DE3784548T2

DE3784548T2 - Verfahren zum Aufbringen von Überzügen hoher Qualität und komplexer Geometrie durch Plasmaspritzen.

Info

Publication number: DE3784548T2
Application number: DE87106221T
Authority: DE
Inventors: Iii John Ruel Rairden
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-05-05
Filing date: 1987-04-29
Publication date: 1993-10-07
Anticipated expiration: 2007-04-30
Also published as: US4683148A; EP0244753A3; EP0244753B1; DE3784548D1; EP0244753A2; JPS62297452A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Ausbilden von dichten Gegenständen und Gegenständen mit unregelmäßiger Konfiguration durch Plasmaabscheiden. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Niederdruck-Plasmaabscheidungsverfahren und eine Einrichtung, durch die dichte, kohäsive Abscheidungen, die komplizierte Formen haben, auf Empfangsflächen mit einer größeren Größe gebildet werden. Mit der Bezeichnung größere Größe, wie sie hier verwendet wird, ist eine Größe gemeint, die wesentlich größer als die Fläche einer Empfangsfläche ist, die mit einer dichten Abscheidung überzogen wird, wenn eine einzelne, stationäre Plasmakanone eine bei niedrigem Druck durch Plasma abgeschiedene Schicht auf eine stationäre Empfangsoberfläche aufbringt.
Die bekannte Niederdruck-Plasmaabscheidung ermöglicht die Abscheidung einer dichten Schicht in dem zentralen Abschnitt der Ziel- bzw. Targetfläche innerhalb der Überstreichung einer Plasmaflamme. Für eine bestimmte Einrichtung und einen Satz von Betriebsparametern beträgt dieser zentrale Bereich etwa 20 bis 40 cm² im Durchmesser, und die Abscheidungsdichten nähern sich etwa 100 Prozent, insbesondere wenn der abgeschiedenen Schicht eine Verdichtungs-Wärmebehandlung gegeben wird. Weiterhin ist typischerweise die Sprühabscheidung, die den zentralen Bereich umgibt, und insbesondere in einem Randbereich weniger dicht und wird in der Tat extrem porös außerhalb einer Fläche von 100 cm². Die poröse Außenzone ist nicht einmal auf 97 Prozent der theoretischen Dichte verdichtet, und Material mit einer Dichte von weniger als 97 Prozent hat schlechte Kombinationen von physikalischen Eigenschaften und insbesondere schlechte Dehnungseigenschaften.
Ein Grund, warum eine Abscheidung an ihren äußeren Rändern weniger dicht ist und in anderen Beziehungen weniger wünschenswerte Eigenschaften hat, besteht darin, daß der Auftreffwinkel aus der Kanone nicht unter rechten Winkeln oder bei 90º erfolgt. Es wurde gefunden, daß eine Abscheidung aus einer Plasmaflamme, die auf eine Aufnahmefläche unter einem spitzen Winkel, der sich von 90º wesentlich unterscheidet, auftrifft, schlechtere Eigenschaften hat. Weiterhin verschlechtern sich die Eigenschaften desto mehr, je weiter sich der Winkel von 90º unterscheidet.
Um dies in einen rechten Blickwinkel zu setzen, überdeckt bei Verwendung kreisförmiger Flächen ein bestimmter zentraler Bereich mit dichter Abscheidung von 20 cm² eine Fläche mit einem Durchmesser von etwa 5 cm. Wenn nur die zentrale Fläche so, wie sie abgeschieden wurde, dicht ist, dann ist nur ein kleiner Bruchteil der gesamten Abscheidung dicht. 40 cm² sind in einem Kreis mit einem Durchmesser von etwa 7,1 cm eingeschlossen, und eine Fläche von 100 cm in einem Kreis mit einem Durchmesser von etwa 11,3 cm eingeschlossen.
Wenn bei der gegenwärtigen Technologie die Größe der Abscheidung, die aus einer Plasmakanone hergestellt werden soll, in wenigstens einer Dimension größer ist, als der dichte Bereich von einem Sprühmuster, dann ist es notwendig, entweder eine Kanonenbewegung oder eine Substratbewegung oder beides zu verwenden, um die größere Fläche zu überdecken. Diese Bewegung führt zu einer Abscheidung, die eine gewisse Kombination von dicht und porös ist. Der Effekt des Vergrößerns der Abscheidungsgröße auf die Dehnungs- und Duktilitätseigenschaften der Abscheidung führt zu dem Schluß, daß Abscheidungen mit einer größeren Fläche weniger dicht und weicher sind in dem Zustand, wie sie abgeschieden wurden.
Weiterhin gilt allgemein, daß dort, wo der Abscheidungswinkel (dieser bedeutet den spitzen Winkel zwischen der Sprührichtung und der Oberfläche, auf der die Besprühung abgeschieden wird) klein ist, dann die Dichte- und Dehnungseigenschaften der Abscheidung weiter reduziert werden. Wenn beispielsweise der Abscheidungswinkel kleiner als 70º ist, führt dies zu einer weiteren Reduktion in den Dichte- und Dehnungseigenschaften der Abscheidung gegenüber denjenigen, die für Schichten gefunden werden, die abgeschieden werden, wenn die Kanone senkrecht auf die Empfangsfläche gerichtet ist.
Wenn die Empfangsfläche selbst nicht-planar ist und insbesondere die Oberfläche eine komplexe Geometrie hat, empfangen diejenigen Teile der Oberfläche, die nicht senkrecht auf die Plasmakanone gerichtet sind, den Plasma- Sprühkegel unter anderen Winkeln als den wünschenswerten 90º, der zu der Abscheidung hoher Dichte führt.
Plasma-Sprühabscheidungen sind aus zahlreichen pulverförmigen Ausgangsmaterialien gebildet worden, zu denen Pulver aus Superlegierungen auf Nickelbasis gehören.
Es wurde gefunden, daß die Duktilitätswerte von Abscheidungen, die eine kleinere Dichte als 97% haben nach einer Wärmebehandlung, beispielsweise bei etwa 1250ºC für Nickelbasis-Superlegierungen für eine geeignete Zeit, klein sind.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, durch das gewundene dichte Oberflächenüberzüge durch Niederdruck-Plasmaabscheidung mit guten Eigenschaften in der Schicht, wie sie abgeschieden wird, hergestellt werden können.
Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zum Ausbilden einer gleichförmigeren Abscheidung auf verwickelter geformten dreidimensionalen Oberflächen zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Einrichtung zu schaffen, die die Herstellung dichter Abscheidungen über unregelmäßigen Flächen durch Niederdruck-Plasmaabscheidungstechniken gestattet.
Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, durch das dichte Abscheidungen auf einer Oberfläche komplexer Geometrie von relativ großen Abmessungen hergestellt werden kann.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, dichte Abscheidungen gleichförmiger auszubilden, die durch Niederdruck- Plasmaabscheidungstechniken über eine relativ großen Fläche von einer unregelmäßig geformten Oberfläche hergestellt werden.
Weitere Aufgaben werden teilweise aus der folgenden Beschreibung deutlich und teilweise ist auf diese hingewiesen.
