涂層方法和用于襯底動態定位的部件操縱器及其使用的制作方法

專利名稱：涂層方法和用于襯底動態定位的部件操縱器及其使用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在熱處理工藝中對將要處理的襯底進行動態定位的部件操縱器，還涉及一種供部件操縱器使用的涂層方法，以及涉及借助于根據相應類目的獨立權利要求的前序部分的熱涂層方法對襯底進行涂層的部件操縱器使用。
背景技術：
對各種工件的表面的涂層具有幾乎數不清的應用，并且對應地在工業技術中具有高的經濟重要性。在這方面，可因為非常不一樣的原因來有利地將涂層涂覆在極其不同的襯底上。例如，在強機械負載的零部件上(諸如舉例來說，在內燃發動機或壓縮機的氣缸或活塞環的工作表面上)的磨損保護層就起到了重要作用。除了耐磨性之外，還有其他的需求(例如，良好的滑動特性)，這意味著將良好的摩擦特性或者同樣極好的干碾特性都置于這樣的零部件上。特別地，不同的熱噴涂方法(尤其是已知的等離子噴涂方法)已經被證明對于這樣的以及類似的需求是非常成功的。特別地，為了在高負載工具上生成硬層，在諸如銑床、鉆頭等的去毛刺工具上通過電弧汽化、PVD或CVD工藝非常成功地制造了涂層。然而具體地，上述工藝的使用同樣還非常廣泛地分布在其他應用領域中，例如，用于珠寶或表殼的涂層，或者用于保護層的應用，或者簡單地用于器具的裝飾。此外，其他方法，例如氣體滲氮也是很好的既定方法，氣體滲氮尤其在防腐蝕方面具有很大重要性。在這方面，面積非常大的工件或者具有復雜表面幾何形狀的部件的涂層通常非常成問題。一般而言，熱噴涂也已經以各種變型將其自身設置成還用于這些通常更成問題的情形，尤其是因為熱噴涂已經設置成長期用在單獨零部件制造中以及用在工業成批生產中。最常見的噴涂方法(尤其是也用于大量襯底的表面涂層的成批生產的噴涂方法)例如是采用了噴粉或金屬噴鍍線的火焰噴涂、電弧噴涂、高速火焰噴涂(HVOF)、火焰沖擊噴涂或等離子噴涂。熱噴涂方法的前述列表無疑是非結論性的。而是，本領域的普通技術人員知悉所列出的方法的許多變型以及其他方法，例如，諸如火焰噴焊之類的專用工藝。此外，關于這一點還必須提及所謂的“冷氣噴涂”。在這方面，熱噴涂對于其他應用領域而言已經變得可用。人們通常能得出結論的是，作為表面噴涂方法的熱噴涂關于其應用領域而言是可能具有最大應用領域的涂層技術。由于應用領域就此而論可能重疊，所以對前述噴涂方法的應用領域的限制不一定顯得合理。在這方面，長期以來就已成問題的是，提供具有處于足夠均勻性的復雜表面幾何形狀的部件。關于這種零部件的典型示例是用于陸承渦輪或氣承渦輪和/或所有類型的航空器的動力單元的渦輪葉片。關于這一點，通過例如由Sulzer Metco在EP 0776594B1中建議的方法實現了突破，該方法提供了該熱低壓工藝(“LPPS方法”)，其借助于寬的等離子電流不僅在幾何復雜的部件上而且在例如片狀金屬零部件的大面積上都允許均勻的涂層制造。這一方面通過噴槍的幾何設計來實現，然而，其中同樣重要的是，在噴槍的內部與外部之間存在相當大的壓差。關于這一點，工件或者至少工件中待涂層的表面區域存在于涂層室中，在該涂層室中，關于噴槍的內部產生負壓，例如小于IOOmbar的負壓，同時在噴槍中存在例如大約IOOOmbar的壓力，即大致存在環境壓力。借助于在噴槍內部與涂層室之間設定這樣的壓力梯度，能夠產生寬且長的涂層束，借助于該涂層束，能夠以迄今為止未能實現的均勻性對工件表面進行涂層。在這方面，該方法的重要優點在于，涂層在一定程度上還可能到達位于涂層束的“陰影”中的區域內，這些區域由于該原因在使用傳統的等離子涂層方法時一般不能到達；這意味著這樣的部件借助于傳統的涂層方法不能在所有表面足夠均勻地提供涂層，并且尤其是無法以足夠的品質在相對于涂層束位于被遮蔽區域中的那些表面處產生涂層。在這方面，基本原理已經同時得到充分地進一步發展。例如，EP 1479788A1示出了基于EP 0776594B1的基本方法的混合方法。
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關于這一點，這些方法尤其適于涂覆不同的金屬或非金屬涂層，尤其是還有在薄層中的陶瓷、碳化物或氮化物的層組分。尤其對于渦輪葉片的涂層而言，Sulzer Metco的所謂的LPPS薄膜工藝(PS-TF)關于這一點已確立其本身，其在當時確實改革了低壓等離子噴涂。在這方面，它從工藝觀點看是被改變了的傳統的LPPS等離子噴涂方法。在這方面，通過對噴涂參數(尤其是在工藝室中和在等離子火焰或等離子束本身中的壓力參數)的合適設定，將由等離子(“等離子火焰”或“等離子束”)流過的空間加寬并擴展至達到2. 5m的長度。等離子的幾何擴展導致了與原料氣一起噴射到等離子中的粉末束的均勻擴展(“散開”)。分散到等離子中的云并且在云中被部分或完全熔化的粉末束材料均勻分布地到達襯底的寬廣展開的表面上。薄層出現在襯底上，該薄層的層厚度可小于10 μ m，并且該薄層由于均勻分布而形成密集的覆蓋。借助于對薄層的多次涂覆，可制造具有特定特性的較厚的層，這使得這樣的涂層可用作功能層。例如，可借助于多層涂覆來制造多孔層，其適合作為用于催化活性材料的載體(參見 EP-1034843)。如果我們把渦輪葉片作為示例考慮，則涂覆到形成渦輪層的基體上的功能層一般由許多部分層組成。例如，對于以高的工藝溫度操作的燃氣渦輪(固定式燃氣渦輪或飛機渦輪)而言，葉片涂有對熱氣體腐蝕具有抗耐性的第一層或多層的部分層。第二涂層形成熱障涂層，該第二涂層被涂覆到第一部分涂層上，并且將陶瓷材料用于該第二涂層。先前已知的LPPS等離子噴涂方法尤其非常適合于第一層的制造。到目前為止，熱障涂層被有利地生成，原因在于出現了具有柱狀微結構的涂層。如此結構的層包括其中心軸線垂直于襯底表面對齊的大致的圓柱體或顆粒。其中沉積材料的密度比顆粒中的密度小的轉換區域側向地限制顆粒。具有這樣的各向異性微結構的涂層是對于和變化的張力有關的應變而言更有耐受性的結構，其中所述變化的張力是由于反復升高的溫度變化所導致的。該涂層以大致可逆的方式反作用于變化的張力，這意味著無裂紋形成，從而使得該涂層的壽命同沒有柱狀微結構的普通涂層的壽命相比能大大延長。可借助于作為汽相沉積方法的薄膜方法來產生各向異性微結構。在稱為“EB-PVD”(電子束-物理汽相沉積)的該方法中，借助于高真空中的電子束使要作為熱障涂層沉積的物質達到汽相，并且使所述物質從汽相蒸發到要涂層的部件上。如果合適地選擇工藝參數，則獲得柱狀微結構。除了別的情況之外，該汽相沉積法的缺點是非常高昂的設備成本。除此之外，在對包括多個部分層的涂層進行制造時，相同的設備不能用于LPPS等離子噴涂方法和用于EB-PVD工藝這兩者。為此，必須為涂層進行多個工作循環。該問題通過根據EP 1495151B1的發明首次由Sulzer Metco令人滿意地解決，由此，首次使等離子噴涂法變得可用，借助于該等離子噴涂法可制造熱障涂層，并且該等離子噴涂法允許在一個工作循環中將涂層涂覆到渦輪葉片上，其中涂層包括有作為部分層的熱
