EP2066827B1 - Verfahren und vorrichtung zur abscheidung einer nichtmetallischen beschichtung mittels kaltgas-spritzen - Google Patents

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EP2066827B1
EP2066827B1 EP06805371A EP06805371A EP2066827B1 EP 2066827 B1 EP2066827 B1 EP 2066827B1 EP 06805371 A EP06805371 A EP 06805371A EP 06805371 A EP06805371 A EP 06805371A EP 2066827 B1 EP2066827 B1 EP 2066827B1
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EP
European Patent Office
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reactive gas
particles
substrate
mixture flow
flow
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EP06805371A
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English (en)
French (fr)
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EP2066827A1 (de
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Dirk Janz
Jens Dahl Jensen
Jens Klingemann
Ursus KRÜGER
Daniel Körtvelyessy
Volkmar LÜTHEN
Ralph Reiche
Oliver Stier
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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
    • 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
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for depositing a non-metallic, in particular ceramic coating on a substrate by means of cold gas spraying, according to the preambles of claims 1 and 16.
  • Cold gas spraying is a coating process by which metallic layers, such as copper, silver, aluminum, and the like, can be deposited on a substrate, such as a workpiece to be coated.
  • Ceramic layers can be produced by cold gas spraying only conditionally via the deposition of so-called composite layers. This ceramic particles are embedded in larger metallic particles and thus deposited on the substrate. By suitable annealing of the layers thus deposited, a ceramic layer can be produced by the temperature-induced diffusion of ceramic particles and metallic matrix.
  • a method for cold gas spraying is known.
  • a carrier gas flow is generated, in which particles are introduced.
  • the kinetic energy of the particles leads to a layer formation on a substrate.
  • the substrate has a structural texture which is transferred to the forming layer.
  • a suitable composition of the particles By means of a suitable composition of the particles, a high-temperature superconducting layer can thereby be produced on the substrate. Again, a subsequent annealing of the provided with the layer substrate is provided.
  • High Velocity Oxy-Fuel Flame Spraying can not be used in cold gas spraying directly ceramic particles are used, since they generally do not adhere to the substrate. According to the WO 2005/061116 A1 it is proposed in this regard to mix the ceramic particles with an auxiliary gas and preheat before processing.
  • An object of the invention is to provide a transesterified method with which it is possible to deposit non-metallic layers, in particular ceramic layers, by means of cold gas spraying on a substrate or workpiece.
  • the reactive gas flow may include a carrier gas commonly used for cold gas spraying.
  • the reactive gas flow comprises a carrier gas commonly used for cold gas spraying and a reactive gas added to the carrier gas.
  • the carrier gas itself is the reactive gas.
  • the reactive gas flow can be generated, for example, in that a reactive gas under pressure in a container or a mixture of reactive gas and carrier gas flows out of the container, for example through a pipe or hose line or the like.
  • the inventive method extends the classic cold gas spraying to the possibility of depositing non-metallic, in particular ceramic coatings on a substrate.
  • metallic powders can be used as particles, for example for producing ceramic coatings, as in the classic cold gas spraying method.
  • a reactive gas is used, which gives the desired ceramic coating in a chemical reaction with the material of the particles.
  • Suitable reactive gases are, for example, nitrogen or oxygen.
  • Other reactive gases for producing, for example, carbides are conceivable.
  • the reactive gas is admixed with a carrier gas which can also be used in the classical cold gas spraying.
  • a carrier gas which can also be used in the classical cold gas spraying.
  • metal nitride compounds such as titanium nitride (TiN).
  • the inventive method provides, in addition to carry out an activation of the reactive gas by generating reactive gas radicals in the particle and reactive gas comprehensive mixture flow.
  • the mixture flow containing the particles is conducted, for example, immediately after leaving a nozzle on the way to the substrate, for example by a high-frequency electromagnetic field, such as by microwaves and / or UV light. This leads to a targeted activation of the reactive gas, resulting in the Reattentiongasmolekülen reactive gas radicals.
  • the highly reactive reactive gas radicals initiate the formation of chemical compounds between the particles and the reactive gas, thereby depositing a ceramic coating on the substrate.
