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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Vakuummetallurgie und sie kann
zum Beschichten von Produkten mit ausgereiftem Profil verwendet
werden.
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Derzeit
wird vermehrt nach Beschichtungen gesucht, die besondere physikalische
und mechanische Merkmale aufweisen.
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Es
ist bekannt, dass die Elektronenstrahlverdampfung und die nachfolgende
Vakuumkondensation von metallischen und nicht metallischen Materialien
ein präzises
Verfahren zum Realisieren von Materialien sowohl auf atomarer, als
auch auf molekularer Ebene ist. Durch das Ändern der Temperatur des Konzentrationsauftrags
der Phasen, der Drehgeschwindigkeit der zu beschichtenden Produkte,
ist es einfach, eine Beschichtung mit Phasen-Konzentrationsgefälle, mikroporöse Beschichtungen
oder Multischicht-Beschichtungen zu erhalten.
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Um
diese Beschichtungen auf Werkstücken mit
einer ausgereiften Konfiguration, beispielsweise Gasturbinenschaufeln,
zu realisieren, ist es selbstverständlich notwendig, über Materialien
zu verfügen,
die für
Elektronenstrahlen geeignet sind. Es sind einige Vakuumanlagen bekannt,
die für
die Realisierung der Verbundbeschichtungen vorgesehen sind.
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Der
Beschichtungsauftrag, der aus drei Schichten gebildet ist, wird
in der Mehrkammer-Vakuumanlage anhand der Verschiebung des Trägers von einer
Kammer zur anderen realisiert; in jeder von ihnen wird eine Schicht
aufgetragen.
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In
der Arbeitskammer der Vakuumanlage werden unter dem geschützten Träger die
Tiegel mit den zu verdampfenden Materialien nacheinander angeordnet.
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In
der Arbeitskammer der Vakuumanlage funktionieren die Verdampfer
abwechselnd und der Träger
und die Maskenplatte können
sich frei drehen und verschoben werden.
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Die
weiter oben beschriebenen Vakuumanlagen weisen die folgenden Nachteile
auf:
- a) der Auftrag der Schichten erfolgt nacheinander, jedes
Mal nur eine einzige Schicht, was eine niedrige Produktivität der Vakuumanlagen
bewirkt;
- a) zum Zeitpunkt des Tiegelwechsels wird aufgrund der Strukturheterogenität bezüglich der Komponentendicke
die Geschwindigkeit der Verdampfung der Komponenten geändert, was
zur Verschlechterung der physikalischen und chemischen Merkmale
der Einheit führt;
- a) der grundlegende Nachteil der bekannten technischen Lösungen beruht
auf der Unmöglichkeit, die
Beschichtung von allen Seiten aufzutragen. In den weiter oben beschriebenen
Vakuumanlagen wird die Bildung der Schutzbeschichtung nur an der
Seite des Werkstückes
ausgeführt,
die zum Verdampfer gerichtet ist.
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Es
sind ebenfalls Vakuumeinrichtungen zum Auftragen einer Multikomponenten-Beschichtung
auf allen Flächen
der Werkstücke
mit einem ausgereiften Profil (die Gasturbinenschaufeln) bekannt.
Diese Anlagen erlauben es jedoch nicht, Gradient- und Multischicht-Beschichtungen zu
realisieren.
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Im
Anschluss wird ein ausführlicher Überblick über die
Elektronenstrahleneinrichtungen zum Auftragen der Schutzbeschichtungen
gegeben. Die Analyse dieser Einrichtungen zeigt, dass die universalste
Industrieanlage zum Auftragen der Schutzverbundbeschichtungen auf
Produkten mit ausgereiften Formen die Anlage Y☐-175 vom
Institut für Elektroschweißen von
Y.O. Paton der Staatlichen Akademie für Wissenschaften der Ukraine
ist, die weiter unten noch näher
beschrieben wird. Diese Anlage ist insbesondere für die Bildung
der Schutzbeschichtung gegen die Korrosion auf der Fläche der
Turbomotorschaufeln durch das Verfahren der Elektronenstrahlverdampfung
vorgesehen. Der Beschichtungsprozess beinhaltet die Warm-Ionoplasma-Reinigung der Schaufeln,
die an einem Gestell angebracht sind, in einer (Vorbereitungs-)Kammer,
worauf das Auftragen des verdampften Materials anhand der Tiegel
auf die Flächen
der Schaufeln erfolgt. Das Erwärmen
und die Verdampfung des Materials erfolgt unter der Wirkung der
Elektronenstrahlen. Die Anlage besteht aus einer Gruppe von Vakuumkammern
mit Mechanismen, Vorrichtungen und Systemen, die den Ablauf des
halbkontinuierlichen technologischen Prozesses sicher stellen. In
der Auftragskammer der Beschichtungen befinden sich zwei zylindrische
Tiegel des zu verdampfenden Materials, das aus metallischen Komponenten
gebildet ist, und drei rechteckige „schiffchen"-artige Tiegel zum
Verdampfen der metallischen oder keramischen Komponenten. Die Verdampfung
des Materials von jedem der Tiegel erfolgt getrennt unter der Wirkung
der Elektronenstrahlen, die aus den individuell gesteuerten Elektronenstrahlkanonen
hervorgehen.
