DE102006024050A1

DE102006024050A1 - Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine Oberfläche eines Werkstückes

Info

Publication number: DE102006024050A1
Application number: DE200610024050
Authority: DE
Inventors: Patrick Dipl.-Ing. Bachinger (FH); Mathias Dr.rer.nat Böhmisch; Stefan Dr. Laure; Jürgen Dr. Steinwandel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-24
Also published as: DE102006024050B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine Oberfläche eines Werkstückes. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu entwickeln, die mit geringem Aufwand an Material, Kosten und Zeit die Herstellung einer kompakten und gut haftenden, kosrrosionsbeständigen Beschichtung aus einer hochschmelzenden Metalllegierung ermöglicht. Die Erfindung besteht darin, dass ein Plasmabrenner (4) so mit einem längeren Plasmakanal (14) und Zuführungen (26, 27) für einen Beschichtungsstoff (43) ausgeführt wird, dass es zu einer Verdampfung des Beschichtungsstoffes (43) im Plasmakanal (14) kommt. Die Beschichtungsstoffe (43) gelangen in einem Clustergas auf die Oberfläche (42).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine Oberfläche eines Werkstückes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Um die Korrosion eines metallischen Werkstückes zu verhindern, kann die Oberfläche des Werkstückes beschichtet werden, so dass das Metall nicht durch aggressive Angriffsmittel aus der Umgebung des Werkstückes zerstört wird. Besonders korrosionsbeständige Beschichtungen ergeben sich durch thermisches Spritzen oder Vakuumbeschichten.
In der DE 199 37 255 A1 ist eine Brennstoffzelle beschrieben, die Bipolarplatten enthält, welche aggressiven Betriebsfluiden ausgesetzt sind. Die Bipolarplatten aus einem Edelstahl sind jeweils im Verlauf einer thermochemischen Reaktion mit einer elektrisch leitfähigen und oxidationsbeständigen Schicht versehen, die aus mindestens einem der Elemente Bohr, Stickstoff, Kohlenstoff bzw. ihren Verbindungen, wie Eisenborid, Chromnitrid oder Eisencarbid, besteht. Die Schichten werden durch Borieren, Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren, Plasmanitrieren, Plasmaborieren, Ionenimplantation, wie Stickstoffimplantation, erzeugt.
Eine in DE 198 05 683 A1 offenbarte Edelmetallbipolarplatte ist mit einer nichtmetallischen Belag aus Kohlenstoff oder elektrisch leitfähigen Keramiken beschichtet. Als mögliche Beschichtungsverfahren dienen plasmagestützte chemische oder physikalische Verfahren zur Dampfabscheidung.
Die DE 41 05 407 C2 enthält eine Beschreibung eines Plamaspritzgerätes zum Versprühen von festem, pulverförmigen oder gasförmigen Material. Das Plasmaspritzgerät enthält ein zentral angeordnetes Zuführrohr für Spritzmaterial. Das Zuführrohr endet in der Nähe einer Kathode, so dass das mit einem Trägergas zugeführte Spritzmaterial in den heißen Kern des Plasmas eindringt. Wie bei allen thermischen Spritzverfahren üblich, wird das Spritzmaterial aufgeschmolzen. Durch Variation des Trägergasflusses lässt sich die Anfangsgeschwindigkeit der Spritzmaterialpartikel und die Verweilzeit im Plasma einstellen. Zwischen Kathode und einer Anode erstreckt sich ein Plasmaführungskanal. Das aufgeschmolzene Spritzmaterial wird auf die Oberfläche eines Werkstückes geschleudert.
