EP0546359A1 - Thermal spray coating process with cooling - Google Patents

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EP0546359A1
EP0546359A1 EP92119729A EP92119729A EP0546359A1 EP 0546359 A1 EP0546359 A1 EP 0546359A1 EP 92119729 A EP92119729 A EP 92119729A EP 92119729 A EP92119729 A EP 92119729A EP 0546359 A1 EP0546359 A1 EP 0546359A1
Authority
EP
European Patent Office
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carbon dioxide
cooling
jet
expansion
nozzle
Prior art date
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Application number
EP92119729A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP0546359B1 (en
Inventor
Peter Dipl.-Ing. Heinrich (Fh)
Wolfgang Schmidtke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Publication of EP0546359B1 publication Critical patent/EP0546359B1/en
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying

Definitions

  • the invention relates to a method for coating a surface by means of a thermal spraying method, for example flame or high-speed flame spraying, arc or plasma spraying or detonation spraying, a jet of hot transport gas and molten material particles being directed onto the surface in question and adjacent to the spray jet is cooled with a cooling jet consisting essentially of carbon dioxide containing cold gas and snow particles.
  • a thermal spraying method for example flame or high-speed flame spraying, arc or plasma spraying or detonation spraying
  • a jet of hot transport gas and molten material particles being directed onto the surface in question and adjacent to the spray jet is cooled with a cooling jet consisting essentially of carbon dioxide containing cold gas and snow particles.
  • EP-PS 0 263 469 in which likewise a cooling jet produced from liquid C0 2 , but mixed, consisting of C0 2 gas, C0 2 snow and other gases, for example helium and / or Hydrogen is used to cool the thermally sprayed surfaces.
  • liquid carbon dioxide in which case the C0 2 is at ambient temperature and is under the condensing pressure
  • a special form of C0 2 supply must be guaranteed, namely one in which the carbon dioxide from the respective storage tanks in the liquid phase is applied.
  • the carbon dioxide which is in standard storage at 20 ° C with about 57 bar pressure in the associated storage tanks, can be removed from them by means of a riser pipe or in some other special way, ie the storage tanks must be provided with a liquid phase extraction.
  • the object of the present invention was therefore to provide a thermal spraying method with CO 2 cooling which avoids or eliminates the disadvantages described and in particular also enables the use of gaseous carbon dioxide.
  • the carbon dioxide content in the cooling jet is obtained from gaseous carbon dioxide which is at least under 45 bar pressure and in such a way that the carbon dioxide gas is initially largely closed via a narrow slot nozzle or other slot-like opening in a slot arranged around this expansion slot Expansion volume is expanded and starting from this expansion volume and its outlet opening, the cooling jet is formed and directed onto the surface to be cooled.
  • the type of expansion of the carbon dioxide gas according to the invention via a slot nozzle or the like into a closed expansion volume is essential for the function and effectiveness of the invention.
  • the slot nozzle with its elongated and, on the other hand, narrow cross-sectional opening namely generates an expansion gas jet with a surface which is substantially enlarged in comparison to an expansion gas jet originating from a round nozzle.
  • This increased surface area results in an increased interaction of the expansion gas jet with its surroundings, which - according to the further essential feature of the invention - is formed by an expansion volume in which, during operation, cold carbon dioxide gas is almost exclusively already expanded. Warmer ambient air therefore has no direct access to the expanded carbon dioxide.
  • DE-PS 36 24 787 shows a cooling and freezing probe for local cooling of human or animal body areas and - in a secondary aspect - also of electronic components, which is based on the principle described, but the cooling of the respective area from close proximity takes place and no long-range cooling gas jet, but a suitably guided cooling gas flow is formed.
  • the transfer, adaptation and modified application according to the present invention is not obvious.
  • a subsequent and / or previous cooling jet leading to the spray jet primarily protects temperature-sensitive spray material or heat-sensitive workpieces from overheating. With thermal spray processes cooled in the manner described, however, an increase in performance is generally possible compared to uncooled spray processes.
  • the method according to the invention is finally carried out in an advantageous manner with an expansion nozzle which has an inner tube 6 with a closing slot nozzle which can be connected to a CO 2 gas source, and an outer tube 9 which envelops the inner tube at the end of the slot nozzle and projects significantly beyond it and forms the expansion volume.
  • an expansion nozzle which has an inner tube 6 with a closing slot nozzle which can be connected to a CO 2 gas source, and an outer tube 9 which envelops the inner tube at the end of the slot nozzle and projects significantly beyond it and forms the expansion volume.
  • a distance from the workpiece of at least approximately 3 cm is advantageously maintained in process operation in order to obtain a favorable process function.
  • a standard C02 supply is assumed, that is, for example, a medium or high-pressure tank for C02 that is at ambient temperature. Normally, this contains both liquid and gaseous CO 2 at a pressure of approx. 57 bar in equilibrium.
  • the carbon dioxide gas under this pressure is then expanded into a limited expansion volume via a very narrow, slit-like nozzle with a longitudinal extension of a few millimeters. In this way, the expansion volume formed, for example, by a tube is produced on the output side a relatively narrow and less turbulent jet of cold C02 gas and snow, which is particularly suitable for cooling during thermal spraying processes.
  • the applicant has determined that an even higher and more advantageous cooling effect of the cooling jet formed as described can be obtained by starting from a carbon dioxide gas with a pressure of more than 65 bar, preferably 70 to 80 bar.
  • a carbon dioxide gas with a pressure of more than 65 bar, preferably 70 to 80 bar.
  • special precautions must be taken, as - as described above - C0 2 is only available in standard storage tanks at around 57 bar.
  • said higher pressures are produced by heating the gas storage device together with its contents and thus by generating a higher vapor pressure of the liquid CO 2 or that the pressure increase is generated by a pump connected downstream of the storage device.
  • a storage container is particularly advantageously heated, for example, by arranging an electrical heating conductor in it.
  • Containers equipped with heating conductors are also available since such heating devices are provided in any case when large quantities of CO 2 gas are provided in the associated storage containers.
  • This circumstance therefore accommodates the "high-pressure variant" of the invention, and a suitably equipped storage tank with, for example, pressure-sensitive heating control can supply said pressures above 65 bar without any problems.
  • a particularly effective cooling jet is formed with this method variant, the effect of which lies in the relatively high proportion of snow in the jet.
  • FIG. 1 now shows a thermal spraying process, for example a flame spraying or high-speed flame spraying process operated with fuel gas and transport gas. Shown is a spray nozzle 1, as well as an expansion nozzle 2 and a workpiece 3. To apply the surface layer, the workpiece shown, namely a shaft 3, is rotated according to arrow 4 and the spray jet of the spray nozzle 1 is directed approximately perpendicularly onto its surface. For example, a wear-resistant layer containing tungsten carbide can be applied, the flame spray nozzle 1 and the coolant nozzle 2 being coupled, aligned in parallel and advanced according to arrow 5 along a parallel to the workpiece surface.
  • the expansion nozzle follows the spray nozzle at a constant distance of approx.
  • the coolant used here is, in particular, pure carbon dioxide or - if a particularly high cooling capacity is required - also mixtures of carbon dioxide together with helium and / or hydrogen according to EP-PS 0 263 469, the admixing gases preferably only directly in the impingement area of the coolant jet 2 ' be mixed on the workpiece.
  • FIG. 2 shows one of the possible expansion nozzles for carrying out the method according to the invention in section. This is composed of an inner tube 6 with a closing slot nozzle 7, as well as an outer tube 9 enveloping the inner tube at the end, forming the expansion volume 8, which is open at its end facing away from the expansion nozzle 7.
  • FIG. 3 shows a front view of the expansion nozzle shown in FIG. 2, likewise in a sectional view along the section line S in FIG. 2.
  • gaseous carbon dioxide with a pressure of preferably more than 65 bar is now supplied to this nozzle and in particular the inner tube 6 therein and into the Expansion channel 8 relaxed into it.
  • the relaxation process arise in particular due to the formation of a vacuum behind the slot nozzle 7 C0 2 cold gas and a proportion of snow particles, and so there is a mixture of cold gas and snow in the expansion volume 8, which leaves the expansion nozzle through the outlet opening 10 of the outer tube 9 and onto the workpiece is directed.
  • Such an expansion nozzle is to be dimensioned according to the desired throughput.
  • a coolant nozzle of the type shown which is suitable for common flame spraying processes, has, for example, an inner diameter D (see FIG. 2) of 3 mm with respect to the outer tube 9 and thus - according to the length dimension to be maintained - a protruding length L of, for example, 15 mm.
  • Another size that is important in relation to the invention is the opening width of the slot nozzle of the inner tube. This is generally between 0.1 and 0.4 mm and advantageously. After opening the basic size of the expansion nozzle, ie after selecting the diameter for the inner or outer tube, this opening width is in the narrower sense decisive for the flow of C0 2 gas.

