EP0596092A1 - Verfahren und vorrichtung zur impulsbeaufschlagung einer festkör peroberfläche - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur impulsbeaufschlagung einer festkör peroberfläche

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EP0596092A1
EP0596092A1 EP93912725A EP93912725A EP0596092A1 EP 0596092 A1 EP0596092 A1 EP 0596092A1 EP 93912725 A EP93912725 A EP 93912725A EP 93912725 A EP93912725 A EP 93912725A EP 0596092 A1 EP0596092 A1 EP 0596092A1
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EP
European Patent Office
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energy
plasma
solid
accelerator
layer
Prior art date
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Application number
EP93912725A
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English (en)
French (fr)
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Eduard Igenbergs
Karlheinz G. Schmitt-Thomas
Josef SPÖRER
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Igenwert GmbH
Original Assignee
Igenwert GmbH
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Filing date
Publication date
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Application filed by Igenwert GmbH filed Critical Igenwert GmbH
Publication of EP0596092A1 publication Critical patent/EP0596092A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/221—Ion beam deposition
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    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/515—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using pulsed discharges
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    • C23C4/134—Plasma spraying
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54—Plasma accelerators

Definitions

  • the invention relates to a method for loading a solid surface, in particular a material surface, for the purpose of achieving changes in the structure and / or the structure and / or the composition. Furthermore, the invention is directed to devices for carrying out this method.
  • the object of the invention is to provide a method which is particularly suitable for achieving particularly high-quality or special properties of surface layers of materials, which can be used in a variety of ways and can be implemented by means of devices which are known, at least in their basic concept, but so far have been used for technically completely different purposes.
  • the object is essentially achieved by a method for applying a solid body surface, in particular a material surface, with a brief pulse of a mass of high energy and density, in which the energy stored in an energy store is conducted into an energy converter and there is transferred to an energy carrier to be accelerated in the direction of the solid surface in the form of a gas and / or a liquid and / or a solid such that the impulse occurring on the solid surface interacts with the boundary layer of the solid and becomes extremely thin in it Surface layer without influencing the base material causes changes in the structure and / or in the structure and / or in the composition.
  • the method according to the invention is suitable depending on the choice of parameters
  • ultra-hard materials such as fullerenes, diamonds or boron nitrides - into the material surface, as well as for the production of new, ultra-hard surface layers which consist of the material material alone or of the material material and the coating material.
  • Impurities and / or doping in the surface layer of aluminum are dissolved.
  • surface layers of pure iron After the treatment according to the invention with the additive graphite powder, surface layers of pure iron, depending on the treatment parameters, have a martensitic structure of the surface layer of the component (approximately ten times the hardness of the starting material) or an amorphous structure of the surface layer of the material (approximately twenty to twenty-five times hardness) ).
  • This is not a coating, but a change in the surface layer of the material, namely a change in both the structure of the material and the original (before the treatment according to the invention) exposure material.
  • the mass generating the short-term pulse consists of the plasma accelerated in the energy converter and, if this is necessary to achieve a certain effect on the material to be treated, of an additive which either ionizes and is generated by the electromagnetic field is accelerated, or is also accelerated by the plasma flow.
  • the material generating the short pulse When interacting with the material to be influenced, the material generating the short pulse can be melted and alloyed for a short time. Like carbon, for example, this can accelerate the amorphization process, as has been demonstrated in experiments with carbon and pure iron.
  • the surface of the material to be treated can be covered with graphite.
  • the application of a high-pressure pulse then results in the formation of a diamond layer, the high-pressure pulse being effected by a plasma mass of high temperature and density, which strikes the material to be treated with or without additives.
  • the method according to the invention not only makes it possible to achieve extremely hard and wear-resistant surfaces, but also to give these surfaces very specific properties, at least not previously achievable in this way, in particular with regard to the wettability and the microstructure lend, and above all to achieve material conversions, such as the conversion of graphite into diamond-like, ultra-hard carbon structures, so-called fullerenes.
  • the process parameters can be specifically adapted to the desired layer properties.
  • a particularly advantageously usable device for realizing the method according to the invention consists of a coaxial plasma accelerator with a compression coil.
  • a Such a system delivers short pressures, that is to say in the micro to millisecond range, high pressures in the kbar range with temperatures of up to 20,000 K and can therefore in a plasma flow with flow velocities of up to 70 km / sec foreign particles at very high speeds accelerate. These speed ranges represent a significant difference to the existing coating processes, since such known speed treatment technologies cannot even approach such speed ranges.
  • the use of such a magneto-gas-dynamic accelerator to carry out the method according to the invention enables extremely short application times and high power densities.
  • Figure 1 the functional principle of an accelerator for influencing materials
  • Figure 2 shows a schematic structure of a test facility
  • Figure 3 is a schematic diagram of a plasma dynamic accelerator
  • FIG. 4 shows a sectional illustration of a plasma dynamic accelerator with gas injection through the outer electrode and injection of additional materials through the central electrode
  • FIG. 5 shows a plasma dynamic accelerator with a convergent / divergent compression coil
  • Figure 6 shows the schematic structure of an electrothermal accelerator
  • Figure 7 is a schematic representation of a guardrail accelerator with object material
  • FIG. 8 shows a schematic compilation of embodiments of methods according to the invention for the application of a solid surface.
  • Figure 1 shows the principle of operation of the accelerator systems for influencing the surface of materials for the purpose of implementing the method according to the invention.
  • FIG. 2 A typical overall system is shown in Figure 2, and it shows the accelerator system, which consists of the actual plasma accelerator, which is installed in a vacuum tank, and a capacitor bank with ignitron switches as an external energy store.
  • the plasma accelerator itself is formed by the two main groups of the coaxial accelerator and the compression coil, this coaxial accelerator with compression coil representing the energy converter.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a plasma dynamic accelerator with a compression coil.
  • the coaxial part consists of a rod-shaped central electrode and an outer electrode with a ring cross-section. Adjoining this is a conically tapering coil which is fastened in an insulated manner at the rear end and is conductively connected to the outer electrode via a current feedback.
  • the entire accelerator can be regarded as an electrical resonant circuit consisting of a capacitance, inductors and resistors. If the switch in the energy storage system is closed, a discharge current that changes over time begins to flow through the system.
  • the conductive connection between the center electrode and the outer electrode is produced by a plasma representing the energy carrier, which is generated at the beginning of the current discharge either by evaporation and ionization of a metal foil or by ionization of a gas. Further details of such a plasma dynamic accelerator can be found in US Patents 3,929,119 and 3,916,761.
  • Figure 4 shows a schematic representation of an embodiment of a plasma dynamic accelerator with gas injection through the outer electrode and the possibility of injecting filler materials through the central electrode.
  • An inductive store or a capacitive store can be used as the energy store.
  • the energy converter into which the energy is conducted from the energy store, converts the electrical energy supplied into thermal and / or kinetic and / or chemical energy of an energy carrier. If a gas is used as the energy carrier, this is brought briefly to very high temperature and to high pressure and density by the energy supply. In particular, the gas is ionized so that a plasma is formed.
  • This plasma is used to serve as an energy carrier and / or to simultaneously provide and carry other additive materials with kinetic energy and finally to bring them into interaction with the object material, namely with the very thin peripheral layer of the object material , in particular the duration of the impulse exerted on the object material, the temperature, the density and the pressure being selected such that the structure and structure of this very thin edge layer are influenced in a targeted manner, but the depth of the thermal action on this thin layer Boundary layer is limited.
  • the energy store, the energy converter and the energy carrier with or without introduced additional materials and the object material have to be brought into a special arrangement in order to carry out the corresponding influencing of the object material and in particular its peripheral layer.
  • a suitable arrangement of the physical parameters of the energy store and the energy converter as well as a suitable selection of the energy carrier and of the material added to this energy carrier as well as, if appropriate, must be carried out, and these in turn must be in a suitable form with the selection and with the arrangement of the Object material in relation to the energy converter are related.
