WO1997046729A1 - Beschichtungsvorrichtung und verfahren zur beschichtung eines bauteils mit einer wärmedämmschicht - Google Patents

Beschichtungsvorrichtung und verfahren zur beschichtung eines bauteils mit einer wärmedämmschicht Download PDF

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Burkhard Hayess
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Definitions

  • the invention relates to a method for coating a component with a thermal insulation layer, in which the component is arranged in a coating chamber.
  • the invention further relates to a coating device for producing a thermal insulation layer on the component with a heating device for heating the component and a vacuum generating device.
  • thermal insulation layer system 15 nes thermal insulation layer system with an intermetallic adhesion promoter coating for a small metallic component, in particular an aircraft engine blade with a longitudinal expansion of about 5 cm.
  • the actual thermal insulation layer made of zirconium oxide is
  • Component deposited, zirconium and yttrium oxides are evaporated from an metal oxide body with an electron beam gun. The method is carried out in a device in which the component before the coating process
  • a heater is provided in the device, with which the component from above, if necessary, in addition to the heating by the zirconium oxide to be deposited and by the radiation emanating from the surface of the evaporating ceramic body
  • 35 component form a thermal insulation layer made of zirconium oxide with a rod-shaped microstructure.
  • US Pat. No. 4,676,994 describes a method for depositing a ceramic coating on a substrate which has a ceramic surface.
  • a first ceramic material is heated in a vacuum by an electron beam so that it forms a substoichiometric ceramic fluid.
  • the substrate is heated in a vacuum to a temperature of over 900 ° C. and the first ceramic material is then vapor-deposited sub-stoichiometrically to form a dense ceramic layer. On this dense ceramic layer, a layer of a ceramics-oriented ceramic is applied.
  • the substrate temperature is kept at a value between 900 ° C. and 1200 ° C. and the vacuum pressure is preferably below 13 ⁇ 10 -3 Pa.
  • the stenge-shaped ceramic layer has an oxygen partial pressure between 60 x 10 "3 Pa to 0.27 Pa and the total partial pressure of other gases is less than 10% of the total pressure. The method was carried out, for example, on a gas turbine blade with a maximum length of 10 cm.
  • DE 195 22 331 A1 describes a process for cathodic arc evaporation for the production, in particular, of metal oxide layers and of layers of alloy oxides.
  • a target is evaporated in an atmosphere with oxygen by cathodic arc evaporation, so that the oxide of the metal alloy is essentially in a single crystallographic phase.
  • the oxygen partial pressure during the coating process is observed and deviations from a desired partial pressure are minimized by setting at least one of the quantities oxygen mass flow, arc burning voltage or field strength of a magnetic field which is essentially perpendicular to the target surface.
  • the burning voltage is observed and deviations from a target burning voltage are caused by setting at least one of the quantities oxygen mass flow or the magnet. field minimized.
  • the frequency spectrum of the discharge current is observed and deviations of characteristic components of the spectrum from target characteristics are minimized by setting the fuel voltage, the oxygen mass flow or the magnetic field mentioned.
  • the above-mentioned variables are preferably set automatically by a process operating point control circuit.
  • the method is aimed exclusively at applying a coating made of an aluminum oxide or a chromium oxide.
  • DD-PS 299 902 A7 describes a method for operating a plasma arc of a hollow cathode evaporator source, in which an emergency shutdown is largely prevented when operational irregularities occur in the plasma arc.
  • a logic signal is formed as a function of a voltage drop between the hollow cathode and the evaporator crucible or from which a leakage current is established from the potential of the vacuum chamber via a resistance to the anode. Depending on the value of this logic signal
  • the hollow cathode specified therein has a linear structure in the sense that plates made of zircon are arranged side by side in a housing. An inert gas stream can be passed between two adjacent plates, so that a plasma of inert gas atoms is formed between adjacent plates.
  • the process was used to coat test specimens made of silicon, stainless steel and glass with aluminum oxide. During the coating, the temperature of a test body was between 100 ° C.
  • the pressure inside the coating chamber was approximately 10 "8 Pa and the amount of oxygen supplied was 4.5 cm 3 min " 1 .
  • the deposited aluminum layer had a thickness of between 0.5 ⁇ m to 6.0 ⁇ m and an essentially ⁇ -microstructure.
  • the object of the invention is to provide a method for coating a component with a thermal insulation layer in order to achieve a high resistance to thermal alternating stresses.
  • Another object of the invention is to provide a coating device for producing a thermal insulation layer on a component.
  • the object directed to a method for coating a component with a thermal insulation layer is achieved in that the component is arranged in a coating chamber and is kept at a component temperature, and a vacuum is set in the coating chamber, wherein at least during the deposition of the thermal insulation layer on the component, several process variables, in particular vacuum pressure, component temperatures and atmospheric composition, are regulated together, so that the process variables influencing interactions lie in a respective target value range and the thermal insulation layer grows on the component with a stem structure with ceramic stems.
  • the process variables lie in a parameter window to be observed, which ensures that the required layer structure is maintained.
  • the essential process variables are preferably regulated jointly and simultaneously.
  • Such target value ranges can be found, for example, in known structure zone models for coatings produced by means of PVD (Physical Vapor Deposition) or from experimental investigations.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • a common control of the vacuum pressure, the component temperature and the atmosphere during the coating process ensures that the process variables lie safely in the specified target value ranges and thus a thermal insulation layer with a rod-shaped microstructure is created.
  • This is particularly advantageous compared to a method in which only a non-monitored presetting of the process variables is carried out or an independent regulation or control of each individual process variable takes place, since in these cases there is a risk that although a process variable lies within the permitted setpoint range, the other process variable lies outside the setpoint range.
  • a thermal insulation layer with a rod-shaped microstructure, in which rod-shaped ceramic stems are preferably oriented normally to the surface of the component, is particularly well suited to absorbing thermal alternating stresses.
  • a fine stem structure with an average stem diameter of less than 10 ⁇ m, in particular less than 5 ⁇ m, is particularly advantageous, since it achieves a high tolerance for expansion. Differences in the thermal expansion coefficients of the metallic component in particular and the ceramic thermal insulation layer are well compensated for. This is particularly advantageous for components of an industrial gas turbine, such as a combustion chamber lining and a gas turbine blade, since these are exposed to temperature fluctuations between room temperature and more than 1000 ° C.
  • Metal oxide ceramics are suitable as thermal insulation layers, e.g.
  • PVD methods are suitable as methods for producing the material forming the thermal barrier layer, such as, for example, an electron beam PVD method, the reactive gas flow sputtering method or methods which lead to the evaporation of the coating material, e.g. Thermal spraying in high vacuum.
  • Intervention the entire coating process runs automatically. Even in the event of faults in the corresponding coating process direction can thus be automatically influenced in a flexible manner on the coating process.
  • the process is adapted even when disturbance variables are involved. If a reactive gas is introduced into the coating chamber during the coating process, the process variable inflow quantity of reactive gas and / or partial pressure of the reactive gas is preferably controlled jointly with the other process variables. The suitable chemical composition of the thermal insulation layer is ensured by a controlled supply of the reactive gas.
  • the process variables are preferably used to jointly regulate the plant states and large ones, which have an influence on the deposition of the thermal insulation layer.
  • This relative movement is preferably a rotation of the component about a longitudinal axis, so that the material is deposited uniformly on the entire surface of the component, for example zirconium oxide partially stabilized with yttrium oxide.
  • Another movement can be superimposed on the relative movement, e.g. a
  • the setpoint range of the component temperature is between 900 ° C. and 1150 ° C., in particular between 950 ° C. and 1050 ° C., in particular when coating a metallic component of a gas turbine system.
  • the setpoint range of the vacuum pressure is between 10 " mbar and 10 " mbar, in particular between 10 "4 mbar and 10 " 6 mbar.
  • the specified target value ranges for component temperature and vacuum pressure there is good adhesion of the metal-ceramic layer to the component, possibly with the intermediation of one or more adhesive layers, and a good compensation of the different coefficients of thermal expansion through the rod-shaped microstructure of the thermal insulation layer.
  • the partial pressure of the reactive gas is preferably in a target value range between 10 "3 mbar and 10 " 1 mbar, in particular around 10 " mbar. This ensures that there is a sufficient amount of reactive gas, oxygen for oxidation or nitrogen for nitration. which ensures the required chemical composition of the thermal insulation layer.
  • the method is particularly suitable for a component with partial areas of widely differing mass concentrations.
  • a largely uniform heating is preferably set in the component. This is particularly advantageous in the case of turbine blades in which there is a thin-walled blade profile part and a thick-walled base part or cover plate part.
  • Uniform heating and compliance with a setpoint range for the component temperature ensure uniformly good adhesion of the thermal insulation layer over the entire surface of the component to be coated and the formation of the stem-shaped microstructure.
  • a maximum temperature range of ⁇ 50 K as a deviation from the setpoint is not exceeded.
  • the wall thickness in the first partial area, the thin-walled partial area is in a ratio of 1: 5 to 1: 200, in particular from 1:10 to 1: 100, to the wall thickness of the second partial area, the thick-walled or all-metal part.
  • the component in particular a turbine blade of an industrial gas turbine, can have a weight of between 1 kg and 15 kg.
  • the thin-walled blade profile region extending along a longitudinal axis can have an expansion of more than 20 cm.
  • the object directed to a coating device for producing a thermal insulation layer on a component is achieved by a device which has a heating device for heating the component and at least one temperature sensor for determining the temperature of the component, and a vacuum generating device, in particular a vacuum pump, and one Has vacuum pressure measuring device, wherein the devices and the temperature transmitter are connected to a control device for joint control of several process variables of the coating process, such as the temperature of the component, vacuum pressure and gas composition.
  • the device can thus also be used to coat components with a strongly locally fluctuating mass concentration, such as a turbine blade of an industrial gas turbine, with a heat-insulating layer which has good adhesion to the component and high resistance to thermal alternating stresses.
  • Further process variables and system variables for operating the coating device can be controlled jointly. In addition to the conditions for achieving a rod-shaped microstructure of the thermal insulation layer, this also provides the deposition rate, the degree of oxidation of the material forming the thermal insulation layer, in particular a metal oxide, and movement control of the component in the coating device.