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Abstract

The invention relates to a process for coating a surface by means of a thermal spray method, in which a spray jet of hot carrier gas and molten material particles is directed at the surface in question and at the same time cooling is effected adjacent to the spray jet by means of a cooling jet which consists of substantial proportions of carbon dioxide and contains cold gas and snow particles. Hitherto, such a process was carried out based on liquid carbon dioxide, in order to ensure that a useful cooling jet with correspondingly high snow particle fractions is obtained. According to the invention, the carbon dioxide fraction in the cooling jet is obtained from gaseous carbon dioxide which is at a pressure of at least 45 bar, specifically by the carbon dioxide gas first being expanded, via a slit nozzle or another slit-like orifice, into an expansion volume which is disposed about said expansion slit and is largely enclosed with respect to the environment, and starting from this expansion volume and its outlet orifice the cooling jet is formed and is directed at the region to be cooled. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mittels einer thermischen Spritzmethode, beispielsweise dem Flamm-oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, dem Lichtbogen- oder Plasmaspritzen oder dem Detonationsspritzen, wobei ein Strahl aus heißem Transportgas und geschmolzenen Materialpartikeln auf die betreffende Oberfläche gerichtet wird und dabei benachbart zum Spritzstrahl mit einem zu wesentlichen Teilen aus Kohlendioxid bestehenden Kühlstrahl enthaltend Kaltgas und Schneepartikel gekühlt wird.The invention relates to a method for coating a surface by means of a thermal spraying method, for example flame or high-speed flame spraying, arc or plasma spraying or detonation spraying, a jet of hot transport gas and molten material particles being directed onto the surface in question and adjacent to the spray jet is cooled with a cooling jet consisting essentially of carbon dioxide containing cold gas and snow particles.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-PS 26 15 022 bekannt. Bei diesem wird reine Kohlensäure (C02) als Kühlmittel angewandt, wobei diese der den Kühlstrahl erzeugenden Düse in flüssigem Zustand zugeführt wird. Dabei bildet sich beim Austritt aus dieser ein Gemisch aus gasförmigem und festem C02, d.h. C02-Schneepartikeln, welches beim Auftreffen auf ein Werkstück eine besonders hohe und in Verbindung mit dem thermischen Auftragen von Schichten besonders vorteilhafte Kühlleistung erzielt. Würde bei der, in der DE-PS 26 15 022 gezeigten Weise, gasförmige statt flüssige Kohlensäure (C02) eingesetzt, so ergäbe sich eine erheblich verringerte Kühlwirkung, da der entstehende Kühlstrahl eine geringere Kälte und insbesondere einen erheblich niedrigeren Anteil an C02-Schneepartikeln aufweisen würde. Dies kommt erstens dadurch zustande, daß diejenige Kältemenge, die für den Phasenübergang flüssig gasförmig dem C02 zuzuführen ist, bei der reinen Gasexpansion nicht mehr vorhanden ist, und zum zweiten dadurch, daß bei der in der obengenannten DE-PS gezeigten Düse und anderen gängigen Runddüsen das C02 sofort nach dem Verlassen der Düse umgebende Luft ansaugt, folglich ein inniger Wärmeaustausch mit dieser stattfindet und sich in der Folge deutlich weniger Schnee als bei der Flüssig-C02- Expansion bildet. Dieser C02-Schnee trägt jedoch wesentlich zur bekannten Kühlwirkung bei und bildet quasi einen Latentkälte-Speicher, der das Werkstück unmittelbar kühlt. Die Folge wäre eine im Vergleich zum Verfahren gemäß der DE-PS erheblich verringerte Kühlwirkung auf einem beaufschlagten Werkstück.Such a method is known from DE-PS 26 15 022. In this, pure carbonic acid (C0 2 ) is used as a coolant, which is supplied to the nozzle generating the cooling jet in a liquid state. When it emerges from this, a mixture of gaseous and solid C0 2 , ie C0 2 snow particles is formed which, when striking a workpiece, achieves a particularly high cooling capacity which is particularly advantageous in connection with the thermal application of layers. If, in the manner shown in DE-PS 26 15 022, gaseous instead of liquid carbonic acid (C0 2 ) were used, this would result in a significantly reduced cooling effect, since the cooling jet produced is less cold and, in particular, has a significantly lower proportion of C0 2 - Would have snow particles. This is due firstly to the fact that the amount of cold that is to be supplied to the C0 2 in liquid gaseous form for the phase transition is no longer present in the pure gas expansion, and secondly to the fact that in the nozzle shown in the aforementioned DE-PS and other common ones Round nozzles suck in the air surrounding the C0 2 immediately after leaving the nozzle, consequently there is an intimate heat exchange with it and as a result significantly less snow forms than with the liquid C0 2 expansion. This C0 2 snow, however, contributes significantly to the known cooling effect and effectively forms a latent cold storage that cools the workpiece directly. The result would be a significantly reduced cooling effect on a loaded workpiece compared to the method according to DE-PS.

