DE602004000936T2

DE602004000936T2 - Kaltgasspritzdüse gefertigt mit Polybenzimidazole

Info

Publication number: DE602004000936T2
Application number: DE602004000936T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey D. Haynes; Stuart A. Sanders
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: EP1462546A3; JP2004298863A; SG121867A1; EP1462546B1; KR100592833B1; RU2261763C1; DE602004000936D1; US20040191449A1; TWI260997B; US7543764B2; MXPA04002859A; EP1462546A2; KR20040084640A; ATE327356T1; RU2004104441A; TW200424020A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Düsendesign zur Verwendung in einem Kaltsprühsystem (cold spray System) zum Abscheiden von Metalllegierungsbeschichtungen auf ein Werkstück.
Dynamisches Kaltgassprühen (z.B. Kaltsprühen) ist eine relativ neue Technologie, bei der Pulvermetall abgeschieden wird durch Bonden im festen Zustand (solid state bonding). Dieser Bond-Mechanismus wird durch Beschleunigung der Partikel auf Überschallgeschwindigkeiten durch eine konvergierende/divergierende (Laval) Düse mittels Helium- und/oder Stickstoffgas erreicht. US-Patent Nr. 5 302 414 an Alkhimov et al. veranschaulicht ein dynamisches Kaltgassprühsystem gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3.
Typische Düsenmaterialien, die in Kaltsprühsystemen verwendet wurden, weisen Messing, rostfreien Stahl und Werkzeugstahl auf. Peterson, Donald und Meyer, Carl schlagen auch verschiedene Materialien für die Verwendung in Raketendüsen in ihrer technischen Anmerkung "Experimental Evaluation of Several Ablative Materials as Nozzle Sections of a Storeable Propellant Rocket Engine" vor. Während des Abscheidens bestimmter Materialien, nämlich Aluminium und einiger Nickellegierungen, verschmutzt die Düse oder verstopft mit Metallpulver, was Systemfehler und ein Nachbearbeiten verursacht, um die beschädigte Düse zu entfernen. Ein Verschmutzen von Aluminium tritt innerhalb einer Spanne von 3 bis 4 min auf, wohingegen ein Minium von 8 h durchgehenden Betriebs gewünscht ist, um diese neue Technologie zu kommerzialisieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Düse gemäß den Ansprüchen bereitzustellen, die ein gewünschtes Niveau an durchgehendem Betrieb schafft.
Die vorangehende Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung erreicht.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weist eine verbesserte Kaltsprühdüse einen Durchgang zum Sprühen eines Pulvermaterials auf, wobei der Durchgang einen konvergierenden Bereich und einen divergierenden Bereich hat und wobei mindestens der divergierende Bereich aus Polybenzimidazol gebildet ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der konvergierende Bereich ebenfalls aus Polybenzimidazol gebildet.
Weitere Einzelheiten des Kaltsprühdüsendesigns der vorliegenden Erfindung sowie damit zusammenhängende Vorteile werden in der nachfolgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ausgeführt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht ein Kaltsprühsystem, bei dem die Düse der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Kaltsprühdüse in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Graph, der eine Erosionsrate als eine Funktion der Zeit für eine aus Polybenzimidazol gefertigte Düse zeigt; und
4 ist ein Graph, der ein Verhalten verschiedener Düsenmaterialien zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen, veranschaulicht 1 ein System (10) zum Kaltsprühen einer Pulverbeschichtung, wie z.B. einer Aluminiumpulverbeschichtung, auf die Oberfläche eines Erzeugnisses. Das System 10 hat ein Ge häuse 1', das ein Silo 2 für ein Pulver mit einem Deckel 2', der mittels eines Gewindes 2'' angebracht ist, eine Einrichtung zum Messen des Pulvers und eine Mischkammer, die alle miteinander in Verbindung stehen, aufweist. Das System hat auch eine Düse 4 zum Beschleunigen von Pulverpartikeln in Verbindung mit der Mischkammer, eine Zufuhr 5 von komprimiertem Gas und eine damit verbundene Einrichtung zum Zuführen des komprimierten Gases zu der Mischkammer. Die Zufuhreinrichtung von komprimiertem Gas ist in der Form einer Pneumatikleitung 6, die über ein Absperr- und Steuerelement 7 die Zufuhr 5 von komprimiertem Gas mit einem Einlassrohr 8 einer Dosierspeisung 1 verbindet. Eine Pulverdosiereinrichtung ist in der Form einer zylindrischen Trommel 9, die an ihrer zylindrischen Oberfläche 9' Vertiefungen 10 hat und mit der Mischkammer und mit der Partikelbeschleunigungsdüse 4 in Verbindung steht.