障涂層。這通過新穎的等離子噴涂法實現，其中以粉末束的形式將要涂層的材料噴涂到金屬襯底的表面上，尤其是噴涂到渦輪葉片上。在這方面，涂層材料在低于IOOmbar的低的 工藝壓力下被噴入到使粉末束散開的等離子中，并且涂層材料在等離子中被部分或完全熔化。在這方面，產生具有足夠高的比焓的等離子，使得涂層材料中相當大的部分(按重量，至少5% )轉換成汽相，并在襯底上形成各向異性結構層。形成各向異性微結構的細長微粒對齊，以在該層中大體上與襯底表面垂直地直立。缺乏材料的轉換區域將微粒限制成靠著彼此。在這方面，根據EP 1495151B1的方法相對于通過借助于EB-PVD來制造柱狀結構層的已知方法而言具有的另一決定性的優點是相同層厚所用的工藝時間明顯較短。其間，根據Sulzer Metco的EP 1495151B1的方法已決定性地改善并進一步發展，并且已經同時作為縮寫標識PS-PVD在市場上得以確立。由于在本申請的框架中描述的部件操縱器可有利地與要求保護的涂層方法(優選為本身已知的PS-PVD方法)結合使用，所以在下文中應詳細地說明PS-PVD方法，使得以下對PS-PVD方法的說明形成本發明說明書的一部分。當然應理解的是，本發明的部件操縱器本質上能夠用于任何熱處理工藝，并且因此原則上也能夠有利地用于任何涂層方法。作為“等離子噴涂-物理汽相沉積”的縮寫形式的PS-PVD是一種用于來自汽相的涂層沉積的低壓等離子噴涂技術。在這方面，PS-PVD是申請人基于上述LPPS技術(Journalof Thermal Spray Technology, 502,卷 19 (1-2), 2010 年 I 月)新近開發的新混合工藝家族的一部分。在這方面，除了 PS-PVD之外，該家族在其中還包括“等離子噴涂-化學汽相沉積” (PS-CVD)和“等離子噴涂-薄膜” (PS-FT)工藝。同傳統的真空等離子噴涂和/或傳統的LPPS工藝比較起來，這些新工藝的特征在于使用了以低于2mbar的工作壓力操作的高能等離子槍。這導致了非傳統的等離子束特征，其可用于獨特的特定涂層的制造。PS-PVD工藝重要的新特性在于不僅僅由熔化的流體材料來形成涂層的可能性，在由熔化的流體材料來形成涂層的工藝中所述層通過在被入射于襯底時凝固的所謂液體“潑濺(splats) ”來構建。然而，PS-PVD還允許直接從汽相來構建所述層。因此，PS-PVD填補了傳統的PVD技術與熱噴涂的標準技術之間的空隙。將涂層材料轉換成汽相從而直接從汽相來沉積層的該可能性開啟了構建具有新穎結構的其他獨特的層和/或層系的完全嶄新的可能性。這些新的層結構的特性同到目前為止已知的層比較起來、尤其是同借助于EP-PVD制造的層比較起來，在許多方面明顯優越。對于所有熱噴涂工藝來說共同的是，如上所述，熔化材料(包括所謂“潑濺”的熔化材料)的層因此通過襯底表面上的液體噴涂材料的凝固過程最終形成。這與經典的PVD工藝相反，其中涂層在工藝室中從汽相形成在襯底上，其中涂層材料在工藝室中在例如大致l(T4mbar的低壓下被轉換成汽相。這意味著熱涂層材料不是從液相沉積在冷的襯底表面上，而是該熱涂層材料從汽相冷凝在襯底表面上。這導致了不能通過普通熱 噴涂方法來實現的非常的涂層特征特性。如本身已知地，PVD層可能非常均勻，并且在這方面，PVD層能夠非常薄、致密、堅硬并且氣密，或者可具有特定的預定微結構。例如，借助于EP-PVD (電子束-物理汽相沉積)沉積的釔穩定氧化鋯(YSZ)的柱狀結構尤其適于必須完全消除應力和/或非常耐應力的熱障涂層(TBC)。同熱噴涂比較起來，PVD方法的決定性缺點是高的投資成本和低的沉積速率以及因此高的工藝成本。為此，PVD工藝主要用于非常薄的層以及批量生產。然而，也可用于非常有價值的或者安全性相關的零部件涂層，例如，對航空器的渦輪的工作葉片或導向葉片的涂層。此外，僅借助于傳統的PVD技術僅能對與涂層源成直達視線排列的層，即，沒有相對于涂層源位于遮蔽區域中。為此，到目前為止總是難以和/或之前不可能對具有底切或復雜幾何形狀的部件(例如渦輪葉片)來有效且有成本效益地涂層以具有高品質和預先限定的微結構的均勻層。為此，在現有技術中具有的長期需求是具有這樣的可用的設備和方法，其將熱噴涂與PVD工藝的優點統一在單個工藝中。這已經通過新近開發的PS-PVD工藝由SulzerMetco實現，該新近開發的PS-PVD工藝是初始的LPPS工藝的進一步發展，并且其首次提供了這樣的方法，該方法能夠借助于熱噴涂從汽相進行涂層，從而使得能以低的成本和大的批量來非常有效地制造具有可預先限定的微結構和具有可預先限定的特性的高品質的涂層。該新方法尤其適于同樣均勻地并且以期望的厚度和品質來對相對于涂層源位于遮蔽區域中(即，未處在涂層源的直達視線中)的表面區域進行涂層。在這方面，在限定的工藝氣氛下并且相對于大氣環境壓力在降低的氣體壓力下(典型地，在例如位于工藝室中的氬氣之類的惰性氣體的氣氛中)與LPPS工藝類似地實現PS-PVD工藝。典型的工藝氣體壓力在O. 5mbar與2mbar之間。通過減小工藝室中的壓力，等離子火焰或等離子束膨脹至例如超過2m的長度和從200mm到400mm的直徑，其中通過對壓力參數的合適選擇，還可盡一切辦法設定更大的等離子火焰。尤其地，通過等離子火焰或等離子束的膨脹在等離子火焰中獲得溫度和顆粒的非常均勻的分布，從而使得在諸如例如渦輪葉片的非常復雜的部件上以及在遮蔽的表面區域中同樣產生厚度非常均勻的層。在這方面，優選地預熱和/或清潔襯底的表面。這例如能夠借助于等離子束或者借助于集成到工藝室中的電弧工藝來進行。盡管例如Imbar的PS-PVD工作壓力明顯高于諸如用于經典的PVD工藝的大致10_4mbar的工作壓力，但低的工藝壓力與等離子火焰和/或等離子流中高的等離子能量和/或焓的組合導致了被噴射到等離子火焰中的粉末的限定的蒸發，并且因為此而允許在PS-PVD工藝中從汽相的受控沉積。與此形成對比，蒸發材料沿襯底表面的方向的輸送是在EB-PVD工藝中具有受限制的傳送速率的擴散過程，并因此最終還是具有要涂覆的表面層的受限制的生長速度的擴散過程。在PS-PVD工藝中不同的是，其在等離子流中以大致Imbar的壓力、以大致6. OOOK至10. 000K的溫度、并且以大致2000m/s到4000m/s的超音速來輸送被蒸發的涂層材料。這導致了所述層在襯底處的高的生長速度，并且導致了以均勻的高品質來對襯底的底切或遮蔽區進行涂層的可能性。