Verfahren zum Beschichten eines Substrats

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.

Zum Beschichten von Substraten werden heutzutage häufig thermische Spritzverfahren eingesetzt wie beispielsweise Plasmaspritzen;

Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), Lichtbogenspritzen bzw.

Lichtbogendrahtspritzen.

Mit diesen Verfahren werden Schichten auf einem Substrat erzeugt, wobei das Substrat beispielsweise metallisch ist und die Beschichtung metallisch, keramisch oder auch eine Mischung aus beiden sein kann. Oft umfasst die Beschichtung mehrere einzelne Schichten, die übereinander angeordnet sind und in der Regel unterschiedliche Funktionalitäten haben.

So sind z.B. thermische Schutzschichten (TBC) bekannt,

Korrosionsschutzschichten, Erosionsschutzschichten oder auch

Gleitschichten, welche das Aneinandergleiten von Gegenlaufkörpern vereinfachen. Ein Anwendungsbeispiel ist hier das Beschichten von

Zylinderlaufflächen in Verbrennungsmotoren mit Schichten die gute Schmierund Reibeigenschaften haben, wodurch die Laufeigenschaften des Kolbens im Zylinder verbessert werden. Auch gibt es Anwendungen, bei denen mittels thermischen Spritzens eine bewusst rauhe Schicht aufgetragen wird. So werden beispielsweise Prothesen wie Hüftgelenkprothesen, die üblicherweise aus dem biokompatiblen Metall Titan gefertigt werden, anschliessend mit einer rauhen Beschichtung versehen, um ein Anwachsen des

Knochengewebes an die Prothese zu vereinfachen. Als

Beschichtungsmaterial wird hier in der Regel eine keramische Substanz, beispielsweise ein Hydroxylapatit verwendet. Bei allen Anwendungen wird es angestrebt, dass die mittels thermischen Spritzens erzeugte Schicht möglichst gut und dauerhaft an dem Substrat anhaftet. Dazu wird in aller Regel die zu beschichtende Oberfläche vor dem thermischen Spritzen einer Vorbehandlung unterzogen, die auch als

Aktivierung bezeichnet wird. Diese Aktivierung kann beispielsweise durch Sandstrahlen, Korundstrahlen, Hartgussstrahlen, Hochdruckwasserstrahlen, diverse Laserverfahren oder andere an sich bekannte Aktivierungsverfahren erfolgen.

Die Vorbehandlung ist in aller Regel sehr zeitaufwändig und bedarf zudem spezieller Substanzen wie Korund, Sand oder beispielsweise

Hochdruckwasserstrahlen. Ein zusätzliches Problem ergibt sich dadurch, dass bei vielen Aktivierungsverfahren, z.B. beim Korundstrahlen

anschliessend zusätzliche Reinigungs- oder Trocknungsschritte notwändig sind, bevor das thermische Spritzen beginnen kann. Zudem kann es trotz sorgfältiger Reinigung vorkommen, dass Sand- oder Korundpartikel an der Oberfläche verbleiben und beim anschliessenden Beschichten in der Schicht verbleiben. Solche Fremdkörper können später zu unerwünschten

Rissbildungen führen, die beispielsweise im Falle von beschichteten

Hüftgelenkprothesen schwerwiegende Folgen haben können. Aber selbst wenn keine Korundpartikel auf der Oberfläche verbleiben, kann die durch den Aufrauhprozess erzeugte Oberflächenrauhigkeit insbesondere bei hochfesten Substanzen zur Bildung von Ermüdungsrissen führen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mittels

thermischen Spritzens vorzuschlagen, bei welchem die Vorbehandlung bzw. die Aktivierung der zu beschichtenden Oberfläche sehr einfach erfolgt, wobei eine Verunreinigung der zu beschichtenden Fläche möglichst vermieden werden soll. Der diese Aufgabe lösenden Gegenstand der Erfindung ist durch den unabhängigen Patentanspruch gekennzeichnet.

