WO1997016947A1 - Plasma torch - Google Patents

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WO1997016947A1
WO1997016947A1 PCT/DE1996/001932 DE9601932W WO9716947A1 WO 1997016947 A1 WO1997016947 A1 WO 1997016947A1 DE 9601932 W DE9601932 W DE 9601932W WO 9716947 A1 WO9716947 A1 WO 9716947A1
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PCT/DE1996/001932
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Peter Jansing
Harry Braun
Walter Bauer
Marc Weller
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Robert Bosch Gmbh
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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Abstract

A plasma spray gun (1) is disclosed which also allows an in particular porous coating to be produced on a substrate while largely avoiding quality fluctuations in the porosity of the coating. For that purpose, a plasma spray gun (1) with an indirect plasmatron (3) for generating a long arc (36) is provided with a lateral injector (28).

Description

"Plasmabrenner""Plasma torch"
Die Erfindung betrifft ein Plasmaspritzgerät zum Versprühen von Material nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a plasma spraying device for spraying material according to the preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Zum Versprühen von z.B. pulverförmigen Material in schmelzflüssigem Zustand sind Plasmaspritzgeräte in Gebrauch, welche mit einem indirekten Plasmatron arbeiten, d.h. einen Plasmaerzeuger mit einem aus einer Düse ausströmenden elektrisch nicht stromführenden Plasmastrahl. In der Regel wird das Plasma durch einen Lichtbogen erzeugt und durch einen Plasmakanal zu einer Austrittsmündung geleitet, wobei man zwischen Geräten mit Kurzlichtbogen und solchen mit Langlichtbogen unterscheidet.For spraying e.g. powdery material in the molten state, plasma sprayers are used which work with an indirect plasma matron, i.e. a plasma generator with an electrically non-current-carrying plasma jet flowing out of a nozzle. As a rule, the plasma is generated by an arc and passed through a plasma channel to an outlet mouth, a distinction being made between devices with a short arc and those with a long arc.
Bei Geräten mit Kurzlichtbogen, die in der Regel mit einem radial angeordneten Injektor versehen sind, hat sich gezeigt, daß bei verschiedensten Materialien eine nur unzulängliche AufSchmelzung des zu versprühenden Pulvers stattfindet. Insbesondere wirkt sich auch das seitlich einströmende für den Pulvertransport nötige Trägergas nachteilig aus, da sogenannte Kurzlichtbögen vergleichsweise instabil brennen.In devices with a short arc, which are generally provided with a radially arranged injector, it has been shown that the most varied materials cause only an inadequate melting of the powder to be sprayed. In particular, the carrier gas flowing in from the side, which is necessary for the powder transport, also has a disadvantageous effect, since so-called short arcs burn comparatively unstably.
Zur Verbesserung der AufSchmelzung des zu versprühenden Pulvers wurden daher in der Vergangenheit Plasmabrenner mit sogenannten Langlichtbögen entwickelt. Ein solcher Langlichtbogen bietet den Voreil, daß er erheblich stabiler brennt, als ein vorbeschriebener Kurzlichtbogen. Solche Plasmabrenner weisen einen Plasmakanal ausgehend von einer Kathode auf, wobei mehrere elektrisch untereinander isolierte Neutroden im Verlauf des Plasmakanals zur Anode hin angeordnet sind. Der Injektor ist hierbei axial ausgerichtet, so daß das Pulver unmittelbar ins Innere des Plasmakanals eingesprüht wird und über eine größere Wegstrecke mit dem Plasma in Berührung kommt. Hierdurch wird es weitestgehend aufgeschmolzen, bevor es aus der anodenseitigen Mündung des Plasmakanals austritt.To improve the melting of the powder to be sprayed, plasma torches with so-called long-arc arcs have therefore been developed in the past. Such a Long arc offers the advantage that it burns much more stable than a short arc described above. Such plasma torches have a plasma channel starting from a cathode, with several neutrodes electrically insulated from one another being arranged in the course of the plasma channel towards the anode. The injector is axially aligned so that the powder is sprayed directly into the interior of the plasma channel and comes into contact with the plasma over a longer distance. As a result, it is largely melted before it emerges from the anode-side mouth of the plasma channel.
Ein derartiges Plasmaspritzgerät ist beispielsweise in der DE 41 05 408 beschrieben. In dieser besonderen Ausführungsform ist zusätzlich eine besondere Formgebung des Plasmakanals angegeben, die dafür sorgt, daß das Plasma im Innern des Plasmakanals in gewisser Weise konzentriert ist. Dies führt dazu, daß ein höherer Energieanteil auf das Pulvermaterial übertragbar ist, während der Energieanteil, der über die Wandkühlung des Plasmakanals abzuführen ist, erniedrigt ist. Derartige Plasmaspritzgeräte sind von Vorteil, wenn es darum geht, ein möglichst vollständig aufgeschmolzenes Spritzmaterial zu erhalten.Such a plasma spray device is described for example in DE 41 05 408. In this particular embodiment, a special shape of the plasma channel is additionally specified, which ensures that the plasma is concentrated in a certain way inside the plasma channel. The result of this is that a higher proportion of energy can be transferred to the powder material, while the proportion of energy which is to be dissipated via the wall cooling of the plasma channel is reduced. Such plasma spraying devices are advantageous when it comes to obtaining a spray material that is melted as completely as possible.
