DE60214240T2

DE60214240T2 - Mit nichtschmelzendem polymer sprühbeschichtete artikel

Info

Publication number: DE60214240T2
Application number: DE2002614240
Authority: DE
Inventors: E. Karin State College FOLEY; Edward Newark MILLER; W. Arnold Newark RAYMOND; C. Eric Wilmington ROMANO; R. Mark Kennett Square SCHMECKPEPER; G. Richard Wilmington VAN RYPER
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2022-12-14
Also published as: WO2003051521A2; CA2476260C; AU2002366387A1; CN1604823A; EP1463588B1; DE60214240D1; WO2003051521A3; CA2476260A1; ATE337108T1; KR20040077854A; AU2002366387A8; US20030165689A1; CN1327973C; JP2005512773A; ES2271383T3; EP1463588A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Beschichtungsoberflächen, bei denen nichtschmelzende Polymere zur Anwendung kommen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Besonderen auf einen Artikel, der mit mindestens einem nichtschmelzenden Polymer, vorzugsweise unter Einsatz eines Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoffes (high velocity Oxygen fuel, HVOF), sprühbeschichtet wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die folgenden Offenbarungen können für unterschiedliche Aspekte der vorliegenden Erfindung relevant sein und lassen sich wie folgt kurz zusammenfassen:
Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoff-(high velocity Oxygen fuel, HVOF) Verfahren wurden traditionellerweise zum Sprühbeschichten von metallischen und keramischen Werkstoffen verwendet. Bei dem Sprühbeschichtungsverfahren wurden Werkstoffe eingesetzt, die mindestens teilweise schmelzbar oder durch Wärme erweichbar waren, so dass sie sprühbeschichtet werden konnten. Beispielsweise wird im US-Patent Nr. 5.285.967 von Weidman eine thermische Sprühpistole für das Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoff-Verfahren offenbart, die zum Aufsprüben einer geschmolzenen Pulverzusammensetzung von, beispielsweise, thermoplastischen Compounds, thermoplastischen/metallischen Verbundstoffen oder thermoplastischen/keramischen Verbundstoffen auf ein Substrat dient, um eine Beschichtung auf demselben zu bilden. Die Pistole umfasst einen HVOF-Flammengenerator, um einen HVOF-Gasstrom zu einer fluidgekühlten Düse bereitzustellen. Ein Teil des Gasstroms wird zum Vorwärmen des Pulvers abgezweigt, wobei das vorgewärmte Pulver in der Düse an einem stromabwärts liegenden Ort in den Hauptgasstrom eingespritzt wird. Umlaufluft- und Vakuumquellen werden in einer Hülle bereitgestellt, die die Düse umgibt, um das geschmolzene Pulver während dessen Fluges vor dem Aufbringen auf das Substrat zu kühlen.
Ein weiteres Beispiel ist das US-Patent Nr. 4.999.225 von Rotolico, das ein Verfahren zur Herstellung einer dichten und zähen Beschichtung mit einer thermischen Sprühpistole offenbart, die ein Düsenelement und eine Gaskappe umfasst. In diesem Patent werden Pulverteilchen offenbart, die eine durch Wärme erweichbare, schmelzbare Komponente und eine thermostabile, nichtschmelzbare Komponente aufweisen, die in einem Wärmeprozess aufgesprüht werden.
Nichtschmelzende Polymere, wie z.B. Polyimide, kamen mit erfolgreichen Ergebnissen bei Halbleiteranwendungen zur Anwendung, die eine Beständigkeit gegen korrosives Plasmagas und eine hohe Werkstoffreinheit erfordern. Das Anwendungsverfahren dieser Polymeren ist jedoch auf den Heißspritzguss oder das direkte Formen von Teilen mit diesen Polymerbeschichtungen bei den Halbleiterverfahren beschränkt gewesen. Es gibt Fälle, wo diese Verfahren nicht praktikabel sind. Beispielsweise für große und/oder geometrisch komplexe Oberflächen.
Somit ist es wünschenswert, einen Artikel zu haben, der mit nichtschmelzbaren Polymeren sprühbeschichtet ist, um die Beständigkeit und die hohe Werkstoffreinheit des nichtschmelzbaren Polymers bereitzustellen. Solche Beschichtungen sollen auch die Lebensdauer des Substrates verlängern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Kurz zusammengefasst wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Artikel bereitgestellt, der mit einem oder mehreren nichtschmelzenden Polymeren unter Einsatz eines Verfahrens, das einen Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoff (high velocity oxygen fuel, HVOF) umfasst und bei dem ein HVOF-Strom gesprüht wird, der mindestens ein nichtschmelzendes Polymer aus einer länglichen Düse in Stromrichtung hinter und in Fluidkommunikation mit dem HVOF enthält, sprühbeschichtet wird, wobei die längliche Düse ein Kühlfluid umfasst, das außen um den Zylinder zirkuliert, der eine mittige Bohrung mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung aufweist, wobei mindestens ein nichtschmelzendes Polymer in den HVOF-Strom an einer Stelle in der länglichen Düse in Stromrichtung hinter der Einlassöffnung zugeführt wird, um den Artikel mit dem mindestens einen nichtschmelzenden Polymer zu beschichten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung lässt sich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, besser verstehen, wobei:
1 eine Sprühpistole, bei der ein Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoff zum Einsatz kommt, nach dem Stand der Technik zeigt und die Komponenten derselben ausweist.
2 eine Ätzkammer zeigt.
3 eine graphische Darstellung zeigt, die thermische Spritzverfahren kategorisiert.
4 eine schematische Darstellung einer thermischen HVOF-Sprühpistole zeigt, die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.
5 einen graphischen Vergleich der Ritztiefe zeigt, und zwar für Stahl, angefüllt, ungesintert versus gesintert.
6 einen graphischen Vergleich der Ritztiefe zeigt, und zwar für Stahl, gefüllt, ungesintert versus gesintert.
7 einen graphischen Vergleich der Ritztiefe zeigt, und zwar für Stahl, gesintert, ungefüllt versus gefüllt.
8 einen graphischen Vergleich der Ritztiefe zeigt, und zwar für Stahl, ungesintert, ungefüllt versus gefüllt.
9 einen graphischen Vergleich der Ritztiefe zeigt, und zwar für Aluminium, gefüllt, ungesintert versus gesintert.
10 einen graphischen Vergleich der Ritztiefe zeigt, und zwar für Aluminium, ungesintert, ungefüllt versus gefüllt.
11 einen graphischen Vergleich der Ritztiefe zeigt, und zwar für angefüllt, ungesintert, Stahl versus Aluminium.
12 einen graphischen Vergleich der Ritztiefe zeigt, und zwar für gefüllt, ungesintert, Stahl versus Aluminium.
13 einen graphischen Vergleich der Ritztiefe zeigt, und zwar für gefüllt, gesintert, Stahl versus Aluminium.
