CH675431A5

CH675431A5 -

Info

Publication number: CH675431A5
Application number: CH1599/88A
Authority: CH
Inventors: Wolfgang Dr Simm; Hans-Theo Steine
Original assignee: Castolin Sa
Priority date: 1988-04-28
Filing date: 1988-04-28
Publication date: 1990-09-28
Also published as: FR2630752B1; GB8909297D0; US5047265A; GB2218013A; GB2218013B; DE3913687A1; DE3913687C2; FR2630752A1

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Flammspritzen von pulverförmigen Werkstoffen zur Herstellung von Oberflächenschichten auf Substraten mit Hilfe eines autogenen Flammspritzgeräts, in dem ein Brenngas-Oxydationsgas-Gemisch hergestellt und beim Austreten aus einer Brennerdüse gezündet wird und in dem der pulver-förmige Spritzwerkstoff mit Hilfe eines Trägergases dieser Brennerdüse zugeführt und bei seinem Austritt daraus in die Flamme des Spritzgerätes eingeführt wird.

Verfahren dieser Art sind seit langem bekannt und ausführlich untersucht worden, insbesondere im Hinblick auf verschiedene spezifische Anwendungsfälle. Es wurden unter anderem Massnahmen vorgeschlagen, die eine spezielle Flammencharakteristik erzielen sollten, um damit eine Verbesserung der Auftragungsbedingungen und der Qualität der auf einem Substrat aufgetragenen Schicht zu erzielen. Solche Verfahren und entsprechende Geräte blieben jedoch in ihrer Anwendung und in ihren Ergebnissen sehr beschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das für den gesamten potentiellen Einsatzbereich des Flammspritzens, d.h. für Flammengeschwindigkeiten zwischen etwa 90 und 300 m/s, optimale Auftragsbedingungen und damit beste Auftragsergebnisse zu erzielen gestattet und das ferner in äusserst wirtschaftlicher Weise durch Verringerung und Vereinfachung des apparativen Aufwandes durchführbar ist.

Dies wird erfindungsgemäss durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Massnahmen erzielt. Die Patentansprüche 2 bis 6 beschreiben bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens.

Die Erfindung hat ferner ein Flammspritzgerät, wie im Patentanspruch 7 definiert, zum Gegenstand, das zur Durchführung des genannten Verfahrens besonders geeignet ist. Die Patentansprüche 8 bis 21 beschreiben einige Ausführungsformen eines solchen Flammspritzgeräts.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den erfindungsgemässen Arbeitsbereich in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Teilchen und der Flammengeschwindigkeit,

Fig. 2 die zu wählende Korngrössenverteilung in Abhängigkeit von der Flammengeschwindigkeit, und die

Fig. 3 bis 11 verschiedene Ausführungsformen eines Teils des erfindungsgemässen Flammspritzgeräts.

Umfangreiche theoretische und praktische Vorarbeiten führten überraschenderweise zu der der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis, dass zur Erreichung optimaler Auftragungsbedingungen die kinetische Energie der Teilchen des Spritzwerkstoffes im Verhältnis zu ihrer Gesamtenergie in Abhängigkeit von der Flammengeschwindigkeit in einem sehr engen Bereich liegen soll. Der prozentuale Anteil der kinetischen Energie Ek an der Gesamtenergie der Teilchen beim Auftreffen auf dem Substrat soll im wesentlichen proportional zur Flammengeschwindigkeit Fv sein, die am Ausgang der Brennerdüse gemessen wird, und zwar soll der Proportionalitätsfaktor, der hier als Energiekonstante Pe bezeichnet wird, im Bereich von 0,1 bis 0,2 s/m liegen. Dies wurde in Fig. 1 bildlich dargestellt, wobei der Bereich des Flammspritzens von einer Flammengeschwindigkeit von 90 m/s, entsprechend der minimalen Zündgeschwindigkeit des Oxydationsgas-Brenngas-Gemisches, bis zu einer Flammengeschwindigkeit von 300 m/s reicht, welcher Wert etwa die obere Grenze bei Benützung von Mitteln zur Nachbeschleunigung der Flamme nach ihrem Austritt aus der Brennerdüse darstellt. Die Energie eines Spritzwerkstoffteilchens kurz vor dem Auftreffen auf die Substratoberfläche setzt sich zusammen aus seiner kinetischen Energie und seiner Wärmeenergie. Die Teilchengeschwindigkeit und die Teilchentemperatur können beispielsweise mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera bestimmt werden, wobei die Temperatur durch Infrarotmessung am Film einer solchen Kamera bestimmbar ist. Nachdem die Masse der einzelnen Spritzwerkstoffteilchen bekannt ist, lässt sich daraus der prozentuale Anteil der kinetischen Energie an der Gesamtenergie ermitteln. Die Flammengeschwindigkeit wird mit üblichen Mitteln beim Austritt aus der Brennerdüse gemessen.

