WO2001090435A1 - Werkstoff und verfahren zum herstellen einer korrosions- und verschleissfesten schicht durch thermisches spritzen - Google Patents

Werkstoff und verfahren zum herstellen einer korrosions- und verschleissfesten schicht durch thermisches spritzen Download PDF

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WO2001090435A1
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corrosion
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wear
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Erich Lugscheider
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    • 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
    • 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
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C23C4/11—Oxides

Definitions

  • the invention relates to a material and a method for producing a corrosion and wear-resistant layer on a substrate by thermal spraying.
  • Corrosion and wear protection layers are usually applied from powder mixtures of various types to surfaces to be protected in production or for maintenance.
  • thermal spray processes or vapor deposition processes such as CVD (chemical vapor deposition) or PVD (plasma vapor deposition) are mainly used.
  • CVD and PVD processes can be used to apply thin layers of corrosion and wear protection based on S oxide or hard material, particularly in mass production.
  • Electrochemical or galvanic processes are also used.
  • Thermal spraying mainly creates layers with a D layer thickness of more than 0.1 mm.
  • the corrosion and wear-resistant layers produced by thermal spraying are mostly metallic or oxidic layers in which hard materials are incorporated for improvement.
  • the layer material for producing the corrosion-resistant and wear-resistant layer has pure Fe 2 ⁇ 3.
  • a material with an addition of carbide / s or nitride / s or silicide / s or boride / s or oxide / s has proven to be cheap or a material whose additions are mixtures of metals, intermetallic compounds, carbides, nitrides, suicides , Borides and / or oxides.
  • the additions of up to 50% by weight, preferably up to 40% by weight, to the material can be, for example, Cr, CrNi or ferritic steels.
  • Carbides, nitrides, suicides, borides and oxides S have proven their worth as additives for hard materials.
  • the carbide formers such as tungsten, chromium molybdenum, niobium, tantalum, titanium, vanadium or the like are suitable.
  • the addition of the carbides should be limited to a maximum of 30% by weight, preferably 20% by weight. With borides and nitrides as additives at this level, improvements in properties are observed.
  • Oxidic additions of IG chromium oxide (Cr 2 03) in the order of 1 to 40% by weight - preferably 5 to 30% by weight - also show good results.
  • the powdery spray materials must have a grain size of 0.05 to 150 ⁇ m - preferably 0.1 to 120 ⁇ m - 15.
  • FülQ can be used to produce a cored wire from a metallic sheath and iron oxide powder.
  • thermal spray processes such as autogenous flame spraying, high-speed flame spraying (HVOF spraying), plasma spraying under air (APS), Shroud plasma spraying (SPS), vacuum spraying (LPPS), high-performance plasma spraying (HPPS), autogenous wire spraying or arc wire spraying.
  • HVOF spraying high-speed flame spraying
  • APS plasma spraying under air
  • SPS Shroud plasma spraying
  • LPPS vacuum spraying
  • HPPS high-performance plasma spraying
  • autogenous wire spraying or arc wire spraying such as autogenous wire spraying or arc wire spraying.
  • the online control and control is carried out using a combination of different methods that allow the temperature of the particle or the degree of melting, the particle size, the speed, the impact of the same on the substrate and the heating of the layer and the substrate during the Measure spraying process.
  • the measurement signals are then the Computer fed to a control system for the spraying system and the flame parameters and the performance adjusted to the values.
  • the inventor has therefore determined that it is possible to create a coating which meets the above-mentioned requirements if an iron-based oxide is used as the material, which - depending on the corrosion or wear problem to be solved - is given metals , Hard materials or intermetallic compounds.
  • the material must be produced using a specific manufacturing process; According to the invention, a powder grain with good flow properties, produced from the powdery material mixture by spray drying, is proposed, as well as a separation-safe powder grain made from the powdery material mixture by means of an agglomeration process.
  • the spraying system is equipped with an online control system for monitoring in order to be able to produce layers with a high quality and constant properties by spraying.
  • the online control and control should advantageously measure the particle speed in the spray flame, for example by means of a laser Doppler anemometer using a beam emitted by a laser device, which is broken down into two partial beams by an optical transmitter.
  • the online temperature control monitors the particle temperature in the spray flame using a high-speed pyrometer. This is done, for example, using infrared thermography. It has also proven to be advantageous to measure the amount of gas, for example a quantity of plasma gas, using the online control.