14 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Verschleißbahnfläche, Stahl, 10 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
15 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Verschleißbahnfläche, Stahl, 20 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
16 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Verschleißbahnfläche, Aluminium, 10 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
17 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Verschleißbahnfläche, Aluminium, 20 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
18 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Stahl bzw. Al, ungesintert, Verschleißbahnfläche, 10 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
19 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Stahl bzw. Al, ungesintert, Verschleißbahnfläche, 20 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
20 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Stahl bzw. Al, gesintert, Verschleißbahnfläche, 10 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
21 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Stahl bzw. Al, gesintert, Verschleißbahnfläche, 20 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
22 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Reibungsbeiwert, Stahl, 10 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
23 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Reibungsbeiwert, Stahl, 20 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
24 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Reibungsbeiwert, Aluminium, 10 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
25 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Reibungsbeiwert, Aluminium, 20 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
26 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Stahl bzw. Al, ungesintert, Reibungsbeiwert, 10 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
27 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Stahl bzw. Al, ungesintert, Reibungsbeiwert, 20 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
28 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Stahl bzw. Al, gesintert, Reibungsbeiwert, 10 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
29 eine Balkendiagramm-Darstellung der Verschleißprüfergebnisse zeigt, und zwar für Stahl bzw. Al, gesintert, Reibungsbeiwert, 20 N, 0,65 m/s, 10.000 Zyklen, gemittelt zwischen 17 und 21 mm.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform derselben beschrieben wird, besteht Einigkeit darüber, dass es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf diese Ausführungsform einzuschränken. Es ist im Gegenteil beabsichtigt, dass alle Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente abgedeckt werden, wie sie sich im Esprit und Schutzbereich der Erfindung gemäß der Definition durch die beigefügten Patentansprüche einschließen lassen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Einschränkung der bekannten, oben erwähnten Ausführung ist durch das Element der untragbaren Kosten von Massepolyimidwerkstoffen gegeben, die die gewünschten Verschleiß- und Reibungs- und Hochtemperatureigenschaften haben, die für eine Vielzahl von Anwendungen gewünscht werden. Es wird angenommen, dass diese Kosten durch die Verwendung von Verbundstoffen aus Polyimid und Metall reduziert werden können, wo kleinere Mengen von kostenintensivem Polyimid als funktionale Oberfläche in Kombination mit kostengünstigeren Metallen, wie z.B. Stahl oder Aluminium, für die Masse des Verbundstoffes verwendet werden. Ein Verfahren zur Herstellung dieser Verbundstoffe ist das Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoff-Verfahren (high velocity oxygen fuel, HVOF). Anwendungen, die neben einer hohen Materialreinheit eine Verschleiß- und Reibungsfestigkeit und die Einsatzfähigkeit bei Hochtemperaturanwendungen erfordern, erfordern die Anwendung eines nichtschmelzbaren Polymers als Beschichtung auf einem Substrat.
„Polyimide" für eine solche Anwendung haben lineare Makromoleküle, die aromatische oder heterocyclische Ringe umfassen, die dicht zusammen gepackt sind und die folgenden Eigenschaften von Polyimiden aufweisen: hohe Temperaturbeständigkeit (–240 bis 370°C); hohe Zähigkeit und Härte; hohe Thermostabilität; sehr gute Formbeständigkeit (Wärmeausdehnungskoeffizient ca. 50 μm/m/°K); sehr gute Verschleißleistung; hohe Beständigkeit gegen Strahlung; hohe Flammenhemmung; und geringe Ausgasung im Vakuum (kleine 10^–10 g/cm²/s).
Hochleistungsteile aus Polyimidharz umfassen Drehdichtungsringe, Druckunterlegscheiben und Druckscheiben, Lager, Druckerschienen und Drahtführungen, Verschleißprofile, Ventilsitze, Rückschlagventilkugeln, thermische und elektrische Isolatoren. Dies sind nur einige Beispiele aus der Vielfalt von Anwendungen für Polyimidteile. Alle diese Teile haben eine Kombination von Eigenschaften, die ihnen Vorteile gegenüber Metallen, sonstigen Kunststoffen und Keramiken verleihen. Im Vergleich zu Metallen haben Polyimidteile bessere Dichteigenschaften, ein niedriges Gewicht, einen geringeren Reibungsbeiwert und eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit. Im Vergleich zu sonstigen Kunststoffen weist Polyimid einen breiteren Dauerbetriebs-Temperaturbereich, keinen Schmelz- oder Erweichungspunkt und eine hohe Kriechfestigkeit auf. Polyimid ist mit Sauerstoff, den meisten Brennstoffen, Lösungsmitteln, Schmiermitteln und Hydraulikflüssigkeiten verträglich. Im Vergleich zu Keramiken dichten Polyimidteile besser und sind weniger spröde, wobei sie dennoch eine Formbeständigkeit und Thermostabilität aufweisen.
Polyimidteile können Teile aus konventionellen Werkstoffen bei vielen Anwendungen ersetzen und auch deren Leistungsfähigkeit erhöhen. Die geringen Verschleiß- und Selbstschmierungseigenschaften ermöglichen es, die zusammengebauten Teile durch ein direkt geformtes Teil zu ersetzen. Beispiele sind Bandführungen in Videocassettenrecordern und Lager in Druckern. Der geringe Reibungsbeiwert und die verbesserten Dichteigenschaften machen es interessant und vernünftig, Polyimid-Kolbenringe statt Stahl-Kolbenringe einzusetzen.
Wie zuvor erwähnt, sind eine Kehrseite des Ersatzes von gängigen Materialien durch Polyimidteile die höheren Kosten des Polyimidmassegutes. Eine alternative Lösung besteht darin, Verbundstoffkomponenten einzusetzen, die aus kostengünstigen Metallsubstraten mit Hochleistungs-Polymerflächen bestehen, die die besseren Eigenschaften des Polymers kombinieren und den Einsatz des Massewerkstoffes zur Senkung der Kosten einschränken.
Das thermische Spritzen ist für eine Vielfalt von ingenieurtechnischen Aufgaben und Wartungsaufgaben eine vielseitige und manchmal kostenwirksame Lösung. Diese Aufgaben umfassen die Herstellung von konosions- und verschleißfesten Beschichtungen und die Instandsetzung von verschlissenen Maschinenteilen.
Durch den Ausdruck „thermisches Spritzen" wird eine Gruppe von Verfahren definiert, bei denen jeweils chemische oder elektrische Energie eingesetzt wird, um zur Bildung einer Beschichtung metallische und nichtmetallische Materialtröpfchen auf Substraten aufzubringen. Die Kombination aus hohen Temperaturen, die entweder geschmolzene oder zumindest erweichte Teilchen erzeugen, und hohen Geschwindigkeiten bewirkt, dass sich die Tröpfchen beim Aufprall an der Oberfläche zu dünnen „Spritzern" verformen. In dem Maße, wie mehr und mehr Teilchen aufprallen, werden die Tröpfchen schnell aufeinander aufgebracht und in einer lamellaren Struktur gekühlt, die die Beschichtung bildet. Die aufgebrachten Schichten weisen gewöhnlich eine Porosität auf und enthalten ungeschmolzene oder unvollständig geschmolzene Teilchen und Einschlüsse wie z.B. Oxide, und zwar je nach dem Grad des Aufheizens der verschiedenen Teilchen. Es gibt mehrere verschiedene Verfahren des thermischen Spritzens, die sich durch ihre Kenndaten, wie z.B. den Energieträger (Verbrennungs- oder elektrische Energie), das Einsatzgut (Teilchen oder Feststoff) und die umliegende Umgebung, unterscheiden lassen. Typischerweise dienen die folgenden drei Kategorien zur Klassifizierung der thermischen Spritzverfahren: Verbrennung, Draht-Lichtbogen und Plasma, wie in 3 dargestellt. (Siehe RW. Smith, R. Knight, Thermal Spraying I: „Powder Consolidation From Coating to Forming", Journal of Materials, Vol. 47–8 (August, 1995), p. 32–39, ein Artikel, der hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.)
Eines der Verfahren in der Verbrennungskategorie ist als Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoff- (HVOF) Verfahren bzw. Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren bekannt, das zur Ausarbeitung der vorliegenden Erfindung eingesetzt wurde. Das HVOF-Verfahren ist eines der neuesten und der sich am schnellsten entwickelnden Verfahren des thermischen Spritzens. Das HVOF-Verfahren lässt sich für einen diversen Bereich von Anwendungen, wie z.B. Strahlflugzeuge, landgestützte Gasturbinen, Reaktoren, Metallbearbeitungsschmieden, Walzwerke und Walzen, Textilien, Brücken, Pumpen, Kompressoren und medizinischen Prothesen sowie Haushaltsartikeln wie Bratpfannen, einsetzen. Die Beschichtungen schützen gegen Verschleiß, Korrosion und thermische Degradation und können auch für die Aufarbeitung und Wartung eingesetzt werden.
Das Substratmaterial der vorliegenden Erfindung kann ein organisches Material oder ein anorganisches Material umfassen. Das anorganische Material umfasst mindestens ein Material aus Metall und Keramiken, die später in der Spezifikation näher beschrieben werden.
