EP3880867A1 - Method for producing three-dimensional silicon carbide-containing objects - Google Patents

Method for producing three-dimensional silicon carbide-containing objects

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EP3880867A1
EP3880867A1 EP19798297.8A EP19798297A EP3880867A1 EP 3880867 A1 EP3880867 A1 EP 3880867A1 EP 19798297 A EP19798297 A EP 19798297A EP 3880867 A1 EP3880867 A1 EP 3880867A1
Authority
EP
European Patent Office
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silicon carbide
precursor
materials
substrate
substrate surface
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19798297.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Siegmund Greulich-Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PSC Technologies GmbH
Original Assignee
PSC Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C04B2235/60Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/602Making the green bodies or pre-forms by moulding
    • C04B2235/6026Computer aided shaping, e.g. rapid prototyping

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of additive manufacturing processes, in particular additive manufacturing.
  • the present invention relates to a method for applying silicon carbide-containing materials to a substrate, in particular for location-selective application to a substrate.
  • the present invention relates to the silicon carbide-containing objects obtainable with the method according to the invention.
  • the present invention relates to an apparatus for performing the method.
  • Generative manufacturing processes also known as additive manufacturing or additive manufacturing (AM) are processes for the rapid production of models, samples, tools and products from shapeless materials, such as liquids, gels, pastes or powders .
  • AM additive manufacturing
  • Generative production processes are used both for the production of objects from inorganic materials, in particular metals and ceramics, and from organic materials.
  • high-energy processes such as selective laser melting, electron beam melting or cladding are preferably used, since the educts or precursors used only react or melt when the energy input is high.
  • additive manufacturing enables the fast manufacture of highly complex components, but the manufacture of components from inorganic materials in particular poses a number of challenges to both the educt and Also the product materials:
  • the educts may only react in a predetermined manner under the influence of energy.
  • disruptive side effects must be excluded.
  • no separation of the products or phase separation or even decomposition of the products may occur under the influence of energy.
  • Silicon carbide also called carborundum, is an extremely interesting and versatile material for the production of high-performance ceramics and for semiconductor applications. Silicon carbide with the chemical formula SiC has an extremely high hardness and a high sublimation point and is often used as an abrasive or as an insulator in high-temperature reactors. Siliciumcar bid also deals with a variety of elements and alloys or alloy-like compounds, which often have advantageous material properties, such as high hardness, high resistance, low weight and low sensitivity to oxidation even at high temperatures. The properties of the porous silicon carbide material produced via conventional sintering processes do not correspond to those of the compact crystalline silicon carbide, so that the advantageous properties of the silicon carbide cannot be fully exhausted.
  • silicon carbide does not melt at high temperatures - depending on the respective crystal type - in the range from 2,300 to 2,700 ° C, but subsumes, i.e. changes from the solid to the gaseous state. This makes silicon carbide particularly unsuitable for additive manufacturing processes, such as laser melting.
  • DE 10 2015 105 085.4 describes a process for the production of bodies from silicon carbide crystals, the silicon carbide in particular by laser irradiation from suitable carbon and silicon containing Precursor compounds are obtained in a powder bed process based on selective laser melting (SLM).
  • SLM selective laser melting
  • a suitable method for the production of coatings or three-dimensional objects is cladding.
  • cladding With build-up welding, a material is applied to a substrate or workpiece by melting the substrate or workpiece while applying a material at the same time.
  • a special form of cladding is laser cladding, with which the thermal energy provided for the melting process is provided by a laser. Cladding or laser cladding can be used with full use of educt materials, i.e. H. With no unused residues, targeted creation of three-dimensional objects and coatings.
  • Laser cladding is usually used to deposit metallic materials.
  • an object of the present invention is to be seen in providing a method which makes it possible to use silicon carbide-containing materials or Structures made of silicon carbide-containing materials to be deposited or produced locally on a substrate in a locally limited manner.
  • Another object of the present invention is to provide a method which makes it possible to manufacture or repair components or objects from silicon carbide-containing materials by targeted application of material.
  • the present invention according to a first aspect of the present invention is a method for applying silicon carbide-containing materials to a substrate according to claim 1; Another advantageous embodiment of this aspect of the invention are the subject of the relevant subclaims.
  • Another object of the present invention according to a second aspect of the present invention is a silicon-containing three-dimensional object according to claim 13.
  • a further aspect of the present invention according to a third aspect of the present invention is a device for the location-selective deposition of silicon carbide-containing materials according to claim 14; Another advantageous embodiment of this aspect of the invention are the subject of the relevant dependent claims.
  • the present invention - according to a first aspect of the present invention - is thus a method for applying silicon carbide-containing materials to a substrate surface, wherein a gaseous, liquid or powdered precursor material containing a silicon source and a carbon source gasified by the action of energy and / or is decomposed and at least some of the decomposition products are locally selectively deposited on the substrate surface as silicon carbide-containing material.
  • the inventive method allows the generation of high-resolution and detailed three-dimensional structures, i. H. the course of contours, such as corners or edges, is highly precise and in particular free of burrs.
  • the method according to the invention allows a very fast and little complex production of three-dimensional objects or coatings containing silicon carbide and in particular does not require the use of pressure in order to provide compact, non-porous materials.
  • a compound containing silicon carbide is to be understood as a binary, ternary or quaternary inorganic compound, the molecular formula of which contains silicon and carbon.
  • a compound containing silicon carbide does not contain any molecularly bound carbon, such as carbon monoxide or carbon dioxide; the carbon is much more in a solid structure.
  • a silicon source or a carbon source is to be understood as meaning compounds which, under process conditions, can release silicon or carbon in such a way that compounds containing silicon carbide are formed.
  • silicon and carbon do not have to be released in elemental form, but it is sufficient if they react to silicon carbide-containing compounds under process conditions.
  • the silicon source, the carbon source or the precursors for any doping or alloying elements can either be specific chemical compounds or, for example, their reaction products, in particular hydrolysates, as will be explained below.
  • a substrate is to be understood as the material to which the preferably gaseous decomposition products of the precursor material are applied.
  • a substrate in the context of the present invention is a three-dimensional or an almost two-dimensional structure with a surface on which the decomposition products of the precursor material are deposited.
  • the substrate surface can be flat or contoured, in particular structured in three dimensions.
  • the substrate can have almost any three-dimensional shape.
  • the substrate can thus be a carrier material on which material containing silicon carbide is deposited in layers.
  • substrate also includes, in particular, carrier materials which are partially coated with one or more layers of materials containing silicon carbide.
  • a substrate can also be a three-dimensional object which is joined to a second substrate, in particular a further three-dimensional object, by deposited silicon carbide-containing material.
  • the substrate to which the precursor material or its decomposition products are applied this can be selected from a large number of suitable materials.
  • the substrate is selected from crystalline and amorphous substrates.
  • the substrate is an amorphous substrate.
  • the material is selected from carbon, in particular graphite, and ceramic materials, in particular silicon carbide, silicon dioxide, aluminum oxide and metals and mixtures thereof.
  • the substrate often has several materials, in particular a carrier material and the three-dimensional object made of silicon carbide-containing material, which is at least partially built thereon.
  • the precursor material is preferably selected from gaseous, liquid or powdered precursor materials, the use of solid, in particular powdered precursor materials being preferred.
  • the liquid precursor material can be a homogeneous solution or a dispersion, in particular also a solid-in-liquid dispersion.
  • a precursor material is understood to mean a chemical compound or a mixture of chemical compounds which react under process conditions to the desired product materials, in particular materials containing silicon carbide.
  • the reaction to the target compounds can take place in a wide variety of ways.
  • the precursor compounds are gasified and split or decomposed under the action of energy, in particular under the action of a laser beam, if appropriate in the case of liquid or gaseous precursor materials, and as reactive Pass particles into the gas phase.
  • silicon and carbon as well as doping or alloying elements are directly adjacent in the gas phase due to the special composition of the precursor, the silicon carbide or the doped silicon carbide or silicon carbide alloy, which only sublimates from 2,300 ° C, is separated.
  • crystalline silicon carbide absorbs laser energy much less well than the precursor granulate and conducts heat very well, so that the defined silicon carbide compounds are deposited in a strictly local manner.
  • the precursor material is a solid precursor material, in particular a precursor granule.
  • the precursor granulate is not a powder mixture, in particular not a mixture of different precursor powders and / or granules.
  • homogeneous granules, in particular precursor granules are preferably used as precursor material for the process according to the invention.
  • the precursor granules can pass into the gas phase or the precursor compounds react to the desired target compounds by means of short exposure times of energy, in particular laser radiation, it not being necessary to sublimate individual particles of different inorganic substances with particle sizes in the m ⁇ ti range, the Components must then diffuse to form the corresponding compounds and alloys.
  • the homogeneous precursor granulate preferably used in the context of the present invention, the individual building blocks, in particular elements, of the target compound containing silicon carbide are homogeneously distributed and arranged in close proximity to one another, ie. H. less energy is required to produce the silicon carbide-containing compounds. This has the advantage that a multilayer structure of silicon carbide-containing material can be built up without the uppermost layer of the silicon carbide-containing material forming the substrate surface being heated to temperatures at which silicon carbide sublimes.
  • the precursor granules can be obtained from a precursor solution or a precursor dispersion, in particular a precursor sol.
  • the precursor granules are thus preferably finely divided from a liquid, in particular from a solution or dispersion. In this way, a homogeneous distribution of the individual components, in particular precursor compounds, can be achieved in the granulate, the stoichiometry of the silicon carbide-containing material to be produced preferably being pre-formed.
  • the precursor granules are obtainable from a solution or dispersion, in particular a gel, the precursor granules are obtained by drying the precursor solutions or dispersions or the resulting gel.
  • the particle sizes of the precursor granules can vary widely depending on the respective chemical compositions, the laser energy used and the properties of the material or object to be manufactured.
  • the precursor granules have particle sizes in the range from 0.1 to 150 pm, in particular 0.5 to 100 pm, preferably 1 to 100 pm, preferably 7 to 70 pm, particularly preferably 20 to 40 pm.
  • the particles of the precursor granules have a D60 value in the range from 1 to 100 pm, in particular 2 to 70 pm, preferably 10 to 50 pm, preferably 21 to
  • the D60 value for the particle size represents the limit below which the particle size of 60% of the particles of the precursor granules is below. H. 60% of the particles of the precursor granulate have particle sizes which are smaller than the D60 value.
  • the precursor granules have a bimodal particle size distribution. In this way, particularly precursor granules with a high bulk density are accessible.
  • the method according to the invention is suitable for producing coatings or three-dimensional objects from a large spectrum of compounds containing silicon carbide.
  • the silicon carbide-containing compound is usually selected from silicon carbide, doped silicon carbide, non-stoichiometric silicon carbides, doped non-stoichiometric silicon carbide and silicon carbide alloys.
  • the method according to the invention can thus be used universally and is suitable for producing or depositing a large number of different silicon carbide compounds, in particular in order to specifically adjust their mechanical properties.
  • a non-stoichiometric silicon carbide is understood to mean a silicon carbide which contains carbon and silicon not in a molar ratio of 1: 1, but in different ratios.
  • a non-stoichiometric silicon carbide usually has a molar excess of silicon.
  • silicon carbide alloys are to be understood as meaning compounds of silicon carbide with metals, such as, for example, titanium or also on their compounds, such as zirconium carbide or boron nitride, which contain silicon carbide in different and widely fluctuating proportions. Silicon carbide alloys often form high-performance ceramics, which are characterized by particular hardness and temperature resistance.
  • the non-stoichiometric silicon carbide is usually a silicon carbide of the general formula (I)
  • x 0.05 to 0.8, in particular 0.07 to 0.5, preferably 0.09 to 0.4, preferred
  • Such silicon-rich silicon carbides have a particularly high mechanical strength and are suitable for a large number of applications as ceramics.
  • the silicon carbide-containing compound is a doped silicon carbide
  • the silicon carbide is usually doped with an element selected from the group consisting of nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony, boron, aluminum, gallium, indium and mixtures thereof.
  • the silicon carbide is preferably doped with elements of the 13th and 15th group of the periodic table of the elements, as a result of which in particular the electrical properties of the silicon carbide could be manipulated and adjusted in a targeted manner. Doped silicon carbides of this type are particularly suitable for applications in semiconductor technology.
  • the doped silicon carbide can be a stoichiometric silicon carbide or a non-stoichiometric silicon carbide, the doping of stoichiometric silicon carbides being preferred since these are increasingly being used in semiconductor technology. If a doped silicon carbide is produced in the context of the present invention, it has proven useful if the doped silicon carbide contains the doping element in amounts of 0.000001 to 0.0005% by weight, in particular 0.000001 to 0.0001% by weight .-%, preferably 0.000005 to 0.0001 wt .-%, preferably 0.000005 to 0.00005 wt .-%, based on the doped silicon carbide, ent. For the targeted adjustment of the electrical properties of the silicon carbide, extremely small amounts of doping elements are therefore completely sufficient. The quantities of the doping elements mentioned above apply to both stoichiometric and non-stoichiometric silicon carbides.
  • the silicon carbide-containing compound produced in the context of the present invention is a silicon carbide alloy
  • the silicon carbide alloy is usually selected from MAX phases, alloys of silicon carbide with elements, in particular metals, and alloys of silicon carbide with metal carbides and / or metal nitrides.
  • Such silicon carbide alloys contain silicon carbide in varying and strongly fluctuating proportions.
  • silicon carbide is the main constituent of the alloys.
  • the silicon carbide alloy usually has the silicon carbide in amounts of 10 to 95% by weight, in particular 15 to 90% by weight, preferably 20 to 80% by weight, based on the silicon carbide alloy.
  • M stands for an early transition metal from the third to sixth group of the periodic table of the elements, while A stands for an element of the 13th to 16th group of the periodic table of the elements.
  • X is either carbon or nitrogen.
  • MAX phases are of interest whose sum formula contains silicon carbide (SiC), ie silicon and carbon.
  • MAX phases have unusual combinations of chemical, physical, electrical and mechanical properties, as they show both metallic and ceramic behavior depending on the conditions. This includes, for example, high electrical and thermal conductivity, high load Ability to withstand thermal shock, very high hardness and low thermal expansion coefficient.
  • the silicon carbide alloy is a MAX phase
  • the MAX phase is selected from Ti 4 SiC 3 and Ti 3 SiC.
  • the aforementioned MAX phases in particular are highly resistant to chemicals such as oxidation at high temperatures.
  • the silicon carbide-containing compound is an alloy of the silicon carbide, it has proven itself in the event that the alloy is an alloy of silicon carbide with metals, if the alloy is selected from alloys of silicon carbide with metals from the group of Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, Zr and their mixtures.
  • the alloy of silicon carbide is selected from alloys of silicon carbide with metal carbides and / or nitrides, it has proven useful if the alloys of silicon carbide with metal carbides and / or nitrides is selected from the group of boron carbides, in particular B 4 C, Chromium carbides, in particular Cr 2 C3, titanium carbides, in particular TiC, molybdenum carbides, in particular Mo 2 C, niobium carbides, in particular NbC, tantalum carbides, in particular TaC, vanadium carbides, in particular VC, zirconium carbides, in particular ZrC, tungsten carbides, in particular WC, boron nitride , especially BN, and their mixtures.
  • boron carbides in particular B 4 C
  • Chromium carbides in particular Cr 2 C3
  • titanium carbides in particular TiC
  • molybdenum carbides in particular Mo 2 C
  • niobium carbides in particular NbC
  • the precursor material in particular the precursor granulate, in particular at least in regions at temperatures in the range from 1,600 to 2,100 ° C, in particular 1. 700 to 2,000 ° C, preferably 1,700 to 1,900 ° C, is heated. At the aforementioned temperatures, all components of the precursor material go into the gas phase and the precursor materials are decomposed into the desired reactive species, which then react to the target compounds.
  • the method according to the invention can also be carried out with liquid or gaseous precursor materials. If gaseous precursor materials are used in the context of the present invention, the precursor materials are decomposed by the action of energy and at least some of the decomposed precursor materials are deposited in a location-selective manner on the substrate surface as silicon carbide-containing material.
  • liquid or solid, in particular powdery precursor materials are used in the context of the present invention, these are usually gasified and decomposed and then at least some of the decomposition products are deposited in a location-selective manner on the substrate surface as a material containing silicon carbide.
  • location-selective deposition is understood to mean that the material is deposited locally to a location which, however, can change in the course of the method.
  • the decomposition products are usually deposited on an area of 0.1 to 2 mm 2 , in particular 0.5 to 1.5 mm 2 , preferably 0.8 to 1, 2 mm 2 .
  • silicon carbide While the problem with the use of silicon carbide is that it can be sublimed and not melted under normal conditions, it has been shown that by using suitable precursor materials by decomposing the precursor materials from the gas phase, location-selective materials containing silicon carbide, in particular, from the gas phase in the form of layers, can be deposited on substrate surfaces.
  • the layer of silicon carbide-containing material can completely or only partially cover the substrate surface. If layers of material containing silicon carbide are applied repeatedly, an already completed layer of material containing silicon carbide is added to the substrate in the context of the present invention, its surface being surface where it covers a carrier material.
  • the substrate can have almost any three-dimensional structure.
  • both targeted coating of objects can be carried out and three-dimensional objects can be created from materials containing silicon carbide.
  • powdered precursor materials are used.
  • powdery starting materials can be moved onto the substrate surface, for example by means of a nozzle, and gasified and decomposed by, for example, a laser beam without the decomposition products being deflected too strongly in their direction so that a location-selective order is still possible.
  • the silicon carbide-containing material is selected from optionally doped silicon carbide, optionally doped non-stoichiometric silicon carbide, silicon carbide alloys and mixtures thereof.
  • the production of silicon carbide, in particular doped stoichiometric silicon carbide from precursor compounds, in particular powdery precursor compounds, is known in principle and is practiced, for example, in the context of German patent application 10 2015 105 085.4. So far, however, it is not known that it is possible to locally deposit almost any silicon carbide-containing materials by decomposing suitable starting compounds on a substrate and thus to create objects containing silicon carbide or to coat objects with materials containing silicon carbide.
  • the silicon carbide-containing material is deposited as a layer on the substrate surface.
  • the deposition of the silicon carbide-containing material in the form of a layer is achieved in particular in that the location-selective deposition is carried out continuously or discontinuously at all desired and to be coated locations on the substrate surface.
  • a continuous deposition can be obtained, for example, by continuously carrying out the method, the location of the deposition continuously changing, for example by selectively and continuously directing and moving a particle beam onto the substrate surface.
  • discontinuous application takes place, for example, by interrupting the deposition of silicon carbide-containing material and restarting the deposition at another point on the substrate surface.
  • the silicon carbide-containing material is usually deposited on the substrate surface with a layer thickness in the range from 0.01 to 5 mm, in particular 0.05 to 2 mm, preferably 0.1 to 1 mm.
  • a material with the layer thicknesses mentioned three-dimensional objects made of silicon carbide-containing materials can be obtained in a short time by means of additive manufacturing, on the other hand, thin, yet resistant coatings with silicon carbide-containing materials are also possible. At the same time, almost any object can be joined using materials containing silicon carbide.
  • the precursor material in particular the powdered precursor material
  • the precursor material is moved in a finely divided and directed form, in particular in the form of at least one particle beam, in the direction of the substrate and before or when it hits the substrate
  • Exposure to energy, in particular laser radiation, is gasified and decomposed or that the gaseous decomposition products are moved in the direction of the substrate, in particular in the form of a particle beam.
  • a particle beam is to be understood as a directed stream of particles or particles with a cross section which preferably remains constant and which preferably moves linearly.
  • the precursor materials or the decomposition products can be moved in one or more particle beams in the direction of the substrate surface and can meet, for example, in a focal point, for example the light beam from a laser, or on the substrate surface.
  • the particle beam or the particle beams is or are preferably directed to the substrate surface.
  • the starting compounds it is therefore possible for the starting compounds to be moved in a finely divided form, preferably in the form of a finely divided powder, in particular a powder jet, in the direction of the substrate surface and before, in particular immediately before, or upon impact the substrate surface is gasified and decomposed by the action of energy, in particular by the action of a laser beam.
  • the decomposition products are produced in the immediate vicinity of the surface to which they are applied and can be deposited on the cooler substrate surface in a preferably single-crystalline form.
  • the decomposition products it is also possible for the decomposition products to be moved, for example, through a nozzle in the direction of the substrate surface and to be applied thereto, the decomposition products being deposited at least in part on the substrate surface as the desired silicon carbide-containing material.
  • the decomposition products there is always a risk that larger agglomerates will form in the gas phase and that a less dense and homogeneous surface will be obtained.
  • the partial beam has a cross section in the range from 0.1 to 2 mm 2 , in particular 0.2 to 1.5 mm 2 , preferably 0.5 to 1, 2 mm 2 .
  • the particle beam preferably has a cross section of 1 mm 2 .
  • the energy is brought about by thermal energy, in particular an increase in temperature, in particular by means of resistance heating, arcing or radiation energy, preferably arcing or radiation energy, preferably by means of laser radiation.
  • the energy input takes place, in particular by means of laser radiation, with a resolution of 0.1 to 150 pm, in particular 1 to 100 pm, preferably 10 to 50 pm. In this way, a high energy input can be guaranteed in a narrowly limited space, so that the precursors are completely gasified or decomposed.
  • a special feature of the method according to the invention is to be seen in particular in that it does not require subsequent sintering steps, ie in the context of the present invention the precursors are selected and in particular matched to the method implementation in such a way that directly from the Gaseous phase a homogeneous, compact three-dimensional body is obtained, which does not have to be subjected to sintering.
  • the precursor material in particular the powdery precursor material, or the gaseous decomposition products is or are moved in the direction of the substrate by means of at least one nozzle.
  • a nozzle By using a nozzle, it is in particular possible to obtain a sharply defined particle beam, preferably from gaseous particles or from powder particles, which are applied to the substrate surface in a location-selective manner.
  • the nozzle is particularly preferably a powder nozzle or a gas nozzle.
  • the nozzle can either be arranged coaxially, for example, a laser beam, or laterally.
  • the laser beam and nozzle are usually in a processing head or an assembly, the laser beam being directed almost perpendicularly to the substrate surface and the partial beam intersecting it or several particle beams cutting the axis of the laser beam at a focal point .
  • the laser beam is usually also arranged and movable perpendicular to the substrate surface, a particle stream being injected laterally into the axis of the laser beam.
  • powdered precursor materials is preferred, although gaseous or liquid precursor materials can also be used.
  • the powdered precursor material is moved in the form of a powder jet in the direction of the substrate or that the liquid precursor material is moved in atomized form or as a liquid jet in the direction of the substrate, but preferably always in the form of a particle beam .
  • the gaseous precursor material is moved in the form of a gas stream in the direction of the substrate.
  • the gaseous decomposition products it is also possible for the gaseous decomposition products to be moved in the direction of the substrate in the form of a gas jet.
  • the method according to the invention is suitable for producing a large number of three-dimensional objects or for coating objects with materials containing silicon carbide.
  • the method is particularly particularly preferred if the method is used for layer-by-layer construction of a three-dimensional object containing silicon carbide and / or for joining at least two components.
  • the method according to the invention can thus be a generative production method on the one hand, but can also be used on the other hand as a joining method for connecting objects or for repairing objects.
  • the method is laser deposition melting or a method based on laser deposition melting, in which the precursor materials are gasified and / or decomposed before or until contact with the substrate surface.
  • the precursor material in particular the powdered precursor material
  • the precursor material is gasified and decomposed in the vicinity of the substrate surface by means of laser radiation, in particular in the immediate vicinity of the substrate surface.
  • the substrate is heated only very slightly by the energy introduced, in particular by the laser beam, so that, on the one hand, the silicon carbide-containing material can be applied as stress-free as possible.
  • the gasification and decomposition of the powdered starting material and the deposition of the silicon carbide-containing material is carried out in a protective gas atmosphere. In this way, undesired oxidation by oxygen is prevented.
  • the process according to the invention is carried out in a protective gas atmosphere, it has proven useful if the process is carried out in a nitrogen and / or argon atmosphere, preferably an argon atmosphere.
  • the method according to the invention is generally carried out in a protective gas atmosphere so that, in particular, carbon-containing precursor compounds are not oxidized.
  • the process is carried out in an argon atmosphere, it is usually also an inert gas atmosphere, since argon does not react with the precursor compounds under the process conditions.
  • nitrogen is used as the protective gas, silicon nitrides in particular can also be used be formed. This may be desirable, for example, in the case of an additionally mixed doping of the silicon carbide with nitrogen.
  • the process according to the invention is carried out in an argon atmosphere.
  • the particle beam and / or the particle steels are surrounded by a protective gas stream.
  • the particle streams are thus encased by a protective gas stream, which prevents a reaction with the surrounding atmosphere.
  • a protective gas stream which prevents a reaction with the surrounding atmosphere.
  • the method according to the invention in particular allows the simple production of almost any silicon carbide-containing materials - in particular from non-stoichiometric silicon carbides to silicon carbide-containing alloys for high-performance ceramics - from a large number of precursor materials.
  • Suitable precursor materials are described in more detail below.
  • precursor materials are used which are either mixtures of liquid and / or gaseous carbon and silicon sources, ie compounds which release carbon or silicon or reactive intermediates under reaction conditions, or liquid solutions or dispersions containing the carbon and silicon sources.
  • liquid and / or gaseous carbon sources are used as precursor materials in the context of the present invention, it can be provided that the liquid and / or gaseous carbon source is selected from alkanes, amines, alkyl halides, aldehydes, ketones, carboxylic acids, amides, carboxylic acid esters and their mixtures, in particular C to C 8 alkanes, primary and secondary C to C 4 alkylamines, C to C 8 alkyl halides, Cr to Cs aldehydes, C to C 8 ketones, Cr to C 8 carboxylic acids, C to C 8 amides, Cr to C 8 carboxylic acid esters and mixtures thereof.