Die vorbeschriebene Anordnung wirkt sich jedoch nicht bei allen Anwendungsfällen positiv aus. Soll beispielsweise eine poröse Beschichtung auf einem Substrat aufgetragen werden, so ist dies mit einer vollständigen Aufschmelzung des pulverförmigen Spritzmaterials nicht möglich. Es bedarf hier eines Spritzgeräts, das zumindest die Möglichkeit bietet, das Spritzpulver nur kurzzeitig zu erhitzen und somit nicht vollständig, sondern allenfalls teilweise aufzuschmelzen. Dabei muß dennoch ein möglichst gleichbleibender Aufschmelzungsgrad des Pulvers gewährleistet werden, um eine dauerhaft gleichbleibende Schichtqualität zu erhalten. Außerdem hat sich gezeigt, daß durch eine Verringerung des Gasdurchsatzes der Aufbau einer porösen Schicht begünstigt wird. Dies wiederum führt bei einem Plasmabrenner der beschriebenen Art aufgrund der erniedrigten Strömungsgeschwindigkeiten zu einer noch längeren Verweildauer des Spritzpulvers in dem Plasma, was wie oben angegeben von Nachteil ist. Zudem wird die Gefahr, daß der Brenner verstopft durch einen niedrigeren Gasdurchsatz erhöht.However, the arrangement described above does not have a positive effect in all applications. For example, if a porous coating is to be applied to a substrate, this is not possible with complete melting of the powdery spray material. What is needed here is a spraying device which at least offers the possibility of heating the wettable powder only briefly and therefore not completely, but at most partially melting. In this case, however, the degree of melting of the powder which is as constant as possible must be ensured in order to maintain a permanently constant layer quality. It has also been shown that by reducing the Gas throughput the formation of a porous layer is favored. In the case of a plasma torch of the type described, this in turn leads to an even longer residence time of the wettable powder in the plasma due to the reduced flow velocities, which, as stated above, is disadvantageous. In addition, the risk of the burner becoming blocked due to a lower gas throughput is increased.
Die oben genannten Geräte mit Kurzlichtbogen sind zwar in der Lage, Spritzmaterial nur kurzzeitig zu erhitzen und anzuschmelzen, weisen jedoch Ihrerseits den Nachteil auf, daß durch instabiles Brennverhalten die Qualität der porös aufgetragenen Beschichtung erheblichen Schwankungen unterliegt.The above-mentioned devices with short arcs are able to heat and melt spray material only briefly, but they have the disadvantage that the quality of the porous coating is subject to considerable fluctuations due to unstable burning behavior.
Aufgabe und Vorteile der ErfindungObject and advantages of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von einem Plasmaspritzgerät der einleitend genannten Art, eine Anordnung vorzuschlagen, mittels der insbesondere auch eine poröse Beschichtung auf einem Substrat herzustellen ist. Die bislang auftretenden QualitätsSchwankungen sollen hierbei weitgehend vermieden werden.It is therefore the object of the invention, starting from a plasma spraying device of the type mentioned in the introduction, to propose an arrangement by means of which, in particular, a porous coating can also be produced on a substrate. The quality fluctuations that have occurred so far should be largely avoided.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 1.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.Advantageous designs and developments of the invention are possible through the measures mentioned in the subclaims.
Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Spritzgerät dadurch aus, daß zum einen ein Langlichtbogen der eingangs beschriebenen Art vorgesehen ist, jedoch der Injektor so angeordnet ist, daß der Injektionskanal mit einer seitlich im Plasmakanal angebrachten Injektionsöffnung versehen ist.Accordingly, a spray device according to the invention is characterized in that, on the one hand, a long arc of the type described at the outset is provided, but the injector is arranged in such a way that the injection channel is connected to a is provided laterally in the plasma channel injection opening.
Je nach dem, wo der Injektionskanal längs des Plasmakanals angeordnet ist, wird die Verweildauer des Spritzpulvers im Plasma entsprechend größer oder kleiner sein.Depending on where the injection channel is arranged along the plasma channel, the residence time of the wettable powder in the plasma will be correspondingly longer or shorter.
