DE3043830C3

DE3043830C3 - Lichtbogen-Plasma-Beschichtungssystem

Info

Publication number: DE3043830C3
Application number: DE3043830A
Authority: DE
Inventors: Erich Muehlberger; Roland D Kremmith
Original assignee: Electro Plasma Inc
Current assignee: Plasmainvent Ag Wohlen Ch
Priority date: 1979-11-26
Filing date: 1980-11-20
Publication date: 1998-02-26
Anticipated expiration: 2000-11-21
Also published as: FR2470517A1; DE3043830C2; DE3043830A1; SE446306B; GB2063926B; SE8007975L; US4328257B1; JPS6254060B2; JPS5687448A; FR2470517B1; CA1154953A; US4328257A; GB2063926A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Beschichten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Plasmaspritzvorrichtungen werden kommerziell zur Beschichtung von Präzisionsteilen mit Metallen und Keramikmaterialien verwendet, die beständig gegen hohe Temperaturen, Abnutzung, Korrosion und andere Bedingungen sind. Plasma-Spritzvorrichtungen oder -Sprayer erzeugen einen hochenergetischen Strom oder Strahl von ionisiertem Gas, mit dem ein Werkstück auf hohe Temperaturen aufgeheizt werden kann und ein Pulver eines gewünschten Beschichtungsmaterials auf die Werkstückoberfläche aufgebracht werden kann. Das Pulver wird in den Plasmastrahl eingeführt und aufgeheizt, wobei es schmilzt oder plastisch wird, und beim Aufprall auf einem vorzugsweise aufgeheiztem Werkstück an diesem gebunden. Derzeit werden nach dem Stand der Technik Überzüge mit einer Dichte von 70 bis 90% der Theorie erzeugt, wobei die Bindung zwischen der Beschichtung und dem Substrat eher eine mechanische als eine chemische oder metallurgische ist. Es ist erstrebenswert, die mittlere Beschichungsdichte sowie die Bindungsstärke zu verbessern sowie die Ausbeute des Verfahrens zu verbessern. Die Ausbeuten sind manchmal stark schwankend und im allgemeinen geringer als befriedigend, da die Dynamik des Prozesses von einer Reihe von Variablen abhängt, wie Hochenergieniveaus, die nicht präzise gesteuert werden können, Strömungsgeschwindigkeit, Plasmatemperatur und Druckbedingungen. Die Dichte der Beschichtung und die Bindungsstärke sind darüber hinaus auch noch von der Sauberkeit und dem Zustand des Werkstücks abhängig.

Plasmapistolen eines Typs, bei dem übertragene Lichtbögen verwendet werden, kurz Lichtbogen-Plasmapistolen, wurden verwendet, um Overlay-Beschichtungen und in jüngster Zeit auch Pulver-Spritz-Beschichtungen zu erzeugen. In den dazu verwendeten Typen von Vorrichtungen erzeugt ein primärer Kathoden-Anoden-Lichtbogen das Plasma, indem ein Gasstrom ionisiert wird, und eine Potentialdifferenz zwischen der Pistole als solcher und dem Werkstück dient dazu, das Werkstück zur Anode zu machen, auf die der Lichtbogen von der Pistole überschlägt. Da der Lichtbogen normalerweise nur eine sehr kleine Berührungsfläche auf dem Werkstück aufweist, was dazu führt, daß dessen Oberfläche angegriffen wird und die Aufbringrate beschränkt ist, werden manche modernen Plasma-Spritz-Systeme so betrieben, daß ein gestreutes Lichtbogen-Stoßmuster, auch Shock-Pattern genannt, entsteht. Es wird ein Überschall-Plasma-Strom erzeugt, wobei allerdings der statische Strömungsdruck relativ niedrig gehalten wird, und zwar etwa 1 bar, indem der Hohlraum der Vorrichtung mit einem Pumpensystem verbunden ist. Wenn man eine Plasma-Strahl-Geschwindigkeit von Mach 2 bis 3 verwendet, bewirkt das Stoßmuster auf dem Werkstück, daß der Lichtbogen gestreut und das Pulver während des Aufbringens verteilt wird. Die hohen Gas- und Pulvergeschwindigkeiten und die damit verbundene Zunahme an kinetischer Energie und mechanischer Stoßenergie des Beschichtungsmaterials erzeugen Beschichtungen mit verbesserten Dichten (im Bereich von 96 bis 99% der Theorie) und verbesserten Bindungsstärken. Die Ausdehnung des Plasmastroms infolge der dynamischen Druckverhältnisse vergrößert den Bereich, in dem das Pulver aufgetragen wird, weiter. Wegen der dynamischen Natur des Prozesses ist z. Zt. allerdings die Beherrschung des Verfahrens noch alles andere als ideal. Beim Aufheizen des Werkstücks mit dem Plasmastrahl können z. B. ungleichmäßige Erhitzungszonen entstehen und Oxidationsvorgänge einsetzen, die die Verläßlichkeit der Bindung vermindern und die Aufbringrate beeinträchtigen. Die Anwesenheit von Oxidation oder anderen Verunreinigungen auf dem Teil beeinträchtigen unausweichlich die Qualität, und Vorreinigungstechniken lösen dieses Problem nicht. Außerdem ist es wünschenswert, daß für das Plasmasystem ein handelsübliches Gas verwendet werden kann anstelle der sehr viel teureren gereinigten Gase. Die strengen Anforderungen, die an Teile wie Turbinenschaufeln gestellt werden, die typischerweise mittels dieses Verfahrens beschichtet werden, haben wiederum zur Folge, daß mangelhafte Teile bei der Qualitätskontrolle verworfen werden müssen.

Ein Lichtbogen-Plasma-Beschichtungssystem der eingangs erwähnten Art ist in der US-PS 30 10 009, Ducati, beschrieben. Die Spannung des Werkstückes soll dabei die geeignete Polarität aufweisen, um die Flamme an das Werkstück heranzuführen, ohne im Werkstück wesentliche Spuren des Lichtbogens zu hinterlassen. Gemäß dem verwendeten elektrostatischen Verfahren sind eine sehr hohe Spannung und entsprechend sehr niedrige Ströme erforderlich. Das Werkstück muß zuerst elektrostatisch aufgeladen werden, um eine Anziehung der Ionen der Plasmaflamme zu erreichen. Im Gegensatz dazu werden beim eingangs erwähnten System, wo es um eine Beschichtung geht, relativ hohe Ströme und relativ niedrige Spannungen benötigt. Eine vorherige elektrostatische Aufladung des Werkstückes ist nicht vorgesehen.

In der US-PS 34 93 415, Grisaffe et al., ist ein ähnliches System beschrieben, wobei ein Schlitten in axialer Richtung bewegbar ist. Eine zu beschichtende Unterlage wird gereinigt und poliert, die Unterlage wird dann bis nahe an die Schmelztemperatur durch eine Plasmakanone innerhalb einer Kammer erhitzt, die mit Inertgas gefüllt ist, anschließend wird pulverförmiges Metall oder Keramik dem Plasma zugeführt und auf die erhitzte Unterlage aufgesprüht.

In der US-PS 4 058 698, Bykhovsky, ist ein Schutzgas-Schweißgerät beschrieben, bei dem der Schweißbogen durch eine schmale Öffnung hindurch auf einen kleinen Bereich eines nahe angeordneten Werkstückes auftrifft und dort eine angeschmolzene Vertiefung hinterläßt, die über übliche Schweißdrähte oder dergleichen mit Schweißmaterial aufgefüllt wird. Der Bereich wird von Schutzgas überflutet, das Werkstück ist stets negativ gepolt. Das Besondere liegt in einer überlagerten Starteinrichtung für den Schweißbogen mit Hilfe einer zusätzlichen Spannungsanordnung, die nach Erzeugung des Schweiß-Übertragungsbogens wieder abgeschaltet wird.

