EP4274917A1 - Coating arrangement - Google Patents

Coating arrangement

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Publication number
EP4274917A1
EP4274917A1 EP21786209.3A EP21786209A EP4274917A1 EP 4274917 A1 EP4274917 A1 EP 4274917A1 EP 21786209 A EP21786209 A EP 21786209A EP 4274917 A1 EP4274917 A1 EP 4274917A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating
particles
crucible
arrangement
evaporation section
Prior art date
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Pending
Application number
EP21786209.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan BIENHOLZ
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.)
ThyssenKrupp Steel Europe AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp Steel Europe AG filed Critical ThyssenKrupp Steel Europe AG
Publication of EP4274917A1 publication Critical patent/EP4274917A1/en
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    • B05B7/224Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using an arc the material having originally the shape of a wire, rod or the like

Definitions

  • the invention is directed to a coating assembly for depositing vapor-phase coating material onto a substrate.
  • a coating arrangement to which the invention is directed has a coating chamber with a coating channel and a coating device.
  • the coating channel which is part of the coating chamber, serves to guide the substrate through within the coating chamber, in which the coating takes place.
  • the coating device has an evaporation section with a crucible, so the crucible is part of the
  • the evaporation section with the crucible serves to bring the material intended for the coating into its gas phase.
  • the coating arrangements with which the invention is concerned also operate on the principle that the invention is concerned
  • Coating material is transported by means of a carrier gas stream.
  • a carrier gas flow feed into the evaporation section results in feeding a carrier gas flow of a carrier gas into the evaporation section and through it to entrain the coating material.
  • a gas stream consisting of carrier gas and coating material brought into the gas phase is guided through and out of the nozzle section.
  • the coating material is deposited on the substrate surface and the carrier gas is then located together with a process gas in the coating chamber, in particular in the coating channel which it is preferably sucked off with suitable suction devices.
  • a nozzle section is arranged on the outlet side of the crucible and comprises a nozzle outlet arranged within the coating chamber.
  • the nozzle section serves to direct coating material fed out of the crucible onto a substrate surface. Upon arriving at a surface of the substrate to be coated, the coating material condenses and forms a coating.
  • a nozzle section is arranged on the outlet side of the crucible, which comprises a nozzle outlet arranged inside the coating chamber, in particular inside the coating channel.
  • the nozzle section serves to feed the coating material, ie the mixture of material present in the gas phase, which is carried through the crucible and out of the crucible with the carrier gas
  • Coating material and carrier gas to be directed onto a substrate surface Upon arriving at a surface of the substrate to be coated, the coating material condenses and forms a coating.
  • the carrier gas initially remains in the coating channel and is treated there by suitable design and/or equipment measures, for example made to flow in a desired direction and/or sucked off at one or more points in the coating channel or the coating chamber.
  • a coating device of the type mentioned above is a jet vapor deposition system, by which the person skilled in the art understands a system in which the coating material is brought thermally into the gas phase and then, typically but not necessarily, with a carrier gas stream of inert gas, is transported to the substrate, preferably at a gas flow rate above the speed of sound, more preferably above 500 m/s.
  • the present invention can be used more generally for all coating devices of the type mentioned at the outset, i.e. for all coating devices in which the material intended for the coating is brought into its gas phase in an evaporation section having a crucible and this is then passed through a nozzle section and out of a Nozzle outlet of the nozzle section is directed out towards the substrate surface.
  • the present invention is intended for the subgenus of such coating devices in which a carrier gas flow feed into the evaporation section results in feeding a carrier gas flow of a carrier gas into the evaporation section and therethrough to entrain the coating material towards the substrate surface.
  • a coating device of the type mentioned above is known, for example, from WO 2016/042079 A1.
  • two wires are continuously supplied as coating material.
  • the coating material reaches a spray head, in which the two material wires are connected to an electrical DC voltage source as the cathode and as the anode.
  • an electric arc forms between the two material wires, as a result of which the supplied starting material evaporates and/or liquefies in the form of the two material wires becomes.
  • a gas stream is passed through the spray head, which vaporizes and/or liquefies the product
  • Coating material entrains and is transported into a crucible via an injector tube.
  • the coating material conveyed into the crucible then completely vaporizes within the heated crucible and is carried out of the crucible and directed toward the substrate to be coated.
  • This coating device has a combination of elements that are also known from jet vapor deposition systems and elements that are known from systems that work on the principle of Are Evaporation.
  • the device is based on transporting the coating material with a flow of carrier gas.
  • this coating device uses an evaporation section consisting of a
  • Pre-evaporation section and a post-evaporation section designed as a crucible are designed as a crucible.
  • the pre-evaporation section prepares the material in the spray head and the injector tube and prepares it for post-evaporation, i.e. bringing the remaining solid or liquid components into the gas phase, at least for the most part, in the crucible.
  • the substrate can be a steel strip, for example.
  • the coating process takes place in a coating channel of a coating chamber at pressures well below atmospheric pressure.
  • the invention is based on the object of bringing about a more flexible and improved adjustment and increased output of the material provided for the coating in coating arrangements of the type mentioned at the outset.
  • the task comes with a coating arrangement with the features of claim 1 solved.
  • the coating arrangement has a coating chamber with a coating channel, ie the coating channel is part of the coating chamber, and a coating device
  • the coating device comprises: an evaporation section with a crucible, the crucible is therefore a component of the evaporation section for bringing the coating material into the gas phase, a nozzle section arranged on the outlet side of the evaporation section, preferably coupled to it, with a nozzle outlet opening inside the coating chamber, in particular inside the coating channel for directing the vapor-phase coating material fed out of the crucible onto a substrate surface on which the vapor-phase coating material is deposited,
  • the coating arrangement according to the invention has a particle supply device which is arranged on the evaporation section.
  • the particle feed device opens out with a feed orifice at the evaporation section. With the particle supply device it is possible to introduce particles into the evaporation section.
  • the term “particle” is a collective term that includes, in particular, atom clusters or molecule clusters and can designate material that is present as a powder, for example.
  • the evaporation section is the entirety of all the equipment of the coating device, which bring about the transfer of the starting material provided for the coating into the gas phase.
  • the evaporation section has a feed for the starting material, through which the evaporation section is loaded with the starting material for its evaporation.
  • gas phase and vaporization are used throughout the description because they are common in the field of technology described.
  • gas phase includes that a small proportion by weight, for example up to 30% by weight, preferably not more than 10% by weight, of the material present in the gas phase is not in the gas phase in the physical sense, but instead as a vapor, as an aerosol and/or may be present as a cluster.
  • vaporization includes the fact that, depending on the material used and the technology used, the transition of the particles into the gas phase also takes place at least partially by means of other mechanisms, for example by sublimation.
  • the term vaporization thus includes, in addition to vaporization in the strictly physical sense, i.e. a transition from “liquid -> gas phase”, also other mechanisms, such as sublimation in particular.
  • the coating chamber preferably has an entry passage and an exit passage for introducing and removing the substrate, and the coating channel, which is arranged inside the coating chamber, has an entry opening and an exit opening for introducing and removing the substrate.
  • a particle feed device is arranged on the evaporation section, which opens with a feed opening in the evaporation section.
  • the particle feed device comprises a line which opens into the feed opening and is designed, for example, as a pipe, through which particles can be fed into the evaporation section.
  • the particle supply device can also have other components, for example valves, locks, pumps and the like.
  • the precise design of the particle supply device is easily possible for a person skilled in the art depending on the prevailing specific circumstances, that is to say above all: taking into account the pressure gradients and mass flows; significant is that the particle feed device is associated with the ability to feed particles, starting from a reservoir, to a processor at which the feed orifice is placed.
  • the term "particle” particularly includes materials present in solid form, especially in powder form.
  • the particles preferably in the form of a powder
  • the particle feed device has a storage chamber serving as a reservoir and a line leading to the feed opening, the reservoir being able to be filled sequentially, for example, between two coating processes during a system standstill of the coating arrangement.
  • another embodiment provides that the particle supply device from the coating chamber, Particles originating preferably from the coating channel itself are fed, in particular by dust and vapors which are not suppressed and are present there;
  • Such a procedure leads in principle to the particles in the particle supply device having the composition of the starting material or a similar composition to the starting material and increasing the output of the excess material obtained from the coating chamber, which has accumulated there as dust or vapor.
  • the coating device is designed as a jet vapor deposition device.
  • the evaporation section consists of the crucible.
  • Preferred embodiments of the coating arrangement have a carrier gas flow feed to the coating device.
  • a carrier gas for example an inert gas such as Ar or N 2 , is introduced into and through the evaporation section as a carrier gas stream to carry coating material with it.
  • the evaporation section includes a pre-evaporation section with in particular a spray head and an injector tube from the spray head to the crucible designed as a post-evaporation section.
  • the starting material is fed to the extrusion head, preferably in the form of wire or strip.
  • the starting material is processed in the spray head, which means that components of the starting material are vaporized and/or particles present in the liquid phase are separated from the starting material, preferably by means of an arc evaporation between starting material connected as a cathode and starting material connected as an anode.
  • the processed starting material is not completely in the gas phase, but consists of a mixture, in particular of gas phase and liquid or partially liquid particles, which is suitable for being guided through the crucible in order to be post-evaporated there, i.e. completely or largely completely by heating that takes place there to go into the gas phase.
  • the pre-evaporation section comprises in particular a spray head for preparing the coating material present as the starting material and an injector tube.
  • the injector tube is coupled to the crucible and is designed to direct the coating material processed in the spray head to the crucible.
  • the prepared coating material enters the crucible. Components of the coating material that are not yet in the gas phase vaporize within the crucible, which for this purpose is heated to a temperature above the vaporization temperature of the starting material.
  • the crucible is heated to vaporize the processed feedstock.
  • the temperature to which the crucible is heated depends on the coating material, it usually has to be higher than the vaporization temperature of the processed starting material.
  • the crucible is preferably designed as a cyclone, since a cyclone shape is a space-saving design that allows the gas flow to be guided efficiently through the crucible.
  • Another advantage of a crucible designed in the form of a cyclone is its high reliability in the almost complete evaporation of the material flowing through, which ensures a high quality of the deposited coating.
  • a carrier gas flow feed pointing into the evaporation section is preferably arranged at the evaporation section for feeding a carrier gas flow of a carrier gas into the evaporation section and through it for entraining the coating material.
  • An embodiment of an exemplary embodiment explained at the outset is particularly preferred, in which the pre-evaporation section has a spray head, with the carrier gas flow supply being arranged in front of the spray head, so that the carrier gas is routed through the spray head and treated starting material there, for example in the form of particles or clusters, with tears and directs it through the injector pipe into the crucible.
  • the particles are at different positions on the
  • Evaporation section fed Preferably, they are supplied at a position of the pre-evaporation section.
  • the spray head is preferably supplied with a carrier gas, which carries along the components of the material to be coated that are provided in the spray head by melting and/or vaporizing and transports them to the crucible and from there into the coating channel.
  • the carrier gas can be, for example, an inert gas such as N2 or Ar, with N2 being preferred in many cases because of its lower cost.
  • Supplying the particles to the gas stream supply of the carrier gas causes the particles to be carried with the gas into the region of the arc formed with the feedstock.
  • the particles are fed into the conditioning area itself, the result is the same; in both cases the particles get into the Arc or near the arc where they are exposed to high heating.
  • the heating caused by the arc causes at least the surfaces of the particles to be liquefied, and possibly also the entire volume of the particles to be liquefied.
  • the spray head is a wire gun for arc melting and/or arc vaporization of starting material introduced into the wire gun, in which the starting material is fed in the form of wire or ribbon.
  • the feed opening is designed to feed the prepared coating material behind the spray head and in front of the crucible when considering the process control.