  • the gaseous and / or liquid carbon source is selected from C to Cs alkanes, in particular Cr to Cr alkanes, and mixtures thereof.
  • the gaseous or liquid carbon source is a short-chain and thus readily volatile alkane.
  • care must be taken to ensure that the excess of carbon is so high that carbon is always oxidized to carbon monoxide or carbon dioxide and silicon is not oxidized to silicon dioxide or silicon dioxide is immediately reduced again by carbon. is adorned because silicon dioxide would significantly disrupt the structure and function of the silicon carbide-containing fibers or foams.
  • liquid and / or gaseous silicon source is selected from silanes, siloxanes and mixtures thereof, preferably silanes.
  • siloxanes are used as precursors in the context of the present invention, it is possible when selecting suitable siloxanes that the siloxane or the siloxanes represent or represent both the carbon source and the silicon source and no further precursors with the exception of possible doping - or alloy reagents must be used.
  • solid, in particular special powdery, precursor materials are preferably used in the context of the present invention.
  • the solid precursor materials are usually in the form of a precursor granulate containing at least one silicon source,
  • the silicon source is usually selected from silane hydrolyzates and silicas and their mixtures.
  • the silicon source ie the precursor of the silicon in the silicon carbide-containing compound, is obtained in particular by hydrolysis of tetraalkoxysilanes, as a result of which the silicon is preferably present in the precursor granules in the form of silicic acid or silane hydrolyzates.
  • the carbon source in the precursor granules is usually selected from the group of sugars, in particular sucrose, glucose, fructose, invert sugar, maltose; Strength; Starch derivatives and organic polymers, in particular phenol-formaldehyde resin, resorcinol-formaldehyde resin, and their mixtures and / or their reaction product, in particular sugars and / or their reaction products.
  • the carbon source is particularly preferably selected from sugars and their reaction products, preference being given to using sucrose and / or invert sugar and / or their reaction products. In the case of the carbon source as well, not only the actual reagent but also its reaction or reaction product can be used.
  • the composition usually contains
  • the silicon source in amounts of 40 to 60% by weight, preferably 45 to 55% by weight, based on the composition,
  • the precursors for the doping elements are usually contained only in very small amounts, in particular in the ppm range, in the precursor granules.
  • the composition usually contains
  • the silicon source in amounts of 60 to 90% by weight, in particular 65 to 85% by weight, preferably 70 to 80% by weight, based on the composition,
  • (C) optional precursors for doping elements (C) optional precursors for doping elements.
  • precursor granules which have the carbon source and the silicon source in the abovementioned quantity ranges, non-stoichiometric silicon carbides with an excess of silicon can be produced in an excellent manner.
  • the composition usually contains
  • a preferably used precursor granulate can be obtained from a precursor solution or a precursor dispersion.
  • the precursor granules can be obtained by a sol-gel process or by drying a sol.
  • Sol-gel processes usually produce solutions or finely divided solid-in-liquid dispersions, which are converted into a gel which contains larger solid particles by subsequent aging and the condensation processes that occur.
  • a particularly homogeneous composition in particular a suitable precursor granulate, can be obtained, with which the desired silicon carbide-containing compounds can be obtained under the influence of energy in additive manufacturing with the choice of suitable stoichiometry.
  • the precursor granules are converted into reduced precursor granules by thermal treatment under reductive conditions.
  • the reductive thermal treatment usually takes place in an inert gas atmosphere, the carbon source in particular, preferably a sugar-based carbon source, reacting with oxides or other compounds of silicon and possibly other compounds of other elements, as a result of which the elements are reduced and volatile oxidized carbon and water Hydrogen compounds, especially water and CO2, are formed, which are removed via the gas phase.
  • Precursor granules can be produced in particular by a sol-gel process, wherein
  • reaction product from the second process step (ii) in particular the gel, is dried and optionally comminuted.
  • a method for producing a suitable precursor granulate for producing silicon carbide by means of a sol-gel method is mentioned, for example, in German patent application DE 10 2015 105 085.4.
  • a solution is to be understood as a single-phase system in which at least one substance, in particular a compound or its components, such as ions, is present in a homogeneous distribution in another substance.
  • a dispersion is to be understood as an at least two-phase system, a first phase, namely the dispersed phase, being distributed in a second phase, the continuous phase.
  • the continuous phase is also called dispersion medium or dispersant.
  • the transition from a solution to a dispersion is often fluid, particularly in the case of brines or polymeric compounds, so that it is no longer possible to clearly differentiate between a solution and a dispersion.
  • the solvent or dispersing agent in process step (a) can be selected from all suitable solvents or dispersing agents.
  • the solvent or dispersant is usually selected from water and organic solvents and also their mixtures, preferably their mixtures.
  • inorganic hydroxides, in particular metal hydroxides and silicas are often formed by the hydrolysis reaction of the starting compounds, which subsequently condense, so that the process can be carried out either in the form of a sol-gel process or else on the Level of a sol is stopped.
  • the solvent is selected from alcohols, in particular methanol, ethanol, 2-propanol, acetone, ethyl acetate and mixtures thereof.
  • the organic solvent is selected from methanol, ethanol, 2-propanol and mixtures thereof, ethanol being particularly preferred.
  • organic solvents are miscible with water in a wide range and are also particularly suitable for dispersing or dissolving polar inorganic substances.
  • Mixtures of water and at least one organic solvent, in particular mixtures of water and ethanol, preferably as solvents or dispersants, are preferably used to produce the sol or gel.
  • the solvent or dispersion medium prefers a weight-based ratio of water to organic solvent of 1:10 to 20: 1, in particular 1: 5 to 15: 1, preferably 1: 2 to 10: 1 1: 1 to 5: 1, particularly preferably 1: 3.
  • the ratio of water to organic solvent can be used on the one hand to adjust the rate of hydrolysis, in particular of the silicon-containing compound and of the alloying reagents, and on the other hand also to adjust the solubility and reaction speed of the carbon-containing compound, in particular the carbon-containing precursor compound, such as, for example, sugars.
  • the silicon-containing compound is selected from silanes, silane hydrolyzates, orthosilicic acid and mixtures thereof, in particular special silanes.
  • orthosilicic acid and also its hydrolysis products can be obtained, for example, from alkali silicates whose alkali metal ions have been exchanged for protons by ion exchange.
  • Alkali metal compounds are, however, not used in the context of the present invention, if possible, since these, particularly when using a sol-gel process or when the sol dries, the resulting precursor granules are incorporated and consequently can also be found in the compound containing silicon carbide.
  • alkali metal doping is generally not desirable in the context of the present invention.
  • suitable alkali metal salts for example the silicon-containing compound or also alkali metal phosphates, can be used.
  • silanes in particular tetraalkoxysilanes and / or trialkoxyalkylsilanes, preferably tetraethoxysilane, tetramethoxysilane or triethoxymethylsilane, are used as the silicon-containing compound in process step (i), since these compounds are hydrolysed in an aqueous medium Orthosilicic acids or their condensation products or highly cross-linked siloxanes and the corresponding alcohols react.
  • the carbon-containing compound is selected from the group of sugars, in particular sucrose, glucose, fructose, invert sugar, maltose; Strength; Starch derivatives and organic polymers, especially phenol-formaldehyde resin, resorcinol-formaldehyde resin, and mixtures thereof. Particularly good results are obtained within the scope of the present invention if the carbon-containing compound is used in an aqueous solution or dispersion in process step (i).
  • the carbon-containing compound is usually introduced in a small amount of the solvent or dispersion medium, in particular water, provided for the preparation of the precursor granules in process step (i).
  • the carbon-containing compound is used in a solution which contains the carbon-containing compound in amounts of 10 to 90% by weight, in particular 30 to 85% by weight, preferably 50 to 80% by weight. %, especially 60 to 70% by weight, based on the solution or dispersion of the carbon-containing compound, contains.
  • catalysts in particular acids or bases
  • the solution or dispersion of the carbon-containing compound for example in order to accelerate the inversion of sucrose and to achieve better reaction results.
  • process step (i) With regard to the temperatures at which process step (i) is carried out, it has proven useful if process step (i) at temperatures in the range from 15 to 40 ° C., in particular 20 to 30 ° C., preferably 20 to 25 ° C.
  • process step (ii) the temperatures are slightly increased compared to process step (i) in order to reduce the reaction of the individual constituents of the solution or dispersion, in particular the condensation reaction when the sol ages to form a gel. to accelerate.
  • process step (ii) is carried out at temperatures in the range from 20 to 80 ° C., in particular 30 to 70 ° C., preferably 40 to 60 ° C.
  • process step (ii) is carried out at 50 ° C.
  • time span for which process step (ii) is carried out this can vary depending on the respective temperatures, the solvents used and the precursor compounds used.
  • process step (ii) is usually carried out for a period of 15 minutes to 20 hours, in particular 30 minutes to 15 hours, preferably 1 to 10 hours, preferably 2 to 8 hours, particularly preferably 2 to 5 hours.
  • the process is carried out as a sol-gel process, a complete reaction of the sol to a gel is usually observed within the aforementioned periods.
  • the quantities of the individual components in process step (ii) can vary widely depending on the intended use.
  • the precursor compositions for stoichiometric silicon carbide or non- stoichiometric silicon carbides have completely different compositions and proportions of the individual components than compositions which are intended for the production of silicon carbide alloys.
  • care must also be taken that they can be processed into homogeneous granules with a carbon source and a silicon source, which can react in additive manufacturing processes to form compounds containing silicon carbide.
  • the compounds used should have sufficiently high solubilities in the solvents used, in particular in ethanol and / or water, in order to be able to form finely divided dispersions or solutions, in particular brine, and must not be used with other components of the solution during the production process the dispersion, especially the sol, react to form insoluble compounds.
  • reaction rates of the individual reactions taking place must be coordinated with one another, since the hydrolysis, condensation and, in particular, the gelation which may have been carried out must take place undisturbed before the formation of the granules.
  • the reaction products formed must furthermore not be sensitive to oxidation and, moreover, should not be volatile.
  • the solution or dispersion contains at least one doping and / or alloying reagent. If the solution contains a doping and / or alloying reagent, it has proven useful if the solution or dispersion contains the doping or alloying reagent in amounts of 0.000001 to 60% by weight, in particular 0.000001 to 45% by weight %, preferably 0.000005 to 45% by weight, preferably 0.00001 to 40% by weight, based on the solution or dispersion.
  • the solution or dispersion has a doping reagent
  • the solution or dispersion usually has the doping reagent in amounts of 0.000001 to 0.5% by weight, preferably 0.000005 to 0.1% by weight, preferably 0.00001 to 0.01% by weight, based on the solution or dispersion.
  • the solution or dispersion contains an alloy reagent
  • the solution or dispersion contains the alloy reagent in amounts of 5 to 60% by weight, in particular 10 to 45% by weight, preferably 15 to 45% by weight. -%, preferably 20 to 40 wt .-%, based on the solution or dispersion, contains.
  • the chemical nature of the doping reagent it can be selected from suitable doping elements.
  • the doping reagent or the doping element is preferably selected from elements of the third and fifth main groups of the periodic table.
  • the doping reagent is preferably selected from compounds of an element of the third or fifth main group of the Periodic Table of the Elements, which is soluble in the solvent or dispersant.
  • the doping reagent is usually selected from nitric acid, ammonium chloride, melamine, phosphoric acid, phosphonic acids, boric acid, borates, boron chloride, indium chloride and mixtures thereof. If doping with nitrogen is provided, the solution may contain nitric acid, ammonium chloride or melanin. If doping with phosphorus is provided, phosphoric acid or phosphates or phosphonic acids can be used, for example. If doping with boron is provided, boric acids, borates or boron salts such as boron trichloride, for example, are used.
  • indium is doped
  • water-soluble indium salts such as indium chloride, are usually used as the doping reagent.
  • the alloy reagent is usually selected from compounds of Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, Zr and mixtures thereof which are soluble in the solvent or dispersion medium.
  • the alloy reagent is selected from chlorides, nitrates, acetates, acetylacetonates and formates of Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, Zr and mixtures thereof.
  • the solution or dispersion in the first process step contains the silicon-containing compound in amounts of 10 to 40% by weight, in particular 12 to 30% by weight. -%, preferably 15 to 25 wt .-%, preferably 17 to 20 wt .-%, based on the solution or dispersion.
  • the solution or dispersion contains the carbon-containing compounds in amounts of 6 to 40% by weight, preferably 8 to 30% by weight, preferably 10 to 25% by weight, particularly preferably 12 up to 20 wt .-%, based on the solution or dispersion.
  • the solution or dispersion be the solvent or dispersant in amounts of 20 to 80% by weight, in particular 30 to 70% by weight, preferably 40 to 60% by weight preferably 45 to 55 wt .-%, based on the solution or dispersion.
  • the solution or dispersion usually contains the doping reagent in amounts of 0.000001 to 0.5% by weight, preferably 0.000005 to 0.1% by weight, preferably 0.00001 to 0 , 01 wt .-%, based on the solution or dispersion.
  • the solution or dispersion in the first process step (a) contains the silicon-containing compound in amounts of 12 to 40% by weight. , in particular 15 to 40% by weight, preferably 18 to 35% by weight, preferably 20 to 30% by weight, based on the solution or dispersion.
  • the solution or dispersion contains the carbon-containing compound in amounts of 6 to 40% by weight, preferably 8 to 30% by weight, preferably 10 to 25% by weight, particularly preferably 12 to 20 wt .-%, based on the solution or dispersion.
  • the solution or dispersion contains the solvent or dispersion medium in amounts of 20 to 80% by weight, in particular 30 to 70% by weight, preferably 40 to 60 wt .-%, preferably 45 to 55 wt .-%, based on the solution or dispersion, contains.
  • the solution or dispersion contains the doping reagent in amounts of 0.000001 to 0.5% by weight, preferably 0.000005 to 0.1% by weight. -%, preferably 0.00001 to 0.01 wt .-%, based on the solution or dispersion.
  • the solution or dispersion in the first process step (a) contains the silicon-containing compound in amounts of 5 to 30% by weight, in particular 6 to 25% by weight, preferably 8 to 20 wt .-%, preferably 10 to 20 wt .-%, based on the solution or dispersion.
  • the solution or dispersion contains the carbon-containing compound in amounts of 5 to 40% by weight, preferably 6 to 30% by weight, preferably 7 to 25% by weight, particularly preferably 10 to 20% by weight, based on the solution or dispersion.
  • the solution or dispersion contains the solvent or dispersion medium in amounts of 20 to 70% by weight, in particular 25 to 65% by weight, preferably 30 to 60% by weight, preferably 35 up to 50 wt .-%, based on the solution or dispersion. It is advantageously provided that the solution or dispersion contains the alloy reagent in amounts of 5 to 60% by weight, in particular 10 to 45% by weight, preferably 15 to 45% by weight, preferably 20 to 40% by weight , based on the solution or dispersion. It is particularly preferred if the alloy reagent is selected from the corresponding chlorides, nitrates, acetates, acetylacetonates and formates of the corresponding alloy elements.
  • process step (iii) As far as the implementation of process step (iii) is concerned, it has proven itself if, in process step (iii), the reaction product from process step (ii) at temperatures in the range from 50 to 400 ° C., in particular 100 to 300 ° C. preferably 120 to 250 ° C, preferably 150 to 200 ° C, is dried. In this context, it has proven useful if the reaction product in process step (iii) is dried for a period of 1 to 10 hours, in particular 2 to 5 hours, preferably 2 to 3 hours. In addition, it is possible for the reaction product to be comminuted in process step (iii), in particular after the drying process.
  • reaction product is mechanically comminuted in process step (iii), in particular by grinding. Grinding processes can be used to specifically set the particle sizes required or advantageous for carrying out additive manufacturing processes. However, it is often also sufficient to mechanically stress the reaction product from process step (ii) during the drying process, for example by stirring, in order to set the desired particle sizes.
  • a fourth process step (iv) following process step (iii) is subjected to a reductive thermal treatment in the composition obtained in process step (iii), so that a reduced composition is obtained.
  • a reduced composition which has been subjected to a reductive treatment has the advantage that a large number of possible and disruptive by-products have already been removed.
  • the resulting reduced precursor granulate is again significantly more compact and contains higher proportions of the elements that form the silicon carbide-containing compound.
  • process step (iii) a reductive thermal treatment of the composition obtained in process step (iii) is carried out, it has proven useful if in process step (iv) the composition obtained in process step (iii) is heated to temperatures in the range from 700 to 1 .300 ° C, in particular 800 to 1,200 ° C, preferably 900 to 1,100 ° C, is heated. In this context, particularly good results are obtained if the composition obtained in process step (iv) is heated for a period of 1 to 10 hours, in particular 2 to 8 hours, preferably 2 to 5 hours. In the temperature ranges mentioned and the reaction times mentioned, carbonization of the carbon-containing precursor material can take place, which can significantly facilitate the subsequent reduction, in particular of metal compounds.
  • Process step (iv) is generally carried out in a protective gas atmosphere, in particular in an argon and / or nitrogen atmosphere. In this way it is prevented that in particular the carbon-containing compound is oxidized.
  • the precursor compounds must not evaporate at the temperatures used of up to 1,300, preferably up to 1,100 ° C, but must be below that reductive thermal conditions specifically break down into compounds which can be specifically converted into the desired silicon carbide-containing compounds during production.
  • the method for producing a precursor granulate can also be carried out in such a way that
  • the precursor granules obtained in this way can be converted into reduced precursor granules by temperature treatment in the range from 400 to 800 ° C.
  • the percentage distribution of the precursor granules obtained after the sol formation by removing the solvent or dispersion medium corresponds to that contained Elements of the precursor granules obtained by a sol-gel process and can be processed like these.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention for carrying out the method according to the invention with a pulse arranged laterally to the laser beam
  • Fig. 2 shows a section of a device 1 according to the invention with coaxial powder feeds
  • FIG. 3 shows an example of the result of the method according to the invention in the form of a three-dimensional object and according to (b) an example of the result of carrying out the method according to the invention as a joining method.
  • Another object of the present invention - according to a second aspect of the present invention - is a silicon carbide-containing object which can be obtained by the process described above.
  • objects containing silicon carbide can be produced by means of additive manufacturing. Equally, however, it is also possible for objects to be coated with a material containing silicon carbide or for parts to be joined using the method according to the invention.
  • Another object of the present invention - according to a third aspect of the present invention - is a device for the location-selective deposition of silicon carbide-containing materials on a substrate surface, the device
  • (b) has at least one device for generating at least one particle beam and / or for aligning a particle beam onto the substrate surface.
  • the gaseous decomposition products of at least one silicon source and at least one carbon source-containing precursor materials are directed in a location-selective and localized manner onto a substrate surface, so that materials containing silicon carbide are deposited on the substrate surface.
  • the method according to the invention is preferably carried out as laser cladding or as a method based on laser cladding. To carry out the method, preference is given to using devices which largely correspond to those for powder laser cladding. In the context of the present invention, best results are obtained in particular if the particle beam is a powder.
  • the starting materials are only decomposed in the vicinity of the substrate surface, which is easiest to achieve by using powdered starting materials.
  • the device for generating a particle beam and / or for aligning a particle beam onto a substrate surface is a nozzle, in particular a solid nozzle, preferably a powder nozzle.
  • the device for the decomposition of gaseous starting compounds or for the gasification and decomposition of liquid or powdery starting materials has means for generating high temperatures, in particular means for generating laser radiation or means for generating of an arc.
  • the starting materials can be easily decomposed in the vicinity of the substrate surface.
  • the device for the decomposition of gaseous precursor materials or for the gasification and decomposition of liquid or powdery precursor materials has means for generating laser radiation.
  • the device for decomposing gaseous starting compounds or for gasifying and decomposing liquid or powdered starting materials is preferably a laser.
  • the device has means for generating a protective gas atmosphere.
  • the process according to the invention is usually carried out in a protective gas atmosphere.
  • part of the device in particular the part that contains the substrate, has a protective gas atmosphere.
  • the particle beam for example the powder jet, is encased by a protective gas and thus a protective gas atmosphere is generated locally, in particular in the area of gasification and decomposition of the starting materials.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention with a device for gasifying and / or decomposing precursor materials, in particular a device 2 for generating laser beams 3. Furthermore, the device has at least one device 4 for generating a particle beam from gaseous, liquid or solid precursor materials 5.
  • the particle stream is preferably formed by powdered precursor materials. All precursor materials, however, have in common that they always have at least one silicon source and one carbon source as well as possibly alloy elements or doping elements or their compounds.
  • the laser beams 3 and the particle stream of the precursor material 5 are directed onto the surface 7 of a substrate 8 in such a way that the laser beams 3 hit the partial stream in the immediate vicinity of the substrate surface 7.
  • the thickness of the layer of silicon carbide-containing material 6 can be between 0.01 to 5 mm, in particular 0.5 to 2 mm, preferably 0.1 to 1 mm.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the device 1 according to the invention.
  • FIG. 2 shows a section of a device 1.
  • the device 1 has a device 2 for gasifying and / or decomposing gaseous, liquid or powdered precursor materials 5, the device 2 for gasifying and / or decomposing the starting materials preferably being in the form of a device for generating laser beams 2.
  • the device 1 also has devices 4 for generating a particle beam, in particular from gaseous, liquid or powdery starting materials. materials, in particular powdered starting materials.
  • the devices 2 and 4 are integrated together in a preferably movable, in particular movable, nozzle head.
  • the device 1 also has means 9, in particular nozzles, for generating a protective gas atmosphere, in particular a protective gas stream 10.
  • the protective gas stream 10 surrounds or surrounds the particle beam or the particle beams of the precursor material 5 and thus enables the starting materials to be decomposed in a protective gas atmosphere, in particular an argon atmosphere.
  • FIG. 3 finally shows various possible uses of the device 1 according to the invention and of the method according to the invention.
  • three-dimensional objects can be obtained by repeated application of layers of silicon carbide-containing material 6, as shown in alternative A.
  • the silicon carbide-containing material 6 it is also possible, by applying the silicon carbide-containing material 6, to connect components, in particular substrates 8a and 8b, via their surfaces, in particular their surfaces 7a and 7b.

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Abstract

The invention relates to a method for applying silicon carbide-containing materials to a substrate surface, and to an apparatus for carrying out the method.

Description

Verfahren zur Erzeugung von dreidimensionalen silicumcarbidhaltigen  Process for the production of three-dimensional silicon carbide-containing
Objekten  Objects
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet generativer Fertigungsver- fahren, insbesondere der additiven Fertigung. The present invention relates to the technical field of additive manufacturing processes, in particular additive manufacturing.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Aufbringung von siliciumcarbidhaltigen Materialien auf ein Substrat, insbesondere zur ortselektiven Aufbringung auf ein Substrat. In particular, the present invention relates to a method for applying silicon carbide-containing materials to a substrate, in particular for location-selective application to a substrate.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren erhältlichen siliciumcarbidhaltigen Objekte. Furthermore, the present invention relates to the silicon carbide-containing objects obtainable with the method according to the invention.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Finally, the present invention relates to an apparatus for performing the method.
Unter generativen Fertigungsverfahren, auch unter der Bezeichnung additive Ferti gung bzw. Additive Manufacturing (AM) bekannt, werden Verfahren zur schnellen Fertigung von Modellen, Mustern, Werkzeugen und Produkten aus formlosen Mate- rialien, wie beispielsweise Flüssigkeiten, Gelen, Pasten oder Pulvern, verstanden. Generative manufacturing processes, also known as additive manufacturing or additive manufacturing (AM), are processes for the rapid production of models, samples, tools and products from shapeless materials, such as liquids, gels, pastes or powders .
Ursprünglich wurde für generative Fertigungsverfahren, insbesondere die additive Fertigungen, allgemein die Bezeichnung 3D-Druck bzw. Rapid-Prototyping ver wendet. Diese Bezeichnungen werden jedoch mittlerweile nur noch für spezielle Ausgestaltungen der generativen Fertigungsverfahren verwendet. Generative Fer tigungsverfahren werden sowohl zur Herstellung von Objekten aus anorganischen Materialien, insbesondere Metallen und Keramiken, als auch aus organischen Ma terialien verwendet. Zur Herstellung von Objekten aus anorganischen Materialien werden vorzugsweise hochenergetische Verfahren, wie das selektive Laserschmelzen, Elektronenstrahl schmelzen oder Auftragsschweißen, verwendet, da die eingesetzten Edukte oder Präkursoren erst bei höherem Energieeintrag reagieren oder schmelzen. Die additive Fertigung ermöglicht prinzipiell die schnelle Herstellung hochkomple xer Bauteile, allerdings stellt insbesondere die Herstellung von Bauteilen aus anor ganischen Materialien eine Reihe von Herausforderungen sowohl an die Edukt- als auch die Produktmaterialien: So dürfen die Edukte unter der Einwirkung von Ener gie nur in vorgegebener Art und Weise reagieren, insbesondere müssen störende Nebenwirkungen ausgeschlossen werden. Darüber hinaus darf beispielsweise unter Energieeinwirkung keine Entmischung der Produkte bzw. Phasenseparierung oder gar eine Zersetzung der Produkte ein trete n. Originally, the term 3D printing or rapid prototyping was generally used for generative manufacturing processes, especially additive manufacturing. However, these terms are now only used for special configurations of additive manufacturing processes. Generative production processes are used both for the production of objects from inorganic materials, in particular metals and ceramics, and from organic materials. For the production of objects from inorganic materials, high-energy processes such as selective laser melting, electron beam melting or cladding are preferably used, since the educts or precursors used only react or melt when the energy input is high. In principle, additive manufacturing enables the fast manufacture of highly complex components, but the manufacture of components from inorganic materials in particular poses a number of challenges to both the educt and Also the product materials: For example, the educts may only react in a predetermined manner under the influence of energy. In particular, disruptive side effects must be excluded. In addition, no separation of the products or phase separation or even decomposition of the products may occur under the influence of energy.
