EP1902161A1 - Elektrodenanordnung und verfahren zum elektrochemischen beschichten einer werkstückoberfläche - Google Patents

Elektrodenanordnung und verfahren zum elektrochemischen beschichten einer werkstückoberfläche

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EP1902161A1
EP1902161A1 EP06777644A EP06777644A EP1902161A1 EP 1902161 A1 EP1902161 A1 EP 1902161A1 EP 06777644 A EP06777644 A EP 06777644A EP 06777644 A EP06777644 A EP 06777644A EP 1902161 A1 EP1902161 A1 EP 1902161A1
Authority
EP
European Patent Office
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coating
workpiece
micro
electrodes
electrode assembly
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EP06777644A
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English (en)
French (fr)
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EP1902161B1 (de
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Jens Dahl Jensen
Ursus KRÜGER
Uwe Pyritz
Manuela Schneider
Gabriele Winkler
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1902161A1 publication Critical patent/EP1902161A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1902161B1 publication Critical patent/EP1902161B1/de
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/08—Electroplating with moving electrolyte e.g. jet electroplating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D15/00—Electrolytic or electrophoretic production of coatings containing embedded materials, e.g. particles, whiskers, wires
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D17/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells for electrolytic coating
    • C25D17/10—Electrodes, e.g. composition, counter electrode

Definitions

  • the present invention relates to a method for electro ⁇ chemical coating a workpiece surface, wherein ro- micro- or nanoscale particles are incorporated in the coating.
  • the invention relates to a counter electrode arrangement for the electrochemical treatment of a workpiece, in which the workpiece forms a working electrode.
  • Such methods and devices which can be used, for example, when re-coating turbine blades with a protective layer against corrosion and / or oxidation, are known, for example, from EP 0 748 883 A1 and EP 1 094 134 A1.
  • EP 0 748 883 A1 describes a method for producing galvanic layers, in which the component to be coated is introduced into a galvanic bath.
  • the galvanic bath ⁇ African nanoparticles are incorporated, are incorporated into the coating, the Sieren when Galvani ⁇ .
  • the bath is stirred constantly. Only such a ho ⁇ such distribution of the nanoparticles may be provided in the coating.
  • EP 1 094 134 A1 describes an electrochemical device for removing a coating from a workpiece.
  • the device comprises a container into which an electrolyte can be introduced.
  • the workpiece to be machined ⁇ piece is introduced as a working electrode in the form of an anode in the electrolytic bath.
  • a number of cathodes are arranged, which form counter electrodes to the anode.
  • electrochemical machining a voltage is built up between the workpiece as the working electrode and the counter electrodes.
  • the counterelectrodes can be specially shaped with regard to the workpiece to be machined.
  • a further object of the present invention is to provide a counter-electrode arrangement which can be used with particularly high flexibility and with which the method according to the invention can be carried out.
  • the first object is achieved by a method according to claim 1, the second object by a counter electrode arrangement according to claim 7.
  • the dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.
  • an electroplating a workpiece surface whereby micro- or na ⁇ noskalige particles are incorporated into the coating.
  • a workpiece surface whereby micro- or na ⁇ noskalige particles are incorporated into the coating.
  • the blasting medium comprises the introduced micro- or nanoscale particles.
  • the jets allow the micro- or nanoscale particles to be brought close to the workpiece surface to be coated, without the need for a galvanic bath with the micro- or nanoscale particles.
  • the particles are brought by the beams in the vicinity of the surface to be coated during coating, wherein due to the variety of radiation
  • the homogeneous coating of larger surface contents or complicated geometries is also possible.
  • a constant stirring of the galvanic bath is not necessary here.
  • the jet medium alone is formed by the micro- or nanoscale particles.
  • the micro- or nanoscale particles are dispersed in an electrolytic treatment solution.
  • the jet medium is formed by the treatment solution with the particles dispersed therein.
  • the amount of micro- or nanoscale particles introduced into the coating can be adjusted in the process according to the invention by way of the jet pressure, that is to say the pressure with which the jet medium is supplied to the surface.
  • the jet pressure that is to say the pressure with which the jet medium is supplied to the surface.
  • a continuous or a pulsating pressure curve can be used.
  • the number of incorporated particles can thus be increased or reduced.
  • the jet pressure is varied during the electrochemical coating, a gradient of the particle density in the electrochemically produced coating or a coating with multiple layers, which differ from one another by their particle densities, can be produced.
  • the pressure amplitude continu ously ⁇ is thereby varied while coating for producing a Multilagen- the pressure amplitude is varied abruptly.
  • Multilayer coating can also be created by varying the composition of the jet media during coating. For example, it is possible during the coating of micro- or nanoscale particles of a To change to a variety of micro- or nanoscale particles of another variety. This transition can be either fluid or sudden. In the case of a fluid change of the particle type, a smooth transition from one type of particle to the other type of particle is present in the finished coating. When the switching of the Strahlzusammenset ⁇ wetting the other hand takes place abruptly, it can be a so Be ⁇ produce coating, wherein the individual layers differ from one by the type of microparticles or nanoparticles with each other a plurality of layers.
  • the variation of the jet composition can also be combined with a variation of the jet pressure, so that in addition to the nature of the incorporated particles and their density varies in the finished coating.
  • the inventive method increases the flexibi ⁇ formality the manufacture of coatings with embedded micro- or nanoscale particles.
  • the coating properties can be specifically changed during the production of the coating.
  • completely new coating systems are possible.
  • a counterelectrode arrangement according to the invention for the electrochemical treatment of a workpiece which in particular makes it possible to carry out the method according to the invention, comprises a number of process electrodes, the workpiece forming a working electrode.
  • the counter electrode arrangement furthermore comprises a process medium supply device for supplying a process medium, which may in particular comprise micro- or nanoscale particles, to the process electrodes.
  • the process electrodes are formed as tube-like elements with channels extending in their interior. They each have an end facing the process medium supply device and an end facing away from the process medium supply device with an opening arranged therein. In the region of the ends of the tube-like elements facing the process-medium supply device, the channels are in each case in communication with the process-medium supply device.
  • the channels open electrodes in the openings of the process ⁇ .
  • the configuration of the process electrodes as tubular elements and the channels arranged therein make it possible to target a process medium, such as micro- or nanoscale particles or a mixture of a chemical treatment solution and micro- or nanoscale particles dispersed therein, as a jet medium in the form of a jet between the process electrodes and the working electrode as the workpiece. In this way, an effective use of the micro- or nanoscale particles can take place during coating.
  • a process medium such as micro- or nanoscale particles or a mixture of a chemical treatment solution and micro- or nanoscale particles dispersed therein
  • the channels taper in the region in front of the openings.
  • the so-tapered opening cross-section leaves a arise nozzle-like opening, which ensures a homogeneous mixing of the micro- or nanoscale particles in the electrochemical treatment solution in the vicinity of the opening.
  • the quality of the jet for example the shape of the jet and / or the energy of the jet and / or the amount of emerging jet medium, can be selectively influenced by a suitable structural design of the jet, in particular by a suitable choice of the shape of the channels in the area the openings and / or the shape of the openings themselves with regard to the quality of the beam to be achieved.
  • the counterelectrode arrangement can comprise an adjusting device for adjusting the pressure of the process medium in the process-medium feed device.
  • the tube-like elements of the process electrodes are guided through a common wax-filled carrier. They have securing elements, for example, in the circumferential direction of the tubular elements of the process electrodes extending ribs, which secure them against axial displacement relative to the wax in the solidified state.
  • the embodiment described enables an advantageous method for adapting the process electrode arrangement to the geometry of the workpiece to be machined.
  • the wax is liquefied and the process electrode assembly is pressed against the workpiece with liquified wax.
