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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen
einer Beschichtung auf einen metallischen Gegenstand, und insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Aufbringen einer
Umweltschutzbeschichtung und/oder einer thermischen Sperrschicht
auf einen metallischen Gegenstand.
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Umweltschutzbeschichtungen
umfassen Aluminidüberzüge, Platinüberzüge, Chromüberzüge, MCrAlY-Überzüge, Silizidüberzüge, durch
Platin modifizierte Aluminidüberzüge, durch
Chrom modifizierte Aluminidüberzüge, durch
Platin und Chrom modifizierte Aluminidüberzüge, durch Silizide modifizierte Aluminidüberzüge, durch
Platin und Silizide modifizierte Aluminidüberzüge und durch Platin, Silizide und
Chrom modifizierte Aluminidüberzüge usw.
Die Aluminidüberzüge werden
im Allgemeinen durch eine bekannte Packaluminisierung, durch Aluminisierung
außerhalb
des Packs, durch Dampfaluminisierung oder durch Aufschlämmaluminisierungs-Prozesse
aufgebracht. Die Platinüberzüge werden
im Allgemeinen durch Elektroplattierung oder Sputtern aufgebracht.
Chromüberzüge werden
im Allgemeinen durch Packchromisierung oder Dampfchromisierung aufgebracht.
Silizidüberzüge werden
im Allgemeinen durch Aufschlämmaluminisierung
aufgebracht. MCrAlY-Überzüge werden
im Allgemeinen durch Plasmaspritzen oder physikalische Elektronenstrahl-Dampfablagerung
aufgebracht.
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Thermische
Sperrüberzüge umfassen
durch Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid und durch Magnesiumoxid
stabilisiertes Zirkonoxid usw. Thermische Sperrüberzüge werden im Allgemeinen durch
Plasmaspritzen oder physikalische Elektronenstrahl-Dampfablagerung aufgebracht.
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Demgemäß sucht
die Erfindung ein neuartiges Verfahren zu schaffen, um einen Überzug oder eine
Beschichtung auf einen metallischen Gegenstand aufzubringen.
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Demgemäß schafft
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung
auf einen metallischen Gegenstand mit den folgenden Schritten: es
wird eine Sputterkammer (Verdampfungskammer) mit einer ersten hohlen
Kathode bereitgestellt und die erste hohle Kathode umfasst ein Material,
um eine Schutzbeschichtung zu erzeugen, wobei das Material der ersten
hohlen Kathode Aluminium, Platin, Yttrium, Chrom oder eine Legierungsmischung
von irgend zwei oder mehreren Elementen von Aluminium, Platin, Yttrium
oder Chrom sein kann; dann wird der metallische Gegenstand in der
ersten hohlen Kathode untergebracht und es wird die Sputterkammer
evakuiert; dann wird eine negative Spannung an die erste hohle Kathode
angelegt, um ein Plasma zu erzeugen und derart, dass das Material
der hohlen Kathode auf den metallischen Gegenstand gesputtert wird,
um den Schutzüberzug
zu erzeugen; dann wird eine positive Spannung an den metallischen
Gegenstand angelegt, um Elektronen vom Plasma abzuziehen und um
den Schutzüberzug zu
erhitzen und auf diese Weise die Elemente des metallischen Gegenstandes
mit dem Schutzüberzug durch
Diffusion miteinander zu verbinden, um einen Aluminidschutzüberzug,
einen Platin-Aluminidschutzüberzug,
einen Platinschutzüberzug
oder einen Chromschutzüberzug
zu erzeugen; und es wird schließlich
eine negative Spannung am metallischen Gegenstand angelegt, um Ionen
aus dem Plasma abzuziehen und den Schutzüberzug zu beschießen, um Fehlstellen
im Schutzüberzug
zu vermindern.
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Der
Aluminidschutzüberzug
oder der Platin-Aluminidschutzüberzug
weisen Chrom und/oder Yttrium auf.
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Die
hohle Kathode kann mehrere langgestreckt angeordnete Abschnitte
aufweisen und die Abschnitte bestehen aus verschiedenen Materialien und
der metallische Gegenstand wird anschließend durch die Abschnitte der
hohlen Kathode geschickt, um Überzüge aus unterschiedlichem
Material nacheinander auf dem metallischen Gegenstand aufzubringen.
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Die
verschiedenen Materialien können
zwei oder mehrere der folgenden Materialien umfassen: Aluminium,
Platin, Yttrium, Chrom und MCrAlY.
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Das
Verfahren kann den zusätzlichen
Schritt umfassen, wenigstens ein Gas in die Sputterkammer zu leiten
und eine negative Spannung an den metallischen Gegenstand anzulegen,
um ein Plasma zu erzeugen und die Oberfläche zu reinigen, bevor der Schutzüberzug abgelagert
wird.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren ein alternatives Anlegen einer positiven Spannung
und einer negativen Spannung am metallischen Gegenstand.
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Das
Verfahren kann außerdem
die Auswahl von Größe und Dauer
der am metallischen Gegenstand angelegten positiven Spannung derart
umfassen, dass die Elemente von dem Schutzüberzug in den metallischen
Gegenstand diffundieren.
