DE60210267T2

DE60210267T2 - Vorrichtung und verfahren zur festkörper aufbringung und verdichtung von pulverteilchen mittels hochgeschwindigkeit und thermisch plastischer verformung

Info

Publication number: DE60210267T2
Application number: DE60210267T
Authority: DE
Inventors: Howard Santa Barbara GABEL; Ralph Goleta TAPPHORN
Original assignee: Innovative Technology Inc
Current assignee: Innovative Technology Inc
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-20
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2022-04-21
Also published as: US20020168466A1; US20050153069A1; CA2482287A1; US7178744B2; US6915964B2; WO2002085532A1; KR20040031700A; MXPA03009813A; EP1383610A1; ATE321612T1; EP1383610B1; KR100830245B1; CA2482287C; DE60210267D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung wie in der Präambel von Anspruch 1 definiert und ein Verfahren für Festkörperabscheidung und Verdichtung von schnellen Pulverteilchen, die in einem Gasstrom von Unterschallgeschwindigkeit oder Schallgeschwindigkeit mitgerissen werden, auf ein Trägermaterial. Bei dem Aufprall unterliegen die Pulverteilchen einer plastischen Verformung, die adhäsives Kleben an das Trägermaterial und formschlüssiges Verbinden von Teilchen ermöglicht. Dieses adhäsive und kohäsive Kleben ermöglicht Beschichtungen von Trägermaterialien und Ausbilden von endformnahen Komponenten und Teilen im Spritzformverfahren. Das grundlegende Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet eine reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse, um Pulverteilchen mit verschiedenen Verfahren zum Erwärmen (thermoplastischem Konditionieren) der Pulverteilchen und des Trägermaterials auf Temperaturen, die ausreichend hoch sind, um die Dehngrenze während des Aufpralls zu reduzieren und plastische Verformung bei geringen Belastungsniveaus zu ermöglichen, auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Ein Verfahren zum Erwärmen der Pulverteilchen und des Trägermaterials verwendet ein Umgebungsdruck-Thermotransfer-Plasma zwischen dem Düsenaustritt und dem Trägermaterial. Ein ergänzendes Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet einen Pulverreaktor, um die physikalischen, chemischen oder nuklearen Eigenschaften von Pulverteilchen vor dem Einspritzen in die reibungskompensierte Düse zum Zwecke der Beschleunigung zu verändern.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Festkörperabscheidung und -verdichtung betrifft ein Verfahren für thermoplastisches Konditionieren oder Erwärmen der Pulverteilchen und der Trägermaterialien, um ihre Dehngrenzen zu reduzieren und um plastische Verformung bei geringen Fließspannungsniveaus bei Aufprall mit hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen. Dies wird bei Temperaturen weit unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverteilchen und der Trägermaterialien erreicht.
Die Beschichtungs-Applikationsvorrichtung und das Verfahren, die in dem auf Gabel und Tapphorn ausgestellten US-Patent 5,795,626 beschrieben werden, weisen eine geringe Abscheidungsleistung auf, was auf die hohe elastische Reaktion von bei Umgebungstemperatur triboelektrisch geladenen Pulverteilchen zurückzuführen ist, die nicht thermoplastisch konditioniert worden sind, um plastische Verformungen zu induzieren. Diese elastische Reaktion neigt dazu, die Mehrheit der auftreffenden Teilchen zurückzuwerfen, was signifikante Adhäsion oder Kohäsion ausschließt. Dies trifft insbesondere auf Teilchen mit großem Durchmesser, auf harte Trägermaterialien und auf kaltverfestigte Abscheidungen und Trägermaterialien zu. Somit sind die Beschichtungs-Applikationsvorrichtung und das Verfahren, die in dem US-Patent 5,795,626 beschrieben werden, ohne thermoplastische Konditionierung der Pulverteilchen, um plastische Verformungen zu induzieren, nicht für wirtschaftliche Anwendungen wirtschaftlich lebensfähig. Beschränkungen des Standes der Technik wurden in dem auf Tapphorn und Gabel ausgestellten US-Patent 6,074,135 überwunden, das verschiedene Verfahren zum Verflüssigen und Behandeln von Pulverteilchen bei hohen Trägergasdrücken vor dem Einspritzen in eine Überschall-Applikationsvorrichtung beschreibt. Das US-Patent 5,795,626 und das US-Patent 6,074,135 beschreiben jeweils eine Beschichtungs- oder Ablations-Applikationsvorrichtung, die Überschalldüsen zum Beschleunigen triboelektrisch geladener Pulverteilchen in einem Überschall-Trägergas verwendet. Überschalldüsen sind jedoch äußerst unwirksam für die Beschleunigung von Pulverteilchen auf hohe Geschwindigkeiten, da der Prozess der Strömungsausdehnung, um hohe Überschall-Gasgeschwindigkeiten zu erreichen, die Widerstandskraft auf den Pulverteilchen verringert. Die Reduzierung der Widerstandskraft erfolgt aufgrund des starken Abfalls der Gasdichte, der mit der Überschallbeschleunigung des Gases während der Ausdehnung einhergeht. Somit ist die neue Technik der vorliegenden Erfindung erforderlich, um Festkörper-Verdichtungsverfahren zu verbessern, um sie für wirtschaftliche Anwendungen effektiver und interessanter zu machen und um In-situ-Oxidation und unerwünschte chemische Reaktivität während des Abscheidens zu minimieren.
Bei den Verfahren thermisches Spritzen, Plasmaspritzen und Flammbeschichten (zum Beispiel US-Patent 2,714,563, erteilt auf Poorman et al., US-Patent 3,914,573, erteilt auf Muehlberger, US-Patent 4,256,779, erteilt auf Sokal et al., US-Patent 4,732,311, US-Patent 4,841,114, erteilt auf Browning, US-Patent 5,298,714, erteilt auf Szente et al. und US-Patent 5,637,242, erteilt auf Muehlberger) werden Gase extrem hoher Temperaturen verwendet, um Pulverteilchen thermisch zu erweichen oder zu schmelzen, als Hauptverdichtungsmechanismus, um praktische Abscheidungsleistungen zu erzielen. Insbesondere verteilen die Verfahren des thermischen Spritzens und Plasmaspritzens die thermisch erweichten oder geschmolzenen Pulverteilchen über einen breiten Raumwinkelkegel bei großen Sicherheitsabständen, die ermöglichen, dass unerwünschte Gase und Luft in der Spritzflüssigkeit mitgerissen werden, was zu starker Oxidation und chemischer Verbrennung führt, insbesondere bei reaktionsfähigen Metallpulvern, wie zum Beispiel Aluminium, Magnesium und Titan.
Die Hochgeschwindigkeitsverfahren, die in US 2,714,563 , US-Patent 3,914,573, US-Patent 4,256,779, US-Patent 4,732,311, US-Patent 5,637,242, US-Patent 5,766,693, erteilt auf Rao, und RU-Patent 1773072, erteilt auf Alkhimov et al., offengelegt werden, beschreiben den Vorteil der Verwendung von Hochgeschwindigkeitsteilchen zusätzlich zu den thermisch erweichten oder geschmolzenen Teilchenzuständen für verbesserte Abscheidungsleistung und Beschichtungseigenschaften.
Im Gegensatz dazu beschränkt das wiederholt geprüfte Beschichtungspatent (US-Patent B1 5,302,414), erteilt auf Alkhimov et al., das gasdynamische Spritzverfahren auf Beschleunigen des Gases und der Teilchen in einem Überschallstrahl bei Teilchentemperaturen, die ausreichend niedrig sind, um thermisches Erweichen oder Schmelzen der Teilchen zu verhindern. Wenngleich die thermische Erweichungstemperatur in dem auf Alkhimov et al. erteilten Patent nicht hinreichend definiert wird, wird das Verfahren als weit unter dem Schmelzpunkt des Materials ablaufend beschrieben. Konkrete Beispiele in der Beschreibung deuten an, dass das abgeschiedene Material 100°C nicht überschreitet. Somit ist das auf Alkhimov et al. erteilte Patent in seinen Ansprüchen in Bezug auf die Steuerung des Verdichtungs-Aggregatzustandes der aufgebrachten Beschichtungen und der Verfahrensergebnisse auf Beschichtungen mit geringer Abscheidungsleistung und hohen Restspannungen beschränkt. Ein jüngeres US-Patent 6,139,913, erteilt auf Van Steenkiste et al., beansprucht Verbesserungen gegenüber dem US-Patent B1 5,302,414 durch Einbeziehung von Teilchengrößen von über 50 Mikrometer. Das US-Patent 6,139,913 beschreibt eine Vorrichtung gemäß dem Vorspruch zu Anspruch 1.
Dieses Patent beschleunigt Gas und Teilchen ebenfalls in einem Überschallstrahl, während die Temperatur des Gases und der Teilchen ausreichend niedrig gehalten wird, um thermisches Erweichen der Teilchen zu verhindern. Beide genannten Patente beschränken den Stand der Technik auf Anwendungen, die Überschallstrahle verwenden.
In US-Patent 3,914,573, US-Patent 4,256,779, US-Patent 4,689,468, erteilt auf Muehlberger, in US-Patent 4,841,114 und US-Patent 5,637,242 beschriebene Plasmaspritzpistolen spritzen die Pulverteilchen in einen Plasmastrom üblicherweise in dem Hals einer Düse ein, durch die ein Ultraschall-Plasmastrahl strömen soll. Das auf Szente et al. erteilte US-Patent beschreibt einen Plasmabrenner bzw. eine Plasmaspritzpistole für die Abscheidung von Teilchen auf ein Trägermaterial, wobei die Teilchen an dem Einlass zu der Düse eingespritzt werden. US-Patent 3,914,573, US-Patent 4,841,114 und US-Patent 5,766,693 beschreiben insbesondere Verfahren für thermisches Erweichen oder Eliminierung übermäßigen Erwärmens von Pulverteilchen in einer Plasmaspritzpistole, wobei die Teilchen nach Ausdehnung des Überschall-Plasmastromgases durch eine konvergierende Düse erwärmt werden. Alle Plasmaspritzpistolen des Standes der Technik sind so ausgelegt, dass das ionisierte Hochtemperaturplasma vor der Abscheidung auf dem Trägermaterial durch einen Auslass oder eine Überschalldüse hindurchgeht. Diese Verfahrensweise schließt In-Situ-Niedertemperatursteuerung des Pulververdichtungszustandes in großer Nähe zu dem Trägermaterial-Aufprallpunkt aus. In der Tat erfordert das US-Patent 4,256,779 zusätzliche Kühlung des Trägermaterials, um Überhitzung zu verhindern. Weiterhin ist die in dem Stand der Technik vorgegebene Ultraschallströmung sehr unwirksam in der Beschleunigung von Pulverteilchen. Dies trifft insbesondere zu, sobald die Strömung die rasche Ausdehnung auf Umgebungsdruck in dem divergierenden Abschnitt der Überschalldüse beginnt. Somit beschränkt der Stand der Technik signifikante Teilchenbeschleunigung auf den kurzen konvergierenden Abschnitt relativ geringer Geschwindigkeit und auf den sehr kurzen Halsabschnitt der Düse. Die Komplexität von Pasmaspritzpistolen des Standes der Technik erhöht die Kosten dieser Geräte für kommerzielle Anwendungen. Insbesondere vergeuden diese herkömmlichen Plasmaspritzpistolen große Mengen von Energie in Form von Wärme, die von dem Kühlwasser abgeführt werden muss, um die Elektroden und Düsen gegen Schmelzen oder Erosion zu schützen.
Plasmabrennschneider (zum Beispiel US-Patent 6,002,096, erteilt auf Hoffelner et al.) verwenden häufig einen übertragenen DC-Bogen zum Schmelzen oder Verbrennen (Oxidieren) eines Trägermaterials, jedoch ist dieser Stand der Technik auf Schneidanwendungen begrenzt und beansprucht kein Verfahren für Beschichten, Spritzen, Verbinden oder Verschmelzen von Materialien unter Verwendung von in dem Trägergas mitgerissenen Pulverteilchen. Anwendungen unter Verwendung von Plasmabrennern mit übertragenem Bogen mit in dem Plasmagas mitgerissenen Zusatzwerkstoffpulvern werden in dem US-Patent 5,705,786, erteilt auf Solomon et al., und in US-Patent 6,084,196, erteilt auf Flowers et al. für das Schweißen verschiedener Trägermaterialien, offengelegt. Das auf Romero et al. erteilte US-Patent 4,471,034 beschreibt ein Verfahren für die Anwendung einer klebgeschweißten Beschichtung auf Gusseisenteilen unter Verwendung eines Plasmabrenners mit übertragenem Bogen. Die meisten Plasmabrenner mit übertragenem Bogen verwenden bekannte Technik mit Mittelelektrode, umgeben von einer konzentrischen Elektrode, zur Erzeugung eines Bogens in dem Umfangsdurchgang zwischen den Elektroden. Das auf Siemens et al. erteilte US-Patent 5,070,228 erzeugt eine Plasmafahne über eine koaxiale HF-Induktionsspule, die die Plasmablase umgibt. In dem Plasmagas oder einem separaten Trägergas (normalerweise Argon) mitgerissene Pulver werden in den Bogen oder das Plasma eingeleitet, um die Teilchen zu schmelzen. Somit tritt Ionisierung des Plasmagases in dem Plasmabrenner oder der Plasmaspritzpistole auf, wobei Pulverteilchen bei niedrigen Geschwindigkeiten in dem Brenner- oder Pistolengehäuse unmittelbar neben der Austrittsöffnung in den Plasmastrom eingeleitet werden.
Plasmaheizgeräte und Plasmabrenner sind verwendet worden, um Gas zu erwärmen und zu ionisieren (zum Beispiel US-Patent 3,601,578, erteilt auf Gebel et al.) und um die Verbrennungsleistung zu verbessern (zum Beispiel JP 60078205 A , erteilt auf Toshiharu), jedoch sind die genannten Geräte nicht verwendet worden, um Teilchen vor der Abscheidung von Beschichtungen thermisch zu behandeln. US-Patent 5,766,693 beschreibt ein Verfahren zum Aufbringen von Beschichtungen auf Metallbasis unter Verwendung einer herkömmlichen Plasmaspritzpistole, wobei Teilchen bei Temperaturen, die die Teilchen erweichen, jedoch das Metall nicht schmelzen, in den Überschallstrahl eingespritzt werden. Für diese Vorrichtung ist externe Kühlung des Trägermaterials erforderlich, um Überhitzen der Beschichtung und des Werkstückes zu verhindern.
US-Patent 4,328,257, US-Patent 4,689,468, US-Patent 4,877,640 und US-Patent 5,070,228, erteilt auf Siemens et al., beschreiben verschiedene Verfahren für elektrisches Koppeln einer hohen Temperatur und eines Plasmastromes zu dem Werkstück oder Trägermaterial unter Verwendung einer Gleichstromversorgung einer gegebenen Polarität, die zwischen der Plasmaspritzpistole und dem Zielwerkstück angeschlossen ist. Diese Patente verwenden jeweils ein Hochstrom-Plasmaverfahren mit übertragenem Bogen zum Erwärmen der Trägermaterial-Oberfläche, zur Reduzierung der Oxidverunreinigung von Plasmabeschichtungen oder zum Entfernen von Oxidbeschichtungen von den in dem Plasmatrom mitströmenden metallischen Teilchen. Diese Patente beschreiben kein Verfahren für die Steuerung der Abscheidungs- und Verdichtungszustände von Beschichtungen bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Materials. Weiterhin weisen diese Niederdruck-Plasmaspritzpistolen bzw. Plasmabrenner den wirtschaftlichen Nachteil auf, dass sie kostspielige Vakuumkammern und Ausrüstungen zum Erzeugen des Plasmastromes erfordern.
Eine Nomenklatur für thermische Erweichung ist in dem US-Patent 3,914,573, erteilt auf Muehlberger, verwendet worden, um den Aggregatzustand von Pulverteilchen, die auf Temperaturen nahe des Schmelzpunktes, jedoch unterhalb des Schmelzens, erwärmt wurden, zu beschreiben. Dieses Patent beansprucht, dass es für jedes konkrete Material eine optimale Teilchentemperatur gibt. Wenn diese Temperatur überschritten wird, können die Teilchen bei dem Aufprall auf das Werkstück spritzen. Wenn die Temperatur des Teilchens zu niedrig ist, tritt eine unzureichende Verformung des Teilchens bei dem Aufprall auf, was zu einer schlechten Qualität der Beschichtung und zu schlechtem Haftvermögen führt. Das auf Muehlberger erteilte Patent beansprucht weiterhin, dass die Zugabe von Wärmeenergie zu der kinetischen Energie des Teilchens zu einer stärkeren Verformung der Teilchen bei dem Aufprall führt. Somit ist die Temperatur des Teilchens in Kombination mit der kinetischen Energie kritisch, um ausreichende Teilchenverformung zu erzielen, die zu hoher Abscheidungsleistung, gutem Haftvermögen und geringer Porosität führt.
Zwei weitere Patente, das auf Rao erteilte US-Patent 5,766,693, und das auf Sokol et al. erteilte US-Patent 4,256,779, verwenden den Ausdruck „erweicht", um einen Pulverteilchen-Temperaturzustand nahe dem Schmelzpunkt der Teilchen zu beschreiben. US-Patent 5,766,693 beschränkt den geschmolzenen oder erweichten Zustand im Wesent lichen auf den Oberflächenbereich eines jeden Teilchens. Sokol et al. beschreiben in dem US-Patent 4,256,779 ein Verfahren für thermisches Erweichen oder Plastifizieren von Pulverteilchen. Das Pulver wird in einen temperaturgeregelten Plasmastrom eingeleitet, um thermisch zu erweichen oder zu plastifizieren, jedoch nicht für eine ausreichende Zeit, um zu verflüssigen oder zu verdampfen. Durch Schlussfolgerung lehren diese Patente ein Verfahren, das mit dem auf Muehlberger erteilten US-Patent 3,914,573 übereinstimmt, bei dem die Pulverteilchen auf Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt erwärmt werden.
Andere Patente lehren eine breitere Definition für thermisches Erweichen von Materialien. Zum Beispiel lehrt das auf Purnell et al. erteilte US-Patent 5,312,475 ein Verfahren für das Zufügen von submikroskopischen Carbiden, um dem thermischen Erweichen von gesinterten Metallmaterialien einen Widerstand zu geben. Dieses Patent berichtet Härtedaten für gesinterte Eisenwerkstoffe, die mit zunehmender Temperatur des Materials von Raumtemperatur auf 773 Kelvin (500 Grad Celsius) monoton abnehmen. Somit wird nachgewiesen, dass thermisches Erweichen signifikante Auswirkungen auf die mechanische Härte bei Temperaturen von wesentlich unter dem Schmelzpunkt von Eisenlegierungen haben (zum Beispiel liegt der Schmelzpunkt typischerweise über 1.500 Grad Celsius).
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Einschränkungen des Standes der Technik zu überwinden, indem ein Verfahren für Behandeln der Pulverteilchen, um ihre physikalischen, chemischen oder nuklearen Eigenschaften vor dem Abscheiden und dem Verdichten der Pulverteilchen im festen Aggregatzustand zu verändern, gelehrt wird. Der Abscheidungs- und Verdichtungsprozess verwendet eine reibungskompensierte Überschalldüse, um die behandelten Pulverteilchen auf hohe Geschwindigkeit in einem inerten Unterschall- oder Überschall-Trägergasstrom zu beschleunigen, um eine Beschichtungsbehandlung eines Objektes anzuwenden oder um ein Objekt durch Spritzformen auszubilden. Zusätzlich betrifft der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein neues Verfahren und einen neuen Prozess zum Aufbringen verschiedener Mehrfachbeschichtungen, funktional angestufter Materialien, funktional ausgebildeter In-situ-Verbundstoffe und Ex-situ-Verbundstoffe auf Trägermaterialien zur Oberflächenänderung und Verdichtung. Die Erfindung lehrt weiterhin ein Spritzformverfahren zum Verdichten von Pulvern (metallisch, nichtmetallisch oder Gemische daraus) auf einer Trä germaterial-Oberfläche bei gleichzeitiger Steuerung der metallurgischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften des Trägermaterials und des verdichteten Materials. Einschränkungen herkömmlicher thermischer und Plasmaspritzverfahren werden mit der vorliegenden Erfindung überwunden, indem ein inertes Trägergas verwendet wird, das in einen gerichteten Unterschall- oder Überschallstrahl ausgebildet wird, der Oxidation und chemische Verbrennung von fast geschmolzenen und geschmolzenen Pulverteilchen (nahe dem Schmelzpunkt des Pulverteilchenmaterials) während des Abscheidungs- und Verdichtungsprozesses signifikant reduziert. Reduzierung der Oxidation und der chemischen Verbrennung der Pulverteilchen wird erzielt, da der Prozess das Mischen und Mitreißen von Luft und unerwünschten Gasen in den gerichteten Strahl aus inertem Gas vor der Abscheidung und Verdichtung auf dem Objekt bei relativ kurzen Sicherheitsabständen reduziert. Die Erfindung stellt weiterhin die Mittel des Verwendens eines umgebenden Inertgasschutzes bereit, um das Mitreißen von Luft oder unerwünschten Gasen in den gerichteten Strahl aus inertem Trägergas weiter zu reduzieren bzw. zu eliminieren. Schließlich reduziert die Erfindung Oxidation und chemische Verbrennung der Pulverteilchen durch thermoplastisches Konditionieren der Pulverteilchen in einer inerten Trägergasumgebung bei relativ niedrigen Temperaturen im Vergleich zu den Temperaturen der fast geschmolzenen (nahe dem Schmelzpunkt des Pulverteilchenmaterials) oder geschmolzenen Pulverteilchen, die bei herkömmlichen thermischen oder Plasmaspritzverfahren verwendet werden, noch weiter.
Aluminiumlegierungen benötigen häufig Beschichtungen für Korrosionsschutz, Verschleißbeständigkeit, optisches Reflexionsvermögen, Hartlöten, Weichlöten, Schweißen, maschinelles Bearbeiten und Polieren. Diese Beschichtungen müssen aufgebracht werden, während gleichzeitig die metallurgischen, chemischen oder mechanischen Eigenschaften des Trägermaterials und des abgeschiedenen Materials gesteuert werden.
