DE2812311A1 - Verfahren und vorrichtung zum vakuumaufdampfen duenner schichten mittels elektronenstrahlen, insbesondere zur herstellung von turbinenschaufeln - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum vakuumaufdampfen duenner schichten mittels elektronenstrahlen, insbesondere zur herstellung von turbinenschaufelnInfo
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Description
27. Februar 1978 78502
LEYBOLD-HERAEUS GmbH & Co. KG
Bonner Straße 504
Bonner Straße 504
5000 Köln - 51
Verfahren und Vorrichtung zum Vakuumaufdampfen dünner Schichten mittels Elektronenstrahlen, insbesondere .zur Herstellung von Turbinenschaufeln "
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vakuumaufdampfen dlinner Schichten auf Substrate, die während des Bedampfens
durch Elektronenstrahlbeheizung auf Über 500 0C erwärmt
werden, wobei die Substrate oberhalb eines gleichfalls' durch Elektronenstrahlen behetzten, mit einem Bad aus dem
Verdampfungsgut gefüllten Verdampfertiegel gehalten werden.
Durch die Firmenveröffentlichung der CHROMALLOY AMERICAN
CORPORATION, New York, USA, "High Temperature Resistant Coatings for Superalloy" von Richard P. Seelig und Dr.
Richard J. Stueber tst es bekannt, auf Gasturbinenschaufeln
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-Ό
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Oberflächenschtchten aus hochresistenten Legierungen aufzudampfen, um die Belastbarkeit der Schaufeln zu erhöhen. Besonderes Augenmerk ist hierbei auf eine zuverlässige Verbindung der aufgedampften Schicht oder
Schichten mit dem Grundkb'rper bzw. Substrat zu richten. Die Haftfestigkeit kann beispielsweise durch intermetallische Diffusion wesentlich verbessert werden, wozu
es erforderlich ist, die Substrate, sprich Turbinenschaufeln, während des Bedampfens auf einem hohen Temperaturniveau
von beispielsweise 900 0C bis 1000 0C zu halten.
Es ist bekannt, fllr dte Substratbeheizung Widerstand-Strahlungs·
Heizkörper oder besondere Elektronenstrahlkanonen vorzusehen. Es ist gleichfalls bekannt, den zur Beheizung des
Verdampfungsgutes verwendeten Elektronenstrahl periodisch
so abzulenken, daß er abwechselnd auf das Verdampfungsgut und auf das Substrat auftrifft. Hierbei fällt jedoch
die Elektronenstrahlbeheizung des Bades aus, solange der
Elektronenstrahl auf dem Substrat verweilt. Die auch hierbei zwangsläufig reflektierten und nicht zur Beheizung ausge
nutzten Elektronen gehen in jedem Fall für Beheizungszwecke
verloren, da bei dem bekannten Verfahren auf eine besondere geometrische Anordnung zwischen der Elektronenstrahlquelle
und dem Bad bzw. Substrat nicht geachtet wurde.
In geringem Maße werden die Substrate selbstverständlich
auch durch die Wärmestrahlung des Bades bzw. durch die
Kondensationswärme des niedergeschlagenen Schichtmaterials
aufgeheizt. Hierdurch können aber bestenfalls etwa 10 bis 15 % des gesamten Wärmebedarfs der Substrate gedeckt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vakuunaufdampfverfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem
eine unterbrochene und daher extrem wirksame Badbeheizung erreicht wird und bei dem auf die Anordnung zusätzlicher
Wärmequellen für die Substratbeheizung vollständig, zumindest aber weitgehend verzichtet werden kann. Hierbei
ist zu beachten, daß eine besondere Substratbeheizung außer einem ständigen Energiebedarf auch anlagenseitige Vorkehrungen bedingt wie z.B. Spannungs- und Stromdurchführungen durch die Vakuumkammer, die störungsanfällig
und aufwendig sind, sowie besondere Strahlungsabschirmungen etc.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß die
Elektronenstrahlen unter einem Winkel kleiner als 80 Q auf
die Hälfe der Badoberfläche gelenkt werden, die zwischen der Symmetrieachse-und dem Ende des Verdampfertiegels liegt.
