EP1899494B1 - Verfahren zum herstellen von keramischen schichten - Google Patents

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EP1899494B1
EP1899494B1 EP06763866A EP06763866A EP1899494B1 EP 1899494 B1 EP1899494 B1 EP 1899494B1 EP 06763866 A EP06763866 A EP 06763866A EP 06763866 A EP06763866 A EP 06763866A EP 1899494 B1 EP1899494 B1 EP 1899494B1
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EP
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particles
precursors
ceramic
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gas jet
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EP06763866A
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Ursus KRÜGER
Raymond Ullrich
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles

Definitions

  • the invention relates to a method for producing ceramic layers, in which particles are injected by means of a nozzle onto the surface to be coated and adhere there.
  • thermal spraying The production of ceramic layers by thermal spraying is known, for example, from a publication of the US Department of Defense ( The AMPTIAC Newsletter, Spring 2002, Vol. 1 ). Thereafter, microparticles containing the ceramic constituents of the ceramic coating to be produced can be sprayed onto the surface to be coated in a thermal spraying process.
  • a plasma jet is generated, in which the microparticles of the ceramic material are fed and thereby at least partially melted.
  • a ceramic structure is formed, which may possibly be completed by a thermal aftertreatment.
  • siliceous plastics also referred to as preceramic polymers (eg, polycarbosilanes, polysilazanes, and polysiloxanes)
  • preceramic polymers eg, polycarbosilanes, polysilazanes, and polysiloxanes
  • thermal decomposition pyrolysis
  • thermo spraying HVOF spraying
  • the thermally sensitive polymer material is processed as particles which are encased by the ceramic material to be embedded. These particles may be in the flame jet of the thermal Spraying method are introduced so that the desired polymer-ceramic composite is formed in the sprayed layer.
  • the object of the invention is to provide a method for producing ceramic layers by means of injection, which is accessible to the production of polymer-ceramic layers.
  • This object is achieved with the method mentioned in the present invention that are used as particles precursors of a polymer ceramic (which are also referred to as preceramic polymers) and used as a nozzle Kaltspritzdüse using cold spraying.
  • the use of the cold spraying method has the advantage that, in contrast to thermal spraying processes, the energy required to form the coating is produced due to a strong acceleration of the coating particles in the cold gas jet (preferably at a multiple speed of sound).
  • Cold spraying are basically for example from the DE 102 24 780 A1 known.
  • the device necessary for operating the method has, for example, a vacuum chamber in which a substrate can be placed in front of a so-called cold spray nozzle.
  • the vacuum chamber is evacuated and by means of the cold spray nozzle (also called cold gas spray gun) a gas jet is generated, in which particles can be introduced for coating the workpiece.
  • the cold spray nozzle also called cold gas spray gun
  • the particles can additionally be heated, their heating being limited in such a way that the melting temperature of the particles is not achieved (this circumstance is named after the term cold gas spraying).
  • the energy input into the coating particles can be changed by adjusting the speed of the cold gas jet and by possibly additional introduction of thermal energy in the cold gas jet. It must be dimensioned so that the precursors of the polymer ceramic, which are accelerated in particle form on the surface of the substrate to be coated, at least adhere (see below for more). As a result, a coating of polymer ceramic can be produced by spraying, the properties of which are not jeopardized by thermal overstressing of the particles to be sprayed.
  • fillers whose thermal sensitivity would not permit an addition to the plasma jet of a thermal spraying process. Since the ceramics used in thermal spraying generally have a very high melting point, the addition of fillers is virtually eliminated in conventional ceramic processes.
  • metals in particular zirconium (Zr), titanium (Ti) or aluminum (A1) or metal alloys are supplied, in particular, from the abovementioned materials, which react with the precursors of the polymer ceramic during layer formation. This creates the opportunity to influence the composition of the polymer ceramics by adding active fillers.
  • passive fillers for example silicon oxide (SiO 2 ), silicon carbide (SiC), silicon nitride (SiN), boron nitride (BN) or corundum.