  • ITG infrared thermography
  • HSP High Speed Pyrometry
  • Fig. 3 a scheme for infrared thermography (ITG);
  • HSP Pyrometry
  • LDA laser Doppler anemometer
  • Fig. 7 a sketch for particle shape measurement in flight
  • PTM Particle Temperature Measurement
  • Fig. 9 a sketch for measuring the particle temperature and speed.
  • thermal spray processes are used to apply wear and / or corrosion layers - such as autogenous flame spraying, high-speed flame spraying (HVOF), plasma spraying under air (APS), so-called Shroud plasma spraying (SPS), plasma spraying in a vacuum (LPPS), high-power plasma spraying (HPPS), autogenous or arc wire spraying - applicable.
  • the online control and control takes place by means of a combination of different processes, which allow the temperature of the particle or the degree of melting, the particle size, the speed, the impact of the same on the substrate as well as the heating of the layer and the substrate during the spraying process to eat.
  • the measurement signals are then fed to the computer of the control part of the thermal spray system in order to be able to adapt the flame parameters and the power to the measured values.
  • FIG. 1 An online control and monitoring system shown in FIG. 1 for the flame or the spray jet 10 of a spray gun or the like indicated at 12.
  • LDA - detector
  • FIG. 3 To measure the substrate temperature T s and coating temperature T c by means of infrared thermography, according to FIG. 3 there is a substrate 30 - to be provided with a coating 32 - in the recording area of an ITG camera 18.
  • a glass fiber cable 36 extends from the latter, leading to a at 42 indicated video PC card ⁇ 500 KHz - leads.
  • a computer 46 with a monitor 48 is connected to this, to which a temperature recording device 50 is assigned.
  • the coating 32 of the substrate 30 is connected to the HSP head 24, which has an AD converter 52 to a storage element 44 and monitor 48 - Computer 46 is connected.
  • the process of laser Doppler anemometry (LDA) can be used to optimize the spray parameters with little time and effort.
  • the modulation frequency of the scattered light signal 68 is proportional to the speed component of the particle perpendicular to the interference fringe system.
  • the frequency of the LDA scattered light signals is a measure of the local density of the particles in the plasma spray jet 10. By scanning the beam, a locally resolved measurement of relevant particle parameters is possible. Results such as speed distribution, trajectories and dwell times of the particles can be obtained from this.
  • PSD particle-shape imaging
  • the image recording system consists of a CCD camera 78 with an upstream micro-channel plate (MCP) image intensifier with a minimum exposure time of 5 ns.
  • MCP micro-channel plate
  • a non-reproduced travel unit additionally enables a plane to be scanned perpendicular to the spray jet 10, so that the distribution of the particles in the spray jet 10 can be determined precisely.
  • the temperature is determined using two-wavelength pyrometery at 995 ⁇ 25 ⁇ m and 787 + 25 ⁇ m.
  • the particles are treated as gray emitters so that knowledge of the exact emissivity is not necessary for the temperature measurement.
  • the system comprises imaging a two-slit mask 80 with 25 ⁇ m ⁇ 50 ⁇ m — on a measuring head 82 — at a focal point at a distance of approximately 90 mm with a high depth of field.
  • This creates a measurement volume which, according to the graphic representation in FIG. 10, is characterized by two visible and one shadow region in between.
  • the measuring volume is approximately 170 x 250 x 2000 ⁇ m 3 .
  • the natural radiation of individual particles that fly through this measurement volume is detected by two IR detectors recorded with two different wavelengths.
  • the two partial measurement volumes result in two temperature peaks in a row.
  • the time interval between the two peaks is a measure of the speed of the particle.
  • the principle corresponds to that of the light barrier.
  • the measurable particle size essentially depends on the temperature of the particles. It has a lower limit of approximately 10 ⁇ m and an upper limit of approximately 300 ⁇ m and is determined by the absolute energy radiated by the particle, which is proportional to the square of the diameter.
  • the measurable speed range is 30m / s - 1500 m / s.
  • FIG. 9 follows on from that in FIG. 1 and illustrates the measurement of the particle temperature and the speed by means of an HSP head 24.
  • a casting mold for the production of zinc casting should be provided with a layer that prevents caking on the mold.
  • an air plasma system with an output of 50 KW was used which is equipped with an online control.