Das System weist auch eine Pulverpartikelflusssteuerung 11 auf, die in beabstandeter Beziehung 12 relativ zu dem Zylinderumfang 9' der Trommel 9 angebracht ist, um so die gewünschte Masseflussrate des Pulvers während der Beschichtung zu gewährleisten, und eine Zwischendüse 13, die benachbart der Mischkammer positioniert ist und über das Einlassrohr 8 mit der Zufuhreinrichtung von komprimiertem Gas und mit der Zufuhr 5 von komprimiertem Gas kommuniziert.
Um Pulverpartikel daran zu hindern, in einen Raum 14 zwischen der Trommel 9 und dem Gehäuse 1' der Dosierspeisung 1 zu gelangen und um so ein Verklemmen der Trommel 9 zu verhindern, ist eine Ablenkplatte 15 an dem Siloboden vorgesehen, die eng mit der Zylinderoberfläche 9' der Trommel 9 zusammenwirkt.
Um ein gleichmäßiges Füllen der Vertiefungen 10 mit Pulver und ein zuverlässiges Durchlassen zu der Mischkammer zu gewährleisten, ist die Trommel 9 angeordnet, um sich in einer Weise horizontal zu erstrecken, dass ein Bereich ihrer Zylinderoberfläche 9' als ein Boden 16 des Silos 2 verwendet wird und der andere Bereich eine Wand 17 der Mischkammer bildet. Ausnehmungen 10 in der Zylinderoberfläche 9' der Trommel 9 erstrecken sich entlang einer spiralförmigen Linie, was Fluktuationen der Flussrate von Pulverpartikeln während des Dosierens verringert. Um einem Gasfluss Überschallgeschwindigkeit mit dem vorbestimmten Profil, mit hoher Dichte und geringer Temperatur zu vermitteln und um auch eine Beschleunigung von Pulverpartikeln auf eine Geschwindigkeit im Bereich von 300 bis 1200 m/s zu gewährleisten, ist eine Düse 4 supersonisch (überschallmäßig) ausgebildet und hat einen Durchgang 18 profilierten Querschnitts. Der Durchgang 18 der Düse 4 hat einen konvergierenden Bereich 100 und einen divergierenden Bereich 102. Ferner hat der Durchgang 18 eine Abmessung seines Flussschnittes größer als die andere Abmessung, und das Verhältnis der kleineren Abmessung an der Kante 19 der Düse zu der Länge "l" des supersonischen Bereichs 20 liegt im Bereich von etwa 0,04 bis etwa 0,01.
Der Durchgang 18 hat einen Aufbau, der zulässt, dass ein Gas- und Pulverstrahl vorbestimmten Profils gebildet wird, effiziente Beschleunigung des Pulvers gewährleistet und Geschwindigkeitsverlust in der komprimierten Gasschicht stromaufwärts der zu beschichtenden Oberfläche senkt.
Eine Turbulenzdüse 21 von komprimiertem Gasfluss, der zu einer Düse 13 durch ein Rohr 8 gelassen wird und die Einrichtung zur Zufuhr von komprimiertem Gas verlässt, ist an der inneren Oberfläche der Zwischendüse 13, an deren Auslass in die Mischkammer, vogesehen. Diese Turbulenzdüse 21 gewährleistet ein effektives Entfernen von Pulver und die Bildung eines Gas-Pulver-Gemisches. Um für einen rückläufigen Fluss zu sorgen und ein effektives Mischen von Pulver und Gas zu gewährleisten, wenn der Gasfluss in den Bereich der Zylinderoberfläche 9' der Trommel 9 läuft, der die Wand 17 der Mischkammer bildet, ist die Zwischendüse 13 in einer Weise angeordnet, dass sich ihre Längsachse bei einem Winkel von 80° bis 85° in Bezug auf eine zu der Zylinderfläche 9' der Trommel 9 gezogenen Normale erstreckt.
Die Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung auf die Oberfläche eines Erzeugnisses weist auch eine Einrichtung zum Zuführen komprimierten Gases zu Vertiefungen 10 in der Zylinderoberfläche 9' der Trommel 9 und einem oberen Teil 22 des Silos 2 auf, um den Druck in dem Silo 2 und der Mischkammer auszugleichen. Das Vorsehen einer solchen Einrichtung nimmt den auf die Dosierung des Pulvers ausgeübten Druck.