Gemäß der DE 35 38 390 A1 wird eine Aluminiumsilikatschicht auf ein Substrat mit einem Plasmabrenner in einer Unterdruckumgebung aufgebracht. Das Aluminiumsilikat wird in Pulverform einer sich aufweitenden Düse des Plasmabrenners zugeführt. Je nach Schmelzverhalten wird das Pulver der Düse über einem vorderen oder einem hinteren Einlasskanal zugeführt. Das Plasma wird durch einen Lichtbogen zwischen einer Kathode und einer Anode erzeugt. Die Anode umschließt die stiftförmige Kathode, wobei in der Anode ein Kanal eingebracht ist, dem die Düse folgt. Die Substratoberfläche wird durch Sputterätzen für die Beschichtung vorbereitet.
Bei den bekannten thermischen Spritzverfahren oder Dampfabscheidungsverfahren ist es nicht möglich, kostengünstig Beschichtungen aus hochschmelzenden Metallboriden herzustellen, die widerstandsfähig gegenüber aggressiven Angriffsmitteln sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine Oberfläche eines Werkstückes zu entwickeln, die mit geringem Aufwand an Material, Kosten und Zeit die Herstellung einer kompakten und gut haftenden, korrosionsbeständigen Beschichtung aus einer hochschmelzenden Metalllegierung ermöglicht.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gelöst, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.
Gemäß der Erfindung ist zwischen einem Kathodenbereich eines Plasmabrenners und einer Düse ein Plasmakanal bzw. Kathodenkanal angeordnet, der mindestens eine Zuführung für einen Beschichtungsstoff und ggf. für einen oder mehrere Reaktionsstoffe aufweist. Die Temperatur in dem Kanal ist ausreichend hoch, um den Beschichtungsstoff in einer Reaktionszone zu verdampfen. Wenn das Plasma in einem Lichtbogen zwischen einer Kathode und einer Anode erzeugt wird, dann wird durch den Plasmakanal die Kathode auf einen Abstand zur Reaktionszone gebracht, so dass die Kathode im Wesentlichen nicht abbrennt. Der Plasmakanal kann bei einer Länge zwischen 2 cm und 10 cm unterschiedliche geometrische Querschnittsformen aufweisen, wie kreisförmig, quadratisch, elliptisch oder bogenförmig.
Die Vorrichtung ist insbesondere beim Beschichten von Bipolarplatten einer Brennstoffzelle mit einem hochschmelzenden Metallborid, wie Titandiborid (TiB₂) oder Zirkondiborid (ZrB₂), anwendbar. Das Metallborid wird pulverförmig über mindestens einen Zuführkanal in den Plasmakanal eingebracht. Die Pulverpartikel besitzen eine Größe im Bereich von 1 bis 10 μm. Neben metallischen Werkstücken können mit der Vorrichtung auch wärmestabile Keramiken oder Kunststoffe beschichtet werden.
Beim Betrieb der Vorrichtung werden die Partikel des Beschichtungsstoffes so konditioniert, dass im Wesentlichen eine vollständige Verdampfung zu Mikroclustern aus Atomen bzw. Molekülen mit einer Clustergröße von bis zu 1000 Teilchen erfolgt. Die Vorrichtung wird vorzugsweise in einem Vakuum von 1 bis 100 mbar betrieben, wobei der Kathodenkanal von einem unter einem Druck von 2 bis 5 bar stehenden Trägergas durchströmt wird. Die verdampften Partikel des Beschichtungsstoffes treten in einer gerichteten Freistrahlexpansion aus einer Düse aus und lagern sich auf der Oberfläche des Werkstückes ab. Der Öffnungswinkel des Freistrahles liegt im Bereich von 30° bis 50°. Es ist möglich, die Oberfläche eines Werkstückes mit der Vorrichtung diskontinuierlich zu beschichten, wobei der Beschichtungsstoff in einem Schuss die gesamte Oberfläche oder Teile davon bedeckt.
Neben einer Zuführung für einen Beschichtungsstoff können weiteren Zuführkanäle in dem Plasmakanal münden. Insbesondere kann ein weiterer Zuführkanal zum Einbringen eines Reaktionsstoffes dienen. Der Reaktionsstoff reagiert mit dem Beschichtungsstoff. Die Beschichtung kann mit der Vorrichtung oxidativ oder reduktiv erfolgen, indem beispielsweise Sauerstoff oder Wasserstoff in den Plasmakanal gebracht wird.
