodenelektrode 106 und der Spitze des Drahtes 122 geschaffen wird, was den Plasmastrahl 127 aufrecht erhält. Mach-Diamanten 129 können beobachtet werden, wenn eine geeignete Energieeingangsleistung und Plasmagasströme geschaffen werden, was anzeigt, daß der Plasmastrahl 127 Gasgeschwindigkeiten im Überschallbereich aufweist.
Eine der mehreren Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, den Pulvervorrat direkt in die sich bildenden geschmolzenen Metalltröpfchen einzuspritzen, was die Verbindung des Pulvervorrates und der Metall-Matrix gestattet, während das Matrix-Material in einem geschmolzenen oder flüssigen Zustand ist, wodurch jegliche Abhängigkeiten der Härte der Metall-Matrix und dem Grad der Beschickung für solche Metalle wie beispielsweise Stahl oder dergleichen beseitigt wird. Weiterhin kann durch Variieren der relativen Zuführraten des Pulvervorrates ein sehr weiter Bereich der Beschickung des Pulvervorrates in der Metall-Matrix erreicht werden, wodurch ein weiter Bereich an Metall-Matrix-Materialien geschaffen werden kann. Zusätzlich wird durch Einspritzen des Pulvervorrates stromabwärts von der Mittenachse des Drahtes 122 eine Turbulenz des Plasmas und dadurch unzulässige Übertragungsbogenbedingungen, die durch das Einspritzen von Pulver und einem kalten Trägergas verursacht werden, vermieden. Weiterhin wird durch Ansteigen des Beschickungsgrades die Festigkeit des sich ergebenen Metall-Matrix-Kompositmateriales erhöht.
Eine Anzahl an Plasma- und Sekundärgasen kann gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Wahl des Plasma- und Sekundärgases wird durch eine Anzahl an Faktoren festgelegt, wie beispielsweise Verfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit und am wichtigsten durch die Wirkung, die ein spezielles Gas auf den Spritzvorgang ausgedrückt durch die metallurgischen und physikalischen Eigenschaften der Spritzablagerung sowie der Ablagerungsrate haben. Als Plasmagas wird komprimierte Luft genauso wie als Sekundärgas, insbesondere aus Wirtschaftlichkeitsgründen, bevorzugt. Weitere Gase sind Stickstoff, Argon oder Mischungen dieser beiden Gase, beispielsweise mit Wasserstoff oder Helium, die sehr nützlich sein können, insbesondere wenn Beschichtungen erzeugt werden sollen, die nur wenig oder keine Oxidbildungen aufweisen.
Bei der Bildung von Kompositmaterialien, einschließlich Metall-Matrix- Kompositmaterialien weist die thermische Hochgeschwindigkeits-Spritzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Flüssigkeits-Zuführeinrichtung zur Zuführ eines Vorrates, vorzugsweise eines pulverförmigen (teilchenförmig oder kurzphaserig) Vorrates, der in den Plasmastrom gerichtet wird und so positioniert wird, daß die Mittenachse des pulverförmigen Vorratstromes stromabwärts von der Achse der Drahtzufuhr liegt, in die geschmolzenen Metalltröpfchen, die von der Spitze des Drahtes beschleunigt und atomisiert werden. Viele der pulverförmigen Teilchen schließen sich selbst in die größeren Tröpfchen des geschmolzenen Metalles zu diesem Zeitpunkt ein. Die sich ergebende Kompositbeschichtung oder das Komposit-Volumenmaterial, das somit gebildet wird, ist im wesentlichen vollständig dicht, wenn es thermisch gespritzt wird, und das Kompositmaterial ist in der Zusammensetzung im wesentlichen gleichförmig.