  • Figure 5 shows a modification of a plasma dynamic accelerator with a convergent / divergent compression coil, which makes it possible to generate an essentially parallel plasma flow on the output side, which ensures an advantageous distribution of the temperature, the density and the flow velocity in the plasma jet, see above that the application of a solid surface and in particular a workpiece surface takes place in a particularly uniform manner. In particular, the greatest possible surface area is thereby applied.
  • the object material can be arranged in a suitable manner inside or outside the coaxial accelerator with a compression coil, and the choice of the position of the object material is of essential importance for the solution of the particular task, since the duration, height, density and composition of the pulse differ in Ab ⁇ Change dependency on the respective position.
  • the coaxial accelerator with compression coil can be operated in particular with a suitable total energy supply and the corresponding pulse duration in such a way that the erosion and ablation of the components of the accelerator is avoided, whereby a particularly defined exposure to the object material, which is unaffected by foreign substances, is ensured can.
  • the ablation or evaporation of the plasma accelerator with compression coil can serve to introduce the admission material if the components of the accelerator exposed to the plasma flow consist of a material suitable for this purpose.
  • the coaxial accelerator can also be operated without a compression coil. Particularly in this arrangement and also in the case of the arrangement with a compression coil, the amplitude and the time course of the energy supply in connection with the geometric parameters are of crucial importance for the parameters of the short-term plasma with or without exposure substances at the location of the material to be acted upon ( if this short-term plasma strikes the material).
  • the length of the coaxial accelerator influences the transformation of the structure of the application material.
  • introduction of the graphite dust loading material at the rear end (the beginning) of the coaxial accelerator with compression coil leads to the surface of the pure iron with the greatest increase in hardness. Similar dependencies exist for other electromagnetic accelerators such as guardrail accelerators.
  • Figure 6 shows a half section of an electrothermal accelerator that can also be used as an energy converter.
  • This consists of an external electrical energy store, a high-pressure chamber, which is also referred to hereinafter as an explosion chamber, and the actual accelerator tube.
  • An electrically conductive material is located in the explosion chamber between two electrodes. If the energy store is discharged, a current begins to flow in the system, whereby energy is supplied to the material in the chamber. Due to the strong current surge, the material (under certain circumstances, the material to be influenced to the object material) evaporates spontaneously, and a hot, high-pressure plasma is created which expands in the axial direction.
  • the object material is then exposed to the plasma flow at a suitable distance from the combustion chamber in the run or outside the run of the electrothermal accelerator, the type of introduction of the object material and in particular the distance of the object material from the combustion chamber from the Parameters of the energy storage and the electrothermal accelerator is dependent.
  • the accelerator thermal energy supplied and thereby ein ⁇ directed pulse duration can be achieved an advantageous coating and interaction with the object material to special surface properties.
  • the object material is suitably arranged inside or outside the electrothermal accelerator.
  • this electrothermal accelerator can be operated with a suitable total amount of energy supplied and the corresponding pulse duration, so that the erosion and ablation of the components of the accelerator are avoided, whereby a particularly defined and unaffected by foreign matter is applied to the object material.
  • the components of the electrothermal accelerator that come into contact with the plasma flow can consist of materials from which the application material is formed by removal and / or evaporation as by similar dissipative processes.
  • the wall of the combustion chamber can consist of the same material as when iron surfaces are exposed to carbon-containing plasma.
  • a further material can be added to this plasma, which is the actual energy carrier, which is suitable and has very special properties when influencing the object material to create.
  • Figure 7 shows a guardrail accelerator that can also be used as an energy converter, as described, for example, in European patent application 89 900 590 for a completely different application.
  • This guardrail accelerator can either consist of a guardrail accelerator with two parallel guardrails or can be a guardrail accelerator with more than two guardrail pairs.
  • the energy source is generated by evaporation and ionization of a film, by gas injection or by injection of plasma using an electrothermal accelerator or by erosion of the electrodes and / or the insulators generated.
  • the length of this accelerator is adapted in a suitable manner to the parameters of the energy supply in order to generate a short-term pulse of high density either inside the accelerator or outside the accelerator, which pulse is suitable according to the pulse duration, pressure temperature and density, a solid surface or material superficial to be applied so that special properties are generated there.
  • the current surge discharge of the capacitor bank by ionization of a gas creates a high-energy plasma which accelerates to high speeds and is then compressed to high pressures in the kbar range.
  • This plasma which represents the energy source, then hits the material to be treated with or without additives, the parameters of the impulse being chosen such that there is only an action on the very thin surface layer of the respective material and the base material - in contrast to all previous corresponding processes - is not influenced thermally.
  • an eddy current accelerator is used as the energy converter.
  • This consists of a flat coil through which the current is conducted from a surge current battery.
  • the resulting time-varying electromagnetic field generates a short-circuit current in an electrically conductive plate lying on the coil (insulated), and the plate is accelerated to speeds of up to 2 km / sec perpendicular to the coil plane.
  • the loading material can consist of the environment of the accelerator or else of material that is applied to the plate to be accelerated.
  • the platelet and the loading material can be separated by a device which retains the platelet after acceleration.
  • This eddy current principle 11 is used in a special embodiment of the invention for accelerating powdery, liquid and in particular molten application material.
  • this arrangement is for accelerating very hot, liquid melts with temperatures above 1000 K to speeds above 100 m / sec is advantageous because there is no suitable accelerating device for this to date .
  • a special configuration of the arrangement consists in that a liquid material to be acted upon is shot onto a surface with or without impingement, thereby increasing the Cooling rate this surface is cooled in a suitable manner.
  • a sequential loading preferably takes place from the same energy source by adapting the electrical parameters as the inductance of the feed line.
  • FIG. 8 shows a compilation of the designs according to the invention of the method or methods for applying a solid body surface. This is divided into the following levels:
  • a method according to the invention can be put together from combinations with or without repetitions of individual stages.
  • the division of the stages according to Figure 8 results in a transitivity specific to this invention, so that embodiments of the invention are also possible with this gradation that are not explicitly listed or described in the claims or in the description.

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Description

Verfahren und Vorrichtung zur Impulsaufschlagung einer Festkoerperoberflaeche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beaufschlagung ei¬ ner Festkörperoberfläche, insbesondere einer Werkstoffober- flache, zum Zwecke der Erzielung von Veränderungen im Gefüge und / oder der Struktur und / oder der Zusammensetzung. Fer¬ ner ist die Erfindung auf Vorrichtungen zur Durchführung die¬ ses Verfahrens gerichtet.
Im Zuge des technologischen Fortschrittes werden ständig steigende Anforderungen an Komponenten und Anlagen des Ma¬ schinenbaus gestellt. Insbesondere der Erhöhung von Zuver¬ lässigkeit und Lebensdauer tribologisch beanspruchter Bautei¬ le kommt in diesem Zusammenhang größte Bedeutung zu. Ein Weg zur Verwirklichung dieses Zieles ist die Beschichtung von Bauteiloberflächen mit modernen Hochtechnologie-Hartstof¬ fen.
Es ist bekannt, Schichten hochfester Materialen mit verschie¬ densten Beschichtungsverfahren auf ein Bauteil aufzubringen. Bekannt sind insbesondere folgende Verfahren:
PVD (physical vapor deposition)-Methoden
CVD (chemical vapor deposition)-Methoden elektrolytische (galvanische und chemische Abscheidung
- thermische Spritzverfahren Plattier-Verfahren Schmelztauchverfahren
- Laseroberflächenbehandlungen
- Ionenimplantation, Elektronenstrahlverfahren
Durch diese Verfahren werden zum einen Schichten aufge¬ bracht, die nicht das Material des Werkstoffes enthalten oder bei denen Atome / Moleküle im Bauteilwerkstoff implan¬ tiert werden. Die Laseroberflächenbehandlung führt je nach Verfahren zu unterschiedlichen Prozessen, an denen neben dem Beschichtungs aterial auch das Werkstoffmaterial beteiligt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein insbesondere zur Erzielung von besonders hochwertigen oder besondere Eigenschaften auf¬ weisenden Randschichten von Werkstoffen geeignetes Verfahren zu schaffen, das vielseitig einsetzbar und mittels Vorrich¬ tungen realisierbar ist, die zumindest in ihrer Grundkonzep¬ tion bekannt sind, jedoch bisher zu technisch völlig ver¬ schiedenen Zwecken benutzt worden sind.
