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Durch
thermische Spritzverfahren kann eine Vielzahl verschiedener Substrate
mit unterschiedlichen anorganischen Beschichtungen versehen werden.
Zu den thermischen Spritzverfahren zählen Plasmaspritzverfahren,
Flammspritzverfahren und Lichtbogenspritzverfahren. Allen Verfahren
gemeinsam ist, daß hocherhitzte
anorganische Teilchen als Beschichtungsmittel verwendet werden.
Ein wesentlicher Unterschied besteht in der Art und Weise, wie die
Teilchen erhitzt werden. Beim Lichtbogenspritzverfahren bildet elektrischer
Gleich- oder Wechselstrom zwischen zwei kontinuierlich vorgeschobenen, drahtförmigen Abschmelzelektroden
einen Lichtbogen aus. Das abgeschmolzene, erhitzte Material wird durch
einen Preßluftstrom
als Teilchenstrahl auf das zu beschichtende Substrat gerichtet.
Bei einer gebräuchlichen
Ausführungsform
des Flammspritzverfahren saugt ein Pressluftstrom das Beschichtungsmittel
in Form einer vorgebildeten Pulver-Luft-Wolke an und läßt es aus einem zentralen Austrittsrohr
des Brenners als Teilchenstrahl in Richtung auf das zu beschichtende
Substrat austreten. Aus einem in bezug auf das Austrittsrohr koaxialen
Ringrohr tritt Acetylen aus, das sich außerhalb des Brenners mit dem Pulverteilchenstrom
mischt und beim Verbrennen die zum Erhitzen der Teilchen erforderliche
Wärme erzeugt.
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In
der Beschichtungstechnik werden Plasmaspritzverfahren mehr und mehr
verwendet. Bei einer üblichen
Ausführungsform
werden die Beschichtungsmittel als feine Pulver mittels eines inerten
Trägergases,
wie Argon, in die Plasmazone eines Plasmabrenners gefördert, in
der die Teilchen hoch erhitzt werden und zumindest an ihren Oberflächen schmelzen.
Das Plasma, ein hocherhitztes, ionisiertes Gas, wird aus einem Brennergas,
beispielsweise einem Gemisch aus Argon und Stickstoff, und gegebenenfalls
anderen inerten Gasen, wie Helium, durch einen elektrischen Lichtbogen
erzeugt. Die Temperaturen in der Plasmazone können 30.000 K erreichen. Der Plasmastrahl
mit den aufgeschmolzenen oder zumindest an ihren Oberflächen angeschmolzenen
Teilchen des Beschichtungsmittels tritt aus dem Brenner aus und
ist auf das zu beschichtende Substrat gerichtet, das zweckmäßig mittels
eine Kühlgasstromes
gekühlt
wird. Die Teilchen bilden auf der Oberfläche des gekühlten Substrats eine poröse oder
kompakte Schicht.
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Bei
vielen Anwendungen der thermischen Spritzverfahren ist es erwünscht, Beschichtungen
mit einer definierten und über
die beschichtete Fläche möglichst
gleichmäßigen Stärke zu erzeugen.
Die übertragene
Schichtmasse bzw. die Schichtdicke und die Schichtdickenverteilung
hängen
von einer beträchtlichen
Zahl von Parametern ab, von denen beispielsweise der Massenstrom
der Teilchen des Beschichtungsmittels im Teilchenstrahl, die relative Geschwindigkeit,
mit der sich der Teilchenstrahl und das zu beschichtende Teil in
bezug aufeinander bewegen, sowie die Zahl der einzelnen Spritzdurchgänge, die
zusammen die gewünschte
Schichtdicke ergeben, genannt werden sollen. "Relative Geschwindigkeit" bedeutet, daß der Brenner
fest angeordnet sein und das Substrat bewegt werden kann, das Substrat
fest angeordnet sein und der Brenner bewegt werden kann oder sowohl
der Brenner, als auch das Substrat sich bewegen können.
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Insbesondere
bei der Beschichtung von Teilen in Serienfertigung wäre es erwünscht, die übertragene
Schichtmasse bzw. die Schichtdicke und deren Verteilung über die
Fläche
bestimmen zu können,
damit bei Abweichungen von den angestrebten Werten sofort, d.h.
beim nächsten
Teil oder zumindest bei einem der nächsten Teile regelnd eingegriffen
werden kann. Für
die Praxis brauchbare Methoden zur direkten Bestimmung der übertragenen
Schichtmasse bzw. der Schichtdicke während des Spritzvorgangs sind
jedoch nicht bekannt. Eine Differenzwägung eines Teils vor und nach
der Beschichtung, aus der zumindest eine durchschnittliche Schichtdicke
errechnet werden könnte,
ist aufwendig und ermöglicht
zumindest bei kurzen Taktzeiten keine regelnde Korrektur bereits
beim nächsten
Spritzvorgang oder bei einem der nächsten Spritzvorgänge.
