DE19526600A1 - Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage mit Substratwagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage zum Bedampfen von Bauteilen aus hochwarmfesten Legierungen (super alloys), insbesondere Turbinenschaufeln, mit Ther­ mo-Barriereschichten, sogenannten thermal barrier coatings (TBC). Die Schutzschichten erlau­ ben höhere Arbeitstemperaturen bei gleichen oder verlängerten Standzeiten der Bauteile. Hö­ here Arbeitstemperaturen ergeben einen besseren thermischen Wirkungsgrad von Wärme­ kraftmaschinen.

Bekannte Einrichtungen zum Aufbringen von TBC bestehen im wesentlichen aus Ladekam­ mer, Heizkammer, Bedampfungskammer mit Verdampfertiegeln, Substrattransporteinrichtung, Elektronenkanone, zugehöriger Evakuierungseinrichtung sowie den erforderlichen peripheren Baugruppen. Zur Erzielung der erforderlichen Haftfestigkeit der Schichten werden die Bauteile auf Temperaturen über 1000°C vorgewärmt. Außerdem müssen die Bauteile während der Bedampfung über der Dampfquelle bewegt werden, um eine möglichst gleichmäßige Schicht­ dicke zu erzielen. Die Kammern sind wegen der hohen Prozeßtemperaturen wassergekühlt und durch ebenfalls wassergekühlte Ventile trennbar. Hierdurch kann das Belüften der Heiz- und Bedampfungskammer beim Wechsel der Substrate vermieden werden. Während das Ventil zwischen Lade und Heizkammer dazu unbedingt erforderlich ist, wird das Ventil zwischen Heiz- und Bedampfungskammer nur benötigt, wenn die Bedampfungskammer zur Wartung oder zum Ersatz des Verdampfungsmaterials geöffnet werden muß, bzw. wenn beim reaktiven Beschichten der Zutritt von Sauerstoff in die Heizkammer zeitlich begrenzt werden soll.

Zum Transport der Substrate durch die Kammern wird eine Chargierstange entsprechender Länge benutzt. Sie enthält die Mechanik für einen, am anlagenseitigen Ende befestigten Sub­ strathalter, welcher auch das Drehen und Schwenken des Substrates ermöglicht sowie even­ tuelle Kühlwasser- und Sensorleitungen. Durch auswechselbare Substrathalter kann auch die gleichzeitige Beschichtung mehrerer kleiner Substrate ermöglicht werden. Das andere Ende der Chargierstange ist in der Regel drehbar in einem Wagen gelagert. Die lange, thermisch belast­ bare oder wassergekühlte Chargierstange ermöglicht den Transport der Substrate in oder durch die heißen Zonen, ohne daß der Wagen mit seinen Antrieben den extrem hohen Tempe­ raturen ausgesetzt ist. Bei kleineren Anlagen befindet sich dieser Wagen meist an Atmosphäre und die wassergekühlte Chargierstange ragt durch eine Dreh- und Schiebedurchführung in die Anlage. Das ermöglicht zwar eine kurze Ladekammer und ein kleineres Volumen der Anlage, der Aufwand für die kalibrierte Stange und die Schiebe- Drehdurchführung ist aber hoch.

Bei großen Anlagen läuft dagegen der Wagen meist in der Ladekammer. Das hat den Vorteil, daß an die Oberflächenbeschaffenheit der Chargierstange keine besonderen Ansprüche gestellt werden müssen. Außerdem kann, wegen des großen Wärmegefälles in der langen Stange und der nicht benötigten Schiebedurchführung, die Wasserkühlung über bewegliche Leitungen entfallen. Anstelle der aufwendigen Schiebedurchführung sind nur Drehdurchführungen für die innenliegenden Spindeln erforderlich. Diese verfahren den Wagen bzw. übertragen die Dreh- und Schwenkbewegungen auf ihn. Der Horizontalantrieb braucht bei dieser Lösung nicht die großen, durch den Luftdruck bedingten Kräfte aufzunehmen.

Die Nachteile beider Ausführungen der geschilderter Bauform mit Chargierstange bestehen in ihrer mangelnden Flexibilität. Wird im Rahmen der technologischen Weiterentwicklung der Ein­ bau weiterer Prozeßkammern bzw. Arbeitsstationen erforderlich, dann müßte die Chargier­ stange entsprechend verlängert werden. Dieser Verlängerung sind jedoch durch die abneh­ mende Steifigkeit der Stange bei gegebenem Querschnitt Grenzen gesetzt. Hinzu kommt, daß jede Verlängerung der Kammern den doppelten Platzbedarf der Anlage nach sich zieht. Aber selbst ohne diesen Aspekt besitzt die bisher bekannte Bauform Nachteile durch ihren großen Bauaufwand, ihre große Baulänge, den entsprechend großen Platzbedarf der Anlage und die damit verbundenen Kosten.

