ANGERMANN, Gerhard (Bei der Linde 28, Selb, 95100, DE)
ZIMMERMANN, Stefan (Schweizerblick 27, Laufenburg, 79725, DE)
RICHTER, Peter (Goethestr. 24, Heldenstein, 84431, DE)
EILING, Aloys (Schmiedestr. 12, Bochum, 44866, DE)
ANGERMANN, Gerhard (Bei der Linde 28, Selb, 95100, DE)
ZIMMERMANN, Stefan (Schweizerblick 27, Laufenburg, 79725, DE)
RICHTER, Peter (Goethestr. 24, Heldenstein, 84431, DE)
Patentansprüche
1. Lavaidüse für das thermische Spritzen und das kinetische Spritzen, insbesondere für das Kaltgasspritzen, mit einem konvergenten und einem divergenten Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus Siliciumnitrid oder gesintertem Siliciumcarbid (SSiC) besteht
2. Lavaidüse nach Anspruch 1 für das thermische Spritzen und das kinetische Spritzen, insbesondere für das Kaltgasspritzen, mit einem konvergenten und einem divergenten Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des divergenten Abschnittes eine glockenförmige Kontur besitzt.
3. Düse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur so gestaltet ist, dass eine Parallelstrahldüse vorliegt.
4. Düse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtlänge der Düse zwischen 60 und 300 mm, vorzugsweise zwischen 100 und 200 mm liegt.
5. Düse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt im Düsenhals 1 mm 2 bis 25 mm 2 , 1 mm 2 bis 10 mm 2 oder 1 mm 2 bis 5 mm 2 beträgt. 6. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erweiterungsverhältnis zwischen 1 und 25 beträgt. 7. Düse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsmachzahl zwischen 1 und 5, vorzugsweise zwischen 2,5 und 4 liegt. 8. Düse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenkontur speziell auf die Prozessgase
Stickstoff, Luft oder Helium abgestimmt ist.
9. Düse nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Pulverrohr, welches im divergenten Abschnitt der Düse endet.
10. Düse nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, welche im Düseninneren eine Oberflächenrauhigkeit Ra nach DIN EN ISO 1302 von kleiner als 0,75 μm aufweist.
11. Durch Kaltgasspritzen hergestellte Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Düse eines der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt sind.
12. Schichten nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zu deren Herstellung Pulver der Körnung 5 bis 106 μm, vorzugsweise 5 bis 25 μm ,10 bis 38 μm oder 30 bis 70 μm verwendet wurde.
13. Vorrichtung für das thermische Spritzen und das kinetische Spritzen, insbesondere für das Kaitgasspritzen, dadurch gekennzeichnet, dass die
Vorrichtung eine Düse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Vorrichtung eine Gasheizung unmittelbar vor dem Düseneingang aufweist. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Gasheizung direkt an der Düse angebracht ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei in der Pulverzuführung eine separate Vorrichtung zur Puivererwärmung angebracht ist
17. Verfahren zur Herstellung einer Lavaldüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, enthaltend die Schritte
- Bereitstellen eines Presswerkzeugs zum isostatischen Pressen, welches die
Innenkontur der Lavaidüse ereugen kann; -isostatisches Pressen der keramischen Masse in dem Presswerkzeug, um einen ersten Rohling zu erhalten; -Brennen des Ersten Rohlings zur Entbinderung, um einen zweiten Rohling zu erhalten (Entbinderungsbrand);
-Brennen des zweiten Rohlings zur Sinterung bei einer geeigneten Temperatur um einen dritten Rohling zu erhalten (Sinterbrand), wobei die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte der Innenoberfläche der Lavaldüse erhalten wird; -Endbearbeitung des dritten Rohlings durch Rundschleifen der Außenkontur und am Anschlusskonus innen, und gegebenenfalls Nacharbeiten des Funktionsdurchmessers (Verengungsstelle) innen auf den geforderten Bohrungsdurchmesser.