Die US-PS 3 839 618 zeigt ein Lichtbogen-Plasma-Beschichtungssystem der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art unter gleichbleibender positiver Polung des Werkstückes zur Plasmakanone. Hierbei ist das Werkstück an einem axial beweglichen Schlitten angeordnet. Hier ist ein Vorerhitzen des Sprühpulvers bei Anwendung von Plasma und ein Vorerhitzen der Unterlage vor dem Sprühen vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor richtung zum Beschichten gemäß dem Ober begriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß eine zuverlässigere, gleichmäßigere und besser haftende Beschichtung erzeugt wird, wobei der Aufwand für die Vorreinigung der Werkstücke und des Plasmagases verringert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Dabei ist ein Werkstück, das von einem Überschall-Plasma-Strahl aufgeheizt wird, so angeordnet, daß es auch als Kathode in einem umgekehrten Lichtbogen- System wirken kann. Dabei entsteht ein Abdampf- oder Sputtering-Effekt, bei dem ein Elektronenfluß vom Werkstück zur Plasmapistole einsetzt, und Atome des Oberflächenmaterials werden angeregt und aus der Oberfläche emittiert, und wandern in Richtung der entgegengesetzten Ladungen oder werden von dem Gasstrom weggespült. Die Oberfläche des Werkstücks wird auf diese Weise von Oxiden und Verunreinigungen gereinigt, so daß eine Grenzflächenschicht entsteht, in die die aufprallenden metallischen oder nichtmetallischen Pulver metallurgisch durch die Oberfläche des Werkstücks hineindiffundieren. Die Potentialdifferenz zwischen dem Werkstück und der Plasmapistole wird dann umgekehrt oder ausgeglichen, so daß das Werkstück in üblicher Weise weiter mit Beschichtungspulver überzogen werden kann, bis die gewünschte Beschichtungsdicke erreicht ist.

Die Abdampfwirkung, auch Sputtering oder Zerstäuben genannt, wird erzielt, obwohl im entsprechenden Bereich der Werkzeugoberfläche ein relativ hoher Staudruck (im Bereich von 2 at bis herab zu 0,001 bar) existiert. Der Überschall-Plasma- Strom, der übertragene Lichtbogen, und die eingestellten Druckverhältnisse erzeugen einen Stoß- oder Shock-Bereich, der nicht nur den Lichtbogen streut, sondern vor allem die Verunreinigungen anregt und deren Emission aus der Oberfläche und nachfolgende Entfernung bewirkt.

In einem genauer ausgearbeiteten Beispiel für ein erfindungsgemäßes System ist ein Werkstück in einer geschlossenen Kammer im Weg eines Plasmastroms angeordnet, der von einer an einem Abtast- oder Schwenkmechanismus befestigten Plasmapistole erzeugt wird. Ein System von Vacuumpumpen, das mit der geschlossenen Kammer verbunden ist, hält in dieser einen bestimmten niedrigen Umgebungsdruck aufrecht, obwohl in der Kammer gleichzeitig ein Überschall-Plasmastrahl mit einer Geschwindigkeit von mehr als Mach 3.2 erzeugt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Stroms und sein statischer Druck sowie die Plasmadichte sind so gewählt, daß an dem Werkstück ein Stoßmuster entsteht, und daß eine gestreute Berührungszone des Lichtbogens von vorbestimmter Größe und Form auf dem Werkstück entsteht. Ein hoher Lichtbogenstrom von mehr als 100 A und negativer Polarität wird anfangs zwischen Werkstück und Plasmapistole verwendet, um die Zerstäubungsstufe auszulösen.

Bei diesem System wird ferner ein Blindwerkstück, auch Blinddorn genannt, in unmittelbarer Nachbarschaft des Werkstücks angeordnet, um ungeachtet des Abtastwinkels und der Lage des Aufprallbereichs zum freien Ende des Werkstücks das Streumuster zu erhalten.

Es ist vorteilhaft, die Plasmapistole sowohl in einer seitlichen oder Querrichtung zu schwenken, sowie mit ihr Pendelbewegungen sowohl in Querrichtung als auch senkrecht dazu sowie eine Bewegung in senkrechter Richtung auszuführen, was mit Hilfe eines zuverlässigen und wandlungsfähigen speziellen Mechanismus erreicht werden kann, der im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung detailliert geschildert wird. Das Werkstück und der Blinddorn können während des Auftreffens des Plasmastroms ebenfalls bewegt werden, um Wärmeströme zu unterbinden und eine Steuerung der angeregten Oberflächenbereiche zu erreichen. Indem das Werkstück eine Pendelbewegung ausführt, wird die Gleichmäßigkeit der Beschichtung weiter verbessert. Wenn alle diese Merkmale in Kombination angewendet werden, kann das Werkstück schnell auf die Arbeitstemperatur aufgeheizt werden, und zwar mit oder ohne übertragenen Lichtbogen, durch Entfernung von Atomen aus der Oberfläche in kontrollierter Weise während einer Umpolung des Lichtbogens für ein vorgewähltes Intervall gereinigt werden, und danach beschichtet, wobei das Beschichtungsintervall mit dem Abdampfintervall überlappen kann oder auch nicht. Die Beschichtung kann danach beendet werden, indem ein übertragener Lichtbogen zur Anwendung kommt oder auch nicht, wenn die Wärmezufuhr bei Anlegen eines übertragenen Lichtbogens zu groß würde.

Nachfolgend wird die Erfindung zu ihrem besseren Verständnis anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung als Kombination eines Blockdiagramms mit einer perspektivischen Ansicht, die teilweise aufgeschnitten ist,

Fig. 2 eine vereinfachte Seitenansicht eines Schnitts durch die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung mit weiteren Details,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Vorrichtung gemäß Fig. 2 mit Details des Mechanismus zur Steuerung der Bewegung der Plasmapistole.

Fig. 4 eine Seiten-Teilansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 3.

Fig. 5 eine fragmentarische Seitenansicht eines Teils der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2, in der weitere Details der Mechanismen für die Bewegung des Werkstücks und des Blinddorns gezeigt sind,

Fig. 6 eine idealisierte und schematische Ansicht eines Teils der Plasma-Spritzvorrichtung, wobei der Plasmastrom, das Stoßmuster und die Lichtbogenzerstreuungseffekte illustriert werden.

Wie allgemein in der aufgeschnittenen perspektivischen Ansicht von Fig. 1 und dem seitlichen Schnittbild in Fig. 2 gezeigt ist, enthält die Plasma-Spritz-Anlage grundsätzlich eine Plasma- Kammer 10, die einen abgeschlossenen, ein Vacuum enthaltenden und druckfesten isolierenden Hohlraum bildet. Die Kammer 10 wird von einem zylindrischen Gehäuse 12 und einem oberen Deckelteil 13 gebildet, der darauf befestigt ist. Der Gehäusekörper 12 der Plasmakammer weist einen konischen Boden 14 auf, der als Sammler ausgebildet ist und mit angeschlossenen Einheiten zur Aufarbeitung der abströmenden Gase und Feststoffpartikel und zur Aufrechterhaltung des gewünschten Umgebungsdrucks in der Kammer 10 verbunden ist. Eine abwärts gerichtete Plasma-Spritzvorrichtung wird von einer Plasma-Pistole oder einem Plasma-Kopf 16, der im Inneren des Kammerdeckels 13 montiert ist, gebildet, wobei die Lage der Plasma-Pistole 16 durch einen Mechanismus 18 für deren Bewegung, der in den Fig. 1 und 2 nur allgemein gezeigt ist, in den Fig. 3 und 4 aber noch genauer gezeigt wird, gesteuert wird. Beide Teile 12 und 13 der Plasmakammer 10 sind vorzugsweise als doppelwandige Hohlteile mit Wasserkühlung ausgeführt, und der Deckel 13 ist abnehmbar, damit die Arbeitsteile zugänglich sind (nicht im Detail gezeigt).

