DE4018340C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten von hochtemperaturfesten Langfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von hochtemperaturfesten Langfasern mit metallischem oder keramischem Material nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Beschichtete Fasern werden zum Herstellen oder Verstär­ ken von Bauteilen verwendet. Während durch die Fasern die Steifigkeit des Bauteils erzielt wird, können durch entsprechende Wahl des Beschichtungsmaterials Bauteile hergestellt werden, die hohen Temperaturen standhalten.

Bei einem bekannten Verfahren bzw. einer bekannten Vor­ richtung zur Faserbeschichtung wird das Beschichtungs­ material in einem Schmelztiegel bis zur Verdampfung erhitzt. Der Schmelztiegel befindet sich in einer abge­ schlossenen Vakuum-Beschichtungskammer. Die zu be­ schichtenden Fasern sind ebenfalls in der Beschich­ tungskammer angeordnet, wobei sie dem Verdampfungsstrom ausgesetzt sind, so daß sich das verdampfte Beschich­ tungsmaterial an der Oberfläche der Faser nieder­ schlägt, d. h. kondensiert und in den festen Zustand übergeht. Mit der bekannten Vorrichtung können ledig­ lich einzelne Faserstücke (Stapelfasern) beschichtet werden. Mehrere Stapelfasern sind dabei zwischen zwei parallelen gleichsinnig und mit gleicher Geschwindig­ keit rotierenden Scheiben gehalten. Eine kontinuier­ liche Beschichtung, insbesondere die kontinuierliche Beschichtung einer Langfaser, also einer Endlosfaser, ist im Stand der Technik also nicht gegeben. Ferner sind bei der bekannten Vorrichtung bzw. dem bekannten Verfahren die einzelnen Stapelfasern dem Dampfstrom über eine relativ lange Zeitspanne ausgesetzt, was zu einer relativ hohen Temperatur-Zeit-Belastung der Fasern führt.

In US-PS 3 693 581 wird eine Vorrichtung zur konti­ nuierlichen Langdrahtbeschichtung mit Materialdampf beschrieben, in der der Draht vertikal durch Material­ dampf geführt und damit allseitig beschichtet wird. Der in einer Ringquelle mittels Elektronenbeschuß erzeugte Materialdampf strömt im wesentlichen in Drahtverlauf­ richtung. Die Vorrichtungsteile außerhalb der Dampf­ quelle werden durch eine beheizte Abschirmung vor einer Beschichtung geschützt, während gleichzeitig eine dichte Dampfwolke den zu beschichtenden Draht umhüllt. In FR-PS 2 281 997 wird eine Vorrichtung zur konti­ nuierlichen Faserbeschichtung mit Materialdampf be­ schrieben, wobei die Faser horizontal durch den Mate­ rialdampf geführt und dabei allseitig beschichtet wird. Die Materialdampferzeugung erfolgt mittels Elektronen­ beschuß der horizontal rotierenden zylindrischen Quelle, bei der durch geeignete Seitenbegrenzung ein Dampfaustritt in die übrige Vorrichtung verhindert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Beschichten von Langfasern mit Beschichtungsmaterial zu schaffen, mit denen der Anteil an sich nicht auf der Langfaser niederschlagen­ dem Verdampfungsgut weiter reduziert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden mit der Erfindung ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens­ schritten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen. Die Merkmale vorteilhafter Ausgestaltun­ gen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben.