  • the layer should have a layer thickness of 0.1 to 0.5 mm, a powder with the composition was used as the spray material

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht auf einem Substrat durch Flammspritzen, insbesondere durch Plasmaspritzen in der Luft oder im Vakuum, Hochleistungs-Plasmaspritzen (HPPS) oder Shroud-Plasmaspritzen (SPS), eines Werkstoffes auf Eisenoxidbasis, der aus reinem Fe2O3 besteht, und bei dem das Aufbringen der Schicht aus dem Werkstoff durch ein Online-Kontroll- und Steuersystem überwacht wird.

Description

Werkstoff und Verfahren zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht durch thermisches Spritzen
5 Die Erfindung betrifft einen Werkstoff und ein Verfahren zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht auf einem Substrat durch thermisches Spritzen.
Korrosions- und Verschleißschutzschichten werden üblicherweise aus Pulver- G gemischen verschiedener Art auf zu schützende Oberflächen in der Fabrikation oder zum Unterhalt aufgebracht. Dazu werden in der Hauptsache thermische Spritzverfahren oder Aufdampfverfahren wie CVD (chemical vapor depo- sition) oder PVD (plasma vapor deposition) eingesetzt. Mit den CVD- und PVD- Verfahren können dünne Korrosions- und Verschleißschutzschichten auf S Oxid- oder Hartstoffbasis, besonders in der Massenproduktion, aufgebracht werden. Zudem werden elektrochemische oder galvanische Verfahren eingesetzt.
Mittels des thermischen Spritzens werden in der Hauptsache Schichten einer D Schichtdicke von mehr als 0, 1 mm geschaffen. Bei den durch thermisches Spritzen hergestellten korrosions- und verschleissfesten Schichten handelt es sich zumeist um metallische oder oxidische Schichten, in die zur Verbesserung Hartstoffe eingelagert werden.
S Eines der größten Probleme bei den thermischen Spritzverfahren ist das Herstellen von Schichten konstanter Eigenschaften und Qualität. Aus diesem Grunde konnten die thermischen Spritzverfahren an Substraten oder Teilen mit hohen Qualitätsansprüchen in der Serienproduktion nur begrenzt Anwendung finden. D
Versuche mit Auswahl des Werkstoffes bezüglich seiner chemischen Zusammensetzung oder seiner Form — etwa zum einen des Drahtdurchmessers eines Fülldrahtes oder zum anderen der Korngrößenverteilung und der Kornform des Spritzpulvers — führten zu keiner ausreichenden Qualitätssteige- rung. Auch Änderungen an den Spritzanlagen verhalfen nicht zu einer besseren Qualität.
Es fanden Versuche statt, Verschleiß- und Korrosionsschutz durch thermisch S aufgespritzte Schichten aus Eisenoxid zu schaffen. Bei allen Versuchen dieser Art zeigte sich, dass die Qualität der jeweiligen Schicht in Hinblick auf den Schichtaufbau nur unter großem Aufwand einigermaßen gesichert zu werden vermochte.
Q In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, das Herstellen einer konstanten verschleiß- und korrosionsfesten Oberflächenbe- schichtung auf Oxidbasis auf dem Wege des thermischen Spritzens zu verbessern.
5 Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren der unabhängigen Patentansprüche; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/ oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. 0
Erfindungsgemäß weist der Schichtwerkstoff zum Herstellen der korrosions- und verschleissfesten Schicht reines Fe2θ3 auf.
Besonders vorteilhaft hat sich nämlich als Schichtwerkstoff reines Eisenoxid 5 Fe2θ3 mit und ohne metallische Werkstoffe und/ oder metallischen Verbindungen bewährt. Die unter Online-Kontrolle hergestellten Schichten zeigten gegenüber den bekannten Schichten eine wesentlich bessere Stabilität mit hervorragenden Eigenschaften.
Q Zudem hat sich ein Werkstoff mit einem Zusatz aus Karbid/ en oder Nitrid/ en oder Silizid/en oder Borid/en oder Oxid/en als günstig erwiesen oder ein Werkstoff, dessen Zusätze Mischungen aus Metallen, intermetallischen Verbindungen, Karbiden, Nitriden, Suiziden, Boriden und/ oder Oxiden sind. Die Zusätze von bis zu 50 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 40 Gew.-%, zum Werkstoff können etwa Cr, CrNi oder ferritische Stähle sein.
