DE19537092C1 - Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage im Durchlaufbetrieb für thermisch hoch belastete Substrate - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage zum Beschichten von Bautei­ len aus hochwarmfesten Legierungen (super alloys), insbesondere Turbinenschaufeln, mit Thermo-Barriereschichten, sogenannten thermal barrier coatings (TBC). Die Schutzschichten erlauben höhere Arbeitstemperaturen bei gleichen oder verlängerten Standzeiten der Bauteile. Höhere Arbeitstemperaturen ergeben bei Wärmekraftmaschinen einen besseren thermischen Wirkungsgrad. Die Anlagenkonstruktion erlaubt die produktive Beschichtung der Substrate im Durchlaufbetrieb.

Bekannte Einrichtungen zum Aufbringen von TBC arbeiten im Chargenbetrieb und bestehen im wesentlichen aus Ladekammer, Heizkammer, Bedampfungskammer mit linear angeordneten Verdampfertiegeln, Substrattransporteinrichtung, Elektronenkanone, zugehöriger Evakuie­ rungseinrichtung sowie den erforderlichen peripheren Baugruppen. Zur Erzielung der erforder­ lichen Haftfestigkeit der Schichten werden die Bauteile auf Temperaturen über 1000°C vor­ gewärmt. Außerdem müssen die Bauteile während der Bedampfung über der Dampfquelle bewegt werden, um allseitig eine möglichst gleichmäßige Schichtdicke zu erzielen. Die Kam­ mern sind wegen der hohen Prozeßtemperaturen wassergekühlt und durch ebenfalls wasserge­ kühlte Ventile trennbar. Hierdurch kann das Belüften der Heiz- und Bedampfungskammer beim Wechsel der Substrate vermieden werden. Während das Ventil zwischen Lade- und Heiz­ kammer dazu unbedingt erforderlich ist, wird das Ventil zwischen Heiz- und Bedampfungs­ kammer nur benötigt, wenn die Bedampfungskammer zur Wartung oder zum Ersatz des Ver­ dampfungsmaterials geöffnet werden muß, bzw. wenn beim reaktiven Beschichten der Zutritt von Sauerstoff in die Heizkammer zeitlich begrenzt werden soll.

Zum Transport der Substrate durch die Kammern wird ein Wagen mit einer Chargierstange entsprechender Länge benutzt. Die Chargierstange enthält die Mechanik für einen, am anla­ genseitigen Ende befestigten Substrathalter, welcher auch das Drehen und Schwenken des Substrates ermöglicht sowie den Anbau eventueller Kühlwasser- und Sensorleitungen. Durch auswechselbare Substrathalter kann auch die gleichzeitige Beschichtung mehrerer kleiner Substrate ermöglicht werden. Das andere Ende der Chargierstange ist in der Regel drehbar in einem Wagen gelagert. Die lange, thermisch belastbare oder wassergekühlte Chargierstange ermöglicht den Transport der Substrate in oder durch die heißen Zonen, ohne daß der Wagen mit seinen Antrieben den extrem hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

Bei kleineren Anlagen befindet sich dieser Wagen meist an Atmosphäre und die wasserge­ kühlte Chargierstange ragt durch eine Dreh- und Schiebedurchführung in die Anlage. Das er­ möglicht zwar eine kurze Ladekammer und ein kleineres Volumen der Anlage, der Aufwand für die kalibrierte Stange und die Schiebe-Drehdurchführung ist aber hoch.

Bei großen Anlagen läuft dagegen der Wagen meist in der evakuierbaren Ladekammer. Das hat den Vorteil, daß an die Oberflächenbeschaffenheit der Chargierstange keine besonderen Ansprüche gestellt werden müssen. Anstelle der aufwendigen Dreh- und Schiebedurchführung sind nur Drehdurchführungen für innenliegende Spindeln erforderlich. Diese verfahren den Wagen und übertragen die Dreh- und Schwenkbewegungen auf ihn. Der Horizontalantrieb braucht bei dieser Lösung nicht die großen, durch den Luftdruck bedingten Kräfte auf die Chargierstange aufzunehmen.