Nach der Erfindung wird eine hochtemperaturfeste Endlos- oder Langfaser (also keine Stapelfaser) der Beschichtungskammer konti­ nuierlich zugeführt und durch die Beschichtungskammer hindurchbewegt. Dabei tritt sie unbeschichtet über eine Fasereintrittsöffnung in die Beschichtungskammer ein und über eine - vorteilhafterweise der Fasereintritts­ öffnung gegenüberliegende - Faseraustrittsöffnung aus der Beschichtungskammer mit Beschichtungsmaterial be­ schichtet wieder aus. Die Langfaser wird hinter der Faseraustrittsöffnung aufgenommen - zweckmäßigerweise auf einer Aufnahmespule aufgewickelt. Innerhalb der Beschichtungskammer wird das verdampfte metallische oder keramische Beschichtungsmaterial allseitig in Richtung auf die sich vorbewegende Lang- oder Endlosfaser gerichtet. Jeder Abschnitt der Endlos­ faser durchläuft also innerhalb der Beschichtungskammer einen Bereich, in dem er von allen Seiten, also rund­ herum mit Beschichtungsmaterial bedampft wird. Das wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch erreicht, daß der Schmelztiegel sich über 360° um die Langfaser herum erstreckt, wobei der radiale Abstand der Schmelze zur Langfaser vorteilhafterweise stets der gleiche ist. Dies wiederum wird durch einen Ringschmelztiegel er­ reicht, der in einer senkrecht von der Langfaser durch­ kreuzten Ebene angeordnet ist. Dem auf die Endlosfaser gerichteten Beschichtungsmaterial-Verdampfungsstrom ist eine Gasströmung entgegengerichtet, wobei das Gas aus einzelnen oberhalb des Schmelztiegels in der Beschich­ tungskammer angeordneten, die Langfaser umgebenden Gas­ eintrittsdüsen in die Beschichtungskammer einströmt. Durch die Rundumbestückung der Beschichtungskammer mit Gaseintrittsdüsen wird erreicht, daß der von dem den Gaseintrittsdüsen jeweils gegenüberliegenden Bereich des Schmelztiegels ausgehende Materialdampf, der an der Langfaser vorbeiströmt, in Richtung auf die diesem Schmelztiegelbereich abgewandte Rückseite der Endlos­ faser um- bzw. zurückgelenkt wird oder an einer Vor­ beiströmung durch Gegenströmung gehindert wird. Damit wird eine erhöhte Ausnutzung des Beschichtungsmaterial­ dampfes zum Beschichten der Langfaser erreicht. Vor­ teilhafterweise sind die Gaseintrittsdüsen derart ange­ ordnet, daß der an der Langfaser vorbeiströmende Ver­ dampfungsteilstrom senkrecht auf die Gaseintrittsdüsen auftrifft. Die in einem Umfangsabschnitt angeordneten Gaseintrittsdüsen sollen also denjenigen Verdampfungs­ teilstrom in Richtung auf die Langfaser zurückdrängen oder an einer Vorbeiströmung hindern, der bezüglich der Langfaser von dem diesen Gaseintrittsdüsen gegenüber­ liegenden Bereich des Schmelztiegels ausgeht. Ein "seitliches" Ausweichen des Beschichtungsmaterial­ dampfes wird durch infolge der Rundumanordnung der Gas­ eintrittsdüsen und die insofern über 360° gegen die Faser gerichtete Gasströmung verhindert.

Mit der Erfindung wird ein kontinuierlich arbeitendes Langfaser-Beschichtungsverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens zur Ver­ fügung gestellt. Das Verfahren läuft in zweifacher Hin­ sicht kontinuierlich ab. Zum einen arbeitet es im Durchlaufbetrieb (und insofern also kontinuierlich); zum anderen wird eine kontinuierlich zugeführte Endlos­ faser - also keine Stapelfaser - beschichtet. Das be­ schichtete Produkt ist also ein Endlosfaden, der zur Herstellung oder Verstärkung von faserverstärkten Bau­ teilen wesentlich besser geeignet ist als einzelne Fasern von etwa einigen cm Stapellänge. Die "Umlenkung" des an der zu beschichtenden Faser vorbeiströmenden Beschichtungsmaterialdampfes auf die Fasermantelfläche erhöht den Anteil an sich auf der Faser niederschlagen­ den, also kondensierenden und in den festen Aggregat­ zustand übergehenden Beschichtungsmaterial. Anderer­ seits kann hierdurch aber auch eine erhöhte Geschwin­ digkeit beim Transport der Langfaser durch die Be­ schichtungskammer realisiert werden.

Bei den zu verwendenden Fasern handelt es sich z. B. um Siliziumcarbid-(SiC-) Fasern. Derartige SiC-Fasern weisen als Seele einen Wolfram-Faden auf, der zum Schutz vor (chemischen) Reaktionen mit dem Beschichtungsmaterial mit einer Schutzschicht versehen ist, und sind relativ tempera­ turfest; bei der Beschichtung mit einem Material muß dennoch darauf geachtet werden, daß sie einer relativ geringen Temperatur-Zeit-Belastung ausgeliefert sind, um Materialermüdungen durch Hitzeeinwirkungen zu ver­ meiden. Die relativ geringe Belastung wird bei dem er­ findungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zu seiner Durchführung u. a. dadurch erzielt, daß die "Verhar­ rungszeit" des gerade beschichteten Faserabschnitts wegen des erhöhten Anteils an für die Beschichtung aus­ nutzbarem Verdampfungsstroms und wegen der dadurch rea­ lisierbaren höheren Transportgeschwindigkeit relativ kurz ist. Die sich ergebenden Schichtdicken sind ent­ lang der Faser und über den Umfang der Faser betrachtet recht gleichmäßig.

Als Beschichtungsmaterial können verschiedene Stoffe oder Stoffzusammensetzungen, auf der Basis von Metallen, Metallegie­ rungen, Keramiken, in Frage kommen. Insbesondere von Interesse für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Beschichtung mittels Titan oder einer Titanbasislegierung oder durch sogenannte supra­ leitende "heiße" keramische Substanzen. Aber auch zum Aufbringen von Schutzschichten auf Fasern, etwa bei der Faserveredlung, können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung angewendet bzw. eingesetzt werden.

