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Die Erfindung betrifft eine Kaltgasspritzdüse zum Beschleunigen von Spritzpartikeln mittels eines Trägergases gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Kaltgasspritzvorrichtung mit einer derartigen Spritzdüse nach dem Patentanspruch 10.
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Das Kaltgasspritzen ist ein schichtaufbauendes Verfahren, bei dem ein pulverförmiger Werkstoff oder eine pulverförmige Mischung von unterschiedlichen Werkstoffen mit sehr hoher Geschwindigkeit auf ein Trägermaterial aufgebracht wird. Hierzu werden die Pulverpartikel in einen Gasstrahl aus aufgeheiztem Trägergas injiziert, wobei der Gasstrahl durch Expansion in einer meist lavalartig ausgebildeten Kaltgasspritzdüse beschleunigt wird. Die injizierten Spritzpartikel werden durch Injektion in den Gasstrahl auf eine derart hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bilden.
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Kaltgasspritzdüsen werden aufgrund der hohen Anforderungen an die Verschleiß-beständigkeit vielfach aus hochfesten Legierungen, wie Nickelbasislegierungen oder aus Hartmetallen, insbesondere auf Wolframcarbid-Basis, hergestellt. Hierbei können sowohl Volldüsen als auch geteilte Düsen, beispielsweise aus zwei Halbschalen oder mehreren längs- und/oder quer geteilten Segmenten zusammengesetzte Düsen, eingesetzt werden.
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Derartige Spritzdüsen aus hochfesten Legierungen oder Hartmetallen sind fertigungstechnisch aufwendig und daher teuer. Durch die Gas- sowie Partikelreibung, insbesondere bei harten Materialien, wie Nickelbasislegierungen, müssen die Düsen verschleißbedingt häufig getauscht werden, um eine akzeptable Schichtqualität zu erreichen. Dies erhöht die Betriebskosten des Kaltgasspritzprozesses erheblich.
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Aus der
DE 10 2007 032 022 A1 ist eine Kaltgasspritzdüse bekannt, die abschnittsweise aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff ausgebildet ist. Derartige Kunststoffdüsen sind beispielsweise zum Abscheiden von niedrigschmelzenden Werkstoffen, wie beispielsweise Lotwerkstoffen geeignet. Die Auswahl des Kunststoffs erfolgt vorzugsweise derart, dass dieser eine preiswerte Herstellung der Düse ermöglicht.
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Nachteilig bei einer derartigen Kaltgasspritzdüse ist zum Einen, dass diese aufgrund ihrer relativ geringen Oberflächenhärte im Bereich des Strömungskanals einem hohen Verschleiß unterliegt, so dass die Düsen verschleißbedingt häufig getauscht werden müssen, um eine akzeptable Schichtqualität zu erreichen. Ferner ist nachteilig, dass sich regelmäßig Beschichtungsmaterial an den Düseninnenwandungen abscheidet. Die Ablagerungen beeinflussen die Strömung und somit die Partikeleigenschaften und letztendlich ebenfalls die Schichteigenschaften.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kaltgasspritzdüse sowie eine Kaltgasspritzvorrichtung mit einer derartigen Spritzdüse zu schaffen, die eine verbesserte Verschleißbeständigkeit aufweist und kostengünstig herstellbar ist, so dass insgesamt die Beschichtungskosten verringert sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kaltgasspritzdüse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Kaltgasspritzvorrichtung mit einer derartigen Spritzdüse nach Patentanspruch 10 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Kaltgasspritzdüse ist zum Beschleunigen von Spritzpartikeln mittels eines Trägergases vorgesehen und weist einen Düsenkörper auf, der zumindest abschnittsweise aus Kunststoff ausgebildet und von einem Strömungskanal durchsetzt ist. Erfindungsgemäß ist der Düsenkörper zumindest im Bereich einer den Strömungskanal begrenzenden Innenwandung mit einer Verschleißschutzschicht versehen. Die Verschleißschutzschicht hat vorzugsweise eine hohe Oberflächenhärte in Verbindung mit hervorragenden Gleiteigenschaften, so dass der Verschleiß im Bereich des Strömungskanals minimiert ist und das Anhaften von Partikeln verhindert, zumindest jedoch stark verringert ist. Die Partikel scheiden sich nicht mehr bzw., in einem geringeren Maße an der Düsenwandung ab. Die Partikel- und folglich die Schichteigenschaften bleiben wegen der besseren Düsenqualität konstant.
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Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Verschleißschutzschicht eine auf die Oberfläche der Innenwandung aufgebrachte metallische Schicht.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Verschleißschutzschicht als Beschichtung auf die Oberfläche der Innenwandung des Düsenkörpers aufgebracht ist.