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Stattdessen
kann das Verfahren die Auswahl von Größe und Dauer der am metallischen
Gegenstand angelegten positiven Spannung derart umfassen, dass die
Elemente von dem metallischen Gegenstand in den Schutzüberzug diffundieren.
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Gemäß der Erfindung
kann ein reaktives Gas in die Sputterkammer eingeleitet werden,
um einen durch Dispersion verstärkten
Schutzüberzug
zu schaffen.
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Vorzugsweise
umfasst die hohle Kathode einen oder mehrere Vorsprünge, die
sich von der hohlen Kathode nach dem metallischen Gegenstand erstrecken.
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Vorzugsweise
wird die Länge
der einzelnen Vorsprünge
und/oder der Abstand zwischen den Vorsprüngen so gewählt, dass Veränderungen
in der Dicke des Schutzüberzuges
an vorbestimmten Bereichen auf dem metallischen Gegenstand erzeugt
werden.
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Einige
der Vorsprünge
können
aus unterschiedlichen Materialien gegenüber den übrigen Vorsprüngen bestehen,
um eine Variation in der Zusammensetzung des Schutzüberzuges
an einer vorbestimmten Stelle des metallischen Gegenstandes zu erreichen.
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Es
kann ein quer liegender Abschnitt der hohlen Kathode aus Materialien
hergestellt werden, die von dem Material der übrigen hohlen Kathode unterschiedlich
sind, um eine Variation in der Zusammensetzung des Schutzüberzuges
an einer vorbestimmten Stelle auf dem metallischen Gegenstand zu erreichen.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren die zusätzlichen
folgenden Schritte: es wird eine Sputterkammer bereitgestellt, die
eine zweite hohle Kathode besitzt, wobei die zweite hohle Kathode
aus einem inerten Material besteht; es werden Vorläufergase
in die Sputterkammer eingeleitet, wobei die Vorläufergase geeignet sind, einen
thermischen Sperrüberzug zu
erzeugen; es wird eine negative Spannung an der hohlen Kathode angelegt,
um ein Plasma zu erzeugen, so dass die Vorläufergase in dem Plasma reagieren
und einen thermischen Sperrüberzug
auf dem Schutzüberzug
ablagern.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren die Zuführung
wenigstens eines Gases in die Sputterkammer und das Anlegen einer
negativen Spannung an den metallischen Gegenstand, um ein Plasma
zu erzeugen und die Oberfläche
des Schutzüberzuges
zu reinigen, bevor der thermische Sperrüberzug abgelagert wird.
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Vorzugsweise
bestehen die reaktiven Gase aus Zirkonchlorid und Yttriumchlorid,
um einen durch Yttriumoxid stabilisierten thermischen Sperrüberzug aus
Zirkonoxid auf dem Schutzüberzug
abzulagern.
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Vorzugsweise
besteht der metallische Gegenstand aus einer Nickel-Superlegierung
oder einer Kobalt-Superlegierung oder aus einer Eisen-Superlegierung.
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Vorzugsweise
weist der Schutzüberzug
ein Platinaluminid in dem vorbestimmten Bereich auf und der übrige Schutzüberzug besteht
aus einem Aluminidschutzüberzug.
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Der
vorbestimmte Bereich ist die Vorderkante und die konkave Oberfläche der
Turbinenlaufschaufel oder Turbinenleitschaufel.
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Vorzugsweise
ist der metallische Gegenstand eine Turbinenlaufschaufel oder Turbinenleitschaufel.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren das Anlegen unterschiedlicher negativer Spannungen
an die hohle Kathode, um Schichten in dem thermischen Sperrüberzug zu
bilden.
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Vorzugsweise
ist die zweite hohle Kathode in einer zweiten Sputterkammer angeordnet.
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Vorzugsweise
sind erste und zweite Sputterkammer durch eine Luftschleuse miteinander
verbunden.
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Vorzugsweise
sind erste und zweite hohle Kathode zylindrisch ausgebildet.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 zeigt
eine Turbinenlaufschaufel eines Gasturbinentriebwerks mit einem
durch das erfindungsgemäße Verfahren
aufgebrachten Überzug;
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2 ist
eine Schnittansicht durch einen Überzug,
der durch das erfindungsgemäße Verfahren
aufgebracht wurde;
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3 ist
eine Schnittansicht einer Vorrichtung, durch die ein Überzug nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
aufgebracht werden kann;
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4 ist
ein Schnitt nach der Linie A-A der Vorrichtung gemäß 3;
und
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5 ist
eine graphische Darstellung der während der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
an einem Substrat angelegten Spannung;
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6 ist
eine Schnittansicht eines weiteren Überzugs, der durch ein erfindungsgemäßes Verfahren
aufgebracht wurde;
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7 ist
eine Schnittansicht durch einen weiteren Überzug, der durch ein erfindungsgemäßes Verfahren
aufgebracht wurde;
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8 ist
eine Schnittansicht durch eine weitere Vorrichtung zur Ablagerung
eines Überzuges durch
ein erfindungsgemäßes Verfahren.
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Eine
Turbinenlaufschaufel 10 eines Gasturbinentriebwerks besteht
gemäß 1 aus
einem Arbeitsabschnitt 12, einer Plattform 14 und
einem Schaufelfuß 16.