  • Process electrodes in the wax shifted so that the positions of the free ends of the process electrodes adapt to the geometry of the workpiece surface.
  • the wax is solidified again, so that the process electrodes in be fixed in their position.
  • the result is a counter electrode arrangement optimally adapted to the geometry of the surface of the workpiece to be machined.
  • This adaptation is particularly important for non-planar workpieces and in the area of concave and convex corners.
  • concave and convex corners can be processed particularly well if the tube-like elements of the process electrodes have a needle shape.
  • the counter electrode arrangement can also be used particularly advantageously in the case of a needle-like configuration of the tube-like elements in the chemical treatment of holes in the workpiece.
  • the tube-like elements of the process electrodes are guided through holes of at least one common carrier plate. Between the edges of the holes and the respective tubular elements there is a slight clearance, which is dimensioned so that it allows an undisturbed axia ⁇ le displacement of the tubular elements. Furthermore, a clamping device is provided, with the help of which the tubular elements can be pressed with a force against the edges of the holes such that they are secured due to the friction occurring against axial displacement relative to the support plate.
  • the counter electrode assembly in the second constructive embodiment can guide die in the first constructive characterized From the working to be ⁇ workpiece be adapted to the geometry of the surface that it is pressed against the workpiece.
  • the tensioning device is in the relaxed state, so that the tubular elements of the process electrodes can move axially within the holes.
  • the Clamping tensioned After the position of the free electrode ends is adapted to the geometry of the workpiece surface, the Clamping tensioned so that the tubular elements are pressed against the edges of the holes, whereby they are secured against further axial displacement.
  • the counter electrode arrangement according to the invention can be used particularly flexibly in the electrochemical treatment of workpieces.
  • the counter electrode arrangement according to the invention is particularly variable for each workpiece shape used. Special purpose electrodes for certain workpiece shapes can therefore be dispensed with.
  • Fig. 1 shows an arrangement for carrying out an embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 2 shows a first embodiment for the dung OF INVENTION ⁇ proper counter electrode assembly.
  • FIG 3 shows a second exemplary embodiment of the counterelectrode arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows a workpiece 1, which may be formed in particular as Turbi ⁇ nenschaufel.
  • a turbine blade is typically made from a high temperature nickel base alloy or a cobalt base alloy.
  • so-called MCrAlY coatings for corrosion and / or oxidation protection are applied to turbine blades.
  • MCrAlY coating M stands for iron (Fe), cobalt (Co) or nickel (Ni) and Y for yttrium (Y) and / or silicon (Si) and / or at least one element of the rare earth or hafnium
  • MCrAlY compositions are known, for example, from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1. These documents are therefore referred to for possible compositions of the coating.
  • the arrangement shown in Fig. 1 for the coating of the workpiece 1 itself comprises next to the workpiece 1 is a Elect ⁇ clearing arrangement 9 as well as a container filled with an electrolyte 3 container 5 in which both the workpiece 1 and the electrode assembly 9 are arranged.
  • the arrangement comprises a voltage source 7, the negative pole is electrically lei ⁇ tend connected to the workpiece 1, so that it forms a cathode.
  • the cathode, ie the workpiece 1 forms the working electrode of the arrangement.
  • the positive pole of the clamping ⁇ voltage source 7 is, however, connected to the electrode assembly 9 so that it becomes the anode, and forms the counter electrode to the working electrode. Due to the between the work ⁇ piece 1 and the counter electrode assembly 9 attached chipboard voltage builds up between the counter electrode assembly and the workpiece 1, an electric field on, which ported positive gela ⁇ dene ions to the negatively charged surface of the workpiece trans ⁇ .
  • the electrolyte 3 which is an electrolytic treatment solution
  • ions are solves the base material of the workpiece ge ⁇ .
  • nickel ions or cobalt ions are dissolved in the electrolyte 3.
  • the positively charged metal ions migrate to the workpiece surface 2 and are deposited there to egg ⁇ ner coating.
  • micro- or nanoscale particles are incorporated into the coating. This is done by inducing a dispersion 4 of the micro- or nanoscale particles to be incorporated in the electrolyte 3 between the counter-electrode arrangement 9 and the surface 2 of the workpiece 1. Particles adjoining the surface 2 of the workpiece 1 are incorporated into the coating during the electrochemical deposition of the metal ions.
  • the supplied particles can comprise particles of several locations, one particle type, wherein ⁇ play Cr particles, Y particles, Al particles, Re ⁇ particles, etc. or a mixture thereof.
  • the counter electrode arrangement 9 is equipped with a number of tubular elements 11, which form the process electrodes 12 of the counter electrode arrangement 9.
  • the tubular elements 11 have an axially extending channel 13, which opens into an opening 14 in the workpiece 1 facing the end of the tubular element 11.
  • the cross section of the channel 13 tapers.
  • the other end of the tubular element 11 communicates with a distributor tank 17, which is micro- and / or wet via an inflow 19, which in the present embodiment is an inflow pipe. noskalige particles can be supplied.
  • the micro- or nanoscale particles are introduced under pressure via the inflow 19 into the distribution tank 17. Due to the pressure, the particles flow through the channel 13 to the opening 14 and pass through them into the electrolyte 3 in the region between the counter-electrode arrangement 9 and the workpiece 1. Due to the nozzle-like openings 14 of the standing in communication with the manifold tank 17 tubular elements 11 a homogeneous mixing, the particles in the electrolyte or a targeted illumination of the workpiece surface 2 with the Parti ⁇ angles during deposition of the dissolved metal ions reached. The micro- or nanoscale particles can be transported at a certain pressure through the nozzle-like openings 14 to the workpiece surface 2.
  • the particles are supplied to the distribution tank dispersed in the electrolyte. From the nozzle-like opening 14 therefore exits an electrolyte jet with dispersed micro- or nanoscale particles as the blasting medium.
  • the pressure conditions in the distribution tank 17 can be adjusted for example via the pressure in the inflow 19. Both continuous pressures and pulsating pressures are possible.
  • Control the pressure may in this case both the Druckamplitu ⁇ de and the frequency include pulsating pressures.
  • multi-layer systems can also be produced by the method according to the invention, wherein the individual layers of the coating system can differ from one another both in terms of the density of the incorporated micro- or nanoscale particles and in the type of micro- or nanoscale particles.
  • Such layers can in particular be produced without having to interrupt the electrochemical coating process in order to exchange the galvanic bath.
  • To produce coatings with a plurality of coatings that differ from each other in the nature of the particles only the distribution tank 17 is required be filled successively with micro- or nanoscale particles of different kind during the process. Each time a layer is completed, the next particle type is filled in the distribution tank 17.
  • Coatings with layers which differ from one another due to the incorporation density of the particles can be produced by continuously changing the pressure conditions in the distribution tank 17. It should be noted at this point that the method according to the invention can also be used to produce multi-layer systems which differ from one another by the nature of the particles and have a graded or abrupt change in the density of the incorporated particles. This is possible since the type of particles introduced into the distribution tank 17 and the pressure in the distribution tank 17 can be regulated independently of each other.
  • the counter electrode arrangement 9 comprises a plurality of tubular elements IIa to He, which form tubular process electrodes 12a to 12e.
  • the process electrodes 12a to 12e can be connected to the pole of a voltage source via a line (not shown in FIG. 2). All of the process electrodes 12a to 12e are connected at one end to the distribution tank 17 in such a way that a process medium, for example an electrolyte with dispersed micro ⁇ or nanoscale particles, through the channels 13 in the interior of the process electrodes 12a to 12e (see FIG 1) can flow to the outlet openings 14a to 14e.