Das Polymermaterial des Substrats kann ausgewählt werden aus der Gruppe: Polyimid, Polyamidimid, Polyetherimid, Epoxid, Aramid, Bismaleimid, Phenol, Furan, Harnstoff, ungesättigtes Polyester, Epoxidacrylat, Diallylphthalat, Vinylester, Melamin, Nylonpolymer, flüssiges aromatisches Polyamidpolymer, Polyesterpolymer, flüssiges aromatisches Polyesterpolymer, Polypropylenpolymer, Polyethersulfonpolymer, Polyphenylensulfidpolymer, Polyetherether-Ketonpolymer, Polysulfonpolymer, Polyvinylchloridpolymer, Vinylonpolymer, Polybenzimidazol, Aramidpolymer und Fluorpolymer.
Außer den oben aufgelisteten Polymermaterialien können die Polymerverbundstoffe auch mindestens ein Verstärkungsmaterial enthalten, das ein organisches Verstärkungsmaterial und/oder ein anorganisches Verstärkungsmaterial umfasst. Das Verstärkungsmaterial umfasst mindestens eines von Folgendem: Teilchen, Einkristallfäden, Schnittgläser, Fasern, Gewebe und Umflechtungen, wobei das organische Verstärkungsmaterial Kohlenstoff, Aramidpolymer, Poly(paraphenylenbenzobisaxazol), Polyethylenterephthalat, Polyethylennaphthalat, Fluorpolymer und/oder Graphit und das anorganische Verstärkungsmaterial Glas, Ton und/oder Glimmer umfasst.
Es wird jetzt für eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung auf die Zeichnungen Bezug genommen. 1 zeigt eine Ansicht einer Sprühpistole nach dem Stand der Technik, die sich zum Sprühbeschichten von schmelzbaren oder durch Wärme erweichbaren Polymeren einsetzen lässt. Die Sprühpistole besteht aus einem Brennerkörper 80 mit Versorgungsanschlüssen, die am unteren Teil des Körpers mit Hilfe des unteren Halterings 40 angebracht sind. Sauerstoff tritt durch den Sauerstoffeinlassanschluss 10 in die Pistole ein, strömt durch einen Strömungsstabilisatorabschnitt 50 und in die Verbrennungskammer 70. Brennstoff tritt am Brennstoffeinlassanschluss 20 ein, strömt durch eine Einspritzvorrichtung 30 und wird dann in der Verbrennungskammer 70 mit dem Sauerstoff gemischt. Die verbrannten Gase bewegen sich dann in den Verbrennungskopf 90, wo sie um 90° umgelenkt werden und sich in der Düse 140 ausdehnen, die durch den Düsenhalter 160 gehalten wird und mit Hilfe des oberen Halterings 150 an der Pistole angebracht ist. Das Beschichtungspulver tritt durch den Pulvereinlass 120 in die Pistole ein, strömt durch das Pulverventil 110 und durch den Pulverventiladapter 130, der die Verbindung mit dem Brennerkörper 80 herstellt. Das Pulver bewegt sich dann über einen Hartmetalleinsatz 100 durch den Verbrennungskopf 90, wobei das Pulver vorgewärmt wird. Das Pulver bewegt sich in der Düse 140 weiter, wo es mit den Verbrennungsgasen gemischt und auf die entsprechende Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Pulvers erwärmt und auf die zu beschichtende Oberfläche geleitet wird. Die Außenkühlung wird durch Kühlwasser bereitgestellt, das am Kühlwassereinlass 180 in die Pistole eintritt, wo es um die Düse 140, den Verbrennungskopf 90 und die Verbrennungskammer 70 zirkuliert und dann am Kühlwasserauslass 60 aus der Pistole austritt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Ausführungsform eines Verfahrens für das Sprühbeschichten mit nichtschmelzenden Polymeren wie z.B. Polyimiden unter Einsatz eines Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoffes in 4 offenbart. Die in 4 gezeigte schematische Darstellung einer thermischen Sprühpistole veranschaulicht die HVOF-Grundmerkmale, die eine Kammer für die innere Verbrennung, eine aktive Sprühpistolenkühlung, eine Teilcheneinspritzung in ein Rohr mit den Hochdruckverbrennungsgasen und eine Überschalldüsenausdehnung der Verbrennungsgase umfasst. Die Konstruktion der Düse ist der eines Raketenmotors nicht unähnlich. In der Verbrennungskammer werden Gase, die Sauerstoff in Kombination mit Brennstoffen, wie z.B. Propylen, Wasserstoff, Propan und sogar flüssige Brennstoffe, wie z.B. Kerosin, umfassen bei hohen Drücken (0,5–3,5 MPa) und hohen Durchflussraten zugeführt und kontinuierlich verbrannt. Die resultierende Flamme darf sich ultrasonisch ausdehnen und tritt über eine relativ lange Düse aus, die durch das charakteristische Erscheinungsbild von „Verdichtungsstoßrauten" angegeben ist. Pulver mit Trägergas werden in die Düse eingespritzt, wo die Teilchen mit den Hochdruck-Verbrennungsgasen gemischt werden. Wegen der hohen Gegendrücke ist es erforderlich, Druckpulver-Zufuhreinrichtungen mit einem inerten Trägergas einzusetzen, um das Pulver in den Strahl zu fördern. Die Teilchen werden dann anschließend aufgeheizt und in dem heißen und sich ausdehnenden Gasstrahl beschleunigt, um einen ausreichenden Spritzeffekt beim Aufprall zu erhalten, damit Beschichtungen auf dem Substrat gebildet werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 4 dargestellt ist, wird im Folgenden genauer beschrieben. Sauerstoff tritt über den Sauerstoffeinlass 240 in die Verbrennungskammer 270 ein, wo er sich mit Brennstoff, der über den Brennstoffeinlass 250 eingetreten ist, mischt. Der Brennstoff und der Sauerstoff können in verschiedenen Bereichen der Sprühpistole entzündet werden, um das nichtschmelzende Polymer ausreichend zu erwärmen. Im Falle der vorliegenden Erfindung erfolgte die Verbrennung im horizontalen Teil der Sprühpistole. Die verbrannten Gase treten dann am Düsenaustritt 300 aus der Pistole aus. Das nichtschmelzende Polymer tritt am Pulvereinspritzeinlass 290 in die Pistole ein. Das nichtschmelzende Polymer bewegt sich durch die Verbrennungskammer 270, wo es vorgewärmt wird. Das nichtschmelzende Polymer wird am Düsenaustritt 300 in den Verbrennungsgasstrom geleitet. Weil die Verbrennungsgasströmung supersonisch ist, sind die Verdichtungsstoßrauten 310 am Düsenaustritt 300 in dem Maße sichtbar, wie das nichtschmelzbare Polymer von der Düse ausgestoßen wird, um beim Aufprall einen ausreichenden Spritzeffekt zu erreichen, so dass eine Beschichtung 320 auf dem Substrat 325 gebildet wird. Bei der vorliegenden Erfindung ist es vorzuziehen, dass das Substrat mit einer glatten Oberfläche versehen ist, die vor dem Sprühbeschichten eine Rauigkeit von weniger als oder höchstens 250 Mikrometer aufweist. Das Aufrauen der Substratoberfläche lässt sich durch verschiedene Verfahren, zu denen auch das Strahlen mit Strahhnitteln gehört, bewerkstelligen. Eine Außenkühlung ist erforderlich, wobei das Wasser am Kühlwassereinlass 280 eintritt. Das Kühlwasser zirkuliert um die Düse und die Verbrennungskammer und tritt am Kühlwasseraustritt 260 aus.
Die Hauptunterschiede zwischen den verschiedenen HVOF-Systemen sind Wasser- versus Luftkühlung, axiale oder radiale Pulvereinspritzung, Brennstoffdurchflüsse und -zusammensetzung, Verbrennungskammerdruck und -gestaltung, Pulvereinspritzort sowie Ausführung und Länge der Düse. Der Kühlaspekt hat sich als eines der wesentlichen Elemente herausgestellt. Die meisten Systeme sind wassergekühlt, damit das Schmelzen und die Degradation der Düse und das Aufbringen von geschmolzenem/erweichtem Pulver an den Düsenwänden verhindert werden. Außerdem erfordern die hohen Gasdurchflussraten und die kritische Beschaffenheit der Verbrennungsbrennstoff-Mischungen genaue Gasdurchfluss-Regelsysteme. Somit ist die Regelung dieser Parameter zum Erreichen einer gleich bleibenden Qualität der aufgebrachten Schicht wesentlich. Die wichtigsten HVOF-Komponenten sind: Gasmischungen aus Sauerstoff und Brennstoff; Pulvereinspritzung; Wasser- oder Luftkühlung; Durchfluss und Regelung für Düsenkühlung; und Verbrennungsgas-Einspritzvorrichtungen.