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Aus
de
US 5,047,612 ist
ein Verfahren zur Regelung des Auftrefforts eines Pulverstrahls
auf ein Substrat bei einem Plasmaspritzverfahren bekannt. Hierbei
wird die Temperaturverteilung des Trägers bestimmt. Die Position
des Maximums der Temperaturverteilung ist eine Kenngröße für den Auftreffort. Entspricht
diese Position nicht der Sollposition, werden die Parameter des
Plasmaspritzverfahrens derart verändert, dass der Strahl auf
die Sollposition gelenkt wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
dem Verfahren nach der Erfindung wird eine leicht und zuverlässig zu
ermittelnde Größe, nämlich eine
Oberflächentemperatur
des Substrats während
des Spritzvorgangs, überwacht
und für
die Regelung der übertragenen
Schichtmasse bzw. der Schichtdicke verwendet. Das Verfahren bietet
eine Reihe von wirtschaftlichen Vorteilen. Die Regelung greift rasch
ein, was insbesondere bei der Beschichtung von Teilen in Serienfertigung
mit kurzen Taktzeiten wichtig ist. Fehlbeschichtungen, die zu Ausschuß führen, werden
schon während
des Spritzvorgangs erkannt. Abweichungen von der gewünschten übertragenen
Schichtmasse bzw. Schichtdicke können sofort,
d. h. beim nächsten
Spritzvorgang oder zumindest bei einem der nächsten Spritzvorgänge, durch
Veränderung
mindestens eines maßgeblichen Verfahrensparameters
korrigiert werden. Bei Teilen, die in mehreren Durchgängen beschichtet
werden, sowie bei großflächigen Teilen
kann sogar schon während
des Spritzvorgangs regelnd eingegriffen werden. Man erhält so eine
gleichmäßige Beschichtung
mit der erwünschten
engen Schichtmassenverteilung über
die beschichtete Fläche.
Auf diese Weise wird die Ausschußrate gering gehalten. Das
Verfahren begünstigt
die Serienfertigung mit Hilfe von Bestückungsrobotern, denn die erwähnte Verminderung
der Ausschußrate
wird ohne Überwachung durch
eine Arbeitskraft erreicht. Dabei wird nicht nur eine enge Schichtmassenverteilung
bei jedem Einzelteil erreicht, sondern auch ein hohes Maß an Konstanz
bezüglich
der übertragenen
Schichtmassen, Schichtdicken und engen Schichtmassenverteilungen
bei den einzelnen Teilen innerhalb der Serie. Es ist weiterhin möglich, eine automatische
Abschaltung der Fertigung vorzusehen, wenn die Regelmöglichkeiten
nicht ausreichen, um einen spezifikationsgerechten Betrieb zu gewährleisten,
beispielsweise beim Ausfall des Kühlgasstromes.
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Zeichnungen
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine Anordnung zur Beschichtung von
Substraten nach dem Plasmaspritzverfahren. 2 zeigt
den im wesentlichen linearen Zusammenhang zwischen einer Oberflächentemperatur
des Substrats und der übertragenen
Schichtmasse, wiederum am Beispiel eines Plasmaspritzverfahrens.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die
geschilderten Vorteile werden durch die Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis
12 erzielt. Die Verfahren können
in Verbindung mit den zuvor beschriebenen thermischen Spritzverfahren
angewandet werden. Sie eignen sich besonders zur Überwachung
und Regelung von Plasmaspritzverfahren. Durch die thermischen Spritzverfahren
können
verschiedenartige Beschichtungsmittel, wie Metalle und Metall-Legierungen,
Oxide oder Mischoxide sowie hochschmelzende Carbide, auf Substrate
aufgebracht werden. Bei diesen kann es sich wiederum um Metalle
oder Metallegierungen sowie um Materialien aus Oxiden oder Mischoxiden,
aber auch um hinreichend hoch schmelzende organische Kunststoffe
handeln. Die Auswahl der geeigneten Kombination von Beschichtungsmittel
und Substrat ist dem Fachmann geläufig. Die Verfahren nach der
Erfindung können
beispielsweise bei der Beschichtung von thermisch hoch beanspruchten
metallischen Teilen mit einer Schicht aus hochschmelzenden Oxiden, wie
dies bei manchen Luft- und Raumfahrzeugen erforderlich ist, eingesetzt
werden. Wenn man sie bei der Beschichtung von Druckwalzen anwendet,
verringert sich infolge der engeren Schichtdickenverteilung der
Schleifaufwand bei dem nachfolgenden Glattschliff.