Der Arbeitsabschnitt 12 der Turbinenlaufschaufel 10 trägt einen Überzug 20.
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Der Überzug 20 besteht,
wie deutlicher aus 2 ersichtlich ist, aus einem
Verbundüberzug 22, einer
Oxidschicht 24 und einem keramischen thermischen Sperrüberzug 26.
Der Verbundüberzug 22 kann
ein Aluminidüberzug,
ein Platinaluminidüberzug,
ein MCrAlY-Überzug
sein oder von zweien oder mehreren davon gebildet werden. Beispielsweise kann
ein MCrAlY-Überzug
mit einer Platinaluminidschicht zwischen dem MCrAlY-Überzug und
der Turbinenlaufschaufel vorgesehen sein oder es wird ein Platinaluminidüberzug mit
einem MCrAlY-Überzug zwischen
dem Platinaluminidüberzug
und der Turbinenlaufschaufel vorgesehen. Yttrium, Chrom und andere
günstige
Elemente können
in den Aluminidüberzügen eingeschlossen
werden, indem diese Elemente in der Innenwand vorgesehen werden.
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Die
Oxidschicht 24 weist Aluminiumoxid auf, um den keramischen
thermischen Sperrüberzug 26 auf
dem Verbundüberzug 22 festzulegen.
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Das
Zirkonoxid des keramischen thermischen Sperrüberzuges besteht vorzugsweise
aus durch Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid, obgleich auch andere
geeignete Keramikmaterialien benutzt werden können. Der keramische thermische
Sperrüberzug 26 weist
eine Vielzahl von Stängelkörnern 28 auf,
die sich im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Turbinenlaufschaufel 10 erstrecken.
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In
den 3 und 4 ist eine Vorrichtung zum Aufbringen
eines Überzuges 20 dargestellt.
Die Vorrichtung weist eine Vakuumkammer 30 auf, die mittels
einer nicht dargestellten Vakuumpumpe über eine Auslassöffnung 32 evakuiert
wird. Die Vakuumkammer 30 wird zu verschiedenen Zeiten
mit unterschiedlichen Gasen aus geeigneten Quellen über eine
Einlassöffnung 34 beschickt.
Eine Rohrspule 36 ist um die Vakuumkammer 30 herum
angeordnet und die Rohrspule 36 wird mit Wasser gespeist,
um die Vakuumkammer 30 zu kühlen. Eine zylindrische Elektrode 38 ist
innerhalb der Vakuumkammer 30 angeordnet und die Elektrode 38 ist
elektrisch über
einen Draht 40 mit einer negativen Quelle einer elektrischen
Spannungsquelle 42 verbunden. Der Draht 40 tritt
durch die Wand der Vakuumkammer 30 hindurch und ist elektrisch
gegenüber
der Wand durch einen Isolator 44 isoliert. So bildet die
zylindrische Elektrode im Betrieb eine hohle Kathode, wenn ein negatives
Potenzial über
die Spannungsquelle 42 angelegt wird.
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Die
zylindrische Elektrode 38 weist eine Innenwand 46 auf,
die aus einem Material besteht, das auf einer Turbinenlaufschaufel 10 abgelagert
werden soll, oder die Innenwand 46 ist aus einem Material hergestellt,
das relativ inert gegenüber
Gasen ist, die in die Vakuumkammer 30 eingeleitet werden.
Die zylindrische Elektrode 38 weist auch einen hohlen ringförmigen Tank 48 auf,
der die Innenwand 46 umschließt und in inniger thermischer
Berührung
mit dieser steht. Der hohle Tank 48 ist mit einem Einlassrohr 50 und
einem Auslassrohr 52 versehen, und der hohle Tank 48 wird
mit Wasser von einer nicht dargestellten Wasserzuführung über das
Einlassrohr 50 gespeist, um die zylindrische Elektrode 38 abzukühlen. Das
verbrauchte Wasser wird aus dem hohlen Tank 48 über das
Auslassrohr 52 abgegeben. Der hohle Tank 48 ermöglicht eine
Zirkulation des Wassers gegenüber
der Innenwand 46 der hohlen Elektrode 38, so dass
die zylindrische Elektrode 38 abgekühlt wird. Die Einlass- und
Auslassrohre 50 bzw. 52 stehen durch die Wände der
Vakuumkammer 30 über
ioslierte Durchführungen 54 bzw. 56 hindurch.
Die zylindrische Elektrode 38 wird von der Vakuumkammer 30 durch
einen Träger 58 abgestützt, der
die zylindrische Elektrode 38 von der Vakuumkammer 30 isoliert.
Die Vakuumkammer 30 ist geerdet.
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Eine
Magnetspule 60 erstreckt sich koaxial um die zylindrische
Elektrode 38 und sie ist radial von dem hohlen Tank 48 distanziert.
Die Magnetspule 60 ist elektrisch über elektrische Kabel 62 und 64 mit
einer nicht dargestellten elektrischen Spannungsquelle verbunden.