Die Einrichtung zur Gaszufuhr in der Form eines Durchgangs 23 in dem Gehäuse 1' der Dosierspeisung 1, die einen Innenraum 24 der Zwischendüse 13 mit dem oberen Teil 22 des Silos 2 verbindet und die ein Rohr 25 hat, das mit der Zwi schendüse 13 verbunden ist, erstreckt sich durch das Silo 2 und ist an ihrem oberen Teil 26 über einen Winkel von 180° gebogen.
Die Trommel 9 ist drehbar in einer aus Plastikmaterial gefertigten und mit der Zylinderfläche 9' der Trommel 9 zusammenwirkenden Hülse 48 angeordnet. Das Plastikmaterial der Hülse 48 ist ein Fluorplastik TEFLON, was die Bewahrung der Form der Trommel 9 durch Aufnehmen der Pulverpartikel gewährleistet. Das Vorsehen der Hülse 48 verringert die Abnutzung der Trommel 9 und reduziert Änderungen ihrer Oberfläche 9' und vermeidet auch ihr Verklemmen.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung funktioniert auf die folgende Weise. Ein komprimiertes Gas von der Gaszufuhr 5 wird entlang der Pneumatikleitung 6 über das Absperr-und-Steuerelement 7 zu dem Einlassrohr 8 der Dosierspeisung 1 geführt, wobei das Gas mittels der Zwischendüse 13 beschleunigt wird und bei einem Winkel von zwischen 80° und 85° gerichtet wird, um auf die Zylinderoberfläche 9' der Trommel 9 aufzutreffen, die stationär ist, und gelangt dann in die Mischkammer, aus der es durch die profilierte Überschalldüse 4 entweicht. Die Überschalldüse 4 wird mittels des Absperr-und-Steuerelements 7 auf Betriebsbedingungen (5 bis 20 Atmosphären) gebracht, wodurch ein Überschallgasstrahl bei einer Geschwindigkeit von 300 bis 1200 m/s gebildet wird.
Das Pulver aus dem Silo 2 gelangt zu der Zylinderoberfläche 9' der Trommel 9, um die Vertiefungen 10 zu füllen, und während der Drehung der Trommel wird das Pulver in die Mischkammer transferiert. Der durch die Zwischendüse 13 gebildete und durch die Turbulenzdüse 21 verwirbelte Gasfluss bläst das Pulver von der Zylinderoberfläche 9' der Trommel 9 in die Mischkammer, wo ein Gas-Pulver-Gemisch gebildet wird. Die Flussrate des Pulvers ist durch die Anzahl von Umdrehungen der Trommel 9 und den Raum 12 zwischen der Trommel 9 und der Pulverflusssteuerung 11 vorgegeben. Die Ablenkplatte 15 hindert das Pulver daran, in den Raum 14 zwischen dem Gehäuse 1' und der Trommel 9 zu gelangen. Das Gas von der Zwischendüse 13 wird zusätzlich entlang Durchgängen 23 separiert, um in den Raum 12 zwischen der Trommel 9 und dem Gehäuse 1' gelassen zu werden, um ihn von verbleibendem Pulver freizuspülen und zu reinigen, und durch das Rohr 25 gelangt das Gas in den oberen Teil 22 des Silos 2 und gleicht den Druck in dem Silo 2 und der Mischkammer aus. Das Gas-Pulver-Gemisch aus der Mischkammer wird in dem Überschallbereich 20 des Durchgangs 18 beschleunigt. Ein Hoch-Geschwindigkeit-Gas-und-Pulver-Strahl wird somit gebildet, der bestimmt ist durch die Querschnittskonfiguration des Durchgangs 18 mit der Geschwindigkeit der Partikel und der Dichte ihrer Flussrate, die notwendig ist für die Bildung einer Beschichtung. Für das gegebene Profil des Überschallbereichs 20 des Durchgangs 18 ist die Dichte der Massenflussrate von Pulverpartikeln durch die Dosierspeisung 1 spezifiziert, und die Geschwindigkeit von Partikeln ist durch das verwendbare Gas vorgegeben. Durch Variieren des Prozentanteils an Helium in einem Gemisch mit Luft zwischen 0% und 100% kann z.B. die Geschwindigkeit von Pulverpartikeln zwischen 300 und 1200 m/s variiert werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, bezugnehmend nun auf 2, wird ein Verstopfen des Durchgangs 18 in der Überschalldüse 4 durch Bilden zumindest des divergierenden Bereichs 102 aus Polybenzimidazol vermieden. Polybenzimidazol hat die Formel Poly(2,2'-(m-phenylen)-5,5'-bibenzimidazol) und ist kommerziell erhältlich unter dem Markennamen Celazole. Vorteilhafterweise können sowohl der konvergierende Bereich 100 wie auch der divergierende Bereich 102 aus diesem Material in einer einzelnen Düsenstruktur ausgebildet sein. Ein solcher monolithischer Aufbau der Düse 4 ist besonders nützlich, wenn Aluminium und Aluminiumlegierungen auf ein Werkstück gesprüht werden. Polybenzimidazol ist stabil bis zu 800°F (427°C). Es ist ein sehr hartes Polymer mit einer Rockwellzahl E von 105 und exzellenten Erosionswiderstandseigenschaften. Ferner kann dieses Material in jede beliebige benötigte Abmessung kompressionsgeformt werden. Es kann auch einfach aus Stangenmaterial bei sehr geringen Toleranzen bearbeitet werden.