Herkömmlich werden Erzeugnisse, wie zum Beispiel Aluminium-Wärmetauscher, unter Verwendung von Aluminium-Hartlötblech hergestellt. Dieses Hartlötblech wird mit einer eutektischen äußeren Schicht verkleidet. Aluminium-Hartlötverfahren werden in dem Handbuch Aluminum Brazing Handbook [The Aluminum Association, 900 19^th Street, NW, Washington, DC, 4. Auflage, 1998] hinreichend beschrieben. Das Hartlötverfahren umfasst das Befeuchten der zu verbindenden Aluminiumlegierungen mit einem Zusatz- werkstoff (zum Beispiel typischerweise Aluminiumsilikonlegierungen der 4000er Serie), der metallurgisches Verbinden der Verbindungsstelle ermöglicht.
Verkleidungsverfahren sind verwendet worden, um die Oberfläche von Aluminiumlegierungen für zahlreiche Anwendungsfälle zu ändern, jedoch ist der Prozess kostspielig und vorwiegend für Blechmaterial anwendbar. Das auf Knopp et al. erteilte US-Patent 3,899,306 beschreibt ein Verfahren für das Hartlöten von Aluminiumteilen durch Aufbringen einer dünnen Schicht aus Nickelpulver (unverdichtet) zwischen die angrenzenden Oberflächen eines Paares von Teilen, die zusammengedrückt und auf eine Temperatur von 537 bis 650°C, jedoch unter dem Schmelzpunkt der Teile, erwärmt werden. Das auf Dockus et al. erteilte US-Patent 3,970,237 beschreibt ein Verfahren des Hartlötens von Aluminiumteilen, bei dem Verkleidungsmaterial (zum Beispiel Aluminiumsilikonlegierung) mit einer verbindungsfördernden Legierung (zum Beispiel Nickel/Blei oder Cobalt/Blei) zwischen den Aluminiumteilen überzogen wird, um das Hartlötverfahren zu ermöglichen. Dieses Patent lehrt ebenso das gleiche Verfahren des Hartlötens von Aluminium zum Hartlöten anderer Werkstoffe, einschließlich Stahl, aluminisiertem Stahl, Edelstahl oder Titan.
Versuche zur Nutzung thermischer Verfahren oder von Plasmaspritzverfahren zum Abscheiden thermisch erweichter oder geschmolzener Hartlote auf Aluminiumlegierungen, wie sie in dem US-Patent 4,732,311, erteilt auf Hasegawa et al., beschrieben werden, waren wegen der geringen Haftung (die während der nachfolgenden Ausbildungsschritte Abplatzen oder Abblättern des Beschichtungsmaterials verursacht) zum großen Teil nicht erfolgreich. Weitere Faktoren sind unter anderem 1) Oxidation, 2) metallurgische Veränderung des Trägermaterials, induziert durch unerwünschte Wärmebehandlung, 3) metallurgische Veränderung des Trägermaterials, induziert durch unerwünschte Diffusion von Verunreinigungen, 4) thermische und mechanische Gestaltänderung des Trägermaterials und 5) sonstige chemische Reaktivität.
Flussmittel, wie zum Beispiel Kalium-Fluoroaluminatsalze (Internationales Patent WO 00/52228, erteilt auf Kilmer, US-Patent 3,951,328, erteilt auf Wallace et al., und US-Patent 5,980,650, erteilt auf Belt et al.), werden auf die Oberfläche der eutektischen Verkleidung als lötverbindungsförderndes Mittel aufgetragen, das die Oxide von der Oberfläche des Aluminiums verdrängt, die Oberflächenspannung des Zusatzwerkstoffes verringert und das Befeuchten des Grundwerkstoffes und den Fluss des Zusatzwerkstoffes unterstützt. Diese Beschichtungen werden herkömmlich durch Spritzen einer flüssigen Mischung des Kalium-Fluoroaluminatsalzes in Wasser oder als Verbundpulver, umfassend ein Kalium-Fluoroaluminatsalz, das auf die Oberfläche des eutektischen Aliminium-Silikon-Legierungspulvers beschichtet wurde, aufgebracht [Field, D.J., Krafft, R.G., und Hawksworth, D.K. „Composite Decomposition (CD) Technology – A Novel Joining Process for Automotive Heat Exchangers", Paper 35-Proceedings (Tagungsband des Symposiums) T&N Leading through Innovation Symposium, Würzburg-Indianapolis, IN, 1995]. In anderen Fällen wurden dünne Nickel- oder Cobalt-Beschichtungen als verbindungsunterstützende Flussmittelbeschichtungen verwendet, wie in dem US-Patent 3,899,306, erteilt auf Knopp et al., und in dem US-Patent 3,970,237, erteilt auf Dockus et al., beschrieben wird.
Das auf Patrick et al. erteilte US-Patent 5,884,388 beschreibt den Stand der Technik für das Aufbringen einer Reibungsverschleiß-Beschichtung auf ein Trägermaterial, wie zum Beispiel eine Bremsscheibe. Das Patent beansprucht ein Verfahren zum Erwärmen des Trägermaterials und zur Bearbeitung von Nuten zur Unterstützung der Verbindung einer durch Drahtbogenspritzen ausgebildeten Schicht. Bei allen von dem US-Patent 5,884,388 abgedeckten Verfahren der Oberflächenvorbereitung und Trägermaterial-Erwärmung muss das Problem der Oxidation des Trägermaterials und der Beschichtungsabscheidung, die Haftung/Kohäsion reduziert, beherrscht werden. Die umfangreichen Oberflächenvorbereitungen deuten vielmehr auf eine mechanische Verbindung als auf eine metallurgische Verbindung hin.
OFFENLEGUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für Festkörperabscheidung und Verdichtung von Pulverteilchen, die in einem Unterschall- oder Überschall-Gasstrahl mitgerissen werden, auf ein Trägermaterial gemäß Definition in den anhängenden Patentansprüchen. Bei Aufprall mit hoher Geschwindigkeit und unter thermoplastischer Verformung verbinden sich die Pulverteilchen adhäsiv mit dem Trägermaterial und kohäsiv miteinander, um eine verdichtete Beschichtung oder ein mittels Spritzformverfahren gebildetes Teil mit einer zwischenatomaren oder metallurgischen Bindungsstruktur auszubilden. Bei dem Aufprall durchlaufen die Pulverteilchen plasti sche Verformung, was Adhäsionskleben an dem Trägermaterial und metallurgische Verbindung der Teilchen untereinander ermöglicht. Diese adhäsive und kohäsive Verbindung ermöglicht Beschichtungen von Trägermaterialien und Ausbilden von endformnahen Komponenten und Teilen durch ein Spritzformverfahren. Das grundlegende Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet eine reibungskompensierte Überschalldüse, um Pulverteilchen auf große Geschwindigkeiten zu beschleunigen, wobei verschiedene Verfahren für thermoplastisches Konditionieren oder Erwärmen der Pulverteilchen und des Trägermaterials auf Temperaturen, die ausreichend hoch sind, um die Dehngrenze während des Aufpralls zu reduzieren und um plastische Verformung bei niedrigen Strömungsspannungen zu ermöglichen, angewendet werden. Ein Verfahren thermoplastischer Konditionierung oder Erwärmung der Pulverteilchen und des Trägermaterials verwendet Umgebungsdruck-Thermotransferplasma zwischen dem Düsenaustritt und dem Trägermaterial bei relativ kurzen Sicherheitsabständen. Ein ergänzendes Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet einen Pulverreaktor, um die physikalischen, chemischen oder nuklearen Eigenschaften der Pulverteilchen vor der Einspritzung in eine reibungskompensierte Überschalldüse zwecks Beschleunigung zu verändern. Der Pulverreaktor wurde erstmals in dem US-Patent 6,074,135, erteilt auf die vorliegenden Erfinder für die Anwendung mit Überschallstrahls und Überschalldüsen, beschrieben und für die Anwendung mit reibungskompensierten Schalldüsen erweitert.
Gleichzeitig ermöglicht das Koppeln der kinetischen Energie der auf den Aufprallprozess übertragenen Teilchen mit der Reduzierung der Dehngrenze der Pulverteilchen und des Trägermaterials, induziert durch Erwärmen (thermoplastisches Konditionieren) Festkörperabscheidung und Verdichtung von Beschichtungen, durch Spritzformverfahren gebildeten Teilen, oder das Verbinden verschiedener Materialien über thermisch bedingte plastische Verformung. Durch Steuern der Geschwindigkeit des Aufprallprozesses in Kombination mit thermoplastischer Konditionierung können die Materialeigenschaften an konkrete Anforderungen angepasst werden. Zum Beispiel ist die durch den Aufprall induzierte starke plastische Verformung verantwortlich für die Bildung von beobachteten Nanostrukturen in der Mikrostruktur der verdichteten Pulverteilchen. Thermoplastische Konditionierung der Pulverteilchen ermöglicht, dass diese Nanostrukturen durch verstärkte dynamische Rückverformung von Versetzungsdichten verändert werden können. Weiterhin werden die chemischen Potentiale der verdichteten Materialien durch Hochdruck-Einschlüsse, die durch mit starker plastischer Verformung in Zusammenhang ste hende Restspannungen induziert werden, verändert. Diese veränderten chemischen Potentiale bewirken die chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten zum Steuern der Eigenschaften des Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, der während der In-situ-Produktion von Verstärkungsphasen in einer metallischen Matrix funktional ausgebildet wird. Dieser Prozess ergibt hochqualitative Verdichtungen mit geringer Porosität, geringer Oxidation und minimalem Wärmeverzug. Dieser Prozess ergibt Abscheidungen mit einzigartiger Nanostruktur und Mikrostruktur und ermöglicht Spritzformen, Verbinden und Verschmelzen verschiedener Werkstoffe. Die Abscheidung wird über das Trägermaterial gespritzt, indem die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse in einem Raster in relativ kurzen Sicherheitsabständen und bei Geschwindigkeiten, die Abscheidungen und Verdichtungen auf eine gewünschte Dicke ermöglichen, über das Trägermaterial bewegt wird. Intelligentere Bewegungen einer Vielzahl von reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüsen unter einer Robotersteuerung ermöglichen die rasche stereolithografische Ausbildung von endformnahen Komponenten und Teilen.
Die Arten von Pulverteilchen, die in einem Unterschall- oder Schallgeschwindigkeits-Gasstrahl unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens mitgerissen werden können, werden aus einer Gruppe von Pulvern, bestehend aus Metallen, Legierungen, Niedertemperaturlegierungen, Hochtemperaturlegierungen, Superlegierungen, Hartloten, Metallmatrix-Verbundwerkstoffen, Nichtmetallen, keramischen Werkstoffen, Polymeren und Gemischen derselben, ausgewählt. Lötmittel auf Basis von Indium oder Zinn und Aliminiumlegierungen auf Basis von Silikon (zum Beispiel 4043, 4045 oder 4047) sind Beispiele von Niedertemperaturlegierungen, die im Festkörperzustand für Beschichtungen, Spritzformen und Verbinden verschiedener Materialien unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens abgeschieden und verdichtet werden können. Hochtemperaturlegierungen umfassen unter anderem NF616 (9Cr-2W-Mo-V-Nb-N), SAVE25 (23Cr-18Ni-Nb-Cu-N), Thermie (25Cr-20Co-2Ti-2Nb-V-AJ) und NF12 (11Cr-2,6W-2,5Co-V-Nb-N). Superlegierungen sind unter anderem Nickel, Eisen-Nickel und Legierungen auf Basis von Cobalt, die auf Seite 16-5 des Handbuches Metals Handbook, Desk Edition 1985, American Society for Metals, Metals Park, OH 44073, beschrieben werden. Mit einem anderen Metall beschichtete Pulverteilchen, wie zum Beispiel nickel- oder cobaltbeschichtete Wolframpulver, sind ebenfalls eine besondere Art von Verbundstoffpulver, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann.
Die bevorzugte Pulverteilchengröße für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren liegt normalerweise in einer breiten Verteilung mit einer Obergrenze von -325 Körnungsnummer (< 45 Mikrometer). Pulverteilchengrößen von über 325 Körnungsnummer (45 Mikrometer) werden häufig als Verstärkungsmittel für gleichzeitiges Aufbringen mit einem Matrixmaterial zum Ausbilden von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen oder zum Ausbilden einer porösen Verdichtung mit hoher Porosität ausgewählt. Pulverteilchengrößen in dem Nanogrößenbereich können ebenfalls mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht werden.
Die Arten von Trägermaterialien, die als Abscheidungs- und Verdichtungsflächen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet oder verwendet werden können, werden aus einer Gruppe ausgewählt, die unter anderem Metalle, Legierungen, Niedertemperaturlegierungen, Hochtemperaturlegierungen, Superlegierungen, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, Nichtmetalle, Keramikwerkstoffe, Polymere und Gemische derselben umfasst.
Das Applikationsgerät verwendet eine äußere Vakuumkammer und eine wahlweise äußere koaxiale Vakuumdüse, die die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse umgibt, um überschüssige Pulverteilchen und Verschleißteilchen unter Verwendung eines herkömmlichen Staubabscheiders aufzufangen. Die äußere Vakuumkammer und die wahlweise koaxiale Vakuumdüse reduzieren das Mitreißen von Luft und unerwünschten Gasen in den gerichteten Unterschall- und Schallgeschwindigkeitsstrahl des inerten Trägergases und ermöglichen weiterhin, dass die Düsengase für umweltschutz- technische und wirtschaftliche Zwecke aufgefangen und zurückgeführt werden können. Schließlich ist eine Pulververflüssigungsanlage (zuerst offengelegt in dem US-Patent 6,074,135, erteilt auf die vorliegenden Erfinder zur Anwendung mit Überschallstrahlen und -düsen) zum Verflüssigen, Mitreißen und Mischen der Pulverteilchen in dem Trägergas in der Erfindung beinhaltet und anwendbar auf die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse.
Der erfindungsgemäße Prozess der Festkörperabscheidung und Verdichtung betrifft ein Verfahren für thermische Veränderung der Pulverteilchen und Trägermaterialien, um deren Dehngrenze zu reduzieren und um plastische Verformung bei geringen Strömungsspannungen bei Aufprall mit hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen. Dies wird bei Temperaturen weit unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverteilchen und Trägermaterialien erreicht.
Das Schubmodul (G) steht in einer Beziehung zu dem Elastizitätsmodul (E) durch die hinlänglich bekannte Beziehung G = E/(2(1 + v)), wobei v die Querdehnungszahl ist. Eine Reduzierung des Schubmoduls, durch Erwärmung induziert, unterstützt verbesserte elastische Verformung in den Pulverteilchen während des Aufprallsvorganges. Dieser Faktor allein ist jedoch nicht ausreichend, um eine metallurgische Verbindung der Pulverteilchen während des Aufpralls zu erzielen. Nur durch plastische Verformung werden sich Festkörper-Pulverteilchen in dem Maße verformen, wie dies notwendig ist, um die Oxidoberfläche aufzubrechen und metallurgische Verbindungsflächen freizulegen. Der Grad der plastischen Verformung der Pulverteilchen und des Trägermaterials beim Aufprall ist abhängig von der Temperatur, der Verformungsgeschwindigkeit und der Dehnung. Indem somit die Pulverteilchen und das Trägermaterial erwärmt werden, kann der Betrag plastischer Verformung beim Aufprall vorteilhaft erhöht werden, um die Abscheidungsleistung zu verbessern und den Aggregatzustand von Verdichtung zu steuern. Dieses Verfahren wird thermoplastisches Konditionieren genannt. Die Temperaturabhängigkeit der Dehngrenze und der Einfluss auf die plastischen Verformungseigenschaften für zahlreiche Werkstoffe können aus Literaturstellen, wie zum Beispiel Dieter, G.E., 1961, Mechanical Metallurgy Abbildungen 9-12 und 9-13, entnommen werden. Weitere Änderungen in den mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen (insbesondere von Metallen), die durch Erwärmen induziert werden, sind unter anderem eine Abnahme der Härte und eine Reduzierung der Festigkeit ohne Zunahme der Duktilität. Für die meisten kubisch flächenzentrierten Materialien sind diese Änderungen monoton abhängig von der Temperatur des Materials ohne besondere Schwelle. Einige kubisch-raumzentrierte Materialien, wie zum Beispiel Wolfram, zeigen ein sprödes bis duktiles Übergangsknie mit der Temperatur auf (Literatur: Dieter, G.E., Mechanical Metallurgy 9–12 und 9–13).
Das Erwärmen der mitgerissenen Pulverteilchen reduziert das Schubmodul und verringert die Dehngrenze der Teilchen, was wiederum plastische Verformung beim Aufprall bei geringen Strömungsspannungen verbessert. Dies erhöht die Abscheidungsleistung für Teilchenaufprall bei hohen Geschwindigkeiten unter Verwendung thermoplastisch konditionierter Pulverteilchen. Zum Beispiel ermöglicht das Erwärmen von Aluminiumpulver von 20 Mikrometern auf eine Temperatur von 400 Kelvin Abscheidungsleistungen von über 60% bei Verwendung des erfindungsgemäßen Auftragsgerätes und Verfahrens. Dies steht im Vergleich zu Abscheidungsleistungen von weniger als 15% für Aluminiumpulverteilchen von 300 Kelvin. Somit ist ein Temperaturunterschied von lediglich 100 Kelvin sehr signifikant für das Reduzieren der Dehngrenze von Aluminium und für die Verbesserung plastischer Verformung.
Die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse in dieser Erfindung ist so ausgelegt und beschaffen, dass das Trägergas bei konstanter Geschwindigkeit von Mach 1 oder weniger mit Ausgleich für die Strömungskennlinie des Trägergases und die mitgerissenen Pulverteilchen strömt. Dies erfordert eine konische Düse mit einem engen Durchmesser in Abhängigkeit von der Länge, um Reibungsverluste auszugleichen, um eine konstante Geschwindigkeit von Mach 1 oder weniger des Trägergases aufrechtzuerhalten. Die konische Düsenform schränkt die Ausdehnung des Trägergases ein, um eine maximale Trägergasdichte (in Bezug auf die Eintritts-Gasdichte) in Abhängigkeit von der konischen Austrittslänge nur für konstante Geschwindigkeitsströme von Mach 1 oder weniger vorzuhalten. Somit gewährleistet die besondere Auslegung der konischen reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse maximale Widerstandskraft und Beschleunigung der Pulverteilchen über die gesamte Düsenlänge.
Das Thermotransfer-Plasma in dem grundlegenden Ausführungsbeispiel wird bei Umgebungsdruck (Luftdruck) erzeugt und bildet somit ein Thermoplasma in Gleichgewicht mit der Elektronentemperatur (Elenbass, E., 1951. The High Pressure Mercury Vapor Discharge, Amsterdam, Niederlande; Nordholland). Gleichzeitiges Koppeln der kinetischen Energie der auf den Aufprallprozess übertragenen Teilchen mit der Reduzierung der Dehngrenze, induziert durch thermoplastisches Konditionieren oder Erwärmen, ermöglicht plastische Verformung, die zum Anhaften an dem Trägermaterial und kohäsiver Verdichtung der Pulverteilchen mit einzigartigen Eigenschaften führt.
Dies ergibt Abscheidungen mit einzigartigen Mikrostruktureigenschaften und ermöglicht Spritzformen, Verbinden oder Verschmelzen von verschiedenen Werkstoffen. Zusätzlich stellt das Thermotransfer-Plasma der Erfindung die Mittel bereit, um die mitgerissenen Pulverteilchen und das Trägermaterial in dem Abscheidungsbereich chemisch zu reagieren, indem chemisch reaktionsfähige Arten zu dem Plasmagas hinzugegeben werden. Das auf Selwyn erteilte US-Patent 5,691,772 lehrt die Wirksamkeit der Anwendung von radikalen und metastabilen Reaktionspartnern, die in einem atmosphärischen Plasmagasstrahl mitgerissen werden, um Folien und Beschichtungen auf ein Trägermaterial zu ätzen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren verwenden ein Thermotransfer-Plasma, das zwischen dem Austritt einer reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse und dem Trägermaterial-Werkstück eingerichtet wird, um die Trägermaterialien zu erwärmen und um die Pulverteilchen und die Trägermaterialien chemisch zur Reaktion zu bringen. In einer Ausführung wird ein Hochfrequenzgenerator, (HF-Generator) der in der Lage ist, HF-Leistung zu erzeugen, durch ein Anpassungsnetzwerk gekoppelt, um Thermotransfer-Plasma (kapazitiv gekoppelt) zwischen dem Austritt der Düse und dem Trägermaterial zu erzeugen. In einer anderen Ausführung wird die HF-Leistung durch ein Anpassungsnetzwerk an eine koaxiale Induktionsspule gekoppelt, die die zylindrische Düse umgibt. Das induktiv gekoppelte Thermotransfer-Plasma an dem Austritt der Düse wird über eine Vorsteuerspannung, die zwischen der Düsenmetallspitze und dem Trägermaterial angelegt wird, auf ein Trägermaterial übertragen. In beiden Ausführungen ist die Düse normalerweise die Kathodenelektrode, wohingegen das Trägermaterial die Anodenelektrode ist, um Elektronenfluss zu dem Trägermaterial-Werkstück zu gewährleisten, jedoch umfasst die Erfindung auch die Nutzung von Umkehrpolarität für Anwendungen, die Ionenfluss zu dem Trägermaterial erfordern. Die Umkehrpolarität-Verbindung ermöglicht Abwandlungen der Erfindung, die Elektronenfluss in eine selbstverzehrende Düse zu von der Spitze der Düse in einem inerten Gasschutz verdüsten Material verwendet, das gleichzeitig mit den in dem Trägergas mitgerissenen Pulverteilchen abgeschieden wird Diese Umkehrpolarität-Verbindung wird verwendet, um geringe Porosität, feinkörnige Beschichtungen zu erzeugen oder um die spezifischen Materialeigenschaften von Beschichtungen, spritzgeformten Materialien oder Verbindungen individuell anzupassen.