  • the feed orifice behind the spray head and in front of the crucible opens into a supply line to the injector tube or into the injector tube in order to feed the particles inside the injector tube to the material which, coming from the spray head, reaches the injector tube in a way that has already been processed there.
  • the particles are thus added to the gas flow of the injector tube.
  • the feed opening behind the spray head and in front of the crucible in relation to the direction of carrier gas flow opens into a feed line to the injector tube or into the injector tube in order to feed the particles inside the injector tube to the material which comes from the spray head in a manner already prepared there entered the injector tube.
  • the particles are thus added to the gas stream of carrier gas and processed material in the injector tube.
  • the particle feed device prefferably be arranged with its feed opening on the crucible in order to feed particles into the crucible.
  • the spray head is preferably a wire gun for arc melting and/or arc evaporation of starting material introduced into the wire gun. If the particles are placed in the injector tube, the inner walls of the injector tube that are heated during the process contribute at least partially to a liquefaction of the surface of the particles via radiation heating, before the gas phase is subsequently brought about by the crucible arranged downstream.
  • the injector tube is actively heated with a heating element, for example with a resistance-heated or inductive heater.
  • the mass of the particles supplied must be less than 0.8 of the wire mass, preferably less than 0.5 of the wire mass, i.e. the mass of the processed starting material, to ensure that the particles supplied are brought into the gas phase until they have completely passed through the crucible.
  • the effective diameter of at least 90 percent of the particles supplied, more preferably at least 99 percent of the particles supplied should be set between 50 nm and 1 mm, with even more preferably the effective diameter of at least 90 percent of the particles supplied, more preferably at least 99 percent of the supplied particles, between 50 nm and 50 gm, is.
  • the term effective diameter is to be understood as the diameter of a spherical particle which has the same volume as the generally non-spherical particle.
  • the effective diameter should in no case be more than 1 mm.
  • Setting the effective diameter should be understood to mean that larger and/or heavier particles are either filtered out, for example by sieving or by using centrifugal forces, or the specified values are maintained by the targeted supply of particles that have been made available beforehand. Compliance with the limits mentioned is particularly important in a case in which, as explained at the outset as one of the variants, the particles are fed to the injector tube and the particle surface is liquefied by radiant heat from the injector tube accompanied by its cooling. Otherwise, too much energy would be drawn from the injector tube take place with the disadvantage of particle adhesions and the associated risk of process failure.
  • the coating arrangement particularly preferably has a suction line which, starting from a suction opening arranged within the coating channel, leads to a filter device. Powder and/or dust is sucked out of the coating channel via the suction line, for example supported by appropriate pumps, and conveyed to the filter device together with the process gas that is also sucked off.
  • the suction opening is particularly preferably arranged between the feed opening and the outlet opening of the substrate. In particular, it can be provided that a suction opening is provided both near the inlet and near the outlet of the coating channel, from which a suction line leads away, which then combine to form a common suction line and then lead the combined suction line into the filter device.
  • the filter device is coupled to the particle supply device.
  • the filter device acts as a particle reservoir for the particle supply device in order to supply particles filtered out from one another via the particle supply device to the pre-evaporation section after separating particles and process gas in order to provide the particles to the process for further processing similar to flame spraying in the manner described above.
  • the pressure prevailing in the filter device is preferably lower than the pressure prevailing at the location of the feed opening, so that the particles for feeding must be brought against a pressure gradient, for which appropriate devices are required, in particular, for example, pumps and fluid barriers arranged between the filter and the feed opening.
  • the filter device can additionally have a return line in order to conduct process gas separated off during filtering into the coating channel and thereby achieve a further increase in the efficiency of the overall process.
  • the filter device can have, for example, a cyclone separator and/or an electrostatic precipitator and/or a cloth filter and/or a liquid-based filter.
  • the filtering can include, inter alia, separating particles from gas, but preferably also includes separating particles that are suitable in terms of size from particles that are no longer suitable in terms of size.
  • the particle feed device preferably has a spiral conveyor and/or a screw for dosing the particles; By means of such measures, a uniform, in particular also a controlled and adjustable, supply of the particles into the process can be provided.
  • the injector tube is preferably designed to be actively heatable, for example by means of resistance heaters arranged on the injector tube and/or radiation heaters pointing towards the injector tube.
  • the crucible is preferably designed as a cyclone; an example of a crucible designed as a cyclone can be found in WO 2016/042079, for example.
  • a crucible designed as a cyclone has the advantage that a particularly efficient and reliable vaporization of the components of the processed starting material that are fed into the cyclone and are not yet completely in the gas phase is ensured.
  • the coating channel is particularly preferably designed for the passage of strip, in particular metallic strip such as steel strip, with outside of the coating channel, preferably outside of the
  • a transport arrangement for transporting the strip through the coating channel is arranged therethrough.
  • one support roller is in front and one support roller is behind the coating channel, in each case related to the direction of movement of the strip.
  • a further idea of the invention relates to a coating arrangement which has one on both the first side of the strip and one on the second side of the strip
  • Coating device from one of the coating arrangements of the type mentioned above or their developments provides with the advantage that the efficient and flexible coating of the manner mentioned is possible on each side of the strip.
  • Fig. 2 Coating device according to the second embodiment.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a coating arrangement 1 with a coating device 2 arranged on both sides of the strip according to the first embodiment variant.
  • a coating device 2 arranged on both sides of the strip according to the first embodiment variant.
  • the band 3 which is guided vertically in the illustration shown, has the
  • Coating arrangement 1 each have a coating device 2, the two coating devices 2 being identical in the specific embodiment of FIG. It is a coating device that has a pre-evaporation section and a post-evaporation section designed as a crucible 13.
  • a coating chamber 4' in which a coating channel 4 is arranged, with a total pressure of the order of 100-300 mbar being maintained in the coating channel, for example, with the sum of the partial pressures of carrier gas and coating gas being, for example, at least 95 percent of the total pressure in the total pressure constitute, and through which the tape 3 is passed.
  • Outside the coating channel there are transport rollers 5, 6 of a transport arrangement for transporting the strip 3, which transport the strip 3 through the coating channel.
  • a spray head 7 is provided, in which a wire 8 of the starting material is connected as the cathode and a wire 9 of the starting material is connected as the anode in such a way that an arc 10 is ignited between the two and the arc 10 separates vaporized and/or partially or completely molten particles of the starting material.
  • the process control there is an inlet for the carrier gas 11 in front of the wire sprayer, into which the carrier gas stream is introduced.
  • the carrier gas flow entrains particles separated in the arc and guides them further into the injector tube 12, which is arranged behind the spray head 7 with respect to the process direction.
  • the injector tube 12 leads into the crucible 13, so that the coating material processed in the spray head 7 flows through the injector tube 12 is introduced into the crucible 13 in order to evaporate completely or almost completely into the gas phase in the crucible 13 .
  • a nozzle section 14 is coupled to the crucible 13 with a nozzle outlet 15 arranged within the coating channel for directing the coating material, which is present in the gas phase and carried out of the crucible with the carrier gas stream, onto the strip surface 16 to be coated.
  • Suction lines 17, 18 lead out of the coating channel, via which a mixture of carrier gas and Coating material, the latter in particular as dust, powder, flakes and/or vapor, is sucked out of the coating channel 4.
  • the extracted mixture is fed into a filter device 19 and filtered in this; in particular, a proportion of the suctioned-off coating material that is suitable for recycling into the process is separated from the rest of the mixture.
  • the filter device 19 is made up of a line system with shut-off valves and funding
  • Particle feed device 20 coupled for feeding particles separated during cleaning of the mixture into the process.
  • the recirculation takes place in the pre-evaporation section, which is the entirety of the spray head including the gas supply and the injector tube.
  • a line of the particle feed device with a feed opening 21 opens behind the spray head 7 in a feed line 22 to the injector tube 12 with respect to the gas flow direction.
  • the particles are thereby fed back into the process with the result that the output of the starting material used is significantly increased.
  • the structure on the other side of the band is identical, which is why no reference numbers are attached.
  • FIG. 2 differs from the embodiment of FIG. 1 primarily in that the particles that are obtained in the filter 19 are fed via the particle feed into the gas flow in front of the wire sprayer, the feed opening 21 of the particle feed device 20 opens into a line, which serves to supply the gas flow to the spray head 7 .

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Abstract

The invention relates to a coating arrangement (2) for depositing a coating material on a substrate (3). The coating arrangement has a coating chamber (4') with a coating channel (4), and a coating apparatus having: an evaporation portion (11, 23, 7, 12, 13) with a crucible (13) for bringing the coating material into a gaseous phase; a nozzle portion (14) which is located on the outside of the evaporation portion, is preferably coupled thereto, and comprises a nozzle output (15); and a particle supply device (20) with a supply opening (21) for supplying particles into the evaporation portion (11, 23, 7, 12, 13). Suction lines (17, 18) and a filter device (19) can also be provided.

Description

Beschichtungsanordnung coating arrangement
Die Erfindung ist auf eine Beschichtungsanordnung zum Ablagern von in Gasphase vorliegendem Beschichtungsmaterial auf einem Substrat gerichtet. The invention is directed to a coating assembly for depositing vapor-phase coating material onto a substrate.
Eine Beschichtungsanordnung, auf welche die Erfindung gerichtet ist, weist eine Beschichtungskammer mit einem Beschichtungskanal und eine Beschichtungsvorrichtung auf. Der Beschichtungskanal, der Bestandteil der Beschichtungskammer ist, dient dem Durchführen des Substrats innerhalb der Beschichtungskammer, in welchem die Beschichtung erfolgt. Zum Bereitstellen des in Gasphase befindlichen Materials weist die Beschichtungsvorrichtung einen Verdampfungsabschnitt mit einem Tiegel auf, der Tiegel ist also Bestandteil desA coating arrangement to which the invention is directed has a coating chamber with a coating channel and a coating device. The coating channel, which is part of the coating chamber, serves to guide the substrate through within the coating chamber, in which the coating takes place. To provide the material in the gas phase, the coating device has an evaporation section with a crucible, so the crucible is part of the
Verdampfungsabschnitts. Der Verdampfungsabschnitt mit dem Tiegel dient dazu, das für die Beschichtung vorgesehene Material in seine Gasphase zu bringen. evaporation section. The evaporation section with the crucible serves to bring the material intended for the coating into its gas phase.
In einer Ausführungsform operieren die Beschichtungsanordnungen, mit der die Erfindung sich beschäftigt, zudem auf dem Prinzip, dass dasIn one embodiment, the coating arrangements with which the invention is concerned also operate on the principle that the
Beschichtungsmaterial mittels eines Trägergasstroms befördert wird. Zu diesem Zwecke führt eine Trägergasstromzufuhr in den Verdampfungsabschnitt hinein zum Zuführen eines Trägergasstroms eines Trägergases in den Verdampfungsabschnitt und durch diesen hindurch zum Mitführen des Beschichtungsmaterials. Durch den Düsenabschnitt und aus diesem hinaus wird also ein Gasstrom geführt, der aus Trägergas und in Gasphase gebrachtem Beschichtungsmaterial besteht. Das Beschichtungsmaterial lagert sich auf der Substratoberfläche ab und das Trägergas befindet sich sodann gemeinsam mit einem Prozessgas in der Beschichtungskammer, insbesondere in dem Beschichtungskanal, aus welchem es bevorzugt mit geeigneten Absaugvorrichtungen abgesaugt wird. Coating material is transported by means of a carrier gas stream. To this end, a carrier gas flow feed into the evaporation section results in feeding a carrier gas flow of a carrier gas into the evaporation section and through it to entrain the coating material. A gas stream consisting of carrier gas and coating material brought into the gas phase is guided through and out of the nozzle section. The coating material is deposited on the substrate surface and the carrier gas is then located together with a process gas in the coating chamber, in particular in the coating channel which it is preferably sucked off with suitable suction devices.
