DE2106103A1 - Verfahren zur Herstellung von geschichtetem Material - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von geschichtetem Material.
• Die Erfindung betrifft ein geschichtetes Material, das für Wandplatten, Bauelemente, als Teile von Turbinenschaufeln und Kompressorschaufeln verwendet werden kann. Es wird insbesondere dort verwendet, wo es auf die Festigkeit, auf die Steifheit, auf das geringe Gewicht und auf die Brauchbarkeit bei hohen Temperaturen ankommt.
• Es ist schon bekannt, als Verstärkung in einer duktilen Matrix aus einem Kunststoff oder einem Leichtmetall sehr harte und feste Stoffe zu verwenden, wie Aluminiumoxysl, Bor, Borcarbid, Kohlenstoff, Siliziumcarbid, Titanborid, Titancarbid, Aluminiumborid und Beryllium. Es ist ferner bekannt, einige dieser Stoffe in Form von Filmen zu verwenden, wobei Schichtstoffe aus abwechselnden Schichten hoher Festigkeit mit Schichten der Matrix abwechseln. Bei diesen Schichttoffen sind die mechanischen Eigenschaften isotrop in der Schichtebene. Es ist ferner bekannt, daß die Festigkeit und Steifheit solcher Schichtstoffe abhängig sind von dem Gehalt an verstärkenden Stoffen. Schließlich ist es bekannt, schichtförmige Verstärkungen durch Aufdampfen eines harten und steifen Stoffes auf einem Träger aus duktilem Material herzustellen, und mehrere solcher Schichten miteinander zu vereinigen.
• Das Ziel der Erfindung ist die Herstellung von Schichtstoffen von verbesserter Festigkeit mit ebenen Oberflächen.
• Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Aufbringen von Verstärkungen auf Träger. Es betrifft ferner die nach diesem Verfahren erhaltenen Stoffe.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird so durchgeführt, daß man einen Träger aus einem duktilen Material, z.B. aus Polyimid, Aluminium, Titan, und eine Quelle der oben erwähnten harten Stoffe in eine Kammer einander gegenüberliegend unterbringt, daß man die Kammer auf ein hohes Vakuum evakuiert, daß man den harten Stoff verdampft oder sublimiert, so daß seine Dämpfe gegen den Träger strömen und ihn überziehen, wobei man gleichzeitig den Träger entweder durch die Quelle für die Dämpfe und/oder durch besondere Vorrichtungen aufheizt, daß man die Orientierung des Tragers gegen die Dampfquelle in einer Reihe Tron wiederholten Zyklen so ändert, daß während verschiedener Perioden jedes Zyklus verschieden gerichteten Oberflächen des Trägers überzogen werden.
• Hierbei sollte bei jedem Aufdampfen eine Schicht des Überzuges von nicht mehr als 1,25 Mikron Dicke hergestellt werden, vorzugsweise von noch geringerer Dicke. Das zyklische abwechselnde Überziehen verschiedener Oberflächen wird solange fortgesetzt, bis der gesamte Überzug eine Dicke von etwa 2,5 Mikron, vorzugsweise von mehr als 13 Mikron bis zu etwa 38 Mikron hat. Bei diesen Schichtdicken auf jeder Oberfläche werden die vollen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht.
• Als Träger kann man einen Film oder eine Filmbahn oder einen geformten Kern, z.B. ein Turbinenblatt mit einer Honigwabenstruktur, verwenden. Vorzugsweise rotiert man den Träger gegen eine feststehende Quelle für den Dampf des Überzuges, wobei abwechselnd verschiedene Oberflächen des Träger gegen diese Quelle gerichtet werden. Hierbei ist es vorzuziehen, daß man die Zeit zum Umwenden des Trägers kürzer hält als die zum Bedampfen der Oberflächen verwendete Zeit.
• Die Erfindung beruht auf einer Erkenntnis der Schwierigkeiten beim Überziehen durch Bedampfen im Vakuum. Wenn sehr harte Stoffe verdampft werden, müssen hohe Temperaturen und große Wärmemengen verwendet werden, die auch den Träger erreichen.
