DE102009039702A1 - Method for coating a substrate with a ceramic layer, comprises applying initial stage of ceramics to be produced with a solvent or dispersion agent on the substrate and evaporating the solvent or dispersion agent - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit einer keramischen Schicht, bei dem Vorstufen der herzustellenden Keramik mit einem Lösemittel oder Dispersionsmittel auf das Substrat aufgebracht werden, das Lösemittel oder Dispersionsmittel unter Verbleib der Vorstufen der herzustellenden Keramik auf dem Substrat verdampft werden und die Vorstufen der herzustellenden Keramik zur keramischen Schicht vernetzt werden, indem diese zumindest bis zu einer Vernetzungstemperatur für die keramischen Vorstufen erwärmt werden.The invention relates to a method for coating a substrate with a ceramic layer, in which precursors of the ceramic to be produced are applied to the substrate with a solvent or dispersion medium, the solvent or dispersant is evaporated on the substrate leaving the precursors of the ceramic to be produced, and the precursors the ceramic to be produced are cross-linked to the ceramic layer by being heated at least up to a cross-linking temperature for the ceramic precursors.
Ein Verfahren der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise aus der
Weiterhin dient die genannte Wärmebehandlung (Pyrolyse) zur Vernetzung der Vorstufen der auszubildenden Keramik (im Folgenden kurz auch keramische Vorstufen genannt) zur gewünschten Keramik. Hierzu ist es erforderlich, dass die für die entstehende Keramik erforderliche Vernetzungstemperatur zumindest erreicht oder überschritten wird.Furthermore, the said heat treatment (pyrolysis) serves to crosslink the precursors of the ceramic to be formed (in the following also referred to as ceramic precursors for short) to the desired ceramic. For this purpose, it is necessary that the required for the resulting ceramic curing temperature is at least reached or exceeded.
Die Temperaturführung bei der Wärmebehandlung muss derart erfolgen, dass vor der Vernetzung der Keramik ein Verdampfen des Lösemittels oder Dispersionsmittels erfolgen kann. Das Verdampfen des Lösemittels oder Dispersionsmittels darf nicht schlagartig erfolgen, weil hierdurch ungewünschte Poren in der sich ausbildenden Schicht entstehen können. Die Temperaturführung bei der Wärmebehandlung erfolgt gewöhnlich daher zweistufig, wobei der erste Wärmebehandlungsschritt bei geringeren Temperaturen durchgeführt wird, die ein langsames Verdampfen des Lösungsmittels oder Dispersionsmittels unter Berücksichtigung der Schichtdicke ermöglichen. Erst danach wird eine weitere Erwärmung auf die Vernetzungstemperatur vorgenommen.The temperature control during the heat treatment must be such that evaporation of the solvent or dispersant can take place before the ceramics are crosslinked. The evaporation of the solvent or dispersing agent must not be abrupt, because this may result in unwanted pores in the forming layer. The temperature control in the heat treatment is therefore usually two-stage, wherein the first heat treatment step is carried out at lower temperatures, which allow a slow evaporation of the solvent or dispersant taking into account the layer thickness. Only then is a further heating to the crosslinking temperature made.
Weiterhin ist es aus dem Abstract zur
Auch gemäß der
Der Wärmeeintrag bei der Wärmebehandlung des beschichteten Substrates wird üblicherweise in einem Ofen vorgenommen, indem das Substrat mit der aufgebrachten Schicht auf die gewünschte Temperatur erhitzt wird. Gemäß der
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sich die gewünschten keramischen Schichten in vergleichsweise kurzer Zeit erzeugen lassen.The object of the invention is to improve a method of the type mentioned in that the desired ceramic layers can be produced in a relatively short time.