Es besteht daher die Aufgabe eine Konstruktion zu realisieren, die ohne Schiebedurchfüh­ rung, ohne lange Ladekammer und ohne Chargierstange auskommt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe als 1. Variante dadurch gelöst, daß die Einrichtung zur Substrataufnahme, ohne Verwendung einer Chargierstange, direkt an einem durch Strahlungs­ schutzbleche gegen Wärmestrahlung abgeschirmten Wagen befestigt ist, der mittels eines ge­ kühlten Rollensystems innerhalb Ladekammer, Heizerkammer und Zwischenkammer verfahren werden kann, wobei die besagte Zwischenkammer zwischen Heizerkammer und Bedamp­ fungskammer angeordnet ist. Die Zwischenkammer ist vorzugsweise wassergekühlt und so gestaltet, daß sich der Wagen während der Beschichtung in dieser Kammer befinden kann. Der Wagen ist in Richtung des Substrathalters durch Strahlungsschutzbleche abgeschirmt. Diese Bleche sind so positioniert, daß sie in Arbeitsstellung des Wagens mit den Strahlungs­ schutzblechen der zugehörigen Kammerwand eine Ebene bilden. Durch diese Konstruktion ist sichergestellt, daß der Wagen mit seinen Antrieben in der Bedampfungsposition nicht unge­ schützt der Wärmestrahlung der Bedampfungskammer ausgesetzt ist. Zwischen Bedampfungs- und Heizkammer ist ein vorzugsweise wassergekühltes Ventil angeordnet, das während der Bedampfung geschlossen werden kann. Befinden sich die Substrate zum Heizen oder Abküh­ len in der Heizkammer, so steht der Wagen selbst in der kalten Ladekammer. Die Strahlungs­ schutzbleche des Wagens schließen in dieser Position bündig mit den an der Heizkammerwand angebrachten Blechen ab. Alle Kammern sind durch Türen oder Deckel für Bedienung und Wartung zugängig.

Der horizontale Transport und die Führung des Wagens erfolgen in bekannter Weise durch wassergekühlte und synchron angetriebene Rollen, die in der Zwischenkammer, der Heizkam­ mer und der Ladekammer angeordnet sind.

In den Domen von Lade- und Zwischenkammer befinden sich vorzugsweise wassergekühlte Antriebe für die Rotations- und Schwenkbewegung der Substrate. Diese Antriebe werden in den entsprechenden Arbeitspositionen mit dem Wagen gekoppelt.

Des weiteren sind erfindungsgemäß in der Zwischenkammer Kühlbacken angeordnet, die in bekannter Weise von einer oder mehreren Seiten an den Wagen gedrückt werden. Damit wird ein kraftschlüssiger Wärmekontakt zwischen gekühlten Elementen und dem Wagen hergestellt. Diese Lösung sorgt dafür, daß auch im stationären Zustand immer das für die Funktion der Mechanik erforderliche Wärmegefälle zwischen den extrem hoch erhitzten Substraten und dem relativ kalten Wagen aufrecht erhalten wird. Das Wärmegefälle wird auch dadurch hergestellt, daß die substratseitigen Enden der Substrathalter aus einem Werkstoff mit geringer Wärmelei­ tung bestehen und nur einen geringen Querschnitt besitzen. Außerdem sind die mit Kugella­ gern ausgerüsteten drehbaren Teile des Substrathalters in bekannter Weise so konstruiert, daß der Wärmefluß immer vom äußeren zum inneren Rollbahnring erfolgt und damit ein Festgehen der Lager wegen des abnehmenden Lagerspiels mit Sicherheit verhindert wird (DE- Patanmdg. Akt.-Z. P 44 44 537.7).

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet bei geeigneter Gestaltung der Wagenführung den Wechsel des komplett mit Werkzeug und Substraten bestückten Wagens am Ende jedes Bedampfungszyklus. Dieser Wechsel kann entweder linear in Achsrichtung oder über eine Verschiebebühne bzw. eine Drehscheibe erfolgen. Damit kann die Zeit für das Ent- bzw. Beladen minimiert werden.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage wird eine technologisch flexible, einfache, platzsparende und kostengünstige Bauweise erreicht. Eine später erforderlich werdende Anpassung der Anlage an die technologische Entwicklung ist ohne Schwierigkeiten möglich.