18. Verfahren zur Hersteilung einer Lavaldüse nach Anspruch 17, wobei die Nacharbeitung des Funktionsdurchmessers (Verengungsstelle) innen durch
Honen erfolgt. |
Keramikdüse
Die Erfindung betrifft eine Lavaidüse für das thermische Spritzen und das kinetische Spritzen, insbesondere für das Kaltgasspritzen, aus dem Keramikmaterial Siüciumcarbid oder Siiiciumnitrid. Solche Düsen werden beim Kaltgasspritzen verwendet und dienen zur Herstellung von Beschichtungen oder Formteilen. Dazu werden pulverförmige Spritzpartikel in einen Gasstrahl, für welchen ein komprimiertes und erhitztes Gas über die Lavaidüse entspannt wird, mittels eines Pulverrohrs injiziert. Die Spritzpartikel werden bei Entspannung des Gasstrahls im divergenten Teil der Lavaidüse auf hohe Geschwindigkeiten oberhalb der
Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Die Spritzpartikel treffen dann auf das Substrat auf und verschweißen aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie zu einer äußerst dichten Schicht. Die Düse eignet sich aber neben dem Kaltgasspritzen auch für die anderen Verfahren des thermischen Spritzens, wie das Flammspritzen, Plasmaspritzen oder das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen mit inerten oder reaktiven Spritzkomponenten.
Es ist bekannt, auf Werkstoffe unterschiedlichster Art Beschichtungen mittels thermischen Spritzens aufzubringen. Bekannte Verfahren hierfür sind beispielsweise Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeits- Flammspritzen. In jüngerer Zeit wurde ein Verfahren entwickelt, das sog. Kaitgasspritzen, bei welchem die Spritzpartikel in einem "kalten" Gasstrahl auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Die Spritzpartikel werden als Pulver zugegeben, wobei das Pulver üblicherweise zumindest teilweise Partikel mit einer Größe von 1 μm bis 100 μm, insbesondere 1 μm bis 50 μm umfasst. Nach der Injektion der Spritzpartikei in den Gasstrahl wird das Gas in einer Düse entspannt, wobei Gas und Partikel auf Geschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Beim Aufprall mit hoher Geschwindigkeit bilden die Partikel, die in dem "kalten" Gasstrahl nicht schmelzen, eine dichte und fest haftende Schicht, wobei plastische Verformung und daraus resultierende lokale Wärmefreigabe für Kohäsion und Haftung der Spritzschicht auf dem Werkstück sorgen. Ein Aufheizen des Gasstrahls erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und somit auch die Partikeigeschwindigkeit Außerdem erwärmt es die Partikel und begünstigt dadurch deren plastische Verformung beim Aufprall. Die Gastemperatur kann bis zu 1100 0 C betragen, muss aber deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Beschichtungs-
Werkstoffs liegen, so dass ein Schmelzen der Partikel im Gasstrahl nicht stattfindet. Eine Oxidation und Phasenumwandiungen des Beschichtungswerkstoffes lassen sich somit weitgehend vermeiden.
Außerdem muss die Gastemperatur deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Materials der Lavaldüse liegen. Nachteilig ist hierbei, dass hochschmelzende Materialien wie beispielsweise Tantal, Niob, Wolfram oder Molybdän und bei niedrigen Temperaturen spröde Materialien wie beispielsweise einige Ni-, Co- oder Fe-Legierungen, wie beispielsweise unter den Markennamen Inconel ®, Steinte®, Hastelloy® oder Triballoy® vertriebene Legierungen, nicht auf die optimale Temperatur zum Spritzen gebracht werden können.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen sind in der europäischen Patentschrift EP 0484 533 B1 im Einzelnen beschrieben. Ais Düse wird dabei eine Lavaidüse genannt. Lavaldüsen bestehen aus einem konvergenten und einem sich in Stromrichtung daran anschliessenden divergenten Abschnitt. Charakterisiert sind Lavaldüsen durch die Kontur und die Länge des divergenten Abschnitts und des Weiteren durch das Verhältnis des Austrittquerschnitts zum engsten Querschnitt (= Expansionsverhältnis). Der engste Querschnitt der Lavaldüse heißt Düsenhais. Als Prozessgas werden Stickstoff, Helium, Wasserstoff, Argon, Luft oder deren Gemische verwendet. Meist kommt jedoch Stickstoff zur Anwendung, höhere Partikelgeschwindigkeiten werden mit Wasserstoff, Helium oder Heiium-Stickstoff- Gemischen erreicht.