Bei den Hartstoffen haben sich die Karbide, Nitride, Suizide, Boride und Oxide S als Zusätze bewährt. Bei den Karbiden eignen sich die Karbidbildner wie Wolfram, Chrom Molybdän, Niob, Tantal, Titan, Vanadium od.dgl.. Der Zusatz der Karbide sollte auf höchstens 30 Gew.-% — vorzugsweise 20 Gew.-% — begrenzt werden. Bei den Boriden und Nitriden als Zusätze in dieser Höhe werden Verbesserungen der Eigenschaften festgestellt. Oxidische Zusätze von IG Chromoxid (Cr203) in einer Größenordnung von 1 bis 40 Gew.-% — vorzugsweise 5 bis 30 Gew.-% — zeigen ebenfalls gute Resultate.
Um eine hohe Qualität zu erreichen, müssen die pulverförmigen Spritzwerkstoffe eine Korngröße von 0,05 bis 150 μm — vorzugsweise 0, 1 bis 120 μm — 15 besitzen. Bei den Gemischen von verschiedenen pulverförmigen Werkstoffen empfiehlt es sich, zur Vermeidung einer Entmischung und zur Verbesserung des Fließverhaltens diese zu agglomerieren oder sprühzutrocknen.
Beim Einsatz drahtförmiger Spritzwerkstoffe mit hohem Eisenoxidanteil kann ΞQ im Rahmen der Erfindung aus einem metallischen Mantel und Eisenoxidpulver ein Fülldraht hergestellt werden.
Zum Aufbringen der Verschleiß- und/ oder Korrosionsschicht sind erfindungsgemäß alle thermischen Spritzverfahren wie das autogene Flammsprit- Ξ5 zen, das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF Spritzen), das Plasmaspritzen unter Luft (APS), das Shroud-Plasmaspritzen (SPS), das Vakkum- spritzen (LPPS), das Hochleistungs-Plasmaspritzen (HPPS), das autogene Drahtspritzen oder Lichtbogen-Drahtspritzen einsetzbar.
3G Die Online-Kontrolle und Steuerung erfolgt mit einer Kombination von verschiedenen Verfahren, die es erlauben, die Temperatur des Partikels bzw. den Aufschmelzgrad, die Partikelgröße, die Geschwindigkeit, das Auftreffen desselben auf das Substrat sowie die Erwärmung der Schicht und des Substrats während des Spritzvorgangs zu messen. Die Messsignale werden dann dem Computer einer Steueranlage für die Spritzanlage zugeleitet und die Flammenparameter sowie die Leistung den Werten angepasst.
Vom Erfinder wurde also festgestellt, dass es möglich ist, eine den oben er- 5 wähnten Anforderungen gerecht werdende Beschichtung zu schaffen, wenn als Werkstoff ein Oxid auf Eisenbasis verwendet wird, dem man — in Abhängigkeit von dem zu lösenden Korrosions- oder Verschleißproblem — Metalle, Hartstoffe oder intermetallische Verbindungen zusetzt. Der Werkstoff muss nach einem bestimmten Herstellungsverfahren erzeugt werden; erfindungs- Q gemäß wird ein aus dem pulverförmigen Werkstoffgemisch durch Sprühtrocknen hergestelltes Pulverkorn mit guten Fließeigenschaften vorgeschlagen sowie ein aus dem pulverförmigen Werkstoffgemisch mittels eines Agglomerationsverfahrens hergestelltes entmischungssicheres Pulverkorn.
5 Die Spritzanlage wird mit einem Online-Kontroll- bzw. Steuersystem zur Überwachung ausgerüstet, um Schichten mit einer hohen Qualität und gleichbleibenden Eigenschaften durch Aufspritzen herstellen zu können.
Dazu hat sich eine Online-Kontrolle und Steuerung mittels einer auf den G Spritzstrahl gerichteten ITG-Kamera, einen LDA-Detektor mit LDA- Laser sowie einen HSP-Kopf als günstig erwiesen oder eine Online-Kontrolle mittels einer auf den Spritzstrahl gerichteten ITG-Kamera und einen HSP-Kopf eines Messkörpers.
5 Gemessen werden soll durch die Online-Kontrolle und Steuerung günstigerweise die Partikelgeschwindigkeit in der Spritzflamme, etwa durch ein Laser- Doppler- Anemometer anhand eines von einem Lasergerät ausgeschickten Strahles, der durch eine Sendeoptik in zwei Teilstrahlen zerlegt wird.
D Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wird durch die Online-Kontrolle und Steuerung die Partikeltemperatur in der Spritzflamme mittels eines Hochgeschwindigkeits-Pyrometers beobachtet. Dies erfolgt etwa mittels Infra- rot-Thermogr aphie . Auch hat es sich als günstig erwiesen, durch die Online-Kontrolle und Steuerung die Gasmenge zu messen, etwa eine Plasmagasmenge.