Verschiedene Gase können mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden und werden aus einer Gruppe ausgewählt, die Luft, Argon, Kohlenstofftetrafluorid, Carbonylfluorid, Helium, Wasserstoff, Methan, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf, Silan, Schwefelhexafluorid oder Gemische derselben in verschiedenen Konzentrationen umfasst. Heliumgas wird häufig für die Herstellung von atmosphärischen Plasmas verwendet (zum Beispiel US-Patent 5,961,772 und Larussi, M., Juni 1196 „Sterilization of Contaminated Matter with an Atmospheric Pressure Plasma" „Sterilisation von verunreinigter Materie mit einem Luftdruck-Plasma – nicht autorisierte Übersetzung, d. Übers., IEEE Trans. on Plasma Science, Band 24, Nr. 3, S. 1188-1191), um Ionisierung zu begrenzen, die zu Bogenbildung führt, und ist ein bevorzugtes Gas für die Beschleunigung von Pulverteilchen in der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse. Die mitgerissenen Pulverteilchen strömen aus dem Austritt der Düse und gehen durch das Thermotransfer-Plasma hindurch, das die Pulverteilchen vor dem Aufprall auf das Trägermaterial erwärmt. Die Temperatur der Pulverteilchen ist abhängig von der Teilchengröße, dem Material, der Verweilzeit in dem Thermoplasma und der in dem Plasma verteilten Gesamtleistung. Für Aluminiumlegierungspulver in einem Durchmesserbereich von 1 bis 20 Mikrometer erreichen die Teilchen üblicherweise eine Temperatur von 400 Grad Kelvin, die eine Abscheidungsleistung von mehr als 60% ergibt. Für Aluminiumlegierungspulver erfordert dies eine HF-Plasmaleistung von 1-3 Kilowatt für Heliumströmungsgeschwindigkeiten von 10-30 SCFM. Gemische aus Gasen, die reaktionsfähige und metastabile Arten in dem Thermoplasma ausbilde, sind in der Erfindung zum Zwecke des chemischen Reagierens der Pulverteilchen im Durchgang beinhaltet.
Das Thermotransfer-Plasma ist ebenfalls wirkungsvoll bei der Erwärmung des Trägermaterials für Spritzformen, Verbinden und Verschmelzen verschiedener Werkstoffe. In diesen Fällen wird die lokalisierte Temperatur des Trägermaterials erhöht durch Eigenfokussierung des Thermotransfer-Plasmastrahls auf das Abscheidungsprofil auf dem Trägermaterial, und es wird verwendet, um das Trägermaterial einschließlich auf der Trägermaterial-Oberfläche oder der Verbindung bereits abgeschiedener kohärenter Pulverteilchen zu verändern oder zu schmelzen. Zusätzlich stellt das Thermotransfer-Plasma die Mittel für die Behandlung des Trägermaterials bereit, einschließlich mechanischer Ablation oder Abrasion von Oxidfilmen, gefolgt von chemischer Reaktion, einschließlich Ätzen.
Ein ergänzendes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet einen Pulverreaktor, um die physikalischen, chemischen oder nuklearen Eigenschaften von Pulverteilchen vor dem Einspritzen in eine reibungskompensierte Düse zwecks Beschleunigung zu verändern. Verschiedene Auslegungen des Pulverreaktors werden für die physikalische Veränderung der Eigenschaften der in dem Trägergas mitgerissenen Pulverteilchen durch Erwärmen des Gases und der Pulverteilchen mit herkömmlichen Widerstandsheizelementen oder Induktionsheizelementen beschrieben. Andere Auslegungen des Pulverreaktors werden genutzt, um in dem Trägergas mitgerissene Pulverteilchen chemisch zu verändern oder um die nuklearen Eigenschaften für das Spritzen von radioaktiven oder anderen isotopen Arten von Pulverteilchen zu verändern. Eine Pulverreaktor-Auslegung unter Verwendung einer Hochdruck-Plasmareaktionskammer zum Erwärmen oder Ionisieren eines Gemisches aus Trägergas und Pulverteilchen ist in der Erfindung beinhaltet. Beimengungen von Chemikalien können ebenfalls zu dem Trägergas zugegeben werden, um die Pulverteilchen oder das Trägermaterial unter Verwendung verschiedener radikaler Arten, die in dem Plasma erzeugt werden, chemisch zur Reaktion zu bringen. Die Pulverteilchen werden nachgeschaltet in das durch Plasma erwärmte Gas eingespritzt, um die Teilchen vor der Beschleunigung in der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse zu erwärmen. Die vorliegende Erfindung verkörpert weiterhin die Verwendung des Pulverreaktors einschließlich der Hochdruck-Plasmareaktionskammer zur Veränderung der physikalischen, chemischen oder nuklearen Eigenschaften von Pulverteilchen vor der Einspritzung in Überschalldüsen zur Beschleunigung von Pulverteilchen, wie zum Beispiel in den US-Patenten 5,795,626 und 6,074,135, erteilt auf die vorliegenden Erfinder, beschrieben wird, und vor der Einspritzung in einen Überschallstrahl, wie in dem US-Patent B1 5,302,414, RU-Patent 1773072, erteilt auf Alkhimov et al., und im US-Patent 6,139,913, erteilt auf Van Steenkiste et al., beschrieben wird.
Das Auftragsgerät verwendet eine äußere Vakuumkammer und optional eine äußere koaxiale Vakuumdüse (wie in den US-Patenten 5,795,626 und 6,074,135, erteilt auf die vorliegenden Erfinder zur Anwendung mit Überschallstrahlen und Überschalldüsen, beschrieben), die die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse umgeben. Diese Vakuumgeräte werden verwendet, um das Mitreißen von Luft und unerwünschten Gasen in den gerichteten Unterschallstrahl bzw. Schallstrahl aus inertem Trägergas zu reduzieren und um dabei gleichzeitig Einfangen von überschüssigen Pulverteilchen und Restpartikeln in einem herkömmlichen Staubabscheidungsfilter zu ermöglichen. Die äußere Vakuumkammer und die wahlweise äußere koaxiale Vakuumdüse ermöglichen weiterhin, dass die Düsengase für umweltschutztechnische und wirtschaftliche Zwecke eingefangen und wiederverwendet werden können.
Eine Pulververflüssigungsvorrichtung zum Verflüssigen und Mitreißen der Pulverteilchen in dem Trägergas ist in der Erfindung beinhaltet. Die Pulververflüssigungsvorrichtung ist in dem US-Patent 6,074,135 beschrieben worden, das auf Tapphorn und Gabel für Überschallstrahlen und Überschalldüsen erteilt wurde und das per Verweis in die vorliegende Erfindung eingearbeitet wird. Zusätzlich beinhaltet die Erfindung Verbesserungen des Pulververflüssigungsverfahrens. Eine Verbesserung umfasst einen Verflüssigungsstutzen an dem Ende eines verlängerbaren Rohres, der schrittweise und kontinuierlich in die Oberfläche des Pulvers eingesprüht werden kann, um Pulverteilchen oberhalb des Niveaus des in dem Trichter enthaltenen Schüttpulvers zu verflüssigen. Eine zweite Verbesserung umfasst die Messung des Pulververlustes unter Verwendung einer elektronischen oder optischen Kraftmessdose bzw. die Echtzeitmessung von Pulverströmungsgeschwindigkeiten zur Steuerung der Pulververflüssigungsrate auf einem vorgewählten Wert unter Verwendung einer elektronischen oder Software-Verarbeitungssteuerung (zum Beispiel Proportional-Integral-Differential-Regler, PID-Regler).
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zum Abscheiden von Mehrfachbeschichtungen, funktional abgestuften Materialien und funktional ausgebildeten In-situ-und Ex-situ-Verbundstoffen auf einem Trägermaterial. Zum Beispiel besteht die erste Schicht einer Mehrfachbeschichtung, die bei Aluminiumlöten verwendet wird, üblicherweise aus einer Grundierungsschicht, die als Korrosionsschutzsperre zwischen der eutektischen Schicht und der Trägerlegierung verwendet wird. Die erste Schicht kann ebenfalls als Diffusionssperrschicht oder als Adhäsionsgrenzfläche zwischen der Trägerstruktur und den nachfolgenden Schichten verwendet werden. Die zweite Schicht der Mehrfach-Lötbeschichtung dient als eutektisches Hartlot oder Weichlot mit einem Schmelzpunkt, der um 5 bis 50 Grad Kelvin unter dem Schmelzpunkt des Struktur-Grundmaterials liegt. Aluminiumsilikonlegierungen werden häufig als eutektische Zusatzwerkstoffe zum Löten von Aluminiumlegierungen verwendet, und die vorliegende Erfindung ermöglicht das Abscheiden dieser Zusatzwerkstoffe als metallische Pulver unter Bedingungen, die metallurgische, chemische oder mechanische Veränderungen des Trägermaterials während des Abscheidens ausschließen. Die dritte Schicht der Mehrfach-Lötbeschichtung wird als Flussmittel abgeschieden, um Oxide aus der Oberfläche des Trägermaterials zu verdrängen, um die Oberflächenspannung des Zusatzgutes zu verringern und um das Befeuchten des Grundmetalls und den Zusatzwerkstofffluss zu unterstützen. Die Flussmittelbeschichtung kann aus einem nichtmetallischen Flussmittelpulver bestehen, wie zum ein Beispiel Kalium-Fluoroaluminatsalz, oder aus einem metallischen Flussmittelpulver, wie zum Beispiel Nickel, Cobalt oder eine Legierung auf Nickel/Blei-Basis, das ebenfalls unter Bedingungen aufgebracht wird, die metallurgische, chemische und mechanische Veränderungen des Trägermaterials während des Abscheidens ausschließen. Schließlich führt die vorliegende Erfindung weiterhin ein Verfahren der gleichzeitigen Beschichtung metallischer und nichtmetallischer Pulver zum Zwecke des Aufbringens von Verbundlot mit eingebettetem Flussmittel aus.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren, das Abscheidung von Mehrfachbeschichtungen, umfassend Grundierungsbeschichtungen, Hartlot und Flussmittelschichten als Pulver unter Verwendung des oben beschriebenen Auftragsgerätes bei kontrollierter Temperatur ermöglicht. Grundierungspulver umfassen Pulver, die aus einer Gruppe von Aluminium-, Kupfer-, Titan- oder Zinkmetallpulvern ausgewählt werden, wohingegen die Hartlotpulver aus einer Gruppe aus Aluminiumsilikonlegierungen (zum Beispiel Legierungen 4043, 4045, 4047) ausgewählt werden. Aluminiumlegierungen, die hartgelötet werden können, sind üblicherweise Knetlegierungen von 1100, 3003, 5050, 6061 und Gusslegierungen von 443.0, 356.0, 711.0.
Verfahren zum Abscheiden nichtmetallischer Pulver, die aus einer Gruppe umfassend Polymere, Keramikwerkstoffe und Glasmaterialien, ausgewählt werden und die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren verwenden, werden ebenfalls offengelegt. Insbesondere können Pulver aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE) oder Polytetrafluoroethylen (Teflon^TM) mit der Plasmaleistung verwendet werden, die so ausgewählt wird, dass die Temperatur der Pulverteilchen auf die Glasübergangstemperatur des konkreten Polymers angehoben wird. Wenngleich sie nicht für die Hochtemperaturabscheidung vorgesehen sind, die zum Schmelzen von Keramikpulvern und Glaspulvern erforderlich ist, können diese Materialien als Ex-situ-Verstärkungsmittel (Pulverform) in metallischen oder nichtmetallischen Matrixmaterialien gleichzeitig mit abgeschieden werden.
Der technische Vorteil der Anwendung des in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahrens gegenüber bekanten Beschichtungstechnologien (zum Beispiel thermisches Gasspritzen, Plasmabogenspritzen, Drahtbogenspritzen) besteht darin, dass es Metallabscheidungen geringer Porosität ohne Oberflächenvorbehandlung, mit hervorragendem Haftvermögen, ohne signifikante In-situ-Oxidation erzeugt und dass das Beschichtungsverfahren keinen Wärmeverzug des Trägermaterials verursacht. Durch das Beschleunigen der Pulverteilchen durch eine reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse, die optimiert ist, um den Teilchen hohe Geschwindigkeiten zu verleihen, in Kombination mit dem Thermotransfer-Plasma oder der Pulverreaktor-Erwärmungsquelle können die Abscheidungsbedingungen und die Materialeigenschaften (plastische Verformung) für eine konkrete Anwendung in einzigartiger Weise individuell angepasst werden. Zum Beispiel erfordert die Abscheidung von Aluminiumbeschichtungen lediglich die Erwärmung (thermoplastisches Konditionieren) der Pulverteilchen auf eine Temperatur von 126,85°C (400 K), um für Teilchen in dem Bereich von 10-20 Mikrometern bei den hohen Geschwindigkeiten, die durch die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse bereitgestellt werden, eine Abscheidungsleistung von 60% zu erzielen. Diese Temperatur ist auch ausreichend, um gleichzeitiges Glühen bei niedriger Temperatur des abgeschiedenen Materials zu ermöglichen, um auf bestimmte Anforderungen kontrolliert oder angepasst zu werden. Das Reinigen und Ätzen der Teilchen- und Trägermaterial-Oberfläche erfolgt kontinuierlich und in situ mit der Metallabscheidung, so dass keine andere Oberflächenvorbereitung erforderlich ist.
Schließlich ermöglichen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren die gleichzeitige Abscheidung von Pulvern, um funktional In-situ- und Ex-situ-Verbundwerkstoffe auszubilden. In einem Beispiel wird ein metallisches Pulver (zum Beispiel Aluminium) mit einem Ex-situ-Verstärkungsmittel, das aus der Gruppe umfassend Silikon, Carbid, Borcarbid, Aluminiumoxid, Wolframcarbid oder Gemische aus denselben ausgewählt wird, gleichzeitig abgeschieden, um einen teilchenverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoff auszubilden, der eine homogene Verteilung des Verstärkungsmittels aufweist. In einem anderen Beispiel ermöglicht die Erfindung die gleichzeitige Abscheidung von metallischen Pulvern in einen verdichteten Verbundwerkstoff, der danach nach der Fertigbearbeitung in einen mit In-situ-Teilchen verstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoff umgewandelt wird (abschließende Wärmebehandlung). Eine Variation dieses Beispieles ermöglicht die gleichzeitige Abscheidung metallischer Pulver mit anderen metallischen oder nichtmetallischen Pulvergemischen, um Beschichtungen individuell anzupassen oder um spritzgeformte Materialien mit einzigartigen Eigenschaften zu versehen. Durch gleichzeitiges Abscheiden von Gemischen aus Aluminiumpulvern und Chrompulvern (gleiche Gewichtsteile) kann ein elektrisch leitender Streifen aus Stahl aufgebracht werden, der einen angepassten spezifischen Widerstand (d.h. üblicherweise 72 μΩ-cm), hervorragende Korrosionsbeständigkeit (20 Jahre in Salzwasser bei 21°C (70°F) und ein hervorragendes Haftvermögen auf Stahl aufweist.
Die Erfindung umfasst ebenfalls Verdichtung von funktional abgestuften Materialien, bei denen die Eigenschaften der Abscheidung (zum Beispiel Wärmedehnung, Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit, plastische Verformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Farbe etc.) funktional in vereinzelte oder stufenweise Schichten abgestuft sind sowie durchgehend abgestuft sind. Durchgehendes Abstufen von funktional klassifizierten Materialien wird durch gleichzeitiges Abscheiden von Pulvergemischen erzielt, wobei die Konzentration eines jeden Pulvers in Abhängigkeit von der Beschichtungsdicke verändert wird.
Eine Kombination aus funktional ausgebildeten und funktional abgestuften Materialien ist in der Erfindung beinhaltet. Ein Beispiel dieses Ausführungsbeispieles umfasst das Umhüllen eines inneren Kernmaterials (zum Beispiel metallische Legierung, metallischer Schaum, Keramik- oder Verbundwerkstoff) mit einer monolithischen funktional abgestufte Schicht, einer funktional ausgebildeten Schicht von Werkstoffen, einem in situ funktional ausgebildeten Verbundwerkstoff oder in situ funktional ausgebildeten Verbundwerkstoffen, um spezifische Anforderungen des fertigen Teiles oder der fertigen Komponente zu erfüllen.
Die Erfindung umfasst ebenfalls die Verdichtung von porösen Beschichtungen oder spritzgeformten Materialien durch Steuern der Teilchengrößenverteilung des Pulvers während des Abscheidungsprozesses. Große Pulverteilchen (> 45 μm (Körnungsnummer 325)), die ohne Zugabe von feinen oder feinsten Teilchen (< 45 μm (Körnungsnummer 325)) verdichtet werden, erzeugen Materialien mit großer Porosität. Diese Arten von Verdichtungen stellen die Mittel bereit, um poröse Strukturen für Katalysatoren, Fil ter und Matrizen für das Umhüllen oder Siegeln von Beimengungen anderer metallischer und nichtmetallischer Materialien zu erzeugen. Eine poröse Matrix aus Titanpulver, die als Beschichtung auf einer Trägermaterial-Oberfläche abgeschieden wird, kann zum Beispiel mit Epoxidmaterial versiegelt werden, um eine hervorragend korrosionsbeständige Beschichtung auf Oberflächen von reaktionsfähigen Werkstoffen bereitzustellen. In einem anderen Beispiel können selbstentzündliche Materialien in eine metallische Matrix eingespritzt werden, um die selbstentzündliche Reaktionsfähigkeit, die Temperatur und die Spektralemission einer selbstentzündlichen Fackel zu steuern. In weiteren Beispielen können reaktionsfähige metallische oder nichtmetallische Materialien (zum Beispiel Sauerstoff oder Wasser) in die Poren des Metallmatrixverdichtung (zum Beispiel Aluminium, Bor, Titan oder Gemische derselben) eingespritzt werden, um ein explosionsfähiges oder detonationsfähiges Gemisch zu erzeugen, wenn Erwärmung auf eine Schwellwerttemperatur durch ein selbstentzündliches aluminothermisches Material erfolgt.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Vorteilen werden weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den anhängenden Zeichnungen offensichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die spezifischen Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, den anhängenden Patentansprüchen und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 ist ein kombiniertes Blockschema mit Querschnittsansicht der Auskleidung der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse und zeigt ein diffuses Thermotransfer-Plasma, das zwischen der Düsenöffnung und dem Trägermaterial eingerichtet ist, um die Pulverteilchen vor dem Aufprall auf dem Trägermaterial thermisch zu verändern.
2 zeigt eine vergrößerte Draufsicht der Öffnung der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse zur Veranschaulichung der zylindrischen Symmetrie.
3 ist eine alternative Ausführung von 2, welche eine vergrößerte Draufsicht der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse ist und den elliptischen Querschnitt für die Öffnung der Düse zeigt.
4 ist ein kombiniertes Blockschema mit Querschnittsansicht der Auskleidung der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse und zeigt ein fokussiertes Thermotransfer-Plasma, das zwischen der Düsenöffnung und einer erhabenen Auskehlung auf dem Trägermaterial ausgebildet wird, um die Pulverteilchen vor dem Aufprall auf dem Trägermaterial thermisch zu verändern und um Trägermaterialien einschließlich der Auskehlung thermisch zu verändern oder zu schmelzen.
5 ist ein kombiniertes Blockschema mit Querschnittsansicht der Auskleidung der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse und zeigt ein fokussiertes Thermotransfer-Plasma, das von einer konzentrischen HF-Induktionsspule erzeugt wird, die das Düsengehäuse umgibt und verwendet wird, um die Pulverteilchen vor dem Aufprall auf dem Trägermaterial thermisch zu verändern und um Trägermaterialien einschließlich der Auskehlung thermisch zu verändern oder zu schmelzen.
6 ist ein kombiniertes Blockschema mit einer Querschnittsansicht der Plasma-Reaktionskammer mit der Pulverteilchen-Einspritzöffnung, um Pulverteilchen vor der Beschleunigung in der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse thermisch zu verändern und chemisch zur Reaktion zu bringen.
7 zeigt ein kombiniertes Blockschema mit einer Querschnittsansicht der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse, die mit einem ineinandergeschachtelten Ausführungsbeispiel einer äußeren Vakuumkammer und einer äußeren koaxialen Vakuumdüse, die die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse umgibt, versehen ist.
8 ist eine Seitenschnittansicht einer Pulververflüssigungsvorrichtung zum Mitreißen von Pulverteilchen in eine Hochdruck-Prozessleitung unter Verwendung von Verflüssigungsöffnungen und eines motorisierten Rührwerksmechanismus.
9 ist eine Seitenschnittansicht der Pulververflüssigungsvorrichtung zum Mitreißen von Pulverteilchen in eine Hochdruck-Prozessleitung unter Verwendung einer beweglichen Verflüssigungsöffnung, die an dem Ende eines Rohres befestigt ist, das mit dem Antriebsmotor oder Antriebsmechanismus verbunden ist, um die bewegliche Verflüssigungsöffnung in Bezug auf den Schüttpulver-Füllstand zu positionieren.
10 ist eine Seitenschnittansicht eines Pulverreaktors, der ein inneres Element umfasst, das als Prallbleche zum Mischen und Behandeln von in einem Trägergas mitgerissenen Teilchen ausgelegt ist
11 ist eine Seitenschnittansicht eines Pulverreaktors, der ein inneres Element umfasst, das als röhrenförmige Konstruktion zum Mischen und Behandeln von in einem Trägergas mitgerissenen Pulverteilchen ausgelegt ist.
12 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Mehrfachbeschichtung, die unter Verwendung des in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Auftragsgerätes und Verfahrens abgeschieden worden ist.
13 ist ein Gefügebild einer Nickel-Flussmittelbeschichtung auf einem Aluminium-Trägermaterial.
14 ist ein Gefügebild eines auf Stahl beschichteten Aluminiumchrom-Metallmatrix-Verbundwerkstoffes.
15 ist ein Gefügebild des Querschnittes eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, verstärkt mit ex situ spritzgeformten Teilchen 6061 Al-SiC.
16 ist ein Gefügebild einer porösen Titanverdichtung, die als Beschichtung auf einer Trägermaterial-Oberfläche abgeschieden ist.
BESTE ARTEN FÜR DIE AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die Bestandteil des vorliegenden Dokumentes sind und die veranschaulichend konkrete Ausführungsbeispiele zeigen, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Dabei gilt, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und dass strukturelle Veränderungen vorgenommen werden können, ohne dass dadurch von dem Erfindungsbereich abgewichen würde.
