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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen
Beschichten einer Werkstückoberfläche, wobei
mikro- oder nanoskalige Partikel in die Beschichtung eingebracht
werden. Daneben betrifft die Erfindung eine Gegenelektrodenanordnung
zum elektrochemischen Behandeln eines Werkstückes, bei dem das Werkstück eine
Arbeitselektrode bildet.
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Derartige
Verfahren und Vorrichtungen, die etwa beim Neu- oder Wiederbeschichten von Turbinenschaufeln
mit einer Schutzschicht gegen Korrosion und/oder Oxidation zur Anwendung
kommen können,
sind bspw. aus
EP 0
748 883 A1 und
EP
1 094 134 A1 bekannt.
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Die
EP 0 748 883 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen von galvanischen Schichten, bei dem
das zu beschichtende Bauteil in ein galvanisches Bad eingebracht
wird. In das galvanische Bad werden Nanopartikel eingebracht, die
beim Galvanisieren in die Beschichtung eingebaut werden. Um eine
gleichmäßige Verteilung
der Nanopartikel im galvanischen Bad zu erzielen, wird das Bad ständig umgerührt. Nur
so kann eine homogene Verteilung der Nanopartikel in der Beschichtung
gewährleistet werden.
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In
der
EP 1 094 134 A1 ist
eine elektrochemische Vorrichtung zum Entfernen einer Beschichtung von
einem Werkstück
beschrieben. Die Vorrichtung umfasst einen Behälter, in den ein Elektrolyt
eingeführt
werden kann. Das zu bearbeitende Werkstück wird als Arbeitselektrode
in Form einer Anode in das elektrolytische Bad eingebracht. Im Elektrolyten
ist außerdem eine
Anzahl von Kathoden angeordnet, welche Gegenelektroden zur Anode
bilden. Beim elektrochemischen Bearbeiten wird eine Spannung zwischen
dem Werkstück
als Arbeitselektrode und den Gegenelektroden aufgebaut. Die Gegenelektroden
können
speziell im Hinblick auf das zu bearbeitende Werkstück geformt
sein.
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Gegenüber diesem
Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein alternatives
Verfahren zum elektrochemischen Beschichten eines Werkstückes mit
einer mikro- oder nanoskalige Partikel enthaltenden Beschichtung
zur Verfügung
zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
eine Gegenelektrodenanordnung zur Verfügung zu stellen, die sich mit
besonders hoher Flexibilität einsetzen
lässt und
mit der das erfindungsgemäße Verfahren
durchführbar
ist.
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Die
erste Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, die zweite
Aufgabe durch eine Gegenelektrodenanordnung nach Anspruch 7 gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
erfolgt ein elektrochemisches Beschichten einer Werkstückoberfläche, wobei
mikro- oder nanoskalige Partikel in die Beschichtung eingebracht
werden. Während
des Beschichtens wird wenigstens ein Strahl eines Strahlmediums
auf die Werkstückoberfläche gerichtet,
wobei das Strahlmedium die einzubringenden mikro- oder nanoskaligen
Partikel umfasst. Mit dem Strahl lassen sich die mikro- oder nanoskalige
Partikel gezielt in die Nähe
der zu beschichtenden Werkstückoberfläche bringen,
ohne dass dazu zuvor ein galvanisches Bad mit den mikro- oder nanoskaligen Partikeln
angesetzt werden muss. Die Partikel werden beim Beschichten alleine
durch den Strahl in die Nähe
der zu beschichtenden Oberfläche
gebracht. Ein ständiges
Rühren
des galvanischen Bades ist hierbei nicht nötig.
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In
einer Ausführungsform
des Verfahrens wird das Strahlmedium alleine von den mikro- oder nanoskaligen
Partikeln gebildet. In einer alternativen Ausführungsform sind die mikro-
oder nanoskaligen Partikel in einer elektrolytischen Behandlungslösung dispergiert.
In dieser Ausführungsform
wird das Strahlmedium von der Behandlungslösung mit den darin dispergierten
Partikeln gebildet.
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Die
Menge an in die Beschichtung eingebrachten mikro- oder nanoskaligen
Partikeln kann im erfindungsgemäßen Verfahren über den
Strahldruck, also der Druck, mit dem das Strahlmedium der Oberfläche zugeführt wird,
eingestellt werden. Hierbei kann insbesondere ein kontinuierlicher
oder ein pulsierender Druckverlauf zur Anwendung kommen. Über eine
geeignete Druckregelung kann so die Anzahl an eingebauten Partikeln
erhöht
oder verringert werden.