  • the coating device has a coating source comprising a hollow cathode, through which an inert gas such as argon can flow, comprising a cathode material and an anode. Furthermore, it has a holding device for positioning the component, the hollow cathode having a gas outlet opening facing the holding device and a gas inlet opening for the inert gas.
  • the cathode material preferably consists of an alloy comprising zirconium and a stabilizer metal, such as yttrium.
  • a feed for a reactive gas in particular an oxidizer feed for an oxidation of the zirconium outside the hollow cathode, is provided.
  • the zircon or yttrium led out of the hollow cathode with the inert gas is completely oxidized by the addition of oxygen and is deposited on the component as a zirconium oxide thermal insulation layer partially stabilized with yttrium oxide.
  • This thermal insulation layer has a post-shaped micro structure with an average diameter of preferably between 0.3 ⁇ m and 5.0 ⁇ m, the ceramic posts being directed essentially normal to the surface of the component.
  • nitrogen can also be added to the metal emerging from the hollow cathode, as a result of which corresponding metal nitrides are formed.
  • the coating device can also be used to carry out an electron beam PVD process with a corresponding electron beam gun and other necessary Components that are controlled via the control device in accordance with the required target value ranges of the process variables are implemented.
  • Process variables here can be the electrical variables (voltage / current or voltage / power) of the electron beam gun, the control variables of the defocusing and electron beam deflection systems and pump control variables, such as pressure in the cathode chamber and / or pressure in the intermediate stage.
  • the control device is preferably structured hierarchically with a master system for coordinating the overall process of the coating process and a plurality of subsystems for controlling one or more process and / or system sizes.
  • the master system and the subsystems can be arranged spatially separated from one another.
  • the master system provides real-time monitoring of the relevant process and system variables for overall process control, in particular in the event of disturbance variables.
  • the subsystems are managed via the master system.
  • Appropriate programming of the master system which is preferably embodied as a programmable process control, provides a flexible definition of the entire coating process. In this way, a defined and stable environmental condition in the coating atmosphere for the component, in particular a turbine blade, can be achieved.
  • a defined layer thickness distribution along the surface to be coated is thus given in a simple manner by the flexible process control.
  • the control device ensures that the target value ranges of the essential coating process parameters, such as the temperature of the component, vacuum pressure and gas composition, are adhered to.
  • 1, 2 a schematic representation of a coating device with control device
  • FIG. 3 shows a structure of a control device.
  • the coating device has a coating chamber 2, in which a vacuum of less than 1 mbar can be generated by a vacuum generating device 18.
  • a rod-shaped anode 11 is arranged inside the hollow cathode 10 and is connected to the hollow cathode 10 via a direct voltage supply 24.
  • the DC voltage supply 24 is also connected to the control device 22.
  • the hollow cathode 10 has a cathode material 12 which is designed as a hollow cylinder or, for example, consists of individual plates filling the inner wall of the hollow cathode 10.
  • the cathode material 12 is zirconium, to which yttrium is alloyed in a predetermined ratio, for example 3% by weight to 10% by weight.
  • the hollow cathode 10 has a gas inlet opening 14 which is connected to a gas supply (not shown) for introducing an inert gas 23, in particular argon. The inert gas flow required for this is regulated via the control device 22.
  • the hollow cathode 10 has a gas outlet opening 13, from which the inert gas 23 flows out after passing through the region between cathode material 12 and anode 11.
  • a supply 16 for reactive gas, in this case an oxidant supply 16, through which oxygen can be introduced into the coating chamber 2 in a controlled manner via the control device 22 is arranged geodetically above the gas outlet opening 13 with a mouth area.
  • Geodetically above the A component 1, here schematically represented as a gas turbine blade, is held in a holding device 8 in the oxidant supply 16.
  • the holding device 8 can be electrically connected to the hollow cathode 10 via an additional voltage supply 26 which is controlled by the control device 22.
  • a direct voltage that can be applied between the hollow cathode 10 and the holding device 8 or the component 1 can serve to clean the surface of the component 1 by ionized inert gas atoms.
  • the holding device 8 preferably has a drive device, not shown, which is connected to a control device 22.
  • the drive device ensures a continuous rotation of the component 1 about its longitudinal axis 27.
  • Geodetically above the component 1 there is a heating device 9 for heating the component 1 via heat radiation and / or convection, which is also connected to the control device 22.
  • the heating device 9 can of course also be arranged on the same geodetic level next to the component 1, depending on the requirements.
  • a vacuum pressure measuring device 19 is also provided, which is also connected to the control device 22.
  • At least one temperature sensor 17, for example a thermocouple, which is also connected to the control device 22, is arranged on the component 1 in order to record its component temperature or component temperature distribution.
  • the vacuum generating device 18 is also connected to the control device 22.
  • the control device 22 has a master system 20 to which a large number of subsystems 21a to 21m are assigned and subordinated.
  • the master system 20 takes over the coordination tasks for controlling an entire coating cycle, in particular the system sizes of the coating device 15, the process control and the movement control of the component 1.
  • the master system 20 determines the overall time sequence of the coating process. tungsproze ⁇ ses and the management of the individual subsystems 21a to 21m and their control loops.
  • a complete coating process can be technically divided into the subtasks a) setting the component state before coating (preheating to germination temperature, reducing ambient pressure to coating pressure), b) deposition of the thermal insulation layer in the required properties with regard to structure, adhesion, Layer thickness, and c) traceability of the component state to ambient conditions (room temperature and atmospheric air pressure).
  • the process control by the master system 20 is designed in such a way that the required subsystems 21a to 21m are activated for the chronological sequence of the individual process steps and regulate the relevant process and / or plant sizes.
  • a cooling circuit control 21a cools all components of the coating device 15 to be cooled as well as other system parts, not shown, so that they are kept at a constant temperature for perfect operation.
  • the component 1 is preferably preheated in the loading chamber.
  • a preheating chamber that is specially used for preheating can also be provided spatially, for example via a lock, for example.
  • the loading chamber is evacuated to a pressure of 10 mbar, the regulation being carried out via the subsystem 21h, the chamber pressure regulation.
  • the setpoint of the chamber pressure can be freely specified.
  • the chamber pressure control 21h controls a vacuum pumping station with a connected pressure measuring point 19 and has a separately programmable pressure control circuit which ensures the regulation of the pressure within a freely predeterminable pressure fluctuation.
  • the loading chamber is then flooded to 200 mbar with argon, evacuated again to 10 mbar and then flooded again to 800 mbar with argon. This is followed by convective preheating of the component up to 700 ° C.
  • the pressure in the loading chamber is kept constant via the subsystem chamber pressure control 21h.
  • the heating of the component 1 is controlled simultaneously via the subsystems heater current source control 21e and component temperature control 21k. For this purpose, the measured values of the temperature sensor 17 are evaluated and a heating graph is determined therefrom.
  • a setpoint value can be specified for the heating gradient, this serving as a reference variable for the subsystem heater current source control 21e.
  • Further process and system sizes are the preheating temperature of component 1 and a fan speed for generating the convective preheating by means of a fan, not shown in any more detail.
  • the component 1 is rotated about its longitudinal axis 27, which is controlled via the subsystem movement system 21m. Reaching the preheating temperature, in particular 700 ° C., is detected by the component temperature control 21k. Then there is a transition to radiation heating of component 1.
  • the fan (not shown) is switched off and new setpoints for the component temperature and the chamber pressure are specified, which correspond to the required germination temperature and the coating pressure in the coating chamber 2.
  • the inflow of reactive gas is regulated via the subsystem gas flow control 21c and the subsystem current source control 21d in order to set the required gas atom stoichiometry during the layer deposition.
  • the coating source 6 is activated via the subsystems source control 21g and coating current source control 21f and the concentration of the coating material, in particular zirconium, is corrected in a metal atom cloud.
  • the component temperature control subsystem 21k detects the reaching of the germination temperature. If the germination temperature and coating pressure have been reached at the same time, the heater current source control subsystem 21e is switched off.
  • the lock between the loading chamber and the coating chamber 2 is opened and the movement of the component 1 into the coating chamber 2 is controlled via the subsystem movement system 21m.
  • the chamber pressure in the coating chamber 2 is regulated via the chamber pressure control subsystem 21h to a freely definable target value range of the vacuum pressure.
  • the coating source 6 is adjusted to the stationary condition for the deposition process by means of the coating source control 21g.
  • the chamber pressure control subsystem 21h regulates the vacuum pressure in the specified target value range simultaneously with a component temperature control 21k, which is carried out by means of a component temperature control 21k, in order to achieve a ceramic thermal insulation layer with a rod-shaped microstructure.
  • a gas atmosphere control takes place via the subsystem 21b chamber atmosphere control.
  • the movement system 21m subsystem is used to move the component 1 in a targeted manner in order to make particularly favorable use of the cloud of coating material generated by the coating source 6 and the supply of the reactive gas 16.
  • the stationary inflow of reactive gas into the coating chamber 2 is carried out within a defined fluctuation for the chamber atmosphere (subsystem chamber atmosphere control 21b).
  • Increased oxygen partial pressures, which can lead to arcing in the coating source 6, are recognized prematurely by monitoring the current flow and / or the voltage of the coating source 6 and avoided by timely reduction in the power of the coating source 6.
  • the component 1 is brought from the coating chamber 2 into the loading chamber and cooled to about 500 ° C. with predetermined cooling gradients.
  • the pressure in the loading chamber is increased by the inflow of argon and activation of the fan, with cooling devices which are not described in more detail acting as a heat sink.
  • the cooling is monitored via the temperature sensor 27 and the component temperature control subsystem 21k.
  • the cooling speed is adaptively regulated by regulating the pressure, regulating the fan speed and regulating the inflow of argon.
  • the pressure in the loading chamber is regulated to over 1 bar by argon flowing in via the chamber atmosphere control system 21h.
  • the component is cooled to about 100 ° C. with a high cooling gradient. Subsequently, a regulated pressure compensation takes place between the loading chamber and the ambient atmosphere through the subsystem chamber pressure regulation 21h. This completes the complete coating cycle coordinated by the master system 20.