Fig. 1 zeigt schraffiert den vorliegenden Arbeitsbereich entsprechend Energiekonstanten von 0,1 bis 0,2 s/m, sowie den engeren Bereich der Optimi-sierung entsprechend Energiekonstanten von 0,15 bis 0,18 s/m. Im folgenden sind die Werte, die die gezeigten Bereiche bestimmen, tabellarisch zusam-mengefasst:

Pe

Fv

Ek s/m m/s

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Fig. 2 zeigt den zu wählenden Korngrössenbe-reich S der Spritzwerkstoffteilchen, ebenfalls in Abhängigkeit von der Flammengeschwindigkeit. Dieser Korngrössenbereich wird kontinuierlich enger, ausgehend von einem Bereich von 150 bis 37 um bei einer Flammengeschwindigkeit von 90 m/s, bis zu einem Bereich von 63 bis 5 um bei einer Geschwindigkeit von 300 m/s. Der in Fig. 2 strichliert eingezeichnete engere Bereich, bei dem die Korngrösse bei einer Flammengeschwindigkeit von 90 m/s zwischen 125 und 45 um und bei einer Flammengeschwindig5

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keit von 300 m/s zwischen 45 und 20 [im liegt, stellt eine Optimisierung dieses Parameters dar. Ferner ist bei dem vorliegenden Verfahren von Bedeutung, dass die Austrittsgeschwindigkeit der Spritzwerkstoffteilchen aus der Brennerdüse bei brennender Flamme kleiner als 30 m/s ist, wobei diese Austrittsgeschwindigkeit ohne Nachbeschleunigung der Flamme unter 10 m/s liegen soll und bei Verwendung von Nachbeschleunigungsmitteln vorzugsweise im Bereich zwischen 15 und 30 m/s liegt. Die zugeführte Brenngasmenge liegt vorzugsweise zwischen 500 und 3000 L/h, gemessen bei Normalbedingungen (Temperatur = 0°C, Druck = 760 mm Hg).

Zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens eignet sich insbesondere ein Flammspritzgerät, das einen modularen Aufbau aufweist, d.h. das aus mehreren konstruktiven Elementen wahlweise zusammengesetzt werden kann, um die beschriebenen Verfahrensbedingungen in jedem einzelnen Anwendungsfall zu venwirklichen. Dies erlaubt es insbesondere, mit einem minimalen apparativen Aufwand den gesamten Einsatzbereich des Flammspritzverfahrens, d.h. den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Bereich der Flammengeschwindigkeiten, auszunutzen. Ein solcher moduiarer Aufbau des Flammspritzbrenners bedeutet insbesondere die Austauschbarkeit von verschiedenen Brennerdüsen und/oder Düsenträgerteilen des Flammspritzgeräts, wobei diese Teile vorzugsweise mit Injektoren zur Herstellung des Brenngas-Oxydationsgas-Ge-misches versehen ist, deren Anordnung und Dimensionierung einer gewünschten Brennerleistung entsprechen. Zu den weiteren Geräteteilen, die den modularen Aufbau darstellen, gehören ferner verschiedene Pulverfördereinrichtungen und verschiedene Gaszuführeinheiten, welche letztere die Form von Ventilblockmodulteilen haben können und jeweils den gewünschten abgestuften Brenngasmengen entsprechen. Ferner gehören zu den modularen Elementen des Flammspritzgeräts insbesondere verschiedene Nachbeschleunigungseinrichtungen, die vorzugsweise wassergekühlt sind und die entsprechend dem Anwendungsfall mit oder ohne Zufuhr eines Einschnürgases vorgesehen sein können.