Dank der Online-Kontrolle und Steuerung ist man auch in der Lage, eine ge- messene Strom- Spannungscharakteristik auszuwerten oder eine der Spritzflamme zugeführte Pulvermenge zu messen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt jeweils schematisch in
Fig. 1: ein Online-Steuer- und Kontroll- System für eine Plasmaanlage;
Fig. 2: eine Anlage zur Infrarot-Thermographie (ITG) und zur Hochgeschwindigkeits-Pyrometrie (HSP = High Speed Pyrometry) beim thermischen Spritzen;
Fig. 3: ein Schema zur Infrarot-Thermographie (ITG);
Fig. 4, 5: jeweils eine Anlage zur Hochgeschwindigkeits-
Pyrometrie (HSP);
Fig. 6: eine Ausgestaltung eines Laser-Doppler- Anemometer (LDA);
Fig. 7: eine Skizze zur Partikelform-Messung im Fluge
(PSI = Particle Shape Imaging);
Fig. 8: eine Partikeltemperatur-Messung im Fluge (PTM = Particle Temperature Measurement);
Fig. 9: eine Skizze zur Messung von Partikeltemperatur und -geschwindigkeit.
Zum Aufbringen von Verschleiss- und/ oder Korrosionsschichten sind alle thermischen Spritzverfahren — wie das autogene Flammspritzen, das Hochge- schwindigkeits-Flammspritzen (HVOF), das Plasmaspritzen unter Luft (APS), das sog. Shroud-Plasmaspritzen (SPS), Plasmaspritzen im Vakuum (LPPS), High-Power- Plasmaspritzen (HPPS), autogenes oder Lichtbogen-Drahtspritzen — einsetzbar. Die Online-Kontrolle und Steuerung erfolgt mittels einer Kombination aus verschiedenen Verfahren, die es erlauben, die Temperatur des Partikels bzw. den Aufschmelzgrad, die Partikelgröße, die Geschwindigkeit, den Aufprall dessselben auf dem Substrat sowie die Erwärmung der Schicht und des Substrats während des Spritzvorgangs zu messen. Die Messsignale werden dann dem Computer des Steuerungsteils der thermischen Spritzanlage zugeleitet, um die Flammenparameter und die Leistung den gemessenen Werten anpassen zu können.
Ein in Fig. 1 dargestelltes Online- Steuer- und Kontrollsystem für die Flamme bzw. den Spritzstrahl 10 einer bei 12 angedeuteten Spritzpistole od.dgl. Spritzvorrichtung 12 mit deren Brennerdüse 14 vorgeordneter Pulverzuführung 16 — weist über den Spritzstrahl 10 eine ITG-Kamera 18 — also eine In- frarot-Thermographie-Kamera — sowie ein Laser-Doppler-Anemometer (LDA - Detektor) 20 für einen unterhalb des Spritzstrahls 10 erkennbaren LDA- Laser 22 auf; neben diesem ist ein HSP-Kopf 24 — HSP = high speed pyrometry — zu erkennen, der mit einem spulenähnlichen Messkörper 26 verbunden ist.
Zum Messen von Substrattemperatur Ts und Beschichtungstemperatur Tc mittels der Infrarot-Thermographie liegt nach Fig. 3 ein — mit einer Beschichtung 32 zu versehendes — Substrat 30 im Aufnahmebereich einer ITG- Kamera 18. Von dieser geht ein Glasfaserkabel 36 aus, das zu einer bei 42 angedeuteten Video-PC-Karte ~ 500 KHz — führt. An diese ist ein Rechner 46 mit Monitor 48 angeschlossen, dem hier ein Temperaturaufnahmegerät 50 zugeordnet ist.