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Wenn
der Strahldruck während
des elektrochemischen Beschichtens variiert wird, kann ein Gradient
der Partikeldichte in der elektrochemisch hergestellten Beschichtung
oder eine Beschichtung mit mehreren Lagen, die sich durch ihre Partikeldichten voneinander
unterscheiden, erzeugt werden. Zum Herstellen des Gradienten wird
hierbei die Druckamplitude kontinuierlich variiert, während zum
Herstellen einer Multilagenbeschichtung die Druckamplitude sprunghaft
variiert wird.
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Eine
Multilagenbeschichtung lässt
sich auch durch Variieren der Zusammensetzung des Strahlmediums
während
des Beschichtens erzeugen. So ist es beispielsweise möglich, während des
Beschichtens von mikro- oder nanoskaligen Partikeln einer Sorte
zu mikro- oder nanoskaligen Partikeln einer anderen Sorte überzugehen.
Dieser Übergang kann
entweder fließend
oder sprunghaft erfolgen. Bei einem fließenden Wechsel der Partikelsorte
liegt in der fertiggestellten Beschichtung ein fließender Übergang
von der einen Partikelsorte zur anderen Partikelsorte vor. Wenn
das Umstellen der Strahlzusammensetzung dagegen sprunghaft erfolgt,
so lässt sich
damit eine Beschichtung mit mehreren Lagen erzeugen, wobei sich
die einzelnen Lagen durch die Art der Mikro- oder Nanopartikel voneinander
unterscheiden. Die Variation der Strahlzusammensetzung kann auch
mit einer Variation des Strahldruckes kombiniert werden, so dass
neben der Art der eingebauten Partikel auch deren Dichte in der
fertigen Beschichtung variiert.
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Insgesamt
erhöht
das erfindungsgemäße Verfahren
die Flexibilität
beim Herstellen von Beschichtungen mit eingelagerten mikro- oder
nanoskaligen Partikeln. Die Beschichtungseigenschaften können während des
Herstellens der Beschichtung gezielt verändert werden. So sind völlig neuartige Schichtsysteme
möglich.
Auch lässt
sich die Prozessdauer verkürzen,
da nicht erst ein neues elektrochemisches Bad angesetzt werden muss,
wenn beispielsweise ein Mehrschichtsystem hergestellt werden soll,
in dem sich die einzelnen Schichten durch die Art der mikro- oder
nanoskaligen Partikel voneinander unterscheiden.
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Ein
erfindungsgemäße Gegenelektrodenanordnung
zum elektrochemischen Behandeln eines Werkstückes, die insbesondere das
Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ermöglicht,
umfasst eine Anzahl von Prozesselektroden, wobei das Werkstück eine
Arbeitselektrode bildet. Die Gegenelektrodenanordnung umfasst weiterhin
eine Prozessmediumzufuhreinrichtung zum Zuführen eines Prozessmediums,
welches insbesondere mikro- oder nanoskalige Partikel umfassen kann,
zu den Prozesselektroden. Die Prozesselektroden sind als rohrartige
Elemente mit sich in ihrem Inneren erstreckenden Kanälen ausgebildet.
Sie weisen jeweils ein der Prozessmediumzufuhreinrichtung zugewandtes
Ende und ein von der Prozessmediumzufuhreinrichtung abgewandtes
Ende mit einer darin angeordneten Öffnung auf. Im Bereich der
der Prozessmediumzufuhreinrichtung zugewandten Enden der rohrartigen
Elemente stehen die Kanäle
jeweils mit der Prozessmediumzufuhreinrichtung in Verbindung. Am
von der Prozessmediumzufuhreinrichtung abgewandten Ende der rohrartigen
Elemente münden
die Kanäle
in die Öffnungen
der Prozesselektroden.
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Die
Ausgestaltung der Prozesselektroden als rohrförmige Elemente und die darin
angeordneten Kanäle
ermöglichen
es, ein Prozessmedium wie etwa mikro- oder nanoskalige Partikel
oder ein Gemisch aus einer chemischen Behandlungslösung und
darin dispergierten mikro- oder nanoskaligen Partikeln als ein Strahlmedium
in Form eines Strahls gezielt in den Bereich zwischen den Prozesselektroden
und der Arbeitselektrode als dem Werkstück einzubringen. Auf diese
Weise kann ein effektiver Einsatz der mikro- oder nanoskaligen Partikel
beim Beschichten erfolgen.