  • the generation of the reactive gas radicals in the mixture flow takes place by exciting the reactive gas molecules in the mixture flow by means of electromagnetic radiation with a frequency and flux density suitable for splitting the reactive gas molecules into reactive gas radicals.
  • the electromagnetic radiation can be targeted in their frequency the reactive gas molecules to be activated, which are to be split into reactive gas radicals, are tuned. That the excitation of the reactive gas molecules in the mixture flow by means of electromagnetic high-frequency and / or microwaves and / or ultraviolet light, and / or laser light. All these sources of electromagnetic waves are freely available and thus allow a cost-effective implementation of the method according to the invention.
  • the method comprises the additional process step of an expansion of the mixture flow after the injection of the particles into the reactive gas flow and before the generation of the reactive gas radicals in the mixture flow.
  • reactive gas radicals can be produced more easily and with less energy input.
  • the expansion takes place in a Laval nozzle.
  • a Laval nozzle is particularly suitable for the expansion of subsonic flows of cold gaseous fluids.
  • the expansion preferably takes place in an environment with a pressure level below the normal conditions. As a result, the static pressure in the mixture flow can be lowered even further, whereby the formation of reactive gas radicals even easier and with even less energy use is possible.
  • the method comprises the additional method step of supplying additional reactive gas to the surface of the substrate to be coated.
  • the reaction between the particles and the reactive gas takes place only to a limited extent during the transport of the mixture flow to the surface to be coated.
  • the reaction between particles and reactive gas takes place mainly when the particles hit the substrate. Therefore, the admixture or addition of reactive gas in the region of the surface to be coated by a high partial pressure of activatable reactive gas safely, so that a complete reaction between particles and reactive gas to the coating material takes place at the surface of the substrate.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the particles are agglomerated nanoparticles.
  • the reaction of reactive gas and metallic particles is all the more complete, the larger the active surface of the particles in relation to their mass.
  • the use of agglomerated nanoparticles thus reliably results in the production of a fully reacted coating.
  • the reactive gas flow comprises a carrier gas suitable for cold gas spraying.
  • the carrier gas itself is the reactive gas.
  • the carrier gas may be admixed with the reactive gas.
  • the reactive gas comprises nitrogen.
  • the reactive gas may comprise oxygen.
  • a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the particles at least partially comprise at least one metal which forms a non-metallic, in particular ceramic coating material by reaction with the reactive gas or with the reactive gas radicals.
  • the device according to the invention makes it possible to carry out a method according to the invention described above and thus allows to utilize the advantages of the method according to the invention.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention provides means for expanding the mixture flow after the injection of the particles into the reactive gas flow and before the generation of the reactive gas radicals in the mixture flow. This is advantageous because in this way the complete particle surfaces enter into the reaction kinetics.
  • the Means for expanding the mixture flow may include, for example, a Laval nozzle.
  • the means for generating the reactive gas radicals in the mixture flow comprise, according to the invention, an electromagnetic high-frequency and / or microwave generator acting on the mixture flow and / or a light source and / or laser light source emitting ultraviolet light.
  • Another advantageous embodiment of the device according to the invention provides means for additional supply of reactive gas to the surface to be coated of the substrate. This is advantageous to ensure complete reaction between particles and reactive gas to the coating material.
  • An in Fig. 1 illustrated apparatus 1 for depositing a ceramic coating on a substrate 2 by means of cold gas spraying comprises a mixing chamber 3, which is supplied to a reactive gas.
  • the reactive gas is supplied to the mixing chamber from a container, not shown, in which a higher pressure prevails, than at the surface to be coated of the substrate 2. This forms when entering the mixing chamber 3, a reactive gas flow 5 from.
  • the reactive gas flow 5 particles 4 are supplied, which consists of a for producing a desired ceramic coating material by reaction with the reactive gas required material. This results in the discharge of the mixing chamber 3, a mixture flow of reactive gas and particles 4.
  • a Laval nozzle 6 is arranged, in which the mixture flow of reactive gas and particles 4 is expanded.
  • a microwave generator 7 adjoining the Laval nozzle 6 serves to produce a formation of the coating material from the reactive gas and the reactive gas radicals initiating the particles in the mixture flow.