Gelöst wird nach der Erfindung die gestellte Aufgabe im we¬ sentlichen durch ein Verfahren zur Beaufschlagung einer Fest¬ körperoberfläche, insbesondere einer Werkstoffoberfläche, mit einem kurzzeitigen Impuls einer Masse hoher Energie und Dichte, bei dem die in einem Energiespeicher gespeicherte Energie in einen Energiewandler geleitet und dort auf einen in Richtung der Festkörperoberfläche zu beschleunigenden Energieträger in Form eines Gases und / oder einer Flüssig¬ keit und / oder eines Feststoffes derart übertragen wird, daß der auf die Festkörperoberfläche auftretende Impuls mit der Randschicht des Festkörpers in Wechselwirkung tritt und in dieser extrem dünnen Randschicht ohne Beeinflussung des Grundwerkstoffes Veränderungen im Gefüge und / oder in der Struktur und / oder in der Zusammensetzung bewirkt.
Das Verfahren nach der Erfindung ist dabei je nach Parameter¬ wahl geeignet
zur Erzeugung von neuen Materialien wie Fullerenen oder ande¬ ren Kohlenstoffmolekülketten,
zur Erzeugung von neuen, insbesondere von besonders festen und harten Oberflächenschichten wie Diamantenschichten,
zur Einbringung von besonderen - insbesondere ultraharten Materialien wie Fullerenen, Diamanten oder Bornitriden - in die WerkstoffOber lächen, sowie zur Erzeugung von neuen, ultraharten Oberflächenschichten, die aus dem Werkstoffmaterial alleine oder aus dem Werkstoff¬ material und dem Beschichtungsmaterial bestehen.
So wurden in Versuchen mit dem Plasmadynamischen Beschleuni¬ ger
fullerenartig strukturierte Materialien auf der Oberfläche von Aluminium erzeugt,
Verunreinigungen und / oder Dotierungen in der Oberflächen¬ schicht von Aluminium aufgelöst.
Dabei entstanden neue, amorphe Oberflächenstrukturen.
Oberflächenschichten von Reineisen erhalten nach der erfin¬ dungsgemäßen Behandlung mit dem Zusatzstoff Graphitpulver je nach Behandlungsparametern eine martensitische Struktur der Oberflächenschicht des Bauteils (circa zehnfache Härte des Ausgangsmaterials) oder eine amorphe Struktur der Oberflä¬ chenschicht des Werkstoffmaterials (circa zwanzig- bis fünf¬ undzwanzigfache Härte) . Hierbei handelt es sich nicht um eine Beschichtung, sondern um eine Veränderung der Oberflä¬ chenschicht des Werkstoffmaterials, und zwar um eine Verände¬ rung sowohl der Struktur des Werkstoffmaterials wie auch des ursprünglichen (vor der erfindungsgemäßen Behandlung) Beauf¬ schlagungsmaterials.
Die den Kurzzeitimpuls erzeugende Masse besteht aus dem in dem Energiewandler beschleunigten Plasma und außerdem, wenn dies zur Erzielung einer bestimmten Wirkung auf den zu be¬ handelnden Werkstoff erforderlich ist, aus einem Zusatz¬ stoff, der entweder auch ionisiert und durch das elektromag¬ netische Feld beschleunigt wird, oder aber durch die Plasma¬ strömung mitbeschleunigt wird.
Diese Masse - Plasma mit oder ohne Zusatzwerkstoff - wird im allgemeinen nicht nur beschleunigt, sondern auch in ihrer Struktur, dem Aggregatzustand und ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften verändert. So wird aus Graphitpul¬ ver molekularer Kohlenstoff in Pulver-, Tröpfchen- oder Gas¬ form und nimmt dabei Kohlenstoffmolekülstrukturen an, wie sie zum Beispiel bei Fullerenen beobachtet werden. Hierbei kann auch eine Anregung und Ionisierung des Materials auftre¬ ten.
Bei der Wechselwirkung mit dem zu beeinflussenden Werkstoff kann ein kurzzeitiges Aufschmelzen und Einlegieren des den Kurzimpuls erzeugenden Materials erfolgen. Dieses kann, wie zum Beispiel Kohlenstoff, den Amorphisierungsprozeß beschleu¬ nigen, wie dies in Versuchen mit Kohlenstoff und Reineisen erwiesen wurde.
Zum anderen kann die Oberfläche des zu behandelnden Werkstof¬ fes mit Graphit bedeckt werden. Durch die Beaufschlagung durch einen Hochdruckimpuls erfolgt dann die Bildung einer Diamantschicht, wobei der Hochdruckimpuls durch eine Plasma¬ masse hoher Temperatur und Dichte erfolgt, die mit oder ohne Zusatzstoffe auf dem zu behandelnden Werkstoff auftrifft.
Von-besonderer Bedeutung ist, daß es das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, nicht nur extrem harte und verschlei߬ feste Oberflächen zu erzielen, sondern diesen Oberflächen auch ganz bestimmte, bisher zumindest in dieser Art nicht erreichbare Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Benetzbarkeit und der Gefügestruktur, zu verleihen, und vor allem auch Materialumwandlungen zu erzielen, wie zum Bei¬ spiel die Umwandlung von Graphit in diamantähnliche, ultra¬ harte Kohlenstof Strukturen, sogenannte Fullerene.
Die Verfahrensparameter lassen sich an die jeweils gewünsch¬ ten Schichteigenschaften zielgerecht anpassen.
Eine besonders vorteilhaft verwendbare Vorrichtung zur Reali¬ sierung des Verfahrens nach der Erfindung besteht aus einem koaxialen Plasmabeschleuniger mit Kompressionsspule. Eine derartige Anlage liefert kurzzeitig, das heißt im Mikro- bis Millisekundenbereich, hohe Drücke im kbar-Bereich mit Tempe¬ raturen bis zu 20.000 K und kann daher in einer Plasmaströ¬ mung mit Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 70 km/sec Fremd¬ partikel auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigen. Die¬ se Geschwindigkeitsbereiche stellen einen wesentlichen Unter¬ schied zu den existierenden Beschichtungsverfahren dar, da mittels dieser bekannten Oberflächenbehandlungstechnologien derartige Geschwindigkeitsbereiche auch nicht annähernd er¬ reicht werden können. Die Verwendung eines solchen magneto- gasdynamischen Beschleunigers zur Durchführung des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens ermöglicht extrem kurze Beaufschla¬ gungszeiten und hohe Leistungsdichten.
Weitere zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete und damit in neuartiger Weise verwendbare Anlagen stellen der elektrothermische Beschleuniger sowie der Leit¬ schienenbeschleuniger dar. Mit diesen unterschiedlichen Be¬ schleunigertypen ist es möglich, den jeweiligen Forderungen bei der Oberflächenbehandlung insbesondere hinsichtlich der zu verwendenden Materialien, der geforderten Drücke, Tempera¬ turen und Strömungsgeschwindigkeiten des jeweiligen Plasmas variabel und optimal Rechnung zu tragen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen näher erläutert, wobei aus¬ drücklich darauf hingewiesen wird, daß nicht nur der Inhalt der Patentansprüche, sondern auch der Gesamtinhalt dieser erläuternden Beschreibung Bestandteil der Erfindung ist.
In der Zeichnung zeigt:
Abbildung 1 das Funktionsprinzip eines Beschleunigers zur Werkstoffbeeinflussung,
Abbildung 2 einen schematischen Aufbau einer Versuchs¬ anlage, Abbildung 3 eine Prinzipskizze eines plasmadynamischen Beschleunigers,
Abbildung 4 eine Schnittdarstellung eines plasmadynami¬ schen Beschleunigers mit Gasinjektion durch die Außenelektrode und Injektion von Zusatz¬ werkstoffen durch die Mittelelektrode,
Abbildung 5 einen plasmadynamischen Beschleuniger mit einer konvergent / divergenten Kompressions¬ spule,
Abbildung 6 den schematischen Aufbau eines elektrothermi- schen Beschleunigers,
Abbildung 7 eine schematische Darstellung eines Leit¬ schienenbeschleunigers mit Objektwerkstoff, und
Abbildung 8 eine schematische Zusammenstellung von erfin¬ dungsgemäßen Ausgestaltungen von Verfahren zur Beaufschlagung einer Festkörperoberflä¬ che.
