DE60000717T2

DE60000717T2 - Vorrichtung und verfahren zur elektronstrahl-pvd-beschichtung

Info

Publication number: DE60000717T2
Application number: DE60000717T
Authority: DE
Inventors: Humphries Betscher; William Bruce; Douglas Evans; Lee Lagemann; Frank Maricocchi; Vincent Rigney; Rudolfo Viguie; Seth Willen; John Wortman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 2000-08-02
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2020-08-03
Also published as: EP1123422A1; EP1123422B1; US6863937B2; WO2001011108A1; DE60000717D1; US20040018303A1; JP2003522294A; JP4678643B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Elektronenstrahl-PVD (physikalische Dampfabscheidung)-Beschichtungseinrichtung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine derartige Beschichtungseinrichtung, die keramische Überzüge auf Komponenten abscheiden kann, wie beispielsweise thermische Trennüberzüge auf Superlegierungs-Komponenten von Gasturbinentriebwerken.

Hintergrund der Erfindung

Es werden kontinuierlich höhere Betriebstemperaturen für Gasturbinentriebwerke gesucht, um deren Wirkungsgrad zu erhöhen. Wenn jedoch die Betriebstemperaturen ansteigen, muss sich auch die Hochtemperaturbeständigkeit der Komponenten des Triebwerkes entsprechend erhöhen. Es sind zwar signifikante Fortschritte mit Eisen-, Nickel- und Kobaldbasis-Superlegierungen gemacht worden, aber die Hochtemperatureigenschaften dieser Legierungen allein sind häufig unzureichend für Komponenten, die in gewissen Abschnitten von einem Gasturbinentriebwerk, wie beispielsweise der Turbine, der Brennkammer und Nachbrenner, angeordnet sind. Eine übliche Lösung besteht darin, diese Komponenten thermisch zu isolieren, um deren Betriebstemperaturen zu minimieren. Zu diesem Zweck haben thermische Trennüberzüge (TBC von Thermal Barriar Coatings), die auf den freiliegenden Oberflächen von Hochtemperaturkomponenten gebildet werden, breite Anwendung gefunden.
Um wirksam zu sein, müssen thermische Trennüberzüge eine niedrige thermische Leitfähigkeit haben und gut an der Komponentenoberfläche anhaften. Es sind verschiedene keramische Materialien als TBC verwendet worden, insbesondere Zirkonoxid (ZrO&sub2;), das mit Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;), Magnesiumoxid (MgO) oder anderen Oxiden stabilisiert ist. Diese besonderen Materialien sind in der Technik in breitem Umfang verwendet worden, weil sie auf einfache Weise durch Plasmasprüh- und Dampfabscheidungstechniken abgeschieden werden können. Ein Beispiel für die vorgenannte Dampfabscheidungstechniken ist eine physikalische Dampfabscheidung mit einem Elektrodenstrahl (EBPVD von Electron Beam Physical Vapor Deposition), die einen thermischen Trennüberzug erzeugt, der eine säulenförmige Kornstruktur hat, die sich mit ihrem darunter liegenden Substrat ausdehnen kann, ohne beschädigende Beanspruchungen zu bewirken, die zum Abblättern führen, und deshalb weist sie eine verbesserte Dehnungstoleranz auf. Die Anhaftung des TBC an der Komponente wird häufig weiter verbessert durch die Gegenwart von einem metallischen Bindungsüberzug, wie beispielsweise einem Diffusionsaluminid oder einer oxidationsbeständigen Legierung, wie beispielsweise MCrAlY, wobei M Eisen, Kobald und/oder Nickel ist.
Verfahren zum Erzeugen eines TBC durch EBPVD haben im allgemeinen eine Vorwärmung einer Komponenten auf eine akzeptable Beschichtungstemperatur zur Folge, und dann wird die Komponente in eine vorgeheizte Beschichtungs- bzw. Überzugskammer eingeführt, die auf einem Druck von etwa 0,005 mbar gehalten wird. Höhere Drucke werden vermieden, weil die Steuerung des Elektronenstrahls bei Drucken über etwa 0,005 mbar schwieriger wird, wobei ein fehlerhafter Betrieb bei Drucken der Beschichtungskammer über 0,010 mbar berichtet wird. Es ist auch angenommen worden, dass die Lebensdauer des Filaments der Elektronenstrahlkanone verkürzt oder die Kanone kontaminiert würde, wenn sie bei Drucken über 0,005 mbar betrieben wird. Die Komponente wird in der Nähe von einem Barren aus dem keramischen Überzugsmaterial (z. B. YSZ) gehaltert, und auf den Barren wird ein Elektronenstrahl projiziert, um so die Oberfläche von dem Barren zu schmelzen und einen Dampf des Überzugsmaterials zu erzeugen, der sich auf der Komponente abscheidet.
Der Temperaturbereich, innerhalb dessen EBPVD Verfahren ausgeführt werden können, hängt zum Teil von den Zusammensetzungen der Komponente und des Überzugsmaterials ab. Im allgemein wird eine minimale Verfahrenstemperatur festgesetzt, um sicherzustellen, dass das Überzugsmaterial in geeigneter Weise verdampft und sich auf der Komponente niederschlägt, während eine maximale Verfahrenstemperatur im allgemeinen festgelegt wird, um eine mikrostrukturelle Beschädigung des Gegenstandes zu vermeiden. Während des Abscheidungsprozesses steigt die Temperatur innerhalb der Beschichtungskammer weiterhin an als eine Folge des Elektronenstrahls und der Gegenwart von einem Schmelzbad des Überzugsmaterials. Infolgedessen werden EBPVD Beschichtungsverfahren häufig nahe der angestrebten minimalen Verfahrenstemperatur eingeleitet und dann beendet, wenn die Beschichtungskammer sich der maximalen Verfahrenstemperatur nähert, und zu dieser Zeit wird die Beschichtungskammer abgekühlt und gereinigt, um Überzugsmaterial zu entfernen, das sich auf den Innenwänden von der Beschichtungskammer abgeschieden hat. Fortgeschrittene EBPVD Einrichtungen gestatten eine Herausnahme von beschichteten Komponenten aus der Beschichtungskammer und einen Austausch mit vorgewärmten unbeschichteten Komponenten, ohne dass die Einrichtung abgeschaltet wird, so dass ein kontinuierlicher Betrieb erreicht wird. Der kontinuierliche Betrieb der Einrichtung während dieser Zeit kann eine "Kampagne bzw. Zyklus" genannt werden, wobei größere Zahlen von Komponenten während des Zyklus erfolgreich beschichtet werden entsprechend größeren Verarbeitungs- und ökonomischen Wirkungsgraden.
In Anbetracht der vorstehenden Beschreibung gibt es eine wesentliche Motivation, die Anzahl von Komponenten zu vergrößern, die innerhalb eines einzelnen Zyklus beschichtet werden können, die Zeitdauer zu verkürzen, die zum Einführen und Herausnehmen von Komponenten aus der Beschichtungskammer erforderlich ist, und die Zeitdauer zu verkürzen, die zum Ausführen der Wartung an der Einrichtung zwischen Zyklen erforderlich ist. Jedoch sind Einschränkungen des Standes der Technik häufig das Ergebnis von dem relativ schmalen Bereich von akzeptablen Beschichtungstemperaturen, der Komplexität des Bewegens extrem heißer Komponenten in die Beschichtungskammer hinein und aus dieser heraus und die Schwierigkeiten, denen man gegenübersteht, wenn eine fortschrittliche EBPVD Einrichtung gewartet wird. Dementsprechend werden kontinuierlich verbesserte EBPVD Einrichtungen und Verfahren zum Abscheiden von Überzügen bzw. Beschichtungen gesucht, insbesondere keramischen Überzügen bzw. Beschichtungen, wie beispielsweise TBCs.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist eine Elektronenstrahl-PVD (physikalische Dampfabscheidung)-Beschichtungseinrichtung und ein Verfahren zum Verwenden der Einrichtung, um einen Überzug (z. B. einen keramischen thermischen Trennüberzug) auf einem Gegenstand zu erzeugen. Die EBPVD Einrichtung gemäß dieser Erfindung enthält allgemein eine Beschichtungskammer, die bei einer erhöhten Temperatur (z. B. wenigstens 800ºC) und einem subatmosphärischen Druck (z. B. zwischen 10&supmin;³ mbar und 5 · 10&supmin;² mbar) betrieben werden kann. Es wird eine Elektronenstrahlkanone verwendet, um einen Elektronenstrahl in die Beschichtungskammer hinein und auf ein Beschichtungsmaterial innerhalb der Kammer zu projizieren. Die Elektronenstrahlkanone wird betrieben, um das Beschichtungsmaterial zu schmelzen und zu verdampfen. Weiterhin ist eine Vorrichtung enthalten zum Stützen eines Gegenstandes innerhalb der Beschichtungskammer, so dass sich Dämpfe des Beschichtungsmaterials auf dem Gegenstand abscheiden können.
