DE2820289C2

DE2820289C2 - Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten mit Legierungsschichten bei erhöhter Substrattemperatur

Info

Publication number: DE2820289C2
Application number: DE2820289A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr.-Phys. 6454 Bruchköbel Stephan
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1978-05-10
Filing date: 1978-05-10
Publication date: 1986-09-18
Also published as: DE2820289A1; US4214015A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, Substrate auf Temperaturen aufzuheizen, die erheblich oberhalb der Raumtemperatur liegen, um beispielsweise die Haftfestigkeit zwischen dem das Substrat bildenden Grundmetall und der aufgedampften Schicht durch intermetallische Diffusion zu vergrößern. Bisher wurde hierbei angestrebt, die Substrattemperatur während des gesamten Aufdampfverfahrens auf einem möglichst gleichmäßigen Wert zu halten.

Beim Aufdampfen von oxidations- und korrosionshemmenden Oberflächenschichten auf Gasturbinenschaufeln sind wegen der geforderten Standfestigkeiten Schichtdicken in der Größenordnung zwischen 150 und χ 10~^Jmm erforderlich. Beim Aufbau derartiger Schichten durch spezielle, für den genannten Zweck geeignete Legierungen CoCrAlY und NiCoCrAlY hat sich jedoch gezeigt, daß sich in den entstehenden Schichten Spalten und Stengelkristalle ausbilden, welche die schützenden Eigenschaften der Schicht teilweise zu nichte machen.

Durch die GB-PS 14 71 304 und die US-PS 38 73 347 ist es bekannt, den Beschichtungsprozeß zu unterbrechen und nach der Untersuchung ein anderes Schichtmaterial aufzubringen oder eine Umwandlung der Oberfläche durchzuführen, zu welchem Zweck die Vorrichtung belüftet werden muß. Es handelt sich jedoch nicht darum, innerhalb des gleichen Schichtmaterials die gefürchtete Stengelkristallausbildung durch Unterbrechungen und Abkühlungen auszuschalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Aufdampfverfahren für Legierungsschichten auf metallischen Substraten anzugeben, bei dem aus dem gleichen Schichtmaterial möglichst homogene und geschlossene Schichten erzielt werden können.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß durch die im Kenazeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn man die Substrate um 50 bis 100⁰C abkühlen läßt

Es wurde überraschend festgestellt, daß durch die mindestens einmalige Unterbrechung des Aufdampfvorganges in Verbindung mit der dadurch erfolgten Abkühlung Schichten erzielt werden, in denen keine bis zum Grundmaterial durchgehenden Spalten und/oder Stengelkristalle vorhanden sind. Die Unterbrechung des Aufdampfvorganges hat ganz offensichtlich ^*y Folge, daß sich die Oberflächenfehler in dem nach der Unterbrechung liegenden Beschichtungsabschnitt nicht fortgesetzt werden, ja es werden sogar bereits bestehende Oberflächenfehler in der ersten Schicht oder den ersten Schichten durch die nachfolgende Schicht oder die nachfolgenden Schichten »ausgeheilt«.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden. So ist es beispielsweise möglich, daß man das Aufheizen nach der Abkühlung in der Vakuumbeschichtungskammer selbst durch eine besondere Heizeinrichtung durchführt. Diese Heizeinrichtung kann beispielsweise aus Heizwiderständen bestehen, die die Heizenergie durch Wärmestrahlung auf die Substrate übertragen, sie kann aber auch aus Elektronenstrahlerzeugern bestehen, welche die Substrate mit Elektronen beschießen. Eine besonders vorteilhafte Verfahrensführung ist jedoch in Vcrbindung mit einem Elektronenstrahlverdampfer dadurch gekennzeichnet, daß man das Aufheizen nach der Abkühlung durch reflektierte Elektronen des Elektronenstrahlverdampfers durchführt. Hierbei macht man von der Eigenart eines Elektronenstrahlverdampfcrs Gebrauch, bei dem nicht sämtliche von einer Eleklronenstrahikanone auf das Verdampfungsgut gerichtete Elektronen unmittelbar in Wärme umgesetzt werden. Je nach dem Auftreffwinkel wird ein unterschiedlich großer Anteil der Elektronen reflektiert. Sofern man dafür Sorge trifft, daß die reflektierten Elektronen auf die Substrate auftreffen können, erhält man hierdurch eine hohe Energieausnutzung der teueren Strahlenergie.