因此，PS-PVD工藝首次使得還能夠例如有效地通過熱障涂層系統來自動地并且大量地以先前未知的品質對例如渦輪葉片之類的非常復雜形成的零部件進行涂層。然而，成本增加的壓力在此還要求進一步的改善。上述工藝的實質性特性就是在于要涂層的部件必須在確定的邊界內或多或少均勻地回火。這例如通過在工藝室的室壁中提供加熱的事實來發生在已知的EP-PVD方法中，涂層工藝在工藝室內進行，其中要被涂層的部件在確定的限制內從若干側均勻地回火，這自然成為EP-PVD方法的另一缺點，這是因為必須附加地在室壁內提供相關需求的加熱并且還必須對其進行操作。通常在LPPS方法中，并且尤其是在PS-PVD方法中，部件僅通過涂層束預熱，這具有的優點是能節省室壁中附加的加熱，但無疑也導致了涂層室內非常不均勻的溫度場。為此，眾所周知的是，當要涂層的部件的膨脹使得其不再通過涂層束就足夠均勻地回火時，例如當要涂層的部分的膨脹如此之大使得涂層束僅部分地覆蓋和/或包圍部件的表面時，則使涂層束在可預先限定的角度區域中以足夠的速度在部件上來回運動，使得部件的所有表面隨后在涂層期間被涂層束周期性地掃描，從而使得相繼地所有表面區域反復地經受涂層束，使得一方面均勻地涂層全部表面，并且另一方面，在可預先限定的參數邊界內足夠均勻地回火或預熱要涂層的部件。用于在要涂層的襯底上掃描的涂層束的該或多或少的周期性運動還經常稱為涂層束的“掃掠”。為了改善均勻回火和涂層的效應，還已知例如將渦輪葉片安裝到可旋轉的襯底保持器上，使得襯底還隨涂層束的掃掠同時繞旋轉軸線旋轉，使得涂層束隨后從各側直接應用于襯底。為了清楚，參考圖I再次說明該本身已知的設備。在圖I中，從現有技術已知的方法被示意性地圖示成用于飛機渦輪的渦輪葉片的涂層。應指出的是，為了較好的區別本發明與現有技術，涉及已知方法的圖I中的附圖標記設置有撇號，而在涉及本發明的其余附圖中的附圖標記沒有撇號。圖I示出了從現有技術已知的用于襯底2'上的功能結構層20'的制造的方法，該襯底2'在本示例中是用于飛機的渦輪葉片2'，其中以涂層束BS'的形式的涂層材料200'在工藝室中借助于等離子噴涂方法在預先限定的低的工藝壓力P'下被噴涂到襯底2’的表面210'上，為了清楚在圖I中未具體圖示出工藝室。在這方面，涂層材料200'在例如可大致為Imbar的低的工藝壓力P'下被噴射到使涂層束BS'散開的等離子中，并且涂層材料200,在等離子中被部分或完全熔化，其中產生具有足夠高的比焓的等離子，使得涂層材料200'中大致盡可能高的部分轉換成汽相，并且在襯底2'上形成結構層20'。為了獲得渦輪葉片2'的盡可能均勻的涂層，該渦輪葉片2'布置在可繞旋轉軸線3'旋轉的襯底板5'上，并且在涂層束BS'中轉動。同時，涂層束BS'在角度區域Ω'中在要涂層的渦輪葉片V上來回掃掠。然而，不幸的是，到目前為止如此通過PS-PVD方法以該方式僅能夠涂層單個的不太大的襯底。、
到目前為止不能用PS-PVD法令人滿意地涂層如下的空間展開的襯底所述空間展開的襯底大到使得它們的表面在掃掠時沒有完全被涂層束俘獲；或者所述空間展開的襯底具有不對稱的幾何形狀，使得例如在旋轉板旋轉時，某些表面區域離涂層束的束軸線太遠，以至于涂層束不再到達所述某些表面區域。由于涂層束在涂層室中最大掃掠的角度區域無疑是受限制的，并且同時要涂層的襯底必須與產生涂層束的噴槍具有相當大的間隔距離，所以在技術人員當中通常認為不能在一個工作循環中利用已知的PS-PVD方法來同時對理論上可安置在旋轉的襯底保持器上的多個襯底進行涂層。當然，即使在涂層束進行合適的掃掠運動的同時通過對旋轉的襯底保持器進行合適的旋轉從而使涂層束能夠依次到達所有表面，但是人們到目前為止也認為人們不能借助于PS-PVD方法將任何均勻的層涂覆在襯底上。在這方面，該假設的理由具有合理的物理基礎。如以上在LPPS法中所描述地，尤 其是在PS-PVD法中，也就是說實質性的是，必須通過涂層束盡可能均勻地預熱襯底。這意味著要涂層的襯底必須至少部分地在短的時間平均中大致恒定地完全經受涂層束。在這方面，時間平均意味著例如在涂層束的掃掠時，或者在襯底保持器的旋轉時，襯底的某些表面區域沒有經受涂層束的情況持續達如此短的時間，使得這些表面區域的溫度同經受涂層束的那些表面區域的溫度比較起來僅僅是不明顯地降低。否則，這樣大的溫度梯度出現在襯底中，或者間歇地沒有經受涂層束的表面區域的溫度降低得如此之低，從而使得不可能再涂覆具有所必需的高品質的層。尤其地，如果對涂層束的經受被從設置在襯底保持器上的襯底或多或少間歇地移除，則對應的襯底將冷卻得如此之低，從而使得當它們再次經受用于涂層的涂層束時，不再可能具有根據所述高品質需求的涂層。這種負面效應對于非常復雜成形的襯底而言被極大地放大，所述非常復雜成形的襯底具有非常深的展開或者嵌套的底切，或者以不同的方式復雜地形成，例如用于現代的極端高負載的飛機渦輪的雙葉片，這是因為例如被遮蔽的表面區域被涂層束甚至更加不太頻繁地加熱或者加熱時間更短，從而使得不再可能具有關于層品質和/或層結構而言有著最高要求的足夠均勻的涂層。在這方面，當人們試圖在同一個涂層束中同時涂層多個襯底時，不僅要擔心先前所提及的問題。即使僅單個襯底布置在涂層束中，上述問題仍然出現。對此而言的實質性原因是已知的襯底保持器對要在涂層束中涂層的襯底僅僅允許非常有限的定位類型。這主要與這樣的事實相聯系，即，對襯底的處理是在困難的環境條件下進行的。例如，該處理很少發生在灰塵環境中，在高壓下或者在低壓下，以及尤其地在達到1000°C或者甚至更高的高溫下。為此，由于例如設計襯底保持器使得部件可繞附加的軸線旋轉或樞轉所需的已知的軸承不能經受侵蝕性環境條件，或者只能在很短的時間經受侵蝕性環境條件，尤其是經受高溫，所以已知的襯底保持器是具有盡可能少的可動部件的簡單設計。然而，由于熱涂層常常需要非常長的處理時間，例如涂層工藝通常可能要花費一小時或更長，所以在已知的軸承用于使襯底旋轉或樞轉的情況下，襯底保持器將在短的時間之后失效。為此，到目前為止，僅可用非常簡單的襯底保持器，其僅以非常受限制的方式允許襯底的動態位置。
已知的襯底保持器的另一缺點是缺少要涂層的襯底與襯底保持器的熱解耦。例如，在進行熱涂層時，這具有的效應是，例如，從要被涂層的襯底(即，例如渦輪葉片)的相當大且頻繁的不規則溫度流失經由襯底保持器發生在對該對象進行支撐并且對該襯底保持器進行引導的處理裝置中。該或多或少無法控制的溫度流失與缺乏襯底相對于涂層束的可對準性和可動性相結合，導致了層品質的嚴重損失和/或高的廢品率，并因此導致了不可接受的高成本。

發明內容