Die Aufgabe wird mit dem eingangs erwähnten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass während des Beschichtens des Substrates mit den Vorstufen der herzustellenden Keramik gleichzeitig ein Energieeintrag in die im Aufbau befindliche Schicht vorgenommen wird, der ausreicht, damit die Vorstufen der herzustellenden Keramik bereits während des Beschichtens eine Temperatur entsprechend oder oberhalb der Vernetzungstemperatur erreichen. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass nicht nur das Lösungsmittel beim Auftragen der Vorstufen der Keramik sofort verdampft und dadurch eine Porenbildung weitgehend vermieden werden kann, sondern gleichzeitig wird auch ein nachfolgender Wärmebehandlungsschritt eingespart, wodurch vorteilhaft ein effizienteres Beschichtungsverfahren möglich wird. Außerdem können auf diese Weise Schichten hergestellt werden, welche eine größere Dicke ohne die Ausbildung zu hoher Einspannungen aufweisen. Hierzu wird vorzugsweise die Schicht in mehreren Lagen aufgebracht, wobei diese Lagen durch den Energieeintrag jeweils sofort vernetzt werden. Die Lagen selbst sind so dünn, dass das beim Auftragen sofort verdampfende Löse- oder Dispersionsmittel keine Poren bildet, bzw. die Poren beim Auftragen der nächsten Lage wieder geschlossen werden können.The object is achieved with the method mentioned in the present invention, that during the coating of the substrate with the precursors of the ceramic to be produced simultaneously an energy input is made in the layer under construction, which is sufficient so that the precursors of the ceramic to be produced during the coating a Reach temperature corresponding to or above the crosslinking temperature. As a result, it is advantageously achieved that not only the solvent evaporated immediately upon application of the precursors of the ceramic and thereby pore formation can be largely avoided, but at the same time a subsequent heat treatment step is saved, which advantageously a more efficient coating process is possible. In addition, layers can be produced in this way, which have a greater thickness without the formation of too high clamping. For this purpose, the layer is preferably applied in several layers, these layers being crosslinked by the energy input in each case immediately. The layers themselves are so thin that the dissolving or dispersing agent which evaporates immediately upon application forms no pores, or the pores can be closed again when the next layer is applied.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Energieeintrag in die im Aufbau befindliche Schicht durch in dem Substrat gespeicherte Wärmeenergie erfolgt. Hierdurch lässt sich vorteilhaft ein sehr einfaches Eintragsverfahren für Energie verwirklichen. Das Substrat muss lediglich beispielsweise in einem Ofen vorgeheizt werden. Wenn anschließend die Vorstufen der Keramik aufgebracht werden, so wird die im Substrat gespeicherte Energie auf die im Aufbau befindliche Schicht übertragen und bewirkt bei einer geeigneten Wahl der Temperatur des Substrates sofort eine Vernetzung der aufgebrachten Vorstufen der Keramik.According to an advantageous embodiment of the method it is provided that an energy input into the layer under construction takes place by stored in the substrate heat energy. This advantageously allows a very simple entry method for energy to be realized. The substrate only needs to be preheated in an oven, for example. When subsequently the precursors of the ceramic are applied, the energy stored in the substrate is transferred to the layer being built up and, with a suitable choice of the temperature of the substrate, immediately effects a crosslinking of the applied precursors of the ceramic.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Energieeintrag in die im Aufbau befindliche Schicht durch Bestrahlung mit einer Strahlungsenergie, insbesondere UV-Strahlung, IR-Strahlung oder Mikrowellen-Strahlung, erfolgt. Hierdurch kann vorteilhaft eine Energiequelle zur Verfügung gestellt werden, die es ermöglicht, die Energie direkt in die im Aufbau befindliche Schicht zu übertragen. Eine thermische Belastung des Substrates kann hierdurch vermieden werden. Außerdem ist auch beim Aufbau von dickeren Schichten der Energieeintrag unabhängig von der Wärmekapazität des Substrates. Selbstverständlich kann auch bei einem Energieeintrag in die im Aufbau befindliche Schicht durch Energiestrahlung zusätzlich eine Voraberwärmung des Substrates erfolgen.According to another embodiment of the invention, it is provided that an energy input into the layer under construction by irradiation with a radiation energy, in particular UV radiation, IR radiation or microwave radiation takes place. In this way, an energy source can advantageously be made available, which makes it possible to transfer the energy directly into the layer under construction. A thermal load of the substrate can be avoided thereby. In addition, the energy input is independent of the heat capacity of the substrate even when building thicker layers. Of course, even with an energy input into the layer under construction by energy radiation, an additional preheating of the substrate can take place.