Die Figuren 3 bis 11 zeigen verschiedene Nachbeschleunigungsvorsätze, die jeweils auf einer Brennerdüse, bzw. einem Düsenträgerteil 1 mittels einer geeigneten Haltevorrichtung, die in den schematischen Abbildungen nicht im einzelnen gezeigt ist, befestigt sind. Insbesondere stellt die Fig. 3 einen Beschleunigungsvorsatz 2 dar, der eine Brennkammer 3 sowie einen daran anschliessenden Beschleunigungsteil 4 in Form eines Rohres von konstantem Innendurchmesser aufweist. Der Beschleunigungsvorsatz ist wassergekühlt, wie dies durch eine Kühlkammer 5 mit Eintritts- und Austrittsöffnungen 6, 7 für das Kühlmittel veranschaulicht ist. Die Figuren 4, 5, 6 und 7 zeigen in analoger Weise Ausführungsformen, bei denen die Beschleunigungsteile 41, 42, 43, 44 jeweils eine konische Innenform, eine Venturi-Düsenform und eine abgestufte Rohrform mit sich vergrösserndem bzw. verkleinerndem Innendurchmesser besitzen. Die Fig. 8 zeigt einen Beschleunigungsvorsatz, bei dem ein Einschnürgas

über Zuführvorrichtungen 8 und 9 einerseits in die Brennkammer, und andererseits in den Beschleunigungsteil eingeführt wird. Selbstverständlich können auch nur entweder die eine oder die andere Zuführung zur Anwendung kommen. Fig. 9 zeigt die Einleitung eines Einschnürgases in den abgestuften Teil des Beschleunigungsteils. Fig. 10 zeigt schematisch die Befestigung eines Beschleunigungsvorsatzes auf einer Brennerdüse von kleinerem Durchmesser mit Hilfe eines Zwischenrings 10. Fig. 11 zeigt einen zum Zünden der Flamme in Pfeilrichtung F abklappbaren Beschleunigungsvorsatz.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Flammspritzen von pulverförmi-gen Werkstoffen zur Herstellung von Oberflächenschichten auf Substraten mit Hilfe eines autogenen Flammspritzgeräts, in dem ein Brenngas-Oxyda-tionsgas-Gemisch hergestellt und beim Austreten aus einer Brennerdüse gezündet wird und in dem der pulverförmige Spritzwerkstoff mit Hilfe eines Trägergases dieser Brennerdüse zugeführt und bei seinem Austritt daraus in die Flamme des Spritzgeräts eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsbereich des verwendeten Flammspritzgeräts so gewählt wird, dass die Energiekonstante Pe der Teilchen des Spritzwerkstoffes, die gegeben ist durch das Verhältnis des prozentualen Anteils der kinetischen Energie Ek der Teilchen an der Gesamtenergie beim Auftreffen der Teilchen auf der Substratoberfläche, zu der in m/s gemessenen Flammengeschwindigkeit Fv zwischen 0,1 und 0,2 s/m liegt, wobei die Austrittsgeschwindigkeit der Spritzwerkstoffteilchen aus der Brennerdüse bei brennender Flamme kleiner als 30 m/s ist und die Korngrösse des Spritzwerkstoffes in Abhängigkeit von der Flammengeschwindigkeit innerhalb eines kontinuierlich enger werdenden Bereichs, der zwischen 150 bis 37 um bei Fv = 90 m/s und 63 bis 5 bei Fv = 300 m/s liegt, gewählt wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem der Flamme mit Hilfe eines Beschleunigungsvorsatzes am Flammspritzgerät eine gegenüber der Zündgeschwindigkeit des Brenngas-Oxidationsgas-Gemi-sches erhöhte Geschwindigkeit verliehen wird.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiekonstante Pe einen Wert zwischen 0,15 und 0,18 s/m besitzt.