Die Kabel 62 und 64 sind durch die Wände der
Vakuumkammer 30 über
isolierte Durchführungen 66 bzw. 68 geführt. Die
Magnetspule 60 wird von einem zweiten hohlen Ringtank 70 umgeben,
der in inniger thermischer Berührung
mit der Magnetspule 60 steht. Der zweite hohle Tank 70 ist
mit einem Einlassrohr 72 und einem Auslassrohr 74 ausgestattet
und der zweite hohle Tank 70 wird über eine nicht dargestellte
Wasserquelle über
das Einlassrohr 72 mit Wasser versorgt, um die Magnetspule 60 zu
kühlen.
Das benutzte Wasser wird aus dem zweiten hohlen Tank 70 über das
Auslassrohr 74 ausgelassen. Der zweite hohle Tank 70 ermöglicht eine
Zirkulation des Wassers um die Magnetspule 60 herum. Das Einlassrohr 72 und
das Auslassrohr 74 durchstoßen die Wand der Vakuumkammer 30 über isolierte Durchführungen 76 bzw. 78.
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Die
Innenwand 46 der zylindrischen Elektrode 38 kann,
wie oben erwähnt,
aus einem Material bestehen, das auf dem metallischen Gegenstand
abgelagert wird. In diesem Fall kann die Innenwand 46 in
Form getrennter Platten aus unterschiedlichen Materialien bestehen,
die unabhängig
erregt werden, damit die Zusammensetzung des Überzuges geändert wird. Beispielsweise
kann die Innenwand 46 aus abwechselnden Platten aus Aluminium
und Platin hergestellt sein, um Schichten aus Aluminium und Platin
abzulagern und um einen Platinaluminidüberzug zu schaffen.
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Die
Innenwand 46 der zylindrischen Elektrode 38 kann
aus einem inerten Material bestehen, so dass reaktive Gase in die
zylindrische Elektrode 38 zur Reaktion geführt werden
können,
um entweder einen Überzug
auf dem metallischen Gegenstand 10 abzulagern oder um mit
unerwünschten
Elementen auf dem metallischen Gegenstand 10 derart zu
reagieren, dass der metallische Gegenstand 10 gereinigt
wird. Wenn die Innenwand 46 aus einem inerten Material
besteht, kann ein nicht-reaktives Gas in die zylindrische Elektrode 38 eingeführt werden,
um den metallischen Gegenstand 10 zu reinigen.
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So
kann die zylindrische Elektrode 38 aus Platten des Materials
bestehen, das abgelagert werden soll und aus Platten von inertem
Material und alle Platten können
unabhängig
erregt werden.
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Die
Innenwand 46 der zylindrischen Elektrode 38 weist
vorzugsweise Vorsprünge 108 auf,
die sich im Wesentlichen radial nach der Achse der zylindrischen
Elektrode 38 erstrecken. Die radialen Vorsprünge 108 verbessern
das Plasma, das in der zylindrischen Elektrode 38 erzeugt
wird.
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Die
radialen Vorsprünge 108 können mit
gleichem Umfangsabstand dazwischen angeordnet werden oder sie können einen
unterschiedlichen Umfangsabstand zwischen sich aufweisen. Die Benutzung
von radialen Vorsprüngen 108 mit
einem gleichen Umfangsabstand erhöht die Überzugsrate und schafft die
richtige Plasmadichte. Die radialen Vorsprünge 108 gemäß 4 sind
auf der linken Seite der Innenwand 46 mit einem größeren Umfangsabstand
zwischen den Vorsprüngen 108 vorgesehen als
auf der rechten Seite der Innenwand 46.
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Die
radialen Vorsprünge 108 können eine gleiche
radiale Länge
aufweisen oder sie können
mit unterschiedlichen radialen Längen
versehen sein. Die radialen Vorsprünge 108 können aus
dem gleichen Material wie die Innenwand 46 oder aus einem anderen
Material bestehen. Die radialen Vorsprünge 108 gemäß 4 sind
auf der linken Seite der Innenwand 48 mit einer größeren radialen
Länge ausgebildet
als die Vorsprünge
auf der rechten Seite der Innenwand 46.
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Die
Vakuumkammer 30 ist mit einer Öffnung 80 versehen,
damit Gegenstände
in die Vakuumkammer 30 eingefügt werden können. Die Öffnung 80 ist mit
einer Tür 82 versehen,
die benutzt wird, um die Öffnung 80 zu
schließen
und abzudichten. Die Tür 82 ist
an der Vakuumkammer 30 durch Muttern 84 festgelegt,
die auf Bolzen 86 aufgeschraubt sind, welche um die Öffnung 80 herum
angeordnet sind. Stattdessen kann die Tür schwenkbar mit der Vakuumkammer 30 verbunden
sein, und die Tür
kann durch geeignete andere Mittel geschlossen und abgedichtet werden.
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Der
metallische Gegenstand, beispielsweise eine Turbinenlaufschaufel
oder eine Turbinenleitschaufel 10, der überzogen werden soll, wird
innerhalb der zylindrischen Elektrode 38 untergebracht und
der Gegenstand 10 wird elektrisch über einen Draht 86 mit
einer Spannungsquelle 88 verbunden. Der Draht 86 tritt
durch die Wand der Vakuumkammer 30 hindurch und er ist
gegenüber
der Wand durch einen Isolator 90 isoliert.