Eine solche Maßnahme hat unter Beachtung der in der Detailbeschreibung noch näher erläuterten konstruktiven Maßnahmen
die Wirkung, daß die von der durch- die Elektronenstrahlen bombardierten Hälfte der Badoberfläche reflektierten Elektronen aufgrund gegebener Reflexionsgesetze auf diejenigen
Substrate auftreffen, die Über der jeweils entgegengesetzten
Badhälfte angeordnet sind. Bei symmetrischer Anordnung von
zwei oder mehr Kanonen läßt sich auf diese Weise erreichen,
daß mit je einer Elektronenstrahlkanone in etwa je eine
Badhälfte unmittelbar beheizt wird, während die reflektierten
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Elektronen auf die jeweils oberhalb der anderen Badhälfte angeordneten Substrate auftreffenund diese aufheizen. Der
Anteil der reflektierten Elektronen nimmt mit flacher werdendem Einfallswinkel des Elektronenstrahls auf die
Badoberfläche zu. Man hat es durch Veränderung dieses Winkels also in der Hand, den Energieanteil für die Substratbeheizung 1n gewissen Grenzen zu beeinflussen. Durch
die erfindungsgemäße Maßnahme ist es jedenfalls möglich, durch einen Energieanteil von etwa 60 % ein Bad aus einer
korrosionsbeständigen Metallegierung auf etwa 1.700 0C aufzuheizen und gleichzeitig durch den restlichen Energieanteil von etwa 40% die Substrate auf etwa 1.000 0C aufzuheizen, ohne daß es zusätzlicher Maßnahmen für die Sub-
stratbeheizung bedarf. Dadurch, daß die reflektierten
Elektronen auf die Substrate gelenkt werden, unterbleibt weitgehend ein Bombardement von Anlagenteilen mit Elektronen, so daß die betreffenden Anlagenteile nicht mehr in
einem beträchtlichen Umfange gekühlt werden müssen. Auf
diese Weise wird ein großer Teil der Leistungsverluste ver
mieden, ein Gesichtspunkt, der in einer Zeit wachsender
Energieverknappung bzw. -Verteuerung von Bedeutung ist.
Bevorzugt ist der Auftreffwinkel kleiner als 60 °. Es ist dabei möglich, den Beschüß der Badoberfläche entweder mittels eines stationären, diffusen Elektronenstrahls
oder mittels einer zellenförmigen Abtastung durch einen fokussierten Elektronenstrahl durchzuführen. Das zuletzt
genannte Verfahren hat den Vorteil, daß die Energiedichte örtlich auch verändert werden kann.
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Wärmeabstrahlung des Bades ihren Anteil an der Substratbeheizung.
Hierbei sind nun die an den Enden des Verdampfertiegels angeordneten Substrate benachteiligt. Der Grund
hierfür liegt darin, daß die in der Mitte angeordneten Substrate von der Wärmestrahlung einer größeren Badfläche
getroffen werden, als die an den Enden liegenden Substrate, weil dort eine strahlende Badfläche "fehlt". Um diesen
Effekt auszugleichen, wird gemäß der weiteren Erfindung
vorgeschlagen, den Elektronenstrahl etwa in der Mitte des Bades länger verweilen zu lassen. Aus den Reflexionsgesetzen ergibt sich nämlich, daß ein in Badmitte auftreffender
Elektronenstrahl reflektierte Elektronen erzeugt, deren Flugbahnen an den außenliegenden Substraten enden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vakuumaufdampfan!age
.5 zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Eine herkömmliche Aufdampfanlage besteht im allgemeinen aus
einer Vakuumkammer mit einem langgestreckten Verdampfertiegel mit Langseiten und Schmalseiten sowie mit einem
Substrathalter für die flächige Anordnung mehrerer Substrate oberhalb des Verdampfertiegels und unter im wesentlichen
gleichmäßiger Verteilung über die Fläche des Verdampfertiegels.
Sie besteht weiterhin aus mindestens zwei Elektronenstrahlkanonen mit mindestens je einem Ablenksystem
für die Beheizung des Verdampfertiegels.
.5 Eine solche Vakuumaufdanipfanlage ist gemäß der weiteren
Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahl-
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kanonen an den Schmalseiten des Verdampfertiegels angeordnet
sind, daß die Verbindungslinien des Ablenksystems
mit der kurzen Symmetrieachse "S" des Verdampfertiegels einerseits und mit dem kanonenseitigen Ende des Verdampfertiegels
andererseits mit der Badoberfläche einen Winkel kleiner als 80° einschliessen, wobei je mindestens
eine Elektronenstrahlkanone je einer Badhälfte zugeordnet
ist.