Gemäß der Erfindung kann der Betrieb der EBPVD Einrichtung verbessert werden durch den Einschluss oder die Adaption von einem oder mehreren Merkmalen und/oder Verfahrensänderungen. Gemäß einem Merkmal der Erfindung, das sich auf die Verfahrenstemperatursteuerung bezieht, enthält die Beschichtungskammer Strahlungsreflektoren, die innerhalb der Beschichtungskammer bewegt werden können, um die Menge an reflektierter Wärme zu vergrößern und zu verkleinern, die der Gegenstand von dem geschmolzenen Überzugsmaterial während eines Beschichtungszyklus empfängt. Die Verfahrensdrucksteuerung ist ebenfalls ein Aspekt der Erfindung, durch den Verfahrensdrucke von mehr als 0,010 mbar praktiziert werden können gemäß der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 09/108,201 für Rigney u. a. (auf die gleiche Rechtsnachfolgerin wie die vorliegende Erfindung übertragen), und zwar mit minimalen oder gar keinen nachteiligen Auswirkungen auf den Betrieb und die Zuverlässigkeit der Elektronenstrahlkanone und mit minimalen Schwankungen in den Verfahrensdrucken. Mechanische und Verfahrensverbesserungen, die auf diesen Aspekt der Erfindung gerichtet sind, umfassen Modifikationen an der Elektronenstrahlkanone, der Beschichtungskammer und der Art und Weise, durch die Gase in die Einrichtung eingeführt und aus dieser herausgeführt werden. Weiterhin wird durch diese Erfindung das Elektronenstrahlmuster auf dem Beschichtungsmaterial verbessert.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung wird ein Tiegel verwendet, um das Beschichtungsmaterial innerhalb der Beschichtungskammer aufzunehmen. Der Tiegel weist vorzugsweise wenigstens zwei Teile auf, wobei ein erstes Teil davon ein Schmelzbad des Beschichtungsmaterials umgibt und festhält, während das zweite Teil an dem ersten Teil befestigt ist und einen ungeschmolzenen Anteil des Beschichtungsmaterials umgibt. Die ersten und zweiten Teile bilden einen ringförmigen Kühlkanal dazwischen, der sich eng neben dem Schmelzbad befindet, so dass eine effiziente Kühlung des Tiegels erreicht werden kann, wodurch die Geschwindigkeit gesenkt wird, mit der die Verfahrenstemperatur innerhalb der Beschichtungskammer ansteigt.
Ein weiterer bevorzugter Aspekt der Erfindung bringt ein drehbares Magazin mit sich, das viele Barren aus dem Beschichtungsmaterial unterhalb der Beschichtungskammer haltert. Das Magazin wird indexiert, um viele Stapel von einem oder mehreren Barren mit einer Öffnung zu der Beschichtungskammer einzeln auszurichten, um die Barren der Reihe nach in die Beschichtungskammer einzuführen, ohne die Abscheidung des Beschichtungsmaterials zu unterbrechen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung ist eine Sichtöffnung vorgesehen, um das geschmolzene Beschichtungsmaterial innerhalb der Beschichtungskammer zu betrachten. Um für eine Sicht auf den bei extrem hohen Temperaturen ablaufenden Prozess zu ermöglichen, der in der Beschichtungskammer auftritt, ist die Sichtöffnung fluidgekühlt und hat eine mit hoher Drehzahl umlaufende stroboskopische Trommel und eine magnetische Teilchendichtung, die für eine Hochtemperatur-Vakuumdichtung für die stroboskopische Trommel sorgt. Ein weiterer bevorzugter Aspekt ist der, dass die Sichtöffnung für eine stereoskopische Betrachtung der Beschichtungskammer sorgt, durch die ein oder mehrere Operatoren gleichzeitig die Beschichtungskammer beobachten können, während eine stereoskopische Betrachtung beibehalten wird.
Weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden besser verständlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 und 2 sind schematische Drauf- bzw. Vorderansichten von einer Elektronenstrahl-PVD-Beschichtungseinrichtung, die zum Abscheiden eines Beschichtungsmaterials gemäß der Erfindung verwendet wird.
Fig. 3, 4 und 5 sind Querschnittsansichten entlang der Schnittlinie 3-3 in Fig. 1 und zeigen eine bewegbare Plattform, die gemäß einem Aspekt dieser Erfindung verwendet wird.
Fig. 6 und 7 sind detailliertere Querschnittsansichten von vorne bzw. oben von bevorzugten Innenkomponenten für eine Beschichtungskammer der Einrichtung gemäß den Fig. 1 und 2.
Fig. 8 und 9 vergleichen eine bekannte Elektronenstrahlkanonenblende und eine Blende, die gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung konfiguriert ist.
Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht von einem Tiegel, der einen Barren des Beschichtungsmaterials aufnimmt, und einem Elektronenstrahl, der auf die Oberflächen von dem Tiegel und dem Barren gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung projiziert wird.
Fig. 11 ist ein Grundriss von dem Tiegel gemäß Fig. 10 und einem bevorzugten Muster für den Elektronenstrahl auf dem Tiegel und dem Barren.
Fig. 12 zeigt eine bevorzugte Leistungsintensitätsverteilung des Elektronenstrahlmusters über der Oberfläche von dem Barren und dem Tiegel gemäß den Fig. 10 und 11.
Fig. 13 zeigt eine bevorzugte Sichtöffnung zum Betrachten des Prozesses innerhalb der Beschichtungskammer der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Einrichtung.
Fig. 14 zeigt eine Steuertafel zum Überwachen und steuern des Betriebes der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Einrichtung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Eine EBPVD Einrichtung 10 gemäß der Erfindung ist allgemein in den Fig. 1 und 2 gezeigt, wobei verschiedene Komponenten und Merkmale in den Fig. 3 bis 14 gezeigt sind. Die Einrichtung 10 ist besonders gut geeignet zum Abscheiden eines keramischen thermischen Trennüberzuges auf einer Metallkomponente, die für einen Betrieb in einer thermisch aggressiven Umgebung vorgesehen ist. Wichtige Beispiele derartiger Komponenten umfassen die Hoch- und Niederdruck-Turbinendüsen und -schaufeln, Mäntel, Brennerteile und Nachbrenner-Hardware von Gasturbinentriebwerken. Zwar werden die Vorteile dieser Erfindung anhand einer Abscheidung eines keramischen Überzuges bzw. einer Beschichtung auf derartigen Komponenten beschrieben, aber die Lehren dieser Erfindung können allgemein auf eine Vielfalt von Beschichtungsmaterialien und Komponenten angewendet werden.
Zur Darstellung der Erfindung ist die EBPVD Einrichtung 10 in den Fig. 1 und 2 so dargestellt, dass sie eine Beschichtungskammer 12, ein Paar Vorheizkammern 14 und zwei Paare Ladekammern 16 und 18 aufweist, so dass die Einrichtung 10 eine symmetrische Konfiguration hat. Die vorderen Ladekammern 16 sind so gezeigt, dass sie mit ihren entsprechenden Vorheizkammern 14 ausgerichtet sind, wobei Teile 20, die zunächst auf ein Gestell 22 innerhalb der linken Kammer 16 geladen waren, zur Vorheizkammer 14 und, wie in Fig. 1 gezeigt ist, in die Beschichtungskammer 12 übertragen werden. Mit der symmetrischen Konfiguration der Einrichtung 10 kann, während die Teile 20, die durch die vordere linke Ladekammer 16 geladen werden, innerhalb der Beschichtungskammer 12 beschichtet werden, eine zweite Charge an Teilen in der vorderen rechten Ladekammer 16 in der rechten Vorheizkammer 14 vorgeheizt werden, eine dritte Charge an Teilen kann in die hintere linke Ladekammer 18 geladen werden und eine vierte Charge an Teilen kann aus der hinteren rechten Ladekammer 18 entladen werden. Infolgedessen können vier Verfahrensstufen gleichzeitig mit der bevorzugten EBPVD Einrichtung 10 gemäß der Erfindung auftreten.