Sofern jedoch der Vakuunibeschichtungsanlage eine Heizkammer vorgeschaltet ist, kann diew mit bcsondcrem Vorteil dadurch ausgenutzt werden, daß man die Substiattemperatur durch Unterbrechung des Beschichtungs- und beheizungsvorganges um 50 bis 100 Grad absinken läßt, daß man die Substrate während oder nach der Abkühlung in die Heizkammer zurik-kzieht und dort wieder auf die vorgeschriebene Substrattemperatur aufheizt und sie anschließend wieder in die Vakuumbeschichtungskammer einführt. Eine solche Verfahrensführung hat den Vorteil, daß die Innentemperatur der Heizkammer wegen der Wärmeträgheit der Heizkammereinbauten auf einem gleichförmigen hohen Temperaturniveau gehalten werden kann, welches Sich bei der geforderten hohen Substrattemperatur durch Strahlung rasch auf die Substrate übertrag!.. Die Temperatur einer solchen Heizkämmer läßt sich genau regeln, so daß eine Überhitzung ausgeschlossen ist.

Für das Aufdampfen von Legierungsschichten aus CoCrAlY oder NiCoCrAlY auf Gasturbinenschaufcln aus hochw.armfesten Legierungen hat sich cine Sub-

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stratlemperaiur von 1000⁰C für eine intermetallische Diffusion als besonders günstig erwiesen. Hierbei genügt es, den Aufdampfvorgang einmal zu unterbrechen, nachdem etwa die Hälfte der geforderten Schichtdicke niedergeschlagen worden ist. Man läßt die Substrate hierbei auf eine Temperatur von 925°C, also um 75° C, abkühlen und zieht sie in die Heizkammer zurück, wo sie wieder-im wesentlichen auf die ursprüngliche Subsiratlemperatur von 1000⁰C aufgeheizt werden. Sobald diese Temperatur erreicht ist, werden die Substrate wieder in die Vakuumbeschichtungskainrner eingeführt, worauf dort in dem zweiten und letzten Beschichtungsabschnitt die Schicht bis zur endgültigen Schichtdicke aufgebaut wird. Es hat sich hierbei gezeigt, daß anfänglich gebildete Spalten und Stengelkristalle sich nicht bis zur äußeren Grenzfläche der Schicht fortsetzen.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Beschichten von metallischen Substraten mit einer Schicht aus einer zur Bildung von Spalten und Stengelkristallen neigenden Legierung bei einer Substrattemperatur oberhalb von 500^cC, vorzugsweise zwischen 800⁰C und 1100⁰C, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschichtungsvorgang nach dem Aufbringen eines .Teils der Legierung mindestens einmal unterbrochen wird, daß man die Substrate um mindestens 30° C abkühlen läßt, und daß man den Rest der Legierung in mindestens einem weiteren Verfahrensschritt aufbringt, wobei vor Beginn oder während eines jeden folgenden Beschichtungsabschnitts die vor der Abkühlung vorhandene Substrattemperatur durch Substratbeheizung im wesentlichen wieder eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Substrate um 50 bis 100⁰C abkühlen läßt

3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Durchführung in einer Vakuumbeschichtungskammer mit einer vorgeschalteten Heizkammer, dadurch gekennzeichnet, daß man die Substrattemperatur durch Unterbrechung des Beschichtungs- und Beheizungsvorgangs um 50 bis 100°C absinken läßt, daß man die Substrate während oder nach der Abkühlung in die Heizkammer zurückzieht und dort wieder auf die vorgeschriebene Substrattemperatur aufheizt und sie anschließend wieder in die Vakuumbeschich- -;uf7gskammer einführt.