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Da
sich die zu beschichtenden Werkstücke (die Schaufeln) während der
Verschiebung der Vorbereitungskammer zur Auftragskammer der Beschichtungen
abgekühlt
haben, ist über
der Auftragskammer eine zusätzliche
Kanone installiert, um die Schaufeln zu erwärmen, bevor die Beschichtung
aufgetragen wird. Beim Erwärmen
sind die zu beschichtenden Werkstücke durch Klappen von den Tiegeln isoliert.
Sobald die zu beschichtenden Werkstücke die notwendige Temperatur
erreicht haben (die mit Hilfe von Pyrometern und Thermoelementen
kontrolliert wird), werden die Klappen geöffnet und es beginnt der Auftragsprozess
der Beschichtung.
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Die
amerikanische Patentschrift Nr. 4 122 221 vom 24. Oktober 1978 und
die deutsche Patentschrift Nr. 2 813 180 vom 4. Oktober 1979 beschreiben
eine Anlage, die es erlaubt, nicht nur Multikomponenten-Beschichtungen
des Typs MeCrAlY oder Me-Co, Ni, Fe zu bilden, sondern auch Verbundbeschichtungen
des Typs MeCrAlY-Me-O oder Me-C.
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Der
Pilotbetrieb der Anlagen in den Unternehmen von Russland (die Wissenschafts-
und Produktionsgemeinschaft „Trud", Samara, Maschinenbauwerk
von Litkarinsk, Moskauer Region), von der Ukraine (SPB „Mashproyekt", Mykolayiv, Turbinenwerk-Süd „Zorya", Mykolayiv) hat
es erlaubt, Baunachteile ausfindig zu machen. Das Vorwärmen der Schaufeln
in den Kammern wurde als unpassend erkannt. Infolge der kontinuierlichen
Beschickungen-Entladungen wird in den Kammern das Luftkondensat
angesammelt und bewirkt nach dem Erwärmen des Werkstücks die
Bildung von Zunderschichten auf ihren Flächen. Beim Auftragen einer
Schutzbeschichtung führt
die Anwesenheit der Oxidschicht unvermeidlich zu einer Dissoziation
der Beschichtung beim Betrieb der Werkstücke.
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Bei
der Verdampfung der oxidierten, gekohlten oder borhaltigen Verbindungen
des „schiffchen"-artigen Tiegels
bilden sich Krater auf der Oberfläche und bewirken unvermeidlich
derart die Änderung
der Geschwindigkeit der Verdampfung von diesen Verbindungen, dass
die Verbundbeschichtungen des Typs MeCrAlY-Me-O, Me-C, Me-B eine
heterogene chemische Verbindung aufweisen und nicht für den Einsatz
geeignet sind.
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Aus
diesen Gründen
wurde der Bau der Anlage Y☐-175 geändert und ihre nachfolgenden
Versionen (Anlagen Y☐-187,
Y☐-177 M) sind mit einer Tiegeleinheit, die sich aus vier
zylindrischen Tiegeln zusammensetzt, die in einer Reihe angeordnet
sind, versehen. Diese derartige Tiegeleinheit erlaubt es, die kontinuierliche
Versorgung der verbrauchten Materialien in der Verdampfungszone
zu sichern. In den Tiegeln können
die gegossenen Produkte oder Keramikbarren mit einer Länge von
bis zu 800 mm geladen werden. Alle Kanonen sind mit Programmiergeräten zum
Abtasten der Elektronenstrahlen ausgerüstet. Anhand einer Auswahl
des angemessenen Abtastprogramms kann somit die regelmäßige Verdampfung
der Komponenten gesichert werden, die beim Erwärmen durch Elektronenstrahlen
sublimiert werden, ohne Krater zu bilden. Die derartigen Anlagen
sind mit einem automatisierten Steuersystem ausgestattet. Anhand
der Entwicklung eines angemessenen Programms ist es somit einfach,
Verbundbeschichtungen des dispersionsgehärteten Typs oder Mikroschicht-Beschichtungen entsprechender MeCrAlY-MeO,
MeC, MeB oder MeCrAlY/MeCrAlY + MeO, MeC, MeB zu bilden, um eine
Beschichtung mit Phasengradient in der Dicke zu erhalten. Industrielle Anlagen
des Typs Y☐-187 M werden im Institut für Elektroschweißen von
Y.O. Paton der Staatlichen Akademie für Wissenschaften der Ukraine
zum Auftragen der Beschichtungen mit zwei oder mehreren Schichten
betrieben, sowie von amerikanischen und deutschen Firmen insbesondere
von der amerikanischen Firma „Pratt
and Whitney".
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Trotz
der ausgedehnten Möglichkeiten
der Anlagen verwendet die amerikanische Firma „Pratt and Whitney" derzeit ein kombiniertes
Verfahren zum Auftragen der Wärmeschutz-Beschichtungen.