Gemäß einem ihrer breiteren Aspekte können die Aufgaben der Erfindung dadurch gelöst werden, daß wenigstens zwei Kanonen in einer Niederdruck-Plasmaspritzkammer angeordnet werden und Material gleichzeitig aus den Kanonen in Mustern abgeschieden wird, die sich überlappen, wenn die Abscheidung hergestellt wird. Die zwei Kanonen sind in der Kammer angebracht, um eine Bahn für die Plasmaflamme auszubilden, die auf eine Empfangsoberfläche in einem überlappenden Muster auftrifft. Es wurde gefunden, daß, wo eine erste Plasmakanone verwendet wird, um eine Plasmasprühabscheidung in einer Fläche herzustellen und diese Abscheidung normalerweise porös ist, und eine zweite Kanone verwendet wird, um eine Abscheidung in der gleichen Fläche herzustellen, und diese zweite Abscheidung normalerweise porös sein würde, überraschenderweise eine völlig dichte Abscheidung entstehen kann. Noch überraschender wurde nun gefunden, daß, wenn eine Abscheidung von sogar kleinen Abmessungen auf einer Oberfläche komplexer Geometrie ausgebildet wird und ein Teil der Oberfläche unter einem nicht-senkrechten Winkel zu der ersten Kanonenrichtung angeordnet ist, die gleichzeitige Verwendung von einer zweiten Kanone und einer zweiten Zielrichtung und das Einstellen der zweiten Zielrichtung der zweiten Kanone unter einem spitzen Winkel zu demjenigen der ersten Richtung und vorzugsweise senkrecht zu einem anderen Abschnitt der komplexen Oberfläche, hochdichte und überraschend gleichförmige mit Niederdruck und durch Plasma abschiedene Überzüge erhalten werden können.
Wo ein Überziehen einer noch unregelmäßigeren Empfangsfläche angestrebt wird, ist die Verwendung von mehr als zwei Kanonen, die unter mehr als zwei unterschiedlichen spitzen Winkeln gleichzeitig eingestellt sind, Teil des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Ausbilden eines dichten Körpers aus einer Plasmasprühabscheidung, enthaltend:
Bereit stellen eines fein zerteilten Pulvers aus der Zusammensetzung des Körpers, gekennzeichnet durch gleichzeitiges Zuführen des Pulvers zu zwei oder mehr Plasmakanonen in einer Niederdruckkammer,
und Plasmasprühen bzw. -spritzen des Pulvers auf eine Empfangsfläche in der Niederdruckkammer, wobei die Kanonen so gerichtet sind, daß sich die Sprühmusterabscheidung der Kanonen überlappt.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Ausbilden einer dichten Abscheidung über einer Oberfläche komplexer Geometrie mit gegenüberliegenden oder konfrontierenden Oberflächen durch Niederdruck-Plasmaabscheidung, gekennzeichnet durch:
Richten einer ersten stationären Plasmakanone auf einen ersten Zielpunkt auf einer Empfangsfläche komplexer Geometrie, um durch die erste Kanone verarbeitetes Material auf einem ersten Abschnitt der Empfangsfläche abzuscheiden,
gleichzeitiges Richten einer zweiten stationären Plasmakanone auf einen unterschiedlichen Zielpunkt der Oberfläche, um das gleiche Material, das durch die zweite Kanone verarbeitet ist, auf einem zweiten Abschnitt der Oberfläche abzuscheiden,
wobei sich die Spritz- bzw. Sprühmusterabscheidung der zwei Kanonen an den Zielpunkten überlappt, die Achsen der Kanonen in einem Winkel zueinander von mehr als 20º angeordnet sind und
die Zielpunkte auf den gegenüberliegenden oder konfrontierenden Oberflächen der komplexen Geometrie getrennt sind.
Die nun folgende Beschreibung wird besser verständlich, wenn sie im Zusammenhang mit den Zeichnungen verstanden wird, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung von einer Niederdruck-Plasmaabscheidungseinrichtung mit besonderer Betonung auf die Plasmakanone und ihre Relation zu dem Ziel ist;
Fig. 2 eine Konturenkarte von einer Plasmasprühabscheidung ist, die Abscheidungsdicke und -dichte an verschiedenen Stellen darstellt.
Fig. 3 eine Konturenkarte ähnlich wie diejenige in Fig. 2 ist;
Fig. 4 eine Konturenkarte ähnlich derjenigen von Fig. 2 ist, aber für eine Abscheidung, die unter Verwendung von zwei Kanonen hergestellt ist;
Fig. 5 eine ähnliche Konturenkarte wie diejenige von Fig. 4 ist;
Fig. 6 eine ähnlich Konturenkarte wie diejenige von Fig. 4 ist;
Fig. 7 ein Satz von zwei graphischen Darstellungen ist, deren oberer Teil eine Kurve der Dehnung über der Dichte und deren unterer Teil eine Kurve der Flächenverminderung einer Zugprobe über der Dichte ist und der sich auf die Duktilität oder Verlängerbarkeit der Proben bezieht;
Fig. 8 eine semi-schematische Seitenansicht von einer Turbinenschaufel ist, die sich um eine vertikale Achse dreht und in einem Niederdruckgehäuse (nicht gezeigt) durch die Flammen von zwei Plasmakanonen besprüht wird;
Fig. 9 eine semi-schematische, axiale Ansicht von einem sich axial drehenden Dorn für einen Geschützlauf ist, der in einem Niederdruckgehäuse (nicht gezeigt) durch die Flammen von zwei Plasmakanonen plasmabesprüht wird;
Fig. 10 eine teilweise geschnittene, semi-schematische Ansicht von einem Kupferdorn ist, der eine Rotation um eine vertikale Achse in einem Niederdruckgehäuse (nicht gezeigt) erfährt und den Flammen von zwei Plasmakanonen ausgesetzt ist.
In Fig. 1 ist schematisch eine Plasmasprüh- bzw. -spritzkanone 10 gezeigt, die in einem Niederdruckgehäuse 8 eingeschlossen ist. Die Kanone hat eine mittlere Kathode 12, die im Abstand von einer ringförmigen Anode 14 angeordnet ist. Zwischen der Anode und der Kathode wird eine Arbeitsspannung durch eine Versorgungsquelle 16 ausgebildet, die durch Leiter 18 und 20 auf entsprechende Weise mit der Kathode und Anode verbunden ist. Die Anode hat eine zentrale Öffnung 22, durch die ein Strom von Partikeln hindurchführt, die schematisch bei 24 gezeigt sind. Die Partikel werden der Öffnung 22 durch die Versorgungsöffnungen 26 und 28 zugeführt, die um die Anode 14 herum im Abstand angeordnet sind. Eine Gasströmung wird durch die Öffnungen 30 und 32 zugeführt und das Gas strömt durch den Ringraum zwischen der Kathode 12 und der Anode 14. Das Gas wird durch Öffnungen 30 und 32 aus einer nicht gezeigten Quelle zugeführt, und dessen Strömung durch den Ringraum zwischen der Kathode und der Anode gestattet, daß ein Plasma-Lichtbogen ausgebildet wird auf der Basis der Beaufschlagung eines geeigneten Aktivierungspulvers und Lichtbogens zwischen der Anode und der Kathode. Die Bewegung des Gases durch den ringförmigen Freiraum und durch die Öffnung 24 trägt die in die Öffnung eingeleiteten Partikel von der Öffnung und in Richtung auf ein Ziel (Target) 34, das im Abstand von der Lichtbogenplasma- Sprühkanone 10 angeordnet ist. Eine Materialabscheidung 36 wird auf dem Target 34 ausgebildet, das als ein Substrat für die Schicht des abgeschiedenen Materials 36 dient.
Die Kanone und das Target sind in einer Niederdruckkammer 8 eingeschlossen, die als eine gestrichelte Linie in Fig. 1 dargestellt ist. Geeignete Gas- und Pulverzufuhreinrichtungen versorgen die Kanone aus Reservoirs außerhalb des Gehäuses 8.