Insbesondere ist es durch die seitliche Anordnung des Injektors möglich, diesen im Bereich der Mündung des Plasmakanals, d.h. in der Nähe des Austritts des Plasmastroms aus der Anode anzubringen. Hierdurch sind auch so niedrige Energieüberträge zwischen Plasma und Spritzpulver möglich, wie dies für das Auftragen bestimmter poröser Schichten notwendig ist. Insbesondere kann auch der Gasdurchsatz des für das plasmaverwendeten Gases herabgesetzt werden, ohne daß das Plasmaspritzgerät verstopft, wie dies bei einem axial angeordnetem Injektor häufig der Fall ist. Das Herabsetzen des Gasdurchsatzes wiederum begünstigt den Aufbau einer porösen Beschichtung. Durch die Verwendung eines Langlichtbogens liegt ein Plasmastrahl mit einer hohen Stabilität und somit weitgehend konstanter Energieverteilung vor. Hierdurch ist es möglich, poröse Schichten mit weitgehend gleichbleibender Qualität zu erzeugen, die beispielsweise als keramische Schutzschicht für Lambda-Sonden verwendbar sind.In particular, the lateral arrangement of the injector makes it possible to place it in the area of the mouth of the plasma channel, i.e. near the exit of the plasma flow from the anode. As a result, even low energy transfers between plasma and wettable powder are possible, as is necessary for the application of certain porous layers. In particular, the gas throughput of the gas used for the plasma can also be reduced without the plasma spraying device becoming blocked, as is often the case with an axially arranged injector. The reduction in gas throughput in turn favors the formation of a porous coating. By using a long arc, a plasma beam with high stability and thus largely constant energy distribution is available. This makes it possible to produce porous layers of largely constant quality, which can be used, for example, as a ceramic protective layer for lambda probes.
Vorzugsweise wird der Injektionskanal in die Anode eingeformt. Dies hat den Vorteil, daß zum einen der Injektor weitestmöglichst an der Mündung des Plasmakanals angeordnet ist, zum anderen jedoch keine zusätzliche Kühlung für ein separates Injektionsrohr oder dergleichen vorgesehen werden muß.The injection channel is preferably molded into the anode. This has the advantage that on the one hand the injector is arranged as far as possible at the mouth of the plasma channel, but on the other hand no additional cooling has to be provided for a separate injection tube or the like.
In einer besonderen Ausführungsform wird die Anode und/oder wenigstens eine Neutrode ringförmig ausgebildet. Dies hat sich bei bekannten Plasmaspritzgeräten zur Erzeugung eines stabilen Langlichtbogens und einer gleichmäßigen Plasmaströmung bewährt. Außerdem bieten ringförmige Bauelemente fertigungstechnische Vorteile.In a special embodiment, the anode and / or at least one neutrode is formed in a ring. This has been the case with known plasma sprayers for generating a stable long arc and a uniform plasma flow. In addition, ring-shaped components offer manufacturing advantages.
Vorzugsweise wird der Injektionskanal des Injektors radial angeordnet. Dadurch wird das Spritzpulver ins Zentrum des Plasmakanals eingespritzt. Je nach Anwendungsfall ist es jedoch möglich, den Injektionskanal auch so auszurichten, daß eine zusätzliche axiale und/oder tangentiale Komponente in der Ausrichtung des Injektionskanals wenigstens im Bereich der Injektionsöffnung vorliegt. Durch eine besondere Anpassung des Injektionskanals kann gezielt eine ganz bestimmte Region innerhalb des Plasmakanals mit dem Spritzmaterial erreicht werden.The injection channel of the injector is preferably arranged radially. As a result, the wettable powder is injected into the center of the plasma channel. Depending on the application, however, it is possible to align the injection channel so that there is an additional axial and / or tangential component in the alignment of the injection channel at least in the area of the injection opening. A special adaptation of the injection channel allows a specific region within the plasma channel to be reached with the spray material.