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Da über die
Prozessmediumzufuhreinrichtung verschiedene Prozessmedien zugeführt werden können, ohne
dass dazu ein Unterbrechen des Beschichtungsprozesses nötig wäre, beispielsweise
um die elektrochemische Behandlungslösung zu wechseln, ist der Aufbau
von Schichten mit mehreren, sich in den verwendeten Partikeln unterscheidenden Schichten
ohne Unterbrechung der elektrochemischen Abscheidung möglich.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Gegenelektrodenanordnung verjüngen sich
die Kanäle im
Bereich vor den Öffnungen.
Der sich so verjüngende Öffnungsquerschnitt
lässt eine
düsenartige Öffnung entstehen,
die für
eine homogene Durchmi schung der mikro- oder nanoskaligen Partikel
in der elektrochemischen Behandlungslösung im Bereich der Umgebung
der Öffnung
sorgt. Die Qualität
des Strahls, bspw. die Form des Strahls und/oder die Energie des
Strahls und/oder die Menge an austretendem Strahlmedium, kann durch
eine geeignete konstruktive Ausgestaltung der Düse gezielt beeinflusst werden,
insbesondere durch ein geeignetes Wählen der Form der Kanäle im Bereich
der Öffnungen und/oder
der Form der Öffnungen
selbst im Hinblick auf die zu erzielende Strahlqualität.
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Um
die Dichte der in die Beschichtung eingebauten mikro- oder nanoskaligen
Partikel erhöhen oder
verringern zu können,
kann die Gegenelektrodenanordnung eine Einstelleinrichtung zum Einstellen
des Drucks des Prozessmediums in der Prozessmediumzufuhreinrichtung
umfassen.
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In
einer ersten konstruktiven Ausgestaltung der Gegenelektrodenanordnung
sind die rohrartigen Elemente der Prozesselektroden durch einen
gemeinsamen wachsgefüllten
Träger
geführt.
Sie weisen Sicherungselemente auf, beispielsweise sich in Umfangsrichtung
der rohrförmigen
Elemente der Prozesselektroden erstreckende Rippen, welche sie gegen
ein axiales Verschieben gegenüber
dem Wachs im erstarrten Zustand sichern.
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Die
beschriebene Ausgestaltung ermöglicht ein
vorteilhaftes Verfahren zum Anpassen der Prozesselektrodenanordnung
an die Geometrie des zu bearbeitenden Werkstückes. Das Wachs wird verflüssigt und
die Prozesselektrodenanordnung bei verflüssigtem Wachs an das Werkstück angedrückt. Dabei
werden die Prozesselektroden im Wachs verschoben, sodass sich die
Positionen der freien Enden der Prozesselektroden an die Geometrie
der Werkstückoberfläche anpassen.
In diesem Zustand wird das Wachs wieder verfestigt, sodass die Prozesselektroden
in ihrer Lage fixiert werden. Das Ergebnis ist eine optimal an die
Geometrie der Oberfläche des
zu bearbeitenden Werkstückes
angepasste Gegenelektrodenanordnung. Diese Anpassung ist insbesondere
bei nicht planaren Werkstücken
und im Bereich konkaver und konvexer Ecken von Bedeutung. Insbesondere
konkave und konvexe Ecken können
besonders gut bearbeitet werden, wenn die rohrartigen Elemente der
Prozesselektroden eine Nadelform aufweisen. Daneben kann die Gegenelektrodenanordnung
bei nadelförmiger
Ausgestaltung der rohrartigen Elemente auch besonders vorteilhaft beim
chemischen Behandeln von Löchern
im Werkstück
eingesetzt werden.
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In
einer zweiten konstruktiven Ausgestaltung der Gegenelektrodenanordnung
sind die rohrartigen Elemente der Prozesselektroden durch Löcher wenigstens
einer gemeinsamen Trägerplatte
geführt. Zwischen
den Rändern
der Löcher
und den jeweiligen rohrartigen Elementen ist dabei ein geringes Spiel
vorhanden, das so bemessen ist, dass es eine ungestörte axiale
Verschiebung der rohrartigen Elemente erlaubt. Weiterhin ist eine
Spannvorrichtung vorhanden, mit deren Hilfe sich die rohrartigen
Elemente mit einer Kraft derart gegen die Ränder der Löcher drücken lassen, dass sie aufgrund
der dabei auftretenden Reibung gegen ein axiales Verschieben gegenüber der
Trägerplatte
gesichert sind.
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Wie
in der ersten konstruktiven Ausführungsform
kann auch die Gegenelektrodenanordnung in der zweiten konstruktiven
Ausführungsform
dadurch an die Geometrie der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes angepasst
werden, dass sie an das Werkstück
angedrückt
wird. Dabei ist die Spannvorrichtung im entspannten Zustand, sodass
sich die rohrartigen Elemente der Prozesselektroden innerhalb der
Löcher
axial verschieben können.