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Ladekammern 16 und 18 an ein niedriges Profil aufweisenden bewegbaren Plattformen 24 angebracht, so dass die Ladekammern 16 und 18 selektiv mit ihren Vorheizkammern 14 ausgerichtet werden können. Wenn beispielsweise die vordere linke Ladekammer 16 in eine Ausrichtung mit der linken Vorheizkammer 14 gebracht ist, damit die Teile 20 in die Beschichtungskammer 12 eingeführt werden können, wird die hintere linke Ladekammer 18 von der linken Vorheizkammer 14 zurückgesetzt, so dass Teile gleichzeitig von dem Gestell 22 der hinteren linken Ladekammer 18 geladen oder entladen werden können. Jede Plattform 24 ist weiterhin vorzugsweise in eine Wartungsstellung bewegbar, in der keine ihrer Ladekammern 16 und 18 mit ihrer Vorheizkammer 14 ausgerichtet ist, so dass auf die Innenräume der Vorheiz- und Ladekammern 14, 16 und 18 zum Reinigen zugegriffen werden kann. Die Plattformen 24 sind vorzugsweise wenigstens teilweise durch Rollenlager 44 gehaltert, die in dem Boden angebracht sind, obwohl es möglich ist, dass verschiedene andere Lager verwendet werden können. Jede Plattform 24 hat ein niedriges Höhenprofil (Projektion über dem Boden) von nicht mehr als einem Zoll (etwa 2,5 cm) mit einem abgeschrägten Rand (vorzugsweise 30 Grad aus der Horizontalen), wobei diese Maßnahmen zusammen die Gefahr im wesentlichen eliminieren, dass sich eine Bedienungsperson an dem Rand der Plattform 24 festklemmt. Stationäre Objekte, die die Einrichtung 10 umgeben, sind vorzugsweise entfernt von den Rändern der Plattformen 24 angeordnet, um zu vermeiden, dass eine Bedienungsperson durch eine Plattform 24 gestoßen wird, wenn sie neu positioniert wird. Als Alternativen zu der gezeigten Plattformkonfiguration könnten Plattformsysteme mit vielen überlappenden oder teleskopartig bewegbaren Segmenten verwendet werden. Weiterhin könnten die bewegbaren Segmente unter einer feststehenden erhöhten Plattform schlüpfen, die die Plattformeinrichtungen umgibt. Schließlich könnten getrennte Vorheizkammern für die Ladekammern 16 und 18 vorgesehen sein, so dass sowohl die Ladekammern 16 und 18 als auch ihre Heizkammern durch ein bewegbares Plattformsystem umgeben sein würden.
Wie in den Fig. 3 bis 5 gezeigt ist, ist ein Teil von der Beschichtungskammer 12 auch vorzugsweise konfiguriert, um sich relativ zu der Vorheizkammer 14 zu bewegen, um ein Reinigen des Innenraumes der Kammer 12 zwischen Beschichtungszyklen zu erleichtern. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, ist die Beschichtungskammer 12 in ihrer Betriebsstellung mit einer Sichtöffnung 48, die nachfolgend mit weiteren Einzelheiten beschrieben wird, an einem Frontabschnitt von der Kammer 12 befestigt. In Fig. 4 ist der Frontabschnitt von der Beschichtungskammer 12 (und auch ein Barrenmagazin 112, das der Beschichtungskammer 12 zugeordnet ist und nachfolgend erläutert wird) so gezeigt, dass er von dem Rest der Beschichtungskammer 12 weg bewegt worden ist, um Zugang zu einer bewegbaren Arbeitsplattform 50 zu erlangen, die so gezeigt ist, dass sie in eine in Fig. 5 gezeigte Arbeitsstellung gedreht ist. In dieser Stellung kann auf einfache Weise durch die Arbeitsplattform 50 auf einfache Weise Zugang zum Innenraum der Beschichtungskammer 12 gewonnen werden. Die Plattform 50 ist so gezeigt, dass sie durch ein Gelenk 52 mit der Basis von der Beschichtungskammer 12 verbunden ist, obwohl es auch möglich ist, dass andere akzeptable Strukturen benutzt werden könnten. Die Plattform 50 kann auch anders als in den Fig. 3 bis 5 gezeigt konfiguriert sein, wozu eine angelenkte segmentierte Konstruktion gehört, und mit Stoßplatten und anderen sicherheitsbezogenen Zubehörteilen.
Die Beschichtungs-, Vorheiz- und Ladekammern 12, 14, 16 und 18 sind durch Ventile (nicht gezeigt) verbunden, die eine Vakuumdichtung zwischen diesen Kammern erzielen. Um die Größe und Anzahl von Teilen 20 zu maximieren, die zwischen den Kammern 12, 14, 16 und 18 geladen werden können, haben die Ventile vorzugsweise eine minimale Abmessung von etwa 250 mm, was beträchtlich größer ist als es zuvor von Fachleuten für praktikabel gehalten wurde. Weil die Beschichtungs-, Vorheiz- und Ladekammern 12, 14, 16 und 18 auf variierende Vakuumpegel gepumpt werden müssen und sich in einigen Fällen relativ zueinander bewegen müssen, wie es nachfolgend erläutert wird, müssen die Ventile zahlreiche Zyklen bei relativ hohen Drucken aushalten können. Dichtungskonstruktionen, die für diesen Zweck geeignet sind, sind in der Technik bekannt und werden deshalb nicht in Einzelheiten erläutert.
Auf Fig. 6 und 7 Bezug nehmend wird eine Beschichtung innerhalb der Beschichtungskammer 12 ausgeführt, indem Blöcke bzw. Barren 26 aus Keramikmaterial mit Elektronenstrahlen 28 geschmolzen und verdampft werden, die durch Elektronenstrahl(EB)-Kanonen 30 erzeugt und auf die Barren (Blöcke) 26 fokussiert werden. Eine intensive Erhitzung des Keramikmaterials durch die Elektronenstrahlen 28 bewirkt, dass die Oberfläche von jedem Barren 26 schmilzt und Schmelzbäder aus geschmolzener Keramik bilden, aus denen die Moleküle des Keramikmaterials verdampfen, nach oben wandern und sich auf den Oberflächen von den Teilen 20 niederschlagen, wobei der gewünschte keramische Überzug erzeugt wird, dessen Dicke von der Dauer des Beschichtungsprozesses abhängt. In diesen Figuren sind zwar zwei Barren 26 gezeigt, aber erfindungsgemäß könnten ein oder mehr Barren 26 vorhanden sein und zu jeder gegebenen Zeit verdampft werden.
EBPVD Beschichtungskammern können üblicherweise auf einem Vakuumwert von etwa 0,001 mbar (etwa 1 · 10&supmin;³ Torr) oder weniger gehalten werden. Im Stand der Technik würde ein Vakuum von höchstens 0,010 mbar, und noch üblicher etwa 0,005 mbar, innerhalb der Beschichtungskammer 12 während des Beschichtungsprozesses gezogen werden, wobei der Grund darin liegt, dass von höheren Drucken bekannt war, dass sie einen fehlerhaften Betrieb der EB Kanonen 30 bewirken und die Elektronenstrahlen 28 schwierig zu steuern machen, wobei die Vermutung bestand, dass schlechtere Überzüge bzw. Beschichtungen entstehen würden. Es ist auch angenommen worden, dass die Lebensdauer des Kanonenfilaments verkürzt oder die Kanone kontaminiert werden würde, wenn sie bei Beschichtungskammerdrucken über 0,005 mbar betrieben wird. Jedoch wird die Beschichtungskammer 12 vorzugsweise bei höheren Drucken betrieben, die überraschender Weise einen keramischen Überzug mit verbesserter Abblätter- und Stoßbeständigkeit erzielen und auch die Überzugsabscheidungsrate in Verbindung mit höheren Barrenverdampfungsraten fördern als sie im Stand der Technik erzielt wurden.
Ein grobes Abpumpen kann in den Beschichtungs-, Vorheiz- und Ladekammern 12, 14, 16 und 18 mit mechanischen Pumpen 31 ausgeführt werden. In den Fig. 1 und 2 ist eine Kryogenpumpe 32 eines bekannten Typs gezeigt, die dazu verwendet wird, die Evakuierung der Beschichtungskammer 12 vor dem Abscheidungsprozess zu unterstützen. Weiterhin ist in den Fig. 1, 3, 4 und 5 eine Diffusionspumpe 34 gezeigt, deren Betrieb dem im Stand der Technik bekannten ähnlich ist, aber modifiziert mit einem Drosselventil 36, um den Betrieb der Pumpe 34 gemäß dieser Erfindung zu regulieren. Genauer gesagt, das Drosselventil 36 wird zwischen einer Öffnungsstellung (Fig. 3) und einer Schließstellung (Fig. 4 und 5) und auch Stellungen dazwischen betätigt. Der Vorteil des Drosselventils 36 wird realisiert, wenn das Vakuum in der Beschichtungskammer 12 auf den relativ hohen Drucken gehalten wird, die erfindungsgemäß verwendet werden. Wenn die maximale Arbeitskapazität der Diffusionspumpe 34 erforderlich ist, um die Beschichtungskammer 12 zu evakuieren, ist das Drosselventil 36 geöffnet, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Zum Bearbeiten von Hardware muss die Beschichtungskammer 12 auf dem angestrebten Druck (z. B. 0,015 mbar) gehalten werden, was erfordert, dass das Drosselventil 36 in eine im voraus festgesetzte gedrosselte Stellung in einem gewissen Abstand von der voll geschlossenen Stellung gemäß den Fig. 4 und 5 bewegt wird. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, werden getrennte Diffusionspumpen 38, die in ähnlicher Weise mit Drosselventilen (nicht gezeigt) ausgerüstet sind, vorzugsweise verwendet, um die Vorheizkammern 14 zu evakuieren, wiederum aus dem Grund, dass ein relativ hoher Druck für den Beschichtungsbetrieb gemäß dieser Erfindung gewünscht wird. Die mechanischen Pumpen 31 enthalten vorzugsweise Leckagedetektorverbindungen 33, mit denen ein Leckagedetektor verbunden werden kann, um eine Systemvakuumleckage zu erfassen, wobei Helium oder ein anderes Gas verwendet wird, das durch Lecks in den Kammern 12, 14, 16 und 18 oder zugeordnetes Gerät sicher eingeführt werden kann.