Als Beschichtung für Bipolarplatten von Brennstoffzellen kommen weiterhin Stoffe mit guter elektrischer Leitfähigkeit zum Einsatz, wie Dichromnitrid (Cr₂N), Chromcyanid (CrCN), Chromkarbide, Titanoxide, Titansuboxide, Boride, Nitride, Kohlenstoff, Wolfram, Titan, Chrom, und Niob. Zur Verbesserung ihrer elektrischen Leitfähigkeit können die vorgenannten Stoffe gegebenenfalls dotiert werden.
Ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum Beschichten einer Bipolarplatte soll nachstehend anhand einer Figur erläutert werden.
Die Figur zeigt eine Beschichtungsanlage mit einer unter Vakuum stehenden Beschichtungskammer 1. Die Beschichtungskammer 1 ist über eine Leitung 2 mit einer Pumpe 3 verbunden, welche in einem Regelkreis so angesteuert wird, dass ein Unterdruck von 50 mbar beim Beschichten gehalten wird. In der Beschichtungskammer 1 befindet sich ein gestellfester Plasmabrenner 4. Der Plasmabrenner 4 umfasst eine zylindrische, spitz zulaufende Kathode 5 und eine koaxial zur Kathode 5 liegende Anode 6. Die Kathode 5 und die Anode 6 stehen über Leitungen 7, 8 mit einer steuerbaren Spannungsquelle 9 in Verbindung. Zwischen Kathode 5 und Anode 6 besteht eine Spannung von 200 V. Die Kathode 5 und die Anode 6 sind durch einen Trägergaskanal 10 mit ringförmigem Querschnitt voneinander getrennt. Der Trägergaskanal 10 steht über eine Leitung 11 mit einer im Druck steuerbaren Trägergasquelle 12 in Verbindung. Die Trägergasquelle 12 liefert mit einem Druck von 4 bar ein Gemisch aus Argon und Wasserstoff. Der Trägergaskanal 10 endet in einer zylindrischen Plasmakammer 13. Der Plasmakammer 13 schließt sich ein zylindrischer Plasmakanal 14 von 5 cm Länge an. Der Plasmabrenner 4 besitzt am Ausgang eine Düse 15 mit rechteckförmigem Querschnitt. Die Düse 15 setzt am Ende des Plasmakanals 14 an und weitet sich in einem Öffnungswinkel von 30° auf. In der Kathode 5 und der Anode 6 befinden sich Kühlwasserkanäle 16–19, die über Leitungen 20–23 mit Thermostaten 24, 25 verbunden sind.
In den Plasmakanal 14 und die Düse 15 münden Zufuhrkanäle 26–28 für Beschichtungsstoffe und Reaktionsstoffe. Der Zufuhrkanal 26 steht über eine Leitung 29 mit einem Vorratsbehälter 30 für Zirkoniumpulver und/oder Zirkonium-IV-Chlorid (ZrCl₄) und Zirkoniumdioxid (ZrO₂) als Ausgangsstoffe für Zirkonium in Verbindung. Der stromabwärts gelegene Zufuhrkanal 27 ist über eine Leitung 31 mit einem Vorratsbehälter 32 für Borpulver und/oder Diboran (B₂H₆) als Ausgangsstoff für Bor und/oder Wasserstoff als Reduktionsmittel verbunden. Über den Zufuhrkanal 28 und eine Leitung 33 kann in den Austrittskegel der Düse 15 ein Zusatzstoff, wie Methylsilicontrichlorid (SiCl₃(CH₃)), Polydimethylsiloxan, Titandichloroxid (TiOCl₂) oder Titan-IV-Chlorid (TiCl₄), aus einem Vorratsbehälter 34 eingeführt werden.