Ein zur Herstellung hochleistungsfähiger Keramiken und für Halbleiteranwendun- gen äußerst interessantes und vielfältig einsetzbares Material ist Siliciumcarbid, auch Karborund genannt. Siliciumcarbid mit der chemischen Formel SiC besitzt ei ne äußerst hohe Härte sowie einen hohen Sublimationspunkt und wird häufig als Schleifmittel oder als Isolator in Hochtemperaturreaktoren eingesetzt. Siliciumcar bid geht darüber hinaus mit einer Vielzahl von Elementen und Legierungen bzw. legierungsähnliche Verbindungen ein, welche oftmals vorteilhafte Werkstoffeigen schaften aufweisen, wie zum Beispiel eine hohe Härte, hohe Beständigkeit, ein ge ringes Gewicht sowie eine geringe Oxidationsempfindlichkeit selbst bei hohen Temperaturen. Die Eigenschaften des über herkömmliche Sinterverfahren hergestellten porösen Siliciumcarbidmaterials entsprechen nicht den vom kompakten Kristallinsiliciumcar- bid, so dass die vorteilhaften Eigenschaften des Siliciumcarbids nicht voll ausge schöpft werden können. Darüber hinaus kommt hinzu, dass Siliciumcarbid bei hohen Temperaturen - in Abhängigkeit vom jeweiligen Kristalltyp - im Bereich von 2.300 bis 2.700° C nicht etwa schmilzt, sondern subsumiert, d.h. vom festen in den gasförmigen Aggregat zustand übergeht. Dies macht Siliciumcarbid insbesondere für additive Fertigungs verfahren, wie das Laserschmelzen, ungeeignet. Silicon carbide, also called carborundum, is an extremely interesting and versatile material for the production of high-performance ceramics and for semiconductor applications. Silicon carbide with the chemical formula SiC has an extremely high hardness and a high sublimation point and is often used as an abrasive or as an insulator in high-temperature reactors. Siliciumcar bid also deals with a variety of elements and alloys or alloy-like compounds, which often have advantageous material properties, such as high hardness, high resistance, low weight and low sensitivity to oxidation even at high temperatures. The properties of the porous silicon carbide material produced via conventional sintering processes do not correspond to those of the compact crystalline silicon carbide, so that the advantageous properties of the silicon carbide cannot be fully exhausted. In addition, silicon carbide does not melt at high temperatures - depending on the respective crystal type - in the range from 2,300 to 2,700 ° C, but subsumes, i.e. changes from the solid to the gaseous state. This makes silicon carbide particularly unsuitable for additive manufacturing processes, such as laser melting.
Aufgrund der vielseitigen Einsetzbarkeit von Siliciumcarbid, bzw. siliciumcarbidhal- tigen Materialien und der Vielzahl an positiven Anwendungseigenschaften sind trotzdem Versuche unternommen worden, Siliciumcarbid mittels generativer Ferti gungsverfahren zu verarbeiten. Because of the versatility of silicon carbide or materials containing silicon carbide and the large number of positive application properties, attempts have nevertheless been made to process silicon carbide by means of generative manufacturing processes.
So beschreibt beispielsweise die DE 10 2015 105 085.4 ein Verfahren zur Herstel lung von Körpern aus Silicumcarbidkristallen, wobei das Siliciumcarbid insbesonde re durch Laserbestrahlung aus geeigneten kohlenstoff- und siliciumenthaltenen Präkursorverbindungen in einem Pulverbettverfahren in Anlehnung an das selekti ve Laserschmelzen (SLM) gewonnen wird. For example, DE 10 2015 105 085.4 describes a process for the production of bodies from silicon carbide crystals, the silicon carbide in particular by laser irradiation from suitable carbon and silicon containing Precursor compounds are obtained in a powder bed process based on selective laser melting (SLM).
Das in der DE 10 2015 105 085.4 beschriebene Verfahren ist durchaus geeignet, Objekte aus Silicumcarbidkristallen zu erhalten, allerdings muss für das Pulverbett verfahren stets eine relativ große Menge Präkursormaterial bereitgehalten werden, welches nicht genutzt wird darüber hinaus im Laufe des Fertigungsverfahrens durch Nebenprodukte verunreinigt und folglich nicht vollumfänglich ohne Aufarbei tung in weiteren Herstellungsprozessen genutzt werden kann. The method described in DE 10 2015 105 085.4 is perfectly suitable for obtaining objects made of silicon carbide crystals, but a relatively large amount of precursor material must always be kept available for the powder bed method, which is not used and is also contaminated by by-products in the course of the manufacturing process and consequently contaminated cannot be used in full in other manufacturing processes without refurbishment.
Ein zur Herstellung von Beschichtungen oder dreidimensionalen Objekten geeigne tes Verfahren ist das Auftragsschweißen. Beim Auftragsschweißen erfolgt ein Ma terialauftrag auf ein Substrat bzw. Werkstück durch Aufschmelzen des Substrats bzw. des Werkstücks bei gleichzeitiger Aufbringung eines Materials. Eine Sonder- form des Auftragsschweißens ist das Laserauftragsschweißen, mit welchem die für den Schmelzvorgang bereitgestellte Wärmeenergie durch einen Laser bereitgestellt wird. Mit dem Auftragsschweißen bzw. Laserauftragsschweißen lassen sich unter vollständiger Ausnutzung von Eduktmaterialien, d. h. ohne ungenutzte Reste, ge zielt dreidimensionale Objekte und Beschichtungen erzeugen. Darüber hinaus ist es auch möglich, Teile zu fügen oder beispielsweise zu reparieren, indem ein Mate rialverlust durch das Auftragsschweißen ersetzt wird. Üblicherweise wird das La serauftragsschweißen zum Auftrag metallischer Werkstoffe verwendet. A suitable method for the production of coatings or three-dimensional objects is cladding. With build-up welding, a material is applied to a substrate or workpiece by melting the substrate or workpiece while applying a material at the same time. A special form of cladding is laser cladding, with which the thermal energy provided for the melting process is provided by a laser. Cladding or laser cladding can be used with full use of educt materials, i.e. H. With no unused residues, targeted creation of three-dimensional objects and coatings. In addition, it is also possible to join or repair parts, for example, by replacing material loss with cladding. Laser cladding is usually used to deposit metallic materials.
Bislang ist es nicht möglich, keramische, insbesondere siliciumcarbidhaltige, Mate- rialien mittels Auftragsschweißen zu verarbeiten, da Siliciumcarbid bei hohen Tem peraturen - wie zuvor angeführt - nicht etwa schmilzt, sondern sublimiert. So far, it has not been possible to process ceramic materials, in particular those containing silicon carbide, by means of build-up welding, since silicon carbide does not melt at high temperatures - as mentioned before - but sublimates.
Es fehlt somit im Stand der Technik weiterhin an einem Verfahren, Objekte aus Si liciumcarbid und siliciumcarbildhaltigen Materialien zielgerichtet unter möglichst ef- fizienter Rohstoffnutzung herzustellen. There is therefore still no method in the prior art for producing objects from silicon carbide and materials containing silicon carbide in a targeted manner while using raw materials as efficiently as possible.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die zuvor beschriebenen, mit dem Stand der Technik verbundenen Nachteile und Probleme zu vermeiden, zu mindest jedoch abzuschwächen. It is therefore an object of the present invention to avoid, but at least to mitigate, the above-described disadvantages and problems associated with the prior art.
Insbesondere ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, ein Ver fahren bereitzustellen, welches es ermöglicht, silicumcarbidhaltige Materialien oder Strukturen aus siliciumcarbidhaltigen Materialien ortselektiv und lokal begrenzt auf einem Substrat abzuscheiden bzw. zu erzeugen. In particular, an object of the present invention is to be seen in providing a method which makes it possible to use silicon carbide-containing materials or Structures made of silicon carbide-containing materials to be deposited or produced locally on a substrate in a locally limited manner.
Weiterhin ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, ein Verfahren bereitzustellen, welches es ermöglicht, Bauteile bzw. Objekte aus silici umcarbidhaltigen Materialien durch gezielten Materialauftrag herzustellen oder zu reparieren. Another object of the present invention is to provide a method which makes it possible to manufacture or repair components or objects from silicon carbide-containing materials by targeted application of material.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem ersten Aspekt der vorlie- genden Erfindung ist ein Verfahren zur Aufbringung von siliciumcarbidhaltigen Ma terialien auf ein Substrat nach Anspruch 1 ; weitere, vorteilhafte Ausgestaltung die ses Erfindungsaspekts sind Gegenstand der diesbezüglichen Unteransprüche. The present invention according to a first aspect of the present invention is a method for applying silicon carbide-containing materials to a substrate according to claim 1; Another advantageous embodiment of this aspect of the invention are the subject of the relevant subclaims.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein siliciumcarbidhaltiges dreidimensionales Objekt nach Anspruch 13. Another object of the present invention according to a second aspect of the present invention is a silicon-containing three-dimensional object according to claim 13.
Schließlich ist wiederum weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur ortselektiven Abscheidung von siliciumcarbidhaltigen Materialien nach Anspruch 14; weitere, vorteilhafte Ausgestaltung dieses Erfindungsaspekts sind Gegenstand der diesbe züglichen Unteransprüche. Finally, a further aspect of the present invention according to a third aspect of the present invention is a device for the location-selective deposition of silicon carbide-containing materials according to claim 14; Another advantageous embodiment of this aspect of the invention are the subject of the relevant dependent claims.
Es versteht sich von selbst, dass im Folgenden genannte besondere Ausgestaltun- gen, insbesondere besondere Ausführungsformen oder dergleichen, welche nur im Zusammenhang mit einem Erfindungsaspekt beschrieben sind, auch in Bezug auf die anderen Erfindungsaspekte entsprechend gelten, ohne dass dies einer aus drücklichen Erwähnung bedarf. Weiterhin ist bei allen nachstehend genannten relativen bzw. prozentualen, insbe sondere gewichtsbezogenen Mengenangaben zu beachten, dass diese im Rahmen der vorliegenden Erfindung vom Fachmann derart auszuwählen sind, dass in der Summe der Inhaltsstoffe, Zusatz- bzw. Hilfsstoffe oder dergleichen stets 100 % bzw. 100 Gew.-% resultieren. Dies versteht sich für den Fachmann aber von selbst. It goes without saying that the special configurations mentioned below, in particular special embodiments or the like, which are only described in connection with one aspect of the invention, also apply correspondingly to the other aspects of the invention, without this needing to be expressly mentioned. Furthermore, with all the relative or percentage, in particular weight-related, amounts stated below, it should be noted that within the scope of the present invention these are to be selected by the person skilled in the art such that the sum of the ingredients, additives or auxiliaries or the like is always 100% or 100% by weight result. However, this goes without saying for the person skilled in the art.
Zudem gilt, dass alle im Folgenden genannten Parameterangaben oder derglei chen grundsätzlichen mit genormten oder explizit angegebenen Bestimmungsver- fahren oder dem Fachmann an sich geläufigen Bestimmungsmethoden bestimmt, bzw. ermittelt werden können. In addition, it applies that all of the parameter information specified below or the like in principle with standardized or explicitly specified determination methods drive or the determination methods known per se to the person skilled in the art, or can be determined.
Dies vorausgeschickt wird nachfolgend der Gegenstand der vorliegenden Erfin- düng näher erläutert. Having said this, the subject matter of the present invention is explained in more detail below.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem e r s t e n Aspekt der vor liegenden Erfindung - ist somit ein Verfahren zur Aufbringung von siliciumcarbid- haltigen Materialien auf eine Substratoberfläche, wobei ein gasförmiges, flüssiges oder pulverförmiges Präkursormaterial, enthaltend eine Siliciumquelle und eine Kohlenstoffquelle, durch Einwirkung von Energie vergast und/oder zersetzt wird und zumindest ein Teil der Zersetzungsprodukte ortselektiv auf der Substratober fläche als siliciumcarbidhaltiges Material abgeschieden wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Erzeugung hochaufgelöster und de tailreicher dreidimensionaler Strukturen, d. h. der Verlauf von Konturen, wie bei spielsweise Ecken oder Kanten, ist hochpräzise und insbesondere frei von Graten. The present invention - according to a first aspect of the present invention - is thus a method for applying silicon carbide-containing materials to a substrate surface, wherein a gaseous, liquid or powdered precursor material containing a silicon source and a carbon source gasified by the action of energy and / or is decomposed and at least some of the decomposition products are locally selectively deposited on the substrate surface as silicon carbide-containing material. The inventive method allows the generation of high-resolution and detailed three-dimensional structures, i. H. the course of contours, such as corners or edges, is highly precise and in particular free of burrs.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es darüber hinaus insbesondere mög- lieh, Objekte in Form kompakter Festkörper zu erhalten, welche keine poröse Struktur aufweisen, sondern aus kristallinen siliciumcarbidhaltigen Materialien be stehen. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Materialien und dreidimensionalen Objekte aus siliciumcarbidhaltigen Materialien besitzen somit in ihren Materialeigenschaften nahezu die Eigenschaften von kristallinem Siliciumcar- bid bzw. Siliciumcarbildlegierungen. In the context of the present invention, it is also possible, in particular, to obtain objects in the form of compact solids which do not have a porous structure but instead consist of crystalline materials containing silicon carbide. The materials and three-dimensional objects made of silicon carbide-containing materials obtainable with the method according to the invention thus have almost the same properties as crystalline silicon carbide or silicon carbide alloys in their material properties.
Insbesondere erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr schnelle und we nig aufwendige Herstellung dreidimensionaler siliciumcarbidhaltiger Objekte oder Beschichtungen und kommt insbesondere ohne die Anwendung von Druck aus, um kompakte nicht- bzw. wenig poröse Materialien und Werkstoffe bereitzustellen. In particular, the method according to the invention allows a very fast and little complex production of three-dimensional objects or coatings containing silicon carbide and in particular does not require the use of pressure in order to provide compact, non-porous materials.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl Beschichtungen aus silici umcarbidhaltigen Materialien auf eine Substratoberfläche aufgebracht werden als auch dreidimensionale Objekte aus siliciumcarbidhaltigen Materialien auf der Sub- stratoberfläche aufgebaut werden, welche nachfolgend gegebenenfalls wieder ab gelöst werden. Gleichermaßen ist es auch möglich, Bauteile durch die Auftragung siliciumcarbidhaltiger Materialien zu fügen oder Material defekte in Bauteilen zu er gänzen. Unter einer siliciumcarbidhaltigen Verbindung ist im Rahmen der vorliegenden Er findung eine binäre, ternäre oder quaternäre anorganische Verbindung zu verste hen, deren Summenformel Silicium und Kohlenstoff enthält. Insbesondere enthält eine siliciumcarbidhaltige Verbindung keinen molekular gebundenen Kohlenstoff, wie beispielsweise Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid; der Kohlenstoff liegt viel mehr in einer Festkörperstruktur vor. With the method according to the invention, coatings made of silicon carbide-containing materials can be applied to a substrate surface as well as three-dimensional objects made of silicon carbide-containing materials can be built up on the substrate surface, which are subsequently removed if necessary. Similarly, it is also possible to add components by applying silicon carbide-containing materials or to add material defects in components. In the context of the present invention, a compound containing silicon carbide is to be understood as a binary, ternary or quaternary inorganic compound, the molecular formula of which contains silicon and carbon. In particular, a compound containing silicon carbide does not contain any molecularly bound carbon, such as carbon monoxide or carbon dioxide; the carbon is much more in a solid structure.
Unter einer Siliciumquelle bzw. einer Kohlenstoffquelle sind im Rahmen der vorlie- genden Erfindung Verbindungen zu verstehen, welche unter Verfahrensbedingun gen Silicium bzw. Kohlenstoff derart freisetzen können, dass siliciumcarbidhaltige Verbindungen entstehen. In diesem Zusammenhang müssen Silicium und Kohlen stoff nicht in elementarer Form freigesetzt werden, sondern es ist ausreichend, wenn sie unter Verfahrensbedingungen zu siliciumcarbidhaltigen Verbindungen re- agieren. In the context of the present invention, a silicon source or a carbon source is to be understood as meaning compounds which, under process conditions, can release silicon or carbon in such a way that compounds containing silicon carbide are formed. In this context, silicon and carbon do not have to be released in elemental form, but it is sufficient if they react to silicon carbide-containing compounds under process conditions.
Bei der Siliciumquelle, der Kohlenstoffquelle oder auch den Präkursoren für etwai ge Dotierungs- oder Legierungselemente kann es sich entweder spezifische che mische Verbindungen oder aber beispielsweise deren Reaktionsprodukte, insbe- sondere Hydrolysate, handeln, wie nachfolgend noch ausgeführt wird. The silicon source, the carbon source or the precursors for any doping or alloying elements can either be specific chemical compounds or, for example, their reaction products, in particular hydrolysates, as will be explained below.
Unter einem Substrat ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Material zu verstehen, auf welches die vorzugsweise gasförmigen Zersetzungsprodukte des Präkursormaterials aufgebracht wird. Insbesondere ist ein Substrat im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein dreidimensionales oder auch ein nahezu zweidimensio nales Gebilde mit einer Oberfläche, auf welcher die Zersetzungsprodukte des Prä kursormaterials abgeschieden werden. Die Substratoberfläche kann dabei eben oder konturiert, insbesondere dreidimensional strukturiert, sein. Das Substrat kann dabei nahezu jede beliebige dreidimensionale Form aufweisen. Bei dem Substrat kann es sich somit um ein Trägermaterial handeln, auf welchem schichtweise silici- umcarbidhaltiges Material abgeschieden wird. Unter den Begriff des Substrats fal len insbesondere auch Trägermaterialien, die teilweise mit einer oder mehreren Schichten aus siliciumcarbidhaltigen Materialien beschichtet sind. Bei einem Sub strat kann es sich jedoch auch um ein dreidimensionales Objekt handeln, welches mit einem zweiten Substrat, insbesondere einem weiteren dreidimensionalen Ob jekt, durch abgeschiedenes siliciumcarbidhaltiges Material gefügt ist. Was nun das Substrat anbelangt, auf welches das Präkursormaterial bzw. dessen Zersetzungsprodukte aufgebracht werden, so kann dieses aus einer Vielzahl von geeigneten Materialien ausgewählt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfin dung ist es möglich, dass das Substrat ausgewählt ist aus kristallinen und amor- phen Substraten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Er findung ist das Substrat ein amorphes Substrat. Besonders gute Ergebnisse wer den erhalten, wenn das Material ausgewählt ist aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit, und keramischen Materialien, insbesondere Siliciumcarbid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid sowie Metallen und deren Mischungen. Falls das erfindungsgemä- ße Verfahren zur Herstellung von Objekten aus siliciumcarbidhaltigen Materialien verwendet wird, weist das Substrat oftmals mehrere Materialien auf, insbesondere ein Trägermaterial und das zumindest teilweise darauf aufgebaute dreidimensiona le Objekt aus siliciumcarbidhaltigen Material. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das Präkursormaterial vorzugsweise ausgewählt aus gasförmigen, flüssigen oder pulverförmigen Präkursormaterialien, wobei die Verwendung fester, insbesondere pulverförmiger Präkursormaterialien bevorzugt ist. Das flüssige Präkursormaterial kann dabei eine homogene Lösung oder auch eine Dispersion, insbesondere auch eine Fest-in-flüssig-Dispersion, sein. In the context of the present invention, a substrate is to be understood as the material to which the preferably gaseous decomposition products of the precursor material are applied. In particular, a substrate in the context of the present invention is a three-dimensional or an almost two-dimensional structure with a surface on which the decomposition products of the precursor material are deposited. The substrate surface can be flat or contoured, in particular structured in three dimensions. The substrate can have almost any three-dimensional shape. The substrate can thus be a carrier material on which material containing silicon carbide is deposited in layers. The term substrate also includes, in particular, carrier materials which are partially coated with one or more layers of materials containing silicon carbide. However, a substrate can also be a three-dimensional object which is joined to a second substrate, in particular a further three-dimensional object, by deposited silicon carbide-containing material. With regard to the substrate to which the precursor material or its decomposition products are applied, this can be selected from a large number of suitable materials. In the context of the present invention it is possible that the substrate is selected from crystalline and amorphous substrates. According to a preferred embodiment of the present invention, the substrate is an amorphous substrate. Particularly good results are obtained when the material is selected from carbon, in particular graphite, and ceramic materials, in particular silicon carbide, silicon dioxide, aluminum oxide and metals and mixtures thereof. If the method according to the invention is used to produce objects made of silicon carbide-containing materials, the substrate often has several materials, in particular a carrier material and the three-dimensional object made of silicon carbide-containing material, which is at least partially built thereon. In the context of the present invention, the precursor material is preferably selected from gaseous, liquid or powdered precursor materials, the use of solid, in particular powdered precursor materials being preferred. The liquid precursor material can be a homogeneous solution or a dispersion, in particular also a solid-in-liquid dispersion.
Unter einem Präkursormaterial ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine chemische Verbindung oder eine Mischung chemischer Verbindungen zu verste hen, welche unter Verfahrensbedingungen zu den gwünschten Produktmaterialien, insbesondere siliciumcarbidhaltigen Materialien reagieren. In the context of the present invention, a precursor material is understood to mean a chemical compound or a mixture of chemical compounds which react under process conditions to the desired product materials, in particular materials containing silicon carbide.
Die Reaktion zu den Zielverbindungen kann auf unterschiedlichstem Wege erfol gen. Es ist vorteilhafterweise jedoch vorgesehen, dass die Päkursorverbindungen unter Energieeinwirkung, insbesondere unter Einwirkung eines Laserstrahls, gege- benenfalls im Fall von flüssigen oder gasförmiger Präkursormaterialien vergast und gespalten bzw. zersetzt werden und als reaktive Teilchen in die Gasphase überge hen. Da in der Gasphase durch die spezielle Zusammensetzung des Präkursors Si licium und Kohlenstoff sowie gegebenenfalls Dotier- oder Legierungselemente un mittelbar benachbart vorliegen, scheidet sich das erst ab 2.300 °C sublimierende Siliciumcarbid bzw. das dotierte Siliciumcarbid oder die Siliciumcarbidlegierung ab. Insbesondere kristallines Siliciumcarbid absorbiert Laserenergie deutlich schlechter als das Präkursorgranulat und leitet Wärme sehr gut, so dass eine lokal streng be grenzte Abscheidung der definierten Siliciumcarbidverbindungen erfolgt. Nicht er- wünschte Bestandteile der Präkursorverbindung bilden hingegen vorzugsweise stabile Gase, wie beispielsweise C02, HCl, H20 etc. und können über die Gaspha se entfernt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere vorgesehen, dass das Präkursormaterial ein festes Präkursormaterial, insbesondere ein Präkursorgranu lat, ist. Besonders gute Ergebnisse werden dabei erhalten, wenn das Präkursor granulat keine Pulvermischung, insbesondere keine Mischung unterschiedlicher Präkursorpulver und/oder -granulate, ist. Vorzugsweise wird im Rahmen der Erfin- düng ein homogenes Granulat, insbesondere ein Präkursorgranulat, als Präkur sormaterial für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet. The reaction to the target compounds can take place in a wide variety of ways. However, it is advantageously provided that the precursor compounds are gasified and split or decomposed under the action of energy, in particular under the action of a laser beam, if appropriate in the case of liquid or gaseous precursor materials, and as reactive Pass particles into the gas phase. Since silicon and carbon as well as doping or alloying elements are directly adjacent in the gas phase due to the special composition of the precursor, the silicon carbide or the doped silicon carbide or silicon carbide alloy, which only sublimates from 2,300 ° C, is separated. In particular, crystalline silicon carbide absorbs laser energy much less well than the precursor granulate and conducts heat very well, so that the defined silicon carbide compounds are deposited in a strictly local manner. Not Desired constituents of the precursor compound, on the other hand, preferably form stable gases, such as C0 2 , HCl, H 2 0 etc. and can be removed via the gas phase. In the context of the present invention, it is provided in particular that the precursor material is a solid precursor material, in particular a precursor granule. Particularly good results are obtained if the precursor granulate is not a powder mixture, in particular not a mixture of different precursor powders and / or granules. In the context of the invention, homogeneous granules, in particular precursor granules, are preferably used as precursor material for the process according to the invention.
