DE60009712T3

DE60009712T3 - Verfahren und vorrichtung zur sprühbeschichtung

Info

Publication number: DE60009712T3
Application number: DE60009712T
Authority: DE
Inventors: H. Thomas VAN STEENKISTE; R. John SMITH; E. Richard TEETS; J. Jerome MOLESKI; W. Daniel GORKIEWICZ
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: FW Gartner Thermal Spraying Ltd
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2020-06-23
Also published as: WO2001000331A2; DE60009712T2; AU5885400A; DE60009712D1; WO2001000331A3; WO2001000331B1; EP1200200A2; EP1200200B2; US6139913A; EP1200200B1; US6283386B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine kinetische Sprühbeschichtung, in der Metall- und andere Pulver, die in einer Luftströmung mitgerissen werden, bei relativ niedrigen Temperaturen unter ihren Schmelzpunkten beschleunigt und durch Aufprallen auf ein Substrat beschichtet werden.
Hintergrund der Erfindung
Die US-A-5302414 offenbart ein Verfahren in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die DE-A-19805402 offenbart eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff von Anspruch 5.
Die Technik der kinetischen Sprühbeschichtung oder dynamischen Kaltgassprühbeschichtung wird in einem Artikel von T. H. Van Steenkiste et al. mit dem Titel "Kinetic Spray Coatings" (Kinetische Sprühbeschichtungen), veröffentlicht in Surface and Coatings Technology, Bd. 111, S. 62–71 am 10. Januar 1999, ausführlich besprochen. Von den dreizehn angeführten Autoren des zitierten Artikels werden ein umfangreicher Hintergrund und Bezugnahmen auf vorangegangene Patente und Veröffentlichungen präsentiert, sowie eine Zusammenfassung des aktuellen Stands der Technik.
Die Arbeit, über die berichtet wurde, wurde mit einer von dem National Center for Manufacturing Services (NCMS) entwickelten Vorrichtung durchgeführt, welches die Arbeit und die Vorrichtung, über die in dem US Patent Nr. 5 302 414 von Alkhimov et al, veröffentlicht am 12. April 1994, berichtet wird, verbessert hat. Diese Quellen haben über die kinetische Sprühbeschichtung von Metallen und anderen Materialien durch gasbeschleunigten Aufprall auf verschiedene Substrate mit unterschiedlichen Erfolgen, unter Verwendung eines kinetischen Hochdrucksprühsystems mit einer kinetischen Sprühdüse auf der Grundlage der von Alkhimov et al. gelehrten Konzepte und anderer Quellen berichtet.
Das Verfahren beinhaltet den Eintrag metallischer oder anderer Materialtypen in Form von kleinen Teilchen oder Pulver in einen Hochdruck-Gasflussstrom, vorzugsweise Luft, der dann durch eine Düse des Laval-Typs geleitet wird, um den Gasstrom auf Überschallströmungsgeschwindigkeiten größer als 1000 m/s zu beschleunigen, und dann die Beschichtung auf das Substrat durch Aufprall auf dessen Oberfläche. Während durch die in dem zitierten Artikel und im Stand der Technik beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen nützliche Beschichtungen hergestellt wurden, war die erfolgreiche Anwendung dieser Verfahren auf die Verwendung sehr kleiner Teilchen in einem Größenbereich von etwa 1 bis 50 Mikrometer beschränkt. Die Herstellung und Handhabung solch kleiner Teilchen erfordert eine spezielle Ausrüstung, um die kleineren Pulvergrößen in geschlossenen Bereichen und außerhalb der umgebenden Atmosphäre, in der sich Arbeiter oder andere Personen befinden können, zu erhalten.