  • the coating process can be carried out for any suitable coating method, in particular a PVD method, such as the reactive gas flow sputtering method or the electron beam PVD method.
  • a coating process by means of an electron beam PVD method can be carried out similarly to the process described above with a corresponding coating device 15.
  • a coating device 15 for carrying out an electron beam PVD method is shown schematically and not to scale.
  • the coating device has a coating chamber 2, in which a vacuum of less than 10 2 Pa can be generated by a vacuum generating device 18.
  • electron beam cannons 28 are arranged, which are connected via a power supply 29 between the power supply 29 and the control device 22 a connection.
  • a feed device 30 which conveys a ceramic coating material 31 in the form of a rod into the coating chamber.
  • the feed device 30 is also connected to the control device 22.
  • a component 1, here shown schematically as a gas turbine blade, is held geodetically above the feed device 30 in a holding device 8.
  • the holding device 8 is connected to an additional voltage supply 32, which in turn is connected to the control device 22.
  • the holding device 8 preferably has a drive device, not shown, which is connected to a control device 22. The drive device ensures a continuous rotation of the component 1 about its longitudinal axis 27.
  • a feed 16 for reactive gas in this case an oxidant feed 16
  • a heating device 9 is arranged geodetically above the component 1, which is also connected to the control device 22.
  • a vacuum pressure measuring device 19 is also provided in the coating chamber 2 and is also connected to the control device 22.
  • At least one temperature sensor 17, for example a thermocouple, is arranged on the component 1 to determine its component temperature or component temperature distribution and is also connected to the control device 22.
  • the vacuum generating device 18 is also connected to the control device 22.
  • a control device 22 for carrying out a coating process by means of an electron beam PVD process is constructed analogously to the device shown in FIG. Only a connection and interaction between the gas flow control 21c and source control 21g subsystems can be omitted.
  • the loading chamber is evacuated to a pressure of 10 "2 Pa, the regulation being carried out via the subsystem 21h, the chamber pressure regulation.
  • the setpoint value of the chamber pressure is freely definable.
  • the reaching of the preheating temperature, in particular 700 ° C., is detected by the component temperature control system 21k. Thereafter, the chamber pressure is raised to the coating pressure setpoint of up to 5 Pa by means of a reactive gas supply into the preheating chamber via a reactive gas introduction device, not shown.
  • the component temperature control 21k is effective at the same time and keeps the component temperature at 700 ° C.
  • the chamber pressure control 21h and the chamber atmosphere control 21b are also activated and monitor compliance with the setpoint chamber pressure as a total pressure and the setting of the required chamber atmosphere composition as partial pressures of the individual gases or as a total pressure of the previously regulated gas inflows.
  • the component 1 is further preheated to the germination temperature by specifying a new setpoint for the component temperature which corresponds to the germination temperature.
  • the required coating pressure and the gas atmosphere composition are regulated at the same time via the sub-systems chamber pressure control 21k and chamber atmosphere control 21b. Only when the setpoints are signaled at the same time for both quantities - chamber pressure and gas atmosphere composition - does the electron beam gun 28 generate an electron beam 33, which is directed towards the coating material 31 and the ceramic coating material evaporates.
  • the source control 21g activated by the control device 22, regulates the advance of the ceramic coating material 31 via the advance device 30 and the power of the electron beam gun 28 via the power supply 29 to steady-state evaporation conditions.
  • the chamber atmosphere control 21b coupled with the subsystem gas flow control 21c makes the stationary addition of a reactive flow from reactive defined fluctuation for the chamber atmosphere. After finishing the coating, cooling takes place, as already explained above.
  • the invention is characterized in that during the coating process, i.e. a deposition of a ceramic
  • Thermal insulation layer on a component several, in particular more than two, preferably the essential process variables required to achieve a predetermined microstructure of the thermal insulation layer are simultaneously and jointly regulated in a respective setpoint range.
  • the system sizes in the complex are also regulated.
  • a complete coating cycle comprising a warming-up process, the actual coating process and a cooling process are coordinated in a predetermined sequence by a master system.
  • a corresponding regulation includes a suitable adaptation of the process variables when interference occurs.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils (1) mit einer Wärmedämmschicht (3), bei dem das Bauteil (1) in einer Beschichtungskammer (2) angeordnet und auf einer Bauteiltemperatur gehalten wird. In der Beschichtungskammer (2) wird ein Vakuum eingestellt, wobei zumindest während des Beschichtungsprozesses mit einer Abscheidung von die Wärmedämmschicht (3) bildendem Material die Prozessgrössen Vakuumdruck und Bauteiltemperatur gemeinsam geregelt werden. Diese Regelung erfolgt derart, dass die Prozessgrössen in einem jeweiligen Sollwertbereich liegen und die Wärmedämmschicht (3) mit einer Stengelstruktur auf dem Bauteil aufwächst.

Description

Beschreibung
Beschickungsvorrichtung und Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit einer Warmedämmschicht 5
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit einer Warmedämmschicht, bei dem das Bauteil in einer Beschichtungskammer angeordnet wird. Die Erfindung be¬ trifft weiterhin eine Beschichtungsvorrichtung zur Herstel¬ le) lung einer Warmedämmschicht auf dem Bauteil mit einer Behei¬ zungseinrichtung zur Erwärmung des Bauteils und einer Vakuum¬ erzeugungseinrichtung.
In der US-PS 5,238,752 ist ein Verfahren zur Herstellung ei-
15 nes Wärmedämmschichtsystems mit einem intermetallischen Haft- vermittlungsüberzug für ein kleines metallisches Bauteil, insbesondere eine Flugtriebwerksschaufel mit einer Längsaus- dehnung von etwa 5 cm, beschrieben. Die eigentliche Warme¬ dämmschicht aus Zirkonoxid wird mittels eines Elektronen-
20 strahl-PVD(Physical-Vapour-Deposition) -Verfahrens auf dem
Bauteil abgeschieden, wobei mit einer Elektronenstrahlkanone aus einem metalloxidischen Körper Zirkon- und Yttriumoxide verdampft werden. Das Verfahren wird in einer Vorrichtung durchgeführt, in der das Bauteil vor dem Beschichtungsvorgang
25 auf eine Temperatur von etwa 950 °C bis 1000 °C vorgeheizt wird. In der Vorrichtung ist eine Heizung vorgesehen mit der das Bauteil von oben ggf. zusätzlich zu der Aufheizung durch das abzuscheidende Zirkonoxid und durch die von der Oberflä¬ che des verdampfenden Keramikkörpers ausgehende Strahlung
30 aufgeheizt werden kann. In der Vorrichtung wird zur Abschei¬ dung des Zirkonoxids ein Vakuum von etwa 7 x 10"3 Pa (7xl0~5 mbar) erzeugt und mit der Elektronenstrahlkanone eine Ab- scheidungsrate von etwa 100 μm/h bis 250 μm/h erzielt. Bei diesen Betriebseinstellungen soll sich auf dem kleinen metal-
35 lischen Bauteil eine Warmedämmschicht aus Zirkonoxid mit stabförmiger MikroStruktur ausbilden. In der US-PS 4,676,994 ist ein Verfahren zum Abscheiden einer keramischen Beschichtung auf einem Substrat, welches eine ke¬ ramische Oberfläche aufweist, beschrieben. Hierbei wird ein erstes keramisches Material in Vakuum durch einen Elektronen- strahl so aufgeheizt, daß es ein unterstöchiometrisches kera¬ misches Fluid bildet. Das Substrat wird in Vakuum auf eine Temperatur von über 900 °C erhitzt und darauf das erste kera¬ mische Material unterstöchiometrisch aufgedampft, um eine dichte Keramikschicht zu bilden. Auf diese dichte Keramik- schicht wird eine Schicht aus einer stengeiförmig ausgerich¬ teten Keramik aufgebracht. Während der DampfabScheidung der unterstöchiometrischen Keramik zur Erzeugung der dichten Ke¬ ramikschicht wird die Substrattemperatur auf einem Wert zwi¬ schen 900 °C und 1200 °C gehalten und der Vakuumdruck liegt vorzugsweise unter 13 x 10"3 Pa. Während der Beschichtung der dichten Keramikschicht mit der stengeiförmigen Keramikschicht liegt ein Sauerstoffpartialdruck zwischen 60 x 10"3 Pa bis 0,27 Pa vor und der gesamte Partialdruck anderer Gase beträgt weniger als 10% des gesamten Druckes. Das Verfahren wurde beispielsweise an einer Gasturbinenschaufel mit einer maxima¬ len Länge von 10 cm durchgeführt.
In der DE 195 22 331 AI ist ein Verfahren zum kathodischen Bogenverdampfen für die Herstellung insbesondere von Metall- oxidschichten und von Schichten von Legierungsoxiden be¬ schrieben. Hierbei wird durch kathodisches Bogenverdampfen ein Target in einer Atmosphäre mit Sauerstoff verdampft, so daß das Oxid der Metall-Legierung im wesentlichen in einer einzigen kristallographen Phase vorliegt. Der Sauerstoff-Par- tialdruck während des Beschichtungsprozesses wird beobachtet und Abweichungen von einem Soll-Partialdruck werden durch Stellen zumindest einer der Größen Sauerstoff-Massenfluß, Bo- genbrennspannung oder Feldstärke eines zur Targetfläche im wesentlichen senkrechten Magnetfeldes minimalisiert. Alterna- tiv wird die Brennspannung beobachtet und werden Abweichungen von einer Soll-Brennspannung durch Stellen mindestens einer der Größen Sauerstoff-Massenfluß oder des genannten Magnet- feldes minimalisiert. Als dritte alternative Möglichkeit wird das Frequenzspektrum des Entladestroms beobachtet und Abwei¬ chungen charakteristischer Komponenten des Spektrums von Soll-Charakteristika durch Stellen der BrennstoffSpannung, des Sauerstoff-Massenflusses oder des genannten Magnetfeldes minimiert. Das Stellen der obengenannten Größen erfolgt vor¬ zugsweise automatisch durch einen Prozeßarbeitspunkt-Regel¬ kreis. Das Verfahren ist dabei ausschließlich auf das Auf¬ bringen einer Beschichtung aus einem Aluminiumoxid oder einem Chromoxid gerichtet.