In der Beschichtungskammer 1 befindet sich weiterhin eine Aufnahme 35 für eine rechteckförmige Bipolarplatte 36. Die Seitenkanten der Düse 15 und der Bipolarplatte 36 liegen parallel zueinander. Die Aufnahme 35 ist zur 3D-Bewegung der Bipolarplatte 36 mit einem Getriebe 37 gekoppelt, welches mit einem Motor 38 in Verbindung steht. Der Motor 38 ist über eine Leitung 39 mit einer Motorsteuerung 40 verbunden.
Bei Anlegen der Spannung und bei Zufuhr des Trägergases brennt zwischen der Kathode 5 und der Anode 6 ein Lichtbogen 41. In der Plasmakammer 13 und im Plasmakanal 14 besteht ein Plasma mit einer Temperatur von 5000 °C. Die in den Plasmakanal 14 und die Düse 15 eingeführten Beschichtungsstoffe, Reaktionsstoffe und Zusatzstoffe werden zu einem Clustergas verdampft. Mit dem Trägergas gelangen die Beschichtungsstoffe auf die Oberfläche der Bipolarplatte 36. Auf der Oberfläche bildet sich eine geschlossene Beschichtung 43. Die Bipolarplatte 36 kann während des Beschichtens bewegt werden. Der Öffnungswinkel der Düse 15 und der Abstand zwischen der Düse 15 und der Oberfläche 42 bestimmen den Beschichtungsbereich, der mit einem Schuss erreicht werden kann. Nach dem Beschichten wird die Bipolarplatte 36 über eine Schleuse aus der Beschichtungskammer 1 gebracht.

1: Beschichtungskammer
2: Leitung
3: Pumpe
4: Plasmabrenner
5: Kathode
6: Anode
7, 8: Leitung
9: Spannungsquelle
10: Trägergaskanal
11: Leitung
12: Trägergasquelle
13: Plasmakammer
14: Plasmakanal
15: Düse
16–19: Kühlwasserkanal
20–23: Leitung
24, 25: Thermostat
26–28: Zufuhrkanal
29: Leitung
30: Vorratsbehälter
31: Leitung
32: Vorratsbehälter
33: Leitung
34: Vorratsbehälter
35: Aufnahme
36: Bipolarplatte
37: Getriebe
39: Leitung
40: Motorsteuerung
41: Lichtbogen
42: Oberfläche
43: Beschichtung

Claims

Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine Oberfläche eines Werkstückes, mit einem Plasmagenerator zum Erzeugen eines Plasmas in einer Plasmakammer, mit einer Anordnung zum Erzeugen eines Gasstromes durch die Plasmakammer, mit einer Einrichtung zum Liefern und Einführen mindestens eines Beschichtungsstoffes in den Gasstrom stromabwärts der Plasmakammer, und mit einer Düse zum Lenken des Beschichtungsstoffes auf die Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmakammer (13) in einen Plasmakanal (14) mündet, dass die Einrichtung (26, 27, 29–32) zum Zuführen des Beschichtungsstoffes mindestens einen Zuführkanal (26, 27) enthält, der in den Plasmakanal (14) mündet, und dass in dem Plasmakanal (14) eine den Beschichtungsstoff verdampfende Temperatur besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (4) und das Werkstück (36) in einer Vakuumbeschichtungskammer (1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma in einem Lichtbogen (41) zwischen einer Kathode (5) und einer Anode (6) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmakanal (14) eine Länge zwischen 2 cm und 10 cm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Plasmakanal (14) zusätzlich ein Zufuhrkanal (27) für einen Reaktionsstoff mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (15) einen Raum für einen Freistrahl mit dem Beschichtungsstoff in einem Öffnungswinkel zwischen 30° und 50° bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform der Düse (15) der äußeren Form des Werkstücks (36) angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Düse (15) ein Zufuhrkanal (28) für einen Zusatzstoff mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (43) diskontinuierlich der Oberfläche (42) zuführbar ist.