用於在部件、帶狀材料或工具的表面上形成塗層的裝置的製作方法

2023-09-17 20:04:50 1

本發明涉及一種用於在部件、帶狀材料或工具的表面上形成塗層的裝置。可以形成不同塗層，所述不同塗層特別形成耐高溫、耐磨損或耐腐蝕的層。

背景技術：

到目前為止，還沒有任何以連續材料進料(例如，快速運行的鋼帶狀材料)對大表面連續塗覆的良好可控的塗覆方法，其中，通過氣相沉積進行塗覆，該方法比常規的塗覆方法具有經濟競爭力，並且通過該方法，還可以由高熔點材料形成塗層。

因此，幾十年來，在用於精加工部件的批處理過程中，使用在負壓下工作的氣相沉積方法和具有高功能(耐磨損、光學和磁性應用、微電子學)層的工具進行塗覆，例如，已知的化學氣相沉積(chemicalvapordeposition，cvd)和物理氣相沉積(physicalvapordeposition，pvd)方法。雖然cvd方法由於與處理前體和處理廢氣相關的困難而沒有廣泛用於連續過程，但是現在，在許多領域中，pvd方法對於精加工平板產品(鏡子、建築玻璃)、片材和卷材(包裝膜、銅板和鋁板)是絕對必要的。

pvd方法的關鍵優點在於，其中，塗層材料使用物理方法轉移到氣相，它們由於層組成和結構而具有非常高的柔性，這允許例如目標層設計。因此，自從20世紀80年代以來，一直在致力於在連續工藝中用氮化鈦塗覆電帶以減少磁滯損耗，並且還有相應的專利。

典型地，用固體或液體金屬填充並且用電子束槍蒸發的坩堝在較高熔點金屬(例如鈦)的氣相沉積期間使用。在這些情況下，連續提供到坩堝中的材料是有問題的。由於電子束的可接近性問題，在坩堝上方，材料可能不能以低損耗被傳導通過待塗覆的相應部件或工具的表面的熱通道。因此，散射塗層保留，在短暫的時間之後必須清潔並供給到再循環過程，這涉及非常複雜並且導致不能有效使用的時間損失。

在通過pvd工藝生產由鋅-鎂合金製成的防腐蝕層的領域中，也已經存在許多公認的技術解決方案。例如，使用zn和mg的共蒸汽沉積或包括zn和mg的多個交替連續層的層系統的氣相沉積。還建議使用另外的熱後續處理。

還已知使用具有鋅塗層和鋅合金塗層的pvd塗覆方法。可以使用包括兩個噴射蒸發器和一個混合腔室的系統。蒸發器中的金屬被感應加熱，形成的金屬蒸汽被引導到混合腔室中並且從那裡被引導到運行的帶狀部件的表面上。儘管該方法允許高速率，但由於大量熔化材料，其極度熱阻滯，這使得工業過程的調節更加困難。此外，所有的蒸汽接觸表面必須保持高於所使用的金屬的冷凝溫度，這幾乎不能處理，特別是對於更高熔點的金屬。此外，由於技術工藝原因，具有確定組成的金屬合金層的生產是困難的。還存在將材料連續進料到蒸發器中的問題。因此，沒有長時間耐受液態鎂的材料。

另一種方法是基於電磁懸浮。在該方法中，將線狀材料側向進料到石英管中，並且在保持懸掛的同時，通過包圍石英管的線圈熔化和蒸發。該方法在低熔點金屬上成功測試，但是在較高溫度下熔化的金屬不可能將該層均勻地沉積在表面上。另外，在形成於各個表面上的層中引入液滴(較大的顆粒)，這對於耐腐蝕層，耐磨層和經受滑動磨損的層是不可接受的。

將切斷的金屬線片應用於過熱板並立即在那裡蒸發的方法，所謂的快速蒸汽沉積，解決了材料進料問題。然而，由於在固相中進料的材料和需要顯著高於每根線材上的蒸發溫度的溫度，不可能獲得足夠的蒸發速率。

