DE3430383A1

DE3430383A1 - Plasmaspritzbrenner fuer innenbeschichtungen

Info

Publication number: DE3430383A1
Application number: DE19843430383
Authority: DE
Inventors: Heiko Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. Beinweil am See Gruner; Markus Villmergen Müller
Original assignee: Plasmainvent AG
Current assignee: Plasmainvent AG
Priority date: 1984-08-17
Filing date: 1984-08-17
Publication date: 1986-02-27
Also published as: US4661682A; JPH0357833B2; JPS61133158A; DE3581014D1; EP0171793A2; EP0171793B1; EP0171793A3

Description

HOFFMANN · EITLE. USt !PARTNER -.." :

PAT E N TAN WÄLT E

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · Dl Pl.-I NG. W. EITLE · D R. RE R. N AT. K. HOFFMAN N · Dl PL.-I NG. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 M 0 NCH E N 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATHE)

PLASMAINVENT AG, Zug / SCHWEIZ

Plasmaspritzbrenner für Innenbeschichtungen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmaspritzbrenner mit gekühlter Elektrode und Brennerdüse zum Einführen in Rohre und Bohrungen von Werkstücken und Beschichten von Innenflächen dieser Werkstücke.
5

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet derartiger Plasmaspritzbrenner ist die Beschichtung der Berührungsflächen von Schaufelfuß und Turbinenscheibe innerhalb der Haltenuten der Turbinenscheibe bei Turbinenrädern.

Bei einem bekannten Plasmaspritzbrenner dieser Art wurde durch Verkleinerung der geometrischen Abmessungen der Brennerdüsen-Elektrodenpaarung erreicht, die Beschichtung der Innenflächen in der erforderlichen Spritzschichtqualität in Bohrungen bis zu einem minimalen Innendurchmesser von 70 mm duchzufuhren. Bei dem bekannten Innenbrenner sind Plasmastrahlenergie, Plasmagasfördermenge und Spritzpulverinjektion auf der einen Seite sowie geometrische Verkleinerung der Brennerdüsen-Elektrodenpaarung auf der anderen Seite derart aufeinander abgestimmt, daß praktisch jedes Spritzpulver, für dessen Aufschmelzung Standardbrenner eine Flugstrecke innerhalb der Plasmaflamme bis zu 150 mm

benötigten, schon nach einer Flugstrecke von etwa 35 mm aufgeschmolzen ist. Der Spritzabstand zwischen Plasmaspritzbrenner und Substratoberfläche sowie die geometrischen Abmessungen des gesamten Innenbrenners begrenzen den minimalen Rohr- oder Bohrungsdurchmesser, bei welchem noch mit gleicher Spritzschichtqualität beschichtet werden kann; letztere ist somit von der Normalkonstruktion des Plasmaspritzbrenners vorgegeben. Es wäre möglich, durch Absenkung der Plasmaenergie, der Plasmagasmenge und der injektierten Pulvermenge die Plasmaflammlänge und damit den Spritzabstand zu verkleinern, um so auch Bohrungen geringeren Durchmessers zu beschichten; dies wäre jedoch nur auf Kosten der Spritzschichtqualität möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmaspritzbrenner der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welcher eine Beschichtung hoher Qualität der Innenflächen von Rohren und Bohrungen mit minimalen Innendurchmessern, von bis zu etwa 25 mm mit erhöhter Spritzeffizienz ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) die· Elektrode im Bereich ihres Kopfes rotationsunsymmetrisch aufgebaut ist,

b) der Durchmesser der Elektrode kleiner als der kleinste Innendurchmesser der Brennerdüse ist,

c) die Brennerdüse am der Elektrode abgewandten Ende wenigstens einen Teilbereich mit einem Innendurchmesser größer als ihr kleinster Innendurchmesser aufweist, und

d) der Pulverinjektor einen flachen Austrittsquerschnitt aufweist.

Mit einem derartigen Aufbau des Plasmaspritzbrenners bewirkt die erfindungsgemäße Brennerdüsen-Elektrodenpaarung, daß die injektierten Pulverpartikel auf sehr kurzer Flammlänge und damit Flugstrecke aufgeschmolzen werden. Dabei ist nicht nur die Flammlänge verkürzt, sondern auch die Plasmaflamme elliptisch verformt, was sowohl zu einer Erhöhung der geometrischen Spritzeffizienz" bezogen auf den Spritzstrahldurchmesser als auch zu einer vergleichmäßigten Dicke der aufgespritzten Schicht bei jedem Spritzdurchgang führt.