Die metallische Innenschicht Ni(Co)CrAlYHfSi wird durch Plasmazerstäubung aufgetragen
und die keramische Außenschicht
durch Elektronenstrahlsedimentation.
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Eine
derartige technische Lösung
macht das Hinzufügen
einer notwendigen Menge des Yttriums, des Hafniums, des Siliciums,
des Zirkoniums in metallischer Innenschicht durch die Verdampfung
einer einzigen Quelle unmöglich.
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Die
Tiegeleinheit mit der linearen Anordnung von vier zylindrischen
Tiegeln kann verwendet werden, um metallische MeCrAlY Beschichtungen
zu erhalten, denen additiv Zirkonium, Hafnium oder Silicium beigegeben
wird. Durch die unabhängige
Verdampfung der autonomen Quellen (Tiegel) können Legierungen des Typs MeCrAlY
und hitzbeständige Metalle
erhalten werden. Aufgrund der linearen Anordnung der Tiegel ist
es jedoch schwierig, eine regelmäßige Verteilung
der Komponenten in der Beschichtung über die gesamte Länge des
Flügels
einer Schaufel zu sichern, für
eine MeCrAlY Legierung sieht man beispielsweise Folgendes vor: eine
Verdampfung des Zentraltiegels, das dotierende Additiv (Hafnium)
des rechten Tiegels und des linken Tiegels, die Nachbarn des zentralen
Tiegels sind. Wenn für
die simultane Addition zur Beschichtungsverbindung eines zusätzlichen
Additivs beispielsweise Silicium notwendig ist, ist es unmöglich ein
derartiges Schema zu verwenden, da man durch die Verdampfung von
drei verschiedenen Materialien von drei autonomen Tiegeln nicht
die chemische Homogenität der
chemischen Verbindung der Beschichtung erhalten kann.
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Mit
der vorstehenden Anlage ist es unmöglich, Wärmeschutzbeschichtungen mit
zwei Schichten des Typs MeCrAlYHfSi/MeO während eines technologischen
Zyklus aufzutragen, da vorher die Komponenten der metallischen Schicht
in zumindest drei Tiegel geladen werden müssen und erst danach diese
Tiegel zum Auftragen der keramischen Schicht verwendet werden können. Aus
diesem Grund hat man in den in Serien hergestellten Anlagen Y☐-175, Y☐-187
eine neue Gestaltung einer Tiegeleinheit vorgeschlagen, die es erlaubt,
diese Nachteile zu beseitigen. Diese Tiegeleinheit ist mit „schiffchen"-artigen Tiegeln ausgerüstet, die
in Halbringform hergestellt sind und möglichst nah am zentralen Tiegel sind.
Die Gestaltung der Tiegeleinheit erlaubt die Verdampfung der MeCrAlY
Legierung des zentralen Tiegels, der dotierenden Additive Y, Hf,
Si, Zr der „schiffchen"-artigen Tiegel und
der keramischen Komponente von drei anderen zylindrischen Tiegeln.
Die dotierenden Komponenten Y, Hf, Si, Zr werden in Form von Tabletten
(eingewogene, gegossene Produkte) in den Tiegeln untergebracht und
befinden sich gemäß eines
präzisen
geometrischen Schemas am Umfang der Tiegel. Die Masse der Tabletten
(gegossene Produkte) von Y, Hf, Si, Zr und das geometrische Schema
ihrer Unterbringung in den Tiegeln werden anhand der Berechnung
der notwendigen Konzentration der Elemente in der MeCrAlYHfSiZr Schicht,
sowie den Dimensionen der zu beschichtenden Produkte festgelegt.
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Die
Elektronenstrahlkanone, die für
die Verdampfung der dotierenden Komponenten Y, Hf, Si, Zr verwendet
wird, ist mit der besonderen elektronischen Baugruppe ausgestattet,
die es durch den Einsatz eines gegebenen Programms erlaubt, die
Dichte des Elektronenstrahls am Umfang der Fläche der Tiegel zu ändern, in
denen Tabletten (gegossene Produkte) dotierender Komponenten Y,
Hf, Si, Zr geladen sind. Somit ist es durch die Änderung der Dichte des Elektronenstrahls,
der geometrischen Dimensionen der Barren (gegossene Produkte) von
dotierenden Komponenten und deren Unterbringung in den Tiegeln gelungen,
die notwendige Konzentration der dotierenden Additive in der Beschichtung
auf der gesamten Fläche
des zu beschichtenden Werkstückes
zu erhalten.
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Dank
der Dotierung der Mutterverbindungen MeCrAlY, Y, Hf, Si, Zr mit
der Anwesenheit der dispersen Oxideinschlüsse in den Verbundmikroschichten, kann
der Prozess der Diffusion durch die Grenzflächen der Schichten kompliziert
sein. Darüber
hinaus werden Zonen auf der Basis von komplexen Spinellen des Typs
2Y2O3*Al2O3, 3Al2O3*2SiO2 2 bis 2,
5 mal langsamer gebildet, als unter denselben Bedingungen der Versuche
in der Beschichtung von zwei MeCrAlY/MeO Schichten.