Wenn die thermische Hochgeschwindigkeits-Spritzvorrichtung zur Bildung eines Metall- Matrix-Kompositmateriales verwendet wird, kann der pulver- oder teilchenförmige Vorrat beispielsweise ein hitzebeständiges Material, einschließlich hitzebeständiger Oxide, hitzebeständiger Carbide, hitzebeständiger Boride, hitzebeständiger Silikate, hitzebeständiger Nitride und Kombinationen von diesen sowie Kohienstoff-Whisker sein. Der Drahtvorrat gemäß dem offenbarten Ausführungsbeispiel kann aus irgendeinem Material oder elektrisch leitfähigem Material in Draht-, Stab-, Streifen-, Fluid- oder Flüssigkeitsform sein. Somit kann die thermische Hochgeschwindigkeits-Spritzvorrichtung und die Verfahren gemäß dieser Erfindung zur Bildung verschiedener im wesentlichen vollständig dichter und im wesentlichen gleichförmiger Metall-Matrix-Kompositmaterialien verwendet werden, von denen viele nicht durch andere bekannte Verfahren des thermischen Spritzens gebildet werden können.
Es ist anzumerken, daß die vorliegende Erfindung insbesondere zur Steuerung einer Plasmagastemperatur und der Plasmagasenthalpie durch geeignete Wahl des Plasmagases sowie durch Steuerung der Gasdrücke geeignet ist. Durch Steuerung der Zusammensetzung des Plasmagases und des Gasdruckes kann ein weiter Bereich an Teilchengeschwindigkeiten erreicht werden, wodurch die Merkmale der sich ergebenden Ablagerung festgelegt werden. Der bevorzugte Plasmagas-Druckbereich liegt zwischen 138 bis 1.034 kPa (ungefähr 20 bis ungefähr 150 psig) und insbesondere zwischen ungefähr 276 bis ungefähr 689 kPa (ungefähr 40 bis ungefähr 100 psig). Bei einem Betrieb in diesen Bereichen sind die Geschwindigkeiten des sich ergebenden Plasmagasstrahles von der Pilotplasma-Düsenbohrung 109 im Überschallbereich, wenn ein entsprechender Pilotplasma-Düsenbohrungsdurchmesser in Verbindung mit einem geeigneten Gasdruck und Energieleistungseinstellung gewählt wird. Die Pilotplasma-Bohrungsdurchmesser in einem Bereich von 1 bis 3 mm haben sich als bevorzugt herausgestellt, was Übertragungsbogenströmen in dem Bereich von 20 A bis zu 200 A entspricht. Es ist ersichtlich, daß die Art des Plasmagases, sein Massenstrom und die Energieleistung stark die Geschwindigkeit beeinflußen.
Bezugnehmend auf das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung von Metall-Matrix-Kompositablagerungen wie in Fig. 3 dargestellt ist, arbeitet die TAP-Pistolenanordnung 10 in ähnlicher Weise wie zuvor bezugnehmend auf Fig. 2 beschrieben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird nun eine Pulvereinspritzröhre 125 hinzugefügt, und als zentrales Merkmal dieser Erfindung muß seine Position und Orientierung in einem Ausführungsbeispiel genau definiert werden. Die Position der Mittenachse der Pulvereinspritzung 125 befindet sich in einem Winkel von 180º gegenüberliegend der Mittenachse des Drahtes 122 und wenigstens 1 mm stromabwärts von der Achse des Drahtes 122, und sollte weiterhin in einem Winkel von 90º oder mehr zu der Mittenachse der TAP-Pistolenanordnung 10 orientiert sein.
Im Betrieb wird, nachdem der Übertragungsbogen 128 geschaffen ist, der Draht 122 kontinuierlich durch die Drahtvorschubanordnung 11 in der Richtung eines Pfeiles D vorgeschoben. Gleichzeitig wird das Trägergas 126 von dem Pulvervorrat 16 durch die Pulverleitung 17 in die Pulvereinspritzröhre 125 geströmt, von der es in dem Plasmastrahl 127 in der Richtung eines Pfeiles C gerichtet wird. Da sich die Pulvereinspritzröhre 125 direkt gegenüber dem Ende des Drahtes 122 und leicht stromabwärts befindet, wenn die Pulverteilchen und das Trägergas 126 in dem Plasmastrahl 127 gespritzt werden, erreichen die Pulverteilchen die größeren Metalltröpfchen der Metall-Matrix und werden in diese eingeschlossen, die von dem spitzen Ende des Drahtes 122 