Erfindungsgemäss wird also ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats vorgeschlagen, bei welchem mittels thermischen Spritzens ein

Ausgangsmaterial in Form eines Prozessstrahls auf eine Oberfläche des Substrats aufgespritzt wird, wobei zunächst mit einer Plasmaflamme eines Plasmaspritzgeräts die Oberfläche des Substrats ohne Materialauftrag vorbehandelt wird und anschliessend die Oberfläche mit dem das

Ausgangsmaterial umfassenden Prozessstrahl beaufschlagt wird. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass sich durch eine Vorbehandlung bzw. eine Aktivierung mit der Plasmaflamme eine sehr gute Haftung der anschliessend aufgebrachten Schicht erzielen lässt. Da die Plasmaflamme bei der Vorbehandlung keine Partikel oder Fremdkörper enthält, ist auch eine Verunreinigung der zu beschichtenden Oberfläche ausgeschlossen. Es entfallen somit nach der Aktivierung aufwändige Reinigungs- oder

Trocknungsschritte. Während der Vorbehandlung wird das Plasmaspritzgerät im Wesentlichen mit den gleichen Parametern betrieben, wie sie

üblicherweise für das Beschichten mittels Plasmaspritzens verwendet werden. Es wird eben nur kein Ausgangsmaterial in die Plasmaflamme eingebracht.

Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere auch für solche Anwendungen, bei welchem das Substrat metallisch ist.

Das Ausgangsmaterial ist vorzugsweise ein metallisches oder ein

keramisches Material oder eine Mischung aus solchen Materialien, weil sich damit die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung sehr gut auf den jeweiligen Anwendungsfall anpassen lassen. Hiermit sind insbesondere auch Metall Matrix Verbundwerkstoffe wie MMC oder Cermet gemeint.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist das thermische Spritzen ein Plasmaspritzen. Das erfindungsgemässe Verfahren ist insbesondere auch für thermisches Spritzen im Niederdruckbereich geeignet, was bedeutet, dass das Spritzen bei einem Prozessdruck durchgeführt wird, der kleiner ist als der

Atmosphärendruck. Somit eignet sich die Erfindung speziell auch für Vakuum- Plasmaspritzen (VPS: vacuum plasma spraying) oder für Niederdruck- Plasmaspritzverfahren wie LPPS (low pressure plasma spraying) oder LPPS- TF (LPPS Thin Film).

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden eine thermische

Spritzvorrichtung zur Erzeugung des Prozessstrahls und das

Plasmaspritzgerät gemeinsam zeitlich oder räumlich versetzt relativ zu der Oberfläche des Substrats bewegt, derart dass zunächst die Plasmaflamme einen Bereich der Oberfläche vorbehandelt und anschliessend nach einer vorgebbaren Zeitspanne der gleiche Bereich mit dem Prozessstrahl beaufschlagt wird. Diese Massnahme ermöglicht eine besonders einfache und wenig aufwändige Verfahrensführung, denn die Vorbehandlung und das thermische Spritzen erfolgen sukzessive nacheinander ohne dass dafür Zwischenschritte oder der Wechsel von einer Apparatur zu einer anderen notwändig wäre. Die thermische Spritzvorrichtung und das Plasmaspritzgerät können beispielsweise auf einer gemeinsamen Achse oder einem

gemeinsamen Arm montiert sein, z.B. auf dem Arm eines

Behandlungsroboters. Die beiden Vorrichtungen sind beispielsweise hintereinander mit einem vorgebbaren Abstand auf dem Arm montiert, so dass bei einer linearen Bewegung des Arms zunächst das Plasmaspritzgerät und anschliessend das thermische Spritzgerät den gleichen zu

beschichtenden Bereich der Oberfläche passieren.

Eine andere Variante ist die , dass bei einem um eine Schaftachse rotierbaren Plasmaspritzgerät, wie beispielsweise der Plasmabrenner, der unter der Bezeichnung F210 von der Sulzer Metco AG (Schweiz) erhältlich ist, ein zweiter Plasmabrenner derart angeordnet ist, dass er sich Rücken an Rücken mit dem ersten Plasmabrenner befindet, also bezüglich der Umfangsrichtung um 180 Grad versetzt dazu. Bei einer Rotation passiert dann zunächst der erste Plasmabrenner zur Vorbehandlung einen Bereich und anschliessend der zweite Plasmabrenner zum Beschichten den gleichen Bereich. Derartige rotierbaren Plasmabrenner werden beispielsweise zur Beschichtung von gekrümmten Oberflächen, wie Zylinderlaufflächen von Verbrennungsmotoren verwendet.

Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird mit dem

Plasmaspritzgerät die Oberfläche des Substrats ohne Materialauftrag vorbehandelt und anschliessend mit dem gleichen Plasmaspritzgerät der Prozessstrahl für das Beschichten generiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird also nur ein Plasmaspritzgerät benötigt, weshalb diese Ausführungsform besonders einfach und wirtschaftlich ist. Mit dem Plasmaspritzgerät wird dann zunächst die Vorbehandlung durchgeführt, wobei die Zufuhr des

Ausgangsmaterials abgeschaltet ist. Anschliessend wird die Zufuhr des Ausgangsmaterials eingeschaltet und der vorgängig vorbehandelte Bereich beschichtet.

In der Praxis hat es sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, die Plasmaflamme zum Vorbehandeln im Wesentlichen mit den gleichen Plasmaparametern, insbesondere dem gleiche Strom, dem gleichen Gas und der gleichen Gasflussrate erzeugt wird wie die Plasmaflamme zum Generieren des Prozessstrahls.

Unter praktischen Aspekten ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen einer Austrittsdüse des Plasmaspritzgeräts und der Oberfläche des Substrats für das Vorbehandeln und das Beaufschlagen mit dem Prozessstrahl gleich gross ist.

Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Zeitspanne zwischen dem

Vorbehandeln und der Beaufschlagung des gleichen Bereichs mit dem Prozessstrahl (2) höchstens fünf Minuten beträgt. Besonders günstig ist es, wenn die Zeitspanne zwischen dem Vorbehandeln und der Beaufschlagung des gleichen Bereichs mit dem Prozessstrahl (2) höchstens eine Minute beträgt.

Weitere vorteilhafte Massnahmen und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen teilweise im Schnitt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur

Durchführung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Verfahrens, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur

Durchführung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Verfahrens. Das erfindungsgemässe Verfahren zum Beschichten eines Substrats 10 mittels thermischen Spritzens ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass zunächst mit einer Plasmaflamme die Oberfläche des Substrats vorbehandelt wird. Die Erfindung eignet sich für alle thermischen Spritzverfahren wie z.B. sämtliche Plasmaspritzverfahren, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen HVOF), Lichtbogenspritzen bzw. Lichtbogendrahtspritzen. Der Begriff thermisches Spritzen umfasst dabei auch solche Spritzprozesse, bei welchen das Prozessgas im Vergleich zum klassischen Plasmaspritzen„kalt" ist, beispielsweise nur einige hundert Kelvin. Diese Prozesse, bei denen die Partikel für die Beschichtung in erster Linie aufgrund ihrer kinetischen Energie am Substrat anhaften, werden üblicherweise als Kaltgassspritzen oder kinetisches Gasspritzen bezeichnet.

Im Folgenden wird mit beispielhaftem Charakter auf den für die Praxis wichtigen Anwendungsfall Bezug genommen, dass das thermische Spritzen ein Plasmaspritzen ist. Hierbei kann es sich sowohl um einen

Plasmaspritzprozess unter Normaldruck oder Atmosphärendruck handeln (APS: Atmospheric Plasma Spraying) als auch um einen Vakuum- oder Niederdruckplasmaspritzprozess wie die bereits erwähnten VPS-, LPPS- oder LPPS-TF Prozesse.

Fig. 1 zeigt in einer sehr schematischen Darstellung eine

Plasmaspritzvorrichtung, die gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1

bezeichnet ist, und die zur Durchführung eines erfindungsgemässen Verfahrens geeignet ist. Zudem ist in Fig. 1 schematisch ein Substrat 10 dargestellt, auf welchem eine Beschichtung in Form einer Schicht 1 1 abgeschieden wird.

Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst vorzugsweise ein Plasmaspritzen, welches gattungsgemäss in der WO-A-03/087422 oder auch in der

US-A-5,853,815 beschrieben ist. Dieses Plasmaspritzverfahren ist ein thermisches Spritzen zur Herstellung eines sogenannten LPPS-Dünnfilms (LPPS = Low Pressure Plasma Spraying).