Allgemein betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren für Festkörperabscheidung von Pulverteilchen, die in einem Unterschall- oder Schallgasstrahl auf die Oberfläche eines Objektes mitgerissen werden. Bei Aufprall mit hoher Geschwindigkeit und thermoplastischer Verformung verbinden sich die Pulverteilchen adhäsiv mit dem Trägermaterial und kohäsiv miteinander, um verdichtete Materialien mit metallurgischen Verbindungen auszubilden. Die Pulverteilchen und wahlweise die Oberfläche des Objektes werden auf eine Temperatur erwärmt, die die Dehngrenze reduziert und plastische Verformung bei geringen Spannungsniveaus während des Aufpralls mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht, wobei die Temperatur nicht so hoch ist, dass sie die Pulverteilchen schmilzt. Dieses Verfahren wird als thermoplastische Konditionierung bezeichnet. Gleichzeitiges Koppeln der kinetischen Energie der auf den Aufprallprozess übertragenen Teilchen mit der Reduzierung der Dehngrenze der Pulverteilchen und des Trägermaterials, induziert durch Erwärmen (thermoplastische Konditionierung), ermöglicht Festkörperabscheidung und Verdichtung von Beschichtungen, Spritzformen von Teilen oder Verbinden verschiedener Materialien durch thermisch abhängige plastische Verformung. Durch Steuern der Geschwindigkeit des Aufprallprozesses in Kombination mit thermoplastischer Konditionierung können die Materialeigenschaften auf konkrete Anforderungen spezifisch angepasst werden. Zum Beispiel ist starke plastische Verformung, induziert durch den Aufprallprozess, verantwortlich für die Erzeugung von Nanostrukturen in der Mikrostruktur der verdichteten Pulverteilchen. Thermoplastisches Konditionieren der Pulverteilchen ermöglicht, dass diese Nanostrukturen durch verstärkte dynamische Rückverformung von Versetzungsdichten verändert werden können. Das grundlegende Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet eine reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse zur Beschleunigung von Pulverteilchen auf hohe Geschwindigkeiten mit verschiedenen Verfahren für das Erwärmen der Pulverteilchen und des Trägermaterials. Die Erfindung reduziert den Oxidationsgrad und die chemische Verbrennung der Pulverteilchen durch Verwendung eines gerichteten Unterschall- oder Schallstrahles aus inertem Trägergas bei relativ kurzen Sicherheitsabständen auf das Trägermaterial, um Mitreißen von Luft oder anderen unerwünschten Gasen in das abgeschiedene und verdichtete Material zu minimieren. Ein Verfahren der thermoplastischen Konditionierung oder Erwärmung der Pulverteilchen und des Trägermaterials verwendet ein Umgebungsdruck-Thermotransfer-Plasma zwischen dem Düsenaustritt und dem Trägermaterial bei relativ kurzen Sicherheitsabständen. Ein ergänzendes Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet einen Pulverreaktor, um die physikalischen, chemischen oder nuklearen Eigenschaften von Pulverteilchen vor dem Einspritzen in eine reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse für Beschleunigung zu verändern. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Pulverreaktors verwendet eine Hochdruck-Plasmareaktionskammer zum Erwärmen oder Ionisieren eines Gemisches aus Trägergas und Pulverteilchen. Beimengungen von Chemikalien oder chemischen Gasen können ebenfalls zu dem Trägergas zugegeben werden, um die Pulverteilchen oder das Trägermaterial unter Verwendung verschiedener reaktionsfähiger chemischer Arten, die in dem Plasma und den erwärmten Gasen erzeugt werden, chemisch zur Reaktion zu bringen. Die Pulverteilchen werden nachgeschaltet in das von Plasma erwärmte Gas eingespritzt, um die Teilchen vor der Beschleunigung in der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse zu erwärmen. Das Auftragsgerät verwendet weiterhin eine äußere Vakuumkammer und eine wahlweise äußere, koaxiale Vakuumdüse, die die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse umgibt, um überschüssige Pulverteilchen und Düsengase für umweltschutztechnische und wirtschaftliche Zwecke wiederzugewinnen. Schließlich ist eine Pulververflüssigungsvorrichtung zum Verflüssigen, Mitreißen und Vermischen der Pulverteilchen in dem Trägergas als Teil des Auftragsgerätes beinhaltet. Verfahren zur praktischen Ausführung der Erfindung durch gleichzeitiges Abscheiden und Verdichten von Pulverteilchen mit anderen metallischen oder nichtmetallischen Pulvergemischen zur Herstellung von porösen Materialien, Mehrfachbeschichtungen, funktional abgestuften Materialien, funktionalen In-situ oder Ex-situ-Verbundwerkstoffen werden offengelegt. Die vorgenannten Aspekte des vorliegenden Systems und Verfahrens werden nunmehr in den folgenden Abschnitten ausführlicher beschrieben werden.
1 zeigt das grundlegende Ausführungsbeispiel der in dieser Erfindung verwendeten Vorrichtung und des in dieser Erfindung verwendeten Verfahrens. Die Auskleidung 1 der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 wird verwendet, um in einem gerichteten Strahl von Trägergas 4 mitgerissene Pulverteilchen 3 zu beschleunigen.
Verfahren zur Herstellung, zum Mitreißen und Behandeln der Pulverteilchen 3 in dem Trägergas 4 sind in dem auf die hier vorliegenden Erfinder erteilten US-Patent 6,074,135 offengelegt worden. Die Arten von Pulverteilchen 3, die in dem Trägergas 4 mitgerissen werden können, sind unter anderem Pulver, bestehend aus Metallen, Legierungen, Niedertemperaturlegierungen, Hochtemperaturlegierungen, Superlegierungen, Hartlote, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, Nichtmetalle, Keramikwerkstoffe, Polymere und Gemische aus den genannten. Lötlegierungen auf Basis von Indium oder Zinn und Aluminiumlegierungen auf Basis von Silikon (zum Beispiel 4043, 4045 oder 4047) sind Beispiele für Niedertemperaturlegierungen, die im festen Zustand für Beschichtungen, Spitzformen und Verbinden verschiedener Materialien unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens abgeschieden und verdichtet werden können. Hochtemperaturlegierungen sind unter anderem NF616 (9Cr-2W-Mo-V-Nb-N), SAVE25 (23Cr-18Ni-Nb-Cu-N), Thermie (25Cr-20Co-2Ti-2Nb-V-Al) und NF12 (11Cr-2,6W-2,5Co-V-Nb-N). Superlegierungen sind unter anderem Legierungen auf Basis von Nickel, Eisennickel und Cobalt, die auf Seite 16-5 des Handbuches Metals Handbook, Desk Edition 1985, American Society for Metals, Metals Park, OH 44073, USA, genannt werden. Pulverteilchen 3, die mit einem anderen Metall beschichtet sind, wie zum Beispiel mit Nickel oder Cobalt beschichtete Wolframpulver, sind ebenfalls als eine besondere Art von Verbundpulver beinhaltet, die mit der Vorrichtung und dem Verfahren der Erfindung verwendet werden können.
Die bevorzugte Pulver-Teilchengröße für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren weist normalerweise eine breite Verteilung mit einer Obergrenze von Korngröße –325 (< 45 Mikrometer) auf. Jedoch können Pulverteilchengrößen von über 45 Mikrometer als Verstärkungsmittel für gleichzeitiges Abscheiden mit einem Matrixmaterial verwendet werden, um Metallmatrix-Verbundwerkstoffe auszubilden. Pulverteilchengrößen in dem Nanogrößenbereich können ebenfalls mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschieden und verdichtet werden.
Das Trägergas 4 wird aus einer Gruppe ausgewählt, die unter anderem Luft, Argon, Kohlenstofftetrafluorid, Carbonylfluorid, Helium, Wasserstoff, Methan, Stickstoff, Sauerstoff, Silan, Wasserdampf, Schwefelhexafluorid oder Gemische aus den genannten in verschiedenen Konzentrationen umfasst. Heliumgas ist wegen seiner Dichte, seiner ho hen Schallgeschwindigkeit und seines Spannungsdurchschlagsverhaltens, die zur Erzeugung von Plasma verwendet werden, ein bevorzugtes inertes Trägergas 4 zum Beschleunigen der Pulverteilchen 3 auf hohe Geschwindigkeiten in der Düsenauskleidung 1. Zusätzlich ermöglicht Helium, dass das Trägergas 4 und die Pulverteilchen 3 bei erhöhten Temperaturen thermisch konditioniert werden können, ohne dass die Pulverteilchen oxidiert oder chemisch zur Reaktion gebracht werden. Beimengungen von Argon in das Helium-Trägergas 4 ermöglichen verstärkte Beschleunigung von Pulverteilchen in der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2, während gleichzeitig eine Inertgasumgebung aufrecht erhalten wird. Spezifische Gemische von Trägergas 4 unter Verwendung von Helium, Wasserstoff, Argon und Stickstoff können zusätzlich angepasst werden, um ein Gemisch von Trägergas 4 mit einer hohen Schallgeschwindigkeit gleich der Schallgeschwindigkeit von reinem Heliumgas bereitzustellen und um gleichzeitig die Dichte des Trägergases 4 für maximale Beschleunigung von Pulverteilchen in der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 zu optimieren. Beimengungen anderer reaktionsfähiger Gase in dem Helium-Trägergas 4, wie zum Beispiel Wasserstoff, können verwendet werden, um chemisch mit den Pulverteilchen 3 zu reagieren, um Oxidschichten auf den Pulverteilchen 3 zu entfernen. Chemische und physikalische Behandlung von in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 kann weiterhin durch Beimengung verschiedener reaktionsfähiger Gase in verschiedenen Konzentrationen implementiert werden, wobei die Gase aus einer Gruppe ausgewählt werden, die unter anderem Luft, Wasserstoff, Kohlenstofftetrafluorid, Carbonylfluorid, Methan, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf, Silan, Schwefelhexafluorid oder Gemische aus den genannten umfasst.
Die Auskleidung 1 der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 dient der Beschleunigung von Pulverteilchen 3, die in einem Trägergas 4 mitgerissen werden, unter Verwendung eines achssymmetrischen konvergierenden Eintritts 5, der ein Stauchverhältnis Länge-zu-Hals 6 von wenigstens 10:1 aufweist. Vorzugsweise hat der achssymmetrische konvergierende Eintritt 5 ein Stauchverhältnis Länge-zu-Hals 6 von etwa 40:1. Der achssymmetrische konische Austritt 7, der auf den Hals 6 folgt, schränkt die Strömung des Trägergases 4 aufgrund der Strömungsreibung in Verbindung mit dem Trägergas 4 und den mitgerissenen Pulverteilchen 3 auf Konstantgeschwindigkeit (≤ Mach 1) ein. Die Kontur des konischen Austritts 7 ist gemäß der hinlänglich bekannten Beziehung für Durchmesseränderung als Funktion der Länge für Konstantgeschwindig keitsströmung vorgegeben (John, J.E.A., 1984 Edition (Ausgabe 1984), Gas Dynamics, Allyn and Bacon, Inc., Boston, MA, S. 196, Gleichung 9.36).
Gleichung (1) gibt die allgemeine Beziehung für adiabatische Strömung mit Reibung an, wobei f der Strömungsreibungskoeffizient ist, γ das Verhältnis von spezifischer Wärmekapazität für das Gemisch aus Trägergas 4 und Pulverteilchen 3 ist, M die Machzahl für die Strömung und A die Fläche des achssymmetrischen konischen Austrittabschnittes 7 als Funktion der Länge x ist. Für den Fall von Konstantgeschwindigkeitsströmung ist die Ableitung des zweiten Ausdruckes Null, was die Durchmesseränderung (D) des achssymmetrischen konischen Austritts 7 als Funktion der Länge (siehe Gleichung (2)) für einen kreisförmigen Querschnitt ergibt. Gleichzeitig maximiert die durch die Gleichung (2) vorgegebene Kontur 7 des achssymmetrischen konischen Austritts die Gasdichte in dem Abschnitt des achssymmetrischen konischen Austritts 7 wie durch die Gleichung (3) vorgegeben (für isentropische und adiabatische Strömung), jedoch nur für Unterschall- oder Schallströmung, wobei ρ_t die Gasdichte an dem achssymmetrischen konvergierenden Eintritt 5 ist. Somit ergibt die größte Gasdichte gewunden mit der Schallgeschwindigkeit des Gases die größte Widerstandskraft an den Pulverteilchen 3, um die größte Beschleunigung der Pulverteilchen 3 auf Geschwindigkeiten bis zu der Schallgeschwindigkeit des Trägergases 4 zu erzielen. Es ist zu beachten, dass Korrekturen an den Gleichungen (1) bis (3) erforderlich sind, um nichtadiabatische Strömungstheorie mit Reibung wie durch Gleichung 10.32 in John, J.A.E., 1984 Edition, Gas Dynamics, Allyn and Bacon, Inc., Boston, MA, S. 222, explizit zu berücksichtigen.
Das Stauchverhältnis Länge-zu-Hals 6 (Berechnungsgleichung (2) für Helium) wird mit 48:1 für den achssymmetrischen konischen Austrittsabschnitt 7 mit einer Medienströmungsreibung von 0,05 unter Verwendung von Heliumgas bei einer Konstantgeschwindigkeitsströmung von Mach 1 vorgegeben. Für Medienströmungsreibung von 0,15 würde sich das Stauchverhältnis Länge-zu-Hals 6 des achssymmetrischen konischen Austrittstabschnittes 7 auf 15:1 für Heliumgas bei einer Konstantströmungsgeschwindigkeit von Mach 1 reduzieren. Die oben genannte Durchmesseränderung hält die Dichte des Trägergases 4 in Bezug auf die Eintrittsgasdichte bei einem Maximalwert entlang der gesamten Länge des achssymmetrischen konischen Austrittsabschnittes 7 aufrecht wie durch die Gleichung (3) mit M ≤ 1,0 für isentropische Strömung nach Korrektur für nichtadiabatische Bedingungen mit Strömungsreibung vorgegeben. Das heißt, für Durchmesseränderungen des achssymmetrischen konischen Austrittsabschnittes 7 über die oben genannte (Gleichung (2)) hinaus wird die Dichte des Trägergases 4 (das heißt in Bezug auf die Eintrittsgasdichte) wie durch Gleichung (3) vorgegeben abnehmen, wenn die Ausdehnungsbedingung ermöglicht, dass das Gas Schallgeschwindigkeiten übersteigt. Für Durchmesseränderungen des achssymmetrischen konischen Austrittsabschnittes 7 von weniger als durch die obenstehende Beziehung (Gleichung (2)) vorgegeben andererseits wird die Medienströmungsreibung weiter die Geschwindigkeit des Trägergases 4 auf den Unterschallbereich verringern, wobei eine entsprechende Abnahme der Teilchengeschwindigkeit auftritt. Somit wird für die oben vorgegebene Durchmesseränderungsbedingung (Gleichung (2)) für den achssymmetrischen konischen Austrittsabschnitt 7 und gemäß dem oben vorgegebenen Stauchverhältnis Länge-zu-Hals 6 die Dichte des Trägergases 4 (in Bezug auf die Eintrittsgasdichte) sowohl in dem achssymmetrischen konvergierenden Eintrittsabschnitt 5 als auch in dem achssymmetrischen konischen Austrittsabschnitt 7 maximiert. In dem achssymmetrischen konvergierenden Eintrittsabschnitt 5 wird die Dichte des Trägergases 4 (in Bezug auf die Eintrittsgasdichte) vorhergesagt durch Anwendung isentropischer Strömungstheorie (Gleichung 3) und Ausgleichen der Strömungsreibung und nichtadiabatischen Strömungstheorie. In dem achssymmetrischen konischen Austrittsabschnitt 7 wird die Dichte des Trägergases 4 (in Bezug auf die Eintrittsgasdichte) auf einem Maximalwert (nach Korrektur für Strömungsreibungswirkungen und nichtadiabatische Strömung) entlang der Länge der Düse aufrecht erhalten. Diese Bedingung zusammen mit der Konstantschallgeschwindigkeit von Mach 1, die in dem achssymmetrischen konischen Austrittsabschnitt 7 aufrechterhalten wird, stellt maximale Widerstandskraft zur Beschleunigung der Pulverteilchen 3 über die gesamte Länge der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 bereit.
Die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse 2 engt die Pulverteilchen 3 und das Gemisch von Trägergas 4, das aus dem konischen Austrittsabschnitt 7 strömt, auf einen Strahl enger Querschnittsfläche ein, um Einströmen unerwünschten Gases in den Strom aus Trägergas 4 und den Abscheidungsbereich zu reduzieren. Zusätzlich tritt das Trägergas 4 aus der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 mit etwas weniger als Schallgeschwindigkeit aus, um einen nichtexpandierenden Unterschallstrahl zwischen dem Austritt der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 und dem Trägermaterial 12 für einen großen Bereich von Sicherheitsabständen der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 zu dem Trägermaterial 12 aufrechtzuerhalten.
Herkömmliche Venturi-Langdüsen, die in der Strahlmittel- und Sandstrahlindustrie zum Abschleifen und Reinigen von Oberflächen bei hohen Gasdrücken verwendet werden, sind nicht reibungskompensiert für die Pulverteilchen 3, die in dem Trägergas 4, das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, mitgerissen werden. Diese Düsen induzieren üblicherweise Überschallströmung von Druckluft und weisen einen Halsdurchmesser von mehr als 5 mm auf. Zusätzlich haben diese Düsen ein Durchmesserverhältnis Länge-zu-Hals von weniger als 10:1 für den konvergierenden Abschnitt und von 12:1 für den divergierenden Austritt einer Düse mit kreisförmigem Querschnitt. Die Auslegung dieser Überschalldüsen schließt an sich maximale Beschleunigung der Pulverteilchen 3 auf große Aufprallgeschwindigkeiten in dem Trägergas 4 gemäß der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung aus.
Die Querschnittsansicht der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 und insbesondere die in 1 gezeigte Auskleidung weist eine zylindrische Symmetrie um die Düsenachse herum auf; andere Konturen der Auskleidung 1, die die Strömung auf eine Konstantgeschwindigkeit mit Reibung von Mach 1 oder weniger begrenzen, sind eingeschlossen. Zum Beispiel ist auch ein konischer Austritt 7 mit elliptischer Kontur (elliptischem Querschnitt) in der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet. Wirksame Eingrenzungsbedingungen, die allgemein durch die Gleichungen 1 bis 3 vorgegeben werden, sind für reibungskompensierte Strömung nach wie vor erforderlich, jedoch erfordert die komplexe Geometrie von nichtkreisförmigen Querschnitten dreidimensionale Lösungen. Erneut sind Korrekturen für nichtadiabatische 3D-Strömungstheorie erforderlich, um genaue Lösungen für den elliptisch konturierten (Querschnitt) konischen Austritt 7 zu erhalten. 2 zeigt eine Draufsicht der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 zur Veranschaulichung der zylindrischen Symmetrie. Im Gegensatz dazu zeigt 3 den konischen Austritt 7 mit einem elliptisch konturierten Querschnitt für die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse 2.
Die Auskleidung 1 wird aus Werkstoffen hergestellt, die aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Metalle, Legierungen, Keramikwerkstoffe, Nichtmetalle oder Gemische der genannten umfasst, und die maschinell auf eine Oberflächengüte mit einem vorgegebenen Strömungsreibungswert für das kombinierte Gemisch aus Trägergas 4 und mitgerissenen Pulverteilchen 3 bearbeitet wird. Die Auskleidung 1 wird in dem Düsengehäuse 8 installiert bzw. mit diesem verbunden, um Austreten des Trägergases 4 durch die Verbindungsschnittstelle 9 zu verhindern. Das Düsengehäuse 8 weist geeignete Gewinde 10 oder Armaturen zum Anschluss über einen Hochdruckschlauch an eine Hochdruck-Pulverzuführvorrichtung, wie zum Beispiel die in dem auf Tapphorn und Gabel erteilten US-Patent 6,074,135, auf.
Ausströmendes Medium aus der reibungskompensierten Düse 2, umfassend das Trägergas 4 und die Pulverteilchen 3, wird in das Thermotransfer-Plasma 11 eingespritzt, das zwischen dem Austritt der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 und dem Trägermaterial 12 in relativ kurzen Sicherheitsabständen ausgebildet wird. Heliumgas wird häufig zur Herstellung atmosphärischen Plasmas verwendet (zum Beispiel US-Patent 5,961,772 und Laroussi, M., Juni 1196, „Sterilization of Contaminated Matter with an Atmospheric Pressure Plasma" IEEE Trans. on Plasma Science, Bd. 24, Nr. 3, S. 1188-1191), um Ionisierung zu begrenzen, die zu Bogenbildung führt, und ist das bevorzugte Trägergas 4 für die vorliegende Erfindung. Beimengungen von Sauerstoff oder anderen Gase in Helium werden häufig genutzt, um chemische Radikale oder metastabile Arten in atmosphärischen Plasmas (zum Beispiel US-Patent 5,961,772) für reaktives Ionenätzen von Oberflächen zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung umfasst die Zugabe von Beimengungen von Chemikalien zu dem Trägergas 4, um die Pulverteil chen 3 und das Trägermaterial 12 während der Abscheidung chemisch zur Reaktion zu bringen.
Die Arten von Trägermaterial 12, die beschichtet werden oder für Abscheidungs- und Verdichtungsflächen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, werden aus einer Gruppe ausgewählt, die unter anderem Metalle, Legierungen, Niedertemperaturlegierungen, Hochtemperaturlegierungen, Superlegierungen, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, Nichtmetalle, Keramikwerkstoffe, Polymere und Gemische der genannten umfasst.
Das Thermotransfer-Plasma 11 wird unter Verwendung eines herkömmlichen HF-Generators 13 erzeugt, der über ein Anpassungsnetzwerk 14 so gekoppelt ist, dass sich das Trägermaterial 12 an dem HF-Anodenpotential 15 und die Düse an dem HF-Kathodenpotential 16 befinden. Diese Anordnung ermöglicht Elektronenfluss zu dem Trägermaterial 12 hin, der zusätzlich verwendet wird, um das Thermotransfer-Plasma 11 an das Trägermaterial 12 anzuziehen, um das Trägermaterial 12 zu erwärmen, zu ätzen und zu reinigen. Eine Umkehrpolarität-Verbindung (in 1 nicht explizit gezeigt) wird ebenfalls mit der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2, die mit dem HF-Anodenpotential 15 verbunden wird, und dem Trägermaterial 12, das mit dem HF-Kathodenpotential 16 verbunden wird, versehen. Das Leistungsniveau des HF-Generators 13 wird eingestellt, um die Pulverteilchen 13 während ihrer Durchgangszeit durch das Thermotransfer-Plasma 11 zu erwärmen.
Gleichzeitiges Koppeln der kinetischen Energie der Pulverteilchen 3, die auf den Aufprallprozess übertragen werden, mit der Senkung der Dehngrenze der Pulverteilchen 3 und des Trägermaterials, induziert durch Erwärmen (thermoplastisches Konditionieren), ermöglicht Festkörperabscheidung und Verdichtung verschiedener Werkstoffe über thermisch abhängige plastische Verformung. Dieses Verfahren ergibt hochwertige Beschichtungen 17 mit geringer Porosität, geringer Oxidation und minimalem Wärmeverzug. Die Reduzierung von Oxidation und chemischer Verbrennung der Pulverteilchen 3 wird erzielt, da das Verfahren das Vermischen und Mitreißen von Luft und unerwünschten Gasen in den gerichteten Strahl von Inertgas vor der Abscheidung oder Verdichtung auf dem Trägermaterial 12 bei relativ kurzen Sicherheitsabständen reduziert. Das Verfahren ergibt weiterhin Abscheidungen und Verdichtungen mit einer einzigartigen Na nostruktur und Mikrostruktur und ermöglicht Spritzformen, Verbinden und Verschmelzen verschiedener Werkstoffe. Die Beschichtung 17 wird auf eine große Fläche des Trägermaterials 12 gespritzt, indem die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse 2 mit Geschwindigkeiten, die Abscheidungen auf eine vorgegebene Dicke ermöglichen, in einem Raster umgesetzt oder translatorisch bewegt wird.