Das von Stellite hergestellte Jet-Kote II^® System ist ein weiteres Verfahren für das thermische Spritzen. Bei dieser Ausführung wird die Brennstoff/Sauerstoff-Mischung im „Griff" der Pistole verbrannt. Die Verbrennungsgase werden dann um 90 Grad umgelenkt und in vier Strahlen aufgespalten und das Pulver wird in der Mitte dieses Bereiches eingespritzt. Nachdem der Teilchengasstrom kurz durch die Düse geströmt ist, tritt er aus und dehnt sich zur Atmosphäre hin aus.
Typische Gasgeschwindigkeiten für das HVOF-Spritzen sind 1370–2930 m/s (4500–9600 ft/s), mit Teilchengeschwindigkeiten von 480–1020 m/s (1570–3350 ft/s) und einem Strahltemperaturbereich von 1650 bis 2760°C (3000–5000°F). Im Vergleich zu sonstigen Verfahren für das thermische Spritzen hat das HVOF-Verfahren sowohl Vorteile als auch Nachteile. Die Vorteile umfassen: niedrige Investitionskosten, Portabilität für einfachen Einsatz in der Praxis, gewöhnlich hohe Dichte und festhaftende Beschichtungen und reduzierte Phasenänderungen während des Spritzens. Die Nachteile umfassen: hohe Geräuschpegel (bis zu 130 dB(A), hohe Betriebskosten infolge der hohen Gasdurchflüsse und hohe Wärmeeinträge in das Substrat und die Beschichtung, die zu Zersetzung, Restspannungen und Rissbildung führen können. Die hohen Betriebskosten werden bei Betrachtung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, das zu einem kostengünstigeren Endprodukt führt, minimiert.
Viele thermoplastische Polymere, zu denen Urethane, Ethylen-Vinylalkohole (EVA's), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polymethyhnethacrylat (PMMA), Polyetheretherketone (PEEK), Nylon, Polyethylen (PE) und andere gehören, lassen sich thermisch spritzen. Der Konsolidierungsprozess der Polymere hängt von der ausreichenden Aufheizung und Beschleunigung während des Fluges ab, mit Hilfe derer sich höchstmögliche Dichten und Kohäsionsfestigkeiten erhalten lassen. Es wurde auch festgestellt, dass das thermische Spritzverfahren ggf. das schmelzbare Polymer zersetzen und somit das Molekulargewicht beim Spritzen verringern kann. Deshalb könnten gespritzte schmelzbare Polymere andere Eigenschaften als konventionell konsolidierte, schmelzbare Polymeren aufweisen. Das nichtschmelzbare Polymer der vorliegenden Erfindung soll dieses Zersetzungsproblem des schmelzbaren Polymers vermeiden.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Artikel mit mindestens einem nichtschmelzenden, nachzuhärtenden Polymer sprühbeschichtet wird; wobei das Nachhärten das Sprühbeschichten von mindestens einem nichtschmelzbaren Polymer umfasst, das auf den Artikel gesintert wurde; wobei der durchgeführte Prozess des Sinterns das Aufheizen von mindestens einem nichtschmelzenden Polymer umfasst, das auf den Artikel durch Sprühbeschichten aufgetragen wurde, wobei beim Aufheizen in einem gekapselten Raum mit einer Atmosphäre ohne Sauerstoff eine maximale Temperatur von 450°C nicht überschritten wird.
Jetzt wird wieder auf 4 Bezug genommen. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde L (z.B. Länge der Düse, vorzugsweise ca. 2'' (50,8 mm) – 3'' (76,2 mm)) gegenüber der Düsenlänge der nach dem Stand der Technik bekannten Ausführung verringer, um die Degradation der von der Düse ausgestoßenen Flamme zu reduzieren. Auch D (z.B. Durchmesser der Düse, vorzugsweise ca. 3/16'' (4,8 mm) – 9/16'' (14,3 mm)) wurde bei der vorliegenden Erfindung (gegenüber dem nach dem Stand der Technik bekannten Ausführung) für eine höhere Austrittsgeschwindigkeit des Spritzgutes reduziert. Diese Parameter unterstützen das Sprühbeschichten des Substrats mit nichtschmelzenden Polymeren.
Die folgenden Beispiele sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit den folgenden entwickelten Sprühsystemparametern:
Die nichtschmelzbare Polymerbeschichtung hat als Beschichtung in einer korrosiven Umgebung, wie z.B. in einem in 2 dargestellten Halbleiter-Ätzkammerreaktor 230, einem beachtlichen Wert. Die Ätzkammer weist eine obere und eine untere Elektrode, 210 und 220, auf, die dazu eingesetzt werden, die Reaktionsgase 235 zu ionisieren, wodurch ein Hochenergieplasma in der Kammer erzeugt wird. Die Ätzkammerkomponenten sind typischerweise aus Aluminium und müssen vor der korrosiven Plasmagasumgebung in derselben geschützt werden. Zum Beispiel gilt dies für die in 2 dargestellten Wände der Ätzkammer, wie die Seitenwände eines Wafertischs 190 und die Innenwände 200. Während Aluminium typischerweise in einer Ätzkammer eingesetzt wird, umfassen andere Metalle, die sich beim Verfahren der vorliegenden Erfindung einsetzen lassen, Stahl, Aluminium, Kupfer, Titan, Bronze, Gold, Blei, Nickel, Wolfram, Silber und Metalllegierungen. Die vorliegende Erfindung lässt sich sowohl bei Keramiken als auch bei Metallen einsetzen, um die sprühbeschichteten Keramiken (oder das Metall) vor einer korrosiven Umgebung zu schützen. Die Keramiken umfassen: Siliciumoxid, Aluminiumdioxid, Yttriumoxid, Chromoxid, Chromcarbid, Wolframcarbid, Wolframcarbid-Cobalt, Zirconiumoxid, Zirconiumoxid-Yttriumoxid, Tonerde/Titanerde-Verbundstoffe, Chromcarbid-Nickelchrom und Siliciumcarbid.
Die nichtschmelzbaren Polymerbeschichtungen schützen das Metall und die Keramikteile in einer korrosiven Umgebung und weisen, wie oben erwähnt, eine hohe Reinheit auf. Beispiele von derartigen nichtschmelzbaren Polymerbeschichtungen für einen solchen Schutz umfassen: Polyphenylene, Polyethersulfone, Polyphenylensulfide, Polyimidothioether, Polyoxamide, Polyimine, Polysulfonamide, Polyimide, Polysulfonimide, Polyimidine, Polypyrazole, Polyisoxazole, Polybenzoxazole, Polybenzimidazole, Polythiazole, Polybenzothiaxole, Polyoxadiazole, Polytriazole, Polytriazoline, Polytetrazole, Polychinoline, Polyanthrazoline, Polypyrazine, Polychinoxaline, Polychinoxalone, Polychinazolone, Polytriazine, Polytetrazine, Polythiazone, Polypyrrone, Polyphenanthroline, Polycarbosilane und Polysiloxane.
Die unter Einsatz des Verfahrens des thermischen Spritzens für ein nichtschmelzbares Polymer durchgeführten Versuche und erzielten Ergebnisse werden im nachfolgenden Abschnitt „Beispiele" beschrieben.
