DE102007041328A1

DE102007041328A1 - Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen unter Einsatz eines Lichtbogens

Info

Publication number: DE102007041328A1
Application number: DE102007041328A
Authority: DE
Inventors: Götz Matthäus
Original assignee: Thermico & Co KG GmbH
Current assignee: Thermico & Co KG GmbH
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2009-03-05

Abstract

Mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung von Beschichtungen unter Einsatz eines zur Verdampfung von Metallen und Metalllegierungen eingesetzten Lichtbogens, wobei die zu beschichtenden Objekte in einer evakuierten Beschichtungskammer beaufschlagt werden, soll eine Lösung geschaffen werden, mit der ein "PVD"-Verfahren für Metalllegierungen bei Erreichung eines hohen Wirkungsgrades einsatzfähig gemacht wird.
Dies wird dadurch erreicht, dass der Beschichtungskammer eine Verdampfungskammer zugeordnet wird, in der ein Metallstab o. dgl. aus einer Metalllegierung verdampft und das verdampfte Material von einer Plasmaströmung aufgenommen und durch eine Düse in die zweite Kammer niedrigen Druckes eingedüst und auf die zu beschichtenden Materialien aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen unter Einsatzeines zur Verdampfung von Metallen und Metalllegierungen eingesetzten Lichtbogens, wobei die zu beschichtenden Objekte in einer evakuierten Beschichtungskammer beaufschlagt werden,
Bei der physikalischen Gasabscheidung PVD (physical vapour deposition) wird abzuscheidendes Material aus der festen Form meist in evakuierten Beschichtungskammern verdampft, wobei hier das Lichtbogenverdampfen Arc-PVD (arc evapouration) eingesetzt wird. Dabei werden Atome und Ionen durch starken Strom, der bei der elektrischen Entladung zwischen den beiden Elektroden fließt, aus dem Ausgangsmaterial herausgelöst und in die Gasphase überführt und in diesem Zustand auf ein zu beschichtendes Objekt aufgebracht. Das verdampfte Material bewegt sich entweder balistisch oder durch elektrische Felder und trifft so zur Schichtbildung auf das zu beschichtende Teil und scheidet sich dort durch Kondensation ab.
Es hat sich gezeigt, dass Metalllegierungen mit dieser Verfahrensweise nicht oder nur äußerst schwer oder in einem nicht zu vertretenden geringen Maße als Beschichtungsmaterial eingesetzt werden können. Dies liegt u. a. an den unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen der einzelnen Legierungsbestandteile.
Hier setzt die Erfindung an, deren Aufgabe darin besteht, ein "PVD"-Verfahren für Metalllegierungen bei Erreichung eines hohen Wirkungsgrades einsatzfähig zu machen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Beschichtungskammer eine Verdampfungskammer zugeordnet wird, in der ein Metallstab od. dgl. aus einer Metalllegierung verdampft und das verdampfte Material von einer Plasmaströmung aufgenommen und durch eine Düse in die zweite Kammer niedrigen Druckes eingedüst und auf die zu beschichtenden Materialien aufgebracht wird.
Bei der Erfindung handelt es sich, greift man die englischsprachige Bezeichnung auf, erfindungsgemäß um einen FP PVD(focussed plasma physical vapour deposition)-Herstellungsprozess von Beschichtungen, sei es auf sehr kleinen Kondensationskeimen, so dass beschichtete Pulver entstehen, oder Beschichtungen auf Bauteilen.
Diese erfindungsgemäße FP PVD-Prozesse sind Zweikammerprozesse und kombinieren die Lichtbogenverdampfung eines Materiales in einer seperaten Kammer mit einem Plasma-Brennersystem bei hohem Druck von beispielsweise 0,5 bis 10 bar und einer weiteren zweiten Kammer unter Vakuumbedingungen im Druckbereich < 0,1 bar.
Der Verdampfungsprozess in der Verdampfungskammer mittels eines Lichtbogen-Plasmabrenners bildet ein "focussed plasma" aus. Eine mit dem Verdampfungsmaterial angereicherte Plasmaströmung aus ionisierten Prozessgasen, gebildet im Wesentlichen aus Inertgasen, wie Argon, Helium, und zweiatomigen Gasen, wie Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff, strömt aus der Verdampfungskammer durch einen Öffnungsquerschitt/Plasmadüse in die Beschichtungskammer.
Die Plasmaströmung wird aus den Plasmagasen Argon, Stickstoff, Wasserstoff als auch aus weiteren reaktiv wirkenden Gasen, auch ggf. Druckfluft, in einem wassergekühlten Plasmabrenner erzeugt. Das Plasma wird durch einen Einkathode- Plasmabrenner, bevorzugt durch einen Mehrkathoden und bevorzugt durch einen Dreikathoden-Plasmabrenner mit axialer Zuführung des Werkstoffes ausgebildet ( DE-691 22 890-T2 ).