Gleiches gilt auch für die aus der EP-PS 0 263 469 bekannten Verfahren, bei denen ebenfalls ein aus Flüssig-C02 erzeugter, jedoch gemischter Kühlstrahl bestehend aus C02-Gas, C02-Schnee und weiteren Gasen, beispielsweise Helium und/oder Wasserstoff, zur Kühlung der thermisch gespritzten Oberflächen angewandt wird.The same also applies to the methods known from EP-PS 0 263 469, in which likewise a cooling jet produced from liquid C0 2 , but mixed, consisting of C0 2 gas, C0 2 snow and other gases, for example helium and / or Hydrogen is used to cool the thermally sprayed surfaces.

Die Anwendung flüssigen Kohlendioxids, wobei jeweils auf Umgebungstemperatur befindliches, unter dem Verflüssigungsdruck stehendes C02 angesprochen ist, bedeutet allerdings, daß eine spezielle Form der C02-Versorgung zu gewährleisten ist, nämlich eine solche, in der das Kohlendioxid aus den jeweiligen Speicherbehältern in der flüssigen Phase ausgebracht wird. Das heißt, daß das Kohlendioxid, das sich gemäß Standardspeicherung bei 20 ° C mit etwa 57 bar Druck in den zugehörigen Speicherbehältern befindet, aus diesen mittels Steigrohr oder auf andere spezielle Weise auszubringen ist, d.h. daß die Speicherbehälter mit einer Flüssigphasenentnahme versehen sein müssen.However, the use of liquid carbon dioxide, in which case the C0 2 is at ambient temperature and is under the condensing pressure, means that a special form of C0 2 supply must be guaranteed, namely one in which the carbon dioxide from the respective storage tanks in the liquid phase is applied. This means that the carbon dioxide, which is in standard storage at 20 ° C with about 57 bar pressure in the associated storage tanks, can be removed from them by means of a riser pipe or in some other special way, ie the storage tanks must be provided with a liquid phase extraction.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Anwendung von Kohlendioxid zu Kühlzwecken in Verbindung mit thermischen Spritzmethoden besteht darin, daß sich mit einem aus einer konventionellen Runddüse austretenden Kohlendioxidstrahl ein turbulenter, breit gefächerter Schnee-Gas-Mischstrahl ausbildet, der keine gezielte Einwirkung auf einen geeignet begrenzten Oberflächenbereich zuläßt. Bei der Anwendung eines solchen turbulenten und divergenten Kohlendioxidstrahls benachbart zu einem Spritzstrahl kann zudem eine nachteilige gegenseitige Beeinflussung des Spritzstrahls und des Kühlstrahls erfolgen.Another difficulty with the use of carbon dioxide for cooling purposes in connection with thermal spraying methods is that with a carbon dioxide jet emerging from a conventional round nozzle, a turbulent, widely diversified snow-gas mixing jet is formed which does not allow targeted action on a suitably limited surface area . When such a turbulent and divergent carbon dioxide jet is used adjacent to a spray jet, the spray jet and the cooling jet can also be adversely affected.

Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, ein thermisches Spritzverfahren mit C02-Kühlung anzugeben, das die beschriebenen Nachteile vermeidet oder beseitigt und insbesondere auch die Anwendung von gasförmigen Kohlendioxid ermöglicht.The object of the present invention was therefore to provide a thermal spraying method with CO 2 cooling which avoids or eliminates the disadvantages described and in particular also enables the use of gaseous carbon dioxide.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kohlendioxidanteil im Kühlstrahl aus gasförmigem, wenigstens unter 45 bar Druck stehendem Kohlendioxid gewonnen wird und zwar derart, daß das Kohlendioxidgas über eine enge Schlitzdüse oder eine sonstige schlitzartige Öffnung zunächst in ein um diesen Expansionsschlitz angeordnetes, weitgehend abgeschlossenes Expansionsvolumen hinein expandiert wird und ausgehend von diesem Expansionsvolumen und dessen Austrittsöffnung der Kühlstrahl gebildet und auf die zu kühlende Fläche gerichtet wird.This object is achieved in that the carbon dioxide content in the cooling jet is obtained from gaseous carbon dioxide which is at least under 45 bar pressure and in such a way that the carbon dioxide gas is initially largely closed via a narrow slot nozzle or other slot-like opening in a slot arranged around this expansion slot Expansion volume is expanded and starting from this expansion volume and its outlet opening, the cooling jet is formed and directed onto the surface to be cooled.

Aufgrund der Tatsache, daß erfindungsgemäß von gasförmigem und nicht flüssigem Kohlendioxid ausgegangen wird, kann zunächst jegliche Sonderausstattung der C02-Speicherbehälter entfallen. Eine geringfügige Einschränkung entsteht hierbei dadurch, daß der C02-Druck in diesen Behältern zur Durchführung der Erfindung nicht unter 45 bar abfallen darf,da die Kälte für den Kühlstrahl allein aus der Expansionsabkühlung des C02-Gases gewonnen wird und andererseits kein Beitrag aus der "latenten Kälte" des flüssigen Kohlendioxids mehr verfügbar ist. Aus diesem Grund ist unterhalb von Druckwerten von 45 bar, die bei ungünstigen Bedingungen - z.B. bei Lagerung der Speicherflaschen im Freien und tiefen Außentemperaturen - ohne weiteres auftreten können, die Kälteausbeute zu gering. Sind jedoch die Standarddruckwerte von ca. 57 bar, wie sie sich bei Raumtemperatur einstellen, verfügbar, so ergibt sich eine ausgezeichnete Funktion.Due to the fact that gaseous and non-liquid carbon dioxide is assumed according to the invention, any special equipment of the C0 2 storage containers can be dispensed with. A slight limitation arises from the fact that the C0 2 pressure in these containers for carrying out the invention must not drop below 45 bar, since the cold for the cooling jet is obtained solely from the expansion cooling of the C0 2 gas and, on the other hand, no contribution from the "latent cold" of liquid carbon dioxide is more available. For this reason, the cold yield is too low below pressure values of 45 bar, which can easily occur under unfavorable conditions - e.g. when the storage bottles are stored outdoors and at low outside temperatures. However, the standard pressure values of approx. 57 bar are as they occur at room temperature make available, so there is an excellent function.

Dabei ist vor allem die erfindungsgemäße Art der Entspannung des Kohlendioxidgases über eine Schlitzdüse oder dergleichen in ein abgeschlossenes Expansionsvolumen hinein für die Funktion und Effektivität der Erfindung wesentlich. Die Schlitzdüse mit ihrer länglichen und andererseits schmalen Querschnittsöffnung erzeugt nämlich einen Expansionsgasstrahl mit einer im Vergleich zu einem aus einer Runddüse stammenden Expansionsgasstrahl wesentlich vergrößerten Oberfläche. Diese vergrößerte Oberfläche resultiert in einer verstärkten Wechselwirkung des Expansionsgasstrahls mit seiner Umgebung, die - nach dem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung - von einem Expansionsvolumen gebildet wird, in dem sich im Betrieb fast ausschließlich bereits expandiertes, kaltes Kohlendioxidgas befindet. Wärmere Umgebungsluft besitzt also keinen unmittelbaren Zutritt zum expandierten Kohlendioxid. Daraus ergibt sich, daß zunächst nur wenig Wärme aus der Umgebung dem Kohlendioxid zufließen kann und deshalb im Expansionsvolumen - durch das dort quasi vorhandene Wärmedefizit - eine verstärkte Bildung von Kohlendioxid-Schneepartikeln stattfindet. Im Vergleich zu einer unabgeschirmten Expansion gasförmigen Kohlendioxids wird also ein deutlich erhöhter Anteil an Schneepartikeln erzeugt, welche vor allem den bei der Kühlung thermisch gespritzter Schichten erwünschten, starken Kühleffekt bewirken. Die im Expansionsraum entstandene Gas-Schnee-Mischung wird nun über den weiteren Verlauf des Expansionsvolumens zu einem Kühlstrahl ausgebildet und durch die Austrittsöffnung auf das Werkstück gelenkt. Mit einem auf diese Weise erzeugten Kühlstrahl ergibt sich eine effektive Kühlung des Werkstücks in seinem Ansströmbereich, wobei bei Bedarf dem Kühlstrahl noch weitere, die Kühlwirkung erhöhende Gase zugemischt werden können.Above all, the type of expansion of the carbon dioxide gas according to the invention via a slot nozzle or the like into a closed expansion volume is essential for the function and effectiveness of the invention. The slot nozzle with its elongated and, on the other hand, narrow cross-sectional opening namely generates an expansion gas jet with a surface which is substantially enlarged in comparison to an expansion gas jet originating from a round nozzle. This increased surface area results in an increased interaction of the expansion gas jet with its surroundings, which - according to the further essential feature of the invention - is formed by an expansion volume in which, during operation, cold carbon dioxide gas is almost exclusively already expanded. Warmer ambient air therefore has no direct access to the expanded carbon dioxide. This means that initially only a little heat can flow from the environment to the carbon dioxide and therefore an increased formation of carbon dioxide snow particles takes place in the expansion volume - due to the heat deficit there. Compared to an unshielded expansion of gaseous carbon dioxide, a significantly increased proportion of snow particles is generated, which primarily result in the strong cooling effect desired when cooling thermally sprayed layers. The gas-snow mixture created in the expansion space is then formed into a cooling jet over the further course of the expansion volume and directed onto the workpiece through the outlet opening. With a cooling jet generated in this way, there is effective cooling of the workpiece in its inflow region, and if necessary, other gases which increase the cooling effect can be added to the cooling jet.