同樣完善的熱噴塗方法，特別是線電弧噴塗方法的方法變型，是用於部件的批量電鍍的成本效益好的且靈活的方法。在該方法中，在陽極和陰極切換線或這樣的電極之間保持電弧，並且在線的端部蒸發一小部分材料並且液化更大的部分。氣體噴流從導線端部撕裂液體材料並將其加速到待塗覆的表面上。由於熔滴非常小，當它們撞擊在冷的基底表面上時它們非常快速地硬化，並形成與前述方法相比非常多孔的層狀結構。因此，為了獲得足夠的耐腐蝕效果，必須沉積厚度在70μm和150μm之間的層。因此，所需的層厚度比帶狀方法中通常使用的方法大10至20倍，使得熱噴塗不適合用於帶塗覆或僅僅出於資源效率的原因的大表面。此外，通過熱噴塗產生的表面通常對於汽車應用來說太粗糙，因此需要後處理。此外，與許多材料結合的不足的粘附力是一個問題。

技術實現要素：

本發明的基本目的是，在使用易於控制和/或調節的氣相沉積的塗覆表面的塗覆方法中，提供具有高塗覆速率的選擇、具有連續的材料供給，特別是對於高熔點材料或合金系統(例如鐵-鎂-鋅)。

根據本發明，該目的通過具有權利要求1的特徵的裝置來實現。本發明的有利實施方式和改進可以通過從屬權利要求中描述的特徵來實現。

在本發明的裝置中，用於形成相應塗層的至少一種線狀或帶狀材料可以被供給到電弧的影響區域，該電弧在兩個線狀或帶狀元件之間形成，或者在連接到直流電流源的陰極和陽極之間。電弧可以在由用於形成塗層的一種或多種材料形成的線形或帶狀元件之間形成。

因此，該單元可以呈現為噴頭。藉助於來自電弧流的能量熔化和/或蒸發的材料且藉助於氣體或氣體混合物的氣體噴流通過入口流入腔室的內部，該腔室可以被加熱到至少等於用於塗層的至少一種材料或具有相應最高蒸發溫度的材料的蒸發溫度。因此，一種或多種材料在腔室中完全蒸發並且通過腔室中存在的開口離開。因此，蒸發的一種或多種材料撞擊到部件的待塗覆的表面，帶狀材料或用於形成相應塗層的工具的表面上。

由於部件、帶狀材料或工具的表面上的溫度低得多，因此衝擊材料轉變為固體聚集狀態。如果使用這樣的多種材料，則可以產生原位合金結構，特別有利地，這對於不可能形成合金或者僅可以通過其它方法困難地形成合金的金屬是可行的。

如果不需要含有氧化物的塗層，則腔室內的氣氛應當是無氧的。為了確保沒有氧氣並且降低所供給的材料的蒸發溫度，與環境壓力相比，腔室內的壓力應該被降低，優選地，降低到最小對應於水蒸發所在的壓力的壓力。這樣，可以使用對灰塵不敏感的便宜的水環泵。

該材料可以有利地經由可控制的驅動輥被供給有待塗覆的一種或多種材料的一個或多個線材或帶。材料可以在周圍條件下儲存，然後優選地，可以按照連續氣鎖技術供給至在真空條件下或在無氧氣氛中發生的電弧熔化或氣相沉積過程。

這裡，可以使用具有不同厚度和組成的線狀或帶狀材料，包括藥芯焊絲(flux-coredwire)。這樣，可以在部件、帶狀材料或工具的表面上形成具有幾乎任何期望的材料組成的均質合金層系統。所使用的合金的數量和數目可以根據需要而使用多個電弧通過氣體噴射供給和供給添加到腔室中的線狀或帶狀材料而實際上擴展。通過在大氣條件下將線形或帶狀材料焊接在一起以產生準連續線，可以確保不間斷的操作(甚至幾周)。

用於形成塗層的線狀或帶狀材料可以使用在線狀材料或帶狀材料與水冷陰極或陽極之間形成的電弧而熔化或部分蒸發。有利地，一種或多種線狀材料應當有利地相對於彼此或相對於陽極或陰極、類似於電弧焊絲噴頭而以平角(銳角)供給。該角度應該優選地在30°的範圍內。然而，用於熔化和/或蒸發線狀或帶狀材料的電弧也可以在至少兩種線狀或帶狀材料之間形成。然後，線狀或帶狀材料形成連接到直流電流源的陰極和陽極。