  • a process medium for example an electrolyte with dispersed micro ⁇ or nanoscale particles
  • the counter electrode arrangement 9 also comprises a number of measuring electrodes 21, which are electrically insulated from the process electrodes 12a to 12e.
  • the measuring electrodes 21 form the Referenzelektro- whose electrode tips 22 are free of contact to the surface 2 of the workpiece 1 and which serve for monitoring the elekt ⁇ step parameter during the electrochemical deposition process.
  • the measuring electrodes 21, like the process electrodes 11, may be formed as tubular elements. Alternatively, however, it is also possible to form the measuring electrodes 21 as full electrodes, ie without an inner channel.
  • the process electrodes 12a to 12e extending in the axial direction by a space filled with wax 27 carrier 29.
  • the carrier 29 has a first, the manifold tank 17 facing carrier plate 31 and a second manifold tank 17 meet ⁇ turned support plate 33.
  • Both support plates 31, 33 have holes which allow axial displacement of the process electrodes 12a to 12e against the support plates 31, 33 and which are sealed against escape of liquid wax 27 from the support 29.
  • the individual process electrodes 12 to 12 e are provided with flange-like projections 35, 37 and 39 in the region of those sections which are located inside the carrier 29, which secure the process electrodes 12 a to 12 e with solidified wax 27 against an axial displacement relative to the carrier 29 ,
  • the described process electrode arrangement 9 can be adapted to the geometry of the workpiece surface 2 in an advantageous manner.
  • the wax 27 is liquefied in the carrier 29, for example via a heater 29 arranged in the carrier 29, or via heating of the electrolyte 3 in the container 5, so that axial displacement of the process electrodes 12a to 12c is achieved 12e relative to the carrier 29 is possible.
  • the counter electrode assembly 9 is pressed with light pressure against the workpiece 1, so that the position of the openings 14a to 14e of the individual process electrodes 12a to 12e adapt to the geometric shape of the workpiece 1.
  • a cooling of the wax 27 is brought about, so that the ⁇ ses solidifies and the process electrodes 12a to 12e secures against axial displacement relative to the carrier 29.
  • the counter electrode assembly 9 is again carried away from the workpiece 1, taking care that the relative orientation of the counter electrode assembly 9 to the workpiece 1 is maintained.
  • the elektrochemi ⁇ -specific deposition of the coating can be effected.
  • compliance with constant electrical parameters can be monitored.
  • the electrode assembly 9 according to the invention can be in the manner described particularly well to the geometry of ⁇ piece 1 business adjust, without the need to specially made for this purpose a specially ge ⁇ shaped electrode. Due to the sliding surfaces ⁇ removal of the various openings 14a to 14e of the process electrodes 12a to 12e from the workpiece 1, a uniform distribution can be achieved in the coating of the towards the surface blasted micro- or nanoscale particles.
  • FIG. 1 A second exemplary embodiment of the process electrode arrangement 90 according to the invention is shown in FIG.
  • the process electrode assembly 90 of the second embodiment differs from the process electrode assembly 9 of the first embodiment only by the Ausges- lay out your carrier 129.
  • the other design features of the second embodiment such as the Pro ⁇ zesselektroden 12a to 12e, the distribution tank 17 or the measuring electrode 21 are therefore the same reference numerals loading is characterized as the corresponding design parameters th ers ⁇ embodiment, and will at this Do not explain again.
  • the carrier 129 comprises a first carrier plate 131 facing the distributor tank 17 and a second carrier plate 133 applied to the distributor tank 17. Both carrier plates have openings whose size is selected such that between the edges of the openings and through the carrier plates 131 133 passing process electrodes IIa to He remains a game that allows axial displacement of the process electrodes 12a to 12e relative to the carrier 129.
  • nere extend adjustment plates 134, 136, 138, which also have openings such dimen ⁇ are sized to allow the process electrodes are to 12e with clearance passed through it 12a.
  • the adjustment plates 134, 136, 138 therefore also do not impede an axial displacement of the process electrodes 12a to 12e in a first state.
  • the possible axial displacement of the process electrodes 12a to 12e is limited only by flange-like projections 135, 137, 139 in the region of the process electrodes 12a to 12e which is located inside the carrier 129.
  • the adjustment plates 134, 136, 138 are held on two sides by a frame 140, against which the central adjustment plate 136 can be displaced. The shift of
  • Adjustment plate 136 is parallel to the adjustment plates 134 and 138 and perpendicular to the direction of axial displacement of the process electrodes 12a to 12e.
  • the frame 140 has a fixing unit 142, for example in the form of a or a plurality of fixing screws, which allows fixing the position of the central adjustment plate 136 relative to the position of the two outer Justageplatten 134, 138.
  • the process electrode assembly 90 of the second embodiment can be adapted to the geometry of the workpiece 1 ⁇ the by the central adjustment plate is brought to a position 136 in which the holes in the individual adjustment plates 134, 136, 138 as well as the holes in the two carrier plates 131, 133 are centered relative to each other so that their openings are arranged in alignment with each other.
  • the counter-electrode arrangement 90 is pressed against the workpiece 1 with slight pressure in such a way that it bears against the workpiece 1 with the ends of the process electrodes 12a to 12e provided with the openings 14a to 14e.
  • the geometry of the workpiece 1 thereby ensures an axial displacement of the process electrodes 12a to 12e, which leads to an adaptation of the position of the openings 14a to 14e to the geometry of the workpiece.
  • the middle adjustment plate 136 is displaced parallel to the two outer Justa ⁇ geplatten 134, 138, so that the openings of the Justageplatten 134, 136, 138 are no longer aligned.
  • the process electrodes 12a to 12e are pressed against one side of the hole edges of the outer adjustment plates 134, 138.
  • the process electrodes 12a to 12e are pressed against the hole edges of the middle adjustment plate. Since the hole edges of the outer adjustment plates 134, 138 press in the opposite direction as the hole edges of the middle Justa- geplatte 136 against the process electrodes 12 a to 12 e, the process electrodes 12 a to 12 e between the hole edges of the outer Justageplatten 134, 138 on the one hand and the hole edges of inner adjustment plate 136 on the other hand clamped.
  • the middle adjustment plate 136 is in this Condition fixed by means of the fixing device 142. In this way, the process electrodes 12a to 12e are secured against axial displacement. With the piece so the geometry of the plant 1 ⁇ adjusted counter electrode assembly 9, the electrochemical coating process is then performed as described with reference to the first embodiment.
  • the two outer adjustment plates 134, 138 displaceable and to configure the middle adjustment plate 136 immovably.
  • the adjustment plates reticulated new constructions ⁇ nen to use are made of cords or cables and which meshes, through which the portions of the process the electric ⁇ located in the interior of the support are passed. By clamping the individual cables or wires against one another, the opening cross-section of the meshes can be reduced so that the wires or cables press against the outside of the process electrodes and thus provide friction preventing the axial displacement of the process electrodes.

Abstract

Es wird ein Verfahren zum elektrochemischen Beschichten einer Werkstückoberfläche (2), wobei mikro- oder nanoskalige Partikel in die Beschichtung eingebracht werden, zur Verfügung gestellt. Während des Beschichtens wird wenigstens ein Strahl aus einem die einzubringenden mikro- oder nanoskaligen Partikel umfassenden Strahlmedium auf die Werkstückoberfläche (2) gerichtet.