fließen. Dieser Zustand ist die Haupteigenschaft gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Stand der Technik werden die Pulverteilchen allgemein stromaufwärts von der Quelle der geschmolzenen Metallteilchen hinzugefügt und werden allgemein so gerichtet, daß es eine Mischung an einzelnen Teilchen des Metalles und des Pulvers gibt, die zu dem Substrat zur Bildung einer Metall-Matrix-Kompositablagerung vorgestoßen werden. Weiterhin weisen die Pulverteilchen eine wesentlich andere Geschwindigkeit bei dem Übergang zu dem Substrat im Vergleich zu der Geschwindigkeit der geschmolzenen Metallteilchen auf Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Geschwindigkeit der geschmolzenen Metalltröpfchen an dem spitzen Ende des Drahtes 122 im wesentlichen Null und sie werden von diesem Punkt in Richtung des Substrates durch den Plasmastrom beschleunigt. Die eingespritzten Pulverteilchen werden in einem Winkel von 90º zu der Achse des Plasmastrahles eingespritzt und weisen daher ausgangs eine Geschwindigkeit gleich Null in der Richtung bezüglich des Substrates auf.
Die Schaffung ausgangsmäßig kleiner Geschwindigkeiten der Metall- und Pulverteilchen zusätzlich zu der Tatsache, daß viele der Pulverteilchen in den geschmolzenen Metalltröpfchen eingeschlossen sind, schafft eine wesentlich größere Vielseitigkeit und stark verbesserte Merkmale der sich ergebenden Metall-Matrix-Kompositablagerung, die durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung geschaffen werden, im Vergleich zum Stand der Technik.
Der Draht 122 wird aus einem Metall gebildet, das eine Legierung sein kann. Geeignete Metalle, die zur Herstellung von Metall-Matrix-Kompositmaterialien geeignet sind, sind beispielsweise Titan, Aluminium, Stahl und Legierungen auf Nickel- und Kupferbasis. Jegliches Metall kann verwendet werden, wenn es in Drahtform gezogen werden kann. Pulverkerndrähte sind ebenfalls geeignet. Die Flußraten dieser Materialien werden durch Regulierung der Einspritzrate des Pulvervorrates oder der Rate, mit der der Draht vorgeschoben wird, gesteuert. Eine Vielzahl an pulverförmigen Materialien kann bei dem Betrieb der vorliegenden Erfindung verwendet werden, die Metalle, Metallegierungen, Metalloxide, wie beispielsweise Titanoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Chromoxid und dergleichen, sowie Kombinationen davon einschließen, hitzebeständige Verbundmaterialien wie beispielsweise Carbide mit Wolfram-Chrom, Titan, Tantal, Silizium, Molybden und Kombinationen davon, Silikate und Nitride können ebenfalls bei gewissen Anwendungen verwendet werden. Verschiedene Kombinationen dieser Materialien können ebenfalls geeignet sein. Diese Kombinationen können in der Form pulverförmiger Mischungen, gesinterter Verbindungsmaterialien oder geschmolzenen Materialien einnehmen. Die bevorzugte Teilchengröße des Pulvervorrates liegt zwischen 4 µm bis ungefähr 100 µm, auch wenn Durchmesser außerhalb dieses Bereiches bei gewissen Anwendungen geeignet sein können, indessen ist die bevorzugte durchschnittliche Teilchengröße ungefähr 15 bis ungefähr 70 µm.
Die vorliegende Erfindung weist weiterhin Beschichtungen und nahezu netzförmige Strukturen auf, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet werden. Wie für den Fachmann ersichtlich ist, können die nahezu netzförmigen Strukturen durch Anwendung einer Spritzablagerung aus einem Mandrel oder dergleichen durch Spritzfüllen einer gegossenen Kavität gebildet werden. Geeignete Trennmittel und Techniken sind ebenfalls bekannt.