為此，本發明的目的是提供一種部件操縱器，其在熱處理工藝中，尤其是在熱噴涂工藝中用于要處理的襯底的動態定位，借助于該部件操縱器避免了從現有技術已知的襯底保持器的缺點，并且借助于該部件操縱器，尤其能夠使部件在處理工藝期間繞至少一根軸線運動，其中要處理的襯底以可預先限定的方式與部件操縱器熱解耦，或者在涂層工藝期間借助于該部件操縱器還可設定、可改變和/或能夠影響要涂層的襯底的熱耦合和/或熱流。本發明的另一目的是提供一種涂層方法以及對部件操縱器的使用，其中避免了從現有技術已知的問題，以便尤其還同時理想地處理多個襯底，從而使得借助于LPPS方法、·尤其是借助于PS-PVD方法將非常高品質且均勻品質的表面層還以成本和時間有效的方式同時沉積到多個襯底上和/或沉積到非常大的襯底上和/或沉積到具有非常復雜的幾何形狀的襯底上。滿足該目的的本發明的主題通過相應類目的獨立權利要求來限定特征。相應的從屬權利要求涉及本發明的特別有利的實施例。因此，本發明涉及一種用于在熱處理工藝中對要處理的襯底進行動態定位的部件操縱器，其中部件操縱器包括可繞主旋轉軸線旋轉的主驅動軸、連接元件和能夠連接至連接元件的襯底保持器。根據本發明，連接元件是陶瓷連接元件，并且襯底保持器的連接段借助于插塞旋轉連接可相對于插塞旋轉連接的連接軸線以抗拉且旋轉固定的方式連接至連接元件，并且襯底保持器布置成可繞連接軸線旋轉。對本發明而言所必需的是連接元件是陶瓷連接元件。由于連接元件由傳導性非常差的陶瓷材料制成，所以襯底保持器以及因此布置在襯底保持器上的要涂層的襯底都非常好地與根據本發明的部件操縱器熱解耦。因此，首次能夠在進行熱涂層時將例如從襯底到部件操縱器的熱流減小至小到可預先限定的程度，由此溫度流同時還均勻地從要處理的襯底(即，例如要熱涂層的渦輪葉片)經由襯底保持器流至部件操縱器，從而使得不出現從現有技術已知的破壞性的無法控制的溫度流，并且由于該效應已明顯改善了層的品質，從而減小了廢品率，并因此達到可接受的成本。由于陶瓷連接元件大大地減小從襯底經由襯底保持器進入部件操縱器中的熱流，所以還能首次提供驅動單元和/或傳動單元，借助于所述驅動單元和/或傳動單元，襯底保持器可繞連接軸線旋轉，如果沒有所述陶瓷連接元件，那么在操作狀態中由于過度的熱影響傳動單元將受到影響，甚至被損壞。在這方面，本發明尤其涉及具有3級行星傳動的部件操縱器。這具有很大的重要性，尤其是對于這樣的具體實施例而言，其中多個連接元件同時設置在部件操縱器上，用于接納多個襯底保持器。在該情況下，借助于設置在部件操縱器處的傳動單元能夠經由單根主驅動軸同時驅動所有的連接元件，并且能使所有的連接元件繞連接軸線旋轉地移位，使得例如在對多個襯底進行熱涂層時，這些襯底可在涂層束中旋轉，由此可產生具有到目前為止不可獲得的品質的尤其更加均勻的涂層。因為用于襯底保持器的連接段借助于插塞旋轉連接可相對于插塞旋轉連接的連接軸線以抗拉且旋轉固定的方式連接至連接元件，所以在部件操縱器處不需要進行復雜的安裝工作的情況下就能夠非常簡單地互換襯底保持器。在特別優選的實施例中，插塞旋轉連接被設計成采用本身已知的插入式封蓋機構的形式。在優選的實施例中，提供了旋轉固定地連接至主驅動軸的基板，用于接納具有襯底保持器的連接元件，其中一個或多個連接元件可同時設置在襯底保持器處，優選地而不是必需地，例如可同時設置三個連接元件，從而使得多個襯底可同時設置在同一個部件操縱器處。在這方面，多個連接元件被特別有利地相對于主旋轉軸線偏心地設置在基板處，從而使得在操作狀態下，例如在涂層工藝期間，可通過繞主驅動軸線旋轉來使布置在襯底保持器處的襯底與涂層束的不同區域接觸，由此尤其能明顯改善襯底的涂層的均勻性。
例如為了在熱涂層時進一步改善襯底的層品質，連接元件可經由驅動單元與接觸元件聯系起來，用于繞襯底保持器的連接軸線的旋轉，這意味著用于襯底保持器繞其連接軸線的旋轉驅動，其中在特別優選的實施例中，部件操縱器的主驅動軸相對于接觸元件以可旋轉的方式布置。在這方面，在對于實踐而言特別相關的實施例中，接觸元件是關于相對于主驅動軸固定的軸護套進行布置的齒輪，該接觸元件是有齒的，用于借助于驅動單元對連接元件進行驅動。在這方面，尤其優選的是，插塞旋轉連接的連接軸線相對于主旋轉軸線以可預先限定的傾角傾斜，使得例如一方面，可以使要在涂層束中涂層的襯底進行不對稱運動，使得幾何上非對稱設計的部件(其可能設置有底切，例如渦輪葉片)在所有表面上都能夠被均勻涂層，尤其是還在難以接近的底切的表面處。此外，如以下將進一步描述地，可能的情況是，由于襯底相對于彼此傾斜并且彼此同時繞它們相應的旋轉軸線旋轉，所以兩個襯底的不同襯底段依次彼此面對，并且涂層材料能夠從一個襯底表面反射到不同襯底的表面上，從而使得在與涂層束的方向不對應的方向上的涂層效應也是可能的。在這方面，連接元件可通過軸承元件支撐在軸承殼中，其中在軸承殼中優選提供形成了三點支承的三個軸承元件。在對于實踐特別相關的實施例中，基板關于這一點優選經由連接元件以可旋轉固定的方式連接至主驅動軸，所述連接元件在該連接中用于冷卻液到襯底的供應。在實踐中，冷卻流體可例如經由冷卻管線和布置在基板處的冷卻分配器從連接元件供應至連接元件并且供應至襯底保持器的連接段。在這方面，在對于實踐特別相關的實施例中，還可借助于與冷卻流體的間接接觸來冷卻軸承元件。為了確保襯底保持器和/或連接段到連接元件的牢固連接，可借助于防旋轉安全件來緊固所述連接段，防止相對于連接元件的旋轉，其中所述防旋轉安全件為鎖定銷，尤其優選為例如可借助于設置在連接元件處的安全帶被緊固的陶瓷鎖定銷。在這方面，連接元件例如為了防溫度輻射、為了防涂層束或者為了防可能影響在操作狀態下的連接元件的其他破壞性影響而被封裝在封殼中。
本發明還涉及利用部件操縱器時的涂層方法，還涉及對本發明的部件操縱器的使用，其中襯底尤其是用于飛機渦輪、用于燃氣渦輪、用于蒸汽渦輪或用于水力渦輪的渦輪葉片。在這方面，根據本發明的涂層方法尤其涉及(但不僅涉及)用于襯底上的功能結構層的制造的涂層方法。在這方面，借助于等離子噴涂方法在預先限定的低的工藝壓力下在工藝室中以涂層束的形式將涂層材料嗔涂到襯底的表面上，其中涂層材料在低于200mbar的低的工藝壓力下被噴射到使涂層束散開的等離子中，其中產生具有足夠高的比焓的等離子，使得涂層材料的量中按重量計算至少5%的部分的相當大部分的涂層材料轉換成汽相，并在襯底上形成結構層。在這點上，要涂層的襯底布置有可繞主旋轉軸線旋轉的襯底保持器，使得襯底的第一表面與襯底的第二表面相對于彼此對齊，使得在等離子噴涂時轉換成汽相的涂層材料的至少一部分從襯底的第一表面偏斜到襯底的第二表面上。在這方面，除了其他之外，對于本發明的涂層方法而言重要的是，由于借助于部件操縱器實現的例如在涂層束中對襯底的動態定位性的緣故，所以通過根據本發明的部件操 縱器能夠首次實現的以下效應。一方面，可以基本上將襯底的預熱溫度維持在預先限定的技術上要求的邊界內，并且在那些至少間斷地不經受或者不直接經受涂層束的表面(因為對應的表面間歇地或者部分地轉出了涂層束的影響區域，例如在至少某些情形中通過襯底保持器的旋轉)處同樣如此。