• Eine verhältnismäßig hohe Dicke des Über zuges ist erforderlich, wenn dieser den notwendigen Anteil des Schichtstoffes bildet. Der Träger muß wenigstens so dick sein, daß er gehandhabt werden kann, was bei Polyimiden eine Dicke von 6 Mikron und bei einer Folie aus Titan eine Dicke von 13 Mikron voraussetzt. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des duktilen Trägers und des Überzuges müssen aufeinander abgestimmt sein. Beim Nichteinhalten dieser Bedingungen entstehen Schwierigkeiten durch Aufrollen oder Kräuseln der überzogenen Träger, und durch Bildung von sichtbaren oder mikroskopischen Rissen im Überzuge zugleich mit Spannungen innerhalb des Überzuges. Diese Schwierigkeiten führen zu verschlechterten Eigenschaften der überzogenen Träger und der aus ihnen hergestellten Schichtstoffe.
• Es wurde nun gefunden, daß diese Schwierigkeiten beseitigt werden können, wenn man in zyklischer Weise abwechselnd einander entgegengesetzte Oberflächen des Trägers überzieht.
• Die erste dünne Schicht paßt sich leicht dem Träger an und bildet eine rückseitige versteifende Verstärkung für den Träger, um ihn der nächsten dünnen Schicht Anzupassen. Eine Wiederholung dieser Zyklen verhindert ein Rollen-oder Kräuseln des überzogenen Trägers und verhindert auch die Rißbildung im Überzuge. Spannungen wegen schlechter Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten werden ausgeglichen durch Nachgeben des Trägers, welcher Spannungen zwischen den verschiedenen steifen und harten Schichten des Überzuges ausgleicht. Aus den erfindungsgemäß hergestellten überzogenen Trägern können leicht ausgezeichnete Schichtstoffe hergestellt werden.
• Die sehr gleichmäßige Dicke der Überzüge auf den entgegengesetzten Seiten des Trägers ist sehr erwünscht bei der Herstellung von Schichtstoffen.
• Die Zeichnungen zeigen einige Ausführungsformen der Erfindung.
• Die Figuren 1 und 2 zeigen schematisch eine bevorzugte Vorrichtung, die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann.
• Die Figuren 3 bis 5B zeigen Querschnitte aus noch nicht zusammengesetzten Trägern mit Überzügen und Träger mit mehreren derartigen ueberzügen.
• Die Figuren 6 und 7 zeigen schematisch andere Vorrichtungen zum erfindungsgemäßen Beschichten der Träger.
• Die Fig. 1 zeigt eine übliche Vakuumkammer 10, die durch die Pumpe-12 evakuiert ist. Innerhalb der Kammer befindet sich der Träger 14, der durch Kondensation des Dampfes 16 überzogen werden soll, welcher von einer Quelle 18 ausströmt.
• Diese Quelle wird durch einen Elektronenstrahl aus einer Vorrichtung 20 erhitzt. Ein Schirm 22 kann die Bedampfung absperren, während der Überzugsstoff erhitzt wird; dieser Schirm kann später auf die Seite geschoben werden.
• Der Träger 14 ist auf einem beweglichen Halter 24 befestigt.
• Seine Enden sind nach Fig. 2 an dem Halter festgemacht, wobei die Seitenkanten nicht getragen werden. Der Träger wird durch Halteblöcke 26 unter Verwendung von nicht abgebildeten Schrauben festgehalten. Die Erhitzungsvorrichtung für den Träger 28 (Fig. 1) befindet sich über ihm. Der Halter 24 kann durch einen nicht abgebildeten Antrieb rotiert werden1 während in der gesamten Vorrichtung das Vakuum erhalten bleibt.
• Beim Beginn des Verfahrens evakuiert man die Kammer 10 mittels der Pumpe 12 auf einen Druck von 10 mm Hg oder darunter. Der Träger wird hoch erhitzt. Diese anfängliche Erhitzungstemperatur für den Träger sollte höher sein, als die während des Überziehens verwendete Temperatur. Zum Vorerhitzen eines Trägers aus Titan verwendet man Temperaturen von 690 C und zum Vorerhitzen eines Filmes aus einem Polyimid eine Temperatur von 4000C. Dann setzt man den Elektronenstrahl an, um die Quelle für den Überzugsstoff zu erhitzen.