Nun wird auf Fig. 4 Bezug genommen, in der ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Gleiche Bezugszeichen werden zur Bezeichnung ähnlicher Bauelemente verwendet. Der Gründaufbau der TAP-Pistolenanordnung 10 ist identisch zu dem in Fig. 2 beschriebenen, wobei der Unterschied darin liegt, daß der Draht 122 weggelassen ist und durch eine sich drehende Scheibe 139 ersetzt wurde, die aus dem Vorratsmaterial besteht.
Zwei Zahntriebsanordnungen 131 werden durch einen gemeinsamen Motor 132 angetrieben und sind durch eine gemeinsame Antriebswelle 133 verbunden. Ein Motor 130 wird durch ein Element 140 getragen, daß mit den beiden Zahntrieben 131 verbunden ist. Die rotierende Scheibe 139 wird durch den Motor 130 gehalten und durch diesen gedreht.
Eine Scheibe 139 ist so ausgerichtet, daß die Ebene der Seite der Scheibe 139 senkrecht zu der Mittenachse der TAP-Pistolenanordnung 10 liegt, und daß die Mittenlinie der Scheibe 139 parallel zu der Mittenachse der TAP-Pistolenanordnung 10 ist. Die Scheibe 139 wird durch den Motorantrieb 130 gedreht und die Kante der Scheibe 139 wird geschmolzen und durch das Übertragungsbogenplasma 127 vorgestoßen. Gleichzeitig mit dem kontinuierlichen Abschmelzen der Außenkante der Scheibe 139 wird die Scheibe kontinuierlich hinsichtlich ihrer Position bezüglich der Achse der TAP-Pistolenanordnung 10 durch die Zahntriebanordnungen 131 eingestellt. Wenn die Scheibenkante abschmilzt, werden die so gebildeten geschmolzenen Tröpfchen atomisiert und mittels des Plasmastromes 127 zu dem Substrat 123 zur Bildung einer Ablagerung 124 vorgestoßen.
Wie ersichtlich, kann in gleicher Weise eine rechteckige Stange oder Platte die rotierende Scheibe 139 ersetzen, eine Kante der Stange abgeschmolzen werden, wenn sie vor der TAP-Pistolenanordnung 10 vorbeigeht, und in gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel mit der drehenden Scheibe wird die Position der Kante der Stange kontinuierlich zur Kompensierung des Abschmelzens eingestellt. Dementsprechend kann eine größere Menge an Metallvorrat in dem Plasmastrahl zu einem einzigen Zeitpunkt für eine gewisse Dicke des Vorrates angeordnet werden. Weiterhin können zwei angrenzende drehende Scheiben an abgewandten Seiten des Plasmastrahles vorgesehen werden. Die Scheiben werden so positioniert, daß der Plasmastrahl einen Anteil von beiden Scheiben an dem Berührungspunkt der entsprechenden Scheibenkanten miteinander abschmelzen.
Nun wird auf Fig. 5 und 6 Bezug genommen, in der eine Querschnittsansicht und eine Frontansicht einer TAP-Pistolenanordnung 10 dargestellt sind, die in einer Weise zur Ablagerung einer einheitlichen Beschichtung 134 auf der Fläche einer konkaven Oberseite, wie beispielsweise einer Bohrung 135 geeignet ist. Dieses Ausführungsbeispiel weist eine TAP-Pistolenanordnung 10 ähnlich der TAP-Pistolenanordnung 10 auf, die in Fig. 2 beschrieben ist, wobei der Unterschied darin liegt, daß die TAP-Pistolenanordnung 10 auf einem Drehelement 136 angebracht ist, die die Drehung konzentrisch bezüglich der Bohrung 135 mittels eines nicht dargestellten Motorantriebes ermöglicht.
Ein Drehelement 136 ist auf einer stationären Endplatte 138 angebracht. Das Drehelement 36 weist eine isolierte Drahtzuführleitung 137 auf, die sich in der Rotationsachse erstreckt. Die TAP-Pistolenanordnung 10 wird an einem Ende des Drehelementes 136 abgewandt von der stationären Endplatte 138 an dem Radius des Drehelementes 136 angebracht, so daß sich der Plasmastrahl 127 in Richtung der isolierten Drahtzuführleitung 137 erstreckt.