Die in Fig. 1 dargestellte Plasmaspritzvorrichtung 1 umfasst als thermische Spritzvorrichtung ein an sich bekanntes Plasmaspritzgerät 3 mit einem nicht näher dargestellten Plasmabrenner zur Erzeugung eines Plasmas. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Plasmaspritzgerät vom Typ F4 handeln, das von der Sulzer Metco AG (Schweiz) erhältlich ist. In an sich bekannter Weise wird mit dem Plasmaspritzgerät 3 aus einem Ausgangssmaterial P, einem Prozessgasgemisch G und elektrischer Energie E ein Prozessstrahl 2 erzeugt. Die Einspeisung dieser Komponenten E, G und P ist in Fig. 1 durch die Pfeile 4, 5, 6 symbolisiert. Der erzeugte Prozessstrahl 2 tritt durch eine Austrittsdüse 7 aus und transportiert das Ausgangssmaterial P in Form des Prozessstrahls 2 in dem Material partikel 21 ,22 in einem Plasma dispergiert sind. Dieser Transport ist durch den Pfeil 24 symbolisiert. Durch die

unterschiedlichen Material partikel 21 ,22 soll angedeutet werden, dass es durchaus möglich sein kann, dass das Ausgangsmaterial P mehrere verschiedene Material partikel umfassen kann, aber natürlich nicht muss. Die Material partikel 21 , 22 sind in der Regel Pulverpartikel. Im Falle drahtbasierter Verfahren wie beispielsweise PTWA (Plasma Transferred Wire Are) liegt das Ausgangsmaterial als Draht vor.

Die Plasmaspritzvorrichtung 1 umfasst ferner ein zweites Plasmaspritzgerät 3', das vom gleichen Typ sein kann aber nicht muss wie das

Plasmaspritzgerät 3. Dieses zweite Plasmaspritzgerät 3' dient dazu, aus einem Prozessgasgemisch G' und elektrischer Energie E' eine Plasmaflamme 2' zu erzeugen, die durch eine Austrittsdüse T austritt und mit welcher ein Bereich B der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats 10 beaufschlagbar ist. Die Einspeisung der Komponenten E' und G' ist in Fig. 1 durch die Pfeile 4' und 5' symbolisiert.

Die beiden Plasmaspritzgeräte 3 und 3' sind auf einem gemeinsamen Arm 8 montiert, derart dass sie relativ zueinander in einem vorgebbaren Abstand A fixiert sind. Der Arm 8 kann beispielsweise durch einen nicht dargestellten Behandlungsroboter bewegbar sein, so wie dies der Pfeil V in Fig. 1 andeutet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die beiden Plasmaspritzgeräte so auf dem Arm 8 befestigt, das die Spritzdistanz, das heisst der Abstand D zwischen der Austrittsdüse 7 und dem Substrat 10 gleich gross ist wie der Abstand zwischen der Austrittsdüse 7' des zweiten Plasmaspritzgeräts 3' und dem Substrat 10, d. h. die Vorbehandlung erfolgt mit dem gleichen Abstand zwischen dem Plasmaspritzgerät 3' und dem Substrat 10 wie das thermische Spritzen. Je nach Anwendung kann es natürlich auch günstiger sein, für die Vorbehandlung und für das thermische Spritzen unterschiedliche Abstände zwischen dem jeweiligen Plasmaspritzgerät und der zu beschichtenden Oberfläche zu wählen.

In den meisten Anwendungsfällen ist es auch günstig, wenn die

Plasmaparameter zur Erzeugung der Plasmaflamme 2' im Wesentlichen die gleichen sind, wie die Plasmaparameter zur Erzeugung des Prozessstrahls 2. Mit den Plasmaparametern sind damit in erster Linie der Strom zum Erzeugen des Plasmas sowie die Zusammensetzung und die Flussrate des

Prozessgases G bzw. G' gemeint.

