CH659346A5

CH659346A5 - Vorrichtung zum behandeln der innenwand eines rohres.

Info

Publication number: CH659346A5
Application number: CH2544/83A
Authority: CH
Inventors: Eberhard Dr Moll; Rainer Dr Buhl
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1983-05-10
Filing date: 1983-05-10
Publication date: 1987-01-15
Also published as: DE3408053A1; SE8402504D0; ZA843411B; SE8402504L; DE3408053C2; IT1175473B; FR2546023A1; IT8420448A1; IT8420448A0; GB2145434B; GB8411268D0; GB2145434A; US4598663A; SE462717B; NL8401160A; JPS59226175A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Behandeln der Innenwand eines Rohres mittels einer elektrischen Glimmentladung unter Anwendung des Hohlkathodeneffektes zur Erzeugung einer auf den Innenraum des Rohres konzentrierten Glimmentladung, mit einer Vakuumkammer, einer Anode und einer innerhalb des in der Vakuumkammer gehalterten Rohres angeordneten Hilfselektrode.

Eine solche Vorrichtung ist aus der deutschen Patentschrift Nr. 976 529 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung eignet sich nicht dazu, die Innenfläche eines Rohres durch Kathodenzerstäubung mit einer ausreichend haftfesten und dichten Schicht aus dem Elektrodenmaterial zu beschichten, da die von der Hilfselektrode abgestäubten Atome durch Stösse mit den Gasatomen und -molekülen ihre kinetische Energie weitgehend verlieren, bevor sie auf die zu beschichtende Fläche auftreffen. Diese Energie wäre aber nötig, um bei Auftreffen auf die Innenfläche des Rohres die dort sorbierten Gasatome und -mole-küle zu verdrängen bzw. abzulösen und damit eine fest haftende und dichte Schicht aufzubauen.

Andererseits hätte eine Vorrichtung dieser Art, sofern man damit Schichten mit guter Qualität herstellen könnte, wesentliche Vorteile gegenüber anderen bekannten Vorrichtungen zur Innenbeschichtung von Rohren, wie sie z.B. in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben wurden.

DE-AS 2 820 301; DE-OS 2 544 942; DE-OS 2 729 286. Buch: J.L. Vossen und W. Kern, «Thin Film Processes», Académie Press, 1978.

Diese Vorrichtungen erfordern nämlich Magnetfelder oder hochfrequente Wechselfelder und sind deshalb teuer und umständlich sowohl in der Herstellung als auch beim Betrieb. Die grössten Schwierigkeiten treten auf, wenn ferromagnetische Rohre beschichtet werden sollen, da in diesem Fall Magnetfelder in einer Weise verändert werden, welche eine effektive Gasionisierung unterdrückt. Ein weiteres Problem tritt beim Versuch reaktiver Zerstäubung der in das Rohr eingeführten Hilfselektrode auf. Da in diesem Fall das reaktive Gas in die Verbindungsschicht eingebaut also verbraucht wird, führt dies zu einer Verarmung der reaktiven Gaskomponente in der Mitte zwischen den offenen Rohrenden, insbesondere dann, wenn die Zerstäubungsvorrichtung das zu beschichtende Rohr weitgehend ausfüllt. Die Verwendung eines Gasverteilers, wie er z.B. in der britischen Patentschrift Nr. 1 570 044 beschrieben wurde, ist bei der Innenbeschichtung von engen Rohren nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, dass sie sich für die Durchführung verschiedener Behandlungen der Innenwand von Rohren eignet, vor allem für diejenigen, die für eine Aufbringung von dünnen, gleichmässigen, haftfesten und dichten Schichten nützlich sind, wie z.B. vorgängige Wärmebehandlungen, kathodisches Aetzen der Innenwand und nachfolgende Beschichtung der Innenwand mittels Kathodenzerstäubung. Dabei sollen Magnetfelder, hochfrequente Wechselfelder und hohe Strömungswiderstände, wie sie bisher bei vielen Verfahren unerlässlich waren, vermeidbar sein. Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Hilfselektrode im Bereich der zu behandelnden Innenwand mit Abstand von dieser neben der Rohrachse angeordnet ist.

Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung ist es im Vergleich zu der aus DE-PS 976 529 bekannten Vorrichtung möglich, den Hohlkathodeneffekt bei geringerem Gasdruck zu erzielen. Da gleichzeitig der Abstand zwischen der Hilfselektrode und der Rohrinnenwand verkleinert ist, wird die Zahl der Stösse mit Gasatomen, welche die von der Hilfselektrode abgestäubten Atome auf dem Weg zur Rohrinnenwand erleiden, in zweifacher Hinsicht verringert. Das führt zu überraschend gut haftenden und zu sehr dichten, feinkörnigen Schichten. Während der Beschichtung ist eine Relativbewegung zwischen Rohr und Hilfselektrode vorteilhaft, um die Gleichmässigkeit der Schichten zu erhöhen.

