DE60305704T2 - Anlage zum Beschichten von Werkstücken durch Elektronenstrahlen - Google Patents

Anlage zum Beschichten von Werkstücken durch Elektronenstrahlen Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Vakuummetallurgie und sie kann zum Beschichten von Produkten mit ausgereiftem Profil verwendet werden.
  • Derzeit wird vermehrt nach Beschichtungen gesucht, die besondere physikalische und mechanische Merkmale aufweisen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In der Arbeitskammer der Vakuumanlage werden unter dem geschützten Träger die Tiegel mit den zu verdampfenden Materialien nacheinander angeordnet.
  • In der Arbeitskammer der Vakuumanlage funktionieren die Verdampfer abwechselnd und der Träger und die Maskenplatte können sich frei drehen und verschoben werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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".
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die traditionellen Verfahren des Auftragens der silicierten Beschichtungen erlauben es jedoch nicht, ähnliche Beschichtungen mit zwei Schichten oder mehreren Schichten zu bilden.
  • Die Elektronenstrahlverdampfung mit nachfolgender Kondensation unter Vakuum der metallischen und nicht metallischen Materialien stellt einige Möglichkeiten für die Bildung derartiger Beschichtungen bereit.
  • 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.
  • Die silicierten Beschichtungen können in den Elektronenstrahlanlagen mit mehreren kreisförmig angeordneten Tiegeln synthesiert werden. Eine derartige Realisierung wird weiter unten beschrieben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Anlage ist zum Beschichtungsauftragen auf Stangen vorgesehen, kann jedoch nicht an die Ausführung von Beschichtungen auf Gasturbinenschaufeln angewandt werden.
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung verschafft Abhilfe gegen diese verschiedenen Nachteile.
  • Die Erfindung wird jetzt näher unter Bezugnahme auf eine besondere Ausführungsform beschrieben, die als Beispiel angegeben und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt wird.
  • Es zeigen:
  • 3 eine schematische Darstellung im Schnitt der erfindungsgemäßen Anlage.
  • 4 eine Darstellung im Schnitt im größeren Maßstab der technologischen Kammer.
  • 5 eine Darstellung im Schnitt nach der Linie 5-5 der 4.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Wenn die richtige Temperatur erreicht ist, öffnen sich die Schirme 26 gemäß eines gegebenen Programms und mit Hilfe eines automatisierten Systems.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Anlage verfügt über ein stroboskopisches Überprüfungssystem 37 des Beschichtungsprozesses, das auf einer Tür der Kammer 6 angeordnet ist.
  • Die. erfindungsgemäße Anlage ist einfacher als die bekannten Anlagen und erlaubt es, Beschichtungen jedweden Typs aufzutragen.
  • Die nachstehenden Beispiele zeigen die von der Anlage bereit gestellten Möglichkeiten:
  • 1) Auftragen einer Monoschicht-Beschichtung des Typs MeCrAlY auf Turbinenschaufeln.
  • 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.
  • 2) Auftragen einer Monoschicht-Beschichtung des Typs MeCrAlYHfSi auf Gasturbinenschaufeln.
  • 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.
  • 3) Auftragen einer Zweischicht-Beschichtung des Typs MeCrAlY/ZrO2-Y2O3 auf Gasturbinenschaufeln.
  • 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.
  • 4) Auftragen einer silicierten Beschichtung des Typs CrSi2-MoSi2 auf Gasturbinenschaufeln.
  • 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.
  • 5) Auftragen einer CrSi2-MOSi2 Mikroschicht-Beschichtung auf Gasturbinenschaufeln.
  • 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.
  • Diese Beispiele sind nicht einschränkend und es könnten noch weitere Beispiele genannt werden.
  • 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.

Claims (4)

  1. Anlage zum Elektronenstrahlbeschichten von Werkstücken, die von derjenigen Art ist, die eine Kammer (6) mit Mitteln, um sie unter Vakuum zu halten, Tiegel (10, 11), die dazu vorgesehen sind, zu verdampfende Materialien aufzunehmen, Elektronenstrahlkanonen (25, 14), die dazu vorgesehen sind, die Verdampfung der Materialien zu bewirken, und einen Träger (18) für die zu beschichtenden Werkstücke (15) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (18) auf einer vertikalen Achse (22) angebracht ist, die mit Mitteln, um sie in Drehung zu versetzen, verbunden ist und ein auf ihr befestigtes Kegelrad (24) umfasst, das eine Reihe von Kegelrädern (23) antreibt, die mit Mitteln verbunden sind, um zu beschichtende Werkstücke (15) derart zu fixieren, dass Letztere mit ihrem freien Ende auf die Tiegel gerichtet sind.
  2. Anlage zum Elektronenstrahlbeschichten von Werkstücken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Klappen (26) umfasst, um die zu beschichtenden Werkstücke (15) während einer Vorheizung der genannten, zu beschichtenden Werkstücke zu isolieren.
  3. Anlage zum Elektronenstrahlbeschichten von Werkstücken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (18) der zu beschichtenden Werkstücke auf der vertikalen Achse (22) unbeweglich angeordnet ist.
  4. Anlage zum Elektronenstrahlbeschichten von Werkstücken nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste Kammer (9), die zur Aufnahme eines Trägers (18) vorgesehen ist, der mit zu beschichtenden Werkstücken (15) versehen ist, Mittel (27), um in der genannten ersten Kammer Vakuum zu erzeugen, eine Durchgangskammer (7), die unter Vakuum gehalten ist und einen Manipulator (27) aufweist, um den in der ersten Kammer befindlichen Träger anzuheben und ihn in die Kammer (6) zu bewegen, in der die zu beschichtenden Werkstücke beschichtet werden müssen, sowie eine dritte Kühlkammer (8) umfasst, die dazu vorgesehen ist, den Träger mit beschichteten Werkstücken (15) aufzunehmen.
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