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Die
industriellen Elektronenstrahlanlagen des Typs Y☐-175, Y☐-187,
die mit derartigen Tiegeleinheiten ausgestattet sind, erlauben es,
Schutzbeschichtungen fast aller Sortimente zu realisieren, von den
einfachsten des Typs MeCrAlY bis zu denen mit zwei Schichten des
Typs MeCralYHfSiZr/Me und denen mit drei Schichten MeCrAlYHfSiZr/MeCrAlYHfSiZr
+ MeO/ZrO2-Y2O3,
wo MeO- das Aluminiumdioxid oder Zirkoniumdioxid ist, das durch
das Yttriumdioxid stabilisiert ist. In diesem Fall kann die Verbundschicht
MeCrAlYHfSiZr + MeO- in Form der alternierenden metallischen MeCrAlYHfSiZr
Schicht und MeCrAlYHfSiZr + MeO Verbundschicht ausgeführt werden,
wobei die Dicke der Mikroschicht 0,5 bis 1,2 μm beträgt. Es besteht ebenfalls die
Möglichkeit,
die Beschichtungen mit Gradienten der Konzentration der Komponenten
und der Verbindungen, usw., zu realisieren.
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Eine
neue Generation von Gasturbinenanlagen erlaubt die Entwicklung von
nicht abgekühlten Schaufeln,
die auf Basis von Hochtemperatur-Metallen und Legierungen beschichtet
sind. Derzeit stellt der Erhalt von Legierungen auf Basis von Hochtemperatur-Metallen
mit hochwertigen mechanischen Eigenschaften ein Problem dar. Das
Hauptproblem ihrer ausgebreiteten Verwendung im Bau der Gasturbine
ist der wirksam Schutz der Legierungen gegen die Oxidation während des
Betriebs über
eine lange Zeitspanne (Hunderte oder Tausende von Stunden). Die dispersionsgehärteten silicierten
Beschichtungen, insbesondere diejenigen, die durch die dotierenden Elemente
wie das Bor, das Aluminium, das Titan, das Chrom, usw. geändert sind,
bilden einen der grundlegenden Beschichtungstypen, die Hochtemperatur-Metalle und deren
Legierungen gegen die Hochtemperaturoxidation schützen. In
den Vereinigten Staaten wird die Realisierung von Schutzbeschichtungen
gegen Hochtemperatur von etwa 100 industriellen Betrieben und wissenschaftlichen
Zentren angewandt, von denen ein großer Teil im Bereich der Schaffung
von feuerfesten Beschichtungen für
die Hochtemperaturmetalle arbeitet. Es wurde festgestellt, dass
für den
Bereich der Hochtemperaturen (bis zu 1573 bis 2003 K) die Verwendung
der Intermetalloiden, insbesondere von Siliciden, die besten Aussichten
bietet. Die über
die letzten drei Jahrzehnte ausgeführten Untersuchungen führten jedoch
nur zu dem Ergebnis der Schaffung von wirksamen Silicid-Beschichtungen, um
Produkte, die aus Hochtemperaturmetallen und -legierungen hergestellt
sind, die über
eine lange Zeitspanne und unter extremen Betriebsbedingungen verwendet
werden können,
zu schützen.
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Die
Hauptverfahren zur Bildung der silicierten Beschichtungen und der
industriellen Einrichtungen, die für diesen Betrieb notwendig
sind, wurden im Detail beschrieben. Es kann unter den folgenden Hauptverfahren
zur Bildung von silicierten Beschichtungen unterschieden werden:
- 1) Erhaltene Sättigung der Gasdampfmischungen mit
den Verbindungen des Siliciums, insbesondere diejenigen des Halogenids,
mit oder ohne Wasserstoff (das Silicieren in der Gasphase);
- 2) Erhaltene Sättigung
in den Dämpfen
des Siliciums (Silicieren unter Vakuum);
- 3) Erhaltene Sättigung
der Flüssigphase
durch Elektrolyse oder ohne Elektrolyse (Silicieren in der Flüssigphase);
- 4) Erhaltene Sättigung
in den Pulvermischungen mit dem Silicium, in Anwesenheit der Aktivatoren (solides
Silicieren in der Flüssigphase).
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Es
muss darauf hingewiesen werden, dass die unter Vakuum silicierten
Beschichtungen bessere technische Merkmale aufweisen. Das Silicieren
unter Vakuum wird insbesondere in der Last des Pulvers vom Silicium
mit hoher Reinheit ausgeführt;
im Übrigen
kann es unter der Bedingung ausgeführt werden, dass die zu sättigenden
Metalle und das Silicium voneinander entfernt sind und unter verschiedenen
Temperaturen erwärmt
werden können.
Der Prozess des Silicierens unter Vakuum ist jedoch langwierig,
kostspielig und weist eine niedrige Produktivität auf, insbesondere wenn die
Werkstücke
komplexe Formen und große
Abmessungen aufweisen.
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Die
Haupteigenschaft der silicierten Beschichtungen ist die Hitzebeständigkeit.