Überraschenderweise ist es — im Gegensatz zu der bekannten Anordnung — möglich, mit der erfindungsgemässen Anordnung einen ausreichend Hohlkathodeneffekt auch dann noch zu erzielen, wenn die Hilfselektrode auf Anoden — oder Schwebepotential — liegt, so dass sie nicht zerstäubt wird. Sie braucht dazu nicht aus dem Rohr herausgezogen zu werden. Die Erfindung ermöglicht deshalb auch die Durchführung eines Beschichtungsprozesses in 2 Phasen, wobei die zu beschichtende Fläche während der ersten Phase durch Kathodenzerstäubung geätzt und während der zweiten Phase durch Kathodenzerstäubung der Hilfselektrode beschichtet wird. Eine solche Aetzpha-se bewirkt eine besonders gute Haftfestigkeit der Schicht auf ihrer Unterlage, da das von der Rohrwarid abgestäubte Material auf der Hilfselektrode abgelagert und später zu Beginn der Be-schichtungsphase — gemischt mit dem Material der Hilfselektrode — wieder auf die Rohrinnenfläche aufgestäubt wird. Auf diese Weise entsteht ein kontinuierlicher Übergang zwischen dem Rohrmaterial und dem Schichtmaterial, der als Ursache für die gute Haftfestigkeit betrachtet werden kann.

Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung kann aber nicht nur ein Aetzen vor einem darauffolgenden Beschichten der Innenwand eines Rohres durchgeführt werden; auch andere Vorbehandlungen in einer elektrischen Gasentladung sind damit möglich. Z.B. kann es nützlich sein, die Innenwand des Rohres vor einer nachfolgenden Beschichtung durch eine elektrische Gasentladung zu erwärmen, wobei wie in der Aetz- und Be-schichtungsphase, die Rohrwand als Kathode geschaltet wird.

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Für diesen Fall einer reinen Erwärmung hat sich die Verwendung von Helium als Entladungsgas besonders bewährt, da Helium eine geringere Zerstäubungswirkung als schwere Gase besitzt, so dass auch reine Wärmebehandlungen ohne Abätzen der Rohrwand vor dem Beschichten möglich sind.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltschema für die Schaltzustände «Aetzen durch Zerstäuben» und «Beschichten».

In Fig. 1 sind ein Längsschnitt und ein Querschnitt einer erfindungsgemässen Vorrichtung schematisch dargestellt. Die Vakuumkammer besteht aus einem zylindrischen Teil 1, an dem eine Pumpöffnung 2 und ein Gaseinlass 3 angebracht sind; er wird geschlossen durch einen Deckelflansch 4 und einen Bodenflansch 5. Im Deckelflansch 4 ist eine als Hohlkörper ausgebildete röhrchenförmige Hilfselektrode 6 um die Achse 7 drehbar gelagert. Sie begrenzt zusammen mit dem zu behandelnden Rohr 8 einen zweifach zusammenhängenden Raum, was im Querschnitt (in Fig. la) gut zu erkennen ist. Im Bereich der zu behandelnden Innenfläche des Rohres 8 soll die Hilfselektrode 6 einen möglichst grossen Abstand 10 von der Rohrachse 7 aufweisen, so dass im Bereich der Achse ein freier Raum entsteht. Der Spalt 12 wird zweckmässigerweise so klein wie möglich gehalten; seine Grösse wird durch die Herstellungstoleranzen und die Forderung begrenzt, dass kein Kontakt zwischen der Hilfselektrode und der Rohrwand auftreten darf. Der Einfachheit halber sind in Fig. 1 der Deckelflansch 4 und der Bodenflansch 5 auf von den Wänden der Vakuumkammer 1 verschiedenes elektrisches Potential gelegt und dienen somit gleichzeitig als vakuumdichte Spannungsdurchführungen. In der Praxis müssen diese Teile natürlich mit einem Berührungsschutz versehen werden. Die Hilfselektrode 6 wird durch ein durchströmendes Kühlmittel gekühlt und ist elektrisch von der Vakuumkammer 1 isoliert und über den Anschluss T mit einer elektrischen Schaltung verbunden, die aus Fig. 2 ersichtlich ist. Ebenso ist das zu beschichtende Rohr 8 elektrisch von der Vakuumkammer isoliert und über den Anschluss S mit der genannten Schaltung verbunden.

Diese elektrische Schaltung (Fig. 2) stellt bei Schliessen des Schalters I den Zustand «Aetzen» und bei Schliessen des Schalters II den Zustand «Beschichten» her.