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Die
Einlassöffnung 34 ist
mit Gasflaschen oder Gasgeneratoren 92, 94, 96 und 98 über Ventile 100, 102, 104 bzw. 106 verbunden.
Die Gasflasche oder der Gasgenerator 92 enthält Argongas,
um die Erzeugung einer Glimmentladung oder eines Plasma in der Vakuumkammer 30 aufrecht
zu erhalten. Die Gasflasche oder der Gasgenerator 94 enthält Wasserstoff
oder ein anderes geeignetes reaktives oder nicht-reaktives Gas,
um eine Reinigung des metallischen Gegenstandes 10 zu bewirken.
Die Gasflasche oder der Gasgenerator 96 enthält Zirkonchlorid oder
ein geeignetes anderes Gas, das reagiert, um einen keramischen thermischen
Sperrüberzug
zu erzeugen. Die Gasflasche oder der Gasgenerator 98 enthält Yttriumchlorid
oder ein anderes geeignetes Gas, das reagiert, um ein Keramikmaterial
zum Einbau in dem keramischen thermischen Sperrüberzug zu bilden, der durch
die Reaktion des Gases in der Gasflasche oder dem Gasgenerator 96 gebildet
wurde.
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Um
den Überzug 20 gemäß 1 und 2 herzustellen,
wird zunächst
ein Verbundüberzug 22 auf
dem metallischen Gegenstand 10 abgelagert. Um den Verbundüberzug 22 abzulagern,
besteht die Innenwand 46 der zylindrischen Elektrode 38 aus
einem Material oder mehreren Materialien, die auf dem metallischen
Gegenstand 10 abgelagert werden sollen. Die Innenwand 46 kann
aus mehreren Platten aus unterschiedlichen Materialien bestehen
oder die Innenwand kann aus einer Legierung oder Mischung der verschiedenen
Materialien bestehen oder die radialen Vorsprünge 108 und die Innenwand 46 können unterschiedliche
Materialien aufweisen. Um beispielsweise einen einfachen Aluminidverbundüberzug 22 zu
erzeugen, besteht die Innenwand 46 nur aus Aluminium; um
einen einfachen Platinverbundüberzug 22 zu
erzeugen, besteht die Innenwand 46 nur aus Platin; und
um einen MCrAlY-Verbundüberzug 22 zu
erzeugen, besteht die Innenwand 46 aus MCrAlY. Um einen
Platinaluminidverbundüberzug 22 zu
erzeugen, weist die Innenwand 46 abwechselnd Platten aus
Platin und Aluminium auf oder die Innenwand 46 besteht
aus einer Legierung oder Mischung von Platin und Aluminium oder
die radialen Vorsprünge 108 bestehen
aus Platin und die Innenwand 46 besteht aus Aluminium oder
umgekehrt. Um einen Verbundüberzug 22 zu
erzeugen, der aus Platinaluminid auf MCrAlY besteht, umfasst die
Innenwand 46 abwechselnd Platten aus MCrAlY, Platin und
Aluminium.
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Die
Vakuumkammer 30 wird auf einen Druck von etwa 0,133 Pa
(1 × 10–3 Torr)
evakuiert und erhitzt, um die Ausgasung des Inneren der Vakuumkammer 30 zu
unterstützen.
Wenn der erforderliche Druck innerhalb der Vakuumkammer 30 erreicht
ist, wird ein inertes Gas, beispielsweise Argon, in die Vakuumkammer 30 aus
der Gasflasche 92 über
das Ventil 100 und die Einlassöffnung 34 eingeführt. Das inerte
Gas ermöglicht
den Aufbau einer Glimmentladung oder eines Plasma innerhalb der
zylindrischen Elektrode 38. Geeignete Drücke liegen
im Bereich zwischen 6,66 × 10–3 bis
0,133 Pa (5 × 10–1 bis
1 × 10–3 Torr),
und geeignete Potenziale, die an die zylindrische Elektrode angelegt
werden, liegen im Bereich zwischen 300 und 900 Volt.
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Die
negative Spannung an der zylindrischen Elektrode 38 bewirkt,
dass das Material der Innenwand 46 oder der Innenwand 46 und
der radialen Vorsprünge 108 auf
den metallischen Gegenstand 10 gesputtert wird, um den
Verbundüberzug 22 zu
erzeugen. Die an die zylindrische Elektrode 38 angelegte
Spannung kann geändert
werden, um die Rate einzustellen, mit der das Material auf den metallischen
Gegenstand 10 gesputtert wird.
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Die
an den metallischen Gegenstand 10 angelegte Spannung kann
während
der Ablagerung des Verbundüberzuges 22 von
der Innenwand 46 der zylindrischen Elektrode 38 geändert werden,
um den Verbundüberzug 22 einzustellen.
