Verfahren zum Kaltgasspritzen einer Schicht mit einer metallischen Gefügephase und einer Gefügephase aus Kunststoff, Bauteil mit einer solchen Schicht sowie Verwendungen dieses Bauteils

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltgasspritzen einer Schicht auf einem Substrat, bei dem Beschichtungspartikel mit einer konvergent-divergenten Düse in einem Kaltgasstrahl beschleunigt und auf dem Substrat abgeschieden werden. Dabei weist die erzeugte Schicht eine metallische erste Gefügephase aus einem Metall oder einer Metalllegierung auf und eine zweite Gefügephase aus einem Kunststoff.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil, das eine

Schicht mit einer metallischen ersten Gefügephase aus einem Metall oder einer Metalllegierung und eine zweite Gefügephase aus Kunststoff aufweist und vorzugsweise durch Kaltgassprit- zen hergestellt wurde.

Ein Verfahren sowie ein Bauteil der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise aus der US 2007/0042218 AI bekannt. Das Verfahren, das zur Herstellung dieser Schicht angewendet wird, ist ein Kaltgasspritzverfahren . Hierbei werden Partikel eines die Matrix des Schichtgefüges ausbildenden Metalls so ^¬ wie u. a. Partikel eines Kunststoffs, welche eine weiche Pha ^¬ se in der Matrix ausbilden soll, gemeinsam durch das Kaltgas- spritzverfahren verarbeitet. Die fertige Schicht weist dann eine geschlossene Matrix des Metalls aus, in der sich die einzelnen Partikel der weichen Phase aus Kunststoff erkennen lassen . Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Erzeugen einer Schicht mit einer metallischen ersten Gefügephase und einer zweiten Gefügephase aus Kunststoff anzugeben, mit der sich vergleichsweise viele unterschiedliche Materia- lien verarbeiten lassen und der Füllgrad an Kunststoff in der erzeugten Schicht in einem vergleichsweise großen Bereich eingestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren er- findungsgemäß dadurch gelöst, dass Beschichtungspartikel ver ^¬ wendet werden, die aus einem die metallische Gefügephase bil ^¬ denden Werkstoff bestehen und mit einer Umhüllung aus Kunststoff versehen sind. Demgemäß werden also keine einzelnen Kunststoffpartikel verwendet, sondern es wird der Kunststoff, der die zweite Gefügephase bilden soll, fest an die zu verar ^¬ beitenden metallischen Partikel gebunden. Dies hat den Vorteil, dass der Kunststoff, der eine wesentlich geringere Dichte hat als das Metall der Partikel, fest an den metalli ^¬ schen Partikeln anhaftet. Deswegen wird auch der Kunststoff in dem Kaltgasspritzverfahren in gleicher Weise beschleunigt und profitiert von der hohen Einschlaggeschwindigkeit, die die Metallpartikel mit der wesentlich höheren Dichte errei ^¬ chen. Hierdurch ist vorteilhaft eine unproblematischere Ab- scheidung von Kunststoff in der zu bildenden Schicht möglich. Dies ist anders, als wenn er wie in der eingangs erwähnten US 2007/0042218 AI gesondert als Partikel dem Kaltgasstrahl zu ^¬ geführt wird, und nur bis zu einer gewissen Grenzkonzentrati ^¬ on in dem metallischen Gefüge der Schicht untergebracht wer ^¬ den kann. Darüber hinaus fallen die Kunststoffpartikel von der zu beschichtenden Oberfläche ab und werden nicht in diese eingebaut. Die erfindungsgemäß vorliegenden Beschichtungspartikel können dabei selbst aus einer Metalllegierung bestehen, wobei diese dann im Wesentlichen in der Zusammensetzung der Partikel in der Schicht abgeschieden wird. Die Beschichtungs- Partikel können aber auch aus unterschiedlichen Metallen gemischt werden, wobei eine Legierungsbildung dann während des Schichtbildungsprozesses, einer nachträglichen Wärmebehand ^¬ lung oder während der Benutzung zustande kommt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Kunststoff ein thermoplastisches Fluor ^¬ polymer zum Einsatz kommt. Insbesondere PTFE (Teflon) und/oder PFA und/oder PFEP und/oder FTFE und/oder ECTFE und/oder PVDF. Thermoplastische Fluorpolymere weisen vorteil ^¬ haft besonders gute Gleiteigenschaften, Antihafteigenschaften bzw. Hydrophobieeigenschaften auf und eignen sich daher beispielsweise hervorragend als Trockenschmierstoffe. Zudem sind diese Polymere auch verhältnismäßig temperaturstabil, je nach Zusammensetzung bis zu 400 °C. Sie besitzen eine sehr hohe chemische Beständigkeit. Diese Eigenschaften können auch in einem Kompositmaterial, wie dies die erfindungsgemäße Be- schichtung darstellt, genutzt werden. So können beispielswei ^¬ se Nickel-PTFE-Kompositbeschichtungen mit der oben angegebe- nen Gefügezusammensetzung hergestellt werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtungspartikel einen mittleren Partikel ^¬ durchmesser von mindestens 5 ym und höchstens 10 ym, bevor- zugt mindestens 7 ym und höchstens 8 ym, gemessen ohne die Umhüllung, aufweisen. Hierbei hat es sich herausgestellt, dass metallische Partikel dieser Größe sich unproblematisch durch Kaltgasspritzen abscheiden lassen. Auf der anderen Seite besitzen diese noch eine Größe, die gering genug ist, da- mit sich eine feine Verteilung der zweiten Gefügephase aus