Demgemäß würde die Fähigkeit, ein kinetisches Sprühbeschichtungsverfahren zu verwenden, um Metall und andere Teilchen mit einer Größe von mehr als 50 Mikrometer zu beschichten, für deutliche Vorteile sorgen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 4 bereit, durch welche Teilchen aus Metallen, Legierungen, Polymeren und mechanischen Gemischen aus diesen, und mit Keramik und Halbleitern, mit Teilchengrößen von mehr als 50 Mikrometer unter Verwendung eines kinetischen Sprühbeschichtungsverfahrens auf Substrate aufgebracht werden können.
Die vorliegende Erfindung verwendet eine Abwandlung der in dem Artikel von Van Steenkiste et al. beschriebenen kinetischen Sprühdüse des NCMS-Systems. Dieses System sorgt für eine Druckluftströmung, die bis 650°C erhitzt wird, um das Gas in der Lavaldüse auf eine hohe Geschwindigkeit im Bereich von 1000 m/s oder mehr zu beschleunigen. Die Geschwindigkeit ist notwendig, um die mitgerissenen Teilchen für eine Teilchenbeschichtung durch Aufprall gegen das Substrat ausreichend zu beschleunigen. Die für die verschiedenen Materialien verwendeten Temperaturen liegen unter der, welche notwendig ist, um ihr Schmelzen oder thermisches Erweichen zu bewirken, so dass es dabei zu keiner Veränderung ihrer metallurgischen Eigenschaften kommt.
Bei der NCMS-Vorrichtung werden die Teilchen mittels einer nicht erhitzten Druckluftströmung, welche durch ein Pulvereintrag-Einspritzrohr, das vorzugsweise an der Achse der Lavaldüse ausgerichtet ist, eingetragen wird, zu dem Hauptgasstrom in einer Mischkammer gefördert. In einer vorhergehenden Vorrichtung wies der Durchmesser des Einspritzrohres bei der ähnlichen Einspritzdüse von Alkhimov et al. ein Verhältnis des Querschnittsbereiches des Hauptluftkanals zu dem Querschnittsbereich des Pulvereintrageinspritzrohres von 5–15/1 auf. Die kinetische Spritzdü se der NCMS-Vorrichtung mit ihrem höheren Luftdruck-System wies ein Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Hauptluftkanals und dem Durchmesser des Pulvereintrageinspritzrohres von 4/1 auf, und ein vergleichbares Verhältnis zwischen dem Querschnittsbereich des Hauptluftkanals und dem Querschnittsbereich des Pulvereintrageinspritzrohres von 17/1. In beiden Fällen stellte sich heraus, dass die Vorrichtungen nicht in der Lage waren, Beschichtungen mit Teilchengrößen von mehr als 50 Mikrometer aufzubringen.
Die vorliegende Erfindung hatte Erfolg darin, die Größe der Teilchen, die durch ein kinetisches Sprühverfahren erfolgreich aufgebracht werden können, auf Teilchen mit mehr als 100 Mikrometer zu erhöhen. Dies wurde durch eine Verringerung des Durchmessers des Pulvereintrageinspritzrohres von 2,45 mm, wie bei der in dem Artikel von Steenkiste et al. beschriebenen Sprühdüse der NCMS-Vorrichtung verwendet, auf einen Durchmesser von 0,89 mm erreicht. Es stellte sich auch heraus, dass die Ablagerungseffizienz der größeren Teilchen über 50 Mikrometer wesentlich größer ist, als jene der kleineren Teilchen unter 50 Mikrometer.