Description

Beschreibung
Elektrodenanordnung und Verfahren zum elektrochemischen Beschichten einer Werkstückoberfläche
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektro¬ chemischen Beschichten einer Werkstückoberfläche, wobei mik- ro- oder nanoskalige Partikel in die Beschichtung eingebracht werden. Daneben betrifft die Erfindung eine Gegenelektroden- anordnung zum elektrochemischen Behandeln eines Werkstückes, bei dem das Werkstück eine Arbeitselektrode bildet.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen, die etwa beim Neuoder Wiederbeschichten von Turbinenschaufeln mit einer Schutzschicht gegen Korrosion und/oder Oxidation zur Anwendung kommen können, sind bspw. aus EP 0 748 883 Al und EP 1 094 134 Al bekannt.
Die EP 0 748 883 Al beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von galvanischen Schichten, bei dem das zu beschichtende Bauteil in ein galvanisches Bad eingebracht wird. In das galva¬ nische Bad werden Nanopartikel eingebracht, die beim Galvani¬ sieren in die Beschichtung eingebaut werden. Um eine gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel im galvanischen Bad zu er- zielen, wird das Bad ständig umgerührt. Nur so kann eine ho¬ mogene Verteilung der Nanopartikel in der Beschichtung gewährleistet werden.
In der EP 1 094 134 Al ist eine elektrochemische Vorrichtung zum Entfernen einer Beschichtung von einem Werkstück beschrieben. Die Vorrichtung umfasst einen Behälter, in den ein Elektrolyt eingeführt werden kann. Das zu bearbeitende Werk¬ stück wird als Arbeitselektrode in Form einer Anode in das elektrolytische Bad eingebracht. Im Elektrolyten ist außerdem eine Anzahl von Kathoden angeordnet, welche Gegenelektroden zur Anode bilden. Beim elektrochemischen Bearbeiten wird eine Spannung zwischen dem Werkstück als Arbeitselektrode und den Gegenelektroden aufgebaut. Die Gegenelektroden können spe- ziell im Hinblick auf das zu bearbeitende Werkstück geformt sein .
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren zum elektrochemischen Be- schichten eines Werkstückes mit einer mikro- oder nanoskalige Partikel enthaltenden Beschichtung zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gegenelektrodenanordnung zur Verfügung zu stellen, die sich mit besonders hoher Flexibilität einsetzen lässt und mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, die zweite Aufgabe durch eine Gegenelektrodenanordnung nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vor- teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein elektrochemisches Beschichten einer Werkstückoberfläche, wobei mikro- oder na¬ noskalige Partikel in die Beschichtung eingebracht werden. Während des Beschichtens werden mehrere Strahlen eines
Strahlmediums auf die Werkstückoberfläche gerichtet, wobei das Strahlmedium die einzubringenden mikro- oder nanoskaligen Partikel umfasst. Mit den Strahlen lassen sich die mikro- o- der nanoskalige Partikel gezielt in die Nähe der zu beschich- tenden Werkstückoberfläche bringen, ohne dass dazu zuvor ein galvanisches Bad mit den mikro- oder nanoskaligen Partikeln angesetzt werden muss. Die Partikel werden beim Beschichten alleine durch die Strahlen in die Nähe der zu beschichtenden Oberfläche gebracht, wobei auf Grund der Vielzahl der Strah- len auch die homogene Beschichtung größerer Oberflächeninhal¬ te oder komplizierter Geometrien gelingt. Ein ständiges Rühren des galvanischen Bades ist hierbei nicht nötig.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Strahlmedium alleine von den mikro- oder nanoskaligen Partikeln gebildet. In einer alternativen Ausführungsform sind die mikro- oder nanoskaligen Partikel in einer elektrolytischen Behandlungslösung dispergiert. In dieser Ausführungs form wird das Strahlmedium von der Behandlungslösung mit den darin disper- gierten Partikeln gebildet.
Die Menge an in die Beschichtung eingebrachten mikro- oder nanoskaligen Partikeln kann im erfindungsgemäßen Verfahren über den Strahldruck, also der Druck, mit dem das Strahlmedium der Oberfläche zugeführt wird, eingestellt werden. Hierbei kann insbesondere ein kontinuierlicher oder ein pulsierender Druckverlauf zur Anwendung kommen. Über eine geeignete Druckregelung kann so die Anzahl an eingebauten Partikeln erhöht oder verringert werden.
Wenn der Strahldruck während des elektrochemischen Beschichtens variiert wird, kann ein Gradient der Partikeldichte in der elektrochemisch hergestellten Beschichtung oder eine Be- Schichtung mit mehreren Lagen, die sich durch ihre Partikeldichten voneinander unterscheiden, erzeugt werden. Zum Herstellen des Gradienten wird hierbei die Druckamplitude konti¬ nuierlich variiert, während zum Herstellen einer Multilagen- beschichtung die Druckamplitude sprunghaft variiert wird.
Eine Multilagenbeschichtung lässt sich auch durch Variieren der Zusammensetzung des Strahlmediums während des Beschichtens erzeugen. So ist es beispielsweise möglich, während des Beschichtens von mikro- oder nanoskaligen Partikeln einer Sorte zu mikro- oder nanoskaligen Partikeln einer anderen Sorte überzugehen. Dieser Übergang kann entweder fließend o- der sprunghaft erfolgen. Bei einem fließenden Wechsel der Partikelsorte liegt in der fertiggestellten Beschichtung ein fließender Übergang von der einen Partikelsorte zur anderen Partikelsorte vor. Wenn das Umstellen der Strahlzusammenset¬ zung dagegen sprunghaft erfolgt, so lässt sich damit eine Be¬ schichtung mit mehreren Lagen erzeugen, wobei sich die einzelnen Lagen durch die Art der Mikro- oder Nanopartikel von- einander unterscheiden. Die Variation der Strahlzusammensetzung kann auch mit einer Variation des Strahldruckes kombiniert werden, so dass neben der Art der eingebauten Partikel auch deren Dichte in der fertigen Beschichtung variiert.
Insgesamt erhöht das erfindungsgemäße Verfahren die Flexibi¬ lität beim Herstellen von Beschichtungen mit eingelagerten mikro- oder nanoskaligen Partikeln. Die Beschichtungseigen- schaften können während des Hersteilens der Beschichtung gezielt verändert werden. So sind völlig neuartige Schichtsys- teme möglich. Auch lässt sich die Prozessdauer verkürzen, da nicht erst ein neues elektrochemisches Bad angesetzt werden muss, wenn beispielsweise ein Mehrschichtsystem hergestellt werden soll, in dem sich die einzelnen Schichten durch die Art der mikro- oder nanoskaligen Partikel voneinander unter- scheiden.
Ein erfindungsgemäße Gegenelektrodenanordnung zum elektrochemischen Behandeln eines Werkstückes, die insbesondere das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht, um- fasst eine Anzahl von Prozesselektroden, wobei das Werkstück eine Arbeitselektrode bildet. Die Gegenelektrodenanordnung umfasst weiterhin eine Prozessmediumzufuhreinrichtung zum Zuführen eines Prozessmediums, welches insbesondere mikro- oder nanoskalige Partikel umfassen kann, zu den Prozesselektroden. Die Prozesselektroden sind als rohrartige Elemente mit sich in ihrem Inneren erstreckenden Kanälen ausgebildet. Sie weisen jeweils ein der Prozessmediumzufuhreinrichtung zugewandtes Ende und ein von der Prozessmediumzufuhreinrichtung abge- wandtes Ende mit einer darin angeordneten Öffnung auf. Im Bereich der der Prozessmediumzufuhreinrichtung zugewandten Enden der rohrartigen Elemente stehen die Kanäle jeweils mit der Prozessmediumzufuhreinrichtung in Verbindung. Am von der Prozessmediumzufuhreinrichtung abgewandten Ende der rohrarti- gen Elemente münden die Kanäle in die Öffnungen der Prozess¬ elektroden.