Grundsätzlich ist hinsichtlich der vorgeschlagenen Expansionsweise darauf hinzuweisen, daß diese bereits aus einem anderen technischen Fachgebiet, nämlich der Medizintechnik bekannt ist. Beispielsweise zeigt die DE-PS 36 24 787 eine Kühl-und Gefriersonde zum lokalen Abkühlen von menschlichen oder tierischen Körperbereichen und - in einem Nebenaspekt - auch von elektronischen Bauteilen, die auf dem beschriebene Prinzip beruht, wobei jedoch die Kühlung des jeweiligen Bereichs aus unmittelbarer Nähe erfolgt und kein weitreichender Kühlgasstrahl, sondern ein geeignet geführter Kühlgasstrom gebildet wird. Die Übertragung, Anpassung und abgewandelte Anwendung gemäß der vorliegenden Erfindung liegt jedoch nicht nahe.With regard to the proposed mode of expansion, it should be pointed out that it is already known from another technical field, namely medical technology. For example, DE-PS 36 24 787 shows a cooling and freezing probe for local cooling of human or animal body areas and - in a secondary aspect - also of electronic components, which is based on the principle described, but the cooling of the respective area from close proximity takes place and no long-range cooling gas jet, but a suitably guided cooling gas flow is formed. However, the transfer, adaptation and modified application according to the present invention is not obvious.

Bevorzugte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind nun in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben.Preferred embodiments of the present invention are now specified in subclaims 2 to 5.

Dabei ist zu bemerken, daß ein nachfolgend und/oder vorausgehend zum Spritzstrahl geführter Kühlstrahl vor allem temperaturempfindliches Spritzmaterial oder hitzeempfindliche Werkstücke insgesamt vor Überhitzung schützt. Mit in der beschriebenen Weise gekühlten thermischen Spritzvorgängen ist allerdings generell eine Leistungssteigerung gegenüber ungekühlten Spritzvorgängen möglich.It should be noted that a subsequent and / or previous cooling jet leading to the spray jet primarily protects temperature-sensitive spray material or heat-sensitive workpieces from overheating. With thermal spray processes cooled in the manner described, however, an increase in performance is generally possible compared to uncooled spray processes.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird schließlich in vorteilhafter Weise mit einer Expansionsdüse durchgeführt, welche ein an eine C02-Gasquelle anschließbares Innenrohr 6 mit abschließender Schlitzdüse besitzt, sowie ein das Innenrohr am Schlitzdüsenende umhüllendes, deutlich darüber hinaus ragendes und das Expansionsvolumen bildendes Außenrohr 9 aufweist. Bei dieser Expansionsdüse wird hinsichtlich des mit dem Außenrohr gebildeten, zylinderförmigen Expansionsvolumens ein Durchmesser zu Längenverhältnis von 1 zu 3 bis 1 zu 10, vorzugsweise 1 zu 5, eingehalten.The method according to the invention is finally carried out in an advantageous manner with an expansion nozzle which has an inner tube 6 with a closing slot nozzle which can be connected to a CO 2 gas source, and an outer tube 9 which envelops the inner tube at the end of the slot nozzle and projects significantly beyond it and forms the expansion volume. With this expansion nozzle, a diameter to length ratio of 1 to 3 to 1 to 10, preferably 1 to 5, is maintained with regard to the cylindrical expansion volume formed with the outer tube.

Mit der erfindungsgemäßen Expansionsdüse wird im Verfahrensbetrieb mit Vorteil ein Abstand zum Werkstück von wenigstens ca. 3 cm eingehalten, um eine günstige Verfahrensfunktion zu erhalten.With the expansion nozzle according to the invention, a distance from the workpiece of at least approximately 3 cm is advantageously maintained in process operation in order to obtain a favorable process function.

Prinzipiell besteht mit dem erfindungsgemäßen Kühlstrahlen auch die Möglichkeit, aus dem Spritzbereich zurückprallende Spritzpartikel vom Werkstück weg zu befördern und so Beschichtungfehler zu vermeiden.In principle, with the cooling jets according to the invention there is also the possibility of conveying spray particles rebounding from the spray area away from the workpiece and thus avoiding coating errors.

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine entsprechende Expansionsdüse beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:

  • Figur 1 einen autogenen Flammspritzvorgang in schematischer Darstellung;
  • Figur 2 eine erfindungsgemäße C02-Expansionsdüse in Seitenansicht im Schnitt;
  • Figur 3 eine erfindungsgemäße C02-Expansionsdüse in Vorderansicht;
The method according to the invention and a corresponding expansion nozzle are explained in more detail by way of example below with reference to the drawings. It shows:
  • Figure 1 shows an autogenous flame spraying process in a schematic representation;
  • Figure 2 shows a C0 2 expansion nozzle according to the invention in side view in section;
  • Figure 3 shows a C0 2 expansion nozzle according to the invention in front view;

