Beschreibung

Verfahren zum Herstellen einer Schicht auf einem Träger

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch ein Hinzufügen von Partikeln zu einem Schichtmaterial einer Schicht lassen sich die Schichteigenschaften deutlich modifizieren. Beispielsweise ist aus der europäischen Offen- legungsschrift EP 0 748 883 ein gattungsgemäßes Verfahren be ^¬ kannt, bei dem ein elektrisch leitfähiges Schichtmaterial ge ^¬ meinsam mit elektrisch nichtleitenden Partikeln auf einem Träger abgeschieden wird, um Abriebseigenschaften der Schicht zu verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass der Einbau von Partikeln in der Schicht in einer besonders hohen Kon- zentration möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausge ^¬ staltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteran- Sprüchen angegeben.

Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Partikel zu ^¬ nächst mit einer Mantelschicht, die elektrisch leitfähiger als die Partikel ist, unter Bildung einer Kern- Mantelstruktur versehen werden und die derart beschichteten Partikel zusammen mit dem leitenden Schichtmaterial auf dem Träger abgeschieden werden.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass sich bei diesem - im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren - relativ große Partikelkonzentrationen in der Schicht erreichen lassen. Im Unterschied zu dem ein- gangs erwähnten vorbekannten Verfahren, bei dem die Partikel ohne eine besser leitende Mantelschicht in das Schichtmateri ^¬ al eingebaut werden, erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nämlich zunächst eine Beschichtung der Partikel mit einem leitfähigeren Mantelmaterial, so dass die Partikel beim Abscheiden des leitfähigen Schichtmaterials von diesem deutlich schneller umwachsen und in das Schichtmaterial integ ^¬ riert werden, als dies bei Partikeln ohne vorherige leitfähi ^¬ gere Beschichtung möglich ist. Dies soll nachfolgend kurz verdeutlicht werden:

Während des Abscheidens bleiben Partikel aufgrund elektrosta ^¬ tischer Wechselwirkung auf einem leitenden Schichtmaterial zunächst nur haften, so dass sie sich von diesem wieder lösen können, sofern sie nicht von dem nachwachsenden leitenden Schichtmaterial rasch genug „umwachsen" und darin fest integ ^¬ riert werden. Ein solches Lösen und Wegbewegen von Partikeln stellt insbesondere dann ein großes Problem dar, wenn die Ab ^¬ scheidung des leitenden Schichtmaterials langsam erfolgt und die Partikel genügend Zeit zu einem Ablösen haben. Beispiels- weise ist im Rahmen eines ECD (electrochemical deposition)- Verfahrens bzw. eines elektrochemischen Abscheidungsverfah- rens der Einbau schlechtleitender Wolframcarbid-Partikel in eine abzuscheidende Nickelkobalt-Schicht - wie erfinderseitig erkannt wurde - nur bis zu einem Anteil von bis ca. 10% (ge- wichtsbezogen) möglich.

An dieser Stelle setzt die Erfindung an, indem die Ablösewahrscheinlichkeit der Partikel reduziert wird; konkret wird durch ein vorheriges Beschichten, insbesondere Metallisieren,

der Partikel das spätere Umwachsen mit dem Schichtmaterial gefördert und so der Einbau der Partikel in das Schichtmate ^¬ rial beschleunigt. Der erfinderische Gedanke besteht also darin, dass durch eine leitfähigere Schicht um die nicht- oder schlechtleitfähigen Partikel herum die Einbaugeschwindigkeit der Partikel in der leitenden Schicht vergrößert wird, so dass die Chance der Partikel, sich von der abschei ^¬ denden Schicht wieder lösen können, reduziert wird.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass sich auch die Schichtqualität der mit den Partikeln versetzten Schicht aufgrund der vorherigen Partikelbeschichtung, insbesondere -metallisierung, deutlich verbessern lässt. Durch das Beschichten, insbesondere Metal- lisieren, der Partikel und den damit einhergehenden schnelleren Einbau der Partikel in die Schicht wird die Beweglichkeit der Partikel auf dem Träger insgesamt reduziert, so dass die Bildung von Fehlstellen innerhalb der Schicht in Form von leeren oder mit Partikeln nur teilweise gefüllten Poren ver- hindert wird. Teilweise gefüllte Poren können sich beispiels ^¬ weise bilden, wenn die Partikel zwar in das Schichtmaterial eingebaut werden, weil sie noch rechtzeitig von der aufwach ^¬ senden Schicht eingefangen werden, jedoch aufgrund ihrer Bewegung vom Träger weg bereits einen Leerraum im Schichtmate- rial gebildet haben; leere Poren bilden sich, wenn sich ein

Partikel während des Einbaus noch löst und dadurch eine mate ^¬ rialfreie Leerstelle zurücklässt. Durch das vorherige Be ^¬ schichten, insbesondere Metallisieren, lässt sich somit nicht nur die Partikelkonzentration erhöhen, sondern auch die Kon- zentration der Fehlstellen in der Schicht reduzieren und eine sehr kompakte Schicht mit einer homogenen Partikelverteilung herstellen .