Der Mechanismus 18 zur Bewegung der Plasmapistole 16 hält und steuert diese durch abgedichtete Lager und Verbindungen in den Wänden des Deckels 13, wie detaillierter weiter unten beschrieben ist. Ein Pulverzufuhr-Mechanismus 20, der ebenfalls mit dem Kammerdeckel 13 verbunden ist, sichert eine kontrollierte Zufuhr von heißem Pulver in den Plasma-Strom oder -Spray mittels biegsamer Rohre, die mit der Plasmapistole 16 im Bereich des Plasmaaustritts verbunden sind.

Der abwärts gerichtete Plasma-Strom trifft auf ein Werkstück 24, das auf einem innengekühlten leitenden Werkstück-Dorn oder Halter 25 angeordnet ist, und das während seiner Bearbeitung mittels eines Schafts in seiner Lage gehalten und bewegt wird, der aus dem Gehäusekörper 12 zu einem externen Mechanismus 26 zur Bewegung des Werkstücks 24 herausgeführt ist und detaillierter nachfolgend in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben wird. In der Nähe des einen Endes des Werkstücks 24, jedoch von ihm getrennt, befindet sich ein Blind- Werkstück 28 in Form eines Blinddorns, das in ähnlicher Weise innengekühlt und durch eine Seitenwand des Gehäusekörpers 12 mit einem Mechanismus 30 zur Bewegung dieses Blind-Werkstücks 28 verbunden ist.

Sowohl der Werkstück-Halter 25 als auch der Blinddorn 28 sind einstellbar hinsichtlich ihrer Lage bezüglich der zentralen Achse der Kammer 10 und elektrisch leitend, so daß sie zur Erzeugung eines Lichtbogens während der verschiedensten Arbeitsphasen auf ausgewählten Potentialniveaus gehalten werden können.

Unterhalb des Werkstücks 24 und des Blinddorns 28 angeordnet leitet der konische Boden 14 die gesammelten gasförmigen und teilchenförmigen Spritzüberschüsse zu einer Prellwand- und Filterbaugruppe 32, die einen wassergekühlten Prellwandabschnitt 33 zur einleitenden Kühlung der Spritzüberschüsse, sowie dahintergeschaltet einen Filterabschnitt 34, in dem der Großteil der mitgeführten Teilchen abgeschieden wird, aufweist. Die Abgase werden nach dem Passieren der Prellwand- und Filterbaugruppe 32 durch einen Wärmeaustauscher 36 geleitet, der ebenfalls als wassergekühlte Baugruppe ausgeführt sein kann, und dann in ein Vacuumleitungssystem 38, das eine Filter- und Sammeleinheit 40 für die Spritzüberschüsse aufweist, wo im wesentlichen alle im Strom verbliebenen Feststoffteilchen entfernt werden.

Das Vacuumleitungssystem 38 steht mit Vacuumpumpen 42 in Verbindung, die ausreichend leistungsfähig sind, um in der Kammer 10 einen gewünschten Umgebungsdruck aufrechtzuerhalten. Dieser Umgebungsdruck liegt typischerweise in den Grenzen von 0,6 bis herab zu 0,001 bar. Die Prellwand- und Filterbaugruppe 32 und der Wärmeaustauscher 36 sind genau wie die Filter- und Sammeleinheit 40 für die Spritzüberschüsse vorzugsweise doppelwandige, wassergekühlte Systeme, wobei alle in Fachkreisen wohlbekannten, in Plasma- Spritzsystemen im Einsatz befindlichen Typen verwendet werden können.

Das gesamte System kann auf Rollen montiert und zur Erleichterung der Handhabung und Pflege seiner verschiedenen Teile auf Schienen beweglich sein. Übliche Sichtfenster, wassergekühlte Türen und isolierte Platten, durch die die elektrischen Versorgungsverbindungen geführt sind, sind nicht im Detail dargestellt oder beschrieben. Allerdings ist das Steuersystem für die Versorgung und Bewegung des Werkstücks 24 vorzugsweise in einer aufklappbaren vorderen Eingangstür 43 im Gehäusekörper 12 montiert.

Elektrische Energie wird den Arbeitsteilen des Systems mittels fester Sammelschienen 44, die oben auf dem Deckel 13 montiert sind, zugeführt. Biegsame wassergekühlte Kabel (s. Fig. 3 und 4) verbinden die außenliegenden Plasma-Energieversorgungs- Einheit 46 und Hochfrequenz-Stromquelle 48 über die Sammelschienen 44 mit der innen angeordneten Plasmapistole 16 zur Erzeugung des Plasmastrahls. In einem charakteristischen Beispiel enthält die Plasma-Energieversorgungseinheit 46 drei 40 kW Gleichstromquellen. In diesem Beispiel wird außerdem eine 155 W Hochfrequenz- Stromquelle verwendet, um den Lichtbogen in Gang zu bringen, indem der Gleichstromversorgung eine Hochfrequenzspannungs- Entladung in bekannter Weise überlagert wird. Eine umschaltbare Lichtbogen Stromquelle 50, die eine 20 kW Gleichstromeinheit aufweist, ist mittels der Sammelschienen 44 mit der Plasmapistole 16, dem Werkstück-Halter 25 und dem Blinddorn 28 verbunden.

Die Arbeit der Plasmapistole 16 erfordert die Verwendung einer Wasserüberdruckpumpe 52, damit ein geeigneter Kühlwasserfluß durch das Innere der Plasmapistole 16 gewährleistet ist. Eine Plasmagasquelle 54 liefert ein geeignetes ionisierendes Gas zur Erzeugung des Plasmastroms. Das im vorliegenden Fall verwendete Plasmagas ist entweder Argon allein oder im Gemisch mit Helium oder Wasserstoff, obwohl auch andere Gase verwendet werden können, wie dem Fachmann gut bekannt ist. In allen Fällen kann das Gas die normale handelsübliche Reinheit aufweisen und muß nicht weiter gereinigt werden, damit es unbedingt frei von Sauerstoff ist. Die Steuerung der Schaltfolge des Systems, sowie der Geschwindigkeiten und Amplituden der Bewegungen der verschiedenen Bewegungsmechanismen erfolgt von einem System- Steuerpult 56 aus.

Die Plasmapistole 16 wird separat von einem Plasma-Steuer- Pult 58 aus betrieben. Da die von diesen Steuerpulten und ihren entsprechenden Schaltkreisen ausgeübten Funktionen gut bekannt sind, sind sie nicht detailliert gezeigt oder beschrieben. Die Steuerkrise 60 für den übertragenen Lichtbogen sind jedoch in allgemeiner Form dargestellt, weil sie das Umschalten der Lichtbogenpolarität steuern. Die Lichtbogen-Steuerkreise 60 weisen übliche Schalter auf, die so eingerichtet sind, daß sie selektiv die Polarität zwischen der Plasmapistole 16 und dem Werkstück 24 und dem Blinddorn 28 umkehren können, und eine Ein-Aus- Steuerung des Lichtbogens ermöglichen. Die Stromversorgung 50 für den übertragenen Lichtbogen enthält in diesem Beispiel Relaisschaltungen (nicht im Detail gezeigt) zur Steuerung der Polarität des elektrischen Stroms, der den Sammelschienen 44 zugeführt wird.