Die Disilicide der Metalle der Untergruppen IV und VI sind durch die
höhere
Hitzebeständigkeit
gekennzeichnet. Ihr Luft- und Sauerstoffverhalten (unter verschiedenen Drücken) in
einem großen
Temperaturbereich ist bekannt. Man kann die Disilicide der Untergruppen
IV und VI nach der Steigerung der Luftoxidationsbeständigkeit
in der folgenden Formel einordnen: TiSi2, ZrSi2, NbSi2 widerstehen
Temperaturen von 1073 bis 1373 K; TaSi2 – von 1373
bis 1673 K; CrSi2, Wsi2 – von 1673
bis 1973 K, MoSi2 – von 1973 bis 2073 K.
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Die
Schaffung der Beschichtungen auf Basis der komplexen Verbindungen
von Siliciden, die zusätzlich
mit Bor, Titan und anderen Elementen dotiert sind, ruft ein großes Interesse
hervor.
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Es
kann eine zusätzliche
Steigerung der Zuverlässigkeit
der Produkte mit den silicierten Beschichtungen durch die Bildung
der kombinierten Beschichtungen mit zwei Schichten des Typs Silicid/Oxid
(MeSi2/MeO) erhalten werden.
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Die
traditionellen Verfahren des Auftragens der silicierten Beschichtungen
erlauben es jedoch nicht, ähnliche
Beschichtungen mit zwei Schichten oder mehreren Schichten zu bilden.
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Die
Elektronenstrahlverdampfung mit nachfolgender Kondensation unter
Vakuum der metallischen und nicht metallischen Materialien stellt
einige Möglichkeiten
für die
Bildung derartiger Beschichtungen bereit.
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Die
Konstruktionen der weiter oben beschriebenen Elektronenstrahlanlagen
erlauben es dennoch nicht, aus den nachstehenden Gründen industriell
das Auftragen von silicierten Beschichtungen auf die Werkstücke zu realisieren:
es ist bekannt, dass sich Si, Ti, Zr, Nb, W, Cr- hauptsächlich in
der Spannung der Dämpfe
unterscheiden. Deshalb ist die Verdampfung der Verbindungen des
Typs MeSi2 anhand eines Tiegels nicht möglich. In
den industriellen Elektronenstrahlanlagen mit der Verdampfung von
mehreren Tiegeln und einer linearen Anordnung der Tiegel, können die
Verbindungen in der Dampfphase synthetisiert werden. In diesem Fall
wurde jedoch das Auftreten einer bedeutenden Heterogenität der chemischen
Verbindung der silicierten Beschichtung, die der Länge eines
Werkstückes
entspricht, das beispielsweise bei der Ti und Si Verdampfung von
zwei in Reihe angeordneten Tiegeln bedeckt ist, festgestellt. Das
Auftragen von komplexeren silicierten Beschichtungen mit vier in
Reihe angeordneten Tiegeln ist nicht ausführbar.
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Die
silicierten Beschichtungen können
in den Elektronenstrahlanlagen mit mehreren kreisförmig angeordneten
Tiegeln synthesiert werden. Eine derartige Realisierung wird weiter
unten beschrieben.
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Die
Ausgangsprodukte in Form von gegossenen Produkten oder gesinterten
Barren wurden in vier Tiegeln aus Kupfer, die mit Wasser abgekühlt sind,
einen Durchmesser von 70 mm aufweisen und kreisförmig angeordnet sind, angebracht.
Die gegossenen Produkte oder die Barren wurden an Stäben aus
Kupfer, die mit Wasser abgekühlt
sind und die mit Vertikalzufuhrmechanismen verbunden sind, angebracht.
Der Auftrag der geteilten oder gemischten Dampfflüsse erfolgt
auf einem drehenden Träger,
der aus nicht rostendem 8 mm Stahl in Scheibenform mit einem 520
mm Durchmesser hergestellt ist. Die Drehgeschwindigkeit des Trägers wurde
in einem Bereich von 0,05 bis 200 U/Min eingestellt.
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Die
Drehgeschwindigkeit ist streng konstant und dies mit Hilfe der einphasigen
Thyristoreinheit ɜTO 1. Sechs Elektronenstrahlvorwärmer mit
einer Leistung von jeweils 60 kW sind vorgesehen, um die Ausgangsprodukte
zu verdampfen und den Träger
zu erwärmen.
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Die
Anlage ist mit den Steuereinheiten der Elektronenstrahlvorwärmer ausgestattet.
Das verwendete Automatisierungssystem erlaubt es, die Geschwindigkeit
zu halten und einzustellen, die für die Verdampfung von jeder
der Komponenten während des
gesamten technologischen Prozesses notwendig ist, und Materialien
im pulsierenden Modus zu verdampfen.
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In
der Anlage ist es dank der Änderung
der Geometrie der Anordnung der vier Tiegel einfach, die silicierten
Beschichtungen beispielsweise durch eine Schicht oder zwei Schichten
zu synthetisieren, indem Ti und Si der beiden nebeneinander liegenden
Tiegel verdampft wird, sowie Zr und Si der beiden anderen Tiegel.