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Vorzugsweise ist die Schicht hierbei als galvanische Beschichtung aufgebracht. Üblicherweise sind Kunststoffe nicht elektrisch leitfähig, daher muss die Oberfläche für eine anschließende elektrolytische Beschichtung erst mit einer gut haftenden, elektrisch leitfähigen Schicht überzogen werden. Hierzu wird die Oberfläche beispielsweise stromlos vernickelt und anschließend galvanisch beschichtet. Die Behandlung erfolgt vorzugsweise mit einem an den Grundwerkstoff angepassten Verfahren, gemäß dem eine dünne Metallbeschichtung basierend auf einer stromlosen chemischen Reaktion erzeugt wird. Diese Metallschicht kann anschließend galvanisch weiter aufgebaut, d. h. verstärkt werden. Die Ausbildung einer Tribotal-Schicht, beispielsweise einer Tribotal 23-Schicht (Co/Cr2O3-Schicht) hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da diese sehr gute Gleiteigenschaften bei hoher Oberflächenhärte aufweist.
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Bei einer Variante der Kaltgasspritzdüse wird der Düsenkörper und/oder die Beschichtung mit einem Massepotential verbunden, d. h. eine Erdung vorgesehen. Dadurch wird eine elektrostatische Aufladung sowohl der Partikel als auch der Düsenwandung und somit die elektrostatische Anziehung der Partikel von der Düsenwandung verhindert. Gemäß diesem erfindungsgemäßen Aspekt wurde erkannt, dass die elektrostatische Aufladung sowohl der Partikel als auch der Kunststoffdüsenwandung und somit eine elektrostatische Anziehung der Partikel von der Düsenwandung eine Ursache für das Abscheiden der Partikel an der Düsenwand ist.
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Alternativ oder zusätzlich ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung an die Beschichtung mindestens ein elektrisches und/oder magnetisches Feld zur Beeinflussung der Partikelströmung anlegbar. Die elektrischen und/oder magnetischen Felder sind vorzugsweise derart in Bezug zur Innenwandung der Kaltgasspritzdüse orientiert, dass für den Gasstrom und/oder die Partikel eine von der Innenwandung ablenkende Kraftkomponente erzeugt wird, welche das Anbacken der Partikel an der Innenwandung verhindert oder zumindest reduziert. Das Anlegen eines magnetischen oder elektrischen Feldes kann zur Beeinflussung der Partikelflugbahn in der Düse verwendet werden, wobei an der Düsenwand – wegen der geringen Strömungsgeschwindigkeit – laminare Strömung vorliegt. Insbesondere können, beispielsweise mittels einer Magnetanordnung, Kraftkomponenten quer zur Gasstromrichtung erzeugt werden, die den Gasstrom und die Partikel von den Innenwänden des Düsenkörpers abhalten. Dadurch können Anbackungen an der Düseninnenwandung verhindert, zumindest aber verringert werden.
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Insbesondere wenn harte Metalle verspritzt werden, sollte die Düse geeignet gekühlt werden, um ein Zersetzen des Kunststoffs zu vermeiden. Hierzu kann dem Düsenkörper eine Kühleinrichtung zugeordnet sein. Die Kühleinrichtung besteht im Wesentlichen aus einem den Düsenkörper abschnittsweise umgreifenden Kühlkörper, der mit zumindest einem Kühlmittelanschluss versehen ist. Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel umgreift ein Rohr mit Kühlluftanschlüssen die beschichtete Kunststoffdüse. Das Rohr kann hierbei auf die Düse aufgesteckt sein.
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Eine erfindungsgemäße Kaltgasspritzvorrichtung verwendet zumindest eine derartige, mit einer Verschleißschutzschicht versehene Kaltgasspritzdüse zum Abscheiden von Partikeln auf ein Trägersubstrat.
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Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Bestandteil der weiteren Unteransprüche.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Kaltgasspritzvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Kaltgasspritzdüse.
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Bei der dargestellten Spritzvorrichtung 1 handelt es sich um eine Spritzvorrichtung zur Durchführung einer kinetischen Kaltgaskompaktierung, auch K3 genannt, bei der Pulverpartikel 4, ohne auf- und/oder angeschmolzen zu werden, mit hoher kinetischer Energie auf ein Substrat gerichtet werden, um eine Beschichtung oder einen Formkörper aufzubauen.
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Die Kaltgasspritzvorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Kaltgasspritzdüse 2, einer Gaszuführung 6 für das Trägergas und einer Pulverzuführung 8. An der Gaszuführung 6 ist eine nicht dargestellte Gasstromerzeugungseinrichtung angeschlossen, die einen Trägergasstrom mit hoher Strömungsgeschwindigkeit erzeugt. Die Pulverzuführung 8 dient zur Zufuhr von Festkörperpartikeln in Form eines Pulvers. Bei den Pulverpartikeln 4 kann es sich um sortenreine Pulverpartikel oder um ein Gemisch aus Pulverpartikeln unterschiedlicher Zusammensetzung handeln.