然而，也可以在連接到直流電源的電極的線形或帶狀材料與陰極或陽極之間形成電弧，其材料不被電弧熔化或甚至蒸發。連接到直流電流源的電極的線狀或帶狀材料因此形成陽極或陰極以及互補電極，即陰極或陽極由非熔化材料形成。

同時，優選地無氧氣體噴流(優選地氮氣或氬氣)可以在布置在電弧的影響區域中的一種或多種線形或帶狀材料的端部處沿縱向方向通過。氣體噴流將材料的端面端部撕裂成微小的熔滴(moltendroplet)，並將它們和所得到的材料蒸汽驅使出而通過噴嘴狀開口並通過入口進入腔室的內部。

待蒸發的線狀或帶狀材料或待蒸發的多種材料(例如fe、zn、al、mg或以上幾者的合金)可以以具有在幾毫米的範圍內的直徑的線的形狀或在幾毫米的範圍內的帶的寬度存在。一種線狀或帶狀材料可以連接到陽極，另一個連接到直流電流源的陰極，所述直流電流源能夠供給在10v和80v之間的電壓下在20a和200a之間的電流。所選擇的電壓和電流取決於待蒸發的材料。對於fe，可以使用u＝30v和i＝80a。接觸有利地由具有通孔的杆形式的導電材料(銅)構成，使得線狀材料(wire-shaped)可以被引導通過孔。這允許線狀材料的良好電接觸和對線狀材料的引導，使得其端部相接。對於帶狀材料，可以使用狹縫來代替孔。

如果施加電壓，則如果線狀或帶狀材料的端部連接到直流電流源的陽極和陰極，則電弧在線狀或帶狀材料的端部之間打火。因此，線狀或帶狀材料至少部分地熔化並且可以部分地蒸發。因此，為了保持光弧，必須繼續供給線形或帶狀材料，這可以通過送料裝置來實現。線狀或帶狀材料和將其封閉的電接觸可以有利地保持在由耐熱和電隔熱陶瓷製成的塊中。為了使部分熔化的、部分蒸發的材料完全蒸發，後者通過待蒸發的材料不與其反應的氣體流(例如，氬氣)被朝向腔室向前撕裂，並在加熱裝置中或通過加熱裝置輸送。陶瓷塊有利地通過管連接到加熱裝置，以便將氣體、熔化材料和蒸發的材料無損耗地輸送到加熱裝置中。

加熱裝置可以有利地包括耐高溫的導電材料，並且可以特別有利地包括石墨，並且可以具有圓柱形狀(坩堝/腔室)。連接到陶瓷塊的連接管應該被附接，使得材料可以切向供給，從而在被供給到坩堝中之後，材料以圓形流的形狀循環。尚未蒸發的熔化材料顆粒具有比氣態蒸發材料更高的密度。材料顆粒可以被圓形流朝向內部坩堝壁向外推動，沿著內部坩堝壁，它們循環並且因此吸收來自坩堝的熱量的、用於完全蒸發所需的能量。在坩堝上可以有蓋，在蓋的中心添加了圓形管，圓形管軸向地浸入坩堝內部(浸入管)並且在兩端開口。已經處於氣態形式的材料部分可以在向上的方向離開坩堝。

有利地，在管的上開口上方布置待塗覆的表面；這可以是例如為在開口上方連續移動的帶狀材料。為了增加蒸汽的範圍並防止材料的再冷凝，所述裝置可有利地在其中存在負壓的腔室中操作。

原則上，坩堝可以以各種不同的方式加熱。感應加熱是有利的。為此，坩堝可以由具有適合的阻抗的感應器包圍，並且可以有利地在數千赫茲的範圍內操作。感應器有利地完全由確保感應器的隔熱和絕緣的材料包圍。這可以例如為混凝土。為了防止熱輻射導致的熱損失，坩堝應該由絕熱材料包圍。必須選擇坩堝溫度，使得超過待蒸發的材料的沸點。這例如對於zn為1200℃，或者待蒸發的材料在主要負壓下(例如，對於fe為2600℃)已經具有顯著蒸汽壓力。

