Verfahren und Vorrichtung zum CVD-Beschichten von Werkstücken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum CVD-Beschichten von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weitem betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Beschichtung von Werkstücken bekannt. Beim sogenannten CVD (Chemical-Vapour-Deposition) Beschichten handelt es sich um ein Beschichtungsverfahren, welches auf der chemischen Reaktion von Gasen beruht. CVD-Beschichten wird auch beim sogenannten Alitieren eingesetzt, einem Oberflächenschutzverfahren, bei welchem in die Oberfläche von metallischen Bauteilen Aluminium eingebracht wird.
Beim CVD-Beschichten ist zur Gewährleistung eines optimalen Beschichtungsergebnisses die Erzeugung einer gleichmäßigen beschichtungsaktiven Atmosphäre in einem sogenannten Beschichtungsraum, in welchem zu beschichtende Werkstücke angeordnet werden, erforderlich. Um in großen Beschichtungsräumen, auch Beschichtungsöfen genannt, für alle zu beschichtenden Werkstücke eine gleichmäßige beschichtungsaktive Atmosphäre zu gewährleisten, werden nach dem nach dem Stand der Technik die zu beschichtenden Werkstücke im Beschichtungsraum in sogenannten Beschichtungskästen angeordnet.
In diesen Beschichtungskästen findet die eigentliche Beschichtung der Werkstücke statt. Die Beschichtungskästen verfügen im Vergleich zum eigentlichen Beschichtungsraum über ein kleines Volumen, so dass innerhalb der Beschichtungskästen eine gleichmäßige beschichtungsaktive Atmosphäre erzeugt werden kann. Die Verwendung solcher Beschichtungskästen im Beschichtungsraum ist jedoch nachteilig. Die Beschichtungskästen verbrauchen nämlich innerhalb des Beschichtungsraums viel Platz, wodurch sich der Beschichtungsraum nicht effizient ausnutzen lässt. Darüber hinaus verfügen die
Beschichtungskästen im Verhältnis zu den zu beschichtenden Werkstücken über eine relativ große Masse, wodurch sich lange Aufheizzeiten bis zum Erreichen einer Prozesstemperatur bzw. Beschichtungstemperatur und ebenso lange Rückkühlzeiten ergeben. Werden demnach Beschichtungskästen verwendet, so ergibt sich hierdurch ein langer Beschichtungsprozess. Auch hierdurch wird die Effizienz des Beschichtungsverfahrens bzw. der Vorrichtung zum Beschichten beschränkt. Ferner sind Beschichtungskästen teuer und müssen von Zeit zu Zeit erneuert werden. Dies bringt Kostennachteile mit sich.
Will man nach dem Stand der Technik auf Beschichtungskästen verzichten, so war es bislang erforderlich, Beschichtungsräume mit einem geringen Volumen zu verwenden. Bei derartigen kleinen Beschichtungsräumen kann zwar auf Beschichtungskästen verzichtet werden, andererseits können jedoch nur eine begrenzte Anzahl von zu beschichtenden Werkstücken innerhalb des Beschichtungsraums angeordnet werden. Auch dies ist unter Effizienzgesichtspunkten von Nachteil.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum CVD-Beschichten und eine neuartige Vorrichtung zum CVD-Beschichten zu schaffen.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das Eingangs genannte Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 1 gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß werden zu beschichtende Werkstücke in einem Beschichtungsraum angeordnet, wobei in Nähe der zu beschichtenden Werkstücke Beschichtungsgranulat angeordnet wird. Der Beschichtungsraum wird zusammen mit den zu beschichtenden Werkstücken und zusammen mit dem Beschichtungsgranulat auf Prozesstemperatur erhitzt. Nach dem Erreichen der Prozesstemperatur wird ein reaktives Prozessgas direkt auf das Beschichtungsgranulat (ein)geleitet, wobei hierdurch das Beschichtungsgas erzeugt wird. Hierdurch lässt sich im gesamten Beschichtungsraum eine gleichmäßige sowie hoch- beschichtungsaktive Atmosphäre erzeugen. Auf Beschichtungskästen kann verzichtet
werden, wodurch einerseits der Beschichtungsraum gut ausgenutzt wird und sich andererseits ein positives dynamisches Verhalten des Beschichtungsprozesses ergibt. Auch ergibt sich eine erhebliche Kostenreduzierung.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden im Beschichtungsraum zu beschichtende Werkstücke in mehreren übereinander angeordneten Ebenen positioniert, wobei im Bereich jeder Ebene unmittelbar unterhalb der zu beschichtenden Werkstücke Beschichtungsgranulat angeordnet wird. Das Prozessgas wird im Bereich jeder Ebene auf das Beschichtungsgranulat eingeleitet. Dies sorgt für eine optimierte Ausnutzung des Beschichtungsraums bei gleichzeitiger Gewährleistung einer gleichmäßigen, hoch- beschichtungsaktiven Atmosphäre im gesamten Beschichtungsraum.