Vorteilhafterweise werden zwei oder mehrere Injektoren vorgesehen. Dies bieten den Vorteil, daß verschiedene Regionen innerhalb des Plasmakanals mit Spritzmaterial erreichbar sind. Innerhalb des Plasmas im Plasmakanal sind regelmäßig verschiedene Zonen unterschiedlicher Energiedichte, Strömungsgeschwindigkeiten etc. gegeben. Durch das gezielte Anfahren verschiedener Regionen innerhalb des Plasmas mittels mehrerer Injektoren kann so unter Umständen die Qualität einer aufzutragenden Schicht, insbesondere einer porösen Schicht beeinflußt werden. Durch die Wahl mehrerer Injektionskanäle ist zudem der maximale Durchsatz an Spritzmaterial deutlich erhöht.Two or more injectors are advantageously provided. This offers the advantage that different regions within the plasma channel can be reached with spray material. Various zones of different energy density, flow velocities etc. are regularly given within the plasma in the plasma channel. By targeting different regions within the plasma by means of several injectors, the quality of a layer to be applied, in particular a porous layer, can be influenced under certain circumstances. By choosing multiple injection channels, the maximum throughput of spray material is also significantly increased.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform werden die Injektoren so ausgestaltet, daß wahlweise einer oder mehrere Injektoren nutzbar sind. Je nach Bedarf können somit einzelne Injektoren zugeschaltet werden, womit zum einen die Qualität, d.h. der Aufschmelzungszustand, und zum anderen die Menge des versprühten Spritzmaterials verändert werden kann. Vorzugsweise wird diese Ausführungsform so ausgebildet, daß die Zufuhr eines oder mehrerer Injektoren mit Spritzmaterial variabel gesteuert werden kann.In an advantageous development of this embodiment, the injectors are designed such that one or more injectors can optionally be used. Depending on requirements, individual injectors can thus be switched on, whereby the quality, ie the melting state, and the amount of the sprayed spray material can be changed. This embodiment is preferably so trained that the supply of one or more injectors with spray material can be variably controlled.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden zwei oder mehrerer Kathoden eingesetzt. Diese Kathoden, die beispielsweise in Form von Stabkathoden vorliegen können, sind in der Lage, jeweils einen Lichtbogen zu erzeugen. Diese Lichtbögen, die gegebenenfalls teilweise miteinander verschmelzen, ergeben insbesondere im Bereich der Anode eine größere Homogenität der Energiedichteverteilung. Bei der Verwendung mehrerer solcher Kathoden kann demnach das Spritzmaterial bei gleichbleibender Qualität der AufSchmelzung in größere Zonen innerhalb des Plasmas eingespritzt werden. Nicht zuletzt ist dadurch auch ein höherer Materialdurchsatz möglich.In a particularly advantageous embodiment, two or more cathodes are used. These cathodes, which can be in the form of rod cathodes, for example, are capable of generating an arc. These arcs, which may partially fuse with one another, result in greater homogeneity of the energy density distribution, particularly in the region of the anode. If several such cathodes are used, the spray material can therefore be injected into larger zones within the plasma while the quality of the melting remains the same. Last but not least, this also enables a higher material throughput.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, die Anordnung der Injektoren auf die Anordnung der Kathoden bzw. umgekehrt abzustimmen. Durch die Geometrie der Kathodenanordnung ergibt sich eine entsprechende Geometrie des Verlaufs der daraus entstehenden Lichtbögen und somit auch eine dadurch herausgebildete Struktur der Energiedichte im Plasma im Bereich der Anode. In einer besonderen Ausführungsform hat es sich gezeigt, daß, beispielsweise bei drei unter einem Winkel von jeweils 120° angeordneten Kathoden, drei Lichtbögen schraubenartig verwunden im Plasmakanal verlaufen und an der inneren Umfangskante der Ringanode enden. Bei diesem Verlauf ergibt sich dementsprechend eine in etwa symmetrisch unter ca. 120 ° jeweils auftretende Symmetrie der Energieverteilung im Bereich der Anode. Dementsprechend empfiehlt es sich, die Injektoren ebenfalls unter entsprechenden Winkeln entlang dem Umfang der Anode radial so anzuordnen, daß jeweils ein Lichtbogen optimal genutzt wird. Die Anordnung bewirkt jedoch auch, daß das Zentrum des Plasmas homogener bezüglich der Energiedichte wird, da die entsprechenden, jedem Lichtbogen kreissegmentartig zuzuordnenden Zonen in ihren Randbereichen überlappen.It is particularly advantageous here to match the arrangement of the injectors to the arrangement of the cathodes or vice versa. The geometry of the cathode arrangement results in a corresponding geometry of the course of the arcs resulting therefrom and thus also a structure of the energy density in the plasma in the region of the anode. In a special embodiment, it has been shown that, for example in the case of three cathodes arranged at an angle of 120 ° in each case, three arcs run helically wound in the plasma channel and end on the inner peripheral edge of the ring anode. This course accordingly results in a symmetry of the energy distribution in the region of the anode which occurs approximately symmetrically at approximately 120 °. Accordingly, it is advisable to also arrange the injectors radially at corresponding angles along the circumference of the anode in such a way that an arc is optimally used in each case. However, the arrangement also causes the center of the plasma to be more homogeneous in terms of energy density, since the corresponding to each arc Zones to be assigned in the manner of a circle segment overlap in their edge regions.