  • the mixture of reactive gases and particles 4 impinges on a surface of the substrate 2 to be coated so that a surface consisting of a chemical compound of the material of the particles 4 with the reactive gas, or depositing a ceramic coating formed by a chemical combination of the material of the particles 4 with the reactive gas.
  • a carrier gas and metallic powders may be used as particles.
  • a reactive gas such as molecular oxygen O 2 or molecular nitrogen N 2
  • the carrier gas a reactive gas, for example, molecular oxygen O 2 is added .
  • the sole admixture of the generally inert nitrogen gas to the carrier gas, or the use of nitrogen as the carrier gas, which is also the reactive gas, is not sufficient to, for example, metal nitride compounds such as titanium nitride TiN produce.
  • additionally activation made of the reactive gas for this purpose, the mixture flow containing the particles immediately after leaving the Laval nozzle 6 on the way to the substrate 2, for example, by a high-frequency electromagnetic field, which may be generated for example by microwaves, ultraviolet light or the like, passed. This leads to a targeted activation of the reactive gas used, whereby the reactive gas molecules are split into reactive gas radicals.
  • the then highly reactive reactive gas radicals allow the formation of chemical compounds between the metallic particles 4 and the reactive gas to metal reactive gas compounds such as titanium nitride TiN, titanium oxide TiO 2 and the like.
  • the reactive gas can of course also be offered on the substrate 2, since the reaction of the metallic particles 4 with the reactive gas only to a small extent during transport in the mixing chamber 3, the Laval nozzle 6 and the microwave generator 7 comprising the inventive device 1, but rather takes place mainly on the impact of the particles 4 on the substrate 2.
  • the admixture of the reactive gas to the carrier gas of the cold gas process is advantageous because it can ensure a high partial pressure of activatable reactive gas on the substrate 2.
  • agglomerated nanoparticles are preferably used as particles 4, whereby a completely reacted coating is formed on the substrate 2.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abscheidung einer nichtmetallischen, insbesondere keramischen Beschichtung auf einem Substrat mittels Kaltgas-Spritzen, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 16.
  • Kaltgas-Spritzen ist ein Beschichtungsverfahren, mit dem metallische Schichten, wie etwa Kupfer, Silber, Aluminium und dergleichen auf ein Substrat, etwa ein zu beschichtendes Werkstück, abgeschieden werden können.
  • Keramische Schichten können durch Kaltgas-Spritzen nur bedingt über das Abscheiden so genannter Kompositschichten hergestellt werden. Hierbei werden keramische Partikel in größere metallische Partikel eingebettet und auf diese Weise mit auf das Substrat abgeschieden. Durch geeignetes Tempern der so abgeschiedenen Schichten kann durch die Temperatur-Induzierte Diffusion von keramischen Partikeln und metallischer Matrix eine keramische Schicht erzeugt werden.
  • Aus DE 10 2004 059 716 B3 ist ein Verfahren zum Kaltgas-Spritzen bekannt. Dabei wird eine Trägergasströmung erzeugt, in welche Partikel eingebracht werden. Die kinetische Energie der Partikel führt zu einer Schichtbildung auf einem Substrat. Das Substrat weist dabei eine Gefügetextur auf, die auf die sich ausbildende Schicht übertragen wird. Durch eine geeignete Zusammensetzung der Partikel lässt sich dadurch eine hochtemperatursupraleitende Schicht auf dem Substrat erzeugen. Auch hier ist ein anschließendes Tempern des mit der Schicht versehenen Substrats vorgesehen.