Abbildung 1 zeigt das Funktionsprinzip der Beschleunigeranla¬ gen zur Oberflächenbeeinflussung von Werkstoffen zum Zwecke der Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Diese schematische Darstellung verdeutlicht, daß lediglich die Aufgabe des Energiewandlers bei den verschiedenen ver¬ wendbaren Beschleunigeranlagen auf unterschiedliche Weise ausgeführt wird. Die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen Kurzzeitimpulse einer Masse hoher Energie und Dichte sind mittels dieser verschiedenen Beschleunigeranla¬ gen erzielbar, wobei die Auswahl der jeweiligen Anlage nach den speziell vorliegenden Aufgabenstellungen erfolgen kann. Eine typische Gesamtanlage ist in Abbildung 2 dargestellt, und sie zeigt das Beschleunigersystem, das aus dem eigentli¬ chen Plasmabeschleuniger, der in einem Vakuumtank instal¬ liert ist, und einer Kondensatorbank mit Ignitronschaltern als externem Energiespeicher besteht.
Der Plasmabeschleuniger selbst wird von den beiden Hauptgrup¬ pen des koaxialen Beschleunigers und der Kompressionsspule gebildet, wobei dieser koaxiale Beschleuniger mit Kompres¬ sionsspule den Energiewandler darstellt.
Abbildung 3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines plasmadynami¬ schen Beschleunigers mit Kompressionsspule. Der koaxiale Teil besteht aus einer stabförmigen Mittelelektrode und ei¬ ner Außenelektrode mit Ringguerschnitt. Daran anschließend ist eine konisch zulaufende Spule angeordnet, die am rückwär¬ tigen Ende isoliert befestigt ist und über eine Stromrückfüh¬ rung leitend mit der Außenelektrode verbunden ist. Der ge¬ samte Beschleuniger kann als elektrischer Schwingkreis, be¬ stehend aus einer Kapazität, Induktivitäten und Widerständen betrachtet werden. Wird der Schalter im Energiespeichersy¬ stem geschlossen, so beginnt ein sich mit der Zeit ändernder Entladestrom durch das System zu fließen. Die leitende Ver¬ bindung zwischen Mittelelektrode und Außenelektrode wird da¬ bei durch ein den Energieträger darstellendes Plasma herge¬ stellt, das zu Beginn der Stromentladung entweder durch Ver¬ dampfung und Ionisation einer Metallfolie oder durch Ionisa¬ tion eines Gases erzeugt wird. Weitere Einzelheiten eines derartigen plasmadynamischen Beschleunigers sind den US-Patenten 3 929 119 und 3 916 761 zu entnehmen.
Abbildung 4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform eines plasmadynamischen Beschleunigers mit - Gasinjektion durch die Außenelektrode und der Möglichkeit der Injektion von Zusatzwerkstoffen durch die Mittelelektro¬ de. Als Energiespeicher kann ein induktiver Speicher oder ein kapazitiver Speicher verwendet werden. Der Energiewandler, in den die Energie aus dem Energiespeicher geleitet wird, wandelt die gelieferte elektrische Energie in thermische und / oder kinetische und / oder chemische Energie eines Energieträgers um. Wird als Energieträger ein Gas verwen¬ det, so wird dieses durch die Energiezufuhr kurzzeitig auf sehr hohe Temperatur sowie auf hohen Druck und Dichte ge¬ bracht. Insbesondere wird das Gas dabei ionisiert, so daß ein Plasma entsteht. Dieses Plasma wird dazu verwendet, um als Energieträger zu dienen und / oder um zugleich andere Zusatzwerkεtoffe mit kinetischer Energie zu versehen und mit¬ zuführen und schließlich in Wechselwirkung mit dem Objekt¬ werkstoff zu bringen, und zwar mit der sehr dünnen Rand¬ schicht des Objektwerkstoffs, wobei insbesondere die Dauer des auf den Objektwerkstoff ausgeübten Impulses, die Tempe¬ ratur, die Dichte und der Druck so gewählt sind, daß das Ge¬ füge und die Struktur dieser sehr dünnen Randschicht gezielt beeinflußt, jedoch die Tiefe der thermischen Einwirkung auf diese dünne Randschicht beschränkt wird.
Für diese Wechselwirkung muß der Energiespeicher, der Ener¬ giewandler sowie der Energieträger mit oder ohne eingebrach¬ te Zusatzwerkstoffe und der Objektwerkstoff in eine besonde¬ re Anordnung gebracht werden, um die entsprechende Beeinflus¬ sung des Objektwerkstoffes und insbesondere dessen Rand¬ schicht durchzuführen. Hierzu muß vor allem eine geeignete Anordnung der physikalischen Parameter des Energiespeichers und des Energiewandlers sowie eine geeignete Auswahl des Energieträgers und des diesem Energieträger sowie gegebenen¬ falls hinzugefügten Werkstoffes erfolgen, und diese müssen wiederum in geeigneter Form mit der Auswahl und mit der An¬ ordnung des Objektwerkstoffes im Verhältnis zum Energiewand¬ ler in Zusammenhang stehen. Diese Gesichtspunkte gelten grundsätzlich unabhängig von der Art des verwendeten Energie¬ wandlers. Abbildung 5 zeigt eine Modifikation eines plasmadynamischen Beschleunigers mit einer konvergent / divergent ausgebilde¬ ten Kompressionsspule, die es ermöglicht, ausgangsseitig eine im wesentlichen parallele Plasmaströmung zu erzeugen, die eine vorteilhafte Verteilung der Temperatur, der Dichte und der Strömungsgeschwindigkeit im Plasmastrahl gewährlei¬ stet, so daß die Beaufschlagung einer Festkörperoberfläche und insbesondere einer Werkstückoberfläche in besonders gleichmäßiger Weise erfolgt. Insbesondere wird hierbei die gleichmäßige Beaufschlagung einer möglichst großen Oberflä¬ che erreicht. Der Objektwerkstoff kann in geeigneter Weise innerhalb oder außerhalb des koaxialen Beschleunigers mit Kompressionsspule angeordnet sein, und die Wahl der Position des Objektwerkstoffes ist dabei für die Lösung der jeweils gestellten Aufgabe von wesentlicher Bedeutung, da sich Dauer, Höhe, Dichte und Zusammensetzung des Impulses in Ab¬ hängigkeit von der jeweiligen Position ändern.
Der koaxiale Beschleuniger mit Kompressionsspule kann insbe¬ sondere mit einer geeigneten zugeführten Gesamtenergie und entpsrechender Impulsdauer so betrieben werden, daß die Ero¬ sion und Ablation der Bauteile des Beschleunigers vermieden wird, wobei eine besonders definierte und von Fremdstoffen unbeeinträchtigte Beaufschlagung des Objektwerkstoffes ge¬ währleistet werden kann.
Ferner kann die Abtragung (Ablation) oder Abdampfung des Plasmabeschleunigers mit Kompressionsspule zur Einbringung des Beaufschlagungsmaterials dienen, wenn die der Plasmaströ¬ mung ausgesetzten Bauteile des Beschleunigers aus einem hier¬ zu geeigneten Werkstoff bestehen. Weiterhin kann der koaxia¬ le Beschleuniger auch ohne Kompressionsspule betrieben wer¬ den. Besonders in dieser Anordnung wie auch bei der Anord¬ nung mit Kompressionsspule ist die Amplitude wie auch der zeitliche Ablauf der Energiezufuhr in Zusammenhang mit den geometrischen Parametern von entscheidender Bedeutung für die Parameter des Kurzzeitplasmas mit oder ohne Beaufschla¬ gungsstoffe am Ort des zu beaufschlagenden Werkstoffes (wenn also dieses Kurzzeitplasma auf den Werkstoff auftrif t) . Insbesondere beeinflußt bei unveränderter Energiezufuhr die Länge des koaxialen Beschleunigers (dies gilt in analoger Weise auch für andere elektromagnetische Beschleuniger wie die Leitschienenbeschleuniger) die Umwandlung der Struktur des Beaufschlagungsmaterials. In Versuchen ergab sich, daß eine Einbringung des Beaufschlagungsmaterials Graphitstaub am hinteren Ende (dem Anfang) des koaxialen Beschleunigers mit Kompressionsspule zu der Oberfläche des Reineisens mit der höchsten Härtezunahme führte. Ähnliche Abhängigkeiten bestehen bei anderen elektromagnetischen Beschleunigern wie den Leitschienenbeschleunigern.