Kunststoff herstellen lässt. Damit können die oben angegebe ^¬ nen Vorteile bestmöglich genutzt werden. Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Beschichtungspartikel mit dem Grundstoff beschichtet werden, bevor diese der Düse oder einer dieser vorgelagerten Stagnationskammer zugeführt werden. Damit wer- den mit dem Kaltgasspritzen Partikel verarbeitet, die durch spezialisierte Anbieter vorkonfektioniert werden können. Es werden beispielsweise PTFE-Dispersionen (zum Beschichten) und Pulver von der Fa. Dyneon (3M) angeboten. Vorteilhaft lässt sich die Beschaffenheit der Partikel genau bestimmen, wodurch das Kaltgasspritzen vorteilhaft mit besonders gleichmäßigen Schichtergebnissen durchgeführt werden kann.

Es ist jedoch vorteilhaft auch möglich, dass die Beschichtungspartikel ohne eine Umhüllung der Düse oder einer dieser vorgelagerten Stagnationskammer zugeführt werden und gleichzeitig eine Dispersion von KunststoffPartikeln (in DE 10 2006 047 101 AI beschrieben) zugeführt wird, wobei sich die Kunst ^¬ stoffpartikel an die Beschichtungspartikel anlagern, bevor diese auf das Substrat auftreffen. Dabei verdampft die Flüs- sigkeit, die die Dispersion mit den KunststoffPartikeln bildet, so dass lediglich die Kunststoffpartikel auf den Be- schichtungspartikeln haften bleiben und so deren Umhüllung bilden. Hierbei sollten die Kunststoffpartikel vorzugsweise geringere Abmessungen aufweisen als die Beschichtungsparti- kel, deren Teil sie durch Anlagerung werden. Vorzugsweise sind die Kunststoffpartikel Nanopartikel . Diese können als Dispersion vorteilhaft besonders gut verarbeitet werden. Der Vorteil einer Durchführung des Beschichtungsverfahrens mit Kunststoffdispersionen ist, dass eine größere Vielfalt von verschiedenen WerkstoffZusammenstellungen verarbeitet werden kann, ohne dass hierbei eine erhöhte Lagerhaltung an vorge ^¬ fertigten Partikeln notwendig ist. Als Dispersion für Kunststoffe kommen beispielsweise Dispersionen mit PTFE- Nanopartikeln in Frage, die beispielsweise von der Firma Dy- neon vertrieben werden und mit den Handelsnamen PTFE 5032R, PTFE 5035R und PTFE 5050R bezeichnet werden.

Um die Beschichtungspartikel vor dem Verarbeiten durch Kalt- gasspritzen bereits mit der Umhüllung aus Kunststoff zu versehen, können die Beschichtungspartikel beispielsweise mit PTFE-Pulver gemahlen werden, wobei sich die Partikel des Kunststoffes an die Beschichtungspartikel anlagern. Hierfür kommt beispielsweise das Mikropulver TF 9205 PTFE mit einer Partikelgröße von 8 ym in Frage, wie es durch die Firma Dyne- on vertrieben wird. Allerdings müssen in diesem Falle auch die Beschichtungspartikel größer sein, damit eine Anlagerung der Kunststoffpartikel mit großer Ausbeute möglich ist. Die oben angegebene Aufgabe wird weiterhin durch ein Bauteil gelöst, bei dem die zweite Gefügephase aus Kunststoff in der Schicht als zusammenhängendes Netzwerk ausgebildet ist. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die zweite Gefügephase aus Kunststoff als Umhüllung der die erste Gefügephase aus Metall ausbildenden Beschichtungspartikel aufgebracht ist. Hierdurch ist vorteilhaft eine sehr feine Verteilung des Kunststoffes in dem Gefüge der hergestellten Schicht möglich.