In Fig. 4 ist zum Messen der Kühlrate bzw. der Beschichtungstemperatur Tc mittels Hochgeschwindigkiets-Pyrometrie (HSP) der Beschichtung 32 des Substrates 30 der HSP-Kopf 24 zugeschaltet, der über einen AD-Konverter 52 an einen — Speicherelement 44 und Monitor 48 aufweisenden — Rechner 46 angeschlossen ist. Ein Hochgeschwindigkeitspyrometer mit HSP-Kopf 24, AD- Konverter 52 sowie mit einem Rechner 46, der ein Benutzermenue 54, ein Kontrollmenue 56 und Graphiksoftware 58 enthält, kann man Fig. 5 entnehmen. Mit dem Verfahren der sog. Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) kann bei geringem Zeit- und Arbeitsaufwand eine Optimierung der Spritzparameter erreicht werden. Bei der bevorzugten Zweistrahltechnik wird der Strahl 60 eines bei 62 angedeuteten Argon-Ionenlasers (λ = 514,5 nm, P = 150 mW) durch eine Sendeoptik 64 in zwei Teilstrahlen 60a, 60b gleicher Intensität zerlegt. Beide Teilstrahlen 60a, 60b werden in ein ortsfestes Meßvolumen 66 fokussiert. Sie schneiden sich dort unter einem definierten Winkel so, dass ein streifenförmig intensitätsmoduliertes Interferenzmuster entsteht. Ein Partikel des Spritzstrahls 10, das dieses Streifenmuster durchfliegt, erzeugt ein zeitlich peri- odisch veränderliches Streulichtsignal 68 für eine Empfangsoptik mit Photodetektor 70. Die Modulationsfrequenz des Streulichtsignals 68 ist proportional zur Geschwindigkeitskomponente des Teilchens senkrecht zum Interferenzstreifensystem. Die Häufigkeit der LDA- Streulichtsignale ist ein Maß für die lokale Dichte der Partikel im Plasmaspritzstrahl 10. Durch Abscannen des Strahls ist eine ortsaufgelöste Messung relevanter Partikelparameter möglich. Hieraus können Ergebnisse wie Geschwindigkeitsverteilung, Trajektorien und Verweilzeiten der Partikel gewonnen werden.
Da eine individuelle Bestimmung von Größe und Form eines Spritzpartikels mit LDA nicht durchführbar ist, wird gemäß Fig. 7 das Particle-Shape- Imaging (PSI) eingesetzt, ein bildgebendes Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung von Größe und Form einzelner Pulverpartikel in Plasmaspritzstrahlen 10. Das Messprinzip beruht auf einer telemikroskopischen Abbildung der Schatten der Partikel, die Messmethode weist als Vorteile eine hohe Licht- stärke im Vergleich zu Streulichtverfahren und gleichzeitig eine Reduktion auf die gewünschte Bildinformation auf. Ähnlich wie bei der Laser-Doppler-Anemometrie wird der Strahl 60 eines Nd-YAG Dauerstrichlasers 60a (λ = 532nm, P = 100 mW) an einem Strahlteiler 72 mit Spiegeln 74 in zwei gleichintensive Teilstrahlen 60a, 60b aufgespalten, die mittels der Spiegel 74 in der Gegen- standsebene E des Fernmikroskopieobjektivs eines Fernmikroskops 76 gekreuzt werden. Dessen Verwendung erlaubt die Einhaltung eines Sicherheitsabstands von 600 mm zum Messobjekt. Bei einem Abbildungsmaßstab 1 : 10 wird noch eine optische Auflösung von 2,7 μm erreicht. Das Bildaufnahmesystem besteht aus einer CCD-Kamera 78 mit einem vorgeschalteten Micro- Channel-Plate (MCP) -Bildverstärker einer minimalen Belichtungszeit von 5 ns. Die geometrische Abmessung des 512 x 512 Pixel CCD-Chips und der Tiefenschärf ebereich des Objektivs ergeben ein Messvolumen von 410 x 410 x 940 μm3.
Für den Fall, dass sich ein Partikel im Messvolumen exakt in der Gegenstandsebene E befindet, werden von beiden Strahlen 64, 64a Teilschatten generiert, die sich bei der Abbildung auf den CCD-Chip vollständig decken und damit einen Vollschatten bilden. Proportional zum Abstand der Partikel von der Gegenstandsebene E wandern die Teilschatten in der Bildebene ausein- ander und der Vollschattenbereich nimmt ab. Mit diesem Effekt kann die Lage eines Teilchens relativ zur Gegenstandsebene E bestimmt werden. Fläche und Kontur des Schattenbildes geben Aufschluss über Größe und Form des Teilchens. Das ebenfalls abgebildete LDA-Interferenzstreifenmuster liefert dabei den Größenmaßstab. Mit der minimalen Belichtungszeit der MCP-CCD- Kamera von 5 ns ergibt sich ein Wert von 500m/s als maximale Partikelgeschwindigkeit, bei der die Bewegungsunschärfe das optische Auflösungsvermögen nicht übersteigt.
