-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Diese
Erfindung betrifft im allgemeinen eine physikalische Elektronenstrahl-Dampfabscheidungs-Beschichtungseinrichtung.
Insbesondere betrifft diese Erfindung eine solche Beschichtungseinrichtung,
die keramische Beschichtungen auf Komponenten, wie z. B. Wärmebarrierenbeschichtungen auf
Superlegierungskomponenten von Gasturbinenmotoren abscheiden kann.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Höhere Betriebstemperaturen
für Gasturbinenmotoren
werden ständig
angestrebt, um deren Wirkungsgrad zu erhöhen. Jedoch muß mit der
Zunahme der Betriebstemperaturen die Hochtemperaturbeständigkeit
der Komponenten des Motors entsprechend zunehmen. Obwohl bedeutende
Fortschritte mit Superlegierungen auf Eisen-, Nickel- und Kobalt-Basis
erzielt worden sind, sind die Hochtemperatureigenschaften dieser
Legierungen alleine oft für
Komponenten nicht ausreichend, die in bestimmten Abschnitten eines
Gasturbinenmotors, wie z. B. in der Turbine, in der Brennkammer
und in dem Nachbrenner angeordnet sind. Eine übliche Lösung besteht in der thermischen
Isolation derartiger Komponenten, um deren Betriebstemperaturen
zu minimieren. Für
diesen Zweck haben Wärmebarrierenbeschichtungen
(TBC – thermal
barrier coatings), die auf den ausgesetzten Oberflächen von
Hochtemperaturkomponenten ausgebildet werden, breite Anwendung gefunden.
-
Um
effektiv zu sein, müssen
die Wärmebarrierenbeschichtungen
eine niedrige Wärmeleitfähigkeit
besitzen und gut an der Komponentenoberfläche anhaften. Verschiedene
Keramikmaterialien wurden bisher als die TBC verwendet, insbesondere
Zirkoniumdioxid (ZrO2), stabilisiert mit
Yttriumoxid (Y2O3), Magnesiumoxid
(MgO) oder anderen Oxiden. Diese speziellen Materialien werden in
großen
Umfang im Fachgebiet eingesetzt, da sie leicht durch Plasmaspritz-
oder Vakuumabscheidungstechniken abgeschieden werden können. Ein
Beispiel der Letzteren ist die physikalische Elektronenstrahl-Dampfabscheidungs-Beschichtung
(EBPVD), welche eine Wärmebarrierenbeschichtung
mit einer säulenartigen
Kornstruktur erzeugt, die in der Lage ist, sich mit dem darunter
liegenden Substrat auszudehnen, ohne beschädigende Spannungen zu bewirken,
die zu einem Abplatzen führen,
und daher eine verbesserte Belastungstoleranz zeigt. Die Anhaftung
der TBC an der Komponente wird ferner oft durch das Vorhandensein
einer metallischen Bindebeschichtung, wie zum Beispiel ein Diffusions-Aluminid
oder eine oxidationsbeständige
Legierung, wie zum Beispiel MCrAlY verbessert, wobei M Eisen, Kobalt und/oder
Nickel ist.
-
Verfahren
zum Erzeugen einer TBC durch EBPVD umfassen im allgemeinen das Vorerhitzen
einer Komponente auf eine akzeptable Beschichtungstemperatur, und
dann das Einführen
der Komponente in eine beheizte Beschichtungskammer, die auf einem
Druck von etwa 0,005 mbar gehalten wird. Höhere Drücke werden vermieden, da die
Steuerung des Elektronenstrahls bei Drücken über 0,005 mbar schwieriger
ist, wobei ein fehlerhafter Betrieb bei Beschichtungskammerdrücken über 0,010
mbar berichtet wird. Man hat auch geglaubt, daß die Lebensdauer des Heizfadens
der Elektronenstahlkanone reduziert würde oder die Kanone kontaminiert
würde, wenn
man bei Drücken über 0,005
mbar arbeitet. Die Komponente wird in der Nähe zu einem Barren bzw. Block
des keramischen Beschichtungsmaterials (zum Beispiel YSZ) gehaltert,
und ein Elektronenstrahl auf den Block gerichtet, um so die Oberfläche des
Blockes zu schmelzen und einen Dampf des Beschichtungsmaterials
zu erzeugen, der sich auf der Komponente absetzt.
-
Der
Temperaturbereich, innerhalb welchem EBPVD Verfahren durchgeführt werden
können, hängt zum
Teil von den Zusammensetzungen der Komponente und des Beschichtungsmaterials
ab. Eine minimale Verfahrenstemperatur wird im allgemeinen festgelegt,
um sicherzustellen, daß das
Beschichtungsmaterial in geeigneter Weise verdampft und sich auf
der Komponente abscheidet, während eine
maximale Verfahrenstemperatur im allgemeinen festgelegt wird, um
eine mikrostrukturelle Beschädigung
an dem Gegenstand zu vermeiden. Während des gesamten Abscheidungsverfahrens
steigt die Temperatur innerhalb der Beschichtungskammer ständig als
eine Folge des Elektronenstrahls und des Vorhandenseins eines geschmolzenen
Pools des Beschichtungsmaterials an. Demzufolge werden EBPVD Beschichtungsverfahren
oft in der Nähe
der gewünschten
minimalen Verfahrenstemperatur begonnen und dann beendet, wenn sich
die Beschichtungskammer der maximalen Verfahrenstemperatur annähert, wobei
zu diesem Zeitpunkt die Beschichtungskammer gekühlt und gereinigt wird, um
das Beschichtungsmaterial zu entfernen, daß sich an den Innenwänden der
Beschichtungskammer abgesetzt hat. Fortschrittliche EBPVD Einrichtungen
ermöglichen
das Entfernen der beschichteten Komponenten aus der Beschichtungskammer
und die Ersetzung mit vorgeheizten, unbeschichteten Komponenten ohne
die Vorrichtung abzuschalten, so daß ein kontinuierlicher Betrieb
erreicht wird. Der kontinuierliche Betrieb der Einrichtung während dieser
Zeit kann als eine "Kampagne" bezeichnet werden,
wobei größere Anzahlen
von Komponenten erfolgreich während
der Kampagne beschichtet werden, was höheren Wirkungsgraden in der
Bearbeitung und Wirtschaftlichkeit entspricht.
-
Angesichts
des Vorstehenden ist es eine beträchtliche Motivation, die Anzahl
der Komponenten zu erhöhen,
die innerhalb einer einzigen Kampagne beschichtet werden können, den
Anteil der Zeit zu reduzieren, der erforderlich ist, um die Komponenten
in die Beschichtungskammer einzubringen und daraus zu entfernen,
und den Zeitanteil zu reduzieren, der erforderlich ist, um eine
Wartung an der Einrichtung zwischen den Kampagnen durchzuführen. Jedoch sind
Einschränkungen
des Stands der Technik oft das Ergebnis eines relativ schmalen Bereichs
akzeptabler Beschichtungstemperaturen, die Komplexität der Bewegung
extrem heißer
Komponenten in die und aus der Beschichtungskammer und die Schwierigkeiten,
denen man bei der Wartung einer modernen EBPVD Einrichtung gegenüber steht.
Demzufolge werde verbesserte EBPVD Einrichtungen und Verfahren kontinuierlich
zur Abscheidung von Beschichtungen gesucht und insbesondere von
keramischen Beschichtungen wie TBCs.
-
DE 197 43 799 C offenbart
eine physikalische Elektronenstrahl-Dampfabscheidungs-Beschichtungseinrichtung
mit einem drehbaren Magazin, das Blöcke aus Beschichtungsmaterial
enthält.