Abbildung 6 zeigt einen Halbschnitt eines ebenfalls als Ener¬ giewandler verwendbaren elektrothermischen Beschleunigers. Dieser besteht aus einem externen elektrischen Energiespei¬ cher, einer Hochdruckkammer, die im weiteren auch Explosions¬ kammer genannt wird, und dem eigentlichen Beschleunigerrohr. In der Explosionskammer befindet sich zwischen zwei Elektro¬ den ein elektrisch leitfähiges Material. Wird der Energie¬ speicher entladen, so beginnt im System ein Strom zu fließen, wodurch dem Material in der Kammer Energie zuge¬ führt wird. Durch den starken Stromstoß verdampft das Mate¬ rial (unter Umständen bereits das den Objektwerkstoff zu be¬ einflussende Material) spontan, und es entsteht ein heißes, unter hohem Druck stehendes, in axialer Richtung expandieren¬ des Plasma. Der Objektwerkstoff wird dann in einem geeigne¬ ten Abstand von der Brennkammer im Lauf oder außerhalb des Laufes des elektrothermalen Beschleunigers der Plasmaströ¬ mung ausgesetzt, wobei die Art der Einbringung des Objekt¬ werkstoffes und insbesondere der Abstand des Objektwerkstof¬ fes von der Brennkammer von den Parametern des Energiespei¬ chers und des elektrothermalen Beschleunigers abhängig ist. Insbesondere kann hierüber wie auch durch' die dem elektro¬ thermalen Beschleuniger zugeführte Energie und die dabei ein¬ gerichtete Impulsdauer eine vorteilhafte Beschichtung bzw. Wechselwirkung mit dem Objektwerkstoff erzielt werden, die zu besonderen Oberflächeneigenschaften führt. Hierzu ist der Objektwerkstoff in geeigneter Weise innerhalb oder außerhalb des elektrothermalen Beschleunigers angeord¬ net. Insbesondere kann dieser elektrothermale Beschleuniger mit einer geeigneten zugeführten Gesamtenergiemenge und ent¬ sprechender Impulsdauer betrieben werden, so daß die Erosion und Ablation der Bauteile des Beschleunigers vermieden wird, wobei eine besonders definierte und von Fremdstoffen unbeein¬ trächtigte Beaufschlagung des Objektwerkstoffes bewirkt wird.
Ferner können die mit der Plas aströmung in Berührung kommen¬ den Bauteile des elektrothermalen Beschleunigers aus solchen Werkstoffen bestehen, aus denen durch Abtragung und / oder Abdampfung wie durch ähnliche dissipative Prozesse das Beauf¬ schlagungsmaterial entsteht. Insbesondere kann die Wandung der Brennkammer aus solchem Material bestehen wie bei der Beaufschlagung von Eisenoberflächen durch kohlenstoffhalti¬ ges Plasma.
Sowohl bei der Erzeugung des Plasmas wie während der Be¬ schleunigung des Plasmas in axialer Richtung kann diesem Plasma, das der eigentliche Energieträger ist, noch ein wei¬ terer Werkstoff hinzugefügt werden, der geeignet ist, ganz spezielle Eigenschaften bei der Beeinflussung des Objektwerk¬ stoffes zu erzeugen.
Abbildung 7 zeigt einen ebenfalls als Energiewandler verwend¬ baren Leitschienenbeschleuniger, wie er beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung 89 900 590 für einen völlig anderen Anwendungszweck beschrieben ist. Dieser Leitschie¬ nenbeschleuniger kann entweder aus einem Leitschienenbe¬ schleuniger mit zwei parallelen Leitschienen bestehen oder aber ein Leitschienenbeschleuniger mit mehr als zwei Leit¬ schienenpaaren sein. In diesem Leitschienenbeschleuniger wird der Energieträger durch Verdampfung und Ionisation einer Folie, durch Gasinjektion oder durch Injektion von Plasma mittels eines elektrothermalen Beschleunigers oder aber durch Erosion der Elektroden und / oder der Isolatoren erzeugt. Die Länge dieses Beschleunigers ist in geeigneter Weise an die Parameter der Energieversorgung angepaßt, um entweder innerhalb des Beschleunigers oder außerhalb des Be¬ schleunigers einen kurzzeitigen Puls hoher Dichte zu erzeu¬ gen, der nach Pulsdauer, Drucktemperatur und Dichte geeignet ist, eine Festkörperoberfläche oder Werkstoffoberfache zu beaufschlagen, so daß spezielle Eigenschaften dort erzeugt werden.
Für alle vorstehend beschriebenen Beschleunigeranlagen gilt, daß durch die Stromstoßentladung der Kondensatorbank durch Ionisation eines Gases ein hochenergetisches Plasma ent¬ steht, das auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und an¬ schließend auf hohe Drücke im kbar-Bereich komprimiert wird. Anschließend trifft dieses Plasma, das den Energieträger dar¬ stellt, mit oder ohne Zusatzstoffe auf den zu behandelnden Werkstoff, wobei die Parameter des Impulses so gewählt sind, daß eine Einwirkung nur auf die sehr dünne Randschicht des jeweiligen Werkstoffes erfolgt und der Grundwerkstoff - im Gegensatz zu allen bisherigen entsprechenden Verfahren - thermisch nicht beeinflußt wird.
Ein weiteres Verfahren zur Beaufschlagung von Werkstoffober- flachen besteht darin, daß als Energiewandler ein Wirbel¬ strombeschleuniger verwendet wird. Dieser besteht aus einer Flachspule, durch die der Strom aus einer Stoßstrombatterie geleitet wird. Durch das hierbei entstehende zeitlich ver¬ änderliche elektromagnetische Feld wird in einem auf der Spule (isoliert) liegenden elektrisch leitfähigen Plättchen ein Kurzschlußstrom erzeugt, und das Plättchen wird senk¬ recht zur Spulenebene auf Geschwindigkeiten bis zu 2 km/sec beschleunigt. Das Beaufschlagungsmaterial kann aus der Um¬ welt des Beschleunigers oder aber auch aus Material beste¬ hen, das auf das zu beschleunigende Plättchen aufgebracht wird. Eine Trennung von Plättchen und Beaufschlagungsmate¬ rial kann durch eine Einrichtung erfolgen, die das Plättchen nach der Beschleunigung zurückhält. Dieses "Wirbelstromprinzip11 wird in einer besonderen Ausfüh¬ rung der Erfindung zur Beschleunigung von pulverförmigem, flüssigem und insbesondere von geschmolzenem Beaufschlagungs¬ material verwendet. Insbesondere ist diese Anordnung zur Beschleunigung von sehr heißen, flüssigen Schmelzen mit Tem¬ peraturen über 1000 K auf Geschwindigkeiten über 100 m/sec von Vorteil, weil es hierfür bislang keine geeignete Be¬ schleunigungsvorrichtung gibt. Eine besondere Ausbildung der Anordnung besteht darin, daß ein flüssiger zu beaufschla¬ gender Werkstoff auf eine Oberfläche mit oder ohne Beauf¬ schlagungsstoff geschossen wird, wobei zur Erhöhung der Ab¬ kühlungsgeschwindigkeit diese Oberfläche in geeigneter Weise gekühlt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich demgemäß aus durch
eine sehr hohe Leistungsdichte an der jeweiligen Wirkstelle,
hohe Druck-, Temperatur- und Geschwindigkeitspara¬ meter (circa 50 km/sec) der Plasmaströmung, bis zu 2 km/sec beim Wirbelstrombeschleuniger,
extrem kurze Einwirkzeiten an der Werkstückoberflä¬ che und damit durch die Vermeidung einer thermischen Beanspruchung des Grundwerkstoffes bei Oberflächen¬ behandlung,
- geeignete Parameterbereiche zur Herstellung neuer Werkstoffmodifikationen, beispielsweise die Erzeu¬ gung von Kohlenstoffmodifikationen wie Diamant und Fullerene,
sehr hohe Abkühlraten der Werkstückoberflächen durch extrem kurze Einwirkzeiten, insbesondere in Verbin¬ dung mit einem Kühlen mittels flüssigem Stickstoff, sowie die Möglichkeit der Erzeugung von Nichtgleichge- wichtsphasen.