  • passivated or inactive metal alloys or metals can be added. Passivated metals are inactive because they have an oxidized surface that has ceramic properties. Inactive metals generally have a sufficiently high melting point that they are not involved in the reactions involved in the formation of the polymer ceramic. Priority is given to noble metals such as gold (Au) or platinum (Pt).
  • the fillers may preferably be incorporated nanoparticulate in the cold spraying process.
  • the nanoparticles In order to enable processing with cold gas spraying, the nanoparticles must be bound to larger particles due to their very low inertia.
  • the fillers can be embedded as nanoparticles in a matrix preceramic polymer as precursors of the polymer ceramic, wherein the precursors each form microparticles that can be processed with the cold gas spraying. Embedding in the matrix of the precursors is particularly advantageous in the case of reactive fillers, since they can then react completely in the formation process of the polymer ceramic because of their good distribution and large surface area.
  • a process for producing microparticles with nanoparticles embedded in a matrix as a microencapsulation is offered, for example, by the company Capsulation®.
  • the energy input into the cold gas jet is dimensioned in this way is that the reaction of the precursors of Polymerkerämik is completed during the film formation.
  • the precursors of the polymer ceramic are completely converted into the polymer ceramic when hitting the substrate (substrate or layer under construction), and fillers are incorporated at the same time or react with the precursors of the polymer ceramic.
  • the energy input into the cold gas jet is dimensioned such that adhesion of the particles is ensured, however, the reaction of the precursors of the polymer ceramic is not completed and then a post-treatment takes place.
  • the post-treatment can advantageously be carried out targeted conversion into polymer ceramics, which is done in the entire layer composite generated, whereby the construction of manufacturing-related stresses can be advantageously reduced or even excluded.
  • Aftertreatment in this context should also be understood to mean a treatment initiated directly after the impingement of the precursors of the polymer ceramic, which already applies additional energy to the formed portion of the coating during the layer construction.
  • the aftertreatment is effected, for example, by the energy input of electromagnetic radiation, in particular of laser light, into the layer which forms.
  • the laser can be advantageously aligned with the impact of the cold gas jet, which is achieved by the energy input into the layer just as locally, as is achieved by the cold gas jet.
  • the polymer ceramic in the coating can also be completed when, due to the requirements of the process, the energy input into the cold gas jet is limited.
  • the process parameter of the energy input into the cold gas jet can also advantageously be used to favorably influence the adhesion of the layer to the substrate. This happens because the energy input into the cold gas jet during the coating of the still uncoated substrate is dimensioned such that the particles form a bond with the material of the substrate. In this case, the fact must be taken into account that due to their kinetic energy, the particles can form a bond with the substrate when they are still uncoated, and these can consist, for example, of covalent bonds. As a result, the layer adhesion is advantageously improved, which, for example, reduces the risk of it peeling off when the ceramic layer is subjected to mechanical stress.
  • the single FIGURE represents a device for cold gas spraying.
  • This has a vacuum container 11, in which on the one hand a cold spray nozzle 12, which can also be referred to as a cold gas spray gun, and on the other hand, a substrate 13 is arranged (attachment not shown).
  • a process gas of the cold gas spray gun 12 can be supplied.
  • This has, as indicated by the contour, a Lavalform, through which the process gas is expanded and accelerated in the form of a gas jet (arrow 15) to a surface 16 of the substrate 13 out.
  • the process gas can, for example, as Reactive gas containing oxygen 17.
  • the process gas can be heated in a manner not shown, whereby a required process temperature is established in the vacuum container 12.
  • particles 19 can be supplied, which can be designed as a matrix preceramic polymers 19a with fillers 19b for the polymer ceramic to be formed. These particles are accelerated in the gas jet and impinge on the surface 16. The kinetic energy of the particles causes them to adhere to the surface 16, whereby the oxygen 17 is also incorporated into the forming layer 20 or participates in the pyrolytic reactions of the preceramic polymers.
  • further filler particles 19 c which are designed as microparticles, the cold gas jet are mixed, which are also incorporated in the layer 21.
  • the substrate 13 can be moved back and forth in the direction of the double arrow 21 in front of the cold spray nozzle 12.