Bevorzugt wird das Verfahren bei nichtleitenden oder schlechtleitenden Partikeln eingesetzt, um deren Einbau in einem leitfähigen Schichtmaterial zu verbessern. Unter schlechtleitenden Partikeln werden in diesem Zusammenhang Partikel verstanden, deren spezifischer elektrischer Widerstand größer als 15*1CT ⁶ ωcm bzw. 15 μωcm ist.

Vorzugsweise wird das beschriebene Verfahren eingesetzt, wenn auf elektrochemischem Wege, beispielsweise in einem galvani- sehen Bad, auf einem Träger eine Dispersionsschicht bestehend aus einem Metallmatrix-Schichtmaterial mit darin enthaltenen nicht- oder schlechtleitenden Partikeln abgeschieden werden soll.

Bevorzugt werden mit dem Verfahren nicht- oder schlechtlei ^¬ tende Partikel aus einem Oxid, einem Nitrit, einem Karbid, einem Silizid oder einem Kunststoff hergestellt.

Besonders bevorzugt werden als nicht- oder schlechtleitende Partikel Nanopartikel in das Schichtmaterial eingebracht. Un ^¬ ter Nanopartikeln sind dabei Partikel mit einer Partikelgröße unter einem Mikrometer zu verstehen. Nanopartikel weisen - im Unterschied zu jeweils demselben Material ohne Nanoparti- kelstruktur - zum Teil sehr außergewöhnliche Eigenschaften auf; dies ist darauf zurückzuführen, dass das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bei Nanopartikeln besonders groß ist: So sind beispielsweise selbst bei kugeligen Nanopartikeln be ^¬ stehend aus hundert Atomen über fünfzig Atome Oberflächenato ^¬ me .

Werden nicht- oder schlechtleitende Nanopartikel in das Schichtmaterial eingebaut, so werden die Nanopartikel mit der leitfähigeren Mantelschicht vorzugsweise derart dünn be-

schichtet, dass auch die beschichteten Partikel noch nanoska- lig, also kleiner als 1 μm, sind.

Als Träger kann beispielsweise ein Metallträger beschichtet werden. Als Metallträger kommen beispielsweise Schneidwerkzeuge oder andere Komponenten in Betracht, die hohen mechanischen oder thermischen Belastungen ausgesetzt sind. Hierzu gehören beispielsweise auch Turbinenkomponenten wie zum Beispiel Turbinenschaufeln oder dergleichen.

Vorzugsweise handelt es sich bei der auf dem Träger aufzu ^¬ bringenden Schicht um eine Metallschicht; in diesem Fall wer ^¬ den die nicht- oder schlechtleitenden Partikel bevorzugt ebenfalls mit einer Mantelschicht aus Metall versehen, um ei- nen möglichst schnellen Einbau der Partikel in das Schichtma ^¬ terial zu ermöglichen.

Besonders schnell und damit vorteilhaft erfolgt der Einbau der Partikel innerhalb des Schichtmaterials, wenn die nicht- oder schlechtleitenden Partikel mit einem Material beschichtet werden, das mit dem Schichtmaterial vollständig identisch ist oder hinsichtlich zumindest eines chemischen Bestandtei ^¬ les übereinstimmt.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die nicht- oder schlechtleitenden Partikel mit einem Metall beschichtet werden, das gegenüber dem Metallmaterial der Schicht unedler ist; in diesem Fall wird nämlich die unedlere Mantelschicht der Partikel etwaig in die Schicht eindiffundierenden Sauerstoff binden und sich selbst opfern, so dass das übrige Schichtmaterial länger unkorro- diert bleibt.

Besonders bevorzugt werden Partikel, die aus Wolframkarbid bestehen oder dieses enthalten, mit einer Mantelschicht, die aus Kobalt besteht oder dieses enthält, unter Bildung einer Kern-/Mantelstruktur aus bzw. mit „Wolframkarbid/Kobalt" be- schichtet. Wolframkarbid ist ein hartes, sprödes Keramikmate ^¬ rial, dessen Verbindung mit 6 bis 10 % Kobalt ein hartes Ke ^¬ ramik-Metall bildet. Ein solches Material lässt sich bei ^¬ spielsweise für Schneidwerkzeuge einsetzen, da es innerhalb eines formbaren Metalllegierungsbestandteils wie beispiels- weise einer Nickelkobaltlegierung harte keramische Kristalle mit einer Größe von wenigen Mikrometern bildet . Das daraus resultierende Material kann auch sehr hohen Druckbelastungen während eines Schneidprozesses widerstehen und verfügt dar ^¬ über hinaus auch bei sehr hohen Temperaturen über gute Ver- schleiß- und Oxidationsbeständigkeit . Wolframkarbid/Kobalt ist außerdem sehr wärmeschockbeständig und kann auch raschen Temperaturschwankungen widerstehen .

