DE2812311C2 - Verfahren zum gleichzeitigen Vakuumaufdampfen dünner Schichten auf mehrere Substrate mittels Elektronenstrahlen und Anwendung auf die Bedampfung von Turbinenschaufeln - Google Patents

Description

ständigen Metallegierung auf etwa 1700°C aufzuheizen und gleichzeitig durch den restlichen Energieanteil von etwa 40% die Substrate auf etwa 1000° C aufzuheizen, ohne daß es zusätzlicher Maßnahmen für die Substratbeheizung 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 vermieden, 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.

Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, hat auch die 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 langer 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.

Zweckmäßig werden für das Vakuumaufdampfverfahren sogenannte Rohrkanonen verwendet wie sie in der DE-PS 12 48 175 beschrieben sind. Derartige Elektronenstrahlkanonen erzeugen einen geradlinigen, schlanken Elektronenstrahl, der in einem Ablenksystem unter einem 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 X Y- Ablenksystem verwendet mit dem jeweils die halbe Badfläche bestrichen werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der F i g. i und 2 näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Väkuumaufdarnpfanlage für das diskontinuierliche Bedampfen von Turbinenschaufeln und

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie H-II durch den Gegenstand der F i g. 1.

In Fig. 1 ist eine Vakuumkammer 10 dargestellt, die an der linken Seite einen Anschlußflansch 11 für die Verbindung mit einer nicht dargestellten Schleusenkammer und einer gleichfalls nicht dargestellten Vorheizkammer aufweist. Durch den Anschlußflansch 11 ragt ein Substrathalter 12, der an einer Transpprtstange 13 befestigt ist, horizontal in die Vakuumkammer 10. An dem Substrathalter 12 sind mehrere Substrate 14 in Form von Turbinenschaufeln befestigt, und zwar in der Weise, daß sie bis auf einen geringen Zwischenraum die ihnen zugedachte, horizontale Fläche nahezu vollständig ausfüllen.

Unterhalb des Substrathalters 12 ist ein Verdampfertiegel 15 angeordnet, der aus Metall besteht und Kühlkanäle 16 aufweist. In dem Verdampfertiegel befindet sich ein Bad 17 aus geschmolzenem Verdampfungsgut Der Ersatz des verdampften Gutes erfolgt durch eine nicht näher dargestellte, automatische Beschickungsvorrichtung. Das Bad 17 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 21 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 erforderlichen Ablenksignale für den Elektronenstrahl. Zum Zwecke der Strahlablenkung sind die Kanonen 21 und 22 mit einem .^-Ablenksystem 24 und einem y-Ablenksystem 25 versehen. Das .^-Ablenksystem 24 besteht aus zwei vorspringenden Polschuhen 24a und 246, 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 sein.

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 17£> unterteilt. Oberhalb des Badspiegels 18 und seitlich außerhalb

der Schmalseiten 28 sind die Elektronenstrahlkanonen 21 und 22 angeordnet deren Achsen in einer Symmetrieebene des Verdampfertiegels 15 liegen, die zu der kurzen Symmetrieachse »S« senkrecht steht (Schnittebene in F i g. 1). Die räumliche Anordnung der Elektronenstrahlkanonen 21 und 22 im Verhältnis zum Badspiegel 18 und zu den Substraten 14 ergibt sich aus folgenden Überlegungen, deren geometrische Grundlagen anhand von F i g. 1 näher erläutert werden sollen, wobei die angegebenen Zahlenwerte nur beispielhafte Bedeutung haben:

Von der Berührungslinie des Badspiegels 18 mit der Schmalseite 28 wird unter einem Winkel a I von 58° zum Badspiegel je eine Verbindungslinie 29 bzw. 30 nach oben und außen gezogen. Von der im Badspiegel

18 liegenden kurzen Symmetrieachse S ausgehend wird nach beiden Seiten unter einem Winkel a 2 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 Elektronenstrahlkanonen 21 und 22. Die Lage der Elektronenstrahlkanonen selbst ergibt sich aus der Lage ihrer Ablenksysteme. Durch entsprechende Steuerung der X-Ablenksysteme läßt sich ein 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 Vb bestreicht. Die gezeichneten Verbindungslinien 29 bis 32 können auch als Elektronenstrahlen bei maximaler Ablenkung gedeutet wer-

den. 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 Wb Elektronen reflektiert, die auf die linke Hälfte der Substrate 14 auftreffen. Die Elektronenbahnen kreuzen sich also in einer solchen Weise, daß die Gesamtfläche, in der die Substrate 14 angeordnet sind, von einem Elektronenschleier beaufschlagt wird.