Die Elektrode weist zweckmäßig zwei diametral gegenüberliegende Abflachungen an ihrem halbkugelförmigen Kopf auf.'

Vorteilhaft ist die Brennerdüse ausgehend von ihrem kleinsten Innendurchmesser von der Elektrode weg konisch in einen Ausgangsbereich mit einer Innenringflache größeren Durchmessers erweitert.

Die Längsachse des flachen Austrittsquerschnitts des Pulverinjektors ist dabei zweckmäßig senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den Abflachungen der Elektrode angeordnet .

Um die Wärmeabfuhr von dem Plasmaspritzbrenner zu optimieren und damit sowohl die für die geforderte Spritzschichtqualität notwendige Dauerbrennerleistung zu erhalten als auch die Lebensdauer der Brennerbauelemente zu vergrößern, sind die Elektrode und die Brennerdüse zweckmäßig durch zwei getrennte Wasserkreisläufe gekühlt.

Zur Unterstützung dieser Wirkung kann zusätzlich ein Düsenring zur Oberflächenkühlung und Sprxtzstaubausblasung durch einen ringförmigen Gasschutzmantel vorgesehen sein. Alternativ kann eine separate Leitung vorgesehen sein, durch die eine Gaskühlung und Sprxtzstaubausblasung unmittelbar an der Brennerdüse erfolgt. Durch derartige Ausbildungen des Plasmaspritzbrenners erfolgt eine zusätzliche Abfuhr des reflektierten Spritzstaubs von der zu beschichtenden Bohrungsoberfläche, was zu einer Erhöhung der Qualität der Beschichtung führt.

Weiter besteht der Brenner vorteilhaft aus einem stabil vergossenen Teil mit allen nicht dem Verschleiß unterworfenen Elementen und einem offenbaren Teil, der die verschleißbehafteten Teile Elektrode, Brennerdüse und Pulverinjektor leicht auswechselbar trägt. Alle Bauteile, welche während des Brennerbetriebs naturgemäß einem Abnützungsprozeß unterworfen sind, können damit einfach und leicht ausgewechselt werden.

Der offenbare Teil-weist zweckmäßig zwei aufklappbare Halbschalen auf, die durch eine Isolationsplatte getrennt sind.

Zur weiteren Erhöhung der Standzeit der auswechselbaren Brennerdüse ist diese durch O-Ringe gegen den Kühlkanal abgedichtet und der Sitz der O-Ringe derart ausgebildet, daß diese an höchstens einer von vier Dichtflächen an der Brennerdüse direkt und wenigstens an zwei der vier Dichtflächen an gut wärmeleitenden, gekühlten Bauteilen anliegen. Vorteilhaft sind weiter Kanäle für den direkten Kühlmittelzutritt aus dem Kühlkanal zu den O-Ringen vorgesehen.

Mit dem erfindungsgemäßen Plasmaspritzbrenner erfolgt die

Verteilung und Aufschmelzung der injektierten Pulverpartikel in einem breiten Beschichtungsfleck, wodurch das Substratmaterial trotz des sehr geringen Spritzabstandes ohne übermäßige thermische Belastung beschichtbar ist, was insbesondere für dünnwandige Rohre wichtig ist. Die zusätzliche Gaskühlung unterstützt diese Wirkung.

Die Erfindung ist im folgenden an Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Plasmaspritzbrenners für Innenbeschichtungen, 15

Fig. 2 einen vergrößerten Teilausschnitt des Brennerkopfes in Fig. 1 in schematischer Darstellung,

Fig. 3 eine schematische Seitenschnittansicht von Elektrode und Brennerdüse des Plasmaspritz

brenners ,

Fig. 4 eine schematische Vorderansicht der Anordnung

in Fig. 3,
25

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Beschichtungseffizienz und Schichtdickenverteilung im statischen Spritzbild bei einer rotationssymmetrischen Brennerdüsen-Elektrodenkonfiguration,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Beschichtungseffizienz und Schichtdickenverteilung im statischen Spritzbild bei einer Brennerdüsen-Elektrodenkonfiguration gemäß der Erfindung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Brennerdüsenhalterung und -abdichtung,