  • Im Gegensatz zu den typischen thermischen oder auch Plasma-Spritzverfahren, wie etwa Vakuumplasmaspritzen (Vacuum Plasma Spraying; VPS) atmosphärischem Plasmasmaspritzen (Atmospheric Plasma Spraying; APS), Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (High Velocity Oxy-Fuel Flame Spraying; HVOF) können beim Kaltgas-Spritzverfahren nicht direkt keramische Partikel verwendet werden, da diese im Allgemeinen nicht auf dem Substrat haften. Gemäß der WO 2005/061116 A1 wird diesbezüglich vorgeschlagen, die keramischen Partikel mit einem Hilfsgas zu vermischen und vor der Verarbeitung vorzuheizen.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verberssertes Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, auch nichtmetallische Schichten, insbesondere keramische Schichten mittels Kaltgas-Spritzen auf einem Substrat oder Werkstück abzuscheiden.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1, und eine Vorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Ein erster Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung einer nichtmetallischen, insbesondere keramischen Beschichtung auf einem Substrat mittels Kaltgas-Spritzen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:
    • Erzeugen einer mindestens ein Reaktivgas umfassenden Reaktivgasströmung,
    • Injektion von aus mindestens einem zur Erzeugung eines nichtmetallischen, insbesondere keramischen Beschichtungswerkstoffs durch Reaktion mit dem Reaktivgas erforderlichen Material bestehenden Partikeln in die Reaktivgasströmung, so dass eine Gemischströmung aus Reaktivgas und Partikeln entsteht,
    • Erzeugung von eine Bildung des Beschichtungswerkstoffs aus dem Reaktivgas und den Partikeln initiierenden Reaktivgasradikalen in der Gemischströmung,
    • Richten der Reaktivgasradikale und Partikel umfassenden Gemischströmung auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Substrats, so dass sich auf der Oberfläche des Substrats eine aus einer chemischen Verbindung des Materials der Partikel mit dem Reaktivgas bestehende, bzw. eine durch eine chemische Verbindung des Materials der Partikel mit dem Reaktivgas entstehende nichtmetallische, insbesondere keramische Beschichtung abscheidet.
  • Die Reaktivgasströmung kann dabei ein zum Kaltgas-Spritzen üblicherweise verwendetes Trägergas umfassen. So ist beispielsweise denkbar, dass die Reaktivgasströmung ein zum Kaltgas-Spritzen üblicherweise verwendetes Trägergas sowie ein dem Trägergas beigemengtes Reaktivgas umfasst. Ebenfalls ist denkbar, dass das Trägergas selbst das Reaktivgas ist. Die Reaktivgasströmung kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, indem ein in einem Behälter unter Druck stehendes Reaktivgas oder eine Mischung aus Reaktivgas und Trägergas beispielsweise durch eine Rohr- oder Schlauchleitung oder dergleichen aus dem Behälter ausströmt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erweitert das klassische Kaltgas-Spritzen um die Möglichkeit, nichtmetallische, insbesondere keramische Beschichtungen auf einem Substrat abzuscheiden. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können beispielsweise zur Erzeugung keramischer Beschichtungen zunächst wie beim klassischen Kaltgas-Spritzverfahren metallische Pulver als Partikel verwendet werden. Um eine keramische Beschichtung zu bilden, muss das Material der Partikel mit einer anderen chemischen Substanz reagieren und eine chemische Verbindung eingehen. Hierzu wird ein Reaktivgas verwendet, welches bei einer chemischen Reaktion mit dem Material der Partikel die gewünschte keramische Beschichtung ergibt. Als Reaktivgas eignen sich beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff. Auch andere Reaktivgase zur Erzeugung beispielsweise von Karbiden sind denkbar. Um eine Reaktion der metallischen Partikel mit dem Reaktivgas zu ermöglichen und um die Bildung einer keramischen Beschichtung zu initiieren, wird einem auch beim klassischen Kaltgas-Spritzen verwendbaren Trägergas das Reaktivgas zugemischt. Das alleinige Beimischen des im Allgemeinen inerten Reaktivgases zum Trägergas reicht jedoch nicht aus, um beispielsweise Metallnitridverbindungen wie etwa Titannitrid (TiN) zu erzeugen. Hierzu sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, zusätzlich eine Aktivierung des Reaktivgases durch Erzeugung von Reaktivgasradikalen in der Partikel und Reaktivgas umfassenden Gemischströmung vorzunehmen. Hierzu wird die die Partikel enthaltende Gemischströmung beispielsweise unmittelbar nach Austritt aus einer Düse auf dem Weg zum Substrat beispielsweise durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld, etwa durch Mikrowellen und/oder UV-Licht geleitet. Dies führt zu einer gezielten Aktivierung des Reaktivgases, bei der aus den Reaktivgasmolekülen Reaktivgasradikale entstehen. Die hochreaktiven Reaktivgasradikale initiieren die Bildung von chemischen Verbindungen zwischen den Partikeln und dem Reaktivgas, wodurch eine keramische Beschichtung auf dem Substrat abgeschieden wird.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Erzeugung der Reaktivgasradikale in der Gemischströmung durch Anregen der Reaktivgasmoleküle in der Gemischströmung mittels elektromagnetischer Strahlung mit zur Aufspaltung der Reaktivgasmoleküle in Reaktivgasradikale geeigneter Frequenz und Flussdichte erfolgt. Die elektromagnetische Strahlung kann dabei in ihrer Frequenz gezielt auf die zu aktivierenden Reaktivgasmoleküle, die in Reaktivgasradikale aufgespaltet werden sollen, abgestimmt werden. Dass das Anregen der Reaktivgasmoleküle in der Gemischströmung erfolgt mittels elektromagnetischer Hochfrequenz- und/oder Mikrowellen und/oder ultraviolettem Licht, und/oder Laserlicht. All diese Quellen elektromagnetischer Wellen sind frei verfügbar und erlauben somit eine kostengünstige Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren den zusätzlichen Verfahrensschritt einer Expansion der Gemischströmung nach der Injektion der Partikel in die Reaktivgasströmung und vor der Erzeugung der Reaktivgasradikale in der Gemischströmung. In der expandierten Strömung lassen sich leichter und unter geringerem Energieeinsatz Reaktivgasradikale erzeugen. Dabei ist denkbar, dass die Expansion in einer Laval-Düse erfolgt. Eine Laval-Düse eignet sich besonders zur Expansion von Unterschallströmungen kalter, gasförmiger Fluide. Vorzugsweise erfolgt die Expansion in eine Umgebung mit einem Druckniveau unterhalb der Normalbedingungen. Hierdurch kann der statische Druck in der Gemischströmung noch weiter abgesenkt werden, wodurch die Bildung von Reaktivgasradikalen noch leichter und unter noch geringerem Energieeinsatz möglich ist.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren den zusätzlichen Verfahrensschritt einer Zufuhr zusätzlichen Reaktivgases zur zu beschichtenden Oberfläche des Substrats. Die Reaktion zwischen den Partikeln und dem Reaktivgas findet nur in begrenztem Umfang während des Transports der Gemischströmung zur zu beschichtenden Oberfläche statt. Die Reaktion zwischen Partikeln und Reaktivgas findet überwiegend beim Auftreffen der Partikel auf das Substrat statt. Deshalb stellt die Zumischung bzw. Zugabe von Reaktivgas im Bereich der zu beschichtenden Oberfläche durch einen hohen Partialdruck an aktivierbarem Reaktivgas sicher, so dass eine vollständige Reaktion zwischen Partikeln und Reaktivgas zum Beschichtungswerkstoff an der Oberfläche des Substrats erfolgt.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Partikel agglomerierte Nanopartikel sind. Die Reaktion von Reaktivgas und metallischen Partikeln läuft um so vollständiger ab, je größer die aktive Oberfläche der Partikel im Verhältnis zu deren Masse ist. Die Verwendung agglomerierter Nanopartikel führt somit zuverlässig zur Erzeugung einer vollständig reagierten Beschichtung.
  • Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Reaktivgasströmung ein zum Kaltgas Spritzen geeignetes Trägergas umfasst. Dabei ist denkbar, dass das Trägergas selbst das Reaktivgas ist. Ebenso kann dem Trägergas das Reaktivgas beigemischt sein. Vorzugsweise umfasst das Reaktivgas Stickstoff. Ebenso kann das Reaktivgas Sauerstoff umfassen.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Partikel wenigstens teilweise mindestens ein Metall umfassen, welches durch Reaktion mit dem Reaktivgas bzw. mit den Reaktivgasradikalen einen nichtmetallischen, insbesondere keramischen Beschichtungswerkstoff bildet.