-
KURZZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung ist eine physikalische Elektronenstrahl-Dampfabscheidungs-Beschichtungseinrichtung
(EBPVD) gemäß dem Anspruch
1, welche in einem Verfahren zur Anwendung der Einrichtung zum Erzeugen
einer Beschichtung (zum Beispiel einer keramischen Wärmebarrierenbeschichtung)
auf einem Gegenstand nützlich
ist. Die EBPVD Einrichtung dieser Erfindung enthält im allgemeinen eine Beschichtungskammer,
die bei einer erhöhten
Temperatur (zum Beispiel wenigstens 800°C) und bei einem subatmosphärischen
Druck (zum Beispiel zwischen 10–3 mbar
und 5×10–2 mbar)
betrieben werden kann. Eine Elektronenstrahlkanone wird dazu verwendet,
einen Elektronenstrahl in die Beschichtungskammer und auf ein Beschichtungsmaterial
in der Kammer zu projizieren. Die Elektronenstrahlkanone wird betrieben,
um das Beschichtungsmaterial zu schmelzen und zu verdampfen. Ferner
ist eine Vorrichtung zum Halten eines Gegenstandes in der Beschichtungskammer
enthalten, so daß Dämpfe des
Beschichtungsmaterials sich auf dem Gegenstand abscheiden können.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann der Betrieb der EBPVD Einrichtung durch den Einschluß oder die
Anpassung von einem oder mehreren Merkmalen und/oder Verfahrenmodifikationen
verbessert werden. Gemäß einem
Aspekt der Erfindung bezüglich
der Verfahrenstemperatursteuerung enthält die Beschichtungskammer
Strahlungsreflektoren, die innerhalb der Beschichtungskammer bewegt
werden, um den Anteil an reflektierter Erwärmung zu erhöhen oder
zu verringern, den der Gegenstand aus dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial
während
einer Beschichtungskampagne empfängt.
Verfahrensdrucksteuerung ist ebenfalls ein Aspekt der Erfindung,
mittels welcher Verarbeitungsdrücke
größer als
0,010 mbar gemäß der gleichzeitig
anhängenden U.S.
Patentanmeldung Ser. Nr. 091108,201 für Rigney et al., (äquivalent
zu
EP 0 969 117 A und
demselben Inhaber wie die vorliegende Erfindung übertragen) mit minimalen oder
keinen nachteiligen Effekten auf den Betrieb und die Zuverlässigkeit
der Elektronenstahlkanone, und mit minimalen Schwankungen in den
Prozeßdrücken praktisch
ausgeführt
werden können.
Auf diesen Aspekt der Erfindung bezogene mechanische und Verfahrensverbesserungen
umfassen Modifikationen der Elektronenstrahlkanone, der Beschichtungskammer
und der Art, mittels welcher Gase in die Einrichtung eingeführt und
daraus entfernt werden. Außerdem
wird durch diese Erfindung das Elektronenstrahlmuster auf dem Beschichtungsmaterial
verbessert.
-
Gemäß einem
weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung wird ein Tiegel verwendet,
um das Beschichtungsmaterial innerhalb der Beschichtungskammer zu
halten. Der Tiegel weist bevorzugt wenigstens zwei Elemente auf,
ein erstes, welches einen geschmolzenen Pool des Beschichtungsmaterials
umgibt und haltert, während
das zweite Element an dem ersten Element befestigt ist, und einen
nicht geschmolzenen Anteil des Beschichtungsmaterials umgibt. Die
ersten und zweiten Elemente definieren einen ringförmigen Kühlkanal
dazwischen der nahe an dem geschmolzenen Pool angrenzt, so daß eine effiziente
Kühlung
des Tiegels erreicht werden kann, was die Rate reduziert, mit welcher
die Verfahrenstemperatur innerhalb der Beschichtungskammer ansteigt.
-
Die
Erfindung umfaßt
wenigstens ein drehbares Magazin, das mehrere Blöcke des Beschichtungsmaterials
unterhalb der Beschichtungskammer haltert. Das Magazin ist gerastert,
um individuell mehrere Stapel von einem oder mehreren Blöcken mittels
einer Blende zu der Beschichtungskammer auszurichten, um sequentiell
die Blöcke
in die Beschichtungskammer einzuführen ohne den Abscheidungsvorgang
des Beschichtungsmaterials zu unterbrechen.
-
Gemäß einem
weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung ist eine Sichtöffnung für die Betrachtung
des geschmolzenen Beschichtungsmaterials innerhalb der Beschichtungskammer
vorgesehen. Um in der Lage zu sein, eine Sicht auf den innerhalb
der Beschichtungskammer stattfindenden Prozeß bei extrem hoher Temperatur
zu ermöglichen,
ist die Sichtöffnung
fluidgekühlt
und besitzt eine Hochdrehzahl-Stroboskoptrommel
und eine Magnetteilchendichtung, die eine Hochtemperatur-Vakuumdichtung für die Stroboskoptrommel
bereitstellen. Ein weiterer bevorzugter Aspekt besteht darin, daß die Sichtöffnung eine
stereoskopische Betrachtung der Beschichtungskammer ermöglicht,
wodurch einer oder mehrere Bediener gleichzeitig die Beschichtungskammer
unter Beibehaltung einer stereoskopischen Sicht beobachten können.
-
Weitere
Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden besser aus der nachstehenden
detaillierten Beschreibung verständlich.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
-
1 und 2 sind
schematische Drauf- bzw. Vorderansichten einer EBPVD, welche zum
Abscheiden eines Beschichtungsmaterials gemäß dieser Erfindung verwendet
wird.
-
3, 4 und 5 sind
Querschnittsansichten entlang einer Schnittlinie 3-3 von 1 und
stellen eine gemäß einem
Aspekt dieser Erfindung verwendete bewegliche Plattform dar.
-
6 und 7 sind
detailliertere Vorder- bzw. Draufsicht-Querschnittsansichten bevorzugter Innenkomponenten
für eine
Beschichtungskammer der Einrichtungen der 1 und 2.
-
8 und 9 vergleichen
eine EB Kanonenblendenöffnung
des Stands der Technik und eine gemäß der bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung konfigurierte Blendenöffnung.
-
10 ist
eine Querschnittsansicht eines einen Block aus Beschichtungsmaterial
beherbergenden Tiegels und eines auf die Oberflächen des Tiegels und des Blocks
in Abhängigkeit
von der bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung projizierten Elektronenstrahls.
-
11 ist
eine Draufsicht auf den Tiegel von 10 und
auf ein bevorzugtes Muster für
den Elektronenstrahl auf dem Tiegel und dem Block.
-
12 stellt
eine bevorzugte Energieintensitätsverteilung
des Elektronenstrahlmusters über
der Oberfläche
des Blockes und des Tiegel der 10 und 11 dar.
-
13 stellt
eine bevorzugte Sichtöffnung für die Beobachtung
des Verfahrens innerhalb der Beschichtungskammer der in den 1 und 2 dargestellten
Einrichtung dar.
-
14 stellt
eine Steuertafel für
die Überwachung
und Steuerung des Betriebs der Einrichtungen von 1 und 2 dar.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Eine
EBPVD Einrichtung 10 gemäß dieser Erfindung ist allgemein
in den 1 und 2 dargestellt, während verschiedene
Komponenten und Merkmale in den 3 bis 14 dargestellt
sind. Die Einrichtung 10 ist insbesondere gut für die Abscheidung
einer keramischen Wärmebarrierenbeschichtung
auf einer Metallkomponente geeignet, welche für einen Betrieb in einer thermisch
aggressiven Umgebung gedacht ist. Erwähnenswerte Beispiele derartiger
Komponenten umfassen die Hoch- und Niederdruckturbinendüsen und
Schaufeln, Mäntel,
Brennerteile und Nachbrennermechanik von Gasturbinenmotoren. Obwohl
die Vorteile dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die Abscheidung
einer keramischen Beschichtung auf derartigen Komponenten beschrieben
werden, können
die Lehren dieser Erfindung auch allgemein auf eine Vielzahl von
Beschichtungsmaterialien und Komponenten angewendet werden.
-
Für Zwecke
der Veranschaulichung der Erfindung ist die EBPVD Einrichtung 10 in
den 1 und 2 als eine Beschichtungskammer 12,
ein Paar von Vorheizkammern 14 und zwei Paare von Ladekammern 16 und 18 umfassend
dargestellt, so daß die
Vorrichtung 10 eine symmetrische Konfiguration besitzt.