Gasart, Gasdruck und Gaseinlaßgeschwindigkeit sollten der Art des Verdampfungsgutes, also dem Beschichtungs­ materialdampf derart angepaßt sein, daß die folgenden Effekte möglichst optimal erreicht werden:

• a) Durch Wechselwirkung des eingelassenen Gases mit dem Verdampfungsgut erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen einströmendem Gas und dem Verdampfungsgut in der Dampfphase, so daß eine Kühlung des Dampfes stattfindet.
• b) Die Impulsübertragung von einströmendem Gas und Verdampfungsgut führt zu einer möglichst hohen Rückdiffusion (Zurückdrängung) des Verdampfungs­ gutes.
• c) Die durch Kondensations- und Strahlungswärme er­ hitzte Langfaser wird durch Wechselwirkung mit dem Gas gekühlt, was allerdings lediglich bei relativ hohen Gasdrücken (also höher als 10^-3 mbar) spür­ bar zu erreichen sein wird.
• d) Das rückdiffundierende Verdampfungsgut kondensiert auf der Faser unter Übertragung geringer Wärmebe­ träge und Verbesserung des Umhüllungseffektes der Langfaser durch das Beschichtungsmaterial.

Die Optimierung dieser Effekte muß stets unter Berück­ sichtigung mehrerer Gesichtspunkte, wie optimale Substrat-(Langfaser-)Temperatur, gewünschtes zu er­ zielendes Gefüge der Beschichtung sowie deren Porosität und Schichtdicke und Durchlaufgeschwindigkeit erfolgen.

Vorteilhafterweise strömt reines Inertgas in die Be­ schichtungskammer ein. Zur Herstellung von Nitrid­ schichten wählt man Stickstoff, während für den Aufbau von Oxidschichten Sauerstoff verwendet wird. Nach der Erfindung können auch mehrere parallel zueinander ge­ führte Endlosfasern gleichzeitig durch die Beschich­ tungskammer hindurchbewegt und beschichtet werden. Da­ bei kann der Abstand benachbarter Langfasern kleiner als die doppelte Schichtdicke gewählt werden, so daß die einzelnen Endlosfasern durch die Beschichtung zu einem (flachen) Faserband oder - je nach Anordnung der Fasern - zu Faserbündeln "zusammenwachsen". Die Fasern sind entweder auf getrennten oder gemeinsamen Ver­ sorgungs- und Aufnahmespulen aufgewickelt. Die optimale Faseranzahl ergibt sich aus der Geometrie des Schmelz­ tiegels, der Höhe der Beschichtungskammer und der zu­ lässigen Abweichung der Dickenhomogenität der aufge­ brachten Schichten infolge gegenseitiger Abschattung der Langfasern und der unterschiedlichen Abstände der Faseroberflächen von der Verdampfungsquelle und muß jeweils zusammen mit der Transportgeschwindigkeit der Langfasern experimentell optimiert werden. Die Anzahl der Fasern pro Band oder Bündel muß ferner der später zur Herstellung von Bauteilen verwendeten Wickeltechnik angepaßt werden, die wiederum von den Formen der her­ zustellenden bzw. zu verstärkenden Bauteile abhängig ist. Denn die Steifigkeit der Bänder wächst mit der Anzahl in einem Band zusammengefaßter Fasern.

Es können einlagige oder mehrlagige Bänder hergestellt werden, was im wesentlichen von der Art der Durchfüh­ rung der Fasern durch die Beschichtungskammer abhängt. Die Anzahl der Faserlagen in einem Band muß wiederum der Wickeltechnik und dem aus dem Band später herzu­ stellenden Bauteil angepaßt werden. Die Anzahl der Faserlagen pro Band und die Anzahl der Fasern in einem Strang bzw. Bündel ist durch die Abschattung beim Be­ schichten nach oben begrenzt und wird vorteilhafter­ weise experimentell ermittelt und dem Anwendungsproblem angepaßt.

Fasermatten können ihrerseits aus beschichteten Einzel­ fasern oder beschichteten Faserbändern hergestellt werden. Als Herstellungsmethoden können Weben (in Quer­ richtung eventuell "Draht" aus Beschichtungsmaterial) aber auch das sogenannte heißisostatische Pressen dienen.