Vorzugsweise wird in der Nähe der Kathode bzw. der Kathoden der Plasmakanal mit einer Verjüngung versehen. Eine solche Verjüngung bewirkt, wie eingangs erläutert, eine gewisse Konzentration des Plasmas im Zentrum des Plasmakanals, wodurch der Wärmeeintrag in die Wandung des Plasmakanals vermindert wird und somit bei einer Steigerung des Wirkungsgrades ein geringerer Aufwand bei der Kühlung erforderlich ist.The plasma channel is preferably provided with a taper in the vicinity of the cathode or cathodes. As explained at the beginning, such a tapering results in a certain concentration of the plasma in the center of the plasma channel, as a result of which the heat input into the wall of the plasma channel is reduced and, with an increase in efficiency, less cooling effort is required.
Vorteilhafterweise kann bei einem durch die genannten Maßnahmen äußerst stabil brennenden Langlichtbogen reines Argon als Plasmagas verwendet werden. Auch dies hat sich insbesondere bei der Fertigung von porösen keramischen Schutzschichten für Lambda-Sonden als vorteilhaft erwiesen.Pure argon can advantageously be used as the plasma gas in the case of a long arc which burns extremely stably as a result of the measures mentioned. This has also proven to be advantageous in particular in the production of porous ceramic protective layers for lambda probes.
Zeichnungdrawing
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail with reference to the following description.
Im einzelnen zeigenShow in detail
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Plasmaspritzvorrichtung undFig. 1 shows a longitudinal section through a plasma spraying device according to the invention and
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Ringanode mit drei Injektoren.Fig. 2 shows a cross section through the ring anode with three injectors.
AusführungsbeispielEmbodiment
Der Mehrkathodenplasmabrenner 1 umfaßt eine Ringanode 2, die am Ende eines Plasmakanals 3 angeordnet ist. Der Plasmakanal 3 wird durch vier hintereinander angeordnete Neutroden 4, 5, 6, 7 gebildet. Die Neutroden 4, 5, 6, 7 sind untereinander und gegenüber der Anode 2 durch Isolationsteile 8 elektrisch isoliert. Die Neutroden 4 bis 7 befinden sich innerhalb eines Neutrodenträgers 9 aus Isoliermaterial, an den sich ein Anodenträger 10 anschließt. Die beschriebene Anordnung wird durch drei Metallhülsen 11, 12, 13 zusammengehalten, die untereinander über nicht näher dargestellte Verbindungselemente miteinander verbunden sind. Die Hülse 11 ist zusätzlich an einem Kathodenträger 14 befestigt, z.B. verschraubt. Am Kathodenträger 14 sind drei Stabkathoden 15 befestigt, die an ihrer zum Plasmakanal 3 hinweisenden Seite einen Isolierkörper 16 durchsetzen. (Es ist in Fig. 1 nur eine der Kathoden 15 vollständig und eine weitere mit ihrem Kathodenstift 17' dargestellt, da es sich um eine Schnittzeichnung handelt.) An ihrem in den Plasmakanal 3 hineinragenden Ende umfassen die Stabkathoden 15, Kathodenstifte 17, 17', die aus einem elektrisch und thermisch besonders gut leitenden und zudem hochschmelzenden Material, z.B. thoriertem Wolfram bestehen. Im Innern der Stabkathoden 15 sind Hohlräume 18 für eine Wasserkühlung 19 vorgesehen.The multi-cathode plasma torch 1 comprises a ring anode 2, which is arranged at the end of a plasma channel 3. The plasma channel 3 is formed by four neutrodes 4, 5, 6, 7 arranged one behind the other. The neutrodes 4, 5, 6, 7 are electrically insulated from one another and from the anode 2 by insulating parts 8. The neutrodes 4 to 7 are located within a neutrode carrier 9 made of insulating material, to which an anode carrier 10 is connected. The arrangement described is held together by three metal sleeves 11, 12, 13, which are connected to one another via connecting elements, not shown. The sleeve 11 is additionally fastened, for example screwed, to a cathode carrier 14. On the cathode support 14, three rod cathodes 15 are fastened, which pass through an insulating body 16 on their side pointing towards the plasma channel 3. (Only one of the cathodes 15 is shown in full in FIG. 1 and another is shown with its cathode pin 17 ', since this is a sectional drawing.) At its end projecting into the plasma channel 3, the rod cathodes 15, cathode pins 17, 17' comprise , which consist of an electrically and thermally highly conductive and also high-melting material, such as thoriated tungsten. Cavities 18 for water cooling 19 are provided in the interior of the rod cathodes 15.
