Kaltgas-Spritzanlage mit einer Heizgasdüse und Verfahren zum Beschichten eines Substrats

Die Erfindung betrifft eine Kaltgas-Spritzanlage sowie ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit einer Kaltgas- Spritzanlage .

Das beschriebene Verfahren wird auch als Kaltgasspritzen (im Englischen „cold spray") bezeichnet. Die Verwendung dieses Verfahrens bzw. einer derartigen Anlage hat den Vorteil, dass die thermische Belastung der Beschichtungspartikel und des Substrates im Vergleich zu anderen thermischen Spritzverfah ren (im Englischen: „thermal spray"), beispielsweise Plasma spritzen, geringgehalten werden kann, so dass das Gefüge der Beschichtungspartikel wenig oder gar nicht beeinflusst wird. Hierdurch lassen sich Beschichtungspartikel mit besonderen Eigenschaften für die Herstellung von Schichten verwenden, ohne dass die Eigenschaften der Beschichtungspartikel auf grund einer thermischen Belastung derselben beeinträchtigt würde.

Aus EP 1844 181 Bl ist ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstückes bekannt, bei dem Partikel eines Beschichtungs stoffes mittels einer Kaltgas-Spritzdüse zur beschichtenden Oberfläche des Werkstückes hin beschleunigt werden, wobei die Partikel im Kaltgasstrahl mit einer Energiemenge beaufschlagt werden, die zu gering ist, um eine bleibende Haftung der Par tikel auf der Oberfläche hervorzurufen und dass eine bleiben de Haftung der Partikel durch einen lokalen Eintrag von elektromagnetischer Strahlung in die Oberfläche erzeugt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung die Anhaftung von Partikeln an ein zu beschichtendes Substrat zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch eine Kaltgas-Spritzanlage mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Kaltgas- Spritzanlage zum Beschichten eines Substrats weist dazu eine Kaltgas-Düse zum Erzeugen eines Partikelstrahls auf, der auf dem Substrat in einem Strahlbereich auftrifft und dort eine Beschichtung bildet. Ferner weist die Kaltgas-Spritzanlage eine Heizdüse auf, die zum Erzeugen eines Heizgasstrahls zum Temperieren, insbesondere zum Erwärmen, des Substrats im Strahlbereich ausgebildet ist. Die Heizdüse ist dabei so an geordnet und/oder ausgebildet, dass der Heizgasstrahl so auf den Strahlbereich trifft, dass das Substrat im Strahlbereich und ggf. darüber hinaus temperiert wird bevor und/oder wäh rend der Partikelstrahl auftrifft. Der Vorteil liegt darin, dass die nun mögliche und bzgl. des Beschichtungsprozesses sehr zeitnah durchgeführte Vorheizung des Substratmaterials die Haftfestigkeit der Partikel am Substrat erheblich verbes sert. Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass durch ein Temperieren des Substrats die Duktilität des Sub strats optimal einstellbar ist. Die der Erfindung zugrunde liegende Vorrichtung führt also einen vom Partikelstrahl un terschiedlichen Heizgasstrahl bis unmittelbar vor bzw. an die Beschichtungszone. Damit wird das Substrat unmittelbar vor der Beschichtung temperiert, insbesondere erwärmt, und damit eine zeitlich versetzte Entwärmung der Bindungsstelle und de ren Oxidation verhindert.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgas- Spritzanlage eine Gasquelle auf, die zum Bereitstellen eines Gases, insbesondere eines Inertgases, für den Heizgasstrahl ausgebildet ist. Schutzgase und/oder Inertgase sind von Vor teil, da so eine Oxidation des Substrats und/oder der Be schichtung fast vollständig verhindert werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgas- Spritzanlage eine Gasquelle auf, die zum Bereitstellen eines Gases, insbesondere eines Inertgases, für den Heizgasstrahl und den Partikelstrahl ausgebildet ist. Es kann somit durch die nun vorgesehene gemeinsame Gasquelle Gas für beide Düsen bereitgestellt werden. Es ist denkbar, dass eine separate Temperiereinheit zum Erzeugen des Heizgasstrahls vorgesehen wird. Dies hat den Vorteil, dass die Anlage kompakt und wirt schaftlich günstig ausgestaltet werden kann. Die Flexibilität unterschiedliche Temperaturen einstellen zu können bleibt er halten.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Heizdüse so ange ordnet und/oder ausgebildet, dass der Heizgasstrahl den Strahlbereich vor Auftreffen des Partikelstrahls temperiert, d.h. erwärmt. Dies hat den Vorteil, dass das Substrat an der Stelle, an der der Partikelstrahl als nächstes eine Beschich tung aufträgt bereits eine optimale Temperatur und damit Duk tilität aufweist, um eine optimale Beschichtung zu bilden.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Kaltgas-Düse und die Heizdüse in einem gemeinsamen Düsen-Gehäuse angeordnet. Dies kann so realisiert werden, dass die Heizdüse so angeord net ist, dass der Heizgasstrahl dem Partikelstrahl immer um einen gewissen Abstand vorauseilt.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgas- Spritzanlage ein oder mehrere Gas-Heizeinrichtungen auf, die so ausgebildet sind, dass die Temperatur des Heizgasstrahls unabhängig von der Temperatur des Partikelstrahls einstellbar ist. Das Heizgas kann somit eine andere Temperatur aufweisen wie das aus der Spritzdüse austretende Transportgas für den Kaltgasstrahl.