Im Hinblick auf das bereits erwähnte gute Zusammenwirken von Wolframkarbid/Kobalt in Nickelkobaltlegierungen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn Wolframkarbid/Kobalt-Partikel zu ^¬ sammen mit Schichtmaterial, das aus einer Nickelkobaltlegie ^¬ rung besteht oder diese enthält, auf dem Träger abgeschieden werden .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei ^¬ spiels näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft

Figuren 1 bis 4 beispielhaft zum besseren Verständnis des technischen Hintergrundes ein Verfahren, bei dem von dem erfinderischen Gedanken kein Gebrauch gemacht wird, und

Figuren 5 bis 7 beispielhaft ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In den Figuren 1 und 7 werden der übersichtlichkeit halber für vergleichbare oder identische Komponenten dieselben Be ^¬ zugszeichen verwendet.

In der Figur 1 erkennt man einen Träger 10, der beispielsweise aus Metall besteht und mit einer Schicht 20 beschichtet wird. Man erkennt, dass die Schicht 20 ein Schichtmaterial 30 aufweist, in das während des Abscheidungsvorganges Partikel 40, 50, 60 und 70 eingebaut werden sollen. Nachfolgend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass es sich bei dem Schicht ^¬ material 30 um ein leitfähiges Material aus einer Nickelko- baltlegierung handelt. Bei den Partikeln 40 bis 70 handelt es sich beispielsweise um elektrisch nicht- oder schlechtleitende Partikel aus Wolframkarbidmaterial .

Man sieht in der Figur 1, dass die auf das Schichtmaterial 30 auftreffenden Partikel 40, 60 und 70 zunächst auf dem

Schichtmaterial 30, beispielsweise durch elektrostatische Wechselwirkung, haften bleiben. Durch Pfeile 80 ist in der Figur 1 angedeutet, dass die Partikel 40 und 60 dennoch die Tendenz aufweisen, sich von dem Schichtmaterial 30 wieder zu lösen.

In der Figur 2 ist der weitere Verlauf des Abscheidungsvorganges gezeigt. Man erkennt, dass die Dicke des Schichtmate ^¬ rials 30 angewachsen ist und dass das in der Figur 2 rechte Partikel 70 fest in das Schichtmaterial 30 eingebaut worden ist. Die beiden Partikel 40 und 60 haben sich während des Wachstums des Schichtmaterials 30 wieder von dem Träger 10 wegbewegt und liegen oberflächenseitig noch frei; sie weisen beide weiterhin noch die Tendenz auf, sich von dem Träger 10

zu lösen; dies ist in der Figur 2 wiederum durch Pfeile 80 angedeutet .

In der Figur 3 erkennt man, dass bei dem weiteren Aufwachsen des Schichtenmaterials 30 das Partikel 50 in das Schichtmate ^¬ rial 30 eingebaut wird, und zwar trotz seines Bewegungsdrangs nach oben (vgl. Pfeil 80) . Die beiden Partikel 40 und 60 ha ^¬ ben den Träger 10 und das Schichtmaterial 30 wieder verlas ^¬ sen .

Darüber hinaus erkennt man in der Figur 3, dass das Partikel 40 das Schichtmaterial 30 erst relativ spät hat verlassen können, so dass eine Fehlstelle 90 in der Oberfläche des Schichtmaterials 30 entstanden ist. Das Partikel 60 hingegen war schneller, so dass sich keine Fehlstelle gebildet hat.

In der Figur 4 erkennt man die weitere Entwicklung des Schichtwachstums. Man sieht, dass das Partikel 50 von dem nachwachsenden Schichtmaterial 30 rechtzeitig eingefangen und noch in das Schichtmaterial 30 eingebaut wurde. Aufgrund der Bewegungsrichtung des Partikels 50 senkrecht nach oben - also von dem Träger 10 weg - ist jedoch eine Pore 100 entstanden, in der das Partikel 50 enthalten ist. Die Pore 100 bildet so ^¬ mit eine Fehlstelle innerhalb des Schichtmaterials 30 bzw. innerhalb der Schicht 20.

Darüber hinaus erkennt man, dass die Fehlstelle 90 gemäß Fi ^¬ gur 3 durch das weitere Schichtwachstum nicht mehr ausgefüllt werden konnte und dass dadurch eine weitere Pore 110 entstan- den ist, in der kein Schichtmaterial 30 vorhanden ist.