  • the vacuum in the vacuum chamber 11 is constantly maintained by the vacuum pump 22, wherein the process gas is passed through a filter 23 before being passed through the vacuum pump 22 to filter out particles which were not bonded to the surface 16 upon impact with the surface 16 ,
  • a boundary region 24 which is shown cross-hatched and refers to the part of the structure of the substrate 13 adjoining the surface 16 and the particles of the forming layer adjoining the surface.
  • a heater 25 is furthermore provided in the vacuum container 11. With this, during the course of the coating process, the temperatures required in the vacuum chamber can be achieved. Furthermore, to introduce a local energy input into the layer in the form of electromagnetic radiation, a laser is accommodated in the vacuum container 11, which can be moved by means of a pivotable suspension. In particular, this can, as shown in the figure, be aligned with the impact point of the cold gas jet 15, whereby an additional external energy input can take place during the layer formation process, which is independent of the energy input into the cold gas jet 15.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von keramischen Schichten, bei dem Partikel mittels einer Düse auf die zu beschichtende Oberfläche gespritzt werden und dort haften bleiben.
  • Die Herstellung von keramischen Schichten durch thermisches Spritzen ist beispielsweise bekannt aus einer Veröffentlichung des US-Verteidigungsministeriums (The AMPTIAC Newsletter, Frühling 2002, Vol. 6 No. 1). Danach können Mikropartikel, die die keramischen Bestandteile der zu erzeugenden keramischen Beschichtung enthalten, in einem thermischen Spritzprozess auf die zu beschichtende Oberfläche gespritzt werden. Durch die thermische Spritzpistole wird ein Plasmastrahl erzeugt, in den die Mikropartikel des Keramikwerkstoffes eingespeist werden und dadurch zumindest teilweise aufgeschmolzen werden. Hierdurch bildet sich bei dem Auftreffen der Mikropartikel auf das zu beschichtende Substrat bzw. die im Aufbau befindliche Schicht ein keramisches Gefüge aus, welches evtl. durch eine thermische Nachbehandlung fertig gestellt wird.
  • In jüngerer Vergangenheit ist eine neue Klasse keramischer Materialien - die so genannten Polymer-Keramiken - entwickelt worden. Zu dieser neuen keramischen Klasse wird beispielsweise durch den Lehrstuhl für Glas und Keramik an der Universität Erlangen auf der Internetseite www.presse.unierlangen.de\ Aktuelles\Keram%20Material.html (verfügbar am 06.09.2004) ausgeführt, dass Polymerkeramiken nicht im traditionellen Verfahren des Hochtemperaturglühens (Sintern) von pulverförmigen Rohstoffen hergestellt werden können, da die keramischen Rohmaterialien (Precursor) als Polymere für dieses Verfahren eine zu hohe thermische Empfindlichkeit aufweisen. Stattdessen muss ein stark von chemischen Techniken geprägter Verfahrensansatz verfolgt werden, bei dem die siliziumhaltigen Kunststoffe, die auch als präkeramische Polymere bezeichnet werden (beispielsweise Polycarbosilane, Polysilazane und Poysiloxane), durch eine thermische Zersetzung (Pyrolyse) in keramische Hochleistungsmaterialien überführt werden. Wegen der niedrigeren Prozesstemperaturen sind jedoch thermische Spritzverfahren der Herstellung von Polymerkeramiken nicht zugänglich.
  • Gemäß O. Goerke und andere ist es aus "Ceramic coatings processed by spraying of siloxane precursors (polymerspraying)", Journal of the European Ceramic Society 24 (2004) 2141-2147 bekannt, die Precursoren von Polymerkeramiken entweder als Lösung oder als Schmelze durch Sprühen auf eine Oberfläche aufzubringen, auf der diese Precursoren dann haften bleiben. Die Herstellung der Polymerkeramik ist durch eine geeignete thermische Behandlung der so erhaltenen Beschichtung zu erzeugen. Zunächst wird eine Polymerisation der Precursoren bei beispielsweise 200°C durchgeführt. Anschließend kann die Sinterbehandlung zur Herstellung der Keramik bei bis zu 1000 °C erfolgen.