Ein in das Plasma vorgeschobener draht- oder stabförmiger metallischer Werkstoff wird von der Plasmaströmung und von einem oder mehreren Lichtbögen verdampft und als Submikronpartikel in Form von Metalldampf und Metallionen der Plasmaströmung zugesetzt. Der zu verdampfende Werkstoff wird bevorzugt als Draht oder Stange je nach erforderlicher Verdampfungsgeschwindigkeit in dem Plasmastrom vorgeschoben.
Es kommt zur Ausbildung einer Strömung, welche aus dem Plasma und dem verdampften Anteil des Werkstoffes besteht. Die dampfförmigen Partikel können je nach Prozessführung mit gasförmigen Elementen des Plasmas reagieren und in einer chemischen Synthese zu einer entsprechenden anorganische Verbindung, wie z. B. einem Nitrid, Borid, Carbid, Oxid oder einer Kombination der Verbindungen, wie einem Carbonitrid oder Carboborid, führen.
Die Beschichtung und Pulverbildung erfolgt in einer separaten Beschichtungskammer. Die Verhältnisse in der Beschichtungskammer sind vergleichbar eines PVD-Prozesses. Der Druck in der Beschichtungskammer ist einerseits für die reaktive Prozessführung 0,5 bis 5 bar, 0,1 bis 0,5 bar und für PVD-Anwendungen kleiner 0,1 bar.
In der Beschichtungskammer ist ein übertragener Lichtbogen zwischen Plasmabrenneraustritt und Innenelektrode in der Beschichtungskammer geschaltet. Dieser dient zur Erhitzung, Aktivierung und Reinigung der Oberflächen der zu beschichtenden Partikel und Bauteile.
Die fokussierte Plasmaströmung ermöglicht das gezielte Beschichten von Bauteilen mit einer gleichmäßigen Schichtdickenverteilung und gleichmäßigen Verteilung der Legierungselemente in der Beschichtung. Die Plasmaströmung aus ionisierten Gasen Argon, Stickstoff, Wasserstoff, Acetylen, Sauerstoff nimmt den Metalldampf und Metallionen auf. Das zu verdampfende Stab-/Drahtmaterial besteht typischerweise aus den Elementen Zn, Sn, Al, Cu, Ti, Fe, Ni, Co, Cr, Mo, Nb, W, Re, Zr, V, Ta, B, Si, C und N. Das Plasma ist mit dem verdampften Metall und Legierungsbestandteilen angereichert. Das Plasma und der Metalldampf liegen nicht als unausgerichtete Wolke in der Beschichtungskammer vor. Das Plasma strömt in einer definierten Ausrichtung in die Beschichtungskammer.
Je nach Druck in der Beschichtungskammer wird die Plasmaströmung mehr oder weniger aufgeweitet. Die Ausrichtung der Plasmaströmung ist unabhängig vom Druckzustand der Kammer. Auch wenn der Druck unter 1 Pa ist, wirkt der Plasmastrahl in seiner fokussierenden Ausrichtung. Dieses unterscheidet den FP PVD-Prozess im Wesentlichen von den typischen Eigenschaften des PVD-Prozesses.
Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Verdampfung in der Verdampfungskammer bei einem höheren Druck als die Beschichtung der Beschichtungskammer durchgeführt wird, wie dies weiter oben bereits erwähnt wurde.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass in der zweiten Unterdruckkammer metallische Pulverpartikel durch Rekombination des Metalldampfes ausgebildet werden. In der Beschichtungskammer rekombiniert sich die Legierung aus dem Plasma und bildet die metallischen Dampfpartikel, wobei durch Abkühlung dann die Pulverpartikel entstehen.
Dabei können auch in Kombination mit den reaktiven Gasen wie Stickstoff, Acetylen, Sauerstoff oder deren Mischungen nanofeine Nitride, Carbide oder Oxide aus dem Metalldampf im Plasma entstehen. Auch dies wurde weiter oben bereits kurz erwähnt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass metallische oder nicht-metallische Pulverpartikel mit einer metallischen Oberflächenbeschichtung durch Kondensation des Metalldampfes aus der Plasmaströmung versehen werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Verfahrensweise besteht darin, dass metallische oder nicht-metallische Bauteile mit einer metallischen Oberflächenbeschichtung durch Kondensation des Metalldampfes aus der Plasmaströmung versehen werden.