Die Details der Plasmapistole oder des Plasmakopfes 16 und des Mechanismus 18 zur Bewegung des Plasmakopfes werden besser verständlich anhand der Fig. 3 und 4. Die Anordnung ist im Plasmakammer-Deckel 13 montiert, und dabei dafür eingerichtet, vier Bewegungen in drei Bewegungsrichtungen zu erzeugen. Die Plasmapistole 16 wird mittels Zwischenmechanismen von einem Wagen 70 derart gehalten, daß sie im wesentlichen senkrecht in den Gehäusekörper 12 gerichtet ist. Biegsame Schläuche 72, 73 die durch die Wand des Deckels 13 hindurch mit dem äußeren Pulverzufuhrmechanismus 20 verbunden sind, führen dem Plasmakopf 16 Pulver zu, wobei infolge der in der Kammer 10 herrschenden Temperatur das Pulver gleichzeitig vorgeheizt wird. Ein Träger 74 (nur Fig. 3), der mit dem Wagen 70 verbunden ist, ist derart angeordnet, daß er zeitlich auf einem wassergekühlten Querschaft 76 gleiten kann, der im vorliegenden Beispiel horizontal und damit parallel zur Querachse des Mechanismus liegt. Die Querbewegung wird durch eine Kugelkette 78 bewirkt, die mit dem Träger 74 verbunden ist, sich im wesentlichen parallel zu der Querachse erstreckt, und die an der einen Seite des Kammerdeckels 13 von einem Treibketten- Rad 80 und auf der anderen Seite von einem Gegen-Rad 81 geführt wird. Das Treibketten-Rad 80 ist über eine abgedichtete Zylindereinheit 82 mit einem äußeren Getriebe 84 und Gleichstrommotor 86 zur Erzeugung der Querbewegung verbunden. Diese sind dafür ausgelegt, je nach der Steuerung vom System-Steuerpult 56 in Fig. 1 aus eine Geschwindigkeit von 0 bis 61 cm/sec (0 bis 24 inch/sec) in Abhängigkeit von den Wünschen des Betreibers zu erzeugen.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems, muß die gesamte Querachse 91,5 cm (36 inches), womit ein weiter Bereich möglicher Werkstückgrößen abgedeckt wurde. Die Grenzen der Bewegung entlang der Querachse können nach herkömmlichen Methoden kontrolliert werden, wie z. B. durch einen Rotationsmeßwertumwandler 87, der von der Welle des Gegenrads 81 über einen abgedichteten Zylinder mittels eines Untersetzungsgetriebes 88 angetrieben wird. Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß die Hin- und Herbewegung mit einer steuerbaren Geschwindigkeit genausogut auf viele andere Arten erzeugt werden kann.

Unter Verwendung der beschriebenen Vorrichtung ist es allerdings möglich, eine komplexere Abtast- oder Scanning-Bewegung des Plasma-Kopfes 16 zu erzeugen, um sowohl eine bessere Durchführung des Beschichtens als auch eine erhöhte Vielseitigkeit der Arbeitsmöglichkeiten zu erreichen. Eine Pendelbewegung senkrecht zu der Querachse wird durch den Wagenmechanismus 70 erzeugt, indem dieser in Richtung der Querachse auf zweier Führung 92, 93 gleitet, die wiederum zwischen zwei eine oszillierende Bewegung ausführenden Schwingplatten 94 angeordnet sind, die sich jeweils in der Nähe einer der Seiten des Kammerdeckels 13 befinden. Die Schwingplatten 94 sind in abgedichteten Lagern 96 drehbar gelagert, die sich auf einer gemeinsamen Zentralachse befinden, wobei eine Welle durch eines der Lager 96 geführt und außerhalb des Kammerdeckels 13 mit einem Kurbelarm 97 verbunden ist, der über einen Getriebekasten 98, der mit einem Gleichstrom-Pendelmotor 100 verbunden ist, angetrieben wird. Ein Auslenkarm 99 der Welle des Getriebekastens 98 ist mit einem Exzenterstift 101 versehen, der in einen Schlitz in dem Kurbelarm 97 eingreift, wodurch die Schwingplatten 94 in oszillierende Bewegung versetzt werden und somit auch der Pendelwagen- Mechanismus 70. Die Lage des Stifts 101 in radialer Richtung relativ zur Wellenachse ist einstellbar (nicht dargestellt), so daß der Pendelwinkel gesteuert werden kann. Der Betrieb des Gleichstrom-Pendelmotors 100 wird vom System-Steuer-Pult 56 aus überwacht, damit eine kontrollierte Geschwindigkeit eingehalten wird, wenn der Plasmastrom senkrecht zu der Querrichtung pendelt. Im vorliegenden Beispiel wird ein Winkel von 30° mit einer Geschwindigkeit von 0 bis 122 cm/sec (0 bis 48 inches/sec) überstrichen.

Ein Tragbügelmechanismus 103 ist mit dem Wagen 70 verbunden, der den Plasmakopf so hält, daß eine senkrechte Auf- und Abbewegung sowie eine parallele Pendelbewegung zusätzlich zu der Pendelbewegung in Richtung der Querachse und senkrecht dazu erzeugt werden kann. Der Tragbügelmechanismus 103 hält eine nominell senkrechte kerbverzahnte Stange 102, die in einer Kerbzahnführung 104 gleitet, die am Tragbügelmechanismus 103 ausgeführt ist. Ein Antriebsgetriebe 106 ist ebenfalls am Tragbügelmechanismus 103 vorgesehen, das in jede Richtung rotieren kann und dadurch eine Auf- und Abbewegung der kerbverzahnten Stange 102 und damit auch des Plasmakopfes 16 erzeugt.

Zu diesem Zweck ist - wie am besten in Fig. 4 zu erkennen ist - die Achse des Getriebes 106 mit einer Universal- oder Kreuzgelenkverbindung 107 versehen, und eine zweite Gelenkverbindung 108, die gut abgedichtet in der Wand des Kammerdeckels 13 angeordnet ist, ist mit der ersten Verbindung 107 mittels eines Teleskopstangenmechanismus 110 verbunden. Die äußere Gelenkverbindung 108 ist mit einer Antriebseinheit für die Senkrechtbewegung verbunden, die einen Getriebekasten 112 und einen Gleichstrommotor 114 enthält, die dafür ausgelegt sind, eine Senkrechtgeschwindigkeit je nach Wunsch von 0-51 cm/sec (0 bis 20 inches/ sec) über einen bestimmten senkrechten Längenbereich hier 61 cm (24 inches) zu erzeugen.

Auch in diesem Fall wird der Gleichstrommotor für die Senkrechtbewegung 114 vom System-Steuer-Pult 56 aus bedient. An das System für die Senkrechtbewegung ist ein Übertragungselement 115 angeschlossen, das ein an das System- Steuer-Pult 56 weitergeleitetes Signal erzeugt, das die Lage des Plasmakopfes 16 wiedergibt.