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Besonders
bewährt
haben sich die Verfahren nach der Erfindung bei Plasmaspritzverfahren
zur Beschichtung von Teilen in Serienfertigung mit kurzen Taktzeiten,
z.B. von Lambda-Sonden
für Verbrennungsmotoren.
Dabei werden katalytisch wirkende Elektroden, beispielsweise Cermet-Verbundelektroden
aus Platin und keramischen Materialien, mit einer porösen Schutz-
und Diffusionsschicht aus nicht leitenden, zumeist oxidischen Materialien,
wie Spinell (einem Magnesiumaluminat), versehen.
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Eine
Anordnung zur Beschichtung von Lambda-Sonden nach dem Plasmaspritzverfahren mit Überwachung
und Regelung nach der vorliegenden Erfindung ist in 1 schematisch
wiedergegeben. Der Plasmabrenner 1 mit Pulverinjektor (nicht dargestellt),
der in diesem Beispiel längs
einer horizontalen Strecke beweglich ist, wie durch den Doppelpfeil
angedeutet, richtet seinen Teilchenstrahl 2 mit hocherhitzten
Spinell-Teilchen
auf die rotierende Lambda-Sonde 3, deren Rotationsachse
sich in einer horizontalen und zu der erwähnten horizontalen Strecke,
auf der sich der Plasmabrenner 1 bewegt, parallelen Lage
befindet. Ein Kühlgasstrom,
der die Lambda-Sonde 3 kühlt, ist
nicht dargestellt. Das Strahlungspyrometer 4 mißt zu bestimmten
vorgegebenen Zeitpunkten die an einem bestimmten Ort der Oberfläche der
Sonde herrschende Temperatur. Der Komparator, der die gemessenen
Werte mit einem vorgegebenen, zuvor empirisch ermittelten Sollwert
vergleicht, sowie die Vorrichtungen und Schaltungen, mittels derer
bei Abweichungen der gemessenen Werte vom Sollwert mindestens ein
maßgeblicher Verfahrensparameter
zweckentsprechend verändert wird,
sind ebenfalls nicht dargestellt.
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Es
ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß während des
Spritzvorgangs als Kenngröße für die übertragene
Schichtmasse bzw. die Schichtdicke eine Oberflächentemperatur des Substrats
gemessen und bei Abweichung vom Sollwert zur Regelung mindestens
ein Verfahrensparameter verändert
wird, der für
die übertragene Schichtmasse
bzw. für
die Schichtdicke bestimmend ist. Die Oberflächentemperatur muß stets
an einem bestimmten Ort und zu einem bestimmten Zeitpunkt nach einem
Spritzvorgang (bzw. nach einem Durchgang, wenn der Spritzvorgang
aus mehreren Durchgängen
besteht) gemessen werden. Für
die Messung eignen sich insbesondere die bekannten, berührungsfrei
arbeitenden Strahlungspyrometer, deren Meßbereiche auf die zu erwartenden
Oberflächentemperaturen
abgestimmt sind. Bei der Beschichtung von Lambda-Sonden verwendet
man zweckmäßig Infrarotpyrometer
mit Meßbereichen von
50 bis 450°C.
Der Meßfleck,
d.h. die Fläche,
deren Temperatur gemessen wird, kann von beliebiger Form und je
nach der Beschichtungsaufgabe kleiner oder größer sein. Bei der Beschichtung
von Lambda-Sonden haben sich kreisrunde Meßflecken von etwa 5 mm Durchmesser
als gut geeignet erwiesen.
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Die
Erfindung gründet
sich auf die Beobachtung, daß eine
an einem bestimmten Ort und zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessene
Oberflächentemperatur
des Substrats eine brauchbare Kenngröße für die übertragene Schichtmasse bzw.
für die
erzielte Schichtdicke ist. Dabei besteht über weite Strecken ein annähernd linearer
Zusammenhang zwischen der übertragenen
Schichtmasse und der Oberflächentemperatur.