• Während des Aufwärmens ist der Schirm geschlossen. Dann erniedrigt man die Temperatur des Trägers um etwa 25 bis 50°C, schiebt den Schirm beiseite und beginnt mit dem Überziehen.
• Während des Überziehens erhält der Träger anfänglich einen düuusn Niederschlag des Überzugsmaterials auf der einen Seite. Dann wird der Träger schnell umgedreht und so gehalten, daß jetzt die andere gegen die Quelle für das Überzugsmaterial gerichtete Seite des Trägers einen gleichen dünnen Niederschlag erhält. Anschließend wird wieder rotiert. Dies wird in zyklischer Weise so wiederholt, daß der gesamte Uberzug auf Jeder Seite aus mehreren Schichten aufgebaut ist, und daß das Aufbringen der Schichten abwechselnd auf der einen und auf der anderen Seite geschieht.
• Die Fig. IA zeigt dieselbe Vorrichtung in vereinfachter Form und erläutert eine wichtige Funktion des Halters 24. Diese Funktion besteht darin, daß ein Auftreffen der Dämpfe des Überzuges in einem spitzen Winkel von 300 oder weniger während des Rotierens des Halters vermieden wird. Solche in einem Winkel aufgetragenen Überzüge stehen unter hoher Spannung und schwächen das Endprodukt. Das Vermsiden solcher Überzüge ist wichtig bei allen Ausführungsformen der Erfindung.
• Das Auftragen des Überzuges in einem spitzen Winkel kann auch vermieden werden, wenn man den Schirm 22 synchron mit dem Rotieren des Trägers bewegt. Beispiel 1 Als Träger wurde eine Folie aus Titan mit einer Dicke von 13 Mikron, einer Breite von 11 mm und einer Länge von 16,5 cm verwendet. Diese Folie war in einer Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 befestigt. Die Quelle für den Dampf war Borcarbid.
• Das Vorerhitzen und Überziehen wurde so durchgeführt, wie es oben beschrieben ist. Das Überziehen wurde während einer Zeitdauer von 3 Minuten fortgesetzt, wobei jede Seite des Trägers 3 bis 4 Sekunden lang dem Dampf ausgesetzt war. Der Träger wurde 50-mal vollkommen umgedreht. Es entstand eine Schicht aus Borcarbid mit einer Gesamtdicke von 3 Mikron auf'jeder Seite, die 26,7 , der gesamten Schichtdicke ausmachten. Das überzogene Muster hatte eine Dichte von 3,42 g/cm³.
• Bei der Prüfung wurde ein Modulus der Elastizität von 1,67.
• 106 kg/cm2 festgestellt. Bei einem Zug von 2,58.103 kgZcm riß das Muster nicht.
• Beispiel 2 Es wurde nach dem Beispiel 1 verfahren, wobei als Träger ein 6 Mikron dicker Film aus Polyimid verwendet wurde, der 6 Stunden lang bei 4000C vorerhitzt wurde, Die Gesamtzeit für das Überziehen betrug 6 Minuten. Es wurden 80 lolle Rotationen durchgeführt, wobei für jede Rotation etwa 4,5 Sekunden gebraucht wurden, und jede Seite des Filmes 2 Sekunden lang bedampft wurde. Die Temperatur des Filmes beim Bedampfen lag anfangs bei 350 0C und stieg während des Bedampfens auf 391 C. Nach dem Überziehen und wahrend des Abkühlens und dem Zutritt von Luft wurde der Träger senkrecht gehalten0 Der erhaltene überzogene Träger hatte einen Überzug aus Borcarbid mit einer Dicke von 4,75 Mikron auf jeder Seite, der 6i,4 % der Gesamtdicke einnahm. Der überzogene Träger hatte eine Dichte von 1,79 g/cm³. Die Endfestigkeit konnte nicht bestimmt werden, weil bei der Prüfung der von den Klammern gehaltene Teil riß. Das Endprodukt hielt aber einen Zug von 1,55.103kg/cm2 ohne Reißen aus.
• Die Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen nach dem Verfahren des- Beispiels 2 hergestellten geschich-.
• teten Stoff. Der Träger i4 ist überzogen mit Schichten 30 aus Borcarbid auf jeder Seite in gleicher Dicke. Wie schon gesagt, besteht jede dieser Schichten aus Unterschichten 31.