Vorzugsweise wird während einer Haltezeit ein Verfahrensdruck gepulst, indem der Verfahrensdruck durch Entziehen des Beschichtungsgases abgesenkt und anschließend neues Beschichtungsgas erzeugt wird. Hierdurch lassen sich Innenbeschichtungen realisieren.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 : eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur CVD-Beschichtung eines Werkstücks zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Fig.2: ein Detail der Vorrichtung gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum CVD-Beschichten von zu beschichtenden Werkstücken. Fig. 2 zeigt ein vergrößertes Detail der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 wird vorzugsweise zum Alitieren von Turbinenteilen, wie z.B. Verdichterschaufeln, verwendet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 umfasst einen Beschichtungsraum 10, der auch als Beschichtungsofen oder Retortenofen bezeichnet wird. Innerhalb des Beschichtungsraums sind mehrere zu beschichtenden Werkstücke 1 1 angeordnet. Die zu beschichtenden Werkstücke 1 1 sind im Beschichtungsraum 10 in mehreren, übereinander angeordneten Ebenen 12 positioniert. Gemäß Fig. 1 sind die Werkstücke 1 1 in insgesamt vier übereinander angeordneten Ebenen 12 positioniert, wobei für jede Ebene 12 insgesamt acht Werkstücke 1 1 dargestellt sind.
Im Bereich jeder Ebene 12 ist ein Auflagegestell 13 positioniert, das sich vorzugsweise über die gesamte Breite des Beschichtungsraums 10 erstreckt. Die Auflagegestelle 13 erstrecken sich demnach in horizontaler Richtung des Beschichtungsraumes 10. Zwischen den übereinander angeordneten Auflagegestellen 13 erstreckt sich in vertikaler Richtung des Beschichtungsraums 10 ein Rohr 14. Im Bereich einer jeden Ebene 12 verfügt das Rohr 14 über eine Abzweigung 15.
Auf den Auflagegestellen 13 sind Aufnahmeeinrichtungen 16 für Beschichtungsgranulat 17 angeordnet. Die Aufnahmeeinrichtungen 16 verfügen über eine Aufnahmewanne 18 für das Beschichtungsgranulat 17, wobei die Aufnahmewanne 18 nach oben von einem Rost 19 begrenzt wird. Auf dem Rost 19 einer jeden Aufnahmeeinrichtung 16 liegen die zu beschichtenden Werkstücke 1 1 auf. Demnach ist im Bereich einer jeden Ebene 12 unmittelbar unterhalb der zu beschichtenden Werkstücke 1 1 Beschichtungsgranulat 17 angeordnet.