In der DD-PS 299 902 A7 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Plasmabogens einer Hohlkathodenverdampferquelle beschrieben, bei dem bei Auftreten betriebsbedingter Unregelmäßigkeiten des Plasmabogens eine Notabschaltung weitgehend verhindert ist. Hierbei wird in Abhängigkeit von einem Spannungsabfall zwischen der Hohlkathode und dem Verdampfertiegel oder von dem sich vom Potential der Vakuumkammer über einen Widerstand zur Anode einstellenden Ableitstrom ein logisches Signal ge- bildet wird. Je nach Wert dieses logischen Signals werden
Maßnahmen ergriffen, um eine Notabschaltung zu verhindern.
In dem Artikel "Zirconia thin film deposition on Silicon by reactive gas flow sputtering: the influence of low energy particle bombardment" von T. Jung und A. Westphal, in Mate¬ rial Sience and Engineering, A 140, 191, Seiten 528 bis 533, ist zur Herstellung einer Zirkonoxid-Schicht auf einem Halb¬ leitersubstrat, insbesondere auf Silizium-Basis, das soge¬ nannte reaktive Gasflußsputter-Verfahren angegeben. Gemäß diesem Sputter-Verfahren wird ein Inertgas, insbesondere Ar¬ gon, durch eine Hohlkathode geführt, in deren Inneren eine Anode angeordnet ist, so daß eine Ionisation der Argon-Atome stattfindet. Diese treffen auf der metallischen aus Zirkon bestehenden Kathode auf, wodurch aus dieser Metallatome und/ oder Metallcluster herausgelöst und mit dem Inertgasstrom mitgeführt werden. Außerhalb der Kathode wird für eine voll¬ ständige Oxidation des metallischen Zirkons Sauerstoff mit einem Partialdruck von 10 Pa bis etwa 10~4 Pa zugeführt. Das Halbleitersubstrat ist in einer aus rostfreiem Stahl beste¬ henden und bis auf 800 °C beheizbaren Halterung befestigt und auf eine Temperatur von etwa 400 °C aufgeheizt. Das Verfahren wird in einer Beschichtungskammer durchgeführt, die auf ein Hochvakuum von etwa 10"7 Pa evakuiert wird. Die Abscheidungs- rate liegt bei etwa 0,9 μm h" .
Eine alternative Ausbildung einer Hohlkathode für das reakti- ve Gasflußsputter-Verfahren ist in dem Artikel "High rated desposition of alumina films by reactive gas flow sputtering" von T. Jung und A. Westphal, in Surface and Coatings Techno¬ logy, 59, 1993, Seiten 171 bis 176, beschrieben. Die darin angegebene Hohlkathode ist linear aufgebaut in dem Sinne, daß in einem Gehäuse Platten aus Zirkon nebeneinander angeordnet sind. Zwischen jeweils zwei benachbarten Platten ist ein Inertgasstrom hindurchführbar, so daß sich zwischen benach¬ barten Platten ein Plasma aus Inertgasatomen bildet. Mit dem Verfahren wurden Testkörper aus Silizium, rostfreiem Stahl und Glas mit Aluminiumoxid beschichtet. Während der Beschich¬ tung betrug die Temperatur eines Teεtkörperε zwischen 100 °C und 200 °C. Der Druck innerhalb der Beschichtungskammer lag bei etwa 10"8 Pa und die zugeführte Sauerstoffmenge bei 4,5 cm3 min"1. Die abgeschiedene Aluminiumschicht hatte eine Dicke von zwischen 0,5 μm bis 6,0 μm und eine im wesentlichen γ-Mi- krostruktur.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit einer Warmedämmschicht zur Erzielung einer hohen Beständigkeit gegenüber thermischen Wechselbeanspru¬ chungen anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Beschichtungsvorrichtung zur Herstellung einer Warmedämmschicht auf einem Bauteil anzugeben.
Die auf ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit ei¬ ner Warmedämmschicht gerichtete Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Bauteil in einer Beschichtungskammer angeordnet und auf einer Bauteiltemperatur gehalten wird, sowie in der Be¬ schichtungskammer ein Vakuum eingestellt wird, wobei zumin¬ dest während der Abscheidung der Warmedämmschicht auf dem Bauteil mehrere Prozeßgrößen, insbesondere Vakuumdruck, Bau- teiltemperaturen und Atmosphärenzusammensetzung gemeinsam ge¬ regelt werden, so daß die sich durch Wechselwirkungen beein¬ flussenden Prozeßgrößen in einem jeweiligen Sollwertebereich liegen und die Warmedämmschicht mit einer Stengelstruktur mit Keramikstengeln auf dem Bauteil aufwächst. Durch die erfin- dungsgemäße geregelte Prozeßführung liegen die Prozeßgrößen in einem einzuhaltenden Parameterfenster, wodurch die Einhal¬ tung der erforderlichen Schichtstruktur gewährleistet ist. Vorzugsweise werden die wesentlichen Prozeßgrößen gemeinsam und gleichzeitig geregelt.
Solche Sollwertbereiche sind beispielsweise bekannten Struk¬ turzonenmodellen für mittels PVD (Physical Vapour Deposition) erzeugten Beschichtungen oder aus experimentellen Untersu¬ chungen entnehmbar. Durch eine gemeinsame Regelung des Vaku- umdrucks, der Bauteiltemperatur und der Atmosphäre während des Beschichtungsprozesses ist gewährleistet, daß die Proze߬ größen sicher in den vorgegebenen Sollwertbereichen liegen und somit eine Warmedämmschicht mit einer stabförmigen Mi- krostruktur entsteht. Dies ist insbesondere gegenüber einem Verfahren vorteilhaft, bei dem lediglich eine nichtüberwachte Voreinstellung der Prozeßgrößen durchgeführt wird oder eine unabhängige Regelung bzw. Steuerung jeder einzelnen Proze߬ größe erfolgt, da in diesen Fällen die Gefahr besteht, daß obwohl eine Prozeßgröße in dem erlaubten Sollwertbereich liegt, die andere Prozeßgröße außerhalb des Sollwertbereiches liegt. Dies birgt die Gefahr, daß nicht ständig während des Beschichtungsprozesses eine Warmedämmschicht mit hinreichen¬ der stabförmiger MikroStruktur abgeschieden wird. Diese Ge¬ fahr besteht insbesondere bei großen Bauteilen und solchen Bauteilen, wie Gasturbinenschaufeln von Industriegasturbinen, mit stark schwankender räumlicher Massenkonzentration. Bei solchen Bauteilen kann z.B. mit zunehmender Dicke der Wärme- dämmschicht ein lokaler Wärmeverlust durch Strahlung und/oder Wärmeleitung innerhalb des Bauteils stattfinden, so daß zur Ausbildung einer stabförmigen MikroStruktur der Warmedämm¬ schicht eine ständige Überwachung und Regelung der tatsächli- chen Temperatur des Bauteils und einer weiteren Prozeßgröße innerhalb der Beschichtungskammer erforderlich sein kann.
Eine Warmedämmschicht mit stabförmiger Mikrostruktur, bei der stabförmige Keramikstengel vorzugsweise normal zur Oberfläche des Bauteils orientiert sind, ist besonders gut geeignet, thermische Wechselbeanspruchungen aufzunehmen. Hierzu ist insbesondere eine feine Stengelstruktur mit einem mittleren Stengeldurchmesser von unter 10 μm, insbesondere unter 5 μm, besonders vorteilhaft, da hierdurch eine hohe Dehnungstole- ranz erzielt wird. Es werden Unterschiede in den Wärmeausdeh¬ nungskoeffizienten des insbesondere metallischen Bauteils und der keramischen Warmedämmschicht gut ausgeglichen. Dies ist besonders für Bauteile einer Industriegasturbine, wie einer Brennkammerauskleidung und einer Gasturbinenschaufel vorteil- haft, da diese TemperaturSchwankungen zwischen Raumtemperatur und mehr als 1000 °C ausgesetzt sind. Als Wärmedämmschichten eignen sich hierbei metalloxidische Keramiken, z.B. auf Basis von mit Yttriumoxid teilstabilisiertem Zirkonoxid oder Me¬ tall-Nitride. Als Verfahren zur Erzeugung des die Wärmedämm- schicht bildenden Materials eignen sich sämtliche PVD-Verfah- ren, wie beispielsweise ein Elektronenstrahl-PVD-Verfahren, das reaktive Gasflußsputter-Verfahren oder Verfahren, die bis zur Verdampfung des Beschichtungsmaterials führen, z.B. Ther¬ misches Spritzen in Hochvakuum.
Vorzugsweise werden neben den Prozeßgrδßen Vakuumdruck und Bauteiltemperatur zur Erzielung einer Warmedämmschicht mit stabförmiger MikroStruktur weitere insbesondere die Gas- oder Atmosphärenzusammensetzung bestimmende Prozeßgrößen und/oder Anlagegrößen gemeinsam geregelt, so daß ohne menschlichen
Eingriff der gesamte Beschichtungsprozeß automatisch abläuft. Selbst bei Störungen in der entsprechenden Beschichtungsvor- richtung kann damit flexibel auf den Beschichtungsprozeß au¬ tomatisch Einfluß genommen werden. Mit einer echtzeitmäßigen Überwachung der relevanten Prozeßgrößen, insbesondere Vakuum¬ druck, Bauteiltemperatur und Gaszusammensetzung in der Be- schichtungskammer, erfolgt eine Prozeßadaption auch bei Ein¬ wirkung von Störgrößen. Wird während des Beschichtungspro¬ zesses in die Beschichtungskammer ein Reaktivgas eingeführt, so erfolgt vorzugsweise eine gemeinsame Regelung der Proze߬ größe Zuflußmenge an Reaktivgas und/oder Partialdruck des Re- aktivgases mit den anderen Prozeßgrößen. Durch eine geregelte Zuführung des Reaktivgases ist die geeignete chemische Zusam¬ mensetzung der Warmedämmschicht gewährleistet. Insbesondere bei einer Warmedämmschicht aus einer metalloxidischen Keramik wird durch Zuführung von Sauerstoff als Reaktivgas eine voll- ständige Oxidation des Metalls, beispielsweise Zirkon, Magne¬ sium oder Aluminium, erreicht. Bei Verwendung von Stickstoff als Reaktionsgas wird die vorgegebene Nitrierung entsprechen¬ der Metalle erreicht.