Während die Gründe für die verbesserte Wirkung nicht ganz klar sind, gibt es eine Theorie, dass die verringerte Luftströmung durch das Pulvereintrageinspritzrohr zu einer verminderten Herabsetzung der Temperatur der Hauptgasströmung durch die Lavaldüse führt, mit dem Ergebnis, dass die größeren Teilchen auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigt werden, die ihrer Beschichtung durch Aufprall gegen ein Substrat entspricht, während die vorhergehende Vorrichtung nicht in der Lage war, größere Teilchen auf die erforderliche Geschwindigkeit zu beschleunigen. Es sollte erwähnt werden, dass die Geschwindigkeiten der Luftströmung und der Teilchen beim Austrag aus der Düse ungefähr mit der Quadratwurzel der Gastemperatur schwanken. Es stellte sich auch heraus, dass die feinen Teilchen empfindlicher gegenüber Streugasströmungsmustern sind, welche die Teilchen ablenken können, besonders in der Nähe des Substrats, was die Effizient der Beschichtung verringert. Schließlich weisen die feinen Teilchen ein hohes Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen auf, was zu mehr Oxid in dem Pulver und daher in der Beschichtung führen kann.
In einer weiteren Entwicklung wurde ein noch kleineres Pulvereintrageinspritzrohr mit einem Durchmesser von 0,508 mm getestet, und es zeigte sich, dass es ebenfalls zu einer Beschichtung großer Teilchen zwischen 45 und 106 Mikrometer in der Lage war. Es zeigte sich jedoch auch, dass es schwierig war, einen gleichmäßigen Eintrag der großen Teilchen durch ein Rohr mit solch einem geringen Durchmesser aufrecht zu erhalten.
Als ein Ergebnis der Erfindung ist nun einzusehen, dass die kinetische Sprühbeschichtung von Metallen und anderen Stoffen unter Verwendung von in Luft mitgerissenen Teilchen, die größer als 50 Mikrometer und bis zu mehr als 100 Mikrometer sind, nun durch die richtige Auswahl der kennzeichnenden Eigenschaften und der Strömungsfähigkeiten der kinetischen Sprühdüse und des begleitenden Systems bewerkstelligt werden kann. Es ist zu erwarten, dass in einer weiteren Entwicklung und Tests der Vorrichtung und des Verfahrens die Größe der Teilchen, die in Beschichtungspulvern verwendet werden können, weiter erhöht werden kann.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind durch die nachfolgende Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen in vollerem Umfang verständlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen ist:
1 eine allgemeine schematische Anordnung, die ein kinetisches Sprühsystem zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht der in dem System verwendeten kinetischen Sprühdüse zum Mischen von Sprühpulver mit erhitzter Druckluft und zum Beschleunigen des Gemisches auf Überschallgeschwindigkeiten zum Aufprall auf die Oberfläche eines Substrats, welches beschichtet werden soll.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Unter Bezugnahme zuerst auf 1 der Zeichnungen zeigt die Ziffer 10 im Allgemeinen ein kinetisches Sprühsystem in Übereinstimmung mit der Erfindung an. Das System 10 umfasst ein Gehäuse 12, in welchem ein Tragtisch 14 oder andere Mittel zum Tragen angeordnet ist/sind. Eine Befestigungstafel 16, die an dem Tisch 14 befestigt ist, trägt eine Arbeitshalterung 18, die in drei Dimensionen bewegt werden kann und ein geeignetes Werkstück, das aus einem zu beschichtenden Substratmaterial gebildet ist, halten kann. Das Gehäuse 12 umfasst umgebende Wände mit mindestens einem Lufteinlass, nicht dargestellt, und einem Luftauslass 20, der durch einen geeigneten Abluftkanal 22 mit einem Staubabscheider, nicht dargestellt, verbunden ist. Während der Beschichtungsarbeitsschritte zieht der Staubabscheider kontinuierlich Luft von dem Gehäuse ab und scheidet jegliche/n in der Abluft enthaltenen Staub oder Teilchen für die nachfolgende Entsorgung ab.