Die vorderen Ladekammern 16 sind zu ihren entsprechenden
Vorheizkammern 16 ausgerichtet dargestellt, wobei ursprünglich auf
einen Rechen 22 innerhalb der linken Kammer 16 geladene Teile 20 in
die Vorheizkammer und, wie in 1 dargestellt,
in die Beschichtungskammer 12 übertragen worden sind. Mit
der symmetrischen Konfiguration der Vorrichtung 10 kann,
während
die durch die vordere linke Ladekammer 16 geladenen Teile 20 innerhalb
der Beschichtungskammer 12 beschichtet werden, ein zweites
Los von Teilen in der vorderen rechten Ladekammer 16 in
der rechten Vorheizkammer 14 vorgeheizt werden, ein drittes
Los von Teilen in die hintere linke Ladekammer 18 geladen
und ein viertes Los von Teilen aus der hinteren rechten Ladekammer 18 entnommen
werden. Demzufolge können
vier Verfahrensstadien gleichzeitig mit der bevorzugten EBPVD Einrichtung 10 dieser
Erfindung stattfinden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform dieser
Erfindung sind die Ladekammern 16 und 18 auf beweglichen
Plattformen 24 mit einem niedrigen Profil montiert, so
daß die
Ladekammern 16 und 18 selektiv zu ihren Vorheizkammern
ausgerichtet werden können.
Beispielsweise wird, wenn die vordere linke Ladekammer 16 in
Ausrichtung zu der linken Vorheizkammer 14 gebracht wird,
um das Einbringen der Teile 20 in die Beschichtungskammer 12 zu
ermöglichen,
die hintere linke Ladekammer 18 von der linken Vorheizkammer 14 zurückgesetzt,
so daß Teile gleichzeitig
aus dem Rechen 22 der hinteren linken Ladekammer 18 geladen
oder entladen werden können.
Jede Plattform 24 ist auch bevorzugt in eine Wartungsposition
verschiebbar, in welcher keine ihrer Ladekammern 16 und 18 zu
ihrer Vorheizkammer ausgerichtet ist, so daß man auf die Innenräume der Vorheiz-
und Ladekammern 14, 16 und 18 zum Reinigen
Zugang hat. Die Plattformen 24 werden bevorzugt wenigstens
teilweise durch im Boden montierte Kugellager 44 gelagert,
obwohl es vorhersehbar ist, daß eine
Vielzahl von Lagern verwendet werden können. Jede Plattform 24 besitzt
ein niedriges Höhenprofil
(Überstand über dem
Boden von nicht mehr als etwa 2,5 cm (1 inch) mit einer abgeschrägten Kante (bevorzugt
30 Grad aus der Horizontalen), welche zusammen im wesentlichen die
Möglichkeit
beseitigen, daß eine
Bedienungsperson über
den Rand der Plattform 24 stolpert. Die Einrichtung 10 umgebende feststehende
Objekte sind bevorzugt von den Rändern
der Plattformen 24 beabstandet positioniert, um zu verhindern,
daß eine
Bedienungsperson durch eine Plattform 24 eingequetscht
wird, wenn sie neu positioniert wird. Als Alternative zu der dargestellten Plattformkonfiguration
könnten
Plattformsysteme mit mehreren überlappenden
oder teleskopartig beweglichen Segmenten verwendet werden. Ferner
könnten die
beweglichen Segmente unterhalb einer fixierten erhöhten Plattform
gleiten, welche die Plattformanordnungen umgibt. Schließlich könnten getrennte Vorheizkammern
für das
Laden der Kammern 16 und 18 vorgesehen werden,
so daß beide
Ladekammern 16 und 18 und ihre Heizkammern von
einem beweglichen Plattformsystem umgeben wären.
-
Gemäß Darstellung
in den 3 bis 5 ist ein Abschnitt der Beschichtungskammer 12 bevorzugt
auch so konfiguriert, daß er
sich relativ zu der Vorheizkammer 14 bewegt, um das Reinigen
des Inneren der Kammer 12 zwischen Beschichtungskampagnen
zu erleichtern. Wie es in 3 zu sehen
ist, befindet sich die Beschichtungskammer 12 in ihrer Betriebsposition,
wobei eine später
im Detail beschriebene Sichtöffnung
an einem vorderen Abschnitt der Kammer 12 montiert ist.
In 4 ist der vordere Abschnitt der Beschichtungskammer 12 (sowie
ein der Beschichtungskammer 12 wie nächstehend diskutiert zugeordnetes
Blockmagazin 102 von dem Rest der Beschichtungskammer 12 weggeschoben
dargestellt, um Zugang zu einer beweglichen Arbeitsplattform 50 zu
haben, welche in 5 in eine Arbeitsposition gedreht
dargestellt ist. In dieser Position ist das Innere der Beschichtungskammer 12 leicht über die
Arbeitsplattform 50 zugänglich.
Die Plattform 50 ist als mit einem Scharnier 52 mit
der Basis der Beschichtungskammer 12 verbunden dargestellt,
wobei es jedoch vorhersehbar ist, daß andere akzeptable Strukturen
verwendet werden könnten. Die
Plattform 50 könnte
unterschiedlich zu der in den 3 bis 5 dargestellten
konfiguriert sein, einschließlich
einer gelenkigen segmentierten Konstruktion und mit Trittschutzplatten
und anderem sicherheitsbezogenen Zubehör.
-
Die
Beschichtungs-, Vorheiz- und Ladekammern 12, 14, 16 und 18 sind über (nicht
dargestellte) Ventile verbunden, welche eine Vakuumabdichtung zwischen
diesen Kammern erzielen. Zum Maximieren der Größe und Anzahl der Teile 20,
welche zwischen den Kammern 12, 14, 16 und 18 geladen
werden können,
haben die Ventile bevorzugte eine minimale Abmessung von etwa 250
mm, welche erheblich größer ist,
als eine von dem Fachmann auf diesem Gebiet bisher als praktikabel
betrachtete. Da die Beschichtungs-, Vorheiz- und Ladekammern 12, 14, 16 und 18 auf
unterschiedliche Vakuumpegel abgepumpt werden müssen und in einigen Fällen sich
im Bezug zueinander, wie es vorstehend erläutert wurde, bewegen müssen, müssen die
Ventile in der Lage sein, zahlreiche Zyklen bei relativ hohen Drücken zu überstehen.
Für diesen
Zweck geeignete Dichtungskonstruktionen sind im Fachgebiet bekannt
und werden daher hier nicht im Detail diskutiert.
-
Bezugnehmend
auf die 6 und 7 wird eine
Beschichtung innerhalb der Beschichtungskammer 12 durch
Schmelzen und Verdampfen von Blöcken 26 aus
keramischem Material mit Elektronenstrahlen 28 durchgeführt, welche
von Elektronenstrahl-(EB) Kanonen 30 erzeugt und auf die
Blöcke 26 fokussiert
werden. Die intensive Erhitzung des Keramikmaterials durch die Elektronenstrahlen 28 bewirkt
das die Oberfläche
jedes Blockes 26 schmilzt, was geschmolzene Keramikpools
ausbildet, aus welchen Moleküle
des keramischen Materials verdampfen, nach oben wandern und sich
auf den Oberflächen
der Teile 20 abscheiden, und dadurch die gewünschte keramische
Beschichtung erzeugen, deren Dicke von der Dauer des Beschichtungsverfahrens abhängt. Obwohl
zwei Blöcke 26 in
diesen Figuren dargestellt sind, liegt es innerhalb des Schutzumfangs
dieser Erfindung, daß einer
oder mehrere Blöcke 26 vorhanden
sein und zu einem beliebigen Zeitpunkt verdampft werden könnten.