• Die-gestrichelten Linien in Fig. 3 deuten die Grenzen zwischen diesen Unterschichten an. Ein Querschnitt, der bei tausendfacher Vergrößerung im Mikroskop geprüft wurde, ließ aber diese Unterschichten nicht erkennen. Das zeigt, daß eine sehr hohe Adhäsion zwischen den Unterschichten vorhanden ist, und daß zwischen ihnen sich keine Verunreinigungen befinden.
• Der beschichtete Stoff ist sehr viel ebensals bekannte überzogene Filme dieser Art, wobei für die Glätte nur die ursprüngliche Oberfläche des Trägerfilmes maßgebend ist.
• Jede der Schichten 30 hält in sich gut zusammen, was durch Beobachtung in einem Mikroskop mit tausendfacher Vergrößerung feststellbar ist. In der Zeichnung sind nur drei Unterschichten angedeutet, es versteht sich aber, daß 50 bis 100 solcher Unterschichten typisch sind.
• Der beschichtete Stoff nach Fig. 3 oder ähnliche Stoffe können am besten so verwendet werden, daß man mehrere dieser Stoffe übereinander schichtet, wobei ein Schichtstoff ntsteht, der als Baustoff für Wände oder Rippen in Flugzeugen, Gebäuden, Packungen und dergleichen verwendet werden kann.
• Solch ein Schicht stoff ist in der Fig. 4 dargestellt0 Drei überzogen Träger 141 sind -übereinander geschichtet, mit Klebstoffschichten 142 aus Spoxyharzen zwischen ihnen, die durch Druck und Wärme in an sich bekannter Weise gehärtet sind. Die Form des Schichtstoffes ist besser als die von bekannten, weil die einzelnen Bestandteile 141 ebener und glatter sind. Wenn ein metallischer Träger 14 verwendet wird, so kann man zum Zusammenkleben einen Klebstoff 142 für Metall verwenden. Man kann hierzu beispielsweise Aluminium nohqan, um einen bei hoher Temperatur verwendbaren Schichtstoff zu erhalten.
• Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Hierbei kann der Träger 514 ein komplexer Kern sein, wie beispielsweise eine kompakte oder honigwabenförmige TurbinenschaufelO Dieser Träger ist in ähnlicher Weise überzogen, wie es in Fig.3 gezeigt ist. Der gesamte Überzug 530 besteht aus mehreren Unterschichten 531.
• Eine andere Ausführungsform ist in der Fig. 5A dargestellt.
• Hierbei sind Gruppen von Unterschichten 531 voneinander getrennt durch eine dickere Schicht 540 aus einem verhältnismäßig duktilen Stoff, wie Aluminium oder Titan.
• Die Fig. 5B zeigt eine weitere Abänderung von Gegenständen nach Fig. 5. Jeder der Überzüge 530 ist zusammengesetzt aus abwechselnden Unterschichten von hartem Material 531 und duktilem Material 541, beide sehr dünn. Das Überziehen wird in derselben Weise vorgenommen, wie bei dem Gegenstand nach Fig. 3, mit dem Unterschiede, daß die Unterschichten 541 aus duktilem Material in einem gesonderten Verfahrensschritt hergestellt werden oder in gesonderten abwechselnden Zykle.Der Gegenstand nach Fig. 5B kann für sich brauchbar sein, ebenso wie die Gegenstände nach den Fig.5 und 5A. Der Gegenstand nach Fig. 5B kann aber auch eine Einheit für den Aufbau von Schichtstoffen sein, wie die Fig. 3 und 4 es zeigen.
• Die Fig. 6 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen nach Fig. 3 aus langen bandförmigen Trägerbahnen 614. Diese Trägerbahn wird von einer Rolle 614A abgewickelt und auf eine Rolle 614B aufgewickelt. Hierbei wird sie mehrmals hin und zurück über die Rollen 634 und 624 und über die Quelle 618 für den Dampf geführt, die von dem Elektronenstrahl 620 mit Hilfe eines magnetischen Feldes (Pfeil H) geheizt wird. Die Bahn des Trägers wird hierbei gedreht, so daß verschiedene Oberflächen abwechselnd über die Dampfquelle 618 geführt werden. Diese Vorrichtung zum Führen der Bahn ist so gebaut, daß die Bahn sich während einer längeren Zeitdauer über der Dampfquelle für den Überzug befindet, als zum Führen über die Rollen 624 und 634 benötigt wird.