Zum Beschichten des Substrats 10 wird nun wie folgt vorgegangen. Die beiden Plasmaspritzgeräte 3, 3' werden aktiviert, sodass das

Plasmaspritzgerät 3 den Prozessstrahl 2 erzeugt und das zweite

Plasmaspritzgerät 3' die Plasmaflamme 2'. Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, das Plasmaspritzgerät 3 zur Erzeugung des Prozessstrahls 2 etwas später zu aktivieren als das Plasmaspritzgerät 3' für die Vorbehandlung, weil letzteres ja einen gewissen Vorlauf hat. Nun werden die beiden

Plasmaspritzgeräte 3 und 3' im Abstand D an der zu beschichtenden

Oberfläche des Substrats 10 vorbeibewegt, so wie dies der Pfeil V in Fig. 1 andeutet. Mittels der Plasmaflamme 2' des Plasmaspritzgeräts 3' wird nun die Oberfläche des Substrats 10 im Bereich B vorbehandelt. Dabei erfolgt kein Materialauftrag sondern lediglich die Beaufschlagung mit der Plasmaflamme 2'. Durch die gemeinsame Bewegung der beiden Plasmaspritzgeräte 3 und 3' erreicht das Plasmaspritzgerät 3, welches den Prozessstrahl 2 erzeugt, den soeben vorbehandelten Bereich B eine vorgebbare Zeitspanne später als die Vorbehandlung durch die Plasmaflamme 2' erfolgte. Diese Zeitspanne hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die beiden Plasmaspritzgeräte 3, 3' bewegt werden und vom räumlichen Abstand A der beiden

Plasmaspritzgeräte 3, 3'. Typischerweise liegt hier die Zeitspanne im Bereich von bis zu ein paar zehn Sekunden. Wenn das Plasmaspritzgerät 3 den vorgängig vorbehandelten Bereich B passiert, wird dieser in an sich bekannter Weise mit dem das

Ausgangsmaterial P enthaltenden Prozessstrahl 2 beaufschlagt, wodurch die Schicht 1 1 auf dem Substrat 10 generiert wird.

Es hat sich gezeigt, dass durch diese Vorbehandlung mittels der

Plasmaflamme 2' eine sehr gute Anhaftung der Schicht 1 1 an den Substrat 10 realisiert werden kann, ohne dass dafür eine vorgängige Behandlung mit Korund-, Sand,- Hochdruckwasserstrahlen oder ähnliches notwändig ist. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich Haftfestigkeiten von mindestens bis zu 40 MPa erzielen. Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich selbstverständlich auch für Mehrschichtsysteme, beispielsweise kann zunächst mit dem

erfindungsgemässen Verfahren eine Haft- oder Haftvermittlungsschicht auf das Substrat 10 aufgebracht werden, auf die anschliessend eine oder mehrere andere Schichten aufgespritzt werden. Das Substrat 10 kann ein metallisches sein oder auch aus einer Keramik, einem Kunststoff oder Mischungen dieser Materialien bestehen.

Als Ausgangsmaterial P sind alle Materialien geeignet, die in thermischen Spritzprozessen verwendet werden. Im Falle von Plasmaspritzen als thermischem Spritzverfahren liegt das Ausgangsmaterial P in aller Regel als Pulver vor, welches mittels eines Trägergases in die Plasmaflamme gefördert wird. Eine Variante der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung besteht darin, dass die beiden Plasmaspritzgeräte 3 und 3' nicht auf einem gemeinsamen Arm 8 angeordnet sind, sondern dass sie von unabhängigen

Bewegungsvorrichtungen unabhängig voneinander bewegt werden können, beispielsweise können zwei Behandlungsroboter vorgesehen sein, von denen jeder eine der beiden Plasmaspritzgeräte 3 bzw. 3' bewegt. Dann kann über die Ansteuerung der beiden Bewegungsvorrichtungen realisiert werden, dass das Plasmaspritzgerät 3 zur Erzeugung des Prozessstrahls 2 dem

Plasmaspritzgerät 3' zur Erzeugung der Plasmaflamme 2' für die

Vorbehandlung in einem vorgebbaren Abstand folgt, sodass zunächst die Vorbehandlung des Bereichs B erfolgt und dann nach einer vorgebbaren Zeitspanne die Beschichtung. Diese Variante hat den Vorteil, dass auch komplexere, insbesondere auch krummlinige Bewegungen der

Plasmaspritzgeräte 3, 3' durchgeführt werden können. Eine weitere Variante besteht darin, dass nur ein Plasmaspritzgerät, beispielsweise das Plasmaspritzgerät 3 in Fig. 1 für die Durchführung des Verfahrens verwendet wird. Dazu wird für die Vorbehandlung eines Bereichs B die Einspeisung 6 des Ausgangsmaterials P abgeschaltet, sodass der Bereich B zunächst nur mit der Plasmaflamme beaufschlagt wird.