Nachdem die Position der freien Elektrodenenden an die Geometrie
der Werkstückoberfläche angepasst
ist, wird die Spannvorrichtung gespannt, sodass die rohrförmigen Elemente gegen
die Ränder
der Löcher
gedrückt
werden, wodurch sie gegen ein weiteres axiales Verschieben gesichert
sind. Auch in dieser konstruktiven Ausgestaltung bieten Prozesselektroden
in Nadelform die mit Bezug auf die erste Ausgestaltung beschriebenen
Vorteile.
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Insgesamt
lässt sich
die erfindungsgemäße Gegenelektrodenanordnung
besonders flexibel beim elektrochemischen Behandeln von Werkstücken einsetzen.
Insbesondere in den beiden beschriebenen konstruktiven Ausgestaltungen
ist die erfindungsgemäße Gegenelektrodenanordnung
besonders variabel für
jede Werkstückform
einsetzbar. Auf speziell angefertigte Formelektroden für bestimmte
Werkstückformen
kann daher verzichtet werden.
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Weitere
Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie der erfindungsgemäßen Gegenelektrodenanordnung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
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1 zeigt
eine Anordnung zum Durchführen
eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Gegenelektrodenanordnung.
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3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Gegenelektrodenanordnung.
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Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Verfahren
unter Bezugnahme auf die in 1 dargestellte
Anordnung beschrieben.
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1 zeigt
ein Werkstück
1,
welches insbesondere als Turbinenschaufel ausgebildet sein kann. Eine
Turbinenschaufel ist typischerweise aus einer hochtemperaturfesten
Nickel-Basislegierung
oder einer Kobalt-Basislegierung hergestellt. Häufig sind auf Turbinenschaufeln
sog. MCrAlY-Beschichtungen zum Korrosions- und/oder Oxidationsschutz
aufzubringen. In der MCrAlY-Beschichtung steht M für Eisen
(Fe), Kobalt (Co) oder Nickel (Ni) und Y für Yttrium (Y) und/oder Silizium
(Si) und/oder zumindest ein Element der seltenen Erden bzw. Hafnium.
MCrAlY-Zusammensetzungen sind beispielsweise aus
EP 0 486 489 B1 ,
EP 0 786 017 B1 ,
EP 0 412 397 B1 oder
EP 1 306 454 A1 bekannt.
Auf diese Dokumente wird daher bezüglich möglicher Zusammensetzungen der
Beschichtung Bezug genommen.
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Beim
Aufbau einer MCrAlY-Beschichtung wird Kobalt oder Nickel elektrochemisch
abgeschieden, wohingegen die übrigen
Bestandteile der Beschichtung, beispielsweise Cr, Al, Y oder Rhenium (Re)
als mikro- oder nanoskalige Partikel in die elektrochemisch abgeschiedene
Nickel- oder Kobaltschicht eingebaut werden.
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Die
in 1 dargestellte Anordnung zum Beschichten des Werkstücks 1 umfasst
neben dem Werkstück 1 selbst
eine Elektrodenanordnung 9 sowie einen mit einem Elektrolyt 3 gefüllten Behälter 5, in
dem sowohl das Werkstück 1 als
auch die Elektrodenanordnung 9 angeordnet sind. Zudem umfasst die
Anordnung eine Spannungsquelle 7, deren negativer Pol elektrisch
leitend mit dem Werkstück 1 verbunden
ist, sodass dieses eine Kathode bildet. Die Kathode, also das Werkstück 1,
bildet die Arbeitselektrode der Anordnung. Der positive Pol der
Spannungsquelle 7 ist dagegen mit der Elektrodenanordnung 9 verbunden,
sodass diese zur Anode wird und die Gegenelektrode zur Arbeitselektrode
bildet. Aufgrund der zwischen dem Werkstück 1 und der Gegenelektrodenanordnung 9 anliegenden
Span nung baut sich zwischen der Gegenelektrodenanordnung und dem
Werkstück 1 ein
elektrisches Feld auf, welches positiv geladene Ionen zur negativ
geladenen Werkstückoberfläche transportiert.
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Im
Elektrolyten 3, der eine elektrolytische Behandlungslösung darstellt,
sind Ionen des Basismaterials des Werkstücks gelöst. Im Falle einer Turbinenschaufel
aus einer Nickel- oder Kobalt- Basislegierung sind also Nickelionen
oder Kobaltionen im Elektrolyten 3 gelöst. Die positiv geladenen Metallionen
wandern zur Werkstückoberfläche 2 und
lagern sich dort zu einer Beschichtung ab.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
werden mikro- oder nanoskalige Partikel in die Beschichtung eingebaut.