Eine geeignete Spannungsquelle 38 ist vorgesehen, um eine gewünschte Spannung zwischen der Kanone 10 und dem Target 34 beizubehalten und um dem Target eine gewünschte Spannungsänderung auf zudrücken, wie es beispielsweise für einen Betrieb der Kanone und die Abscheidung einer gewünschten Schicht 36 geeignet sein kann. Leiter 40 und 42 verbinden die Spannungsquelle 38 mit der Kanone 10 bzw. dem Target 34. Während der Plasmabogen zwischen der Anode und der Kathode aufrechterhalten wird, wird eine sehr hohe Temperatur in der Größenordnung von 10000 bis 20000ºC erzeugt, und die Energie von diesem Plasma reicht aus, um eine Verschmelzung der in die Öffnung 24 eingeführten Partikel herbeizuführen. Die geschmolzenen Partikel werden auf dem Plasmasprühstrahl von der Kanone 10 zum Target 34 in der Strömung 44 getragen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
Wenn eine Abscheidung mit der Niederdruck-Plasmatechnik unter Verwendung einer Plasmakanone, wie beispielsweise der Plasmakanone 10, auf eine relativ große Oberfläche, wie beispielweise die Oberfläche 34, hergestellt wird, wird die Oberfläche selbst vorzugsweise erwärmt. Die Erwärmung kann durch die Wärme aus der Plasmakanone selbst erfolgen oder sie kann aus einer unabhängigen Quelle kommen. Wo eine einzelne Kanone- von etwa 80 Kilowatt Plasmasprühenergie verwendet wird, ist die maximale Fläche von einer Probe, die auf etwa 900ºC gehalten werden kann, etwa 1000 cm² und ist in einer im wesentlichen kreisförmigen Fläche von etwa 36 cm Durchmesser enthalten.
Wo beispielsweise ein Probering mit einer Breite von 7,5 cm und einem Durchmesser von 30 cm durch Abscheidung aus einer Plasmakanone auf einem Dorn unter Verwendung einer einzelnen Plasmakanone von etwa 80 Kilowatt Energie gebildet wurde, war der Ring offenbar nicht ausreichend erwärmt während der Abscheidung, und dies zeigte sich durch Verformung und hohe Restspannungen nach chemischer Beseitigung des Dorns.
Es wurden zwei EPI Modell 03-CA Plasmasprühkanonen mit 03- CA-80 Anoden Seite an Seite in einer wassergekühlten Niederdruckkammer angebracht, die Abmessungen von 114 cm im Durchmesser und 137 cm in der Länge hatte. Innerhalb dieser Struktur war ein Kanonenbefestigungsbügel so angeordnet, daß zwei Kanonen an dem Bügel nur 9 cm im Abstand zueinander angebracht werden konnten und diese zwei Kanonen konnten so im Winkel angeordnet werden, daß der Zielpunkt von jeder Kanone durch einen Steuermechanismus breit verändert werden konnte, der von außerhalb der Kammer betätigbar war.
Die Einrichtung war auch ausgerüstet, um Substratdorne zu halten, die die Abmessungen von etwa 15,2 cm·25,4 cm mit einer Dicke von 0,32 cm hatten. Die verwendeten Dorne waren planare Kupferbleche. Nach einer Abscheidung von einer Schicht durch das Niederdruck-Plasmaverfahren auf der Oberfläche des Dorns wurden die Substratdorne durch selektive chemische Auflösung entfernt.
Das Pulver, das bei der Plasmaherstellung dieser Schichten verwendet wurde, war ein Metallpulver mit einer Teilchengröße kleiner als 37 um (-400 mesh) aus der Legierung IN-100, das von Homogeneous Metals, Clayville, New York, erhältlich ist.
Nach Beseitigung des Dorns wurde die abgeschiedene Schicht in übliche Versuchsstäbchenformen geschnitten, wie sie üblicherweise bei der Durchführung von Dehnungsversuchen verwendet werden und Endstücke und ein Mittelstück von etwa 0,203 cm in der Breite haben. Die Dicke betrug etwa 0,157 +/- 0,0025 cm.
In Fig. 2 sind die Ergebnisse bei der Ausbildung einer Abscheidung auf einer Empfangsfläche von einer einzelnen Sprühkanone dargestellt. Die Konturlinien stellen das Muster der Abscheidung gleichmäßiger Tiefe dar. Aus der Legende von Fig. 2 werden die Dichtezahlen für jede Probe der Abscheidung, die in dem markierten Rechteck eingeschlossen sind, deutlich. In der Mitte beträgt die Abscheidungsdichte 95,6, und diese wird angehoben auf 99,6 durch eine zweistündige Wärmebehandlung bei 1250ºC.
Jedoch ist die Dichte der zwei äußeren Rechtecke niedrig sowohl in dem Zustand, wie abgeschieden, 87,2 bzw. 89,6 als auch nach einer Vergütung 92,1 bzw. 95,2. Es wurde gefunden, daß Proben mit einer derartig niedrigen Dichte auch niedrige Zugfestigkeiten aufweisen.
Die Signifikanz der unterschiedlichen Dichten von Material, das durch die eine rasche Erstarrung aufweisende Plasmaabscheidung abgeschieden wird, wie es durch Praktizierung der vorliegenden Erfindung erfolgt, kann anhand der Daten deutlicher gemacht werden, die in Fig. 7 enthalten sind. In dieser Figur ist die Dichte aufgetragen, die für Proben erzielt wird, die mit einer einzelnen Kanone abgeschieden werden, die bei 30º, 50º, 70º und 90º positioniert ist. Aus den Positionen der markierten Winkel in Fig. 7 ist ersichtlich, daß die Dichtewerte, die für Partikel erhalten werden, die bei kleinen Winkeln von 30º oder 80º plasmagesprüht sind, recht niedrig und in der Größenordnung von 90% und 93% sind.
In Fig. 7 ist die Dichte als die Abszisse mit abnehmender Dichte von der Ordinatenlinie aufgetragen. Die Ordinate ist in zwei Abschnitten aufgetragen, wobei der untere das Verhältnis bezeichnet, gegeben als bin Prozentsatz des ursprünglichen Probendurchmessers (R) zu dem endgültigen Probendurchmesser (A). Beispielsweise erscheint in der unteren linken Ecke der Figur ein Datenpunkt bei etwa 99% Dichte und 9% Flächenverminderung. Die Bedeutung ist, daß die diesem Datenpunkt entsprechende Probe eine Fläche an dem schmalen Punkt der Dehnungsversuchsprobe hatte, die um 9% ihrer ursprünglichen Abmessungen verkleinert wurde, wenn die Probe in zwei Segmente gezogen wurde.
Die obere Kurve in Fig. 7 zeigt die Festigkeit in MPa (ksi) von einer Probe als Ordinate, aufgetragen über der prozentualen Dichte der entsprechenden Proben. Die prozentuale Dichte ist in dem gleichen Maßstab aufgetragen, wie er in dem unteren Abschnitt von Fig. 7 verwendet ist. Beispielsweise gibt ein runder Datenpunkt bei 180 und 97% eine Zerreißfestigkeit (UTS) von etwa 1240,2 MPa (180 ksi) für ein Material mit einer Dichte von etwa 97% an.
Ein dreieckiger Datenpunkt, der an der gleichen Position angeordnet ist, würde zeigen, daß eine Versuchsprobe mit einer Dichte von etwa 97% eine Streckgrenze (YS) von etwa 1240,2 MPa (180 ksi) zeigt, wobei die Standard-Streckgrenzenprüfungen und -indikatoren verwendet werden.
Das Kästchen an dem oberen Abschnitt in Fig. 7, das in ausgezogener Linie gezeigt ist, ist ein Bereich von zahlreichen Datenpunkten, und der Bereich innerhalb des Kästchens soll anzeigen, daß zahlreiche Datenpunkte innerhalb des angegebenen Bereiches gefunden wurden. Die gezeigten Werte gelten für die Zerreißfestigkeit des geprüften Materials.