BEISPIELE:
Es wurde das folgende Experiment durchgeführt: Zu Beginn wurden die Pulverzusammensetzungen durch ihre Kennwerte und Morphologie charakterisiert, die mit Hilfe der optischen Mikroskopie untersucht wurde. Danach wurden die Parameter entwickelt, mit denen sich ohne signifikante Degradation des Polymers Beschichtungen erreichen lassen. Im Anschluss folgte ein Probenvorbereitungs-Verfahren für die tatsächlichen Spritzzyklen. Die Beschichtungen wurden unter Verwendung von metallographischen Standardtechniken durch ihre Mikrostruktur und Porosität charakterisiert. Die Versuche zur Bestimmung der Beschichtungskohäsion, Adhäsion und Verschleißleistung umfassten die Bandprüfung, Bleistiftprüfung, Ritzprüfung und Verschleißprüfung mit einem Stift-Scheibe-Verschleißprüfgerät (POD (pin-on-disc) wear tester). Diese Versuche und die resultierenden Daten werden später im Text beschrieben.
Zwei Polyimidpulver wurden eingesetzt, ein ungefülltes Basisharz (Vespel^® SP-1, hergestellt von DuPont) und ein mit Graphit gefülltes Harz (Vespel^® SP-21, hergestellt von DuPont). In der Tabelle 1 werden Kennwerte für das ungefüllte Harz (Vespel^® SP-1) und das gefüllte Harz (Vespel^® SP-21) offenbart.
TABELLE 1. Kennwerte für Prüfharze
Die Qualität einer Beschichtung auf einem Substrat hängt hauptsächlich von der Temperatur und der Geschwindigkeit der Teilchen vor dem Zusammenstoß mit dem Substrat ab. Diese zwei Parameter werden durch mehrere Variablen des HVOF-Verfahrens beeinflusst. Der Verhältnisdurchfluss Brennstoff zu Sauerstoff bestimmt die Temperatur der Flamme. Die Geschwindigkeit der Teilchen wird durch eine höhere Menge des verbrannten Gas infolge der Durchflussraten und Drücke des Sauerstoffes und Brennstoffes beeinflusst. Somit wird die Geschwindigkeit durch einen höheren Druck in der Düse erhöht.
Die Proben, die für die verschiedenen Versuchsarten vorbereitet wurden, waren 1×3 Zerreißproben (0,12'' (3,1 mm) dick) und Verschleißscheiben mit einem Durchmesser von 2,4'' (60 mm). Sie wurden vor dem Spritzen sandgestrahlt, um die Haftung zwischen dem Substrat und der Beschichtung zu verbessern. Die Substratmaterialien waren Stahl (1040 Steel) und Aluminium und die Beschichtungsmaterialien waren das angefüllte und das mit 15% Graphit gefüllte Polyimid. Die Proben wurden mit allen Substraten und allen Beschichtungen gemäß dem folgenden Verfahren gesintert: Die Teile wurden in einem Ofen gelegt, dessen Temperatur weniger als 140°C betrug. Der Ofen wurde mit Stickstoff bei einer Durchflussrate von 4 scfm (0,11 scmm) gespült, bis das Sauerstoffniveau weniger als 0,2% erreichte. Die Temperatur wurde rampenförmig von 140 bis 400°C bei einer Höchstrate von 90 K pro Stunde erhöht. Der rampenförmige Anstieg wurde gestoppt, als die Temperatur sich im Bereich von 395 bis 400°C befand. Die Temperatur von 395 bis 400°C wurde ungefähr drei Stunden +/–10 Minuten lang gehalten. Der Ofen wurde ausgeschaltet und die Teile wurden entnommen, nachdem die Temperatur auf 50°C gefallen war. Auf diese Weise wurden acht verschiedene Kombinationen von Substrat/Beschichtung/Nachbehandlung untersucht. Jede der Kombinationen wurde mit verschiedenen Prüfverfahren geprüft und die Wirkungen der verschiedenen Substrate, des Füllstoffes und des Sinterprozesses auf die Eigenschaften der Beschichtung wurden zur Bewertung der Beschichtung herangezogen.
TABELLE 2: Substrat/Beschichtung/Nachbehandlung
BANDPRÜFUNG:
Es wurde eine Bandprüfung zur Messung der Adhäsion der Beschichtungen eingesetzt. Die mittlere Dicke der Proben betrug mehr als 125 μm (0,005''), daher wurde das Prüfverfahren A gemäß ASTM D3359-95 (aus „Standard Test Methods for Measuring Adhesion by Tape Test", Veröffentlichung der American Society for Testing und Materials, Philadelphia (USA), April 1995) eingesetzt. Ein X-Schnitt wurde in den Film zum Substrat hin hergestellt, das Klebeband wurde über dem Schnitt angebracht und dann abgezogen und die Adhäsion wurde anhand der folgenden 0–5-Skala qualitativ bewertet:
5A Keine Abschälung oder Abtragung;
4A Untergrundabschälung oder -atragung längs der Schnitte oder deren Kreuzung;
3A Zackige Abtragung längs der Schnitte bis zu 1,6 mm (1/16'') auf jeder Seite;
2A Zackige Abtragung längs der Schnitte bis zu 3,2 mm (1/8'') auf jeder Seite;
1A Abtragung des größten Teils des X-Bereiches unter dem Band; und
0A Abtragung bis hinter den Bereich von X.
Die Prüfung wurde unter Verwendung des Bandes 3M Scotch 600 durchgeführt, das 25,4 mm (1'') breit war. Die Ergebnisse der Bandprüfung sind in der Tabelle 3 aufgeführt.
TABELLE 3: Ergebnisse der Bandprüfung
Der anhand dieser Tabelle ersichtliche Trend ist, dass der Sinterprozess sowohl die Adhäsion der Beschichtung am Substrat als auch die Kohäsion in der Beschichtung verbesserte. Einflüsse des Substratmaterials oder des Füllstoffes ließen sich bei dieser Prüfung nicht wahrnehmen.
BLEISTIFTPRÜFUNG:
Eine Bleistiftprüfung ermöglicht einen relativen Vergleich von Proben und liefert keinen absoluten Wert für die Beschichtungshärte. Die Bleistiftprüfung ist wie folgt gemäß ASTM D3363-92a (aus „Standard Test Methods for Film Hardness by Pencil Test", Veröffentlichung der American Society for Testing und Materials, Januar 1993) durchzuführen: Eine beschichtete Platte wird auf eine feste horizontale Fläche gelegt. Der Bleistift wird in einem 45-Grad-Winkel fest gegen den Film gehalten (wobei die Spitze weg von der Prüfperson zeigt) und wird von der Prüfperson in einem Hub von 6,5 mm (1/4'') weggedrückt. Das Verfahren beginnt mit dem härtesten Bleistift und wird bezüglich der Härte unter Verwendung der Härteskala nach unten fortgesetzt, um zu einem der zwei Endpunkte zu gelangen: einem Punkt, an dem der Bleistift nicht in den Film schneidet oder sich in diesen bohrt (Bleistifthärte) bzw. einen weiterem Punkt, an dem der Bleistift nicht den Film ritzt (Ritzhärte). In diesem Falle wurde die Bleistifthärte geprüft. Die Bleistifte, die für diese Prüfung eingesetzt wurden, entsprechen der folgenden Härteskala:
6B-5B-4B-3B-2B-B-HB-F-H-2H-3H-4H-5H-6H

weicher härter
Die Ergebnisse der Bleistiftprüfungen für die vorliegende Erfindung sind in der Tabelle 4 unter Verwendung der obigen Härteskala zusammengefasst.
TABELLE 4: Ergebnisse der Bleistiftprüfung
In Tabelle 4 scheinen, im Falle des ungefüllten Materials, das Substrat und der Sinterprozess praktisch keine Wirkung auf die Härte zu haben (z.B. verringerte sich für Stahl die Härte geringfügig und für Aluminium blieb die Härte bei F). Im Falle des gefüllten Materials zeigte die Prüfung, dass das Sinterverfahren die Beschichtungshärte verbesserte, die ungefähr um ½ Punkt auf der Härteskala verbessert wurde. Auf dem Stahlsubstrat zeigte das gefüllte Material eine höhere Bleistifthärte als das ungefüllte Material. Die Bleistifthärte war für das gefüllte Material auf dem Stahlsubstrat höher als auf dem Aluminiumsubstrat, und zwar sowohl für den ungesinterten als auch den gesinterten Fall.