Wiederum auf die Fig. 1 und 2 Bezug nehmend haben die Ladekammern 16 und 18 im allgemeinen eine langgestreckte Form und sind mit Ladetüren 40 ausgerüstet, durch die Teile auf die Gestelle 22 geladen werden können. Die Ladekammern 16 und 18 sind auch mit Zugangstüren 42 zu Bewegungsantrieben (schematisch bei 46 in Fig. 1 dargestellt) ausgerüstet, die den Betrieb der Gestelle 22 steuern. Genauer gesagt, die Teile 20, die auf den Gestellen 22 getragen werden, werden vorzugsweise innerhalb der Beschichtungskammer 12 gedreht und/oder oszilliert, um die gewünschte Überzugsverteilung um die Teile 20 herum zu fördern. Die Zugangstüren 42 gestatten der Bedienungsperson der Einrichtung 10, die Einstellungen der Bewegungsantriebe 46 schnell einzustellen oder zu verändern, ohne das Laden und Entladen der Teile aus den Ladekammern 16 und 18 zu stören.
Es wird nun wieder auf die Fig. 6 und 7 Bezug genommen, anhand derer der Innenraum von der Beschichtungskammer 12 mit weiteren Einzelheiten beschrieben wird. Um auf die vorstehend genannten Probleme betreffend die Steuerung der Elektronenstrahlen 28 und den Schutz der EB Kanonen 30 bei den höheren Beschichtungsdrucken, die gemäß dieser Erfindung verwendet werden, zurück zu kommen, wurden gewisse Verbesserungen an den EB Kanonen 30 und der Beschichtungskammer 12 gemacht. Wie in Fig. 6 zu sehen ist, werden Sauerstoff und Argongase in die Beschichtungskammer 12 durch einen Einlass 54 eingeführt, der nahe den Tiegeln 56 angeordnet ist, die die Barren 26 in der Beschichtungskammer 12 tragen und die Schmelzbäder des Keramikmaterial festhalten, die durch die Elektronenstrahlen 28 erzeugt werden. Die Strömungsgeschwindigkeiten von Sauerstoff und Argon werden individuell gesteuert auf der Basis des angestrebten Prozessdruckes und des angestrebten Partialdruckes von Sauerstoff. Um das Auftreten von Druckschwankungen innerhalb der Beschichtungskammer 12 zu senken, wurde die Ansprechzeit der Steuerschleife für diese Gase verkürzt, indem physikalisch die Steuerventile 58 für die Gase unmittelbar neben dem Einlass 54 gerade außenseitig von der Beschichtungskammer 12 angeordnet werden, wie es in den Fig. 1 und 6 gezeigt ist. Die Anordnung der Steuerventile 58 so nahe an der Beschichtungskammer 12 sorgte für eine überraschend signifikante Verbesserung in der Drucksteuerung, sie verkleinerte Druckschwankungen innerhalb der Beschichtungskammer 12 und verringerte Störungen in dem Fokus und der Position der Elektronenstrahlen 28 auf den Blöcken 26.
Um den Elektronenstrahlfokus und das Muster weiter zu verbessern, sind die EB Kanonen 30 relativ isoliert von dem höheren Beschichtungsdruck innerhalb der Beschichtungskammer 12 durch einen Kondensatabfluss 52, der den größten Teil der überflüssigen keramischen Dämpfe auffängt, die sich nicht auf den Teilen 20 abscheiden. Der Abfluss 52 ist gemäß dieser Erfindung konfiguriert, um einen Überzugsbereich um die Teile 20 herum zu bilden, innerhalb dessen der erhöhte Druck, der für den Beschichtungsprozess gewünscht wird, spezifisch eingehalten wird. Um eine Reinigung zwischen Beschichtungszyklen zu erleichtern, ist der Abfluss 52 vorzugsweise mit Sieben 76 ausgerüstet, die entfernt und außerhalb der Beschichtungskammer 12 gereinigt werden können. Vorzugsweise werden die Siebe 76 durch Federstifte 78 anstelle von mit Gewinde versehenen Befestigungsgliedern gehaltert, um eine Herausnahme der Siebe 76 zu vereinfachen, wenn sie in dem Zustand sind, dass sie am Ende von einem Zyklus mit einer Schicht des Beschichtungsmaterials überzogen sind. Auch wenn es im allgemeinen komplizierter ist, könnte der gesamte Kondensatabfluss 52 herausgenommen und gegen einen zweiten sauberen Abfluss 52 ersetzt werden.
Da der Abfluss 52 die Teile 20 umgibt, wie es in Fig. 6 zu sehen ist, ist eine Öffnung 62 für jeden Strahl 28 durch den Abfluss 52 notwendig. Um die Fähigkeit zu fördern, höhere Drucke in den Kondensatabfluss 52 im Vergleich zum Rest der Beschichtungskammer 12, einschließlich der Nähe um die EB Kanonen 30 herum, zu fördern, sind die Öffnungen 62 vorzugsweise so geformt, dass sie Abmessungen haben, die nicht größer als diejenigen sind, die notwendig sind, damit die Elektronenstrahlen 28 durch den Abfluss 52 hindurchtreten können. Zu diesem Zweck sind die Öffnungen 62 vorzugsweise mit den Elektronenstrahlen 28 während der Einstellung der EBPVD Einrichtung 10 geschnitten, so dass jede Öffnung 62 eine Querschnittsfläche hat, die etwa gleich derjenigen seines Elektronenstrahlmusters an der Schnittstelle mit dem Abfluss 52 ist.
Um die EB Kanonen 30 weiter von dem erhöhten Druck innerhalb des Kondensatabflusses 52 zu isolieren, wandern die Strahlen 28 von ihren entsprechenden Kanonen 30 durch Kammern 64, die zwischen den Innenwänden von der Beschichtungskammer 12 und dem Kondensatabfluss 52 ausgebildet sind. Vorzugsweise hat die Diffusionspumpe 34 einen Einlass nahe und pneumatisch gekoppelt mit jeder der Kammern 64. Wegen der minimalen Größe der Öffnungen 62 entspannt sich der erhöhte Druck innerhalb des Kondensatabflusses 52 (erzielt durch die Einführung von Sauerstoff und Argon mit dem Einlass 54) in die Kammern 64 mit einer genügend verringerten Geschwindigkeit, um der Diffusionspumpe 34 zu ermöglichen, die Kammern 64 auf einem niedrigeren Druck zu halten als demjenigen innerhalb des Kondensatabflusses 52.
Fig. 6, 8 und 9 stellen einen zusätzlichen Schutz dar, der den EB Kanonen 30 mit dieser Erfindung gegeben wird. Wie es allgemein üblich ist, sind die EB Kanonen 30 mit Vakuumpumpen 66 ausgerüstet, die Drucke innerhalb der Kanonen 30 auf Werten von etwa 8 · 10&supmin;&sup5; bis etwa 8 · 10&supmin;&sup4; mbar halten, was gut unter denjenigen ist, der außerhalb der Kanonen 30 existieren, d. h. innerhalb der EBPVD Beschichtungskammer 12 gemäß dieser Erfindung und auch typischen EPBVD Beschichtungskammern gemäß dem Stand der Technik. Damit diese niedrigen Drucke aufrechterhalten werden können, müssen die Elektronenstrahlen 28 durch zylindrische Blenden 68 hindurchtreten, um die Kanonen 30 zu verlassen, wie es schematisch in Fig. 6 gezeigt ist. Fig. 8 stellt eine übliche Konfiguration für eine derartige Blende 168 dar. Um einen Bereich von Bündelfokussierungsbedingungen zu gestatten, die durch Fokuspositionen A, B und C für einen in Fig. 8 gezeigten Elektronenstrahl 128 dargestellt sind, hat die Blende 168 einen relativ großen Durchmesser und Länge, z. B. etwa 30 mm bzw. etwa 120 mm. Der Nachteil des Standes der Technik ist der verminderte Schutz, den eine derartige große Blende 168 den EB Kanonen 30 geben kann, die in der Umgebung höherer Drucke der Einrichtung 10 gemäß der Erfindung arbeiten. Während einer Untersuchung, die zu dieser Erfindung führte, zeigten Prüfungen, dass eine verbesserte Steuerung der Prozessbedingungen ermöglichte, dass eine optimale Position des Bündelbrennpunktes (D in Fig. 9) identifiziert wurde. Ein effektiveres Blendendesign wurde dann untersucht, was die Blende 68 gemäß dieser Erfindung zur Folge hatte, die in den Fig. 6 und 9 gezeigt ist, und die in Fig. 9 so gezeigt ist, dass sie einen kleineren Durchmesser und Länge als diejenige von der bekannten Blende 168 gemäß Fig. 8 hat. Es wird angenommen, dass ein bevorzugter Durchmesser und eine bevorzugte Länge für die Blende 68 etwa 15 bzw. 50 mm sind, obwohl optimale Werte für diese Abmessungen in Abhängigkeit von Drucken und Fokus, Ablenkungsspulenstrom und den gesamten Geometrien abhängen können.