Um die Vorteile der Verwendung von Polybenzimidazol in einer Kaltsprühdüse zu demonstrieren, wurde ein Düsenerosionstest durchgeführt unter Verwendung einer Düse, die aus einer monolithischen Polybenzimidazol-Struktur gebildet wurde. Die Strahlbedingungen waren 250 psig Helium bei 300°C unter Verwendung von H-20-Aluminium, was ein Produktname für 99,7%-reines Aluminium, geliefert durch Valimet Corporation, ist, bei einer Förderrate von etwa 12 g/min. 3 zeigt die Erosionsrate als eine Funktion der Zeit für die Düse. Das Meiste der Erosion trat während der anfänglichen 5 Minuten der Laufdauer auf. Diese Erosion trat um den Halsbereich zwischen dem konvergierenden und dem divergierenden Abschnitt herum auf. Nach der anfänglichen Erosion verlor die Düse etwa 0,64 mg/min. 4 zeigt eine Reihenfolge von Düsenmaterialien, ausgedrückt als Gewichtsänderung gegen die Zeit. Diese Figur zeigt, dass eine aus Polybenzimidazol (in der Figur als Celazole bezeichnet) gebildete Düse besser ist als eine breite Vielzahl anderer potenzieller Düsenmaterialien.
Der durchgeführte Test zeigte auch kein Verschmutzen, wenn Polybenzimidazol verwendet wurde. Folgeversuche demonstrieren weiterhin erfolgreiches Sprühen von Aluminium über 8 Stunden ohne Verschmutzen.
Es ist ersichtlich, dass gemäß der vorliegenden Erfindung ein Kaltsprühdüsendesign bereitgestellt wurde, welches die hierin zuvor ausgeführten Aufgaben, Mittel und Vorteile vollständig befriedigt. Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit deren spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, werden weitere Alternativen, Modifikationen und Variationen den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten, die die vorangehende Beschreibung gelesen haben, ersichtlich. Demgemäß wird beabsichtigt, diese Alternativen, Modifikationen und Variationen, wie sie in den breiten Umfang der beigefügten Ansprüche fallen, mit einzuschließen.

Claims

Düse (4) zur Verwendung in einer Kaltsprühtechnik, aufweisend: einen Durchgang (18) zum Sprühen eines Pulvermaterials, wobei der Durchgang einen konvergierenden Bereich (100) und einen divergierenden Bereich (102) hat; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der divergierende Bereich (102) aus Polybenzimidazol gebildet ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei sowohl der konvergierende Bereich (100) als auch der divergierende Bereich (102) aus dem Polybenzimidazol gebildet sind.
Kaltsprühsystem, aufweisend: eine Quelle (2) pulverförmigen Materials; eine Einrichtung zum Mischen des Pulvermaterials mit einem Gas; eine Düse (4) mit einem Durchgang, der mit der Mischeinrichtung kommuniziert, zum Sprühen des Pulvermaterials auf ein Werkstück; eine Düse (4) mit einem konvergierendem Bereich (100), gefolgt von einem divergierenden Bereich (102); dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der divergierende Bereich aus Polybenzimidazol gebildet ist.
System nach Anspruch 3, wobei der konvergierende Bereich (100) ebenfalls aus Polybenzimidazol gebildet ist.
System nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Düse (4) eine einzelne Düsenstruktur ist.