Beim Verfahren der sog. In-flight-Partikeldiagnose — wozu auf Fig. 8 verwie- sen sei — kann man unabhängig vom Spritzverfahren je Sekunde bis zu 200 einzelne Partikel in jedem Punkt eines Spritzstrahls simultan auf ihre Ober- flächentemperatur, Geschwindigkeit und Größe hin vermessen. Eine nicht widergegebene Verfahreinheit ermöglicht zusätzlich das Abrastern einer Ebene senkrecht zum Spritzstrahl 10, so dass die Verteilung der Partikel im Spritzstrahl 10 genau ermittelt werden kann. Die Temperaturbestimmung erfolgt mittels Zweiwellenlängenpyrometerie bei 995 ± 25 μm und 787 + 25 μm. Die Partikel werden dabei als graue Strahler behandelt, so dass die Kenntnis des exakten Emissionsgrads für die Temperaturmessung nicht notwendig ist. Das System umfasst das Abbilden einer Zweischlitzmaske 80 mit 25 μm x 50 μm — an einem Messkopf 82 — in einem Brennpunkt in etwa 90 mm Abstand mit hoher Tiefenschärfe. So entsteht ein Messvolumen, das entsprechend der graphischen Darstellung über Fig. 10 durch zwei sichtbare und einen dazwischenliegenden Schattenbereich charakterisiert wird. Das Messvolumen beträgt etwa 170 x 250 x 2000 μm3. Die Eigenstrahlung einzelner Partikel, die dieses Messvolumen durchfliegen, wird über zwei IR-Detektoren mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen aufgenommen. Durch die zwei Teilmessvolumina entstehen zwei Temperaturspitzen in Folge. Der zeitliche Abstand der beiden Peaks ist ein Maß für die Geschwindigkeit des Partikels. Das Prinzip entspricht dem der Lichtschranke.
Diese Vorgehensweise ermöglicht die Bestimmung von Partikeloberflächentemperaturen zwischen 1.350°C und 4000°C. Die messbare Partikelgröße hängt im wesentlichen von der Temperatur der Partikel ab. Sie ist nach unten auf etwa 10 μm sowie nach oben auf etwa 300 μm begrenzt und wird durch die vom Partikel abgestrahlte absolute Energie bestimmt, die proportional zum Quadrat des Durchmessers ist. Der messbare Geschwindigkeitsbereich beträgt 30m/s - 1500 m/s.
Die Darstellung der Fig. 9 schließt an jene in Fig. 1 an und verdeutlicht das Messen der Partikeltemperatur und der Geschwindigkeit mittels eines HSP- Kopfes 24.
Die Vorgehensweise wird durch ein Anwendungsbeispiel weitergehend erörtert:
BEISPIEL 1:
Eine Gussform zum Herstellen von Zinkguss soll mit einer Schicht versehen werden, durch die ein Anbacken an der Form vermieden wird.
Auf der Form-Innenseite wurde eine mit einer Online-Kontrolle ausgerüsteten Luft-Plasmaanlage (APS) mit einer Leistung von 50 KW verwendet.
Die Schicht sollte eine Schichtstärke von 0, 1 bis 0,5 mm aufweisen, als Spritzwerkstoff wurde ein Pulver mit der Zusammensetzung
85 Gew.-% Fe203, 15 Gew.-% Cr203
verwendet.

Claims

PATENTA SPRÜCHE
Verfahren zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht auf einem Substrat durch Flammspritzen, insbesondere durch Plasmaspritzen in der Luft oder im Vakuum, Hochleistungs- Plasmaspritzen (HPPS) oder Shroud-Plasmaspritzen (SPS), eines Werkstoffes auf Eisenoxidbasis, der aus reinem Fe2θ3 besteht, und bei dem das Aufbringen der Schicht aus dem Werkstoff durch ein Online- Kontroll- und Steuersystem überwacht wird. 0
;. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein online-gesteuertes Drahtflammspritzverfahren oder ein online-gesteuertes Lichtbogendrahtspritzverfahren als Beschichtungsverfahren.
5 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine
Online-Kontrolle und Steuerung mittels einer auf den Spritzstrahl (10) gerichteten ITG-Kamera (18), einen LDA-Detektor (20) mit LDA- Laser (22) sowie einen HSP-Kopf (24) (Fig. 1).