An der Ausgangsseite des Tiegels ist ein Düsenabschnitt angeordnet, der einen innerhalb der Beschichtungskammer angeordneten Düsenausgang umfasst. Der Düsenabschnitt dient dazu, aus dem Tiegel heraus geführte Beschichtungsmaterial auf eine Substratoberfläche zu richten. Bei Ankunft auf einer zu beschichtenden Oberfläche des Substrats kondensiert das Beschichtungsmaterial und bildet eine Beschichtung. In einer Ausführung, in der ein Trägergastransport desA nozzle section is arranged on the outlet side of the crucible and comprises a nozzle outlet arranged within the coating chamber. The nozzle section serves to direct coating material fed out of the crucible onto a substrate surface. Upon arriving at a surface of the substrate to be coated, the coating material condenses and forms a coating. In an embodiment in which a carrier gas transport of the
Beschichtungsmaterials vorgesehen ist, ist an der Ausgangsseite des Tiegels ein Düsenabschnitt angeordnet, der einen innerhalb der Beschichtungskammer, insbesondere innerhalb des Beschichtungskanals, angeordneten Düsenausgang umfasst. Der Düsenabschnitt dient dazu, das mit dem Trägergas durch den Tiegel und aus dem Tiegel heraus geführte Beschichtungsmaterial, also das Gemisch aus in Gasphase vorliegendemCoating material is provided, a nozzle section is arranged on the outlet side of the crucible, which comprises a nozzle outlet arranged inside the coating chamber, in particular inside the coating channel. The nozzle section serves to feed the coating material, ie the mixture of material present in the gas phase, which is carried through the crucible and out of the crucible with the carrier gas
Beschichtungsmaterial und Trägergas, auf eine Substratoberfläche zu richten. Bei Ankunft auf einer zu beschichtenden Oberfläche des Substrats kondensiert das Beschichtungsmaterial und bildet eine Beschichtung. Das Trägergas verbleibt zunächst in dem Beschichtungskanal und wird in dieser durch geeignete konstruktive und/oder apparative Maßnahmen behandelt, beispielsweise zum Strömen in eine gewünschte Richtung gebracht und/oder an einer oder mehreren Stellen des Beschichtungskanals oder der Beschichtungskammer abgesaugt. Coating material and carrier gas to be directed onto a substrate surface. Upon arriving at a surface of the substrate to be coated, the coating material condenses and forms a coating. The carrier gas initially remains in the coating channel and is treated there by suitable design and/or equipment measures, for example made to flow in a desired direction and/or sucked off at one or more points in the coating channel or the coating chamber.
Ein Beispiel für eine Beschichtungsvorrichtung der vorstehend genannten Art ist eine Jet-Vapour-Deposition-Anlage, unter welcher der Fachmann eine Anlage versteht, in welcher das Beschichtungsmaterial thermisch in Gasphase gebracht wird und es sodann, typischerweise aber nicht zwingend mit einem Trägergasstrom aus Inertgas, zu dem Substrat transportiert wird, bevorzugt mit einer Gasstromgeschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit, besonders bevorzugt oberhalb 500 m/s. Die Funktionsweise geht beispielsweise aus dem Übersichtsartikel im Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings (Third Edition), Science, Applications and Technology, 2010, Seiten 881-901, https://doi.org/10.1016/B978-0-8155-2031- 3.00018-1 (verlinkt am Anmeldetag) hervor. Die vorliegende Erfindung ist mit derartigen Jet-Vapour-Deposition-Anlagen umsetzbar . An example of a coating device of the type mentioned above is a jet vapor deposition system, by which the person skilled in the art understands a system in which the coating material is brought thermally into the gas phase and then, typically but not necessarily, with a carrier gas stream of inert gas, is transported to the substrate, preferably at a gas flow rate above the speed of sound, more preferably above 500 m/s. the How it works can be found, for example, in the review article in the Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings (Third Edition), Science, Applications and Technology, 2010, pages 881-901, https://doi.org/10.1016/B978-0-8155-2031 - 3.00018-1 (linked on the filing date). The present invention can be implemented with such jet vapor deposition systems.
Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung aber allgemeiner für sämtliche Beschichtungsvorrichtungen der eingangs genannten Art nutzbar, also für alle Beschichtungsvorrichtungen, bei in einem einen Tiegel aufweisenden Verdampfungsabschnitt das für die Beschichtung vorgesehene Material in seine Gasphase gebracht wird und dieses sodann durch einen Düsenabschnitt hindurch und aus einem Düsenausgang des Düsenabschnitts hinaus zu der Substratoberfläche hin gerichtet wird. In addition, however, the present invention can be used more generally for all coating devices of the type mentioned at the outset, i.e. for all coating devices in which the material intended for the coating is brought into its gas phase in an evaporation section having a crucible and this is then passed through a nozzle section and out of a Nozzle outlet of the nozzle section is directed out towards the substrate surface.
Insbesondere ist die vorliegende Erfindung für die Untergattung solcher Beschichtungsvorrichtungen vorgesehen, bei denen eine Trägergasstromzufuhr in den Verdampfungsabschnitt hinein führt zum Zuführen eines Trägergasstroms eines Trägergases in den Verdampfungsabschnitt und durch diesen hindurch zum Mitführen des Beschichtungsmaterials zu der Substratoberfläche hin. In particular, the present invention is intended for the subgenus of such coating devices in which a carrier gas flow feed into the evaporation section results in feeding a carrier gas flow of a carrier gas into the evaporation section and therethrough to entrain the coating material towards the substrate surface.
Ein weiteres Beispiel einer Beschichtungsvorrichtung der vorstehend genannten Art ist zum Beispiel aus der WO 2016/042079 Al bekannt. Bei dieser bekannten Beschichtungsvorrichtung werden kontinuierlich zwei Drähte als Beschichtungsmaterial zugeführt. Das Beschichtungsmaterial gelangt zu einem Spritzkopf, bei welchem die beiden Materialdrähte als Kathode und als Anode an eine elektrische Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. Infolge der elektrischen Gleichspannung zwischen Kathode und Anode bildet sich zwischen den beiden Materialdrähten ein elektrischer Lichtbogen, wodurch das zugeführte Ausgangsmaterial in Form der beiden Materialdrähte verdampft und/oder verflüssigt wird. Durch den Spritzkopf hindurch wird ein Gasstrom geführt, welcher das verdampfte und/oder verflüssigteAnother example of a coating device of the type mentioned above is known, for example, from WO 2016/042079 A1. In this known coating device, two wires are continuously supplied as coating material. The coating material reaches a spray head, in which the two material wires are connected to an electrical DC voltage source as the cathode and as the anode. As a result of the electrical DC voltage between the cathode and the anode, an electric arc forms between the two material wires, as a result of which the supplied starting material evaporates and/or liquefies in the form of the two material wires becomes. A gas stream is passed through the spray head, which vaporizes and/or liquefies the product
Beschichtungsmaterial mit sich reißt und über ein Injektorrohr in einen Tiegel transportiert. Das in den Tiegel beförderte Beschichtungsmaterial verdampft sodann vollständig innerhalb des beheizten Tiegels und wird aus dem Tiegel herausgeführt und zu dem zu beschichtenden Substrat hin gerichtet. Diese Beschichtungsvorrichtung weist eine Kombination aus Elementen auf, die auch von Jet-Vapor-Deposition-Anlagen bekannt sind sowie aus Elementen, die aus Anlagen bekannt sind, die nach dem Prinzip der Are Evaporation arbeiten. Die Vorrichtung basiert auf der Beförderung des Beschichtungsmaterials mit einem Trägergasstrom. Für die Bereitstellung desCoating material entrains and is transported into a crucible via an injector tube. The coating material conveyed into the crucible then completely vaporizes within the heated crucible and is carried out of the crucible and directed toward the substrate to be coated. This coating device has a combination of elements that are also known from jet vapor deposition systems and elements that are known from systems that work on the principle of Are Evaporation. The device is based on transporting the coating material with a flow of carrier gas. For providing the
Beschichtungsmaterials als in Gasphase vorliegendes Material nutzt diese Beschichtungsvorrichtung einen Verdampfungsabschnitt, der sich aus einemCoating material as a material present in the gas phase, this coating device uses an evaporation section consisting of a
Vorverdampfungsabschnitt und einem als Tiegel ausgebildeten Nachverdampfungsabschnitt zusammensetzt. DerPre-evaporation section and a post-evaporation section designed as a crucible. Of the
Vorverdampfungsabschnitt bereitet das Material in dem Spritzkopf und dem Injektorrohr auf und stellt es für die Nachverdampfung, das heißt: das zumindest größtenteils in Gasphase bringen von noch vorhandenen festen oder flüssigen Anteilen, dem Tiegel bereit. The pre-evaporation section prepares the material in the spray head and the injector tube and prepares it for post-evaporation, i.e. bringing the remaining solid or liquid components into the gas phase, at least for the most part, in the crucible.
Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um ein Stahlband handeln. Zur Vermeidung von unerwünschten Reaktionsprozessen des zur Beschichtung vorgesehenen Materials, beispielsweise von Oxidation mit Atmosphärensauerstoff, findet der Beschichtungsprozess in einem Beschichtungskanal einer Beschichtungskammer bei Drücken deutlich unterhalb des Atmosphärendrucks statt. The substrate can be a steel strip, for example. To avoid undesired reaction processes of the material provided for coating, for example oxidation with atmospheric oxygen, the coating process takes place in a coating channel of a coating chamber at pressures well below atmospheric pressure.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flexiblere und verbesserte Einstellung und erhöhte Ausbringung des für die Beschichtung vorgesehenen Materials bei Beschichtungsanordnungen der eingangs genannten Art herbeizuführen. Die Aufgabe wird mit einer Beschichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. The invention is based on the object of bringing about a more flexible and improved adjustment and increased output of the material provided for the coating in coating arrangements of the type mentioned at the outset. The task comes with a coating arrangement with the features of claim 1 solved.
Die Beschichtungsanordnung weist eine Beschichtungskammer mit einem Beschichtungskanal auf, der Beschichtungskanal ist also Bestandteil der Beschichtungskammer, sowie eine BeschichtungsVorrichtung The coating arrangement has a coating chamber with a coating channel, ie the coating channel is part of the coating chamber, and a coating device
Die Beschichtungsvorrichtung umfasst: einen Verdampfungsabschnitt mit einem Tiegel, der Tiegel ist also Bestandteil des Verdampfungsabschnitts, zum in Gasphase bringen des Beschichtungsmaterials, einen ausgangsseitig des Verdampfungsabschnitts angeordneten, bevorzugt mit diesem gekoppelten, Düsenabschnitt mit einem innerhalb der Beschichtungskammer, insbesondere innerhalb des Beschichtungskanals, mündenden Düsenausgang zum Richten des aus dem Tiegel herausgeführten in Gasphase vorliegenden Beschichtungsmaterials auf eine Substratoberfläche, auf welcher sich das in Gasphase vorliegende Beschichtungsmaterial ablagert, The coating device comprises: an evaporation section with a crucible, the crucible is therefore a component of the evaporation section for bringing the coating material into the gas phase, a nozzle section arranged on the outlet side of the evaporation section, preferably coupled to it, with a nozzle outlet opening inside the coating chamber, in particular inside the coating channel for directing the vapor-phase coating material fed out of the crucible onto a substrate surface on which the vapor-phase coating material is deposited,
Die erfindungsgemäße Beschichtungsanordnung weist eine Partikelzufuhreinrichtung auf, die an dem Verdampfungsabschnitt angeordnet ist. Die Partikelzufuhreinrichtung mündet mit einer Zuführmündung an dem Verdampfungsabschnitt. Mit der Partikelzufuhreinrichtung ist es möglich, Partikel in den Verdampfungsabschnitt hineinzuführen. Der Begriff des Partikels ist dabei ein Sammelbegriff, der insbesondere Atomcluster oder Molekülcluster umfasst und beispielsweise als Pulver vorliegendes Material bezeichnen kann. The coating arrangement according to the invention has a particle supply device which is arranged on the evaporation section. The particle feed device opens out with a feed orifice at the evaporation section. With the particle supply device it is possible to introduce particles into the evaporation section. The term “particle” is a collective term that includes, in particular, atom clusters or molecule clusters and can designate material that is present as a powder, for example.