  • Weiterhin ist es gemäß L. S. Schadler und andere, "Microstructure and Mechanical Properties of Thermally Sprayed Silica/Nylon Nanocomposites", Journal of Thermal Spray Technology, Vol. 6 (1997), 475 bis 485 möglich, Composite bestehend aus polymeren und Keramikpartikeln durch thermisches Spritzen (HVOF-Spritzen) herzustellen. Zu diesem Zweck wird der thermisch empfindliche Polymerwerkstoff als Partikel verarbeitet, welche von dem einzubettenden keramischen Werkstoff ummantelt sind. Diese Partikel können in dem Flammstrahl des thermischen Spritzverfahrens eingebracht werden, so dass der gewünschte Polymer-Keramikverbund in der gespritzten Schicht entsteht.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen von keramischen Schichten mittels Spritzens anzugeben, welches der Herstellung von polymerkeramischen Schichten zugänglich ist.
  • Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Partikel Vorstufen einer Polymerkeramik (die auch als präkeramische Polymere bezeichnet werden) verwendet werden und als Düse eine Kaltspritzdüse unter Einsatz des Kaltspritzens verwendet wird. Die Anwendung des Kaltspritzverfahrens hat den Vorteil, dass im Unterschied zu thermischen Spritzverfahren die zur Bildung der Beschichtung notwendige Energie aufgrund einer starken Beschleunigung der Beschichtungsteilchen im Kaltgasstrahl (bevorzugt auf mehrfache Schallgeschwindigkeit) erzeugt wird.
  • Kaltspritzverfahren sind grundsätzlich beispielsweise aus der DE 102 24 780 A1 bekannt. Die zum Betrieb des Verfahrens notwendige Vorrichtung weist beispielsweise eine Vakuumkammer auf, in der ein Substrat vor einer so genannten Kaltspritzdüse platziert werden kann. Zur Durchführung der Beschichtung wird die Vakuumkammer evakuiert und mittels der Kaltspritzdüse (auch Kaltgasspritzpistole genannt) ein Gasstrahl erzeugt, in dem Partikel zur Beschichtung des Werkstücks eingeschleust werden können. Diese werden durch den Kaltgasstrahl stark beschleunigt, so dass ein Anhaften der Partikel auf der Oberfläche des zu beschichtenden Substrates durch Umwandlung der kinetischen Energie der Partikel erreicht wird. Die Partikel können zusätzlich erwärmt werden, wobei deren Erwärmung derart begrenzt wird, dass die Schmelztemperatur der Partikel nicht erreicht wird (dieser Umstand trägt namensgebend zum Begriff Kaltgasspritzen bei).
  • Der Energieeintrag in die Beschichtungsteilchen, d. h. die Vorstufen der Polymerkeramik, kann durch Einstellen der Geschwindigkeit des Kaltgasstrahls sowie durch eventuell zusätzliche Einbringung thermischer Energie in den Kaltgasstrahl verändert werden. Er muss so bemessen werden, dass die Vorstufen der Polymerkeramik, die in Partikelform auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrates beschleunigt werden, zumindest haften bleiben (hierzu im Folgenden mehr). Hierdurch lässt sich eine Beschichtung aus Polymerkeramik durch Spritzen erzeugen, deren Eigenschaften nicht durch eine thermische Überbeanspruchung der zu verspritzenden Teilchen gefährdet werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist es möglich, dass weitere Partikel als Füllstoff dem durch die Düse erzeugten Kaltgasstrahl zugeführt werden. Hierbei besteht vorteilhaft die Möglichkeit, Füllstoffe zu verwenden, deren thermische Empfindlichkeit einen Zusatz zum Plamastrahl eines thermischen Spritzverfahrens nicht erlauben würde. Da die bei thermischen Spritzverfahren verwendeten Keramiken im Allgemeinen einen sehr hohen Schmelzpunkt aufweisen, ist der Zusatz von Füllstoffen bei konventionellen keramischen Verfahren nämlich so gut wie ausgeschlossen.
