DE602004000936T2 - Kaltgasspritzdüse gefertigt mit Polybenzimidazole - Google Patents
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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 System10 hat ein Ge häuse1' , das ein Silo2 für ein Pulver mit einem Deckel2' , der mittels eines Gewindes2'' angebracht ist, eine Einrichtung zum Messen des Pulvers und eine Mischkammer, die alle miteinander in Verbindung stehen, aufweist. Das System hat auch eine Düse4 zum Beschleunigen von Pulverpartikeln in Verbindung mit der Mischkammer, eine Zufuhr5 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 Pneumatikleitung6 , die über ein Absperr- und Steuerelement7 die Zufuhr5 von komprimiertem Gas mit einem Einlassrohr8 einer Dosierspeisung1 verbindet. Eine Pulverdosiereinrichtung ist in der Form einer zylindrischen Trommel9 , die an ihrer zylindrischen Oberfläche9' Vertiefungen10 hat und mit der Mischkammer und mit der Partikelbeschleunigungsdüse4 in Verbindung steht. - Das System weist auch eine Pulverpartikelflusssteuerung
11 auf, die in beabstandeter Beziehung12 relativ zu dem Zylinderumfang9' der Trommel9 angebracht ist, um so die gewünschte Masseflussrate des Pulvers während der Beschichtung zu gewährleisten, und eine Zwischendüse13 , die benachbart der Mischkammer positioniert ist und über das Einlassrohr8 mit der Zufuhreinrichtung von komprimiertem Gas und mit der Zufuhr5 von komprimiertem Gas kommuniziert. - Um Pulverpartikel daran zu hindern, in einen Raum
14 zwischen der Trommel9 und dem Gehäuse1' der Dosierspeisung1 zu gelangen und um so ein Verklemmen der Trommel9 zu verhindern, ist eine Ablenkplatte15 an dem Siloboden vorgesehen, die eng mit der Zylinderoberfläche9' der Trommel9 zusammenwirkt. - Um ein gleichmäßiges Füllen der Vertiefungen
10 mit Pulver und ein zuverlässiges Durchlassen zu der Mischkammer zu gewährleisten, ist die Trommel9 angeordnet, um sich in einer Weise horizontal zu erstrecken, dass ein Bereich ihrer Zylinderoberfläche9' als ein Boden16 des Silos2 verwendet wird und der andere Bereich eine Wand17 der Mischkammer bildet. Ausnehmungen10 in der Zylinderoberfläche9' der Trommel9 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 Düse4 supersonisch (überschallmäßig) ausgebildet und hat einen Durchgang18 profilierten Querschnitts. Der Durchgang18 der Düse4 hat einen konvergierenden Bereich100 und einen divergierenden Bereich102 . Ferner hat der Durchgang18 eine Abmessung seines Flussschnittes größer als die andere Abmessung, und das Verhältnis der kleineren Abmessung an der Kante19 der Düse zu der Länge "l" des supersonischen Bereichs20 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 Düse13 durch ein Rohr8 gelassen wird und die Einrichtung zur Zufuhr von komprimiertem Gas verlässt, ist an der inneren Oberfläche der Zwischendüse13 , an deren Auslass in die Mischkammer, vogesehen. Diese Turbulenzdüse21 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 Zylinderoberfläche9' der Trommel9 läuft, der die Wand17 der Mischkammer bildet, ist die Zwischendüse13 in einer Weise angeordnet, dass sich ihre Längsachse bei einem Winkel von 80° bis 85° in Bezug auf eine zu der Zylinderfläche9' der Trommel9 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 Zylinderoberfläche9' der Trommel9 und einem oberen Teil22 des Silos2 auf, um den Druck in dem Silo2 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 Gehäuse1' der Dosierspeisung1 , die einen Innenraum24 der Zwischendüse13 mit dem oberen Teil22 des Silos2 verbindet und die ein Rohr25 hat, das mit der Zwi schendüse13 verbunden ist, erstreckt sich durch das Silo2 und ist an ihrem oberen Teil26 über einen Winkel von 180° gebogen. - Die Trommel
9 ist drehbar in einer aus Plastikmaterial gefertigten und mit der Zylinderfläche9' der Trommel9 zusammenwirkenden Hülse48 angeordnet. Das Plastikmaterial der Hülse48 ist ein Fluorplastik TEFLON, was die Bewahrung der Form der Trommel9 durch Aufnehmen der Pulverpartikel gewährleistet. Das Vorsehen der Hülse48 verringert die Abnutzung der Trommel9 und reduziert Änderungen ihrer Oberfläche9' und vermeidet auch ihr Verklemmen. - Die in
1 gezeigte Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung funktioniert auf die folgende Weise. Ein komprimiertes Gas von der Gaszufuhr5 wird entlang der Pneumatikleitung6 über das Absperr-und-Steuerelement7 zu dem Einlassrohr8 der Dosierspeisung1 geführt, wobei das Gas mittels der Zwischendüse13 beschleunigt wird und bei einem Winkel von zwischen 80° und 85° gerichtet wird, um auf die Zylinderoberfläche9' der Trommel9 aufzutreffen, die stationär ist, und gelangt dann in die Mischkammer, aus der es durch die profilierte Überschalldüse4 entweicht. Die Überschalldüse4 wird mittels des Absperr-und-Steuerelements7 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 Zylinderoberfläche9' der Trommel9 , um die Vertiefungen10 zu füllen, und während der Drehung der Trommel wird das Pulver in die Mischkammer transferiert. Der durch die Zwischendüse13 gebildete und durch die Turbulenzdüse21 verwirbelte Gasfluss bläst das Pulver von der Zylinderoberfläche9' der Trommel9 in die Mischkammer, wo ein Gas-Pulver-Gemisch gebildet wird. Die Flussrate des Pulvers ist durch die Anzahl von Umdrehungen der Trommel9 und den Raum12 zwischen der Trommel9 und der Pulverflusssteuerung11 vorgegeben. Die Ablenkplatte15 hindert das Pulver daran, in den Raum14 zwischen dem Gehäuse1' und der Trommel9 zu gelangen. Das Gas von der Zwischendüse13 wird zusätzlich entlang Durchgängen23 separiert, um in den Raum12 zwischen der Trommel9 und dem Gehäuse1' gelassen zu werden, um ihn von verbleibendem Pulver freizuspülen und zu reinigen, und durch das Rohr25 gelangt das Gas in den oberen Teil22 des Silos2 und gleicht den Druck in dem Silo2 und der Mischkammer aus. Das Gas-Pulver-Gemisch aus der Mischkammer wird in dem Überschallbereich20 des Durchgangs18 beschleunigt. Ein Hoch-Geschwindigkeit-Gas-und-Pulver-Strahl wird somit gebildet, der bestimmt ist durch die Querschnittskonfiguration des Durchgangs18 mit der Geschwindigkeit der Partikel und der Dichte ihrer Flussrate, die notwendig ist für die Bildung einer Beschichtung. Für das gegebene Profil des Überschallbereichs20 des Durchgangs18 ist die Dichte der Massenflussrate von Pulverpartikeln durch die Dosierspeisung1 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 Durchgangs18 in der Überschalldüse4 durch Bilden zumindest des divergierenden Bereichs102 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 Bereich100 wie auch der divergierende Bereich102 aus diesem Material in einer einzelnen Düsenstruktur ausgebildet sein. Ein solcher monolithischer Aufbau der Düse4 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 (5)
- 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.
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