Unter Einsatz dieses technologischen Schemas, ist es ebenfalls einfach,
Beschichtungen mit zwei Schichten des Typs MeSi2/MeO zu bilden. Die Anlage erlaubt das Auftragen
der Beschichtungen jedoch erst auf einer Seite des zu beschichtenden Werkstückes. Die
Produktivität
ist sehr niedrig, da nach dem Auftragen einer Beschichtung, eine
Abkühlzeit
der Werkstücke
vorgesehen werden muss und ein neues Los zu beschichtender Werkstücke in die
Hauptkammer geladen werden muss. Die häufige Öffnung der Hauptkammer bewirkt
die Bildung des Kondensats der Luftfeuchtigkeit auf den Wänden der Kammer.
Bei der Erwärmung
der Produkte wird die Feuchtigkeit der Wände der Kammer auf deren Fläche kondensiert,
wobei die Oberflächenoxide
gebildet werden, was das Abblättern
der aufgetragenen Beschichtung hervorruft.
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Die
Anlage, die der Erfindung am nächsten kommt,
ist die Anlage, die in der japanischen Patentschrift Nr. 54-18989
vom 4. Oktober 1977 beschrieben wird und die in den 1 und 2 dargestellt wird.
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Diese
Anlage ist zum Beschichtungsauftragen auf Stangen vorgesehen, kann
jedoch nicht an die Ausführung
von Beschichtungen auf Gasturbinenschaufeln angewandt werden.
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Es
können
die folgenden verschiedenen Nachteile genannt werden:
- a) die zu beschichtenden Werkstücke befinden sich ab einer Öffnung der
Arbeitskammer, was eine negative Wirkung der Adhäsion der zerstäubten Schicht
an der Basis hervorruft;
- b) der Bau des Trägers
für die
zu beschichtenden Werkstücke
ist komplex;
- c) der Schutz der Antriebsorgane der zu beschichtenden Werkstücke ist
empfindlich. Die Steigerung des Kondensats auf diesen Organen bewirkt eine
Bremsung und gegebenenfalls eine Verwindung, was einen regelmäßigen Antrieb
des zu beschichtenden Werkstückes
ausschließt
und demgemäß die Bildung
einer gleichmäßigen Beschichtung.
- d) Die zu beschichtenden Werkstücke sind allesamt um einen
Träger
angeordnet und je mehr Werkstücke
dieser trägt,
umso bedeutender ist die Fläche
des Trägers,
so dass der Dampf der Legierung nicht die zu beschichtenden Werkstücke erreicht.
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Die
vorliegende Erfindung verschafft Abhilfe gegen diese verschiedenen
Nachteile.
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Die
Erfindung wird jetzt näher
unter Bezugnahme auf eine besondere Ausführungsform beschrieben, die
als Beispiel angegeben und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt
wird.
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Es
zeigen:
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3 eine
schematische Darstellung im Schnitt der erfindungsgemäßen Anlage.
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4 eine
Darstellung im Schnitt im größeren Maßstab der
technologischen Kammer.
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5 eine
Darstellung im Schnitt nach der Linie 5-5 der 4.
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Die
Anlage der 3 weist vier Kammern unter Vakuum
auf, die miteinander verbunden sind, eine technologische Hauptkammer 6,
eine Durchgangskammer 7 und zwei Kammern 8 und 9.
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Die
technologische Kammer weist Tiegel 10 und 11 auf,
die durch einen Wasserumlauf abgekühlt sind, und in denen gegossene
Materialien 12 und 13 geschüttelt werden, die der Realisierung
der Schutzbeschichtung dienen sollen. Die Anzahl der Tiegel kann
in Abhängigkeit
von der chemischen Verbindung des Materials variieren.
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In
der Kammer 6 erstreckt sich eine Trägereinheit, die eine Achse 21 aufweist,
an der ein Kegelrad 19 befestigt ist und durch Mittel in
Drehung versetzt wird, die nicht dargestellt sind. Die Achse 21 wird
in einer Muffe 20 geführt.
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Das
Kegelrad 19 wirkt gemeinsam mit einer Reihe von Kegelrädern 23,
die von einem Rad 22 gehalten werden, das leer um die Achse 21 läuft. Jedes Kegelrad 23 ist
mit Mitteln zum Fixieren eines zu beschichtenden Werkstückes 15 mit
einem Ring 24 zum Schutz der Räder 23 versehen.
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Elektronenstrahlkanonen 14 münden in
die Kammer 6 und sind zu den Tiegeln 10 und 11 gerichtet.
Die Kanonen sind vorgesehen, um die Materialien der Tiegel 10 und 11 zu
verdampfen.
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Zum
Vorwärmen
der zu beschichtenden Werkstücke 15,
werden elektronische Kanonen 25 verwendet. Im Laufe dieses
Prozesses sind die zu beschichtenden Werkstücke durch mobile Schirme 26 geschützt, um
den Niederschlag eines Kondensats auf den nicht genügend erwärmten Werkstücken zu
vermeiden.