Dies erfolgt, indem zwischen der Gegenelektrodenanordnung 9 und
der Oberfläche 2 des Werkstückes 1 eine
Dispersion 4 der einzubauenden mikro- oder nanoskaligen Partikel im Elektrolyten 3 herbeigeführt wird.
An die Oberfläche 2 des
Werkstückes 1 angrenzende
Partikel werden dabei während der
elektrochemischen Ablagerung der Metallionen in die Beschichtung
eingebaut. Die zugeführten
Partikel können
dabei eine einzige Partikelsorte, beispielsweise Cr-Partikel, Y-Partikel,
Al-Partikel, Re-Partikel,
etc. oder einem Gemisch aus mehreren Partikelsorten umfassen.
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Das
Zuführen
der mikro- oder nanoskaligen Partikel in den Bereich zwischen der
Gegenelektrodenanordnung 9 und dem Werkstück 1 erfolgt
durch die Gegenelektrodenanordnung 9 hindurch. Zu diesem
Zweck ist die Gegenelektrodenanordnung 9 mit einer Anzahl
rohrförmiger
Elemente 11 ausgestattet, welche die Prozesselektroden 12 der
Gegenelektrodenanordnung 9 bilden. In 1 ist
der Einfachheit halber lediglich ein rohrförmiges Element 11 dargestellt.
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Die
rohrförmigen
Elemente 11 weisen einen in Axialrichtung verlaufenden
Kanal 13 auf, welcher in einer Öffnung 14 im dem Werkstück 1 zugewandten
Ende des rohrförmigen
Elementes 11 mündet. Unmittelbar
vor der Öffnung 14 verjüngt sich
der Querschnitt des Kanals 13. Das andere Ende des rohrförmigen Elementes 11 steht
mit einem Verteilertank 17 in Verbindung, dem über einen
Zufluss 19, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Zuflussrohr
ausgebildet ist, mikro- und/oder nanoskalige Partikel zugeführt werden
können.
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Während des
Beschichtens des Werkstücks 1 werden
die mikrooder nanoskaligen Partikel unter Druck über den Zufluss 19 in
den Verteilertank 17 eingeleitet. Aufgrund des Druckes
strömen
die Partikel durch den Kanal 13 zur Öffnung 14 und treten durch
diese in den Elektrolyt 3 im Bereich zwischen der Gegenelektrodenanordnung 9 und
dem Werkstück 1 aus.
Aufgrund der düsenartigen Öffnungen 14 der
mit dem Verteilertank 17 in Verbindung stehenden rohrförmigen Elemente 11 kann
eine homogene Durchmischung der Partikel im Elektrolyten oder eine
gezielte Anstrahlung der Werkstückoberfläche 2 mit
den Partikeln während
der Abscheidung der gelösten
Metallionen erreicht werden. Die mikro- oder nanoskaligen Partikel
können
dabei mit einem bestimmten Druck durch die düsenartigen Öffnungen 14 zur Werkstückoberfläche 2 transportiert
werden.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
werden die Partikel dem Verteilertank im Elektrolyten dispergiert
zugeführt.
Aus der düsenartigen Öffnung 14 tritt
daher ein Elektrolytstrahl mit dispergierten mikro- oder nanoskaligen
Partikeln als Strahlmedium aus. Alternativ ist es jedoch auch möglich, alleine
die mikro- oder nanoskaligen Partikel in den Verteilertank 17 einzuleiten,
sodass aus der düsenartigen Öffnung 14 lediglich
die Partikel als Strahlmedium austreten.
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Über eine
geeignete Steuerung des Druckes im Verteilertank 17 kann
die Anzahl der im Bereich zwischen der Gegenelektrodenanordnung 9 und
dem Werkstück 1 befindlichen
mikro- oder nanoskaligen Partikel gezielt erhöht oder vermindert werden.
Auf diese Weise lässt
sich die Einbaudichte der Partikel in die Beschichtung gezielt erhöhen und
vermindern. Die Druckverhältnisse
im Verteilertank 17 können beispielsweise über den
Druck im Zufluss 19 eingestellt werden. Es sind sowohl
kontinuierliche Drücke als
auch pulsierende Drücke
möglich.