Die Ausgestaltung der Prozesselektroden als rohrförmige Elemente und die darin angeordneten Kanäle ermöglichen es, ein Prozessmedium wie etwa mikro- oder nanoskalige Partikel oder ein Gemisch aus einer chemischen Behandlungslösung und darin dispergierten mikro- oder nanoskaligen Partikeln als ein Strahlmedium in Form eines Strahls gezielt in den Bereich zwischen den Prozesselektroden und der Arbeitselektrode als dem Werkstück einzubringen. Auf diese Weise kann ein effektiver Einsatz der mikro- oder nanoskaligen Partikel beim Beschichten erfolgen.
Da über die Prozessmediumzufuhreinrichtung verschiedene Pro- zessmedien zugeführt werden können, ohne dass dazu ein Unterbrechen des Beschichtungsprozesses nötig wäre, beispielsweise um die elektrochemische Behandlungslösung zu wechseln, ist der Aufbau von Schichten mit mehreren, sich in den verwendeten Partikeln unterscheidenden Schichten ohne Unterbrechung der elektrochemischen Abscheidung möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Gegenelektrodenanordnung verjüngen sich die Kanäle im Bereich vor den Öffnungen. Der sich so verjüngende Öffnungsquerschnitt lässt eine düsenartige Öffnung entstehen, die für eine homogene Durchmischung der mikro- oder nanoskaligen Partikel in der elektrochemischen Behandlungslösung im Bereich der Umgebung der Öffnung sorgt. Die Qualität des Strahls, bspw. die Form des Strahls und/oder die Energie des Strahls und/oder die Menge an austretendem Strahlmedium, kann durch eine geeignete konstruktive Ausgestaltung der Düse gezielt beeinflusst werden, insbesondere durch ein geeignetes Wählen der Form der Kanäle im Bereich der Öffnungen und/oder der Form der Öffnungen selbst im Hinblick auf die zu erzielende Strahlqualität.
Um die Dichte der in die Beschichtung eingebauten mikro- oder nanoskaligen Partikel erhöhen oder verringern zu können, kann die Gegenelektrodenanordnung eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des Drucks des Prozessmediums in der Prozessmedi- umzufuhreinrichtung umfassen.
In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung der Gegenelektrodenanordnung sind die rohrartigen Elemente der Prozesselekt- roden durch einen gemeinsamen wachsgefüllten Träger geführt. Sie weisen Sicherungselemente auf, beispielsweise sich in Um- fangsrichtung der rohrförmigen Elemente der Prozesselektroden erstreckende Rippen, welche sie gegen ein axiales Verschieben gegenüber dem Wachs im erstarrten Zustand sichern.
Die beschriebene Ausgestaltung ermöglicht ein vorteilhaftes Verfahren zum Anpassen der Prozesselektrodenanordnung an die Geometrie des zu bearbeitenden Werkstückes. Das Wachs wird verflüssigt und die Prozesselektrodenanordnung bei verflüs- sigtem Wachs an das Werkstück angedrückt. Dabei werden die
Prozesselektroden im Wachs verschoben, sodass sich die Positionen der freien Enden der Prozesselektroden an die Geometrie der Werkstückoberfläche anpassen. In diesem Zustand wird das Wachs wieder verfestigt, sodass die Prozesselektroden in ihrer Lage fixiert werden. Das Ergebnis ist eine optimal an die Geometrie der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes angepasste Gegenelektrodenanordnung. Diese Anpassung ist insbesondere bei nicht planaren Werkstücken und im Bereich kon- kaver und konvexer Ecken von Bedeutung. Insbesondere konkave und konvexe Ecken können besonders gut bearbeitet werden, wenn die rohrartigen Elemente der Prozesselektroden eine Nadelform aufweisen. Daneben kann die Gegenelektrodenanordnung bei nadeiförmiger Ausgestaltung der rohrartigen Elemente auch besonders vorteilhaft beim chemischen Behandeln von Löchern im Werkstück eingesetzt werden.
In einer zweiten konstruktiven Ausgestaltung der Gegenelektrodenanordnung sind die rohrartigen Elemente der Prozess- elektroden durch Löcher wenigstens einer gemeinsamen Trägerplatte geführt. Zwischen den Rändern der Löcher und den jeweiligen rohrartigen Elementen ist dabei ein geringes Spiel vorhanden, das so bemessen ist, dass es eine ungestörte axia¬ le Verschiebung der rohrartigen Elemente erlaubt. Weiterhin ist eine Spannvorrichtung vorhanden, mit deren Hilfe sich die rohrartigen Elemente mit einer Kraft derart gegen die Ränder der Löcher drücken lassen, dass sie aufgrund der dabei auftretenden Reibung gegen ein axiales Verschieben gegenüber der Trägerplatte gesichert sind.
Wie in der ersten konstruktiven Aus führungsform kann auch die Gegenelektrodenanordnung in der zweiten konstruktiven Ausführungsform dadurch an die Geometrie der Oberfläche des zu be¬ arbeitenden Werkstückes angepasst werden, dass sie an das Werkstück angedrückt wird. Dabei ist die Spannvorrichtung im entspannten Zustand, sodass sich die rohrartigen Elemente der Prozesselektroden innerhalb der Löcher axial verschieben können. Nachdem die Position der freien Elektrodenenden an die Geometrie der Werkstückoberfläche angepasst ist, wird die Spannvorrichtung gespannt, sodass die rohrförmigen Elemente gegen die Ränder der Löcher gedrückt werden, wodurch sie gegen ein weiteres axiales Verschieben gesichert sind. Auch in dieser konstruktiven Ausgestaltung bieten Prozesselektroden in Nadelform die mit Bezug auf die erste Ausgestaltung be¬ schriebenen Vorteile.
Insgesamt lässt sich die erfindungsgemäße Gegenelektrodenan¬ ordnung besonders flexibel beim elektrochemischen Behandeln von Werkstücken einsetzen. Insbesondere in den beiden beschriebenen konstruktiven Ausgestaltungen ist die erfindungsgemäße Gegenelektrodenanordnung besonders variabel für jede Werkstückform einsetzbar. Auf speziell angefertigte Formelektroden für bestimmte Werkstückformen kann daher verzich- tet werden.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Gegenelektro¬ denanordnung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum Durchführen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfin¬ dungsgemäße Gegenelektrodenanordnung.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfin- dungsgemäße Gegenelektrodenanordnung.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezug¬ nahme auf die in Fig. 1 dargestellte Anordnung beschrieben. Fig. 1 zeigt ein Werkstück 1, welches insbesondere als Turbi¬ nenschaufel ausgebildet sein kann. Eine Turbinenschaufel ist typischerweise aus einer hochtemperaturfesten Nickel- Basislegierung oder einer Kobalt-Basislegierung hergestellt. Häufig sind auf Turbinenschaufeln sog. MCrAlY-Beschichtungen zum Korrosions- und/oder Oxidationsschutz aufzubringen. In der MCrAlY-Beschichtung steht M für Eisen (Fe) , Kobalt (Co) oder Nickel (Ni) und Y für Yttrium (Y) und/oder Silizium (Si) und/oder zumindest ein Element der seltenen Erden bzw. Hafni- um. MCrAlY-Zusammensetzungen sind beispielsweise aus EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al bekannt. Auf diese Dokumente wird daher bezüglich möglicher Zusammensetzungen der Beschichtung Bezug genommen.