Wie oben erwähnt ist, ist der Kondensatabfluss 52 um die Teile 20 herum angeordnet, um die Abscheidung von keramischem Material auf den Innenwänden von der Beschichtungskammer 12 zu minimieren. Gemäß dieser Erfindung ist der Kondensatabfluss 52 auch speziell konfiguriert, um die Erwärmung der Teile 20 zu regulieren, wie es erforderlich ist, um eine geeignete Teiletemperatur während eines Beschichtungszyklus beizubehalten. Genauer gesagt, der Abfluss 52 ist mit einer bewegbaren Reflektorplatte 72 ausgerüstet, die Wärme, die durch die geschmolzenen Oberflächen der Barren 26 emittiert wird, auf die Teile 20 zurück abstrahlt. Bei dem ersten Start von einem Zyklus, während dessen die Temperatur der Beschichtungskammer 12 relativ niedrig ist, wird die Reflektorplatte 72 durch eine Stelleinrichtung 74 nahe an den Teilen 22 angeordnet, um die Erwärmung der Teile 20 zu maximieren. Wenn die Temperatur innerhalb der Beschichtungskammer 12 während eines laufenden Zyklus ansteigt, wird die Reflektorplatte 72 von den Teilen 20 weg bewegt (wie es gestrichelt in Fig. 6 gezeigt ist), um die abgestrahlte Wärmemenge, die auf die Teile 20 zurück reflektiert wird, zu verringern. Auf diese Weise können die Teile 20 schneller auf eine geeignete Abscheidungstemperatur (z. B. etwa 925ºC) am Start von einem Zyklus gebracht werden, während die Erzielung der maximal zulässigen Beschichtungstemperatur (z. B. etwa 1140ºC) verzögert wird, um die Länge des Beschichtungszyklus zu maximieren. Der Abfluss 52 und die Platte 72 fordern auch eine gleichförmigere und stabilere Schaufelbeschichtungstemperatur, um die gewünschte säulenförmige Kornstruktur für die keramischen Überzüge auf den Teilen 20 zu fördern. Um den gewünschten relativ hohen Druck innerhalb des Kondensatabflusses 52 beizubehalten, während sich die Reflektorplatte 72 in der erhöhten Stellung befindet, ist ein wassergekühlter Mantel 75 gezeigt, der die Platte 72 umgibt, um eine Gasströmung zwischen den Kondensatabfluss 52 und der Platte 72 zu hemmen und dadurch den Druckverlust zwischen dem Abfluss 52 und der Platte 72 zu verkleinern.
In Fig. 7 sind Manipulatoren 77 gezeigt, die sich durch eine Kugelverbindung-Durchführung 79 in der Kammerwand in die Beschichtungskammer 12 hinein erstrecken. Die Manipulatoren 77 werden verwendet, um die Regulierung der Erwärmung der Teile 20 zu unterstützen, indem keramische oder mit Keramik überzogene Reflektoren 80 (in Fig. 10 als ein granulares Material gezeigt) während eines Beschichtungszyklus in Richtung auf oder von den Tiegeln 56 weg bewegt werden. Genauer gesagt, aufgrund ihrer Nähe zu den Tiegeln 56 befinden sich die Reflektoren 80 während des Beschichtungsprozesses auf einer sehr hohen Temperatur und deshalb strahlen sie Wärme nach oben in Richtung auf die Teile 20 ab. Die Wärmemenge, die durch die Reflektoren 80 abgestrahlt wird, befindet sich im allgemeinen auf einem Maximum, wenn die Reflektoren 80 am Nähesten zu den Tiegeln 56 sind, und sie kann vermindert werden, indem die Reflektoren 80 von den Tiegeln 56 weg bewegt werden. Die Reflektoren 80 sind vorzugsweise auf einer Fluid-gekühlten Platte 81 gehaltert, die nicht wesentlich Wärme auf die Teile 20 abstrahlt. Als eine Folge können die Reflektoren 80 in Verbindung mit der Reflektorplatte 72 verwendet werden, um die Temperatur der Teile 20 zu regulieren, die während eines laufenden Zyklus in der Beschichtungskammer 12 beschichtet werden. Am Beginn von einem Zyklus sind die Reflektoren 80 ursprünglich nahe an den Tiegeln 56 angeordnet, um die Erwärmung der Teile 20 zu maximieren, und später werden sie mit den Manipulatoren 77 von den Tiegeln 56 weg bewegt, um die abgestrahlte Wärmemenge zu senken.
Um in der Umgebung der Beschichtungskammer zu überleben, sind die Abschnitte der Manipultoren 77, die sich in der Beschichtungskammer 12 befinden, vorzugsweise aus einer Hochtemperatur-Legierung, wie beispielsweise einer Nickelbasis- Legierung, wie X-15, hergestellt. Anstatt aus einem granularen Material könnten die Reflektoren 80 im wesentlichen in jeder Form vorliegen und im wesentlichen jede Form haben. Beispielsweise könnte eine oder mehrere Platten, die mit einem reflektierenden Material beschichtet sind, verwendet werden. Aus Zweckmäßigkeitsgründen könnten die Reflektoren 80 relativ große Stücke sein, die von Barren aus einem ähnlichen Material wie demjenigen, das abgeschieden wird, abgeschnitten sind, obwohl es deutlich wird, dass auch andere keramische Materialien verwendet werden könnten.
Wie vorstehend erwähnt wurde, werden die Barren (Blöcke) 26 aus keramischem Material innerhalb der Beschichtungskammer 12 durch Tiegel 56 gehalten, die die Schmelzbäder des keramischen Materials festhalten, die durch die Elektronenstrahlen 28 erzeugt werden. Einer der Tiegel 56 ist im Detail in Fig. 10 so gezeigt, dass er eine dreistückige Konfiguration hat. Ein oberes Teil 82 mit einer abgeschrägten oberen Fläche 84 ist mit einem unteren Teil 86 zusammengesetzt, die dazwischen einen Kühlkanal 88 bilden, durch den Wasser oder ein anderes geeignetes Kühlmittel strömt, um die Temperatur des Tiegels 56 unter dem Schmelzpunkt von seinem Material zu halten. In Fig. 10 ist auch eine Restriktionsplatte 90 gezeigt, deren Dicke so gewählt sein kann, dass sie die Strömungsquerschnittsfläche von dem Kanal 88 zwischen einem Kühlmitteleinlass 92 und einem -auslass 94 verändert, z. B. verkleinert. Aus Gründen der thermischen Leitfähigkeit ist ein bevorzugtes Material für den Tiegel 56 Kupfer oder eine Kupferlegierung, was erforderlich macht, dass die Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmittels durch den Kanal 88 ausreichen müssen, um die Tiegelwand 96, die dem geschmolzenen Teil von dem Barren 26 am Nähesten gelegen ist, gut unter der Temperatur der geschmolzenen Keramik zu halten. Wie aus Fig. 10 deutlich wird und anhand der Fig. 11 und 12 weiter erläutert wird, wird der Elektronenstrahl 28 vorzugsweise auf die abgeschrägte Fläche 84 und auch auf den Barren 26 projiziert. Damit also die äußere Oberfläche von dem oberen Teil 82 angemessen gekühlt wird, muss die Dicke der Wand 96 möglichst klein gemacht werden, um die Wärmeübertragung zu fördern, ohne die mechanische Festigkeit von dem Tiegel 56 zu gefährden. Die vielstückige Tiegelkonfiguration gemäß dieser Erfindung erleichtert die Fertigung einer optimalen Konfiguration für den Kühlmittelkanal 88 und ermöglicht auch, dass die Dicke der Wand 96 mit engen Toleranzen erzeugt werden kann. Eine optimale Konfiguration hängt zwar von verschiedenen Faktoren ab, aber eine bevorzugte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels beträgt fünf bis fünfzig Gallonen/Minute (etwa 20 bis 200 Liter/ Minute), wobei Wasser auf einem Druck von etwa zwei bis sechs Atmosphären (etwa zwei bis sechs bar) durch einen Kanal 88 verwendet wird, dessen Querschnittsfläche etwa 400 mm² beträgt, und mit einer maximalen Wanddicke von etwa 10 mm neben der Oberfläche 84 und etwa 7 mm neben dem Barren 26.