Fig. 8 ein Beispiel für die Zuführung getrennter Kühlwasserkreisläufe, und

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Turbinenscheibe mit Turbinenschaufel und innenbeschichteter Haltenut.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Plasmaspritzbrenner 1 für InnenbeSchichtungen weist ein stabil vergossenes Teil 2 mit allen nicht dem Verschleiß unterworfenen Elementen und ein offenbares Teil 3 auf. Das offenbare Teil 3 besteht aus einer Kathodenhalbschale 4 und einer Anodenhalbschale 5, die durch eine Isolationsplatte 6 getrennt, aufklappbar gestaltet und durch eine Klammer 7 zusammengehalten sind. Auf dem stabil vergossenen Teil 2 sitzt ein· Düsenring 8 mit Düsenöffnungen 9, durch die ein Gasschutzmantel um den Plasmaspritzbrenner zur Oberflächenkühlung und Spritzstaubausblasung erzeugbar ist. Statt des Düsenrings 8 oder auch zusätzlich zu ihm kann eine separate Leitung 31 unmittelbar in den Bereich der Brennerdüse geführt werden.

In der Kathodenhalbschale 4 ist eine Elektrode 10 leicht auswechselbar befestigt. In die Isolationsplatte 6 ist ein isolierender und auswechselbarer Gasverteilungsring 11 eingesetzt. In die Anodenhalbschale 5 ist eine Brennerdüse 12, fixiert mit einer Verlängerungslasche, leicht auswechselbar eingesetzt. Ein Pulverinjektor 13 mit flachem Austrittsquerschnitt ist ebenfalls auswechselbar in die Anodenhalbschale 5 eingesetzt.

In der Kathodenhalbschale 4 ist ein Kühlkanal 14 zur Kühlung der Elektrode 10 und in der Anodenhalbschale 5 ein Kühlkanal 14 zur Kühlung der Brennerdüse 12 vorgesehen. Beide Kühlkanäle werden parallel mit Kühlmittel, beispielsweise Wasser, Gas oder flüssigem Kohlendioxid beschickt.

Der Teil 2 stellt den Brennerschaft dar, der Teil 3 den Brennerkopf. Nach Lösen der Klammer 7 können die Kathodenhalbschale 4 und die Anodenhalbschale 5 auseinandergeklappt werden, um Zugang zu dem Gasverteilungsring 11 gegebenenfalls zu dessen Auswechselung zusammen mit der Isolationsplatte 6 zu haben. Die Elektrode 10 weist einen halbkugelförmigen Kopf 15 mit diametral gegenüberliegenden Abflachungen 16 auf. Der Durchmesser der Elektrode 10 ist kleiner als der kleinste Innendurchmesser der Brennerdüse 12. Die Brennerdüse 12 ist, ausgehend von ihrem kleinsten Innendurchmesser, von der Elektrode 10 weg konisch in einen Ausgangsbereich mit einer Innenringflache 17 größeren Innendurchmessers erweitert.

An den Abflachungen 16 wird der zwischen Elektrode 10 und Brennerdüse 12 entstehende Lichtbogen 18 unterdrückt und auf die ungestörte Kugeloberfläche des Kopfes 15 konzentriert. Dadurch entsteht eine flachgedrückte Plasmaflamme 19. Durch die konische Erweiterung der Brennerdüse 12 zur Innenringfläche 17 wird die Länge der Plasmaflamme 19 erheblich verkürzt. Der flache Austrittsquerschnitt des Pulverinjektors 13 sorgt für eine der abgeflachten Plasmaflamme 19 entsprechende Pulverinjektion .

Fig. 5 zeigt schematisch die Beschichtungseffizienz verteilt über den Plasmastrahlquerschnitt, aufgenommen durch ein statisches Spritzbild auf einer Substratschicht und die entspre-

chende Schichtdicke bei einer konventionellen, rotationssymmetrischen Elektroden-Brennerdüsenkonfiguration. In einer Zone I des Spritzstrahls ergibt sich eine hohe Beschichtungseffizienz mit praktisch konstanter Aufwachsrate pro Beschichtungszeiteinheit, in einer Zone II eine mit dem Abstand vom Zentrum stark abnehmende Beschichtungseffizienz und in einer Zone III praktisch keine zusammenhängende Spritzschicht mehr. Die Zonen I und II sind durch konzentrische Kreise begrenzt.