Auf diese Weise kann mittels kurzer Einwirkzeiten von Energie, insbesondere von Laserstrahlung, das Präkursorgranulat in die Gasphase übergehen bzw. die Präku- rsorverbindungen zu den gewünschten Zielverbindungen reagieren, wobei nicht einzelne Partikel unterschiedlicher anorganischer Stoffe mit Partikelgrößen im mΐti- Bereich sublimiert werden müssen, deren Bestandteile dann diffundieren müssen, um die entsprechenden Verbindungen und Legierungen zu bilden. Durch das im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise verwendete homogene Präkur- sorgranulat sind die einzelnen Bausteine, insbesondere Elemente, der siliciumcar- bidhaltigen Zielverbindung homogen verteilt und in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet, d. h. es wird weniger Energie zur Herstellung der siliciumcarbidhalti- gen Verbindungen benötigt. Dies hat den Vorteil, dass eine mehrschichtige Struktur aus siliciumcarbidhaltigem Material aufgebaut werden kann, ohne dass die die Substratoberfläche bildende oberste Schicht des siliciumcarbidhaltigen Materials auf Temperaturen erwärmt wird, bei welchen Siliciumcarbid sublimiert. In this way, the precursor granules can pass into the gas phase or the precursor compounds react to the desired target compounds by means of short exposure times of energy, in particular laser radiation, it not being necessary to sublimate individual particles of different inorganic substances with particle sizes in the mΐti range, the Components must then diffuse to form the corresponding compounds and alloys. Due to the homogeneous precursor granulate preferably used in the context of the present invention, the individual building blocks, in particular elements, of the target compound containing silicon carbide are homogeneously distributed and arranged in close proximity to one another, ie. H. less energy is required to produce the silicon carbide-containing compounds. This has the advantage that a multilayer structure of silicon carbide-containing material can be built up without the uppermost layer of the silicon carbide-containing material forming the substrate surface being heated to temperatures at which silicon carbide sublimes.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Präkursorgranulat aus einer Präkursorlösung oder einer Präkursordispersion, ins- besondere einem Präkursorsol, erhältlich. Das Präkursorgranulat wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung somit vorzugsweise feinverteilt aus einer Flüssigkeit, insbesondere aus einer Lösung oder Dispersion, gewonnen. Auf diese Weise kann eine homogene Verteilung der einzelnen Komponenten, insbesondere Präkursor verbindungen in dem Granulat erzielt werden, wobei vorzugsweise die Stöchiomet- rie des herzustellenden siliciumcarbidhaltigen Werkstoffes bereits vorgebildet ist. Wenn das Präkursorgranulat aus einer Lösung oder Dispersion, insbesondere ei nem Gel, erhältlich ist, so wird das Präkursorgranulat durch Trocknung der Präkur sorlösungen bzw. -dispersionen bzw. des resultierenden Gels erhalten. Was nun die Partikelgrößen des Präkursorgranulats anbelangt, so kann dies in wei ten Bereichen in Abhängigkeit von den jeweiligen chemischen Zusammensetzun gen, der eingesetzten Laserenergie sowie den Eigenschaften des herzustellenden Werkstoffs bzw. Objekts variieren. Im Allgemeinen weist das Präkursorgranulat je doch Partikelgrößen im Bereich von 0,1 bis 150 pm, insbesondere 0,5 bis 100 gm, vorzugsweise 1 bis 100 pm, bevorzugt 7 bis 70 pm, besonders bevorzugt 20 bis 40 pm, auf. According to a preferred embodiment of the present invention, the precursor granules can be obtained from a precursor solution or a precursor dispersion, in particular a precursor sol. In the context of the present invention, the precursor granules are thus preferably finely divided from a liquid, in particular from a solution or dispersion. In this way, a homogeneous distribution of the individual components, in particular precursor compounds, can be achieved in the granulate, the stoichiometry of the silicon carbide-containing material to be produced preferably being pre-formed. If the precursor granules are obtainable from a solution or dispersion, in particular a gel, the precursor granules are obtained by drying the precursor solutions or dispersions or the resulting gel. As far as the particle sizes of the precursor granules are concerned, this can vary widely depending on the respective chemical compositions, the laser energy used and the properties of the material or object to be manufactured. In general, however, the precursor granules have particle sizes in the range from 0.1 to 150 pm, in particular 0.5 to 100 pm, preferably 1 to 100 pm, preferably 7 to 70 pm, particularly preferably 20 to 40 pm.
Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhal ten, wenn die Partikel des Präkursorgranulats einen D60-Wert im Bereich von 1 bis 100 pm, insbesondere 2 bis 70 pm, vorzugsweise 10 bis 50 pm, bevorzugt 21 bisParticularly good results are obtained in the context of the present invention if the particles of the precursor granules have a D60 value in the range from 1 to 100 pm, in particular 2 to 70 pm, preferably 10 to 50 pm, preferably 21 to
35 pm, aufweisen. Der D60-Wert für die Partikelgröße stellt die Grenze dar, unter halb derer die Partikelgröße von 60 % der Partikel des Präkursorgranulats liegt, d. h. 60 % der Partikel des Präkursorgranulats weisen Partikelgrößen auf, welche kleiner sind als der D60-Wert. 35 pm. The D60 value for the particle size represents the limit below which the particle size of 60% of the particles of the precursor granules is below. H. 60% of the particles of the precursor granulate have particle sizes which are smaller than the D60 value.
In diesem Zusammenhang kann es gleichermaßen vorgesehen sein, dass das Präkursorgranulat eine bimodale Partikelgrößenverteilung aufweist. Auf diese Wei se sind insbesondere Präkursorgranulate mit einer hohen Schüttdichte zugänglich. Wie zuvor bereits dargelegt, ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Beschichtungen oder dreidimensionalen Objekten aus einem großen Spektrum an siliciumcarbidhaltigen Verbindungen geeignet. Im Rahmen der vorliegenden Er findung ist die siliciumcarbidhaltige Verbindung üblicherweise ausgewählt aus Sili- ciumcarbid, dotiertem Siliciumcarbid, nicht-stöchiometrischen Siliciumcarbiden, do- tiertem nicht-stöchiometrischen Silicumcarbid und Siliciumcarbidlegierungen. In this context, it can equally be provided that the precursor granules have a bimodal particle size distribution. In this way, particularly precursor granules with a high bulk density are accessible. As already explained above, the method according to the invention is suitable for producing coatings or three-dimensional objects from a large spectrum of compounds containing silicon carbide. In the context of the present invention, the silicon carbide-containing compound is usually selected from silicon carbide, doped silicon carbide, non-stoichiometric silicon carbides, doped non-stoichiometric silicon carbide and silicon carbide alloys.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit universell einsetzbar und eignet sich zur Herstellung bzw. Abscheidung einer Vielzahl von unterschiedlichen Silici- umcarbidverbindungen, insbesondere um deren mechanische Eigenschaften ge- zielt einzustellen. The method according to the invention can thus be used universally and is suitable for producing or depositing a large number of different silicon carbide compounds, in particular in order to specifically adjust their mechanical properties.
Unter einem nicht-stöchiometrischen Siliciumcarbid ist im Rahmen der vorliegen den Erfindung ein Siliciumcarbid zu verstehen, welches Kohlenstoff und Silicium nicht im molaren Verhältnis 1 :1 enthält, sondern in davon abweichenden Verhält nissen. Üblicherweise weist ein nicht-stöchiometrisches Siliciumcarbid im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen molaren Überschuss an Silicium auf. Unter Siliciumcarbidlegierungen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung Ver bindungen von Siliciumcarbid mit Metallen, wie beispielsweise Titan oder auch an deren Verbindungen, wie Zirconiumcarbid oder Bornitrid, zu verstehen, welche Sili ciumcarbid in unterschiedlichen und stark schwankenden Anteilen enthalten. Silici umcarbidlegierungen bilden oftmals Hochleistungskeramiken, welche sich durch besondere Härte und Temperaturbeständigkeit auszeichnen. In the context of the present invention, a non-stoichiometric silicon carbide is understood to mean a silicon carbide which contains carbon and silicon not in a molar ratio of 1: 1, but in different ratios. In the context of the present invention, a non-stoichiometric silicon carbide usually has a molar excess of silicon. In the context of the present invention, silicon carbide alloys are to be understood as meaning compounds of silicon carbide with metals, such as, for example, titanium or also on their compounds, such as zirconium carbide or boron nitride, which contain silicon carbide in different and widely fluctuating proportions. Silicon carbide alloys often form high-performance ceramics, which are characterized by particular hardness and temperature resistance.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein nicht-stöchiometrisches Silici umcarbid hergestellt wird, so ist das nicht-stöchiometrische Siliciumcarbid übli cherweise ein Siliciumcarbid der allgemeinen Formel (I) If a non-stoichiometric silicon carbide is produced in the context of the present invention, the non-stoichiometric silicon carbide is usually a silicon carbide of the general formula (I)
SiCi-x (I) SiCi- x (I)
mit With
x = 0,05 bis 0,8, insbesondere 0,07 bis 0,5, vorzugsweise 0,09 bis 0,4, bevorzugtx = 0.05 to 0.8, in particular 0.07 to 0.5, preferably 0.09 to 0.4, preferred
0,1 bis 0,3. 0.1 to 0.3.
Derartige siliciumreiche Siliciumcarbide besitzen eine besonders hohe mechani sche Belastbarkeit und eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen als Kerami- ken. Such silicon-rich silicon carbides have a particularly high mechanical strength and are suitable for a large number of applications as ceramics.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung die siliciumcarbidhaltige Verbindung ein dotiertes Siliciumcarbid ist, so ist das Siliciumcarbid üblicherweise mit einem Element ausgewählt aus der Gruppe von Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Bor, Aluminium, Gallium, Indium und deren Mischungen dotiert. Vorzugsweise ist das Siliciumcarbid mit Elementen der 13. und 15. Gruppe des Periodensystems der Elemente dotiert, wodurch insbesondere die elektrischen Eigenschaften des Silici- umcarbids gezielt manipuliert und eingestellt werden konnten. Derartige dotierte Si liciumcarbide eignen sich insbesondere für Anwendungen in der Halbleitertechnik. Wie zuvor bereits ausgeführt, kann es sich bei dem dotierten Siliciumcarbid um ein stöchiometrisches Siliciumcarbid oder um ein nicht-stöchiometrisches Siliciumcar bid handeln, wobei die Dotierung stöchiometrischer Siliciumcarbide bevorzugt ist, da diese vermehrt in der Halbleitertechnik Anwendung finden. Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein dotiertes Siliciumcarbid herge stellt wird, so hat es sich bewährt, wenn das dotierte Siliciumcarbid das Dotie rungselement in Mengen von 0,000001 bis 0,0005 Gew.-%, insbesondere 0,000001 bis 0,0001 Gew.-%, vorzugsweise 0,000005 bis 0,0001 Gew.-%, bevor- zugt 0,000005 bis 0,00005 Gew.-%, bezogen auf das dotierte Siliciumcarbid, ent hält. Für die gezielte Einstellung der elektrischen Eigenschaften des Siliciumcarbi- des reichen somit äußerst geringe Mengen an Dotierungselementen vollkommen aus. Die zuvor genannten Mengenangaben der Dotierungselemente gelten sowohl für stöchiometrische als auch nicht-stöchiometrische Silicumcarbide. If, in the context of the present invention, the silicon carbide-containing compound is a doped silicon carbide, the silicon carbide is usually doped with an element selected from the group consisting of nitrogen, phosphorus, arsenic, antimony, boron, aluminum, gallium, indium and mixtures thereof. The silicon carbide is preferably doped with elements of the 13th and 15th group of the periodic table of the elements, as a result of which in particular the electrical properties of the silicon carbide could be manipulated and adjusted in a targeted manner. Doped silicon carbides of this type are particularly suitable for applications in semiconductor technology. As already stated above, the doped silicon carbide can be a stoichiometric silicon carbide or a non-stoichiometric silicon carbide, the doping of stoichiometric silicon carbides being preferred since these are increasingly being used in semiconductor technology. If a doped silicon carbide is produced in the context of the present invention, it has proven useful if the doped silicon carbide contains the doping element in amounts of 0.000001 to 0.0005% by weight, in particular 0.000001 to 0.0001% by weight .-%, preferably 0.000005 to 0.0001 wt .-%, preferably 0.000005 to 0.00005 wt .-%, based on the doped silicon carbide, ent. For the targeted adjustment of the electrical properties of the silicon carbide, extremely small amounts of doping elements are therefore completely sufficient. The quantities of the doping elements mentioned above apply to both stoichiometric and non-stoichiometric silicon carbides.
Wenn die im Rahmen der vorliegenden Erfindung hergestellte siliciumcarbidhaltige Verbindung eine Siliciumcarbidlegierung ist, so ist die Siliciumcarbidlegierung übli cherweise ausgewählt aus MAX-Phasen, Legierungen von Siliciumcarbid mit Ele menten, insbesondere Metallen, und Legierungen von Siliciumcarbid mit Metallcar- biden und/oder Metallnitriden. Derartige Siliciumcarbidlegierungen enthalten Silici umcarbid in wechselnden und stark schwankenden Anteilen. Insbesondere kann es dabei vorgesehen sein, dass Siliciumcarbid den Hauptbestandteil der Legierungen stellt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Siliciumcarbidlegierung Siliciumcarbid lediglich in geringen Mengen enthält. If the silicon carbide-containing compound produced in the context of the present invention is a silicon carbide alloy, the silicon carbide alloy is usually selected from MAX phases, alloys of silicon carbide with elements, in particular metals, and alloys of silicon carbide with metal carbides and / or metal nitrides. Such silicon carbide alloys contain silicon carbide in varying and strongly fluctuating proportions. In particular, it can be provided that silicon carbide is the main constituent of the alloys. However, it is also possible for the silicon carbide alloy to contain silicon carbide only in small amounts.
Üblicherweise weist die Siliciumcarbidlegierung das Siliciumcarbid in Mengen von 10 bis 95 Gew.-%, insbesondere 15 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 80 Gew.- %, bezogen auf die Siliciumcarbidlegierung, auf. Unter einer MAX-Phase sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere in hexagonalen Schichten kristallisierende Carbide und Nitride der allgemeinen Formel Mn+iAXn mit n = 1 bis 3 zu verstehen. M steht dabei für ein frühes Über gangsmetall aus der dritten bis sechsten Gruppe des Periodensystems der Ele mente, während A für ein Element der 13. bis 16. Gruppe des Periodensystems der Elemente steht. X ist schließlich entweder Kohlenstoff oder Stickstoff. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind jedoch nur derartige MAX-Phasen von Interesse, deren Summenformel Siliciumcarbid (SiC), d. h. Silicium und Kohlenstoff enthält. The silicon carbide alloy usually has the silicon carbide in amounts of 10 to 95% by weight, in particular 15 to 90% by weight, preferably 20 to 80% by weight, based on the silicon carbide alloy. Within the scope of the present invention, a MAX phase is to be understood as meaning carbides and nitrides of the general formula M n + i AX n with n = 1 to 3, which crystallize in hexagonal layers. M stands for an early transition metal from the third to sixth group of the periodic table of the elements, while A stands for an element of the 13th to 16th group of the periodic table of the elements. X is either carbon or nitrogen. Within the scope of the present invention, however, only those MAX phases are of interest whose sum formula contains silicon carbide (SiC), ie silicon and carbon.
MAX-Phasen weisen ungewöhnliche Kombinationen von chemischen, physikali schen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften auf, da sie je nach Bedin gungen sowohl metallisches als auch keramisches Verhalten zeigen. Dies beinhal tet beispielsweise eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, hohe Belast- barkeit bei gegenüber thermischem Schock, sehr große Härten sowie geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten. MAX phases have unusual combinations of chemical, physical, electrical and mechanical properties, as they show both metallic and ceramic behavior depending on the conditions. This includes, for example, high electrical and thermal conductivity, high load Ability to withstand thermal shock, very high hardness and low thermal expansion coefficient.
Wenn die Siliciumcarbidlegierung eine MAX-Phase ist, wird es bevorzugt, wenn die MAX-Phase ausgewählt ist aus Ti4SiC3 und Ti3SiC. If the silicon carbide alloy is a MAX phase, it is preferred if the MAX phase is selected from Ti 4 SiC 3 and Ti 3 SiC.
Insbesondere die zuvor genannten MAX-Phasen sind über die bereits beschriebe nen Eigenschaften hinaus in hohem Maße beständig gegenüber Chemikalien so wie Oxidation bei hohen Temperaturen. In addition to the properties already described, the aforementioned MAX phases in particular are highly resistant to chemicals such as oxidation at high temperatures.
Wenn die siliciumcarbidhaltige Verbindung eine Legierung des Siliciumcarbids ist, so hat es sich für den Fall, dass die Legierung eine Legierung von Siliciumcarbid mit Metallen ist, bewährt, wenn die Legierung ausgewählt ist aus Legierungen von Siliciumcarbid mit Metallen aus der Gruppe von AI, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, Zr und deren Mischungen. If the silicon carbide-containing compound is an alloy of the silicon carbide, it has proven itself in the event that the alloy is an alloy of silicon carbide with metals, if the alloy is selected from alloys of silicon carbide with metals from the group of Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, Zr and their mixtures.
Falls die Legierung des Silicumcarbids ausgewählt ist aus Legierungen von Silici umcarbid mit Metallcarbiden und/oder -nitriden hat es sich bewährt, wenn die Le gierungen von Siliciumcarbid mit Metallcarbiden und/oder -nitriden ausgewählt ist aus der Gruppe von Borcarbiden, insbesondere B4C, Chromcarbiden, insbesonde re Cr2C3, Titancarbiden, insbesondere TiC, Molybdäncarbiden, insbesondere Mo2C, Niobcarbiden, insbesondere NbC, Tantalcarbiden, insbesondere TaC, Va- nadiumcarbiden, insbesondere VC, Zirkoniumcarbiden, insbesondere ZrC, Wolf- ramcarbiden, insbesondere WC, Bornitrid, insbesondere BN, und deren Mischun- gen. If the alloy of silicon carbide is selected from alloys of silicon carbide with metal carbides and / or nitrides, it has proven useful if the alloys of silicon carbide with metal carbides and / or nitrides is selected from the group of boron carbides, in particular B 4 C, Chromium carbides, in particular Cr 2 C3, titanium carbides, in particular TiC, molybdenum carbides, in particular Mo 2 C, niobium carbides, in particular NbC, tantalum carbides, in particular TaC, vanadium carbides, in particular VC, zirconium carbides, in particular ZrC, tungsten carbides, in particular WC, boron nitride , especially BN, and their mixtures.
Was nun die Temperaturen anbelangt, bei welchen Präkursormaterial vergast und/oder zersetzt, so hat es sich bewährt, wenn das Präkursormaterial, insbeson dere das Präkursorgranulat, durch die Energieeinwirkung insbesondere zumindest bereichsweise auf Temperaturen im Bereich von 1.600 bis 2.100 °C, insbesondere 1 .700 bis 2.000 °C, vorzugsweise 1 .700 bis 1 .900 °C, erhitzt wird. Bei den zuvor genannten Temperaturen gehen alle Bestandteile des Präkursormaterials in die Gasphase über und werden die Präkursormaterialen zu den gewünschten reakti ven Spezies zersetzt, welche dann zu den Zielverbindungen reagieren. As far as the temperatures are concerned, at which precursor material gasifies and / or decomposes, it has proven to be useful if the precursor material, in particular the precursor granulate, in particular at least in regions at temperatures in the range from 1,600 to 2,100 ° C, in particular 1. 700 to 2,000 ° C, preferably 1,700 to 1,900 ° C, is heated. At the aforementioned temperatures, all components of the precursor material go into the gas phase and the precursor materials are decomposed into the desired reactive species, which then react to the target compounds.
Wie zuvor ausgeführt, ist die Verwendung fester, insbesondere pulverförmiger Prä kursormaterialien bevorzugt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch mit flüssigen oder gasförmigen Präkursormaterialien durchgeführt werden. Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung gasförmige Präkursormaterialien verwendet werden, werden die Präkursormaterialien durch Einwirkung von Energie zersetzt und zumindest ein Teil der zersetzten Präkursormaterialien wird ortselektiv auf der Substratoberfläche als siliciumcarbihaltiges Material abgeschieden. As stated above, the use of solid, in particular powdery precursor materials is preferred. However, the method according to the invention can also be carried out with liquid or gaseous precursor materials. If gaseous precursor materials are used in the context of the present invention, the precursor materials are decomposed by the action of energy and at least some of the decomposed precursor materials are deposited in a location-selective manner on the substrate surface as silicon carbide-containing material.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung flüssige oder feste, insbesondere pulverförmige Präkursormaterialien verwendet werden, so werden diese üblicher weise vergast und zersetzt und anschließend zumindest ein Teil der Zersetzungs- produkte ortselektiv auf der Substratoberfläche als siliciumcarbidhaltiges Material abgeschieden. Unter einer ortselektiven Abscheidung ist im Rahmen der vorliegen den Erfindung zu verstehen, dass das Material lokal begrenzt an einen Ort, der im Verfahrensverlauf jedoch wechseln kann, abgeschieden wird. Üblicherweise werden die Zersetzungsprodukte auf einer Fläche von 0,1 bis 2 mm2, insbesondere 0,5 bis 1 ,5 mm2, vorzugsweise 0,8 bis 1 ,2 mm2, abgeschieden. If liquid or solid, in particular powdery precursor materials are used in the context of the present invention, these are usually gasified and decomposed and then at least some of the decomposition products are deposited in a location-selective manner on the substrate surface as a material containing silicon carbide. In the context of the present invention, location-selective deposition is understood to mean that the material is deposited locally to a location which, however, can change in the course of the method. The decomposition products are usually deposited on an area of 0.1 to 2 mm 2 , in particular 0.5 to 1.5 mm 2 , preferably 0.8 to 1, 2 mm 2 .
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist somit ein lokal scharf begrenzter, ortse lektiver Auftrag eines siliciumcarbidhaltigen Materials auf einer Substratoberfläche möglich. Within the scope of the present invention, a locally sharply delimited, locally selective application of a silicon carbide-containing material on a substrate surface is possible.
Denn, wie die Anmelderin überraschenderweise herausgefunden hat, ist es durch die Verwendung von Präkursormaterialien, welche sowohl eine Kohlenstoff- als auch eine Siliciumquelle aufweisen, möglich, dreidimensionale Objekte aus silici- umcarbidhaltigen Materialien bzw. Beschichtungen aus siliciumcarbidhaltigen Ma terialien dreidimensionalen in einem vorzugsweise an das Auftragsschweißen an gelehnten Verfahren durchzuführen. Because, as the applicant has surprisingly found, it is possible to use three-dimensional objects made of materials containing silicon carbide or coatings of materials containing silicon carbide three-dimensionally in one, preferably by using precursor materials which have both a carbon and a silicon source Deposition welding to be carried out on lean processes.
Während bei der Verwendung von Silicumcarbid die Problematik besteht, dass die- ses sublimiert und unter normalen Bedingungen nicht aufgeschmolzen werden kann, hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung von geeigneten Präkursormate rialien durch Zersetzung der Präkursormaterialien ortselektiv aus der Gasphase si- liciumcarbidhaltige Materialien, insbesondere in Form von Schichten, auf Substrat oberflächen abgeschieden werden können. Die Schicht aus siliciumcarbidhaltigem Material kann die Substratoberfläche dabei vollständig oder nur bereichsweise be decken. Bei wiederholtem Auftrag von Schichten aus siliciumcarbidhaltigem Mate rial, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine bereits fertiggestellte Schicht aus siliciumcarbidhaltigem Material dem Substrat zugerechnet, wobei ihre Oberflä- che dann an den Stellen, an welchen sie ein Trägermaterial bedeckt, die Substrat oberfläche bildet. Das Substrat kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung nahe zu jede beliebige dreidimensionale Struktur aufweisen. Durch wiederholten und ortselektiven Auftrag können dabei sowohl gezielt Be schichtungen von Objekten vorgenommen werden als auch dreidimensionale Ob jekte aus siliciumcarbidhaltigen Materialien erzeugt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, Objekte bzw. Bauteile nicht nur zu beschichten, sondern auch mittels silicumcarbidhaltiger Materialien zu fügen oder Beschädigungen in Form von Mate- rialdefekten zu reparieren. While the problem with the use of silicon carbide is that it can be sublimed and not melted under normal conditions, it has been shown that by using suitable precursor materials by decomposing the precursor materials from the gas phase, location-selective materials containing silicon carbide, in particular, from the gas phase in the form of layers, can be deposited on substrate surfaces. The layer of silicon carbide-containing material can completely or only partially cover the substrate surface. If layers of material containing silicon carbide are applied repeatedly, an already completed layer of material containing silicon carbide is added to the substrate in the context of the present invention, its surface being surface where it covers a carrier material. In the context of the present invention, the substrate can have almost any three-dimensional structure. Through repeated and location-selective application, both targeted coating of objects can be carried out and three-dimensional objects can be created from materials containing silicon carbide. In addition, it is also possible not only to coat objects or components, but also to use silicon carbide-containing materials or to repair damage in the form of material defects.
Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhal ten, wenn pulverförmige Präkursormaterialien verwendet werden. Auf diese Weise lässt sich zum einen eine hoher Materialauftrag in einer Schichtdicke realisieren, zum anderen können pulverförmige Ausgangsmaterialien beispielsweise mittels ei ner Düse auf die Substratoberfläche zubewegt werden und durch beispielsweise ein Laserstrahlen vergast und zersetzt werden, ohne dass die Zersetzungsprodukte zu stark in ihre Richtung abgelenkt werden, so dass immernoch ein ortselektiver Auftrag möglich ist. Particularly good results are obtained within the scope of the present invention when powdered precursor materials are used. In this way, on the one hand, a high material application can be achieved in a layer thickness, on the other hand, powdery starting materials can be moved onto the substrate surface, for example by means of a nozzle, and gasified and decomposed by, for example, a laser beam without the decomposition products being deflected too strongly in their direction so that a location-selective order is still possible.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es, wie zuvor ausgeführt, üblicherweise vorgesehen, dass das siliciumcarbidhaltige Material ausgewählt ist aus ggf. dotier tem Siliciumcarbid, ggf. dotiertem nicht-stöchiometrischem Siliciumcarbid, Silici- umcarbidlegierungen und deren Mischungen. Die Herstellung von Siliciumcarbid, insbesondere dotiertem stöchiometrischem Siliciumcarbid aus Präkursorverbindun gen, insbesondere pulverförmigen Präkursorverbindungen, ist prinzipiell bekannt und wird beispielsweise im Rahmen der deutschen Patentanmeldung 10 2015 105 085.4 praktiziert. Bislang ist es jedoch nicht bekannt, dass es möglich ist, nahezu beliebige silici umcarbidhaltige Materialien durch Zersetzung von geeigneten Ausgangsverbin dungen ortselektiv auf ein Substrat abzuscheiden und somit siliciumcarbidhaltige Objekte zu erschaffen bzw. Objekte mit siliciumcarbidhaltigen Materialien zu be schichten. Within the scope of the present invention, as previously stated, it is usually provided that the silicon carbide-containing material is selected from optionally doped silicon carbide, optionally doped non-stoichiometric silicon carbide, silicon carbide alloys and mixtures thereof. The production of silicon carbide, in particular doped stoichiometric silicon carbide from precursor compounds, in particular powdery precursor compounds, is known in principle and is practiced, for example, in the context of German patent application 10 2015 105 085.4. So far, however, it is not known that it is possible to locally deposit almost any silicon carbide-containing materials by decomposing suitable starting compounds on a substrate and thus to create objects containing silicon carbide or to coat objects with materials containing silicon carbide.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es üblicherweise vorgesehen, dass das siliciumcarbidhaltige Material als Schicht auf der Substratoberfläche abgeschieden wird. Die Abscheidung des siliciumcarbidhaltigen Materials in Form einer Schicht wird insbesondere dadurch erreicht, dass die ortselektive Abscheidung kontinuier lich oder diskontinuierlich an sämtlichen gewünschten und zu beschichtenden Stel len der Substratoberfläche vorgenommen wird. Eine kontinuierliche Abscheidung kann dabei beispielsweise durch eine fortwäh rende Durchführung des Verfahrens erhalten werden, wobei sich der Ort der Ab scheidung kontinuierlich ändert z.B. indem ein Teilchenstrahl selektiv und kontinu ierlich auf die Substratoberfläche gerichtet und bewegt wird. Eine diskontinuierliche Auftragung erfolgt hingegen beispielsweise durch Unterbrechung des Abscheidens von siliciumcarbidhaltigem Material und einem Wiederbeginn der Abscheidung an einer anderen Stelle der Substratoberfläche. In the context of the present invention, it is usually provided that the silicon carbide-containing material is deposited as a layer on the substrate surface. The deposition of the silicon carbide-containing material in the form of a layer is achieved in particular in that the location-selective deposition is carried out continuously or discontinuously at all desired and to be coated locations on the substrate surface. A continuous deposition can be obtained, for example, by continuously carrying out the method, the location of the deposition continuously changing, for example by selectively and continuously directing and moving a particle beam onto the substrate surface. In contrast, discontinuous application takes place, for example, by interrupting the deposition of silicon carbide-containing material and restarting the deposition at another point on the substrate surface.
Üblicherweise wird das siliciumcarbidhaltige Material mit einer Schichtdicke im Be reich 0,01 bis 5 mm, insbesondere 0,05 bis 2 mm, vorzugsweise 0,1 bis 1 mm, auf der Substratoberfläche abgeschieden. Durch ein Materialauftrag mit den genannten Schichtdicken lassen sich zum einen dreidimensionale Objekte aus siliciumcarbid- haltigen Materialien mittels additiver Fertigung in kurzer Zeit erhalten, andererseits sind auch dünne und trotzdem widerstandsfähige Beschichtungen mit siliciumcar- bidhaltigen Materialien möglich. Gleichzeitig können auch nahezu beliebige Objek- te mittels siliciumcarbidhaltiger Materialien gefügt werden. The silicon carbide-containing material is usually deposited on the substrate surface with a layer thickness in the range from 0.01 to 5 mm, in particular 0.05 to 2 mm, preferably 0.1 to 1 mm. By applying a material with the layer thicknesses mentioned, three-dimensional objects made of silicon carbide-containing materials can be obtained in a short time by means of additive manufacturing, on the other hand, thin, yet resistant coatings with silicon carbide-containing materials are also possible. At the same time, almost any object can be joined using materials containing silicon carbide.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich bewährt, wenn das Präkursor material, insbesondere das pulverförmige Präkursormaterial, in fein verteilter und gerichteter Form, insbesondere in Form mindestens eines Teilchenstrahls in Rich- tung des Substrats bewegt wird und vor oder bei Auftreffen auf das Substrat durch Einwirkung von Energie, insbesondere Laserstrahlung, vergast und zersetzt wird oder dass die gasförmigen Zersetzungsprodukte in Richtung des Substrats bewegt werden, insbesondere in Form eines Teilchenstrahls. Unter einem Teilchenstrahl ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein gerichte ter Strom von Teilchen bzw. Partikeln mit vorzugsweise konstant bleibendem Querschnitt zu verstehen, welcher sich vorzugsweise linear fortbewegt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Präkursormaterialien oder die Zersetzungs produkte in einem oder mehrere Teilchenstrahlen in Richtung der Substratoberflä- che bewegt werden und sich beispielsweise in einem Brennpunkt, z.B. dem Licht strahl eines Lasers, oder auf der Substratoberfläche treffen. Der Teilchenstrahl bzw. die Teilchenstrahlen ist bzw. sind vorzugsweise auf die Substratoberfläche gerich tet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, dass die Ausgangs verbindungen in fein verteilter Form, vorzugsweise in Form eines fein verteilten Pulvers, insbesondere eines Pulverstrahls, in Richtung der Substratoberfläche be- wegt werden und vor, insbesondere unmittelbar bevor, oder bei Auftreffen auf die Substratoberfläche durch Energieeinwirkung, insbesondere durch Einwirkung eines Laserstrahls, vergast und zersetzt werden. Auf diese Weise werden die Zerset zungsprodukte in unmittelbarer Nähe der Oberfläche, auf welche sie aufgebracht werden, erzeugt und können sich auf der kühleren Substratoberfläche in vorzugs- weise einkristalliner Form abscheiden. Alternativ ist es auch möglich, dass die Zer setzungsprodukte beispielsweise durch eine Düse in Richtung der Substratoberflä che bewegt und auf diese aufgebracht werden, wobei sich die Zersetzungsproduk te zumindest zum Teil auf der Substratoberfläche als gewünschtes siliciumcarbid- haltiges Material abscheiden. Hier besteht jedoch immer die Gefahr, dass sich in der Gasphase schon größere Agglomerate bilden und eine weniger dichte und ho mogene Oberfläche erhalten wird. In the context of the present invention, it has proven to be useful if the precursor material, in particular the powdered precursor material, is moved in a finely divided and directed form, in particular in the form of at least one particle beam, in the direction of the substrate and before or when it hits the substrate Exposure to energy, in particular laser radiation, is gasified and decomposed or that the gaseous decomposition products are moved in the direction of the substrate, in particular in the form of a particle beam. In the context of the present invention, a particle beam is to be understood as a directed stream of particles or particles with a cross section which preferably remains constant and which preferably moves linearly. In the context of the present invention, the precursor materials or the decomposition products can be moved in one or more particle beams in the direction of the substrate surface and can meet, for example, in a focal point, for example the light beam from a laser, or on the substrate surface. The particle beam or the particle beams is or are preferably directed to the substrate surface. In the context of the present invention, it is therefore possible for the starting compounds to be moved in a finely divided form, preferably in the form of a finely divided powder, in particular a powder jet, in the direction of the substrate surface and before, in particular immediately before, or upon impact the substrate surface is gasified and decomposed by the action of energy, in particular by the action of a laser beam. In this way, the decomposition products are produced in the immediate vicinity of the surface to which they are applied and can be deposited on the cooler substrate surface in a preferably single-crystalline form. Alternatively, it is also possible for the decomposition products to be moved, for example, through a nozzle in the direction of the substrate surface and to be applied thereto, the decomposition products being deposited at least in part on the substrate surface as the desired silicon carbide-containing material. However, there is always a risk that larger agglomerates will form in the gas phase and that a less dense and homogeneous surface will be obtained.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Teil chenstrahl einen Querschnitt im Bereich von 0,1 bis 2 mm2, insbesondere 0,2 bis 1 ,5 mm2, vorzugsweise 0,5 bis 1 ,2 mm2, aufweist. Bevorzugt weist der Teilchen strahl einen Querschnitt von 1 mm2 auf. In the context of the present invention, it can be provided that the partial beam has a cross section in the range from 0.1 to 2 mm 2 , in particular 0.2 to 1.5 mm 2 , preferably 0.5 to 1, 2 mm 2 . The particle beam preferably has a cross section of 1 mm 2 .
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es üblicherweise vorgesehen, dass die Energieeinwirkung durch Wärmeenergie, speziell Temperaturerhöhung, insbeson- dere mittels Widerstandsheizung, Lichtbogen oder Strahlungsenergie, vorzugswei se Lichtbogen oder Strahlungsenergie, bevorzugt durch Laserstrahlung, erfolgt. In the context of the present invention, it is usually provided that the energy is brought about by thermal energy, in particular an increase in temperature, in particular by means of resistance heating, arcing or radiation energy, preferably arcing or radiation energy, preferably by means of laser radiation.
Was nun den Energieeintrag anbelangt, so hat es sich bewährt, wenn der Energie eintrag, insbesondere mittels Laserstrahlung, mit einer Auflösung von 0,1 bis 150 pm, insbesondere 1 bis 100 pm, vorzugsweise 10 bis 50 pm, erfolgt. Auf diese Weise kann in einem eng begrenzten Raum ein hoher Energieeintrag gewährleistet werden, so dass die Präkursoren vollständig vergast bzw. zersetzt werden. As far as the energy input is concerned, it has proven useful if the energy input takes place, in particular by means of laser radiation, with a resolution of 0.1 to 150 pm, in particular 1 to 100 pm, preferably 10 to 50 pm. In this way, a high energy input can be guaranteed in a narrowly limited space, so that the precursors are completely gasified or decomposed.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere darin zu sehen, dass es ohne nachfolgende Versinterungsschritte auskommt, d. h. im Rah men der vorliegenden Erfindung werden die Präkursoren derart ausgewählt und insbesondere auf die Verfahrensdurchführung abgestimmt, dass direkt aus der Gasphase ein homogener, kompakter dreidimensionaler Körper erhalten wird, wel cher nicht einer Sinterung unterzogen werden muss. A special feature of the method according to the invention is to be seen in particular in that it does not require subsequent sintering steps, ie in the context of the present invention the precursors are selected and in particular matched to the method implementation in such a way that directly from the Gaseous phase a homogeneous, compact three-dimensional body is obtained, which does not have to be subjected to sintering.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es bevorzugt, wenn das Präkursorma- terial, insbesondere das pulverförmige Präkursormaterial, oder die gasförmigen Zersetzungsprodukte mittels mindestens einer Düse in Richtung des Substrats be wegt wird oder werden. Durch die Verwendung einer Düse ist es insbesondere möglich, einen scharf begrenzten Teilchenstrahl, vorzugsweise aus gasförmigen Teilchen oder aus Pulverteilchen zu erhalten, welche ortselektiv auf die Substrat- Oberfläche aufgebracht werden. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Düse um eine Pulverdüse oder eine Gasdüse. In the context of the present invention, it is preferred if the precursor material, in particular the powdery precursor material, or the gaseous decomposition products is or are moved in the direction of the substrate by means of at least one nozzle. By using a nozzle, it is in particular possible to obtain a sharply defined particle beam, preferably from gaseous particles or from powder particles, which are applied to the substrate surface in a location-selective manner. The nozzle is particularly preferably a powder nozzle or a gas nozzle.
Die Düse kann dabei entweder koaxial zu beispielsweise einem Laserstrahl ange ordnet sein oder lateral. Bei der koaxialen Anordnung befinden sich Laserstrahl und Düse in der Regel in einem Bearbeitungskopf bzw. einer Baugruppe, wobei der La serstrahl nahezu senkrecht auf die Substratoberfläche gerichtet ist und der Teil chenstrahl diesen schneidet bzw. mehrere Teilchenstrahlen die Achse des Laser strahls in einem Brennpunkt schneiden. Bei der lateralen Anordnung ist der Laser strahl üblicherweise auch senkrecht zu der Substratoberfläche angeordnet und be- wegbar, wobei ein Teilchenstrom seitlich in die Achse des Laserstrahls eingedüst wird. The nozzle can either be arranged coaxially, for example, a laser beam, or laterally. In the coaxial arrangement, the laser beam and nozzle are usually in a processing head or an assembly, the laser beam being directed almost perpendicularly to the substrate surface and the partial beam intersecting it or several particle beams cutting the axis of the laser beam at a focal point . In the lateral arrangement, the laser beam is usually also arranged and movable perpendicular to the substrate surface, a particle stream being injected laterally into the axis of the laser beam.
Wie zuvor dargelegt, ist die Verwendung pulverförmiger Präkursormaterialien be vorzugt, wobei jedoch auch gasförmige oder flüssige Präkursormaterialien verwen- det werden können. As stated above, the use of powdered precursor materials is preferred, although gaseous or liquid precursor materials can also be used.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es üblicherweise vorgesehen, dass das pulverförmige Präkursormaterial in Form eines Pulverstrahls in Richtung des Sub strats bewegt wird oder dass das flüssige Präkursormaterial in zerstäubter Form oder als Flüssigkeitsstrahl in Richtung des Substrats bewegt wird, vorzugsweise jedoch stets in Form eines Teilchenstrahls. Weiterhin ist es möglich, dass das gas förmige Präkursormaterial in Form eines Gasstroms in Richtung des Substrats be wegt wird. Alternativ ist es auch möglich, dass die gasförmigen Zersetzungsproduk te in Form eines Gasstrahls in Richtung des Substrats bewegt werden. In the context of the present invention, it is usually provided that the powdered precursor material is moved in the form of a powder jet in the direction of the substrate or that the liquid precursor material is moved in atomized form or as a liquid jet in the direction of the substrate, but preferably always in the form of a particle beam . Furthermore, it is possible that the gaseous precursor material is moved in the form of a gas stream in the direction of the substrate. Alternatively, it is also possible for the gaseous decomposition products to be moved in the direction of the substrate in the form of a gas jet.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zu einer Herstellung einer Vielzahl von dreidimensionalen Objekten bzw. zur Beschichtung von Objekten mit silici- umcarbidhaltigen Materialien. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es insbe- sondere bevorzugt, wenn das Verfahren zum schichtweisen Aufbau einen dreidi mensionalen siliciumcarbidhaltigen Objektes und/oder zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen eingesetzt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit ei nerseits ein generatives Fertigungsverfahren sein, lässt sich andererseits jedoch auch als Fügeverfahren zum Verbinden von Objekten oder zur Reparatur von Ob jekten nutzen. The method according to the invention is suitable for producing a large number of three-dimensional objects or for coating objects with materials containing silicon carbide. In the context of the present invention, it is particularly particularly preferred if the method is used for layer-by-layer construction of a three-dimensional object containing silicon carbide and / or for joining at least two components. The method according to the invention can thus be a generative production method on the one hand, but can also be used on the other hand as a joining method for connecting objects or for repairing objects.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren Laserauftragsschmelzen bzw. ein an Laserauftragsschmelzen angelehntes Verfahren, bei welchem die Präkursormaterialien vor oder bis Kontakt mit der Substratoberfläche vergast und/oder zersetzt werden. According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the method is laser deposition melting or a method based on laser deposition melting, in which the precursor materials are gasified and / or decomposed before or until contact with the substrate surface.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es bevorzugt, wenn das Präkursorma terial, insbesondere das pulverförmige Präkursormaterial, in der Nähe der Sub- stratoberfläche mittels Laserstrahlung vergast und zersetzt wird, insbesondere in unmittelbarer Nähe der Substratoberfläche. Auf diese Weise werden insbesondere Nebenreaktionen und ungewünschte Agglomerationen verhindert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus das Substrat durch die eingetragene Energie, insbesondere durch den Laserstrahl, nur äußerst geringfügig erwärmt, so dass zum einen ein möglichst spannungsfreier Auftrag des siliciumcarbidhaltigen Materials möglich ist. In the context of the present invention, it is preferred if the precursor material, in particular the powdered precursor material, is gasified and decomposed in the vicinity of the substrate surface by means of laser radiation, in particular in the immediate vicinity of the substrate surface. In this way side reactions and undesired agglomerations in particular are prevented. In the context of the present invention, moreover, the substrate is heated only very slightly by the energy introduced, in particular by the laser beam, so that, on the one hand, the silicon carbide-containing material can be applied as stress-free as possible.
Üblicherweise ist es vorgesehen, dass die Vergasung und Zersetzung des pulver förmigen Ausgangsmaterials und die Abscheidung des siliciumcarbidhaltigen Mate- rials, vorzugsweise das gesamte Verfahren, in einer Schutzgasatmosphäre durch geführt wird. Auf diese Weise werden ungewünschte Oxidationen durch Sauerstoff verhindert. It is usually provided that the gasification and decomposition of the powdered starting material and the deposition of the silicon carbide-containing material, preferably the entire process, is carried out in a protective gas atmosphere. In this way, undesired oxidation by oxygen is prevented.
Wenn das erfindungsgemäße Verfahren in einer Schutzgasatmosphäre durchge- führt wird, so hat es bewährt, wenn das Verfahren in einer Stickstoff- und/oder Ar gonatmosphäre, vorzugsweise einer Argonatmosphäre, durchgeführt wird. Das er findungsgemäße Verfahren wird im Allgemeinen in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt, damit insbesondere kohlenstoffhaltige Präkursorverbindungen nicht oxidiert werden. Wenn das Verfahren in einer Argonatmosphäre durchgeführt wird, so handelt es sich in der Regel auch um Inertgasatmosphäre, da Argon unter den Verfahrensbedingungen nicht mit den Präkursorverbindungen reagiert. Falls Stick stoff als Schutzgas verwendet wird, so können insbesondere auch Siliciumnitride gebildet werden. Dies kann beispielsweise bei einer zusätzlich gemischten Dotie rung des Siliciumcarbids mit Stickstoff gewünscht sein. If the process according to the invention is carried out in a protective gas atmosphere, it has proven useful if the process is carried out in a nitrogen and / or argon atmosphere, preferably an argon atmosphere. The method according to the invention is generally carried out in a protective gas atmosphere so that, in particular, carbon-containing precursor compounds are not oxidized. If the process is carried out in an argon atmosphere, it is usually also an inert gas atmosphere, since argon does not react with the precursor compounds under the process conditions. If nitrogen is used as the protective gas, silicon nitrides in particular can also be used be formed. This may be desirable, for example, in the case of an additionally mixed doping of the silicon carbide with nitrogen.
Falls eine Einarbeitung von Stickstoff in das Siliciumcarbid bzw. in die siliciumcar- bidhaltige Verbindung jedoch nicht gewünscht ist, wird das erfindungsgemäße Ver fahren in einer Argonatmosphäre durchgeführt. If incorporation of nitrogen into the silicon carbide or into the compound containing silicon carbide is not desired, however, the process according to the invention is carried out in an argon atmosphere.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es dabei vorgesehen, dass der Teilchenstrahl und/oder die Teilchenstahlen von einem Schutzgasstrom umgeben werden. Die Teilchenströme werden somit von einem Schutzgasstrom ummantelt, wodurch eine Reaktion mit der umgebenden Atmosphäre verhindert wird. Auf diese Weise ist es auch beispielsweise möglich, größere Objekte mittels siliciumcarbid- haltigen Material zu beschichten, welche nicht ohne Weiteres in eine mit Schutzgas gefüllte Kammer überführt werden können. According to a preferred embodiment, it is provided that the particle beam and / or the particle steels are surrounded by a protective gas stream. The particle streams are thus encased by a protective gas stream, which prevents a reaction with the surrounding atmosphere. In this way it is also possible, for example, to coat larger objects by means of silicon carbide-containing material, which cannot easily be transferred into a chamber filled with protective gas.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt insbesondere die einfache Herstellung nahezu beliebiger siliciumcarbidhaltiger Materialien - insbesondere von nicht stöchiometrischen Siliciumcarbiden bis hin zu siliciumcarbidhaltigen Legierungen für Hochleistungskeramiken - aus einer Vielzahl von Präkursormaterialien. The method according to the invention in particular allows the simple production of almost any silicon carbide-containing materials - in particular from non-stoichiometric silicon carbides to silicon carbide-containing alloys for high-performance ceramics - from a large number of precursor materials.
Nachfolgend werden geeignete Präkursormaterialien eingehender beschrieben. Suitable precursor materials are described in more detail below.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass Präkursormaterialien eingesetzt werden, die entweder Mischungen aus flüssi- gen und/oder gasförmigen Kohlenstoff- und Siliciumquellen sind, d. h. Verbindun gen, welche unter Reaktionsbedingungen Kohlenstoff bzw. Silicium oder reaktive Intermediate freisetzen, oder flüssige Lösungen oder Dispersionen, welche die Kohlenstoff- und Siliciumquellen aufweisen. Falls im Rahmen der vorliegenden Erfindung flüssige und/oder gasförmige Kohlen stoffquellen als Präkursormaterialien eingesetzt werden, so kann es vorgesehen sein, dass die flüssige und/oder gasförmige Kohlenstoffquelle ausgewählt ist aus Alkanen, Aminen, Alkylhalogeniden, Aldehyden, Ketonen, Carbonsäuren, Amiden, Carbonsäureestern und deren Mischungen, insbesondere C bis C8-Alkanen, pri- mären und sekundären C bis C4-Alkylaminen, C bis C8-Alkylhalogeniden, Cr bis Cs-Aldehyden, C bis C8-Ketonen, Cr bis C8-Carbonsäuren, C bis C8- Amiden, Cr bis C8- Carbonsäureestern und deren Mischungen. Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn die gasförmige und/oder flüssige Kohlenstoffquelle ausgewählt ist aus C bis Cs- Alkanen, insbesondere Cr bis CrAlkanen, und deren Mischungen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird es somit bevorzugt, wenn die gasförmige oder flüssige Kohlenstoffquelle ein kurzkettiges und somit leichtflüchtiges Alkan ist. Insbesonde re bei Verwendung von sauerstoffhaltigen funktionalen Gruppen ist darauf zu ach ten, dass der Überschuss an Kohlenstoff so hoch ist, dass stets Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid oxidiert wird und nicht etwa Silicium zu Silicium dioxid oxidert wird bzw. Siliciumdioxid durch Kohlenstoff umgehend wieder redu- ziert wird, da Siliciumdioxid die Struktur und Funktion der siliciumcarbidhaltigen Fa sern bzw. Schäume erheblich stören würde. In the context of the present invention it can be provided, for example, that precursor materials are used which are either mixtures of liquid and / or gaseous carbon and silicon sources, ie compounds which release carbon or silicon or reactive intermediates under reaction conditions, or liquid solutions or dispersions containing the carbon and silicon sources. If liquid and / or gaseous carbon sources are used as precursor materials in the context of the present invention, it can be provided that the liquid and / or gaseous carbon source is selected from alkanes, amines, alkyl halides, aldehydes, ketones, carboxylic acids, amides, carboxylic acid esters and their mixtures, in particular C to C 8 alkanes, primary and secondary C to C 4 alkylamines, C to C 8 alkyl halides, Cr to Cs aldehydes, C to C 8 ketones, Cr to C 8 carboxylic acids, C to C 8 amides, Cr to C 8 carboxylic acid esters and mixtures thereof. Particularly good results are obtained in this connection if the gaseous and / or liquid carbon source is selected from C to Cs alkanes, in particular Cr to Cr alkanes, and mixtures thereof. In the context of the present invention, it is therefore preferred if the gaseous or liquid carbon source is a short-chain and thus readily volatile alkane. In particular when using oxygen-containing functional groups, care must be taken to ensure that the excess of carbon is so high that carbon is always oxidized to carbon monoxide or carbon dioxide and silicon is not oxidized to silicon dioxide or silicon dioxide is immediately reduced again by carbon. is adorned because silicon dioxide would significantly disrupt the structure and function of the silicon carbide-containing fibers or foams.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich darüber hinaus bewährt, wenn die flüssige und/oder gasförmige Siliciumquelle ausgewählt ist aus Silanen, Siloxa- nen und deren Mischungen, vorzugsweise Silanen. In the context of the present invention, it has also proven useful if the liquid and / or gaseous silicon source is selected from silanes, siloxanes and mixtures thereof, preferably silanes.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung Siloxane als Präkursoren verwendet werden, so ist es bei Auswahl geeigneter Siloxane möglich, dass das Siloxan bzw. die Siloxane sowohl die Kohlenstoffquelle als auch die Siliciumquelle darstellt bzw. darstellen und keine weiteren Präkursoren mit Ausnahme von eventuellen Dotie- rungs- oder Legierungsreagenzien verwendet werden müssen. If siloxanes are used as precursors in the context of the present invention, it is possible when selecting suitable siloxanes that the siloxane or the siloxanes represent or represent both the carbon source and the silicon source and no further precursors with the exception of possible doping - or alloy reagents must be used.
Vorzugsweise werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch feste, insbe sondere pulverförmige, Präkursormaterialien verwendet. Die festen Präkursormate- rialien liegen dabei üblicherweise in Form eines Präkursorgranulats vor, enthaltend mindestens eine Siliciumquelle, However, solid, in particular special powdery, precursor materials are preferably used in the context of the present invention. The solid precursor materials are usually in the form of a precursor granulate containing at least one silicon source,
mindestens eine Kohlenstoffquelle und at least one carbon source and
gegebenenfalls Präkursoren für Dotierungs- und/oder Legierungselemente. possibly precursors for doping and / or alloying elements.