Das Steuern des Druckes kann hierbei sowohl die Druckamplitude als
auch die Frequenz bei pulsierenden Drücken umfassen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
lassen sich auch gradierte Beschichtungen, also solche Beschichtungen,
in denen die Dichte an eingebauten mikro- oder nanoskaligen Partikeln
mit dem Abstand von der Werkstückoberfläche variiert,
erzeugen. Hierzu wird im Verlaufe des Beschichtungsverfahrens der
Druck im Verteilertank 17 kontinuierlich verändert, sodass
sich die Zahl, d.h. die Dichte, der im Elektrolyten zwischen der
Gegenelektrodenanordnung 9 und dem Werkstück 1 dispergierten
Partikel verändert.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
jedoch auch Mehrschichtsysteme hergestellt werden, wobei sich die
einzelnen Schichten des Beschichtungssystems sowohl in der Dichte
der eingebauten mikro- oder nanoskaligen Partikel als auch in der
Art der mikro- oder nanoskaligen Partikel voneinander unterscheiden
können.
Derartige Schichten können
insbesondere hergestellt werden, ohne dass der elektrochemische
Beschichtungsprozess unterbrochen werden muss, um das galvanische
Bad auszutauschen. Zum Herstellen von Beschichtungen mit mehreren,
sich in die Art der Partikel voneinander unterscheidenden Beschichtungen
braucht lediglich der Verteilertank 17 während des
Verfahrens nacheinander mit mikro- oder nanoskaligen Partikeln unterschiedlicher
Art befüllt
zu werden. Jedes Mal, wenn eine Lage fertiggestellt ist, wird die
nächste
Partikelart in den Verteilertank 17 eingefüllt.
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Beschichtungen
mit Lagen, die sich durch die Einbaudichte der Partikel voneinander
unterscheiden, lassen sich herstellen, indem die Druckverhältnisse
im Verteilertank 17 kontinuierlich verändert werden. Es sei an dieser
Stelle angemerkt, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch durch die Art der Partikel voneinander unterscheidenden Multischichtsysteme
hergestellt werden können,
die eine gradierte oder sprunghafte Änderung in der Dichte der eingebauten
Partikel aufweisen. Dies ist möglich,
da die Art der in den Verteilertank 17 eingebrachten Partikel
und der Druck im Verteilertank 17 unabhängig voneinander geregelt werden
können.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
für die
erfindungsgemäße Gegenelektrodenanordnung 9 wird nun
mit Bezug auf 2 beschrieben. Die Gegenelektrodenanordnung 9 umfasst
eine Mehrzahl von rohrförmigen
Elementen 11a bis 11e, welche rohrförmig Prozesselektroden 12a bis 12e bilden.
Die Prozesselektroden 12a bis 12e sind über eine
in 2 nicht dargestellte Leitung mit dem Pol einer
Spannungsquelle verbindbar. Alle Prozesselektroden 12a bis 12e stehen
mit einem Ende mit dem Verteilertank 17 derart in Verbindung,
dass ein Prozessmedium, also beispielsweise ein Elektrolyt mit dispergierten mikro-
oder nanoskaligen Partikeln, durch die Kanäle 13 im Inneren der
Prozesselektroden 12a bis 12e (vgl. 1)
zu den Austrittsöffnungen 14a bis 14e strömen kann.
Die Kanäle 13,
die Austrittsöffnungen 14,
der Verteilertank 17 sowie der Zufluss 19 wurden bereits
mit Bezug auf 1 beschrieben und werden daher
an dieser Stelle nicht noch einmal erläutert.
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Neben
den Prozesselektroden 12a bis 12e umfasst die
Gegenelektrodenanordnung 9 auch eine Anzahl von Messelektroden 21,
die gegenüber
den Prozesselektroden 12a bis 12e elektrisch isoliert sind.
Die Messelektroden 21 bilden Referenzelektroden, deren
Elektrodenspitzen 22 berührungsfrei zur Oberfläche 2 des
Werkstückes 1 weisen
und die zum Überwachen
der elektrischen Parameter während des
elektrochemischen Abscheideprozesses dienen. Die Messelektroden 21 können ebenso
wie die Prozesselektroden 11 als rohrförmige Elemente ausgebildet
sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Messelektroden 21 als
Vollelektroden, d.h. ohne inneren Kanal auszubilden.
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Die
Prozesselektroden 12a bis 12e erstrecken sich
in Axialrichtung durch einen mit Wachs 27 gefüllten Träger 29.
Der Träger 29 weist
eine erste, dem Verteilertank 17 zugewandte Trägerplatte 31 und
eine zweite, dem Verteilertank 17 abgewandte Trägerplatte 33 auf.