  • Ein zweiter Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abscheidung einer nichtmetallischen, insbesondere keramischen Beschichtung auf einem Substrat mittels Kaltgas-Spritzen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst,
    • Mittel zum Erzeugen einer mindestens ein Reaktivgas umfassenden Reaktivgasströmung,
    • Mittel zur Injektion von aus mindestens einem zur Erzeugung eines gewünschten nichtmetallischen, insbesondere keramischen Beschichtungswerkstoffs durch Reaktion mit dem Reaktivgas erforderlichen Material bestehenden Partikeln in die Reaktivgasströmung, so dass eine Gemischströmung aus Reaktivgas und Partikeln entsteht,
    • Mittel zur Erzeugung von eine Bildung des Beschichtungswerkstoffs aus dem Reaktivgas und den Partikeln initiierenden Reaktivgasradikalen in der Gemischströmung,
    • Mittel zum Richten der Reaktivgasradikale und Partikel umfassenden Gemischströmung auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Substrats, so dass sich auf der Oberfläche des Substrats eine aus einer chemischen Verbindung des Materials der Partikel mit dem Reaktivgas bestehende, bzw. eine durch eine chemische Verbindung des Materials der Partikel mit dem Reaktivgas entstehende, nichtmetallische, insbesondere keramische Beschichtung abscheidet.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Durchführung eines oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens und erlaubt so, die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zu nutzen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht Mittel zur Expansion der Gemischströmung nach der Injektion der Partikel in die Reaktivgasströmung und vor der Erzeugung der Reaktivgasradikale in der Gemischströmung vor. Dies ist vorteilhaft, weil hierdurch die vollständigen Partikeloberflächen in die Reaktionskinetik eingehen. Die Mittel zur Expansion der Gemischströmung können beispielsweise eine Laval-Düse umfassen.
  • Die Mittel zur Erzeugung der Reaktivgasradikale in der Gemischströmung umfassen erfindungsgemäß einen auf die Gemischströmung einwirkenden elektromagnetischen Hochfrequenz- und/ oder Mikrowellengenerator und/oder eine ultraviolettes Licht aussendende Lichtquelle und/oder Laserlichtquelle.
  • Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht Mittel zur zusätzlichen Zufuhr von Reaktivgas zur zu beschichtende Oberfläche des Substrats vor. Dies ist vorteilhaft, um eine vollständige Reaktion zwischen Partikeln und Reaktivgas zum Beschichtungswerkstoff zu gewährleisten.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä- ßen Vorrichtung zur Ausführung eines erfindungsge- mäßen Verfahrens.
  • Eine in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 zur Abscheidung einer keramischen Beschichtung auf einem Substrat 2 mittels Kaltgas-Spritzen umfasst eine Mischkammer 3, welcher ein Reaktivgas zugeführt wird. Das Reaktivgas wird der Mischkammer aus einem nicht dargestellten Behälter zugeführt, in dem ein höherer Druck herrscht, als an der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats 2. Hierdurch bildet sich beim Eintritt in die Mischkammer 3 eine Reaktivgasströmung 5 aus. In der Mischkammer 3 werden der Reaktivgasströmung 5 Partikel 4 zugeführt, welche aus einem zur Erzeugung eines gewünschten keramischen Beschichtungswerkstoffs durch Reaktion mit dem Reaktivgas erforderlichen Material bestehen. Hierdurch entsteht am Austritt der Mischkammer 3 eine Gemischströmung aus Reaktivgas und Partikeln 4. Im Anschluss an die Mischkammer ist eine Laval-Düse 6 angeordnet, in der die Gemischströmung aus Reaktivgas und Partikeln 4 expandiert wird. Ein sich an die Laval-Düse 6 anschließender Mikrowellengenerator 7 dient der Erzeugung von eine Bildung des Beschichtungswerkstoffs aus dem Reaktivgas und den Partikeln initiierenden Reaktivgasradikalen in der Gemischströmung. Direkt im Anschluss an den Mikrowellengenerator 7 trifft die Reaktivgasradikale und Partikel 4 umfassende Gemischströmung auf eine zu beschichtende Oberfläche des Substrats 2, so dass sich auf der Oberfläche des Substrats 2 eine aus einer chemischen Verbindung des Materials der Partikel 4 mit dem Reaktivgas bestehende, bzw. eine durch eine chemische Verbindung des Materials der Partikel 4 mit dem Reaktivgas entstehende, keramische Beschichtung abscheidet.