Das Kühlen der Auskleidung 1 erfolgt mit großen Strömungsgeschwindigkeiten des Trägergases 4 durch die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse 2. Zusätzliches Kühlen des Düsengehäuses 8 wird erforderlichenfalls durch fließendes Wasser oder andere Kühlmittel durch die Kühlspule 18 bereitgestellt. Schließlich wird ein Inertgasschutz 19 bereitgestellt, indem ein Inertgas durch eine Vielzahl von Leitungen 20, die in der Wand des Düsengehäuses 8 in Umfangsrichtung verteilt sind, eingespritzt wird. Der Inertgasschutz 19 wird verwendet, um Einströmen von Luft oder anderen unerwünschten verunreinigenden Gasen, die oxidieren oder auf andere Weise mit der Beschichtung 17 chemisch reagieren oder das Plasma unterbrechen können, in das Plasma zu reduzieren. Die Vielzahl von Leitungen 20 können gleichzeitig von einer Quelle von Inertgas gespeist werden, indem eine Umfangs-Sammelleitung 21 verwendet wird, die das Düsengehäuse 8 umgibt.
4 zeigt die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse 2, die für die Anwendungen des Spritzformens, Verbindens oder Verschmelzens von Werkstoffen unter Verwendung von Pulverteilchen 3 verwendet wird, wobei diese durch das fokussierte Thermotransfer-Plasma 11 gerichtet sind, das zwischen der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 und dem Trägermaterial 12 unter Verwendung des HF-Generators 13 und des Anpassungsnetzwerkes 14 gebildet wird. Bei dem Verfahren von Spritzformen, Verbinden oder Verschmelzen bildet die Abscheidung eine erhabene Auskehlung 22 wie in 4 gezeigt. Die erhabene Auskehlung 22 stellt die Mittel zum Fokussieren des Thermotransfer-Plasmas 11 auf das Trägermaterial 12 bereit, um das Erwärmen und Schmelzen des zuvor bereits abgeschiedenen Materials zu verbessern. In diesem konkreten Beispiel wird das Trägermaterial 12 als zwei getrennte Teile 23 und 24 dargestellt, die als Stumpfschweißverbindung durch Spritzformen einer erhabenen Auskehlung 22 verbunden werden. In Abhängigkeit von der Auswahl der Pulverteilchen 3, des Trägermaterials 12 und des eingesetzten HF-Generators 13 können somit die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für Spritz formen von Werkstoffen, sondern auch für Verbinden von gleichen und ungleichen Werkstoffen durch Verschmelzen von Werkstoffen verwendet werden.
5 zeigt eine Abänderung des grundlegenden Ausführungsbeispieles der Erfindung, die eine HF-Induktionsspule 25 umfasst, die das Düsengehäuse 8 umgibt, um ein Thermotransfer-Plasma 11 in dem achssymmetrischen konischen Austritt 7 der Auskleidung 1 zu erzeugen. In dieser Ausführung weisen die Werkstoffe für das Düsengehäuse 8 und die Auskleidung 1 einen hohen spezifischen Widerstand auf, um die HF-Induktionsspule 25 zu isolieren und um Durchdringung des HF-Feldes in die Kavitationsblase des achssymmetrischen konischen Austritts 7 zu ermöglichen. Die HF-Induktionsspule 25 ist aus Messing- oder Kupfermaterialien gefertigt, um hohe Leitfähigkeit für die Hochfrequenzleistung bereitzustellen. Wasser oder andere Fluide, die durch die HF-Induktionsspule 25 strömen, werden verwendet, um die Spulen und das Düsengehäuse 8 zu kühlen. Der HF-Generator 13 ist über das Anpassungsnetzwerk 14 mit der Induktionsspule 25 mit der Erdrückleitung mit der Anschlussklemme des Kathodenpotentials 16 des Anpassungsnetzwerkes 14 verbunden. Das Thermotransfer-Plasma 11 wird bei dieser Ausführung an das Trägermaterial 12 angezogen, indem eine DC-Vorspannungsquelle 26 zwischen dem Trägermaterial 12 und der Metallspitze 27 des Austritts des Düsengehäuses 8 angeschlossen wird. Die in 5 gezeigte Ausführung wird für Spritzformen, Verbinden oder Verschmelzen von Werkstoffen unter Verwendung von Pulverteilchen 13 verwendet, die in dem Thermotransfer-Plasma 11, das zwischen der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 und dem Trägermaterial 12 ausgebildet wird, thermoplastisch konditioniert werden. Die erhabene Auskehlung 22 stellt die Mittel zum Fokussieren des Thermotransfer-Plasmas 11 auf das Trägermaterial 12 bereit, um das Erwärmen und Schmelzen des bereits abgeschiedenen Materials zu verbessern. Die in 1 gezeigte diffuse Ausführung des Thermotransfer-Plasmas 11 für Anwendungen von Beschichtung 17 ist ebenfalls als alternative Ausführung der in 5 beschriebenen Vorrichtung beinhaltet, wobei die DC-Vorspannungsquelle 26 verwendet wird, um das diffuse Thermotransfer-Plasma 11 an das Trägermaterial 12 anzuziehen.
Eine selbstverzehrende Düsenalternative der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 wird in 5 gezeigt. In diesem Fall ist die Metallspitze 27 entfernbar und wird als selbstverzehrendes Material verwendet, das mit dem Elektronenstrom des Thermotransfer-Plasmas 11, das zu der Metallspitze 27 hin gerichtet ist, verdüst werden kann, wobei die DC-Vorspannungsquelle 26 verwendet wird. Die HF-Leistung des HF-Generators 13 wird erhöht, um weiteres Erwärmen der selbstverzehrenden Metallspitze 27 in dem Inertgas, das durch das Trägergas 4 und den Inertgasschutz 19 bereitgestellt wird, zu ermöglichen. Das verdüste Material von der selbstverzehrenden Metallspitze 27 wird in das ausströmende Medium eingearbeitet, das die Pulverteilchen 3 und das Trägergas 4 umfasst und auf das Trägermaterial übertragen wird, das als zwei getrennte Teile 23 und 24 (1 Trägermaterial 12) durch das Thermotransfer-Plasma 11 dargestellt wird. Verdüstes Material von der selbstverzehrenden Metallspitze 27 wird verwendet, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Beschichtung 17 (1) oder der Materialien der spritzgeformten erhabenen Auskehlung 22 zu verändern.
Die in 5 beschriebene alternative selbstverzehrende Düse kann ebenso implementiert werden, indem die in 4 beschriebene Ausführung der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 in Kombination mit der selbstverzehrenden Metallspitze 27 verwendet wird. In diesem Fall wird eine Umkehrpolarität des Anpassungsnetzwerkes 14 verwendet, um das Anodenpotential 15 mit dem Düsengehäuse 8 zu verbinden, während das als zwei getrennte Teile 23 und 24 dargestellte Trägermaterial mit dem Kathodenpotential 16 verbunden wird.
Alternativ dazu werden die Pulverteilchen 3 auf herkömmliche Weise thermoplastisch konditioniert, indem das Gemisch aus Trägergas 4 und Pulverteilchen 3 durch einen Pulverreaktor strömen gelassen wird, der aus einem Widerstandsheizelement oder einem Induktionsheizelement besteht, wie es in dem auf Tapphorn und Gabel erteilten US-Patent 6,074,135 beschrieben wird. Oder, wie 6 zeigt, ein ergänzendes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet eine Hochdruckplasma-Reaktionskammer 28 zum Erwärmen bzw. Ionisieren eines Gemisches aus Trägergas 4 und Pulverteilchen 3. Beimengungen von Chemikalien können ebenfalls zu dem Trägergas 4 zugegeben werden, um die Pulverteilchen 3 oder das Trägermaterial 12 chemisch zur Reaktion zu bringen (1). In einer Ausführung der Plasma-Reaktionskammer 28 wird das durch den Stutzen 29 eingespritzte Trägergas 4 zuerst in der Plasma-Reaktionskammer 28 erwärmt bzw. ionisiert. In dem Trägergas 4 mitgerissene Pulverteilchen 3 werden im Wesentlichen nachgeschaltet durch den Stutzen 30 eingespritzt, um die Pulverteilchen 3 vor der Beschleuni gung durch die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse 2 zu erwärmen bzw. chemisch zur Reaktion zu bringen. Der Abstand zwischen der Plasma-Reaktionskammer 28 und dem nachgeschalteten Einspritzstutzen 30 ist durch Verwendung von Rohr 31 unterschiedlicher Länge einstellbar ausgeführt. Der geeignete Abstand wird durch die Gastemperatur bestimmt, die erforderlich ist, um die in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 zu erwärmen, und durch die Dauer der Exposition des Reaktionspartners, die erforderlich ist, um chemische Behandlung der Pulverteilchen 3 oder des Trägermaterials 12 zu erzielen. Die Erfindung reduziert Oxidation und chemische Verbrennung der Pulverteilchen 3 durch thermoplastisches Konditionieren der Pulverteilchen 3 in einer Umgebung aus inertem Trägergas 4 bei relativ niedrigen Temperaturen im Vergleich zu fast geschmolzenen (nahe dem Schmelzpunkt) oder geschmolzenen Pulverteilchen 3.
In einem abgeänderten Betrieb der Plasma-Reaktionskammer 28 können die in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 durch den Stutzen 29 eingespritzt werden, um die Pulverteilchen in situ in dem in der Plasma-Reaktionskammer 28 erzeugten Plasma zu erwärmen, zu ionisieren und chemisch zur Reaktion zu bringen. Auch hier können wieder Beimengungen von Chemikalien zu dem Trägergas 4 zugegeben werden, um die Pulverteilchen 3 und/oder das Trägermaterial 12 chemisch zur Reaktion zu bringen (1). Beimengungen von in dem Trägergas 4 mitgerissenen gleichen oder unterschiedlichen Pulverteilchen 3 können ebenfalls wahlweise nachgeschaltet durch den Stutzen 30 eingespritzt werden, um die Pulverteilchen 3 unter modifizierten Bedingungen (zum Beispiel niedrigere Temperatur oder minimale Ionisierung) vor der Beschleunigung durch die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse 2 zu erwärmen oder chemisch zur Reaktion zu bringen. Dieser abgeänderte Betrieb stellt die Mittel bereit, um verschiedene Arten von Pulverteilchen 3 mit verschiedenen Graden aufgebrachter Wärme oder chemischer Reaktionsfähigkeit zu vermischen.
Das Thermoplasma 32 wird in dem Umfangskanal 33 zwischen der Spitze der Mittelelektrode 34 und dem konzentrischen Elektrodengehäuse 35 erzeugt. Die Mittelelektrode 34 ist mit dem HF-Anodenpotential 15 des Anpassungsnetzwerkes 14 verbunden, das mit dem HF-Generator 13 verbunden ist. Analog dazu ist das konzentrische Elektrodengehäuse 35 mit dem HF-Kathodenpotential 16 des Anpassungsnetzwerkes 14 verbunden, das mit dem HF-Generator 13 verbunden ist. Umkehrpolarität, bei der die Mittelelektrode 34 mit dem HF-Kathodenpotential 16 verbunden ist und das konzentrische Elektrodengehäuse 35 mit dem HF-Anodenpotential 15 verbunden ist, ist ebenfalls in der Betriebsanordnung der Plasma-Reaktionskammer 28 beinhaltet. In diesem Fall muss das konzentrische Elektrodengehäuse 35 elektrisch für HF-Spannungen und HF-Frequenzen isoliert sein. Die HF-Leistung ist durch einen elektrischen Stopfen 36, der zwischen der Mittelelektrode 34 und dem konzentrischen Elektrodengehäuse 35 eingebaut ist, für HF-Spannungen und HF-Frequenzen elektrisch isoliert. Der Leistungsausgang des HF-Generators 13 wird eingestellt, um geeignete Erwärmung der in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 zu erzielen. Alternativ dazu kann die Mittelelektrode 34 mit einer herkömmlichen Allstromversorgung verbunden werden, die mit einer Hochfrequenz-Lichtbogenzündungsvorrichtung/Stabilisierungsvorrichtung verbunden ist, um ein Thermoplasma 32 oder einen Lichtbogen in dem Umfangskanal 33 zwischen der Spitze der Mittelelektrode 34 und dem konzentrischen Elektrodengehäuse 35 zu erzeugen. Üblicherweise wird für Aluminiumteilchen von 20 Mikrometer in Heliumgas bei einem Druck von 100 psig und Strömungsgeschwindigkeiten von 15 SCFM eine HF-Leistung von 500 bis 1000 Watt benötigt, um die Aluminiumteilchen auf eine Temperatur von 400 Kelvin zu erwärmen.
Kühlung der Mittelelektrode 34 wird erreicht, indem ein Teil des Trägergases 4 durch das Rohr 37 strömen gelassen wird. Optionales Kühlen des konzentrischen Elektrodengehäuses 35 wird erreicht, indem Kühlflüssigkeit (zum Beispiel Wasser) durch den ringförmigen Umfangshohlraum 38 strömen gelassen wird, der über den Einlassstutzen 39 und den Auslassstutzen 40 in das konzentrische Elektrodengehäuse 35 hinein ausgebildet ist.
7 zeigt ein verschachteltes Ausführungsbeispiel einer Vakuumkammer 41 mit einer wahlweisen äußeren koaxialen Vakuumdüse 42, die die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse 2 umgibt, um die Zweiphasenrückgewinnung des Trägergases 4 und der überschüssigen Pulverteilchen 3 aufzunehmen. Die äußere koaxiale Vakuumdüse wurde zuerst in den US-Patenten 5,795,626 und 6,074,135, erteilt auf die vorliegenden Erfinder zur Anwendung mit Überschalldüsen, beschrieben. Zweiphasiges ausströmendes Medium, umfassend das Trägergas 4, überschüssige Pulverteilchen 3 und anderes abgeschmolzenes Trägermaterial 12, wird aus der äußeren Vakuumkammer 41 und der äußeren koaxialen Vakuumdüse 42 und durch die Stutzen 43 bzw. 44 unter Verwendung eines herkömmlichen Staubabscheiders evakuiert. Der Staubabscheider (ähnlich herkömmlichen Teilchen-Ausfällungs-Vorrichtungen und Filtervorrichtungen; US-Patent Nr. 5,035,089 Tillman et al. oder US-Patent 4,723,378 VanKuiken, Jr. et al.) verwendet ein Abzugs-Sauggebläse, um die überschüssigen Pulverteilchen 3 und in dem Trägergas 4, in Luft oder anderen Gasen mitgerissenes abgeschmolzenes Trägermaterial zu evakuieren und zu filtern.
Das Trägergas 4, die Luft oder andere Gase können aus wirtschaftlichen Beweggründen unter Verwendung herkömmlicher Diffusions- oder Tieftemperatur-Extraktionsverfahren gereinigt, erneut verdichtet und zurückgeführt werden. Die überschüssigen Pulverteilchen 3 können ebenso für umweltschutztechnische oder wirtschaftliche Zwecke zurückgeführt werden.
Die Kontur der äußeren koaxialen Vakuumdüse 42 ist so ausgelegt, dass zweiphasige fluiddynamische Rückgewinnung des Trägergases 4, der Überschuss-Pulverteilchen 3 und des abgeschmolzenen Trägermaterials 12 aufgenommen werden kann. Dieses besondere Ausführungsbeispiel der äußeren koaxialen Vakuumdüse 42 stellt einen gasführenden Kanal 45 zwischen der äußeren koaxialen Vakuumdüse 42 und dem Trägermaterial 12 bereit. Das Einströmen von Gas durch den gasführenden Kanal 45 stellt ein fluiddynamisches Gaslager bereit und hindert umweltschädliche Materialien am Austreten in die Atmosphäre. In einer alternativen Ausführung wird die Lippe 46 der äußeren koaxialen Vakuumdüse 42 in direktem Kontakt mit dem Trägermaterial 12 angebracht, um eine Dichtung auszubilden. Zusätzlich zu der kombinierten Anwendung einer äußeren Vakuumkammer 41 mit einer äußeren koaxialen Vakuumdüse 42 kann weiterhin eine Vielzahl von verschachtelten äußeren Vakuumkammern 41 verwendet werden, um Differential-Gasdiffusionssperren bereitzustellen. Dieser Ansatz hält die Konzentration eines konkreten Bestandteiles des Trägergases 4 (zum Beispiel Helium) auf einem ausreichend hohen Niveau vor, um wirtschaftliche Rückgewinnung des jeweiligen Bestandteiles zu ermöglichen.
8 zeigt eine Pulververflüssigungsvorrichtung 47, die geeignet ist für die Anwendung mit den reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüsen 2 der vorliegenden Erfindung. Die Pulververflüssigungsvorrichtung 47 umfasst einen Trichter 48, eine Mischvorrichtung 49, einen Einlassstutzen 50 und einen Auslassstutzen 51. Die Pulver verflüssigungsvorrichtung 47 verflüssigt und reißt ein Schüttpulver 52 als Pulverteilchen 3 in einem Trägergas 4 mit. Die Pulververflüssigungsvorrichtung 47 kann ein im Wesentlichen gleichförmiges Gemisch aus Pulverteilchen 3 und Trägergas 4 erzeugen und ermöglicht, dass eine hohe Konzentration von Pulverteilchen 3 verflüssigt und in dem Trägergas 4 mitgerissen wird.
Der Trichter 48 ist ein Gefäß, ein Behälter oder ein herkömmlicher Trichter, der für die Aufnahme von Schüttpulver 52 ausgelegt ist. Der Trichter 48 umfasst einen Deckel 53, O-Ringe 54, Schrauben 55 und einen Stopfen 56. Der Deckel 53 ist auf dem Trichter 48 installiert und abgedichtet für Hochdruckbetrieb mit einem oder mehreren O-Ringen 54, indem der Deckel 53 mit den Schrauben 55 befestigt wird. Der Stopfen 56 kann verwendet werden, um einen Entleerungsstutzen in dem Trichter 48 abzudichten und um zu ermöglichen, dass Schüttpulver 52 aus dem Trichter 48 abgelassen wird.
Der Einlassstutzen 50 leitet Trägergas 4 in den Trichter 48 ein. Die Mischvorrichtung 49 kann eine mechanische oder eine Gasverflüssigungs-Vorrichtung sein, die Schüttpulver 52 und Trägergas 4 vermischt, um Pulverteilchen 3 zu verflüssigen und in dem Trägergas 4 mitzureißen. Dieses Gemisch in der Form von Pulverteilchen 3, die in dem Trägergas 4 mitgerissen werden, tritt sodann durch den Auslassstutzen 51 aus und kann zwecks Behandlung zu einem Pulverreaktor oder wie oben beschrieben zu der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 geleitet werden. Mehr als eine Pulververflüssigungsvorrichtung 47 kann parallel eine Vielzahl von reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüsen 2 beschicken. Die Verwendung von mehreren Pulververflüssigungsvorrichtungen 47, die über eine Sammelleitung mit einer einzelnen reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 oder mit mehreren reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüsen 2 verbunden sind, ermöglicht das Mischen verschiedener Arten von Schüttpulvern 52 oder verschiedener Arten von Trägergasen 4.
Die Mischvorrichtung 49 kann ein Rührwerk 57 umfassen, das mit verschiedenen kontrollierten Drehzahlen angetrieben werden kann. Das Rührwerk 57 kann ein Propellerrührwerk oder eine ähnliche schneckenähnliche Vorrichtung sein, die mit ausreichend hohen Drehzahlen betrieben werden kann, um Schüttpulver 52 anzuheben und in Trägergas 4 hinein zu schleudern. Das Rührwerk 57 ist an einen Motor 58 gekoppelt, der mit Montagebügeln 59 an dem Deckel 53 befestigt ist und über eine Welle 60 mit dem Rührwerk 57 gekoppelt ist. Die Welle 60 kann sich unter Verwendung einer oder mehrerer Dichtbuchsen 61, die für Betrieb bei hohem Druck in einer abrasiven Umgebung ausgelegt sind, in dem Deckel 53 drehen. Das Rührwerk 57 kann ebenso eine Förderkette sein, die mit Eimern ausgerüstet ist, die das Schüttpulver 52 anheben und in das Trägergas 4 kippen. Die Drehzahl des Motors 58, der mit dem Rührwerk 57 verbunden ist, kann weiterhin eingestellt und geregelt werden, um eine bestimmte Beladekonzentration der in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 vor dem Auswurf in den Auslassstutzen 51 zu erzielen. Dieser Verflüssigungsprozess ist wirksam im Auswählen und Mitreißen einer Verteilung von Pulverteilchengrößen von Schüttpulver 52 durch Ausgleichen des Auftriebs und der Strömungskräfte, die von dem Trägergas 4 auf die Pulverteilchen 3 gegen die Schwerkraft-Absinkkraft ausgeübt wird. Ein herkömmlicher mechanischer oder elektrischer Vibrator (in 8 nicht explizit gezeigt) ist üblicherweise außen an dem Trichter 48 befestigt, um das Schüttpulver 52 auf den Boden des Trichters 48 zu schütteln, wenn die Vibration des Rührwerkes 57 nicht ausreichend ist.
Die Mischvorrichtung 49 kann ebenfalls einen oder mehrere Verflüssigungsstutzen 62 umfassen, der oder die in den Wänden des Trichters 48 und unter dem Pulverfüllstand in dem Trichter 48 positioniert wird oder werden. Jeder der Verflüssigungsstutzen 62 ist entlang der Seitenwand des Trichters 48 angeordnet, um Verflüssigung des Schüttpulvers 52 als Funktion der Tiefe bereitzustellen. Jeder der Verflüssigungsstutzen 62 kann Filter 63 aus Sintermetall umfassen, um Trägergas 4 gleichförmig einzuspritzen und um Rückstau von Schüttpulver 52 in die Verflüssigungsstutzen 62 hinein zu vermeiden. Der Druck des Trägergases 4, das in die Verflüssigungsstutzen 62 eingespritzt wird, kann höher als der Druck des Trägergases 4 eingestellt werden, das in den Einlassstutzen 50 eingespritzt wird, und die Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases 4 kann eingestellt und gesteuert werden, um geeignete Verflüssigung des Schüttpulvers 52 zu erzielen.