Wie in 5 dargestellt, wird die Spannung bei Ablagerung
des Verbundüberzuges 22 periodisch
zwischen einer negativen Spannung V2 und
einer positiven Spannung V1 geändert. Die
negative Spannung V2 wird an den metallischen
Gegenstand 10 angelegt, um Ionen, d.h. Argonionen, zu veranlassen,
vom metallischen Gegenstand 10 angezogen zu werden und
die Ionen beschießen
die Oberfläche
des Verbundüberzuges 22 und
verdichten den Verbundüberzug 22 und
vermindern oder entfernen Defekte im Verbundüberzug 22. Die positive
Spannung V1 wird an den metallischen Gegenstand 10 angelegt,
um Elektroden, die vom metallischen Gegenstand 10 angezogen
wurden, zu veranlassen, den metallischen Gegenstand 10 aufzuheizen,
um eine Zwischendiffusion zwischen den Elementen in dem metallischen
Gegenstand 10 und den Elementen im Verbundüberzug 22 zu
erzeugen.
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Die
Größe der negativen
Spannung V2 und die Zeit T2,
während
der diese angelegt wird, steuert die Wirksamkeit der Verdichtung
und der Entfernung von Fehlstellen. Die Größe der positiven Spannung V1 und die Zeit T1,
während
der diese angelegt ist, steuert die Wirksamkeit der Erhitzung des
metallischen Gegenstandes 10. So kann durch geeignete Wahl
der Spannungen V1 und V2 und
der Zeiten T1 und T2 eine
geeignete Verdichtung erzeugt werden und es kann die Type des Verbundüberzuges 22 ausgewählt werden.
Wenn eine hohe Erhitzungswirksamkeit gewählt wird, dann ist der Verbundüberzug 22 ein
nach einwärts
gerichteter Diffusionstyp oder wenn eine niedrige Erhitzungswirksamkeit
gewählt wird,
dann ist der Verbundüberzug 22 ein
nach außen gerichteter
Diffusionstyp.
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Die
Magnetspule 60 wird außerdem
benutzt, um die Zahl der Elektronen einzustellen, die vom metallischen
Gegenstand 10 angezogen werden. Das Magnetfeld kann erhöht werden,
um die Zahl der vom metallischen Gegenstand 10 angezogenen
Elektronen zu vermindern und um eine Überhitzung des metallischen
Gegenstandes 10 zu verhindern und zu gewährleisten,
dass die gewünschte
Type der Zwischendiffusion der Elemente zwischen metallischem Gegenstand 10 und
Verbundüberzug 22 erreicht wird.
Das Magnetfeld kann abgesenkt werden, um die Zahl der Elektronen
zu vergrößern, die
vom metallischen Gegenstand 10 angezogen werden, damit die
Erhitzung erhöht
und gewährleistet
wird, dass die erforderliche Type der Zwischendiffusion der Elemente
zwischen dem metallischen Gegenstand 10 und dem Verbundüberzug 22 erreicht
wird.
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Wenn
der Verbundüberzug 22 kein
einfacher Verbundüberzug
ist, kann der metallische Gegenstand 10 in der zylindrischen
Elektrode 38 axial derart bewegt werden, dass er innerhalb
der geeigneten Platte aus jenem Material zu liegen kommt, das abgelagert
werden soll.
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Demgemäß besteht
ein Vorteil der Erfindung darin, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren sowohl
der Verbundüberzug
abgelagert, Fehlstellen vermindert und eine Zwischendiffusion der
Elemente von Verbundüberzug
und metallischem Gegenstand in einem Verfahren durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Erfordernis
einer standardisierten Packaluminisierung oder einer Dampfaluminisierung
vermieden wird, bei dem Aluminiumhalogene als Träger für das Aluminium benutzt werden
und darauf Wärmebehandlungsschritte
erfolgen.
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Die
radialen Vorsprünge 108 verbessern
allgemein das Plasmafeld zwischen den Vorsprüngen 108, was zu einer
Erhöhung
der hohen Ablagerungsrate des Materials von den radial inneren Enden
der Vorsprünge 108 führt. Wenn
jedoch der Umfangsabstand zwischen den radialen Vorsprüngen 108 unter einem
vorbestimmten Wert liegt, wird das Plasma nicht erzeugt. Die radialen
Vorsprünge 108 auf
der rechten Seite von 4 liegen dichter aneinander
als jene auf der linken Seite, so dass auf der rechten Seite der
zylindrischen Elektrode 38 keine Verbesserung des Plasma
erfolgt. Dies führt
zu einer Ablagerung dickerer Verbundüberzüge 22 auf jener Seite
des metallischen Gegenstandes 10, verglichen mit der anderen
Seite. Die radialen Vorsprünge 108 auf
der linken Seite der Innenwand 46 sind länger, und
dies führt
zu einer Ablagerung eines dickeren Verbundüberzugs 22 auf jener
Seite des metallischen Gegenstandes 10, verglichen mit
der anderen Seite.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Dicke des
Verbundüberzuges
an bestimmten Bereichen des metallischen Gegenstandes durch die
Vorsprünge
eingestellt werden kann. Beispielsweise kann die konkave Oberfläche der
Vorderkante der Turbinenlaufschaufel mit einem dickeren Verbundüberzug versehen
werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Zusammensetzung
des Verbundüberzuges
an verschiedenen Stellen des metallischen Gegenstandes durch die
Vorsprünge eingestellt
werden kann.