Von besonderer Bedeutung ist es, daß unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrensprinzips bzw. unter Verwendung von Modifikationen dieses Prinzips auf einer Werkstückober¬ fläche neue Stoffe entstehen können, die sich von dieser trennen lassen und somit isoliert zu gewinnen sind. Durch¬ geführte Versuche beim Beschüß eines Aluminiumtargets mit Graphitpulver in einer Helium-Plasmaströmung zeigten, daß das Graphitpulver in neuartige Kohlenstoff-Molekülketten um¬ gewandelt wurde, die als sogenannte Fullerene, das heißt diamantähnliche Kohlenstoff-Molekülketten spezifiziert wer¬ den konnten.
Ferner konnte durch Versuche bestätigt werden, daß es mit¬ tels der Erfindung möglich ist, definiert amorphe Oberflä¬ chen zu erzeugen. So führte der Beschüß eines Kupfer-Werk¬ stoffes mit Helium-Plasma zum Aufschmelzen einer dünnen Ober¬ flächenschicht, wobei es durch aktives Kühlen des Werkstof¬ fes mit flüssigem Stickstoff zu einer Rascherstarrung (Ab¬ kühlraten im Bereich von 10° K/s) dieser Oberflächenschicht und ~zur Bildung einer amorphen Oberfläche kam.
Der Beschüß einer mit Diamantpulver besprühten Reineisenober¬ fläche mit Helium-Diamantpulver-Plasma ermöglichte die Aus¬ bildung einer sehr harten Oberflächenschicht, wobei die Här¬ te noch weiter gesteigert werden kann, wenn hochreines Dia¬ mantpulver mit entsprechend hohem Anteil an Diamantkörnern verwendet wird.
Zu erwähnen ist ferner, daß es mittels der gemäß der Erfin¬ dung vorgesehenen Anlagen, insbesondere mittels eines plasma¬ dynamischen Beschleunigers auch möglich ist, eine Mikrover- düsung eines Schmelzestroms vorzunehmen, die dazu führt, daß mit herkömmlichen Verfahren nicht erreichbare Korngrößen er¬ zielt werden können. Die Ausnutzung einer elektrischen Ener¬ giequelle im Rahmen eines plasmadynamischen Beschleunigers in Verbindung mit einer speziell gestalteten, am Ende ein starkes Axialfeld ausweisenden Kompressionsspule führt zu einem ausgeprägten Zerreißen des beispielsweise über eine Mittelinjektion zugeführten Schmelzestroms, wobei durch die mittels der Kompressionsspule mögliche Feldgestaltung je¬ weils optimale, geringstmögliche Korngrößen ermöglichende Gegebenheiten geschaffen werden können. Zur schnellen Rück¬ kühlung der gebildeten Mikroteilchen kann eine entsprechend gekühlte Prallwand vorgesehen sein.
Jedes der hier beschriebenen Beaufschlagungsverfahren kann
wiederholt mit gleichen und / oder abgeänderten Parametern,
kombiniert mit anderen, hier beschriebenen Beaufschlagungs¬ verfahren, gleichzeitig oder sequentiell, sowie
kombiniert mit hier nicht erwähnten Beaufschlagungsverfahren wie zum Beispiel einem gepulsten Plasmajet oder aber mit je¬ dem der vorstehend aufgeführten Verfahren gleichzeitig oder sequentiell
durchgeführt werden. Eine sequentielle Beaufschlagung er¬ folgt vorzugsweise aus der gleichen Energiequelle durch An¬ passung der elektrischen Parameter wie der Induktivität der Zuleitung.
In Abbildung 8 ist eine Zusammenstellung der erfindungsge¬ mäßen Ausbildungen des oder der Verfahren zur Beaufschlagung einer Festkörperoberfläche zusammengestellt. Dieses teilt sich in folgende Stufen ein:
Energieversorgung
Energiewandlung und Kombination von Wandlern (Beschleunigern)
Beschleunigermedien (Plasmamaterial)
Beaufschlagungsmaterial (Beschichtungsmaterial)
- Objektwerkstoff (einschließlich der Anordnung, der Reihenfolge der Beaufschlagung und der Umwelt) Ein erfindungsgemäßes Verfahren läßt sich aus Kombinationen mit oder ohne Wiederholungen von einzelnen Stufen zusammen¬ stellen. Durch die Einteilung der Stufen gemäß Abbildung 8 ergibt sich eine dieser Erfindung eigene Transitivität, so daß auch Ausführungen der Erfindung durch diese Stufung mög¬ lich sind, die nicht explizit in den Ansprüchen oder in der Beschreibung aufgeführt oder beschrieben sind.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Beaufschlagung einer Festkörperoberflä¬ che, insbesondere einer WerkstoffOberfläche, mit einem kurzzeitigen Impuls einer Masse hoher Energie und Dich¬ te, bei dem die in einem Energiespeicher gespeicherte Energie in einen Energiewandler geleitet und dort auf einen in Richtung der Festkörperoberfläche zu beschleu¬ nigenden Energieträger in Form eines Gases und / oder einer Flüssigkeit und / oder eines Feststoffes derart übertragen wird, daß der auf die Festkörperoberfläche auftretende Impuls mit der Randschicht des Festkörpers in Wechselwirkung tritt und in dieser extrem dünnen Randschicht ohne Beeinflussung des Grundwerkstoffes Veränderungen im Gefüge und / oder in der Struktur und / oder in der Zusammensetzung bewirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß im Energiespeicher elektrische Energie gespeichert und diese elektrische Energie im Energiewandler in ther¬ mische und / oder kinetische und / oder chemische Ener¬ gie eines Energieträgers umgeformt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Energieträger aus einem Gas besteht, das durch den Energiewandler kurzzeitig auf extrem hohe Geschwin¬ digkeit und auf sehr hohe Temperatur sowie auf hohen Druck und hohe Dichte gebracht und dabei durch teilwei¬ se oder ganze Ionisierung in ein Plasma überführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der jeweilige Energieträger zur Beschleunigung von Zusatzwerkstoffen verwendet wird, die mit der Rand- schicht des Festkörpers in eine vorgebbare Wechselwir¬ kung treten, wobei insbesondere die Dauer des auf den Festkörper ausgeübten Impulses, dessen Temperatur, Dich¬ te und Druck so gewählt werden, daß Gefüge und / oder Struktur und / oder Zusammensetzung der einer definier¬ ten Oberflächenschicht des Werkstoffes entsprechenden Randschicht gezielt beeinflußt und insbesondere speziel¬ le Eigenschaften eingestellt werden, wie beispielsweise hoher Verschleißwiderstand, hoher Korrosionswiderstand sowie besondere Verarbeitungseigenschaften wie gute Be- netzungsfähigkeit zum Aufbringen von Schmelzmetallisie¬ rungen, galvanischen Metallisierungen und / oder zum -. Aufbringen von Beschichtungen durch physikalische Be¬ schichtungsverfahren.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k-e n n z e i c h. n e t , daß Zusatzwerkstoffe im Bereich zwischen dem Energie¬ wandler und dem Festkörper zugeführt und vom jeweiligen Energieträger in Richtung der Festkörperoberfläche be¬ schleunigt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Zusatzwerkstoffe auf die Oberfläche des Festkörpers aufgebracht und mit der Randschicht des Festkörpers durch den auf den Festkörper auftreffenden Impuls in Wechselwirkung gebracht werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Impuls mit sich über die Länge seiner Bewegungs¬ bahn verändernder Querschnittsform erzeugt und der Ab¬ stand zwischen dem Energiewandler und dem Festkörper in Abhängigkeit von der in der Randschicht geforderten Wechselwirkung variabel einstellbar ausgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Erzeugung des Energieträgers kohlenstoffhaltige Gase wie Methan und / oder eine Nitrierung bewirkende stickstoffhaltige Gase verwendet oder einem Energieträ¬ ger zugeführt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Energieträger ein Material zugeführt wird, das im wesentlichen nur vom Energieträger mitgerissen und beschleunigt und nicht von den im Energiewandler auftre¬ tenden elektromagnetischen Kräften beschleunigt wird, wobei es sich vorzugsweise um Materialien handelt, die durch das den Energieträger bildende Plasma mitbeschleu¬ nigt, dabei auch verflüssigt oder verdampft und gele¬ gentlich sogar ionisiert werden können.