Der Draht 122 wird an der Mittenachse der Bohrung durch die Drahtzuführleitung 137 zugeführt, die bezüglich des Drehelementes 136 mittels der steifen, elektrisch isolierenden Drahtzuführleitung 137 elektrisch isoliert ist. Die Gas- und Elektroverbindungen zu der TAP-Pistolenanordnung 10 werden durch die stationäre Endplatte 138 zu und durch das Drehelement 136 zu der TAP-Pistolenanordnung 10 gebracht. Die stationäre Endplatte 138 ist in Druckkontakt mit dem Ende des sich drehenden Elementes 136 durch eine nicht gezeigte Druckeinrichtung gehalten. Die TAP-Pistolenanordnung 10 ist bezüglich dem Draht 122 genau wie bezüglich Fig. 2 beschrieben und in dieser Fig. gezeigt.
Ein Übertragungsbogenplasma 127 wird wie zuvor beschrieben geschaffen, wodurch die Spitze des Drahtes 122 abgeschmolzen wird, wenn sie kontinuierlich in den Plasmastrahl 127 geführt wird. Beim Abschmelzen von der Drahtspitze werden die geschmolzenen Tröpfchen atomisiert und durch den Plasmastrahl in Richtung der Innenwand der Bohrung 135 vorgestoßen. Bei der Drehung des rotierenden Elementes 136 und der TAP- Pistolenanordnung 10 in der Richtung eines Pfeiles B (Fig. 6) wird eine Beschichtung 134 gleichförmig an der Wand der Bohrung abgelagert. Während die Ablagerung durch die Drehbewegung gebildet wird, wird die Anordnung, bestehend aus der Drahtzuführleitung 137, dem Draht 122, der stationären Endplatte 138, dem Drehelement 136 und der TAP- Pistolenanordnung 10, axial in der Richtung des Pfeiles A innerhalb der Bohrung 135 auf und ab bewegt, wodurch die Ablagerung über den gesamten Umfang der Bohrung 135 geschaffen wird und die gesamte Länge der Bohrung 135 bedeckt. Durch diese kombinierten Bewegungen und Wirkungen wird die Bohrung 135 vollständig mit einer gleichmäßigen Beschichtung 134 bedeckt.
Im Stand der Technik ist allgemein bekannt, daß, wenn eine thermische Spritzbeschichtung auf eine innere Zylindertläche aufgebracht werden soll, eine thermische Spritzvorrichtung mit einem Ablenkkopf, der das Spritzmuster nahezu um 90º ablenkt, verwendet wird und das zu beschichtende Teil unabhängig gedreht wird, während die thermische Spritzvorrichtung auf und ab längs der Achse der konkaven Fläche zur Schaftung einer gleichmäßigen Beschichtung an der Innenseite der konkaven Fläche bewegt wird. Indessen ist es nicht immer praktikabel oder möglich, das zu beschichtende Teil zu drehen, wie beispielsweise für den Fall eines Motorblocks eines Autos, wenn eine Beschichtung auf die Zylinderbohrungen in dem Motorblock aufgebracht werden soll. Durch Schaffung einer TAP-Pistolenanordnung, die drehbar um einen Draht angebracht ist, wobei der Draht in einem Winkel von wenigstens 90º bezüglich des Plasmastrahles vorgeschoben wird, wird ein praktikables Verfahren zur Aufbringung von Beschichtungen auf die Innenseite einer konkaven Struktur, wie beispielsweise einer Bohrung, geschaffen.
Es ist ersichtlich, daß die oben ausgeführten Aufgaben, unter anderem wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich, wirksam gelöst werden und, da gewisse Änderungen bei der Ausführung des obigen Verfahrens und dem Aufbau ohne einem Abweichen von dem Bereich der Erfindung ausgeführt werden können, ist zu verstehen, daß die gesamten in der obigen Beschreibung enthaltenen Gegenstände und in den begleitenden Zeichnungen dargelegten Gegenstände nur als Beispiele und nicht beschränkend zu verstehen sind.
Es ist weiterhin zu verstehen, daß die folgenden Ansprüche alle verallgemeinerten und speziellen Eigenschaften der beschriebenen Erfindung abdecken.