Zunächst sei von einer standardgemäßen C02-Versorgung ausgegangen, d.h. z.B. von einem unter Umgebungstemperatur stehenden Mittel- oder Hochdrucktank für C02. Dieser enthält im Normalfall im Gleichgewicht sowohl flüssiges als auch gasförmiges C02 mit einem Druck von ca. 57 bar. Das unter diesem Druck stehende Kohlendioxidgas wird nun gemäß der Erfindung über eine sehr enge, schlitzartige, in ihrer Längsausdehnung im Bereich einiger Millimeter liegende Düse in ein abgegrenztes Expansionsvolumen hinein entspannt. Auf diese Weise entsteht ausgangsseitig des z.B. durch ein Röhrchen gebildeten Expansionsvolumens ein relativ eng begrenzter und wenig turbulenter Strahl aus kaltem C02-Gas und Schnee, der sich insbesondere für die Kühlung bei thermischen Spritzvorgängen ausgezeichnet eignet.First of all, a standard C02 supply is assumed, that is, for example, a medium or high-pressure tank for C02 that is at ambient temperature. Normally, this contains both liquid and gaseous CO 2 at a pressure of approx. 57 bar in equilibrium. According to the invention, the carbon dioxide gas under this pressure is then expanded into a limited expansion volume via a very narrow, slit-like nozzle with a longitudinal extension of a few millimeters. In this way, the expansion volume formed, for example, by a tube is produced on the output side a relatively narrow and less turbulent jet of cold C02 gas and snow, which is particularly suitable for cooling during thermal spraying processes.

Durch weitere Versuche hat die Anmelderin festgestellt, daß eine noch höhere und vorteilhaftere Kühlwirkung des wie geschildert gebildeten Kühlstrahls dadurch erhalten werden kann, daß von einem Kohlendioxidgas mit mehr als 65 bar Druck, vorzugsweise 70 bis 80 bar, ausgegangen wird. Dazu sind jedoch besondere Vorkehrungen zu treffen, da - wie oben beschrieben - C02 in Standardspeichern nur mit etwa 57 bar zur Verfügung steht. Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen, daß die besagten höheren Drucke durch Aufheizen des Gasspeichers samt Inhalt und somit durch Erzeugen eines höheren Dampfdrucks des flüssigen C02's hergestellt werden oder daß die Druckerhöhung durch eine dem Speicher nachgeschaltete Pumpe erzeugt wird. Besonders vorteilhaft wird ein Speicherbehälter z.B. dadurch beheizt, daß ein elektrischer Heizleiter in diesem angeordnet wird. Mit Heizleitern ausgestattete Behälter sind im übrigen verfügbar, da bei der Bereitstellung großer C02-Gasmengen in den zugehörigen Speicherbehältern solche Heizeinrichtungen ohnehin vorgesehen sind. Dieser Umstand kommt also der "Hochdruckvariante" der Erfindung entgegen und ein entsprechend ausgerüsteter Speichertank mit z.B. drucksensitiver Heizungsregelung kann die besagten Drucke über 65 bar problemlos liefern. In jedem Falle jedoch, wird mit dieser Verfahrensvariante ein besonders effektiver Kühlstrahl ausgebildet, dessen Wirkung in dem relativ hohen Schneeanteil im Strahl begründet liegt.Through further tests, the applicant has determined that an even higher and more advantageous cooling effect of the cooling jet formed as described can be obtained by starting from a carbon dioxide gas with a pressure of more than 65 bar, preferably 70 to 80 bar. However, special precautions must be taken, as - as described above - C0 2 is only available in standard storage tanks at around 57 bar. According to the invention it is proposed to solve this problem that said higher pressures are produced by heating the gas storage device together with its contents and thus by generating a higher vapor pressure of the liquid CO 2 or that the pressure increase is generated by a pump connected downstream of the storage device. A storage container is particularly advantageously heated, for example, by arranging an electrical heating conductor in it. Containers equipped with heating conductors are also available since such heating devices are provided in any case when large quantities of CO 2 gas are provided in the associated storage containers. This circumstance therefore accommodates the "high-pressure variant" of the invention, and a suitably equipped storage tank with, for example, pressure-sensitive heating control can supply said pressures above 65 bar without any problems. In any case, however, a particularly effective cooling jet is formed with this method variant, the effect of which lies in the relatively high proportion of snow in the jet.

Figur 1 zeigt nun einen thermischen Spritzvorgang,beispielsweise einen mit Brenngas und Transportgas betriebenen Flammspritz- oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzvorgang. Gezeigt ist eine Spritzdüse 1, sowie eine Expansionsdüse 2 und ein Werkstück 3. Zum Auftrag der Oberflächenschicht wird das gezeigte Werkstück, nämlich eine Welle 3, gemäß Pfeil 4 in Rotation versetzt und der Spritzstrahl der Spritzdüse 1 etwa senkrecht auf deren Oberfläche gerichtet. Beispielsweise kann eine verschleißfeste, Wolframcarbide enthaltende Schicht aufgetragen werden, wobei die Flammspritzdüse 1 sowie die Kühlmitteldüse 2 gekoppelt, parallel ausgerichtet und gemäß Pfeil 5 entlang einer Parallele zur Werkstückoberfläche vorgeschoben werden. Die Expansionsdüse folgt der Spritzdüse in gleichbleibendem Abstand von ca. 5 bis 15 cm (Abstand bezüglich der beiden Düsenachsen). Es ist zu erkennen, daß die neu aufgebrachten Schichtbereiche nach Verlassen des Sritzbereichs unter den Einfluß des von der Expansionsdüse 2 ausgehenden Kühlmittelstrahls 2' gelangen und somit dieser Oberflächenbereich mit frisch aufgetragener Beschichtung abgekühlt und zudem auch die Ausbreitung der Wärme von der Spritzzone weg in bereits beschichtete Werkstückbereiche verhindert wird. Als Kühlmittel kommen hierbei insbesondere reines Kohlendioxid oder - bei Notwendigkeit einer besonders hohen Kühlleistung - auch Mischungen von Kohlendioxid zusammen mit Helium und/oder Wasserstoff gemäß EP-PS 0 263 469 zur Anwendung, wobei die Zumischgase mit Vorzug erst unmittelbar im Auftreffbereich des Kühlmittelstrahls 2'auf dem Werkstück zugemischt werden.FIG. 1 now shows a thermal spraying process, for example a flame spraying or high-speed flame spraying process operated with fuel gas and transport gas. Shown is a spray nozzle 1, as well as an expansion nozzle 2 and a workpiece 3. To apply the surface layer, the workpiece shown, namely a shaft 3, is rotated according to arrow 4 and the spray jet of the spray nozzle 1 is directed approximately perpendicularly onto its surface. For example, a wear-resistant layer containing tungsten carbide can be applied, the flame spray nozzle 1 and the coolant nozzle 2 being coupled, aligned in parallel and advanced according to arrow 5 along a parallel to the workpiece surface. The expansion nozzle follows the spray nozzle at a constant distance of approx. 5 to 15 cm (distance with respect to the two nozzle axes). It can be seen that the newly applied layer areas, after leaving the spray area, come under the influence of the coolant jet 2 'emanating from the expansion nozzle 2 and thus this surface area is cooled with a freshly applied coating and also the spread of the heat away from the spray zone into the already coated area Workpiece areas is prevented. The coolant used here is, in particular, pure carbon dioxide or - if a particularly high cooling capacity is required - also mixtures of carbon dioxide together with helium and / or hydrogen according to EP-PS 0 263 469, the admixing gases preferably only directly in the impingement area of the coolant jet 2 ' be mixed on the workpiece.