Ein entsprechendes Kästchen in gestrichelten Linien in dem 1171,3-1240,2 MPa (170-180 ksi) Bereich stellt zahlreiche entsprechende Datenpunkte dar und zeigt die Streckgrenze der geprüften Materialien. Mit anderen Worten hatten für die Materialien, die geprüft wurden und Werte der Zerreißfestigkeit (UTS) in dem Bereich von 1584,7 MPa (230 ksi) hatten, diese gleichen Proben-Streckgrenzen in dem Bereich von 1171,3 (170) bis 1240,2 MPa (180 ksi).
In ähnlicher Weise definiert das kleinere rechteckige Kästchen bei etwa 1467,6 MPa (213 ksi) eine Fläche, die zahlreiche Prüfpunkte der Zerreißfestigkeit (UTS) von verschiedenen Proben bezeichnet. Das gestrichelte Kästchen bei etwa 999 MPa (145 ksi) bezeichnet die entsprechenden Streckgrenzen (YS) der gleichen Proben, die in dem ausgezogenen Kästchen oben bei 1467,6 MPa (213 ksi) aufgetragen sind.
Weiterhin gelten die Daten innerhalb des ausgezogenen Kästchens bei etwa 1584,7 MPa (230 ksi) für Proben, die aus der der guten Stelle von jeder geprüften Probe genommen wurden. Die gute-Stelle-Terminologie, wie sie hier verwendet wird, bedeutet einen dichten Bereich einer Abscheidung von plasmagesprühtem Material, das das Ergebnis einer Abscheidung von einer stationären Kanone auf ein stationäres Substrat ohne Relativbewegung dazwischen ist. Beispielsweise waren die Daten, die für das obere Kästchen in Fig. 7, insbesondere das ausgezogene Kästchen bei etwa 1584,7 MPa (230 ksi) gesammelt sind, eine Messung, die von einer Probe aus der guten Stelle gemacht war und eine, die unter Verwendung einer Mischung von Argon und Wasserstoff in der Kanone vorbereitet war, aus der die Abscheidung emittiert worden war. Der Wasserstoff in dieser Mischung hatte einen relativ kleinen Prozentsatz, sowohl auf der Basis von Volumen als auch einen sogar kleineren Prozentsatz auf der Basis von Gewicht.
Einige der hergestellten Proben wurden mit einer Relativbewegung in einer Richtung zwischen der Kanone und der Kollektorplatte hergestellt. Beispielsweise wurden die Daten, die in Bezug auf diejenigen Datenpunkte gesammelt wurden, die in dem ausgezogenen Kästchen bei etwa 1474,5 MPa (214 ksi) enthalten sind, aus einem Plasma zwischen einer Kanone und einer Kollektorplatte hergestellt, wobei eine Bewegung in der X-Richtung, oder in anderen Worten eine einzige und erste Richtung, die Abscheidung aus dem Plasma auf die Platte begleitete. Für diese Proben war die gebildete Abscheidung eine Abscheidung mit äußeren Abmessungen von etwa 5 cm·12 cm aufgrund der Relativbewegung der Kanone und der Kollektorplatte.
Es wurden andere Proben hergestellt mit einer komplexeren Relativbewegung zwischen der Kanone und der Kollektorplatte. In einer Anzahl von Proben, die in Fig. 7 angegeben sind, war die Relativbewegung von Kanone und Platte eine Bewegung in zwei Richtungen. Die zwei Richtungen waren im Winkel von 90º zueinander und die gebildete Abscheidung hatte äußere Gesamtabmessungen von etwa 15·15 cm.
Es wurden noch andere Datenpunkte gemacht, wobei sowohl eine Relativbewegung in zwei Richtungen zwischen der Kanone und der Platte als auch zusätzlich ein Abscheidungswinkel des auf die Platte gerichteten Plasmas verwendet wurden. Beispielsweise ist der mit A bezeichnete Datenpunkt ein Datenpunkt, bei dem der Abscheidungswinkel 70º betrug. Der Datenpunkt B war ein Datenpunkt, wo der Abscheidungswinkel 50º betrug, und der Datenpunkt C stellt einen Datenpunkt dar, wo der Abescheidungswinkel 30º betrug. Für andere Datenpunkte, wo der Abscheidungswinkel nicht angegeben ist, betrug der Abscheidungswinkel 90º.
Es wird aus der Relation der Daten bezüglich des Abscheidungswinkels auf einfache Weise deutlich, daß ein rascher Abfall der Festigkeits- und Dichteeigenschaften der Proben vorhanden ist, die für Proben gemessen wurden, die mit progressiv kleineren Abscheidungswinkeln des Zielpunktes der Kanone relativ zur Längsachse der Kanone hergestellt waren, aus der das Plasma stammt.
Bezüglich der Gase, die in dem Betrieb der Kanone verwendet wurden, wurden alle Proben unter Verwendung einer Mischung von Argon und Helium in der Kanone hergestellt, außer wo es in der Kurve gemäß Fig. 7 angegeben ist, daß die Mischung von Argon und Wasserstoff in der Kanone verwendet wurde.
Es wird nun auf die Daten eingegangen, die in dem unteren Abschnitt von Fig. 7 aufgetragen sind. Die Proben, die hergestellt und von denen die Daten gewonnen wurden, sind die gleichen Proben, wie sie in dem oberen Abschnitt der Figur hergestellt und geprüft wurden. Beispielsweise sind die Daten, die in dem ausgezogenen Kästchen von etwa 1584,7 MPa (230 ksi) enthalten sind, durch mehrere Datenpunkte dargestellt, die in den gestrichelten Kästchen enthalten sind, das sich von etwa 10 bis 20% (R/A) erstreckt. Die anderen Datenpunkte in der graphischen Darstellung der Relation zwischen der prozentualen Duktilität (etwa proportional zu R/A) und der auf der Abszisse aufgetragenen Dichte sind Messungen, die an den gleichen Proben vorgenommen wurden, die hergestellt und geprüft und in der Kurvendarstellung an dem oberen Abschnitt in Fig. 7 enthalten sind.
Wenn Superlegierungspulver durch Plasma-Technologie abgeschieden wird, ist es bekannt, daß die besten Resultate von Niederdruck-Plasmaabscheidung erzielt werden, wenn das Substrat, das die Abscheidung empfangen soll, auf etwa 900ºC erwärmt wird. Wenn jedoch keine Mittel vorgesehen sind, um die Temperatur der Empfangsfläche oder des empfangenen Gegenstandes auf der bevorzugten erhöhten Temperatur von etwa 900ºC zu halten, ist die Größe eines Gegenstandes, der einen Überzug erhalten soll, begrenzt, wenn die einzige Wärmequelle die Wärme von der Plasmakanone selbst ist. Auf' der Basis von Berechnungen kann eine 80 Kilowatt Plasmakanone eine Oberfläche von etwa 1000 cm² versorgen, die auf eine Temperatur von etwa 900ºC erwärmt ist. Für größere Gegenstände erreicht der Gegenstand die bevorzugte Temperatur nicht und deshalb besteht eine gewisse Gefahr von ungenügenden Eigenschaften in einer hergestellten Abscheidung aufgrund der geringeren als wünschenswerten Temperatur der Empfangsfläche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch ist die Bildung von dichten Abscheidungen auf Empfangsflächen von größeren Abmessungen möglich aufgrund der Verwendung von mehreren Plasmakanonen, um eine Materialschicht auf der Oberfläche abzuscheiden, aber auch, weil die Oberfläche, die das Material empfangen soll, selbst vorzugsweise auf erhöhte Temperaturen erwärmt ist, die, wie vorstehend ausgeführt wurde, in der Größenordnung von wenigstens 900ºC liegen sollten.