Die Nachteile beider Ausführungen der geschilderten Bauform mit Chargierstange bestehen in ihrer mangelnden Flexibilität. Wird im Rahmen der technologischen Weiterentwicklung der Einbau weiterer Prozeßkammern bzw. Arbeitsstationen erforderlich, dann müßte die Chargier­ stange entsprechend verlängert werden. Dieser Verlängerung sind jedoch durch die abneh­ mende Steifigkeit der Stange bei gegebenem Querschnitt Grenzen gesetzt. Hinzu kommt, daß jede Verlängerung der Kammern die doppelte Verlängerung der Anlage nach sich zieht. Aber selbst ohne diesen Aspekt besitzen die bisher bekannten Bauformen Nachteile durch ihren großen Bauaufwand, ihre große Baulänge, den entsprechend großen Platzbedarf der Anlage und die damit verbundenen Kosten.

Es besteht auch die Möglichkeit, die Einrichtung zur Substrataufnahme ohne Verwendung einer Chargierstange direkt an dem Transportwagen zu befestigen. Der Transportwagen wird dann mittels eines gekühlten Rollensystems innerhalb der Kammern verfahren. Diese Lösung besitzt den Nachteil, daß zur thermischen Abschirmung des Wagens eine zusätzliche Zwi­ schenkammer zwischen Heizerkammer und Beschichtungskammer erforderlich ist, in der sich der Transportwagen während der Beschichtung befindet.

Gemeinsame Nachteile der geschilderten Ausführungen liegen darin, daß aufgrund des Char­ genbetriebes die Zeit für einen Bedampfungszyklus aus der Summe der Prozeßzeiten in den einzelnen Stationen der Anlage besteht. Zur teilweisen Lösung dieses Problems wurden die Kammern zur Durchführung der Hilfsprozesse "Vakuumschleusen" und "Vorheizen" spiegel­ bildlich auf beiden Seiten der Bedampfungskammer angeordnet und es wird mit zwei oder vier Einrichtungen zum Substrattransport gearbeitet. Derartige Anlagen werden z. B. mit 4 ver­ schiebbaren Chargierkammern und 4 Heizkammern ausgerüstet. Diese Lösung ist daher sehr platz- und kostenaufwendig.

Die Verwendung einer nach dem Durchlaufprinzip arbeitenden Beschichtungsanlage würde die genannten Probleme lösen. Eine Verwendung der bisher bekannten Transportsysteme scheidet jedoch für die vorliegende Beschichtungsaufgabe aufgrund der außerordentlich hohen thermischen Belastung in Heiz- und Beschichtungskammer aus.

Es besteht die Aufgabe eine Konstruktion anzugeben, die es gestattet, das bei Durchlaufan­ lagen angewendete Prinzip des nacheinanderfolgenden Transports der Substrate durch die Kammern der Anlage auch bei sehr großer Temperaturbelastung in Heizer- und Beschich­ tungskammer anzuwenden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kammern, in denen eine hohe Temperaturbelastung auftritt, durch eine Trennwand in zwei getrennte Teilkammern unterteilt werden, von denen eine Teilkammer den Transportwagen und die andere Teilkammer den Substrathalter mit den Turbinenschaufeln aufnimmt. Diese beiden Teilkammern kommunizieren jeweils über einen in Transportrichtung verlaufenden Schlitz in der Trennwand, durch den die Verbindungselemente zwischen Transportwagen und Substrathalterung hindurchgreifen. Am Transportwagen ist außerdem eine Blende befestigt, die diesen Schlitz bis auf die notwendi­ gen Aussparungen für den Substrathalter abdeckt. Heizelemente und Bedampfungsstation be­ finden sich in dem Teil der Kammer, die von den Substraten durchlaufen wird. Der Transport­ wagen wird dagegen im thermisch nur wenig belasteten Teil der jeweiligen Kammer bewegt, in dem die Transporteinrichtungen für den Wagen angeordnet sind. Mittels Durchgangsventilen, die sich zwischen den Kammern befinden, können diese in der bei Durchlaufanlagen üblichen Weise vakuumseitig vollständig voneinander getrennt werden.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß der An­ trieb für die erforderliche Rotations- und Schwenkbewegung der Substrate hydraulisch erfolgt. Diese Antriebsart besitzt den Vorteil, daß das Medium gleichzeitig zur Kühlung verwendet werden kann. Außerdem werden neben den Hydraulikkreisläufen ein oder mehrere zusätzlich Kühlkreisläufe im Wagen installiert. Durch geeignete Dimensionierung dieser Kühlkreisläufe kann gesichert werden, daß die zulässige Grenztemperatur an keiner Stelle des Transportsy­ stems überschritten wird. Die Kühlung des Wagens ist bei der verwendeten Bauform unbe­ dingt erforderlich, da wegen der geringen Entfernung zwischen Wagen und Substrat eine wirksame thermische Entkopplung nahezu unmöglich ist.