Der Verdampfungsabschnitt ist die Gesamtheit aller apparativen Einrichtungen der Beschichtungsvorrichtung, welche die Überleitung des für die Beschichtung vorgesehenen Ausgangsmaterials in die Gasphase hinein bewirken. Hierzu weist der Verdampfungsabschnitt eine Zuführung für das Ausgangsmaterial auf, durch die der Verdampfungsabschnitt mit dem Ausgangsmaterial bestückt wird zu dessen Verdampfen. Im Rahmen der gesamten Beschreibung werden die Begriffe der Gasphase und des Verdampfens verwendet, da sie im Bereich der beschriebenen Technologie üblich sind. Der Begriff der Gasphase umfasst dabei, dass ein geringer Gewichtsanteil, beispielsweise bis zu 30 Gew.-%, bevorzugt nicht mehr als 10 Gew.-%, des in Gasphase vorliegenden Materials nicht in Gasphase im physikalischen Sinne, sondern stattdessen als Dampf, als Aerosol und/oder als Cluster vorliegen kann. Der Begriff des Verdampfens umfasst, dass je nach verwendetem Material und nach verwendeter Technologie der Übergang der Teilchen in die Gasphase zumindest teilweise auch mittels anderer Mechanismen erfolgt, beispielsweise durch Sublimation. Der Begriff des Verdampfens umfasst somit zusätzlich zu einem Verdampfen im streng physikalischen Sinne, also einem Übergang „flüssig -> Gasphase", auch weiter Mechanismen, wie insbesondere die Sublimation. The evaporation section is the entirety of all the equipment of the coating device, which bring about the transfer of the starting material provided for the coating into the gas phase. For this purpose, the evaporation section has a feed for the starting material, through which the evaporation section is loaded with the starting material for its evaporation. The terms gas phase and vaporization are used throughout the description because they are common in the field of technology described. The term gas phase includes that a small proportion by weight, for example up to 30% by weight, preferably not more than 10% by weight, of the material present in the gas phase is not in the gas phase in the physical sense, but instead as a vapor, as an aerosol and/or may be present as a cluster. The term vaporization includes the fact that, depending on the material used and the technology used, the transition of the particles into the gas phase also takes place at least partially by means of other mechanisms, for example by sublimation. The term vaporization thus includes, in addition to vaporization in the strictly physical sense, i.e. a transition from “liquid -> gas phase”, also other mechanisms, such as sublimation in particular.
Bevorzugt weist die Beschichtungskammer zum Ein- und Ausbringen des Substrates einen Eintrittsdurchgang und einen Austrittdurchgang auf sowie weist der Beschichtungskanal, welcher innerhalb der Beschichtungskammer angeordnet ist, zum Ein- und Ausbringen des Substrats eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung auf. The coating chamber preferably has an entry passage and an exit passage for introducing and removing the substrate, and the coating channel, which is arranged inside the coating chamber, has an entry opening and an exit opening for introducing and removing the substrate.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass an dem Verdampfungsabschnitt eine Partikelzufuhreinrichtung angeordnet ist, die mit einer Zuführmündung in dem Verdampfungsabschnitt mündet. Die Partikelzufuhreinrichtung umfasst dabei eine in der Zuführmündung mündende beispielsweise als Rohr ausgebildete Leitung, durch welche hindurch Partikel in den Verdampfungsabschnitt hineingeführt werden können. Die Partikelzufuhreinrichtung kann auch weitere Bauelemente aufweisen, beispielsweise Ventile, Schleusen, Pumpen und dergleichen. Die genaue Ausführung der Partikelzufuhreinrichtung ist dem Fachmann je nach vorherrschenden konkreten Begebenheiten, das heißt vor allem: unter Berücksichtigung der Druckgradienten und Massenflüsse, problemlos möglich; wesentlich ist, dass mit der Partikelzufuhreinrichtung eine Eignung verbunden ist, Partikel ausgehend von einem Reservoir hin zu einem Prozessort zu führen, an welchem die Zuführmündung platziert ist. Der Begriff des Partikels umfasst insbesondere in Festform vorliegende Materialien, insbesondere in Pulverform. According to the invention, it is now provided that a particle feed device is arranged on the evaporation section, which opens with a feed opening in the evaporation section. The particle feed device comprises a line which opens into the feed opening and is designed, for example, as a pipe, through which particles can be fed into the evaporation section. The particle supply device can also have other components, for example valves, locks, pumps and the like. The precise design of the particle supply device is easily possible for a person skilled in the art depending on the prevailing specific circumstances, that is to say above all: taking into account the pressure gradients and mass flows; significant is that the particle feed device is associated with the ability to feed particles, starting from a reservoir, to a processor at which the feed orifice is placed. The term "particle" particularly includes materials present in solid form, especially in powder form.
Es sind verschiedende Ausführungen der Partikelzufuhreinrichtung möglich, die sich in der Quelle der Partikel unterscheiden, wie nachfolgend ausführlich erläutert werden wird. Various designs of the particle supply device are possible, which differ in the source of the particles, as will be explained in detail below.
Zum einen ist eine Ausführungsform möglich, gemäß welcher das die Partikel, bevorzugt in Form eines Pulvers, aus einer externen Quelle über eine Zugabeöffnung zugegeben wird. Es ist eine kontinuierliche Zugabe möglich. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Partikelzufuhreinrichtung eine als Reservoir dienende Vorratskammer und eine zur Zuführmündung führende Leitung aufweist, wobei das Reservoir beispielsweise sequentiell befüllt werden kann, beispielsweise zwischen zwei Beschichtungsvorgängen während eines Anlagenstillstands der Beschichtungsanordnung . On the one hand, an embodiment is possible according to which the particles, preferably in the form of a powder, are added from an external source via an addition opening. Continuous addition is possible. However, it can also be provided that the particle feed device has a storage chamber serving as a reservoir and a line leading to the feed opening, the reservoir being able to be filled sequentially, for example, between two coating processes during a system standstill of the coating arrangement.
So ist möglich, prinzipiell weitgehend beliebige Elementzusammensetzungen zu dem in der Zuführung für das Ausgangsmaterial eingeführten Ausgangsmaterial zuzufügen. Durch eine derartige Vorgehensweise ist insbesondere möglich, eine flexiblere Einstellung der herzustellenden Beschichtung vorzusehen. So ist beispielsweise möglich, Beschichtungen herzustellen, die mit dem Ausgangsmaterial selbst sowie gegebenenfalls zugeführten Gasen allein nicht in ihrer chemischen Zusammensetzung bereitgestellt werden können und deshalb zusätzliche Elementbeimengungen, beispielsweise in Form von als Pulver vorliegenden Partikeln, erfordern. Weiterhin ist beispielsweise möglich, überstöchiometrische, unterstöchiometrische oder metastabile Schichten herzustellen. It is thus possible, in principle, to add largely any composition of elements to the starting material introduced in the feed for the starting material. Such a procedure makes it possible, in particular, to provide a more flexible adjustment of the coating to be produced. For example, it is possible to produce coatings that cannot be provided in their chemical composition with the starting material itself and possibly supplied gases alone and therefore require additional element admixtures, for example in the form of particles present as powder. It is also possible, for example, to produce over-stoichiometric, under-stoichiometric or metastable layers.
Eine andere Ausführungsform hingegen sieht vor, dass die Partikelzufuhreinrichtung mit aus der Beschichtungskammer, bevorzugt dem Beschichtungskanal, selbst stammenden Partikeln gespeist wird, insbesondere durch dort vorhandene nicht unterdrückte Stäube und Dämpfe; eine derartige Vorgehensweise führt prinzipiell dazu, dass die Partikel in der Partikelzufuhreinrichtung die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials oder eine ähnliche Zusammensetzung wie das Ausgangsmaterial aufweisen und eine Ausbringung des aus der Beschichtungskammer gewonnenen überschüssigen, dort als Staub oder Dampf angefallenen, Materials erhöht. On the other hand, another embodiment provides that the particle supply device from the coating chamber, Particles originating preferably from the coating channel itself are fed, in particular by dust and vapors which are not suppressed and are present there; Such a procedure leads in principle to the particles in the particle supply device having the composition of the starting material or a similar composition to the starting material and increasing the output of the excess material obtained from the coating chamber, which has accumulated there as dust or vapor.
Insgesamt wird mit dem Vorsehen einer Partikelzufuhreinrichtung zu dem eingangs genannten bekannten Verfahren erreicht, dass ein flexibleres und/oder ein effizienteres Beschichtungsverfahren bereitgestellt wird. Overall, the provision of a particle supply device for the known method mentioned at the beginning means that a more flexible and/or more efficient coating method is provided.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Beschichtungsvorrichtung als Jet-Vapor-Deposition-Vorrichtung ausgebildet. In einer besonders einfachen Ausgestaltung einer solchen besteht der Verdampfungsabschnitt aus dem Tiegel. In an alternative embodiment, the coating device is designed as a jet vapor deposition device. In a particularly simple configuration of such, the evaporation section consists of the crucible.
Bevorzugte Ausführungsformen der Beschichtungsanordnung weisen eine Trägergasstromzufuhr der Beschichtungsvorrichtung auf. Ein Trägergas, beispielsweise ein Inertgas wie Ar oder N2, wird als Trägergasstroms in den Verdampfungsabschnitt hinein und durch diesen hindurch geführt, um Beschichtungsmaterials mit zu führen. Preferred embodiments of the coating arrangement have a carrier gas flow feed to the coating device. A carrier gas, for example an inert gas such as Ar or N 2 , is introduced into and through the evaporation section as a carrier gas stream to carry coating material with it.
In einer speziellen Ausführungsform einer Beschichtungsvorrichtung wie beispielsweise der eingangs beschriebenen Beschichtungsvorrichtung umfasst der Verdampfungsabschnitt einen Vorverdampfungsabschnitt mit insbesondere einem Spritzkopf sowie ein Injektorrohr von dem Spritzkopf zu dem als Nachverdampfungsabschnitt ausgebildeten Tiegel. Dem Spritzkopf wird das Ausgangsmaterial zugeführt, bevorzugt in Draht- oder in Bandform. In dem Spritzkopf wird das Ausgangsmaterial aufbereitet, das bedeutet, es werden Bestandteile des Ausgangsmaterials verdampft und/oder als in Flüssigphase vorliegende Partikel vom Ausgangsmaterial getrennt, bevorzugt mittels einem Lichtbogenverdampfen zwischen als Kathode geschaltetem Ausgangsmaterial und als Anode geschaltetem Ausgangsmaterial. Das aufbereitete Ausgangsmaterial liegt nicht vollständig in Gasphase vor, aber besteht aus einem Gemisch insbesondere aus Gasphase und flüssigen oder teilflüssigen Partikeln, das zur Führung durch den Tiegel geeignet ist, um dort nachverdampft zu werden, das heißt: durch dort stattfindende Erwärmung vollständig oder weitgehend vollständig in die Gasphase überzugehen. In a special embodiment of a coating device, such as the coating device described above, the evaporation section includes a pre-evaporation section with in particular a spray head and an injector tube from the spray head to the crucible designed as a post-evaporation section. The starting material is fed to the extrusion head, preferably in the form of wire or strip. The starting material is processed in the spray head, which means that components of the starting material are vaporized and/or particles present in the liquid phase are separated from the starting material, preferably by means of an arc evaporation between starting material connected as a cathode and starting material connected as an anode. The processed starting material is not completely in the gas phase, but consists of a mixture, in particular of gas phase and liquid or partially liquid particles, which is suitable for being guided through the crucible in order to be post-evaporated there, i.e. completely or largely completely by heating that takes place there to go into the gas phase.