  • Bei der vorliegenden Erfindung können zunächst wie beim klassischen Kaltgas-Spritzverfahren ein Trägergas und metallische Pulver als Partikel verwendet werden. Um eine Reaktion der metallischen Partikel mit einem Reaktivgas, wie etwa molekularem Sauerstoff O2 oder molekularen Stickstoff N2 zu ermöglichen und damit die Bildung keramischer Schichten zu initiieren, wird dem Trägergas ein Reaktivgas, beispielsweise molekularer Sauerstoff O2 zugemischt.
  • Wie nachfolgend am Beispiel von Stickstoff N als reaktivem Partner demonstriert, reicht das alleinige Beimischen des im Allgemeinen inerten Stickstoffgases zum Trägergas, bzw. die Verwendung von Stickstoff als Trägergas, das gleichzeitig das Reaktivgas ist, nicht aus, um beispielsweise Metallnitridverbindungen wie etwa Titannitrid TiN zu erzeugen. Um dies zu ermöglichen wird erfindungsgemäß zusätzlich eine Aktivierung des Reaktivgases vorgenommen. Hierzu wird die die Partikel enthaltende Gemischströmung unmittelbar nach Verlassen der Laval-Düse 6 auf dem Weg zum Substrat 2 beispielsweise durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld, welches beispielsweise durch Mikrowellen, ultraviolettes Licht oder dergleichen erzeugt sein kann, geleitet. Dies führt zu einer gezielten Aktivierung des eingesetzten Reaktivgases, wodurch die Reaktivgasmoleküle zu Reaktivgasradikalen aufgespalten werden. Die dann hochreaktiven Reaktivgasradikale ermöglichen die Bildung chemischer Verbindungen zwischen den metallischen Partikeln 4 und dem Reaktivgas zu Metallreaktivgasverbindungen wie etwa Titannitrid TiN, Titanoxid TiO2 und dergleichen. Dabei kann das Reaktivgas natürlich auch zusätzlich am Substrat 2 angeboten werden, da die Reaktion der metallischen Partikel 4 mit dem Reaktivgas nur in geringem Umfang während des Transports in der die Mischkammer 3, die Laval-Düse 6 und den Mikrowellengenerator 7 umfassenden erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, sondern vielmehr hauptsächlich beim Auftreffen der Partikel 4 auf dem Substrat 2 stattfindet. Die Zumischung des Reaktivgases zum Trägergas des Kaltgasprozesses ist dabei vorteilhaft, da damit ein hoher Partialdruck an aktivierbarem Reaktivgas am Substrat 2 gewährleistet werden kann.
  • Wichtig ist hervorzuheben, dass die Reaktion von Reaktivgas und metallischen Partikeln 4 um so vollständiger abläuft, je größer die aktive Oberfläche der Partikel 4 im Verhältnis zu deren Masse ist. Vorzugsweise werden deshalb agglomerierte Nanopartikel als Partikel 4 verwendet, wodurch eine vollständig reagierte Beschichtung auf dem Substrat 2 entstehen.
  • Vorteile der Erfindung werden nachfolgend am Beispiel von Titannitrid TiN dargelegt. Mittels Kaltgas-Spritzverfahren können kostengünstig sehr dicke, bis zu einigen Millimeter Schichtdicke aufweisende Verschleißschutzschichten hergestellt werden, die in ihren Eigenschaften denen mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition; PVD) erzeugten gleichkommen, gleichzeitig aber eine um den Faktor 100 größere Schichtdicke aufweisen können. Somit erschließt die Erfindung komplett neue Anwendungsfelder im Bereich des Verschleißschutzes. Die Erfindung ermöglicht ebenfalls die Abscheidung hochwertiger oxidischer Schichten, insbesondere auch die Abscheidung von Hochtemperatursupraleiter-Materialien (HTSL-Materialien). Das Aktivieren des Reaktivgases unterstützt hierbei nicht nur die Bildung der gewünschten Phase, sondern erhöht insbesondere auch ihre Bildungsgeschwindigkeit. Letzteres führt zu kommerziell lukrativen Prozessen für die Herstellung supraleitend beschichteter Bänder, welche das Ausgangsmaterial für eine Vielzahl von elektrotechnischen Komponenten, wie etwa für Werkstoffe mit Formgedächtnis (Shape Memory Efffect; SME), Generatoren, Transformatoren, supraleitende Stromregulatoren bzw. -begrenzer und dergleichen darstellt.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Abscheidung einer nichtmetallischen, insbesondere keramischen Beschichtung auf einem Substrat (2) mittels Kaltgas-Spritzen, mit den Verfahrensschritten:
    - Erzeugen einer mindestens ein Reaktivgas umfassenden Reaktivgasströmung (5),