-
EBPVD
Beschichtungskammern können
typischerweise auf einem Vakuumpegel von etwa 0,001 mbar (etwa 1 × 10–3 Torr)
oder darunter gehalten werden. Nach dem Stand der Technik würde unter
der Annahme, daß sich
schlechtere Beschichtungen ergeben würden, ein Vakuum von höchstens 0,010
mbar und mehr, typischerweise etwa 0,005 mbar, innerhalb der Beschichtungskammer 12 während des
Beschichtungsverfahrens erzeugt werden, wobei der Grund darin liegt,
daß höhere Drücke bekanntermaßen einen
fehlerhaften Betrieb der EB Kanonen 30 bewirkten und die
Elektronenstrahlen 28 schwer steuerbar machten. Man hat
auch geglaubt, daß die
Lebensdauer des Kanonenheizfadens reduziert würde oder die Kanone kontaminiert
würde, wenn
sie bei Beschichtungstemperaturdrücken über 0,005 mbar betrieben würde. Jedoch
wird gemäß der gleichzeitig
anhängigen
U.S. Patentanmeldung Ser. Nr. 09(108,201 für Rigney et al., die dem selben
Zessionar wie diese Erfindung übertragen
ist, die Beschichtungskammer 12 bevorzugt bei höheren Drücken betrieben,
die überraschenderweise
eine Keramikbeschichtung mit verbesserter Abplatz- und Stoßfestigkeit
ergeben, sowie die Beschichtungsabscheidungsrate in Verbindung mit
höheren
Blockverdampfungsraten fördern,
als die, die nach dem Stand der Technik erzielt wurden.
-
Ein
grobes Abpumpen kann in den Beschichtungs-, Vorheiz- und Ladekammern 12, 14, 16 und 18 mit
mechanischen Pumpen 31 durchgeführt werden. Eine Kryopumpe 32 eines
im Fachgebiet verwen deten Typs ist in den 1 und 2 zur
Unterstützung
Evakuierung der Beschichtungskammer 12 vor dem Abscheidungsverfahren
dargestellt. Ferner ist in den 1, 3, 4 und 5 eine
Diffusionspumpe 34 dargestellt, deren Betrieb ähnlich denen
im Fachgebiet bekannten ist, die jedoch mit einem Drosselventil 36 modifiziert
ist, um den Betrieb der Pumpe 34 in Abhängigkeit von dieser Erfindung
zu steuern. Insbesondere wird das Drosselventil 36 zwischen
einer offenen Position (3) und einer geschlossenen Position
(4 und 5) sowie in Positionen dazwischen
betrieben. Der Vorteil des Drosselventils 36 wird realisiert,
wenn das Vakuum innerhalb der Beschichtungskammer 12 auf
den in dieser Erfindung verwendeten relativ hohen Drücken gehalten wird.
Wenn die maximale Betriebskapazität der Diffusionspumpe 34 erforderlich
ist, um die Beschichtungskammer 12 zu evakuieren, ist das
Drosselventil 36 gemäß Darstellung
in 3 offen. Zur Bearbeitung von Hardware muß die Beschichtungskammer 12 auf
dem Solldruck (zum Beispiel 0,015 mbar) gehalten werden, was es
erfordert, daß das
Drosselventil 36 in eine voreingestellte Drosselposition
in einem bestimmten Abstand von der vollständig geschlossenen Position
von 4 und 5 bewegt wird. Wie es in 1 zu
sehen ist, werden getrennte Diffusionspumpen 38, welche
in gleicher Weise mit (nicht dargestellten) Drosselventilen ausgestattet sind,
bevorzugt verwendet, um die Vorheizkammern 14 wiederum
aus dem Grund, daß ein
relativ hoher Druck für
den Beschichtungsvorgang dieser Erfindung erwünscht ist, zu evakuieren. Die
mechanischen Pumpen 31 enthalten bevorzugt Leckdetektorverbindungen 33,
mit welchen ein Leckdetektor verbunden werden kann, um ein Systemvakuumleck
unter Verwendung von Helium oder einem anderen Gas zu detektieren,
das sicher durch Lecks in die Kammern 12, 14, 16 und 18 oder
in zugehörige
Geräte eingeführt werden
kann.
-
Gemäß nochmaligem
Bezug auf die 1 und 2 sind die
Ladekammern 16 und 18 im allgemeinen in der Form
langgestreckt und mit Ladetüren 40 ausgestattet,
durch welche Teile in die Rechen 22 geladen werden. Die
Ladekammern 16 und 18 sind auch mit Zugangstüren 42 zu
den Bewegungsantrieben (schematisch bei 46 in 1 dargestellt)
ausgestattet, welche den Betrieb der Rechen 22 steuern. Insbesondere
werden die auf den Rechen 22 gelagerten Teile 20 bevorzugt
gedreht und/oder innerhalb der Beschichtungskammer 12 hin
und herbewegt, um die gewünschte
Beschichtungsverteilung um die Teile 20 herum zu begünstigen.
Die Zugangstüren 42 ermöglichen
es der Bedienungsperson der Einrichtung 10, schnell die
Einstellungen der Bewegungsantriebe 46 ohne Störung des
Ladens und Entladens der Teile aus den Ladekammern 16 und 18 einzustellen
oder zu ändern.
-
Unter
nochmaligem Bezug auf die 6 und 7 wird
das Innere der Beschichtungskammer 12 detaillierter beschrieben.
Zum Lösen
der vorstehend erwähnten
Probleme bezüglich
der Steuerung der Elektronenstahlen 28 und des Schutzes
der EB Kanonen 30 bei höheren
Beschichtungsdrücken,
die durch diese Erfindung verwendet werden, wurde bestimmte Verbesserungen
an den EB Kanonen 30 und der Beschichtungskammer 12 durchgeführt. Wie
es in 6 zu sehen ist, werden Sauerstoff- und Argongase
in die Beschichtungskammer 12 durch einen Einlaß 54 eingeführt, der
nahe an Tiegeln 56 angeordnet ist, die die Blöcke 26 innerhalb
der Beschichtungskammer 12 haltern und die geschmolzenen Pools
aus keramischem Material, die durch Elektronenstrahlen 28 erzeugt
werden, auffangen. Die Strömungsraten
des Sauerstoffs und Argons werden individuell auf der Basis des
Soll-Verfahrensdruckes und des Soll-Par tialdruckes des Sauerstoffs
gesteuert. Um das Auftreten von Druckschwingungen innerhalb der
Beschichtungskammer 12 zu reduzieren, wurde die Regelschleifen-Reaktionszeit
für diese
Gase reduziert, in dem die Steuerventile 58 für die Gase
physikalisch unmittelbar angrenzend an den Einlaß 54 unmittelbar außerhalb
der Beschichtungskammer 12 platziert wurden, wie es in
den 1 und 6 dargestellt ist. Die Platzierung
der Steuerventile 58 so nahe an der Beschichtungskammer 12 erzeugte
eine überraschend
deutliche Verbesserung in der Drucksteuerung, der Reduzierung von
Druckschwankungen innerhalb der Beschichtungskammer 12 und
der Reduzierung von Störungen
in dem Fokus und der Position der Elektronenstrahlen 28 auf
den Blöcken 26.
-
Um
den Elektronenstrahlfokus und das Muster weiter zu verbessern, sind
die EB Kanonen 30 relativ von dem höheren Beschichtungsdruck innerhalb der
Beschichtungskammer 12 durch eine Kondensathaube 52 isoliert,
welche den größten Teil
der überschüssigen Keramikdämpfe auffängt, die
sich nicht auf den Teilen 20 abscheiden. Die Haube 52 ist
gemäß dieser
Erfindung konfiguriert, daß sie
einen Beschichtungsbereich um die Teile 20 herum ausbildet, innerhalb
welchem insbesondere der für
das Beschichtungsverfahren gewünschte
erhöhte
Druck eingehalten wird. Um die Reinigung zwischen den Beschichtungskampagnen
zu erleichtern ist die Haube 52 bevorzugt mit Schirmen 76 ausgestattet,
die entfernt und außerhalb
der Beschichtungskammer 12 gereinigt werden können. Bevorzugt
werden die Schirme 76 von Federstiften 78 anstelle
von Gewindebefestigungselementen gehalten, um das Entfernen der
Schirme 76 zu erleichtern, wenn sie sich in dem Zustand
einer Beschichtung mit einer Schicht des Beschichtungsmaterials
am Ende der Kampagne befinden. Obwohl es insgesamt komplizierter
wäre, könnte die
gesamte Kondensathaube 52 entfernt und durch eine zweite
saubere Haube 52 ersetzt werden.