Die Anwendung des Verfahrens liegt, wie bereits oben erwähnt, vor allem in der Beschichtung von Fasern, Faserbändern und Strängen mit metallischen und kera­ mischen, beispielsweise Siliziumnitrid-Schichten (Si₃N₄). Es ist aber auch für eine diskontinuierliche gleichmäßige Rundumbeschichtung von ganzen Bauteilen, etwa Turbinenschaufeln oder mit metallischen oder kera­ mischen Schichten geeignet. Der Vorteil gegenüber der­ artigen herkömmlichen Beschichtungsverfahren liegt in diesem Fall in einer gleichmäßigen Rundumbeschichtung, ohne daß Substrat, also das Bauteil, bewegen zu müssen, da der Beschichtungsmaterialdampf allseitig auf das Bauteil auftrifft.

Damit die Düsen vor einem Zusetzen durch Beschichtungs­ material geschützt sind, ist in Strömungsrichtung des Verdampfungsgutes betrachtet vor den Gaseintrittsdüsen ein Abschirmnetz angeordnet. Das Netz selbst besteht vorzugsweise aus Beschichtungsmaterial. Ist das Netz mit verdampftem Beschichtungsmaterial versehen oder gar "zugesetzt", wird es gegen ein neues ausgewechselt. Insofern spricht man bei dem Abschirmnetz auch von einem Recycling-Netz, das nach der "Verschmutzung" eingeschmolzen wird, so daß das gesamte Beschichtungs­ material (Netz und niedergeschlagenes Verdampfungsgut) wiederverwendet werden kann.

Oberhalb des die Langfaser vorteilhafterweise in gleichmäßigem Abstand umgebenden Ringschmelztiegels ist die Beschichtungskammer vorzugsweise kegelförmig ausge­ bildet, wobei die Gaseintrittsdüsen in dieser kegel­ förmigen Beschichtungskammerwand über deren Innenseite gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die kegelförmige Ausbildung der Beschichtungskammer oberhalb des Schmelztiegels unterstützt die Ausbreitung des im Schmelztiegel entstehenden Verdampfungsgutes in Rich­ tung auf die Kegellängsachse, also auf die Kegelmitte. Entlang der Kegellängsachse verläuft vorzugsweise die Langfaser, die somit von allen Seiten gleichmäßig be­ schichtet wird. In der von der kegelförmigen Beschich­ tungskammerwand gebildeten Kegelspitze ist hierbei vor­ teilhafterweise die Faseraustrittsöffnung angeordnet, während die Fasereintrittsöffnung in der der Kegel­ spitze gegenüberliegenden Bodenwand der Beschichtungs­ kammer liegt. Die Faserbewegungsrichtung kann auch umgekehrt sein; die Entscheidung wird anhand der Kriterien a)-d) getroffen. Im folgenden wird die Erfindung anhand der obigen Anordnung der Öffnungen und der damit festgelegten Faserbewegungsrichtung durch die Beschichtungskammer hindurch erläutert. Der gesamte Aufbau der Beschichtungskammer ist damit rotations­ symmetrisch zu der sich durch die Beschichtungskammer hindurcherstreckenden Langfaser ausgebildet.

Um das einströmende Gas nach dem Auftreffen auf die Faser möglichst über die gesamte Länge des jeweils in der Beschichtungskammer befindlichen Abschnitts der Langfaser an dieser vorbeiströmen zu lassen, ist mit der Fasereintrittsöffnung eine Vakuumpumpe verbunden, wobei die Fasereintrittsöffnung und die Bodenwand im Bereich der Fasereintrittsöffnung derart ausgebildet sind, daß das über die Gaseintrittsdüsen eintretende und von der Vakuumpumpe angesaugte Gas im Bereich oberhalb der Fasereintrittsöffnung in deren Nähe parallel zur Langfaser strömt. Dadurch, daß das Gas über eine möglichst große Länge mit der Endlosfaser in Berührung kommt, können die obigen mit der Gasströmung erzielbaren Effekte (s. obige Punkte a bis d) besonders gut erreicht werden. Der Fasereintrittsöffnung, durch deren Zentrum hindurch sich die Langfaser erstreckt, wird also eine Düsenform gegeben, so daß sich beim An­ saugen des Gases durch die Vakuumpumpe eine oberhalb der Faseraustrittsöffnung zur Langfaser parallele und diese umschließende Strömung einstellt. Eine Vakuum­ pumpe ist zur Aufrechterhaltung des Vakuums in der Be­ schichtungskammer erforderlich. Auf die oben beschrie­ bene Weise kann durch spezielle Formgebung der Faser­ eintrittsöffnung und des Bereichs der Bodenwand um die Fasereintrittsöffnung diese vorhandene Vakuumpumpe zur Erzeugung einer für die Faserbeschichtung vorteilhaften Gasansaugströmung eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise ist eine weitere Vakuumpumpe mit der Faseraustrittsöffnung verbunden. Bei den zur Evakuie­ rung der Beschichtungskammer eingesetzten Vakuumpumpen handelt es sich vorzugsweise um Hochleistungspumpen.