Beispiel 1

Eine Kanoneneinrichtung, wie sie vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde, wurde in einer Kammer verwendet, die auf einem verminderten Druck gehalten war, und das Muster der Abscheidung der Materialschicht aus der Kanone wurde untersucht. Weder die Kanone noch das Ziel wurden während der Abscheidung gemäß diesem Beispiel bewegt.
Das verwendete Ziel bzw. Target war eine Platte und das Muster des Abscheidungsmaterials auf der Platte wurde untersucht. Das Muster ist in Fig. 2 für eine erste Kanone gezeigt, die als Kanone A bezeichnet ist. Die Kontur-Außenlinien gemäß Fig. 2 sind die Zonen, in denen unterschiedliche Dicken der Abscheidung von der Probenabscheidung gefunden wurden, die unter den folgenden Bedingungen gebildet wurden:
Das verwendete pulverförmige Material war eine Legierung, die als IN-100 bezeichnet ist. Die Legierung enthält die folgenden Bestandteile in den folgenden angenäherten Konzentrationen: 60,5% Nickel, 15% Kobalt, 10,0% Chrom, 5,5% Aluminium, 4,7% Titan, 3,0% Molybdän, 0,06% Zirkon, 1,0% Vanadium, 0,014% Bor, 0,18% Kohlenstoff. Das Pulver war IN-100 mit einer Teilchengröße kleiner als 37 um (-400 mesh).
Die Spannung innerhalb der Kanone betrug 50 Volt und der Strom betrug 13O0 Ampere. Die Kanone war im wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche des Ziels gerichtet, und der Abstand der Kanonendüse zu dem Ziel betrug 31,75 cm (12,5 Zoll).
Der Druck innerhalb der Vakuumkammer betrug 8·10³ Pa (60 Torr).
Es war keine Spannung von der Kanone an das Ziel angelegt, da die Erscheinung eines übertragenen Lichtbogens nicht angewendet wurde.
Die verwendete Plasmakanone war eine im Handel erhältliche Kanone, die unter der Bezeichnung EPI, Modell 03CA von der Firma Electro Plasma, Inc. von Irvine, Kalifornien, verkauft wird.
Das verwendete Ziel bzw. Target war ein Blech aus Kupfermetall mit den Abmessungen von 15,24 cm·20,32 cm·0,3175 cm (6 Zoll·8 Zoll·1/8 Zoll Dicke).
Nach der Plasmaabscheidung wurde die Abscheidung für zwei Stunden bei 1250ºC erwärmt, um die abgeschiedene Schicht zu verdichten. Messungen bezüglich der Dichte des Materials wurden sowohl vor als auch nach der Verdichtungserwärmung durchgeführt. Die Resultate dieser Untersuchung sind in Fig. 2 dargestellt.
In Fig. 2 zeigen die Konturlinien die Fläche der Abscheidung bei jeder Dicke. Die Dicken sind diejenigen, die in Millimetern zwischen den Konturlinien für jede markierte Fläche angegeben sind. Die markierten rechteckigen Flächen sind diejenigen, von denen Proben für eine Messung entnommen wurden. Die Bruchwerte die für jede rechteckige Fläche angegeben sind, zeigen die abgeschiedene Dichte als den Zähler des Bruches und die Dichte nach einer Verdichtungserwärmung für zwei Stunden bei 1250ºC als den Nenner des Bruches.
Die angegebenen Werte zeigen, daß eine kleinere Dichte aufweisende Abscheidungen in größeren Abständen von dem Zielpunkt erzeugt werden, der durch den Buchstaben A an dem entsprechenden Zielpunkt in der Figur bezeichnet ist.
Dieses Beispiel lehrt, was durch Plasmasprühen aus einer einzelnen Kanone erreicht werden kann, die senkrecht auf eine Empfangsplatte gerichtet ist. Aus diesem Beispiel wird deutlich, daß ein ernsthaftes Problem einer verminderten Dichte der Abscheidung in Abständen von dem Zielpunkt der Kanone besteht, wo die höchsten Dichten erzielt werden. Es wird auch klar, daß die eine geringe Dichte aufweisenden Abscheidungen durch die Verdichtungs-Wärmebehandlung nicht unterstützt werden.

Beispiel 2

Es wurde eine zweite Kanone, die als Kanone B bezeichnet ist und im wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben, verwendet, um das gleiche IN-100 Material auf einem zweiten Target unter im wesentlichen den gleichen Bedingungen abzuscheiden, wie sie in Beispiel 1 beschrieben wurden.
Die Konturlinien des abgeschiedenen Materials sind in Fig. 3 dargestellt. Die Dichtewerte für die Abscheidung sowohl vor als auch nach einer Verdichtungserwärmung sind ebenfalls in der Figur in der Form von Brüchen dargestellt.
Bisherige Erfahrungen bei der Verwendung von Kanonen als Teil der Niederdruck-Plasmaabscheidung von Material macht deutlich, daß keine zwei EPI Anoden exakt gleich sind und daß das Sprühmuster von einer von ihnen die Tendenz hat, sich während der Anwendung kontinuierlich zu verändern. Dieses Veränderung ist zum Teil Abnutzung und Erosion in der Lichtbogenkammer und in den Pulverzuführungsöffnungen zuzurechnen und zum Teil einzelnen Betriebscharakteristiken einer Kanone. Demzufolge ist die äußere Form und auch die Form der Konturlinien von einer Kanone zur anderen unterschiedlich, selbst wenn die gleiche Kanone und das gleiche Target verwendet werden.

Beispiel 3

Zwei Kanonen, insbesondere die Kanonen A und B, wie sie anhand von Beispiel 1 und Beispiel 2 beschrieben wurden, wurden beide in einer Niederdruck-Plasmaabscheidungskammer angeordnet und waren auf ein einziges Target gerichtet. Die Stellen oder Zielpunkte auf dem Target, auf die die Kanone gerichtet waren, waren etwa 3,8 cm voneinander getrennt.
Die Konturlinien der Abscheidung, die aus dem gleichzeitigen Sprühen bzw. Spritzen mit den zwei Kanonen hergestellt wurde, ist in Fig. 4 dargestellt. Das Material, das in diesem Beispiel auf dem Target abgeschieden wurde, wurde dann für zwei Stunden bei 1250ºC wärmebehandelt und wurde durch die Erwärmung verdichtet. Die Dichte der Abscheidung sowohl vor als auch nach der Verdichtungserwärmung ist in der Figur wie in den vorgehenden Beispielen in der Form von Bruchwerten gezeigt.
Aus den in Fig. 4 aufgetragenen Daten wird deutlich, daß im Vergleich zu den Abscheidungen gemäß Fig. 2 und 3 eine wesentliche Erweiterung der eine hohe Dichte aufweisenden Plasmasprühabscheidung durch das Verfahren gemäß diesem Beispiel gebildet wurde, das die zwei Kanonen verwendet, die zur Abscheidung überlappender Muster des gespritzten Produktes gerichtet sind.
Dieses Ergebnis ist höchst unerwartet, weil die Fläche, wo eine Abscheidung mit hoher Dichte gebildet ist, ausgebreitet ist und Flächen enthält, wo zwei Schichten von Material mit geringer Dichte abgeschieden sind. Was überraschend ist, ist, daß die zwei Schichten einer eine geringe Dichte aufweisenden Abscheidung sich vereinigen, um eine derartige ausgebreitete kombinierte Schicht zu bilden, und daß die vereinigten Schichten eine hohe Dichte hatten trotz der Tatsache, daß die Schichten, aus denen sie gebildet wurden, eine geringe Dichte hatten.