Die Pendelbewegung parallel zur Querachse wird durch einen besonderen Teleskopstangenmechanismus 117 erzeugt, der durch die Wand des Kammerdeckels 13 einmal mit einem zweiten Pendelantrieb 118 außerhalb der Kammer 10, zum anderen mit seinem anderen Ende mit dem Tragbügelmechanismus 103 verbunden ist. Eine Zahnradverbindung 119 verbindet den angetriebenen Teleskopstangenmechanismus 117 mit dem Tragbügelmechanismus 103 an der Stelle seiner Drehachse und erzeugt eine Schwingungsbewegung des Plasmakopfes 16 über einen bestimmten Winkel in der zweiten Pendelrichtung parallel zur Querachse. Wieder ist ein Übertragungselement wie schon oben beschrieben Teil dieses Antriebs (nicht gezeigt). Wassergekühlte Kabel 116, die in Fig. 4 nur fragmentarisch dargestellt sind, sind im Raum des Deckels 13 vorgesehen, um die äußeren Sammelschienen 44 sowie die Gas- und Wasserversorgungen mit dem Plasmakopf 16 zu verbinden.

Eine solche Anordnung gestattet es, die Bewegungen in jeder der verschiedenen Richtungen unabhängig von den anderen Bewegungen zu steuern, sowohl was ihre Geschwindigkeit, als auch was die Amplitude angeht. Es sollte noch erwähnt werden, daß die vier Bewegungen in die drei Raumrichtungen, die der Plasmakopf 16 beschreibt, nicht von den Leitungen für die Gas-, Elektrizitäts- und Pulverversorgung gestört werden.

Der Mechanismus 26 für die Bewegung des Werkstücks 24 und der Mechanismus 30 für die Bewegung des Blinddorns 28, die in den Fig. 1 und 2 in allgemeiner Form gezeigt sind, sind detaillierter in Fig. 5 dargestellt. Jeder Mechanismus 26 und 30 ist so ausgelegt, daß eine innere Wasserkühlung des Mechanismus gewährleistet und eine elektrische Verbindung mit dem angeschlossenen Werkstück 24 bzw. dem Blinddorn 28 hergestellt ist.

Wie in Fig. 5 erkennbar ist, sind für den Mechanismus 26 zur Bewegung des Werkstücks 26 mehr technische Einzelheiten vorgesehen als für den Blinddornmechanismus 30. Es ist aber ersichtlich, daß die beiden Mechanismen auch jeweils gleich ausgeführt sein können. Es ist ferner ersichtlich, daß der Mechanismus 30 für die Bewegung des Blinddorns 28 auch zum Spritzen eines kleinen Werkstücks verwendet werden kann. Das Werkstück 24 wird grundsätzlich von einem Flansch 120 gehalten, der vorteilhafterweise mit der vorderen Tür 43 der Kammer 10 verbunden sein kann, wie dargestellt. Ein elektrisch leitender Halteschaft 124 (manchmal auch Dorn genannt) für das Werkstück 24 ist entlang einer bestimmten Achse angeordnet, die die Zentralachse der Vacuumkammer 10 schneidet. Der Blinddorn 28 ist entlang einer Achse angeordnet, die koaxial oder normal zu dem Halteschaft 124 liegt, und ist in ähnlicher Weise rotierbar, aber vom freien Ende des Werkstücks 24 so getrennt, daß weder ein mechanischer Kontakt noch eine elektrische Verbindung existiert. Der leitende Halteschaft 124 ist so eingeführt, daß das Werkstück 24 eine gewünschte Lage relativ zu der Zentralachse der Kammer 10 einnehmen kann, indem der Halteschaft 124 und ein dazugehöriger Umhüllungsmantel 126, die in die Tür 43 eingesetzt sind und durch sie hindurch nach außen ragen, bewegt werden. Der Blinddorn 28 ist auf ähnliche Weise in die Kammer 10 geführt und in einer Lage angeordnet, in der sein Ende dem Werkstück 24 nahe, aber von ihm getrennt ist. Der Umhüllungsmantel 126 enthält in seinem Inneren Kanäle für das Kühlwasser sowie elektrische Verbindungselemente, zu denen ein Bürstenkontakt mit einem Leiter gehört, der mit dem zentralen Halteschaft 124 zusammengeschaltet ist; diese Elemente sind nicht detailliert gezeigt, da ähnliche Konstruktionen im vorliegenden Fachgebiet allgemein üblich sind. Dichtlager und O-Ringe in dem Umhüllungsmantel 126 gestatten es, daß der Umhüllungsmantel 126 und der Halteschaft 124 nach innen und nach außen bewegt werden sowie rotieren können, ohne daß Wasser oder Gas austritt. Ein Gleichstrom-Getriebemotor 128, der mit dem Halteschaft 124 außerhalb des Umhüllungsmantels 126 verbunden ist, wird vom System-Steuerpult 56 aus bedient und kann das Werkstück 24 mit einer Geschwindigkeit von 0 bis 100 U/min (im vorliegenden Beispiel) in Rotation versetzen.

Der Mechanismus 26 zur Bewegung des Werkstücks 24 weist weiter auch noch eine Gooseneck-Verbindung im Inneren der Kammer auf, über die das Werkstück 24 im Bereich des Plasmastroms gehalten wird. Eine Gooseneck-Abschnitt 130 des Umhüllungsmantel 126 endet in einem Endarm 131, der relativ zur horizontalen Achse nach oben abgeknickt ist. Entsprechende Abschnitte 133, 134 des Halteschafts 124 sind mittels Universalgelenken 135 verbunden, die es gestatten, daß der Endabschnitt 134 mit dem Werkstück 24 unabhängig von der Bewegung des Umhüllungsmantels 126 und des Gooseneck-Abschnitts 130 rotieren kann. Das Werkstück 24 wird in eine Pendelbewegung versetzt, indem der Umhüllungsmantel 126 mittels eines Pendelantriebs 138, der Signale vom System- Steuerpult 56 empfängt, in eine Rotation mit einem begrenzten Winkel versetzt wird. Eine Getriebeverbindung 139 zwischen dem Motor 138 und dem Umhüllungsmantel 126 treibt außerdem noch ein Übertragungselement 142 der Pendelbewegung (z. B. ein Potentiometer) an, das es gestattet, die Endpositionen der Pendelbewegung abzugreifen in bekannter Weise zu steuern.

Im Ergebnis ist somit das Werkstück 24, nachdem es auf das freie Ende des Abschnitts 134 des Halteschafts 124 aufmontiert ist, in einer bestimmten gewünschten Längslage in den Weg des Plasmastroms eingeführt. Über den Lichtbogenstromkreis wird das Werkstück 24 über den Halteschaft 124 und seine Abschnitte 133, 134 mit einem bestimmten ausgewählten Potential versehen, und während im Gooseneck 130 Kühlwasser zirkuliert, rotiert und pendelt das Werkstück 24 zur gleichen Zeit im Plasmastrom. Dabei müssen die Bewegungen nicht gleichzeitig erfolgen, und für viele Teile ist auch nicht unbedingt ein Gooseneck-Abschnitt erforderlich.