Dabei wird die Hilfselektrode im ersten Fall auf positives oder schwebendes Potential gegenüber der Rohrwand gelegt, im zweiten Fall dagegen befindet sie sich auf gleichem oder höherem Potential wie die Rohrwand und bildet mit dieser zusam-

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men eine Hohlkathode. Die Anschlüsse T, S und A der Figur 2 entsprechen denen der Figur 1. Der Regelwiderstand 13 und das Messinstrument 14 dienen der Einstellung und Überwachung der Leistungsverteilung zwischen Hilfselektrode und Rohr beim Bestäubungsbetrieb, das Messinstrument 16 der Messung des Gesamtentladungsstroms.

Manchmal kann es nützlich sein, die Behandlung in einer erfindungsgemässen Vorrichtung in an sich bekannter Weise durch Hochfrequenzfelder zu unterstützen. Dafür kann man z.B. eine zweite gegenüber der ersten elektrisch isolierte zusätzliche Hilfselektrode einbauen, die zusammen mit der ersten Hilfselektrode ein Hochfrequenzelektrodenpaar bildet. Verwendet man für diesen Zweck zwei U-förmig gebogene Elektroden, ähnlich derjenigen, die in Fig. 1 gezeichnet ist, erhält man eine Art Quadrupolanordnung. Auch die Unterstützung durch ein geeignetes Magnetfeld ist möglich, wenn das zu beschichtende Rohr nicht magnetisierbar ist. Unterstützungen dieser Art überlagern sich den Vorteilen, welche die erfindungsgemässe Vorrichtung auch in diesen Fällen aufweist.

Das folgende Ausführungsbeispiel lässt den durch die Erfindung erzielten technischen Fortschritt erkennen.

Es ist ein Stahlrohr von 550 cm Länge und einem Innendurchmesser von 40 cm auf der Innenseite mit TiN zu beschichten. Die Hilfselektrode 6 aus einem Titanröhrchen von 6 mm Aussendurchmesser wird U-förmig gebogen, so dass der lichte Abstand zwischen den beiden Schenkeln 26 mm beträgt. Auf bekannte Weise wird dieses Röhrchen mit pulverförmigem TiN unter Anwendung des sogenannten Plasmaspritzverfahrens bis zum Erreichen einer Schichtdicke von etwa 0,3 mm Dicke beschichtet. Nach dem Einbau in die Vorrichtung nach Fig. 1 und dem Abpumpen der Luft wird Helium bis zu einem Druck von 0,4 mbar eingelassen und durch Betätigen des Schalters I an das Rohr negative Spannung angelegt, die allmählich von 300 bis 900 V erhöht wird. Nach Erreichen einer Temperatur von 400° wird das Helium abgepumpt und durch Argon ersetzt und die Spannungsquelle wieder eingeschaltet. Nach etwa 5 Minuten wird anstelle des Schalters I der Schalter II geschlossen. Nun liegt die Hilfselektrode am negativen Pol der Spannungsquelle und das aufgespritzte TiN-Pulver wird bevorzugt zerstäubt. Der Regelwiderstand 13 wird so eingestellt, dass bei einer Spannung von 570 Volt und einem Gesamtstrom von 3,1 A eine Spannung von 300 V am Rohr liegt und der Strommesser 14 einen Strom von 1,1 A anzeigt. Nach 3 Stunden ist auf der Innenwand des Rohres eine Schicht von 3,4 |j.m Dicke aufgewachsen, die eine Härte von 2600 Vickers aufweist und die für TiN charakteristische goldgelbe Farbe zeigt.

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2 Blätter Zeichnungen

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1. Vorrichtung zum Behandeln der Innenwand eines Rohres mittels einer elektrischen Glimmentladung unter Anwendung des Hohlkathodeneffektes zur Erzeugung einer auf den Innenraum des Rohres konzentrierten Glimmentladung, mit einer Vakuumkammer, einer Anode und einer innerhalb des in der Vakuumkammer gehalterten Rohres angeordneten Hilfselektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode (6) im Bereich der zu behandelnden Innenwand mit Abstand von dieser neben der Rohrachse (7) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode (6) und das Rohr (8) relativ zueinander um die Rohrachse (7) drehbar angeordnet sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode (6) als kühlmitteldurchströmter länglicher Hohlkörper ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode (6) zwischen zwei Befestigungen eingespannt und der Rohrachse parallel ausgerichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode (6) wenigstens an ihrer Oberfläche aus dem Material besteht, welches durch Kathodenzerstäubung auf der Innenwand des Rohres (8) aufgebracht werden soll.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfselektrode (6) auf höheres Potential als das Rohr (8) schaltbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schalter vorgesehen ist, um die Hilfselektrode mit dem negativen Pol eines Hochspannungsgerätes (15) zu verbinden oder von ihm zu trennen.

8. Verfahren zum Behandeln der Innenwand eines Rohres mittels einer elektrischen Glimmentladung unter Verwendung der Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zwischen Hilfselektrode und Anode mindestens das 1,5-fache der Spannung zwischen dem Rohr und der Anode beträgt.