Aus F i g, 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 unterschiedlichen Strahlungseinfluß auszugleichen, werden die Elektronenstrahlen in der Weise abgelenkt, daß ihre Verweilzeit pro Flächenelement des Bad- spiegeis 18 in der Nähe der Symmetrieachse Sgrößer ist als im Bereich der Schmalseiten 28. Dies hat aufgrund der Reflexionsgesetze der Elektronen zur Folge, daß die außenliegenden Substrate 14 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 gegen- überliegenden Schmalseite 28 des Verdampfertiegels 15 verbinden. Durch entsprechende Steuerung des X-Kblenksystems 24 läßt sich erreichen, 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 Vakuumkammer 10 zieht, muß die Elektronenstrahlkanone 21 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 F i g. 2 sind noch die Ablenkbereiche in V-Richtung durch von den Luftspalten 26 ausgehende dünnen 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

sondere geometrische Anordnung zwischen der Elek- Patentansprüche: tronenstrahlquelle und dem Bad bzw. Substrat nicht ge achtet wurde.

1. Verfahren zum gleichzeitigen Vakuumaufdamp- In geringem Maße werden die Substrate selbstverfen dünner Schichten auf mehrere Substrate, die 5 ständlich auch durch die Wärmestrahlung des Bades während des Bedampfens durch Elektronenstrahlbe- bzw. durch die Kondensationswärme des niedergeschlaheizung auf über 500° C erwärmt werden, wobei die genen Schichtmaterials aufgeheizt Hierdurch können Substrate in flächiger Anordnung und gleichmäßiger aber bestenfalls etwa 10 bis 15% des gesamten Wärme-Verteilung oberhalb eines gleichfalls durch aus min- bedarfs der Substrate gedeckt werden.

destens zwei Elektronenstrahlkanonen kommenden io Durch die FR-PS 13 49 184 ist es bekannt, bei einem

Elektronenstrahlen beheizten, mit einem Bad aus Tiegel nicht näher beschriebenen Querschnitts diffuse

dem Verdampfungsgut gefüllten rechteckigen Ver- Elektronenstrahlen aus gegenüberliegenden Richtun-

dampfertiegels mit Schmalseiten und Langseiten ge- gen so auf das Verdampfungsgut zu richten, daß beide

halten werden, dadurch gekennzeichnet, Elektronenstrahlen im wesentlichen die gesamte Ober-

daß die Elektronenstrahlen über die Schmalseite und is fläche des Verdampfungsgutes treffen. Aufgrund der für

unter einem Winkel kleiner als 80° auf etwa die der Elektronen geltenden Reflexionsgesetze kann jedoch

jeweiligen Schmalseite benachbarte Hälfte der Bad- nur ein äußerst geringer Teil der reflektierten Elektro-

oberfläche, die zwischen der Symmetrieachse und nen die Substrate erreichen. Der überwiegende Teil der

dem Ende des Verdampfertiegels liegt, gelenkt wer- reflektierten Elektronen gelangt in die Vakuumkammer

den. 20 und trifft hierbei auch auf die Elektronenstrahlkanonen,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- so daß die gesamte Vorrichtung sehr wirksam gekühlt zeichnet, daß der verminderte Einfluß der Wärme- werden muß, wenn die Strahlleistung ein gewisses Maß strahlung auf die an den Enden des Verdampfertie- übersteigt

gels angeordneten Substrate durch eine längere Durch die DD-PS 1 21 802 ist es bekannt, die Lei-Verweilzeit des Elektronenstrahls in einem Bereich 25 stungsverluste durch reflektierte Elektronen dadurch zu etwa in der Mitte des Bades zusätzlich kompensiert vermindern, daß man einen einzigen Elektronenstrahl wird. mit hoher Leistungsdichte unter einem großen Winkel

3. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprü- zwischen der Strahlrichtung und der Tiegelnormalen chen 1 und 2 auf die Bedampfung von Turbinen- auf das Verdampfungsgut lenkt Dadurch erfährt die schaufeln mit korrosionsbeständigen und oxida- 30 Oberfläche des flüssigen Verdampfungsguts eine Vertionsbeständigen Legierungsschichten. formung, durch die der Wirkungsgrad der Elektronen-

4. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprü- Strahlbeheizung erhöht wird. Eine größere Anzahl stillchen 1 bis 3 auf die Bedampfung von Gasturbi- stehender oder nur auf der Stelle rotierender Substrate nenschaufeln mit Legierungen aus der Gruppe Co- kann mit einer solchen Vorrichtung weder gleichförmig CrAlY und NiCoCrAlY. 35 beschichtet noch gleichförmig erwärmt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein

Vakuum-Aufdampfverfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem eine ununterbrochene und daher extrem wirksame Badbeheizung erreicht wird

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Ober- 40 und bei dem auf die Anordnung zusätzlicher Wärmebegriff des Patentanspruchs 1. quellen für die Substratheizung zumindest weitgehend

Durch die Firmenveröffentlichung der CHROMAL- verzichtet werden kann.

LOY AMERICAN CORPORATION, New York, USA, Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem

»High Temperature Resistant Coatings for Superalloy« eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß von Richard P. Seelig und Dr. Richard J. Stueber ist es 45 durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angebekannt, auf Gasturbinenschaufeln Oberflächenschich- gebenen Maßnahmen.

ten aus hochresistenten Legierungen aufzudampfen, um Diese Maßnahmen haben unter Beachtung der in der

die Belastbarkeit der Schaufeln zu erhöhen. Besonderes Detailbeschreibung noch näher erläuterten konstrukti-Augenmerk ist hierbei auf eine zuverlässige Verbindung ven Maßnahmen die Wirkung, daß die von der durch die der aufgedampften Schicht oder Schichten mit dem so Elektronenstrahlen bombardierten Hälfte der Badober-Grundkörper bzw. Substrat zu richten. Die Haftfestig- fläche reflektierten Elektronen aufgrund gegebener Rekeit kann beispielsweise durch intermetallische Diffu- flexionsgesetze auf diejenigen Substrate auftreffen, die sion wesentlich verbessert werden, wozu es erforderlich in größerer Zahl und flächiger Anordnung stationär ist, die Substrate, sprich Turbinenschaufeln, während oder in sich rotierend über der jeweils entgegengesetzdes Bedampfens auf einem hohen Temperaturniveau 55 ten Badhälfte angeordnet sind. Durch die symmetrische von beispielsweise 900° C bis 1000° C zu halten. Anordnung von mindestens zwei Kanonen läßt sich er-

Es ist bekannt, für die Substratbeheizung Wider- reichen, daß mit je einer Elektronenstrahlkanone in etstands-Strahlungs-Heizkörper oder besondere Elektro- wa je eine Badhälfte unmittelbar beheizt wird, während nenstrahlkanonen vorzusehen. Es ist gleichfalls bekannt, die reflektierten Elektronen auf die jeweils oberhalb der den zur Beheizung des Verdampfungsgutes verwende- 60 anderen Badhälfte angeordneten Substrate auftreffen ten Elektronenstrahl periodisch so abzulenken, daß er und diese aufheizen. Der Anteil der reflektierten Elekabwechselnd auf das Verdampfungsgut und auf das Sub- tronen nimmt mit flacher werdendem Einfallswinkel des strat auftrifft. Hierbei fällt jedoch die Elektronenstrahl- Elektronenstrahls auf die Badoberfläche zu. Man hat es beheizung des Bades aus, solange der Elektronenstrahl durch Veränderung dieses Winkels also in der Hand, auf dem Substrat verweilt. Die auch hierbei zwangsläu- 65 den Energieanteil für die Substratheizung in gewissen fig reflektierten und nicht zur Beheizung ausgenutzten Grenzen zu beeinflussen. Durch die erfindungsgemäße Elektronen gehen in jedem Fall für Beheizungszwecke Maßnahme ist es jedenfalls möglich, durch einen Enerverloren, da bei dem bekannten Verfahren auf eine be- gieanteil von etwa 60% ein Bad aus einer korrosionsbe-