In Figur 2 ist eine der möglichen Expansionsdüsen für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Schnitt gezeigt. Diese setzt sich zusammen aus einem Innenrohr 6 mit abschließender Schlitzdüse 7, sowie einem das Innenrohr endseitig umhüllenden, das Expansionsvolumen 8 bildenden Außenrohr 9, das an seinem der Expansionsdüse 7 abgewandten Ende offen ist.FIG. 2 shows one of the possible expansion nozzles for carrying out the method according to the invention in section. This is composed of an inner tube 6 with a closing slot nozzle 7, as well as an outer tube 9 enveloping the inner tube at the end, forming the expansion volume 8, which is open at its end facing away from the expansion nozzle 7.

Die Figur 3 zeigt hierzu eine Vorderansicht der in Figur 2 gezeigten Expansionsdüse ebenfalls in einer Schnittansicht gemäß der Schnittlinie S in Figur 2. Erfindungsgemäß wird nun dieser Düse und insbesondere dem darin befindlichen Innenrohr 6 gasförmiges Kohlendioxid mit vorzugsweise mehr als 65 bar Druck zugeführt und in den Expansionskanal 8 hinein entspannt. Beim Entspannungsprozeß entstehen insbesondere aufgrund einer Unterdruckbildung hinter der Schlitzdüse 7 C02-Kaltgas und anteilig Schneepartikel, und es ergibt sich so im Expansionsvolumen 8 ein Gemisch aus kaltem Gas und Schnee, das durch die Austrittsöffnung 10 des Außenrohres 9 die Expansionsdüse verläßt und auf das Werkstück gelenkt wird.3 shows a front view of the expansion nozzle shown in FIG. 2, likewise in a sectional view along the section line S in FIG. 2. According to the invention, gaseous carbon dioxide with a pressure of preferably more than 65 bar is now supplied to this nozzle and in particular the inner tube 6 therein and into the Expansion channel 8 relaxed into it. In the relaxation process arise in particular due to the formation of a vacuum behind the slot nozzle 7 C0 2 cold gas and a proportion of snow particles, and so there is a mixture of cold gas and snow in the expansion volume 8, which leaves the expansion nozzle through the outlet opening 10 of the outer tube 9 and onto the workpiece is directed.

Eine solche Expansionsdüse ist je nach gewünschtem Mengendurchsatz zu dimensionieren. Eine für gängige Flammspritzvorgänge geeignete Kühlmitteldüse der gezeigten Art weist z.B. einen Innendurchmesser D (siehe Figur 2) bezüglich des Außenrohres 9 von 3 mm und somit - gemäß der einzuhaltenden Längendimensionierung - eine überstehende Länge L von z.B. 15 mm auf. Eine weitere, erfindungsbezogen wichtige Größe stellt die Öffnungsweite der Schlitzdüse des Innenrohres dar. Diese beträgt im Regelfall und mit Vorteil zwischen 0,1 und 0,4 mm. Diese Öffnungsweite ist nach Auswahl der Grundgröße der Expansionsdüse, d.h. nach Auswahl des Durchmessers für das Innen- bzw.das Außenrohr, im engeren Sinne bestimmend für den Durchfluß an C02-Gas.Such an expansion nozzle is to be dimensioned according to the desired throughput. A coolant nozzle of the type shown, which is suitable for common flame spraying processes, has, for example, an inner diameter D (see FIG. 2) of 3 mm with respect to the outer tube 9 and thus - according to the length dimension to be maintained - a protruding length L of, for example, 15 mm. Another size that is important in relation to the invention is the opening width of the slot nozzle of the inner tube. This is generally between 0.1 and 0.4 mm and advantageously. After opening the basic size of the expansion nozzle, ie after selecting the diameter for the inner or outer tube, this opening width is in the narrower sense decisive for the flow of C0 2 gas.

Mit der gezeigten Expansionsdüse und der dargestellten Erzeugung eines Kohlendioxid-Kühlstrahles aus gasförmigem Kohlendioxid wird also eine vorteilhafte Möglichkeit zum Kühlen bei thermischen Spritzmethoden zur Verfügung gestellt, wobei die wesentlichen Elemente in der Expansionsweise des C02's und der zugehörigen Expansionsdüse zu finden sind.With the expansion nozzle shown and the generation of a carbon dioxide cooling jet from gaseous carbon dioxide shown, an advantageous possibility for cooling in thermal spraying methods is thus made available, the essential elements being found in the mode of expansion of the CO 2 and the associated expansion nozzle.