Beispiel 4

Das in Fig. 3 verwendete Verfahren wurde wiederholt, aber in diesem Fall wurde der Abstand des Zielpunktes der zwei Kanonen innerhalb der Kammer auf 6,4 cm vergrößert.
Das Material wurde abgeschieden, und die Konturlinien der Abscheidung sind in Fig. 5 dargestellt. Es wurden Proben aus der Abscheidung entnommen, und die Dichte wurde sowohl vor als auch nach der Verdichtungserwärmung ermittelt, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist. Die Dichtewerte sind in Bruchform an den bezeichneten Proben der Abscheidung wie in den Beispielen 1 und 2 markiert.

Beispiel 5

Das Verfahren gemäß Beispiel 3 wurde wiederholt, aber in diese Fall war der Zielpunkt der zwei Kanonen um 8,9 cm getrennt, und die Abscheidung des Materials wurde hergestellt, wie es zuvor in Beispiel 3 beschrieben wurde.
Es wurde eine Anzahl von Proben aus der Abscheidung entnommen, und die Dichte der Proben wurde sowohl vor als auch nach der Verdichtungserwärmung gemessen. Die Verdichtungserwärmung betrug eine zweistündige Behandlung bei 1250ºC, wie es in Fig. 1 beschrieben wurde. Das Muster der Abscheidungen, wie durch Konturlinien angegeben, ist wie in Fig. 6 gezeigt. Auch die Dichte des Probenmaterials, das aus der Abscheidung entnommen ist, ist in den entsprechenden Flächen von Fig. 6 gezeigt.
Die Ergebnisse, die aus einer Prüfung der gemäß Beispiel 5 hergestellten Probe erhalten wurden, zeigten, daß die metallurgische Struktur der Probenquerschnitte, die aus dem Target hergestellt wurden, und speziell von der Probe E an der Mitte des Targets, wo eine Überlappung der Spritzregionen bestand, den Beweis erbrachte, daß eine sehr enge Ähnlichkeit der metallurgischen Struktur der Überlappungsregion besteht, wenn ein Vergleich mit den Proben B und H in Beispiel 5 angestellt wird, die an den entsprechenden Zielpunktregionen auf dem Target angeordnet sind.
Bei einer Prüfung der Mikrophotographien, die aus der metallurgischen Mikrostruktur von jeder der Proben entwickelt wurden, sind die Proben nicht unterscheidbar auf der Basis einer Untersuchung der Mikrophotographien aufgrund der großen Ähnlichkeit zwischen ihnen.
Aus Fig. 2 wird deutlich, daß dort, wo eine erste Abscheidung des Materials bei einer geringeren Dichte von 92% hergestellt wurde, eine nachfolgende Erwärmung zum Konsolidieren einer Schicht nicht wirksam ist zum Erzielen der gewünschten Konsolidation auf die hohe Dichte von 99 oder 100%.
Es sei darauf hingewiesen, daß einer der Vorteile der Niederdruck-Plasmaabscheidungstechnik darin besteht, daß sie die Bildung von Strukturen gestattet, die vorteilhafte Kristall- und Feststoffeigenschaften haben. Die Erwärmung derartiger Materialien für längere Zeiten und bei sehr erhöhten Temperaturen kann die vorteilhaften kristallinen und damit im Zusammenhang stehenden physikalischen Eigenschaften der Schicht effektiv vermindern oder zerstören. Demzufolge können Versuche, die eine kleinere Dichte aufweisenden Abschnitte von einer Abscheidung durch eine Erwärmung über verlängerte Zeiträume und bei höheren Temperaturen eine Einbuße in den Eigenschaften der Schicht nicht nur in der eine kleinere Dichte aufweisenden Fläche bewirken, sondern auch in den völlig dichten Abschnitten, die der gleichen Langzeiterwärmung bei höheren Temperaturen ausgesetzt werden müssen. Es wurde gefunden, daß eine extensive Erwärmung von Abscheidungen, die im abgeschiedenen Zustand eine geringere Dichte als 97% haben, keine volle Verdichtung dieser Abscheidungen zur Folge haben.
Aus den vorstehenden Beispielen wird deutlich, daß eine Verschlechterung in den Eigenschaften das Bemühen begleitet, eine integrale Sprühstruktur hoher Dichte auf eine planare Oberfläche größerer Abmessungen als die Fläche aufzubringen, in der dichte Plasmasprühabscheidungen gebildet werden, und daß die einfache Erwärmung der Abscheidungen den Dichtemangel nicht heilt. Weiterhin wird deutlich, daß die physikalischen Eigenschaften mit der Dichte in Beziehung stehen, so daß eine Abscheidung mit geringerer Dichte auch eine Abscheidung mit geringerer Festigkeit bedeutet. Weiterhin ist gezeigt worden, daß recht überraschend dieser Nachteil überwunden werden kann, indem zwei oder mehr Kanonen verwendet werden, die so betätigt werden, daß die eine geringere Dichte aufweisende Abscheidung aus der einen Kanone die eine geringere Dichte aufweisende Abscheidung aus einer zweiten Kanone überlagert. Das sehr überraschende Element hier ist, daß die eine geringere Dichte aufweisende Abscheidung aus jeder der Kanonen sich in gewisse Weise zu einer Abscheidung vereinigen (konsolidieren), so daß Oberflächenstrukturen aufgebaut werden können, die anderenfalls nicht möglich wären.
Weiterhin überwindet die Bewegung einer einzelnen Kanone, um die Besprühung hoher Dichte auf gewählte Flächen einer größeren Oberfläche aufzubringen, nicht die Abscheidung geringer Dichte in der gleichen Weise, wie die Verwendung von zwei Kanonen. Demzufolge sind Bemühungen, größere Flächen auf einer planaren Oberfläche unter Verwendung einer einzelnen Kanone und einer begleitenden Relativbewegung der Kanone und der Empfangsfläche zu besprühen, nicht wirksam, dieses gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Plasmaspritzen komplexer Geometrie