Eine zweite Variante der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Heizung der Substrate mittels Elektronenstrahlen erfolgt. Durch diese Maßnahme steht eine trägheitsfreie Wärmequelle zur Verfügung, so daß Lade- und Heizkammer zusammengefaßt werden können. Die Anordnung einer zusätzlichen Zwischenkammer entfällt. Die Einrichtung zur Substratauf­ nahme wird wie bei Variante 1 ohne Verwendung einer Chargierstange direkt an einem durch Strahlungsschutzbleche gegen Wärmestrahlung abgeschirmten Wagen befestigt der mittels ei­ nes gekühlten Rollensystems innerhalb der kombinierten Lade-/Heizkammer verfahren werden kann. Es ist nur noch ein, vorzugsweise wassergekühltes Ventil zwischen Lade-/Heizkammer und Beschichtungskammer erforderlich. Die übrigen Einrichtungen werden wie bei Variante 1 ausgeführt, wobei sich die Positionen für die in den Domen angeordneten Antriebe für die Rotations- und Schwenkbewegung der Substrate entsprechend verschieben.

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Anlage entsprechend Ausführungsvariante 1 mit Strahlungs­ heizer für die Substrate und einseitiger Beschickung, die für eine höhere Produktivität auch mit ein bis drei weiteren Beschickungen nachgerüstet werden kann.

An eine, mit einer entsprechenden Evakuierungseinrichtung versehene, wassergekühlte Be­ dampfungskammer 1 mit einem oder mehreren Verdampfertiegeln 2, einem Kondensatfänger 3 und einer oder mehreren Elektronenkanonen 4 schließt sich seitlich eine wassergekühlte Zwi­ schenkammer 5 an. In Verlängerung dieser Achse sitzen daran ein wassergekühltes Durch­ gangsventil 6, eine wassergekühlte und mit Evakuierungseinrichtung versehene Heizkammer 7 und ein weiteres wassergekühltes Durchgangsventil 8. Den Abschluß bildet die wasserge­ kühlte und mit einer Evakuierungseinrichtung versehene Ladekammer 9. Alle Kammern sind für Wartung und Bedienung mit Türen oder Klappen ausgerüstet.

In der Ladekammer 9, der Heizkammer 7 und der Zwischenkammer 5 sind oberhalb und un­ terhalb des Wagens eine Reihe wassergekühlter, angetriebener Rollen 10 angeordnet. Ent­ sprechende Schienen 11 im Wagen 12 laufen auf diesen Rollen 10. Sie ermöglichen den Transport des Wagens durch die Kammern bei geöffneten Ventilen. Auf der Zwischenkammer 5 und der Ladekammer 9 befindet sich jeweils ein Dom 13. Dieser Dom enthält die wasserge­ kühlten Antriebe 14 und die Vorrichtungen 15 zum Einkuppeln der Antriebe 14 in die Getriebe des Wagens 12 in den entsprechenden Arbeitspositionen. Gleichzeitig mit dem Einkuppeln der Antriebe 14 werden wassergekühlte Klemmbacken 16 an das gut wärmeleitende Gehäuse des Wagens 12 gepreßt, die den Wagen arretieren und kühlen.

Sowohl in der Heiz-, wie auch in der Bedampfungsposition steht der Wagen in einem Raum, der gegen die Wärmestrahlung entweder durch gekühlte Behälterwände oder aber durch Strahlungsschutzbleche geschützt ist. Durch die genannten Maßnahmen wird ein ausreichend großes Temperaturgefälle zwischen den auf ca. 1000°C aufgeheizten Substraten und den Getrieben zum Drehen und Schwenken derselben, auch im stationären Zustand, aufrecht er­ halten.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung mit Elektronen­ strahlheizung für die Substrate (Variante 2).

An die mit einer entsprechenden Evakuierungseinrichtung ausgerüstete, wassergekühlte Be­ dampfungskammer 1 mit einem oder mehreren Verdampfertiegeln 2, einem Kondensatfänger 3 und einer oder mehrerer Elektronenkanonen 4 ist seitlich ein wassergekühltes Durchgangs­ ventil 6 montiert. An diesem Ventil sitzt die wassergekühlte und ebenfalls mit einer Evakuie­ rungseinrichtung ausgestattete kombinierte Lade-/Heizkammer 9. In der Ladekammer 9 sind oberhalb und unterhalb des Wagens 12 wassergekühlte Antriebsrollen 10 angeordnet. Die Schienen 11 des Wagens 12 laufen auf diesen Rollen 10 und ermöglichen den Transport des Wagens innerhalb der gesamten Kammer 9 bei geöffnetem Ventil 6.