Zur Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung ist es notwendig, daß das aus mehreren Kreisläufen bestehende Antriebs- und Kühlsystem des Wagens in den jeweiligen Arbeitsposi­ tionen in der Heizer- bzw. Bedampfungskammer unter Vakuum über ein leckfreies Andocksy­ stem mit dem von außen herangeführten Medienanschlüssen gekoppelt wird. Dies ist mit mo­ dernen, technisch ausgereiften Andocksystemen möglich. Bei derartigen Systemen ist nach der Trennung lediglich noch die unmittelbare Trennstelle mit einem dünnen Film des Mediums überzogen. Als Medium für Hydraulik und Kühlung wird Diffusionspumpenöl verwendet. Da­ durch wird eine Beeinträchtigung der Restgasverhältnisse ausgeschlossen und es wird eine wirksame Kühlung der Antriebselemente erreicht. Alle Kammern sind durch Türen oder Deckel für Bedienung und Wartung zugängig.

Der horizontale Transport und die Führung des Wagens erfolgen in bekannter Weise durch synchron angetriebene Rollen, die in sämtlichen Kammern angeordnet sind. Bei den Kammern mit Zwischenwand befinden sich diese Rollen im "kalten" Teil.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet die Beschichtung von Turbinenschaufeln nach dem Durchlaufprinzip. Damit können die Vorteile dieses Anlagentyps wie, paralleler Ablauf von Ein­ schleusen, Heizen, Beschichten, Abkühlen und Ausschleusen sowie kontinuierlicher Arbeitsab­ lauf auch für diese komplizierte Beschichtungsaufgabe genutzt werden.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt einen senkrechten und Fig. 2 einen waagerechten Schnitt durch die Anlage. An eine, mit einer entsprechenden Evakuierungseinrichtung versehene Schleusenkammer 1 schließt sich, durch ein wassergekühltes Durchgangsventil 2 getrennt, eine wassergekühlte Heizkammer 3 mit einem Strahlungsheizer 4 an. Die Heizkammer 3 ist durch eine senkrechte und mit einem horizontalen Schlitz 5 versehene ebenfalls wassergekühlte Trennwand 8 parallel zur Trans­ portrichtung geteilt. In Transportrichtung ist an der Heizkammer 3 ein weiteres wassergekühl­ tes Durchgangsventil 2 angeordnet. An dieses Ventil schließt sich die wassergekühlte, mit ei­ ner entsprechenden Evakuierungseinrichtung versehene Bedampfungskammer 6 an, die mit ei­ nem oder mehreren Verdampfertiegeln 7, einem Kondensatfänger 9 und einer oder mehrerer Elektronenkanonen 10 ausgerüstet ist. Die Bedampfungskammer 6 ist ebenfalls durch eine mit einem Schlitz 5 versehene Trennwand 6 in zwei Teilkammern unterteilt. Über ein weiteres wassergekühltes Durchgangsventil 2 kann der Wagen 12 nach einer Abkühlphase in der mit Inertgas gefüllten, gekühlten Ausgabeschleuse 11 aus der Anlage ausgeschleust werden.

Auch die Ausgabeschleuse besitzt, wie die Kammern 3 und 6 eine Trennwand 8 mit Schlitz 5. Alle Kammern sind für Wartung und Bedienung mit Türen oder Klappen ausgerüstet.