Eine besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch thermisch sensible Pulverwerkstoffe schichtbar sind. Ebenso schwierig zu beschichtende, beispielsweise pulverige Werkstoffe, die an der Oberfläche antihaft-Eigenschaften aufweisen, wie z. B. PTFE oder hexagonales Bornitrid, wobei organische Kleber entfallen.
In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in der zweiten Kammer zwischen Düsenaustritt und einer Innenelektrode ein Lichtbogen ausgebildet wird.
Wie oben schon erwähnt, können dem Plasma Reaktivgase oder -gasgemische zur vollständigen oder teilweisen Reaktion zu anorganischen Verbindungen zugeführt werden.
Erfindungsgemäß können als Reaktivgas Stickstoff und/oder Acetylen, Sauerstoff und/oder deren Mischungen zugesetzt werden.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass das PTFE Teflon mit einem Metall, wie z. B. Kobalt oder einer Kobalt-Chrom-Legierung umhüllt wird.
Werden im Stand der Technik Hartmetallbeschichtungen des Typs WC-Co mit eingelagerten Teflon-Partikeln benutzt, sind die Einstellungen der Temperaturführung bei derartigen Beschichtungen mit Hochgeschwindigflamme vergleichsweise schwierig und die Gefahr der thermischen Zersetzung des Teflons ist gegeben. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht beispielsweise darin, dass die mit z. B. Kobald umfüllte Teflonpartikel in der heissen Hochgeschwindigkeitsströmung durch die Metallumhüllung vor Überhitzung geschützt sind.
Insbesondere zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens sieht die Erfindung auch eine Vorrichtung vor, die sich dadurch auszeichnet, dass eine erste Verdampfungskammer mit Plasmabrenner und Draht-/Stabzuführung und einer damit verbundenen zweiten Beschichtungskammer mit einer Vakuumpumpe, wobei zwischen der Verdampfungskammer und der Beschichtungskammer eine die Plasmaströmung bündelnde Düse vorgesehen ist, wobei sich Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen aus den weiteren sich auf die Vorrichtung beziehenden Ansprüche ergeben.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in
1 eine Vorrichtung mit einem vereinfacht wiedergegegebenen zu beschichtenden Element in der Beschich tungskammer sowie in
2 in gleicher vereinfachter Darstellung eine ausgestaltete Beschichtungskammer zur Pulverbeschichtung.
In einer allgemein mit "V" bezeichneten Verdampfungskammer, die mit einer allgemein mit "B" bezeichneten Beschichtungskammer in Verbindung steht, ist ein vereinfacht dargestellter Plasmabrenner 1 positioniert. Dieser weist eine wiederum nur vereinfacht wiedergegebene ggf. wassergekühlte Plasmadüse 2 auf, in die je ein Führungsrohr 3, welches zum Zuführen von Spül-/Kühlgas einen Ringraum 4 gegenüber den als Innenannode geschalteten Stab 5 aus dem Material, das es zu verarbeiten gilt, hineinragt. Das Führungsrohr 3 mit dem als Innenannode geschalteten Stab 5 wird von einem ggf. wiederum wassergekühlten Brennerkörper 6 umgeben, der beispielsweise drei Plasmakanäle 7 aufweist, die je mit einer Kathode 8 ausgerüstet sind.
Etwa im Mündungsbereich der Innenannode 5 in den Innenraum der Plasmadüse 2 ist auf Abstand diese Innenannode 5 bzw. der entsprechende zu verarbeitende Materialstab von einer zusätzlichen Außenannode 9 umgeben, wobei die Innenannode 5 und die Kathode 8 mit einer Stromquelle 10 verbunden sind. Die Außenannode 9 steht ebenfalls in Verbindung mit der Innenannode 5 und mit dieser Stromquelle 10, wie dies in den Figuren vereinfacht angedeutet ist.
Durch eine wiederum lediglich durch einen Doppelpfeil 11 angedeutete Wechselschaltung kann der mit 12 bezeichnete Lichtbogen entweder auf den Materialstab 5 als Innenannode, wie in 1 oben in der oberen Figurenhälfte angedeutet, oder auf die zusätzliche umgebende Ringannode 9, wie in 1 in eder unteren Figurenhälfte dargestellt, geschal tet werden.
Zwischen der Verdampfungskammer V und der Beschichtungskammer B ist eine die Plasmaströmung, in der Verdampfungskammer mit P1 bezeichnet, bündelnde ggf. als Elektrode geschaltete Düse 13 vorgesehen, die mit einer in der Beschichtungskammer B befindlichen Innenannode 14 über eine Stromquelle, allgemein mit 15 bezeichnet, derart verbunden ist, dass sich zwischen der Düse 13 und der Innenannode 14 ein zweiter Lichtbogen mit dem Plasma P2 ausbildet. Die Düse 13 ist gegenüber der Plasmadüse 2 elektrisch isoliert.