Ferner kann die Kaltgas-Spritzanlage eine Gasquelle aufwei sen, die so ausgebildet ist, dass die Temperatur des Heiz gasstrahls unabhängig, insbesondere verschieden, von der Tem peratur des Partikelstrahls einstellbar ist. Es ist denkbar, dass eine separate Gasquelle für den Partikelstrahl und eine weitere Gasquelle für die Heizdüse vorgesehen ist. Da Inert gase aber ebenso als Treibgas, also zur Beschleunigung des Partikelstrahls geeignet sind, kann auch eine einzige Gas quelle für Partikelstrahl und Heizdüse eingesetzt werden. Es können bedarfsweise zwei Gasheizvorrichtungen zum unabhängi- gen Temperieren des Gases in der Kaltgas-Spritzdüse und der Heizdüse vorgesehen sein.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Heizdüse relativ zur Kaltgas-Spritzdüse beweglich ausgebildet. Dies könnte beispielsweise eine an einem Roboterarm montierte Heizgasdüse sein, die so positioniert werden kann, dass jede der Bewe gungsrichtungen der Kaltgas-Düse mit einer Temperierung des Substrats vereint werden kann. Dabei kann die Heizdüse sowohl vor dem Kaltgasstrahl als auch nach dem Kaltgasstrahl positi oniert werden, um eine Temperierung um den Strahlbereich her um flexibel zu ermöglichen.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Kaltgas- Spritzanlage eine zweite Heizdüse auf, die zum Temperieren von bereits auf dem Substrat abgeschiedenen Partikeln ausge bildet ist. Ein Temperieren, insbesondere ein gesteuertes Ab kühlen, durch die zweite Heizdüse kann sich vorteilhaft auf die Schichtqualität auswirken.

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Beschich ten eines Substrats mit einer Kaltgas-Spritzanlage gelöst.

Die Kaltgas-Spritzanlage weist dazu eine Kaltgas-Düse zum Er zeugen eines Partikelstrahls auf. Der Kaltgasstrahl trifft auf dem Substrat in einem Strahlbereich auf. Das Substrat wird erfindungsgemäß durch einen Heizgasstrahl im Strahlbe reich temperiert. Der Heizgasstrahl kann durch eine Heizgas düse erzeugt werden. Temperieren ist hier so zu verstehen, dass das Substrat z. B. vorgeheizt und damit duktiler wird. Die höhere Duktilität führt zu einer höheren Schichtqualität, da die Partikel sich besser ins Substrat einbetten können. Es kann also eine für die Paarung aus Substrat und Partikel op timale Temperierung eingestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlbereich vor Auftreffen des Partikelstrahls temperiert. Dies stellt si cher, dass der Strahlbereich zum Zeitpunkt des Auftreffens des Partikelstrahls bereits eine optimale Temperatur auf- weist. Es ist ebenso denkbar, dass der Strahlbereich noch während der Partikelstrahl bereits auftrifft weiter tempe riert wird. Dies kann so realisiert werden, dass der Gas strahl breiter aufgefächert ist und eine Zone vor dem Strahl sowie die soeben beschichtete Zone temperiert.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlbereich ab hängig von einer aufzubauenden Schichtdicke temperiert. Je dicker die aufzubauende Schicht, desto wärmer könnte das Sub strat sein, um z.B. eine Grundschicht aufzubauen, in der die Partikel besonders tief, aber nicht vollständig, in das Sub strat eindringen.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlbereich mit einer von der Temperatur des Partikelstrahls verschiedenen Temperatur temperiert. Dies ermöglicht eine besonders genaue Einstellung der Temperatur des Strahlbereichs, wobei die Tem peratur auf das Material des Substrats im Strahlbereich opti miert ist. So kann für verschiedene Materialien der Partikel und des Substrats mit verschiedenen Temperaturen eine optima le Einbettung der Partikel in die Oberfläche des Substrats ermöglicht werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlbereich mit einem Inertgas temperiert. Das Verwenden eines Inertgases, also eines bezüglich des Substratmaterials und/oder des Par tikelmaterials inerten Gases, verbessert die Beschichtungs qualität, indem eine Korrosion des Substrates und/oder der Partikel unterdrückt werden kann. Als Inertgas können techni scher Stickstoff (d. h. der Stickstoff muss nicht hochrein sein, z. B. > 99,8 Vol.%; H20 < 40 ppmv/v und 02 < 100 ppmv/v), Argon oder Wasserdampf (z. B. überhitzter Wasser dampf) zum Einsatz kommen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dar gestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläu tert. Die FIG zeigt eine Ausführungsform einer Kaltgas-Spritzanlage mit einer Heizdüse.