Die Bleistiftprüfergebnisse können stark von der Prüfperson abhängig sein, trotz der Tatsache, dass die Beschichtungen mit verschiedenen Eigenschaften eine unterschiedliche Bleistifthärte zeigten. Somit ist es wichtig, die Proben unter den gleichen Bedingungen zu prüfen, insbesondere in Bezug auf Bleistiftspitzheit, Kraft und Winkel.
RITZPRÜFUNG:
Die Ritzprüfung kann an einem Apparat durchgeführt werden, der eine einfache Vorrichtung nutzt, die eine befestigte Last an einer angeschärften Nadel angreifen lässt, die über eine Oberfläche einer Beschichtung geschleift wird. Die resultierende Ritztiefe wurde mit einem Tastschnittgerät gemessen und mit Ritzen an unterschiedlichen Beschichtungen verglichen, die mit der gleichen Last hervorgerufen wurden. Die Ritzprüfung ist ein einfaches Verfahren zur Untersuchung der Kohäsion einer Beschichtung. Um Fehler beim Ablesen des Rautiefenprüfgerätes zu reduzieren, wurden die Oberflächen der Proben mit einem trockenen Schleifpapier poliert. Um für die Prüfung eine ausreichende Dicke bereitzustellen, musste das Polieren genau erfolgen, so dass sichergestellt war, dass die Beschichtung nach dem Polieren mindestens 190 μm dick war. Es war ebenfalls wichtig, sicherzustellen, dass die Oberfläche glatt genug war, um ein ordnungsgemäßes Ablesen des Rautiefenprüfgerätes zu ermöglichen. Die Last für die Ritzprüfung ließ sich im Bereich von 500 g bis 2000 g in Schritten von 250 g verändern.
Die Ergebnisse der Ritzprüfungen für die vorliegende Erfindung sind in den graphischen Darstellungen in den 5–13 dargestellt. Jede graphische Darstellung ist für die Eigenschaften der geprüften Probe repräsentativ (z.B. 5, Stahl, gefüllt, ungesintert versus gesintert, ...). In einigen Fällen erzeugte die Last von 2000 g einen solch tiefen Ritz, dass er außerhalb des Bereiches des Rautiefenprüfgerätes lag. In diesem Fall lag der Wert für die 2000-g-Ritztiefe außerhalb des in den Figuren dargestellten Bereiches. Jede Ritztiefe wurde aus dem Mittelwert von vier Messungen mit dem Rautiefenprüfgerät gewonnen.
Die 5 und 6 zeigen die Ritzprüfergebnisse für angefüllte und gefüllte Materialien auf Stahl. Der Sinterprozess erhöhte die Dichte der Beschichtung und verbesserte deren Kohäsion, was eine höhere Ritzhärte ergab. Die Ritztiefe war für den Fall des Sinterns im Mittel um 6 μm geringer. In den 7 und 8 wird das angefüllte mit dem gefüllten Material auf Stahl verglichen. Abgesehen von einigen geringfügigen Abweichungen zeigte der Füllstoff keinen Einfluss auf die Ritzhärte. Trotz der Tatsache, dass die Ritzhärte von der Anzahl der Molekülbindungen abhängt, ließ sich keine erwartete bindungsreduzierende Wirkung eines Füllstoffes feststellen.
Die Ergebnisse für die Ritzprüfung der Kombination Aluminium, angefüllt, gesintert waren nicht verfügbar. 9 zeigt deutlich, dass der Sinterprozess für das gefüllte Material auf Aluminiumsubstrat eine verbessernde Wirkung auf die Ritzhärte hat. Die Ritztiefe ist im Mittel um 9 μm niedriger. In 10 wird das angefüllte mit dem gefüllten Material im ungesinterten Zustand auf Aluminiumsubstrat verglichen. Vergleichbar mit den Ergebnissen des Stahlsubstrats wiesen das gefüllte und das angefüllte Material eine gleiche Ritzhärte in einem experimentellen Abweichungsbereich auf.
In den 11 bis 13 wird die Ritzhärte von einem Stahl- und Aluminiumsubstrat verglichen. Es wurde festgestellt, dass die Ritzhärte für das Aluminiumsubstrat höher war als für das Stahlsubstrat. Die Ritzhärte für die Aluminiumproben war höher als für die Stahlproben, unabhängig davon, ob sie gesintert oder ungesintert waren.
Sowohl für die Substrate als auch für das angefüllte und das gefüllte Material zeigen die Diagramme deutlich den Einfluss des Sinterns. Das gesinterte Material zeigte, unabhängig vom Substrat und Füllstoff, eine geringere Ritztiefe. Der Sinterprozess machte offensichtlich die Beschichtung dichter und verbesserte durch die Erhöhung der Anzahl der Bindungen deren Kohäsion, was eine höhere Ritzhärte ergab.
VERSCHLEISSPRÜFUNG:
In einem Stift-Scheibe-Verschleißprüfgerät (POD (pin-on-disc) wear tester) wurde die Verschleißscheibe mit der Beschichtung mit einer Schraube auf eine rotierende Scheibe befestigt, die vom Motor des Verschleißprüfgerätes gedreht wurde. Der Stift mit der Stahlkugel bringt die Prüflast auf die Verschleißscheibe auf und lässt sich auf beide Seiten bewegen, um den Verschleißbahnradius zu ändern. Gemäß diesem Verschleißbahnradius musste die Drehzahl der rotierenden Scheibe geändert werden, um die gleiche Gleitgeschwindigkeit zu erreichen. Der Stift enthielt auch die Sensoren zur Messung der Kräfte während der Verschleißprüfung und war an einen Steuerungsrechner angeschlossen.
Die Verschleißprüfung wurde unter Verwendung eines Stift-Scheibe-Reibungsmessgerätes (pin-on-disc tribometer) gemäß den ASTM G 99-90 Normen ausgeführt. Der Gegenkörper war in allen Fällen eine Kugel mit einem 10-mm-Durchmesser aus Stahl (52100 Steel). Die Gleitgeschwindigkeit wurde konstant auf 0,65 m/s gehalten. Zwei Bahnen wurden auf jeder Scheibe mit einem Radius von 17 bzw. 21 mm geprüft. Um die Gleitgeschwindigkeit konstant zu halten, wurde die Drehzahl der Scheibe entsprechend variiert. Die Dauer der Prüfung betrug 10.000 Zyklen und das Grenzflächemnedium zwischen der Beschichtung und der Stahlkugel war Luft. Für jeden der acht Zustände standen zwei Scheiben zur Verfügung, von denen die eine auf zwei Bahnen mit einer Last von 10 N und die zweite mit einer Last von 20 N geprüft wurde. Die Scheiben wurden zuerst mit trockenem Schleifpapier poliert, um das Rauschen hinsichtlich des Skalenwertes des Rauheitsprüfgerätes zu reduzieren. Ein weiteres Problem, das auftrat, war das „wellige" Profil der Verschleißscheiben infolge der verschiedenen Lagen während der Spritzens. Die folgenden Parameter wurden während der Gleitverschleißprüfung aufgezeichnet: a) die Querschnittsfläche der Verschleißbahn wurde als Mittelwert von vier Messungen unter Verwendung des Rauheitsprüfgerätes gemessen und die Integrale unter den resultierenden Profilen wurden von einem Computer berechnet; und b) der Reibungsbeiwert wurde vom Reibungsmessgerät unter Verwendung eines Datenerfassungsystems aufgezeichnet. (Der Reibungsbeiwert wurde über einen sinnvollen Zeitraum von Umdrehungen (6000–8000 Zyklen im Mittel) gemittelt, d.h. Einlaufeffekte bis zu den ersten 2000 Umdrehungen wurden nicht berücksichtigt. Ferner wurden plötzliche Stufen in den Reibungskurven über einen sinnvollen Umdrehungszeitraum gemittelt.)
Zu Vergleichszwecken wurde die Verschleißprüfung auch an Proben durchgeführt, die aus konventionell hergestellten Polyimidteilen gefertigt waren. Das verwendete Polyimid war Vespel^® SP-1, hergestellt von DuPont, für die ungefüllte Probe und Vespel^® SP-21, hergestellt von DuPont, für die mit 15% Graphit gefüllten Proben. Wie erwartet leisteten diese Proben mehr als die beschichteten Proben, wie dies in den 14–29 dargestellt ist. Dafür dass sie jedoch vollständig aus Polyimid gefertigt wurden, sind sie signifikant teurer als die beschichteten Proben, die aus einem kostengünstigen Metallsubstrat und einer dünnen Polyimidbeschichtung gefertigt wurden. Die beschichteten Proben weisen die erwünschten Eigenschaften von Polyimid, bei einem viel niedrigeren Gesamtpreis, auf.