Die Mischvorrichtung 49 kann ebenso aus einem beweglichen Verflüssigungsstutzen 64 bestehen, der mit dem Ende eines Rohres 65 mit einem Filter 63 aus Sintermetall wie in 9 gezeigt verbunden ist. Das Rohr 65 erstreckt sich durch den Deckel 53 mit den O-Ring-Dichtungen 66 hindurch und ist mit einem Antriebsmechanismus 67 (zum Beispiel ein Linearmotor) verbunden, um die Höhe des beweglichen Verflüssigungsstutzens 64, der mit dem Ende des Rohres 65 verbunden ist, in Bezug auf den Pulverfüllstand des Schüttpulvers 52 zu verändern. Durch Messen der Massenverlustrate des Schütt pulvers 52, das aus dem Trichter 48 abgezogen wird, oder durch Messen der Pulverströmungsgeschwindigkeit durch den Auslassstutzen 51 kann die Höhe des beweglichen Verflüssigungsstutzens 64 verändert werden, um eine bestimmte Pulverströmungsgeschwindigkeit zu erzielen. Üblicherweise werden herkömmliche elektronische oder Software-Proportional-Intergal-Differential-Regler (PID-Regler) verwendet, die die Pulverströmungsgeschwindigkeit messen und beproben, um den Antriebsmechanismus 67 auf einen bestimmten Sollwert einzustellen und auf diesem zu halten. Auch hier ist ein herkömmlicher mechanischer oder elektrischer Vibrator (in 9 nicht explizit gezeigt) außen an dem Trichter 48 angebracht, um das Schüttpulver 52 auf den Boden des Trichters 48 zu schütteln.
BEISPIEL 1
Unter Bezugnahme auf die 8 und 9 wird ein Schüttpulver 52 in einen Trichter 48 der Pulververflüssigungsvorrichtung 47 eingegeben, und der Druck des Trägergases 4, das in den Einlassstutzen 50 eingespritzt wird, wird auf einen Wert in dem Bereich von 345 bis 1724 kPa (50 bis 250 psig) eingeregelt. Das Trägergas 4 kann unter anderem Luft, Argon, Kohlenstofftetrafluorid, Carbonylfluorid, Helium, Wasserstoff, Methan, Stickstoff, Sauerstoff, Silan, Wasserdampf, Schwefelhexafluorid oder Gemische aus diesen in verschiedenen Konzentrationen umfassen. Das Trägergas 4 wird in die Verflüssigungsstutzen 62 und den beweglichen Verflüssigungsstutzen 64 aus 9 eingespritzt und auf einen höheren Druck bis zu 500 psig eingeregelt. Der Differenzdruck zwischen dem Trägergas 4, das in die Verflüssigungsstutzen 62 eingespritzt wird, und dem Trägergas 4, das in den Einlassstutzen 50 eingespritzt wird, wird in Abhängigkeit von dem Ort und der Tiefe eines jeden Verflüssigungsstutzens 62 in Bezug auf das Schüttpulver 52 auf bestimmte Werte eingeregelt. Das Trägergas 4, das an der größten Tiefe in dem Schüttpulver 52 in einen Verflüssigungsstutzen 62 eingespritzt wird, hat den größten Differenzdruck und liegt üblicherweise 272 bis 689 kPa (25 bis 100 psig) oberhalb des Druckes des Einlassstutzens 60. Analog dazu wird das Trägergas 4, das in einen Verflüssigungsstutzen 62 oder in den beweglichen Verflüssigungsstutzen 64 aus 9 nahe der Oberkante des Schüttpulvers 52 eingespritzt wird, auf einen Differenzdruck von etwa 0 bis 50 psig über dem Druck des Einlassstutzens 50 eingeregelt. Das Trägergas 4, das in die Verflüssigungsstutzen 62 oder in den beweglichen Verflüssigungsstutzen 64 aus 9 eingespritzt wird, kann von der gleichen Art sein wie das Trägergas 4, das in den Prozessleitungs-Einlassstutzen 50 eingespritzt wird, oder es kann ein davon unterschiedliches Gas sein, um ein Gemisch davon zu erzielen. Die in 8 beschriebene Pulververflüssigungsvorrichtung 47 kann Pulverteilchen 3 in dem Trägergas 4 bei Konzentrationen von bis zu fünf Masseprozent mitreißen, jeweils in Abhängigkeit von der Dichte und der Teilchengröße des Schüttpulvers 52 und des Differentialdruckes, der an den Verflüssigungsstutzen 62 verwendet wird. Bei dieser Konzentration wurden Beschichtungs-Abscheidungsraten von bis zu 0,4536 kg/h (1,0 lbm/h) unter Verwendung der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 mit einem Halsdurchmesser von 1,5875 mm (0,0625 Zoll) mit einer Verteilung von Pulvergrößen von bis zu 45 Mikrometer im Durchmesser und für verschiedene Dichten der Pulverteilchen von bis zu 19 g/cm³ gemessen. Durch Hinzufügen eines Rührwerkes 57 in der Form einer drehenden Dosierschraube mit einer Drehzahl in dem Bereich von 0 bis 200 U/min. wird das Schüttpulver 52 angehoben und in dem Trägergas 4 mitgerissen, um erhöhte Konzentrationen von Pulverteilchen 3 von bis zu 25 Masseprozent in dem Trägergas 4 zu erzielen. Dies ermöglicht erhöhte Abscheidungsraten von bis zu 2,268 kg/h (5 lbm/h) für eine reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse 2 mit einem Halsdurchmesser von 1,5875 mm (0,0625 Zoll). Die Abscheidungsraten und die erforderlichen Pulver-Beschickungsraten werden nach dem Halsdurchmesser der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 eingeteilt, was entsprechende erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten des Trägergases 4 erfordert. Die Strömungsgeschwindigkeiten und die Drücke des Trägergases 4 in Kombination mit den Drehzahlen, dem Durchmesser und der Steigung der Dosierschraube stellen ein Verfahren zum Mitreißen von Pulverteilchen 3 bei bestimmten Konzentrationen in dem Hochdruck-Trägergas 4 bereit sowie zum nachfolgenden Einspritzen in den Hochdruck-Auslassstutzen 51. Abscheidungsraten von über 2,268 kg/h (5 lbm/h) sind unter Verwendung der in 9 beschriebenen Pulververflüssigungsvorrichtung 47 erzielt worden, wobei der bewegliche Verflüssigungsstutzen 64 durch den Antriebsmechanismus 67 auf einer Tiefe von 3 cm unterhalb des Füllstandes des Schüttpulvers 52 in dem Trichter 48 gehalten wird. Somit überwinden die in den 8 und 9 beschriebenen Pulververflüssigungsvorrichtungen 47 die Beschränkungen hinsichtlich des gleichförmigen Beschickens von Schwerkraft- oder Getriebe-Pulverdosier-Zuführvorrichtungen in Bezug auf das Einspritzen von nanoskaligen, Feinst- oder Feinpulvern in eine Hochdruck-Prozessleitung bei niedrigen Fluidgeschwindigkeiten (< 50 m/s).
10 zeigt einen Pulverreaktor 68, der für die Anwendung mit der in dieser Erfindung beschriebenen Vorrichtung und dem in dieser Erfindung beschriebenen Verfahren zum Abscheiden und Verdichten von Pulverteilchen 3 auf Trägermaterialien 12 geeignet ist. Der Pulverreaktor 68 umfasst einen Hohlraum 69, eine Behandlungsvorrichtung 70, einen Einlassstutzen 71 und einen Auslassstutzen 72. Der Pulverreaktor 68 ermöglicht das Vermischen und Behandeln von Pulverteilchen 3, die entweder durch eine herkömmliche Pulverbeschickungsvorrichtung, die für Betrieb unter Hochdruck modifiziert wurde, oder durch die in den 8 und 9 gezeigte Pulververflüssigungsvorrichtung 47 in den Hohlraum 69 eingespritzt. Eine oder mehrere herkömmliche Pulverbeschickungsvorrichtung(en) oder die Pulververflüssigungsvorrichtung 47 kann oder können verwendet werden, um verschiedene Arten von Pulverteilchen 3 in den Einlassstutzen 71 einzuspritzen. Die Pulverteilchen 3 werden in dem Pulver-Hohlraum 69 vermischt und behandelt. Dieses Vermischen und Behandeln kann durch die Behandlungsvorrichtung 70 unterstützt werden. Ein oder mehrere Auslassstutzen 72 kann oder können mit einer Vielzahl von reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüsen 2 der vorliegenden Erfindung oder mit anderen Anwendungen, die ein Vermischen und Behandeln von Schüttpulvern 52 erfordern, verbunden werden.
Der Deckel 53, der O-Ring 54, die Schrauben 55 und ein Stopfen 56 verschließen den Hohlraum 69. Der Stopfen 56 kann verwendet werden, um einen Entleerungsstutzen in dem Hohlraum 69 abzudichten und um das Entleeren von Schüttpulver 52 aus dem Hohlraum 69 zu ermöglichen.
Der Einlassstutzen 71 leitet in dem Trägergas 4 mitgerissene Pulverteilchen 3 in den Hohlraum 69 ein. Die Behandlungsvorrichtung 70 bewirkt bzw. unterstützt die Behandlung des als Pulverteilchen 3 in dem Trägergas 4 mitgerissen Schüttpulvers 52. Dieses behandelte Gemisch aus Pulverteilchen 3 in dem Trägergas 4 tritt durch den Auslassstutzen 72 aus und wird zu der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 geführt. Mehr als ein Pulverreaktor 68 kann für paralleles Beschicken einer Vielzahl von reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüsen 2 verwendet werden.
Die von dem Pulverreaktor 68 ermöglichten Vorgänge des Vermischens und der Pulverbehandlung sind von den konkreten Anforderungen für die Behandlung der in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 abhängig. Ein Ausführungsbeispiel verwendet einfach den Hohlraum 69, um die Pulverteilchen 3 in dem schwimmenden und wirbelnden Trägergas 4 nach Größe und Gewicht zu trennen, wobei überschüssige Pulverteilchen 3 in dem Boden des Hohlraumes 69 zurückgewonnen werden. Die Platzierung des Einlassstutzens 71 und des Auslassstutzens 72 dient der Beprobung des wirbelnden Gemisches an unterschiedlichen räumlichen Stellen, um die Pulvermassenströmungskonzentration oder die Verflüssigungs- und Vermischungsbedingungen von Projektilteilchen 3, die in den Pulverreaktor 68 eingespritzt werden, zu verändern.
Die Behandlungsvorrichtung 70 kann einen oder mehrere Verflüssigungsstutzen 62 umfassen, der oder die an verschiedenen Stellen entlang der Wände des Hohlraumes 69 positioniert wird oder werden. Jeder der Verflüssigungsstutzen 62 kann einen Filter 63 aus Sintermetall umfassen, um das Trägergas 4 gleichförmig einzuspritzen und um Rückfluss der Pulverteilchen 3 in die Verflüssigungsstutzen 62 zu verhindern. Diese Verflüssigungsstutzen 62 ermöglichen, dass Gase in den Hohlraum 69 eingespritzt werden. Diese Gase können mit höheren Drücken als das Trägergas 4, das in den Einlassstutzen 71 eingespritzt wird, in die Verflüssigungsstutzen 62 eingespritzt werden. Die Behandlung der Pulverteilchen 3 kann das Hinzufügen oder Vermischen verschiedener Arten von Gasen durch die Verflüssigungsstutzen 62 in den Hohlraum 69 umfassen, um die Eigenschaften der in dem Trägegas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 zu beeinflussen. Diese Gase sind unter anderem Luft, Argon, Kohlenstofftetrafluorid, Carbonylfluorid, Helium, Wasserstoff, Methan, Stickstoff, Sauerstoff, Silan, Wasserdampf, Schwefelhexafluorid oder Gemische derselben in verschiedenen Konzentrationen. Reaktionsträge oder reaktionsfähige Gase können ebenfalls verwendet werden, um die Eigenschaften der in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 zu beeinflussen. Um zum Beispiel einen Oxidfilm von der Oberfläche von Projektilteilchen 2 zu entfernen, kann die Gasbehandlung das Einspritzen von Wasserstoff bei einer erhöhten Temperatur umfassen, um in eine chemische Reaktion mit dem Oxidschichtmaterial zu treten. Diese Reaktion entfernt Sauerstoff als Verunreinigung von den Pulverteilchen 2.
Die Behandlungsvorrichtung 70 kann ein Satz von Prallblechen 73 sein, die in dem Hohlraum 69 angeordnet sind, um die in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 zu mischen und zu behandeln. Die Prallbleche 73 können unterschiedliche geometrische Formen haben, die die Misch- und Behandlungsmerkmale des Pulverreaktors 68 verbessern sollen. 10 zeigt zum Beispiel Prallbleche 73, die als konzentrische halbzylindrische Schalen angeordnet sind. Die Prallbleche 73 können reaktionsträge Elemente sein, die strikt für den Zweck der Veränderung der Misch- und Mengenstromkonzentration der in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 verwendet werden. Die Prallbleche können auch elektrisch wirksam sein, um die triboelektrische Aufladung der Pulverteilchen 3 vor dem Einspritzen in den Auslassstutzen 72 zu verstärken. In diesem Fall sind die Prallbleche 73 mit einer Durchführungselektrode 74 verbunden. Elektrische Stromversorgungen, die in der Lage sind, Spannungen bis zu der dielektrischen Durchschlagsspannung des Trägergases 4 mit den mitgerissenen Pulverteilchen 3 zu liefern, können verwendet werden, um die triboelektrische Aufladung der Pulverteilchen 3 durch Ladungsinduktion zu verbessern. Diese Spannung kann in dem Bereich von 50 bis 50.000 Volt liegen.
Die Behandlungsvorrichtung 70 kann ebenso ein Sieb oder ein Filter sein, das oder der in dem Hohlraum 69 positioniert ist, um die in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 zu sieben. Diese Ausführung ermöglicht die Klassierung der Pulverteilchen 3 in eine bestimmte Teilchengrößenverteilung vor dem Ausstoßen in den Auslass 72. Zum Beispiel kann ein Sieb mit einer Maschenweite von 45 μm (Maschenzahl 325) in der Form eines Einzelelementes in dem Hohlraum installiert werden, um die Pulverteilchen 3 vor dem Ausstoßen in den Auslassstutzen 72 auf Größen unterhalb von 45 Mikrometer zu sieben.
Die Behandlungsvorrichtung kann ebenso eine Induktionsspule sein, die in dem Hohlraum 69 des Pulverreaktors 68 angeordnet ist. Die Induktionsspule wird über Durchführungselektroden 74 mit einer Hochfrequenzspannungsquelle verbunden sein, um die in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 induktiv zu erwärmen. Diese Spannungsquelle kann in der Lage sein, eine Leistung von 0,5 bis 1.000 kW abzugeben.
Die Behandlungsvorrichtung 70 kann aus Sätzen von Heizelementplatten bestehen, die durch Widerstandsspulen, die an den Heizelementplatten befestigt sind und durch Elektroden 74 gespeist werden, erwärmt werden. Zum Beispiel kann eine Behandlungsvorrichtung 70 in der Form einer Widerstandsspule verwendet werden, um ein Gemisch aus Trägergas 4 und Pulverteilchen 3 auf eine erhöhte Temperatur zu erwärmen, während diese durch einen Hohlraum 69 mit einer zylindrischen Form strömen. Diese konkrete Ausführung erfordert eine elektrische Leistung von bis zu 5 kW, um ein Stickstoff- oder Helium-Trägergas zu erwärmen, das mit 4,536 bis 11,34 kg/h (10 bis 25 lbm/h) mit mitgerissenen Aluminium-Pulverteilchen bei einer Konzentration von fünf Masseprozent strömt. Das Helium-Trägergas wird auf einen Druck von 14,06 kg/cm² (200 psig) geregelt.
Die oben beschriebenen Widerstandsspulen können durch eine Kühlmittelleitung ersetzt werden, die anstelle von Elektroden 74 in den Hohlraum 69 eingreift, wobei eine Durchführungs-Kühlmittelleitung, die verwendet wird, um ein Kältemittel, wie zum Beispiel Freon, durch herkömmliche Spulen strömen zu lassen, mit der Behandlungsvorrichtung 70 verbunden ist, die als Kühler ausgeführt ist.
Der Pulverreaktor 68 kann ebenso ausgeführt sein, um Beschichten der in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 mit einem zweiten Material vor dem Ausstoßen in den Auslassstutzen 71 zu ermöglichen. Beschichtungsverfahren können unter anderem Verdampfen, physikalisches Aufdampfen, chemisches Aufdampfen oder Vakuumzerstäuben eines zweiten Materials durch Widerstandsheizelemente, einen Lichtbogen, ein Plasma oder Laserablation des zweiten Materials bei Vorliegen des wirbelnden Gemisches aus in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 umfassen. Die Pulverteilchen 3 werden beschichtet, indem eine Behandlungsvorrichtung 70 mit der geeigneten physikalischen oder chemischen Vorrichtung zum Erzeugen eines Dampfes oder von Molekülzuständen des zweiten Materials, das auf der Oberfläche des Projektilteilchens 3 abzuscheiden ist, das während des Durchganges durch den Pulverreaktor 67 in dem Trägergas 4 mitgerissen wird, verwendet wird.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Pulverreaktors 68, das einen röhrenförmigen Hohlraum 69 verwendet, um die Misch- und Behandlungsmerkmale des Pulverreaktors 68 zu implementieren. Der Pulverreaktor 68 umfasst einen röhrenförmigen Hohlraum 68, eine Behandlungsvorrichtung 70, einen Einlassstutzen 71 und einen Auslassstutzen 72. Diese Ausführung dient dazu, in dem Trägergas 4 mitgerissene Pulverteilchen 3 durch den röhrenförmigen Hohlraum 69 zu fördern und um gleichzeitig die Eigenschaften der Pulverteilchen 3 durch physikalische Wechselwirkungen, chemische Reaktionen oder Kernreaktionen zu verändern. Die Länge des röhrenförmigen Hohlraumes 69 kann ausgewählt werden, um zu ermöglichen, dass die Reaktionen in dem gewünschten Umfang während des Durchganges der in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 durch den röhrenförmigen Hohlraum 69 ablaufen.
Die Behandlungsvorrichtung 70 kann eine Heiz- oder Kühlvorrichtung umfassen, die mit dem röhrenförmigen Hohlraum 69 gekoppelt ist. Eine solche Heiz- oder Kühlvorrichtung kann die Form einer äußeren Verkleidung 75 annehmen, die in konzentrischer Weise um den röhrenförmigen Hohlraum 69 herum angeordnet ist. Die äußere Verkleidung 75 umfasst Elektroden 74 oder Kühlmittelleitungs-Durchführungen, die in der Lage sind, in dem Raum zwischen der äußeren Verkleidung 75 und dem röhrenförmigen Hohlraum 69 befindliche thermisch oder elektrisch leitfähige Medien zu erwärmen bzw. zu kühlen.
Dieses Merkmal stellt die Mittel des Erwärmens bzw. des Kühlens der in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 durch Konduktion, Konvektion und Abstrahlung von Wärme von den Seitenwänden des röhrenförmigen Hohlraumes 69 vor dem Ausstoßen durch den Auslassstutzen 71 bereit. Widerstandsheizspulen können mit den Elektroden 74 verbunden und in einem thermisch leitenden, jedoch elektrisch isolierenden Medium zwischen der äußeren Verkleidung 75 und dem röhrenförmigen Hohlraum 69 installiert werden. Alternativ dazu können Flüssigkeiten oder Gase (zum Beispiel Wasserdampf, Öl oder das Kältemittel Freon) über herkömmliche Kühlmittelleitungsdurchführungen anstelle der Elektroden zwischen der äußeren Verkleidung 75 und dem röhrenförmigen Hohlraum 69 umgewälzt werden. Auch hier erfolgt das Erwärmen bzw. Kühlen der in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 durch Wärmeaustausch (Konduktion, Konvektion und Strahlung) zwischen den Seitenwänden des röhrenförmigen Hohlraumes 69 und den in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 vor dem Ausstoßen durch den Auslassstutzen 72.
Die Erwärmungs- bzw. Kühlungsbehandlung der in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 dient dazu, die physikalischen Eigenschaften der Pulverteilchen 3 zu verändern. Die Erwärmungs- oder Kühlbehandlung kann ebenso verwendet werden, um chemische Reaktionen zwischen dem Trägergas 4 und den Pulverteilchen 3 zu unterstützen, wodurch die chemischen Eigenschaften der Projektilteilchen verändert werden. Durch Kühlen des Gemisches aus in dem Trägergas 4 mitgerissenen Projektilteilchen 3 ermöglicht das Behandlungsverfahren zusätzlich die Entfernung von Verunreinigungsprodukten. Zum Beispiel kann Wasserstoff hoher Temperatur als Reduktionsmittel zum Entfernen der Oxidschicht von den Pulverteilchen 3 und zur Erzeugung von Wasserdampf verwendet werden. Dieser Wasserdampf wird aus dem Trägergas 4 entfernt, indem das Gas und die mitgerissenen Pulverteilchen 3 auf unterhalb der Kondensationstemperatur für Wasserdampf gekühlt werden.
Die Behandlungsvorrichtung 70 kann ebenso einen oder mehrere Verflüssigungsstutzen 62 umfassen, der oder die mit dem röhrenförmigen Hohlraum 69 verbunden ist oder sind. Zusätzliche oder unterschiedliche Trägergase 4 können bei höheren Drücken als das Trägergas 4, das in den Einlassstutzen 71 des röhrenförmigen Hohlraumes 69 eingespritzt wird, in diese Verflüssigungsstutzen 62 eingespritzt werden. Die Verflüssigungsstutzen 62 können auch verwendet werden, um Trägergas 4 einer Art gegen ein Gas einer anderen Art wiederholt in verschiedenen Stufen entlang des Strömungsweges des röhrenförmigen Hohlraumes 69 auszutauschen. Jeder der Verflüssigungsstutzen 62 kann einen Filter 63 aus Sintermetall umfassen, um Trägergas 4 gleichförmig einzuspritzen und um Rückfluss von Pulverteilchen 3 in die Verflüssigungsstutzen 62 zu verhindern. Jeder der Verflüssigungsstutzen 62 ist entlang der Wände des röhrenförmigen Hohlraumes 69 an verschiedenen Stufen angeordnet, wie dies erforderlich ist, um die benötigte physikalische oder chemische Reaktionskinetik zu implementieren.