Im Falle von Präkursorgranulaten ist die Siliciumquelle üblicherweise ausgewählt aus Silanhydrolysaten und Kieselsäuren sowie deren Mischungen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Siliciumquelle, d. h. der Präkursor des Silciums in der siliciumcarbidhaltigen Verbindung, insbesondere durch Hydrolyse von Tetra- alkoxysilanen erhalten, wodurch im Präkursorgranulat das Silicium vorzugsweise in Form von Kieselsäure bzw. Silanhydrolysaten vorliegt. Was nun die Kohlenstoffquelle in den Präkursorgranulaten anbelangt, so ist diese üblicherweise ausgewählt aus der Gruppe von Zuckern, insbesondere Saccharose, Glucose, Fructose, Invertzucker, Maltose; Stärke; Stärkederivaten und organischen Polymeren, insbesondere Phenol-Formaldehydharz, Resorcinol-Formaldehydharz, und deren Mischungen und/oder deren Umsetzungsprodukt, insbesondere Zuckern und/oder deren Umsetzungsprodukten. Besonders bevorzugt ist die Kohlenstoff quelle ausgewählt aus Zuckern und deren Umsetzungsprodukten, wobei vorzugs weise Saccharose und/oder Invertzucker und/oder deren Umsetzungsprodukte eingesetzt werden. Auch im Fall der Kohlenstoffquelle kann nicht nur das eigentli- che Reagenz, sondern auch dessen Umsetzungs- bzw. Reaktionsprodukt verwen det werden. In the case of precursor granules, the silicon source is usually selected from silane hydrolyzates and silicas and their mixtures. In the context of the present invention, the silicon source, ie the precursor of the silicon in the silicon carbide-containing compound, is obtained in particular by hydrolysis of tetraalkoxysilanes, as a result of which the silicon is preferably present in the precursor granules in the form of silicic acid or silane hydrolyzates. As far as the carbon source in the precursor granules is concerned, this is usually selected from the group of sugars, in particular sucrose, glucose, fructose, invert sugar, maltose; Strength; Starch derivatives and organic polymers, in particular phenol-formaldehyde resin, resorcinol-formaldehyde resin, and their mixtures and / or their reaction product, in particular sugars and / or their reaction products. The carbon source is particularly preferably selected from sugars and their reaction products, preference being given to using sucrose and / or invert sugar and / or their reaction products. In the case of the carbon source as well, not only the actual reagent but also its reaction or reaction product can be used.
Wenn mit dem Präkursorgranulat ein (stöchiometrisches) Siliciumcarbid hergestellt wird, so enthält die Zusammensetzung üblicherweise If a (stoichiometric) silicon carbide is produced with the precursor granules, the composition usually contains
(A) die Siliciumquelle in Mengen von 40 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 45 bis 55 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung,  (A) the silicon source in amounts of 40 to 60% by weight, preferably 45 to 55% by weight, based on the composition,
(B) die Kohlenstoffquelle in Mengen von 40 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 45 bis 55 Gew.-%, bezogen auf die Zusammensetzung, und  (B) the carbon source in amounts of 40 to 60% by weight, preferably 45 to 55% by weight, based on the composition, and
(C) optional Präkursoren von Dotierungselementen.  (C) optional precursors of doping elements.
Die Präkursoren für die Dotierungselemente sind dabei üblicherweise nur in sehr geringen Mengen insbesondere im ppm-Bereich in den Präkursorgranulaten ent halten. The precursors for the doping elements are usually contained only in very small amounts, in particular in the ppm range, in the precursor granules.
Wenn mit dem Präkursorgranulat ein nicht-stöchiometrisches Siliciumcarbid herge stellt wird, so enthält die Zusammensetzung üblicherweise If the precursor granulate is used to produce a non-stoichiometric silicon carbide, the composition usually contains
(A) die Siliciumquelle in Mengen von 60 bis 90 Gew.-%, insbesondere 65 bis 85 Gew.-%, vorzugsweise 70 bis 80 Gew.-%, bezogen auf die Zusammenset zung,  (A) the silicon source in amounts of 60 to 90% by weight, in particular 65 to 85% by weight, preferably 70 to 80% by weight, based on the composition,
(B) die Kohlenstoffquelle in Mengen von 10 bis 40 Gew.-%, insbesondere 15 bis(B) the carbon source in amounts of 10 to 40 wt .-%, in particular 15 to
35 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Zusammen setzung, und 35 wt .-%, preferably 20 to 30 wt .-%, based on the composition, and
(C) optional Präkursoren für Dotierungselemente. Mit Präkursorgranulaten, welche die Kohlenstoffquelle und die Siliciumquelle in den vorgenannten Mengenbereichen aufweisen, lassen sich in hervorragender Weise reproduzierbar nicht-stöchiometrische Siliciumcarbide mit einem Überschuss an Si licium hersteilen. (C) optional precursors for doping elements. With precursor granules, which have the carbon source and the silicon source in the abovementioned quantity ranges, non-stoichiometric silicon carbides with an excess of silicon can be produced in an excellent manner.
Falls das Präkursorgranulat zur Herstellung einer Siliciumcarbidlegierung verwen det wird, so enthält die Zusammensetzung üblicherweise If the precursor granulate is used to produce a silicon carbide alloy, the composition usually contains
(A) die Siliciumquelle in Mengen von 5 bis 40 Gew.-%, insbesondere 5 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-%,  (A) the silicon source in amounts of 5 to 40% by weight, in particular 5 to 30% by weight, preferably 10 to 20% by weight,
(B) die Kohlenstoffquelle in Mengen von 10 bis 60 Gew.-%, insbesondere 15 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 50 Gew.-%, und  (B) the carbon source in amounts of 10 to 60% by weight, in particular 15 to 50% by weight, preferably 20 to 50% by weight, and
(C) einen oder mehrere Präkursoren für Legierungselemente in Mengen von 5 bis(C) one or more alloy element precursors in amounts of 5 to
70 Gew.-%, insbesondere 5 bis 65 Gew.-%, vorzugsweise 10 bis 60 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Zusammensetzung. Ein bevorzugt eingesetztes Präkursorgranulat ist aus einer Präkursorlösung oder einer Präkursordispersion erhältlich. In diesem Zusammenhang wird es besonders bevorzugt, wenn die das Präkursorgranulat durch ein Sol-Gel-Verfahren oder durch Trocknung eines Sols erhältlich ist. Bei Sol-Gel-Verfahren werden üblicherweise Lösungen oder feinteilige Fest-in-Flüssig-Dispersionen hergestellt, welche durch nachfolgendes Altern und die dabei auftretenden Kondensationsprozesse zu einem Gel umgesetzt werden, welches größere Feststoffpartikel enthält. 70% by weight, in particular 5 to 65% by weight, preferably 10 to 60% by weight, in each case based on the composition. A preferably used precursor granulate can be obtained from a precursor solution or a precursor dispersion. In this context, it is particularly preferred if the precursor granules can be obtained by a sol-gel process or by drying a sol. Sol-gel processes usually produce solutions or finely divided solid-in-liquid dispersions, which are converted into a gel which contains larger solid particles by subsequent aging and the condensation processes that occur.
Nach Trocknung des Gels oder des Sols kann eine besonders homogene Zusam mensetzung, insbesondere ein geeignetes Präkursorgranulat erhalten werden, mit welchen bei Auswahl geeigneter Stöchiometrie die gewünschten siliciumcarbidhal- tigen Verbindungen unter Energieeinwirkung in additiver Fertigung erhalten werden können. After drying the gel or the sol, a particularly homogeneous composition, in particular a suitable precursor granulate, can be obtained, with which the desired silicon carbide-containing compounds can be obtained under the influence of energy in additive manufacturing with the choice of suitable stoichiometry.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass das Präkursorgranulat durch thermische Behandlung unter reduktiven Bedingungen zu einem reduzierten Präkursorgranulat umgesetzt wird. Die reduktive thermische Behandlung findet üblicherweise in einer Inertgasatmosphäre statt, wobei insbesondere die Kohlenstoffquelle, vorzugsweise eine zuckerbasierte Kohlenstoffquelle, mit Oxiden oder anderen Verbindungen des Siliciums sowie eventuellen weiteren Verbindungen anderer Elemente reagiert, wodurch die Elemente reduziert werden und flüchtige oxidierte Kohlen- und Was- serstoffverbindungen, insbesondere Wasser und CO2, entstehen, welche über die Gasphase entfernt werden. Furthermore, it can be provided that the precursor granules are converted into reduced precursor granules by thermal treatment under reductive conditions. The reductive thermal treatment usually takes place in an inert gas atmosphere, the carbon source in particular, preferably a sugar-based carbon source, reacting with oxides or other compounds of silicon and possibly other compounds of other elements, as a result of which the elements are reduced and volatile oxidized carbon and water Hydrogen compounds, especially water and CO2, are formed, which are removed via the gas phase.
Präkursorgranulate können insbesondere durch ein Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden, wobei Precursor granules can be produced in particular by a sol-gel process, wherein
(i) in einem ersten Verfahrensschritt eine Lösung oder Dispersion, insbesondere ein Sol, enthaltend  (i) in a first process step containing a solution or dispersion, in particular a sol
(I) mindestens eine siliciumhaltige Verbindung,  (I) at least one silicon-containing compound,
(II) mindestens eine kohlenstoffhaltige Verbindung,  (II) at least one carbon-containing compound,
(III) mindestens ein Löse- oder Dispersionsmittel und  (III) at least one solvent or dispersant and
(IV) gegebenenfalls Dotierungs- und/oder Legierungsreagenzien,  (IV) optionally doping and / or alloying reagents,
hergestellt wird,  will be produced,
(ii) in einem auf den ersten Verfahrensschritt (i) folgenden zweiten Verfahrens schritt die Lösung oder Dispersion reagiert wird, insbesondere zu einem Gel gealtert wird, und  (ii) in a second process step following the first process step (i), the solution or dispersion is reacted, in particular is aged to a gel, and
(iii) in einem auf den zweiten Verfahrensschritt (ii) folgenden dritten Verfahrens schritt das Reaktionsprodukt aus dem zweiten Verfahrensschritt (ii), insbe sondere das Gel, getrocknet und gegebenenfalls zerkleinert wird.  (iii) in a third process step following the second process step (ii), the reaction product from the second process step (ii), in particular the gel, is dried and optionally comminuted.
Ein Verfahren zur Herstellung eines geeigneten Präkursorgranulats zur Herstellung von Siliciumcarbid mittels eines Sol-Gel-Verfahrens ist beispielsweise in der deut schen Patentanmeldung DE 10 2015 105 085.4 genannt. A method for producing a suitable precursor granulate for producing silicon carbide by means of a sol-gel method is mentioned, for example, in German patent application DE 10 2015 105 085.4.
Unter einer Lösung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Einphasensys tem zu verstehen, in welchem mindestens ein Stoff, insbesondere eine Verbindung oder deren Bausteine, wie beispielsweise Ionen, homogen verteilt in einem weite- ren Stoff vorliegen. Unter einer Dispersion ist im Rahmen der vorliegenden Erfin dung ein zumindest zweiphasiges System zu verstehen, wobei eine erste Phase, nämlich die dispergierte Phase, in einer zweiten Phase, der kontinuierlichen Phase, verteilt vorliegt. Die kontinuierliche Phase wird auch Dispersionsmedium oder Dis persionsmittel genannt. Insbesondere bei Solen oder auch bei polymeren Verbin- düngen ist der Übergang von einer Lösung zu einer Dispersion oftmals fließend, sodass nicht mehr eindeutig zwischen einer Lösung und einer Dispersion unter schieden werden kann. Was nun die Auswahl des Löse- oder Dispersionsmittels in Verfahrensschritt (a) anbelangt, so kann dies aus sämtlichen geeigneten Löse- oder Dispersionsmitteln ausgewählt werden. Üblicherweise ist in Verfahrensschritt (a) das Löse- oder Dis- persionsmittel jedoch ausgewählt aus Wasser und organischen Lösemitteln sowie deren Mischungen, vorzugsweise deren Mischungen. Insbesondere bei Mischun gen, welche Wasser enthalten, werden durch Hydrolysereaktion der Ausgangsver bindungen oftmals anorganische Hydroxide, insbesondere Metallhydroxide und Kieselsäuren, gebildet, welche anschließend kondensieren, so dass das Verfahren in Form entweder eines Sol-Gel-Verfahrens durchgeführt werden kann oder aber auf der Stufe eines Sols gestoppt wird. In the context of the present invention, a solution is to be understood as a single-phase system in which at least one substance, in particular a compound or its components, such as ions, is present in a homogeneous distribution in another substance. In the context of the present invention, a dispersion is to be understood as an at least two-phase system, a first phase, namely the dispersed phase, being distributed in a second phase, the continuous phase. The continuous phase is also called dispersion medium or dispersant. The transition from a solution to a dispersion is often fluid, particularly in the case of brines or polymeric compounds, so that it is no longer possible to clearly differentiate between a solution and a dispersion. As far as the selection of the solvent or dispersing agent in process step (a) is concerned, this can be selected from all suitable solvents or dispersing agents. In process step (a), however, the solvent or dispersant is usually selected from water and organic solvents and also their mixtures, preferably their mixtures. In particular in the case of mixtures containing water, inorganic hydroxides, in particular metal hydroxides and silicas, are often formed by the hydrolysis reaction of the starting compounds, which subsequently condense, so that the process can be carried out either in the form of a sol-gel process or else on the Level of a sol is stopped.
Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass das Lösemittel ausgewählt aus Al koholen, insbesondere Methanol, Ethanol, 2-Propanol, Aceton, Essigsäureethyles- ter und deren Mischungen. Besonders bevorzugt wird es in diesem Zusammen hang, wenn das organische Lösemittel ausgewählt ist aus Methanol, Ethanol, 2- Propanol und deren Mischungen, wobei insbesondere Ethanol bevorzugt ist. In addition, it can be provided that the solvent is selected from alcohols, in particular methanol, ethanol, 2-propanol, acetone, ethyl acetate and mixtures thereof. In this context it is particularly preferred if the organic solvent is selected from methanol, ethanol, 2-propanol and mixtures thereof, ethanol being particularly preferred.
Die zuvor genannten organischen Lösemittel sind mit Wasser in weiten Bereichen mischbar und insbesondere auch zur Dispergierung bzw. zur Lösung polarer anor ganischer Stoffe geeignet. The aforementioned organic solvents are miscible with water in a wide range and are also particularly suitable for dispersing or dissolving polar inorganic substances.
Zur Herstellung des Sols bzw. des Gels werden vorzugsweise Mischungen aus Wasser und mindestens einem organischen Lösemittel, insbesondere Mischungen aus Wasser und Ethanol, bevorzugt als Löse- oder Dispersionsmittel verwendet. In diesem Zusammenhang wird es bevorzugt, wenn das Löse- oder Dispersionsmittel ein gewichtsbezogenes Verhältnis von Wasser zu organischem Lösemittel von 1 : 10 bis 20 : 1 , insbesondere 1 : 5 bis 15 : 1 , vorzugsweise 1 : 2 bis 10 : 1 , bevor zugt 1 : 1 bis 5 : 1 , besonders bevorzugt 1 : 3, aufweist. Durch das Verhältnis von Wasser zu organischem Lösemittel kann einerseits die Hydrolysegeschwindigkeit insbesondere der siliciumhaltigen Verbindung sowie der Legierungsreagenzien eingestellt werden, andererseits kann auch die Löslichkeit und Reaktionsgeschwin digkeit der kohlenstoffhaltigen Verbindung, insbesondere der kohlenstoffhaltigen Präkursorverbindung, wie beispielsweise Zuckern, eingestellt werden. Mixtures of water and at least one organic solvent, in particular mixtures of water and ethanol, preferably as solvents or dispersants, are preferably used to produce the sol or gel. In this context, it is preferred if the solvent or dispersion medium prefers a weight-based ratio of water to organic solvent of 1:10 to 20: 1, in particular 1: 5 to 15: 1, preferably 1: 2 to 10: 1 1: 1 to 5: 1, particularly preferably 1: 3. The ratio of water to organic solvent can be used on the one hand to adjust the rate of hydrolysis, in particular of the silicon-containing compound and of the alloying reagents, and on the other hand also to adjust the solubility and reaction speed of the carbon-containing compound, in particular the carbon-containing precursor compound, such as, for example, sugars.
Wieterhin wird es bevorzugt, wenn bei dem Verfahren zur Herstellung des Präkur sorgranulats in Verfahrensschritt (i) die siliciumhaltige Verbindung ausgewählt ist aus Silanen, Silanhydrolysaten, Orthokieselsäure sowie deren Mischungen, insbe- sondere Silanen. Orthokieselsäure und auch deren Hydrolyseprodukte können im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise aus Alikalisilikaten erhalten werden, deren Alkalimetallionen durch lonenaustausch gegen Protonen ausge tauscht wurden. Alkalimetallverbindungen werden im Rahmen der vorliegenden Er- findung jedoch nach Möglichkeit nicht verwendet, da diese insbesondere bei An wendung eines Sol-Gel-Verfahrens oder bei Trocknung des Sols das resultierende Präkursorgranulat eingelagert werden und folglich auch in der siliciumcarbidhalti- gen Verbindung zu finden sind. Eine Alkalimetalldotierung ist im Rahmen der vor liegenden Erfindung jedoch in aller Regel nicht erwünscht. Falls diese jedoch er- wünscht sein sollte, können geeignete Alkalimetallsalze, beispielsweise der silici umhaltigen Verbindung oder auch Alkaliphosphate, verwendet werden. It is also preferred if, in the process for producing the precursor granulate in process step (i), the silicon-containing compound is selected from silanes, silane hydrolyzates, orthosilicic acid and mixtures thereof, in particular special silanes. In the context of the present invention, orthosilicic acid and also its hydrolysis products can be obtained, for example, from alkali silicates whose alkali metal ions have been exchanged for protons by ion exchange. Alkali metal compounds are, however, not used in the context of the present invention, if possible, since these, particularly when using a sol-gel process or when the sol dries, the resulting precursor granules are incorporated and consequently can also be found in the compound containing silicon carbide. However, alkali metal doping is generally not desirable in the context of the present invention. However, if this should be desired, suitable alkali metal salts, for example the silicon-containing compound or also alkali metal phosphates, can be used.
Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhal ten, wenn Silane, insbesondere Tetraalkoxysilane und/oder Trialkoxyalkylsilane, vorzugsweise Tetraethoxysilan, Tetramethoxysilan oder Triethoxymethylsilan als si liciumhaltige Verbindung in Verfahrensschritt (i) eingesetzt werden, da diese Ver bindungen durch Hydrolyse in wässrigem Milieu zu Orthokieselsäuren bzw. deren Kondensationsprodukten oder hochvernetzten Siloxanen und den entsprechenden Alkoholen reagieren. Particularly good results are obtained in the context of the present invention when silanes, in particular tetraalkoxysilanes and / or trialkoxyalkylsilanes, preferably tetraethoxysilane, tetramethoxysilane or triethoxymethylsilane, are used as the silicon-containing compound in process step (i), since these compounds are hydrolysed in an aqueous medium Orthosilicic acids or their condensation products or highly cross-linked siloxanes and the corresponding alcohols react.
Was nun die kohlenstoffhaltige Verbindung anbelangt, so hat es sich bewährt, wenn in Verfahrensschritt (i) die kohlenstoffhaltige Verbindung ausgewählt ist aus der Gruppe von Zuckern, insbesondere Saccharose, Glucose, Fructose, Invertzu cker, Maltose; Stärke; Stärkederivaten und organischen Polymeren, insbesondere Phenol-Formaldehydharz, Resorcinol-Formaldehydharz, und deren Mischungen. Besonders gute Ergebnisse werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhal ten, wenn in Verfahrensschritt (i) die kohlenstoffhaltige Verbindung in einer wässri gen Lösung oder Dispersion eingesetzt wird. Wenn die kohlenstoffhaltige Verbindung insbesondere in einer wässrigen Lösung oder Dispersion eingesetzt wird, so wird die kohlenstoffhaltige Verbindung übli cherweise in einer kleinen Menge des für die Herstellung des Präkursorgranulats in Verfahrensschritt (i) vorgesehenen Löse- oder Dispersionsmittels, insbesondere Wassers, vorgelegt. In diesem Zusammenhang werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn die kohlenstoffhaltige Verbindung in einer Lösung eingesetzt wird, welche die kohlenstoffhaltige Verbindung in Mengen von 10 bis 90 Gew.-%, insbe sondere 30 bis 85 Gew.%, vorzugsweise 50 bis 80 Gew.-%, insbesondere 60 bis 70 Gew.%, bezogen auf die Lösung oder Dispersion der kohlenstoffhaltigen Ver bindung, enthält. As far as the carbon-containing compound is concerned, it has proven useful if in process step (i) the carbon-containing compound is selected from the group of sugars, in particular sucrose, glucose, fructose, invert sugar, maltose; Strength; Starch derivatives and organic polymers, especially phenol-formaldehyde resin, resorcinol-formaldehyde resin, and mixtures thereof. Particularly good results are obtained within the scope of the present invention if the carbon-containing compound is used in an aqueous solution or dispersion in process step (i). If the carbon-containing compound is used in particular in an aqueous solution or dispersion, the carbon-containing compound is usually introduced in a small amount of the solvent or dispersion medium, in particular water, provided for the preparation of the precursor granules in process step (i). In this connection, particularly good results are obtained if the carbon-containing compound is used in a solution which contains the carbon-containing compound in amounts of 10 to 90% by weight, in particular 30 to 85% by weight, preferably 50 to 80% by weight. %, especially 60 to 70% by weight, based on the solution or dispersion of the carbon-containing compound, contains.
Insbesondere ist es darüber hinaus auch möglich, dass der Lösung oder Dispersi- on der kohlenstoffhaltigen Verbindung beispielsweise Katalysatoren, insbesondere Säuren oder Basen, zugegeben werden, um beispielsweise die Inversion von Sac charose zu beschleunigen und bessere Reaktionsergebnisse zu erzielen. In particular, it is also possible, for example, to add catalysts, in particular acids or bases, to the solution or dispersion of the carbon-containing compound, for example in order to accelerate the inversion of sucrose and to achieve better reaction results.
Was nun die Temperaturen anbelangt, bei welchen Verfahrensschritt (i) durchge- führt wird, so hat es sich bewährt, wenn Verfahrensschritt (i) bei Temperaturen im Bereich von 15 bis 40 °C, insbesondere 20 bis 30 °C, vorzugsweise 20 bis 25 °C, durchgeführt wird. With regard to the temperatures at which process step (i) is carried out, it has proven useful if process step (i) at temperatures in the range from 15 to 40 ° C., in particular 20 to 30 ° C., preferably 20 to 25 ° C.
Weiterhin ist es möglich, dass in Verfahrensschritt (ii) die Temperaturen im Ver- gleich zu Verfahrensschritt (i) leicht angehoben wird, um die Reaktion der einzel nen Bestandteile der Lösung oder Dispersion, insbesondere die Kondensationsre aktion bei der Alterung des Sols zum Gel, zu beschleunigen. Furthermore, it is possible that in process step (ii) the temperatures are slightly increased compared to process step (i) in order to reduce the reaction of the individual constituents of the solution or dispersion, in particular the condensation reaction when the sol ages to form a gel. to accelerate.
Besonders gute Ergebnisse werden in diesem Zusammenhang erhalten, wenn Ver- fahrensschritt (ii) bei Temperaturen im Bereich von 20 bis 80 °C, insbesondere 30 bis 70 °C, vorzugsweise 40 bis 60 °C, durchgeführt wird. Besonders bewährt hat es sich in diesem Zusammenhang, wenn Verfahrensschritt (ii) bei 50 °C durchgeführt wird. Was nun die Zeitspanne anbelangt, für welche Verfahrensschritt (ii) durchgeführt wird, so kann diese in Abhängigkeit von den jeweiligen Temperaturen, den ver wendeten Lösemitteln sowie den verwendeten Präkursorverbindungen variieren. Üblicherweise wird Verfahrensschritt (ii) jedoch für eine Dauer von 15 Minuten bis 20 Stunden, insbesondere 30 Minuten bis 15 Stunden, vorzugsweise 1 bis 10 Stunden, bevorzugt 2 bis 8 Stunden, besonders bevorzugt 2 bis 5 Stunden, durch geführt. Innerhalb der vorgenannten Zeitspannen wird üblicherweise eine vollstän dige Reaktion des Sols zu einem Gel beobachtet, falls das Verfahren als Sol-Gel- Verfahren durchgeführt wird. Was nun die Mengen der einzelnen Komponenten in Verfahrensschritt (ii) zueinan der anbelangt, so kann diese in Abhängigkeit von der jeweiligen beabsichtigten Verwendung in weiten Bereichen variieren. So weisen beispielsweise die Präkur sorzusammensetzungen für stöchiometrisches Siliciumcarbid oder nicht- stöchiometrische Siliciumcarbide vollkommen andere Zusammensetzungen und Mengenverhältnisse der einzelnen Komponenten auf als Zusammensetzungen, welche zur Herstellung von Siliciumcarbidlegierungen gedacht sind. Auch ist bei der Auswahl der einzelnen Verbindungen, insbesondere der Dotie rungsreagenzien oder Legierungsreagenzien darauf zu achten, dass diese zu homogenen Granulaten mit einer Kohlenstoffquelle und einer Siliciumquelle verar beitet werden können, welche in generativen Fertigungsverfahren zu siliciumcar- bidhaltigen Verbindungen reagieren können. Particularly good results are obtained in this connection if process step (ii) is carried out at temperatures in the range from 20 to 80 ° C., in particular 30 to 70 ° C., preferably 40 to 60 ° C. In this context, it has proven particularly useful if process step (ii) is carried out at 50 ° C. With regard to the time span for which process step (ii) is carried out, this can vary depending on the respective temperatures, the solvents used and the precursor compounds used. However, process step (ii) is usually carried out for a period of 15 minutes to 20 hours, in particular 30 minutes to 15 hours, preferably 1 to 10 hours, preferably 2 to 8 hours, particularly preferably 2 to 5 hours. If the process is carried out as a sol-gel process, a complete reaction of the sol to a gel is usually observed within the aforementioned periods. As far as the quantities of the individual components in process step (ii) are concerned, this can vary widely depending on the intended use. For example, the precursor compositions for stoichiometric silicon carbide or non- stoichiometric silicon carbides have completely different compositions and proportions of the individual components than compositions which are intended for the production of silicon carbide alloys. When selecting the individual compounds, in particular the doping reagents or alloy reagents, care must also be taken that they can be processed into homogeneous granules with a carbon source and a silicon source, which can react in additive manufacturing processes to form compounds containing silicon carbide.