Als Heizquellen zum Erhitzen und Verdampfen des Be­ schichtungsmaterials werden in vorteilhafter Weiter­ bildung der Erfindung Elektronenstrahl-Kanonen einge­ setzt. Anstelle der Elektronenstrahlverdampfung sind auch andere Verdampfungsbeschichtungsverfahren wie das Plasma-Arc-, das Sputter- oder das Laser-Verfahren einsetzbar.

Elektronenstrahl-Kanonen erlauben, wie bei den obigen anderen Verdampfungsverfahren, eine schlagartige Erhitzung des Beschichtungsmaterials, was bei Ver­ wendung einer Legierung als Beschichtungsmaterial für die Langfaser den Vorteil hat, daß sämtliche Bestand­ teile der Legierung gleichzeitig in die Dampfphase übergehen, also keine selektive Verdampfung entsteht. Selektive Verdampfung würde beispielsweise durch zu langsames Erhitzen des Beschichtungsmaterials ent­ stehen. Werden reine Metalle als Beschichtungsmaterial eingesetzt, ist eine schlagartige Verdampfung des Be­ schichtungsmaterials nicht erforderlich. Vorteilhafter­ weise werden zwei Elektronenstrahl-Kanonen eingesetzt, wobei der Elektronenstrahl jeder Kanone den Ring­ schmelztiegel über 180° abtastet. Diese recht hoch­ frequente Abtastung kann entfallen, wenn eine Elektro­ nenstrahl-Kanone mit Ringkathode eingesetzt wird. Die Ringkathode ist in ausreichendem Abstand oberhalb des Schmelztiegels angeordnet, wobei die entlang der Ring­ kathode austretenden Elektronen als "Schleier" auf den Schmelztiegel bzw. das darin befindliche Beschichtungs­ material auftreffen.

Normalerweise sind die Elektronenstrahl-Kanonen (bzw. die Ringkathode) außerhalb der Beschichtungskammer an­ geordnet. Die Elektronenstrahlen dringen vorteilhafter­ weise in die Beschichtungskammer über ein sogenanntes differentiell gepumptes Blendensystem ein, was es er­ möglicht, den Gasdruck in der Beschichtungskammer um etwa eine Zehnerpotenz zu erhöhen, wodurch die Effek­ tivität der durch den Gasstrom hervorgerufenen Kühlung und Rückströmung erhöht wird.

Zwischen der bzw. den Elektronenstrahl-Kanonen und dem Schmelztiegel bzw. der Beschichtungskammer sind vor­ teilhafterweise zusätzliche Vakuumpumpen vorgesehen, so daß über jede Öffnung der Beschichtungskammer mit einer Vakuumpumpe verbunden ist.

Die Zuführung der Endlosfaser über die Fasereintritts­ öffnung in die Beschichtungskammer erfolgt vorteil­ hafterweise durch eine vor der Fasereintrittsöffnung angeordnete Versorgungsspule, auf der die nicht be­ schichtete Langfaser aufgewickelt ist. Die beschichtet über die Faseraustrittsöffnung austretende Endlosfaser wird auf eine hinter der Faseraustrittsöffnung ange­ ordnete Aufnahmespule aufgewickelt. Beide Spulen ver­ fügen vorteilhafterweise über eigene Antriebsvorrich­ tungen, so daß der sich jeweils durch die Beschich­ tungskammer hindurch erstreckende Endlosfaserabschnitt durch entsprechende Ansteuerung der Antriebsvorrich­ tungen einer definierten Spannung oder Straffung ausge­ setzt ist. Hierzu verfügen die Antriebsvorrichtungen vorteilhafterweise über eine entsprechende Ansteuerungs­ elektronik.

Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung ist ein Längsschnitt durch eine Faser­ beschichtungsvorrichtung dargestellt.

Das Faserbeschichtungsverfahren bzw. die zu seiner Durchführung dienende Vorrichtung werden nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Faserbeschichtungsvorrich­ tung erläutert. Die Beschichtungsvorrichtung 10 weist eine Beschichtungskammer 12 auf, die ein zylindrisches unteres Gehäuseteil 14 und ein darauf aufgesetztes kegelförmiges oberes Gehäuseteil 16 umfaßt. Das obere Gehäuseteil 16 ist auf die eine Stirnseite des zylin­ drischen unteren Gehäuseteils 14 aufgesetzt; an der anderen Stirnseite des unteren Gehäuseteils 14 befindet sich die Bodenwand 18 der Beschichtungskammer 12. In die Bodenwand 18 eingelassen ist ein Ringschmelztiegel 20, in dem sich zu verdampfendes Beschichtungsmaterial 22 befindet. In dem Boden des Ringschmelztiegels 20 sind an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen Öffnungen 24 vorgesehen, über die der Ringschmelztiegel 20 mit zwei Nachladekammern verbunden ist. In den Nach­ ladekammern 26 befindet sich Beschichtungsmaterial zum Nachfüllen des Schmelztiegels während der Verdampfung des darin befindlichen siedenden Beschichtungsmate­ rials.