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Beispielsweise
können
die konkave Oberfläche
und die Vorderkante der Turbinenlaufschaufel mit einem Platinaluminidüberzug versehen
werden und die übrige
Schaufel kann mit einem Aluminidüberzug
versehen werden.
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Es
ist auch möglich,
ein reaktives Gas in die Vakuumkammer 30 während der
Ablagerung des Verbundüberzuges 22 einzuführen, und
es kann z.B. Sauerstoff eingeführt
werden, wenn der Verbundüberzug 22 Yttrium
enthält,
so dass das Yttrium oxidiert und Yttriumoxid in dem Verbundüberzug 22 bildet.
Dies ist bekannt als ein durch Oxid dispergierter Verbundüberzug.
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Dann
wird der keramische thermische Sperrüberzug 26 auf dem
Verbundüberzug 22 abgelagert. Um
den keramischen thermischen Sperrüberzug 26 abzulagern,
besteht die Innenwand 46 der zylindrischen Elektrode 38 aus
einem inerten Material. Die Vakuumkammer 30 wird auf einen
Druck von etwa 0,133 Pa (1 × 10–3 Torr)
evakuiert und dann erhitzt, um die Ausgasung im Inneren der Vakuumkammer 30 zu
unterstützen.
Wenn der erforderliche Druck innerhalb der Vakuumkammer 30 erreicht
ist, dann wird ein inertes Gas, beispielsweise Argon, in die Vakuumkammer 30 aus
der Gasflasche 92 über
das Ventil 100 und die Einlassöffnung 34 eingeleitet.
Das inerte Gas ermöglicht
den Aufbau einer Glimmentladung oder eines Plasma innerhalb der
zylindrischen Elektrode 38. Geeignete Drücke liegen
in einem Bereich zwischen 6,66 × 10–3 bis
0,133 Pa (5 × 10–1 bis
1 × 10–3 Torr),
und geeignete Potenziale, die an die zylindrische Elektrode angelegt
werden, liegen im Bereich zwischen 300 und 900 Volt.
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Geeignete
reaktive Gase, wie Zirkonchlorid und ein anderes Gas zur Reaktion
mit dem Zirkonchlorid werden aus der Gasflasche 96 über das
Ventil 104 und die Einlassöffnung 34 in die Vakuumkammer 30 eingeführt. Das
Plasma innerhalb der zylindrischen Elektrode 38 beschleunigt
die Reaktion der Gase, und es wird ein aus Zirkonoxid bestehender keramischer
thermischer Sperrüberzug 26 auf
dem Verbundüberzug 22 abgelagert.
Auf dem Verbundüberzug 22 wird
eine Oxidschicht 24 erzeugt, während der metallische Gegenstand 10 in
der Vakuumkammer 30 befindlich ist und die Kammer wird
evakuiert und auf eine Betriebstemperatur infolge des Vorhandenseins
von einem gewissen Sauerstoffanteil in der Vakuumkammer 30 erhitzt.
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Falls
erforderlich, kann ein zusätzliches
geeignetes reaktives Gas, beispielsweise Yttriumchlorid, aus der
Gasflasche 98 über
das Ventil 106 und die Einlassöffnung 34 in die Vakuumkammer 30 geleitet
werden. Das Plasma in der zylindrischen Elektrode 38 begünstigt die
Reaktion von Gasen, von Zirkonchlorid, von Yttriumchlorid und einem
anderen Gas zur Reaktion mit Zirkonchlorid und Yttriumchlorid, und
es wird ein durch Yttriumoxid stabilisierter aus Zirkonoxid bestehender
keramischer thermischer Sperrüberzug 26 auf
dem Verbundüberzug 22 abgelagert.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass der keramische thermische Sperrüberzug bei
relativ niedriger Temperatur im Vergleich mit herkömmlichen
chemischen Dampfablagerungsverfahren abgelagert wird.
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Der
keramische thermische Sperrüberzug 26 lagert
sich auf dem Verbundüberzug 22 in
Form keramischer Stängelkörner 28 ab,
die senkrecht zur Oberfläche
des Verbundüberzuges 22 und
der Oberfläche
des metallischen Gegenstandes 10 wachsen.
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Es
kann zweckmäßig sein,
die Größe der negativen
Spannung zu ändern,
die an die zylindrische Elektrode 38 angelegt wird, um
so Schichten in dem keramischen thermischen Sperrüberzug 26 zu
erzeugen, die unterschiedliche Strukturen aufweisen. Die Zwischenflächen zwischen
den Schichten vermindern die thermische Phononenleitfähigkeit
oder die thermische Photonenleitfähigkeit des keramischen thermischen
Sperrüberzuges 26 durch
geeignete Wahl der Dicke der Schichten. Eine Dicke von 0,3 bis 2
Nanometer vermindert die thermische Phononenleitfähigkeit
und eine Dicke von 0,5 bis 3 Mikrometer vermindert die thermische
Photonenleitfähigkeit.