Vorteilhaft ist es im Übrigen, wenn die erste metallische Ge- fügephase als zusammenhängende Matrix ausgebildet ist, wobei sich in jedem Fall die Matrix der metallischen Gefügephase und das Netzwerk der zweiten Gefügephase aus Kunststoff ge ^¬ genseitig durchdringen. Die räumlichen Strukturen liegen somit ineinander verschränkt vor. Dies hat den Vorteil, dass bei gleichzeitig feiner Verteilung der zweiten Gefügephase aus Kunststoff ein fester Zusammenhalt der ersten metalli ^¬ schen Gefügephase gewährleistet ist. Welche räumliche Struktur die Gefügephasen in der Schicht aufweisen, hängt in erster Linie von den Parametern der Herstellung der erfindungsgemäßen Schicht ab. Wird die Schicht auf dem Bauteil durch Kaltgasspritzen hergestellt, kann bei- spielsweise die kinetische Energie verändert werden, mit der die Beschichtungspartikel verspritzt werden. Wenn diese ge ^¬ ringer auffällt, so verformen sich die Beschichtungspartikel beim Auftreffen auf das Bauteil nicht so stark, so dass die Umhüllung weitgehend erhalten bleibt und so ein zusammenhän- gendes Netzwerk ausbildet, welches die Beschichtungspartikel zumindest noch weitgehend umgibt. Die sich aus den Beschich- tungspartikeln bildende erste metallische Gefügephase ist da ^¬ her im Wesentlichen nicht zusammenhängend. Um die erste metallische Gefügephase als zusammenhängende

Matrix herzustellen, kann die kinetische Energie erhöht werden, mit der die Beschichtungspartikel verarbeitet werden. Hierdurch wird der Kunststoff der Umhüllung beim Auftreffen der Beschichtungspartikel auf das Bauteil stärker verdrängt bzw. aufgrund der starken lokalen Erhöhung auch teilweise verdampft, so dass benachbarte metallische Beschichtungspar ^¬ tikel zusammenbacken und hierdurch insgesamt eine zusammenhängende Matrix ausgebildet wird. Allerdings bleibt bei ^¬ spielsweise außerhalb der Auftreffzone der Partikel noch ge- nügend Kunststoffmaterial der Umhüllung übrig, so dass auch dieses ein zusammenhängendes Netzwerk ausbilden kann.

Eine weitere Möglichkeit, die SchichtZusammensetzung und die Ausbildung der Gefügephasen zu beeinflussen, liegt darin, die Dicke der Umhüllung zu modifizieren. Je dünner die Umhüllung ist, desto weniger Kunststoff ist in das Gefüge der Schicht eingebaut und desto eher bildet sich auch eine zusammenhän ^¬ gende Matrix der ersten metallischen Gefügephase aus. Anders- herum wird dies verhindert, wenn die Umhüllung der Beschich- tungspartikel mit einer größeren Dicke ausgeführt wird.

Das Bauteil kann vorteilhaft als Lagerbauteil einer Gleitla- gerung verwendet werden. Hierbei kann die Schicht auf dem

Bauteil ihre hervorragenden Trockenschmiereigenschaften voll zum Einsatz bringen.

Eine andere Verwendung des Bauteils ist die Verwendung als Strömungsbauteil. Damit sind Bauteile gemeint, die insbeson ^¬ dere von einem flüssigen oder gasförmigen Medium umströmt werden. Hierbei ist die erfindungsgemäße Schicht von Vorteil, da diese die Neigung zur Anhaftung von Eis oder Schmutz verringert, die gebildeten Oberflächen leicht zu reinigen sind, und durch geringere Reibung beispielsweise abrasiver Partikel auch der Verschleiß vermindert wird, da die Oberfläche der erfindungsgemäßen Schicht hervorragende tribologische Eigen ^¬ schaften aufweist. Zuletzt verringert sich auch die Korrosi ^¬ onsgefahr bei Umwelteinflüssen, weil z. B. Regentropfen ab- perlen und sich daher keine Lokalelemente ausbilden können, die beispielsweise eine Lochfraßkorrosion begünstigen würden. Als mögliche Strömungsbauteile sind Rotorblätter von Wind ^¬ kraftanlagen sowie Karosserieteile von Verkehrsmitteln zu nennen. Der Ausdruck „Verkehrsmittel" ist dabei breit zu ver- stehen. Es sind Fahrzeuge, Flugzeuge, Schiffe und auch Züge hiermit gleichermaßen gemeint.

Auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils als Verkleidungsbauteil insbesondere von Bauwerken, wie zum Beispiel als Fassadenelement, ist vorteilhaft. Hierdurch lassen sich leicht zu reinigende Fassaden erzeugen, die seltener oder gar nicht von Schmutz befreit werden müssen. Auch hier kann eine Korrosionsneigung der Verkleidungsbauteile verringert werden. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei ^¬ chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen :

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

Verfahrens sowie eine hierzu geeignete, modi- fizierte Kaltgasspritzdüse mit Stagnationskam ^¬ mer,

Figur 2 und 3 Ausführungsbeispiele von Beschichtungsparti- keln, wie sie in dem erfindungsgemäßen Verfah- ren zum Einsatz kommen können, als Querschnitte und

Figur 4 und 5 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen

Bauteils mit der erfindungsgemäßen Schicht als Teilschnitte.

Das erfindungsgemäße Kaltgasspritzverfahren kann mit einer Kaltgasspritzdüse 11 gemäß Figur 1 durchgeführt werden. Diese weist einen konvergenten Abschnitt 12 und einen divergenten Abschnitt 13 und eine Kehle 14 auf. Eine solche Düse wird als konvergent-divergente Düse bezeichnet. Der konvergente Anteil 12 der Kaltspritzdüse 11 steht in Verbindung mit einer Stag ^¬ nationskammer 15, in die verschiedene Zuführungsrohre münden.

Ein Partikelzuführrohr 16 für Beschichtungspartikel 17 mündet zentral in die Stagnationskammer. Weiterhin ist ein Kranz von Suspensionszuführrohren 18 in der Stagnationskammer angeordnet, durch die eine Suspension, bestehend aus einem Suspensi ^¬ onsmittel, beispielsweise Wasser, und KunststoffPartikeln, in Richtung der angedeuteten Pfeile 19 in die Stagnationskammer eingeführt werden kann. Die Dispersion vermischt sich mit den Beschichtungspartikeln 17, so dass die Kunststoffpartikel 20 auf den Beschichtungspartikeln 17 angelagert werden können und dadurch eine Umhüllung 21 bilden (Figur 3) .

Vorher wird das Beschichtungspartikel 17, wie Figur 2 zu ent ^¬ nehmen ist, jedoch zunächst von der die Kunststoffpartikel 20 Dispersion 22 benetzt. Das Dispersionsmittel verdampft jedoch spätestens nach der Entspannung des Kaltgasstrahls im diver ^¬ genten Teil 13 der Düse 11 recht schnell, so dass die Parti ^¬ kel 17 mit der Umhüllung 21 aus den KunststoffPartikeln 20 übrig bleiben. Die Kunststoffpartikel 20 weisen Abmessungen im Nanometerbereich auf, während die metallischen Anteile der Beschichtungspartikel 17 einen mittleren Durchmesser von ungefähr 8 ym aufweisen.

Ein Bauteil 23 gemäß Figur 4 besteht aus einem Substrat 24, auf dem eine Schicht 25 abgeschieden ist. Die Schicht 25 weist eine erste Gefügephase aus Metall 26 auf, die in eine zweite Gefügephase 27 aus Kunststoff eingebettet ist. Die Ge ^¬ fügephase 27 aus Kunststoff bildet somit ein zusammenhängen ^¬ des Netzwerk in der Schicht 25. Bei dem Bauteil 23 gemäß Figur 5 ist die Schicht 25 etwas an ^¬ ders aufgebaut. Hier bilden die Beschichtungspartikel eine zusammenhängende Matrix aus, so dass auch die erste metalli ^¬ sche Gefügephase 26 ein zusammenhängendes Netzwerk ergibt. Dieses ist durch das Netzwerk der zweiten Gefügephase 27 aus Kunststoff durchdrungen, so dass beide Gefügephasen sozusagen verschränkt oder mit anderen Worten miteinander verwoben sind .