為了增加蒸發速率和/或用於蒸發不同的材料，坩堝可有利地配備有多個上述用於供給被熔化和蒸發的材料的裝置。

已知用於電弧的電弧噴塗(spraying)的具有高熔化能力的電流源可被用於形成電弧。根據所使用的一種或多種材料，可以使用不同類型的電弧。與常規噴塗工藝相反，目標應是待蒸發的材料的最高可能的蒸發速率。這也應該通過在氣體噴流(gasjet)的供給期間所選擇的體積流最小化來支持。形成氣體噴流的氣體或氣體混合物應該有利地在腔室內預熱而供給，以使氣體量和在隨後的蒸發過程中所需的能量最小化。這可能例如利用在感應器的加熱區域中的螺旋而發生。因此，氣體噴流可以流過感應器的影響區域並且由此被加熱。

將氣體噴流、蒸發材料和極細熔滴的混合物添加到加熱腔室中。腔室內的溫度必須至少等於具有分別用於形成塗層的最高蒸發溫度的蒸發材料的蒸發溫度，使得材料的剩餘的小熔滴可以在腔室內完全蒸發。通過使用負壓，可以顯著降低蒸發溫度和因此所需的腔室溫度。這對於幾種高熔點材料是必要和有利的，因為否則沒有可用於腔室壁的合適材料。最小對應於使水蒸發的壓力的負壓對於仍然能夠使用耐灰塵以產生真空的成本效益好的水環泵是有利的。

至少一個噴頭可以存在於腔室上，或者至少一個噴頭也可以連接到腔室。因此，噴頭應當具有形成電弧和氣體噴流所需的元件。用於供給線狀或帶狀材料的元件也可以是噴頭的部件。

噴頭可以被布置成使得噴頭的噴嘴設置在腔室中，或者噴射管可以布置在噴頭和腔室壁之間。自然地，多個噴頭也可以布置在腔室上。

通過噴頭的噴嘴流出的氣體-蒸汽液滴流由此防止蒸發的材料滲透到噴頭中。為了防止在噴嘴上的累積，噴頭的噴嘴的溫度應該至少等於所供給的高熔點材料的熔點。這裡也要達到蒸發溫度。因此，噴嘴和噴頭以及可能的噴射器管應當優選地由耐高溫的隔熱陶瓷材料製成或由石墨組分和隔熱陶瓷材料的混合物製成。氮化硼優選地用於陶瓷材料。水冷式接觸元件(優選由銅製成)應該集成到噴頭中以用於電接觸帶狀或線狀材料。機械能或幾何形式的流出的氣體-蒸汽液滴流可以呈現為錐形減小或擴大的噴嘴的形狀的開口影響。

由於其良好的耐溫性、導熱性和導電性，石墨應優選地用作腔室壁的材料。根據待蒸發的一種或多種材料，為了形成塗層，可以將抗熔化的耐高溫的陶瓷材料(例如氮化硼)與鐵和鋁組合，優選地以部分或完全襯裡的形式。

優選地，可以使用感應加熱將腔室加熱至蒸發溫度或大於蒸發溫度。對於溫度>2000℃時的隔熱性，此處優選的是石墨棉和氧化鋁襯裡、水冷式銅感應器的組合。然而，也可以使用腔室內或腔室外的cfc電阻加熱元件進行加熱。

為了使所需的腔室溫度最小化並同時防止熔滴離開腔室內部並且確保熔滴保持或沿著腔室的加熱的外壁流動儘可能長，腔室的壁可以形成通道，熔化和/或蒸發的材料經由長路徑而流過該通道並且流動持續延長的時間段。腔室壁可以有利地呈現為旋風分離器的形式。待塗覆的材料應該在腔室內滑動，如在氣墊上、在氣體流和/或蒸汽流上，並且在腔室內形成的蒸汽應當被引導成使得其全部可以沉積在待塗覆的表面上。這可以使用合適的開口或噴嘴形狀來有利地影響和調節，蒸發的材料被引導出通過該開口或噴嘴形狀。在任何情況下，應當防止腔室壁和待塗覆的材料之間的直流接觸，這因為這可能導致對待形成的塗層和/或對腔室壁的塗層的損壞。

如果蒸汽流作為塗層完全沉積在部件、帶狀材料或工具的表面上不可能在蒸汽的直流衝擊區域中，則用於塗覆的材料可以在腔室的開口上方被引導在熱的通道。

可以根據需要並且快速地使用不同的前進速度來控制或調節在腔室的開口上方氣相沉積的塗層的合金組成，利用該前進速度將線狀或帶狀材料供給到電弧中，結合合適的電弧參數並通過打開和關閉。