Das Sprühsystem umfasst weiter einen Kompressor 24, der in der Lage ist, einen Luftdruck von bis zu 3,4 MPa (500 psi) an einen Hochdruckballasttank 26 zu liefern. Der Lufttank 26 ist durch eine Leitung 28 mit einer Hochdruck-Pulvereintragvorrichtung 30 wie auch mit einem separaten Lufterhitzer 32 verbunden. Der Lufterhitzer 32 liefert erhitzte Druckluft an die kinetische Sprühdüse 34. Die Pulvereintragvorrichtung mischt Teilchen des Sprühpulvers mit nicht erhitzter Druckluft und liefert das Gemisch an einen ergänzenden Einlass der kinetischen Sprühdüse 34. Eine Computersteuerung 35 ist wirksam, um den Druck der an den Lufttank 32 gelieferten Luft und die Temperatur der an die Sprühdüse 34 gelieferten Druckluft zu steuern.
Die 2 der Zeichnungen veranschaulicht schematisch die kinetische Sprühdüse 34 und ihre Verbindung zu dem Lufterhitzer 32 über einen Hauptluftkanal 36. Der Durchgang 36 ist mit einer Vormischkammer 38 verbunden, welche Luft durch einen Strömungsgleichrichter 40 in die Mischkammer 42 hinein leitet. Die Temperatur und der Druck der Luft oder eines anderen Gases werden durch ein Thermoelement 44 für die Gaseintrittstemperatur, welches mit dem Hauptluftkanal 36 verbunden ist, und von einem Drucksensor 46, welcher mit der Mischkammer 42 verbunden ist, überwacht.
Das Gemisch aus nicht erhitzter Druckluft und Beschichtungspulver wird durch eine ergänzende Einlassleitung 48 in ein Pulvereintrageinspritzrohr 50, welches ein gerades Rohr mit einem vorbestimmten Innendurchmesser umfasst, eingetragen. Das Rohr 50 weist eine Achse 52 auf, die vor zugsweise auch die Achse der Vormischkammer 38 ist. Das Einspritzrohr erstreckt sich von einem äußeren Ende der Vormischkammer entlang deren Achse und durch den Strömungsgleichrichter 40 in die Mischkammer 42 hinein.
Die Mischkammer 42 ihrerseits steht mit einer Düse 54 des Laval-Typs, welche einen Eingangskegel 56 mit einem Durchmesser, welcher sich von 7,5 mm zu einer Verengung 58 mit einem Durchmesser von 2,8 mm verringert, aufweist, in Verbindung. Nach der Verengung 58 weist die Düse einen rechteckigen Querschnitt auf, welcher sich an dem Austrittsende 60 auf 2 mm mal 10 mm vergrößert.
In seiner ursprünglichen Form wurde das Einspritzrohr 50, wie in dem vorstehend erwähnten Artikel von Van Steenkiste et al. berichtet, mit einem Innendurchmesser von 2,45 mm ausgebildet, während der entsprechende Durchmesser des Hauptluftkanals 36 10 mm betrug. Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Hauptluftkanals und jenem des Einspritzrohres betrug demgemäß 4/1, während das Verhältnis zwischen den Querschnittsbereichen etwa 17/1 betrug. Das System wurde im Grunde nach der vorherigen Vorrichtung von Alkhimov et al, wie sie in 5 seines Patents dargestellt wurde, wobei das vergleichbare Verhältnis der Querschnittsbereiche mit 5–15/1 angegeben wurde, ausgeführt. Möglicherweise auf Grund der niedrigeren in der Vorrichtung Alkhimovs verwendeten Gasdrücke und Temperaturen wurde die berechnete Geschwindigkeit oder Machzahl des Gases am Austritt der Düse von etwa 1,5 bis 2,6 variiert, wobei die Tests mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung mit dem 2,45 mm Einspritzrohr bei einer Machzahl von etwa 2,65 durchgeführt wurden.