Die Strahlungsenergie muss in geeigneter Weise ausgewählt werden, damit eine Erwärmung durch Absorption der Energie durch die in der im Aufbau befindlichen Schicht vorhandenen Substanzen erfolgt. Beispielsweise kann Mikrowellenenergie einer Wellenlänge verwendet werden, welche direkt von dem Lösemittel und/oder Dispersionsmittel absorbiert wird. Andere Strahlungsenergien können von Partikeln absorbiert werden, die zu diesem Zweck in die im Aufbau befindliche Schicht eingebracht werden. Dies setzt allerdings voraus, dass diese Partikel den Einsatzzweck der zu verwendenden Schicht nicht gefährden. Beispiele für verwendbare Partikel lassen sich der eingangs erwähnten
Gemäß einer wieder anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die keramische Schicht in mehreren Lagen hergestellt wird, wobei die jeweils nächste Lage immer erst aufgebracht wird, wenn die vorher aufgebrachte Lage vollständig vernetzt ist. So lässt sich vorteilhaft beispielsweise eine Multilayer-Schicht herstellen, wobei die einzelnen Lagen (d. h. Layer) unterschiedliche Schichtzusammensetzungen aufweisen können. Hierdurch kann einem bestimmten Anforderungsprofil der Schicht genügt werden, weswegen neben dem bereits erwähnten Vorteil einer effizienten Herstellung auch die Möglichkeit besteht, Schichten für unterschiedliche Anforderungsprofile auf einfache Weise herzustellen.According to yet another embodiment of the invention, it is provided that the ceramic layer is produced in several layers, wherein the respective next layer is always applied only when the previously applied layer is completely crosslinked. Thus, for example, a multilayer layer can advantageously be produced, wherein the individual layers (that is to say layers) can have different layer compositions. In this way, a specific requirement profile of the layer can be satisfied, which is why, in addition to the already mentioned advantage of efficient production, it is also possible to produce layers for different requirement profiles in a simple manner.
Es ist andererseits auch vorteilhaft, wenn die keramische Schicht in mehreren Lagen hergestellt wird, wobei die jeweils nächste Lage immer schon aufgebracht wird, wenn die vorher aufgebrachte Lage noch nicht vollständig vernetzt ist. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass homogene Schichten mit großer Dicke hergestellt werden können, wobei die einzelnen Lagen gut aufeinander haften, da der Vernetzungsprozess immer erst abgeschlossen wird, wenn die nächste Lage bereits aufgebracht wurde. Auch ist es möglich, bei unvollständiger Vernetzung mehrere Lagen unterschiedlicher Zusammensetzung aufzubringen, um sogenannte Gradientenschichten herzustellen. Bei Gradientenschichten ist es möglich, die Schichtzusammensetzung über die Schichtdicke kontinuierlich zu verändern, wodurch, wie bereits erwähnt, Schichten mit unterschiedlichen Anforderungsprofilen hergestellt werden können. Allerdings ist es besonders vorteilhaft bei einer Aufbringung der jeweils nächsten Lage bei noch nicht vollständig vernetzter vorhergehender Lage, wenn die jeweils nächste Lage immer erst aufgebracht wird, wenn das Lösemittel oder Dispersionsmittel aus der vorher aufgebrachten Schicht vollständig verdampft ist. Hierdurch wird es ermöglicht, sehr dichte, weitgehend porenfreie Schichten herzustellen, da ein schlagartiges Verdampfen einzelner Lösungsmitteltröpfchen vermieden werden kann. Andererseits ist es jedoch auch möglich, ein Lösemittel oder Dispersionsmittel zu verwenden, welches bei vergleichsweise hohen Temperaturen verdampft, so dass dieses beim Aufbringen der nächsten Schicht noch nicht vollständig verdampft ist. Da durch die Erwärmung der im Aufbau befindlichen Lage die Vernetzung zumindest bereits anfängt (wenn auch nicht vollständig beendet ist), kann das Verdampfen der Lösungsmittel gezielt zur Porenbildung einer porösen Schicht eingesetzt werden, wenn dies das Anforderungsprofil der herzustellenden Schicht erfordert.On the other hand, it is also advantageous if the ceramic layer is produced in several layers, the next layer in each case always being applied