DE19845804C2 - Verfahren und Anordnung zum Erwärmen von Metallbauteilen mit Elektronenbestrahlung in einer Vakuumkammer - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vor­ zuschlagen, mit dem sich Metallbauteile mit Elektronenbe­ strahlung gleichmäßig über alle Bereiche des jeweiligen Me­ tallbauteils erwärmen lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient erfindungsgemäß ein Verfahren zum Erwärmen von Metallbauteilen mit Elektronenbestrahlung in einer Vakuumkammer, bei dem zur Halterung der Metallbauteile in der Vakuumkammer Mehrschichten-Halterungselemente mit ei­ ner der Elektronenbestrahlung zugewandten, hitzebeständigen und gut wärmeabsorbierenden äußeren Schicht und mit einer dem jeweiligen Metallbauteil zugewandten, gut wärmeabstrahlenden inneren Schicht verwendet werden.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 35 08 690 A1 ist ein Verfahren zur Beschichtung von Keramik- oder Quarztiegeln mit in eine Dampfphase gebrachter Stoffe in einer Vakuumkam­ mer mittels Lichtbogen bekannt, bei der die Tiegel erwärmt werden, jedoch erfolgt dieses Erwärmen vor dem Zünden des Lichtbogens auf offenbar üblicher Weise; Mehrschichten-Halte­ rungselemente für die Tiegel werden nicht verwendet.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ steht darin, daß sich die mittels Elektronenbestrahlung zu erwärmenden Bauteile auch in den Bereichen gleichmäßig er­ wärmen lassen, die in der Vakuumkammer wegen der notwendigen Halterung der Metallbauteile gegenüber der Elektronenbestrah­ lung abgedeckt sind. Durch die Verwendung von Mehrschichten- Halterungselementen mit einer wärmeabsorbierenden äußeren Schicht ist dafür gesorgt, daß ein wirkungsvoller Wärmeein- lung in einer Vakuumkammer anzugeben, die bei vergleichsweise einfachem Aufbau eine gleichmäßige Erwärmung der Metallbau­ teile in allen Bereichen erlaubt.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient erfindungsgemäß eine Anord­ nung zum Erwärmen von Metallbauteilen mit Elektronenbestrah­ lung in einer Vakuumkammer mit Mehrschichten-Halterungsele­ menten für die Metallbauteile, wobei die Mehrschichten-Halte­ rungselemente eine der Elektronenbestrahlung ausgesetzte, hitzebeständige und gut wärmeabsorbierende äußere Schicht und eine dem jeweiligen Metallbauteil zugewandte, gut wärmeab­ strahlende innere Schicht aufweisen.

Es ist zwar aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 26 38 094 A1 eine Anordnung zum Erwärmen von Metallbautei­ len in einer Vakuumkammer bekannt, bei der die Metallbauteile mittels Halterungselementen in der Vakuumkammer positioniert sind, jedoch erfolgt bei dieser Anordnung die Erwärmung der Metallbauteile mittels eines Lichtbogens und die Halterungs­ elemente bestehen vollständig aus ein- und demselben strom­ leitenden Werkstoff.

Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Anordnung vor allem in­ sofern, als sie allein durch Verwendung von Mehrschichten- Halterungselementen eine homogene Erwärmung der Metallbau­ teile ermöglicht, weil durch die Mehrschichten-Halterungsele­ mente eine gute Wärmeaufnahme und eine gute Wärmeabgabe an die Bereiche des jeweiligen Metallbauteils erfolgt, die durch die Halterungselemente gegenüber der Elektronenbestrahlung abgeschattet sind. Dabei lassen sich die Mehrschichten-Halte­ rungselemente vergleichsweise einfach herstellen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können die Mehrschichten- Halterungselemente in unterschiedlicher Weise aufgebaut sein. Als vorteilhaft wird es angesehen, wenn die äußere Schicht ein Massivteil aus Tantal oder Molybdän ist, auf dem sich als innere Schicht eine Graphitschicht befindet.

Der Vorteil eines derart ausgebildeten Mehrschichten-Halte­ rungselementes besteht insbesondere darin, daß das Massivteil aus Tantal oder Molybdän die durch die Elektronenbestrahlung aufgebrachte Wärme gut aufnimmt und geringe Strahlungsverlu­ ste aufweist. Außerdem ist ein solches Massivteil hitzebe­ ständig und hat die Eigenschaft, das auf ihm die Graphit­ schicht gut wärmeleitend aufgebracht werden kann. Die Gra­ phitschicht ihrerseits ist insofern vorteilhaft, als sie ein hohes Wärmeabstrahlungsvermögen aufweist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Anordnung ist die äußere Schicht ein Massivteil aus einem zur Bildung von thermisch hochstabilen Oxiden nei­ genden Metall, auf dem sich als innere Schicht eine Oxid­ schicht des Metalls befindet.