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Wenn
die richtige Temperatur erreicht ist, öffnen sich die Schirme 26 gemäß eines
gegebenen Programms und mit Hilfe eines automatisierten Systems.
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Wie
es in der 5 gezeigt wird, kann die Anlage
eine Reihe von Tiegeln 16, 17 aufweisen; der prozentuale
Anteil des verdampften Materials, das dazu vorgesehen ist, das Werkstück zu beschichten, ist
größer in der
Nähe der
vertikalen Achse der Tiegel und verringert sich, wenn das Werkstück die Achse verlässt.
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Es
können
vertikale Schirme vorgesehen werden, die sich bis zur Nähe der zu
beschichtenden Werkstücke
erstrecken, um Beschichtungen zu realisieren, was die Realisierung
von Mikroschicht-Beschichtungen erleichtert, und dies ohne Übergangs- und
Konzentrationsgrenzfläche
zwischen den Schichten.
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Wenn
in der Ausführungsform,
die in der 3 gezeigt wird, die Werkstücke angemessen
beschichtet sind, erfasst ein Manipulator 27 den Träger 18 und
hebt ihn an, um ihn in die Durchgangskammer 7 zu bewegen,
und verschiebt ihn anschließend,
um ihn in der Kammer 8 derart auf einem Stützorgan 28 anzubringen,
dass die beschichteten Werkstücke
abgekühlt
sind. Während
der Abkühlung
wird ein zweiter Träger 18,
der mit neuen zu beschichtenden Werkstücken versehen ist, in die Kammer 7 gebracht. Die
Kammer 8 ist durch eine Tür 29 geschlossen und das
Abkühlen
wird durch Luftzufuhr in die Kammer 8 beschleunigt.
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In
der somit versehenen Kammer 9 wird das Vakuum hergestellt
und anschließend
entnimmt der Manipulator 27 den Träger aus der Kammer 9 und bringt
ihn in die Kammer 6 für
einen neuen Beschichtungsprozess und so weiter.
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Der
Manipulator 27 verfügt über einen
mobilen Wagen 30 auf Schienen 31, der sich in
der Kammer 7 befindet. Der Wagen ist mit Mitteln 32 versehen,
die gemeinsam mit einem Bolzen 33 wirken, der mit einer
Zange 34 versehen ist, die dazu vorgesehen ist, gemeinsam
mit dem Aufhängeorgan 39 des Trägers 18 zu
wirken. Die Zange 34 kann durch einen Elektromagneten 35 gesteuert
werden. Der Wagen 30 verfügt über elektromagnetische Mittel,
um die vertikale Verschiebung der Bolzen 33 sowie dessen Verschiebung
auf den Schienen 31 zu steuern.
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Es
ist ein mobiler Schirm 36 vorgesehen, der für die Einrichtung
des Trägers 18 in
der Kammer 6 entfernt und anschließend wieder angebracht werden
kann, um die Kammer 6 von der Kammer 7 zu trennen
und somit den Eintritt des Kondensats in die Kammer 7 während des
Beschichtungsprozesses.
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Die
Anlage verfügt über ein
stroboskopisches Überprüfungssystem 37 des
Beschichtungsprozesses, das auf einer Tür der Kammer 6 angeordnet
ist.
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Die.
erfindungsgemäße Anlage
ist einfacher als die bekannten Anlagen und erlaubt es, Beschichtungen
jedweden Typs aufzutragen.
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Die
nachstehenden Beispiele zeigen die von der Anlage bereit gestellten
Möglichkeiten:
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1) Auftragen einer Monoschicht-Beschichtung
des Typs MeCrAlY auf Turbinenschaufeln.
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In
die Tiegel 10, 11 der Kammer 6 werden gegossene
Materialien der Legierung NoCrAlY gegeben. In die Kammern 8, 9 werden
die Träger
mit den zu beschichtenden Werkstücken
geladen. Die Anlage ist dicht und vakuumbehandelt. Nachdem der notwendige
Vakuumgrad erreicht wurde, wird der Träger 18 mit den Werkstücken in
die Arbeitskammer 6 gegeben, die Schirme 26 werden
mit Hilfe der elektronischen Kanonen 25 geschlossen, die
Produkte 15 werden bis zur gegebenen Temperatur erwärmt, während mit
den Elektronenstrahlkanonen 14 der Durchgang im bestimmten
Verdampfungsmodus der gegossenen Materialien 12, 13 ausgeführt wird. Nach
dem Erwärmen
der Werkstücke
und der Verdampfung der Materialien, werden die Schirme 26 geöffnet und
es wird das Auftragen der Beschichtung auf den Produkten ausgeführt.
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2) Auftragen einer Monoschicht-Beschichtung
des Typs MeCrAlYHfSi auf Gasturbinenschaufeln.
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In
die Tiegel 10, 11 der Kammer 6 werden
die gegossenen Produkte der CoCrAlY Legierung gegeben und in die
Tiegel 16, 17 jeweils die gegossenen Produkte
des Hafniums und des Siliciums. In die Kammern 8, 9 werden
die Träger 18 mit
den zu beschichtenden Werkstücken
geladen. Die Anlage ist dicht und es wird das Vakuum hergestellt.