-
Da
die Haube 52 die Teile 20, wie es in 6 zu
sehen ist, umgibt, ist eine Öffnung 62 für jeden Strahl 28 durch
die Haube 52 hindurch erforderlich. Um die Möglichkeit
einer Aufrechterhaltung höherer Drücke innerhalb
der Kondensathaube 52 im Vergleich zu dem Rest der Beschichtungskammer 12, einschließlich der
Umgebung um die EB Kanonen 30 herum zu begünstigen,
werden die Öffnungen 62 bevorzugt
so ausgebildet, daß sie
nicht größere Abmessungen
als erforderlich besitzen, um dem Elektronenstrahl 28 den
Durchtritt durch die Haube 52 zu ermöglichen. Für diesen Zweck werden die Öffnungen 63 bevorzugt
mit den Elektronenstrahlen 28 während des Aufbaus der EBPVD
Einrichtung 10 geschnitten, so daß jede Öffnung 62 eine Querschnittsfläche besitzt,
die angenähert
gleich der ihres Elektronenstrahlmusters an dem Schnittpunkt mit
der Haube 52 ist.
-
Um
die EB Kanonen 30 weiter gegenüber dem erhöhten Druck innerhalb der Kondensathaube 52 zu
isolieren, wandern die Strahlen 28 aus ihren entsprechenden
Kanonen 30 durch Kammern 64, welche zwischen Innenwänden der
Beschichtungskammer 12 und der Kondensathaube 52 ausgebildet sind.
Bevorzugt besitzt die Diffusionspumpe 32 einen Einlaß in der
Nähe von
und pneumatisch mit jeder der Kammern 64 verbunden. Aufgrund
der minimalen Größe der Öffnungen 62 leckt
der erhöhte
Druck innerhalb der Kondensathaube 52 (der durch die Einführung von
Sauerstoff und Argon mit dem Einlaß 54 erzielt wird)
in die Kammern 64 mit einer ausreichend reduzierten Rate,
um der Diffusionspumpe 34 zu ermöglichen, die Kammern 64 auf
einem niedrigeren Druck als den innerhalb der Kondensathaube 52 zu halten.
-
Die 6, 8 und 9 veranschaulichen
einen für
die EB Kanonen 30 mit dieser Erfindung bereitgestellten
zusätzlichen
Schutz. Wie es allgemein üblich
ist, sind die EB Kanonen 30 mit Vakuumpumpen 66 ausgestattet,
die die Drücke
innerhalb der Kanonen 30 auf Pegeln von etwa 8 × 10–5 bis etwa
8 × 10–4 mbar
halten, welcher gut unter dem liegt, der außerhalb der Kanonen 30,
das heißt
in der EBPVD Beschichtungskammer 12 dieser Erfindung, sowie
typischen EBPVD Beschichtungskammern nach dem Stand der Technik
vorliegt. Um derart niedrige Drücke
aufrecht zu erhalten, müssen
die Elektronenstrahlen 28 durch zylindrische Blendenöffnungen 68 hindurch
treten, um die Kanonen 30 zu verlassen, wie es schematisch
in 6 dargestellt ist. 8 stellt
eine herkömmliche
Konfiguration für
eine derartige Blendenöffnung 168 dar.
Um einen Bereich von Strahlfokussierungsbedingungen, welche durch
Fokuspositionen A, B und C für
einen in 8 dargestellten Elektronenstrahl 128 dargestellt
werden, zu ermöglichen,
besitzt die Blendenöffnung 168 einen relativ
großen
Durchmesser und eine Länge
von etwa 30 mm bzw. etwa 120 mm. Der Nachteil des Stands der Technik
ist der reduzierte Schutz, den eine derartig große Blendenöffnung 168 für die in
der höheren
Druckumgebung der Vorrichtung 10 dieser Erfindung arbeitenden
EB Kanonen 30 bieten kann. Während der zu dieser Erfindung
führenden
Untersuchung bewies ein Test, daß eine verbesserte Steuerung
der Verarbeitungsbedingungen eine Identifizierung einer optimalen
Position des Strahlfokuspunktes (D in 9) ermöglichte.
Eine effektivere Blendenöffnungskonstruktion
wurde dann untersucht, welche zu der in den 6 und 9 dargestellten Blendenöffnung 68 dieser
Erfindung führte,
welche in 9 mit kleinerem(r) Durchmesser
und Länge
als die der herkömmlichen
Blende 168 von 8 dargestellt ist. Ein bevorzugter
Durchmesser und eine Länge
für die
Blende 68 sollen bei etwa 15 bzw. 50 mm liegen, obwohl
optimale Werte für
diese Abmessungen, abhängig
von den Drücken
und Fokus, Ablenkspulenstrom und Gesamtgeometrien variieren können.
-
Wie
es vorstehend erwähnt
wurde, ist die Kondensathaube 52 um die Teile 20 herum
positioniert, um die Abscheidung von keramischem Material auf den
Innenwänden
der Beschichtungskammer 12 zu minimieren. Gemäß dieser
Erfindung ist die Kondensathaube 52 auch speziell zum Regeln
der Erwärmung
der Teile 20 nach Bedarf konfiguriert, um eine geeignete
Teiletemperatur während
der Beschichtungskampagne aufrecht zu erhalten. Insbesondere ist
die Haube 52 mit einer beweglichen Reflektorplatte 72 ausgestattet,
die von den geschmolzenen Oberflächen
der Blöcke 62 emittierte
Wärme zurück auf die
Teile 20 strahlt. Bei dem anfänglichen Hochlaufen einer Kampagne,
während
welcher die Temperatur dieser Beschichtungskammer 12 relativ niedrig
ist, wird die Reflektorplatte 72 nahe an den Teilen 22 mit
einer Betätigungseinrichtung 74 positioniert,
um die Erwärmung
der Teile 20 zu maximieren. Da die Temperatur der Beschichtungskammer 12 im Verlauf
der Kampagne ansteigt, wird die Reflektorplatte 72 von
den Teilen 20 (wie es in Strichlinien in 6 dargestellt
ist) weg bewegt, um den auf die Teile reflektierten Anteil der Strahlungswärme zu reduzieren.
Auf diese Weise können
die Teile 20 einfacher auf eine geeignete Abscheidungstemperatur
(zum Beispiel etwa 925°C)
zu Beginn einer Kampagne gebracht werden, während das Erreichen der maximal zulässigen Beschichtungstemperatur
(zum Beispiel etwa 1140°C)
verzögert
wird, um die Länge
der Beschichtungskampagne zu maximieren. Die Haube 52 und
die Platte 72 begünstigen
auch gleichmäßigere und
stabilere Schaufelbeschichtungstemperatur, was die gewünschte säulenartige
Kornstruktur für
die keramischen Beschichtungen auf den Teilen 20 begünstigt.
Um den gewünschten
relativ hohen Druck innerhalb der Kondensathaube 52 aufrecht
zu erhalten, während
sich die Reflektorplatte 72 in der angehobenen Position
befindet, ist ein wassergekühlter Mantel 75 dargestellt,
welcher die Platte 72 umgibt, um eine Gasströmung zwischen
der Kondensathaube 52 und der Platte 72 zu verhindern,
um dadurch den Druckverlust zwischen der Haube 52 und der Platte 72 reduziert.
-
In 7 sind
Manipulatoren 77 dargestellt, die sich in die Beschichtungskammer 12 durch
eine Kugelgelenkdurchführung 79 in
der Kammerwand erstrecken. Die Manipulatoren 77 werden
zum Unterstützen
der Regelung der Erhitzung der Teile 20 genutzt, indem
keramische oder keramisch beschichtete Reflektoren 80 (dargestellt
als ein körniges
Material in 10) auf die Tiegel 56 zu
oder davon weg während
einer Beschichtungskampagne bewegt werden. Insbesondere befinden
sich die Reflektoren 80 aufgrund ihrer Nähe zu den
Tiegeln 56 auf einer sehr hohen Temperatur während des
Beschichtungsverfahrens und strahlen daher Hitze nach oben zu den Teilen 20 ab.