Beim Aufbau einer MCrAlY-Beschichtung wird Kobalt oder Nickel elektrochemisch abgeschieden, wohingegen die übrigen Bestandteile der Beschichtung, beispielsweise Cr, Al, Y oder Rhenium (Re) als mikro- oder nanoskalige Partikel in die elektroche¬ misch abgeschiedene Nickel- oder Kobaltschicht eingebaut wer- den.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zum Beschichten des Werkstücks 1 umfasst neben dem Werkstück 1 selbst eine Elekt¬ rodenanordnung 9 sowie einen mit einem Elektrolyt 3 gefüllten Behälter 5, in dem sowohl das Werkstück 1 als auch die Elektrodenanordnung 9 angeordnet sind. Zudem umfasst die Anordnung eine Spannungsquelle 7, deren negativer Pol elektrisch lei¬ tend mit dem Werkstück 1 verbunden ist, sodass dieses eine Kathode bildet. Die Kathode, also das Werkstück 1, bildet die Arbeitselektrode der Anordnung. Der positive Pol der Span¬ nungsquelle 7 ist dagegen mit der Elektrodenanordnung 9 verbunden, sodass diese zur Anode wird und die Gegenelektrode zur Arbeitselektrode bildet. Aufgrund der zwischen dem Werk¬ stück 1 und der Gegenelektrodenanordnung 9 anliegenden Span- nung baut sich zwischen der Gegenelektrodenanordnung und dem Werkstück 1 ein elektrisches Feld auf, welches positiv gela¬ dene Ionen zur negativ geladenen Werkstückoberfläche trans¬ portiert .
Im Elektrolyten 3, der eine elektrolytische Behandlungslösung darstellt, sind Ionen des Basismaterials des Werkstücks ge¬ löst. Im Falle einer Turbinenschaufel aus einer Nickel- oder Kobalt- Basislegierung sind also Nickelionen oder Kobaltionen im Elektrolyten 3 gelöst. Die positiv geladenen Metallionen wandern zur Werkstückoberfläche 2 und lagern sich dort zu ei¬ ner Beschichtung ab.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden mikro- oder nanoskalige Partikel in die Beschichtung eingebaut. Dies erfolgt, indem zwischen der Gegenelektrodenanordnung 9 und der Oberfläche 2 des Werkstückes 1 eine Dispersion 4 der einzubauenden mikro- oder nanoskaligen Partikel im Elektrolyten 3 herbeigeführt wird. An die Oberfläche 2 des Werkstückes 1 angrenzende Par- tikel werden dabei während der elektrochemischen Ablagerung der Metallionen in die Beschichtung eingebaut. Die zugeführten Partikel können dabei eine einzige Partikelsorte, bei¬ spielsweise Cr-Partikel, Y-Partikel, AI-Partikel, Re¬ Partikel, etc. oder einem Gemisch aus mehreren Partikelsorten umfassen.
Das Zuführen der mikro- oder nanoskaligen Partikel in den Bereich zwischen der Gegenelektrodenanordnung 9 und dem Werkstück 1 erfolgt durch die Gegenelektrodenanordnung 9 hin- durch. Zu diesem Zweck ist die Gegenelektrodenanordnung 9 mit einer Anzahl rohrförmiger Elemente 11 ausgestattet, welche die Prozesselektroden 12 der Gegenelektrodenanordnung 9 bilden. In Fig. 1 ist der Einfachheit halber lediglich ein rohr- förmiges Element 11 dargestellt. Die rohrförmigen Elemente 11 weisen einen in Axialrichtung verlaufenden Kanal 13 auf, welcher in einer Öffnung 14 im dem Werkstück 1 zugewandten Ende des rohrförmigen Elementes 11 mündet. Unmittelbar vor der Öffnung 14 verjüngt sich der Querschnitt des Kanals 13. Das andere Ende des rohrförmigen Elementes 11 steht mit einem Verteilertank 17 in Verbindung, dem über einen Zufluss 19, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Zuflussrohr ausgebildet ist, mikro- und/oder na- noskalige Partikel zugeführt werden können.
Während des Beschichtens des Werkstücks 1 werden die mikro- oder nanoskaligen Partikel unter Druck über den Zufluss 19 in den Verteilertank 17 eingeleitet. Aufgrund des Druckes strö- men die Partikel durch den Kanal 13 zur Öffnung 14 und treten durch diese in den Elektrolyt 3 im Bereich zwischen der Gegenelektrodenanordnung 9 und dem Werkstück 1 aus. Aufgrund der düsenartigen Öffnungen 14 der mit dem Verteilertank 17 in Verbindung stehenden rohrförmigen Elemente 11 kann eine homo- gene Durchmischung der Partikel im Elektrolyten oder eine gezielte Anstrahlung der Werkstückoberfläche 2 mit den Parti¬ keln während der Abscheidung der gelösten Metallionen erreicht werden. Die mikro- oder nanoskaligen Partikel können dabei mit einem bestimmten Druck durch die düsenartigen Öff- nungen 14 zur Werkstückoberfläche 2 transportiert werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Partikel dem Verteilertank im Elektrolyten dispergiert zugeführt. Aus der düsenartigen Öffnung 14 tritt daher ein Elektrolytstrahl mit dispergierten mikro- oder nanoskaligen Partikeln als Strahlmedium aus. Alternativ ist es jedoch auch möglich, alleine die mikro- oder nanoskaligen Partikel in den Verteilertank 17 einzuleiten, sodass aus der düsenartigen Öffnung 14 lediglich die Partikel als Strahlmedium austreten. Über eine geeignete Steuerung des Druckes im Verteilertank 17 kann die Anzahl der im Bereich zwischen der Gegenelektrodenanordnung 9 und dem Werkstück 1 befindlichen mikro- oder na- noskaligen Partikel gezielt erhöht oder vermindert werden. Auf diese Weise lässt sich die Einbaudichte der Partikel in die Beschichtung gezielt erhöhen und vermindern. Die Druckverhältnisse im Verteilertank 17 können beispielsweise über den Druck im Zufluss 19 eingestellt werden. Es sind sowohl kontinuierliche Drücke als auch pulsierende Drücke möglich.
Das Steuern des Druckes kann hierbei sowohl die Druckamplitu¬ de als auch die Frequenz bei pulsierenden Drücken umfassen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch gradier- te Beschichtungen, also solche Beschichtungen, in denen die Dichte an eingebauten mikro- oder nanoskaligen Partikeln mit dem Abstand von der Werkstückoberfläche variiert, erzeugen. Hierzu wird im Verlaufe des Beschichtungsverfahrens der Druck im Verteilertank 17 kontinuierlich verändert, sodass sich die Zahl, d.h. die Dichte, der im Elektrolyten zwischen der Gegenelektrodenanordnung 9 und dem Werkstück 1 dispergierten Partikel verändert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können jedoch auch Mehr- schichtsysteme hergestellt werden, wobei sich die einzelnen Schichten des Beschichtungssystems sowohl in der Dichte der eingebauten mikro- oder nanoskaligen Partikel als auch in der Art der mikro- oder nanoskaligen Partikel voneinander unterscheiden können. Derartige Schichten können insbesondere her- gestellt werden, ohne dass der elektrochemische Beschich- tungsprozess unterbrochen werden muss, um das galvanische Bad auszutauschen. Zum Herstellen von Beschichtungen mit mehreren, sich in die Art der Partikel voneinander unterscheidenden Beschichtungen braucht lediglich der Verteilertank 17 während des Verfahrens nacheinander mit mikro- oder nanoska- ligen Partikeln unterschiedlicher Art befüllt zu werden. Jedes Mal, wenn eine Lage fertiggestellt ist, wird die nächste Partikelart in den Verteilertank 17 eingefüllt.