Beide Trägerplatten 31, 33 weisen
Löcher
auf, die ein axiales Verschieben der Prozesselektroden 12a bis 12e gegen
die Trägerplatten 31, 33 zulassen
und die gegen einen Austritt flüssigen
Wachses 27 aus dem Träger 29 abgedichtet sind.
Die einzelnen Prozesselektroden 12 bis 12e sind
im Bereich derjenigen Abschnitte, welche sich im Inneren des Trägers 29 befinden,
mit flanschartigen Ansätzen 35, 37 und 39 ausgestattet,
die die Prozesselektroden 12a bis 12e bei erstarrtem
Wachs 27 gegen eine axiale Verschiebung relativ zum Träger 29 sichern.
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Die
beschriebene Prozesselektrodenanordnung 9 lässt sich
in vorteilhafter Weise an die Geometrie der Werkstückoberfläche 2 anpassen.
Dazu wird das Wachs 27 im Träger 29 verflüssigt, beispielsweise über eine
im Träger 29 angeordnete
Heizung oder über
eine Erwärmung
des Elektrolyten 3 im Behälter 5, sodass ein
axiales Verschieben der Prozesselektroden 12a bis 12e relativ
zum Träger 29 möglich wird.
In diesem Zustand wird die Gegenelektrodenanordnung 9 mit
leichtem Druck an das Werkstück 1 angedrückt, sodass
sich die Position der Öffnungen 14a bis 14e der
einzelnen Prozesselektroden 12a bis 12e an die
geometrische Form des Werkstücks 1 anpassen.
Sodann wird eine Abkühlung
des Wachses 27 herbeigeführt, sodass dieses erstarrt und
die Prozesselektroden 12a bis 12e gegen ein axiales
Verschieben relativ zum Träger 29 sichert. Danach
wird die Gegenelektrodenanordnung 9 wieder etwas von der
dem Werkstück 1 weggeführt, wobei
darauf geachtet wird, dass die relative Orientierung der Gegenelektrodenanordnung 9 zum
Werkstück 1 erhalten
bleibt.
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Nachdem
die Gegenelektrodenanordnung 9 an die geometrische Form
des Werkstückes 1 angepasst
ist, kann das elektrochemische Abscheiden der Beschichtung erfolgen.
Mittels der Messelektroden 21 kann die Einhaltung konstanter
elektrischer Parameter überwacht
werden.
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Die
erfindungsgemäße Elektrodenanordnung 9 lässt sich
auf die beschriebene Weise besonders gut an die Geometrie des Werkstückes 1 anpassen,
ohne dass hierzu extra eine speziell geformte Elektrode hergestellt
werden muss. Aufgrund der gleichen Entfernung der verschiedenen Öffnungen 14a bis 14e der
Prozesselektroden 12a bis 12e vom Werkstück 1 lässt sich
eine gleichförmige
Verteilung der in Richtung auf die Oberfläche gestrahlten mikro- oder
nanoskaligen Partikel in der Beschichtung erzielen.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
für die
erfindungsgemäße Prozesselektrodenanordnung 90 ist
in 3 dargestellt. Die Prozesselektrodenanordnung 90 des
zweiten Ausführungsbeispiels
unterscheidet sich von der Prozesselektrodenanordnung 9 des
ersten Ausführungsbeispiels
lediglich durch die Ausges taltung des Trägers 129. Die übrigen Konstruktionsmerkmale
des zweiten Ausführungsbeispiels,
wie beispielsweise die Prozesselektroden 12a bis 12e, der
Verteilertank 17 oder die Messelektroden 21 sind daher
mit denselben Bezugsziffern bezeichnet wie die entsprechenden Konstruktionsmerkmale
im ersten Ausführungsbeispiel
und werden an dieser Stelle nicht noch einmal erläutert.
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Der
Träger 129 umfasst
eine erste, dem Verteilertank 17 zugewandte Trägerplatte 131 sowie eine
zweite, dem Verteilertank 17 angewandte Trägerplatte 133.
Beide Trägerplatten
weisen Öffnungen auf,
deren Größe so gewählt ist,
dass zwischen den Rändern
der Öffnungen
und den durch die Trägerplatten 131, 133 hindurchgeführten Prozesselektroden 11a bis lle ein
Spiel verbleibt, das ein axiales Verschieben der Prozesselektroden 12a bis 12e relativ
zum Träger 129 ermöglicht.
Durch das Innere des Trägers 129 erstrecken
sich Justageplatten 134, 136, 138, welche
ebenfalls Öffnungen
aufweisen, die derart dimensioniert sind, dass die Prozesselektroden 12a bis 12e mit
Spiel durch sie hindurchgeführt
sind. Auch die Justageplatten 134, 136, 138 behindern
daher in einem ersten Zustand ein axiales Verschieben der Prozesselektroden 12a bis 12e nicht.