Der Pulverreaktor 68 mit dem röhrenförmige Hohlraum 69 kann so ausgeführt werden, dass in dem Trägergas 4 mitgerissene Pulverteilchen 3 zu einem entfernten Pulverreaktor, wie zum Beispiel einem Kernreaktor, gefördert werden. Dies ermöglicht, dass in dem Trägergas 4 mitgerissene Pulverteilchen 3 durch Neutronenreaktionen vor dem Ausstoßen in den Auslassstutzen 72 aktiviert werden können. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um radioaktive Materialien oder andere Isotope der Pulverteilchen 3 zu beschichten oder zu spritzformen.
Eine Vielzahl von Pulverreaktoren 68 kann in Reihe geschaltet werden, um die gewünschte Folge von Verfahren zu erhalten. Zum Beispiel kann ein Pulverreaktor 68, der einen röhrenförmigen Hohlraum 69 verwendet, als Hydridreaktor verwendet werden, der mit einem röhrenförmigen Hohlraum 69, der als Hydridreaktor arbeitet, einen zweiten Pulverreaktor 68 beschickt. Bei dieser Ausführung wandelt der erste Pulverreaktor 68 die Pulverteilchen 3 in der Form eines Metalls in ein Metallhydrid um, wohingegen der zweite Pulverreaktor 68 die Pulverteilchen 3 in der Form eines Metallhydrids in ein sau erstofffreies Metall zurückverwandelt. Zusätzlich kann eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Pulverreaktoren 68 verwendet werden, um die in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen wiederholt zu erwärmen und abzukühlen. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um brüchige Pulverteilchen 3 in der Form von Metallhydriden, wie zum Beispiel Titan- und Uranhydrid, in Pulverteilchen 3 einer Größe im Submikron- und Nanobereich aufzubrechen. Im Detail umfasst das Misch- und Behandlungsmerkmal des Pulverreaktors 68 einen chemischen Reaktor zum chemischen Verändern der chemischen Eigenschaften der in dem Trägergas 4 mitgerissenen Pulverteilchen 3 vor dem Ausstoßen in den Auslassstutzen 71. Zusätzlich zu dem abwechselnden Erwärmen und Kühlen kann ein jeder Pulverreaktor 68 ebenso verwendet werden, um die Pulverteilchen 3 verschiedenen Arten von Trägergas 4 auszusetzen.
Zum Beispiel kann Spritzen von sauerstofffreiem Titanpulver erzielt werden, indem zuerst die Pulverteilchen 3 in der Form von Titanmetall in Titanhydrid umgewandelt werden, indem die Pulverteilchen 3 dem Trägergas 4 in der Form von Wasserstoff bei einer Temperatur von etwa 477°C (750 K) ausgesetzt werden. Bei dieser Temperatur entfernt die Behandlung auch das Metalloxid von den Titan-Pulverteilchen 3 durch Reagieren des Wasserstoff-Trägergases 4 mit der Oxidschicht unter Bildung von Wasserdampf. Indem die Titanhydrid-Pulverteilchen 3 zwischen 26,85°C (300 K) und 477°C (750 K) abwechselnd erwärmt und abgekühlt werden, wobei Wasserstoff als das Trägergas 4 verwendet wird, kann dieser letztgenannte Prozess verwendet werden, um brüchige Pulverteilchen 3, wie zum Beispiel Titanhydrid, in feinere oder in Pulverteilchen 3 im Nanobereich aufzubrechen. Ein Schlussstufen-Pulverreaktor 68 kann verwendet werden, um ein inertes Trägergas 4, wie zum Beispiel Helium, bei einer Temperatur von über 546,85°C (820 K) einzuspritzen. Dieser Prozess wandelt die in dem Trägergas 4 mitgerissenen Titanhydrid-Pulverteilchen 3 vor dem Ausstoßen in den Auslassstutzen 72 zurück in sauerstofffreies Titanmetall.
Die chemische Reaktionskinetik bestimmt die Dauer für den Durchgang der Pulverteilchen 3 durch einen jeden der Pulverreaktoren 68 bei einer bestimmten Temperatur und den Teildruck der gasförmigen Reaktionsprodukte. Dies bestimmt die spezifische Länge des röhrenförmigen Hohlraumes 69, der für die Implementierung eines bestimmten Behandlungsverfahrens in dem Pulverreaktor 69 erforderlich ist. Zum Beispiel kann der Pulverreaktor 68 einen röhrenförmigen Hohlraum 69 haben, der mit einem Rohr einer Länge von etwa 25 bis 30 m (50 bis 100 Fuß) versehen ist und mit Widerstandsspulen erwärmt wird, die in einem thermisch leitenden Medium angeordnet sind, das in dem Raum zwischen der äußeren Verkleidung 75 und dem röhrenförmigen Hohlraum 69 installiert ist. Diese konkrete Ausführung erfordert eine elektrische Leistung von bis zu 50 kW, um das Wasserstoff- oder Helium-Trägergas, das mit 25 lbm/h mit mitgerissenen Titan-Pulverteilchen 3 (Konzentration fünf Masseprozent) strömt, auf eine Temperatur von 427 bis 727°C (700 bis 1000 K) zu erwärmen. Die Pulverreaktoren 68 ermöglichen die Herstellung von sauerstofffreien Titan-Pulverteilchen 3 (< 45 Mikrometer im Durchmesser) durch das oben beschriebene Hydrid- und Dehydridverfahren. Beschichtungs-Abscheidung und Spritzformen der sauerstofffreien Titan-Projektilteilchen wurden erzielt durch Verwendung des oben beschriebenen Beschichtungs- oder Ablations-Auftragsgerätes mit Helium als Trägergas und Projektilteilchen in der Form von Titanhydrid.
Unter Bezugnahme auf 12 stellen die erfindungsgemäße Anwendung und das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren zum Abscheiden einer Mehrfachbeschichtung 76 auf die Oberfläche eines Kernaluminiumlegierung-Trägermaterials 12 bereit, das mehrfache monolithische Schichten, eine Korrosionsschutz-Grundierung oder diffusionsbegrenzende Grundierung 77, eine Hartlotbeschichtung 78 und eine Flussmittelbeschichtung 79 umfasst. Dieses Verfahren verwendet die einzigartige Vorrichtung und das einzigartige Verfahren der vorliegenden Erfindung, um die Verdichtung des Aggregatzustandes der verschiedenen Schichten der Mehrfachbeschichtung 76 zu steuern.
Zink wird häufig als Korrosionsschutz-Grundierung 77 verwendet (andere Pulver sind unter anderem Aluminium, Kupfer, Mangan, Zinn und Manium) und wird auf ein Kernaluminiumlegierungs-Trägermaterial 12 mit einer Nenndicke von 1 bis 10 Mikrometern unter Verwendung des erfindungsgemäßen Auftragsgerätes und Verfahrens aufgebracht. Eine einzelne reibungskompensierte Düse 2 oder eine Vielzahl von reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüsen 2 (aus 1 bis 3) wird oder werden in einem Raster umgesetzt, um zusammenhängende Beschichtung von Blech-Trägermaterial 12 oder eines spezifischen Bereiches eines Kernaluminiumlegierungsteiles zu ermöglichen. Die zweite Schicht der Mehrfachbeschichtung 76 ist eine Hartlotbeschichtung 78 (zum Beispiel die Aluminiumsilikonlegierungen 4343, 4044, 4045, 4145 oder 4047) und wird in einer Dicke von 10 bis 1000 Mikrometer als Metallpulver auf die Korrosionsschutz- Grundierung 77 unter Verwendung einer einzelnen oder einer Vielzahl von Düsen 2 (aus 1 bis 3) aufgebracht. Schließlich wird eine Flussmittelbeschichtung 79 (1 bis 5 Mikrometer dick) aus Nickel- oder Cobalt-Flussmittelpulver auf die Oberfläche der Hartlotbeschichtung 78 unter Verwendung einer einzelnen oder einer Vielzahl von reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüsen 2 (aus 1 bis 3) aufgebracht, um die Deckschicht einer Mehrfachbeschichtung 76 aufzubringen.
Es ist zu beachten, dass das Hartlot (zum Beispiel die Aluminiumsilikonlegierungen 4043, 4044, 4045, 4145 oder 4047) auf herkömmliche Weise mit dem Blechmaterial oder einer Komponente eines Kernaluminiumlegierungs-Trägermaterials verbunden oder umhüllt werden könnte, in welchem Falle die Flussmittelbeschichtung 79 (zum Beispiel Nickel- oder Cobalt-Flussmittelpulver) auf die Oberfläche des verkleideten Blechmaterials unter Verwendung einer einzelnen oder einer Vielzahl von reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüsen 2 (aus 1 bis 3), wie sie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wird, aufgebracht wird.
Unter Verwendung herkömmlicher Hartlötverfahren (Aluminum Brazing Handbook, The Aluminum Association, 900 19^th Street, N.W., Washington, D.C., 4. Auflage 1998) wird danach ein Passteil aus dem gleichen oder einem unterschiedlichen Aluminiumlegierungs-Kernmaterial in innigen Kontakt mit der Mehrfachbeschichtung 76 gebracht und die Temperatur wird in einem Inertgasofen oder einem Vakuumofen erhöht, um das Lötverfahren durchzuführen. Bei einer Temperatur von 840 K reagiert die Nickel- oder Cobalt-Flussmittelbeschichtung 78 mit der Hartlotbeschichtung 77 oder der Lötbeschichtung aus verkleidetem Aluminiumlegierungs-Blechmaterial, um eine eutektische Schicht auszubilden, die Verbinden der beiden Aluminiumlegierungsteile ermöglicht. Üblicherweise wird Aluminium-Hartlöten meist bei Temperaturen zwischen 571°C (844 K) und 621°C (894 K) für Aluminiumsilikonhartlote, wie zum Beispiel die Legierungen 4343, 4044, 4045, 4145 oder 4047, durchgeführt. Somit unerstützt die Nickel- oder Cobalt-Flussmittelbeschichtung 78 das Verbinden der Hartlotbeschichtung 77 bei einer Temperatur, die etwas oberhalb der herkömmlichen Hartlöttemperaturen liegt. Dies ermöglicht eine größere Temperaturspanne in der Hartlötfertigung ohne die Gefahr des Schmelzens des strukturellen Kernmaterials.
Als Alternative zu metallischen Flussmittelbeschichtungen 79 können Kalium-Fluoroaluminatsalze in der Form von Feinteilchen auf die Hartlotbeschichtung 78 unter Verwendung einer einzelnen oder einer Vielzahl von Düsen 2 (aus 1 bis 3) wie in der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung beschrieben aufgebracht werden. In diesem Fall wird die Flussmittelbeschichtung 79 nur auf die erforderliche Dicke aufgebracht, um die halbporöse Oberflächenstruktur der Hartlotbeschichtung 78 zu füllen. Bei verkleideten Blechmaterialien kann es notwendig sein, die Oberfläche auf herkömmliche Weise abzuschleifen, um eine halbporöse Oberflächenstruktur zu erzeugen, in die die Kalium-Fluoroaluminatsalz-Teilchen als Pulver eingebettet werden können. Schließlich kann auch ein Verbundstoff aus Hartlotbeschichtung 78 und Flussmittelbeschichtung 79 aus Kalium-Fluoroaluminatsalzen auf ein Kernaluminiumlegierungs-Trägermaterial 12 durch gleichzeitiges Abscheiden eines Gemisches aus Kalium-Fluoroaluminatsalzpulver mit Hartlotpulver (zum Beispiel Legierungen 4343, 4044, 4045, 4145 oder 4047) unter Verwendung einer einzelnen oder einer Vielzahl von reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüsen 2 (aus 1 bis 3) wie in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben aufgebracht werden. In diesem Fall wird das Flussmittelpulver (Kalium-Fluoroaluminatsalz) während des Durchganges durch das Thermotransfer-Plasma 11 für Haftung an dem metallischen Lötlegierungspulver erwärmt und durch Kollisionsaufprallverfahren in Verbindung mit plastischer Verformung der Pulverteilchen 3 in die Oberfläche des Trägermaterials 12 eingebettet. Die Plasma-Reaktionskammer 28 aus 6 stellt die neueste Vorrichtung für gleichzeitiges Abscheiden eines Gemisches aus Kalium-Fluoroaluminatsalzpulver mit einem Hartlotpulver bereit. Die Beimengung aus Kalium-Fluoroaluminatsalzpulver wird hinter der Reaktionskammer 28 durch den Stutzen 30 in die Hartlot-Pulverteilchen 3 eingespritzt, die in dem heißen Trägergas 4 mitgerissen werden. Das Mitabscheidungsverfahren ermöglicht das gleichzeitige Aufbringen der Hartlotbeschichtung 78 und der Flussmittelbeschichtung 79 auf die Oberfläche des Trägermaterials 12 als Verbundschicht mit einem metallischen Pulver, das mit dem Hartlot kompatibel ist und die Leistung des nachfolgenden Hartlötens nicht beeinträchtigt. Die empfohlene Löttemperatur bei Verwendung des Kalium-Fluoroaluminatsalz-Flussmittels ist abhängig von der Schmelztemperatur des Hartlotes, jedoch liegt die Temperatur für die Legierung 4047 üblicherweise in dem Bereich von 855 bis 877 K.
BEISPIEL 2
Die Kühlleistung von Mehrfachbeschichtungen 76, die mit dem erfindungsgemäßen Auftragsgerät aufgebracht wurden, wurde durch Hartlöten von Kernaluminiumlegierungs-Trägermaterialien untersucht und metallurgisch bewertet, um die Porosität der Verbindung zu bestimmen und um die Adhäsion des Trägermaterials 12 zu überprüfen. Die Kühlleistung wurde bewertet, indem die Temperaturleitfähigkeit einer typischen Hartlötverbindung gemessen wurde.
Eine Aluminiumlegierung der 3000er Reihe wurde mit thermoplastisch konditioniertem Legierungspulver 4047 (keine Grundierung) auf eine Dicke von 40 Mikrometer unter Verwendung des in dieser Erfindung beschriebenen Auftragsgerätes und Verfahrens beschichtet. Zusätzlich wurde eine Flussmittelbeschichtung 79 aus Kalium-Fluoroaluminatsalzpulver erwärmt und unter Verwendung des in dieser Erfindung beschriebenen Auftragsgerätes und Verfahrens in die halbporöse Struktur der Hartlotbeschichtung 78 mit Legierung 4047 eingebettet. Diese Mehrfachbeschichtung 76 wurde durch Herstellen einer Hartlötverbindung untersucht. Die Verbindungsstelle weist eine geringe Porosität in Verbindung mit hervorragender metallurgischer Bindung auf, um gutes Wärmeübertragungsverhalten für Wärmetauscheranwendungen zu gewährleisten. Qualitative mechanische Abhebeprüfungen wurden durchgeführt, um die mechanische Unversehrtheit der Hartlötverbindung zu bewerten, und die Versuchsergebnisse waren vergleichbar mit Hartlötverbindungen, die mit verkleidetem Material ausgebildet wurden. Die Kühlleistung von Hartlötungen, die mit Mehrfachbeschichtungen 76 hergestellt wurden, die unter Verwendung des hierin beschriebenen Auftragsgerätes und Verfahrens abgeschieden wurden, wurde untersucht und durch Messen der Temperaturleitfähigkeit für eine feste Verbindungsform bewertet. Diese Ergebnisse ergaben vergleichbare Temperaturleitfähigkeiten zwischen einer hartgelöteten Verbindung, die mit verkleidetem Material ausgebildet wurde, und einer Lötverbindung, die mit einer Mehrfachbeschichtung 76 ausgebildet wurde. Beide Ergebnisse standen im Einklang (innerhalb von ±5%) mit einer Temperaturleitfähigkeit von 0,97 cm²s^–1 für Aluminium.
Zusätzliche Leistungsprüfungen der Mehrfachbeschichtung 76 wurden durch Aufbringen einer Flussmittelbeschichtung 79 aus thermoplastisch konditioniertem Nickelpulver auf die Oberfläche einer Legierung der 3000er Reihe, die auf herkömmliche Weise mit einer eutektischen Hartlötlegierung verkleidet worden ist, durchgeführt. Die Nickel-Flussmittelbeschichtung 79 wurde unter Verwendung des erfindungsgemäßen Auftragsgerätes und Verfahrens auf eine Dicke von 8 bis 10 Mikrometer aufgebracht, wie unten beispielhaft gezeigt wird. Eine Hartlötverbindung wurde bei einer Temperatur von 567 °C (840 K) in einem Röhrenofen unter Verwendung einer Heliumgasspülung ausgebildet. Qualitative mechanische Abhebeprüfungen wurden auf der Verbindung durchgeführt und als hervorragend bewertet. Somit ermöglicht die Nickel-Flussmittelbeschichtung 79 Hartlöten von Material der Legierung der 3000er Reihe bei einer Temperatur, die –260°C (13 K) kälter ist als die typische Hartlöttemperatur des Hartlotes 4047 bei Verwendung von Kalium-Fluoroaluminatsalz, wie in 13 beschrieben wird.
Das erfindungsgemäße Auftragsgerät und Verfahren ermöglichen ebenfalls Abscheidungen von funktional angestuften Materialien, bei denen die Eigenschaften (zum Beispiel Wärmeausdehnung, Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit, Verformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Farbe etc.) der Abscheidung funktional in unterscheidbaren oder allmählichen Schichten sowie kontinuierlich abgestuft werden. Kontinuierliches Abstufen von funktional abgestuften Beschichtungen wird erzielt durch Mitabscheiden von Pulvergemischen, bei denen die Konzentration von Beimengungen in Abhängigkeit von der Schichtdicke verändert wird. Zum Beispiel kann die Mitabscheidung von Molybdänpulver mit Beimengungen von Kupferpulver verwendet werden, um die Wärmeausdehnungseigenschaften der Abscheidung von 4,8·10^–6 K^–1 für reines Molybdän auf 16,6·10^– ⁶ K^–1 für reines Kupfer anzupassen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient für die Abscheidung ist proportional zu der Konzentration des Kupfer-Beimengungspulvers in dem Molybdänpulver in Abhängigkeit von der Dicke.
BEISPIEL 3
Unter Bezugnahme auf 4 und 5 stellen das erfindungsgemäße Aufbringen und Verfahren ein Verfahren für Spritzformen von Materialien auf ein Trägermaterial 12 oder für Spritzformen einer erhabenen Auskehlung 22 zwischen zwei getrennten Teilen 23 und 24, die durch Verschmelzung von Materialien verbunden werden. Somit können das erfindungsgemäße Auftragsgerät und Verfahren in Abhängigkeit von der Auswahl der Pulverteilchen 3, der Trägermaterialien 12 und der angewandten Leistung des HF- Generators 13 nicht nur für Spritzformen von Materialien verwendet werden, sondern auch für das Verbinden gleicher und unterschiedlicher Materialien durch Verschmelzung.
Die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse 2 (unter Bezugnahme auf 4, 5 und 6) kann auch verwendet werden, um Metalle und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe endformnah zu spritzformen. Die endformnahe Ausbildung wird durch Robotersteuerung der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 ermöglicht, so dass verschiedene geometrische Formen mit jedem Durchgang auf das Trägermaterial 12 spritzgeformt werden. Der Aufbau wird durch die Verweilzeit über spezifischen Orten gesteuert. Die Verweilzeiten können von wenigen Millisekunden bis zu mehreren Minuten reichen, jeweils in Abhängigkeit von der herzustellenden Endnahformstruktur. Verweilzeiten von Millisekunden können verwendet werden, um dünne Beschichtungen mit gleichförmigem Aufbau in mehreren Durchgängen herzustellen. Längere Verweilzeiten im Bereich von mehreren Sekunden bis Minuten können verwendet werden, um eine Spitzen- oder Säulen-Abscheidung aufzubauen oder um ein Loch in dem Trägermaterial 12 zu füllen.
Die Veränderung der genannten Verweilzeiten kann mit räumlicher und Winkel-Roboterbetätigung der reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse 2 gekoppelt werden, um das endformnahe Fertigungsverfahren unter Verwendung des Beschichtungs- oder Ablations-Auftragsgerätes der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Bei Ablationsanwendungen kann das Auftragsgerät unter Roboterbetätigung mit Veränderung der Verweilzeiten verwendet werden, um Materialien von dem Trägermaterial 12 zu entfernen oder abzuschmelzen, um ein endformnahes Muster auszubilden. Eine über dem Trägermaterial 12 platzierte Maske kann weiterhin verwendet werden, um andere Varianten der endformnahen Fertigung durchzuführen. Die reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüse 2 kann durch Roboter positioniert werden, um einen vorgegebenen Zeitraum lang zu verweilen, der notwendig ist, um ein endformnahes Merkmal durch die Maske hindurch zu beschichten oder zu spritzformen. Die Maske muss aus einem Material gefertigt werden, das den Aufbau von Pulverteilchen 3 auf die Maske ausschließt. Analog dazu kann das Verweilen für einen vorgegebenen Zeitraum an einem Loch in der Maske die Maske dazu nutzen, endformnahe Vertiefungen oder Einschnitte in dem Trägermaterial 12 herzustellen.
Durch gleichzeitige Verwendung einer Vielzahl von reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüsen 2 ist es möglich, mehrere reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüsen 2 gleichzeitig über der gleichen Stelle des Trägermaterials 12 spritzformen zu lassen, um die Aufbaurate zu erhöhen bzw. um die endformnahe Ausbildung der Abscheidung zu modifizieren. Orthogonale reibungskompensierte Schallgeschwindigkeitsdüsen 2, die in einer äußeren Vakuumkammer 41 untergebracht sind, sind ein Beispiel einer Anwendung unter Verwendung einer Vielzahl von reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüsen 2 zur Herstellung spitzenförmiger Komponenten.
Spritzen von Pulvern im Nanogrößenbereich, von nanophasigen Pulvern und amorphen Pulvern, die mit anderen Pulvern im Mikrometerbereich vermischt sind, ermöglicht die Zugabe von Materialien in dem Nanogrößenbereich oder dem Nanophasenbereich als Ex-situ-Verstärkungsmittel zu spritzgeformten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen oder zu einer Beschichtung. Unabhängiges Spritzen von Pulvern im Nanogrößenbereich, nanophasige Pulvern und amorphen Pulvern (das heißt ohne Gemische mit Pulver im Mikrometergrößenbereich) wird auch durch das erfindungsgemäße Beschichtungs- und Ablations-Auftragsgerät ermöglicht.