In dem beschriebenen Beispiel eines charakteristischen Systems weist der Halteschaft oder Haltedorn 124 einen Durchmesser von 5,1 cm (2 inch) auf. Der Blinddorn 28 ist ein gerader Schaft von 2,54 cm (1 inch) Durchmesser, der durch einen Umhüllungsmantel 140 und einen in der Wand des Gehäusekörpers 12 der Kammer 10 angeordneten Flansch 141 geführt ist, und der innerhalb des Umhüllungsmantels 140 mittels eines Antriebsmotors 144 über ein Zahnradgetriebe 146 und einen Verriegelungsflansch 147 rotieren kann. Der Verriegelungsflansch 147 kann gelöst werden, so daß der Blinddorn 128 in eine bestimmte Lage eingeschoben werden kann, und danach angezogen, damit der Blinddorn 28 infolge des Antriebs durch den Motor 144 rotieren kann. Für den Blinddorn 28 beträgt die Rotationsgeschwindigkeit typischerweise wahlweise 0 bis 100 U/min, wobei der Blinddorn 28 nicht im Detail dargestellte Rohrleitungen für die Zufuhr und die Zirkulation von Kühlwasser enthält.

Wenn das System arbeitet, werden die Mechanismen zur Steuerung der Bewegungen gleichzeitig und in aufeinander abgestimmter Weise betrieben, in dem Sinne, daß sie trotz ihrer unabhängigen Steuerbarkeit unter Bedingungen betrieben werden, die für ein spezielles Werkstück 24 optimal sind. Wenn das Werkstück 24 z. B. eine Turbinenschaufel ist, wird es in einer bestimmten Lage bezüglich der Zentralachse angeordnet und dann in Abhängigkeit von seiner Größe, dem verwendeten Material und der Tiefe der gewünschten Beschichtung in Rotation versetzt. Der Blinddorn 28 rotiert mit einer ähnlichen Geschwindigkeit. Der Plasmakopf 16 wird veranlaßt, ein Plasma zu erzeugen, wobei er über die Quellen 46 und 48 mit Energie versorgt wird und wobei ein Gas- und Kühlwasserstrom aufrechterhalten wird.

Zu den Arbeitsbedingungen innerhalb der Plasmakammer 10 gehören auch die Wechselwirkungen von Plasmastrom mit der Vacuumumgebung, die von hoher Wichtigkeit sind. Der Umgebungsdruck in der Kammer wird mittels der Vacuumpumpen 42 in der Größe von 0,6 bis 0,001 bar gehalten. In dem speziellen beschriebenen Beispiel, das eine vorzugsweise Arbeitsweise bei der Beschichtung einer Turbinenschaufel aus Metall betrifft, beträgt der Umgebungsdruck etwa 0,05 bar. Der Strömungsdruck der Plasmapistole beträgt etwa 5 bar, damit für die bestimmte Form der Düsen ein Überschall- Plasmastrom von einer etwa 3.2 Mach überschreitenden Geschwindigkeit erhalten wird. Der statische Druck des Plasmastroms wird in einer Richtung senkrecht zum Strom gemessen und ist nicht geringer als der Umgebungsdruck in der Kammer, im vorliegenden Fall etwas größer. Folglich verbreitert sich der Plasmastrom auf einen größeren Querschnitt, wobei der Öffnungswinkel des Stroms oder Strahls nicht größer als etwa 15° ist. Der Staudruck im Plasmastrom ist der Druck der gemessen wird, wenn man stromaufwärts, d. h. gegen die Richtung des Stroms blickt, und setzt sich aus dem statischen Druck und der kinetischen Energie des Stroms zusammen. Der Staudruck wird daher hauptsächlich von den Größen Strahlgeschwindigkeit und Strahldichte bestimmt und sollte in der Größenordnung von 0,001 bis 2 bar liegen, liegt aber in jedem Fall über dem statischen Druck. Unter diesen Bedingungen erzeugt der Plasmastrahl, wie in Fig. 6 dargestellt, einen Stoß- oder Schockbereich der einen entscheidenden Einfluß auf den im System verwendeten Lichtbogen ausübt.

Das Verfahren zur Vorbereitung des Werkstücks zum Aufbringen einer aufgespritzten Beschichtung mittels eines das Werkstück abtastenden Plasmastroms mit oder ohne übertragenen Lichtbogen kann dadurch eingeleitet werden, daß das Werkstück 24 vor dem Aufbringen der Beschichtung auf eine entsprechende hohe Temperatur aufgeheizt wird. Bei Turbinenschaufeln wird auf den Werkstücken z. B. ein im wesentlichen gleichförmiger Temperaturbereich von 900 bis 1100°C erreicht. Vorheizen ist eine nützliche, aber keine notwendige Stufe, und ihre Anwendung hängt von der Art des Werkstücks, seines Materials und der Beschichtung ab. Bei Turbinenschaufeln hat sich das Vorheizen als sehr wichtig erwiesen, da dadurch Spannungen infolge nicht harmonierender Wärmeausdehnungen vermieden werden. Das Abdampfen, auch Sputtering genannt, wird begonnen und im wesentlichen auch abgeschlossen, bevor vorgeheiztes Pulver aus der Pulverzuführung 20 in Fig. 1 zugeführt wird. Unter den angegebenen Arbeitsbedingungen regen die Plasmaionen, die auf die Oberfläche des Werkstücks aufprallen, Atome im Makrobereich oder der Energieabfallszone der Werkstücksoberfläche an. Dann wird der übertragene Lichtbogen angelegt, wobei die Lichtbogen-Stromquelle 50 so umgepolt ist, daß das Werkstück 24 als Kathode geschaltet ist. Der angewandte Lichtbogenstrom liegt im Bereich von 50 bis 500 A, und der Spannungsabfall beträgt im vorliegenden Beispiel 30 bis 80 V. Das kathodische Werkstück beginnt auf diese Weise als Elektronenemitter zu wirken, wodurch die Anregung der Oberfläche des Werkstücks 24 weiter gesteigert wird, und wobei angeregte Metallatome in Form von Ionen aus der Werkstücksoberfläche freigesetzt werden. Sind sie einmal freigesetzt, neigen die Ionen dazu, sich entsprechend den Ladungen des Plasmastroms und den gasdynamischen Kräfte der Stoßströmung auszubreiten.

Die Wechselwirkung zwischen dem Stoßmuster oder Shock- Patterns und dem Hochenergie-Lichtbogen führt zu einer Verteilung des übertragenen Lichtbogens über eine beträchtliche Fläche, und trägt zu Freisetzung von Atomen aus der Werkstückoberfläche bei. Oxidfilme und andere Verunreinigungen, die als Rückstand oder infolge von Vorbehandlungen und Vorheizen auf der Oberfläche vorliegen, werden auf diese Weise innerhalb von wenigen Sekunden von der Werkstückoberfläche entfernt, wobei ihre Entfernung durch ein Sichtfenster in der Kammer 10 visuell verfolgt werden kann, indem zeitweilig aussetzende Muster von sichtbarer Punktstrahlung, die nur für eine kurze Zeit bis zur Vervollständigung des Reinigungsprozesses, der als Abdampf- oder Sputtering-Schritt bezeichnet werden kann, auftreten, beobachtet werden können.

Wenn das Werkstück 24 einmal aufgeheizt und gereinigt ist, kann es sofort die im Plasmastrom oder -strahl ankommenden Beschichtungsmaterialien aufnehmen, und es kann begonnen werden, die negative Aufladung zu beenden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es vorteilhaft ist, die negative Polarität des Werkstücks noch für eine kurze Zeitspanne aufrechtzuerhalten, und zwar in der Größenordnung von 5 sec, um eine metallurgische Diffusionsverbindung an der Oberfläche des Werkstücks zu erzeugen. Diese entsteht, weil die ankommenden Pulvercluster (Agglomerate) in dem Plasmastrom mit Ionen und freien Atomen der hoch angeregten kathodischen Oberfläche des vorgeheizten Werkstücks reagieren. Eine derartige, eine enge Verbindung oder Verkettung von Beschichtungsmaterial und Werkstück bildende Oberfläche kann die Haftung der aufgebrachten Beschichtung im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen beträchtlich verbessern, obwohl erfindungsgemäß beträchtliche Verbesserungen gegenüber dem Bekannten auch erhalten werden, vor allem was die Zuverlässigkeit betrifft, ohne daß diese Technik angewandt wird.