• Nach der Fig. 7 ist die Bahn 614 bei S zu einem endlosen Bande vereinigt. Sie wird über die Rollen 624 und über zwei Quellen für den Dampf des Überzuges geführt, wobei abwechselnd die gegenüberliegenden Seiten überzogen werden.
• In Abänderung der Vorrichtung nach Fig. 1 können in einem Halter auch mehrere Trägerstreifen gehalten werden, wobei eine solche Vorrichtung derjenigen entspricht, die üblicherweise zum Metallisieren von Flitter verwendet wird. Auch in einer solchen Vorrichtung kann eine Quelle für den Dampf des Überzuges und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronen-Jtr Sles untergebracht sein.
• Nach den Fig. 6 und 7 sind Maskierungen 23 vorgesehen, um ein Niederschlagen des Überzuges in einem spitzen Winkel auf dem Träger zu verhindern. Dies wird auch durch eine Vorrichtung nach Fig. 1A erreicht.
• Die Zeit zwischen dem Passieren der beiden Seiten jedes Zyklus und der Erzeugung von Unterschichten kann als Verzögerungszeit bezeichnet werden. Schon oben ist bemerkt1 daß die Verzögerungszeit kürzer sein sollte, als die eigentliche zum Überziehen benötigte Zeit. Die gesamte Verweilzeit, d.h. die Zeit zum Überziehen einer'Seite zuzüglich. von zwei Verzögerungszeiten sollte kürzer sein als zum Aufbau einer Schicht von Verunreinigungen erforderlich ist. In einer Kammer mit einem Druck von 10 6 mm Hg sind etwa 2 Sekunden erforderlich; um eine Einzelsohicht aus Verunreinigungen mit einem Haftungskoeffiziénten von 0,5 aufzubauen. Daher sollte in diesem Falle die gesamte Verweilzeit weniger als 2 Sekunden betragen.

Claims (13)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von geschichtetem Material mit einem Überzug aus Aluminiumoxyd, Bor, Borcarbid, Kohlenstoff, Siliziumcarbid, Titanborid, Titancarbid, Aluminiumborid oder Beryllium auf einem Träger, durch Aufdampfen des Überzuges in einer evakuierten Kammer auf den erhitzten Träger, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß man den Überzug in einer dünnen Schicht nacheinander auf verschiedene Seiten des Trägers aufdampft, und dieses Aufdampfen in schneller Aufeinanderfolge mehrfach wiederholt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß man bei jedem Aufdampfen eine Schicht des Überzuges von nicht mehr als 1,25 Mikron Dicke herstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß man den Dampf des Überzuges etwa senkrecht auf die zu bedampfende Fläche des Trägers auftreffen läßt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß man den Träger gegen eine feststehende Quelle des Dampfes für den Überzug bewegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß man den Träger während des Bedampfens über einer feststehenden Quelle für den Dampf des Überzuges rotieren läßt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß man als Träger einen Film verwendet0

7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß man als Träger eine bandförmige Bahn verwendet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e -t, daß man während jedes Bedampfungszyklus die Oberflächen der bandförmigen Bahn abwechselnd gegen die Quelle für den Dampf des Überzuges richtet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß man die bandförmige Bahn wenigstens zweimal über die Quelle für den Dampf des Überzuges hin-und zurückführt, wobei abwechselnd jede Seite der bandförmigen Bahn gegen die Quelle für den Dampf des Überzuges gerichtet ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß man während jedes Bedampfungszyklus die Temperatur des Trägers praktisch unverändert hält.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r-c h g e k e n n z e i c h n e t, daß man die Zeit zum Umwenden des Trägers kürzer hält, als die zum Bedampfen der Oberflächen verwendete Zeit.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jede aufgedampfte Schicht des Überzuges eine Schicht aus duktilem Material aufbringt und das Bedampfen mit dem Überzugsmaterial dann fortsetzt.

13. Verfahren zur Herstellung von Schichtstoffen, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t, daß man zwei oder mehrere einseitig oder beiderseitig mit dem Überzug versehene Trägerschichten miteinander vereinigt.

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