Einige allgemeine kennzeichnende Eigenschaften des ursprünglichen und des verbesserten Sprühsystems waren wie folgt:

Machzahl Düse	2,65
Gasdruck	20 Atmosphären
Gastemperatur	300–1200°F/148–649°C
Arbeitsgas	Luft
Strömungsgeschwindigkeit Gas	18 g/s
Pulverdurchfluss	1,12 g/s
Teilchengröße	1–50 μm (Mikrometer)

Vergleichende Tests wurden mit dem ursprünglichen System durchgeführt, um die Fähigkeiten des Systems zu bestimmen, wobei Metallpulver mit verschiedenen Bereichen von Teilchengrößen verwendet wurden. Die getesteten Materialien umfassten Aluminium, Kupfer und Eisen. Die kennzeichnenden Eigenschaften des ursprünglichen Systems, wie es in diesen Tests verwendet wurde, waren wie folgt:

Durchm. Haupteintrittskanal 10 mm

Durchm. Einspritzrohr 2,45 mm

Verhältnis der Durchmesser 4/1

Verhältnis der Bereiche 17/1
Die Tabelle 1 stellt Daten der Testläufe tabellarisch dar, bei denen Kupferpulver unter Verwendung verschiedener Bereiche von Teilchengrößen auf ein Messingsubstrat aufgebracht wurde.
TABELLE 1
Diese Tests zeigten, dass es mit dem System, wie es ursprünglich gemäß der früheren Arbeit von Alkhimov et al. entwickelt und in dem US-Patent 5 302 414 und in dem Artikel von Van Steenkiste et al. erläutert wurde, möglich war, kinetische Beschichtungen mit Beschichtungspulvern, welche einer Teilchengröße von weniger als 45 Mikrometer aufwiesen, aufzubringen, wie in den Testläufen 1 und 2. Wenn die Teilchengröße des Pulvers jedoch auf mehr als 45 Mikrometer erhöht wurde, wie in den Testläufen 3 (63–106 Mikrometer) und 4 (45–63 Mikrometer), hafteten diese größere Teilchengrößen nicht an dem Substrat, so dass es nicht möglich war, durch dieses Verfahren Beschichtungen auszubilden.
Es wurde überlegt, dass jedes Teilchen einen Schwellwertgeschwindigkeits-Bereich erreichen muss, um durch den Aufprall auf dem Substrat genügend verformt zu werden, so dass es seine gesamte Impulsenergie in eine plastische Verformung einbringt und somit auf dem Substrat haftet, anstatt davon abzuprallen. Kleinere Teilchen können durch die erhitzte Hauptgasströmung einfacher beschleunigt werden und sind dadurch in der Lage, den Schwellwertgeschwindigkeits-Bereich zu erreichen und zu haften, um eine Beschichtung zu bilden. Größere Teilchen können diese Geschwindigkeit nicht erreichen und verformen sich somit nicht, sondern prallen stattdessen von dem Substrat ab. Nachdem man erkannt hat, dass die Geschwindigkeit der Luft, die in der Überschalldüse erreicht werden kann, mit der Quadratwurzel der Lufttemperatur steigt, wurde dann überlegt, dass die Luftgeschwindigkeit durch Verringerung der Strömung der nicht erhitzten Luft der Pulvereintragvorrichtung in Bezug auf die erhitzte Hauptluftströmung, welche die Teilchen des Pulvers in der Düse beschleunigt, erhöht werden könnte. Die resultierende Temperatur der gemischten Luftströmung durch die Düse sollte dann größer sein und für höhere Luftgeschwindigkeiten sorgen, um die größeren Teilchen auf die Schwellwertgeschwindigkeit zu beschleunigen. Um diese These zu überprüfen, wurde das ursprüngliche Pulvereintragrohr mit einem Durchmesser von 2,45 mm durch ein neues, kleineres Rohr mit einem Durchmesser von 0,89 mm ersetzt. Die kennzeichnenden Eigenschaften dieses abgewandelten Systems, wie es gemäß der Erfindung ausgebildet wurde, sind wie folgt:

Durchm. Haupteintrittskanal 10 mm

Durchm. Einspritzrohr 0,89 mm

Verhältnis der Durchmesser 11/1

Verhältnis der Bereiche 126/1
Vergleichende Testläufe wurden dann mit dem neuen System durchgeführt, bei welchem Pulverbeschichtungen unter Verwendung des kinetischen Beschichtungsverfahrens mit Kupfer-, Aluminium- und Eisenpulverteilchen bis zu 106 Mikrometer erfolgreich aufgebracht wurden. Die Tabelle 2 stellt beispielhafte Daten der Testläufe tabellarisch dar, bei denen unter Verwendung von Kupferpulvern verschiedener Bereiche von Teilchengrößen auf ein Messingsubstrat aufgebracht wurden.
TABELLE 2
Diese Daten zeigen, dass die/das abgewandelte Vorrichtung und System durch Verringerung des Durchmessers des Pulvereintragrohres in der Lage waren, kinetische Beschichtungen mit stark, bis zu mindestens 106 Mikrometer, vergrößerten Beschichtungspulverteilchen zu erzeugen konnten, an statt auf weniger als 50 Mikrometer beschränkt zu sein, wie mit der vorherigen Vorrichtung. Diese Verbesserung bringt große Vorteile, da die größeren Dimensionen von Beschichtungspulvern offensichtlich sowohl effizienter beim Aufbringen von Beschichtungen als auch sicherer in der Verwendung sind. Beschichtungen, die mit den größeren Teilchen gebildet werden, können auf Grund der geringeren Oberfläche/Volumen-Verhältnisse der großen Teilchen auch einen geringeren Oxid-Anteil aufweisen.
Bei weiteren Tests der Erfindung wurde die Überschalldüsen-Vorrichtung des Systems weiter abgewandelt, indem ein noch kleineres Pulvereinspritz-Rohr mit einem Innendurchmesser von nur 0,508 mm ausgetauscht wurde. Bei dieser Abwandlung wird das Verhältnis der Durchmesser auf 20/1 und das Verhältnis der Bereiche auf 388/1 erhöht. Die Tests dieser Ausführungsform zeigten auch deren Fähigkeit, Beschichtungen mit Beschichtungspulverteilchengrößen bis zu 106 Mikrometer zu bilden. Beim Erhalten des Stromes der größeren Beschichtungspulverteilchen durch das Eintragrohr mit kleinerem Durchmesser ist man jedoch auf Schwierigkeiten gestoßen. Die Anzeichen deuten darauf hin, dass der Mindestdurchmesser des Pulvereintragrohres nur durch die Fähigkeit des Systems begrenzt ist, Beschichtungsteilchen durch dieses hindurch zu tragen und nicht durch irgend eine Einschränkung der Fähigkeit, die Teilchen auf ein Substrat zu beschichten.
Die Tests der/des verbesserten Vorrichtung und Systems der Erfindung haben die Fähigkeit gezeigt, kinetische Beschichtungen von Pulverteilchen, die in einem Bereich zwischen 50 und 106 Mikrometer (μm) dimensioniert sind, zu bilden, wohingegen die vorher entwickelten Systeme anerkanntermaßen auf die Verwendung von Pulverteilchen kleiner als 50 μm beschränkt waren. Während die Tests der/des verbesserten Vorrichtung und Systems auf relativ wenige Beschichtungspulver und Substrate begrenzt waren, lassen die umfangreichen Tests der Vorrichtung und des Verfahrens nach dem Stand der Technik mit einem großen Bereich von Beschichtungspulvern und Substraten, wie zum Teil in dem vorstehend erwähnten US-Patent 5 302 414 sowie auch in anderen veröffentlichten Informationen angezeigt, wenig Zweifel daran bestehen, dass die Vorrichtung der Erfindung mit den selben Materialien und anderen diesen vergleichbaren, ebenso gut arbeiten wird. Die Erfindung wie beansprucht beabsichtigt demgemäß, die Verwendung aller solcher Materialien abzudecken, von denen man begründet annehmen kann, dass der Wortlaut der Ansprüche sie umfasst.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, ist einzusehen, dass innerhalb des Geistes und des Schutzbereiches der beschriebenen erfinderischen Konzepte zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden können. Demgemäß ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen zu begrenzen ist, sondern dass sie den gesamten Schutzbereich, welcher durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche definiert ist, besitzt.