Die Wasserkühlung 19 durchläuft in mehreren Ringbohrungen 20, 21, 22 den Kathodenträger 14. Ein Wassereingang 23 sowie ein Wasserausgang 24 stehen zur Wasserzufuhr bzw. zur Wasserabfuhr über nicht näher dargestellte Zwischenleitungen mit den Ringbohrungen 20 bis 22 in Verbindung. Die Anode 2 sowie die Neutroden 4 bis 7 werden ebenfalls mittels Wasserkühlung gekühlt, wofür entsprechende Durchlässe 25, 26 im Neutrodenträger 9 bzw. im Anodenträger 10 vorgesehen sind. Zwischen dem Neutrodenträger 9 und den Neutroden 4 bis 7 besteht ebenfalls ein Hohlraum, durch den das Kühlwasser fließen kann. Die Anode 2 weist, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, im Bereich ihrer Mündungsδffnung 38 drei Injektoren 28, 29, 30 mit Injektionsöffnungen 28', 29', 30' auf. Diese sind in einen Anschlußteil 31 zur Verbindung mit einer Einspritzleitung sowie eine Injektionsbohrung 32 aufgeteilt.The water cooling 19 passes through the cathode carrier 14 in a plurality of ring bores 20, 21, 22. A water inlet 23 and a water outlet 24 are connected to the ring bores 20 to 22 for the supply or removal of water via intermediate lines (not shown). The anode 2 and the neutrodes 4 to 7 are likewise cooled by means of water cooling, for which purpose corresponding passages 25, 26 are provided in the neutrode carrier 9 and in the anode carrier 10, respectively. There is also a cavity between the neutrode support 9 and the neutrodes 4 to 7 through which the cooling water can flow. As can be seen in particular from FIG. 2, the anode 2 has three injectors 28, 29, 30 with injection openings 28 ', 29', 30 'in the region of its orifice opening 38. These are divided into a connecting part 31 for connection to an injection line and an injection bore 32.
Über einen Gasdurchgang 33 kann durch einen Ringspalt 34 Gas ins Innere des Plasmakanals 3 eingelassen werden. Der Ringspalt 34 geht an seiner äußeren Wandung in eine Querschnittsverjüngung 35 der kathodenseitigen Neutrode 7 über.Gas can be admitted into the interior of the plasma channel 3 through an annular gap 34 via a gas passage 33. On its outer wall, the annular gap 34 merges into a cross-sectional taper 35 of the neutrode 7 on the cathode side.
Zum Betrieb wird zunächst ein Plasmagas beispielsweise Argon über den Gaseinlaß 33 und den Ringspalt 34 in den Plasmakanal 3 eingelassen. Er wird durch die kontinuierliche Querschnittsverjüngung 35 der kathodenseitigen Neutrode 7 nach Innen umgelenkt und in gewissem Maße eingeschnürt. Jeweils ein Lichtbogen, wie durch die Linie 36 dargestellt ist, kann nun über das Anlegen einer entsprechenden Spannung zwischen den Kathodenstiften 17 und der kathodenseitigen Neutrode 7 auf kurze Distanz gezündet werden. Durch Fortschaltung der Spannung entlang den Neutroden 6, 5, 4 kann dieser Lichtbogen 36 schließlich bis zur Anode 2 aufgezogen werden. Er brennt in dieser Anordnung anschließend stabil zwischen der Kathode 17 und der Anode 2. Er trifft hierbei auf die Anode im Bereich der ins Innere des Plasmakanals hingewandten Innenkante 37 auf. Das durch den brennenden Lichtbogen 36 gebildetete Plasma strömt, durch die Querschnittsverjüngung 35 in der Nähe der Achse des Plasmabrenners 1 mit erhöhter Dichte konzentriert durch den Plasmakanal 3 und tritt durch die Mündung 38 aus der Ringanode 2 aus. Durch die in unmittelbarer Nähe der Mündung 38 befindlichen Injektoren 28 bis 30 wird das aufzutragende Material in Pulverform injiziert. Es wird im heißen Plasma aufgeschmolzen und im Plasmastrom aus der Mündung 38 herausgetragen, bis es auf einem nicht näher dargestellten Substrat auftritt.For operation, a plasma gas, for example argon, is first introduced into the plasma channel 3 via the gas inlet 33 and the annular gap 34. It is deflected inwards by the continuous cross-sectional taper 35 of the neutrode 7 on the cathode side and constricted to a certain extent. One arc at a time, as represented by line 36, can now be ignited by applying a corresponding voltage between cathode pins 17 and cathode-side neutrode 7 at a short distance. By switching the voltage along the neutrodes 6, 5, 4, this arc 36 can finally be drawn up to the anode 2. In this arrangement, it then burns stably between the cathode 17 and the anode 2. It strikes the anode in the region of the inner edge 37 facing the interior of the plasma channel. The plasma formed by the burning arc 36 flows through the cross-sectional taper 35 in the vicinity of the axis of the plasma torch 1 with increased density, concentrated through the plasma channel 3 and emerges from the ring anode 2 through the mouth 38. The material to be applied is injected in powder form by the injectors 28 to 30 located in the immediate vicinity of the mouth 38. It is melted in the hot plasma and in the plasma stream from the mouth 38 carried out until it occurs on a substrate, not shown.