Der Anteil der durch die Reflektoren 80 abgestrahlten Hitze
ist im allgemeinen maximal, wenn sich die Reflektoren 80 am
nächsten
zu den Tiegeln 56 befinden und kann reduziert werden, in dem
die Reflektoren 80 von den Tiegeln 56 weg bewegt
werden. Die Reflektoren 80 werden bevorzugt auf einer fluidgekühlten Platte 81 gelagert,
die keine merkliche Hitze zu den Teilen 20 strahlt. Demzufolge können die
Reflektoren 80 in Verbindung mit der Reflektorplatte 72 verwendet
werden, um die Temperatur der Teile 20 zu regeln, die innerhalb
der Beschichtungskammer 12 während einer laufenden Kampagne
beschichtet werden. Zu Beginn einer Kampagne werden die Reflektoren 80 ursprünglich in
der Nähe der
Tiegel 56 angeordnet, um die Erhitzung der Teile 20 zu
maximieren, und werden später
mit den Manipulatoren 77 von den Tiegeln 56 entfernt,
um Anteil der abgestrahlten Hitze zu reduzieren.
-
Um
die Beschichtungskammerumgebung zu überleben, sind die Abschnitte
der Manipulatoren 77 innerhalb der Beschichtungskammer 12 bevorzugt mit
einer Hochtemperaturlegierung, wie z. B. einer Nickelbasislegierung
wie beispielsweise X-15 beschichtet. Anstelle eines körnigen Materials
könnten die
Reflektoren 80 im wesentlichen in jeder Form vorliegen
und in wesentlichen jede Form aufweisen. Beispielsweise könnten eine
oder mehrere Platten, die mit einem reflektierten Material beschichtet
sind, verwendet werden. Zur Vereinfachung könnten die Reflektoren 80 relativ
große
Teile sein, die aus Blöcken eines
Materials, ähnlich
dem Abzuscheidenden geschnitten sind, obwohl es offensichtlich ist,
daß auch andere
keramische Materialien verwendet werden könnten.
-
Wie
es vorstehend erwähnt
wurde, werden die Blöcke 26 aus
keramischem Material innerhalb der Beschichtungskammer 12 durch
Tiegel 56 gehaltert, welche die geschmolzenen Pools des
durch die Elektronenstrahlen 28 erzeugten keramischen Materials
aufnehmen. Einer der Tiegel 56 ist in 10 detaillierter
mit einer dreiteiligen Konfiguration dargestellt. Ein oberes Element 82 mit
einer abgeschrägten oberen
Oberfläche 84 ist
mit einem unteren Element 86 zusammengebaut indes es dazwischen
einen Kühlkanal
ausbildet, durch welchen Wasser oder ein anderes geeignetes Kühlungsmittel
strömt,
um die Temperatur des Tiegels 56 unter der Schmelztemperatur
seines Materials zu halten. Eine Drosselplatte 90 ist ebenfalls
in 10 dargestellt, deren Dicke gewählt werden
kann, um die Querschnittsströmungsfläche des
Kanals 28 zwischen einem Einlaß 29 und Auslaß 94 des
Kühlmittels
zu verändern,
beispielsweise zu verkleinern. Aus Gründen der Wärmeleitfähigkeit besteht ein bevorzugtes
Material für
den Tiegel 56 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, was
es erfordert, daß die
Kühlmittelströmungsraten
durch den Kanal 88 ausreichend sein müssen, um die Tiegelwand 96 unmittelbar
an den geschmolzenen Anteil des Blockes 26 gut unterhalb
der Temperatur der geschmolzenen Keramik zu halten. Wie es ferner
aus 10 ersichtlich ist und weiter unter Bezugnahme auf
die 11 und 12 diskutiert
wird, wird der Elektronenstrahl 28 bevorzugt auf die abgeschrägte Oberfläche 84 sowie
den Block 26 projiziert. Demzufolge muß, damit die Außenoberfläche des
oberen Elementes 82 ausreichend gekühlt wird, die Dicke der Wand 96 minimiert
werden, um die Wärmeübertragung
ohne Gefährdung
der mechanischen Festigkeit des Tiegels 56 zu begünstigen.
Die mehrteilige Tiegelkonfiguration dieser Erfindung erleichtert
die Erzeugung einer optimalen Konfiguration für den Kühlmittelkanal 88 und
ermöglicht
auch eine Herstellung der Dicke der Wand 96 mit engen Toleranzen. Obwohl
eine optimale Konfiguration von verschiedenen Faktoren abhängt, beträgt eine
bevorzugte Kühlmittelströmungsrate
etwa 20 bis 200 Liter/Minute (etwa 5 bis 55 gallons/minute) unter
Verwendung von Wasser bei einem Druck von etwa 6 Atmosphären (etwa
2 bis 6 Bar) durch einen Kanal 88, dessen Querschnittsfläche etwa
400 mm2 ist und mit einer maximalen Wanddicke
von etwa 10 mm angrenzen an die Oberfläche 84 und etwa 7
mm angrenzend an den Block 26.
-
11 und 12 stellen
ein bevorzugtes Muster für
die Elektronenstrahlen 28 auf die Blöcke 26 dar, um die
Pools aus keramischem Material zu erzeugen. Wie es in den 10 und 11 zu
sehen ist, wird der Stahl 28 auch auf den Abschnitt der Tiegeloberfläche 84,
der unmittelbar den Block 26 umgibt, mit dem Umfang des
Strahls 28 auf der Tiegeloberfläche 84 projiziert.
Die bevorzugte Energieverteilung 98 des Elektronenstrahls 28 ist
in 2 mit Spitzen in der Nähe der Block/Tiegel-Grenzfläche dargestellt,
wobei wenig oder keine Energie in der Mitte des Blockes 26 erwünscht ist.
Gemäß dieser Erfindung
liegt der Vorteil der Ausrichtung derartig hoher Strahlenintensitäten außerhalb
der Mitte des geschmolzenen Pools in einer reduzierten Auswurfneigung,
welche allgemein vorliegt, wenn ein Tröpfchen geschmolzener Keramik
aus dem Pool während
der Beschichtung ausgestoßen
wird. Auswurf ist mit Defekten in der Beschichtung verbunden, die
auf den Teilen 20 erzeugt wird, und wird daher bevorzugt vermieden.
Die Projektion des Strahls 28 auf den Tiegel 56 dient
dazu die Menge an Keramik zu reduzieren, die sich ansonsten auf
dem Tiegel 56 aufgrund von Auswurf ablagern könnte, und
liefert auch eine gleichmäßigere Temperaturverteilung über den
geschmolzenen Pool, wie es mittels Infrarotbildgebung ermittelt
wurde. Wenn YSZ als das Blockmaterial verwendet wird, liegen geeignete
Strahlungsintensitäten an
den Spitzen in 12 in der Größenordnung von etwa 0,1 kW/mm2 im Vergleich zu einem maximalen Wert von
etwa 0,01 kW/mm2 in der Mitte des Pools.
-
Außerdem ist
in 10 dargestellt, daß der Elektronenstrahl 28 auf
die Oberfläche
des Blockes 26 in einem schrägen Winkel auftrifft, so daß er bezüglich seiner
entsprechenden EB Kanone 30 einen pro ximalen Schnittpunkt 100 und
einen gegenüberliegend
angeordneten distalen Schnittpunkt 101 mit dem Tiegel 56 an
dem Umfang des Strahlenmusters ausbildet. Gemäß Darstellung in 10 nimmt
die bevorzugte Strahlmusterintensität auf dem Block 26 und
dem Tiegel 59, an Stellen auf dem Tiegel 56, die den
proximalen und distalen Schnittpunkten 100 und 101 entsprechen,
leicht, bevorzugt um etwa 30% bis 70% bezüglich des restlichen Umfangs
des Strahlenmusters ab. Der Zweck der Reduzierung der Intensität des Strahlenmusters
an dem proximalen Schnittpunkt 100 besteht in der Reduzierung
der Erosion des Tiegels 56 durch den Strahl 28,
während
die Reduzierung der Strahlintensität an dem distalen Schnittpunkt 101 gezeigt
hat, daß sie
von dem Strahl 26 auf den geschmolzenen Keramikpool erzeugte Wellen
daran hindert, geschmolzenes Keramik über die Kante des Tiegels 56 zu
drücken.