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Ein Düsenkörper 10 der Kaltgasspritzdüse 2 ist zum Beschleunigen der Spritzpartikel mittels eines Trägergases als Lavaldüse aus einem Kunststoff ausgebildet und weist einen Strömungskanal 12 auf, der sich in der durch einen Pfeil angedeuteten Strömungsrichtung betrachtet zunächst in Richtung eines Mittenabschnittes verengt und bis zum Gas- und Partikelaustritt wieder aufweitet, wodurch das durchströmende Trägergas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden kann, ohne dass es zu starken Verdichtungsstößen kommt. Durch die hohe kinetische Energie kommt es beim Auftreffen der Partikel 4 auf ein Substrat zu einer Verformung desselben und/oder des Grundwerkstoffs des Substrats und/oder der bereits abgeschiedenen Partikel, so dass die beteiligten Werkstoffe sich verformen und verbinden. Dadurch kann eine dichte, gut haftende Schicht ausgebildet werden.
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Der Düsenkörper 10 ist im Bereich einer den Strömungskanal 12 begrenzenden Innenwandung 14 vollflächig mit einer Verschleißschutzschicht 16 versehen. Bei einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Verschleißschutzschicht lediglich partiell in stark von Ablagerungen tangierten Bereichen vorgesehen. Die Verschleiß-schutzschicht 16 weist eine hohe Oberflächenhärte in Verbindung mit hervorragenden Gleiteigenschaften auf, so dass der Verschleiß im Bereich des Strömungskanals 12 minimiert ist und das Anhaften von Partikeln 4 verhindert, zumindest jedoch stark verringert ist. Die Partikel 4 scheiden sich dadurch nicht mehr bzw., in einem geringeren Maße an der Düsenwandung 14 ab.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Verschleißschutzschicht 16 eine auf die Oberfläche der Innenwandung 14 aufgebrachte metallische Verschleiß-schutzschicht, die als Beschichtung aufgebracht ist. Insbesondere ist die Schicht als galvanische Beschichtung aufgebracht. Üblicherweise sind Kunststoffe nicht elektrisch leitfähig, daher muss die Oberfläche für eine anschließende elektrolytische Beschichtung erst mit einer gut haftenden, elektrisch leitfähigen Schicht überzogen werden. Hierzu wurde die Oberfläche stromlos vernickelt und anschließend galvanisch mit einer Tribotal-Schicht beschichtet. Dies hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da eine Tribotal-Schicht sehr gute Gleiteigenschaften bei hoher Oberflächenhärte aufweist.
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Der Düsenkörper 10 und die Verschleißschutzschicht 16 sind mit einem Massepotential verbunden, d. h. geerdet, so dass eine elektrostatische Aufladung sowohl der Partikel 4, als auch der Düsenwandung 14, und somit die elektrostatische Anziehung der Partikel durch die Düsenwandung 14 verhindert ist.
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Die Düse 2 ist zur Reduzierung der Temperaturbelastung des Kunststoffs gekühlt. Hierzu ist dem Düsenkörper 10 eine Kühleinrichtung 18 zugeordnet. Die Kühleinrichtung 18 besteht im Wesentlichen aus einem den Düsenkörper 10 umgreifenden rohrförmigen Kühlkörper, der mit einem nicht dargestellten Kühlluftanschluss versehen ist. Der rohrförmige Kühlkörper ist hierbei von vorne auf die Düse 2 aufgesteckt.
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Offenbart ist eine Kaltgasspritzdüse 2 zum Beschleunigen von Spritzpartikeln 4 mittels eines Trägergases, wobei die Kaltgasspritzdüse 2 einen Düsenkörper 10 aufweist, der zumindest abschnittsweise aus Kunststoff ausgebildet und von einem Strömungskanal 12 durchsetzt ist. Erfindungsgemäß ist der Düsenkörper 10 zumindest im Bereich einer den Strömungskanal 12 begrenzenden Innenwandung 14 mit einer Verschleißschutzschicht 16 versehen. Ferner offenbart ist eine Kaltgasspritzvorrichtung 1 mit zumindest einer derartigen Spritzdüse 2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kaltgasspritzvorrichtung
- 2
- Kaltgasspritzdüse
- 4
- Pulverpartikel
- 6
- Gaszuführung
- 8
- Pulverzuführung
- 10
- Düsenkörper
- 12
- Strömungskanal
- 14
- Innenwandung
- 16
- Verschleißschutzschicht
- 18
- Kühleinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007032022 A1 [0005]