Beschichtungen mit Lagen, die sich durch die Einbaudichte der Partikel voneinander unterscheiden, lassen sich herstellen, indem die Druckverhältnisse im Verteilertank 17 kontinuierlich verändert werden. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch durch die Art der Partikel voneinander unterscheidenden Multischicht- systeme hergestellt werden können, die eine gradierte oder sprunghafte Änderung in der Dichte der eingebauten Partikel aufweisen. Dies ist möglich, da die Art der in den Verteiler- tank 17 eingebrachten Partikel und der Druck im Verteilertank 17 unabhängig voneinander geregelt werden können.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Ge¬ genelektrodenanordnung 9 wird nun mit Bezug auf Fig. 2 be- schrieben. Die Gegenelektrodenanordnung 9 umfasst eine Mehrzahl von rohrförmigen Elementen IIa bis He, welche rohrför- mig Prozesselektroden 12a bis 12e bilden. Die Prozesselektro¬ den 12a bis 12e sind über eine in Fig. 2 nicht dargestellte Leitung mit dem Pol einer Spannungsquelle verbindbar. Alle Prozesselektroden 12a bis 12e stehen mit einem Ende mit dem Verteilertank 17 derart in Verbindung, dass ein Prozessmedium, also beispielsweise ein Elektrolyt mit dispergierten mik¬ ro- oder nanoskaligen Partikeln, durch die Kanäle 13 im Inneren der Prozesselektroden 12a bis 12e (vgl. Fig. 1) zu den Austrittsöffnungen 14a bis 14e strömen kann. Die Kanäle 13, die Austrittsöffnungen 14, der Verteilertank 17 sowie der Zu- fluss 19 wurden bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben und werden daher an dieser Stelle nicht noch einmal erläutert. Neben den Prozesselektroden 12a bis 12e umfasst die Gegenelektrodenanordnung 9 auch eine Anzahl von Messelektroden 21, die gegenüber den Prozesselektroden 12a bis 12e elektrisch isoliert sind. Die Messelektroden 21 bilden Referenzelektro- den, deren Elektrodenspitzen 22 berührungsfrei zur Oberfläche 2 des Werkstückes 1 weisen und die zum Überwachen der elekt¬ rischen Parameter während des elektrochemischen Abscheideprozesses dienen. Die Messelektroden 21 können ebenso wie die Prozesselektroden 11 als rohrförmige Elemente ausgebildet sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Messelektroden 21 als Vollelektroden, d.h. ohne inneren Kanal auszubilden.
Die Prozesselektroden 12a bis 12e erstrecken sich in Axial- richtung durch einen mit Wachs 27 gefüllten Träger 29. Der Träger 29 weist eine erste, dem Verteilertank 17 zugewandte Trägerplatte 31 und eine zweite, dem Verteilertank 17 abge¬ wandte Trägerplatte 33 auf. Beide Trägerplatten 31, 33 weisen Löcher auf, die ein axiales Verschieben der Prozesselektroden 12a bis 12e gegen die Trägerplatten 31, 33 zulassen und die gegen einen Austritt flüssigen Wachses 27 aus dem Träger 29 abgedichtet sind. Die einzelnen Prozesselektroden 12 bis 12e sind im Bereich derjenigen Abschnitte, welche sich im Inneren des Trägers 29 befinden, mit flanschartigen Ansätzen 35, 37 und 39 ausgestattet, die die Prozesselektroden 12a bis 12e bei erstarrtem Wachs 27 gegen eine axiale Verschiebung relativ zum Träger 29 sichern.
Die beschriebene Prozesselektrodenanordnung 9 lässt sich in vorteilhafter Weise an die Geometrie der Werkstückoberfläche 2 anpassen. Dazu wird das Wachs 27 im Träger 29 verflüssigt, beispielsweise über eine im Träger 29 angeordnete Heizung o- der über eine Erwärmung des Elektrolyten 3 im Behälter 5, so- dass ein axiales Verschieben der Prozesselektroden 12a bis 12e relativ zum Träger 29 möglich wird. In diesem Zustand wird die Gegenelektrodenanordnung 9 mit leichtem Druck an das Werkstück 1 angedrückt, sodass sich die Position der Öffnungen 14a bis 14e der einzelnen Prozesselektroden 12a bis 12e an die geometrische Form des Werkstücks 1 anpassen. Sodann wird eine Abkühlung des Wachses 27 herbeigeführt, sodass die¬ ses erstarrt und die Prozesselektroden 12a bis 12e gegen ein axiales Verschieben relativ zum Träger 29 sichert. Danach wird die Gegenelektrodenanordnung 9 wieder etwas von der dem Werkstück 1 weggeführt, wobei darauf geachtet wird, dass die relative Orientierung der Gegenelektrodenanordnung 9 zum Werkstück 1 erhalten bleibt.
Nachdem die Gegenelektrodenanordnung 9 an die geometrische Form des Werkstückes 1 angepasst ist, kann das elektrochemi¬ sche Abscheiden der Beschichtung erfolgen. Mittels der Messelektroden 21 kann die Einhaltung konstanter elektrischer Parameter überwacht werden.
Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung 9 lässt sich auf die beschriebene Weise besonders gut an die Geometrie des Werk¬ stückes 1 anpassen, ohne dass hierzu extra eine speziell ge¬ formte Elektrode hergestellt werden muss. Aufgrund der glei¬ chen Entfernung der verschiedenen Öffnungen 14a bis 14e der Prozesselektroden 12a bis 12e vom Werkstück 1 lässt sich eine gleichförmige Verteilung der in Richtung auf die Oberfläche gestrahlten mikro- oder nanoskaligen Partikel in der Beschichtung erzielen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Pro- zesselektrodenanordnung 90 ist in Fig. 3 dargestellt. Die Prozesselektrodenanordnung 90 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von der Prozesselektrodenanordnung 9 des ersten Ausführungsbeispiels lediglich durch die Ausges- taltung des Trägers 129. Die übrigen Konstruktionsmerkmale des zweiten Ausführungsbeispiels, wie beispielsweise die Pro¬ zesselektroden 12a bis 12e, der Verteilertank 17 oder die Messelektroden 21 sind daher mit denselben Bezugsziffern be- zeichnet wie die entsprechenden Konstruktionsmerkmale im ers¬ ten Ausführungsbeispiel und werden an dieser Stelle nicht noch einmal erläutert.
Der Träger 129 umfasst eine erste, dem Verteilertank 17 zuge- wandte Trägerplatte 131 sowie eine zweite, dem Verteilertank 17 angewandte Trägerplatte 133. Beide Trägerplatten weisen Öffnungen auf, deren Größe so gewählt ist, dass zwischen den Rändern der Öffnungen und den durch die Trägerplatten 131, 133 hindurchgeführten Prozesselektroden IIa bis He ein Spiel verbleibt, das ein axiales Verschieben der Prozesselektroden 12a bis 12e relativ zum Träger 129 ermöglicht. Durch das In¬ nere des Trägers 129 erstrecken sich Justageplatten 134, 136, 138, welche ebenfalls Öffnungen aufweisen, die derart dimen¬ sioniert sind, dass die Prozesselektroden 12a bis 12e mit Spiel durch sie hindurchgeführt sind. Auch die Justageplatten 134, 136, 138 behindern daher in einem ersten Zustand ein a- xiales Verschieben der Prozesselektroden 12a bis 12e nicht. Die mögliche axiale Verschiebung der Prozesselektroden 12a bis 12e wird lediglich durch flanschartige Ansätze 135, 137, 139 in demjenigen Bereich der Prozesselektroden 12a bis 12e, der sich im Inneren des Trägers 129 befindet, begrenzt.