Die Ausführung eines derartig ausgestalteten Mehrschichten- Halterungselementes bietet den Vorteil, daß die in Frage kom­ menden Metalle hochtemperaturfest sind und ein gutes Wärme­ aufnahmevermögen zeigen. Dies kann noch dadurch verbessert werden, daß die Oberfläche des Massivteils auf ihrer der Elektronenbestrahlung zugewandten Seite beispielsweise durch Sandstrahlen verbessert ist. Durch die Oxide ist eine gute Wärmeabstrahlung gewährleistet. Außerdem hat die Verwendung von zur Bildung von thermisch hochstabilen Oxiden neigenden Metallen als Werkstoff für das Massivteil den Vorteil, daß die Bildung der Oxide im Einsatz der Mehrschichten-Halte­ rungselemente in der Vakuumkammer während des Erwärmungspro­ zesses geschehen kann, so daß sich solche Mehrschichten-Hal­ terungselemente besonders einfach herstellen lassen. Außerdem führt die starke Oxidbildung zur Selbstheilung möglicher Oberflächendefekte und erhöht die Reproduzierbarkeit des Er­ wärmungsverfahrens. An der Außenseite der Massivteile ist die Oxidschicht vorteilhafterweise entfernt, um Strahlungs­ verluste zu vermeiden.

Als Metalle, die zur Bildung von thermisch hochstabilen Oxi­ den neigen, kommen vor allem Chrom, Nickel oder Aluminium in Frage.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn Mehrschich­ ten-Halterungselemente mit einer Oxidschicht als innere Schicht außen auf dem Massivteil eine Keramikschicht tragen, weil eine solche Keramikschicht sehr gut wärmeabsorbierend, aber schlecht wärmeleitend ist.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der

Fig. 1 ein zu erwärmendes Metallbauteil mit einem Mehr­ schichten-Halterungselement, in

Fig. 2 eine Teilschnittfläche durch das Ausführungsbeispiel des Mehrschichten-Halterungselementes gemäß Fig. 1, in

Fig. 3 eine entsprechende Teilschnittfläche durch ein zwei­ tes Ausführungsbeispiel eines Mehrschichten-Halterungselemen­ tes und in

Fig. 4 eine entsprechende Teilschnittfläche durch ein drit­ tes Ausführungsbeispiel eines Mehrschichten-Halterungsele­ mentes dargestellt.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vakuumkammer 1 gezeigt, in der sich eine Einrichtung 2 zur Elektronenbestrahlung (ebenfalls schematisch dargestellt) befindet. Oberhalb der Einrichtung zur Elektronenbestrahlung 2 befindet sich in der Vakuumkammer 1 ein zu erwärmendes Metallbauteil 3, das bei­ spielsweise eine Welle 4 mit einem Flansch 5 sein kann.

Das zu erwärmende Metallbauteil 3 ist im Bereich seines Flan­ sches 5 außen von einem Mehrschichten-Halterungselement 6 um­ faßt, das mit einem in Fig. 1 strichliert angedeuteten Hal­ terungsarm 7 an einer Rückwand 8 der Vakuumkammer 1 gehalten ist. Das Mehrschichten-Halterungselement 6 weist eine der Einrichtung zur Elektronenbestrahlung 2 zugewandte, äußere Schicht 9 auf, die hitzebeständig und gut wärmeabsorbierend ist. Mit dieser äußeren Schicht 9 ist eine innere Schicht 10 verbunden, die dem Flansch 5 zugewandt ist und aus einem gut wärmeabstrahlenden Werkstoff besteht. Beide Schichten 9 und 10 des Mehrschichten-Halterungselementes 6 sind innig mitein­ ander verbunden und umfassen unter Gewährleistung eines guten Wärmekontaktes den Flansch 5 eng.