Danach erfolgt das Aufbringen einer Schichtung in der gewünschten Dicke auf dem Werkstück, wobei für die benötigte Zeitspanne vorgeheiztes Pulver in den Plasmastrahl eingeführt wird und der Plasmakopf 16 die Abtastbewegung und andere im System mögliche Bewegungen ausführt. Der übertragene Lichtbogen wird umgepolt, so daß das Werkstück 24 gegenüber dem Plasmakopf als Anode wirkt, nachdem ein kurzes Zwischenintervall abgewartet worden war, um ein Abdampfen der vorher aufgebrachten Teilchen des Beschichtungsmaterials zu verhindern und gleichzeitig neues Material aufzubringen. Die Anlegung des übertragenen Lichtbogens vergrößert die Wärmezufuhr zum Werkstück, und wenn dort schon eine übermäßige Wärmezufuhr zu beobachten ist, wird kein übertragener Lichtbogen angelegt. Die hohen Stromdichten, die Anwendung eines diffusen oder gestreuten übertragenen Lichtbogens und die Vorreinigung der Oberfläche sichern nicht nur ein schnelles Aufbringen, sondern erzeugen Bindungsstärken einer Größe und Gleichmäßigkeit, wie sie mit den bekannten Systemen bisher nicht zu erreichen waren.

Diese Vorzüge sind besonders bei großen Werkstücken von besonderem Vorteil. So wird z. B. eine durchschnittliche Aufbringrate von 25,4 µm (1 mil) pro Sekunde auf einer Fläche von etwa 7,6 cm (3 inch) Durchmesser angewendet, obwohl die Parameter des Systems verändert werden können, um diese Rate in einem beträchtlichen Bereich zu vergrößern oder verkleinern. Die erhaltenen Beschichtungen sind oxidfrei, außerordentlich dicht und zeigen eine ausgezeichnete Haftung an den Substraten. Genaue Oberflächen-Analysen von Turbinenschaufeln, die mit CoCrAlY beschichtet wurden, und die an verschiedenen Punkten über die gesamte Länge des Turbinenblattes untersucht wurden, zeigen Abweichungen nur im Bereich von 71,1-94 µm (2,8 bis 3,7 mils) infolge der Fähigkeit des Systems, die Bewegungen des Schwenkmechanismus zu steuern, kann die Schicht in einen bestimmten Bereich verstärkt oder verdickt gegenüber einem anderen Bereich werden, wie den Vorder- und Hinterkanten der Blattabschnitte einer Turbinen schaufel. Die gleiche Turbinenschaufel wie zuvor, bei Verwendung derselben Näherung, wies an der Vorderkante eine übermäßige Beschichtungsdicke von 178 µm (7 mil) auf, die dann in Richtung der Hinterkanten abnahm und entlang der konvexen Oberfläche des Flügels ein Minimum von 76,2 µm (3 mil) erreichte, um danach bei weiterem Fortschreiten in Richtung zur Hinterkante wieder eine Dicke von 178 µm (7 mil) an der Hinterkante zu erreichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sichert somit eine homogene Beschichtungsstruktur mit einer guten Duktilität und Oberflächenglätte. Die mechanischen Eigenschaften des Substrats, wie Zugspannung, Bruch, thermische Ermüdung oder Nieder- Hoch-Wechsel-Ermüdung werden nicht verschlechtert. Oberflächenbehandlungen wie Polieren, Schrubben und Harperisieren können angewendet werden, um für spezielle Zwecke die Oberflächenglätte noch zu verbessern. Die Struktur der Beschichtung weist eine hohe Dichte auf und hat eine Porosität, die typisch weniger als 0,5 bis 1% beträgt, wobei die Poren nicht untereinander verbunden sind und gleichmäßig verteilt sind. Mit dem erfindungsgemäßen Plasmaspritzsystem wurden die verschiedensten Beschichtungen aufgetragen, darunter die folgenden.

CoCrAlY\|1N 100
CoCrAlHf	NiCr
CoCrAlY/NiAlCr	NiAl
CoCrAlY/NiCrAl	WC-Co
CoCrAlY/AL₂O₃	316 rostfreier Stahl
CoCrNiTaAlY (S57 & 67)	Stellite 1
NiAlCr	Al
NiCrAlY	Cu
NiCoCrAlY	Co
NiCrAlY/Al₂O₃	Mo
NiCrSiB	Ni

Das zu beschichtende Werkstück kann zur Vorbereitung mit einem Kiesstrahlgebläse oder durch Säureätzen vorbehandelt werden, oder durch eine Verknüpfung dieser oder anderer Prozesse. Das Werkstück muß nicht vorgeheizt werden, wenn das erfindungsgemäße Plasmaspritzsystem verwendet wird, aber es kann unter Anwendung anderer konventioneller Methoden genausogut vorgeheizt werden. Eine gereinigte Argon-Quelle oder eine Dehydrogenation oder ein Getterschritt müssen nicht zur Anwendung kommen, weil erfindungsgemäß eine Reinigungsoperation erfolgt, bei der das nicht erforderlich ist. Wenn derartige Reinigungsschritte wegen ganz spezieller Anforderungen an ein spezielles fertiges Produkt ökonomisch gerechtfertigt erscheinen, können sie ohne weiteres auch zusammen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angewendet werden.

Es ist ferner hervorzuheben, daß die Bewegungen, in die das Werkstück, der Blinddorn und der Plasmakopf versetzt werden, zur Zuverlässigkeit der Arbeitsweise beitragen. Gleichzeitige konstante Bewegungen verhindern das Auftreten von lokalen Überhitzungen und variieren die Konzentrationen der Ionen und Elektronenpopulationen in der Abfallzone auf dem Werkstück. Wenn das Werkstück eine Konfiguration aufweist, die dazu neigt, abgelenkte geschmolzene Teilchen aufzunehmen, die nur schwach gebunden würden, wie z. B. in einspringenden Ecken, kann der Gooseneck-Mechanismus synchron mit dem Plasmakopf in eine Pendelbewegung versetzt werden, so daß nur direkt aufprallende Teilchen gebunden werden. Ferner ist die Gleichmäßigkeit des Beschichtungsvorgangs über die ganze Länge des Werkstücks gesichert, weil das benachbarte Ende des Blinddorns einen zusätzlichen Aufprallbereich mit Stoßbedingungen für den Plasmastrahl bildet und die Streuung des übertragenen Lichtbogens erhalten bleibt, der andernfalls nicht mehr durch das Stoß-Phänomen beeinflußt werden würde.

Trotz der zahlreichen vorgeschlagenen Formen und Modifikationen der Erfindung ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt, sondern umfaßt alle Ausführungen und Variationen, die in den Rahmen der Patentansprüche fallen.