Die dort beschriebene Düse hat die Form eines Doppelkegels mit einer Gesamtlänge von etwa 100 mm. Sie hat ein Expansionsverhältnis von etwa 9, daneben wird auch eine Variante mit einem Expansionsverhältnis von 6 verwendet. Die Länge des konvergenten Abschnittes beträgt etwa 1/3, die des divergenten Abschnittes 2/3 der Düsenlänge. Der Düsenhals hat einen Durchmesser von etwa 2,7 mm. Derzeit sind Vorrichtungen zum Kaltgasspritzen auf Drücke von etwa 1 MPa bis zu einem Maximaldruck von 5,0 MPa und Gastemperaturen bis zu etwa 1100 0 C 1 insbesondere 900 0 C ausgelegt, beispielsweise das System KINETlKS 4000 mit der Pistole ActiveJet von CGT. Das erhitzte Gas wird zusammen mit den Spritzpartikeln in der Lavaldüse entspannt. Während der Druck in der Lavaldüse abfällt, steigt die Gasgeschwindigkeit auf Werte bis zu 3000 m/s und die Partikelgeschwindigkeit auf Werte bis zu 2000 m/s. Aus der DE 101 26 100 A1 ist eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen bekannt. Die dort gezeigte Düse hat von der Injektordüse für das Pulver abgesehen im
divergenten Bereich der Ausführungen der Fig. 1 und Fig. 2c eine reine Kegeiform. Die Ausführung der Fig. 2a hat eine Zylinderform, die der Fig. 2b eine Krümmung nach außen. "Krümmung nach außen" heißt, dass die Linie der Begrenzung in Fig. 2b unten in Flussrichtung des Gases eine Krümmung nach rechts, also nach außen, aufweist. Die obere Begrenzungsiinie weist eine Krümmung nach links auf, also ebenfalls nach außen. Die Querschnittsflächen der Düse wachsen beim weiter nach außen Gehen also schneller als bei einem entsprechenden Kegel. Auf einem ganz anderen Gebiet der Technik, nämlich dem der Raketentriebwerke, werden als Schubdüsen ebenfalls Lavaidüsen verwendet Die dortigen Düsen haben ein wesentlich größeres Expansionsverhäitnis. Hier kommt es nur darauf an, das Gas (bzw. das Verbrennungsprodukt) auf möglichst kurzem Wege möglichst stark zu beschleunigen. Ein Problem der Raketendüsen ist dabei die Schubreduktion durch Strahidivergenz am Düsenaustritt. Dies wird in dem Lehrbuch "Gas Dynamics, Vol. 1", Seite 232 und 233, beschrieben. Aus diesem Grunde besitzen schuboptimierte Raketendüsen eine giockenförmige Kontur, die dafür sorgt, dass das Gas möglichst parallel strömend die Düse verlässt (= Parailelstrahldüse). Das Strömungsverhalten von Partikeln, die mit den Verbrennungsprodukten der Rakete die Düse verlassen, ist für die Optimierung der Düse von untergeordneter Bedeutung. Beim thermischen Spritzen und insbesondere beim Kaltgasspritzen hat dagegen das Verhalten der Partikel im Freistrahl hinter der Düse eine vorrangige Bedeutung. In DE10319481 wird eine Lavaidüse beschrieben, bei der der ganze divergierende Abschnitt oder zumindest ein Teil des divergierenden Abschnittes eine glockenförmige Kontur aufweist. Eine solche Düse, die vergleichbare Abmessungen wir die oben beschriebene Standarddüse bezüglich Düsenlänge, Längenverhältnis konvergenter zu divergentem Abschnitt, Expansionsverhältnis, Durchmesser des Düsenhalses usw. hat, jedoch erfindungsgemäß eine glockenförmige Kontur des divergenten Düsenabschnitts hat, zeigt ein wesentlich besseres Auftragsverhalten. In einem Vergleichstest zwischen einer Standarddüse und einer Düse mit Glockenform ergab sich bei Verwendung des gleichen Kupferpulvers mit Körnung 5 bis 25 μm und sonst gleichen Prozessparametern bezüglich Gasdruck, Gastemperatur, Gasfluss, Pulverförderrate, Spritzabstand etc. eine Steigerung des Auftragswirkungsgrades. Ais Auftragswirkungsgrad bezeichnet man die Menge des haften gebliebenen Pulvers zu der im gleichen Zeitraum gespritzten Pulvermenge je Flächeneinheit.