Das vertikal verlaufende Rohr 14 dient der Führung von Prozessgas. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 wird in einem unteren Abschnitt 20 des Rohrs 14 Prozessgas eingeleitet und in vertikaler Richtung nach oben bewegt. Im Bereich der Abzweigungen 15 wird ein Teil des durch das Rohr 14 bewegten Prozessgases in Richtung auf die Aufnahmeinrichtungen 16 abgezweigt bzw. abgelenkt. Hierdurch kann Prozessgas gleichmäßig in Richtung auf alle im Beschichtungsraum 10 angeordneten Aufnahmeeinrichtungen 16 und damit letztendlich auf das dort befindliche Beschichtungsgranulat 17 gelangen. Wenn das Prozessgas bei einer
vorbestimmten Prozesstemperatur bzw. Beschichtungstemperatur auf das Beschichtungsgranulat 17 gelangt, wird hierbei das Beschichtungsgas erzeugt, welches letztendlich für die Beschichtung der zu beschichtenden Werkstücke 1 1 sorgt. Die Aufnahmeeinrichtungen 16 können demnach auch als Einrichtungen zum Erzeugen des Beschichtungsgases bzw. als Beschichtungsgas-Generatoren bezeichnet werden.
Zum CVD-Beschichten der Werkstücke 1 1 wird demnach mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung so vorgegangen, dass im Bereich der Ebenen 12 auf den Rosten 19 der Aufnahmeeinrichtungen 16 die zu beschichtenden Werkstücke 1 1 positioniert werden. Hierdurch werden die zu beschichtenden Werkstücke 1 1 in dem Beschichtungsraum angeordnet. In unmittelbarer Nähe zu den zu beschichtenden Werkstücken, nämlich unterhalb der Roste 19, wird Beschichtungsgranulat 17 im Beschichtungsraum 10 angeordnet. Mithilfe einer nicht-dargestellten Heizeinrichtung bzw. Erhitzungseinrichtung wird der Beschichtungsraum 10 und damit die im Beschichtungsraum 10 angeordneten Werkstücke 1 1 sowie das im Beschichtungsraum 10 angeordnete Beschichtungsgranulat 17 auf eine vorbestimmte Prozesstemperatur bzw. Beschichtungstemperatur erhitzt. Nach dem Erreichen dieser Prozesstemperatur wird über das Rohr 14 Prozessgas in den Beschichtungsraum 10 eingeleitet. Über die Abzweigungen 15 gelangt das Prozessgas gleichmäßig in Richtung auf alle Ebenen 12 und damit letztendlich gleichmäßig direkt auf das im Bereich der übereinander verlaufenden Ebenen 12 angeordnete Beschichtungsgranulat 17. Hierdurch wird im gesamten Beschichtungsraum 10 gleichmäßig das Beschichtungsgas erzeugt. Im gesamten Beschichtungsraum 10 stellt sich eine gleichmäßige beschichtungsaktive Atmosphäre ein.
Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, zuerst die zu beschichtende Werkstücke 1 1 sowie das Beschichtungsgranulat 17 im Beschichtungsraum 10 auf Prozesstemperatur zu erhitzen. Erst nach dem Erhitzen auf Prozesstemperatur wird das Prozessgas in Richtung auf das Beschichtungsgranulat geleitet. Als Beschichtungsgas wird ein Halogenid-Gas verwendet. Durch die Verwendung der oben beschriebenen Aufnahmeeinrichtungen 16, die mit Beschichtungsgranulat 17 gefüllt sind, werden demnach Einrichtungen zum Erzeugen des Beschichtungsgases bereitgestellt, die innerhalb des Beschichtungsraums 10 in der Nähe der zu beschichtenden Werkstücke 1 1 angeordnet sind. Bei den mit Beschichtungsgranulat 17 gefüllten Aufnahmeeinrichtungen 16 handelt es
sich demnach um interne Beschichtungsgas-Generatoren. Diese können leicht in den unterschiedlichen Ebenen 12 des Beschichtungsraums 10 installiert werden. Auf Beschichtungskästen, die nach dem Stand der Technik bei großen Beschichtungsräumen erforderlich sind, kann gänzlich verzichtet werden. Hierdurch ergibt sich ein positives, dynamisches Verhalten des erfindungsgemäßen Verfahren, da sich die Aufheizzeit und Rückkühlzeit durch das Wegfallen der Beschichtungskästen verringert. Auch ergeben sich Kostenvorteile.