Die am Wagen 12 befestigte Substrathalterung wird in der Lade-/Heizkammer beschickt, wo­ bei sich der Wagen in der rechten Stellung befindet. Danach wird die Kammer 9 evakuiert und die Substrate werden mittel Elektronenstrahlheizung auf eine Temperatur von ca. 1000°C aufgeheizt. Dabei werden die Substrate mittels der eingekoppelten Antriebe 14 und 15 be­ wegt. Anschließend wird Ventil 6 geöffnet und der Wagen 12 mittels der Antriebsrollen 10 in die linke Bedampfungsposition gebracht. Während der Bedampfung findet ebenfalls eine Be­ wegung der Substrate mittels der eingekoppelten Antriebe statt.

Bezugszeichenliste

1 Bedampfungskammer
2 Verdampfertiegel
3 Kondensatfänger
4 Elektronenkanone für Verdampfung
5 Zwischenkammer
6 Durchgangsventil, wassergekühlt
7 Heizkammer, wassergekühlt
8 Durchgangsventil, wassergekühlt
9 Ladekammer
10 Antriebsrollen für Wagen, wassergekühlt
11 Schienen für Wagen
12 Wagen
13 Dom
14 Antrieb für Substratbewegung
15 Kopplung für Antrieb
16 Klemmbacken, wassergekühlt
17 Heizstäbe
18 Elektronenkanone für Substratheizung mit Strahlführung

Claims (3)

1. Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage zum Aufbringen von Thermobarriere-Schichten (TBC), bestehend aus Ladekammer, Heizerkammer, Bedampfungskammer mit Elektronenstrahl-Ver­ dampfern und Verdampfertiegeln, Substrattransporteinrichtung, zugehöriger Evakuierungsein­ richtung sowie den erforderlichen peripheren Baugruppen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Einrichtung zur Substrataufnahme direkt an einem durch Strahlungsschutzbleche ge­ gen Wärmestrahlung abgeschirmten Wagen befestigt ist, der mittels eines gekühlten Rollen­ systems innerhalb Ladekammer, Heizerkammer und Zwischenkammer verfahren werden kann, wobei die besagte Zwischenkammer zwischen Heizerkammer und Bedampfungskam­ mer angeordnet und so gestaltet ist, daß sich der Wagen während der Beschichtung der Substrate in dieser Kammer befinden kann,
• - daß sich in den Domen von Lade- und Zwischenkammer Antriebe befinden, die in den jewei­ ligen Arbeitspositionen mit den Antrieben für die Rotations- und Schwenkbewegung der Substrate im Wagen gekoppelt werden,
• - daß zwischen Heizkammer und Zwischenkammer ein vorzugsweise wassergekühltes Ventil so angeordnet ist, daß es geschlossen werden kann, während sich der Wagen in der Zwi­ schenkammer befindet und
• - daß in der Zwischenkammer Kühlbacken angeordnet sind, die von einer oder mehreren Sei­ ten an den Wagen gedrückt werden.

2. Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage zum Aufbringen von Thermobarriere-Schichten (TBC) bestehend aus Ladekammer, Heizerkammer, Bedampfungskammer mit Elektronenstrahl-Ver­ dampfer und Verdampfertiegeln, Substrattransporteinrichtung, zugehöriger Evakuierungsein­ richtung sowie den erforderlichen peripheren Baugruppen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß Lade- und Heizkammer in einer Kammer zusammengefaßt wird, wobei die Heizung der Substrate mittels Elektronenstrahlen erfolgt,
• - daß in der kombinierten Lade-/Heizkammer ein Wagen mit angekoppeltem Substratträger mit­ tels vorzugsweise gekühlter Rollen verfahren werden kann,
• - daß die Lade-/Heizkammer zwei Dome besitzt, in denen sich Antriebe befinden, die in den je­ weiligen Arbeitspositionen mit den Antrieben für die Rotations- und Schwenkbewegung der Substrate im Wagen gekoppelt werden,
• - daß zwischen Lade/Heizerkammer und Beschichtungskammer ein vorzugsweise wasserge­ kühltes Ventil angeordnet ist,
• - daß in der Lade/Heizkammer Kühlbacken angeordnet sind, die von einer oder mehreren Sei­ ten an den Wagen gedrückt werden.

3. Elektronenstrahl-Bedampfungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch,

• - daß die Führung des Wagens den kompletten Austausch des mit Substrathalterung und Substraten bestückten Wagens gegen einen neu bestückten Wagen nach jedem Ende des Beschichtungsvorgang zuläßt.