Mit den Prozeßgrößen werden vorzugsweise die Anlagenzustände- und großen, welche einen Einfluß auf die Abscheidung der War¬ medämmschicht haben, gemeinsam geregelt. Hierzu gehört bei¬ spielsweise die Regelung einer Relativbewegung, die das Bau¬ teil gegenüber einer Beschichtungsquelle zur Erzeugung des Materials der Warmedämmschicht ausführt. Diese Relativbewe¬ gung ist vorzugsweise eine Rotation des Bauteils um eine Längsachse, so daß auf der gesamten Oberfläche des Bauteils das Material, beispielsweise mit Yttriumoxid teilstabilisier¬ tes Zirkonoxid, gleichmäßig abgeschieden wird. Der Relativbe- wegung kann eine weitere Bewegung überlagert sein, z.B. eine
Translation zwecks Beschichtung von Bauteilen mit großer Längsdehnung. Eine weitere Anlagengröße, die insbesondere die Geschwindigkeit des Wachstums der Warmedämmschicht bedingt, ist die Materialabgabe der Beschichtungsquelle. Bei einem Elektronenstrahl-PVD-Verfahren wird diese charakterisiert durch die Leistung der Elektronenstrahlkanone, mit der Kera¬ mikteilchen aus einem Keramikkörper verdampft werden, und dem Vorschub des Beschichtungsmaterialε. Bei Anwendung des reak¬ tiven Gasflußsputter-Verfahrens ist für die Materialabgabe der Beschichtungsquelle die Spannung zwischen Kathode und An¬ ode sowie die Durchflußmenge des Inertgaseε, wie Argon, von Bedeutung.
Der Sollwertebereich der Bauteiltemperatur liegt insbesondere bei Beschichtung einer metallischen Komponente einer Gastur¬ binenanlage zwischen 900 °C und 1150 °C, insbesondere zwi- sehen 950 °C und 1050 °C. Der Sollwertebereich des Vakuum¬ drucks liegt bei Anwendung deε reaktiven Gasflußsputter-Ver¬ fahrens zwischen 10" mbar und 10" mbar, insbesondere zwi¬ schen 10"4 mbar und 10"6 mbar. Bei den genannten Sollwertebe¬ reichen für Bauteiltemperatur und Vakuumdruck ist eine gute Haftung der Metallkeramikschicht an dem Bauteil, ggf. unter Vermittlung einer oder mehrerer Haftschichten, sowie ein gu¬ ter Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffi¬ zienten durch die stabförmige MikroStruktur der Warmedämm¬ schicht gegeben. Der Partialdruck des Reaktivgaseε liegt vor- zugsweise in einem Sollwertbereich zwischen 10"3 mbar und 10"1 mbar, insbesondere um 10" mbar. Hierdurch ist gewährleiεtet, daß Reaktivgas, Sauerstoff zur Oxidation bzw. Stickstoff zur Nitrierung, in ausreichender Menge vorhanden ist, wodurch die erforderliche chemische Zusammensetzung der Warmedämmschicht gewährleistet ist.
Das Verfahren eignet sich besonders für ein Bauteil mit Teil¬ bereichen stark unterschiedlicher Massenkonzentration. In dem Bauteil wird vorzugsweise eine weitgehend gleichmäßige Durch- wärmung eingestellt. Dies ist insbesondere bei Turbinenschau¬ feln vorteilhaft, bei denen ein dünnwandiger Schaufelprofil- teil und ein dickwandiger Fußteil bzw. Deckplattenteil vor¬ handen sind. Die gleichmäßige Durchwärmung sowie die Einhal¬ tung eines Sollwertbereiches der Bauteiltemperatur gewähr- leisten über die gesamte zu beschichtende Oberfläche des Bau- teilε eine gleichmäßig gute Anhaftung der Warmedämmschicht sowie die Auεbildung der εtengelförmigen Mikroεtruktur. Vor- zugsweise wird eine maximale Temperaturspanne von ± 50 K als Abweichung vom Sollwert nicht überschritten. Die Wandstärke in dem ersten Teilbereich, dem dünnwandigen Teilbereich, steht mit der Wandstärke des zweiten Teilbereichs, des dick- wandigen oder vollmetalligen Teils, in einem Verhältnis von 1:5 bis 1:200, insbesondere von 1:10 bis 1:100. Das Bauteil, insbesondere eine Turbinenschaufel einer Industriegasturbine, kann ein Gewicht von zwischen 1 kg und 15 kg aufweisen. Bei einer Laufschaufel kann der dünnwandige sich entlang einer Längsachse erstreckende Schaufelprofilbereich eine Ausdehnung von mehr als 20 cm aufweisen.
Die auf eine Beschichtungsvorrichtung zur Herstellung einer Warmedämmschicht auf einem Bauteil gerichtete Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, die eine Beheizungseinrichtung zur Erwärmung des Bauteils und zumindest einen Temperaturge¬ ber zur Bestimmung der Temperatur des Bauteils sowie eine Va¬ kuumerzeugungseinrichtung, insbesondere eine Vakuumpumpe, und eine Vakuumdruckmeßeinrichtung aufweist, wobei die Einrich- tungen sowie der Temperaturgeber mit einer Regeleinrichtung zur gemeinsamen Regelung mehrerer Prozeßgrößen des Beschich¬ tungsprozesses, wie Temperatur des Bauteils, Vakuumdruck und Gaszuεammensetzung, verbunden sind. Durch eine Beschichtungs¬ vorrichtung, bei der während des Beschichtungsprozesseε die Temperatur des Bauteils, der Vakuumdruck und die Atmosphären¬ zusammensetzung in der Beschichtungsvorrichtung ständig über¬ wachbar sind und diese Prozeßgrößen, Temperatur, Vakuumdruck und Atmosphärenzusammensetzung, über eine Regeleinrichtung gemeinsam regelbar sind, ist gewährleistet, daß die zur Er- zielung einer stabförmigen MikroStruktur der Warmedämmschicht erforderlichen Sollwertebereiche der Prozeßgrößen eingehalten werden. Mit der Vorrichtung können somit auch Bauteile mit stark lokal schwankender Massenkonzentration, wie eine Turbi¬ nenschaufel einer Industriegasturbine, mit einer Wärmedämm- schicht beschichtet werden, welche eine gute Haftung an das Bauteil sowie eine hohe Beständigkeit gegenüber thermischen Wechselbeanεpruchungen aufweist. Mit der Regeleinrichtung sind weitere Prozeßgrößen sowie Anlagegrößen zum Betrieb der Beschichtungεvorrichtung gemeinsam regelbar. Hierdurch sind neben den Bedingungen zur Erreichung einer stabförmigen Mi- krostruktur der Warmedämmschicht auch noch die Abscheidungs- rate, der Oxidationsgrad des die Warmedämmschicht bildenden Materials, insbesondere einem Metalloxid, sowie eine Bewe¬ gungssteuerung des Bauteils in der Beschichtungsvorrichtung gegeben.
Die Beschichtungsvorrichtung weist zur Durchführung des reak¬ tiven Gasflußsputter-Verfahrens eine Beschichtungsquelle um¬ fassend eine Hohlkathode, welche von einem Inertgaε, wie Ar¬ gon, durchεtrömbar ist, ein Kathodenmaterial und eine Anode umfaßt, auf. Weiterhin verfügt sie über eine Halteeinrichtung zur Positionierung des Bauteils, wobei die Hohlkathode eine der Halteeinrichtung zugewandte Gasauslaßöffnung sowie eine Gaseinlaßöffnung für das Inertgas besitzt. Das Kathodenmate¬ rial besteht vorzugsweise aus einer Legierung umfassend Zir¬ kon und ein Stabilisatormetall, wie Yttrium. Weiterhin ist eine Zuführung für ein reaktives Gas, insbesondere eine Oxi- dationεmittelzuführung für eine Oxidation deε Zirkonε außer¬ halb der Hohlkathode, vorgesehen. Das aus der Hohlkathode mit dem Inertgas herausgeführte Zirkon bzw. Yttrium wird durch Zuführung von Sauerstoff vollständig oxidiert und scheidet sich auf dem Bauteil als eine mit Yttriumoxid teilstabili¬ sierte Zirkonoxid-Wärmedämmschicht ab. Diese Warmedämmschicht hat eine stengeiförmige MikroStruktur mit einem mittleren Durchmesser von vorzugsweise zwischen 0,3 μm und 5,0 μm, wo¬ bei die KeramikStengel im wesentlichen normal zur Oberfläche des Bauteils gerichtet sind. Selbstverständlich ist es mög¬ lich, die Kathode aus einem anderen Material, wie Magnesium oder Aluminium, herzustellen. Dem aus der Hohlkathode austre¬ tenden Metall kann anstelle von Sauerstoff auch Stickstoff zugeführt werden, wodurch entsprechende Metallnitride entste- hen. Die Beschichtungsvorrichtung kann ebenfalls zur Ausfüh¬ rung eines Elektronenstrahl-PVD-Verfahrens mit einer entspre¬ chenden Elektronenstrahlkanone und weiteren hierfür erforder- liehen Komponenten ausgeführt sein, welche über die Regelein¬ richtung entsprechend der geforderten Sollwertbereiche der Prozeßgrößen geregelt werden. Prozeßgrößen können hierbei die elektrischen Größen (Spannung/Strom oder Spannung/Leistung) der Elektronenstrahlkanone, die Regelgrößen der Defokussier- und Elektronenstrahlablenksysteme sowie Pumpregelgrößen, wie Druck in Kathodenkammer und/oder Druck in Zwischenstufe, sein.