An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass das Aufheizen des Beschichtungsraums 10 und damit das Aufheizen der zu beschichtenden Werkstücke 1 1 sowie des Beschichtungsgranulat 17 unter einer Wasserstoffatmosphäre bzw. einer Argonatmosphäre erfolgt. Sobald dann die Beschichtungstemperatur bzw. Prozesstemperatur erreicht ist, wird das Halogenid-Gas in Richtung auf das Beschichtungsgranulat 17 geleitet. Während einer Haltezeit des Verfahrens werden dann die Verfahrensparameter konstant gehalten. Während dieser Haltezeit erfolgt die eigentliche Beschichtung der zu beschichtenden Werkstücke 1 1. Durch Spülen des Beschichtungsraums 10 mit Wasserstoff kann der Beschichtungsvorgang beendet werden.
In dem Fall, in dem der Beschichtungsraum 10 vakuumtauglich ausgestaltet ist, wird vorzugsweise nach dem Erreichen der Prozesstemperatur bzw. Beschichtungstemperatur und vor dem Einleiten des als Halogenid-Gas ausgebildeten Prozessgases im Beschichtungsraum 10 durch Abpumpen der beim Aufheizen vorherrschenden Atmosphäre ein Vakuum erzeugt. Erst nach dem Erzeugen des Vakuums wird dann das Halogenid-Gas in den Beschichtungsraum 10 eingeleitet. Hierzu ist dann der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine nicht-dargestellte Pumpeinrichtung zugeordnet.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch Innenbeschichtung der zu beschichtenden Werkstücke realisieren. Hierzu wird während der Haltezeit der Beschichtungsvorgang zwischenzeitlich druckgepulst. Hierbei wird der Verfahrensdruck durch Entziehen bzw. Absenken des im Beschichtungsraum 10 erzeugten Beschichtungsgases abgesenkt. Anschließend wird neues Beschichtungsgas erzeugt, indem hierzu erneut Halogenid-Gas auf das Beschichtungsgranulat 17 eingeleitet wird, bis der
Verfahrensdruck wieder hergestellt ist. Das entzogene Beschichtungsgas wird demnach durch neues Beschichtungsgas ersetzt.
- Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung erlauben gegenüber dem Stand der Technik die Realisierung einer Vielzahl von Vorteilen:
- Durch den Wegfall von Beschichtungskästen lässt sich der Beschichtungsraum 10 effizient ausnutzen. Es können eine doppelte bis dreifache Anzahl von zu beschichtenden Werkstücken 1 1 im Beschichtungsraum 10 angeordnet werden.
- Weiterhin wird durch den Wegfall der Beschichtungskästen die Prozesszeit des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich reduziert, da sich durch die verringerte Masse im Beschichtungsraum 10 die Aufheizzeit sowie Rückkühlzeit verringert.
- Weiterhin verringern sich durch den Wegfall der Beschichtungskästen die Betriebskosten.
- Durch die Erfindung kann im gesamten Beschichtungsraum 10 eine gleichmäßige Verteilung des Beschichtungsgases und damit eine gleichmäßige beschichtungsaktive Atmosphäre erzeugt werden. Auch in großen Beschichtungsräumen lässt sich nun eine hocheffiziente CVD-Beschichtung realisieren.
- Bedingt dadurch, dass das Prozessgas erst nach dem Aufheizen der Werkstücke 1 1 und des Beschichtungsgranulats 17 in Richtung auf das Beschichtungsgranulat 17 geleitet wird, lässt sich der Beschichtungsprozess genau steuern.
- Auf die Verwendung eines nach dem Stand der Technik erforderlichen kristallinen Aktivators kann vollständig verzichtet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich besonders zum Alitieren von Turbinenteilen wie sogenannten HPT-Blades.