Die bekannten Lavaldüsen werden im Allgemeinen aus Werkzeugstahi mit üblichen Erosionsverfahren, wie beispielsweise Fräsen und Honen hergestellt. Auch aus einem WC/Co Hartmetall werden Lavaldüsen durch Sinterverfahren oder HIP erhalten. Nachteilig hierbei sind die mangelnde Temperaturbeständigkeit, da bei höheren Temperaturen Verzug durch die thermische Belastung eintritt, oder Wolframcarbid mit dem Kobalt des Bindermaterials bei Temperaturen ab 600 0 C reagiert und ab etwa 500 0 C Düsentemperatur an der Luft Oxidation eintritt. Grundsätzlich muss die Gastemperatur deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Materials der Lavaldüse liegen. Hierdurch können Pulver aus hochschmelzen- den Materialien wie beispielsweise Tantal, Niob, Wolfram oder Molybdän und spröde Nickel- Cobalt oder Eisenlegierungen wie z.B. Inconel ®, Stellite, Hasteiioy oder Triballoy, nicht ohne eine aufwendige Düsenkühlung auf die optimale Temperatur zum Spritzen gebracht werden. Durch die höhere Temperatur wird die Duktilität der verwendeten Metalle positiv beeinflusst. Außerdem werden durch eine erhöhte Temperatur höhere Partikelgeschwindigkeiten möglich, welche zu einer besseren Schichtqualität, höherer Dichte der Schichten und besserer mechanischer Festigkeit führen. Eine höhere Gastemperatur bewirkt eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Gases und einen geringeren Gasverbrauch, insgesamt also Kosteneinsparungen bei Pulver und Gas bei der Herstellung der Schichten. Resultierend unter Anderem aus den Adhäsionseigenschaften der zur Herstellung der Düse verwendeten metallhaltigen Materialien lagern sich die zur Beschichtung verwendeten Metallpulver teilweise auch auf der inneren Düsenoberfläche ab, was zur Beeinträchtigung des Strahls und sogar zur Verstopfung der Düse führen kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Pulverpartikel innerhalb oder außerhalb der Pistole zusätzlich erhitzt werden (z.B. wie im System KINETiKS 4000 mit der Pistole Active Jet von CGT oder in WO 2005/061116 beschrieben. Die Ablagerungen führen auch zu Fehlstellen in der Beschichtung, da sich größere Stücke ablagern und später durch den Gasstrom abgerissen und in die Beschichtung eingebracht werden können. Diese Ablagerungen können durch Strahldivergenzen hervorgerufen werden, die von Ungenauigkeiten bei der Herstellung der Düse oder Eigenschaften des verwendeten Pulvers herrühren, wie beispielsweise der Menge des vorhandenen Feinkorns oder der chemischen Identität. So zeigen beispielsweise Aluminium und typische Nickellegierungen wie z.B. Ni20Cr zum Beispiel eine sehr starke Neigung zu solchen Ablagerungen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düse für das thermische und das kinetische Spritzen aufzufinden, welche eine verbesserte Temperaturbeständigkeit und verbesserte Adhäsionseigenschaften gegenüber den verwendeten Spritzpulvern zeigen, so dass die Neigung der Partikel zur Ablagerung an der Düsenwand auch bei erhöhter Temperatur und vorgeheiztem Pulver verringert wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst von einer Lavaidüse, bestehend aus Siliciumnitrid oder gesintertem Siliciumcarbid (SSiC). Süicium-infiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC) ist weniger gut geeignet Geeignete Keramikmaterialien aus Siliciumnitrid oder gesintertem Siliciumcarbid (SSiC) besitzen im Allgemeinen Dichten von 3 bis 6 g/ cm 3 , vorteilhaft liegt die Dichte bei 3,05 bis 4 g/cm 3 . Der Weibullmodul ist vorteilhaft größer als 10. Die Bruchzähigkeit (gemessen nach der ICL-Methode) liegt bei 3 bis 10 MPaVm. Die Härte (HV 10) der gemäß der Erfindung geeigneten Keramikmaterialien liegt bei 12 bis 30 GPa, vorteilhaft bei 15 bis 25 GPa. Der Elastizitätsmodul (bei Raumtemperatur) geeigneter Keramikmaterialien aus Siliciumnitrid oder gesintertem Siliciumcarbid (SSiC) liegt bei 200 bis 400 GPa, vorteilhaft bei 300 bis 400 GPa. Die Wärmeleitfähigkeit (gemessen bei Raumtemperatur) liegt bei 2 bis 120 VWmK, vorteilhaft bei 20 bis 110 VWmK, insbesondere 90 bis 105 VWmK. Der Wärmeausdehnungskoeffizient (bei Raumtemperatur bis 1000 0 C) liegt bei weniger als 11 x10 ~6 K '1 , 3 bis 11 x10 ^δ K "1 , vorteilhaft 3 bis 5,5 x10 '6 K "1 , insbesondere bei 3, 4 bis 4,6 x10 "6 K "1 . Auch die Oberflächen be- schaffenheit des Düseninneren ist wesentlich, wobei vorteilhaft die Oberflächenrauhigkeit Ra einen Wert von kleiner 0,75 μm (meist 0,1 μm bis 0,75 μm) aufweist, besonders vorteilhaft von kleiner als 0,5 μm (meist 0,1 μm bis 0,5 μm), insbesondere zwischen 0,1 μm bis 0,43 μm oder von 0,1 μm bis 0,2 μm. Die Oberflächenrauhigkeit (auch als Oberflächengüte bezeichnet) und ihre Bestimmung sind in der Norm DIN EN ISO 1302 (früher DIN 3141) beschrieben.