even if the previously applied layer has not yet been completely crosslinked. This method has the advantage that homogeneous layers can be produced with a large thickness, wherein the individual layers adhere well to one another, since the crosslinking process is always completed when the next layer has already been applied. It is also possible, with incomplete crosslinking, to apply a plurality of layers of different composition in order to produce so-called gradient layers. With gradient layers, it is possible to continuously change the layer composition over the layer thickness, whereby, as already mentioned, layers with different requirement profiles can be produced. However, it is particularly advantageous for an application of the next respective layer in the case of an incompletely crosslinked previous layer if the respective next layer is always applied only when the solvent or dispersion medium has completely evaporated from the previously applied layer. This makes it possible to produce very dense, largely pore-free layers, since a sudden evaporation of individual solvent droplets can be avoided. On the other hand, however, it is also possible to use a solvent or dispersion medium which evaporates at comparatively high temperatures so that it is not completely vaporized when the next layer is applied. Since the crosslinking at least already begins (although not completely finished) due to the heating of the layer being built up, the evaporation of the solvents can be used specifically for the pore formation of a porous layer if this requires the requirement profile of the layer to be produced.
Beispielhaft sollen folgende Schichten und deren Herstellungsverfahren ohne Beschränkung der Allgemeinheit der Erfindung beschrieben werden.By way of example, the following layers and their production processes are described without restricting the generality of the invention.
Gemäß einem ersten Beispiel wird eine aus einer einzigen Lage bestehende Schicht hergestellt. Hierzu werden zunächst die Vorstufen der herzustellenden Keramik (im Folgenden auch Precursor genannt) aus 15 bis 60 Gew.-% Zirkon-2-Ethylhexanoat, 0,5 bis 0,7 Gew.-% Yttrium-2-Ethylhexanoat und Propionsäure als Dispersions- bzw. Lösemittel hergestellt. In einem zweiten Schritt wird ein Werkstück so weit erhitzt, dass die Vernetzungstemperatur des Schichtwerkstoffes erreicht wird. Im vorliegenden Fall handelt es sich dabei um Temperaturen, die höher als 400°C liegen. In einem dritten Schritt wird der im ersten Schritt hergestellte Precurser auf das erhitzte Werkstück gespritzt. Hierbei wird die Dicke der hergestellten Lage so gewählt, dass einerseits eine Vernetzung des Precursers ungestört erfolgen kann, andererseits eine Verdampfung des Lösemittels oder Dispersionsmittels ohne Porenbildung möglich ist. Um ein explosionsartiges Verdampfen des Löse- oder Dispersionsmittels zu vermeiden, darf dessen Konzentration nicht zu hoch gewählt werden. Der dritte Schritt kann so oft wiederholt werden, bis die gewünschte Schichtdicke aus den Einzellagen erreicht ist.According to a first example, a layer consisting of a single layer is produced. For this purpose, first the precursors of the ceramic to be produced (hereinafter also referred to as precursor) from 15 to 60 wt .-% zirconium 2-ethylhexanoate, 0.5 to 0.7 wt .-% yttrium 2-ethylhexanoate and propionic acid as dispersion or solvent produced. In a second step, a workpiece is heated so far that the crosslinking temperature of the coating material is achieved. In this case, these are temperatures higher than 400 ° C. In a third step, the precursor produced in the first step is sprayed onto the heated workpiece. Here, the thickness of the prepared layer is selected so that on the one hand crosslinking of the precursor can be done undisturbed, on the other hand, evaporation of the solvent or dispersant without pore formation is possible. To avoid explosive evaporation of the solvent or dispersant, its concentration must not be too high. The third step can be repeated until the desired layer thickness is reached from the individual layers.