  • Es ist beispielsweise vorteilhaft, wenn Metalle, insbesondere Zirkon (Zr) Titan (Ti) oder Aluminium (A1) oder Metalllegierungen insbesondere aus dem genannten Materialien zugeführt werden, die bei der Schichtbildung mit den Vorstufen der Polymerkeramik reagieren. Hierbei entsteht die Möglichkeit, die Zusammensetzung der Polymerkeramiken mittels Zugabe von aktiven Füllstoffen zu beeinflussen.
  • Weiterhin kann beispielsweise vorteilhaft auch ein Anteil an passiven Füllstoffen zugegeben werden, beispielsweise Siliziumoxid (SiO2), Siliziumkarbit (SiC), Siliziumnitrid (SiN), Bohrnitrid (BN) oder Korund. Weiterhin können passivierte oder inaktive Metalllegierungen oder Metalle zugegeben werden. Passivierte Metalle sind inaktiv, da sie eine oxidierte Oberfläche aufweisen, die keramische Eigenschaften aufweist. Inaktive Metalle weisen im Allgemeinen einen genügend hohen Schmelzpunkt auf, damit sie an den bei der Bildung der Polymerkeramik beteiligten Reaktionen nicht beteiligt sind. Vorrangig kommen edle Metalle wie Gold (Au) oder Platin (Pt) infrage.
  • Die Füllstoffe können zur Steigerung der Reaktivität vorzugsweise nanopartikulär in dem Kaltspritzprozess eingebunden werden. Damit eine Verarbeitung mit dem Kaltgasspritzen möglich wird, müssen die Nanopartikel aufgrund ihrer sehr geringen Trägheit an größere Partikel gebunden werden. Beispielsweise können die Füllstoffe als Nanopartikel in eine Matrix präkeramisches Polymere als Vorstufen der Polymerkeramik eingebettet werden, wobei die Vorstufen jeweils Mikropartikel bilden, die sich mit dem Kaltgasspritzen verarbeiten lassen. Die Einbettung in die Matrix der Vorstufen ist insbesondere bei reaktiver Füllstoffen besonders vorteilhaft, da diese wegen ihrer guten Verteilung und großen Oberfläche dann vollständig bei dem Bildungsprozess der Polymerkeramik reagieren können. Ein Verfahren zur Herstellung von Mikropartikeln mit in einer Matrix als Mikroverkapselung eingebetteten Nanopartikeln wird beispielsweise durch die Firma Capsulation® angeboten.
  • Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Energieeintrag in den Kaltgasstrahl derart bemessen wird, dass die Reaktion der Vorstufen der Polymerkerämik während der Schichtbildung vollständig abgeschlossen wird. Dies bedeutet, dass die Vorstufen der Polymerkeramik beim Auftreffen auf die Unterlage (Substrat bzw. sich im Aufbau befindliche Schicht) vollständig in die Polymerkeramik umgewandelt werden und dabei Füllstoffe gleichzeitig eingebaut werden bzw. mit den Vorstufen der Polymerkeramik reagieren. Hierdurch lässt sich vorteilhaft ein sehr wirtschaftliches Verfahren verwirklichen, weil eine Nachbehandlung der polymerkeramischen Schicht nicht notwendig ist. Eventuell kann ein thermischer Nachbehandlungsschritt erfolgen, der beispielsweise zum Abbau von Eigenspannungen benötigt wird.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass der Energieeintrag in den Kaltgasstrahl derart bemessen wird, dass eine Haftung der Partikel gewährleistet ist, jedoch die Reaktion der Vorstufen der Polymerkeramik nicht abgeschlossen wird und anschließend eine Nachbehandlung erfolgt. Mit der Nachbehandlung kann vorteilhaft gezielt eine Umwandlung in Polymerkeramiken erfolgen, wobei dies in dem gesamten erzeugten Schichtverbund geschieht, wodurch der Aufbau von fertigungsbedingten Spannungen vorteilhaft vermindert oder sogar ausgeschlossen werden kann. Als Nachbehandlung soll in diesem Zusammenhang auch eine direkt nach dem Auftreffen der Vorstufen der Polymerkeramik eingeleitete Behandlung verstanden werden, die bereits während des Schichtaufbaus den gebildeten Anteil der Beschichtung mit zusätzlicher Energie beaufschlagt.