Dies gilt unter Voraussetzung, daß die für die übertragene Schichtmasse bzw.
die Schichtdicke maßgebenden
Parameter hinreichend konstant sind. Bei Plasmaspritzverfahren zählen dazu
die Spannung und die Stromstärke,
mit denen der Plasmabrenner betrieben wird, der Massenstrom des
teilchenförmigen
Beschichtungsmittels, d.h. die Menge pro Zeiteinheit des zugeführten Pulvers,
sowie der Gasvolumenstrom, d.h. das Volumen pro Zeiteinheit des
inerten Trägergases,
wie Argon, des Brennergases, wie Argon und Stickstoff, und gegebenenfalls
eines anderen mitverwendeten, unter den Verfahrensbedingungen gegenüber dem
Beschichtungsmittel und dem Substrat inerten Gases, wie Helium.
Weiterhin zählt
der auf das Substrat gerichtete Kühlgasstrom nach Richtung und
Stärke
zu den Parametern, die hinreichend konstant sein müssen, damit
ein annähernd
linearer Zusammenhang zwischen übertragener Schichtmasse
und Oberflächentemperatur
bestehen kann.
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Dieser
Zusammenhang ist in der 2 dargestellt, die die Abhängigkeit
der übertragenen Schichtmasse
von der maximalen Oberflächentemperatur
auf einer Lambda-Sonde bei deren Beschichtung mit Spinell zeigt.
Die poröse
Spinellschicht dient als Schutz- und Diffusionsschicht über der
Elektrode der Sonde. Bei der Beschichtung rotieren die fingerförmigen Sonden
("Steine"), beispielsweise
mit 100 bis 200 U/min, um ihre Längsachse.
Ein Plasmastrahl mit den Spinellteilchen darin fährt einmal parallel zur Rotationsachse
von der Spitze bis zur Basis und zurück, beispielsweise innerhalb
eines Zeitraumes von 10 bis 20 sec. Das Infrarotpyrometer ist auf
einen kreisrunden Meßfleck
von 5 mm Durchmesser gerichtet, der sich über der Elektrodenzone nahe
der Sondenspitze in einem Winkel von 90° (obere Gerade) bzw. von 270° (untere
Gerade) in bezug auf die Richtung des Plasmastrahls befindet. Die
Sonde hat sich also im ersten Fall um 90° und im zweiten Fall um 270° gedreht,
nachdem der Plasmastrahl den Meßfleck überstrichen
hatte. Die beiden Geraden zeigen eine Differenz von rund 30°C an, entsprechend
der Abkühlung
nach Drehung um 180°.
Wenn die Sonden z.B. mit 180 U/min rotieren, entspricht dies einem
Zeitraum von 0,16 sec.
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In
der 2 ist die maximale Oberflächentemperatur Tmax über der
Abweichung A des Massenübertrags
von dem Sollwert S aufgetragen. Dies ist die Temperatur, die der
Meßfleck
zeigt, nachdem er zum zweiten Mal von dem Plasmastrahl überstrichen wurde.
Im Prinzip eignet sich auch die weniger hohe Temperatur, die nach
dem ersten Überstreichen
des Meßflecks
gemessen werden kann, für
die Überwachung
und Regelung, doch ist die Streuung der gemessenen Werte bei der
maximalen Oberflächentemperatur
geringer.
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Die
Oberflächentemperatur
des Substrats – im
Fall der Beschichtung von Lambda-Sonden zweckmäßig die wie zuvor definierte
maximale Oberflächentemperatur – wird nun
auf eine dem Fachmann auf dem Gebiet der Meß- und Regeltechnik geläu fige Weise
für die Überwachung
und Regelung des Plasmaspritzverfahrens benutzt. Im Fall der Beschichtung
der Lambda-Sonden werden zunächst die
Verfahrensparameter ermittelt, mit denen Sonden erhalten werden,
die bei der Prüfung
mit Gasen definierter Zusammensetzung und somit bestimmtem Lambda-Wert
hinreichend genau diesen Lambda-Wert anzeigen, also optimal beschichtet
sind. Die bei der Herstellung dieser Sonden ermittelte maximale
Oberflächentemperatur
dient als Kenngröße für die angestrebte
optimale übertragene
Schichtmasse (und damit für
die optimale durchschnittliche Schichtdicke) und wird als Sollwert
vorgegeben.
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Sobald
eine Messung des Ist-Wertes eine Abweichung vom vorgegebenen Sollwert
zeigt, greift die Regelung ein, indem sie mindestens einen der für die übertragene
Schichtmasse bzw. die Schichtdicke bestimmenden Parameter zweckentsprechend
verändert.