Eine derart gestaltete Vakuumaufdampfan!age besitzt die
konstruktiven Voraussetzungen fUr die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Bezugnahme auf die "Verbindungslinien" zwischen Ablenksystem einerseits und
der kurzen Symmetrieachse sowie dem kanonenseitigen Ende
des Verdampfertiegels andererseits sind für den Durchschnittsfachmar
eindeutige Konstruktionsangaben. Zweckmäßig werden für eine derartige Vakuumaufdampfan!age sogenannte Rohrkanonen
verwendet, wie sie in der DT-PS 1 248 175 beschrieben sind. Eine derartige Elektronenstrahlkanone erzeugt
einen geradlinigen, schlanken Elektronenstrahl, der
in einem Ablenksystem um einen Winkel von mehr als 90 ° abgelenkt werden kann. Nach der Ablenkung pflanzt sich
der Elektronenstrahl außerhalb des Ablenksystems erneut
geradlinig fort. Als Ablenksystem wird mit besonderem Vorteil ein XY-AbIenksystem verwendet, mit dem nahezu die gesamte
Badfläche bestrichen werden kann. Die Bezugnahme auf die Verbindungslinien gibt dem Durchschnittsfachmann die eindeutige
Anleitung, an welcher Stelle er das Ablenksystem und damit die Elektronenstrahlkanone anordnen muß, um die
angegebenen geometrischen Verhältnisse zu erhalten.
Die erfindungsgemäße Vakuumaufdampfan! age wird zweckmäßig
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chargenweise betrieben, d.h. einem Aufdampfvorgang geht eine
Phase der Beschickung voraus; ihm folgt eine Phase der Entleerung und der Beschickung mit neuen Substraten. Während
der gesamten Unterbrechung des Aufdampfvorganges soll nach Möglichkeit die Temperatur des Bades konstant gehalten werden
Da bei der angegebenen Anordnung während des Chargierens der Substrathalter den Strahlweg einer der beiden Elektronenstrahlen kreuzt , muß die betreffende Elektronenstrahlkanone
abgeschaltet werden. Um hierbei eine gleichförmige Warmhal-IQ tung des Bades über die gesamte Badfläche zu gewährleisten,
wird gemäß der weiteren Erfindung vorgeschlagen, dem Ablenksystem eine Steueranordnung zuzuordnen, durch welche
die Strahlablenkung wahlweise auf die der jeweiligen Elektronenkanone abgekehrte Badhä.lfte ausdehnbar ist.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes sei nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine Vakuumaufdampfanlage für das diskontinuierliche Bedampfen von Türbinenschaufeln und
durch den Gegenstand nach Figur 1.
In Figur 1 ist eine Vakuumkammer 10 dargestellt, die an der linken Seite einen Anschlußflansch 11 für die Verbindung mit
einer nicht dargestellten Schleusenkammer und einer gleich-
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falls nicht dargestellten Vorheizkammer aufweist. Durch den Anschlußflansch 11 ragt ein Substrathalter 12, der an
einer Transportstange 13 befestigt ist, horizontal in die Vakuumkammer 10. An .dem Substrathalter 12 sind mehrere
Substrate 14 irl Form von Turbinenschaufeln befestigt,
und zwar in der Weise, da3 sie bis auf einen geringen Zwischenraum die ihnen zugedachte, horizontale Fläche
nahezu vollständig ausfüllen.
Unterhalb des Substrathalters 12 ist ein Verdampfertiegel angeordnet, der aus Metall besteht und Kühlkanäle 16 aufweist. In dem Verdampfertiegel befindet sich ein Bad
aus geschmolzenem Verdampfungsgut. Der Ersatz des verdampften Gutes erfolgt durch eine nicht näher dargestellte, automatische Beschickungsvorrichtung. Das Bad
wird nach oben hin durch einen Badspiegel 18 begrenzt. Zwischen dem Badspiegel und den Substraten 14 wird ein
etwa quaderförmiger Raum 19 gebildet, durch den der Dampfstrom vom Badspiegel 18 zu den Substraten 14 aufwärts
wandert.
In einer oberen Kammerwand 20 der Vakuumkammer 10 sind zwei Elektronenstrahlkanonen 21 und 22 angeordnet, die
über eine Steueranordnung 23 mit elektrischer Energie versorgt werden. Diese Steueranordnung versorgt die Kanonen
und 22 nicht nur mit der erforderlichen Hochspannung,
sondern auch mit dem Heizstrom für die Katoden der Kanonen. Außerdem erzeugt die Steueranordnung 23 auch die erforder-
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lichen Ablenksignale für den Elektronenstrahl. Zum Zwecke
der Strahlablenkung sind die Kanonen 21 und 22 mit einem X-Ablenksystem 24 und einem Y-Ablenksystem 25 versehen.