Um definierte Strömungsverhältnisse zu erreichen, wird zusätzlich die Beschichtungskammer B über eine nicht näher dargestellte Vakuumquelle, der Absaugstutzen ist in 1 mit 16 bezeichnet, evakuiert.
Über das taktweise zu- und wegschalten des Lichtbogens von den abzuschmelzenden bzw. verdampfenden Materialstab 5 ist es möglich, eine exakte Beaufschlagung des verdampften Materiales innerhalb des Plasmastromes P1/P2 zu erreichen, derart, dass die Beschichtung des jeweiligen Objektes problemlos möglich ist.
In 2 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier wird in den Plasmastrom P2 in der Beschichtungskammer B ein Strom von kleinen Partikeln 17 über eine nicht näher dargestellte Zuführeinrichtung 18 eingerieselt, so dass die im Plasmastrom P2 befindlichen Materialien die herabrieselnden Partikeln zu beschichten in der Lage sind. Die Gestaltung der Verdampfungskammer V mit Plasmabrenner 1 entspricht derjenigen der 1.
Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So ist die Erfindung insbesondere nicht auf die in den Figuren stark verinfacht und zum Teil symbolisch wiedergegebenen geometrische Ausgestaltungen der jeweiligen Kammern beschränkt, auch nicht auf die Art etwa der Pulverzuführung in den Plasmastrahl P2 und dgl. mehr.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 69122890 T2 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen unter Einsatz eines zur Verdampfung von Metallen und Metalllegierungen eingesetzten Lichtbogens, wobei die zu beschichtenden Objekte in einer evakuierten Beschichtungskammer beaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungskammer eine Verdampfungskammer zugeordnet wird, in der ein Metallstab od. dgl. aus einer Metalllegierung verdampft und das verdampfte Material von einer Plasmaströmung aufgenommen und durch eine Düse in die zweite Kammer niedrigen Druckes eingedüst und auf die zu beschichtenden Materialien aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung in der Verdampfungskammer bei einem höheren Druck als die Beschichtung in der Beschichtungskammer durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Unterdruckkammer metallische Pulverpartikel durch Rekombination des Metalldampfes ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass metallische oder nicht metallische Pulverpartikel mit einer metallischen Oberflächenbeschichtung durch Kondensation des Metalldampfes aus der Plasmaströmung versehen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass metallische oder nicht metallische Bauteile mit einer metallischen Oberflächenbeschichtung durch Kondensation des Metalldampfes aus der Plasmaströmung versehen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Kammer zwischen Düsenaustritt und einer Innenelektrode in der zweiten Kammer ein Lichtbogen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasma ein Reaktivgas oder Reaktivgasgemisch zur vollständigen oder teilweisen Reaktion zu anorganischen Verbindungen zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktivgas Stickstoff und/oder Kohlenwassserstoffe wie Acetylen Methan Ethen Ethan, längerkettige Kohlenwasserstoffe oder deren Gemische eingesetzt wird. wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das PTFE Teflon mit einem Metall, wie z. B. Kobalt oder einer Kobalt-Chrom-Legirierung umhüllt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasma Bor direkt und/oder als Bestandteil der zu verdampfenden Legierung zugeführt wird.
Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Verdampfungskammer (V) mit Plasmabrenner (1) und Draht-/Stabzuführung (5) und einer damit verbundenen zweiten Beschichtungskammer (B) mit einer Vakuumpumpe, wobei zwischen der Verdampfungskammer (V) und der Beschichtungskammer (B) eine die Plasmaströmung (P1) bündelnde Düse (13) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung eines Lichtbogens in der Beschichtungskammer (B) eine Innenelektrode (14) und am Düsenaustritt die entsprechende zweite Elektrode (13) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass als Innenelektrode (14) zu beschichtende Metallteile in der Beschichtungskammer (B) positioniert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Düsenelektrode (13) und Innenelektrode (14) in der Beschichtungskammer (B) eine Zuführeinrichtung (18) für zu beschichtende Pulverpartikel (17) in den Plasmastrahl (P2) zwischen Düsenelektrode (13) und Innenelektrode (14) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verdampfungskammer (V) zur wenigstens zeitweisen Aufteilung des Lichtbogens (12) in zwei Teillichtbögen dem als zentrische Annode (5) geschalteten Draht/ Stab aus dem zu verarbeitenden Material eine weitere diesen auf Abstand umgebende Ringannode (9) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Stab- (15) und Ringannode (9) eine Einrichtung (11) zum wechselweisen Schalten der Lichtbögen zugeordnet ist.