In Fig. 6 ist die Beschichtungseffizienz und Schichtdikkenverteilung für eine erfindungsgemäße rotationsunsymmetrische Elektroden-Brennerdüsenkonfiguration dargestellt. Die Zonen I und II sind hier stark elliptisch abgeflacht, wobei die Breite der Zone II sehr gering ist. Die Schichtdicke ist innerhalb der Zone I praktisch konstant und fällt in der Zone II über geringe Breite auf Null ab. Hierdurch ergibt sich eine starke Erhöhung der geometrischen Spritzeffizienz bezogen auf den Spritzstrahldurchmesser.

Fig. 7 zeigt, daß die Brennerdüse 10 durch zwei O-Ringe 21, 22 gegenüber ihrem zugehörigen Kühlkanal 20 abgedichtet ist. Beide O-Ringe 21, 22 liegen jeweils nur an einer ihrer vier Dichtflächen an der Brennerdüse 12 an. Eine zweite Dichtfläche der O-Ringe 21, 22 wird zu deren Wärmeschutz an der Isolationsplatte 6 bzw. an einem Isolationskörper 23 gebildet, während die O-Ringe 21, 22 an ihren weiteren zwei Dichtflächen an gut wärmeleitenden, über den Kühlkanal 2 0 gekühlten Bauteilen anliegen. Von dem Kühlkanal 20 sind außerdem zusätzliche Kanäle 24, 25 für direkten Kühlmittelzutritt zu den O-Ringen 21, 22 vorgesehen. Damit ergibt sich ein besonders guter Wärmeschutz der gefährdeten O-Ringe 21, 22.

Fig. 8 zeigt die Leitungszuführung zu dem Plasmaspritzbrenner 1. Über einen Wassereingang 26 wird Kühlmittel parallel zu den Kühlkanälen 14 und 20 zugeführt und über einen Wasserausgang 27 wieder abgeführt. Am Wassereingang 26 ist der Pluspol und am Wasserausgang 27 der Minuspol angeschlossen. Zur entsprechenden Isolierung der Kühlkreisfläufe von den elektrischen Leitungen sind in den Leitungsführungen Isolierrohre 28 vorgesehen. Plasmagas wird über einen Anschluß 29 zugeführt, Spritzpulver über einen Anschluß 30. über eine zusätzliche Leitung 31 kann Luft oder Gas in den Bereich des Brenners zugeführt werden.

Fig. 9 zeigt ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für den erfindungsgemäßen Plasmaspritzbrenner. In Haltenuten 32 einer Turbinenscheibe 33 werden Schaufelfüße 34 von Turbinenschaufeln 35 eingesetzt. An den Berührungsflächen von Schaufelfuß 34 und Haltenut 32 werden Beschichtungen 36 mit dem erfindungsgemäßen Plasmaspritzbrenner vorgesehen. Zweck der Beschichtungen 36 ist es, Reibverschleiß, Reibverschweißung und/oder Ausschlagen der Nutwandungen im Betrieb der Turbine zu verhindern. Diese Beanspruchungen der Haltenut 32 entstehen durch den notwendigerweise nicht spielfreien Einbau der Turbinenschaufeln 35 in den Haltenuten 32. Die Beanspruchungen treten vor allem beim Anlauf und Abstellen der Turbine auf. Sie sind auch deshalb relativ groß, weil meist aus Gewichtsgründen Titan oder Titanlegierungen verwendet werden.

Als Beschichtung kommt beispielsweise eine CuNiln-Spritzschicht zum Einsatz. Die Beschichtungen 36 werden flach und breitspurig in drei Segmenten, vorzugsweise jeweils mit einem Brennerdurchgang, aufgetragen.

Im folgenden sind als Anwendungsbeispiel für die Verwendung eines Maschinenbrenners nach dem Stand der Technik, eines Innenbrenners nach dem Stand der Technik und eines erfindungsgemäß ausgebildeten Innenbrenners die einzelnen Leistungs- und Spritzdaten angegeben:

Spritzpulver: NiA 1 95/5%

Kornfraktionierung: - 325 mesh

Kornkonfiguration: Ni-Kugel mit außen

.,Q aufgesetzten

Al-Partikeln

Plasmaflamme: Ar/H₂-Gemisch

Beschichtungsparameter für dicht gespritzte, haftfeste Plasmaspritzschicht:
15

A. Maschinenbrenner nach dem Stand der Technik:

Spritzabstand:	130	mm
Plasmaenergie:	43	kW
Spritzfleckdurchmesser:
(Zone I und II)	25	mm
HpO-Kühlung Brenner:	12	l/min
Aufschmelzbare Pulvermenge:	80	g/min