Das X-Ablenksystem 24 besteht aus zwei vorspringenden Polschuhen 24a und 24b, die zwischen sich einen von Feldlinien durchsetzten Luftspalt 26 einschliessen. Innerhalb
dieses Luftspalts läßt sich der Elektronenstrahl um einen Winkel von bis zu 90 ° oder mehr ablenken. Das Y-Ablenksystem bewirkt nur eine geringere Strahlablenkung und
kann infolgedessen - wie gestrichelt angedeutet - innerhalb der Elektronenstrahlkanonen 21 und 22 angeordnet
sei n.
Der Verdampfertiegel 15 hat einen rechteckigen Grundriß mit zwei Langseiten 27 und zwei Schmalseiten 28. Durch
die kurze Symmetrieachse "S" wird das Bad 17 sinngemäß in zwei Badhälften 17a und 17b unterteilt.
Oberhalb des Badspiegels 18 und seitlich außerhalb der Schmalseiten 28 sind die Elektronenstrahlkanonen 21 und
angeordnet, deren Achsen in einer Symmetrieebene des
Verdampfertiegels 15 liegen, die zu der kurzen Symmetrieachse "S" senkrecht steht (Schnittebene in Figur 1). Die
räumliche Anordnung der Elektronenstrahlkanonen 21 und im Verhältnis zum Badspiegel 18 und zu den Substraten 14
ergibt sich aus folgenden Überlegungen, deren geometrische
Grundlagen anhand von Figur 1 näher erläutert werden sollen,
wobei die angegebenen Zahlenwerte nur beispielhafte Bedeutung haben:
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Von der Berührungslinie des Badspiegels 18 mit der Schmalseite
28 wird unter einem Winkel cL, 1 von 58 ° zum Badspiegel
je eine Verbindungslinie 29 bzw. 30 nach oben und außen gezogen. Von der im Badspiegel 18 liegenden kurzen
Symmetrieachse S aus-gehend wird nach beiden Seiten unter einem Winkel cAJi von 38 ° je eine Verbindungslinie 31 bzw.
32 gezogen. Die Verbindungslinien 29 und 31 schneiden
sich in einem Punkt A; die Verbindungslinien 30 und 32
in einem Punkt B. Diese Punkte bestimmen die räumliche" Lage der Polschuhe des X-Ablenksystems 24 der Elektronenstrahl
kanonen 21 und 22. Die Lage der Elektronenstrahlkanonen
selbst ergibt sich aus der Lage ihrer Ablenksysteme. Durch entsprechende Steuerung der X-AbIenksysteme läßt
sich ein fokussierter Elektronenstrahl, der von der Kanone 21 ausgeht, zwischen den Verbindungslinien 29
und 31 ablenken, wobei er nach einem bestimmten Auftreffmuster die links liegende Badhälfte 17a bestreicht. In
analoger Weise läßt sich ein von der Kanone 22 ausgehender Elektronenstrahl im Bereich zwischen den Verbindungslinien
30 und 32 ablenken, wobei er die rechts liegende Badhälfte 17b bestreicht. Die gezeichneten Verbindungslinien 29 bis
können auch als Elektronenstrahlen bei maximaler Ablenkung gedeutet werden. Es ist zu erkennen, daß die beiden Elektronenstrahlen
innerhalb der gezeigten Ablenkbereiche die Substrate 14 unterschiessen. Vom Badspiegel der linken Badhälfte
17a werden nun Elektronen reflektiert, die im wesentlichen auf die rechte Hälfte der Substrate 14 auftreffen.
Umgekehrt werden vom Badspiegel der rechten Badhälfte 17b Elektronen reflektiert, die auf die linke
Hälfte der Substrate 14 auftreffen. Die Elektronenbahnen
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kreuzen sich also in einer solchen Weise, daß die Gesamtfläche, 1ri der die Substrate 14 angeordnet sind, von
einem Elektronenschleier beaufschlagt wird.
Aus Figur 1 ist auch zu entnehmen, daß beispielsweise das mittlere Substrat 14 von links und rechts von der vom Badspiegel 18 ausgehenden Wärmestrahlung getroffen wird,
während die beiden äußeren Substrate 14 nur von unten und von jeweils einer Seite von der Wärmestrahlung getroffen werden. Um den dadurch bedingten unterschied-
liehen Strahlungseinfluß auszugleichen, werden die
Elektronenstrahlen in der Weise abgelenkt, daß ihre Verweilzeit pro Flächenelement des Badspiegels 18 in der
Nähe der Symmetrieachse S größer ist als im Bereich der Schmalseiten 28. Dies hat aufgrund der Reflexionsgesetze
der Elektronen zur Folge, daß die außenliegenden Substrate im zeitlichen Mittel gesehen von einer größeren Energiedichte der reflektierten Elektronen getroffen werden, -wodurch der geringere Einfluß an Wärmestrahlung ausgeglichen
wird.