In der Bodenwand 18 ist eine runde Fasereintritts­ öffnung 28 ausgebildet, über die eine zu beschichtende Endlosfaser 30 von unten in die Beschichtungskammer eingeführt wird. An dem der Bodenwand 18 gegenüber­ liegenden oberen Ende der Beschichtungskammer 12, also in der Spitze des kegelförmigen oberen Gehäuseteils 16, ist eine ebenfalls runde Faseraustrittsöffnung 32 ange­ ordnet, durch die die Endlosfaser 30 das Innere der Beschichtungskammer 12 verläßt. Von außen an die Faser­ eintritts- und die Faseraustrittsöffnungen 28, 32 ist jeweils eine Kammer 34 bzw. 36 angeformt. In der unteren Kammer 34 ist eine Endlosfaser-Versorgungsspule 38 drehbar gelagert, deren Drehachse 40 von einem außen an das Gehäuse der Kammer 34 angeflanschten Motor 42 antreibbar ist. Auf ähnliche Weise ist in der oberen Kammer 36 eine Endlosfaser-Aufwickelspule 44 drehbar gelagert, deren Drehachse 46 über einen außen am Gehäuse der Kammer 26 angeflanschten Motor angetrieben ist. Den Kammern 34, 36 vor- bzw. nachgeschaltet sind Hochleistungsvakuumpumpen 50, 52, die über Öffnungen 54, 56 mit den Kammern 34, 36 verbunden sind. Über die Öffnungen 54, 56 und die Fasereintrittsöffnung 28 sowie die Faseraustrittsöffnung 34 erzeugen die beiden Vakuumpumpen 50, 52 innerhalb der Beschichtungskammer 12 sowie der Kammer 34 für unbeschichtete Fasern als auch in der Kammer 36 für beschichtete Fasern ein Vakuum.

Der kegelförmige obere Gehäuseteil 16 ist von einem ringförmigen Gehäuse 58 umgeben, das von der der Boden­ wand 18 gegenüberliegenden Seite von oben auf den unteren Gehäuseteil 14 aufgesetzt ist. Der Innenraum des Gehäuses 58 ist mit dem Innenraum der Beschich­ tungskammer 12 über eine Ringöffnung 60 im oberen Ge­ häuseteil 12 verbunden. An dem dem unteren Gehäuseteil 14 abgewandten Ende des ringförmigen Gehäuses 58 sind zwei Elektronenstrahl-Kanonen 62 angebracht. Der von diesen Kanonen 62 erzeugte Elektronenstrahl 64 gelangt über eine Öffnung 66 durch das ringförmige Gehäuse 58 hindurch, von dem aus es durch die ringförmige Öffnung 60 des unteren Beschichtungskammer-Gehäuseteils 14 in die Beschichtungskammer 12 eintritt. Da die Ringöffnung 60 dem Ringschmelztiegel 20 gegenüberliegend angeordnet ist, treffen die Elektronenstrahlen 64 auf das in dem Ringschmelztiegel 20 befindliche Beschichtungsmaterial 22 auf und erhitzen dieses schlagartig. Durch Ablenkung jedes der beiden Elektronenstrahlen 64 über 180° wird der Ringschmelztiegel 20 bzw. das darin befindliche Beschichtungsmaterial 22 "abgetastet" und über die gesamte Fläche bzw. das gesamte Volumen bis zur Ver­ dampfung erhitzt. Um innerhalb des Gehäuses 58 ein Vakuum erzeugen zu können, sind an dem ringförmigen Gehäuse 58 radial nach außen gerichtete Hochleistungs­ vakuumpumpen 68 angeordnet, die über Öffnungen 70 mit dem Inneren des ringförmigen Gehäuses 58 verbunden sind.

Auf der Innenseite 72 des kegelförmigen Beschichtungs­ kammer-Gehäuseteils 16 sind eine Vielzahl von Gas­ eintrittsöffnungen bzw. -düsen 74 angeordnet, über die aus einer Gaskammer 76 Gas in den Innenraum 13 der Be­ schichtungskammer 12 einströmt. Im Innenraum 13 befin­ det sich, in geringem Abstand vor den Gaseintrittsöff­ nungen 74 angeordnet, ein kegelförmiges Abschirmnetz 78 zum Schutz der Gaseintrittsdüsen 74 gegen und als Auffänger für das Verdampfungsgut.

Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Faserbeschich­ tungsvorrichtung 10 erläutert. Das durch die Elek­ tronenstrahlen 64 erhitzte Beschichtungsmaterial 22 verdampft, wobei der Beschichtungsmaterialdampf im wesentlichen in Richtung der in der Zeichnung strich­ punktierten Linien 80 allseitig auf die Endlosfaser 30 auftrifft. Die Richtung, aus der der Beschichtungs­ materialdampf allseitig auf die Faser 30 auftrifft, wird mitbestimmt durch die Kegelform des oberen Beschichtungskammer-Gehäuseteils 16. Demzufolge trifft das Verdampfungsgut insbesondere in dem innerhalb des oberen kegelförmigen Gehäuseteils 16 befindlichen Abschnitts der Endlosfaser 30 auf diese auf. Durch Antreiben der Spulen 38, 40 wird die Endlosfaser 30 in Richtung des Pfeiles 81 durch die Beschichtungskammer 12 hindurchgezogen bzw. -bewegt, so daß die gesamte Endlosfaser 30 den Hauptbeschichtungsraum innerhalb des oberen Gehäuseteils 16 durchfährt. Derjenige Teil des kegelmantelartigen Beschichtungsmaterial-Verdampfungs­ stroms, der an der Faser 30 vorbeiströmt, strömt "hinter" der Endlosfaser 30 in Richtung des Abschirm­ netzes 78 bzw. der Innenseite 72 des oberen Gehäuse­ teils 16 weiter. Dieser Strömung entgegengerichtet ist die Strömung (durch die Pfeile 82 gekennzeichnet) des über die Gaseintrittsöffnungen 74 in den Innenraum 13 der Beschichtungskammer 12 einströmenden Gases. Die Gasströmung 82 lenkt den an der Faser 30 vorbeiströmen­ den Beschichtungsmaterialdampf um in Richtung auf die "Rückseite" der Faser 30, so daß die Endlosfaser 30 auch mit dem zuvor vorbeigeströmten Verdampfungsgut bedampft wird. Durch diese Rückdiffusion des Ver­ dampfungsgutes ergibt sich eine recht effektive Ver­ wendung des Beschichtungsmaterials für die Bedampfung und Beschichtung der Endlosfaser 30. Das Beschichtungs­ material, das sich auf dem Abschirmnetz 78 absetzt, kann wiedergewonnen werden, indem das Abschirmnetz aus der Beschichtungskammer 12 herausgenommen wird und das Beschichtungsmaterial von diesem zur erneuten Ver­ wendung abgelöst wird.

Das einströmende Gas hat nicht nur die Aufgabe der Rückdiffusion des Verdampfungsgutes, sondern dient unter anderem auch zur Kühlung der durch Kondensations- und Strahlungswärme erhitzten Faser, was bei Gasdrücken über 10^-3 mbar an wirksam wird. Daneben kühlt das Gas auch das Verdampfungsgut. Je nach Art des eingelassenen Gases wird auch Einfluß auf die chemische Zusammen­ setzung der aufgebrachten Beschichtung genommen.

Damit die Bedampfungskammer 12 evakuiert bleibt, muß das einströmende Gas ständig abgesaugt werden. Diese Aufgabe übernimmt die Vakuumpumpe 50, die der Kammer 34 für unbeschichtete Faser vorgeschaltet ist. Durch diese unterhalb der Beschichtungskammer 12 angeordnete Vakuum­ pumpe 50 wird der Gasstrom 82 zum Boden der Beschich­ tungskammer 12 hin und durch die Fasereintrittsöffnung 28 aus der Beschichtungskammer 12 abgesaugt. Damit der Gasstrom innerhalb der Beschichtungskammer 12 über eine möglichst große Strecke parallel zur Endlosfaser 30 verläuft und an dieser vorbeistreicht, ist die Faser­ eintrittsöffnung 28, über die der Gasstrom 82 abgesaugt wird, düsenförmig ausgebildet. Zu diesem Zweck steigt die Innenfläche 84 der Bodenwand 18 vom Ringschmelz­ tiegel 20 aus zum Rand der Fasereintrittsöffnung 28 hin an. Der Rand der Fasereintrittsöffnung 28 ist abge­ rundet (wulstartiger Rand), gleicht also der Innen­ fläche eines Ringes. In ihrem der Beschichtungskammer 12 zugewandten oberen Ende ist die Kammer 34 kegel­ förmig, wobei sie in den Rand der Fasereintrittsöffnung 28 übergeht. Durch diese Ausgestaltung der Eintritts­ öffnung 28 bzw. des diese umgebenden Bereichs der Bodenwand 18 wird die oben beschriebene Gasströmung innerhalb der Beschichtungskammer 12 erzielt. Das ab­ gesaugte Gas wird der Gaskammer 80 wieder zugeführt, was in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt ist.