-
Ein
weiteres bevorzugtes Steuermerkmal dieser Erfindung für die Elektronenstrahlen 28 ist
die Fähigkeit,
kurzzeitig das Strahlenmuster auf der Oberfläche der Tiegel 56 mit
einem getrennten Strahlmuster 97 höherer Intensität zu unterbrechen, das
dafür gedacht
ist, eine schnellere Verdampfungsrate über einen kleinen Bereich zu
erzielen, um jede Keramik zu verdampfen, die auf den Tiegeln 56 als Folge
von Auswurf abgeschieden werden kann. Dieses Merkmal der Erfindung
kann während
des Beschichtungsvorgangs mit minimalem oder keinem Einfluß auf das
Abscheidungsverfahren durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird, wenn die Bedienungsperson ein Auswandern eines getrennten
Musters 97 zum Verdampfen einer Ablagerung von Keramik
auf den Tiegel 56 veranlaßt, das Muster 97 zuerst
automatisch auf eine bekannte Position repositioniert, von welcher
aus das Muster 97 dann von Hand unter der Führung der
Bedienungsperson zu der Keramikablagerung bewegt wird. Durch die
automatische Rückkehr
des Musters 97 in eine bekannte Position wird die Wahrscheinlichkeit von
Fehlern, die zu einer Beschädigung
des Tiegels 56 führen
könnten,
reduziert. Alternativ könnte
die Position des Musters 97 vorprogrammiert werden, so daß die Bedienungsperson
die Lage auf den Tiegel 56 eingeben kann, auf welche das
Muster 97 zu projizieren ist. Eine Keramikablagerung auf
dem Tiegel 56, die nicht leicht mit dem Muster 97 entfernt
werden kann, kann oft mit dem in 7 dargestellten
Manipulator 77 entfernt werden.
-
Magazine 102,
die die Blöcke 26 enthalten und
auf die Ebene der Beschichtungskammer 12 und in die Tiegel 56 bringen,
kann man in den 1 bis 7 sehen.
Wie man es am einfachsten in den 2, 6 und 7 sehen
kann, besitzt jedes Magazin 102 eine Anzahl zylindrischer
Kanäle 104,
in welchem die Blöcke 26 festgehalten
werden. Die Magazine 102 rotieren, um die Blöcke 26 in
eine Ausrichtung zu den Tiegeln 56 zu bringen. Die Magazine 102 können auch
aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden (das heißt, seitlich
in Bezug auf die Beschichtungskammer 12), um Einstellungen
für die
Tiegeltrennung vorzunehmen und dadurch die Beschichtungszone zu
optimieren, über
welchen die Abweichung der Beschichtungsdicke akzeptabel ist. Der
zum Erfassen und Zuführen
der Blöcke 26 in
die Tiegel 56 verwendete Zuführmechanismus umfaßt im allgemeinen
Greifarme 60, wovon jeder in einem Winkel aus der horizontalen
angeordnet und zum Halten der Verdampfungsblöcke 26 in ihrer Lage
angepaßt
ist, während
das Magazin 102 im Raster gedreht wird. Das obere Ende
jedes Arms 60 erfaßt
den Verdampfungsblock 26, was das Einführen des Blockes 26 in
einer aufrechten Richtung mit einer Hubeinrichtung 61 ermöglicht,
ohne einer Abwärtsgleiten des
Greifarm 60 in eine horizontale Position zuzulassen, welche
als eine Blockierung des Zuführmechanismus
bewirkend erkannt wurde. Gemäß der Erfindung
richtet jedes Magazin 102 sequentiell den nächsten Block 26 zu
dem unteren Ende des gerade verdampfenden Blockes 26 innerhalb
des Tiegels 60 aus, und die Hubeinrichtung 61 führt den
nächsten Block 26 in
die Beschichtungskammer 12 hinter den verdampfenden Block 26 mit
keiner oder nur minimaler Unterbrechung der Abscheidung des Keramikmaterials
auf den Teilen 20 zu.
-
Die
unter Bezugnahme auf die 3 und 5 erwähnte Sichtöffnung 48 ist
detaillierter in 13 dargestellt. Die Sichtöffnung 48 ist
so konfiguriert, daß sie
der Bedienungsperson der Einrichtung 10 das Beobachten
des Beschichtungsvorgangs, einschließlich der zu beschichtenden
Teile 20, der Poole der geschmolzenen Keramik, der Reflektoren 80 um
die Tiegel 56 herum und der zum Bewegen der Reflektoren 80 verwendeten
Manipulatoren 70 ermöglicht.
Gemäß Darstellung
ist die Sichtöffnung 48 im
allgemeinen ein Gehäuse,
das eine fluidgekühlte Öffnungsplatte 106 mit
einem optionalen Fenster 108 enthält, das aus Saphir besteht,
um den hohen Temperaturen (etwa 800°C oder mehr) in der Nähe des Beschichtungsvorgangs
zu widerstehen. Ein Abschirmgas ist über einen Kanal 110 auf
die Öffnungsplatte 106 für den Zweck
der Minimierung einer Beschichtungsabscheidung auf dem Fenster 108 oder
der Anlage hinter der Öffnungsplatte 106 gerichtet
dargestellt. Innerhalb der Sichtöffnung 48 dient eine
rotierende Stroboskoptrommel 112 zum Minieren der Aussetzung
eines Betrachtungsfensters 114 an Strahlungshitze, Licht
und andere Strahlung aus der Beschichtungskammer 12. Gemäß bekannter Praxis
enthält
die Trommel 112 Schlitze 116 durch ihre Wand und
dreht sich mit einer hohen Drehzahl, um ein für das Auge des Beobachters
sichtbares Flimmern zu eliminieren. Das Fenster 114 ist
bevorzugt eine Mehrfachscheibe aus Quarzglas, Bleiglas und/oder
gefärbten
Glas. Das Quarzglas stellt physikalische Festigkeit bereit, das
Bleiglas bietet Schutz vor Röntgenstrahlen
und das gefärbte
Glas ist nützlich,
um die Lichtintensität
zu reduzieren. Die Sichtöffnung 48 enthält ferner
eine magnetische Teilchendichtung, die eine Hochtemperaturvakuumdichtung für die Stroboskoptrommel
bereitstellt. Ein weiteres bevorzugtes Merkmal besteht darin, daß die Sichtöffnung 48 eine
stereoskopische Sicht in das Innere der Beschichtungskammer 12 bereitstellt,
mittels welcher eine oder mehrere Bedienpersonen gleichzeitig die Beschichtungskammer
unter Aufrechterhaltung der Tiefenwahrnehmung beobachten können.
-
In 14 ist
eine bevorzugte Steuertafel 118 zum Steuern und Überwachen
der EBPVD Einrichtung dieser Erfindung dargestellt. Die Steuertafel 118 ist
mit einer Skizze der Vorrichtung 10 und deren Komponenten
einschließlich
Anzeigesymbolen 120 für
individuelle Komponenten (zum Beispiel die Beschichtungskammer 112)
dargestellt. Ferner sind visuelle Anzeigeeinrichtung 122 angrenzend
an die Anzeigesymbole 120 zum Anzeigen des Betriebszustands
der Komponenten und Schalter 124 zum Ändern des Betriebs der entsprechenden
Komponenten dargestellt. Die Tafel 118 ist bevorzugt von
Meßgeräten zum
Quantifizieren von Verfahrensparametern, wie zum Beispiel Drücken umgeben.
Mit der Tafel 118 kann Information bezüglich des Betriebszustandes der
EBPVD Einrichtung schnell und genau erkannt werden, um der Bedienungsperson
zu ermöglichen, alle
zweckmäßigen Einstellungen
an der Einrichtung 10 und dem Beschichtungsprozeß vorzunehmen.