Claims (12)

1. Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mittels einer thermischen Spritzmethode, wobei ein Spritzstrahl aus heißem Transportgas und geschmolzenem Materialparikeln auf die betreffende Oberfläche gerichtet wird und dabei benachbart zum Spritzstrahl mit einem zu wesentlichen Teilen aus Kohlendioxid bestehenden Kühlstrahl enthaltend Kaltgas und Schneepartikel gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlendioxidanteil im Kühlstrahl aus gasförmigem, wenigstens unter 45 bar Druck stehendem Kohlendioxid gewonnen wird und zwar derart, daß das Kohlendioxidgas über eine Schlitzdüse oder eine sonstige schlitzartige Öffnung zunächst in ein um diesen Expansionsschlitz angeordnetes, weitgehend gegen die Umgebung abgeschlossenes Expansionsvolumen hinein expandiert wird und ausgehend von diesem Expansionsvolumen und dessen Austrittsöffnung der Kühlstrahl gebildet und auf den zu kühlenden Bereich gerichtet wird. 1. A method for coating a surface by means of a thermal spraying method, a spray jet of hot transport gas and molten material particles being directed onto the surface in question and being cooled adjacent to the spray jet with a cooling jet comprising cold gas and snow particles consisting essentially of carbon dioxide, characterized in that , that the proportion of carbon dioxide in the cooling jet is obtained from gaseous carbon dioxide which is at least under 45 bar pressure, in such a way that that the carbon dioxide gas is first expanded through a slot nozzle or other slot-like opening into an expansion volume arranged around this expansion slot and largely closed off from the environment and starting from this expansion volume and its outlet opening, the cooling jet is formed and directed onto the area to be cooled. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlendioxidanteil im Kühlstrahl aus gasförmigem, wenigstens unter 65 bar stehendem , vorzugsweise 70 bis 80 bar aufweisendem, Kohlendioxid gebildet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the carbon dioxide content in the cooling jet from gaseous, at least under 65 bar, preferably 70 to 80 bar, carbon dioxide is formed. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erhöhte Druckniveau des Kohlendioxids durch Zufuhr von Wärme zum zugehörigen Speicherbehälters bewirkt wird, wobei Temperaturen von 25 bis 35 °C, vorzugsweise von 30 bis 32 °C, erzeugt werden.3. The method according to claim 2, characterized in that the increased pressure level of the carbon dioxide is brought about by supplying heat to the associated storage container, temperatures from 25 to 35 ° C, preferably from 30 to 32 ° C, being generated. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Wärme zum Speicherbehälter mit einem im Speicherbehälter untergebrachten, elektrischen Heizleiter durchgeführt wird.4. The method according to claim 3, characterized in that the supply of heat to the storage container is carried out with an electrical heating conductor accommodated in the storage container. 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erhöhte Druckniveau mittels eines bzw. durch den Einsatz eines, dem Speicherbehälter nachgeschalteten Verdichters erzeugt wird.5. The method according to claim 2, characterized in that the increased pressure level is generated by means of or by the use of a compressor connected downstream of the storage tank. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kühlstrahl bildende Expansionsvolumen mit seiner Austrittsöffnung mit einem Abstand zum Werkstück von 2 bis 15 cm, vorzugsweise 3 bis 8 cm, geführt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the expansion volume forming the cooling jet is guided with its outlet opening at a distance from the workpiece of 2 to 15 cm, preferably 3 to 8 cm. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung mit dem Kühlstrahl in der Weise ausgeführt wird, daß der Kühlstrahl dem Spritzstrahl nachfolgend geführt wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the cooling with the cooling jet is carried out in such a way that the cooling jet is guided after the spray jet. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlstrahl dem Spritzstrahl vorauslaufend geführt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a cooling jet is guided ahead of the spray jet. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein Kühlstrahl vorgesehen wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that more than one cooling jet is provided. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, der Spritzstrahl von mehreren Kühlstrahlen oder von einem Kühlgashüllstrom nach allen Seiten hin umgeben wird.10. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the spray jet is surrounded by several cooling jets or by a cooling gas envelope flow on all sides. 11. Expansionsdüse zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ein an eine Kohlendioxidquelle anschließbares Innenrohr 6 mit abschließender Schlitzdüse 7, sowie ein das Innenrohr am Schlitzdüsenende umhüllendes, darüber hinaus ragendes und das Expansionsvolumen 8 bildendes Außenrohr 9, das an seinem der Schlitzdüse 7 abgewandten Ende eine Austrittsöffnung 10 besitzt.11. Expansion nozzle for carrying out the method according to one or more of claims 1 to 10, characterized by an inner tube 6 with a closing slot nozzle 7, which can be connected to a carbon dioxide source, as well as an outer tube 9 enveloping the inner tube at the end of the slot nozzle and projecting and forming the expansion volume 8, that has an outlet opening 10 at its end facing away from the slot nozzle 7. 12. Expansionsdüse nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet, daß hinsichtlich des mit dem Außenrohr gebildeten, zylinderförmigen Expansionsvolumens 8 ein Durchmesser zu Längenverhältnis von 1 zu 3 bis 1 zu 10, vorzugsweise etwa 1 zu 5, eingehalten ist.12. Expansion nozzle according to claim 10, characterized in that a diameter to length ratio of 1 to 3 to 1 to 10, preferably about 1 to 5, is maintained with respect to the cylindrical expansion volume 8 formed with the outer tube.
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