In der FIG ist eine Kaltgas-Spritzanlage 100 zu sehen, die zum Beschichten eines Substrats 50 einen Partikelstrahl 10 erzeugt. Der Partikelstrahl 10 tritt dabei aus einer Kaltgas- Spritzdüse 110 mit Überschallgeschwindigkeit aus. Es hat sich gezeigt, dass die Gastemperatur des Transportgases des Parti kelstrahls 10 bei Austritt aus der Kaltgas-Düse 110 nicht ge eignet ist, das Substrat optimal zu temperieren. Die verwen deten Partikel werden durch Expansion eines Gases, das aus einer Gasquelle 140 stammt in der Kaltgas-Spritzdüse 110 be schleunigt. In dieser Ausführungsform liefert die Gasquelle 140 ebenso das Gas für einen Heizgasstrahl 20, der aus einer Heizdüse 120 austritt. Auf dem Substrat 50 ist ein Strahlbe reich 15 eingezeichnet, in dem der Partikelstrahl 10 auftref fen soll bzw. auftrifft. In anderen Worten wird der Strahlbe reich 15 durch den Partikelstrahl 10 mit Partikeln beschich tet. Um nun den Strahlbereich 15 auf eine ideale Temperatur zu erwärmen, trifft der Heizgasstrahl 20 ebenso auf den Strahlbereich 15. Damit wird die Duktilität des Substrates erhöht und somit die Partikel besser eingebettet. Je nach Ausrichtung der Heizgasdüse 120 kann der Heizgasstrahl 20 bei einer Bewegung der Kaltgas-Düse 110 in Bewegungsrichtung vor dem Partikelstrahl 10 angeordnet sein, um den zu beschichten den Strahlbereich 15 bereits zu temperieren bevor der Parti kelstrahl 10 auftrifft. In der Gasquelle kann auch eine oder jeweils eine Heizeinrichtung zum Heizen der Gase vorgesehen sein.

Weiterhin ist es möglich den Heizgas-Strahl 20 so aufzufä chern, dass das Substrat 50 großflächig und über den Strahl bereich 15 hinaus temperiert wird. Dies hat ein flächiges und gleichmäßiges Temperieren des Substrats 50 zur Folge, was Spannungen im Substrat 50 und damit auch Spannungen in der Beschichtung verringern kann. Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Kaltgas- Spritzanlage 100 zum Beschichten eines Substrats 50 aufwei send eine Kaltgas-Düse 110 zum Erzeugen eines Partikelstrahls 10, der auf dem Substrat 50 in einem Strahlbereich 15 auf- trifft. Um die Anhaftung von Partikeln an das zu beschichten de Substrat 50 und folglich die Schichtqualität zu verbessern wird vorgeschlagen, dass die Kaltgas-Spritzanlage 100 eine Heizdüse 120 aufweist, die zum Erzeugen eines Heizgasstrahls 20 zum Temperieren des Substrats 50 im Strahlbereich 15 aus- gebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats 50 mit einer Kaltgas- Spritzanlage 100.