Anschliessend wird die Einspeisung 6 des Ausgangsmaterials 6 aktiviert und der soeben vorbehandelte Bereich wird mit dem Prozessstrahl 2 beschichtet. Diese Variante mit nur einem Plasmaspritzgerät 3 kann je nach Grösse des zu beschichtenden Substrats 10 entweder so durchgeführt werden, dass zunächst die gesamte zu beschichtende Oberfläche mit der Plasmaflamme vorbehandelt wird und anschliessend die gesamte Oberfläche mit dem

Prozessstrahl 2 beschichtet wird. Es ist aber auch möglich zunächst nur einen Bereich, z. B. einen Streifen der zu beschichtenden Oberfläche mit der Plasmaflamme vorzubehandeln, diesen Bereich dann mit dem Prozessstrahl 2 zu beschichten, anschliessend den nächsten Bereich vorzubehandeln und dann zu beschichten und dies bereichsweise so lange fortsetzen bis die gesammte Oberfläche des Substrats 10 mit der Schicht 1 1 versehen ist.

In der Praxis hat es sich gezeigt, dass der zeitliche Abstand zwischen der Vorbehandlung mit der Plasmaflamme und dem thermischen Spritzen einige Sekunden bis zu einige Minuten betragen kann. Dies hängt natürlich auch von dem zu beschichtenden Substrat ab. In der Regel ist es vorteilhaft wenn dieser zeitliche Abstand fünf Minuten und vorzugsweise eine Minute nicht übersteigt.

Als konkretes Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemässe Verfahren seien hier das Beschichten von Aluminium oder Grauguss in den Bohrungen von Zylindern einer Brennkraftmaschine genannt, wodurch eine

Zylinderlauffläche mit sehr guten Schmier-, Reib- und Laufeigenschaften generierbar ist.

Ein anderes Anwendungsbeispiel ist das Beschichten von Prothesen, die aus Titan hergestellt sind, mit Hydroxylapatit. Gerade hier ist der Verzicht auf ein vorgängiges Strahlen mit Korund oder Sand ein ganz wesentlicher Vorteil.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur

Durchführung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Verfahrens. Hierbei handelt es sich um ein rotierbares Plasmaspritzgerät, beispielsweise ein Vorrichtung, die eine Kombination des unter der

Bezeichnung F 210 von der Sulzer Metco AG (Schweiz) vertriebenen

Plasmabrenners mit der von der gleichen Firma vertiebenen RotaPlasma- Einheit ist.

Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zu dem anhand von Fig. 1 erläutertem Ausführungsbeispiel näher eingegangen. Ansonsten gelten die im Zusammenhang bzw. mit Bezugnahme auf Fig. 1 gemachten Erklärungen in sinngemäss gleicher weise auch für das anhand von Fig. 2 erläuterte

Ausführungsbeispiel. Insbesondere haben die Bezugszeichen die gleiche Bedeutung. Die in Fig. 2 dargstellte Plasmaspritzvorrichtung 1 umfasst nur ein

Plasmaspritzgerät 3. Das Substrat 10 ist hier eine Zylinderbohrung deren gekrümmte innere Oberfläche mit der Schicht 1 1 als Beschichtung versehen werden soll. In an sich bekannter Weise ist an einem Brennerschaft 30 der Plasmaspritzvorrichtung 1 das Plasmaspritzgerät 3 (Brenner) zur Erzeugung des Prozessstrahls 2 bzw. der Plasmaflamme 2' vorgesehen. Das

Plasmaspritzgerät 3 zur Beschichtung der gekrümmten inneren Oberfläche des Substrats 10 ist um eine Schaftachse C rotierbar angeordnet. Im Beispiel der Fig. 2 rotiert dabei der Brennerschaft 30 selbst, wie dies der Pfeil U andeutet. Zudem ist der Brennerschaft 30 in Richtung der Schaftachse C linear bewegbar, also darstellungsgemäss auf- und abbewegbar, sodass die gesammte innere Oberfläche der Zylinderbohrung durch die Rotation um die Schaftachse C und das Auf- und Abbewegen des Plasmaspritzgeräts 3 beschichtet werden kann.