B. Innenbrenner nach dem Stand der Technik:

Spritzabstand: Plasmaenergie:

Spritzfleckdurmesser rotationssymmetrisch: (Zone I und II)
HpO-Kühlung Brenner:
Aufschmelzbare Pulvermenge:

35	mm
28	kW
15	mm
5	l/min
40	g/min

C. Erfindungsgemäß ausgebildeter Innenbrenner:

Spritzabstand: 5 mm

Plasmaenergie: 4,5-10 kW

Spritzfleckdurchmesser elliptisch:

(Zone I und II) 12 mm

H O-Kühlung, Brenner: 10 l/min,

Aufschmelzbare Pulvermenge: 2 0 g/min.

Claims

HOFFMANN · EITLE.^

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · Dl PL.-I NG. W. EITLE - D R. RE R. NAT. K. H OFFMAN N · Dl PL.-1N G. W. LEHN

DIPL.-ING. K.FöCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 MO NCH EN 81 . TE LE FON (089) 911087 . TE LEX 05-29619 (PATHE)

PLASMAINVENT AG, Zug / SCHWEIZ

Plasmaspritzbrenner für Innenbeschichtungen

PATENTANSPRÜCHE :

. Plasinaspritzbrenner mit gekühlter Elektrode und Brennerdüse zum Einführen in Rohre und Bohrungen von Werkstücken und Beschichten von Innenflächen dieser Werkstücke ,
dadurch gekennzeichnet , daß

a) die Elektrode (10) im Bereich ihres Kopfes (15) rotationsunsymmetrisch aufgebaut ist,

b) der Durchmesser der Elektrode (10) kleiner als der kleinste Innendurchmesser der Brennerdüse (12) ist,

c) die Brennerdüse'(12) am der Elektrode (10) abgewandten Ende wenigstens einen Teilbereich (17) mit Innendurchmesser größer als ihr kleinster Innendurchmesser aufweist, und

d) der Pulverinjektor (13) einen flachen Austrittsquerschnitt aufweist.
2. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrode (10) zwei diametral gegenüberliegende Abflachungen (16) an ihrem halbkugelförmigen Kopf (15) aufweist. 5
3. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennerdüse (12) ausgehend von ihrem kleinsten Innendurchmesser von der Elektrode (10) weg konisch in einen Ausgangsbereich mit einer Innenringflache (17) größeren Innendurchmessers erweitert ist.
4. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet , daß die Längsachse des flachen Austrittsquerschnitts des Pulverinjektors (13) senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den Abflachungen (16) der Elektrode (10) angeordnet ist.
5. Plasmaspritzbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß Elektrode (10) und Brennerdüse (12) durch zwei getrennte Wasserkreisläufe (14, 20) gekühlt sind.
6. Plasmaspritzbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß ein Düsenring (8) zur Oberflächenkühlung und Spritzstaubausblasung durch einen ringförmigen Gasschutzmantel vorgesehen ist.
7. Plasmaspritzbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß eine separate Leitung (31) vorgesehen ist, durch die eine Gaskühlung und Spritzstaubausblasung unmittelbar an der Brennerdüse erfolgt.
8. Plasmaspritzbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß der Brenner (1) aus einem stabil vergossenen Teil (2) mit

allen nicht dem Verschleiß unterworfenen Elementen und einem offenbaren Teil (3) besteht, der die verschleißbehafteten Teile Elektrode {10), Brennerdüse (12) und Pulverinjektor (13) leicht auswechselbar trägt. 15
9. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch 8, ■ dadurch gekennzeichnet , daß der offenbare Teil (3) zwei aufklappbare Halbschalen (4, 5) aufweist, die durch eine Isolationsplatte (6) getrennt sind.
10. Plasmaspritzbrenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß die Brennerdüse (12) durch O-Ringe (21, 22) gegen ihren Kühlkanal (20) abgedichtet ist, und daß der Sitz der O-Ringe (21, 22) derart ausgebildet ist, daß diese an höchstens einer von vier Dichtflächen an der Brennerdüse (12) direkt und wenigstens an zwei der vier Dichtflächen an gut wärmeleitenden, gekühlten Bauteilen anliegen.
11. Plasmaspritzbrenner nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet , daß Kanäle (24, 25) für den direkten Kühlmittelzutritt aus dem Kühlkanal (20) zu den O-Ringen (21, 22) vorgesehen sind.