Von den Punkten A und B ausgehend sind gestrichelt noch zwei weitere Verbindungslinien 33 und 34 dargestellt, welche die
Punkte A und B mit der jeweils gegenüberliegenden Schmalseite 28 des Verdampfertiegels 15 verbinden. Durch entsprechende Steuerung des X-Ablenksystems 24 läßt sich er-
reichen, daß der Elektronenstrahl bis zu der Verbindungslinie 33 .bzw. 34 ausgelenkt wird. Diese Maßnahme hat folgende
Bedeutung: Wenn beispielsweise die Transportstange 13 den Substrathalter 12 mit den Substraten 14 nach links aus der
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Vakuumkammer 10 zieht, muß die Elektronenstrahl kanone abgeschaltet werden. Damit hierbei.nicht die linke Badhälfte 17a abkühlt, wird der Ablenkwinkel des Elektronenstrahls der rechten Elektronenstrahlkanone 22 in dem
Augenblick bis zur Verbindungslinie 34 auf die linke
Badhälfte 17a ausgedehnt, in dem die rechts liegenden Substrate 14 nicht mehr von dem verstärkt ausgelenkten
Elektronenstrahl getroffen werden können.
In Figur 2 sind noch die Ablenkbereiche in Y-Richtung
durch von den Luftspalten 26 ausgehende dllnnen Linien dargestellt. Es handelt sich hierbei jeweils um die Maximalauslenkung des Elektronenstrahls, wobei dafür Sorge getragen wird, daß die Ränder des Verdampfertiegels 15
nicht in unzulässiger Weise von den Elektronenstrahlen getroffen werden
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Leerseite
Claims (1)
- 27. Februar 1978 78502Ansprüche:1.) Verfahren zum Vakuumaufdampfen dünner Schichten auf Substrate, die während des Bedampfens durch Elektronenstrahlbeheizung auf über 500 0C erwärmt werden, wobei die Substrate oberhalb eines gleichfalls durch Elektronenstrahlen beheizten, mit einem Bad aus dem Ver dampfungsgut gefüllten Verdampfertiegels gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlen unter einem Winkel kleiner als 8C ° auf etwa die Hälfe der Badoberfläche gelenkt werden, die zwischen der Symmetrieachse und dem Ende des Verdampfertiegels liegt.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschüß der Badoberfläche mittels eines stationären, diffusen Elektronenstrahls durchgeführt wird.3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschüß der Badoberfläche durch zellenförmige Abtastung mittels eines fokussierten Elektronenstrahls durchgeführt wird.4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verminderte Einfluß der Wärmestrahlung auf die an den Enden des Verdampfertiegels angeordneten Substrate durch eine längere Verweilzeit des Elektronenstrahls in einem Bereich etwa in der Mitte des Bades zusätzlich kompensiert wird.909885/000727. Februar 1978 785025. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 auf die Bedampfung von Turbinenschaufeln mit korrosionsbeständigen und oxydationsbeständigen Legierungsschichten.6. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 auf die Bedampfung von Gasturbinenschaufeln mit Legierungen aus der Gruppe CoCrAlY und NiCoCrAlY.7. Vakuumaufdampfanlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, bestehend aus einer Vakuumkammer mit einem langgestreckten Verdampfertiegel mit Langseiten und Schmalseiten sowie mit einem Substrathalter für die flächige Anordnung mehrerer Substrate oberhalb des Verdampfertiegels und unter im wesentlichen gleichmäßiger Verteilung über die Fläche des Verdampfertiegels, und bestehend aus mindestens zwei Elektronenstrahlkanonen mit mindestens je einem Ablenksystem für die Beheizung des Verdampfertiegels, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlkanonen (21, 22) an den Schmalseiten (28) des Verdampfertiegels (15) angeordnet sind, daß die Verbindungslinien (31, 32 bzw. 29, 30) des Ablenksystems (24) mit der kurzen Symmetrieachse "S" des Verdampfertiegels einerseits und mit dem kanonenseitigen Ende des Verdampfertiegels andererseits mit dem BadspiegeT (18) einen Winkel kleiner als 30 ° einschliessen, wobei je mindestens eine Elektronenstrahlkanone je einer Badhälfte (17a, 17b) zugeordnet ist.8. Vakuumaufdampfanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ablenksystem eine Steueranordnung (23) zugeordnet ist, durch welche die Strahlablenkung wahl-909885/000727. Februar 1978 78502weise auf die der jeweiligen Elektronenkanone (21, 22) abgekehrte Badhälfte (17a, 17b) ausdehnbar ist.909816/0007
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