Claims

1. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung mit einer Übertragungs- Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung zur Bildung einer Übertragungs-Lichtbogensäule, aufweisend eine Kathode (106), eine Pilotdüse (107), die im wesentlichen die Kathode (106) mit einer Begrenzungs-Düsenbohrung (109) abgewandt von einem freien Ende der Kathode (106) umgibt, eine Metallvorrat-Zuführeinrichtung (11) zur Zuführ eines Metallvorrates (122) in die Übertragungs-Lichtbogensäule (127) stromabwärts von der Begrenzungs-Düsenbohrung in einem Winkel, so daß kein Abschnitt des Metallvorrates (122) näher an dem freien Ende der Kathode liegt als die Führungskante des zugeführten Metallvorrates (122), eine Energiequelleneinrichtung, die mit dem Metallvorrat (122) und der Kathode (106) verbunden ist, um selektiv die Kathode (106) und den Metallvorrat (122) zu aktivieren und die Pilotdüse (107) zu deaktivieren und elektrisch zu neutralisieren, so daß ein elektrischer Potentialunterschied zwischen dem Metallvorrat (122) und der Kathode (106) mit einem entsprechenden elektrischen Stromfluß geschaffen wird, der nur auf die Führungskante des Metallvorrats gerichtet ist, wobei der Metallvorrat (122) eine Anode ist, um die Übertragung eines Bogens zu bewirken, der durch die Übertragungs-Lichtbogensäule gebildet wird.

2. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Übertragungs-Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung einen Plasmastrahl erzeugt und die weiterhin eine Pulvervorrat-Zuführeinrichtung (125) zur Zuführ eines Pulvers aufweist, wobei das Pulver stromabwärts von dem Metallvorrat (122) in den Plasmastrahlweg zugeführt wird.

3. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Plasmastrahl eine Mittenachse aufweist und die Pulvervorrat-Zuführeinrichtung (125) in einem Winkel von im wesentlichen 90º bezüglich der Mittenachse des Plasmastrahles ausgerichtet ist.

4. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Pulvervorrat-Zuführeinrichtung (125) in einem Winkel von im wesentlichen 180º bezüglich der Metallvorrat-Zuführeinrichtung (11) ausgerichtet ist.

5. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Metallvorrat (122) ein Draht ist, wobei die Pulvervorrat-Zuführeinrichtung (125) in einem Abstand von einer Mittenachse des Drahtes vorgesehen ist, der wenigstens so groß ist wie der Durchmesser des Drahtes.

6. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der die Energiequelleneinrichtung (27) eine Konstantstromvorrichtung ist, wobei die Energiequelleneinrichtung (27) eine Spannung zur Aufrechterhaltung des elektrischen Stromflusses variiert und weiterhin eine Steuereinrichtung (35) zur Festlegung der Spannung der Energiequelleneinrichtung (27) und zum Abschalten der Übertragungs- Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung aufweist, wenn die Spannung einen vorbestimmten Spannungswert überschreitet, und die Steuereinrichtung weiterhin die Pulvervorrat- Zuführeinrichtung (125) abschaltet, wenn die Spannung die vorbestimmte Spannung überschreitet.

7. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Übertragungs-Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung ein Kathoden-Tragelement (104), wobei die Kathode (106) darauf getragen wird, eine tassenförmige Pilotdüse (107) mit einer Innenseite, die um die Kathode (106) zur Bildung einer Kammer (108) zwischen der Kathode (106) und der Innenseite der tassenförmigen Pilotdüse (107) angeordnet ist, eine plasmabildende Gasquelleneinrichtung (18) und eine Übertragungseinrichtung (103) aufweist, die mit der Kammer (108) und der plasmabildenden Gasquelleneinrichtung (18) zur Zuflihr eines plasmabildenden Gases in die Kammer (108) zum Durchlaß durch die tassenförmige Pilotdüse (107) in Verbindung steht, wobei das Plasmagas beim Verlassen der tassenförmigen Pilotdüse (107) eine starke Wirbelströmung um die Kathode (106) bildet.

8. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Übertragungseinrichtung (103) im wesentlichen in einem rechten Winkel mit der Kammer (108) in Verbindung steht.

9. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, weiterhin aufweisend eine tassenförmige Atomisierdüse (119), die um die tassenförmige Pilotdüse (107) vorgesehen ist, so daß eine zweite Kammer (118) zwischen ihnen gebildet wird, eine Kompressionsgas-Quelleneinrichtung und eine zweite Übertragungseinrichtung (112), die mit der zweiten Kammer (118) und der Kompressionsgas-Quelleneinrichtung in Verbindung steht, um ein komprimiertes Gas in die zweite Kammer (118) zum Durchlaß durch die tassenförmige Atomisierdüse (119) in Verbindung steht, wobei das komprimierte Gas eine stark zu einem Konvergenzpunkt (121) hinter dem Plasmagas konvergierende Strömung bildet.

10. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Metallvorrat eine Metallscheibe (139) ist.

11. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorricbtung nach Anspruch 10, bei der die Scheibe (139) so angeordnet ist, daß die Ebene der Seite der Scheibe (139) im wesentlichen senkrecht zu der Mittenachse der Übertragungs-Lichtbogen- Plasmapistolenanordnung ist und die Mittenlinie der Scheibe (139) im wesentlichen parallel zu der Mittenachse der Übertragungs-Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung ist, wobei die Mittenlinle der Scheibe (139) in einem Abstand zu der Mittenachse der Übertragungs Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung angeordnet ist, der im wesentlichen gleich dem Radius der Scheibe (139) entspricht.

12. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, weiterhin aufweisend eine Dreheinrichtung (130) zum Drehen der Scheibe (139).

13. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12, bei der die Metallvorrat-Zuführeinrichtung einen Zahntrieb (131) aufweist.

14. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiterhin aufweisend ein Drehelement (136) mit einer darin ausgebildeten Draht-Führung (137), wobei sich das Drehelement (136) um die Draht-Führung (137) dreht, die Übertragungs-Lichtbogen-Plasmaanordnung an dem Drahtelement (136) angebracht ist, und die Metallvorrat-Zuführeinrichtung den Metallvorrat durch die Draht-Führung (137) zuführt.

15. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Übertragungs-Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung eine Axialbohrung aufweist, die eine Düse bildet, und weiterhin eine Quelle für ein plasmabildendes Gas und eine Übertragungseinrichtung zur Einführung des plasmabildenden Gases in die Übertragungs-Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung zum Durchlaß durch die Düse.

16. Hochgeschwindigkeits-Lichtbogenspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem der Winkel, unter dem der Metallvorrat (122) in die Übertragungs- Lichtbogensäule geführt wird, wenigstens 90º bezüglich der Übertragungs- Lichtbogensäule beträgt.

17. Verfahren zur Bildung eines Matrixmetall-Kompositmateriales unter Verwendung einer Übertragungs-Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung, die eine Übertragungs- Lichtbogensäule und einen Plasmastrahl bildet, aufweisend die folgenden Schritte:

Zuführ eines Metalldrahtes (122) in die Übertragungs-Lichtbogensäule in einem solchen Winkel, daß kein Teil des Metalldrahtes (122) näher an der Übertragungs-Lichtbogen- Plasmapistolenanordnung liegt als die Spitze des Metalldrahtes (122);

Schaftung eines elektrischen Potentialunterschiedes zwischen dem Metalldraht (122) und der Übertragungs-Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung; und

Zuführ eines Pulvers stromabwärts von dem Metalldraht (122) in den Plasmastrahlweg.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Plasmastrahl eine Mittenachse aufweist und weiterhin aufweisend den Schritt der Zuführ des Pulvers in einem Winkel von im wesentlichen 90º bezüglich der Mittenachse des Plasmastrahles.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, weiterhin aufweisend den Schritt der Zuführ des Pulvers in einem Winkel von im wesentlichen 180º bezüglich des Metalldrahtes (122).

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem das Pulver stromabwärts einer Mittenachse des Metalldrahtes (122) in einem Abstand zugeführt wird, der wenigstens so groß ist wie der Radius des Drahtes (122).