Eine der Scheiben mit der Kombination Al, gefüllt, ungesintert, die mit einer Last von 20 N geprüft werden sollte, hatte eine sehr dünne Beschichtung. Wegen dieses Umstands rieb sich die Beschichtung während der Prüfung durch und es konnten keine Werte für die Fläche und die Breite der Verschleißbahn bestimmt werden. Da die Beschichtung erst nach etwa 8000 Zyklen verschlissen war, konnten die Werte für den Reibungsbeiwert noch verwendet werden. Alle nachfolgenden Ergebnisse ergaben sich als Mittelwert von den Ergebnissen für die 17- und 21-mm-Radiusbahnen. Die 14 und 15 zeigen die Ergebnisse für 10 und 20 N auf einem Stahlsubstrat. Die Beschichtungen, die mit gefülltem Material gespritzt wurden, wiesen eine höhere Verschleißrate auf (10 N: 4782 μm², 20 N: 10636 μm²) als jene mit ungefülltem Material (10 N: 4070 μm², 20 N: 7659 μm²). Im gesinterten Zustand gab es keinen wahrnehmbaren Unterschied zwischen dem ungefüllten und dem gefüllten Material. Es besteht die Auffassung, dass dies das Ergebnis des Sinterprozesses ist, der die Dichte erhöht und den Unterschied zwischen dem gefüllten und dem angefüllten Material ausgleicht.
Die 16 und 17 zeigen die Ergebnisse für Beschichtungen auf Aluminiumsubstraten. Sowohl im ungesinterten als auch im gesinterten Zustand wies das gefüllte Material eine höhere Verschleißbahnfläche auf (10 N: 7536 μm² ungesintert, 6771 μm² gesintert) als das ungefüllte Material (10 N: 3535 μm² ungesintert, 4250 μm² gesintert). Im Gegensatz zu dem Fall des Stahlsubstrates schien das Sintern nur die Eigenschaften des gefüllten Materials zu verbessern, glich aber nicht den Unterschied zwischen dem gefüllten und dem ungefüllten Material aus. Auf dem Aluminiumsubstrat wiesen die ungefüllten, gesinterten Beschichtungen noch einen höheren Verschleiß als die ungesinterten auf.
Die 18 und 19 zeigen die Ergebnisse für die ungesinterten Beschichtungen auf Stahl- und Aluminiumsubstraten. Beim Vergleich der Ergebnisse für 10 und 20 N im ungefüllten Fall hat es den Anschein, dass verschiedene Male das Stahl- und das Aluminiumsubstrat einen höheren Verschleiß aufwiesen. Gemäß dem Mechanismus, demzufolge Beschichtungen auf Aluminium eine geringere Festigkeit aufweisen sollten, war der Unterschied im gefüllten Fall zwischen Stahl und Aluminium viel signifikanter (Stahl: 4782 μm² gegenüber Aluminium: 7536 μm²). Es besteht die Auffassung, dass die geringere Dichte der auf die Aluminiumsubstrate gespritzten Beschichtungen, die eine höhere Verschleißrate ergab, auf eine Kombination von Faktoren zurückzuführen ist. Diese Faktoren umfassen: geringere Kohäsion in der Beschichtung infolge einer erhöhten Wärmeübertragung auf das Substrat, geringere Dichte während des Spritzens und Sinterns und Variationen hinsichtlich des Grades der Vernetzung.
In den 20 und 21 werden gesinterte Beschichtungen auf Stahl- und Aluminiumsubstraten verglichen. Es bestand die Auffassung, dass der Sinterprozess die unterschiedlichen Verdichtungsgrade zwischen Stahl und Aluminium ausgleichen würde; es wurde jedoch ein überraschendes Ergebnis durch das Experiment nachgewiesen. Die Beschichtungen auf dem Aluminiumsubstrat wiesen auch viel höhere Verschleißraten auf als jene auf dem Stahlsubstrat, und zwar für gefülltes und angefülltes Material. Der Sinterprozess schien nur den Unterschied bezüglich der Verschleißleistung zwischen angefülltem und gefülltem Material auf Stahl auszugleichen, er konnte nicht den Unterschied zwischen Beschichtungen auf Stahl- und Aluminiumsubstraten ausgleichen. Es besteht die Auffassung, dass dies das Ergebnis der höheren Wärmeleitfähigkeit von Aluminium und deren Wirkung auf die Kohäsion und den Spannungszustand während des Sinterns ist. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Beschichtungseigenschaften von den Eigenschaften des Substrats abhängen. Die Optimierung der gewünschten Reibung und Verschleißeigenschaften sowie der Gesamtkosten lässt sich bewerkstelligen, indem das richtige Substrat in Verbindung mit einem gefüllten oder angefüllten, nichtschmelzenden Polymer gewählt wird.
In den 22 und 23 werden der Reibungsbeiwert (coefficient of friction, COF) für das angefüllte und das gefüllte Material auf Stahl verglichen. Die mit dem gefüllten Substratmaterial gespritzten Beschichtungen wiesen einen geringeren COF (0,366 im Mittel) als die mit dem angefüllten Material (0,411 im Mittel) auf. Für das ungefüllte Material schien der Sinterprozess hinsichtlich der Erhöhung des Reibungsbeiwertes durch die Zunahme der Dichte praktisch keinen Einfluss zu haben. Bezüglich des gefüllten Materials gab es ferner über den Bereich der experimentellen Variation hinweg praktisch keinen Unterschied zwischen dem gesinterten und ungesinterten Zustand.
Die 24 und 25 zeigen den Reibungsbeiwert für auf Aluminiumsubstrate gespritzte Beschichtungen. Wie erwartet wies das gefüllte Material einen niedrigeren COF (0,363) als das angefüllte Material (0,463) auf. In Bezug auf das angefüllte Material war die Tendenz schwierig zu bestimmen, da die Ergebnisse für die Lasten von 10 und 20 N stark variierten; das gefüllte Material zeigte jedoch erneut keinen Einfluss bezüglich des Sinterns.
Die 26 und 27 zeigen keinen deutlichen Unterschied nach der Theorie zwischen den COFs für ungesinterte Beschichtungen, die mit angefülltem und gefülltem Material auf Stahl- und Aluminiumsubstrate gespritzt wurden.
In den 28 und 29 werden die Reibungsbeiwerte für gesinterte Beschichtungen auf einem Stahl- und Aluminiumsubstrat verglichen. Da die Ergebnisse für das angefüllte Material stark variieren, ist es wieder schwierig, eine Tendenz auszumachen. Das gefüllte Material wies einen niedrigeren COF auf Aluminium auf als auf Stahl (0,349 gegenüber 0,378). Eine mögliche Erklärung dafür ist wieder die Kombination von Faktoren wie eine verbesserte Kohäsion infolge einer erhöhten Wärmeübertragung und ein vielleicht vorhandener Vernetzungsgrad. Auf dem Aluminiumsubstrat zeigten die gesinterten Beschichtungen eine geringere Festigkeit und wiesen einen geringeren Reibungsbeiwert als auf Stahl auf. Dies konnte auch durch die Ergebnisse für die Verschleißbahnfläche bestätigt werden, bei der die Aluminiumsubstrat-Beschichtungen höhere Verschleißraten aufwiesen, die im Einklang stehen mit einem niedrigen Köhäsionsgrad und den oben erwähnten Faktoren. Erneut glich der Sinterprozess nicht den Unterschied hinsichtlich der Kohäsion zwischen den Stahl- und Aluminiumsubstraten aus.