    - Injektion von aus mindestens einem zur Erzeugung eines nichtmetallischen, insbesondere keramischen Beschichtungswerkstoffs durch Reaktion mit dem Reaktivgas erforderlichen Material bestehenden Partikeln (4) in die Reaktivgasströmung (5), so dass eine Gemischströmung aus Reaktivgas und Partikeln (4) entsteht,
    - Richten der Gemischströmung auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Substrats (2), so dass sich auf der Oberfläche des Substrats (2) eine nichtmetallische, insbesondere keramische Beschichtung abscheidet,
    gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt:
    - Erzeugung von Reaktivgasradikalen in der Gemischströmung, wobei die Erzeugung der Reaktivgasradikale in der Gemischströmung durch Anregen der Reaktivgasmoleküle mittels mittels elektromagnetischer Hochfrequenz- und/oder Mikrowellen und/oder ultraviolettem Licht, und/oder Laserlicht erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1
    gekennzeichnet durch den zusätzlichen Verfahrensschritt:
    - Expansion der Gemischströmung nach der Injektion der Partikel (4) in die Reaktivgasströmung (5) und vor der Erzeugung der Reaktivgasradikale in der Gemischströmung.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Expansion in einer Laval-Düse (6) erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Expansion in eine Umgebung mit einem Druckniveau unterhalb der Normalbedingungen erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch den zusätzlichen Verfahrensschritt:
    - Zufuhr zusätzlichen Reaktivgases zur zu beschichtenden Oberfläche des Substrats (2).
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Partikel (4) agglomerierte Nanopartikel sind.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Reaktivgasströmung (5) ein zum Kaltgas Spritzen geeignetes Trägergas umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Trägergas selbst das Reaktivgas ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass dem Trägergas das Reaktivgas beigemischt ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Reaktivgas Stickstoff umfasst.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Reaktivgas Sauerstoff umfasst.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Partikel (4) wenigstens teilweise mindestens ein Metall umfassen, welches durch chemische Reaktion mit dem Reaktivgas einen nichtmetallischen, insbesondere keramischen Beschichtungswerkstoff bildet.
  13. Vorrichtung (1) zur Abscheidung einer nichtmetallischen, insbesondere keramischen Beschichtung auf einem Substrat mittels Kaltgas-Spritzen, aufweisend
    - Mittel (3) zum Erzeugen einer mindestens ein Reaktivgas umfassenden Reaktivgasströmung (5),
    - Mittel (3) zur Injektion von aus mindestens einem zur Erzeugung eines nichtmetallischen, insbesondere keramischen Beschichtungswerkstoffs durch Reaktion mit dem Reaktivgas erforderlichen Material bestehenden Partikeln (4) in die Reaktivgasströmung (5), so dass eine Gemischströmung aus Reaktivgas und Partikeln entsteht,
    - Mittel zum Richten der Gemischströmung auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Substrats (2), so dass sich auf der Oberfläche des Substrats (2) eine nichtmetallische, insbesondere keramische Beschichtung abscheidet, gekennzeichnet durch
    - Mittel (7) zur Erzeugung von Reaktivgasradikalen in der Gemischströmung, wobei diese einen elektromagnetischen Hochfrequenz- und/oder Mikrowellengenerator (7) und/oder eine ultraviolettes Licht aussendende Lichtquelle und/oder Laserlichtquelle umfasst.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
    gekennzeichnet durch,
    Mittel (6) zur Expansion der Gemischströmung nach der Injektion der Partikel (4) in die Reaktivgasströmung (5) und vor der Erzeugung der Reaktivgasradikale in der Gemischströmung.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Mittel zur Expansion der Gemischströmung eine Laval-Düse (6) umfassen.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
    gekennzeichnet durch,
    Mittel zur zusätzlichen Zufuhr von Reaktivgas zur zu beschichtende Oberfläche des Substrats (2).
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