Die Regeleinrichtung ist vorzugsweise hierarchisch aufgebaut mit einem Mastersystem zur Koordination des Gesamtablaufeε des Beschichtungsprozesses und einer Mehrzahl von Subsystemen zur Regelung jeweils einer oder mehrerer Prozeß- und/oder An¬ lagengrößen. Das Masterεyεtem sowie die Subsysteme können räumlich voneinander getrennt angeordnet sein. Mit dem Ma- stersystem ist eine echtzeitgerechte Überwachung der relevan¬ ten Prozeß- und Anlagengrößen für eine Gesamtprozeßregelung, insbesondere bei Einwirkung von Störgrößen gegeben. Die Sub¬ systeme werden über das Mastersystem verwaltet. Durch eine entsprechende Programmierung des Mastersystems, welches be¬ vorzugt als speicherprogrammierbare Prozeßsteuerung ausgebil¬ det ist, iεt eine flexible Definition deε geεamten Beschich- tungsprozesεeε gegeben. Hierdurch kann eine definierte und stabile Umgebungsbedingung in der Beschichtungsatmosphäre für das Bauteil, insbesondere eine Turbinenschaufel, erreicht werden. Für eine solche Turbinenschaufel ist somit auf ein¬ fache Art und Weise eine definierte Schichtdickenverteilung entlang der zu beschichtenden Oberfläche durch die flexible Prozeßführung gegeben. Die Einhaltung der Sollwertbereiche der wesentlichen Beschichtungsprozeßparameter, wie Temperatur des Bauteils, Vakuumdruck und Gaszusammensetzung, wird durch die Regeleinrichtung sicher eingehalten.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungεbei- spiele werden das Verfahren zum Beschichten eines Bauteils sowie die Beschichtungsvorrichtung, welche der Übersichtlich- keit halber teilweise schematiεch und nicht maßεtäblich dar¬ gestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1,2 eine schematiεche Darεtellung jeweils einer Beschich- tungsvorrichtung mit Regeleinrichtung und
FIG 3 einen Aufbau einer Regeleinrichtung.
In FIG 1 ist schematisch und nicht maßstäblich eine Beschich¬ tungsvorrichtung 15 zur Durchführung eines reaktiven Gasfluß- sputter-Verfahrens dargestellt. Die Beschichtungsvorrichtung weist eine Beschichtungskammer 2 auf, in der durch eine Vaku¬ umerzeugungseinrichtung 18 ein Vakuum von unter 1 mbar er¬ zeugbar ist. Innerhalb der Beschichtungskammer 2 ist eine entlang einer Längsachse gerichtete Hohlkathode 10 mit kreis- zylindrischem Querschnitt angeordnet. Innerhalb der Hohlka¬ thode 10 ist eine stabförmige Anode 11 angeordnet, die über eine Gleichspannungsversorgung 24 mit der Hohlkathode 10 ver¬ bunden ist. Die Gleichspannungsversorgung 24 ist ebenfalls mit der Regeleinrichtung 22 verbunden. Die Hohlkathode 10 weist ein Kathodenmaterial 12 auf, welches als Hohlzylinder ausgebildet ist, oder beispielsweiεe aus einzelnen die In¬ nenwandung der Hohlkathode 10 ausfüllenden Platten besteht. Das Kathodenmaterial 12 ist Zirkon, dem in einem vorgegebenen Verhältnis, beispielsweise 3 Gew.-% bis 10 Gew.-%, Yttrium zulegiert ist. Die Hohlkathode 10 weist eine Gaseinlaßöffnung 14 auf, die mit einer nichtdargestellten Gasversorgung zur Einleitung eines Inertgases 23, insbesondere Argon, verbunden ist. Der hierzu erforderliche Inertgasstrom wird über die Re¬ geleinrichtung 22 geregelt. Der Gaseinlaßöffnung 14 gegen- überliegend hat die Hohlkathode 10 eine Gasauslaßöffnung 13, aus der das Inertgas 23 nach Durchlaufen des Bereiches zwi¬ schen Kathodenmaterial 12 und Anode 11 herausströmt. Geodä¬ tisch oberhalb der Gasauslaßöffnung 13 ist mit einem Mün¬ dungsbereich eine Zuführung 16 für reaktives Gas, in diesem Fall eine Oxidationsmittelzuführung 16 angeordnet, durch die Sauerstoff in die Beschichtungskammer 2 über die Regelein¬ richtung 22 geregelt einführbar ist. Geodätisch oberhalb der Oxidationεmittelzuführung 16 ist ein Bauteil 1, hier schema¬ tisch als Gasturbinenschaufel dargestellt, in einer Halteein¬ richtung 8 gehalten. Die Halteeinrichtung 8 ist über eine Zu- satzεpannungsversorgung 26, die durch die Regeleinrichtung 22 angesteuert wird, mit der Hohlkathode 10 elektrisch verbind¬ bar. Eine zwischen die Hohlkathode 10 und die Haltevorrich¬ tung 8 respektive das Bauteil 1 anlegbare Gleichεpannung kann einer Oberflächenreinigung des Bauteils 1 durch ionisierte Inertgasatome dienen. Die Halteeinrichtung 8 hat vorzugsweise eine nicht näher dargestellte Antriebsvorrichtung, die mit einer Regeleinrichtung 22 verbunden ist. Die Antriebsvorrich¬ tung gewährleistet eine kontinuierliche Drehung des Bauteils 1 um seine Längsachse 27. Geodätisch oberhalb des Bauteils 1 ist eine Beheizungseinrichtung 9 zur Beheizung des Bauteils 1 über Wärmestrahlung und/oder Konvektion angeordnet, die eben¬ falls mit der Regeleinrichtung 22 verbunden ist. Die Behei¬ zungseinrichtung 9 kann selbstverständlich je nach Anforde¬ rung auch auf gleichem geodätischen Niveau neben dem Bauteil 1 angeordnet sein. In der Beschichtungskammer 2 ist weiterhin eine Vakuumdruckmeßeinrichtung 19 vorgesehen, die ebenfalls mit der Regeleinrichtung 22 verbunden ist. An dem Bauteil 1 ist zur Erfassung seiner Bauteiltemperatur bzw. Bauteiltempe¬ raturverteilung zumindest ein Temperaturgeber 17, beispiels¬ weise ein Thermoelement, angeordnet, welches ebenfalls mit der Regeleinrichtung 22 verbunden ist. Auch die Vakuumerzeu¬ gungseinrichtung 18 ist mit der Regeleinrichtung 22 verbun¬ den.
Die Regeleinrichtung 22 weist wie in FIG 3 schematisch darge- stellt ein Mastersystem 20, welchem eine Vielzahl von Sub¬ systemen 21a bis 21m zu- und untergeordnet sind. Das Master¬ system 20 übernimmt die Koordinationsaufgaben zur Regelung eines gesamten Beschichtungszyklusses, insbesondere der Anla¬ gengrößen der Beschichtungseinrichtung 15, der Prozeßregelung sowie der Bewegungssteuerung des Bauteils 1. Durch das Ma¬ stersystem 20 wird der zeitliche Gesamtablauf des Beschich- tungsprozeεses sowie die Verwaltung der einzelnen Subsysteme 21a bis 21m sowie deren Regelkreise übernommen.
Ein vollständiger Beschichtungsprozeß läßt sich prozeßtech- nisch in die Teilaufgaben a) Einstellen des Bauteilzustandes vor dem Beschichten (Vor¬ wärmen auf Ankeimungstemperatur, Umgebungsdruck auf Be- schichtungsdruck absenken) , b) Abscheidung der Warmedämmschicht in den geforderten Eigen- Schäften hinsichtlich Struktur, Haftung, Schichtdicke, und c) Zurückführung des Bauteilzustandes auf Umgebungsbedingun¬ gen (Raumtemperatur und atmosphärischen Luftdruck) glie¬ dern.
Die Prozeßführung durch das Mastersystem 20 ist so gestaltet, daß für den zeitlichen Ablauf der einzelnen Prozeßschritte, die jeweils erforderlichen Subsysteme 21a bis 21m aktiviert sind und eine Ausregelung der relevanten Prozeß- und/oder An¬ lagengrößen durchführen.