-
Im
Betrieb kann die Vorrichtung 10 dieser Erfindung zu Beginn
so aussehen, wie in den 1 und 2 dargestellt
ist. Wie es vorstehend diskutiert wurde, werden die zu beschichtenden
Teile 20 auf die Rechen 22 innerhalb der Ladekammern 16 und 18 geladen.
Die Teile können
aus jedem geeigneten Material, wie zum Beispiel einer Superlegierung
auf Nickelbasis oder Kobaltbasis bestehen, wenn die Teile 20 Schaufeln
eines Gasturbinenmotors sind. Im Falle von Schaufeln eines Gasturbinenmotors
werden vor der Beschichtung mit der Einrichtung 10 die
Oberflächen
der Teile typischerweise mit einer Bindebeschichtung bekannter Zusammensetzung,
wie es vorstehend diskutiert wurde, versehen. Ferner wird vor der
Abscheidung der keramischen TBC die Oberfläche der Bindebeschichtung bevorzugt
sandgestrahlt, um die Bindebeschichtungsoberfläche zu reinigen und eine optimale
Oberflächengüte zu erzeugen,
welche für
die Abscheidung säulenförmiger EBPVD
Keramikbeschichtungen erforderlich ist. Ferner wird vor der Beschichtung
der Keramikbeschichtung eine Aluminiumdioxidhaut bevorzugt auf der
Bindebeschichtung bei einer erhöhten
Temperatur ausgebildet, um die Haftung der Beschichtung zu fördern. Die
Aluminiumdioxidhaut, welche oft als ein thermisch aufgewachsenes
Oxid oder TGO bezeichnet wird, entwickelt sich aus der Oxidation
der Aluminium enthaltenden Bindeschicht, entweder durch Aussetzung
an erhöhte
Temperaturen vor oder während
der Abscheidung der Keramikbeschichtung oder mittels einer Hochtemperaturbehandlung,
welche speziell für
diesen Zweck durchgeführt
wird. Gemäß dieser Erfindung
werden die Teile 20 bevorzugt auf etwa 1100°C in einer
Argonatmosphäre
vorerhitzt. Wenn sie nicht zur Vorerhitzung von Teilen 20 verwendet wird,
wird die Vorheizkammer 14 bevorzugt auf etwa 600°C gehalten,
um den Temperaturbereich zu minimieren, welchen die Kammer 14 während einer
Kampagne unterworfen wird.
-
Nach
dem Vorheizen innerhalb der Vorheizkammer 14 werden die
Rechen 22 in die Beschichtungskammer 12 weitergeschoben.
Wie es vorstehend erwähnt
wurde, ist die Einrichtung 10 dieser Erfindung speziell
für die
Abscheidung einer keramischen Beschichtung unter den von Rigney
et al. gelehrten erhöhten
Druckbedingungen konfiguriert. Vor dem Beginn des Beschichtungsverfahrens
wird bevorzugt ein Schnellvakuumtest durchgeführt, um die Abpumprate und
den innerhalb jeder der Beschichtungs-, Vorheiz- und Ladekammer 12, 14, 16 und 18 währende einer
festgelegten Zeitperiode erreichten Druck zu verfolgen. Dieses dient
zum Feststellen der Vakuumintegrität der Vorrichtung 10,
welche früher bei
herkömmlichen
EBPVD Operationen mittels eines an Opferproben durchgeführten Oxidationstestes
festgestellt wurde. Die Kammer 12, 14, 16 und 18 werden
mittels der mechanischen Pumpen 31 von Atmosphärendruck
aus ausgepumpt und ein Verdichter gestartet, wenn die Drücke unter
etwa 20 mbar fallen. Die Kryopumpe 32 wird bevorzugt gestartet,
wenn ein Druck von etwa 5 × 10–1 mbar
erreicht wird. Danach werden die Diffusionspumpen 32 und 34 für die Beschichtungs-
und Vorheizkammern 12 und 14 gestartet, wenn ein
Druck von etwa 5 × 10–2 mbar
erreicht ist. Geeignete Prozeßdrücke innerhalb
den Lade- und Vorheizkammern 14, 16 und 18 liegen
bei etwa 10–3 bis
10–1 mbar,
während
geeignete Beschichtungsdrücke
bei etwa 10–2 bis
etwa 5 × 10–2 mbar
innerhalb des durch die Haube 52 definierten Beschichtungsbereiches
liegen. Ein Doppelelement-Ionisationsmanometer 55, das
mit einem manuellen Abschaltventil 57 ausgestattet ist,
wird bevorzugt zum Messen des Vakuumdruckes innerhalb der Beschichtungskammer 12 verwendet.
Durch Verwendung eines Manometers 55 mit unabhängig betreibbaren
Elementen kann jeweils ein Element zur Verwendung ohne Unterbrechung
des Beschichtungsvorgangs ausgewählt
werden. Alternativ könnten
zwei durch ein Ventil getrennte Ionisationsmanometer vorgesehen
werden, so daß jeder
Sensor verwendet oder ohne Unterbrechung des Beschichtungsvorgangs
umgeschaltet werden könnte.
-
In
einem bevorzugten Aspekt dieser Erfindung wird die Kryopumpe 32 bevorzugt
vor der Diffusionspumpe 34 im Gegensatz zu der herkömmlichen Praxis
gestartet, in welcher beide Pumpen 32 und 34 typischerweise
gleichzeitig gestartet wurden, um den Eisaufbau auf der Kryopumpe 32 zu
minimieren. Es hat sich herausgestellt, daß das Starten der Kryopumpe 32 vor
der Diffusionspumpe 34 deutlich den erforderlichen Zeitaufwand
reduziert, um die für
diese Erfindung gewünschten
Beschichtungskammerdrücke
zu erreichen. Obwohl das Starten der Kryopumpe 32 vor der
Diffusionspumpe 34 den Eisaufbau auf der Kryopumpe 32 begünstigt,
kann dieses Eis am Ende der Beschichtungskampagne oder zu einem
beliebigen anderen günstigen
Zeitpunkt entfernt werden.
-
Während des
Beschichtungsvorgangs werden die Elektronenstrahlen 28 auf
die Blöcke 26 fokussiert,
um dadurch die Schmelzpools aus Keramik und Dämpfe zu erzeugen, die sich
auf den Teilen 20 abscheiden. Obwohl verschiedene Beschichtungsmaterialien
verwendet werden könnten,
ist ein bevorzugtes Keramikmaterial für TBC (und damit für die Blöcke 26)
Zirkoniumdioxid (ZrO2), teilweise oder vollständig stabilisiert
durch Yttriumoxid (zum Beispiel 3% bis 20%, bevorzugt 4% bis 8%
Y2O3), obwohl auch
Yttriumoxid, stabilisiert mit Magnesiumoxid, Cerdioxid, Kalziumoxid,
Skandiumoxid oder andere Oxide verwendet werden könnten. Der
Beschichtungsvorgang dauert an bis die gewünschte Dicke für die Beschichtung
auf den Teilen 20 erreicht ist, worauf die Teile 20 durch
die Vorheizkammer 14 hindurch in die Ladekammer 16 übertragen
werden, wonach die Ladekammer 16 auf Atmosphärendruck belüftet wird.
Die Belüftungsventile
haben bevorzugt wenigstens 30 mm Durchmesser, um die Belüftungsgeschwindigkeit
zu erhöhen,
jedoch im allgemeinen weniger als etwa 60 mm Durchmesser, um störenden Staub
und andere mögliche
Verschmutzungen innerhalb den Kammern 12, 14, 16 und 18 zu
vermeiden. Für
diesen Zweck kann es erwünscht
sein, mittels eines Ventils mit kleinerem Durchmesser gefolgt von einem
Ventil mit größerem Durchmesser
zu belüften.
-
Nachdem
die Erfindung im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform
beschrieben wurde, dürfte
es ersichtlich sein, daß weitere
Formen von einem Fachmann auf diesem Gebiet eingesetzt werden könnten. Demzufolge
soll der Schutzumfang dieser Erfindung nur durch die nachstehenden
Ansprüche
beschränkt
sein.