這樣，用於形成塗層的一種或多種蒸發材料的量可以適應於待塗覆的表面沿其移動的前進速度。

如果待塗覆更大的表面區域或特定表面區域，則多個開口可以存在於一個腔室上，並且蒸發的材料可以通過它們被引導到待塗覆的表面上。還可以存在多個電弧，且用於氣體噴流和線形或帶狀材料的進料存在於一個腔室中。例如，使用縱向壓力腔室，也可以將多個腔室彼此連接。

對於將在部件、帶狀材料或工具的表面上形成塗層的某些分層系統，如從電子束氣相沉積領域已知的，流出蒸汽的附加電離可導致層性能的改善。

如果部件、帶狀材料或工具被充分加熱和/或蒸汽被電離並且可能被加速，則氣相沉積材料可以合金化或塗層通過基材合金化。

還有一個有利的選擇是，通過流出的蒸汽-氣體流的動能，至少在開口的區域中，調節待塗覆到腔腔室的表面上的帶狀材料的表面。這可以產生顯著地減小摩擦的氣墊，並且因此可以保持更小的距離，使得可以減少或甚至完全防止塗層材料的損失。

在下文中使用示例更詳細地解釋本發明。

附圖說明

圖1是用於在部件的表面上形成塗層的本發明的裝置的示例。

具體實施方式

圖1描述了用於在部件7的表面上形成塗層的裝置，在這種情況下是由鋼製成的帶狀材料。

使用驅動輥(未示出)供給線形材料2.1和2.2，使得如果通過直流電流源而一個導線形成為陰極2.1，並且一個導線形成為陽極2.2，則在這些導線之間可以形成電弧2。這蒸發和/或至少熔化端面端。

優選地加熱到至少600℃的溫度並且不含有任何氧氣的氣體或氣體混合物的氣體噴流1以將體積流供給到該區域中，該體積流足以驅動熔化和/或蒸發的材料2.1和2.2通過注入管3進入呈現為旋風分離器的腔室4中。

氣體-蒸汽液滴混合物被驅動到呈現為旋風分離器的腔室4中，使得旋轉流在腔室壁4和浸入管9之間形成至少一個通道6。這使得存在的熔滴沉積在腔室4的加熱的外壁並且在那裡蒸發，並且氣體-蒸汽流被輸送到布置在浸入管9的區域中的開口5。

待塗覆的部件7的表面以與開口5相距微小的距離而設置在腔室4的外部，並且在形成塗層期間以適當的前進速度平移或旋轉地移動，使得提供用於塗覆的整個表面可以被塗覆。

沒有提供對線狀材料的送料裝置的描述，該裝置通過至少兩個輥子供給，其中，至少一個輥子應當是可驅動的。

一個或多個通道6呈現為，使得從電弧2到開口5的路徑延伸，並且由於旋轉流，融滴保留在加熱的壁上，以便延長蒸發的一種或多種材料和加熱壁之間的接觸時間並且延長在腔室4內的停留時間。由於腔室4的壁在腔室4中保持的壓力下被加熱到大於材料2.1和材料2.2(塗層由其形成)的蒸發溫度，通過從外部封閉腔室4的感應加熱器8，可以使用於塗覆的所有材料2.1和2.2在其從開口5離開之前蒸發，並且衝擊在待塗覆的部件7的表面上。這樣，可以特別地獲得腔室4的壁的塗層和用於形成塗層的材料的至少幾乎完全地耗盡。通過完全蒸發，還可以防止可能沉積在塗層中的液滴離開，並且可能導致表面質量的惡化。使用腔室地板10的錐形實施方式，即使溫度不被正確地選擇，也可以防止任何熔滴離開。

如上所述，腔室4內部的壓力應該相對於環境壓力降低，以便能夠儘可能多地降低材料完全蒸發所需的溫度。

在該示例中，腔室4的壁由石墨製成。對於其熔體作用於石墨的材料，腔室4的至少部分可以鑲有陶瓷材料，例如氮化硼。這樣，甚至可以使用不能與用於形成塗層的純石墨一起使用的材料。