Die Justageplatten 134, 136, 138 werden an zwei Seiten von einem Rahmen 140 gehalten, gegenüber dem die mittlere Justa- geplatte 136 verschoben werden kann. Die Verschiebung der
Justageplatte 136 erfolgt parallel zu den Justageplatten 134 und 138 und senkrecht zur Richtung der axialen Verschiebung der Prozesselektroden 12a bis 12e. Zudem weist der Rahmen 140 eine Fixiereinheit 142, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Fixierschrauben, auf, welche ein Fixieren der Position der mittleren Justageplatte 136 relativ zur Position der beiden äußeren Justageplatten 134, 138 ermöglicht.
Die Prozesselektrodenanordnung 90 des zweiten Ausführungsbeispiels kann an die Geometrie des Werkstücks 1 angepasst wer¬ den, indem die mittlere Justageplatte 136 in eine Stellung gebracht wird, in der die Löcher in den einzelnen Justageplatten 134, 136, 138 sowie die Löcher in den beiden Träger- platten 131, 133 derart relativ zueinander zentriert sind, dass ihre Öffnungen fluchtend zueinander angeordnet sind. In diesem ersten Zustand wird die Gegenelektrodenanordnung 90 mit leichtem Druck derart an das Werkstück 1 angedrückt, dass sie mit den mit den Öffnungen 14a bis 14e versehenen Enden der Prozesselektroden 12a bis 12e an dem Werkstück 1 anliegen. Die Geometrie des Werkstückes 1 sorgt dabei für eine a- xiale Verschiebung der Prozesselektroden 12a bis 12e, die zu einer Anpassung der Position der Öffnungen 14a bis 14e an die Geometrie des Werkstückes führt. Anschließend wird die mitt- lere Justageplatte 136 parallel zu den beiden äußeren Justa¬ geplatten 134, 138 verschoben, sodass die Öffnungen der Justageplatten 134, 136, 138 nicht mehr miteinander fluchten. In diesem zweiten Zustand der Justageplatten 134, 136, 138 werden die Prozesselektroden 12a bis 12e an eine Seite der Loch- ränder der äußeren Justageplatten 134, 138 angedrückt.
Gleichzeitig werden die Prozesselektroden 12a bis 12e an die Lochränder der mittleren Justageplatte angedrückt. Da die Lochränder der äußeren Justageplatten 134, 138 in der entgegengesetzten Richtung wie die Lochränder der mittleren Justa- geplatte 136 gegen die Prozesselektroden 12a bis 12e drücken, werden die Prozesselektroden 12a bis 12e zwischen den Lochrändern der äußeren Justageplatten 134, 138 einerseits und den Lochrändern der inneren Justageplatte 136 andererseits eingeklemmt. Die mittlere Justageplatte 136 wird in diesem Zustand mittels der Fixiereinrichtung 142 fixiert. Auf diese Weise sind die Prozesselektroden 12a bis 12e gegen axiale Verschiebung gesichert. Mit der so an die Geometrie des Werk¬ stückes 1 angepassten Gegenelektrodenanordnung 9 wird dann das elektrochemische Beschichtungsverfahren wie mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben durchgeführt.
In einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels ist es auch möglich, die beiden äußeren Justageplatten 134, 138 ver- schiebbar auszugestalten und die mittlere Justageplatte 136 unverschiebbar auszugestalten. Eine weitere Alternative besteht darin, statt der Justageplatten netzartige Konstruktio¬ nen zu verwenden, die beispielsweise aus Drähten oder Seilen hergestellt sind und Maschen aufweisen, durch welche die im Inneren des Trägers befindlichen Bereiche der Prozesselektro¬ den hindurchgeführt sind. Durch Verspannen der einzelnen Seile bzw. Drähte gegeneinander lässt sich der Öffnungsquerschnitt der Maschen vermindern, sodass die Drähte bzw. Seile gegen die Außenseite der Prozesselektroden drücken und so ei- ne die axiale Verschiebung der Prozesselektroden verhindernde Reibung bereitstellen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum elektrochemischen Beschichten einer Werkstückoberfläche (2), wobei mikro- oder nanoskalige Partikel in die Beschichtung eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass während des Beschichtens mehrere Strahlen aus einem die einzubringenden mikro- oder nanoskaligen Partikel umfassenden Strahlmedium auf die Werkstückoberfläche (2) gerichtet wer- den.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmedium alleine von den mikro- oder nanoskali- gen Partikeln gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mikro- oder nanoskaligen Partikel in einer elektro- lytischen Behandlungslösung dispergiert sind und das Strahlmedium von der elektrochemischen Behandlungslösung mit den darin dispergierten mikro- oder nanoskaligen Partikeln gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an in die Beschichtung eingebrachten mikro- oder nanoskaligen Partikeln über den Strahldruck eingestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahldruck während des elektrochemischen Beschichtens variiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Strahlmediums während des elekt- rochemischen Beschichtens verändert wird.
7. Gegenelektrodenanordnung (9) mit einer Anzahl von Prozesselektroden (12) zum elektrochemischen Behandeln eines Werkstückes (1), bei dem das Werkstück (1) eine Arbeitselektrode bildet, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Prozessmediumzufuhreinrichtung (17) zum Zuführen eines Prozessmediums zu den Prozesselektroden (12) vorhanden ist, - die Prozesselektroden (12) als rohrartige Elemente (11) mit sich in ihrem Inneren ersteckenden Kanälen (13) ausgebildet sind, und jeweils ein der Prozessmediumzufuhreinrichtung (17) zugewandtes Ende und ein von der Prozessmediumzufuhreinrichtung (17) abgewandtes Ende mit ei- ner darin angeordneten Öffnung (14) aufweisen, und
- die Kanäle (13) jeweils im Bereich der der Prozessmediumzufuhreinrichtung (17) zugewandten Enden der rohrartigen Elemente (11) mit der Prozessmediumzufuhreinrichtung (17) in Verbindung stehen und in die Öffnung (14) am von der Prozessmediumzufuhreinrichtung abgewandten Ende der rohrartigen Elemente (11) münden.
8. Gegenelektrodenanordnung (9) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kanäle (13) im Bereich vor den Öffnungen (14) verjüngen .
9. Gegenelektrodenanordnung (9) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Kanäle (13) im Bereich der Öffnungen (14) und/oder die Form der Öffnungen (14) selbst im Hinblick auf die zu erzielende Strahlqualität gewählt ist.
10. Gegenelektrodenanordnung (9) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des Drucks des Prozessmediums in der Prozessmediumzufuhreinrichtung (17) vorhanden ist.
11. Gegenelektrodenanordnung (9) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrartigen Elemente (11) der Prozesselektroden (12) eine Nadelform aufweisen.
12. Gegenelektrodenanordnung (9) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrartigen Elemente (11) der Prozesselektroden (12) durch einen gemeinsamen wachsgefüllten Träger (29) geführt sind und Sicherungselemente (35, 37, 39) aufweisen, welche die Prozesselektroden (12) gegen ein axiales Verschieben gegenüber dem Wachs (27) im erstarrten Zustand sichern.
13. Gegenelektrodenanordnung (9) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrartigen Elemente (11) der Prozesselektroden (12) durch Löcher wenigstens einer gemeinsamen Trägerplatte (131, 133) geführt sind, wobei ein geringes Spiel zwischen den Rän¬ dern der Löcher und den jeweiligen rohrartigen Elementen (11) vorhanden ist, und dass eine Spannvorrichtung (134, 136, 138) vorhanden ist, mit deren Hilfe sich die rohrartigen Elemente mit einer Kraft derart gegen die Ränder der Löcher drücken lassen, dass sie aufgrund der dabei auftretenden Reibung gegen ein axiales Verschieben gegenüber der Trägerplatte (131, 133) gesichert sind.
EP06777644A 2005-07-12 2006-07-07 Elektrodenanordnung und verfahren zum elektrochemischen beschichten einer werkstückoberfläche Active EP1902161B1 (de)

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