Als Keramikmateriai wird ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siliciumnitrid oder gesintertem Siliciumcarbid (SSiC) eingesetzt, vorteilhaft ist gesintertes Siliciumcarbid (SSiC). Die Lavaidüse gemäß der Erfindung ist bei höheren Temperaturen einsetzbar als herkömmliche Lavaldüsen. Diese maximalen Einsatztemperaturen liegen bei bis zu 1600 0 C für gesintertes Siliciumcarbid. Die erhöhten Temperaturen lassen sich beim Kaltgasspritzen beispielsweise durch Anbringen einer zusätzlichen Gasheizung unmittelbar vor der Lavaidüse erreichen. Vorteilhaft ist diese Gasheizung an der Lavaidüse angebracht.
Die Düse gemäß der Erfindung wird hergestellt durch ein mehrstufiges Verfahren, enthaltend die Schritte
-Bereitstellen eines Presswerkzeugs zum isostatischen Pressen, welches die Innenkontur der Lavaldüse erzeugen kann; -isostatisches Pressen der keramischen Masse in dem Presswerkzeug, um einen ersten Rohling zu erhalten;
-Brennen des Ersten Rohlings zur Entbinderung, um einen zweiten Rohling zu erhalten (Entbinderungsbrand); -Brennen des zweiten Rohlings zur Sinterung bei einer geeigneten Temperatur um einen dritten Rohling zu erhalten (Sinterbrand), wobei die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte der Innenoberfläche der Lavaldüse erhalten wird; -Endbearbeitung des dritten Rohlings durch Rundschleifen der Außenkontur und am Anschlusskonus innen, und gegebenenfalls Nacharbeiten des Funktionsdurchmessers (Verengungsstelle) innen auf den geforderten Bohrungsdurchmesser. Vorteilhaft wird die Verengungsstelle innen durch Honen nachbearbeitet. Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung wird ein zweiteiliger Formkern verwendet, welche der innenform der Lavaldüse entspricht, wobei ein Teil des Formkerns der Innenform des konvergenten Teils und der zweite Teil des Formkerns die Innenform des divergenten Teils der Düse aufweist. Beide Teile stoßen am engsten Teil der Düsenform, also der Verengungssteile bzw. Funktionsdurchmesser, zusammen und bilden eine Nahtstelle, in Figur 1 ist ein solcher Formkern abgebildet, welcher einen ersten Teil (1) und eine zweiten Teil (2) aufweist, welche an der Nahtstelle (3) zusammenstoßen. In Figur 2 sind der erste Teil (1) und der zweite Teil (2) des Formkerns voneinander getrennt abgebildet. Durch die Nahtstelle kann bei der Hersteiiung durch isostatisches Pressen ein Grat im Inneren der Verengungsstelle auftreten, der durch mechanische Nachbearbeitung, beispielsweise durch Honen, beseitigt werden kann. Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung wird eine zweiteilige Form verwendet, welche der Innenform der Lavaidüse entspricht, wobei ein Teil der Form der Innenform des konvergenten Teils und der zweite Teil der Form die Innenform des divergenten Teils der Düse aufweist. Beide Teile stoßen am engsten Teil der Düsenform, also der Verengungsstelle bzw. Funktionsdurchmessers, zusammen. Durch die Nahtstelle kann bei der Herstellung ein Grat im Inneren der Verengungsstelle auftreten, der beispielsweise durch Honen beseitigt werden kann. Der Werkzeugaufbau zur Herstellung der Laval-Düse entspricht dem bekannten
Verfahren des isostatischen Fressens zur Herstellung von Hohlkörpern in Rohrform konzipiert. Das Presswerkzeug besteht im Grundaufbau aus einem Kern zur Formung der Innengeometrie und einem elastischen über statischen Druck bis 2000 bar verformbaren Außenhülle. Der Kern und die Außenhülle werden mit elastischen oder nicht verformbaren Distanzen zur Erzeugung einer Formhöhlung zentriert und fixiert, in die die zu verpressende keramische Masse als Pulver eingefüllt wird.