Die vor stehende Beschreibung bezieht sich auf die Ausbildung von Abscheidungen auf planaren Oberflächen unter Verwendung einer einzelnen Kanone oder mehrerer Kanonen, die im allgemeinen senkrecht auf die Oberfläche gerichtet sind. Es wurde jedoch gefunden, worauf vorstehend bereits hingewiesen wurde und was nachfolgend erläutert wird, daß dort, wo der Winkel zwischen der Kanonenachse und der Empfangsfläche kleiner als etwa 70º ist, eine sehr markante Verkleinerung in der Dichte der gebildeten Abscheidungen besteht und es eine daraus resultierende Verschlechterung der Plasmasprühabscheidungen gibt, die gebildet werden. Die vor stehende Beschreibung betrifft die Ausbildung von dichten Abscheidungen auf planaren Oberflächen. Recht überraschend wurde jedoch gefunden, daß vorteilhafte Resultate erhalten werden, wenn die Plasma-Spritztechnologie in Verbindung mit Empfangsflächen von relativ komplexer Geometrie und Konfiguration verwendet wird. Dementsprechend ist gefunden worden, daß für eine einzelne Kanone Abscheidungseigenschaften verschlechtert werden für komplex geformte Körper, die unter Verwendung von Abscheidungswinkeln von weniger als etwa 70º gefertigt werden.
Durch bekannte Praxis werden komplexe Formen aufweisende Körper gefertigt oder überzogen durch Verwendung komplizierter Steuerungen einer Kanonenorientierung und der entsprechenden Substratorientierung. Eine derartige Bewegung wird so ausgelegt, daß alle Oberflächen für wenigstens eine kurze Periode einer Kanone ausgesetzt sind, die für eine Abscheidung nahe 90 º gerichtet ist. Bei Verwendung derartiger Bewegungen gibt es jedoch eine Mittelung der Abscheidung bei großem und kleinem Winkel, was einen Kompromiß in den Eigenschaften der gebildeten Schicht zur Folge hat. Weiterhin heilt die Abscheidung einer Schicht mit hoher Dichte über einer Schicht mit kleiner Dichte nicht die kleine Dichte und die begleitenden schlechteren Eigenschaften der darunterliegenden Schicht, so daß die Eigenschaften der gesamten gebildeten Strukturen einen Kompromiß darstellen.
Es wurde jedoch überraschenderweise gefunden, daß durch die Verwendung von zwei Kanonen und durch die Winkelanordnung dieser Kanonen relativ zu den Oberflächen der Struktur komplexer Geometrie, die überzogen werden soll, zur Bildung einer Abscheidung mit hoher Dichte führt und, was noch überraschender ist, auch zu einer Abscheidung mit gleichförmiger Dichte führt.
Das Überziehen von Oberflächen komplexer Geometrie durch Verwendung einer einzelnen Kanone und eines Mechanismus zum Verändern der Orientierung der Kanone relativ zu der komplexen Oberfläche hat sich, worauf bereits hingewiesen wurde, als nachteilig gezeigt zum Herstellen einer Oberfläche von relativ gleichförmiger hoher Dichte oder einer Oberflächenschicht von relativ gleichförmiger Dichte über der Oberfläche der Struktur komplexer Geometrie.

Beispiel 6

In Fig. 10 ist ein Kupferdorn 110 dargestellt, wie er an einer Welle 112 angebracht ist, die von einem Antrieb (nicht gezeigt) gehaltert ist, der gestattet, daß die Welle und der Dorn gedreht werden, wie es in der Figur angedeutet ist. Der Dorn und die Welle wurden in einer Niederdruck- Plasmaabscheidungskammer zusammen mit zwei Plasmakanonen 114 und 116 angeordnet.
Der Dorn 110 hatte eine flache obere Fläche 118, eine abgestumpft-konische oder abgeschrägte Seitenfläche 120 und eine nach innen verlaufende Lippe 122. Zwischen der äußeren Wand 120 und der Lippe 122 ist eine gekrümmte oder abgerundete Randfläche 124 in dem Dorn ausgebildet und ist die charakteristische Form des zu bildenden Gegenstandes aus der Abscheidung, die auf dem Dorn hergestellt wird. Der Gegenstand ist eine Brennkammer für ein Strahltriebwerk und hat einen Durchmesser von 15,24 cm (6 Zoll). Die Brennkammer wird durch Niederdruck-Plasmaabscheiden einer Schicht aus IN-100 gebildet. Das IN-100 Metall wird den Kanonen 114 und 116 in der Form eines Pulvers zugeführt und wird plasmagespritzt durch Spritzen bzw. Sprühen der Kanonen auf die äußere Oberfläche des Kupferdorns.
Aus einer Betrachtung der Struktur des Kupferdorns 110, der durch Plasma überzogen werden soll, wird deutlich, daß die Oberflächen 120 und 122 und der dazwischenliegende gekrümmte Abschnitt 124 um eine Ecke unter einem spitzen Winkel verlaufen, der wesentlich größer als 20º ist. Der Winkel ist tatsächlich wahrscheinlich näher an etwa 70º und ist aus diesem Grund schwieriger zu überziehen als ein rechter Winkel oder, in anderen Worten, ein Winkel von 90º. Es ist ersichtlich, daß die Plasmakanonen 114 und 116 nahezu in rechten Winkeln zueinander angeordnet sind. Die eine Kanone 114 ist auf die abgeschrägte Oberfläche 120 auf der einen Seite des Dorns 110 angeordnet. Die andere Kanone 116 ist auf die Lippe 122 und die eine abgerundete Ecke aufweisende Oberfläche 124 gerichtet. Interessanterweise wurde gefunden, daß, wenn eine Kanone verwendet wurde in dem Bemühen, einen Dorn mit einem Überzug gleichförmiger Dichte durch eine Relativbewegung der einzelnen Kanone zu überziehen, um sie zunächst in die Position 114 und dann in die Position 116 zu dem Dorn 110 zu bringen, daß ein ungleichmäßiger Überzug ausgebildet wurde und auch, daß der ungleichmäßige Überzug dichte und poröse Abschnitte aufwies, die ihn für einen Brennkammerring für ein Strahltriebwerk unbrauchbar machte.
Es wurden zwei Fertigungen gemacht, die als 4-15-1S bzw. 4- 21-1S bezeichnet sind. In der ersten Fertigung wurden die zwei Kanonen jeweils unter einem Winkel von etwa 90º auf die entsprechenden Oberflächen gerichtet, ähnlich der Darstellung in Fig. 10. In der Fertigung 4-21-1S waren die Kanonen unter einem Winkel von etwa 70º zu jeder Oberfläche gerichtet. Es wurde gefunden, daß in jeder dieser Fertigungen eine sehr gute Dichte der Abscheidung ausgebildet wurde. Es wurde jedoch auch beobachtet, daß die Fertigung, die bei 70º und speziell derjenigen gemacht wurde, die als 4-21-1S bezeichnet ist, eine gleichförmigere Abscheidungsdicke zur Folge hatte, und es wurde angenommen, daß dies aus der Verwendung des 70º Richtwinkels resultiert im Gegensatz zu dem 90º Winkel der 4-15-1S Fertigung. Die Daten aus diesen Fertigungen sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengestellt. Tabelle I Dichte Fertigung wie abgeschieden wärmebehandelt

Beispiel 8

Es wurde ein simulierter Geschützlauf aus einem Dorn hergestellt, wie er in Fig. 9 dargestellt ist. Der Dorn 100 wurde durch maschinelle Bearbeitung so ausgebildet, daß er erhöhte Stege 102 und Vertiefungen aufweist, die Geschützrillen 104 entsprechen. Zwei Plasmakanonen 106 und 108 wurden in radialen Positionen relativ zur Achse des Dorns angeordnet und in Winkelpositionen gebracht, die grob in rechten Winkeln zueinander standen. Die Position beider Kanonen wurde so eingestellt, daß sie den oberen Abschnitt des Dorns schneiden, wie es in der Figur dargestellt ist. Der Dorn selbst wurde in Gegenuhrzeigerrichtung gedreht, wie es ebenfalls in Fig. 9 durch den Pfeil angegeben ist.
Es wurden zwei Fertigungen unter Verwendung von zwei Dornen gemacht. Die erste Fertigung, die als 4-7-1S bezeichnet ist, wurde auf einem Dorn aus rostfreiem Stahl mit Vertiefungen gemacht, die auf der Länge maschinell ausgebildet wurden, wie es in Fig. 10 angegeben ist, um den Innenraum eines Geschützlaufes zu simulieren. Eine zweite Fertigung wurde auf einem Kupferdorn gemacht und wurde als 4-8-1S bezeichnet. In beiden Fertigungen wurden die Abscheidungen unter Verwendung von IN-100 Pulver mit einer Teilchengröße kleiner 37 um (-400 mesh) gemacht. Es wurden Dichtemessungen durchgeführt und die Ergebnisse sind in Tabelle II aufgelistet. Tabelle II Dichte Fertigung wie abgeschieden wärmebehandelt

Beispiel 9

Es wurde versucht, einen Brennkammerring, wie er in Fig. 10 dargestellt ist, durch Verwendung einer einzigen Kanone herzustellen. Die Kanone wurde unter einem Winkel von etwa 45º zu den zwei Oberflächen 120 und 122 angeordnet. Die abgeschiedene Legierung war Rene 80. Der Ring wurde gedreht, als die Abscheidung gemacht wurde. Die Abscheidung, die mit der einzelnen Kanone bei 45º, wie in diesem Beispiel, gemacht wurde, erbrachte eine Abscheidung mit einer Dichte von 89,2% im abgeschiedenen Zustand, und diese Dichte wurde nach einer Wärmebehandlung auf 95,4% verbessert. Jedoch ist eine Dichte von 95,4% minderwertig, wie es in der vorstehenden Beschreibung ausgeführt wurde.