Der Vorverdampfungsabschnitt umfasst insbesondere einen Spritzkopf zum Aufbereiten des als Ausgangsmaterial vorliegenden Beschichtungsmaterials und ein Injektorrohr. Das Injektorrohr ist mit dem Tiegel gekoppelt und ausgebildet, das in dem Spritzkopf aufbereitete Beschichtungsmaterial zu dem Tiegel zu leiten. Das aufbereitete Beschichtungsmaterial gelangt in den Tiegel. Bestandteile des Beschichtungsmaterials, die noch nicht in Gasphase vorliegen, verdampfen innerhalb des Tiegels, der zu diesem Zweck auf eine Temperatur erwärmt ist, die oberhalb der Verdampfungstemperatur des Ausgangsmaterials liegt. The pre-evaporation section comprises in particular a spray head for preparing the coating material present as the starting material and an injector tube. The injector tube is coupled to the crucible and is designed to direct the coating material processed in the spray head to the crucible. The prepared coating material enters the crucible. Components of the coating material that are not yet in the gas phase vaporize within the crucible, which for this purpose is heated to a temperature above the vaporization temperature of the starting material.
Der Tiegel ist erwärmt, um das aufbereitete Ausgangsmaterial in Gasphase zu überführen. Die Temperatur, auf welche der Tiegel erwärmt wird, richtet sich nach dem Beschichtungsmaterial, sie muss in der Regel höher sein als die Verdampfungstemperatur des aufbereiteten Ausgangsmaterials. Der Tiegel ist bevorzugt als Zyklon ausgebildet, da eine Zyklonform eine platzsparende Ausgestaltung ist, die eine effiziente Führung des Gasstroms durch den Tiegel erlaubt. Ein weiterer Vorteil eines in Zyklonform ausgebildeten Tiegels ist dessen hohe Zuverlässigkeit in der nahezu vollständigen Verdampfung des durchströmenden Materials, wodurch eine hohe Qualität der abgeschiedenen Beschichtung gewährleistet wird, ein Beschuss des Bands mit noch in Flüssigphase vorliegendem Beschichtungsmaterial bei sachgemäßer Anwendung nahezu ausgeschlossen werden kann. Bevorzugt ist eine in den Verdampfungsabschnitt weisende Trägergasstromzufuhr an dem Verdampfungsabschnitt angeordnet zum Zuführen eines Trägergasstroms eines Trägergases in den Verdampfungsabschnitt und durch diesen hindurch zum Mitführen des Beschichtungsmaterials. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung eines eingangs erläuterten Ausführungsbeispiels, in welchem der Vorverdampfungsabschnitt einen Spritzkopf aufweist, wobei die Trägergasstromzufuhr vor dem Spritzkopf angeordnet ist, sodass das Trägergas durch den Spritzkopf hindurch geleitet ist und dort aufbereitetes Ausgangsmaterial, beispielsweise in Form von Partikeln oder Clustern, mit sich reißt und dieses durch das Injektorrohr hindurch in den Tiegel hinein leitet.The crucible is heated to vaporize the processed feedstock. The temperature to which the crucible is heated depends on the coating material, it usually has to be higher than the vaporization temperature of the processed starting material. The crucible is preferably designed as a cyclone, since a cyclone shape is a space-saving design that allows the gas flow to be guided efficiently through the crucible. Another advantage of a crucible designed in the form of a cyclone is its high reliability in the almost complete evaporation of the material flowing through, which ensures a high quality of the deposited coating. A carrier gas flow feed pointing into the evaporation section is preferably arranged at the evaporation section for feeding a carrier gas flow of a carrier gas into the evaporation section and through it for entraining the coating material. An embodiment of an exemplary embodiment explained at the outset is particularly preferred, in which the pre-evaporation section has a spray head, with the carrier gas flow supply being arranged in front of the spray head, so that the carrier gas is routed through the spray head and treated starting material there, for example in the form of particles or clusters, with tears and directs it through the injector pipe into the crucible.
Unabhängig von der Frage, wie die Herkunft der mit der Partikelzufuhreinrichtung zuzuführenden Partikel ist, sind die Partikel an unterschiedlichen Positionen desIrrespective of the question of the origin of the particles to be supplied with the particle supply device, the particles are at different positions on the
Verdampfungsabschnitts zuführbar. Bevorzugt werden sie an einer Position des Vorverdampfungsabschnitts zugeführt. Evaporation section fed. Preferably, they are supplied at a position of the pre-evaporation section.
Gemäß einer ersten Alternative ist möglich, die Zuführmündung an der Gasstromzufuhr des Spritzkopfes oder aber innerhalb des Aufbereitungsbereichs des Spritzkopfes anzuordnen. According to a first alternative, it is possible to arrange the feed orifice at the gas flow inlet of the spray head or inside the processing area of the spray head.
Wie eingangs bereits erläutert, wird dem Spritzkopf bevorzugt ein Trägergas zugeführt, welches die in dem Spritzkopf durch Schmelzen und/oder Verdampfen bereitgestellten Bestandteile des zu beschichtenden Materials mitführt und zu dem Tiegel und von dort in den Beschichtungskanal hinein befördert. Bei dem Trägergas kann es sich beispielsweise um ein Inertgas handeln wie N2 oder Ar, wobei in vielen Fällen N2 aufgrund der geringeren Kosten bevorzugt ist. As already explained at the outset, the spray head is preferably supplied with a carrier gas, which carries along the components of the material to be coated that are provided in the spray head by melting and/or vaporizing and transports them to the crucible and from there into the coating channel. The carrier gas can be, for example, an inert gas such as N2 or Ar, with N2 being preferred in many cases because of its lower cost.
Ein Zuführen der Partikel zu der Gasstromzufuhr des Trägergases bewirkt, dass die Partikel mit dem Gas in den Bereich des mit dem Ausgangsmaterial gebildeten Lichtbogens geführt werden. Alternativ, nämlich wenn die Partikel in den Aufbereitungsbereich selbst hingeführt werden, ist das Ergebnis dasselbe; in beiden Fällen gelangen die Partikel in den Lichtbogen oder in die Nähe des Lichtbogens, wo sie einer hohen Erwärmung ausgesetzt sind. Die Erwärmung durch den Lichtbogen bewirkt dabei zumindest, dass die Oberflächen der Partikel verflüssigt werden, gegebenenfalls auch das gesamte Volumen der Partikel verflüssigt wird. Mit einer ersten Verflüssigung der zugeführten Partikel sind diese sodann in einem ähnlichen Zustand wie die den Aufbereitungsbereich des Spritzkopfes verlassenden Ausgangsmaterialien, so dass beide zusammen mit dem Gasstrom zu dem Tiegel hin geführt werden und innerhalb des Tiegels durch Erhitzung in dem Tiegel in die zur Beschichtung geeignete Weise in die Gasphase gebracht werden. Das Zuführen des Pulvers in den Prozess mit der Erwärmung in dem Aufbereitungsbereich des Spritzkopfes entspricht damit in der grundsätzlichen Funktionalität etwa dem bekannten Verfahren des Pulverflammspritzens , bei welchem die Oberfläche eines Pulvers durch die „Flamme" in den flüssigen Zustand überführt wird. Bei dem beschriebenen Verfahren nimmt der Aufbereitungsbereich die Funktion der Flamme des regulären Pulverflammspritzens ein. Supplying the particles to the gas stream supply of the carrier gas causes the particles to be carried with the gas into the region of the arc formed with the feedstock. Alternatively, if the particles are fed into the conditioning area itself, the result is the same; in both cases the particles get into the Arc or near the arc where they are exposed to high heating. The heating caused by the arc causes at least the surfaces of the particles to be liquefied, and possibly also the entire volume of the particles to be liquefied. With a first liquefaction of the supplied particles, they are then in a similar state to the starting materials leaving the processing area of the spray head, so that both are guided together with the gas stream to the crucible and inside the crucible by heating in the crucible into the suitable for coating Way to be brought into the gas phase. The basic functionality of feeding the powder into the process with heating in the preparation area of the spray head corresponds roughly to the well-known method of powder flame spraying, in which the surface of a powder is converted into the liquid state by the "flame". In the method described the processing area takes on the function of the flame of regular powder flame spraying.
Besonders bevorzugt ist der Spritzkopf eine Drahtspritze für das Lichtbogenschmelzen und/oder das Lichtbogenverdampfen von in die Drahtspritze eingeführten Ausgangsmaterials, in welcher das Ausgangsmaterial in Form von Draht oder Band zugeführt wird. Particularly preferably, the spray head is a wire gun for arc melting and/or arc vaporization of starting material introduced into the wire gun, in which the starting material is fed in the form of wire or ribbon.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Beschichtungsvorrichtung ist die Zuführmündung bei Betrachtung der Prozessführung hinter dem Spritzkopf und vor dem Tiegel zu dem aufbereiteten Beschichtungsmaterial zuführend ausgebildet. According to an alternative embodiment of the coating device, the feed opening is designed to feed the prepared coating material behind the spray head and in front of the crucible when considering the process control.
Besonders bevorzugt ist, dass die Zuführmündung hinter dem Spritzkopf und vor dem Tiegel in einer Zufuhrleitung zu dem Injektorrohr oder in dem Injektorrohr mündet um die Partikel innerhalb des Injektorrohrs dem Material zuzuführen, welches von dem Spritzkopf herkommend in dort bereits aufbereiteter Weise in das Injektorrohr gelangt. Die Partikel werden also in den Gasstrom des Injektorrohrs zugefügt. Besonders bevorzugt ist, dass die Zuführmündung mit Bezug auf die Trägergasstromrichtung hinter dem Spritzkopf und vor dem Tiegel in einer Zufuhrleitung zu dem Injektorrohr oder in dem Injektorrohr mündet um die Partikel innerhalb des Injektorrohrs dem Material zuzuführen, welches von dem Spritzkopf herkommend in dort bereits aufbereiteter Weise in das Injektorrohr gelangt. Die Partikel werden also in den Gasstrom aus Trägergas und aufbereitetem Material des Injektorrohrs zugefügt. It is particularly preferred that the feed orifice behind the spray head and in front of the crucible opens into a supply line to the injector tube or into the injector tube in order to feed the particles inside the injector tube to the material which, coming from the spray head, reaches the injector tube in a way that has already been processed there. The particles are thus added to the gas flow of the injector tube. It is particularly preferred that the feed opening behind the spray head and in front of the crucible in relation to the direction of carrier gas flow opens into a feed line to the injector tube or into the injector tube in order to feed the particles inside the injector tube to the material which comes from the spray head in a manner already prepared there entered the injector tube. The particles are thus added to the gas stream of carrier gas and processed material in the injector tube.
Es ist aber auch möglich, dass die Partikelzufuhreinrichtung mit ihrer Zuführmündung an dem Tiegel angeordnet ist zum Zuführen von Partikeln in den Tiegel. However, it is also possible for the particle feed device to be arranged with its feed opening on the crucible in order to feed particles into the crucible.
Bevorzugt ist der Spritzkopf eine Drahtspritze für das Lichtbogenschmelzen und/oder Lichtbogenverdampfen von in die Drahtspritze eingeführten Ausgangsmaterials. In dem Fall, dass die Partikel in das Injektorrohr gegeben werden, tragen die während des Verfahrens erhitzten Injektorrohrinnenwände erfolgt zumindest anteilig zu einem Verflüssigen der Oberfläche der Partikel über Strahlungserwärmung bei, bevor hiernach die anschließende Herbeiführung der Gasphase durch den nachfolgend angeordneten Tiegel erfolgt. Optional kann zusätzlich vorgesehen sein, dass das Injektorrohr mit einem Heizelement aktiv erwärmt wird, beispielsweise mit einem widerstandserwärmten oder induktiven Heizer. The spray head is preferably a wire gun for arc melting and/or arc evaporation of starting material introduced into the wire gun. If the particles are placed in the injector tube, the inner walls of the injector tube that are heated during the process contribute at least partially to a liquefaction of the surface of the particles via radiation heating, before the gas phase is subsequently brought about by the crucible arranged downstream. Optionally, it can also be provided that the injector tube is actively heated with a heating element, for example with a resistance-heated or inductive heater.