Die hierbei in axialer Richtung auftretende Längsverpressung wird durch ein Stützrohr und beidseitigen Distanzflanschen abgefangen, so dass nur ein radialer Druck bei der Verdichtung des Pulvers über die Außenhülle auf den Formkern einwirken kann. Dieser Presswerkzeugaufbau ist das allgemein bekannte Verfahren für das Isostatische Pressen.
Für den Formkern der Lavai- Kontur ist wegen der Verengungsstelle mit innerhalb des fertigen Bauteiles mit beidseitig konisch zu laufender Geometrie auf einen größeren Durchmesser, ein zweigeteilter Formkern für die Endformung erforderlich. Die beiden Formkerne mit ihrer Formhaltigkeit bezüglich der Laval-Kontur und deren Oberflächengüte bestimmen in Verbindung mit dem verpressten Keramikmaterial die geforderte glatte Oberfläche für das gepresste Rohteil und später auch das Fertigteil. Ais elastische und beim Pressvorgang dennoch stabile Außenhülle, ist diese aus PUR ausgeführt, um eine Biegebeanspruchung beim Pressvorgang auf die
Formkerne weitgehend zu vermeiden. Die in der Vorbemerkung bereits erwähnte Längsverpressung wird mit einem dickwandigen Stützrohr dosiert abgefangen, sodass beide Formkerne an der Trennstelle exakt, ohne sonst auftretende Knick- und Stauch- Beanspruchung, zentriert aneinander liegen. Die Außenhülle ist im Stützrohr exakt geführt um die entstehende Formhöhlung zentrisch zu den Formkernen zu bringen.
über zwei Decke! wird das gesamte Werkzeug-System mit Dichtringen versehen und durch Befestigungsschrauben verbunden. Von einer Seite wird die keramische Masse als Pulver im zusammen gebauten Zustand über Ausfräsungen eingefüllt Nach der Befüllung mit der keramischen Masse aus Siiiciumcarbid, vorteilhaft gesintertem Siiiciumcarbid, werden die Befüllöffnungen verschlossen und der Verschlussdeckel mit Dichtring versehen und Befestigungsschrauben verbunden. Eine Dichtheit des gesamten Werkzeug- Systems bei einem ISO- Statischen Druck von 1800 bis 2000 bar muss bei jedem Pressvorgang gewährleistet werden, um keine durch Wassereinbruch beschädigten Rohteile der Laval- Düse zu erhalten.
Nach erfolgtem isostatischem Pressvorgang wird der Werkzeugaufbau in umgekehrter Reihenfolge demontiert.
Der kurze, in sich vorzugsweise nochmals geteilte, Formkern 2 wird jedoch sofort nach der öffnung des Verschiussdeckels herausgezogen, um bei der Endformung des Rohteiles die Laval-Innenkontur an der Oberfläche nicht zu schädigen.
Das Rohteii der Laval-Düse ist in allen Abmessungen je nach eingesetztem Werkstoff um den entsprechenden Schwindfaktor größer, dieser liegt z.B. bei Verwendung von gesintertem Siliciumcarbid (SSiC) bei ca. 1 ,22.