Precursor mit dispergierten Feststoffen in Form von Oxiden, wie z. B. Aluminium-, Titan- oder Silizium-Oxid, Nitriden, wie z. B. hexagonales oder kubisches Bohrnitrid, oder Carbiden, wie z. B. Bor- oder Siliziumcarbid, wie auch reine Metalle, z. B. Al, Cu, Cr, Fe, Co, Ni, Pt, Pd oder Ag, können ebenfalls auf die beschriebene Weise auf das Substrat aufgetragen und vernetzt werden. Die Feststoffe können sowohl als Mikro- als auch als Nanoteilchen in den Precursorlösungen dispergiert werden. Die eingesetzten Partikel kennen außerdem einen mehrschichtigen Aufbau (Core-Shell-Struktur) aufweisen.Precursor with dispersed solids in the form of oxides, such as. As aluminum, titanium or silicon oxide, nitrides, such as. As hexagonal or cubic Bohrnitrid, or carbides, such as. As boron or silicon carbide, as well as pure metals, for. As Al, Cu, Cr, Fe, Co, Ni, Pt, Pd or Ag, can also be applied to the substrate and crosslinked in the manner described. The solids can be dispersed in the precursor solutions both as microparticles and as nanoparticles. The particles used also have a multi-layered structure (core-shell structure) exhibit.
Als zweites Beispiel wird die Herstellung eines mehrlagigen Schichtverbandes (Multilayer-Schicht) beschrieben. In einem ersten Schritt wird ein Precursor hergestellt, der 15 bis 60 Gew.-% Zirkon-2-Ethylhexanorat, 0,5 bis 7,5 Gew.-% Yttrium-2-Ethylhexanorat und Propionsäure als Dispersions- oder Lesemittel enthält. In einem zweiten Schritt wird der Precursor zur Herstellung der mehrlagigen Schicht modifiziert. Die Schicht soll aus vier Lagen a, b, c, d und einer Decklage e bestehen. Für die Lagen a bis c wird zur physikalischen Anpassung an den Untergrund, der aus Eisen besteht, reines Eisen in den Konzentrationen von 5 Gew.-% (Lage a), 3 Gew.-% (Lage b) und 1 Gew.-% (Lage c) zugesetzt. Zur Verbesserung des Korrosionsschutzes enthält die Lage c zusätzlich zu dem reinen Eisen noch reines Zink mit einem Anteil von 1 Gew.-% und die Schicht d nur reines Zink mit einem Anteil von 5 Gew.-%. Der Deckschicht werden nur Nanopartikel aus Siliziumoxid zugesetzt, damit die Verletzung des Schichtverbundes durch die negativ geladenen Nanopartikel des Siliziumoxides im Zusammenspiel mit der kathodisch wirkenden zinkhaltigen Schicht einen Selbstheilungseffekt auslest. In einem dritten Schritt wird das Werkstück wieder auf die im ersten Beispiel genannten Temperaturen gebracht. In einem vierten Schritt werden die im zweiten Schritt hergestellten Precursor nacheinander (Reihenfolge a bis e) auf die vorgewärmte Oberfläche aufgebracht. Hierbei wird die Oberfläche zusätzlich mit einer Infrarotlampe erwärmt, um während des Beschichtens die Vernetzungstemperatur zu halten. Dabei wird zwischen dem Auftragen der verschiedenen Lagen a bis e jeweils einige Minuten gewartet, damit das Lösemittel der vorhergehenden Lage zumindest weitgehend verdampft ist.As a second example, the production of a multilayer composite layer (multilayer layer) is described. In a first step, a precursor is prepared which contains 15 to 60% by weight of zirconium 2-ethylhexanoate, 0.5 to 7.5% by weight of yttrium 2-ethylhexanoate and propionic acid as a dispersing or reading agent. In a second step, the precursor for producing the multilayer layer is modified. The layer should consist of four layers a, b, c, d and a cover layer e. For the layers a to c, pure iron in the concentrations of 5% by weight (layer a), 3% by weight (layer b) and 1% by weight is used for the physical adaptation to the substrate consisting of iron. (Layer c) added. To improve the corrosion protection, the layer c contains pure zinc in addition to the pure iron with a proportion of 1 wt .-% and the layer d only pure zinc in a proportion of 5 wt .-%. The cover layer is added only nanoparticles of silicon oxide, so that the violation of the composite layer by the negatively charged nanoparticles of silicon oxide in conjunction with the cathodic acting zinc-containing layer a self-healing effect. In a third step, the workpiece is brought back to the temperatures mentioned in the first example. In a fourth step, the precursors produced in the second step are applied successively (sequence a to e) on the preheated surface. In this case, the surface is additionally heated with an infrared lamp in order to maintain the crosslinking temperature during the coating. In each case a few minutes is waited between the application of the different layers a to e, so that the solvent of the preceding layer is at least largely evaporated.