Es hat sich gezeigt, daß die Lichtbögen 36, ausgehend von jeder Kathode 17 leicht spiralförmig verwunden im Innern des Plasmakanals 3 brennen. Entsprechend dem Verlauf der Lichtbögen 36 stellt sich die Energiedichte im Innern des durchströmenden Plasmas ein. Falls wie vorliegend, drei Kathoden 17 unter einem Winkel von jeweils 120° gleichverteilt um die Achse des Plasmakanals 3 liegen, so stellt sich am Ende des Plasmakanals 3 im Innern der Anode 2 eine dementsprechende Verteilung der Energiedichte ein. Bei drei um die Achse des Plasmabrenners gleich verteilten Kathoden ergeben sich grob vereinfachend ausgedrückt drei in Fig. 2 durch gestrichelte Linien angedeutete Segmente innerhalb der ringförmigen Anode 2, die jeweils eine Zone erhöhter Energiedichte aufweisen. Da die tatsächlich den jeweiligen Lichtbögen 36 zuzuordnenden Zonen nicht scharf gegeneinander abgetrennt sind, sondern einander überlappen, ergibt sich jedoch auch insgesamt eine homogenere Energiedichteverteilung im Innern der Anode über einen großflächigeren Bereich, als wenn lediglich eine Kathode mit einem Lichtbogen verwendet wird.It has been shown that the arcs 36, starting from each cathode 17, burn slightly spirally in the interior of the plasma channel 3. In accordance with the course of the arcs 36, the energy density is established in the interior of the plasma flowing through. If, as in the present case, three cathodes 17 are equally distributed around the axis of the plasma channel 3 at an angle of 120 °, a corresponding distribution of the energy density is established at the end of the plasma channel 3 inside the anode 2. In the case of three cathodes equally distributed around the axis of the plasma torch, to put it in a roughly simplified manner, there are three segments in the ring-shaped anode 2, indicated by dashed lines in FIG. Since the zones that are actually to be assigned to the respective arcs 36 are not sharply separated from one another, but rather overlap one another, overall there is also a more homogeneous energy density distribution inside the anode over a larger area than if only a cathode with an arc is used.
Die Injektoren 28, 29, 30 werden so angeordnet, daß Sie ins Zentrum der genannten Segmente weisen. Es hat sich bewährt, die in der gleichen Winkelanordnung wie die Kathoden 17 angebrachten Injektoren 28, 29, 30 gegenüber der Kathodenanordnung soweit zu verdrehen, wie es dem Verwindungsgrad der Lichtbögen 36 entspricht.The injectors 28, 29, 30 are arranged so that they point to the center of the segments mentioned. It has proven useful to rotate the injectors 28, 29, 30, which are attached in the same angular arrangement as the cathodes 17, with respect to the cathode arrangement to the extent that it corresponds to the degree of torsion of the arcs 36.
Ein Plasmabrenner 1 der vorbeschriebenen Art hat sich bewährt bei der Fertigung von Lambda-Sonden-Keramiken, die eine Schutzschicht (Spinellschicht) mit gleichmäßiger Porosität aufweisen sollen. Zur Einsparung des für die Schichtherstellung notwendigen Spinellpulvers wird gegebenenfalls nur einer der drei Injektoren 28, 29, 30 verwendet.A plasma torch 1 of the type described above has proven itself in the production of lambda probe ceramics, which should have a protective layer (spinel layer) with uniform porosity. To save the spinel powder required for layer production possibly only one of the three injectors 28, 29, 30 used.
Ein erfindungsgemäßer Brenner reagiert bei einem Eingreifen, z.B. der Erhöhung der Leistung, Veränderung der Pulverdosierung, etc., definiert. Man kann somit eine bestimmte gewünschte Porosität einer Spinellschicht erzeugen. Außerdem brennt ein derartiger Brenner konstanter über einen längeren Zeitraum. Es läßt sich über längere Zeit somit eine gleichbleibende Schichtqualität ohne externe Regelung herstellen.A burner according to the invention reacts upon intervention, e.g. increase in performance, change in powder dosage, etc. A certain desired porosity of a spinel layer can thus be generated. In addition, such a burner burns more constantly over a longer period of time. It is therefore possible to produce a constant layer quality without external control over a long period of time.