Nachdem der notwendige Vakuumgrad erreicht wurde, wird der Träger 18 mit
den Werkstücken
in die Kammer 6 gegeben. Die Schirme 26 sind mit
Hilfe der Elektronenstrahlkanonen 25 geschlossen und die
Werkstücke 15 werden
bis zur gegebenen Temperatur erwärmt, während gleichzeitig
der Durchgang im Verdampfungsmodus der gegossenen Materialien, die
sich in den Tiegeln 11, 12, 13, 14 befinden,
ausgeführt
wird. Die Schirme 26 werden anschließend geöffnet und es wird das Auftragen
der Beschichtung auf den Werkstücken
ausgeführt.
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3) Auftragen einer Zweischicht-Beschichtung
des Typs MeCrAlY/ZrO2-Y2O3 auf Gasturbinenschaufeln.
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In
die Tiegel 11, 12 der Arbeitskammer 6 werden
gegossene Materialien der Legierung CoCrAlY oder MeCrAlY gegeben,
und in die Tiegel 16, 17 jeweils die keramischen
Barren von ZrO2 – spezifische 6 bis 8% von
Y2O3. In die Kammern 8, 9 werden
jeweils die Träger 18,
die mit den zu beschichtenden Werkstücken 15 versehen sind,
gegeben. Die Anlage ist dicht und das Vakuum wird hergestellt, der
Träger 18 mit
den Werkstücken 15 wird
in die Kammer 6 gegeben. Die Schirme 26 werden
mit Hilfe der Elektronenstrahlkanonen 25 geschlossen und
es werden die Werkstücke 15 bis
zu einer bestimmten Temperatur erwärmt und es wird der Durchgang
im Verdampfungsmodus der gegossenen Materialien und Barren, die
in den Tiegeln 11, 12, 16 und 17 untergebracht sind,
ausgeführt.
Nach dem Erwärmen
der Produkte und der Verdampfung der Materialien, werden die Kanonen
getrennt, die zu den Tiegeln mit der Keramik gerichtet sind und
die Schirme 26 werden geöffnet. Es wird das Auftragen
der metallischen Innenschicht MeCrAlY ausgeführt. Nachdem der Prozess des
Auftragens der hitzbeständigen
metallischen Innenschicht vollendet ist, werden die Kanonen, die
die MeCrAlY Legierung zerstäuben,
getrennt und die Kanonen, die die Keramik zerstäuben, werden angeschlossen
und somit wird die Bildung der keramischen Außenbeschichtung ZrO2-Y2O3 ausgeführt. Das
Auftragen der Zweischicht-Beschichtung MeCrAlY/ZrO2-Y2O3 wird während
eines einzigen technologischen Zyklus ausgeführt. Es ist einfach, eine bestimmte
Grenzfläche
mit niedrigem Konzentrationsübergang
zwischen den metallischen und keramischen Komponenten der Zweischicht-Beschichtung zu
schaffen.
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4) Auftragen einer silicierten
Beschichtung des Typs CrSi2-MoSi2 auf Gasturbinenschaufeln.
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In
die Tiegel 11, 12, 16, 17 werden
nacheinander die gegossenen Produkte des Chroms, des Siliciums,
des Molybdäns
gegeben. Nach der Vakuumbehandlung und des Durchgangs in den Verdampfungsmodi
des Erwärmens
der zu beschichtenden Werkstücke,
werden die Schirme 26 geöffnet und es wird das Auftragen
der silicierten Beschichtung mit einer komplexen chemischen Verbindung
ausgeführt.
Durch das Ändern
der Verdampfungsgeschwindigkeiten des Cr, Mo und Si, ist es einfach,
die chemische Verbindung der Beschichtungen zu regeln.
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5) Auftragen einer CrSi2-MOSi2 Mikroschicht-Beschichtung
auf Gasturbinenschaufeln.
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Der
Prozess des Auftragens der Mikroschicht-Beschichtung unterschiedet sich von
demjenigen, der im Beispiel 4 beschrieben wird, da er durch alternierende
Auslösung
mit den bestimmten Intervallen der Elektronenstrahlkanonen ausgeführt wird, die
jeweils die gegossenen Produkte des Cr, Si und Mo verdampfen. Es
können
Beschichtungen mit abwechselnden Silicid-Chrom/Silicid- Molybdän-Schichten
mit bestimmten Dicken und chemischen Verbindungen, in Abhängigkeit
vom Zeitintervall und von der Geschwindigkeit der Verdampfung der
Komponenten, gebildet werden.
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Diese
Beispiele sind nicht einschränkend und
es könnten
noch weitere Beispiele genannt werden.
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Die
Erfindung ist selbstverständlich
nicht auf die Ausführungsform
begrenzt, die vorstehend beschrieben und dargestellt wird. Es können zahlreiche Detailänderungen
vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu sprengen, die
durch die beiliegenden Ansprüche
definiert wird.