Q 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Online-Kontrolle und Steuerung durch ein Erfassen der Partikelgeschwindigkeit in der Spritzflamme.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, gekennzeichnet 5 durch eine Online-Kontrolle und Steuerung mittels eines Erfassens der Partikelgeschwindigkeit in der Spritzflamme durch ein Laser- Doppler-Anemometer anhand eines von einem Lasergerät (62) ausgeschickten Strahles (60), der durch eine Sendeoptik (64) in zwei Teilstrahlen (60a, 60b) zerlegt wird (Fig. 6). 0
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Online-Kontrolle und Steuerung durch ein Erfassen der Partikeltemperatur in der Spritzflamme mittels eines Hochgeschwindigkeits-Pyro- meters. 5
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6, gekennzeichnet durch eine Online-Kontrolle und Steuerung, bei der die Partikeltemperatur in der Spritzflamme mittels Infrarot-Thermographie gemessen wird (Fig. 3).
5
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Online-Kontrolle und Steuerung, bei der die gemessene Gasmenge analysiert wird.
0 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 8, gekennzeichnet durch eine Online-Kontrolle und Steuerung, bei der eine gemessene Plasmagasmenge analysiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine 5 Online-Kontrolle und Steuerung, bei der eine gemessene Strom- Spannungscharakteristik ausgewertet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Online-Kontrolle und Steuerung, bei der eine der Spritzflamme zu- 0 geführte Pulvermenge gemessen wird.
12. Verfahren zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungsverfahren ein Online-gesteuertes Plas- 5 maspritzverfahren, das als Plasmagas Luft verwendet, angewendet wird.
13. Verfahren zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, G dass als Beschichtungsverfahren ein Online-gesteuertes, wasserstabilisiertes Plasmaspritzverfahren angewendet wird.
14. Werkstoff zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht auf einem Substrat mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass er aus reinem Eisenoxid Fe2θ3 besteht.
15. Werkstoff zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht auf einem Substrat mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Eisenoxid Fe2θ3 und wenigstens einem weiteren metallischen Werkstoff besteht.
16. Werkstoff zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht auf einem Substrat mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Eisenoxid Fe203 und wenigstens einer metallischen Verbindung besteht.
17. Werkstoff zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht auf einem Substrat mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch einen Zusatz aus Karbid/en oder Nitrid/ en oder Suizid/ en oder Borid/en oder Oxid/en.
18. Werkstoff zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht auf einem Substrat mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch den Zusatz einer Mischung aus Metallen, intermetallischen Verbindungen, Karbiden, Nitriden, Suiziden, Boriden und/oder Oxiden.
19. Werkstoff zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht auf einem Substrat mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 15, gekennzeichnet durch Eisenoxid Fe2θ3 und einen Zusatz von bis zu 50 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 40 Gew.-%
Cr, CrNi, oder einen ferritischen Stahl.
20. Werkstoff zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht auf einem Substrat mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Eisenoxid Fe203 und Karbiden von W, Cr, Mo, Ta, Ti, V besteht.
21. Werkstoff nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Eisenoxid Fe203 mit einem Zusatz von bis zu 30 Gew.-%, vorzugsweise bis zu 20 Gew.-%, Wolfram- und/ oder Chromkarbiden besteht.
22. Werkstoff zum Herstellen einer korrosions- und verschleissfesten Schicht auf einem Substrat mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder 17, gekennzeichnet durch eine Mischung aus Eisenoxid Fe2θ3 und Chromoxid.
23. Werkstoff nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch einen Anteil des Chromoxids zwischen 1 und 40 Gew.-% vorzugsweise zwischen 5 und 30 Gew.-% liegt.
24. Werkstoff nach einem der Ansprüche 14 bis 23, gekennzeichnet durch eine Korngrösse des pulverförmigen Spritzwerkstoffs von 0,05 bis
150 μm, vorzugsweise 0, 1 bis 120 μm.
25. Werkstoff nach einem der Ansprüche 14 bis 23, gekennzeichnet durch einen Fülldraht als drahtförmigen Spritzwerkstoff, dessen Füllung aus Magnetit und dessen Mantel aus einer Legierung besteht.
26. Werkstoff nach einem der Ansprüche 14 bis 25, gekennzeichnet durch ein aus dem pulverförmigen Werkstoffgemisch durch Sprühtrocknen hergestelltes Pulverkorn mit guten Fließeigenschaften.
27. Werkstoff nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch ein aus dem pulverförmigen Werkstoffgemisch mittels eines Agglomerationsverfahren hergestelltes entmischungssicheres Pulverkorn.
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