Claims (21)

1. Verfahren zum Beschichten von hochtemperaturfesten Langfasern mit metallischem oder keramischem Mate­ rial, bei dem

• - in einer Vakuum-Beschichtungskammer (12) das Beschichtungsmaterial (22) verdampft und auf der Faser (30) abgeschieden wird,
• - die Langfaser (30) kontinuierlich zugeführt sowie durch die Vakuum-Beschichtungskammer (12) hindurchbewegt wird und
• - der Materialdampfstrom allseitig auf die konti­ nuierlich vorbewegte Langfaser (30) gerichtet wird,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß ein Gasstrom (82) über Düsen (74) der Be­ schichtungskammer (12) zugeführt und über eine Öffnung (28) aus der Beschichtungskammer (12) herausgeführt wird, wobei der Gasstrom (82) zum Zurückleiten des an der Langfaser (30) vorbei­ strömenden Beschichtungsmaterialdampf-Teilstro­ mes in Richtung auf die Langfaser (30) im wesentlichen entgegengesetzt zur Ausbreitungs­ richtung des Beschichtungsmaterialdampf-Teil­ stroms gerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen durch ein vorzugsweise aus dem Be­ schichtungsmaterial bestehendes Abschirmnetz (78) vor einer Verunreinigung durch abgeschiedenes Be­ schichtungsmaterial geschützt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Beschichtungsmaterial (22) in einem die Langfaser (30) in gleichmäßigem Abstand umgebenden Ringtiegel (20) erhitzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmate­ rial (22) mittels einer oder mehrerer Elektronen­ strahl-Kanonen (62) verdampft wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungsmate­ rial mit einer Plasma-Arc-, einer Sputter- oder einer Laser-Einrichtung verdampft wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gas bei einem Druck größer als 10^-3 mbar eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere parallel zu­ einander verlaufende Langfasern (30) kontinuierlich mit der gleichen Geschwindigkeit durch die Be­ schichtungskammer hindurchbewegt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Langfasern (30) kleiner als die doppelte bei der Beschichtung erzielbare Beschichtungsdicke gewählt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Siliziumcarbid-Langfaser (30) verwendet wird.

10. Verfahren zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

• - eine Vakuum-Beschichtungskammer (12) mit einem Schmelztiegel (20) zum Erhitzen des Beschich­ tungsmaterials (22),
• - eine Fasereintrittsöffnung (28) und
• - eine Faseraustrittsöffnung (32) in der Be­ schichtungskammer (12) oberhalb des Schmelz­ tiegels (20) um die Langfaser (30) herum ange­ ordneten Gaseintrittsdüsen (74) zum Einströmen eines Gases.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Beschichtungskammer (12) oberhalb des Schmelztiegels (20) kegelförmig ausgebildet ist und die Gaseintrittsdüsen (74) in der kegelförmi­ gen Beschichtungskammerwand (72) über deren Innen­ seite gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor den Gaseintrittsdüsen (74) ein vorzugsweise aus Beschichtungsmaterial be­ stehendes Abschirmnetz (78) zum Abschirmen der Gaseintrittsdüsen (74) gegen Beschichtungsmate­ rialdampf angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Faseraustrittsöffnung (32) in der von der kegelförmigen Beschichtungskammer­ wand (72) gebildeten Kegelspitze und die Faser­ eintrittsöffnung (28) in der der Kegelspitze gegenüberliegenden Beschichtungskammer-Bodenwand (18) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasereintritts­ öffnung (28) mit einer Vakuumpumpe (50) verbunden ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtungs­ kammer (12) rotationssymmetrisch zu der sich durch die Beschichtungskammer (12) hindurcherstreckenden Langfaser (30) ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel ein senkrecht zur Langfaser angeordneter Ringtiegel (20) ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Faserein­ trittsöffnung (28) eine Versorgungsspule (38) mit nicht beschichteter Langfaser (30) und hinter der Faseraustrittsöffnung (32) eine Aufnahmespule (44) zum Aufwickeln der beschichteten Langfaser (30) angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Spulen (38, 44) je eine Antriebs­ vorrichtung (42, 48) aufweisen.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Faseraustritts­ öffnung (32) mit einer Vakuumpumpe (52) verbunden ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizquellen zum Verdampfen des Beschichtungsmaterials (22) zwei Elektronenstrahl-Kanonen (62) vorgesehen sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen den Elektronenstrahl-Kanonen (62) und dem Schmelztiegel (20) zusätzliche Vakuumpumpen (68) vorgesehen sind.