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die den kurzzeitigen Impuls definierenden Parameter derart gewählt werden, daß durch hohe Aufheizgeschwin- digkeit und / oder schnelle Abkühlgeschwindigkeit in der Randschicht des Festkörpers vorgebbare Gefügestruk¬ turen und Korngrößen eingestellt, insbesondere durch Rascherstarrungstechnik amorphe Randschichten auf dem Festkörper erzeugt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit der Rand¬ schicht der zu behandelnde Werkstoff vor und / oder wäh¬ rend der Behandlung auf Tieftemperatur, beispielsweise auf die Temperatur flüssigen Stickstoffs oder flüssigen Heliums gebracht wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Verhinderung von Oberflächenreaktionen, insbe¬ sondere zur Verhinderung von Oxydationen das im Energie¬ wandler erzeugte Plasma aus einem Edelgas hergestellt oder das Edelgas dem Plasma als Zusatzstoff zugefügt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in das Plasma Festkörperpartikel in Form von Elemen¬ ten oder Verbindungen in kristalliner oder amorpher Form eingebracht und diese unter der kurzzeitigen Ein¬ wirkung des Plasmas mechanisch, vorzugsweise durch den hohen Staudruck so in die Randschicht implantiert wer¬ den, daß keine stoffliche Veränderung der Partikel er¬ folgt und demgemäß eine mechanische Legierung unter hochenergetischer Impulseinwirkung, insbesondere auch von herkömmlich nicht legierbaren Stoffen bewirkt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die in die Randschicht des Festkörpers zu implantie¬ renden Partikel insbesondere gleichmäßig verteilt auf eine Folie aufgebracht werden, daß die die Partikel tra¬ gende Folie der Plasmaströmung bzw. dem Plasmaimpuls ausgesetzt und durch deren bzw. dessen Einwirkung zer¬ stört wird, wobei die Partikel von dem Plasma beschleu¬ nigt und in gleichförmiger Verteilung mit oder ohne das Plasma in die Randschicht implantiert bzw. mechanisch einlegiert werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Parameter des kurzzeitigen Impulses derart ge¬ wählt werden, daß die Festkörperpartikel im Plasma und / oder beim Auftreffen auf die Festkörperoberfläche eine Veränderung in Struktur und / oder Zusammensetzung erfahren.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß dem jeweiligen Energieträger als Zusatzwerkstoff Kohlenstoff in Form von Graphitpulver und / oder Dia¬ mantpulver zugefügt und bei der Wechselwirkung mit dem Festkörperwerkstoff eine harte Randschicht erzeugt wird und insbesondere neue Eigenschaften der Festkörperrand¬ schicht, beispielsweise durch Umwandlung von Kohlen¬ stoff oder Graphitpulver in Fullerene oder andere Koh¬ lenstoffStrukturen, geschaffen werden.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß vor der Impulsbeaufschlagung die Randschicht des Festkörpers einer thermochemischen Behandlung, insbeson¬ dere einer Aufkohlung oder einer Nitrierung unterzogen wird, um in der Randschicht eine Anreicherung von Ele¬ menten wie Kohlenstoff und Stickstoff zu erzielen.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, -dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in die Randschicht des jeweiligen Festkörpers Stof¬ fe mit besonders reaktiven Eigenschaften eingebracht und insbesondere reaktive Metalle und / oder Chloride verwendet werden, die eine Benetzung von zu metallisie¬ renden Oberflächen ohne Verwendung von Flußmitteln er¬ möglichen.
19. Verfahren zur Beaufschlagung einer Festkörperoberfläche mit einem kurzzeitigen Impuls einer Masse hoher Energie und Dichte, bei dem in einem Energiespeicher gespeicher¬ te Energie in einen Energiewandler geleitet und dort auf einen in Richtung der Festkörperoberfläche zu be¬ schleunigenden Energieträger derart übertragen wird, daß beim Auftreffen des Energieträgers und / oder von durch den Energieträger beschleunigten Zusatzstoffen auf der Festkörperoberfläche neue Stoffe entstehen, die sich von dieser trennen und somit isoliert gewinnen lassen.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß durch Umwandlung von KohlenstoffStrukturen, wie zum Beispiel Graphitpulver oder Strukturen aus anderen Ele¬ menten, an der Festkörperoberfläche abtrennbare Substan¬ zen mit kennzeichnenden anderen Eigenschaften gebildet werden, wie zum Beispiel Fullerene oder diamantähnliche Strukturen.
21. Verfahren zur Mikroverdüsung eines Schmelzstromes durch Ausnutzung kurzzeitiger Impulse hoher Energie, insbeson¬ dere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü¬ che, wobei das den Schmelzstrom bildende Material den Energieträger oder den vom Energieträger zu beschleuni¬ genden Zusatzstoff bildet und durch die elektrische Energie, die mittels des Energiewandlers auf den Schmelzstrom übertragen wird, in Teilchen von äußerst geringer Korngröße zerrissen wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mikroteilchen mittels einer gekühlten, als
Prallwand dienenden Wandung aufgefangen und gesammelt werden.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schmelzstrom zusammen mit einem Gasplasma in den Spulenbereich eines plasmadynamischen Beschleuni¬ gers eingebracht wird, wobei die Spule so gestaltet wird, daß an ihrem Ende ein starkes axiales Feld vor¬ liegt, wodurch auf das Gasplasma, in dem ein azimutaler elektrischer Strom fließt, eine starke radiale Kraft ausgeübt wird, die sich dann auf den Schmelzstrom über- trägt .
24. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die einzelnen Verfahrensschritte mehrfach nacheinan¬ der durchgeführt werden, wobei die Parameter unverän¬ dert bleiben oder in den aufeinanderfolgenden Verfah¬ rensschritten zur Erzielung unterschiedlicher Behand¬ lungsvorgänge modifiziert werden können.
25. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die elektrischen Parameter der Energiespeicherung, der Energiezuführung zum Energiewandler wie auch des Energiewandlers zusammen mit den konstruktiven Parame¬ tern des Energiewandlers so aufeinander abgestimmt sind, daß eine vorgebbare Form der Beaufschlagung einer Festkörperoberfläche erreichbar ist, wobei insbesondere eine solche Ausbildung der elektrischen und der kon¬ struktiven Parameter erfolgt, daß eine geeignete Form der Energiezufuhr nach Dauer und Größe zu dem Plasma, und zwar mit oder ohne Zusatzmaterial, erreicht wird.
26. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Bauteile des Energiewandlers solche Werk¬ stoffe gewählt werden, die, wenn sie während der Erzeu¬ gung und Beschleunigung des Plasmas durch Ablation, Erosion oder gleichartige dissipative Prozesse von den Bauteilen abgetrennt und von dem Plasma mitgeführt wer¬ den, zu einer erwünschten Beaufschlagung der Festkörper¬ oberfläche führen, wobei insbesondere beim Plasmabe¬ schleuniger eine Ausbildung der Spitze der Mittel- und der Außenelektrode sowie der Kompressionsspule durch Beaufschlagungsmaterial wie zum Beispiel Kohlenstoff oder Titanlegierungen erfolgt und entsprechende Maßnah¬ men bei Bauteilen anderer Energiewandler getroffen wer¬ den, die als stromleitende Bauteile oder als Isolatoren mit dem Plasma in Berührung kommen, und zwar mit oder ohne weitere Beaufschlagungswerkstoffe.
27. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Impulsbeaufschlagung einer Festkörperoberflä¬ che, insbesondere einer Werkstoffoberfläche, in einem Raum, insbesondere einem Versuchsraum, stattfindet, der so geartet ist, daß vor, während und nach der Impulsbe¬ aufschlagung keine die Durchführung des Verfahrens be¬ einträchtigende Verunreinigung der Vorrichtung wie auch der zu beaufschlagenden Oberfläche erfolgt, und die Atmosphäre in diesem Raum eine solche Dichte und Tempe¬ ratur aufweist, daß die Impulsbeaufschlagung durchge¬ führt werden kann, wobei insbesondere eine sehr geringe Dichte bei niedriger Temperatur, zum Beispiel einer Tem¬ peratur von 270 K oder weniger und ein Druck geringer 10"3 Torr zur Vermeidung einer Beeinflussung des Beauf¬ schlagungsvorgangs vorgesehen werden.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß im Rahmen einer Wechselwirkung zwischen der im Ener¬ giewandler erzeugten Plasmaströmung, mit oder ohne Zu¬ satz, und einer im Raum vorhandenen Atmosphäre mit be¬ stimmter Zusammensetzung sowie bestimmter Dichte und Temperatur beabsichtigte Prozesse wie Nukleation oder Kondensation oder Mischvorgänge durchgeführt werden, wobei beispielsweise eine Wechselwirkung zwischen einem Heliumplasma und einer kohlenstoffhaltigen oder stick¬ stoffhaltigen Atmosphäre auftritt und insbesondere ein Plasma, wie zum Beispiel ein Kohlenstoffplasma, in Wech¬ selwirkung zu einer Heliumatmosphäre gebracht wird.
29. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in der Oberflächenschicht des zu bearbeitenden Ma¬ terials enthaltene Materialien, die zumindest als Verun¬ reinigungen oder als Dotierung wirken, während der Wir¬ kung des hochenergetischen Kurzzeitpulses mit dem das überwiegende Material des zu behandelnden Festkörpers darstellenden Werkstoffs verbunden, insbesondere in die¬ sem gelöst werden.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der jeweils erreichte Zustand durch eine geeignet hohe Abkühlgeschwindigkeit fixiert bzw. eingefroren und dadurch eine gezielte Veränderung der Eigenschaften der betreffenden Oberflächenschicht erreicht wird, wobei beispielsweise Mangan- und Silizium-Einschlüsse in Alu¬ minium ausgelöst werden und zugleich amorphe Strukturen entstehen können.
31. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die zu beaufschlagende Festkörperoberfläche vor, während und / oder nach der Beaufschlagung durch elek¬ tromagnetische Felder beeinflußt wird, um insbesondere eine Ausrichtung von Strukturen, Molekülen oder Atomen des Festkörpers zu erreichen.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß an der zu beaufschlagenden Festkörperoberfläche kurzzeitig ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, das nach Stärke und Richtung so ausgebildet ist, daß eine Beeinflussung des Beaufschlagungsvorgangs erfolgt, wozu eine Stromschleife verwendbar ist, die an der zu beeinflussenden Festkörperoberfläche, zum Beispiel an der Rückseite dieser Oberfläche, angebracht und durch die während des Beaufschlagungsvorgangs der in einem Speicher enthaltene Strom geleitet wird, so daß in Ab¬ hängigkeit von der Wahl der Parameter dieses Stromkrei¬ ses ein im Vergleich zu dem Zeitmaßstab des Beaufschla¬ gungsvorgangs zeitlich veränderliches oder konstantes elektromagnetisches Feld aufgebaut wird.
33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Randschicht des zu behandelnden Werkstoffes auf eine erhöhte Temperatur, insbesondere auf eine bis in die Nähe der Schmelztemperatur des Festkörpers gehende Temperatur gebracht und dadurch die Eindringtiefe des Beaufschlagungsmaterials bzw. die Schichtdicke der Be¬ aufschlagung erhöht und / oder das Eindringen von im Beaufschlagungsplasma mitgeführten Materialien, wie zum Beispiel Diamantkristallen, erleichtert bzw. kontrol¬ liert wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Erhitzung kurzzeitig durch einen Hochenergie¬ impuls erfolgt, auf den dann innerhalb des Zeitmaßsta¬ bes einer solchen kurzen Aufheizung ein weiterer Ener¬ gieimpuls folgt, der eine Beaufschlagung durchführt, wobei die Verwendung einer Kombination von geeigneten elektromagnetischen Beschleunigern vorteilhaft ist.
35. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 34, g e k e n n z e i c h n e t durch die Verwendung eines plasmadynamischen Beschleunigers nach den US-Pa¬ tenten 3 929 119 und / oder 3 916 761, wobei der Ab¬ stand zwischen dem koaxialen Beschleuniger und der Fest¬ körperoberfläche vorzugsweise einstellbar ist und die Form der jeweils verwendeten Kompressionsspule derart gewählt ist, daß der für die Beaufschlagung der Rand- schicht des Festkörpers geforderte Kurzzeit-Plasmapuls erhalten wird.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kompressionsspule in Richtung der Festkörper¬ oberfläche sich konisch verjüngend ausgebildet ist.
37. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kompressionsspule eine konvergent / divergente
Form besitzt.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 37, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Festkörper innerhalb oder außerhalb des koaxia¬ len Beschleunigers mit Kompressionsspule angeordnet ist, wobei die dem Beschleuniger mit Kompressionsspule zugeführte Gesamtenergie und Impulsdauer so wählbar sind, daß eine Erosion und Ablation der Bauteile des Beschleunigers vermieden und damit eine von Fremdstof- . fen unbeeinträchtigte Beaufschlagung der Randschicht des Festkörpers erfolgen kann.
39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 bis 38, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Einrichtungen vorgesehen sind, um dem Energieträger Zusatzmaterial zuzuführen, bei dem es sich vorzugsweise um Materialien handelt, die durch das den Energieträger bildende Plasma mitbeschleunigt und hierbei auch ver¬ flüssigt oder verdampft und gelegentlich sogar ioni- - siert werden können, und daß diese Einrichtungen eine Einführung des Zusatzmaterials im Bereich des koaxialen Beschleunigers oder der Kompressionsspule oder auch am Ende bzw. im Abstand vom Ende der Kompressionsspule er¬ möglichen, wobei insbesondere eine Einleitung des Zu¬ satzwerkstoffes über eine Mittelelektrode in das durch die Kompressionsspule strömende Plasma erfolgen kann.
40. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 34, g e k e n n z e i c h n e t durch die Verwendung eines elektrothermalen Beschleunigers nach der europäi¬ schen Patentanmeldung 89 905 663.4, wobei dem den Ener¬ gieträger bildenden Plasma sowohl bei dessen Erzeugung als auch bei dessen Beschleunigung in Richtung der Fest¬ körperoberfläche gegebenenfalls ein Zusatzwerkstoff bei¬ fügbar ist und der Festkörper innerhalb oder außerhalb des elektrothermalen Beschleunigers angeordnet werden kann und die dem Beschleuniger zugeführte Gesamterner- gie und Impulsdauer so wählbar sind, daß eine Erosion und Ablation der Bauteile des Beschleunigers vermieden und damit eine von Fremdstoffen unbeeinträchtigte Beauf¬ schlagung der Randschicht des Festkörpers erfolgen kann.
41. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 34, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein plasmadynamischer Beschleuniger ohne Kompres¬ sionsspule verwendet wird.
42. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein koaxialer Beschleuniger verwendet wird, der aus einer Innenelektrode und einer Außenelektrode besteht, die jeweils an einen Energiespeicher angeschlossen sind, wobei die Ausbildung der Innenelektrode wie auch der Außenelektrode vorzugsweise so erfolgt, daß der von dem beschleunigten Plasma durchströmte Querschnitt in axialer Richtung konstant bleibt oder sich in besonders vorteilhafter Weise ändert und zu- oder abnimmt.
43. Vorrichtung nach Anspruch 42, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein koaxialer Beschleuniger nach den Ansprüchen 35 bis 39 ohne Kompressionsspule verwendet ist.
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