Claims

1. Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstückes mit in einem Lichtbogen-Plasmastrahl eingeführten Pulver,

a) mit einer Plasmakanone (16), die dem Werkstück (24) einen Überschall-Plasmastrom von im wesentlichen inertem Gas zuführt,
b) mit einer geschlossenen Kammer (10), in welcher ein niedriger statischer Druck um eine Plasmakanone (16) und das Werkstück herrscht,
c) mit Evakuierungseinrichtungen, die mit der geschlossenen Kammer in Verbindung stehen, zum Erzeugen eines niedrigen statischen Kammer-Druckes,
d) sowie mit einer Einrichtung (20) zum Einsprühen von Beschichtungspulver in den Plasmastrom,

gekennzeichnet durch

e) eine mit dem Werkstück (24) und der Plasmakanone (16) gekoppelte Einrichtung (50) zur wahlweisen Erzeugung einer Kathoden- und Anodenbeziehung des Werkstücks (24) zur Plasmakanone (16),
f) eine Schalt- und Steuereinrichtung (60) zum wahlweisen Umschalten zwischen der Kathoden-Beziehung und der Anoden-Beziehung,
- ga) eine derartige Auslegung der Leistung der Plasmakanone (16),
- gb) eine derartige Anordnung der Plasmakanone (16) zum Werkstück (24),
- gc) eine derartige Auslegung der Auftreffgeschwindigkeit des Plasmastromes auf das Werkstück (24),
- gd) eine derartige Auslegung des statischen Umgebungsdruckes des Werkstückes (24), daß am Werkstück (24) ein Staudruck erheblich über dem statischen Umgebungsdruck herrscht und zu einem gestreuten Aufprallmuster führt,
h) eine Bewegungseinrichtung (18) für die Plasmakanone (16),
i) eine Bewegungseinrichtung, insbesondere Dreheinrichtung (26), für das Werkstück (24),
j) Steuerungseinrichtungen (56) für die oben genannten Bewegungseinrichtungen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

a) Bewegungseinrichtungen für Pendelbewegungen der Plasmakanone (16) parallel und senkrecht zur Ebene des Werkstückes, sowie
b) Einrichtungen für die Rotation des Werkstückes (24) sowie eines Blindwerkstückes (28), vorzugsweise in Form eines Bilddornes, innerhalb der Kammer (10) und in unmittelbarer Nachbarschaft des Werkstückes (24),

wobei das Blindwerkstück mit der gekoppelten Einrichtung (50) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zweitten Pendelmechanismus der Plasmakanone (16) für eine Bewegung parallel zur Querachse.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Führungselemente (76, 92, 93) des Mechanismus zur Erzeugung einer quergerichteten Abtastbewegung entlang der Querachse, durch einen Wagen (70), der die Plasmakanone (16) trägt, sowie durch Antriebsmittel (80, 81, 82, 84, 86) zur Verschiebung des Wagens (70) entlang der Führungselemente, sowie durch auf einer Achse parallel zur Querachse angeordnete Lager (96), in denen die Führungselemente drehbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Tragbügelmechanismus (103) des zweiten Pendelmechanismus, über den die Plasmakanone (16) mit dem Wagen (70) verbunden ist, sowie durch Dreheinrichtungen (117, 118, 119) für den Tragbügelmechanismus (103) um eine Achse senkrecht zur Querachse, sowie durch ein Zahnstangengetriebe (102, 104, 106) zur Erzeugung einer Auf- und Abbewegung der Plasmakanone (16), über das der Tragbügelmechanismus (103) mit der Plasmakanone (16) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Werkstückhalter (25) für das Werkstück (24) einschließlich Antriebsmitteln (128) für eine steuerbare Rotation.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Pendeleinrichtung (133, 134, 138) des Werkstück-Halters (25) zusätzlich zur Rotationseinrichtung des Werkstückes (24).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung dem Abtasten des Werkstückes dient, sowie durch eine Auf- und Ab-Bewegungseinrichtung für die Plasmakanone (16).

9. System nach einem der Ansprüche 1-8, gekennzeichnet durch eine Bewegungseinrichtung (18) für die Plasmakanone (16), um das Werkstück (24) abzutasten, durch eine Einrichtung zum Erzeugen einer Blindwerkstücksfläche an einem in unmittelbarer Nachbarschaft des Werkstückes (24) angeordnetem Blindwerkstück (28), um die Angriffsfläche für den Lichtbogen trotz der Lage der Auftrefffläche des Plasmastromes in bezug auf das Werkstück (24) zu verteilen, sowie durch eine Bewegungseinrichtung (125), insbesondere eine Dreheinrichtung, für das Werkstück (24) während des Sprühvorganges.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung (18) für die Plasmakanone (16) Mittel zur Bewegung in Querrichtung parallel zur Ebene des Werkstücks (24) und senkrecht zur Ebene des Werkstücks (24) enthält.

11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem Mittel zur Erzeugung von Pendelbewegungen parallel und senkrecht zur Ebene des Werkstücks (24) vorgesehen sind und daß Mittel für die Rotation des Werkstücks (24) und für eine Rotation des Blindwerkstücks (28) vorgesehen sind, die derart angeordnet sind, daß Werkstück (24) und Blindwerkstück (28) in Form eines Blinddornes innerhalb der Kammer (10) einen gewissen Abstand voneinander aufweisen.

12. System nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung (18) für die Plasmakanone (16) Mittel zur Steuerung der Geschwindigkeit enthält.

13. System nach Anspruch 9-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf- und Abbewegung der Plasmakanone (16) durch die Bewegungseinrichtung (18) steuerbar ist.

14. System nach einem der Ansprüche 9-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakanone (16) mit einem zweiten Pendelmechanismus verbunden ist, mit dem eine Bewegung parallel zur Querachse erzeugt werden kann und der hinsichtlich seiner Geschwindigkeit steuerbar ist.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Mechanismus zur Erzeugung einer quergerichteten Abtastbewegung langgestreckte Führungselemente (76, 92, 93), die sich entlang der Querachse erstrecken, aufweist sowie einen Wagen (70), der die Plasmakanone (16) trägt, sowie Antriebsmittel (80, 81, 82, 84, 86) zur Verschiebung des Wagens (70) entlang der Führungselemente (76, 92, 93) und daß der Pendelmechanismus zur Erzeugung einer zur ersten Abtastbewegung senkrechten Abtastbewegung auf einer Achse parallel zur Querachse angeordnete Lager (96) aufweist, in denen die Führungselemente (76, 92, 93) drehbar sind.

16. System nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Pendelmechanismus einen Tragbügelmechanismus (103) aufweist, über den die Plasmakanone (16) mit dem Wagen (70) verbunden ist, sowie Mittel (117, 118, 119), mit denen der Tragbügelmechanismus (103) um eine Achse senkrecht zur Querachse gedreht werden kann, und daß der Mechanismus zur Erzeugung einer Auf- und Abbewegung ein Zahnstangengetriebe (102, 104, 106) aufweist, über das der Tragbügelmechanismus (103) mit der Plasmakanone (16) verbunden ist.

17. System nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkstückhalter (25) für das Werkstück (24) vorgesehen ist, der mit Antriebsmitteln (128) verbunden ist, mit denen das Werkstück in eine Rotation mit steuerbarer Geschwindigkeit versetzt wird.

18. System nach einem der Ansprüche 9-17, dadurch gekennzeichnet, daß das in unmittelbarer Nachbarschaft des Werkstücks (24) angeordnete, jedoch von ihm durch einen gewissen Abstand getrennte Blindwerkstück (28) mit Antriebsmitteln (144, 146, 147) verbunden ist, die es mit steuerbarer Geschwindigkeit in Rotation versetzen.

19. System nach einem der Ansprüche 16-18, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstück-Halter (25) Mittel (133, 134, 138) zur Erzeugung einer Pendelbewegung zusätzlich zu der Rotation des Werkstücks (24) aufweist.