Fig. 11 und 12 stellen ein bevorzugtes Muster für die Elektronenstrahlen 28 auf den Barren 26 dar, um die Bäder von keramischem Material zu bilden. Wie in den Fig. 10 und 11 zu sehen ist, wird der Strahl 28 auch auf denjenigen Abschnitt von der Tiegelfläche 84 projiziert, der den Barren 26 unmittelbar umgibt, wobei sich der Umfang von dem Strahl 28 auf der Tiegelfläche 84 befindet. Die bevorzugte Energieverteilung 98 des Elektronenstrahls 28 ist in Fig. 12 so gezeigt, dass sie Spitzenwerte hat, die nahe der Barren/Tiegel-Grenzfläche angeordnet sind, wobei wenig oder gar keine Energie auf die Mitte von dem Barren 26 gerichtet wird. Gemäß dieser Erfindung ist der Vorteil, dass derartig hohe Bündelintensitäten auf einen Bereich entfernt von der Mitte des Schmelzbades gerichtet werden, eine verminderte Tendenz zur Spritzerbildung, was im allgemeinen auftritt, wenn ein Tröpfchen von geschmolzener Keramik während des Beschichtens aus dem Bad herausgeschleudert wird. Spritzerbildung ist mit Defekten in der auf den Teilen 20 erzeugten Beschichtungen verbunden und wird deshalb vorzugsweise vermieden. Das Projizieren des Strahls 28 auf den Tiegel 56 dient dazu, die Menge an Keramik zu verkleinern, die sich anderenfalls aufgrund von Spritzerbildung auf dem Tiegel 56 aufbauen könnte, und es sorgt auch für eine gleichförmigere Temperaturverteilung über dem Schmelzbad, wie es durch eine Infrarot- Bildgebung ermittelt wird. Wenn YSZ als das Barrenmaterial verwendet wird, liegen geeignete Strahlintensitäten an den Spitzenwerten in Fig. 12 in der Größenordnung von etwa 0,1 kW/mm² im Vergleich zu einem Maximalwert von etwa 0,01 kW/mm² an der Mitte des Bades.
Weiterhin ist in Fig. 10 gezeigt, dass der Elektronenstrahl 28 auf die Oberfläche des Barrens 26 unter einem Schrägwinkel auftrifft, um so relativ zu seiner entsprechenden EB Kanone 30 einen proximalen Schnittpunkt 100 und einen gegenüberliegend angeordneten distalen Schnittpunkt 101 mit dem Tiegel 56 am Umfang des Strahlmusters auszubilden. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, nimmt die Intensität des bevorzugten Bündelmusters auf dem Barren 26 und dem Tiegel 56 leicht ab, vorzugsweise um etwa 30% bis 70% relativ zu dem verbleibenden Umfang des Bündelmusters, an Stellen auf dem Tiegel 56, die den proximalen und distalen Schnittpunkten 100 und 101 entsprechen. Der Zweck der Verringerung der Intensität des Bündelmusters an dem proximalen Schnittpunkt 100 besteht darin, die Erosion des Tiegels 56 durch den Strahl 28 zu verringern, während eine Verringerung der Strahlintensität an dem distalen Schnittpunkt 101 gezeigt hat, das Wellen, die durch den Strahl 26 auf dem keramischen Schmelzbad erzeugt werden, weniger geschmolzene Keramik über den Rand des Tiegels 56 schieben.
Ein anderes bevorzugtes Steuerungsmerkmal gemäß dieser Erfindung für den Elektronenstrahl 28 ist die Fähigkeit, das Bündelmuster auf der Oberfläche der Tiegel 56 mit einem getrennten Bündelmuster 97 höherer Intensität temporär zu unterbrechen, das die Aufgabe hat, eine schnellere Verdampfungsgeschwindigkeit über einer kleinen Fläche zu erzielen, um eine Keramik zu verdampfen, die als eine Folge von Spritzerbildung auf den Tiegeln 56 abgeschieden werden kann. Dieses Merkmal der Erfindung kann während des Beschichtungsvorganges mit minimaler oder gar keiner Beeinträchtigung des Beschichtungsprozesses ausgeführt werden. Wenn in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Bedienungsperson eine Auslenkung des getrennten Musters 97 einleitet, um einen Aufbau von Keramik auf dem Tiegel 56 zu verdampfen, wird das Muster 97 zunächst automatisch auf eine bekannte Position repositioniert, von der das Muster 97 dann unter der Lenkung der Bedienungsperson in Richtung auf den keramischen Aufbau manuell bewegt werden kann. Durch automatische Rückführung des Musters 97 in eine bekannte Position wird die Wahrscheinlichkeit von Fehlern, die zu einer Beschädigung des Tiegels 56 führen könnten, verringert. Alternativ könnte die Position des Musters 97 vorprogrammiert sein, so dass die Bedienungsperson den Ort auf dem Tiegel 56 eingeben kann, auf den das Muster 97 projiziert werden soll. Ein Aufbau von Keramik auf dem Tiegel 56, der nicht auf einfache Weise mit dem Muster 97 entfernt werden kann, kann häufig mit dem in Fig. 7 gezeigten Manipulator 77 beseitigt werden.
Magazine 102, die die Barren (Blöcke) 26 aufnehmen und nach oben durch den Boden der Beschichtungskammer 12 und in die Tiegel 56 hinein zuführen, können in den Fig. 1-7 gesehen werden. Wie am Einfachsten in den Fig. 2, 6 und 7 zu sehen ist, hat jedes Magazin 102 eine Anzahl von zylindrischen Kanälen 104, in denen die Barren 26 gehalten werden. Die Magazine 102 drehen sich, um die Barren 26 in eine Ausrichtung mit dem Tiegeln 56 zu indexieren. Die Magazine 102 können sich auch in Richtung auf und voneinander weg bewegen (d. h. lateral relativ zu der Beschichtungskammer 12), um Einstellungen für eine Tiegeltrennung zu machen und dadurch die Beschichtungszone zu optimieren, über der die Abweichung der Überzugsdicke akzeptabel ist. Die Fördermechanismen, die zum Ergreifen und Fördern der Barren 26 in die Tiegel 56 verwendet werden, enthalten im allgemeinen Klemmarme 60, die jeweils unter einem Winkel aus der Horizontalen angeordnet und geeignet sind, die verdampfenden Barren 26 in ihrer Lage zu halten, während das Magazin 102 indexiert wird. Das obere Ende von jedem Arm 60 greift an dem verdampfenden Barren 26 an, was eine Förderung des Barrens 26 in einer Aufwärtsrichtung mit einer Hebevorrichtung 61 erleichtert, ohne dass der Klemmarm 60 nach unten in Richtung auf eine horizontale Position gleiten kann, von dem ermittelt worden ist, dass es ein Verklemmen des Fördermechanismus bewirkt. Gemäß der Erfindung richtet jedes Magazin 102 der Reihe nach den nächsten Barren 26 mit dem unteren Ende von dem verdampfenden Barren 26 in dem Tiegel 56 aus, und die Hebevorrichtung 61 fördert den nächsten Barren 26 in die Beschichtungskammer 12 hinter dem verdampfenden Barren 26, wobei keine oder nur eine minimale Unterbrechung der Abscheidung des Keramikmaterials auf den Teilen 20 auftritt.
Die Sichtöffnung 48, auf die unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 hingewiesen wurde, ist mit weiteren Einzelheiten in Fig. 13 gezeigt. Die Sichtöffnung 48 ist so konfiguriert, dass die Bedienungsperson der Einrichtung 10 den Beschichtungsvorgang einschließlich der Teile 20, die überzogen werden, der Bäder aus geschmolzener Keramik, der Reflektoren 80 um die Tiegel 56 herum und der Manipulatoren 77 beobachten kann, die zum Bewegen der Reflektoren 80 verwendet werden. Wie gezeigt ist, ist die Sichtöffnung 48 im allgemeinen eine Umhüllung, die eine Fluid-gekühlte Aperturplatte 106 mit einem optionalen Fenster 108 aufweist, das aus Saphir gebildet ist, um den hohen Temperaturen (grob 800ºC oder mehr) in der Nähe des Beschichtungsprozesses zu widerstehen. Es ist ein Abschirmgas gezeigt, das durch eine Öffnung 110 hindurch auf die Aperturplatte 106 zu dem Zweck gerichtet ist, um eine Überzugsabscheidung auf dem Fenster 108 oder Geräteteilen hinter der Aperturplatte 106 zu minimieren. Innerhalb der Sichtöffnung 48 dient eine rotierende Stroboskoptrommel 112 dazu, die Aussetzung eines Sichtfensters 114 gegenüber Strahlungswärme, Licht und anderer Strahlung aus der Beschichtungskammer 12 zu minimieren. Gemäß bekannter Praxis hat die Trommel 112 Schlitze 116 durch ihre Wand und rotiert mit einer hohen Geschwindigkeit, um visuelles Flickern für das Auge des Betrachters zu eliminieren. Das Fenster 114 ist vorzugsweise eine Mehrschichtscheibe aus Quarzglas, Bleiglas und/oder koloriertem Glas. Das Quarzglas sorgt für physikalische Festigkeit, das Bleiglas sorgt für Schutz gegenüber Röntgenstrahlen und das kolorierte Glas ist nützlich, um die Lichtintensität zu verringern. Die Sichtöffnung 48 enthält ferner eine magnetische Teilchendichtung, die eine Hochtemperatur-Vakuumdichtung für die stroboskopische Trommel bildet. Ein weiteres bevorzugtes Merkmal besteht darin, dass die Sichtöffnung 48 für eine stereoskopische Betrachtung von dem Innenraum der Beschichtungskammer 12 sorgt, durch die eine oder mehrere Bedienungspersonen gleichzeitig die Beschichtungskammer beobachten können, während eine Tiefenwahrnehmung beibehalten wird.