Die Eigenschaften der spritzgeformten Materialien werden durch gleichzeitiges Koppeln der kinetischen Energie der auf den Aufprallprozess übertragenen Teilchen mit den thermoplastisch konditionierten Pulverteilchen 3 und dem Trägermaterial 12 gesteuert, um den Verdichtungs-Aggregatzustand zu steuern. Glühen, isostatisches Heißpressen und/oder Schmelzen der Pulverteilchen 3 und des Trägermaterials 12 sind bei dem Spritzformen von Trägermaterialien 12 zu endformnahen Formen oder für Spritzformen einer erhabenen Auskehlung 22 zwischen zwei getrennten Teilen 23 und 24, die durch Verschmelzung von Materialien verbunden werden, erforderlich.
Spritzformen von in situ oder ex situ mit Teilchen verstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung von Pulvergemischen ermöglicht, die funktional einzigartige Verstärkungsphasen ausbilden. In-situ-Metallmatrix-Verbundwerkstoffe werden als Gemisch mitabgeschieden und danach funktional in einer teilchenverstärkten Verstärkungsphase nach Exposition gegenüber einer Nachabscheidungs- Wärmebehandlung ausgesetzt. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht Spritzformen von Kombinationen von Metallen, wie zum Beispiel Aluminium, und einer Gruppe von Metallen bestehend aus Übergangselementen, wie zum Beispiel Cobalt, Kupfer, Eisen, Nickel, Titan oder Silber in dem thermoplastisch konditionierten metallischen Zustand. Eine wahlweise Nachabscheidungs-Wärmebehandlung an der intermetallischen Reaktionsschwelle wandelt das Übergangsmetall in eine intermetallische In-situ-Verstärkungsphase um, die in dem Aluminium-Matrixmaterial verteilt ist. Diese Anwendung der Erfindung ist nicht nur auf Aluminium und Beimengungen von Übergangsmetallen anwendbar, sondern kann für beliebige Kombinationen von Pulvern angewendet werden, die aus einer Gruppe umfassend metallische Materialien, metallische Legierungsmaterialien, nichtmetallische Materialien und Gemische derselben ausgewählt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren umfassen ein Verfahren für das Mitabscheiden von Verbundschichten, die nicht metallurgisch legiert worden sind, sondern auf volle Verbunddichte verdichtet worden sind. Verdichtung solcher metallischen Pulver mit anderen metallischen oder nichtmetallischen Pulvern ermöglicht das Anpassen der Eigenschaften von Beschichtungen und spritzgeformten Materialien. Durch Mitabscheiden eines Gemisches aus thermoplastisch konditioniertem Aluminium- und Chrompulver (gleiche Gewichtsanteile) zum Beispiel kann ein elektrisch leitender Streifen auf ein Stahlsubstrat aufgebracht werden, das einen angepassten elektrischen Widerstand (d.h. üblicherweise 72 μΩ-cm), hervorragende Korrosionsbeständigkeit (20 Jahre in Salzsprühnebel bei 21°C (70°F)) und ein Haftvermögen aufweist, das über dem von reinem Aluminium auf Stahl liegt. Das Gefügebild in 14 zeigt ein Beispiel eines Stahlträgermaterials, das mit einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff beschichtet ist, der durch Mitabscheidung von thermoplastisch konditioniertem Aluminiumpulver mit 50 Masseprozent Chrompulver (Teilchen < 44 Mikrometer) unter Verwendung des ertindungsgemäßen Auftragsgerätes und Verfahrens ausgebildet wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen weiterhin ein Verfahren für Spritzformen von ex situ teilchenverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen durch Verwendung von Verstärkungsmitteln, die aus einer Gruppe umfassend Silikoncarbid-, Borcarbid-, Wolframcarbid- und Siliziumdioxidpulver ausge wählt werden. Die Verstärkungsmittel werden mitabgeschieden und als Beimengung mit einem thermoplastisch konditionierten Matrixpulver, wie zum Beispiel Aluminium oder Titan, spritzgeformt. Ein Lichtmikroskop-Querschnitt eines ex situ teilchenverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffes, der Silikoncarbid-Teilchen in einer Aluminiumlegierungsmatrix umfasst, wird in 15 gezeigt. Zu beachten ist die hervorragende Dispersion der Ex-situ-Verstärkungsmittel in der Aluminiummatrix, die nicht mit herkömmlichen Gussverfahren des Ausbildens dieser Verbundwerkstoffe erzielt werden kann.
Somit lehren die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ein Spritzformverfahren zum Verdichten metallischer und nichtmetallischer Pulver auf eine Trägermaterial-Oberfläche ohne signifikante metallurgische, chemische oder mechanische Veränderung des Trägermaterials. Die Erfindung stellt nicht nur ein Mittel zum Verdichten reiner Metall- oder Legierungspulver in endformnaher Form bereit, sondern die Technologie ermöglicht auch das Spritzformen sowohl von in situ als auch von ex situ teilchenverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen. Anwendungen für dieses Verfahren sind unter anderem die Abscheidung von verschleißbeständigen Schichten auf Reibungsoberflächen, wie zum Beispiel Bremsscheiben aus Aluminiumguss, die Abscheidung von verschleißbeständigen Schichten auf Aluminiumblechmaterial und die Abscheidung von metallischen und nichtmetallischen Schichten auf Aluminiumblechmaterial für Bearbeitung und Polieren.
BEISPIEL 4
Schließlich umfassen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren auch die Verdichtung von funktional abgestuften Werkstoffen, bei denen die Eigenschaften der Abscheidung (zum Beispiel Wärmeausdehnung, Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit, Verformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Farbe etc.) funktional in unterscheidbare oder schrittweise Schichten sowie durchgängig abgestuft werden. Durchgängiges Abstufen von funktional abgestuften Werkstoffen wird durch Mitabscheiden von Pulvergemischen erzielt, bei denen die Konzentration eines jeden Pulvers in Abhängigkeit von der Beschichtungsdicke verändert wird.
Eie Kombination aus funktional ausgebildeten und funktional abgestuften Werkstoffen ist in der Erfindung beinhaltet. Ein Beispiel dieses Ausführungsbeispieles umfasst die Ver kapselung eines inneren Kernmaterials (zum Beispiel metallische Legierung, metallischer Schaum, Keramikwerkstoff oder Verbundwerkstoff) mit einer monolithischen Schicht, einer funktional abgestuften Schicht von Werkstoffen, einem funktional ausgebildeten In-situ-Verbundwerkstoff oder funktional ausgebildeten Ex-situ-Verbundwerkstoffen, um spezifische Eigenschaften des Fertigteiles oder der fertigen Komponente anzupassen.
Eine Kombination aus funktional ausgebildeten und funktional abgestuften Werkstoffen ist in der Erfindung beinhaltet. Ein Beispiel dieses Ausführungsbeispieles umfasst die Verkapselung eines inneren Kernmaterials (zum Beispiel metallische Legierung, metallischer Schaum, Keramikwerkstoff oder Verbundwerkstoff) mit einer monolithischen Schicht, einer funktional abgestuften Schicht von Werkstoffen, einem funktional ausgebildeten In-situ-Verbundwerkstoff oder funktional ausgebildeten Ex-situ-Verbundwerkstoffen, um spezifische Eigenschaften des Fertigteiles oder der fertigen Komponente anzupassen.
Die Erfindung umfasst ebenfalls die Verdichtung von porösen Beschichtungen oder spritzgeformten Materialien durch Steuern der Teilchengrößenverteilung des Pulvers während des Abscheidungsprozesses. Große Pulverteilchen (> 45 μm (Körnungsnummer 325)), die ohne Beimengung von feinen oder feinsten Teilchen (< 45 μm (Körnungsnummer 325)) verdichtet werden, ergeben Materialien mit hohen Porositäten. Diese Arten von Verdichtungen stellen die Mittel für die Herstellung poröser Strukturen für Katalysatoren, Filter und Matrizen zum Verkapseln oder Versiegeln von Beimengungen anderer metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe bereit. Zum Beispiel kann eine poröse Matrix aus Titanpulver, die als Beschichtung auf eine Trägermaterial-Oberfläche abgeschieden wurde, wie zum Beispiel in 16 gezeigt, mit Epoxid versiegelt werden, um eine hervorragend korrosionsbeständige Beschichtung auf reaktionsfähigen Metalloberflächen bereitzustellen. In einem weiteren Beispiel können selbstentzündliche Materialien in eine metallische Matrix eingespritzt werden, um das selbstentzündliche Reaktionsvermögen, die Temperatur und die Spektralemission einer selbstentzündlichen Fackel zu steuern.
Es wird darauf verwiesen, dass wenngleich die oben genannten erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen und Anwenden eines Thermotransfer- Plasmas oder das Hochdruck-Thermoplasma zur Erwärmung von in dem Trägergas mitgerissenen Pulverteilchen, zum Erwärmen von Trägermaterialien und/oder zum chemischen Reagieren der Pulverteilchen und der Trägermaterialien in Verbindung mit deren Nutzung mit der einzigartigen reibungskompensierten Schallgeschwindigkeitsdüse beschrieben worden sind, eine solche Nutzung nicht vorliegen muss. Die gleichen Vorrichtungen und Verfahren können ebenso vorteilhaft in Kombination mit Systemen unter Verwendung herkömmlicher Überschalldüsen und Überschallstrahlen, wie sie zum Beispiel in dem vorstehenden Abschnitt zum Stand der Technik beschrieben worden sind, eingesetzt werden.
Wenngleich der Erfindungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich unter besonderer Bezugnahme auf die bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, können andere Ausführungsbeispiele die gleichen Ergebnisse erzielen. Varianten und Abänderungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für den Durchschnittsfachmann erkennbar und offensichtlich sein, und die anhängenden Patentansprüche sollen alle derartigen Änderungen und gleichwertigen Ausführungen mit abdecken. Die gesamten Offenlegungen aller weiter oben genannten Literaturstellen, Anwendungsfälle, Patente und Veröffentlichungen werden hiermit per Verweis hierin eingearbeitet.

Claims

Vorrichtung für Teilchenabscheidung, angepasst für Beschleunigung von Pulverteilchen (3), die in einem Gas (4) mitgerissen werden, zum Abscheiden und Verfestigen der Pulverteilchen (3) auf einer Fläche eines Objektes, umfassend: eine Düse (2), umfassend einen Düsenkörper (8), der einen Gaskanal definiert, wobei der Gaskanal umfasst: einen konvergierenden Abschnitt (5), der so gestaltet ist, dass er Pulverteilchen (3) und Gasgemisch (4) aufnimmt; einen divergierenden, konischen Auslassabschnitt (7); und einen Halsabschnitt (6), dadurch gekennzeichnet, dass der Halsabschnitt von konstanter Querschnittsfläche ist und den konvergierenden Abschnitt (5) verbindet und dass die Teilchen (3) und das Gasgemisch (4) in dem konvergierenden Abschnitt (5) des Gaskanals mit einer ersten Geschwindigkeit aufgenommen werden und das Gas auf eine zweite Geschwindigkeit, die auf oder unter der Schallgeschwindigkeit liegt, beschleunigt wird, wenn es durch den konvergierenden Abschnitt (5) hindurchgeht; und wobei die Divergenz des divergierenden, konischen Auslassabschnittes (7) des Gaskanals das Gas (4) im Wesentlichen auf einer konstanten Geschwindigkeit gleich der zweiten Geschwindigkeit vorhält, wenn es durch den Auslassabschnitt strömt, wobei der konische Auslassabschnitt (7) der Düse (2) eine reibungskompensierte Düse (2) bereitstellt, wobei eine Beziehung für Durchmesseränderung als Funktion der Länge für konstante Strömungsgeschwindigkeit die Reibung kompensiert.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Heizvorrichtung, die die Pulverteilchen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Teilchen erwärmt, die jedoch hoch genug ist, um die Dehngrenze der Teilchen zu reduzieren, um während des Aufpralls bei geringer Beanspruchung plastische Verformung zu ermöglichen.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 2, wobei die Düse so ausgelegt ist, dass sie das Trägergas auf Schallgeschwindigkeit oder Unterschallgeschwindigkeit beschleunigt, was in Kombination mit dem Vorhalten des Trägergases im Wesentlichen auf einem Dichteniveau, das die Widerstandskraft auf die in dem Trägergas mitgerissenen Pulverteilchen maximiert und die Teilchen auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, die ausreichend hoch ist, um die Teilchen bei Aufprall auf die Oberfläche des Objektes im Wesentlichen in dem größtmöglichen Maß abzuscheiden und zu verfestigen.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 3, wobei die Vorrichtung angepasst ist, um die Geschwindigkeit der Pulverteilchen an dem Aufprallpunkt mit der Oberfläche des Objektes so zu steuern, dass in Verbindung mit der reduzierten Dehngrenze, die durch die Erwärmung der Teilchen induziert wird, die Struktur sowie die physikalischen und die chemischen Eigenschaften des abgeschiedenen Materials individuell angepasst werden.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 4, wobei die Wirkung des Steuerns der Aufprallgeschwindigkeit der Pulverteilchen Vorrichtungen zum Auswählen des Einlassdruckes des Trägergases, der Gasart und des Gasgemisches umfasst.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 1, wobei das Trägergas ein Inertgas ist, das Oxidation und chemische Verbrennung der Pulverteilchen, während sie in dem Trägergas mitgerissen werden, reduziert.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 2, wobei die Heizvorrichtung ein Plasmatron umfasst, das ein Thermotransfer-Plasma zwischen der Düse und der Oberfläche des Objektes erzeugt, durch das die in dem Trägergas mitgerissenen Pulverteilchen hindurchströmen, bevor sie auf die Oberfläche des Objektes abgeschieden werden.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 7, wobei: die Düse ein selbstverzehrendes Düsenstück umfasst, das angrenzend an ein Ende der Düse angeordnet ist, die der Oberfläche des Objektes zugewandt ist, und das Plasmatron einen HF-Generator und ein Anpassungsnetzwerk umfasst und das Anpassungsnetzwerk mit dem Objekt und der Düse so verbunden ist, dass die Oberfläche des Objektes an dem HF-Kathodenpotential und die Düse an dem HF-Anodenpotential platziert werden, und wobei das selbstverzehrende Düsenstück aus einem Material gefertigt ist, das bei Vorhandensein des Thermotransfer-Plasmas, das zwischen der Düse und der Oberfläche des Objektes vorhanden ist, verdüst, wobei das verdüste Material des selbstverzehrenden Düsenstückes in die Pulverteilchen und den Trägergas-Ausfluss eingebaut wird.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 8, wobei das verdüste Material des selbstverzehrenden Düsenstückes mit den Pulverteilchen bei Vorhandensein des Thermotransfer-Plasmas reagiert, wodurch die physikalischen Eigenschaften oder die chemischen Eigenschaften oder beides der Festkörperabscheidung im Vergleich zu einer Abscheidung ohne Zugabe des verdüsten Materials in das Thermotransfer-Plasma verändert werden.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 2, wobei die Heizvorrichtung ein Plasmatron umfasst, das ein Thermotransfer-Plasma zwischen der Düse und der Oberfläche des Objektes erzeugt, durch das die in dem Trägergas mitgerissenen Pulverteilchen hindurchströmen, bevor sie auf die Oberfläche des Objektes abgeschieden werden.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 2, wobei die Heizvorrichtung ein Plasmatron umfasst, das Thermoplasma in einer Kammer erzeugt, durch die das Trägergas hindurchgeht, wodurch das Gas erwärmt wird, das sodann die Pulverteilchen erwärmt, die hinter der Kammer in das erwärmte Trägergas eingespritzt werden.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 1, wobei der Gaskanal einen kreisförmigen, achssymmetrischen Querschnitt über seine Länge aufweist.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 1, wobei der konische Auslassabschnitt einen kreisförmigen, achssymmetrischen Querschnitt über seine Länge aufweist.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 1, wobei der konische Auslassabschnitt eine Querschnittsform aufweist, die in zwei orthogonalen Richtungen ungleich ist.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 1, wobei die Pulverteilchen und das Gasgemisch, das aus dem konischen Auslassabschnitt der Düse strömt, auf einen Strahl einer engen Querschnittsfläche bei etwas weniger als Schallgeschwindigkeit eingeschränkt werden, um unerwünschte Überschallexpansion des Strahles für einen großen Bereich von Sicherheitsabständen Düse-zu-Objektoberfläche zu verhindern und um das Einströmen von unerwünschtem Gas in den Düsengasstrom und den Abscheidungsbereich zu reduzieren.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 1, wobei der Düsenkörper weiterhin so ausgeführt ist, dass er einen Inertgasschutz bereitstellt, um das Ein strömen von unerwünschtem Gas in den Düsengasstrom und den Abscheidungsbereich zu reduzieren.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 1, wobei der konvergierende Abschnitt des Gaskanals ein Stauchverhältnis von wenigstens 10:1 aufweist.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine äußere Evakuierkammer, die die reibungskompensierte Düse umgibt, wobei die äußere Evakuierkammer überschüssige Pulverteilchen und überschüssiges Gas durch die äußere Evakuierkammer mitreißt und abzieht.
Vorrichtung für Teilchenabscheidung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Pulververflüssigungseinheit, die an dem konvergierenden Abschnitt der Düse befestigt ist, die die in dem Gas mitgerissenen Pulverteilchen zuführt.
Verfahren zum Abscheiden von Pulverteilchen auf einer Oberfläche eines Objektes zum Ausbilden einer Beschichtung oder einer durch Verdüsen darauf ausgebildeten Struktur, wobei das Verfahren umfasst: Einleiten der Pulverteilchen in das Trägergas; Beschleunigen des Trägergases auf eine konstante Geschwindigkeit von kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit, um das Trägergas auf einem Dichteniveau zu halten, das im Wesentlichen die Widerstandskraft auf den Pulverteilchen maximiert; und Ausrichten des Gases auf die Oberfläche des Objektes.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Pulverteilchen eine Teilchengrößenverteilung aufweisen, die so ausgewählt wird, dass sie eine eng gepackte Struktur zwischen der Matrix der abgeschiedenen Pulverteilchen erzeugt, wodurch eine dichte Beschichtung oder durch Verdüsen ausgebildete Struktur geschaffen wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Pulverteilchen eine Teilchengrößenverteilung aufweisen, die so ausgewählt wird, dass eine Leerstellenstruktur zwischen der Matrix aus abgeschiedenen Pulverteilchen induziert wird, wodurch eine poröse Beschichtung oder durch Verdüsen ausgebildete Struktur erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, weiterhin umfassend einen Schritt des Verfüllens der Leerstellen in der Matrix aus abgeschiedenen Pulverteilchen mit einem metallischen oder einem nichtmetallischen Material, das sich von den Pulverteilchen unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Pulverteilchen ein reaktionsfähiges Materialumfassen, das ein katalytisches, ein selbstentzündliches oder ein explosionsfähiges Material beinhaltet, und wobei die Porosität der Matrix aus abgeschiedenen Pulverteilchen eine größere Oberfläche bereitstellt als eine feste Abscheidung aus solchem Material.
Verfahren nach Anspruch 20, weiterhin umfassend den Schritt des Erwärmens der Pulverteilchen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Teilchen, die jedoch hoch genug ist, um die Dehngrenze der Teilchen zu reduzieren, so dass während des Aufpralls bei geringen Belastungsniveaus plastische Verformung ermöglicht wird.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Geschwindigkeit der Pulverteilchen an dem Aufprallpunkt mit der Oberfläche des Objektes so gesteuert wird, dass in Verbindung mit der durch Erwärmen der Teilchen induzierten reduzierten Dehngrenze die Struktur sowie die physikalischen und die chemischen Eigenschaften des abgeschiedenen Materials angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 25, weiterhin umfassend den Schritt des Erwärmens des Objektes, um die physikalischen oder die chemischen Eigenschaften, oder beides, der Oberfläche des Objektes und/oder allen bereits auf der Oberfläche des Objektes abgeschiedenen Materials zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 25, weiterhin umfassend einen Schritt des Einleitens eines zweiten Gases in die Pulverteilchen und das Trägergasgemisch, das mit den Pulverteilchen reagiert, wodurch die physikalischen oder die chemischen Eigenschaften, oder beides, der Abscheidung im Vergleich zu einer Abscheidung, die ohne Zugabe des zweiten Gases ausgebildet wird, verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 25, weiterhin umfassend einen Schritt der Einleitung eines zweiten Gases in die Pulverteilchen und das Trägergasgemisch, das mit der Oberfläche des Objektes reagiert, wodurch die physikalischen oder die chemischen Eigenschaften, oder beides, der Oberfläche des Objektes verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Pulverteilchen unter Verwendung von Plasma erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Plasma in einer Kammer erzeugt wird, die zum Erwärmen des Gases genutzt wird, das sodann die Pulverteilchen erwärmt, die hinter der Kammer in das erwärmte Trägergas eingespritzt werden.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Plasma als Direkttransfer-Plasma zwischen der reibungskompensierten Düse und der Oberfläche eines Objektes erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, wobei die Pulverteilchen und die Oberfläche erwärmt werden und wobei die Pulverteilchen eine ausreichende Geschwindigkeit aufweisen, um plastische Verformung der Pulverteilchen und der Oberfläche bei Aufprall der Pulverteilchen auf der Oberfläche zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Pulverteilchen wenigstens zwei verschiedene Arten von Pulverteilchen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei ein erstes Pulverteilchenmaterial ein erstes metallisches Material umfasst und ein zweites Pulverteilchenmaterial ein zweites metallisches Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Beschichtungsstruktur oder durch Verdüsung ausgebildete Struktur eine Mehrfachschicht oder eine mehrschichtige durch Verdüsung ausgebildete Struktur ist.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei eine jede Schicht ein unterschiedliches Pulverteilchenmaterialumfasst.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei eine jede Schicht eine unterschiedliche Kombination aus Pulverteilchenmaterialien umfasst.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei eine jede Schicht ein Pulverteilchenmaterial oder eine Kombination aus Pulverteilchenmaterialien umfasst.
Verfahren nach Anspruch 37, 38 oder 39, wobei eine erste Schicht eine Grundbeschichtung aus einer Diffusionssperre aus metallischem Pulver umfasst und eine zweite Schicht ein Aluminium-Hartlot-Pulver umfasst und eine dritte Schicht ein Flussmittelpulver umfasst.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Beschichtungsstruktur oder durch Verdüsung ausgebildete Struktur eine abgestufte Beschichtungsstruktur oder durch Verdüsung ausgebildete Struktur ist, wobei die Konzentration wenigstens einer der Pulverteilchenarten im Verhältnis zu den anderen Arten in Abhängigkeit von der Dicke verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Abstufung durchgehend ist.
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Abstufung schrittweise ausgeführt wird.