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Bevor
der keramische thermische Sperrüberzug 26 auf
dem Verbundüberzug 22 abgelagert wird,
kann es zweckmäßig sein,
Wasserstoff oder andere geeignete Gase in die Vakuumkammer 30 aus der
Gasflasche 94 über
das Ventil 102 und die Einlassöffnung 34 einzuführen. Das
Argon und der Wasserstoff bilden ein Plasma, um die Oberfläche des
Verbundüberzuges 22 zu
reinigen, wobei z.B. der Wasserstoff mit Schwefel reagiert, um Schwefelwasserstoff
zu erzeugen. Schwefel ist ein sehr unerwünschtes Element in Bezug auf
thermische Sperrüberzüge 26.
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Bevor
der Verbundüberzug 22 abgelagert wird,
kann es zweckmäßig sein,
Wasserstoff oder andere geeignete Gase in die Vakuumkammer 30 aus der
Gasflasche 94 über
das Ventil 102 und die Einlassöffnung 34 einzuführen. Das
Argon und der Wasserstoff bilden ein Plasma, um die Oberfläche des
Verbundüberzuges 22 zu
reinigen, wobei z.B. der Wasserstoff mit Schwefel reagiert, um Schwefelwasserstoff
zu erzeugen. Schwefel ist ein sehr unerwünschtes Element in Bezug auf
die thermischen Sperrüberzüge.
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Ein
weiterer Überzug 120,
der durch die vorliegende Erfindung erzeugt wird, ist in 6 dargestellt.
Dieser besteht einfach aus einem Schutzüberzug 122 auf dem
metallischen Gegenstand 10. Der Schutzüberzug 122 kann ein
Aluminidüberzug,
ein Chromüberzug,
ein Platinüberzug,
ein Platinaluminidüberzug,
ein MCrAlY-Überzug,
eine Aluminidsilizidüberzug
sein oder zwei oder mehrere dieser Überzüge aufweisen, beispielsweise
einen MCrAlY-Überzug
mit einem Platinaluminidüberzug
zwischen dem MCrAlY-Überzug
und der Turbinenlaufschaufel oder ein Platinaluminidüberzug zusammen
mit einem MCrAlY-Überzug
zwischen dem Platinaluminidüberzug
und der Turbinenlaufschaufel. Yttrium, Chrom und andere zweckmäßige Elemente
können
in den Aluminidüberzügen vorgesehen
werden, indem sie in der Innenwand angeordnet werden.
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Ein
weiterer gemäß der Erfindung
erzeugter Überzug 130 ist
in 7 dargestellt. Dieser besteht einfach aus einer
Oxidschicht 132 auf dem metallischen Gegenstand 10 und
einem keramischen thermischen Sperrüberzug 134 auf der
Oxidschicht 132. Die Oxidschicht 132 besteht aus
Aluminiumoxid, um den keramischen thermischen Sperrüberzug 26 auf dem
metallischen Gegenstand 10 festzulegen.
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Der
keramische thermische Sperrüberzug 134 besteht
aus Zirkonoxid und vorzugsweise aus durch Yttriumoxid stabilisiertem
Zirkonoxid, obgleich auch andere geeignete Keramikmaterialien benutzt werden
können.
Der keramische thermische Sperrüberzug 134 besteht
aus einer Vielzahl von Stängelkörnern 136,
die sich im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Turbinenlaufschaufel 10 erstrecken.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann in einer einzigen Vakuumkammer durchgeführt werden, indem die Innenwand
der zylindrischen Elektrode aus geeignetem Material für den jeweiligen
Verarbeitungsschritt gewählt
wird.
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Stattdessen
kann das erfindungsgemäße Verfahren
unter Benutzung mehrerer Vakuumkammern 30A und 30B durchgeführt werden,
wie dies in 8 dargestellt ist, wobei jede
der Kammern eine zylindrische Elektrode 38A bzw. 38B aufweist.
Die zylindrische Elektrode 38A und 38B in jeder
Vakuumkammer 30A und 30B besteht aus dem für das spezielle
Verfahren geeigneten Material und der metallische Gegenstand 10 wird
aufeinanderfolgend aus der Vakuumkammer 30A in die Vakuumkammer 30B bewegt.
Die Vakuumkammern 30A und 30B sind vorzugsweise über eine
Luftschleuse 140 verbunden, um die Behandlungszeit zu verringern.
Die Vakuumkammer 30A wird benutzt, um den Verbundüberzug 22 abzulagern
und die Vakuumkammer 30B wird benutzt, um den thermischen
Sperrüberzug 26 abzulagern.
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Ein
weiteres abgewandeltes Verfahren besteht darin, die Innenwand der
zylindrischen Elektrode mit axial getrennten Platten vorzusehen.
Jede Platte besteht aus einem geeigneten Material, das für den jeweiligen
Behandlungsschritt geeignet ist, und der Gegenstand wird in Längsrichtung
axial aufeinanderfolgend durch die zylindrische Elektrode von einer
Platte nach der anderen bewegt, und die Platten zylindrische Elektrode
von einer Platte nach der anderen bewegt, und die Platten werden
aufeinanderfolgend erregt.
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Die
Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf zylindrische hohle
Kathodenelektroden mit kreisförmigem
Querschnitt beschrieben. Es ist jedoch natürlich auch möglich, hohle
Kathodenelektroden mit anderen Querschnitten zu benutzen, beispielsweise
mit quadratischen Querschnitten.