In Fig. 14 ist eine bevorzugte Steuertafel 118 zum Steuern und Überwachen der EBPVD Einrichtung gemäß der Erfindung gezeigt. Die Steuertafel 118 ist in der Weise gezeigt, dass sie eine schematische Darstellung der Einrichtung 10 und ihrer Komponenten einschließlich Anzeigen 120 für einzelne Komponenten (z. B. die Beschichtungskammer 12) aufweist. Weiterhin sind visuelle Anzeigen 122, die neben den Anzeigen 120 angeordnet sind, zum Anzeigen des Betriebsstatus der Komponenten und Schalter 124 gezeigt, um den Betrieb der entsprechenden Komponenten zu ändern. Die Tafel 118 ist vorzugsweise von Messgeräten umgeben zum Quantifizieren von Prozessparametern, wie beispielsweise Drucken. Mit der Tafel 118 kann schnell und genau Information über den Betriebsstatus von der EBPVD Einrichtung 10 erhalten werden, damit die Bedienungsperson irgendwelche geeignete Einstellungen an der Einrichtung 10 und dem Beschichtungsprozess vornehmen kann.
Im Betrieb kann die Einrichtung 10 gemäß der Erfindung zunächst so aussehen, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Wie zuvor erläutert wurde, werden die zu beschichtenden Teile 20 auf die Gestelle 22 innerhalb der Ladekammern 16 und 18 geladen. Die Teile 20 können aus irgendeinem geeigneten Material gebildet sein, wie beispielsweise einer Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Superlegierung, wenn die Teile 20 Schaufeln von einem Gasturbinentriebwerk sind. Im Falle von Gasturbinen- Triebwerksschaufeln werden die Teile vor dem Beschichten mit der Einrichtung 10 üblicherweise mit einem Bindeüberzug bekannter Zusammensetzung versehen, wie es zuvor erläutert wurde. Weiterhin wird vor dem Abscheiden des keramischen TBC die Oberfläche des Bindeüberzuges vorzugsweise sandgestrahlt, um die Oberfläche des Bindungsüberzuges zu reinigen und ein optimales Oberflächenfinish zu erzeugen, das zum Abscheiden säulenförmiger EBPVD Keramiküberzüge erforderlich ist. Weiterhin wird vor dem Abscheiden des Keramiküberzuges vorzugsweise eine Aluminiumoxidhaut auf dem Bindeüberzug bei einer erhöhten Temperatur ausgebildet, um die Anhaftung des Überzuges zu fördern. Die Aluminiumoxidhaut, die häufig als ein thermisch gewachsenes Oxid oder TGO (von Thermally Grown Oxide) bezeichnet wird, entwickelt sich aus der Oxidation des aluminiumhaltigen Bindeüberzugs entweder durch Aussetzen gegenüber erhöhten Temperaturen vor oder während der Abscheidung des Keramiküberzuges oder durch eine Hochtemperatur-Behandlung, die speziell für diesen Zweck ausgeführt wird. Erfindungsgemäß werden die Teile 20 vorzugsweise auf etwa 1100ºC in einer Argon-Atmosphäre vorgeheizt. Wenn sie nicht zum Vorheizen der Teile 20 verwendet wird, wird die Vorheizkammer 14 vorzugsweise bei etwa 600ºC gehalten, um den Temperaturbereich möglichst gering zu halten, dem die Kammer 14 während eines Zyklus ausgesetzt wird.
Nach dem Vorheizen in der Vorheizkammer 14 werden die Gestelle 22 weiter in die Beschichtungskammer 12 bewegt. Wie zuvor erläutert wurde, ist die Einrichtung 10 gemäß der Erfindung besonders konfiguriert, um einen Keramiküberzug unter den erhöhten Druckbedingungen abzuscheiden, wie es von Rigney u. a. gelehrt wird. Vor dem Einleiten des Beschichtungsprozesses wird vorzugsweise eine schnelle Vakuumprüfung durchgeführt, um die Abpumpgeschwindigkeit und den Druck zu verfolgen, der jeweils in den Beschichtungs-, Vorheiz- und Ladekammern 12, 14, 16 und 18 während einer festgesetzten Zeitperiode erreicht wird. Dies dient zum Ermitteln der Vakuumintegrität der Einrichtung 10, die zuvor mit bekannten EBPVD Operationen durch einen Oxidationstest ausgeführt wurde, der mit Opferproben durchgeführt wird. Die Kammern 12, 14, 16 und 18 werden mit den mechanischen Pumpen 31 von Atmosphärendruck evakuiert, und dann setzte ein Gebläse ein, wenn die Drucke auf etwa 20 mbar abfallen. Die Kryogenpumpe 32 startet vorzugsweise, wenn ein Druck von etwa 5 · 10&supmin;¹ mbar erreicht wird. Danach wurden die Diffusionspumpen 32 und 34 für die Beschichtungs- und Vorheizkammern 12 und 14 gestartet, wenn ein Druck von etwa 5 · 10&supmin;² mbar erreicht wird. Geeignete Prozessdrucke innerhalb der Lade- und Vorheizkammern 14, 16 und 18 betragen etwa 10&supmin;³ bis 10&supmin;¹ mbar, wobei geeignete Beschichtungsdrucke bei etwa 102 bis etwa 5 · 10&supmin;² mbar in dem Beschichtungsbereich betragen, der durch den Abfluss 52 definiert wird. Vorzugsweise wird ein Doppelelement-Ionenmessgerät 55, das mit einem manuellen Sperrventil 57 versehen ist, verwendet, um den Vakuumdruck in der Beschichtungskammer 12 zu messen. Durch Verwenden eines Messgerätes 55 mit unabhängig bedienbaren Elementen kann jedes Element zur Benutzung gewählt werden, ohne den Beschichtungsvorgang zu unterbrechen. Alternativ könnten zwei Ionenmessgeräte, die durch ein Ventil getrennt sind, vorgesehen sein, so dass jedes Messgerät verwendet oder geschaltet werden könnte, ohne den Beschichtungsvorgang zu unterbrechen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Kryogenpumpe 32 vorzugsweise vor der Diffusionspumpe 34 gestartet. Dies steht im Gegensatz zur bekannten Praxis, bei der beide Pumpen 32 und 34 üblicherweise zur gleichen Zeit gestartet wurden, um den Aufbau von Eis auf der Kryogenpumpe 32 zu minimieren. Es wurde gefunden, dass das Starten der Kryogenpumpe 32 vor der Diffusionspumpe 34 die erforderliche Zeitdauer signifikant verkürzt, um die Druckwerte der Beschichtungskammer zu erreichen, die für diese Erfindung gewünscht werden. Während das Starten der Kryogenpumpe 32 vor der Diffusionspumpe 34 den Aufbau von Eis auf der Kryogenpumpe 32 fördert, kann dieses Eis am Ende von einem Beschichtungszyklus oder zu jeder anderen geeigneten Zeit entfernt werden.
Während des Beschichtungsvorganges werden die Elektronenstrahlen 28 auf die Barren 26 fokussiert, wodurch die Schmelzbäder aus Keramik gebildet werden und sich Dämpfe auf den Teilen 20 abscheiden. Während verschiedene Beschichtungsmaterialien verwendet werden könnten, ist ein bevorzugtes Keramikmaterial für TBC (und deshalb die Barren 26) Zirkonoxid (ZrO&sub2;), das teilweise oder vollständig durch Yttriumoxid (z. B. 3%-20%, vorzugsweise 4%-8% Y&sub2;O&sub3;) stabilisiert ist, obwohl auch Yttriumoxid, stabilisiert mit Magnesiumoxid, Ceroxid, Kalziumoxid, Skandiumoxid oder andere Oxide, verwendet werden könnten. Der Beschichtungsvorgang wird fortgesetzt, bis die gewünschte Dicke für den Überzug auf den Teilen 20 erhalten ist, wonach die Teile 20 durch die Vorheizkammer 14 hindurch zur Ladekammer 16 übertragen werden, wonach die Ladekammer 16 zur Atmosphäre entlüftet wird. Die Entlüftungen haben vorzugsweise einen Durchmesser von wenigstens 30 mm, um die Entlüftungsgeschwindigkeit zu vergrößern, aber sie sind im allgemeinen kleiner als etwa 60 mm im Durchmesser, um ein Aufwirbeln von Schmutz und anderen möglichen Kontaminationen in den Kammern 12, 14, 16 und 18 zu vermeiden. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, zunächst mit einem einen kleineren Durchmesser aufweisenden Ventil zu entlüften, und danach mit einem Ventil, das einen größeren Durchmesser aufweist.
Die Erfindung wurde zwar anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, es wird aber deutlich, dass andere Formen durch einen Fachmann angepasst werden könnten. Demzufolge soll der Schutzumfang der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche begrenzt sein.