Im Ergebnis ist somit festzustellen, dass aufgrund der Parti ^¬ kelbewegung entlang der Pfeilrichtung 80 nur eines der Partikel, nämlich das Partikel 70, richtig in das Schichtmaterial

30 eingebaut worden ist . Das Partikel 60 hat das Schichtmate ^¬ rial so rechtzeitig wieder verlassen, das keine Leerstelle zurückgeblieben ist. Das Partikel 40 war beim Verlassen des Schichtmaterials 30 langsamer, so dass es eine Leerstelle 110 in der Schicht 20 zurückgelassen hat. Das Partikel 50 wurde zwar noch durch das nachwachsende Schichtmaterial 30 einge ^¬ fangen und in der Schicht 20 eingebaut, jedoch wurde aufgrund seiner Bewegungsrichtung - in Pfeilrichtung 80 nach oben - eine Pore bzw. Leerstelle 100 und somit eine Fehlstelle in- nerhalb des Schichtmaterials 30 erzeugt.

Im Zusammenhang mit den Figuren 5 bis 7 wird nun ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren erläutert.

In der Figur 5 erkennt man einen Träger 10, auf dem eine

Schicht 20 bestehend aus Nickelkobalt-Schichtmaterial 30 und beschichteten Partikeln 200 abgeschieden wird. Im Unterschied zu dem Verfahren gemäß den Figuren 1 bis 4 weisen die Partikel 200 eine Kern-Mantelstruktur auf, und zwar bereits vor dem Abscheiden auf dem Träger. Demgemäß besteht jedes Parti ^¬ kel 200 jeweils aus einem inneren Partikel bzw. Partikelkern 210 sowie einem Partikelmantel 220.

Die beschichteten Partikel 200 werden in einem vorgeordneten Verfahrensschritt hergestellt, indem nicht- oder schlechtlei ^¬ tende Ausgangspartikel 210 - im Folgenden Partikelkerne ge ^¬ nannt - aus einem Oxid, einem Nitrit, einem Karbid, einem Si- lizid oder aus einem Kunststoff hergestellt werden. Nachfol ^¬ gend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die Partikel- kerne 210 aus einem Wolframkarbidmaterial hergestellt und an ^¬ schließend mit einem Mantelmaterial 220 aus einem leitfähigen Kobaltmaterial beschichtet worden sind.

Die resultierenden Partikel 200 (mit ihrer Kern-Mantelstruktur) werden danach - analog zu den Ausführungen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4 - zusammen mit dem Schichtmaterial 30 auf dem Träger 10 abgeschieden, vorzugsweise in einem galvanischen Bad im Rahmen eines elektrochemischen Abschei- dungsvorgangs (ECD-Verfahren) .

Wie sich in der Figur 6 erkennen lässt, werden die Partikel 200, sobald sie auf das Nickelkobalt-Schichtmaterial 30 auf- treffen, relativ schnell mit dem sich weiter abscheidenden Schichtmaterial 30 umwachsen, weil sie außen leitfähig sind und weil darüber hinaus das Hüllenmaterial 220 der Partikel 200 mit dem Schichtmaterial 30 aufgrund des übereinstimmenden Kobaltanteils zumindest teilweise identisch ist. Aufgrund des schnellen Umwachsens werden die Partikel 200 relativ zügig in das Schichtmaterial 30 bzw. in die Schicht 20 eingebaut; dies hat zur Folge, dass keines der in den Figuren 5 und 6 darge ^¬ stellten Partikel 200 das Schichtmaterial 30 schnell genug verlassen kann, um sich von dem Träger 10 endgültig zu tren- nen. Im Ergebnis werden also alle in den Figuren 5 und 6 dargestellten Partikel 200 in der Schicht 20 eingebaut. Den Trä ^¬ ger mit der resultierenden Dispersionsschicht 20 zeigt die Figur 7.

Bei dem Verfahren gemäß den Figuren 5 bis 7 wird der Einbau der Partikel 200 in das Schichtmaterial 30 also dadurch be ^¬ schleunigt, dass diese zuvor mit dem leitfähigen Partikelmantel 220 beschichtet worden sind. Aufgrund des leitfähigen Partikelmantels 220 lagert sich nämlich das auf dem Träger 10 abscheidende Schichtmaterial 30 schneller an den Partikeln

200 an und umschließt diese zügiger, so dass die Partikel 200 nicht ausreichend Zeit haben, sich wieder von dem Schichtma ^¬ terial 30 zu lösen. Dies führt sowohl zu einer höheren Kon-

zentration an Partikeln 200 als auch zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Partikel innerhalb der Schicht 20.