Zur Durchführung dieses Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Verfahrens wird wie folgt vorgegangen. Zunächst wird das Plasmaspritzgerät 3 aktiviert, wobei die Einspeisung 6 des Ausgangsmaterials P noch nicht eingeschaltet wird, sodass das Plasmaspritzgerät 3 eine Plasmaflamme generiert die kein Beschichtungsmaterial enthält. Nun wird durch die Rotation U um die Schaftachse C und das darstellungsgemässe Abwärts- bzw.

Aufwärtsbewegen des Plasmaspritzgeräts 3 die gesamte innere Oberfläche der als Substrat 10 dienenden Zylinderbohrung mit der Plasmaflamme vorbehandelt. Dabei kann die Auf- und Abbewegung des Plasmaspritzgeräts 3 in der Zylinderbohrung mehrmals, beispielsweise dreimal erfolgen.

Anschliessend wird das Plasmaspritzgerät aus der Zylinderbohrung herausgefahren bzw. an deren darstellungsgemäss oberes Ende und die Einspeisung 6 des Ausgangsmaterials P wird aktiviert, sodass nun das

Plasmaspritzgerät 3 den Prozessstrahl 2 generiert. Mit diesem wird nun durch ein- oder mehrmaliges Auf- und Abwärtsbewegen des Plasmaspritzgeräts 3 bei gleichzeitiger Rotation U um die Schaftachse A die Schicht 1 1 auf das Substrat 10 aufgespritzt. Bei dem hier beschriebenen LPPS-TF-Prozess wird bei einem niedrigen Prozessdruck, der höchstens 10 000 Pa und vorzugsweise höchstens

1000 Pa ist, das Ausgangsmaterial P in ein den Materialstrahl

defokussierendes Plasma injiziert und darin teilweise oder vollständig geschmolzen oder zumindest plastisch gemacht. Speziell beim LPPS-TF- Prozess kann dabei je nach Prozessführung mindestens auch ein Teil des Ausgangsmaterials verdampft bzw. in die Dampfphase übergeführt werden. Dazu wird ein Plasma mit ausreichend hoher spezifischer Enthalpie erzeugt, so dass eine sehr dichte und dünne Schicht 1 1 auf dem Substrat entsteht. Die Variation der Gefüge ist durch die Beschichtungsbedingungen, insbesondere von Prozess-Enthalpie, Arbeitsdruck in der Beschichtungskammer sowie den Prozessstrahl wesentlich beeinflusst und steuerbar. Somit hat der

Prozessstrahl 2 Eigenschaften, die durch steuerbare Prozessparameter bestimmt werden. Eine Variante dieses Verfahrens besteht darin, an dem Brennerschaft 30 ein zweites Plasmaspritzgerät vorzusehen, welches bezüglich der

Umfangsrichtung des Brennerschafts 30 versetzt zu dem Plasmaspritzgerät 3 angeordnet ist, beispielsweise um 180° versetzt, sodass die beiden

Plasmaspritzgeräte Rücken an Rücken angeordnet sind. Dann wird das zweite Plasmaspritzgerät zur Erzeugung der Plasmaflamme für die

Vorbehandlung genutzt und das andere Plasmaspritzgerät zur Erzeugung des Prozessstrahls zwei, in sinngemäss gleicher Weise wir das im

Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wurde. Bei einer Rotation U des

Brennerschafts 30 passiert dann zunächst der Plasmastrahl zur

Vorbehandlung einen Bereich und eine halbe Umdrehung später passiert der Prozessstrahl 2 diesen vorbehandelten Bereich. Dabei ist es in der Praxis vorteilhaft, wenn die beiden Plasmaspritzgerät zusätzlich bezüglich der axialen Richtung versetzt, also auf unterschiedlichen Höhen, angeordnet sind

Im folgenden werden noch Beispiele für die Vorbehandlung mittels

Plasmaflamme angegeben, bei denen jeweils eine Zylinderbohrung beschichtet wurde. Die Beschichtung -also das Vorbehandeln mittels der Plasmaflamme und das anschliessende thermische Spritzen- wird jeweils mit einem Plasmaspritzgerät vom Typ F210 der Sulzer Metco AG (Schweiz) als atmosphärischer Plasmaspritzprozess durchgeführt, so wie es im

Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert wurde.