Claims

1. Elektronenstrahl-PVD(physikalische Dampfabscheidung)- Beschichtungseinrichtung (10) enthaltend:

eine Beschichtungskammer (12), die ein Beschichtungsmaterial (26) enthält und die bei einer erhöhten Temperatur und einem subatmosphärischen Druck betreibbar ist,

eine Elektronenstrahlkanone (30), die einen Elektronenstrahl (28) in die Beschichtungskammer (12) und auf das Beschichtungsmaterial (26) projiziert, wobei die Elektronenstrahlkanone (30) betrieben werden kann, um das Beschichtungsmaterial (26) zu schmelzen und das geschmolzene Beschichtungsmaterial (26) zu verdampfen,

eine Vorrichtung (22) zum Haltern eines Gegenstandes (20) in der Beschichtungskammer (12) derart, daß sich Dämpfe auf dem Gegenstand (20) niederschlagen,

einen Kondensatabzug (52), der sich in der Beschichtungskammer (12) befindet und die Halterungsvorrichtung (22) wenigstens teilweise umgibt, wobei der Kondensatabzug (52) ein reflektierendes Teil (72) aufweist, das in der Beschichtungskammer (12) derart angeordnet ist, daß ein Gegenstand (20), der auf der Halterungsvorrichtung (22) gehaltert ist, sich zwischen dem reflektierenden Teil (72) und dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial (26) befindet, wobei das reflektierende Teil (72) zwischen ersten und zweiten Positionen relativ zu dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial (26) bewegbar ist, wobei die erste Position näher an der Halterungsvorrichtung (22) ist als die zweite Position, so daß ein Gegenstand (20), der auf der Halterungsvorrichtung (22) gehaltert ist, mehr reflektierter Wärme von dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial (26) ausgesetzt ist, wenn sich das reflektierende Teil (72) in der ersten Position befindet als wenn es in der zweiten Stellung ist, und

eine Vorrichtung (74) zum Bewegen des reflektierenden Teils (72) relativ zu dem Kondensatabzug (52).

2. Elektronenstrahl-PVD-Beschichtungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, ferner einen Mantel (75) enthaltend, der das erste reflektierende Teil (72) umgibt, wenn es in der zweiten Position ist, wobei der Mantel (75) eine Gasströmung zwischen dem Kondensatabzug (52) und dem ersten reflektierenden Teil (72) hemmt.

3. Elektronenstrahl-PVD-Beschichtungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, ferner eine Vorrichtung (118) enthaltend zum Steuern des ersten reflektierenden Teils (72), wobei die Steuervorrichtung (118) bewirkt, daß sich das erste reflektierende Teil (72) von dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial (26) weg bewegt, wenn die Temperatur innerhalb der Beschichtungskammer (12) ansteigt.

4. Elektronenstrahl-PVD-Beschichtungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, ferner enthaltend ein zweites reflektierendes Teil (80) neben dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial (26) derart, daß ein Gegenstand (20), der von der Halterungsvorrichtung (22) gehaltert ist, der reflektierten Wärme von dem zweiten reflektierenden Teil (80) ausgesetzt ist.

5. Elektronenstrahl-PVD-Beschichtungseinrichtung (10) nach Anspruch 4, ferner enthaltend eine Vorrichtung (77) zum Bewegen des zweiten reflektierenden Teils (80) in Richtung auf und von dem geschmolzenen Material (26) weg, um so die reflektierte Wärme von dem zweiten reflektierenden Teil (80) auf den Gegenstand (20) zu vergrössern bzw. zu verkleinern.

6. Elektronenstrahl-PVD-Beschichtungseinrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei das zweite reflektierende Teil (80) ein keramisches Material ist oder mit einem keramischen Material beschichtet ist.

7. Elektronenstrahl-PVD-Beschichtungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der Kondensatabzug (52) eine Öffnung (62) hat, durch die der Elektronenstrahl (28) hindurchtritt, wobei die Öffnung (62) eine Querschnittsfläche hat, die etwa gleich derjenigen eines Musters ist, das durch den Elektronenstrahl (28) an der Schnittstelle mit dem Kondensatabzug (52) gebildet ist.

8. Elektronenstrahl-PVD-Beschichtungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der Kondensatabzug (52) fluidgekühlt ist.

9. Elektronenstrahl-PVD-Beschichtungseinrichtung (10) nach Anspruch 1, ferner wenigstens einen Schirm (76) enthaltend, der an dem Kondensatabzug (52) lösbar befestigt ist.

10. Verfahren zum Betreiben einer Elektronenstrahl- PVD(physikalische Dampfabscheidung)-Beschichtungseinrichtung (10), wobei das Verfahren die Schritte enthält:

Befestigen eines Gegenstandes (20) neben einer Halterung (22) in einer Ladekammer (16, 18), die sich neben einer Vorheizkammer (14) befindet,

Herstellen eines absoluten Druckes von zwischen 10&supmin;³ mbar und 10&supmin;¹ mbar in der Ladekammer (16, 18) und der Vorheizkammer (14),

Bewegen des Gegenstandes (20) in die Vorheizkammer (14),

Herstellen einer erhöhten Temperatur und eines absoluten Druckes zwischen etwa 10&supmin;³ mbar und 5 · 10&supmin;² mbar in der Beschichtungskammer (12) neben der Vorheizkammer (14),

Betätigen einer Elektronenstrahlkanone (30), um einen Elektronenstrahl (28) in die Beschichtungskammer (12) und auf das keramische Material (26) zu projizieren, wobei der Elektronmenstrahl (28) ein Beschichtungsmaterial (26) in der Beschichtungskammer (12) schmilzt und geschmolzenes Beschichtungsmaterial (26) verdampft,

Bewegen des Gegenstandes (20) in die Beschichtungskammer (12), wobei die Beschichtungskammer (12) einen Kondensatabzug (52) enthält, der den Gegenstand (20) wenigstens teilweise umgibt, und der Kondensatabzug (52) ein reflektierendes Teil (72) aufweist, das in der Beschichtungskammer (12) derart angeordnet ist, daß sich der Gegenstand (20) zwischen dem reflektierenden Teil (72) und dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial (26) befindet, wobei das reflektierende Teil (72) in einer ersten Position relativ zu dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial (26) ist, so daß der Gegenstand (20) der reflektierten Wärme von dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial (26) ausgesetzt wird,

Abscheiden von Dämpfen des Beschichtungsmaterials (26) auf dem Gegenstand (20), und

wenn die Temperatur in der Beschichtungskammer (12) ansteigt, Bewegen des reflektierenden Teils (72) in eine zweite Position weiter entfernt von dem Beschichtungsmaterial (26), so daß der Gegenstand (20) weniger reflektierter Wärme von dem geschmolzenen Beschichtungsmaterial (26) ausgesetzt wird.