在襯底上維持均勻分布的預熱溫度的積極效果甚至通過陶瓷連接元件首次實現的非常良好的熱解耦來得以支撐和放大。對于那些例如由于幾何原因從未或者未充分地經受涂層束的表面(因為襯底的對應表面被完全或者部分地從涂層束遮蔽，這種遮蔽例如是由于底切的緣故或者是通過布置在襯底保持器處的其它襯底)而言也具有類似的優點。實際上在大多數情形中通過對根據本發明的部件操縱器的使用能首次防止從現有技術已知的該負面的遮蔽效應。也就是說，因為襯底能夠同時關于主旋轉軸線和連接軸線定位(例如，由于襯底保持器的傾斜布置和/或由于襯底繞兩個不同旋轉軸線的旋轉)，所以襯底在涂層束中能夠極端靈活且動態地定位。當然，應理解的是，對于非常復雜的襯底幾何形狀而言，可能難以完全排除先前所提及的遮蔽效應。借助于本發明還實現了 這樣的表面能夠維持在所需的預處理溫度；一個或兩個襯底的兩個表面被相對于彼此布置在襯底保持器上，使得存在于汽相中的涂層材料的一部分從第一表面偏斜和/或反射到第二表面，由此熱涂層蒸汽還以充足的量入射在那些沒有以相當大的時間段經受涂層束或者甚至從未經受涂層束的表面處。在這方面，“相當大的時間段”應被理解成這樣的時間段該時間段如此之長，使得襯底(至少在未經受涂層束的表面區域中)在沒有根據本發明的反射效應的情況下如此強烈地冷卻；和/或從未達到所需預熱溫度的時間段，從而使得當對應的表面再次經受涂層束時，不再可能具有至少處于所需品質的涂層。在這方面，由于經由陶瓷連接元件的熱解耦，熱排出在根據本發明的部件操縱器的使用時被極大地減慢，所以大大地增加了“相當的時間段”。這意味著除了根據本發明的反射效應之外，已通過陶瓷連接元件明顯減輕了前述問題。另一方面，從幾何觀點來看非常復雜的襯底不僅充分預熱，甚至還能夠通過利用根據本發明的方法進行涂層，其中所述襯底例如具有非常大量的底切，由此例如出現了通常不經受涂層束的表面。在這方面，應指出的是，具體地，已知不同的LPPS法在原理上也對遮蔽表面進行涂層，即在原理上也能夠對不直接經受涂層束的表面進行涂層。與諸如例如傳統的等離子噴涂或火焰噴涂之類的其他熱涂層法形成對比，其中要涂層的表面總是必須直接經受涂層束。關于這一點，已參考單渦輪段(該單渦輪段相應地包括多個渦輪葉片，并且例如形成用于高負載的飛機渦輪的雙葉片)的示例，在EP 2025772A1中對借助于LPPS對遮蔽表面區域進行涂層的可能性進行了詳述。然而，LPPS方法、尤其地PS-PVD方法的能力當然也具有其限制。尤其地，于是當在一個襯底保持器處同時布置多個還同樣相當復雜地形成的襯底時，諸如例如前述的用于高負載飛機渦輪的雙葉片，利用現有技術中已知的涂層方法不再能夠均勻地且以所需品質對將要涂層的襯底的所有表面進行涂層。因此，通過在部件操縱器處對將要涂層的襯底進行根據本發明的布置，同時解決了現有技術的多個主要問題。—方面，例如當襯底或襯底的部分通過襯底保持器的旋轉恒定地或者至少間歇地從經過涂層束的直接經受移出時，本發明防止了襯底或襯底的部分冷卻到不允許的水平。第二，襯底中不能被充分預熱的表面區域在沒有應用根據本發明的方法的情況下也能夠被帶至所需的預熱溫度，即使它們在總的涂層工藝期間從未經受涂層束也是如此。為此，一般不需要通過像例如用于EP-PVD方法那樣需要的方式來進行附加的加熱，在EP-PVD方法中必需在涂層室的室壁內提供附加的加熱。第三，通過對根據本發明的方法的使用，首次能夠均勻地并且以期望的高品質對前述表面以及因此對襯底的要涂層的整個表面進行涂層。此外，借助于本發明的方法首次能夠將多個襯底(尤其是彼此以小的分隔距離布置的襯底)布置在同一個襯底保持器處，并在單個工作循環中涂層這些襯底。因此，同從現有技術已知的其中在一個工作循環中僅同時相應涂層一個單獨的復雜襯底的方法比較起來，本發明的涂層方法非常高效。在這方面，必須強調的是，根據本發明的效應不能通過經典的PVD法、也不能通過經典的熱噴涂法、還不能通過眾所周知的EP-PVD法實現，并且到目前為止根據本發明的效應是完全意外的和令人驚訝的。因此，前述已知方法中沒有一種方法可有助于解決本發明的目的，甚至也不能給本發明的目的的解決方案提供單獨的指示。也就是說，本發明的認識是，實質上需要LPPS方法(總體上)和PS-PVD方法(尤其地)的兩個具體特性，從而使得根據本發明的方法實際上可成功用于對復雜形成的襯底的涂層和用于同時對多個襯底的涂層。與根據本發明的方法形成對比，對于經典的PVD方法和同樣地對于EP-PVD工藝而言，蒸發的材料沿著朝襯底表面方向的輸送為擴散過程，即不是定向的或者即使有的話也是具有弱定向特性的過程。因此，即使有的話可能出現在要涂層的襯底的表面處的反射過程同樣是基本不定向的，即它們具有或多或少的擴散特征。顯然的是，由此可能沒有對襯底表面的遮蔽部分進行特定的并且充分的加熱和/或涂層。實際上，從經典的PVD和/或從 EB-PVD工藝已知的是，使用可同時裝載多個襯底的可旋轉的襯底板。然而，這并不是像采用了根據本發明的方法的情況那樣被專門用于設定定向涂層束的反射，而僅是用于在工藝室中對涂層材料的蒸汽的擴散分布的某種不均勻性進行補償的用途。在進行經典的熱涂層時，諸如例如在進行經典的等離子涂層時，在相對高的工藝壓力下，諸如例如在大氣壓力下的等離子噴涂時或者在火焰噴涂時，實際上使用了定向的涂層束，并且還已知使用了同時裝載多個襯底的旋轉襯底保持器。然而，在此通常還是不可能同樣具有根據本發明的效應。在前述熱噴涂工藝中，涂層材料實際上或多或少熔化地(即以或多或少的液體狀態)入射在襯底表面，也就是說，因此不像根據本發明的方法中的情況那樣以汽相入射在襯底表面。這具體地是該已知涂層工藝的特有特性。如先前在對于這些已知的方法的介紹中所提及地，涂層通過在入射在襯底上時在襯底處從熔化凝固的所謂液體“潑濺”形成，而不是通過蒸汽狀材料的沉積形成。當然，應理解的是，如果大致液體的材料入射在要涂層的襯底的表面上，則實際上不會發生液滴的反射。這也就是說，在撞擊襯底相對冷的表面時僅僅瞬間冷凝成固體“潑濺” 并粘附至該表面，從而使得實際上排除了反射。在實踐中，包括第一表面的至少一個襯底和包括第二表面的至少第二襯底被有利地布置在襯底保持器處并且相對于彼此對齊，從而使得在等離子噴涂時轉換成汽相的涂層材料的至少一部分從第一襯底的第一表面偏斜和/或反射到第二襯底的第二表面上，使得通過從第一襯底的第一表面偏斜和/或反射的涂層材料對襯底的第二表面進行涂層和/或預熱。在這方面，優選的是，如果設定從第一表面偏斜和/或反射到第二表面上的蒸汽狀涂層材料的量，則使得當第二表面不再直接經受涂層束時，該第二表面維持在可預先限定的表面溫度。在這方面，可能有多種措施，借助于所述多種措施能合適地設定偏斜和/或反射的涂層材料的量。因此，例如，可對應地優化第一表面相對于第二表面的取向。