Beispiel 10

Es wurde ein weiterer Versuch gemacht, einen Ring zu bilden, wie es in Fig. 10 gezeigt ist, aber in diesem Fall wurde eine komplizierte Kanonenbewegung verwendet, um die Kanone von einer Position für einen 90º Abscheidungswinkel auf die Wand in einen 45º Abscheidungswinkel auf die Lippe vor- und zurückzubewegen, während der Ring um seine Achse gedreht wurde. Die abgeschiedene Legierung war Co-29Cr-6Al- 1Y. Der Ring, der unter Verwendung dieser komplizierten Kanonenbewegung abgeschieden wurde, hatte eine Dichte von 92,2% im abgeschiedenen Zustand und eine Dichte von 98,9% nach einer Wärmebehandlung für zwei Stunden bei 1250ºC. Hieraus wird wiederum deutlich, daß die Verwendung einer einzelnen Kanone und die hochentwickelte Kanonenbewegung Resultate zur Folge hat, die schlechter sind gegenüber denjenigen, die durch die Verwendung von zwei Kanonen erhalten werden, wie es in Fig. 10 dargestellt und vorstehend beschrieben ist.

Beispiel 11

Es wurde ein Versuch gemacht, einen Brennkammerring mit einem Durchmesser von 15,2 cm unter Verwendung von IN-100 Pulver mit einer Teilchengröße kleiner als 37 um (-400 mesh) zu formen. Es wurden zwei Kanonen verwendet und angeordnet, wie es in Fig. 10 dargestellt ist. In diesem Beispiel wurde die Abscheidung gemacht unter Verwendung der Kanonen, die unter einem Winkel von grob 90º zu jeder Oberfläche gerichtet waren, wie es ebenfalls in Fig. 10 dargestellt ist. Die Dichte der Abscheidung, die gemäß diesem Beispiel ausgebildet wurde, betrug 97,2% im abgeschiedenen Zustand und 100,0% nach einer Wärmebehandlung für zwei Stunden bei 1250ºC. Die Dichte der in dieser Weise gebildeten Abscheidung in dem kritischen Bereich der Biegung der Seite zur Lippe ist gut. Jedoch war die Gleichförmigkeit der Dicke der Abscheidung nicht so gut wie die erzielte Dichte.

Beispiel 12

Es wurde ein Brennkammerring mit verbesserter Dicke und Gleichförmigkeit gefertigt. In dieser Fertigung wurde eine Abscheidung mit Kanonen gemacht, die in einem Winkel von etwa 70º zu jeder Oberfläche angeordnet waren. Die Kanonen waren in einem Winkel von etwa 90º zueinander, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, aber sie waren etwa 20º in Uhrzeigerrichtung gedreht, um die 70º Orientierung zu jeder der Oberflächen zu erzielen. Die Dichte der Abscheidung, wie abgeschieden, die bei der 70º Anordnung ausgebildet wurde, betrug 97,8%, und eine Dichte von 100,1% wurde nach einer Wärmebehandlung für zwei Stunden bei 1250ºC erzielt. Es wurde gefunden, daß die metallurgische Qualität der durch zwei Kanonen abgeschiedenen Brennkammerringe höchst wünschenswert ist. Dieses Beispiel stellt das Vermögen dar, die Qualität, Dichte und Verteilung der Abscheidung durch eine Kanonenanordnung zu steuern, und es stellt weiterhin dar, daß das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage ist, komplex geformte Körper herzustellen.
Eine Darstellung von einem komplex geformten Körper ist derjenige, der in Fig. 8 gezeigt ist. Es ist eine Schaufel von einer Turbine. Die Schaufel wird von einer Welle 90 gehaltert und gedreht, wie es durch den Pfeil um die Welle herum angegeben ist. Die Schaufel hat einen Basisabschnitt 91 und einen stromlinienförmigen Abschnitt 92º Zwei Kanonen 93 und 94 sind-in einem Winkel von etwa 45º angeordnet, um ihre entsprechenden Flammen auf den stromlinienförmigen Abschnitt 92 der Schaufel zu richten. Es wurde gefunden, daß durch die Verwendung von zwei oder drei derartiger Kanonen, die auf den stromlinienförmigen Abschnitt einer Turbinenschaufel gerichtet sind, eine Schicht relativ gleichförmiger Dichte auf der Schaufeloberfläche ausgebildet werden kann, um überlegene Eigenschaften und Leistungsfähigkeit in der Schaufel zu erzielen.

Claims

1. Verfahren zum Ausbilden einer dichten Abscheidung über einer Oberfläche komplexer Geometrie mit gegenüberliegenden oder konfrontierenden Oberflächen durch Niederdruck- Plasmaabscheidung, gekennzeichnet durch:

Richten einer ersten stationären Plasmakanone auf einen ersten Zielpunkt auf einer Empfangsfläche komplexer Geometrie, um durch die erste Kanone verarbeitetes Material auf einem ersten Abschnitt der Empfangsfläche abzuscheiden,

gleichzeitiges Richten einer zweiten stationären Plasmakanone auf einen unterschiedlichen Zielpunkt der Oberfläche, um das gleiche Material, das durch die zweite Kanone verarbeitet ist, auf einem zweiten Abschnitt der Oberfläche abzuscheiden,

wobei sich die Sprühmusterabscheidung der zwei Kanonen an den Zielpunkten überlappt,

die Achsen der Kanonen in einem Winkel zueinander von mehr als 20 Grad angeordnet sind und

die Zielpunkte auf den gegenüberliegenden oder konfrontierenden Oberflächen der komplexen Geometrie getrennt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zielpunkte auf gegenüberliegenden Seiten eines spitzen Winkels sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Empfangsfläche eine Turbinenschaufel ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Empfangsfläche als ein ringförmiges Band geformt ist und die Zielpunkte auf einer Seiten- und Bodenfläche des Bandes sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Empfangsfläche Wellungen hat und die Kanonen auf gegenüberliegende Seiten der Wellungen zielen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Empfangsfläche scharfwinklige Oberflächenkonfigurationen hat und die Kanonen auf Punkte auf gegenüberliegenden Seiten der Oberflächen zielen.

7. Verfahren zum Ausbilden eines dichten Körpers aus einer Plasmasprühabscheidung, enthaltend:

Bereit stellen eines fein zerteilten Pulvers aus der Zusammensetzung des Körpers,

gleichzeitiges Zuführen des Pulvers zu zwei oder mehr Plasmakanonen in einer Niederdruckkammer und

Plasmasprühen des Pulvers auf eine Empfangsfläche in der Niederdruckkammer,

wobei die Kanonen so gerichtet sind, daß sich die Sprühmusterabscheidung der Kanonen überlappt.