Die Maßhaltigkeit der Laval- Innenkontur wird erst durch den Sinter- Prozess erreicht. Die genauen Sinterbedingungen hängen von dem verwendeten Keramikmateriai ab und sind dem Fachmann bekannt.
Als keramische Massen werden solche auf Basis von Siliciumnitrid oder gesintertem Siliciumcarbid (SSiC) eingesetzt, welches beispielsweise kommerziell von der Firma H. C. Starck Ceramics GmbH (Selb) erhalten werden kann. Die keramische Masse kann neben dem Keramikmaterial, also dem Siliciumcarbid oder -nitrid, Sinterhilfsstoffe und organische Binder enthalten.
Als weitere Vorteile der Düse gemäß der Erfindung kann eine hohe Abriebfestigkeit genannt werden, wodurch die gute Oberfiächenquaütät lange erhalten bleibt.
Die Form der Düse gemäß der Erfindung entspricht den bisher bekannten Düsenformen, die aus EP 0484 533 B1 , DE 101 26 100 A1 oder DE10319481 bekannt sind. Hierbei ist letztere Form bevorzugt. In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist ein Pufverrohr in der Düse vorgesehen, weiches der Zufuhr der Spritzpartikel dient und im divergenten Abschnitt der Düse endet. Solche Pulverrohre und Düsengeometrien sind beispielsweise in DE 101 26 100 A1 gezeigt, auf deren Offenbarung hier vollinhaltlich Bezug genommen wird. Der divergente Abschnitt der Düse weist dabei immer zumindest einen glockenförmigen Abschnitt auf, wie oben ausgeführt.
Im Hinblick auf die Form ist es vorteilhaft, wenn der ganze divergente Abschnitt glockenförmig gestaltet ist. Es ist aber meist auch ausreichend, wenn nur ein Teil des divergenten Abschnitts eine Glockenform aufweist und der Rest anders gestaltet ist, zum Beispiel als Konus oder als Zylinder. Bevorzugt hat der Beginn des divergierenden Abschnitts Glockenform. Diese zieht sich dann über ein Drittel oder
die Hälfte der Länge des divergierenden Abschnitts hin. Danach kann die Düse in eine andere Form übergehen, wobei es günstig ist, wenn die Düse keine Unstetigkeiten oder "Knicke" in ihrem Verlauf aufweist. Vermieden werden sollte ein abrupter übergang von Glockenform auf Konus oder von Konus auf Zylinder, da abrupte übergänge die Gleichförmigkeit des Gasflusses stören. In einer Ausführung ist die giockenförmige Kontur so gestaltet, dass eine Parallelstrahldüse vorliegt, das heißt, der Strahl verlässt die Düse parallel, ohne Aufweitung. In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die Gesamtlänge der Keramik- Lavaldüse gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen 60 und 300 mm, wobei bevorzugt Düsen mit Gesamtlängen von 100 bis 200 mm verwendet werden. Bevorzugt ist ebenfalls, dass der Querschnitt im Düsenhals 1 oder 3 bis 25 mm 2 beträgt, besonders bevorzugt 1 bis 5 mm 2 oder 5 bis 10 mm 2 . Vorteilhaft sind Düsen gemäß der Erfindung, deren Erweiterungsverhältnis zwischen 1 und 25 liegt. Vorteilhaft sind Düsen gemäß der Erfindung, bei denen die Austrittsmachzahl zwischen 1 und 5, besonders günstig zwischen 2,5 und 4 liegt.
Die Partikelgeschwindigkeit hängt ab von der Art und den Zustandsgrößen des Gases (Druck, Temperatur), der Partikeigröße und der physikalischen Dichte des Partikelwerkstoffs (Aufsatz von T. Stoftenhoff et al. aus dem Tagungsband zum 5. HVOF-Kolloquium, 16. und 17.11.2000 in Erding, Formel auf Seite 31 unten). Daher ist es möglich, die Düsenkontur speziell auf die Prozessgase Stickstoff, Luft und Helium sowie den Spritzwerkstoff abzustimmen.
Die Abstimmung wird durch Variation der Düsenkontur und Berechnung der danach erreichbaren Partikelgeschwindigkeiten erzielt. Die signifikante Steigerung des Auftragswirkungsgrades in diesem FaIi ist darauf zurückzuführen, dass mehr bzw. auch größere Puiverpartikel die für das Haften der Partikel notwendige Mindestgeschwindigkeit überschreiten.