或者，可對應地設定不同的噴涂參數，諸如等離子的加熱功率、工藝室中的工藝壓力、涂層束的超聲速或其他噴涂參數。此外，可旋轉的襯底保持器可以預先確定的設置或者可變的旋轉速度來繞主旋轉軸線和/或繞連接軸線旋轉，和/或其旋轉速度可以設定或調節，從而使得偏斜和/或反射的涂層材料的量或任何不同的涂層參數得以優化。優選地，涂層束以本身已知的方式關于預先限定的空間角度區域在要涂層的襯底上來回樞轉，這也被稱為“掃掠”，并且為了所提及的目的或者為了其他目的(例如，使襯底回火至預先限定的溫度)已在介紹中詳細描述。此外，部件操縱器與產生等離子的等離子源之間的分隔距離可以以預先限定的路徑間隔改變。這例如可發生在等離子源的位置和/或部件操縱器的位置的改變中，使得部件操縱器與等離子源和/或包括等離子源的噴槍之間的相互分隔距離被改變。當然，還可能的是，部件操縱器在預定的樞轉區域中相對于涂層束作為一個整體樞轉。在這方面，涂層室中的工藝壓力在實踐中常常選擇成小于20mbar，優選地小于IOmbar,尤其是在O. Imbar與2mbar之間。在這方面，涂層束通常以具有在1，500m/s與3，000m/s之間的音速的超音速來操作，并且優選地以大致2，000m/s操作，和/或涂層束具有在4，000K與20，000K之間的溫度，優選地具有在6，000K與10，000K之間的溫度。
對于在實踐中相關的大部分情況，涂層材料關于這一點以噴粉的形式以本身已知的方式提供。在這方面，設定涂層設備的上述工藝參數和/或幾何參數，使得涂層材料按重量計算多于10%的部分轉換成汽相，優選地按重量計算多于50%，以及在優選實施例中尤其地按重量計算多于80%轉換成汽相。在這方面，根據本發明的方法尤其適于在涂層工藝中同時涂層多個渦輪葉片、尤其是多個雙葉片，其中結構層在實踐中常常是本身已知的熱障涂層。本發明還涉及一種用于實現根據本發明的在襯底上制造功能結構層的上述方法中的一種方法的涂層設備。在這方面，根據本發明的涂層設備包括工藝室，在該工藝室中，涂層材料可借助于等離子噴涂方法在可預定的低的工藝壓力下以涂層束的形式噴涂在襯底的表面上，其中涂層材料能夠以低的壓力(低于200mbar)噴射到使涂層束散開的等離子 中，并且可在等離子中被部分或完全熔化。在這方面，提供了等離子源和/或包括等離子源的噴涂槍，借助于該等離子源和/或包括等離子源的噴涂槍可產生具有足夠高的焓的等離子，使得涂層材料的量中按重量計算5%的部分的相當大部分的涂層材料可轉換成汽相，并且可在襯底上形成結構層。根據本發明，為要處理的襯底的動態定位提供了根據本發明的部件操縱器。在這方面，根據本發明的涂層設備優選地配置有部件操縱器，使得要涂層的襯底能夠布置在部件操縱器處，使得襯底的第一表面與襯底的第二表面在襯底保持器處能夠相對于彼此對齊，從而使得在涂層工藝期間，在等離子噴涂時轉換成汽相的涂層材料的至少一部分從襯底的第一表面偏斜和/或反射到襯底的第二表面上。當然應理解的是，在特定的實施例中，根據本發明的涂層設備和/或根據本發明的部件操縱器可由結構性的觀點構成，使得此外還能實現諸如以上所述的方法的其他方法變體。


在下文中，將參考附圖詳細說明本發明。示出了 圖I是從現有技術已知的用于對飛機動力設備的渦輪葉片進行涂層的方法；圖2a是根據本發明的部件操縱器的第一非常簡單的實施例；圖2b是在拆開狀態下的根據圖2a的實施例；圖3是根據本發明的部件操縱器的特別優選的實施例；圖4a是在沒有封裝的情況下的圖3的實施例；圖4b是根據圖4a從方向I看到的圖4a的實施例的視圖；圖4c是在沒有基板的情況下以透視圖形式的圖4a和/或圖4b ；圖4d是根據圖4a和/或圖4b的沿驅動方向的基板；圖4e是具有主驅動軸的軸護套；圖5a是以透視圖形式的具有連接元件的軸承殼的設置；圖5b是沒有連接元件的根據圖5a的軸承殼；圖5c是陶瓷連接元件；圖6a是對襯底保持器與連接元件之間的插塞旋轉連接的制造；
圖6b是襯底保持器與連接元件之間的插塞旋轉連接；圖6c是借助于鎖定銷對插塞旋轉連接中的旋轉的固定；圖6d是在連接元件的局部透視圖中的對插塞旋轉連接中的旋轉的固定；圖7是根據本發明的用于多個渦輪葉片的同時涂層的方法；以及圖8是從觀察方向B看到的圖7的實施例的視圖。
具體實施例方式已在關于現有技術的討論期間以介紹的形式描述了圖1，使得在這一點上可根據圖2至圖8直接從根據本發明的實施例開始討論。初始地，參考圖2a和圖2b，將說明根據本發明的部件操縱器的第一非常簡單的實施例，該實施例在下文中總體上用附圖標記I指示。為了強調插塞旋轉連接的功能，在圖2b·中以拆開狀態示出了根據圖2a的實施例，這意味著在圖2b中襯底保持器5與連接元件4之間釋放了插塞旋轉連接，并且從連接元件4拔出連接元件51。根據圖2a和圖2b，根據本發明的部件操縱器I的簡單實施例僅允許對具有襯底2的單個襯底保持器5的接納，用于對要在熱處理工藝中進行處理的襯底2的動態定位。在該非常簡單的實施例中，部件操縱器包括可繞主旋轉軸線3旋轉的主驅動軸30、陶瓷連接元件4和可連接至連接元件4的襯底保持器5來作為必需元件。根據本發明，陶瓷連接元件4借助于插塞旋轉連接相對于插塞旋轉連接的連接軸線V以抗拉且旋轉固定的方式連接至襯底保持器5的連接段51，使得襯底保持器5布置成可繞連接軸線V旋轉。參考圖3至圖6d，現在將介紹與根據本發明的部件操縱器的實踐特別相關的實施例。根據圖3，根據本發明的用于對要在熱處理工藝中處理的襯底2(在該示例中，雙渦輪葉片2)進行動態定位的部件操縱器I包括可繞主旋轉軸線3旋轉的主驅動軸30、連接元件4和可連接至連接元件4的襯底保持器5。在這方面，根據本發明，連接元件4是陶瓷連接元件4，其中襯底保持器5的連接段51借助于插塞旋轉連接相對于連接軸線V以抗拉且旋轉固定的方式連接至連接元件4。在這方面,插塞旋轉方向的每根連接軸線V相對于主旋轉軸線3以可預先限定的傾斜角α傾斜，其中，在實踐中傾斜角α通常大于或小于90°，并且在優選實施例中等于大約30°。在這方面，如果每個單獨的襯底保持器5在操作狀態中可繞其連接軸線V旋轉，那么這是優選的，并且所有的襯底保持器5可經由主驅動軸3共同繞主旋轉軸線3旋轉也是優選的。如所能清楚看到的那樣，多個連接元件4關于主旋轉軸線3偏心地設置在基板6處，用于多個襯底保持器5的接納。如在下文中將參考詳圖更詳細地說明的那樣，連接元件4例如為了防溫度輻射、為了防涂層束BS (在該示例中未示出)、或者為了防可能在操作狀態下影響連接元件4的其他破壞性影響而被封裝在封殼12中。在這方面，封殼12容納被旋轉固定地連接至主驅動軸30的基板6，在圖2中封殼12還覆蓋主驅動軸30，并且由此不能被看作用于接納帶有襯底保持器5的連接元件4的必需元件。