Anhand der Experimente wurde nachgewiesen, dass Polyimide durch das HVOF-Verfahren gespritzt werden können und sich festhaftende Beschichtungen herstellen lassen. Die Verschließprüfung zeigte die günstigen Wirkungen des Sinterprozesses. Eine Vielzahl von Prüfungen wurde durchgeführt, um die Adhäsion, Kohäsion, Härte und Gleitverschleißleistung der Beschichtungen zu charakterisieren.
Die Bandprüfung zeigte, dass das Sintern die Adhäsion und die Kohäsion verbesserte, während das Substrat und der Füllstoff keinen Einfluss hatten. Bezüglich der Beschichtungshärte lieferte die Bleistiftprüfung Informationen über die Härte steigernde Wirkung des Sinterns und die Tatsache, dass Beschichtungen auf Stahl eine höhere Härte als auf Aluminium aufweisen. Die Ritzprüfung zeigte die kohäsionsverbessernde Wirkung des Sinterns, die, unabhängig vom Substrat und vom Füllstoff eine geringere Ritztiefe ergab. Der mögliche Verschleißmechanismus wurde beschrieben durch ein Modell für die Wirkungen von verschiedenen Faktoren wie z.B. Füllstoff und Substrat. Der Graphitfüllstoff sollte eine schmierungs- und bindungsreduzierende Wirkung haben, was niedrigere Reibungsbeiwerte und höhere Verschleißraten ergibt. Infolge der höheren Wärmeleitfähigkeit sollten Beschichtungen auf Aluminiumsubstraten eine geringere Kohäsion und somit eine geringere Festigkeit während des Verschleißes aufweisen. Das Sintern sollte die Beschichtungskohäsion erhöhen und die Unterschiede zwischen gefüllten und ungefüllten Materialien und Beschichtungen auf Stahl- und Aluminiumsubstraten ausgleichen.
Bezüglich der Verschleißbahnfläche konnten einige Punkte des Modells bestätigt werden. Das gefüllte Material hatte höhere Verschleißraten infolge der wegen des Füllstoffes bedingten geringeren Kohäsion. Beschichtungen auf Aluminium wiesen höhere Verschleißraten auf als jene auf Stahl. Das Sintern glich den Unterschied hinsichtlich der Verschleißleistung zwischen dem gefüllten und angefüllten Material auf Stahl, nicht aber auf Aluminium, aus. Außerdem wurde der Unterschied zwischen Beschichtungen auf Stahl und Aluminium, wie im Modell angenommen, nicht ausgeglichen.
Was den Reibungsbeiwert betrifft, zeigten die Experimente, dass das gefüllte Material einen niedrigeren Reibungsbeiwert als das angefüllte Material aufwies. Neben den Verschleißraten konnten die Ergebnisse für den COF die Annahme stützen, dass Beschichtungen auf Aluminium infolge der reduzierten Kohäsion eine geringere Verschleißfestigkeit und somit niedrigere COFs als jene auf Stahl aufweisen. Erneut ließ sich eine ausgleichende Wirkung des Sinterns zwischen Beschichtungen auf Stahl- und Aluminiumsubstraten nicht feststellen. Es ist deshalb offensichtlich, dass gemäß der vorliegenden Erfindung unter Einsatz des HVOF ein Verfahren zum Sprühbeschichten mit nichtschmelzbaren Polymeren bereitgestellt wurde, das den hier zuvor dargelegten Zielen und Vorteilen vollständig entspricht. Obwohl diese Erfindung in Kombination mit einer spezifischen Ausführungsform derselben beschrieben wurde, ist es evident, dass für den Fachmann viele Alternativen, Abwandlungen und Varianten offensichtlich sein werden. Folglich ist es beabsichtigt, dass alle derartigen Alternativen, Abwandlungen und Varianten, die in den Esprit und den breiten Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallen, eingeschlossen sind.

Claims

Artikel, der mit ein oder mehreren ausschließlich nichtschmelzenden Polymeren sprühbeschichtet wird, wobei der Artikel unter Einsatz eines Verfahrens, das einen Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoff (high velocity oxygen fuel, HVOF) umfasst und bei dem ein HVOF-Strom gesprüht wird, der ein oder mehrere nichtschmelzende Polymere aus einer länglichen Düse in Stromrichtung hinter dem und in Fluidkommunikation mit dem HVOF enthält, sprühbeschichtet wird, wobei die längliche Düse, die ein Kühlfluid umfasst, das außen um den Zylinder zirkuliert, eine mittige Bohrung mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung aufweist, wobei ein oder mehrere nichtschmelzende Polymere dem HVOF-Strom an einer Stelle in der länglichen Düse in Stromrichtung hinter der Einlassöffnung zugeführt werden, um den Artikel mit ein oder mehreren nichtschmelzenden Polymeren zu beschichten.
Artikel nach Anspruch 1, wobei die Beständigkeit des Artikels gegen Degradation aufgrund der Exposition in einer korrosiven Umgebung durch das Vorhandensein der Beschichtung erhöht wird.
Artikel nach Anspruch 1, wobei ein oder mehrere nichtschmelzende Polymere ein oder mehrere Polyphenylene, Polyethersulfone, Polyphenylensulfide, Polyimidothioether, Polyoxamide, Polyimine, Polysulfonamide, Polyimidine, Polysulfonimide, Polyimidine, Polypyrazole, Polyisoxazole, Polybenzoxazole, Polybenzimidazole, Polythiazole, Polybenzothiaxole, Polyoxadiazole, Polytriazole, Polytriazoline, Polytetrazole, Polychinoline, Polyanthrazoline, Polypyrazine, Polychinoxaline, Polychinoxalone, Polychinazolone, Polytriazine, Polytetrazine, Polythiazone, Polypyrrone, Polyphenanthroline, Polycarbosilane und Polysiloxane umfassen.
Artikel nach Anspruch 1, der eine glatte Oberfläche umfasst, die vor dem Sprühbeschichten eine Rauigkeit von 250 Mikrometer oder weniger aufweist.
Artikel nach Anspruch 4, der außerdem eine aufgeraute glatte Oberfläche umfasst, bevor auf demselben eine Sprühbeschichtung aufgetragen wird.
Artikel nach Anspruch 1 oder 5, wobei der mit mindestens einem nichtschmelzenden Polymer sprühbeschichtete Artikel nachgehärtet wird und das Nachhärten das Sprühbeschichten von mindestens einem nichtschmelzenden Polymer umfasst, das auf den Artikel gesintert wurde.
Artikel nach Anspruch 6, wobei der durchgeführte Prozess des Sinterns das Aufheizen von mindestens einem nichtschmelzenden Polymer umfasst, das auf den Artikel durch Sprühbeschichten aufgetragen wurde, wobei beim Aufheizen in einem gekapselten Raum mit einer Atmosphäre ohne Sauerstoff eine maximale Temperatur von 450°C nicht überschritten wird.
Artikel nach Anspruch 1, wobei der Artikel eine Kammer ist.
Artikel nach Anspruch 8, wobei die Kammer eine Kammer mit Komponenten aufweist, wobei die Komponenten ein oder mehrere obere Elektroden, untere Elektroden, Innenwände, Seitenwände und Wafertische sowie die Kammer umfassen, die einer korrosiven Umgebung ausgesetzt ist, wobei mindestens eine oder mehrere der Komponenten mit dem nichtschmelzenden Polymer sprühbeschichtet werden.
Artikel nach Anspruch 9, wobei die Kammer eine Plasmaätzkammer ist, die Gas enthält, das in einen Plasmazustand angeregt wurde.
Artikel nach Anspruch 1, wobei der mit ein oder mehreren nichtschmelzenden Polymeren sprühbeschichtete Artikel die Reib- und Verschleißrate des sprühbeschichteten Artikels verringert.
Artikel nach Anspruch 1, wobei der sprühbeschichtete Artikel die Isolation des Artikels verbessert, um die Wärmeübertragung durch den Artikel hindurch zu verringern.
Artikel nach Anspruch 1, wobei der sprühbeschichtete Artikel die Isolation des Artikels verbessert, um die elektrische Übertragung durch den Artikel hindurch zu verringern.
Artikel nach Anspruch 1, wobei der sprühbeschichtete Artikel die Leitfähigkeit des Artikels verbessert, um die elektrische Übertragung durch den Artikel hindurch zu erhöhen.