Während eines gesamten Beschichtungszykluses erfolgt durch eine Kühlkreislaufregelung 21a eine Kühlung sämtlicher zu kühlender Komponenten der Beschichtungsvorrichtung 15 sowie weiterer nichtdargestellter Anlagenteile, so daß diese auf einer konstanten Temperatur für einen einwandfreien Betrieb gehalten werden. Bei einer Beschichtungsvorrichtung 15, wel¬ che zusätzlich zur Beschichtungskammer 2 noch eine nichtdar- geεtellte mit einer ebenfalls nichtdargestellten Schleuse verbundene Ladekammer aufweist, erfolgt eine Vorwärmung des Bauteils 1 vorzugsweise in der Ladekammer. Selbstverεtändlich iεt auch eine eigens der Vorwärmung dienende von der Ladekam¬ mer räumlich, z.B. über eine Schleuse, getrennte Vorwärmekam¬ mer vorsehbar. Die Ladekammer wird auf einen Druck von 10 mbar evakuiert, wobei die Regelung über das Subsystem 21h, die Kammerdruckregelung, erfolgt. Der Sollwert des Kammer¬ drucks ist frei vorgebbar. Die Kammerdruckregelung 21h regelt einen Vakuumpumpstand mit angeschlossener Druckmeßstelle 19 und hat einen separat programmierbaren Druckregelkreis, der für die Ausregelung des Druckes innerhalb einer frei vorgeb¬ baren Druckschwankung sorgt. Die Ladekammer wird anschließend auf 200 mbar mit Argon geflutet, erneut auf 10 mbar evakuiert und anschließend noch einmal auf 800 mbar mit Argon geflutet. Anschließend erfolgt eine konvektive Vorwärmung des Bauteils auf bis zu 700 °C. Hierbei wird über das Subsystem Kammer¬ druckregelung 21h der Druck in der Ladekammer konstant gehal¬ ten. Die Erwärmung des Bauteils 1 wird über die Subsysteme Heizerstromquellenregelung 21e und Bauteiltemperaturregelung 21k gleichzeitig geregelt. Hierzu werden die Meßwerte deε Temperaturgeberε 17 ausgewertet und daraus ein Aufheizgra¬ dient ermittelt. Für den Aufheizgradienten ist ein Sollwert vorgebbar, wobei dieser als Führungsgröße für daε Subεyεtem Heizerstromquellenregelung 21e dient. Weitere Prozeß- und An¬ lagengrößen sind die Vorwärmtemperatur deε Bauteilε 1 εowie eine Lüfterdrehzahl zur Erzeugung der konvektiven Vorwärmung mittels eines nicht näher dargestellten Lüfters. Für eine gleichmäßige Vorwärmung wird das Bauteil 1 um seine Längs- achse 27 rotiert, was über das Subsyεtem Bewegungssystem 21m gesteuert wird. Das Erreichen der Vorwärmtemperatur, insbe¬ sondere 700 °C, wird von dem Subsyεtem Bauteiltemperaturrege¬ lung 21k erfaßt. Danach findet ein Übergang auf eine Strah¬ lungsbeheizung des Bauteils 1 statt. Hierzu wird der nicht- dargestellte Lüfter ausgeschaltet und neue Sollwerte für die Bauteiltemperatur und den Kammerdruck vorgegeben, welche der erforderlichen Ankeimungstemperatur sowie dem Beschichtungs- druck in der Beschichtungεkammer 2 entsprechen. In der Be¬ schichtungskammer 2 wird über das Subsystem Gasstromregelung 21c sowie das Subsystem Stromquellenregelung 21d daε Zuströ¬ men von Reaktivgas zur Einstellung der geforderten Gasatom- εtöchiometrie bei der Schichtabscheidung geregelt. Über die Subsysteme Quellenregelung 21g und Beschichtungsstromquellen- regelung 21f wird die Beschichtungsquelle 6 aktiviert und die Konzentration des Beschichtungsmaterial, insbeεondere Zirkon, in einer Metallatomwolke ausgeregelt. Daε Subsystem Bauteiltemperaturregelung 21k erfaßt das Errei¬ chen der Ankeimungstemperatur. Sind Ankeimungstemperatur und Beschichtungsdruck gleichzeitig erreicht, so erfolgt eine Ab¬ schaltung des Subsystemε Heizerstromquellenregelung 21e. Die Schleuse zwischen Ladekammer und Beschichtungεkammer 2 wird geöffnet und über das Subsystem Bewegungssystem 21m wird die Verschiebung des Bauteils 1 in die Beschichtungεkammer 2 ge- εteuert. Der Kammerdruck in der Beschichtungskammer 2 wird über das Subsystem Kammerdruckregelung 21h auf einen frei vorgebbaren Sollwertebereich des Vakuumdrucks eingeregelt.
Über das Subsyεtem Beschichtungsquellenregelung 21g wird vor Einführung deε Bauteils 1 in die Beschichtungskammer 2 die Beschichtungsquelle 6 auf die stationäre Bedingung für den Abscheidungsprozeß eingeregelt. Während des Abscheidungspro- zesεes erfolgt über das Subsystem Kammerdruckregelung 21h eine Ausregelung des Vakuumdruckε in dem vorgegebenen Soll- wertebereich gleichzeitig mit einer über eine daε Subεyεtem Bauteiltemperaturregelung 21k ausgeführten Einregelung der Bauteiltemperatur in den vorgegebenen Sollwertebereich zur Erzielung einer keramischen Warmedämmschicht mit stabförmiger MikroStruktur. Gleichzeitig erfolgt eine Gasatmoεpährenrege- lung über daε Subεystem 21b Kammeratmosphärenregelung. Über das Subsystem Bewegungssystem 21m erfolgt eine gezielte Bewe¬ gungsführung des Bauteils 1 zur besonders günstigen Ausnut- zung der durch die Beschichtungsquelle 6 und die Zuführung deε reaktiven Gases 16 erzeugte Wolke aus Beschichtungsmate- rial. Durch daε Subεyεtem Gaεεtromregelung 21c wird der εta- tionäre Zuεtrom von Reaktivgaε in die Beschichtungskammer 2 innerhalb einer definierten Schwankung für die Kammeratmo- Sphäre (Subsystem Kammeratmosphärenregelung 21b) ausgeführt. Erhöhte Sauerstoffpartialdrücke, die zur Lichtbogenbildung in der Beschichtungsquelle 6 führen können, werden durch eine Überwachung des Stromfluεεeε und/oder der Spannung der Be- εchichtungεquelle 6 vorzeitig erkannt und durch rechtzeitige Leiεtungsverminderung der Beschichtungsquelle 6 vermieden.
Dies wird insbesondere durch daε Subsystem Stromquellenrege¬ lung 21d durchgeführt. Nach Beendigung des Beschichtungsvorganges wird das Bauteil 1 aus der Beschichtungskammer 2 in die Ladekammer gebracht und auf etwa 500 °C mit vorgegebenen Abkühlgradienten abgekühlt. In der Ladekammer erfolgt eine Druckerhδhung durch Zuströmung von Argon und Aktivierung des Lüfters, wobei nicht näher aus¬ geführte Kühleinrichtungen als eine Wärmesenke wirken. Die Abkühlung wird über den Temperaturgeber 27 und das Subsystem Bauteiltemperaturregelung 21k überwacht. Durch Druckregelung, Regelung der Lüfterdrehzahl sowie Regelung der Zuströmung von Argon wird die Abkühlgeschwindigkeit adaptiv ausgeregelt. Nach Abkühlung der Bauteiltemperatur auf 500 °C wird der Druck in der Ladekammer auf über ein bar durch Zuströmen von Argon über das Subsyεtem Kammeratmoεphärenregelung 21h gere- gelt. Daε Bauteil wird mit hohem Abkühlgradienten auf etwa 100 °C abgekühlt. Anschließend findet ein geregelter Druck¬ ausgleich zwischen der Ladekammer und der Umgebungsatmosphäre durch das Subsystem Kammerdruckregelung 21h statt. Der voll¬ ständige von dem Masterεystem 20 koordinierte Beschichtungε- zyklus ist damit abgeschlossen. Der Beschichtungsvorgang ist für jedes geeignete Beschichtungεverfahren, insbesondere ein PVD-Verfahren, wie das reaktive Gasflußεputter-Verfahren oder das Elektronenstrahl-PVD-Verfahren, durchführbar.
Ein Beεchichtungsvorgang mittels eines Elektronenstrahl-PVD- Verfahrens kann ähnlich dem oben geschilderten Vorgang durch¬ geführt werden mit einer entsprechenden Beschichtuήgεvorrich- tung 15.
In FIG 2 iεt zur Erläuterung εchematiεch und nicht maßstäb¬ lich eine Beεchichtungsvorrichtung 15 zur Durchführung eines Elektronenstrahl-PVD-Verfahrens dargestellt. Die Beschich¬ tungsvorrichtung weist eine Beschichtungεkammer 2 auf, in der durch eine Vakuumerzeugungseinrichtung 18 ein Vakuum von un- ter 10"2 Pa erzeugbar ist. Außerhalb der Beschichtungskammer 2 ist Elektronenstrahlkano- ne 28 angeordnet, die über eine Stromversorgung 29 verbunden ist. Weiterhin besteht zwischen der Stromversorgung 29 und der Regeleinrichtung 22 eine Ver¬ bindung. Geodätisch unterhalb der Elektronenstrahlkanone 28 befindet sich eine Vorschubeinrichtung 30, die ein kerami¬ sches Beschichtungmaterial 31 in Stangenform in die Be- schichtungskammer fördert. Auch die Vorschubeinrichtung 30 ist mit der Regeleinrichtung 22 verbunden. Geodätisch ober¬ halb der Vorschubeinrichtung 30 ist ein Bauteil 1, hier sche- matiεch alε Gasturbinenschaufel dargestellt, in einer Halte¬ einrichtung 8 gehalten. Die Halteeinrichtung 8 ist an eine Zusatzspannungεversorgung 32 angeschloεεen, die wiederum mit der Regeleinrichtung 22 verbunden ist. Eine zwischen der Zu- satzspannungsverεorgung 22 und die Haltevorrichtung 8 reεpek- tive daε Bauteil 1 anlegbare Gleichεpannung kann eine Ober¬ flächenreinigung deε Bauteileε 1 durch ioniεierte Inertgaεa- tome oder der Beεchleunigung von Atomen des Beschichtungεma- terialε auf die Oberfläche des Bauteiles 1 dienen. Die Halte¬ vorrichtung 8 hat vorzugsweise eine nicht näher dargestellte Antriebsvorrichtung, die mit einer Regeleinrichtung 22 ver¬ bunden ist. Die Antriebεeinrichtung gewährleiεtet eine konti- nuierliche Drehung deε Bauteileε 1 um εeine Längεachse 27.
Geodätisch oberhalb der Vorschubeinrichtung 30 und unterhalb deε Bauteiles 1 ist der Mündungsbereich einer Zuführung 16 für reaktives Gas, in diesen Fall eine Oxidationsmittelzufüh- rung 16 angeordnet, durch die Sauerεtoff in die Beschich- tungskammer 2 gezielt über die Regeleinrichtung 22 einführbar ist. Zur Beheizung des Bauteileε 1 ist geodätisch oberhalb deε Bauteiles 1 eine Beheizungseinrichtung 9 angeordnet, die ebenfalls mit der Regeleinrichtung 22 verbunden ist. In der Beschichtungεkammer 2 iεt weiterhin eine Vakuumdruckmeßein- richtung 19 vorgeεehen, die ebenfallε mit der Regeleinrich¬ tung 22 verbunden ist. An dem Bauteil 1 ist zur Erfaεsung seiner Bauteiltemperatur bzw. Bauteiltemperaturverteilung zu¬ mindest ein Temperaturgeber 17, beispielsweise ein Thermoele¬ ment, angeordnet, welches ebenfalls mit der Regeleinrichtung 22 verbunden ist. Auch die Vakuumerzeugungseinrichtung 18 ist mit der Regeleinrichtung 22 verbunden. Eine Regeleinrichtung 22 zur Durchführrung eineε Beschich- tungsprozeεεes mittels Elektronenstrahl-PVD-Verfahrens ist analog zu der in FIG 3 dargestellten Einrichtung aufgebaut. Lediglich eine Verbindung und Wechselwirkung zwischen den Subsyεtemen Gasεtromregelung 21c und Quellenregelung 21g kann unterbleiben. Die Ladekammer wird auf einen Druck von 10"2 Pa evakuiert, wobei die Regelung über das Subsyεtem 21h, die Kammerdruckregelung, erfolgt. Der Sollwert des Kammerdrucks ist hierbei frei vorgebbar.