同樣被封殼12覆蓋并因此在圖3中不可見的是基板6，基板6經由用于冷卻劑流體KF供應的連接元件32旋轉固定地連接至主驅動軸3，并且連接元件4借助于同樣位于封殼12中的驅動單元7與用于襯底保持器5旋轉的接觸元件8有效連接，這意味著，尤其是主驅動軸30相對于接觸元件8可旋轉地布置，其中接觸元件8尤其優選是布置在相對于主驅動軸30固定的軸護套31處的齒輪，接觸元件8是有齒的，用于借助于驅動單元7來驅動連接元件4。詳細參考以下的圖4a至圖4e，在它們存在于圖2的實施例中的范圍內描述根據圖3和圖2的、根據本發明的部件操縱器I的實施例的部件。參考圖4a，在無封裝的情況下介紹圖3的實施例，這意味著其在封殼12被移除的情況下示出，使得能更好地識別封殼12的內部中的部件以及它們的協作。為了清楚，還移除了具有襯底2的襯底保持器5。如人們一開始就能清楚地看到的那樣，主驅動軸30可繞主旋轉軸線3旋轉，主驅動軸30由非旋轉的軸護套31引導，也就是說，由相對于主驅動軸30固定的軸護套31引導。 在這方面，主驅動軸30通過未圖示的驅動器(例如，通過合適的電動馬達、或液壓馬達、或氣動馬達、或任何其他合適的驅動器)在操作狀態下旋轉地移動。接觸元件8布置在軸護套31處，在軸護套31中，主驅動軸30被如所提及的那樣引導，并且接觸元件8旋轉固定地連接至軸護套。因此，在該示例中，接觸元件8是布置在相對于主驅動軸30固定的軸護套31處的齒輪，其具有齒，用于通過驅動單元7來驅動連接元件4。分別布置在軸承殼41中的三個連接元件4設置在基板6處。基板6借助于在圖4a中不可見的連接元件32旋轉固定地連接至主驅動軸30，使得基板6能夠通過主驅動軸30繞主旋轉軸線3旋轉地移位。由于連接元件4分別經由驅動單元7與接觸元件8旋轉固定地接合,驅動單元7在其部分中分別通過齒輪71與設計成固定齒輪的接觸元件8旋轉固定地接合，所以陶瓷連接元件4還關于固定的接觸元件8在基板6的旋轉上旋轉地移位。這種原理上可能是非常簡單的傳動的驅動器為本領域的普通技術人員從其他應用中已知，因此連接元件4的旋轉驅動的功能通過圖4a對于本領域的普通技術人員而言是顯然的。如還可認識到地，布置在基板6處的冷卻分配器9經由單獨的冷卻管線KL以通過軸承殼41處的連接的管線連接的形式分別連接至連接元件4。如稍后將更詳細地說明地，冷卻分配器9例如經由主驅動軸30、或者如圖4b所圖示地經由在連接元件32處的供應開口來中心地供應以冷卻流體，然后冷卻流體KF能夠經由冷卻管線KL被引導，以便還用于對連接元件4處的襯底保持器5和/或襯底2進行冷卻。在這方面，任何合適的冷卻流體都作為冷卻流體KF被討論，尤其是諸如氮或稀有氣體之類的氣體或者是適于對應的機械加工工藝的任何其他合適的氣體狀或液體冷卻流體KF。在這方面，通常還可能的是，基板6也借助于冷卻流體KF冷卻，然而也可為基本6的冷卻提供附加的單元，所述附加的單元借助于例如水或合適的氣體之類的其他冷卻流體來冷卻基板6。圖4b為了清楚起見再次示出了圖4a的實施例，這次是從根據圖4a中的方向I觀察到的視圖。在該側視圖中，現在還清楚地看到連接元件32，經由連接元件32，冷卻流體經由側向供應開口供應至冷卻分配器9。在該示例中，還可非常清楚地看到驅動機構的操作模式。設計成齒輪的接觸元件8通過螺釘旋轉固定地連接至固定的軸桿。連接元件32也螺釘連接至固定的軸桿31和/或連接至固定的接觸元件8，使得連接元件32相對于主驅動軸30和/或相對于基板6固定。在這方面，冷卻分配器9旋轉固定地連接至可旋轉的基板6，并在操作狀態下與該可旋轉的基板6—起旋轉。在這方面，冷卻流體KF經由中心管線從固定的連接元件供應至旋轉的冷卻分配器，借助于中心管線，連接元件32中的冷卻分配器9被導通地連接，但并不被旋轉固定地連接。為了更好地理解先前描述的用于經由齒輪71驅動連接元件4的驅動機構，在圖4c中在無基板6的情況下以透視圖再次示出了圖4a和/或圖4b。圖4d和圖4e均最終再次分別單獨且詳細地示出了根據圖4a和/或圖4b的具有驅動單元7的基板6和/或具有主驅動軸30的固定軸桿31。如能從圖4d看到地，基板6繞主旋轉軸線3可旋轉地布置，其中驅動單元7的齒輪71與齒輪形的接觸元件8接合，使得基板6繞主旋轉軸線3的旋轉使未圖示的連接元件4繞連接軸線V旋轉地移位。可從圖4e清楚地看到主驅動軸30的設置與功能，主驅動軸30布置在固定的軸護套31內，軸護套31可繞主旋轉軸線3旋轉。參考圖5a，通過局部切開的殼體以透視圖示意性地圖示了具有連接元件的軸承殼的設置。如能清楚地看到地，連接元件4通過軸承元件42支撐在軸承殼41中，其中在軸承殼41中提供了形成三點支承的三個軸承元件42。在軸承殼41的切開區域中僅能看到兩個軸承元件。由于第三軸承元件位于軸承殼41的沒切開的部分之下，所以在圖5a中不能看到第三軸承元件。連接元件4經由三乘二個軸承滾子72的支撐所具有的顯著優點是，可極好地限定連接元件4與軸承滾子72之間的游隙。此外，還限定了連接元件4與軸承滾子72之間相對比較小的接觸表面，從而使得傳遞相對較少的熱，并且還可將這些軸承保持為小型的，這繼而又節省了成本。關于這一點，軸承元件42由陶瓷與CrNi的組合制造，用于高達大約500°C的操作范圍。高達大約800°C的溫度的情況下，例如Si3N4陶瓷可有利地用于軸承元件42。主要地，Al2O3也作為用于軸承的材料而被討論，其中甚至可能有達到1900°C的溫度。例如，在軸承處或者在下面進一步描述的安全帶11處必需的密封件優選地可由針織起絨物(needle fleece)制造,例如3. 5mm的針織起絨物,這使得能夠達到1100°C的操作溫度而不會有任何問題。在這方面，使軸承元件42與冷卻流體KF間接接觸，并且能因此經由冷卻管線KL用冷卻流體KF來冷卻軸承元件42。圖5b為了更好的理解在無連接元件4的情況下示出了根據圖5a的軸承殼41。清楚地示出了形成連接元件4所用的三點支承的三個軸承元件42。在這方面，為了防熱影響，例如可用針織起絨物覆蓋軸承殼41，這同樣允許例如達到1100°C的高操作溫度。圖5c示出了供軸承殼41使用的連接元件4。能清楚地看到用于接納軸承滾子72的接納槽N。還能清楚地看到貫穿開口 DG，通過該貫穿開口 DG能將冷卻流體KF引導到連接元件4的內部中。連接元件關于該圖的下部區域WZ用于齒輪的接納，該齒輪優選由金屬制成，并且達成與驅動單元7的耦聯。在這方面，連接元件例如由Al202、Si02、或不同的合適的技術陶瓷制成。圖5c中還能清楚地看到根據圖示在連接元件4的上部區域中的大致矩形的開口 500，該開口 400用于接納襯底保持器5的連接段51，并因此用于形成襯底保持器5與連接元件4之間的插塞旋轉連接。還能清楚地看到用于防旋轉安全件10的陶瓷鎖定銷的孔101以及用于將陶瓷鎖定銷緊固到孔101中的安全帶11所用的安全槽111，這將在以下詳細地參考圖6a至圖6d。