Claims

Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung aus Teilchen auf einen Artikel, wobei die Beschichtung aus einer kohäsiven Schicht von Teilchen in festem Zustand an der Oberfläche des Artikels gebildet wird, und das Verfahren umfasst, dass: Teilchen eines Pulvers aus mindestens einem ersten Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Metall, einer Legierung, einem Polymer und mechanischen Gemischen aus diesen, sowie aus Gemischen mit Keramik und Halbleitern, in ein Gas gemischt werden, wobei die Teilchen zuerst mit Luft gemischt und durch ein Einspritzrohr (50) einer Pulvereintragvorrichtung in einen Strom erhitzter Luft von einem Hauptluftströmungskanal (36) eingespritzt werden; das Gemisch aus Gas und Teilchen zu einem Überschallstrahl (54) beschleunigt wird, während die Temperatur des Gases und der Teilchen ausreichend niedrig gehalten wird, um ein thermisches Erweichen des ersten Materials zu verhindern, wobei die Teilchen eine Geschwindigkeit von etwa 300 bis etwa 1.200 m/sec aufweisen; der Strahl aus Gas und Teilchen in einem festen Zustand gegen einen Artikel aus einem zweiten Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Metallen, Legierungen, Halbleitern, Keramik und Kunststoffen, gerichtet wird; wodurch der Artikel mit einer gewünschten Dicke der Teilchen beschichtet wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass Teilchen eines Pulvers, die so ausgewählt werden, dass sie eine Größe von mehr als 45 Mikrometer bis 106 Mikrometer aufweisen, in das Gas gemischt werden, wobei ein wesentlicher Anteil der Teilchen eine Teilchengröße über 50 Mikrometer aufweist, wobei das Mischen durch Verwendung eines Hauptluftströmungskanals (36) bewirkt wird, der ein Verhältnis der Querschnittsfläche in Bezug zu dem Einspritzrohr (50) von mindestens 80/1 aufweist
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens die Hälfte der Teilchen eine Teilchengröße über 50 Mikrometer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei alle Teilchen eine Teilchengröße über 50 Mikrometer aufweisen.
Vorrichtung (10) für die kinetische Beschichtung von Teilchen auf ein Substrat, wobei die Vorrichtung (10) umfasst: einen Düsenkörper (34) mit einer Mischkammer (42) vor einer Überschalldüse (54); einen Hauptluftströmungskanal (36), der die Mischkammer (42) mit einer Hochdruck-Luftquelle (26) verbindet, wobei die Düse (54) derart aufgebaut ist, dass sie eine Luftströmung, welche mit Beschichtungsteilchen gemischt ist, auf eine Überschall-Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt, die ausreicht, um die Teilchen auf ein Substrat durch Aufprallen zu beschichten, ohne dass die Teilchen in der Luftströmung schmelzen; wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch ein Einspritzrohr (50), das sich in axialer Ausrichtung mit der Düse (54) in die Mischkammer (42) hinein erstreckt, wobei der Hauptluft strömungskanal (36) und das Einspritzrohr (50) ein Verhältnis der Querschnittsflächen von mindestens 80/1 aufweisen; und ein Verbindungsmittel (48), welches das Einspritzrohr (50) mit einer Quelle (30) der in Hochdruckluft mitgerissenen Teilchen für die Beschichtung zum Mischen mit der Luftströmung in dem Hauptluftkanal (36) verbindet.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei das Verhältnis der Flächen etwa 125/1 beträgt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei der Hauptluftströmungskanal (36) und das Einspritzrohr (50) jeweils zylindrisch sind und ein Verhältnis der Durchmesser von mindestens 9/1 aufweisen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei das Verhältnis der Durchmesser mindestens 11/1 beträgt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, umfassend eine Luftströmungsgleichrichter (40) vor der Mischkammer (42) und eine Vormischkammer (38) definierend, die mit dem Hauptluftströmungskanal (36) vor dem Luftströmungsgleichrichter (40) verbunden ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 4 in Kombination mit: einem Lufterhitzer (32), welcher mit dem Hauptluftkanal (35) in Verbindung steht, zum Erhitzen der Hauptluftströmung, um deren Strömungsgeschwindigkeit aus der Düse (54) zu erhöhen; einer Hochdruck-Pulvereintragvorrichtung (30), welche mit dem Einspritzrohr (50) in Verbindung steht, um luftgestütztes Pulver zu diesem zu fördern; und einer Quelle (26) für unter Druck stehende Luft, welche mit dem Lufterhitzer (32) und der Pulvereintragvorrichtung (30) in Verbindung steht und dazu dient, um dieser Luft mit einem Druck bereitzustellen, der ausreichend ist, eine Überschall-Strömungsgeschwindigkeit des Luft- und Pulvergemisches, welches von der Düse (54) ausgetragen wird, aufrechtzuerhalten.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, umfassend ein Steuermittel (35), welches dazu dient, um während des Betriebs der Vorrichtung (10) beim Beschichten eines Substrats den Luftdruck zu dem Hauptluftkanal (36) und zu der Pulvereintragvorrichtung (30) sowie die Temperatur der Luft zu dem Hauptluftströmungskanal (36) auf voreingestellte Bedingungen zu steuern.