In der Eingabeschleuse 1, denjenigen Teilen von Heizkammer 3 und Bedampfungskammer 6, in denen sich weder Heizelemente noch Beschichtungseinrichtungen befinden, und in der Ausgabeschleuse 11 sind auf beiden Seiten des Wagens 12 eine Reihe von Rollen 13 ange­ ordnet. Auf diesen Rollen 13 läuft der Wagen 12 an dem entsprechenden Laufschienen 14 angebracht sind. Das Antriebssystem ermöglicht bei jeweils geöffnetem Durchgangsventil 2 den Transport des Wagens 12 von einer in die nachfolgende Kammer und danach das Einfah­ ren eines anderen Wagens aus der vorhergehenden Kammer.

An der Heizkammer 3, der Bedampfungskammer 6 und der Ausgabeschleuse befindet sich je ein mehrkanaliges Andocksystem 15. Mit diesen Systemen wird in der jeweiligen Arbeitsposi­ tion des Wagens 12 die Ankopplung der Hydraulik- und Kühlkreisläufe an die im Wagen 12 befindlichen Kühlkreisläufe und hydraulischen Antriebssysteme für die Substratbewegung her­ gestellt.

Bezugszeichenliste

1 Schleusenkammer
2 Durchgangsventil, wassergekühlt
3 Heizkammer, wassergekühlt
4 Strahlungsheizer
5 Schlitz in Trennwand
6 Bedampfungskammer, wassergekühlt
7 Verdampfertiegel
8 Trennwand, wassergekühlt
9 Kondensatfänger
10 Elektronenkanone für Verdampfung und Substratheizung
11 Abkühlkammer/Ausgabeschleuse, wassergekühlt
12 Wagen, mit Kühlflüssigkeit gekühlt
13 Transportrollen
14 Laufschienen
15 Leckfreies Andocksystem für Kühl- und Hydraulikkreisläufe

Claims (4)

1. Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage zum Aufbringen von Thermobarriere-Schichten (TBC), bestehend aus Schleusenkammern, Heizkammer, Bedampfungskammer mit Elektronenstrahl- Verdampfern und Verdampfertiegeln, Durchgangsventilen, Substrattransporteinrichtung, zuge­ höriger Evakuierungseinrichtung sowie den erforderlichen peripheren Baugruppen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß Heizkammer, Bedampfungskammer und die gleichzeitig als Abkühlkammer genutzte Ausgabeschleuse in Transportrichtung der Substrate durch eine Trennwand jeweils in zwei Teilkammern geteilt sind und nur über einen Schlitz kommunizieren durch den die Verbin­ dungselemente zwischen Transportwagen und Substrathalterung hindurchgreifen,
• - daß Heizelemente und Bedampfungsstation in dem Teil der jeweiligen Kammer angeordnet sind, der von den Substraten durchlaufen wird, während der Wagen im anderen, thermisch nur wenig belasteten Teil der jeweiligen Kammer bewegt wird, in dem auch die Transport­ einrichtungen für den Wagen angeordnet sind,
• - daß der Wagen einen oder mehrere Kühlkreisläufe besitzt, die mittels eines leckfreien An­ docksystems in Heiz- und Beschichtungskammer sowie in der Ausgabeschleuse an den je­ weiligen Arbeitspositionen mit den äußeren Kreisläufen koppelbar sind,
• - daß der Antrieb für die Rotations- und Schwenkbewegung der Substrate hydraulisch erfolgt, und die Hydraulikkreisläufe in den jeweiligen Arbeitspositionen des Wagens ebenfalls über ein leckfreies Andocksystem koppelbar sind.

2. Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium für den Hydraulikantrieb und die Kühlung Diffusionspumpenöl verwendet wird.

3. Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Antriebsmedium gleichzeitig zur Kühlung des Wagens und des Antriebssy­ stems für die Substrate verwendet wird.

4. Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Wagen eine Blende befestigt ist, die in der Arbeitsposition den Schlitz in der Trennwand von Heiz-, Beschichtungs- und Abkühl/Ausschleuskammer bis auf die notwendigen Aussparun­ gen für den Substrathalter abdeckt.