Welche der beiden Ausführungsformen zu bevorzugen ist, hängt beispielsweise davon ab, welche Temperaturen für das Schmelzen und in Gasphase bringen des Materials erforderlich sind; letztlich ist also das Material und die Menge des Materials ein entscheidender Aspekt, gemäß welchem der mit der Umsetzung der Erfindung betraute Fachmann eine der beiden Alternativen wählt. Da es sich um eine reine Auslegungsfrage handelt, stellen diese Überlegungen für den Fachmann kein Problem dar, vielmehr ist es von Vorteil, dass dem Fachmann mehrere Optionen des Vorgehens bereitstehen . Dadurch, dass zusätzlich zu dem in Gasphase bringen des Ausgangsmaterials ein Erwärmen der zugeführten Partikel erforderlich ist, ist die Menge der Zuführung von Partikeln begrenzt. In Versuchen hat sich gezeigt, dass in einem selben Zeitfenster die Partikelmasse, also die Masse der zugeführten Partikel, weniger als 0,8 der Drahtmasse, bevorzugt weniger als 0,5 der Drahtmasse, das heißt: der Masse des aufbereiteten Ausgangsmaterials, betragen muss, um das in Gasphase bringen der zugeführten Partikel bis zum vollständigen Durchlaufen des Tiegels zu gewährleisten. Alternativ oder zusätzlich sollte der effektive Durchmesser von wenigstens 90 Prozent der zugeführten Partikel, besonders bevorzugt wenigstens 99 Prozent der zugeführten Partikel, zwischen 50 nm und 1 mm eingestellt werden, wobei noch bevorzugter der effektive Durchmesser von wenigstens 90 Prozent der zugeführten Partikel, besonders bevorzugt wenigstens 99 Prozent der zugeführten Partikel, zwischen 50 nm und 50 gm, ist. Der Begriff des effektiven Durchmessers ist dabei als der Durchmesser eines kugelförmigen Partikels zu verstehen, welches dasselbe Volumen des im Allgemeinen nicht-kugelförmigen Partikels aufweist. Alternativ oder zusätzlich sollte der effektive Durchmesser in keinem Fall mehr als 1 mm betragen. Das Einstellen des effektiven Durchmessers ist dahingehend zu verstehen, dass entweder ein Herausfiltern, beispielsweise Durchsieben oder durch Anwendung von Zentrifugalkräften, von größeren und/oder schwereren Partikeln erfolgt oder durch gezieltes Zuführen von zuvor entsprechend bereitgestellten Partikeln die genannten Werte eingehalten werden. Die Einhaltung der genannten Grenzen ist insbesondere in einem Fall wichtig, in welchem, wie eingangs als eine der Varianten erläutert, die Partikelzuführung zu dem Injektorrohr hin erfolgt und die Verflüssigung der Partikeloberfläche durch Strahlungswärme des Injektorrohrs einhergehend mit dessen Abkühlung erfolgt. Anderenfalls würde nämlich eine zu große Energieentnahme aus dem Injektorrohr erfolgen mit dem Nachteil von Partikel-Anhaftungen und damit einhergehend der Gefahr eines Prozessversagens. Which of the two embodiments is to be preferred depends, for example, on the temperatures required for melting and gasifying the material; Ultimately, therefore, the material and the quantity of the material is a decisive aspect, according to which the skilled person in charge of implementing the invention chooses one of the two alternatives. Since this is purely a question of interpretation, these considerations do not pose a problem for the person skilled in the art; rather, it is an advantage that the person skilled in the art has several options for the procedure at his disposal. Due to the fact that, in addition to bringing the starting material into the gas phase, the supplied particles also have to be heated, the quantity of supplied particles is limited. Experiments have shown that in the same time window, the particle mass, i.e. the mass of the particles supplied, must be less than 0.8 of the wire mass, preferably less than 0.5 of the wire mass, i.e. the mass of the processed starting material, to ensure that the particles supplied are brought into the gas phase until they have completely passed through the crucible. Alternatively or additionally, the effective diameter of at least 90 percent of the particles supplied, more preferably at least 99 percent of the particles supplied, should be set between 50 nm and 1 mm, with even more preferably the effective diameter of at least 90 percent of the particles supplied, more preferably at least 99 percent of the supplied particles, between 50 nm and 50 gm, is. The term effective diameter is to be understood as the diameter of a spherical particle which has the same volume as the generally non-spherical particle. Alternatively or additionally, the effective diameter should in no case be more than 1 mm. Setting the effective diameter should be understood to mean that larger and/or heavier particles are either filtered out, for example by sieving or by using centrifugal forces, or the specified values are maintained by the targeted supply of particles that have been made available beforehand. Compliance with the limits mentioned is particularly important in a case in which, as explained at the outset as one of the variants, the particles are fed to the injector tube and the particle surface is liquefied by radiant heat from the injector tube accompanied by its cooling. Otherwise, too much energy would be drawn from the injector tube take place with the disadvantage of particle adhesions and the associated risk of process failure.
Besonders bevorzugt weist die Beschichtungsanordnung eine Absaugleitung auf, welche ausgehend von einer innerhalb des Beschichtungskanals angeordneten Absaugöffnung zu einer Filtereinrichtung hinführt. Über die Absaugleitung wird, beispielsweise unterstützt durch entsprechende Pumpen, Pulver und/oder Staub aus dem Beschichtungskanal heraus abgesaugt und, gemeinsam mit ebenfalls abgesaugtem Prozessgas, zu der Filtereinrichtung hingeführt. Besonders bevorzugt ist die Absaugöffnung zwischen Zuführöffnung und Austrittsöffnung des Substrats angeordnet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sowohl nahe des Eingangs als auch nahe des Ausgangs des Beschichtungskanals jeweils eine Absaugöffnung vorgesehen ist, von welcher jeweils eine Absaugleitung abführt, welche sodann zu einer gemeinsamen Absaugleitung sich vereinigen und hiernach die vereinigte Absaugleitung in die Filtereinrichtung hineinführt. Die Filtereinrichtung ist mit der Partikelzufuhreinrichtung gekoppelt. Die Filtereinrichtung fungiert als Partikelreservoir für die Partikelzufuhreinrichtung, um nach einem Trennen von Partikeln und Prozessgas voneinander herausgefilterte Partikel über die Partikelzufuhreinrichtung dem Vorverdampfungsabschnitt zuzuführen um in der oben beschriebenen Weise die Partikel dem Prozess für die flammspritzähnlichen Weiterprozessierung bereitzustellen. The coating arrangement particularly preferably has a suction line which, starting from a suction opening arranged within the coating channel, leads to a filter device. Powder and/or dust is sucked out of the coating channel via the suction line, for example supported by appropriate pumps, and conveyed to the filter device together with the process gas that is also sucked off. The suction opening is particularly preferably arranged between the feed opening and the outlet opening of the substrate. In particular, it can be provided that a suction opening is provided both near the inlet and near the outlet of the coating channel, from which a suction line leads away, which then combine to form a common suction line and then lead the combined suction line into the filter device. The filter device is coupled to the particle supply device. The filter device acts as a particle reservoir for the particle supply device in order to supply particles filtered out from one another via the particle supply device to the pre-evaporation section after separating particles and process gas in order to provide the particles to the process for further processing similar to flame spraying in the manner described above.
Der in der Filtereinrichtung vorherrschende Druck ist bevorzugt kleiner als der am Ort der Zuführmündung herrschende Druck, so dass die Partikel zum Zuführen gegen ein Druckgefälle herangeführt werden müssen, wofür entsprechende Einrichtungen erforderlich sind, insbesondere beispielsweise Pumpen und zwischen Filter und Zuführmündungen angeordneten Fluidsperren. The pressure prevailing in the filter device is preferably lower than the pressure prevailing at the location of the feed opening, so that the particles for feeding must be brought against a pressure gradient, for which appropriate devices are required, in particular, for example, pumps and fluid barriers arranged between the filter and the feed opening.
Die Filtereinrichtung kann insbesondere zusätzlich eine Rückführleitung aufweisen, um beim Filtern abgetrenntes Prozessgas in den Beschichtungskanal hineinzuleiten und dadurch eine weitere Effizienzsteigerung des Gesamtprozesses zu erreichen. In particular, the filter device can additionally have a return line in order to conduct process gas separated off during filtering into the coating channel and thereby achieve a further increase in the efficiency of the overall process.
Die Filtereinrichtung kann beispielsweise einen Zyklonabscheider und/oder einen Elektrofilter und/oder einen Tuchfilter und/oder einen flüssigkeitsbasierten Filter aufweisen. Das Filtern kann unter anderem das Trennen von Partikeln von Gas umfassen, aber bevorzugt auch das Trennen von hinsichtlich ihrer Größe geeigneten Partikeln von hinsichtlich der Größe nicht mehr geeigneten Partikeln umfassen. The filter device can have, for example, a cyclone separator and/or an electrostatic precipitator and/or a cloth filter and/or a liquid-based filter. The filtering can include, inter alia, separating particles from gas, but preferably also includes separating particles that are suitable in terms of size from particles that are no longer suitable in terms of size.
Die Partikelzufuhreinrichtung weist bevorzugt einen Spiralförderer und/oder eine Schnecke zum Dosieren der Partikel auf; durch derartige Maßnahmen kann eine gleichmäßige, insbesondere auch eine gesteuerte und einstellbare Zuführung der Partikel in den Prozess vorgesehen werden. The particle feed device preferably has a spiral conveyor and/or a screw for dosing the particles; By means of such measures, a uniform, in particular also a controlled and adjustable, supply of the particles into the process can be provided.
Das Injektorrohr ist bevorzugt aktiv erhitzbar ausgebildet, beispielsweise durch an dem Injektorrohr angeordnete Widerstandserwärmer und/oder auf das Injektorrohr weisende Strahlungserwärmer . The injector tube is preferably designed to be actively heatable, for example by means of resistance heaters arranged on the injector tube and/or radiation heaters pointing towards the injector tube.
Der Tiegel ist bevorzugt als Zyklon ausgebildet, ein Beispiel für einen als Zyklon ausgebildeten Tiegel ist beispielsweise der WO 2016/042079 zu entnehmen. Ein als Zyklon ausgebildeter Tiegel hat den Vorteil, dass eine besonders effiziente und zuverlässige Verdampfung der in den Zyklon hineingeführten noch nicht vollständig in Gasphase vorliegenden Bestandteile des aufbereiteten Ausgangsmaterials gewährleistet ist. The crucible is preferably designed as a cyclone; an example of a crucible designed as a cyclone can be found in WO 2016/042079, for example. A crucible designed as a cyclone has the advantage that a particularly efficient and reliable vaporization of the components of the processed starting material that are fed into the cyclone and are not yet completely in the gas phase is ensured.
Der Beschichtungskanal ist besonders bevorzugt zum Durchführen von Band, insbesondere metallischem Band wie beispielsweise Stahlband, ausgebildet, wobei außerhalb des Beschichtungskanals, bevorzugt außerhalb derThe coating channel is particularly preferably designed for the passage of strip, in particular metallic strip such as steel strip, with outside of the coating channel, preferably outside of the
Beschichtungskammer, eine Transportanordnung zum Transportieren des Bands durch den Beschichtungskanal hindurch angeordnet ist. Insbesondere ist eine Stützrolle vor und eine Stützrolle hinter dem Beschichtungskanal, jeweils bezogen auf die Bewegungsrichtung des Bands, vorhanden. coating chamber, a transport arrangement for transporting the strip through the coating channel is arranged therethrough. In particular, one support roller is in front and one support roller is behind the coating channel, in each case related to the direction of movement of the strip.