  • In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Nachbehandlung beispielsweise durch den Energieeintrag elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Laserlicht in die sich bildende Schicht erfolgt. Der Laser kann vorteilhaft auf die Auftreffstelle des Kaltgasstrahls ausgerichtet werden, wodurch erreicht wird, dass der Energieeintrag in die Schicht genauso lokal erfolgt, wie dies durch den Kaltgasstrahl erreicht wird. Auf diese Weise lässt sich die Polymerkeramik in der Beschichtung auch fertig stellen, wenn aufgrund der Anforderungen des Prozesses der Energieeintrag in den Kaltgasstrahl begrenzt ist.
  • Der Verfahrensparameter des Energieeintrags in den Kaltgasstrahl kann außerdem vorteilhaft dazu genutzt werden, um die Haftung der Schicht auf dem Substrat günstig zu beeinflussen. Dies geschieht dadurch, dass der Energieeintrag in den Kaltgasstrahl bei der Beschichtung des noch unbeschichteten Substrates derart bemessen wird, dass die Partikel eine Verbindung mit dem Werkstoff des Substrates eingehen. Hierbei ist der Umstand zu berücksichtigen, dass die Partikel aufgrund ihrer kinetischen Energie beim Auftreffen auf das noch unbeschichtete Substrat eine Verbindung mit diesem eingehen können, wobei diese beispielsweise aus kovalenten Bindungen bestehen können. Hierdurch wird die Schichthaftung vorteilhaft verbessert, was bei einer mechanischen Beanspruchung der erzeugten keramischen Schicht beispielsweise die Gefahr ihres Abplatzens verringert.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur stellt eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen dar. Diese weist einen Vakuumbehälter 11 auf, in dem einerseits eine Kaltspritzdüse 12, die auch als Kaltgasspritzpistole bezeichnet werden kann, und andererseits ein Substrat 13 angeordnet ist (Befestigung nicht näher dargestellt). Durch eine erste Leitung 14 kann ein Prozessgas der Kaltgasspritzpistole 12 zugeführt werden. Diese weist, wie durch die Kontur angedeutet, eine Lavalform auf, durch die das Prozessgas entspannt und in Form eines Gasstrahls (Pfeil 15) zu einer Oberfläche 16 des Substrates 13 hin beschleunigt wird. Das Prozessgas kann beispielsweise als reaktives Gas Sauerstoff 17 enthalten. Weiterhin kann das Prozessgas in nicht dargestellter Weise erwärmt werden, wodurch sich in dem Vakuumbehälter 12 eine geforderte Prozesstemperatur einstellt.
  • Durch eine zweite Leitung 18 können der Kaltspritzdüse 12 Partikel 19 zugeführt werden, die als Matrix präkeramische Polymere 19a mit Füllstoffen 19b für die zu bildende Polymerkeramik ausgeführt sein können. Diese Partikel werden in dem Gasstrahl beschleunigt und treffen auf der Oberfläche 16 auf. Die kinetische Energie der Partikel führt zu einem Anhaften derselben auf der Oberfläche 16, wobei auch der Sauerstoff 17 in die sich ausbildende Schicht 20 eingebaut wird bzw. an den pyrolytischen Reaktionen der präkeramischen Polymere beteiligt wird. Außerdem können weitere Füllstoffpartikel 19c, die als Mikropartikel ausgeführt sind, dem Kaltgasstrahl zugemischt werden, die ebenfalls in die Schicht 21 eingebaut werden.
  • Zur Ausbildung der Schicht kann das Substrat 13 in Richtung des Doppelpfeils 21 vor der Kaltspritzdüse 12 hin und her bewegt werden. Alternativ ist es auch möglich, in nicht dargestellter Weise die Kaltspritzdüse 12 schwenkbar auszuführen. Während des Beschichtungsprozesses wird das Vakuum in der Vakuumkammer 11 durch die Vakuumpumpe 22 ständig aufrechterhalten, wobei das Prozessgas vor der Durchleitung durch die Vakuumpumpe 22 durch einen Filter 23 geführt wird, um Partikel auszufiltern, die beim Auftreffen auf die Oberfläche 16 nicht an diese gebunden wurden.