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, weiterhin aufweisend den Schritt der Bildung geschmolzener Metalltröpfchen an der Spitze des Metalldrahtes (122), Beförderung der geschmolzenen Tröpfchen in dem Plasmastrahl und Einbetten des Pulvers in die geschmolzenen Tröpfchen.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, weiterhin aufweisend den Schritt der Bildung eines Überschall-Plasmastrahles.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, bei dem der Pulvervorrat ein hitzebeständiges Material, ein Metalloxid oder ein Kohlenstoffwhisker ist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, weiterhin aufweisend den Schritt der Bildung des Metalldrahtes (122) aus Titan, Aluminium, Stahl oder einer Legierung auf Nickel- oder Kupferbasis.

25. Verfahren zur Beschichtung einer konkaven Fläche unter Verwendung eines Drehelementes (136) mit einer Draht-Führung (137), die darin ausgebildet ist, wobei das Drehelement (136) sich um die Draht-Führung (137) dreht, einer Übertragungs- Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung zur Bildung einer Übertragungs-Lichtbogensäule an dem Drehelement (136), einer Drahtzuführeinrichtung zur Zufuhr eines Metalldrahtes durch die Draht-Führung (137) und in die Übertragungs-Lichtbogensäule in einem solchen Winkel, daß kein Anteil des Metalldrahtes (122) näher an der Übertragungs-Lichtbogen- Plasmapistolenanordnung liegt als die Spitze des Metalldrahtes (122), einer Energiequelleneinrichtung, die mit dem Metalldraht (122) und der Übertragungs- Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung verbunden ist, um die Übertragungs-Lichtbogen- Plasmapistolenanordnung und den Metalldraht (122) so zu aktivieren, daß ein elektrischer Potentialunterschied zwischen ihnen geschaffen wird, aufweisend die folgenden Schritte:

Positionieren des Drehelementes (136) innerhalb der konkaven Fläche;

Vorschieben des Metalldrahtes (122) in den Übertragungs-Lichtbogen;

Drehen des Drehelementes (136) um die Draht-Führung (137); und

Auf- und Abbewegen des Drehelernentes (136) zwischen einer ersten Richtung längs der Achse der konkaven Fläche und einer zweiten entgegengesetzten Richtung längs der Achse der konkaven Fläche.

26. Verfahren zur Beschichtung einer Innenseite einer allgemein zylindrischen Bohrung unter Verwendung einer Vorrichtung aufweisend ein Drehelement (136) mit einer Draht- Führung (137) darin, wobei das Drehelement (136) sich um die Draht-Führung (137) dreht, eine Übertragungs-Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung, die an dem Drehelement (136) angeordnet ist, eine Drahtvorschubeinrichtung zum Vorschieben eines leitfähigen Drahtes (122) eines Beschichtungsmateriales durch die Draht-Führung (137) in die Übertragungs-Lichtbogensäule in einem solchen Winkel, daß kein Anteil des leitfähigen Drahtes (122) näher an der Übertragungs-Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung liegt als die Spitze des leitfähigen Drahtes (122), eine Energiequelle, die mit dem Draht (122) und der Übertragungs-Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung verbunden ist, um die Übertragungs-Lichtbogen-Plasmapistolenanordnung und den leitfähigen Draht (122) zu aktivieren, um einen elektrischen Potentialunterschied zwischen ihnen zur Bildung einer Übertragungs-Lichtbogensäule zu schaffen, aufweisend die folgenden Schritte:

Positionieren des Drehelementes (136) innerhalb der Bohrung, wobei sich der leitfähige Draht (122) im wesentlichen längs der Achse der Bohrung befindet;

Vorschieben des leitfähigen Drahtes (122) in die Übertragungs-Lichtbogensäule zur Erzeugung eines Teilchenstromes des Beschichtungsmateriales, der allgemein radial in Richtung der Innenseite der im wesentlichen zylindrischen Bohrung gerichtet ist;

Drehen des Drehelementes (136) um die Draht-Führung (137), um den Beschichtungsteilchenstrom im wesentlichen radial auf die Innenseite zu richten und eine im wesentlichen gleichförmige Beschichtung an der Innenseite zu schaffen; und

Bewegen des Drehelementes (136) im wesentlichen längs der Achse der Bohrung zur gleichmäßigen Beschichtung der Innenseite der Bohrung mit dem Beschichtungsmaterial.