Das Erreichen der Vorwärmtemperatur, insbeεondere 700°C, wird von dem Syεtem Bauteiltemperaturregelung 21k erfaßt. Danach wird mittelε einer Reaktivgaszufuhr in die Vorwärmkammer über eine nicht näher dargestellte Reaktivgaseinleitungseinrich- tung der Kammerdruck auf den Beεchichtungεdruckεollwert von bis zu 5 Pa angehoben. Dabei ist die Bauteiltemperaturegelung 21k gleichzeitig wirksam und hält die Bauteiltemperatur auf 700 °C. Die Kammerdruckregelung 21h und die Kam-meratmosphä- renregelung 21b sind ebenfall aktiviert und überwachen die Einhaltung des Kammerdrucksollwertes als Gesamtdruck und die Einεtellung der geforderten Kammeratmoεphärenzuεammenεetzung alε Partialdrücke der Einzelgase oder als Gesamtdruck der vorher eingeregelten Gaszuflüεεe. Erst wenn durch die Kammer¬ druckregelung 21b, die Bauteiltemperaturegelung 21k und die Kammeratmosphärenregelung 21b zeitgleich die Einhaltung der Sollwerte signalisieren, erfolgt eine weitere Vorwärmung des Bauteiles 1 auf Ankeimungstemperatur, indem ein neuer Soll¬ wert für die Bauteiltemperatur vorgegeben wird, welcher der Ankeimungstemperatur entspricht.
In der Beεchichtungεkammer 2 wird zeitgleich über die Subεy- steme Kammerdruckregelung 21k und Kammeratmosphärenregelung 21b der erforderliche Beschichtungεdruck und die Gaεatmoεphä- renzuεammenεetzung ausgeregelt. Erst wenn für beide Größen - Kammerdruck und Gasatmosphärenzuεammenεetzung - die Sollwerte zeitgleich εignalisiert werden, erfolgt durch die Elektronen- εtrahlkanone 28 die Erzeugung eineε Elektronenεtrahleε 33, der auf daε Beschichtungmaterial 31 gerichtet ist und das ke¬ ramische Beschichtungεmaterial verdampft. Dabei werden über die Quellenregelung 21g, aktiviert durch die Regeleinrichtung 22, der Vorεchub deε keramiεchen Beschichtungsmaterialε 31 über die Vorεchubeinrichtung 30 und die Leiεtung der Elektro- nenεtrahlkanone 28 über die Stromverεorgung 29 auf εtationäre Verdampfungsbedingungen eingeregelt.
Über das Subsyεtem BewegungsSystem 21m erfolgt eine gezielte Bewegungsführung des Bauteils 1 zur beεonderε günεtigen Aus¬ nutzung des Beschichtungsmaterials in der Beschichtungsmate- rialwolke 34. Durch daε Subεystem Kammeratmosphärenregelung 21b gekoppelt mit dem Subεyεtem Gaεεtromregelung 21c wird der εtationäre Zuεtrom von Reaktivgaε in die Beεchichtungεkammer 2 innerhalb einer definierten Schwankung für die Kammeratmo- εphäre ausgeführt. Nach Beendigung der Beschichtung erfolgt eine Abkühlung wie weiter oben bereits ausgeführt.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß während des Be- schichtungεvorgangε, d.h. einer Abscheidung einer keramischen
Warmedämmschicht auf einem Bauteil, mehrere, insbeεondere mehr als zwei, vorzugsweiεe die wesentlichen zur Erreichung einer vorgegebenen MikroStruktur der Warmedämmschicht erfor¬ derlichen Prozeßgrößen gleichzeitig und gemeinsam in einem jeweiligen Sollwertbereich ausgeregelt werden. Korrespondie¬ rend mit dem Gesamtprozeß werden neben den Prozeßgrößen auch die Anlagengrößen im Komplex ausgeregelt. Darüber hinaus wird ein vollständiger Beschichtungszyklus umfassend einen Auf- wärmvorgang, den eigentlichen Beschichtungεvorgang εowie ei- nen Abkühlvorgang durch ein Maεterεystem in vorab bestimmba¬ rer Abfolge koordiniert. Eine entsprechende Regelung umfaßt eine geeignete Anpaεεung der Prozeßgrößen bei Auftreten von Störeinflüssen.

Claims

Patentanεprüche
1. Verfahren zur Beεchichtung eines Bauteils (1) mit einer Warmedämmschicht (3) , bei dem das Bauteil (1) in einer Be- schichtungεkammer (2) angeordnet und auf einer Bauteiltempe¬ ratur gehalten wird, und in der Beschichtungεkammer (2) ein Vakuum eingeεtellt wird, wobei zumindest während des Be¬ schichtungsprozesses mit einer Abscheidung von die Wärmedämm- εchicht (3) bildendem Material auf dem Bauteil (1) mehrere Prozeßgrößen, insbesondere Vakuumdruck, Bauteiltemperatur und Atmosphärenzusammensetzung, gemeinsam geregelt werden, so daß sie in einem jeweiligen Sollwertebereich liegen und die War¬ medämmschicht (3) mit einer Stengelstruktur auf dem Bauteil (1) aufwächst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während deε Beεchich- tungεprozesεes in die Beschichtungskammer (2) ein Reaktivgas, wie Sauerstoff oder Stickstoff, eingeführt wird, wobei die Zuflußmenge an Reaktivgas und/oder der Partialdruck des Reak- tivgaseε alε weitere Prozeßgröße bzw. weitere Prozeßgrößen mit den anderen Prozeßgrößen gemeinεam geregelt wird bzw. werden.
3. Verfahren nach Anεpruch 1 oder 2, bei dem daε Bauteil (1) relativ zu einer Beschichtungsquelle (6) zur Erzeugung des
Materials der Warmedämmschicht (3) bewegt wird und die Mate¬ rialabgabe der Beschichtungεquelle (6) und/oder die relative Bewegung deε Bauteilε (1) als Anlagengröße bzw. Anlagengrößen mit den Prozeßgrößen gemeinsam geregelt wird bzw. werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sollwertebereich der Bauteiltemperatur zwischen 900 °C und 1150 °C, insbesondere zwischen 950 °C und 1050 °C, und der Solϊwertebereich des Vakuumdrucks zwischen 10"3 Pa und 10 Pa, insbeεondere zwischen 10 Pa und 5 Pa, liegen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anεprüche, bei dem der Sollwertebereich des Partialdruckes deε Reaktivgaεeε, zwiεchen 10"2 Pa und 5 Pa, inεbesondere um 5 x 10"1 Pa, liegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches auf ein Bauteil (1) mit Teilbereichen (7a, 7b) stark unter- εchiedlicher Massenkonzentration, wie eine Turbinenschaufel, insbeεondere eine Lauf- oder Leitεchaufel einer Induεtriegaε- turbine, angewandt wird, wobei in dem Bauteil (1) eine weit- gehend gleichmäßige Durchwärmung eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anεprüche, bei dem daε Bauteil (1) einen erεten Teilbereich (7a) mit einer er¬ sten Wandstärke und einen zweiten Teilbereich (7b) mit einer zweiten Wandstärke aufweist, wobei die Wandεtärken in einem Verhältnis von 1:5 bis 1:200, insbesondere von 1:10 bis 1:100, zueinander stehen.
8. Beschichtungsvorrichtung (19) zur Herstellung einer Wärme- dämmschicht (3) auf einem Bauteil (1) mit a) einer Beheizungεeinrichtung (9) zur Erwärmung deε Bauteilε
(D, b) einer Vakuumerzeugungseinrichtung (18) , c) einer Vakuumdruckmeßeinrichtung (19) , d) zumindest einem Temperaturgeber (17) zur Bestimmung der Temperatur des Bauteilε (1) und e) einer Regeleinrichtung (22) zur gemeinεamen Regelung meh¬ rerer Prozeßgrößen deε Beschichtungsprozeεεeε, wie Tempe¬ ratur des Bauteils (1) , Vakuumdruck und Gaszusammenset- zung.
9. Beschichtungεvorrichtung (15) nach Anεpruch 8, mit f) einer Halteeinrichtung (8) zur Positionierung des Bauteilε
(1) ," g) einer Beεchichtungεquelle (6) umfassend gl) eine Hohlkathode (10) , welche von einem Inertgas durch¬ strömbar iεt εowie ein Kathodenmaterial (12) und eine Ano- de (11) umfaßt, eine der Halteeinrichtung (8) zugewandte Gasauεlaßöffnung (13) sowie eine Gaseinlaßöffnung (14) für Inertgas aufweist, und bei der das Kathodenmaterial eine Legierung aus Zirkon, inεbesondere mit einem Stabilisatormetall, wie Yttrium, ist und eine Zuführung (16) für Reaktivgas, insbeεondere für eine Oxidation des Zirkons, außerhalb der Hohlkathode (10) vorgesehen ist, oder g2) eine Elektronenstrahlkanone (28) , welche mittels eines fokusierten Elektronenεtrahlε ein Ingot (31) mit der Zu- εammenεetzung deε Beschichtungεmaterials durch Abscannen seiner Oberfläche verdampft, wobei das Ingot (31) durch eine Vorschubeinrichtung (30) nachschiebbar ist.
10. Beεchichtungsvorrichtung (15) nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Regeleinrichtung (22) hierachiεch mit einem Master- εyεtem (20) zur Koordination deε Geεamtablaufs deε Beεchich- tungεprozeεεeε und einer Mehrzahl von Subsyεtemen (21) zur Regelung jeweils einer oder mehrerer Prozeß- und/oder Anla- gengrößen ausgeführt ist.
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