  • In einem Grenzbereich 24, der kreuzschraffiert dargestellt ist und sich auf den an die Oberfläche 16 angrenzenden Teil des Gefüges des Substrates 13 und die an die Oberfläche angrenzenden Partikel der sich ausbildenden Schicht bezieht, kann durch geeignete Einstellung der Prozessparameter der Energieeintrag in die sich bildende Schicht derart gesteuert werden, dass eine gute Haftung zwischen der Schicht 20 und dem Substrat 13 bewirkt wird. Hierbei werden bevorzugt kovalente Bindungen ausgenutzt, die sich zwischen den auftreffenden Partikeln 19 und dem Substrat 13 ausbilden, ohne dass die Oberfläche 16 des Substrates 13 aufgeschmolzen wird. Hierdurch kann verhindert werden, dass Bestandteile des Substrates 13 in ungewünschter Weise in die sich bildende Schicht 20 eingebaut werden und andersherum.
  • Um die Schicht 20 nach der Herstellung einer geeigneten Wärmebehandlung zum Abschluss der in der Schicht 20 ablaufenden Reaktionen unterwerfen zu können, ist in dem Vakuumbehälter 11 weiterhin eine Heizung 25 vorgesehen. Mit dieser können während des Ablaufes des Beschichtungsprozesses auch die in der Vakuumkammer geforderten Temperaturen erreicht werden. Weiterhin ist zur Einbringung eines lokalen Energieeintrags in die Schicht in Form von elektromagnetischer Strahlung ein Laser in dem Vakuumbehälter 11 untergebracht, der sich mittels einer schwenkbaren Aufhängung bewegen lässt. Insbesondere kann dieser, wie in der Figur dargestellt, auf den Auftreffpunkt des Kaltgasstrahls 15 ausgerichtet werden, wodurch während des Schichtbildungsprozess ein zusätzlicher externer Energieeintrag erfolgen kann, der unabhängig vom Energieeintrag in den Kaltgasstrahl 15 ist.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Herstellen von keramischen Schichten (20), bei dem Partikel (19) mittels einer Düse auf die zu beschichtende Oberfläche (16) gespritzt werden und dort haften bleiben,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Partikel als präkeramische Polymere ausgebildete Vorstufen (19a) einer Polymerkeramik verwendet werden und als Düse eine Kaltspritzdüse (12) unter Einsatz des Kaltgasspritzens verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass weitere Partikel als Füllstoff (19b, 19c) dem durch die Düse erzeugten Kaltgasstrahl (15) zugeführt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Metalle oder Metalllegierungen als aktive Füllstoffe (19b, 19c) zugeführt werden, die bei der Schichtbildung mit den Vorstufen (19a) der Polymerkeramik reagieren.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Keramiken oder inaktive oder passivierte Metalllegierungen oder Metalle, als passive Füllstoffe (19b, 19c) zugeführt werden, die bei der Schichtbildung an der Reaktion der Vorstufen (19a) der Polymerkeramik unbeteiligt bleiben.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Energieeintrag in den Kaltgasstrahl (15) derart bemessen wird, dass die Reaktion der Vorstufen (19a) der Polymerkeramik während der Schichtbildung vollständig abgeschlossen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Energieeintrag in den Kaltgasstrahl (15) derart bemessen wird, dass eine Haftung der Partikel (19) gewährleistet ist, jedoch die Reaktion der Vorstufen (19a) der Polymerkeramik nicht abgeschlossen wird und anschließend eine Nachbehandlung erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Nachbehandlung durch den Energieeintrag elektromagnetischer Strahlung in die sich bildende Schicht erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Energieeintrag in den Kaltgasstrahl (15) bei der Beschichtung des noch unbeschichteten Substrates (13) derart bemessen wird, dass die Partikel (19) eine Verbindung mit dem Werkstoff des Substrates (13) eingehen.
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