Beispielsweise können
der Massenstrom der Teilchen des Beschichtungsmittels im Plasmastrahl durch
Variation der Menge des in der Zeiteinheit zugeführten Beschichtungsmittels
und/oder der Gasvolumenstrom verändert
werden. Eine andere Regelungsmöglichkeit
besteht in der Veränderung
der relativen Geschwindigkeit, mit der sich der Plasmastrahl und
das zu beschichtende Teil in bezug aufeinander bewegen. Im Fall
der Lambda-Sonden kann dazu der Zeitraum verändert werden, innerhalb dessen
der Plasmastrahl einmal hin und her fährt. Weiterhin kann die Zahl
der einzelnen Spritzdurchgänge verändert werden,
die zusammen zu der gewünschten übertragenen
Schichtmasse und somit zu der gewünschten Schichtdicke führen. Natürlich kann
man auch mehrere Parameter gleichzeitig zweckentsprechend verändern. Im
Fall der Lambda-Sonden könnte
man z.B. sowohl die Menge des in der Zeiteinheit zugeführten Beschichtungsmittels
vermindern, als auch den Zeitraum verkürzen, innerhalb dessen der Plasmastrahl
hin und her fährt,
wenn eine erhöhte maximale
Oberflächentemperatur
anzeigt, daß zuviel Schichtmasse übertragen
wird. An welchem oder welchen Parameter(n) die Regelung eingreift,
hängt von
der jeweiligen Beschichtungsaufgabe sowie davon ab, welcher Eingriff
unter ökonomischen,
verfah renstechnischen und produkttechnischen Aspekten optimal erscheint.
Im Fall der Lambda-Sonden variiert man zweckmäßig lediglich die in der Zeiteinheit zugeführte Menge
Beschichtungsmittel, um Abweichungen vom Sollwert der übertragenen
Schichtmasse korrigieren.
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Es
ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß eine Oberflächentemperatur des
Substrats als Kenngröße für die Überwachung und
Regelung thermischer Spritzverfahren verwendet wird. Bei der Beschichtung
von Lambda-Sonden mit eignet sich hierfür besonders die zuvor erwähnte maximale
Oberflächentemperatur.
Bei deren Verwendung als Kenngröße lassen
sich Abweichungen der übertragenen
Schichtmasse von nur etwa ±5% vom
Sollwert erreichen. Dementsprechend ist die Regellagenstreuung der
Sonden, also der Abweichungen in der Meßgenauigkeit des Lambda-Wertes, gering.
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Statt
des einzelnen Wertes der maximalen Oberflächentemperatur kann man auch
einen Mittelwert, z.B. aus 4, 6 oder 8 Einzelmessungen, als Kenngröße für die Überwachung
und Regelung des Spritzvorgangs benutzen. Es hat sich gezeigt, daß dann der
Mittelwert der übertragenen
Schichtmassen um lediglich ca. ±2% vom Sollwert abweicht.
Bei einer Arbeitsweise ohne Regelung kann dagegen der Mittelwert
der übertragenen
Schichtmassen im Laufe der Zeit um ±10% und mehr driften. Die
Streuung der einzelnen übertragenen
Schichtmassen kann allerdings auch durch Regelung über einen
Mittelwert der maximalen Oberflächentemperatur
nicht verringert werden. Sie beträgt wie bei der Regelung über die einzelne
maximale Oberflächenspitzentemperatur bis
zu etwa ±5%.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung verwendet man an Stelle einer Oberflächentemperatur
die Differenz zweier Oberflächentemperaturen
als Kenngröße für die Überwachung
und Regelung von thermischen Spritzverfahren. Dabei handelt es sich
um die Differenz der Oberflächentemperaturen
in einer bestimmten Position auf dem Substrat unmittelbar vor und
unmittelbar nach einem Spritzvorgang oder Spritz durchgang. Diese
Ausführungsform
eignet sich besonders für
thermische Spritzverfahren zum Beschichten von großflächigen Teilen
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Bei
einer beabsichtigten Veränderung
der Spritzparameter – bei
Plasmaspritzverfahren z.B. Stromstärke, Spannung und/oder Gasvolumenstrom – sowie
des Substrats – bei
der Beschichtung von Lambda-Sonden z.B. des Sondentyps – muß die Regelung
neu eingestellt werden. Zweckmäßig werden auch
die gewählten
Werte für
Stromstärke,
Spannung und Gasvolumenstrom überwacht,
und bei kritischer Veränderung
wird eine Warnung gegeben und bzw. oder die Anlage abgestellt. Wenn
allerdings die Stromstärke
zur Regelung der Porösitat
der gespritzten Schicht geringfügig,
d.h. um maximal etwa ±10A, verändert wird,
genügt
eine geringfügige
Veränderung
des Sollwertes anstatt einer Neueinstellung der Regelung.