4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsgeschwindigkeit der Spritzwerkstoffteilchen aus der Brennerdüse bei brennender Flamme kleiner als 10 m/s ist.

5. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsgeschwindigkeit der Spritzwerkstoffteilchen aus der Brennerdüse bei brennender Flamme grösser als 15 m/s ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Brenngasmenge zwischen 500 und 3000 L/h bei Normalbedingungen liegt.

7. Flammspritzgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es einen oder mehrere Injektoren

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zur Herstellung des Brenngas-Oxydationsgas-Ge-misches aufweist, die im Körper des Flammspritzgeräts, in einem zwischen dem Körper des Flammspritzgeräts und dessen Brennerdüse austauschbar montierten Düsenträgerteil, oder in einer austauschbaren Brennerdüse angeordnet sind.

8. Flammspritzgerät nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die austauschbaren Düsenträgerteile oder Brennerdüsen Injektoren aufweisen, die jeweils verschiedenen Flammenleistungen entsprechen und damit die Auswahl dieser Teile eine Abstimmung der Flammenleistung an den gewünschten Anwendungsfall ermöglicht.

9. Flammspritzgerät nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die Brennerdüse anschliessend ein Beschleunigungsvorsatz angeordnet ist, der eine Brennkammer sowie einen im wesentlichen rohrförmigen Beschleunigungsteil aufweist.

10. Flammspritzgerät nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsteil an der Eintrittsstelle und an der Austrittsstelle der Flamme den gleichen Innendurchmesser aufweist.

11. Flammspritzgerät nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsteil eine konische Innenform aufweist und an der Austrittsstelle der Flamme einen grösseren Durchmesser besitzt als an der Flammeneintrittsstelle.

12. Flammspritzgerät nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsteil als Venturi-Düse ausgebildet ist.

13. Flammspritzgerät nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsteil stufenförmig ausgebildet ist und auf der Flammeneintrittsseite einen kleineren Innendurchmesser als auf der Flammenaustrittsseite aufweist.

14. Flammspritzgerät nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsteil stufenförmig ausgebildet ist und auf der Flammeneintrittsseite einen grösseren Innendurchmesser als auf der Flammenaustrittsseite aufweist.

15. Flammspritzgerät nach einem der Patentansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Anordnung zur Einführung eines zusätzlichen Gasstromes in den Beschleunigungsvorsatz zur Einschnürung der Flamme aufweist.

16. Flammspritzgerät nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsteil und/oder die Brennkammer des Beschleunigungsvorsatzes eine oder mehrere seitliche Eintrittsöffnungen für das Einschnürgas aufweisen.

17. Flammspritzgerät nach Patentanspruch 13 oder 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen für das Einschnürgas auf der Höhe der Abstufung in den Beschleunigungsteil einmünden.

18. Flammspritzgerät nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Halterungsvorrichtung aufweist, die ein wahlweises Befestigen und ein Austauschen eines Beschleunigungsvorsatzes auf dem Gerät bei verschiedenen Abmessungen der Brennerdüse bzw. einem Trägerteil für die Brennerdüse und verschiedenen Abmessungen des Beschleunigungsvorsatzes erlaubt.

19. Flammspritzgerät nach Patentanspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungsvorrichtung Zwischenringe zur Anpassung des Aussen-durchmessers der Brennerdüse bzw. des entsprechenden Trägerteils an den Innendurchmesser der Brennerkammer des Beschleunigungsvorsatzes aufweist.

20. Flammspritzgerät nach Patentanspruch 9 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Halterungsvorrichtung aufweist, die als Klemmvorrichtung ausgebildet ist.

21. Flammspritzgerät nach Patentanspruch 9 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Halterungsvorrichtung aufweist, die ein Wegklappen des Beschleunigungsvorsatzes ermöglicht.

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