Die mögliche
axiale Verschiebung der Prozesselektroden 12a bis 12e wird
lediglich durch flanschartige Ansätze 135, 137, 139 in
demjenigen Bereich der Prozesselektroden 12a bis 12e,
der sich im Inneren des Trägers 129 befindet,
begrenzt.
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Die
Justageplatten 134, 136, 138 werden an zwei
Seiten von einem Rahmen 140 gehalten, gegenüber dem
die mittlere Justageplatte 136 verschoben werden kann.
Die Verschiebung der Justageplatte 136 erfolgt parallel
zu den Justageplatten 134 und 138 und senkrecht
zur Richtung der axialen Verschiebung der Prozesselektroden 12a bis 12e.
Zudem weist der Rahmen 140 eine Fixiereinheit 142,
beispielsweise in Form einer oder mehrerer Fixierschrauben, auf,
welche ein Fixieren der Position der mittleren Justageplatte 136 relativ
zur Position der beiden äußeren Justageplatten 134, 138 ermöglicht.
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Die
Prozesselektrodenanordnung 90 des zweiten Ausführungsbeispiels
kann an die Geometrie des Werkstücks 1 angepasst
werden, indem die mittlere Justageplatte 136 in eine Stellung
gebracht wird, in der die Löcher
in den einzelnen Justageplatten 134, 136, 138 sowie
die Löcher
in den beiden Trägerplatten 131, 133 derart
relativ zueinander zentriert sind, dass ihre Öffnungen fluchtend zueinander
angeordnet sind. In diesem ersten Zustand wird die Gegenelektrodenanordnung 90 mit
leichtem Druck derart an das Werkstück 1 angedrückt, dass
sie mit den mit den Öffnungen 14a bis 14e versehenen
Enden der Prozesselektroden 12a bis 12e an dem
Werkstück 1 anliegen.
Die Geometrie des Werkstückes 1 sorgt
dabei für
eine axiale Verschiebung der Prozesselektroden 12a bis 12e,
die zu einer Anpassung der Position der Öffnungen 14a bis 14e an
die Geometrie des Werkstückes
führt.
Anschließend
wird die mittlere Justageplatte 136 parallel zu den beiden äußeren Justageplatten 134, 138 verschoben,
sodass die Öffnungen
der Justageplatten 134, 136, 138 nicht
mehr miteinander fluchten. In diesem zweiten Zustand der Justageplatten 134, 136, 138 werden
die Prozesselektroden 12a bis 12e an eine Seite
der Lochränder der äußeren Justageplatten 134, 138 angedrückt. Gleichzeitig
werden die Prozesselektroden 12a bis 12e an die
Lochränder
der mittleren Justageplatte angedrückt. Da die Lochränder der äußeren Justageplatten 134, 138 in
der entgegengesetzten Richtung wie die Lochränder der mittleren Justageplatte 136 gegen
die Prozesselektroden 12a bis 12e drücken, werden
die Prozesselektroden 12a bis 12e zwischen den
Lochrändern
der äußeren Justageplatten 134, 138 einerseits
und den Lochrändern
der inneren Justageplatte 136 andererseits eingeklemmt.
Die mittlere Justageplatte 136 wird in diesem Zustand mittels der
Fixiereinrichtung 142 fixiert. Auf diese Weise sind die
Prozesselektroden 12a bis 12e gegen axiale Verschiebung
gesichert. Mit der so an die Geometrie des Werkstückes 1 angepassten
Gegenelektrodenanordnung 9 wird dann das elektrochemische
Beschichtungsverfahren wie mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel
beschrieben durchgeführt.
-
In
einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels ist es auch
möglich,
die beiden äußeren Justageplatten 134, 138 verschiebbar
auszugestalten und die mittlere Justageplatte 136 unverschiebbar
auszugestalten. Eine weitere Alternative besteht darin, statt der
Justageplatten netzartige Konstruktionen zu verwenden, die beispielsweise aus
Drähten
oder Seilen hergestellt sind und Maschen aufweisen, durch welche
die im Inneren des Trägers
befindlichen Bereiche der Prozesselektroden hindurchgeführt sind.
Durch Verspannen der einzelnen Seile bzw. Drähte gegeneinander lässt sich
der Öffnungsquerschnitt
der Maschen vermindern, sodass die Drähte bzw. Seile gegen die Außenseite
der Prozesselektroden drücken
und so eine die axiale Verschiebung der Prozesselektroden verhindernde Reibung
bereitstellen.