Insbesondere ist vorzugsweise darauf zu achten, dass die Dotierungs- und/oder Legierungsreagenzien unter Energieeinwirkung, derart zerfallen bzw. gespalten werden, dass die gewünschten Elemente als reaktive Teilchen zur gewünschten Legierung desublimieren, während die übrigen Bestandteile der Verbindung nach Möglichkeit zu stabilen gasförmigen Stoffen, wie beispielsweise Wasser, CO, CO2, HCl etc., reagieren, welche über die Gasphase einfach entfernt werden können. Die eingesetzten Verbindungen sollten darüber hinaus in den verwendeten Löse mitteln, insbesondere in Ethanol und/oder Wasser ausreichend hohe Löslichkeiten aufweisen, um feinteilige Dispersionen oder Lösungen, insbesondere Sole, bilden zu können, und dürfen während des Herstellungsverfahrens nicht mit anderen Be standteilen der Lösung oder der Dispersion, insbesondere des Sols, zu unlöslichen Verbindungen reagieren. Darüber hinaus müssen die Reaktionsgeschwindigkeiten der einzelnen ablaufenden Reaktionen aufeinander abgestimmt werden, da die Hydrolyse, Kondensation und insbesondere die gegebenenfalls durchgeführte Ge- lation im Vorfeld der Granulatbildung ungestört ablaufen müssen. Die gebildeten Reaktionsprodukte dürfen weiterhin nicht oxidationsempfindlich sein und sollten darüber hinaus nicht flüchtig sein. In particular, care should preferably be taken to ensure that the doping and / or alloying reagents decompose or split under the action of energy in such a way that the desired elements desublimate as reactive particles to form the desired alloy, while the other constituents of the compound form stable gaseous substances, if possible, such as water, CO, CO2, HCl etc., which can be easily removed via the gas phase. In addition, the compounds used should have sufficiently high solubilities in the solvents used, in particular in ethanol and / or water, in order to be able to form finely divided dispersions or solutions, in particular brine, and must not be used with other components of the solution during the production process the dispersion, especially the sol, react to form insoluble compounds. In addition, the reaction rates of the individual reactions taking place must be coordinated with one another, since the hydrolysis, condensation and, in particular, the gelation which may have been carried out must take place undisturbed before the formation of the granules. The reaction products formed must furthermore not be sensitive to oxidation and, moreover, should not be volatile.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Lösung oder Dispersion mindestens ein Dotierungs- und/oder Legierungsreagenz enthält. Wenn die Lösung ein Dotie rungs- und/oder Legierungsreagenz enthält, so hat es sich bewährt, wenn die Lö sung oder Dispersion das Dotierungs- oder Legierungsreagenz in Mengen von 0,000001 bis 60 Gew.-%, insbesondere 0,000001 bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 0,000005 bis 45 Gew.-%, bevorzugt 0,00001 bis 40 Gew.-%, bezogen auf die Lö- sung oder Dispersion, aufweist. Furthermore, it can be provided that the solution or dispersion contains at least one doping and / or alloying reagent. If the solution contains a doping and / or alloying reagent, it has proven useful if the solution or dispersion contains the doping or alloying reagent in amounts of 0.000001 to 60% by weight, in particular 0.000001 to 45% by weight %, preferably 0.000005 to 45% by weight, preferably 0.00001 to 40% by weight, based on the solution or dispersion.
Wenn die Lösung oder Dispersion ein Dotierungsreagenz aufweist, so weist die Lösung oder Dispersion das Dotierungsreagenz üblicherweise in Mengen von 0,000001 bis 0,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,000005 bis 0,1 Gew.-%, bevorzugt 0,00001 bis 0,01 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Dispersion, auf. If the solution or dispersion has a doping reagent, the solution or dispersion usually has the doping reagent in amounts of 0.000001 to 0.5% by weight, preferably 0.000005 to 0.1% by weight, preferably 0.00001 to 0.01% by weight, based on the solution or dispersion.
Falls die Lösung oder Dispersion ein Legierungsreagenz enthält, so ist es übli- cherweise vorgesehen, dass die Lösung oder Dispersion das Legierungsreagenz in Mengen von 5 bis 60 Gew.-%, insbesondere 10 bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 45 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 40 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Disper sion, enthält. Was nun die chemische Natur des Dotierungsreagenzes anbelangt, so kann dieses aus geeigneten Dotierungselementen ausgewählt sein. Vorzugsweise ist das Dotie rungsreagenz bzw. das Dotierungselement aus Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems ausgewählt. Vorzugsweise ist das Dotierungs reagenz ausgewählt aus Verbindungen eines Elements der dritten oder fünften Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente, welcshe in dem Löse- oder Dis pergiermittel löslich ist. Das Dotierungsreagenz ist dabei üblicherweise ausgewählt aus Salpetersäure, Ammoniumchlorid, Melamin, Phosphorsäure, Phosphonsäuren, Borsäure, Boraten, Borchlorid, Indiumchlorid und deren Mischungen. Falls eine Dotierung mit Stickstoff vorgesehen ist, so kann die Lösung Salpetersäu re, Ammoniumchlorid oder Melanin enthalten. Falls eine Dotierung mit Phosphor vorgesehen ist, so können beispielsweise Phosphorsäure oder Phosphate bzw. Phosphonsäuren verwendet werden. Falls eine Dotierung mit Bor vorgesehen ist, werden beispielsweise Borsäuren, Bo rate oder Borsalze, wie Bortrichlorid, verwendet. If the solution or dispersion contains an alloy reagent, it is usually provided that the solution or dispersion contains the alloy reagent in amounts of 5 to 60% by weight, in particular 10 to 45% by weight, preferably 15 to 45% by weight. -%, preferably 20 to 40 wt .-%, based on the solution or dispersion, contains. As far as the chemical nature of the doping reagent is concerned, it can be selected from suitable doping elements. The doping reagent or the doping element is preferably selected from elements of the third and fifth main groups of the periodic table. The doping reagent is preferably selected from compounds of an element of the third or fifth main group of the Periodic Table of the Elements, which is soluble in the solvent or dispersant. The doping reagent is usually selected from nitric acid, ammonium chloride, melamine, phosphoric acid, phosphonic acids, boric acid, borates, boron chloride, indium chloride and mixtures thereof. If doping with nitrogen is provided, the solution may contain nitric acid, ammonium chloride or melanin. If doping with phosphorus is provided, phosphoric acid or phosphates or phosphonic acids can be used, for example. If doping with boron is provided, boric acids, borates or boron salts such as boron trichloride, for example, are used.
Falls mit Indium dotiert wird, so werden üblicherweise wasserlösliche Indiumsalze, wie beispielsweise Indiumchlorid als Dotierungsreagenz eingesetzt. If indium is doped, water-soluble indium salts, such as indium chloride, are usually used as the doping reagent.
Wenn die Lösung oder Dispersion ein Legierungsreagenz enthält, so ist das Legie rungsreagenz üblicherweise ausgewählt aus in dem Löse- oder Dispersionsmittel löslichen Verbindungen des AI, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, Zr und deren Mischungen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Le- gierungsreagenz ausgewählt aus Chloriden, Nitraten, Acetaten, Acetylacetonaten und Formiaten von AI, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, Zr und deren Mischungen. Wenn ein stöchiometrisches Siliciumcarbid SiC, welches gegebenenfalls dotiert ist, erhalten werden soll, so werden besonderes gute Ergebnisse erhalten, wenn die Lösung oder Dispersion im ersten Verfahrensschritt die siliciumhaltige Verbindung in Mengen von 10 bis 40 Gew.-%, insbesondere 12 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 25 Gew.-%, bevorzugt 17 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Dis persion, enthält. If the solution or dispersion contains an alloy reagent, the alloy reagent is usually selected from compounds of Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, Zr and mixtures thereof which are soluble in the solvent or dispersion medium. According to a preferred embodiment of the present invention, the alloy reagent is selected from chlorides, nitrates, acetates, acetylacetonates and formates of Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, Zr and mixtures thereof. If a stoichiometric silicon carbide SiC, which is optionally doped, is to be obtained, particularly good results are obtained if the solution or dispersion in the first process step contains the silicon-containing compound in amounts of 10 to 40% by weight, in particular 12 to 30% by weight. -%, preferably 15 to 25 wt .-%, preferably 17 to 20 wt .-%, based on the solution or dispersion.
Gleichermaßen kann es gemäß dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Lösung oder Dispersion die kohlenstoffhaltigen Verbindungen im Mengen von 6 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 8 bis 30 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 25 Gew.-%, beson ders bevorzugt 12 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Dispersion, auf weist. Equally, it can be provided according to this embodiment that the solution or dispersion contains the carbon-containing compounds in amounts of 6 to 40% by weight, preferably 8 to 30% by weight, preferably 10 to 25% by weight, particularly preferably 12 up to 20 wt .-%, based on the solution or dispersion.
Darüber hinaus kann es gemäß dieser Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Lösung oder Dispersion das Löse- oder Dispersionsmitteln in Mengen von 20 bis 80 Gew.-%, insbesondere 30 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 60 Gew.-%, be vorzugt 45 bis 55 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Dispersion, enthält. In addition, it can be provided according to this embodiment that the solution or dispersion be the solvent or dispersant in amounts of 20 to 80% by weight, in particular 30 to 70% by weight, preferably 40 to 60% by weight preferably 45 to 55 wt .-%, based on the solution or dispersion.
Wenn das Siliciumcarbid dotiert sein soll, so enthält die Lösung oder Dispersion das Dotierungsreagenz üblicherweise in Mengen von 0,000001 bis 0,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,000005 bis 0,1 Gew.-%, bevorzugt 0,00001 bis 0,01 Gew.-%, be zogen auf die Lösung oder Dispersion. If the silicon carbide is to be doped, the solution or dispersion usually contains the doping reagent in amounts of 0.000001 to 0.5% by weight, preferably 0.000005 to 0.1% by weight, preferably 0.00001 to 0 , 01 wt .-%, based on the solution or dispersion.
Wenn ein nicht-stöchiometrisches Siliciumcarbid, insbesondere mit einem molaren Überschuss an Silicium, erhalten werden soll, so hat es sich bewährt, wenn die Lö sung oder Dispersion im ersten Verfahrensschritt (a) die siliciumhaltige Verbindung in Mengen von 12 bis 40 Gew.-%, insbesondere 15 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 18 bis 35 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 30 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Dis persion, enthält. If a non-stoichiometric silicon carbide, in particular with a molar excess of silicon, is to be obtained, it has proven useful if the solution or dispersion in the first process step (a) contains the silicon-containing compound in amounts of 12 to 40% by weight. , in particular 15 to 40% by weight, preferably 18 to 35% by weight, preferably 20 to 30% by weight, based on the solution or dispersion.
Gemäß dieser Ausführungsform kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die Lö sung oder Dispersion die kohlenstoffhaltige Verbindung in Mengen von 6 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 8 bis 30 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 25 Gew.-%, besonders bevorzugt, 12 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Dispersion, aufweist. According to this embodiment, it may further be provided that the solution or dispersion contains the carbon-containing compound in amounts of 6 to 40% by weight, preferably 8 to 30% by weight, preferably 10 to 25% by weight, particularly preferably 12 to 20 wt .-%, based on the solution or dispersion.
Darüber hinaus kann es gemäß dieser Ausführungsform gleichermaßen vorgese hen sein, dass die Lösung oder Dispersion das Löse- oder Dispersionsmittel in Mengen von 20 bis 80 Gew.-%, insbesondere 30 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 60 Gew.-%, bevorzugt 45 bis 55 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Disper sion, enthält. In addition, according to this embodiment, it can equally be provided that the solution or dispersion contains the solvent or dispersion medium in amounts of 20 to 80% by weight, in particular 30 to 70% by weight, preferably 40 to 60 wt .-%, preferably 45 to 55 wt .-%, based on the solution or dispersion, contains.
Falls das nicht-stöchiometrische Siliciumcarbid dotiert sein soll, so hat es sich be- währt, wenn die Lösung oder Dispersion das Dotierungsreagenz in Mengen von 0,000001 bis 0,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,000005 bis 0,1 Gew.-%, bevorzugt 0,00001 bis 0,01 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Dispersion, enthält. If the non-stoichiometric silicon carbide is to be doped, it has proven useful if the solution or dispersion contains the doping reagent in amounts of 0.000001 to 0.5% by weight, preferably 0.000005 to 0.1% by weight. -%, preferably 0.00001 to 0.01 wt .-%, based on the solution or dispersion.
Wenn eine Siliciumcarbidlegierung hergestellt werden soll, so hat es sich bewährt, wenn die Lösung oder Dispersion im ersten Verfahrensschritt (a) die siliciumhaltige Verbindung in Mengen von 5 bis 30 Gew.-%, insbesondere 6 bis 25 Gew.-%, vor zugsweise 8 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 10 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Dispersion, enthält. Gleichermaßen ist es gemäß dieser Ausführungsform bevorzugt, wenn die Lösung oder Dispersion die kohlenstoffhaltige Verbindung in Mengen von 5 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 6 bis 30 Gew.-%, bevorzugt 7 bis 25 Gew.-%, besonders bevorzugt, 10 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Dispersion, aufweist. Weiterhin ist es gemäß dieser Ausführungsform bevorzugt, wenn die Lösung oder Dispersion das Löse- oder Dispersionsmittel in Mengen von 20 bis 70 Gew.-%, ins besondere 25 bis 65 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 60 Gew.-%, bevorzugt 35 bis 50 Gew.-%, bezogen auf die Lösung oder Dispersion, enthält. Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Lösung oder Dispersion das Legie rungsreagenz in Mengen von 5 bis 60 Gew.-%, insbesondere 10 bis 45 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 45 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 40 Gew.-%, bezogen auf die Lö sung oder Dispersion, enthält. Besonders bevorzugt wird es dabei, wenn das Legierungsreagenz ausgewählt ist aus den entsprechenden Chloriden, Nitraten, Acetaten, Acetylacetonaten und For- miaten der entsprechenden Legierungselemente. If a silicon carbide alloy is to be produced, it has proven useful if the solution or dispersion in the first process step (a) contains the silicon-containing compound in amounts of 5 to 30% by weight, in particular 6 to 25% by weight, preferably 8 to 20 wt .-%, preferably 10 to 20 wt .-%, based on the solution or dispersion. Likewise, it is preferred according to this embodiment if the solution or dispersion contains the carbon-containing compound in amounts of 5 to 40% by weight, preferably 6 to 30% by weight, preferably 7 to 25% by weight, particularly preferably 10 to 20% by weight, based on the solution or dispersion. Furthermore, it is preferred according to this embodiment if the solution or dispersion contains the solvent or dispersion medium in amounts of 20 to 70% by weight, in particular 25 to 65% by weight, preferably 30 to 60% by weight, preferably 35 up to 50 wt .-%, based on the solution or dispersion. It is advantageously provided that the solution or dispersion contains the alloy reagent in amounts of 5 to 60% by weight, in particular 10 to 45% by weight, preferably 15 to 45% by weight, preferably 20 to 40% by weight , based on the solution or dispersion. It is particularly preferred if the alloy reagent is selected from the corresponding chlorides, nitrates, acetates, acetylacetonates and formates of the corresponding alloy elements.
Was nun die Durchführung von Verfahrensschritt (iii) anbelangt, so hat es sich be währt, wenn in Verfahrensschritt (iii) das Reaktionsprodukt aus Verfahrensschritt (ii) bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 400 °C, insbesondere 100 bis 300 °C, vor zugsweise 120 bis 250 °C, bevorzugt 150 bis 200 °C, getrocknet wird. In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn das Reaktionsprodukt in Ver fahrensschritt (iii) für eine Dauer von 1 bis 10 Stunden, insbesondere 2 bis 5 Stun den, vorzugsweise 2 bis 3 Stunden, getrocknet wird. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Reaktionsprodukt in Verfahrensschritt (iii) zerkleinert wird, insbesondere im Anschluss an den Trocknungsvorgang. In diesem Zusammenhang wird es insbesondere bevorzugt, wenn das Reaktionsprodukt in Verfahrensschritt (iii) mechanisch zerkleinert wird, insbesondere durch Mahlen. Durch Mahlvorgänge lassen sich speziell die für die Durchführung von generativen Fertigungsverfahren benötigten oder vorteilhaften Partikelgrößen gezielt einstellen. Oftmals ist es jedoch auch ausreichend, das Reaktionsprodukt aus Verfahrens schritt (ii) während des Trocknungsvorgangs mechanisch zu beanspruchen, bei spielsweise durch Rühren, um die gewünschten Partikelgrößen einzustellen. Vorzugsweise wird einem auf Verfahrensschritt (iii) folgenden vierten Verfahrens schritt (iv) die in Verfahrensschritt (iii) erhaltene Zusammensetzung einer redukti ven thermischen Behandlung unterzogen, so dass eine reduzierte Zusammenset zung erhalten wird. Die Verwendung einer reduzierten Zusammensetzung, welche einer reduktiven Behandlung unterzogen wurde, hat den Vorteil, dass eine Vielzahl möglicher und störender Nebenprodukte bereits entfernt wurde. Das resultierende reduzierte Präkursorgranulat ist nochmals deutlich kompakter und enthält höhere Anteile der Elemente, welche die siliciumcarbidhaltige Verbindung bilden. As far as the implementation of process step (iii) is concerned, it has proven itself if, in process step (iii), the reaction product from process step (ii) at temperatures in the range from 50 to 400 ° C., in particular 100 to 300 ° C. preferably 120 to 250 ° C, preferably 150 to 200 ° C, is dried. In this context, it has proven useful if the reaction product in process step (iii) is dried for a period of 1 to 10 hours, in particular 2 to 5 hours, preferably 2 to 3 hours. In addition, it is possible for the reaction product to be comminuted in process step (iii), in particular after the drying process. In this context, it is particularly preferred if the reaction product is mechanically comminuted in process step (iii), in particular by grinding. Grinding processes can be used to specifically set the particle sizes required or advantageous for carrying out additive manufacturing processes. However, it is often also sufficient to mechanically stress the reaction product from process step (ii) during the drying process, for example by stirring, in order to set the desired particle sizes. Preferably, a fourth process step (iv) following process step (iii) is subjected to a reductive thermal treatment in the composition obtained in process step (iii), so that a reduced composition is obtained. The use of a reduced composition which has been subjected to a reductive treatment has the advantage that a large number of possible and disruptive by-products have already been removed. The resulting reduced precursor granulate is again significantly more compact and contains higher proportions of the elements that form the silicon carbide-containing compound.
Wenn im Anschluss an Verfahrensschritt (iii) eine reduktive thermische Behandlung der in Verfahrensschritt (iii) erhaltenen Zusammensetzung durchgeführt, so hat es sich bewährt, wenn in Verfahrensschritt (iv) die in Verfahrensschritt (iii) erhaltene Zusammensetzung auf Temperaturen im Bereich von 700 bis 1 .300 °C, insbeson dere 800 bis 1 .200 °C, vorzugsweise 900 bis 1.100 °C, erhitzt wird. In diesem Zusammenhang werden besonders gute Ergebnisse erhalten, wenn die in Verfahrensschritt (iv) die in Verfahrensschritt (iii) erhaltene Zusammensetzung für eine Dauer von 1 bis 10 Stunden, insbesondere 2 bis 8 Stunden, vorzugsweise 2 bis 5 Stunden, erhitzt wird. In den genannten Temperaturbereichen und den ge nannten Reaktionsdauern, kann insbesondere eine Karbonisierung des kohlen- stoffhaltigen Präkursormaterials erfolgen, welches die nachfolgende Reduktion, insbesondere von Metallverbindungen deutlich erleichtern kann. Im Allgemeinen wird Verfahrensschritt (iv) in einer Schutzgasatmosphäre, insbe sondere in einer Argon- und/oder Stickstoffatmosphäre, durchgeführt. Auf diese Weise wird verhindert, dass insbesondere die kohlenstoffhaltige Verbindung oxi diert wird. If, following process step (iii), a reductive thermal treatment of the composition obtained in process step (iii) is carried out, it has proven useful if in process step (iv) the composition obtained in process step (iii) is heated to temperatures in the range from 700 to 1 .300 ° C, in particular 800 to 1,200 ° C, preferably 900 to 1,100 ° C, is heated. In this context, particularly good results are obtained if the composition obtained in process step (iv) is heated for a period of 1 to 10 hours, in particular 2 to 8 hours, preferably 2 to 5 hours. In the temperature ranges mentioned and the reaction times mentioned, carbonization of the carbon-containing precursor material can take place, which can significantly facilitate the subsequent reduction, in particular of metal compounds. Process step (iv) is generally carried out in a protective gas atmosphere, in particular in an argon and / or nitrogen atmosphere. In this way it is prevented that in particular the carbon-containing compound is oxidized.
Falls die zuvor beschriebene reduzierende thermische Behandlung des Präkursor granulats vorgesehen ist, um ein reduziertes Präkursorgranulat zu erhalten, so dür fen die Präkursorverbindungen nicht bei den angewendeten Temperaturen von bis zu 1 .300, vorzugsweise bis zu 1.100 °C, verdampfen, sondern müssen unter den reduktiven thermischen Bedingungen gezielt zu Verbindungen zerfallen, welche bei der Fertigung gezielt zu den gewünschten siliciumcarbidhaltigen Verbindungen umgesetzt werden können. If the above-described reducing thermal treatment of the precursor granules is provided in order to obtain a reduced precursor granulate, the precursor compounds must not evaporate at the temperatures used of up to 1,300, preferably up to 1,100 ° C, but must be below that reductive thermal conditions specifically break down into compounds which can be specifically converted into the desired silicon carbide-containing compounds during production.
Alternativ kann das Verfahren zur Herstellung eines Präkursorgranulats auch derart durchgeführt werden, dass Alternatively, the method for producing a precursor granulate can also be carried out in such a way that
(I) in einem ersten Verfahrensschritt eine Lösung oder Dispersion, insbesondere ein Sol, enthaltend die Komponenten  (I) in a first process step, a solution or dispersion, in particular a sol, containing the components
(A) mindestens eine siliciumhaltige Verbindung,  (A) at least one silicon-containing compound,
(B) mindestens eine kohlenstoffhaltige Verbindung,  (B) at least one carbon-containing compound,
(C) mindestens ein Löse- oder Dispersionsmittel und  (C) at least one solvent or dispersant and
(D) gegebenenfalls Dotierungs- und/oder Legierungsreagenzien,  (D) optionally doping and / or alloying reagents,
hergestellt wird, und  is manufactured, and
(II) in einem auf den ersten Verfahrensschritt (i) folgenden zweiten Verfahrens schritt das Löse- oder Dispersionsmittel entfernt wird.  (II) in a second process step following the first process step (i), the solvent or dispersant is removed.
Denn, wie überraschend gefunden wurde, kann oftmals auf die Durchführung eines Solo-Gel-Verfahrens verzichtet werden. Insbesondere können oftmals vergleichba- re Präkursorgranulate erhalten werden, wenn nach der Solbildung das Löse- oder Dispersionsmittel entfernt wird, beispielsweise im Vakuum. Because, as was surprisingly found, it is often possible to do without a solo gel process. In particular, comparable precursor granules can often be obtained if the solvent or dispersion medium is removed after the formation of the sol, for example in vacuo.
Die so erhaltenen Präkursorgranulate können durch Temperaturbehandlung im Be reich von 400 bis 800 °C in ein reduziertes Präkursorgranulat überführt werden. Die nach der Solbildung durch Entfernung des Löse- oder Dispersionsmittel erhaltenen Präkursorgranulate entsprechen in ihrer prozentualen Verteilung der enthaltenen Elemente den durch ein Sol-Gel-Verfahren erhaltenen Präkursorgranulaten und können wie diese verarbeitet werden. The precursor granules obtained in this way can be converted into reduced precursor granules by temperature treatment in the range from 400 to 800 ° C. The percentage distribution of the precursor granules obtained after the sol formation by removing the solvent or dispersion medium corresponds to that contained Elements of the precursor granules obtained by a sol-gel process and can be processed like these.
Es zeigen die Figurenbeschreibungen gemäß The figure descriptions according to
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens mit einem lateral zum Laserstrahl angeordneten Pul verzuführung,  1 shows a device according to the invention for carrying out the method according to the invention with a pulse arranged laterally to the laser beam,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit koaxialen angeordneten Pulverzuführungen und  Fig. 2 shows a section of a device 1 according to the invention with coaxial powder feeds and
Fig. 3 gemäß Fig. A ein Beispiel für das Ergebnis des erfindungsgemäßen Ver fahrens in Form eines erzeugten dreidimensionalen Objektes und gemäß (b) ein Beispiel des Ergebnisses der Durchführung des erfindungsgemä ßen Verfahrens als Fügeverfahren.  3 shows an example of the result of the method according to the invention in the form of a three-dimensional object and according to (b) an example of the result of carrying out the method according to the invention as a joining method.
Weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - gemäß einem z w e i t e n As pekt der vorliegenden Erfindung - ist ein silicumcarbidhaltiges Objekt, welches nach dem zuvor beschriebenen Verfahren erhältlich ist. Another object of the present invention - according to a second aspect of the present invention - is a silicon carbide-containing object which can be obtained by the process described above.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können siliciumcarbidhaltige Objekte mit tels generativer Fertigung erzeugt werden. Gleichermaßen ist es jedoch auch mög lich, dass Objekte bzw. Gegenstände mit einem siliciumcarbidhaltigen Material be- schichtet werden oder Teile mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gefügt werden. With the method according to the invention, objects containing silicon carbide can be produced by means of additive manufacturing. Equally, however, it is also possible for objects to be coated with a material containing silicon carbide or for parts to be joined using the method according to the invention.
Für weitergehende Einzelheiten zu dem erfindungsgemäßen siliciumcarbidhaltigen Objekt kann auf die obigen Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen werden, welche in Bezug auf das siliciumcarbidhaltige Objekt entspre chend gelten. For further details on the object containing silicon carbide according to the invention, reference can be made to the above statements regarding the method according to the invention, which apply accordingly with respect to the object containing silicon carbide.
Schließlich ist wiederrum weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung - ge mäß einem d r i t t e n Aspekt der vorliegenden Erfindung - eine Vorrichtung zur ortselektiven Abscheidung von siliciumcarbidhaltigen Materialien auf einer Sub stratoberfläche, wobei die Vorrichtung Finally, another object of the present invention - according to a third aspect of the present invention - is a device for the location-selective deposition of silicon carbide-containing materials on a substrate surface, the device
(a) mindestens eine Einrichtung zur Zersetzung von gasförmigen Ausgangsver bindungen oder zur Vergasung und Zersetzung von flüssigen oder pulverför- migen Ausgangsmaterialien, wobei die Ausgangsmaterialien mindestens eine Kohlenstoffquelle und mindesten eine Siliciumquelle enthalten, und (a) at least one device for the decomposition of gaseous starting compounds or for the gasification and decomposition of liquid or powder raw materials, the raw materials containing at least one carbon source and at least one silicon source, and
(b) mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung mindestens eines Teilchenstrahls und/oder zur Ausrichtung eines Teilchenstrahls auf die Substratoberfläche, aufweist.  (b) has at least one device for generating at least one particle beam and / or for aligning a particle beam onto the substrate surface.
Entscheidend ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die gasförmigen Zersetzungsprodukte von mindestens eine Siliciumquelle und mindestens eine Kohlenstoffquelle enthaltenden Präkursormaterialien ortselektiv und lokal begrenzt auf eine Substratoberfläche gerichtet werden, so dass auf der Substratoberfläche siliciumcarbidhaltige Materialien abgeschieden werden. Wie zuvor bereits ausgeführt, wird das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt als Laserauftragsschweißen bzw. als ein an das Laserauftragsschweißen angelehntes Verfahren durchgeführt. Zur Durchführung des Verfahrens werden dabei vorzugs weise Vorrichtungen verwendet, welche weitgehend denen zum Pulver- Laserauftragsschweißen entsprechen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden insbesondere beste Ergebnisse erhalten, wenn der Teilchenstrahl ein Pul verstrahl ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass zum einen in kurzer Zeit eine relativ hohe Materialmenge auf der Substratoberfläche ankommt und zum anderen wird auch die Energie des Laserstrahls weitaus besser durch das feste Präkursor material absorbiert als beispielsweise durch ein gasförmiges Ausgangsmaterial. Hierdurch wird eine Erwärmung der Substratoberfläche weitgehend vermieden und eine gute Abscheidung von siliciumcarbidhaltigen Material auf der Substratoberflä che erreicht. It is crucial in the context of the present invention that the gaseous decomposition products of at least one silicon source and at least one carbon source-containing precursor materials are directed in a location-selective and localized manner onto a substrate surface, so that materials containing silicon carbide are deposited on the substrate surface. As already stated above, the method according to the invention is preferably carried out as laser cladding or as a method based on laser cladding. To carry out the method, preference is given to using devices which largely correspond to those for powder laser cladding. In the context of the present invention, best results are obtained in particular if the particle beam is a powder. In this way it is ensured that, on the one hand, a relatively large amount of material arrives on the substrate surface and, on the other hand, the energy of the laser beam is also absorbed far better by the solid precursor material than, for example, by a gaseous starting material. As a result, heating of the substrate surface is largely avoided and good deposition of silicon carbide-containing material on the substrate surface is achieved.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es wie zuvor bereits ausgeführt, vor- zugsweise vorgesehen, dass die Ausgangsmaterialien erst in der Nähe der Sub stratoberfläche zersetzt werden, was durch die Verwendung pulverförmiger Aus gangsmaterialien am einfachsten zu erzielen ist. In the context of the present invention, as already stated above, it is preferably provided that the starting materials are only decomposed in the vicinity of the substrate surface, which is easiest to achieve by using powdered starting materials.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Einrichtung zur Erzeugung eines Teilchenstrahls und/oder zur Ausrichtung ei nes Teilchenstrahls auf eine Substratoberfläche eine Düse, insbesondere eine Feststoffdüse, vorzugsweise eine Pulverdüse, ist. Wie zuvor bereits dargelegt, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung beste Ergebnisse erhalten, wenn die Ausgangsmaterialien bzw. die Präkursormaterialien als Pulver vorliegen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin vorteilhafter Weise vorge sehen, dass die Einrichtung zur Zersetzung von gasförmigen Ausgangsverbindun gen oder zur Vergasung und Zersetzung von flüssigen oder pulverförmigen Aus- gangsmaterialien Mittel zur Erzeugung hoher Temperaturen, insbesondere Mittel zur Erzeugung von Laserstrahlung oder Mittel zur Erzeugung eines Lichtbogens, aufweisen. In the context of the present invention, it is advantageously provided that the device for generating a particle beam and / or for aligning a particle beam onto a substrate surface is a nozzle, in particular a solid nozzle, preferably a powder nozzle. As already explained above, the best results are obtained in the context of the present invention if the starting materials or the precursor materials are in the form of a powder. In the context of the present invention, it is also advantageously provided that the device for the decomposition of gaseous starting compounds or for the gasification and decomposition of liquid or powdery starting materials has means for generating high temperatures, in particular means for generating laser radiation or means for generating of an arc.
Durch die Verwendung eines Lichtbogens oder von Laserstrahlung, vorzugsweise von Laserstrahlung, lassen sich die Ausgangsmaterialien einfach in der Nähe der Substratoberfläche zersetzen. By using an arc or laser radiation, preferably laser radiation, the starting materials can be easily decomposed in the vicinity of the substrate surface.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vor gesehen, dass die Einrichtung zur Zersetzung von gasförmigen Präkursormateria- lien oder zur Vergasung und Zersetzung von flüssigen oder pulverförmigen Präkur sormaterialien Mittel zur Erzeugung von Laserstrahlung aufweist. Vorzugsweise ist die Einrichtung zur Zersetzung von gasförmigen Ausgangsverbindungen oder zur Vergasung und Zersetzung von flüssigen oder pulverförmigen Ausgangsmaterialien ein Laser. According to a preferred embodiment of the present invention, it is provided that the device for the decomposition of gaseous precursor materials or for the gasification and decomposition of liquid or powdery precursor materials has means for generating laser radiation. The device for decomposing gaseous starting compounds or for gasifying and decomposing liquid or powdered starting materials is preferably a laser.
Weiterhin ist es üblicherweise vorgesehen, dass die Vorrichtung Mittel zur Erzeu gung einer Schutzgasatmosphäre aufweist. Um eine unerwünschte Oxidation der gasförmigen Zersetzungsprodukte durch Luftsauerstoff zu verhindern, wird das er findungsgemäße Verfahren üblicherweise in einer Schutzgasatmosphäre durchge- führt. Dabei kann es entweder vorgesehen sein, dass ein Teil der Vorrichtung, ins besondere der Teil, welcher das Substrat enthält, eine Schutzgasatmosphäre auf weist. Alternativ und bevorzugt ist es jedoch vorgesehen, dass der Teilchenstrahl, beispielsweise der Pulverstrahl, von einem Schutzgas ummantelt wird und somit lokal eine Schutzgasatmosphäre, insbesondere im Bereich der Vergasung und Zersetzung der Ausgangsmaterialien, erzeugt wird. Furthermore, it is usually provided that the device has means for generating a protective gas atmosphere. In order to prevent undesired oxidation of the gaseous decomposition products by atmospheric oxygen, the process according to the invention is usually carried out in a protective gas atmosphere. It can either be provided that part of the device, in particular the part that contains the substrate, has a protective gas atmosphere. Alternatively and preferably, however, it is provided that the particle beam, for example the powder jet, is encased by a protective gas and thus a protective gas atmosphere is generated locally, in particular in the area of gasification and decomposition of the starting materials.
Für weitergehende Einzelheiten kann auf die obigen Ausführungen zu den weiteren Erfindungsaspekten verwiesen werden, welche in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend gelten. For further details, reference can be made to the above explanations regarding the further aspects of the invention, which apply accordingly in relation to the device according to the invention.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend exemplarisch und in nicht beschränkender Weise durch die Figurenbeschreibung verdeutlicht. Es zeigt Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Ver gasung und/oder Zersetzung von Präkursormaterialien, insbesondere eine Einrich tung 2 zur Erzeugung von Laserstrahlen 3. Weiterhin weist die Vorrichtung 1 min destens eine Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Teilchenstrahls aus gasförmigen, flüssigen oder festen Präkursormaterialien 5 auf. Vorzugsweise wird der Teilchen strom durch pulverförmige Präkursormaterialien gebildet. Allen Präkursormateria lien ist jedoch gemein, dass sie stets mindestens eine Siliciumquelle und eine Koh lenstoffquelle sowie ggf. noch Legierungselemente oder Dotierungselemente bzw. deren Verbindungen aufweisen. The subject matter of the present invention is illustrated below by way of example and in a non-limiting manner by the description of the figures. 1 shows a device according to the invention with a device for gasifying and / or decomposing precursor materials, in particular a device 2 for generating laser beams 3. Furthermore, the device has at least one device 4 for generating a particle beam from gaseous, liquid or solid precursor materials 5. The particle stream is preferably formed by powdered precursor materials. All precursor materials, however, have in common that they always have at least one silicon source and one carbon source as well as possibly alloy elements or doping elements or their compounds.
Die Laserstrahlen 3 und der Teilchenstrom des Präkursormaterials 5 sind derart auf die Oberfläche 7 eines Substrats 8 gerichtet, dass die Laserstrahlen 3 den Teil chenstrom in unmittelbarer Nähe der Substratoberfläche 7 treffen. Hierdurch wer den die im Teilchenstrom enthaltenen Präkursormaterialien 5 zersetzt oder vergast und zersetzt, wodurch reaktive Fragmente erhalten werden, welche sich als ge wünschtes Siliciumcarbidmaterial in Form einer Schicht eines siliciumcarbidhaltigen Materials 6 auf der Substratoberfläche 7 abscheiden. The laser beams 3 and the particle stream of the precursor material 5 are directed onto the surface 7 of a substrate 8 in such a way that the laser beams 3 hit the partial stream in the immediate vicinity of the substrate surface 7. This causes the precursor materials 5 contained in the particle stream to be decomposed or gasified and decomposed, whereby reactive fragments are obtained which separate as a desired silicon carbide material in the form of a layer of a silicon carbide-containing material 6 on the substrate surface 7.
Die Dicke der Schicht des siliciumcarbidhaltigen Materials 6 kann dabei zwischen 0,01 bis 5 mm, insbesondere 0,5 bis 2 mm, vorzugsweise 0,1 bis 1 mm, liegen. The thickness of the layer of silicon carbide-containing material 6 can be between 0.01 to 5 mm, in particular 0.5 to 2 mm, preferably 0.1 to 1 mm.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe der Vorrichtung 1 erlaubt somit einen ortselektiv und lokal scharf begrenzten Auftrag einer Schicht 6 eines siliciumcarbi- haltigen Materials. Durch Bewegung, insbesondere Verfahren, des Substrates 8, oder der Einrichtungen 2 und 4 können entweder ein dreidimensionales Objekt mit mehrschichtigem Aufbau erhalten werden oder die Substratoberfläche 7 in ge wünschter Weise mit einer Schicht des siliciumcarbidhaltigen Materials 6 beschich tet werden. Es zeigt Figur 2 eine alternative Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 . Insbesondere zeigt Figur 2 einen Ausschnitt einer Vorrichtung 1 . Die Vorrichtung 1 weist eine Einrichtung 2 zur Vergasung und/oder Zersetzung von gasförmigen, flüssigen oder pulverförmigen Präkursormaterialien 5 auf, wobei vorzugsweise die Einrichtung 2 zur Vergasung und/oder Zersetzung der Ausgangsmaterialien in Form einer Einrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlen 2 ausgebildet ist. The method according to the invention with the aid of device 1 thus allows a layer 6 of a material containing silicon carbide to be applied in a location-selective and locally sharply delimited manner. By movement, in particular method, of the substrate 8, or the devices 2 and 4, either a three-dimensional object with a multilayer structure can be obtained or the substrate surface 7 can be coated with a layer of the silicon carbide-containing material 6 in the desired manner. FIG. 2 shows an alternative embodiment of the device 1 according to the invention. In particular, FIG. 2 shows a section of a device 1. The device 1 has a device 2 for gasifying and / or decomposing gaseous, liquid or powdered precursor materials 5, the device 2 for gasifying and / or decomposing the starting materials preferably being in the form of a device for generating laser beams 2.
Die Vorrichtung 1 weist weiterhin Einrichtungen 4 zur Erzeugung eines Teilchen strahls, insbesondere aus gasförmigen, flüssigen oder pulverförmigen Ausgangs- materialien, insbesondere pulverförmigen Ausgangsmaterialien, auf. Mit den in Fi gur 2 dargestellten Ausführungsformen sind die Einrichtungen 2 und 4 gemeinsam in einem vorzugsweise bewegbar ausgebildeten, insbesondere verfahrbar ausge bildeten, Düsenkopf integriert. The device 1 also has devices 4 for generating a particle beam, in particular from gaseous, liquid or powdery starting materials. materials, in particular powdered starting materials. With the embodiments shown in FIG. 2, the devices 2 and 4 are integrated together in a preferably movable, in particular movable, nozzle head.
Der Teilchenstrahl aus dem Präkursormaterial 5, insbesondere die Teilchenstrah len 5, umgeben den Laserstrahl 3 und kreuzen diesen kurz vor Auftreffen auf der Oberfläche 7 eines Substrates 8, wodurch die Präkursormaterialien zersetzt und eine Schicht eines siliciumcarbidhaltigen Materials 6 auf der Substratoberfläche 7 abgeschieden wird. The particle beam from the precursor material 5, in particular the particle beam len 5, surround the laser beam 3 and cross it shortly before striking the surface 7 of a substrate 8, as a result of which the precursor materials decompose and a layer of a silicon carbide-containing material 6 is deposited on the substrate surface 7.
Die Vorrichtung 1 weist ferner Mittel 9, insbesondere Düsen, zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere eines Schutzgasstroms 10 auf. Der Schutz gasstrom 10 umgibt bzw. ummantelt dabei den Teilchenstrahl bzw. die Teilchen- strahlen des Präkursormaterials 5 und ermöglicht somit einer Zersetzung der Aus gangsmaterialien in einer Schutzgasatmosphäre, insbesondere einer Argonat mosphäre. The device 1 also has means 9, in particular nozzles, for generating a protective gas atmosphere, in particular a protective gas stream 10. The protective gas stream 10 surrounds or surrounds the particle beam or the particle beams of the precursor material 5 and thus enables the starting materials to be decomposed in a protective gas atmosphere, in particular an argon atmosphere.
Figur 3 zeigt schließlich verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der erfindungs- gemäßen Vorrichtung 1 sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere können durch wiederholten Auftrag von Schichten aus siliciumcarbidhaltigen Mate rial 6 dreidimensionale Objekt erhalten werden, wie in der Alternative A dargestellt. Gleichermaßen ist es auch möglich, durch Auftrag des siliciumcarbidhaltigen Mate rials 6 Bauteile, insbesondere Substrate 8a und 8b, über ihre Oberflächen, insbe- sondere ihre Oberflächen 7a und 7b, zu verbinden. FIG. 3 finally shows various possible uses of the device 1 according to the invention and of the method according to the invention. In particular, three-dimensional objects can be obtained by repeated application of layers of silicon carbide-containing material 6, as shown in alternative A. Equally, it is also possible, by applying the silicon carbide-containing material 6, to connect components, in particular substrates 8a and 8b, via their surfaces, in particular their surfaces 7a and 7b.
Bezugszeichenliste: Vorrichtung 5 Präkursormaterial List of reference numerals: device 5 precursor material
Einrichtung zur Erzeugung von 10 6 siliciumcarbidhaltiges Material Laserstrahlen 7 Substratoberfläche Device for producing 10 6 silicon carbide-containing material laser beams 7 substrate surface
Laserstrahlen 8 Substrat Laser beams 8 substrate
Einrichtung zur Erzeugung eines Device for generating a
Teilchenstrahls Particle beam

Claims

Patentansprüche: Claims:
1 . Verfahren zur Aufbringung von siliciumcarbidhaltigen Materialien auf eine Substratoberfläche, 1 . Process for applying silicon carbide-containing materials to a substrate surface,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass ein gasförmiges, flüssiges oder pulverförmiges Präkursormaterial, ent haltend eine Siliciumquelle und eine Kohlenstoffquelle, durch Einwirkung von Energie vergast und/oder zersetzt wird und zumindest ein Teil der Zerset zungsprodukte ortselektiv auf der Substratoberfläche als siliciumcarbidhalti- ges Material abgeschieden wird.  that a gaseous, liquid or powdery precursor material containing a silicon source and a carbon source is gasified and / or decomposed by the action of energy and at least some of the decomposition products are locally selectively deposited on the substrate surface as silicon carbide-containing material.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das siliciumcar- bidhaltige Material ausgewählt ist aus gegebenfalls dotiertem Siliciumcarbid, gegebenenfalls dotiertem nicht-stöchiometrischen Siliciumcarbid, Siliciumcar- bidlegierungen und deren Mischungen. 2. The method according to claim 1, characterized in that the silicon carbide-containing material is selected from optionally doped silicon carbide, optionally doped non-stoichiometric silicon carbide, silicon carbide alloys and mixtures thereof.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das silici- umcarbidhaltige Material als Schicht auf der Substratoberfläche abgeschie den wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the silicon carbide-containing material is deposited as a layer on the substrate surface.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass das siliciumcarbidhaltige Material mit einer Schichtdicke im Bereich von 0,01 bis 5 mm, insbesondere 0,05 bis 2 mm, vorzugsweise 0,1 bis 1 mm, auf dem Substrat abgeschieden wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the silicon carbide-containing material with a layer thickness in the range of 0.01 to 5 mm, in particular 0.05 to 2 mm, preferably 0.1 to 1 mm, deposited on the substrate becomes.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass das Präkursormaterial, insbesondere das pulverförmige Präkursor- material, in fein verteilter Form, insbesondere in Form mindestens eines Teil chenstrahls, in Richtung des Substrats, insbesondere der Substratoberfläche, bewegt wird und vor oder bei Auftreffen auf das Substrat durch Einwirkung von Energie, insbesondere Laserstrahlung, vergast und zersetzt wird oder dass die gasfömigen Zersetzungsprodukte in Richtung des Substrats bewegt werden, insbesondere in Form mindestens eines Teilchenstrahls. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the precursor material, in particular the powdered precursor material, in finely divided form, in particular in the form of at least one partial beam, is moved in the direction of the substrate, in particular the substrate surface, and before or gasified and decomposed when it hits the substrate by the action of energy, in particular laser radiation, or that the gaseous decomposition products are moved in the direction of the substrate, in particular in the form of at least one particle beam.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Präkursor material, insbesondere das pulverförmige Präkursormaterial, oder die gas- förmigen Zersetzungsprodukte mittels mindestens einer Düse in Richtung des Substrats bewegt wird oder werden. 6. The method according to claim 5, characterized in that the precursor material, in particular the powdered precursor material, or the gas shaped decomposition products is moved in the direction of the substrate by means of at least one nozzle.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das pul- verförmige Präkursormaterial in Form eines Pulverstrahls in Richtung des7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the powdered precursor material in the form of a powder jet in the direction of
Substrats bewegt wird oder dass das flüssige Präkursormaterial in zerstäub ter Form oder als Flüssigkeitsstrahls in Richtung des Substrats bewegt wird oder dass das gasförmige Präkursormaterial oder die gasförmigen Zerset zungsprodukte in Form eines Gasstrahls in Richtung des Substrats bewegt werden. Substrate is moved or that the liquid precursor material in atomized form or as a liquid jet is moved in the direction of the substrate or that the gaseous precursor material or the gaseous decomposition products in the form of a gas jet are moved in the direction of the substrate.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass das Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen siliciumcarbidhaltigen Objektes und/oder zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen eingesetzt wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the method is used for layer-by-layer construction of a three-dimensional object containing silicon carbide and / or for joining at least two components.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass das Verfahren Laserauftragsschweißen ist. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the method is laser deposition welding.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmi ge Präkursormaterial in der Nähe der Substratoberfläche mittels Laserstrah lung vergast und zersetzt wird, insbesondere in unmittelbarer Nähe der Sub stratoberfläche. 10. The method according to claim 9, characterized in that the powdered ge precursor material in the vicinity of the substrate surface is gasified and decomposed by means of laser radiation, in particular in the immediate vicinity of the substrate surface.
1 1. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Vergasung und Zersetzung des Präkursormaterials und die Ab scheidung des siliciumcarbidhaltigen Materials, vorzugsweise das gesamte Verfahren, in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird. 1 1. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the gasification and decomposition of the precursor material and the separation of the silicon carbide-containing material, preferably the entire process, is carried out in a protective gas atmosphere.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchenstrahl oder die Teilchenstrahlen von einem Schutzgasstrom umgeben wird oder werden. 12. The method according to any one of claims 5 to 1 1, characterized in that the particle beam or the particle beams is or are surrounded by a protective gas stream.
13. Siliciumcarbidhaltiges Objekt, erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12. 13. Silicon carbide-containing object, obtainable by a process according to one of claims 1 to 12.
14. Vorrichtung (1 ) zur ortsselektiven Abscheidung von siliciumcarbidhaltigen Ma terialien auf einer Substratoberfläche (2), dadurch gekennzeichnet, 14. Device (1) for the location-selective deposition of materials containing silicon carbide on a substrate surface (2), characterized,
dass die Vorrichtung  that the device
(a) mindestens eine Einrichtung (2) zur Zersetzung von gasförmigen Prä kursormaterialien oder zur Vergasung und Zersetzung von flüssigen oder pulverförmigen Präkursormaterialen, wobei die Präkursor materialen mindestens eine Kohlenstoffquelle und mindesten eine Sili- ciumquelle enthalten, und  (a) at least one device (2) for the decomposition of gaseous precursor materials or for the gasification and decomposition of liquid or powdery precursor materials, the precursor materials containing at least one carbon source and at least one silicon source, and
(b) mindestens eine Einrichtung (3) zur Erzeugung mindestens eines Teil chenstrahls und/oder zur Ausrichtung eines Teilchenstrahls auf die Substratoberfläche,  (b) at least one device (3) for generating at least one particle beam and / or for aligning a particle beam onto the substrate surface,
aufweist.  having.
15. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrich tung (3) zur Erzeugung eines Teilchenstrahls und/oder zur Ausrichtung eines Teilchenstrahls auf eine Substratoberfläche eine Düse, insbesondere eine15. The device (1) according to claim 14, characterized in that the device (3) for generating a particle beam and / or for aligning a particle beam onto a substrate surface, a nozzle, in particular a
Feststoffdüse, vorzugsweise eine Pulverdüse, ist. Solid nozzle, preferably a powder nozzle.
16. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (2) zur Zersetzung von gasförmigen Präkursormaterialien oder zur Vergasung und Zersetzung von flüssigen oder pulverförmigen Präkursor materialien Mittel zur Erzeugung hoher Temperaturen, insbesondere Mittel zur Erzeugung von Laserstrahlung oder Mittel zur Erzeugung eines Lichtbo gens, aufweist. 16. The apparatus (1) according to claim 14 or 15, characterized in that the device (2) for the decomposition of gaseous precursor materials or for the gasification and decomposition of liquid or powdery precursor materials means for generating high temperatures, in particular means for generating laser radiation or Means for generating an arc, has.
17. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrich tung (2) zur Zersetzung von gasförmigen Präkursormaterialien oder zur Ver gasung und Zersetzung von flüssigen oder pulverförmigen Präkursormateria lien Mittel zur Erzeugung von Laserstrahlung aufweist, insbesondere ein La ser ist. 17. The apparatus (1) according to claim 16, characterized in that the device (2) for the decomposition of gaseous precursor materials or for the gasification and decomposition of liquid or powdery precursor materials has means for generating laser radiation, in particular a laser.
18. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeich net, dass die Vorrichtung Mittel (4) zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphä re aufweist. 18. The device (1) according to any one of claims 14 to 17, characterized in that the device has means (4) for generating a protective gas atmosphere.
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