Ein weiterer Gedanke der Erfindung betrifft eine Beschichtungsanordnung, welche sowohl auf der ersten Bandseite als auch auf der zweiten Bandseite jeweils eineA further idea of the invention relates to a coating arrangement which has one on both the first side of the strip and one on the second side of the strip
Beschichtungsvorrichtung aus einer der Beschichtungsanordnungen der oben genannten Art oder ihrer Weiterbildungen vorsieht mit dem Vorteil, dass die effiziente und flexible Beschichtung der genannten Weise auf jeder Bandseite möglich ist. Coating device from one of the coating arrangements of the type mentioned above or their developments provides with the advantage that the efficient and flexible coating of the manner mentioned is possible on each side of the strip.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren, in denen beispielhaft Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Further details, features and advantages of the subject of the invention result from the following description in connection with the figures, in which exemplary embodiments of the invention are shown by way of example.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten wie auch die nachfolgend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind. It goes without saying that the features mentioned above as well as those explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1: Ausführungsbeispiel einer Beschichtungsanordnung mit beidseitig des Bands angeordneter Beschichtungsvorrichtung gemäß erster Ausführungsvariante; 1: An embodiment of a coating arrangement with a coating device arranged on both sides of the strip according to the first embodiment variant;
Fig. 2: Beschichtungsvorrichtung gemäß zweiter Ausführungsvariante . Fig. 2: Coating device according to the second embodiment.
Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Beschichtungsanordnung 1 mit beidseitig des Bands angeordneter Beschichtungsvorrichtung 2 gemäß erster Ausführungsvariante zu entnehmen. Beidseitig des Bands 3, das in der gezeigten Darstellung vertikal geführt wird, weist die1 shows an exemplary embodiment of a coating arrangement 1 with a coating device 2 arranged on both sides of the strip according to the first embodiment variant. On both sides of the band 3, which is guided vertically in the illustration shown, has the
Beschichtungsanordnung 1 jeweils eine Beschichtungsvorrichtung 2 auf, wobei die beiden Beschichtungsvorrichtungen 2 in der speziellen Ausführungsform der Fig. 1 identisch sind. Es handelt sich um eine Beschichtungvorrichtung, die einen Vorverdampfungsabschnitt und eine als Tiegel 13 ausgebildeten Nachverdampfungsabschnitt aufweist, Es ist eine Beschichtungskammer 4' vorhanden, in welcher ein Beschichtungskanal 4 angeordnet ist, wobei im Beschichtungskanal beispielsweise ein Gesamtdruck in der Größenordnung 100-300 mbar aufrechterhalten wird, wobei in dem Gesamtdruck die Summe der Partialdrücke an Trägergas und Beschichtungsgas beispielsweise mindestens 95 Prozent des Gesamtdrucks ausmachen, und durch den das Band 3 hindurchgeführt wird. Außerhalb des Beschichtungskanals sind Transportrollen 5, 6 einer Transportanordnung zum Transportieren des Bands 3 vorhanden, welche das Band 3 durch den Beschichtungskanal befördern. Es ist ein Spritzkopf 7 vorgesehen, in welchem ein Draht 8 des Ausgangsmaterials als Kathode und ein Draht 9 des Ausgangsmaterials als Anode geschaltet wird derart, dass ein Lichtbogen 10 zwischen beiden gezündet wird und der Lichtbogen 10 das Abtrennen von verdampften und/oder teilweise oder vollständig geschmolzenen Teilchen des Ausgangsmaterials bewirkt. Mit Bezug auf die Prozessführung vor der Drahtspritze ist ein Einlass für das Trägergas 11 vorhanden, in welches der Trägergasstrom eingeleitet wird. Der Trägergasstrom reißt in dem Lichtbogen abgetrennte Teilchen mit sich und führt diese weiter in das mit Bezug zur Prozessrichtung hinter dem Spritzkopf 7 angeordnete Injektorrohr 12. Das Injektorrohr 12 führt in den Tiegel 13 hinein, sodass das in dem Spritzkopf 7 aufbereitete Beschichtungsmaterial durch das Injektorrohr 12 in den Tiegel 13 hineingeleitet wird um in dem Tiegel 13 vollständig oder nahezu vollständig in die Gasphase zu verdampfen. Coating arrangement 1 each have a coating device 2, the two coating devices 2 being identical in the specific embodiment of FIG. It is a coating device that has a pre-evaporation section and a post-evaporation section designed as a crucible 13. There is a coating chamber 4' in which a coating channel 4 is arranged, with a total pressure of the order of 100-300 mbar being maintained in the coating channel, for example, with the sum of the partial pressures of carrier gas and coating gas being, for example, at least 95 percent of the total pressure in the total pressure constitute, and through which the tape 3 is passed. Outside the coating channel there are transport rollers 5, 6 of a transport arrangement for transporting the strip 3, which transport the strip 3 through the coating channel. A spray head 7 is provided, in which a wire 8 of the starting material is connected as the cathode and a wire 9 of the starting material is connected as the anode in such a way that an arc 10 is ignited between the two and the arc 10 separates vaporized and/or partially or completely molten particles of the starting material. With regard to the process control, there is an inlet for the carrier gas 11 in front of the wire sprayer, into which the carrier gas stream is introduced. The carrier gas flow entrains particles separated in the arc and guides them further into the injector tube 12, which is arranged behind the spray head 7 with respect to the process direction. The injector tube 12 leads into the crucible 13, so that the coating material processed in the spray head 7 flows through the injector tube 12 is introduced into the crucible 13 in order to evaporate completely or almost completely into the gas phase in the crucible 13 .
Tiegelausgangsseitig ist ein Düsenabschnitt 14 mit dem Tiegel 13 gekoppelt mit einem innerhalb des Beschichtungskanals angeordneten Düsenausgang 15 zum Richten des mit dem Trägergasstrom aus dem Tiegel herausgeführten in Gasphase vorliegenden Beschichtungsmaterials auf die zu beschichtende Bandoberfläche 16. On the crucible outlet side, a nozzle section 14 is coupled to the crucible 13 with a nozzle outlet 15 arranged within the coating channel for directing the coating material, which is present in the gas phase and carried out of the crucible with the carrier gas stream, onto the strip surface 16 to be coated.
Aus dem Beschichtungskanal heraus führen Absaugleitungen 17, 18, über welche eine Mischung aus Trägergas und Beschichtungsmaterial, letzteres insbesondere als Staub, Pulver, Flocken und/oder Dampf, aus dem Beschichtungskanal 4 abgesaugt wird. Die abgesaugte Mischung wird in eine Filtereinrichtung 19 geleitet und in dieser gefiltert; insbesondere wird ein zum Zurückführen in den Prozess geeigneter Anteil des abgesaugten Beschichtungsmaterial von dem Rest der Mischung getrennt. Die Filtereinrichtung 19 ist mit der aus einem Leitungssystem mit Sperrventilen und Fördermittel bestehendenSuction lines 17, 18 lead out of the coating channel, via which a mixture of carrier gas and Coating material, the latter in particular as dust, powder, flakes and/or vapor, is sucked out of the coating channel 4. The extracted mixture is fed into a filter device 19 and filtered in this; in particular, a proportion of the suctioned-off coating material that is suitable for recycling into the process is separated from the rest of the mixture. The filter device 19 is made up of a line system with shut-off valves and funding
Partikelzufuhreinrichtung 20 gekoppelt zum Zuführen von beim Reinigen der Mischung abgetrennten Partikeln in den Prozess hinein. Particle feed device 20 coupled for feeding particles separated during cleaning of the mixture into the process.
Das Zurückführen erfolgt in dem Vorverdampfungsabschnitt, bei dem es sich um die Gesamtheit aus Spritzkopf samt Gaszuführung und Injektorrohr handelt. In der gezeigten Ausführung mündet eine Leitung der Partikelzufuhreinrichtung mit einer Zuführmündung 21 mit Bezug auf die Gasstromrichtung hinter dem Spritzkopf 7 in einer Zufuhrleitung 22 zu dem Injektorrohr 12. Dadurch werden die Partikel wieder in den Prozess hineingeführt mit dem Ergebnis, dass die Ausbringung des eingesetzten Ausgangsmaterials deutlich erhöht ist. Auf der anderen Seite des Bands ist der Aufbau identisch, weswegen auf die Anbringung von Bezugszeichen verzichtet wird. The recirculation takes place in the pre-evaporation section, which is the entirety of the spray head including the gas supply and the injector tube. In the embodiment shown, a line of the particle feed device with a feed opening 21 opens behind the spray head 7 in a feed line 22 to the injector tube 12 with respect to the gas flow direction. The particles are thereby fed back into the process with the result that the output of the starting material used is significantly increased. The structure on the other side of the band is identical, which is why no reference numbers are attached.
Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel zu entnehmen. 2 shows another embodiment.
Gezeigt ist eine einseitige horizontale Beschichtungsanlage. Die Ausführungsform der Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 1 vornehmlich dadurch, dass die Partikel, die in Filter 19 gewonnen werden über die Partikeleinspeisung in den Gasstrom vor der Drahtspritze eingespeist, die Zuführmündung 21 der Partikelzufuhreinrichtung 20 in einer Leitung mündet, welche der Gasstromzufuhr zu dem Spritzkopf 7 dient. A one-sided horizontal coating system is shown. The embodiment of FIG. 2 differs from the embodiment of FIG. 1 primarily in that the particles that are obtained in the filter 19 are fed via the particle feed into the gas flow in front of the wire sprayer, the feed opening 21 of the particle feed device 20 opens into a line, which serves to supply the gas flow to the spray head 7 .
Selbstverständlich ist die Entscheidung, an welcher Position des Prozesses die Partikelzufuhr erfolgt, nicht von der Frage abhängig, ob eine beidseitige Beschichtung oder eine einseitige Beschichtung vorgenommen wird, sodass beispielsweise eine Partikelzufuhr gemäß Fig. 2 auch in der Anlage der Fig. 1 vorgenommen werden kann oder auch umgekehrt. Of course, the decision as to which position in the process the particles are fed in does not depend on the question of whether coating is on both sides or on one side Coating is carried out, so that, for example, a particle supply according to FIG. 2 can also be carried out in the system of FIG. 1 or vice versa.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Beschichtungsanordnung (2) zum Ablagern eines in Gasphase vorliegenden Beschichtungsmaterials auf einem Substrat (3), aufweisend eine Beschichtungskammer mit einem Beschichtungskanal (4), eine Beschichtungsvorrichtung, aufweisend: einen Verdampfungsabschnitt (11, 23, 7, 12, 13) mit einem Tiegel (13) zum in Gasphase bringen des Beschichtungsmaterials, einen ausgangsseitig des Verdampfungsabschnitts angeordneten, bevorzugt mit diesem gekoppelten, Düsenabschnitt (14) mit einem innerhalb der Beschichtungskammer mündenden Düsenausgang (15) zum Richten des aus dem Tiegel (13) herausgeführten in Gasphase vorliegenden Beschichtungsmaterials auf eine Substratoberfläche (16), auf welcher sich das in Gasphase vorliegende Beschichtungsmaterial ablagert, eine Partikelzufuhreinrichtung (20) mit einer Zuführmündung (21), die an dem Verdampfungsabschnitt (11, 23, 7, 12, 13) angeordnet ist zum Zuführen von Partikeln in den Verdampfungsabschnitt (11, 23, 7, 12, 13). A coating arrangement (2) for depositing a vapor-phase coating material on a substrate (3), comprising a coating chamber with a coating channel (4), a coating device comprising: an evaporation section (11, 23, 7, 12, 13) with a Crucible (13) for bringing the coating material into the gas phase, a nozzle section (14) arranged on the outlet side of the evaporation section, preferably coupled to it, with a nozzle outlet (15) opening inside the coating chamber for directing the coating material in the gas phase that is fed out of the crucible (13). on a substrate surface (16) on which the coating material present in the gas phase is deposited, a particle supply device (20) with a supply orifice (21) which is arranged at the evaporation section (11, 23, 7, 12, 13) for supplying particles into the evaporation section (11, 23, 7, 12, 13).
2. Beschichtungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtungsvorrichtung eine in den Verdampfungsabschnitt (11, 23, 7, 12, 13) weisende Trägergasstromzufuhr aufweist zum Zuführen eines Trägergasstroms eines Trägergases in den Verdampfungsabschnitt und durch diesen hindurch zum Mitführen des Beschichtungsmaterials. 2. Coating arrangement according to claim 1, wherein the coating device has a carrier gas flow feed pointing into the vaporization section (11, 23, 7, 12, 13) for supplying a carrier gas flow of a carrier gas into the vaporization section and through it for entraining the coating material.
3. Beschichtungsanordnung (2) nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, wobei die Beschichtungsvorrichtung als Jet-Vapor- Deposition-Vorrichtung ausgebildet ist. 3. Coating arrangement (2) according to claim 1 or claim 2, wherein the coating device is designed as a jet vapor deposition device.
4. Beschichtungsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikelzufuhreinrichtung (20) mit ihrer Zuführmündung (21) an dem Tiegel (13) angeordnet ist zum Zuführen von Partikeln in den Tiegel (13). 4. Coating arrangement (2) according to one of the preceding claims, wherein the particle feed device (20) is arranged with its feed opening (21) on the crucible (13) for feeding particles into the crucible (13).
5. Beschichtungsanordnung (2) nach Anspruch 1, wobei der Verdampfungsabschnitt einen Vorverdampfungsabschnitt (1, 23, 7, 12) und einen als Tiegel (13) ausgebildeten Nachverdampfungsabschnitt aufweist, wobei der Vorverdampfungsabschnitt (11, 23, 7, 12) einen Spritzkopf (7) zum Aufbereiten des als Ausgangsmaterial vorliegenden Beschichtungsmaterials und ein Injektorrohr (12) aufweist, wobei das Injektorrohr (12) das in dem Spritzkopf (7) aufbereitete Beschichtungsmaterial zu dem Tiegel (13) leitend ausgebildet und mit dem Tiegel (13) gekoppelt ist zum Führen des aufbereiteten Beschichtungsmaterials in den Tiegel (13) hinein, wobei die Partikelzufuhreinrichtung (20) mit ihrer Zuführmündung (21) an dem Vorverdampfungsabschnitt (11, 23, 7, 12) angeordnet ist zum Zuführen von Partikeln in den Vorverdampfungsabschnitt (11, 23, 7, 12). 5. Coating arrangement (2) according to claim 1, wherein the evaporation section has a pre-evaporation section (1, 23, 7, 12) and a post-evaporation section designed as a crucible (13), the pre-evaporation section (11, 23, 7, 12) having a spray head ( 7) for preparing the coating material present as the starting material and an injector tube (12), wherein the injector tube (12) is designed to conduct the coating material prepared in the spray head (7) to the crucible (13) and is coupled to the crucible (13) for Feeding the prepared coating material into the crucible (13), the particle feed device (20) being arranged with its feed opening (21) on the pre-evaporation section (11, 23, 7, 12) for feeding particles into the pre-evaporation section (11, 23, 7, 12).
6. Beschichtungsanordnung (2) nach Anspruch 5, wobei die Zuführmündung (21) die Partikel in eine, bevorzugt als Trägergasstromzufuhr ausgebildete, Gasstromzufuhr (23) zu dem Spritzkopf (7) oder in einen Aufbereitungsbereich des Spritzkopfes (7) zuführend ausgebildet ist. 6. The coating arrangement (2) according to claim 5, wherein the feed opening (21) feeds the particles into a gas flow feed (23), preferably designed as a carrier gas flow feed, to the spray head (7) or into a processing area of the spray head (7).
7. Beschichtungsanordnung (2) nach Anspruch 5 oder nach Anspruch 6, wobei der Spritzkopf (7) eine Drahtspritze ist für das Lichtbogenschmelzen und/oder Lichtbogenverdampfen von in die Drahtspritze eingeführten Ausgangsmaterials. 7. Coating arrangement (2) according to claim 5 or according to claim 6, wherein the spray head (7) is a wire spray gun for the arc melting and/or arc evaporation of starting material introduced into the wire spray gun.
8. Beschichtungsanordnung (2) nach Anspruch 5, wobei die Zuführmündung (21) die Partikel bezüglich der Prozessführung hinter dem Spritzkopf (7) und vor dem Tiegel (13) zu dem aufbereiteten Beschichtungsmaterial zuführend ausgebildet ist. 8. Coating arrangement (2) according to claim 5, wherein the feed orifice (21) feeds the particles behind the spray head (7) and in front of the crucible (13) with respect to the process control to the prepared coating material.
9. Beschichtungsanordnung (2) nach Anspruch 8, wobei die Zuführmündung (21) mit Bezug auf eine Gasstromrichtung des in Gasphase gebrachten Materials, bevorzugt zusätzlich des Trägergasstroms, hinter dem Spritzkopf (7) in einer Zufuhrleitung zu dem Injektorrohr (12) oder in dem Injektorrohr (12) mündet zum Zuführen der Partikel zu dem in dem Injektorrohr (12) geführten aufbereiteten Material, wobei bevorzugt der Spritzkopf (7) eine Drahtspritze ist für das Lichtbogenschmelzen und/oder Lichtbogenverdampfen von in die Drahtspritze eingeführten Ausgangsmaterials. 9. Coating arrangement (2) according to claim 8, wherein the feed opening (21) with respect to a gas flow direction of the material brought into the gas phase, preferably additionally the carrier gas flow, behind the spray head (7) in a feed line to the injector tube (12) or in the Injector tube (12) opens out to supply the particles to the processed material guided in the injector tube (12), the spray head (7) preferably being a wire spray gun for arc melting and/or arc evaporation of the starting material introduced into the wire spray gun.
10. Beschichtungsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikelzufuhreinrichtung (20) eine Zugabeöffnung aufweist zum Zugeben von zum Zuführen vorgesehenen Partikeln von außerhalb. 10. Coating arrangement (2) according to any one of the preceding claims, wherein the particle supply device (20) has an addition opening for adding particles intended for supply from the outside.
11. Beschichtungsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zum Absaugen von einer Mischung aus Prozessgas und Beschichtungsmaterial aus dem Beschichtungskanal (4) ausgebildete und über eine Absaugöffnung mit dem Beschichtungskanal verbundene Absaugleitung (17, 18) in eine zum Reinigen der aus dem11. Coating arrangement (2) according to one of the preceding claims, wherein a suction line (17, 18) designed to suck off a mixture of process gas and coating material from the coating channel (4) and connected to the coating channel via a suction opening into a to the
Beschichtungskanal abgesaugten Mischung ausgebildete Filtereinrichtung (19) führt, wobei die Filtereinrichtung (19) mit der Partikelzufuhreinrichtung (20) gekoppelt ist zum Zuführen von beim Reinigen der Mischung abgetrennten Partikeln zu dem Verdampfungsabschnitt (11, 23, 7, 12, 13), bevorzugt zu dem Vorverdampfungsabschnitt (11, 23, 7, 12). Coating channel aspirated mixture trained Filter device (19), wherein the filter device (19) is coupled to the particle supply device (20) for supplying particles separated during cleaning of the mixture to the evaporation section (11, 23, 7, 12, 13), preferably to the pre-evaporation section (11 , 23, 7, 12).
12. Beschichtungsanordnung (2) nach Anspruch 11, wobei von der Filtereinrichtung (19) ausgehend eine Rückführleitung in den Beschichtungskanal hineinführt zum Zurückführen von beim Reinigen der Mischung abgetrenntem Prozessgas. 12. Coating arrangement (2) according to claim 11, wherein, starting from the filter device (19), a return line leads into the coating channel for returning process gas separated during cleaning of the mixture.
13. Beschichtungsanordnung (2) nach Anspruch 11 oder nach Anspruch 12, wobei der Druck in der Filtereinrichtung (19) kleiner ist als der Druck am Ort der Zuführmündung (21), wobei bevorzugt zwischen Filtereinrichtung (19) und Zuführmündung (21) eine oder mehrere Fluidsperren angeordnet sind. 13. Coating arrangement (2) according to claim 11 or claim 12, wherein the pressure in the filter device (19) is lower than the pressure at the location of the feed opening (21), wherein preferably between the filter device (19) and the feed opening (21) one or several fluid barriers are arranged.
14. Beschichtungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Filtereinrichtung (19) einen Zyklon- Abscheider und/oder einen Elektrofilter und/oder einen Tuchfilter und/oder einen flüssigkeitsbasierten Filter aufweist . 14. Coating arrangement (2) according to one of claims 11 to 13, wherein the filter device (19) comprises a cyclone separator and/or an electrostatic precipitator and/or a cloth filter and/or a liquid-based filter.
15. Beschichtungsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zuführen von Partikeln eingestellt wird zu mPartikei <15. Coating arrangement (2) according to any one of the preceding claims, wherein the supply of particles is set to m part ikei <
0,8 mDraht, bevorzugt mPartikei < 0,5 mDraht, und/oder effektive Durchmesser von wenigstens 90 Prozent der zugeführten Partikel, besonders bevorzugt wenigstens 99 Prozent der zugeführten Partikel, zwischen 50 nm und 1 mm, bevorzugt zwischen 50 nm und 50 gm, eingestellt wird, und/oder0.8 m wire , preferably m particles <0.5 m wire , and/or effective diameter of at least 90 percent of the particles supplied, particularly preferably at least 99 percent of the particles supplied, between 50 nm and 1 mm, preferably between 50 nm and 50 gm, and/or
Partikel mit einem effektiven Durchmesser von 1 mm oder mehr nicht zugeführt werden. Particles with an effective diameter of 1 mm or more are not fed.
16. Beschichtungsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikelzufuhreinrichtung (20) einen Spiralförderer und/oder eine Schnecke aufweist zum Dosieren der Partikel. 16. Coating arrangement (2) according to one of the preceding claims, wherein the particle supply device (20) has a spiral conveyor and/or a screw for dosing the particles.
17. Beschichtungsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Injektorrohr (12) aktiv erhitzbar ausgebildet ist und/oder der Tiegel (13) als Zyklon ausgebildet ist. 17. Coating arrangement (2) according to one of the preceding claims, wherein the injector tube (12) is designed to be actively heated and/or the crucible (13) is designed as a cyclone.
18. Beschichtungsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beschichtungskanal (4) zum Durchführen von Band, insbesondere metallischem Band, beispielsweise Stahlband, ausgebildet ist und außerhalb des Beschichtungskanals (4), bevorzugt außerhalb der Beschichtungskammer, eine Transportanordnung (5, 6) zum18. Coating arrangement (2) according to one of the preceding claims, wherein the coating channel (4) is designed for the passage of strip, in particular metallic strip, for example steel strip, and outside the coating channel (4), preferably outside the coating chamber, a transport arrangement (5, 6) to
Transportieren des Bands durch den Beschichtungskanal (4) hindurch angeordnet ist. Transporting the tape through the coating channel (4) is arranged through.
19. Beschichtungsanordnung (1), beidseitig des Bands (3) jeweils eine Beschichtungsvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweisend. 19. Coating arrangement (1), each having a coating device (2) according to one of the preceding claims on both sides of the strip (3).
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