Als Wärmequellen können auch UV-Lampen oder auch ein Heißluftgebläse verwendet werden, wobei der Energieeintrag im letzteren Falle durch Bestreichen der Oberfläche mit der heißen Luft erfolgt.As heat sources and UV lamps or a hot air blower can be used, the energy input takes place in the latter case by brushing the surface with the hot air.
In einem dritten Beispiel wird eine Schicht hergestellt, bei der die Schritte 1 und 2 entsprechend des ersten Beispiels durchgeführt werden. In einem dritten Schritt wird der auf das vorgeheizte Substrat aufgebrachte Precursor zusätzlich mit einer UV- oder IR-Lampe oder einem Heißluftgebläse bis zum vollständigen Abdampfen des Dispersions- oder Lösemittels bestrahlt. Die nächste Lage wird auf das heiße Werkstück aufgetragen, wenn die Vernetzung des Precursors auf der vorherigen Lage zumindest bereits begonnen hat. Die beschriebenen Schritte 3 und 4 werden so lange wiederholt, bis die Schicht die gewünschte Dicke erhalten hat.In a third example, a layer is produced in which steps 1 and 2 are carried out according to the first example. In a third step, the precursor applied to the preheated substrate is additionally irradiated with a UV or IR lamp or a hot-air blower until the dispersion or solvent has completely evaporated. The next layer is applied to the hot workpiece, if the crosslinking of the precursor has at least already started on the previous layer. The described steps 3 and 4 are repeated until the layer has reached the desired thickness.
Werden zum Vernetzen des Precursors zusätzlich UV- oder IR-Lampen eingesetzt, so kann der Precursor auch noch geeignete Absorberpartikel enthalten, die eine Absorption der Strahlungsenergie bewirken. Diese müssen so ausgewählt werden, dass die Wellenlänge der UV- oder IR-Strahlung die Partikel anregt und zu deren Erwärmung führt. Bei der Auswahl der Absorberpartikel ist weiterhin auf die notwendige Vernetzungstemperatur des Precursors zu achten. Es können sowohl Absorber anorganischer als auch Absorber organischer Natur verwendet werden, wobei diese bevorzugt bei der Vernetzungstemperatur noch chemisch stabil sein sollen. Beispiele für anorganische Absorber sind Metalloxide wie Zinkoxid, Siliziumoxid, Zinndioxid oder synthetische Eisenoxide. Als organische IR-Absorber können Phthalo-, Naphthalo- und Carbocyanine, Polymethine sowie Methylenchlorid zum Einsatz kommen.If UV or IR lamps are additionally used for crosslinking the precursor, the precursor may also contain suitable absorber particles which bring about absorption of the radiation energy. These must be selected so that the wavelength of the UV or IR radiation excites the particles and leads to their heating. When selecting the absorber particles, attention must still be paid to the necessary cross-linking temperature of the precursor. It is possible to use absorbers of inorganic as well as absorbers of organic nature, these preferably still being chemically stable at the crosslinking temperature. Examples of inorganic absorbers are metal oxides such as zinc oxide, silicon oxide, tin dioxide or synthetic iron oxides. As organic IR absorbers phthalo-, naphthalo- and carbocyanines, polymethines and methylene chloride can be used.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei Varianten wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Die
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20120301 |