Die Anzahl der Wiederholungen gibt dabei jeweils an, wie oft das

Plasmaspritzgerät 3 in der Zylinderbohrung ab- und aufbewegt wurde, dabei ist eine Wiederholung eine komplette Ab- und Aufbewegung.

Beispiel 1 : Die Vorbehandlung erfolgt mit den folgenden Plasmaparametern:

Strom: 400 A Prozessgas: Argon 60 SLPM (Standardliter pro Minute), Wasserstoff 5 SPLM, Stickstoff 4 SPLM.

Abstand D zwischen dem Plasmaspritzgerät 3 und der zu beschichtenden Oberfläche: 30 mm

Anzahl Wiederholungen: 3

Anschliessend wird in an sich bekannter Weise zunächst eine Haftschicht aus der nickelbasierten Legierung Diamalloy 4008NS der Sulzer Metco AG

(Schweiz) aus einem Abstand D von 30 mm aufgespritzt und darauf als Deckschicht aus einem Abstand von 45 mm eine Schicht aus einem niedrig legierten Stahl, zu welchem 30 Gew.% Molybdän zugemischt sind. Dabei liegen der Stahl und das Molybdän im Ausgangsmaterial als Pulvermischung, nicht als Legierung vor . Die so erzeugte Beschichtung zeigt eine sehr gute Anhaftung.

Beispiel 2: Die Vorbehandlung erfolgt mit den folgenden Plasmaparametern:

Strom: 410 A

Prozessgas: Argon 60 SLPM (Standardliter pro Minute), Wasserstoff 5 SPLM, Stickstoff 4 SPLM.

Zusätzlich wird ein Mantelgas zur Ummantelung der Plasmaflamme mit 16 SLPM verwendet.

Abstand D zwischen dem Plasmaspritzgerät 3 und der zu beschichtenden Oberfläche: 45 mm

Anzahl Wiederholungen: 3

Bei dieserm Beispiel wird keine Haftschicht aufgebracht, sondern auf die mit der Plasmaflamme vorbehandelte Oberfläche wird anschliessend direkt in an sich bekannter Weise als Deckschicht aus einem Abstand von 45 mm eine Schicht aus dem Material F4301 der Sulzer Metco AG (Schweiz) aufgespritzt.

Die so erzeugte Beschichtung zeigt eine sehr gute Anhaftung.

Beispiel 3 Die Vorbehandlung erfolgt mit den folgenden Plasmaparametern:

Strom: 550 A

Prozessgas: Argon 60 SLPM (Standardliter pro Minute), Wasserstoff 6 SPLM, Stickstoff 4 SPLM.

Zusätzlich wird ein Mantelgas zur Ummantelung der Plasmaflamme mit 16 SLPM verwendet.

Abstand D zwischen dem Plasmaspritzgerät 3 und der zu beschichtenden Oberfläche: 45 mm

Anzahl Wiederholungen: 3 Bei dieserm Beispiel wird keine Haftschicht aufgebracht, sondern auf die mit der Plasmaflamme vorbehandelte Oberfläche wird anschliessend direkt in an sich bekannter Weise als Deckschicht aus einem Abstand von 45 mm eine Schicht aus dem Material F2071 der Sulzer Metco AG (Schweiz) aufgespritzt. Bei diesem Material handelt es sich um einen Metall Matrix Verbundwerkstoff, ein Gemisch aus 65 Gew.% eines korrosionsbeständigen Stahls und

35 Gew.% einer Keramik, z.B. AI ₂ O ₃ /ZrO ₂ im Verhältnis 80 zu 20.

Die so erzeugte Beschichtung zeigt eine sehr gute Anhaftung.