Dieses Ergebnis ist auf eine sehr stabile Plasmaflamme mit stabiler Plasmaspannung zurückzuführen. Diese stabile Plasmaspannung ist einerseits auf den Betrieb mit Argongas zurückzuführen, andererseits liegt die Stabilität der Spannung darin, daß der Fußpunkt des Langlichtbogens axial nicht oder nur unwesentlich beweglich ist. Diese axiale Fixierung des Lichtbogenfußpunktes wird durch die Verwendung eines Langlichtbogens in einem Plasmakanal 3 mit gegeneinander isolierten Neutrodenringen erreicht. Die Porosität der Spinellschicht wird hierbei dadurch gewährleistet, daß das Spinellpulver nur kurze Zeit im Plasma auf- oder angeschmolzen wird, was wiederum auf die radiale Einspritzung in der Nähe der Mündung 38 des Plasmakanals zurückzuführen ist. Gleichzeitig wird durch diese Anordnung eine Reduzierung des Gasdurchsatzes ohne Verstopfung des Plasmabrenners 1 möglich. This result is due to a very stable plasma flame with stable plasma voltage. This stable plasma voltage is due on the one hand to the operation with argon gas, and on the other hand the stability of the voltage lies in the fact that the base point of the long arc is not axially or only slightly movable. This axial fixation of the arc base is achieved by using a long arc in a plasma channel 3 with mutually insulated neutrode rings. The porosity of the spinel layer is ensured by the fact that the spinel powder is only melted or melted in the plasma for a short time, which in turn is due to the radial injection in the vicinity of the mouth 38 of the plasma channel. At the same time, this arrangement makes it possible to reduce the gas throughput without clogging the plasma torch 1.

Claims

Patentansprüche: Claims:
1. Plasmaspritzgerät zum Versprühen von Material, insbesondere von pulverförmigem Material, mit einem Plasmatron zur Erzeugung eines Langlichtbogens, das wenigstens eine Kathode/eine Anode und mindestens einen Injektionskanal für das zu versprühende Material mit mindestens einer Injektionsöffnung in einen Plasmakanal umfaßt, wobei der Plasmakanal ausgehend von der Kathode mit einer Mündung für den Austritt des Plasmas an der Anode gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionskanal (28, 29, 30) mit seiner Injektionsöffnung (28', 29', 30') seitlich in den Plasmakanal eintritt.1. Plasma spraying device for spraying material, in particular powdery material, with a plasmatron for generating a long arc, which comprises at least one cathode / one anode and at least one injection channel for the material to be sprayed with at least one injection opening in a plasma channel, the plasma channel starting is formed by the cathode with an opening for the exit of the plasma at the anode, characterized in that the injection channel (28, 29, 30) with its injection opening (28 ', 29', 30 ') enters the plasma channel laterally.
2. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsöffnung (28', 29', 30') im Bereich der Mündung (38) des Plasmakanals (3) liegt.2. Plasma spray gun according to claim 1, characterized in that the injection opening (28 ', 29', 30 ') is in the region of the mouth (38) of the plasma channel (3).
3. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionskanal (28, 29, 30) in die Anode (2) eingeformt ist.3. Plasma spray gun according to one of the preceding claims, characterized in that the injection channel (28, 29, 30) is molded into the anode (2).
4. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2) und/oder wenigstens eine Neutrode (4, 5, 6, 7) ringförmig ausgebildet sind.4. Plasma spray gun according to one of the preceding claims, characterized in that the anode (2) and / or at least one neutrode (4, 5, 6, 7) are annular.
5. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionskanal (28, 29, 30) radial in der ringförmigen Anode (2) angeordnet ist. 5. Plasma spray gun according to claim 4, characterized in that the injection channel (28, 29, 30) is arranged radially in the annular anode (2).
6. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionskanal (28, 29, 30) axiale und/oder tangentiale Richtungskomponenten aufweist.6. Plasma spray gun according to one of the preceding claims, characterized in that the injection channel (28, 29, 30) has axial and / or tangential directional components.
7. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise ein oder mehrere Injektionskanäle (28, 29, 30) nutzbar sind.7. Plasma spray gun according to one of the preceding claims, characterized in that optionally one or more injection channels (28, 29, 30) can be used.
8. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Kathoden (17, 17') vorhanden sind.8. Plasma spray gun according to one of the preceding claims, characterized in that two or more cathodes (17, 17 ') are present.
9. Plasmaspritzgerät nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Anordnung der Injektionskanäle (28, 29, 30) an die räumliche Anordnung der Kathoden (17, 17') angepaßt sind.9. Plasma spray gun according to claim 8, characterized in that the spatial arrangement of the injection channels (28, 29, 30) are adapted to the spatial arrangement of the cathodes (17, 17 ').
10. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verjüngung (35) des Plasmakanals (3) in der Nähe der Kathode (15) vorhanden ist.10. Plasma spraying device according to one of the preceding claims, characterized in that a taper (35) of the plasma channel (3) in the vicinity of the cathode (15) is present.
11. Plasmaspritzgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas Argon vorgesehen ist.11. Plasma spray gun according to one of the preceding claims, characterized in that argon is provided as the plasma gas.
12. Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit Hilfe eines Plasmaspritzgeräts, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasmaspritzgerät (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird. 12. A method for coating a substrate with the aid of a plasma spraying device, characterized in that a plasma spraying device (1) according to one of the preceding claims is used.
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