Wird von der Einrichtung zur Elektronenbestrahlung 2 in Rich­ tung der Pfeile durch Elektronenbestrahlung ein Wärmeeintrag in das Metallbauteil 3 vorgenommen, dann nimmt dabei auch das Mehrschichten-Halterungselement 6 mit seiner äußeren Schicht die Wärme gut auf und gibt sie an die innere Schicht 10 wei­ ter, die sie wiederum aufgrund ihres guten wärmeabstrahlenden Verhaltens in den Flansch 5 leitet, so daß das zu erwärmende Metallbauteil 3 im Bereich des Flansches 5 nahezu genauso stark erwärmt wird wie im Bereich des Wellenteils 4. Trotz der notwendigen Verwendung eines Mehrschichten-Halterungse­ lementes 6 läßt sich daher eine weitgehend homogene Erwärmung des Metallbauteils 3 in allen seinen Bereichen erreichen. Zu beachten ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die unterschiedliche Masseverteilung in Flansch 5 und Welle 4, die eine entsprechend unterschiedliche Strahlungsdosierung verlangt, um eine homogene Erwärmung zu erreichen.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Schnitt durch ein Mehrschichten- Halterungselement 11 bildet die äußere Schicht 12 ein Mas­ sivteil, das aus Tantal oder Molybdän besteht. Auf dieses Massivteil 12 ist durch Beschichtung oder Plattierung auf seiner Innenseite 14 eine Graphitschicht 13 aufgebracht.

Das in Fig. 3 dargestellte Mehrschichten-Halterungselement 15 ist wiederum als ein Halterungselement aus zwei Schichten ausgeführt und enthält als äußere Schicht ein Massivteil 16 aus Chrom, Nickel oder Aluminium oder deren Legierungen. Die innere Schicht 17 des Mehrschichten-Halterungselementes 15 ist von einer Oxidschicht des Massivteils 16 gebildet.

Die Fig. 4 zeigt im Schnitt ein Mehrschichten-Halterungsele­ ment 18 mit drei Schichten, wobei ein Massivteil 19 genauso ausgeführt ist wie die äußere Schicht 16 des Ausführungsbei­ spiels nach Fig. 3 und die innere Schicht 20 wiederum eine Oxidschicht des Massivteils 19 darstellt. Außen auf dem Mas­ sivteil 19 befindet sich eine Keramikschicht 21.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, daß die Mehrschichten- Halterungselemente konstruktiv in sehr unterschiedlicher Weise ausgebildet sein können. Beispielsweise können sie als Halterungselemente zum festen Umfassen des jeweils zu erwär­ menden Metallbauteils dienen oder auch als Lagerstellen für die Metallbauteile, wenn diese zur Erzielung einer guten Durchwärmung gedreht werden sollen. Auch als einfache Ab­ stützungen für die zu erwärmenden Metallbauteile können die Mehrschichten-Halterungselemente ausgestaltet sein.

Claims (7)

1. Verfahren zum Erwärmen von Metallbauteilen (3) mit Elek­ tronenbestrahlung in einer Vakuumkammer (1), bei dem zur Hal­ terung der Metallbauteile (3) in der Vakuumkammer (1) Mehr­ schichten-Halterungselemente (6) mit einer der Elektronenbe­ strahlung zugewandten, hitzebeständigen und gut wärmeabsor­ bierenden äußeren Schicht (9) und mit einer dem jeweiligen Metallbauteil (3) zugewandten, gut wärmeabstrahlenden inneren Schicht verwendet werden.

2. Anordnung zum Erwärmen von Metallbauteilen (3) mit Elek­ tronenbestrahlung in einer Vakuumkammer (1) mit Mehrschich­ ten-Halterungselementen (6) für die Metallbauteile (3), wobei die Mehrschichten-Halterungselemente (6) eine der Elektronbe­ strahlung zugewandte, hitzbeständige und gut wärmeabsorbie­ rende äußere Schicht (9) und eine dem jeweiligen Metallbau­ teil zugewandte, gut wärmeabstrahlende innere Schicht (10) aufweisen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die äußere Schicht ein Massivteil (12) aus Tantal oder Mo­ lybdän ist, auf dem sich als innere Schicht eine Graphit­ schicht (13) befindet.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die äußere Schicht ein Massivteil (16) aus einem zur Bil­ dung von thermisch hochstabilen Oxiden neigenden Metall ist, auf dem sich als innere Schicht eine Oxidschicht (17) des Metalls befindet.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Metall Chrom, Nickel oder Aluminium oder eine Legierung dieser Metalle ist.

6. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß

• - sich außen auf dem Massivteil (18) eine Keramikschicht (21) befindet.