Die bessere Beschleunigung der Partikel durch Düsen mit einer Glockenkontur nach DE10319481 erlaubt auch die Verwendung eines gröberen Pulvers. So können im Allgemeinen auch Pulver mit Körnungen zwischen 5 und 106 μm statt der bisher verwendeten Pulver von 5 bis 25 μm eingesetzt werden, wobei die bekannten Pulver weiterhin verwendet werden können. Gröbere Pulver sind teilweise kostengünstiger. Ein weiterer Vorteil gröberer Pulver besteht darin, dass es beim Spritzen mit diesen Pulvern erst bei höheren Gastemperaturen zu Ablagerungen an der Düsenwand kommt. Durch Verwendung gröberer Pulver kann damit der Auftragwirkungsgrad
noch weiter gesteigert und die Neigung zum Bilden von Ablagerungen verringert werden.
In einer vorteilhaften Ausführung ist eine Gasheizung unmittelbar vor der Düse angebracht, welche vorteilhaft so beschaffen ist, dass die Pulverpartikel das erhitzte Gas in dem Bereich vor dem Düsenhals ausreichend lang durchfliegen um effektiv vorgeheizt zu werden. Hier ist die Verwendung gröberer Pulver ebenfalls von Vorteil, da sich feinere Pulver nach dem Düsenhals zusammen mit dem Gas rasch abkühlen und somit der positive Effekt der Gasheizung unmittelbar vor der Düse reduziert wird. Vorteilhaft wird das Gas auf bis zu etwa 900X vorgewärmt. Die bevorzugten gröberen Pulver besitzen Körnungen zwischen 5 und 106 μm, vorteilhaft 25 bis 106 μm, aber auch 5 bis 25 μm ,10 bis 38 μm oder 30 bis 70 μm. Eine solche zusätzliche Vorheizung der Pulverpartikel kann innerhalb oder außerhalb der Pistole erfolgen, beispielsweise wie im System KINETIKS 4000 mit der Pistole Active Jet von CGT. Eine weitere Möglichkeit, die Pulver vorzuwärmen wird in WO2005/061116 beschrieben.
Ausführungsbeispiele
Es wurden Düsen aus unterschiedlichen Materialien entsprechend dem
Ausführungsbeispiel der DE10319481 zum Kaitgasspritzen an einer herkömmlichen Anlage (KlNETiKS 4000 mit der Pistole Active Jet von CGT) eingesetzt und etwa 30 Minuten betrieben. Die Oberflächenrauhägkeit Ra betrug bei den Hartmetalldüsen 0,11 μm, bei den übrigen Düsen liegt diese im Bereich von ca. 0,42 μm (nach DIN EN ISO 1302). Es wurden Nickel-Chrom Legierungen (NiCr) mit einem Verhältnis der Legierungskomponenten von 80:20 Gew.-% und Teiichengrößen von -25/+5 μm, Kupfer (Cu) mit Teilchengrößen von -30/+10 μm und Nicke! (Ni) mit Teilchengrößen von -30/+10 μm eingesetzt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst. Aus dem Vergleich der Beispiele mit den Vergleichsbeispielen ist klar ersichtlich, dass die Düsen gemäß der Erfindung ein deutlich verbessertes Verhalten in Bezug auf Ablagerungen zeigen. Es ist festzustellen, dass bei herkömmlichen Düsen bereits nach kurzer Zeit Ablagerungen auftreten, die zur Verstopfung der Düse führen.
Derartige Ablagerungen treten bei den Siliciumcarbiddüsen gemäß der Erfindung nicht auf. Das Verfahren ist auch bei Gastemperaturen von 900 0 C durchführbar. Ablagerungen treten auch hier nicht auf.
Versuche 1 , 5 und 7 sind Vergleichsbeispiele. Versuche 2 bis 4 und 6 sind Beispiele gemäß der Erfindung. Bedeutung der Bewertungen:
1 : Keine Ablagerungen nach 30 Minuten 4: Nach 5 Minuten verstopft
2: leichte Ablagerungen nach 10 Minuten 5: Nicht durchführbar
3: deutliche Ablagerungen nach 5 Minuten