參考圖6a，應強調的是，如何制造襯底保持器5的連接段51與連接元件4之間的插塞旋轉連接。如已提及地，連接元件具有例如大致矩形的開口 400，其中能夠引入連接元件。其中開口 400當然還可具有任何其他合適的形狀。在這方面，連接元件51也具有大致矩形的封閉部分511，和/或任何其他類型的合適形式，這允許形成將封閉部分511沿某一取向裝配地引入到連接元件4的開口 400中。在這方面，連接部分51在該示例中被設計成中空的，使得在進入到開口 400中的引入時，該連接部分51可能夠被引導銷401接納就位。引導銷401例如可由SiO2 (熔凝石英)或Al2O3材料或任何其他耐高溫材料構成。當連接部分51被引入到開口 400中的預先限定的深度時，襯底保持器5和/或連接部分51轉動例如大約90°或180°或者任一不同角度的某一角度，其中封閉部分511以本身已知的方式與開口 400內部中的封閉槽互鎖，使得連接部分51固定地錨接到開口 400中。這意味著連接部分51實質上沿連接軸線的方向不再可動。該狀態在圖6b中示出。如還能從圖6a看到地，引導銷401具有中心孔，經由該中心孔，冷卻流體KF能經由連接部分51被引導到襯底保持器5中。在根據圖6b的具體實施例中，襯底保持器5構造成使得將冷卻流體KF進一步引導到襯底2(在本示例中為渦輪葉片)的內部，并從而例如在熱涂層工藝期間冷卻襯底2。冷卻流體KF流過襯底2，并如應由兩個箭頭KF所指示的那樣最終從襯底2流入環境中，例如流入襯底2當前正被涂層的工藝室中。當例如要涂層的襯底2是渦輪葉片時，則冷卻孔通常被設計在渦輪葉片內，從而通常在渦輪葉片的操作狀態中通過所述冷卻孔來引導冷卻氣體，使得更好地冷卻葉片。當然，應理解的是，這些冷卻孔在涂層工藝期間不允許被涂層材料封閉。為此，冷卻流體KF在根據本發明的涂層工藝期間優選經由前述冷卻孔被運走，這具有的積極效應是，從渦輪葉片的冷卻孔流走的冷卻流體KF將保持這些冷卻孔不被涂層材料封閉。顯然的是，在開口 400中僅連接部分51必須被緊固，以便防止繞連接軸線V的旋轉，這將參考圖6c簡要地說明。否則，可能出現連接部分51在開口 400中旋轉，使得該連接部分51可能再次從開口 400滑出。徑向孔101設置在連接元件4處和連接部分51處，以便防止連接部分51的旋轉，所述孔在連接部分51位于開口 400中的嵌入狀態下彼此對應，使得例如以金屬或陶瓷鎖定銷形式的防旋轉安全件10可插入到連接元件4和連接部分51的孔101中，使得這些鎖定銷防止了連接部分51的相對于連接元件4繞連接軸線V的旋轉。鎖定銷例如可由CrNi鋼或任何其他合適的材料制成。在根據圖示透明地圖示了連接元件4的上部的圖6d中，能清楚地看到防旋轉安全件10( S卩，鎖定銷10)如何能夠緊固以便防止旋轉。通過這樣，使得鎖定銷在操作狀態下不從徑向孔中釋放(即不滑出)，根據圖6d還利用安全帶11來緊固鎖定銷，該安全帶11在繞、連接元件4的周向方向上設置在安全槽111中，從而有效地防止了鎖定銷10的徑向移位。當然，應理解的是，取決于根據本發明的部件操縱器I的應用，僅一個或者多個襯底保持器5布置在連接元件4處，例如根據圖6b布置在可旋轉的連接元件4處，并因此可附加地繞連接軸線V旋轉，而所有其他的襯底保持器是本身已知的襯底保持器，所述所有其他的襯底保持器簡單地相對于部件操縱器I旋轉固定地布置，即不可繞連接軸線V附加地旋轉。或者，然而，在實踐中作為優選情況的是，所有的襯底保持器5都布置在可旋轉的連接元件4處，并因此例如根據圖6b可繞連接軸線V附加地旋轉。在圖7中以及相應地在圖8中，借助于根據本發明的部件操縱器I示意性地圖示了根據本發明的用于多個襯底2(在本示例中為渦輪葉片2)的同時涂層的方法。為了清楚，在圖7和圖8的圖示中省略了根據本發明的部件操縱器的細節。圖7以及相應圖8中的部件操縱器I例如可以是根據圖3的部件操縱器，其中代替三個襯底2，例如在該示例中同時涂層四個襯底2。 根據圖7以及相應圖8的渦輪葉片2是本身已知的用于高負載飛機渦輪的所謂雙葉片2。為了清楚，未詳細圖示工藝室2，并且作為示例在部件操縱器I上示出了四個渦輪葉片2。在這方面，圖8是從觀察方向B看到的圖7的視圖，并僅用于對涂層材料200的反射的機制的更好理解。因此，以下的說明同時與圖7和圖8相關。當然，在實踐中應理解的是，還可將少于四個的襯底2設置在部件操縱器I處。然而，根據本發明的方法以及部件操縱器I的優點是，還可同時涂層多于四個的襯底2，這使本發明的方法非常高效。因此，參考圖7，其示意性地圖示了用于制造襯底2上的功能結構層20的根據本發明的涂層設備和/或根據本發明的方法的優選實施例，在該方法中，涂層材料200借助于等離子噴涂方法在預先限定的低的工藝壓力P下于工藝室中以涂層束BS的形式被噴涂到襯底2的襯底表面211、212上，該等離子噴涂方法是在本示例中的介紹中描述的PS-PVD方法。在這方面，涂層材料200以低的工藝壓力P被噴射到使涂層束BS散開的等離子中，在本示例中工藝壓力為大約lmbar，涂層材料200在等離子中部分或完全熔化，其中生成具有足夠高比焓的等離子，使得涂層材料200的大部分都轉變到汽相(或氣相)。在該示例中，相當大部分的蒸發材料按重量計算高于60%。結構層20形成在襯底2處。在這方面，根據本發明，要涂層的襯底2布置在如上所述根據本發明的部件操縱器I處，使得襯底2的第一表面211與襯底2的第二表面212在部件操縱器I處相對于彼此對齊，使得在等離子噴涂時轉換成汽相的涂層材料200的至少一部分從第一襯底2的第一表面211偏斜和/或反射到第二襯底2的第二表面212上，從而使得第二表面212通過由第一表面211偏斜和/或反射的蒸汽狀涂層材料200被涂層，并同時供應有熱能，因此維持在足夠的溫度。在這方面，在圖8的視圖中能特別清楚地看到蒸汽狀涂層材料200的反射過程。可清楚認識到的是，包括第一表面211的第一渦輪葉片2與包括第二表面212的第二渦輪葉片2如何布置在部件操縱器I處，從而使得它們相對于彼此對齊，使得在等離子噴涂時轉換成汽相的涂層材料200的一部分從第一襯底21的第一表面211偏斜和/或反射到第二襯底2的第二表面212上，并且因此這還能在相對于涂層束BS而言的遮蔽區域處被理想地涂層。在這方面，如上所述，除部件操縱器I繞其主旋轉軸線3的旋轉之外，襯底2中的一個或多個襯底還可附加地繞連接軸線V旋轉，使得替代性地不同的表面211、212以反射的方式彼此相對地設置，使得從第一表面211到第二表面212上的反射能夠以不同的角度相繼發生，由此可甚至更加均勻并且以甚至更高品質來制造所形成的功能結構層。然后，取決于應用，僅一個或者若干個襯底保持器5布置在根據本發明的部件操縱器I處，例如根據圖6b布置在可旋轉的連接元件4上，并因此可附加地繞連接軸線V旋轉，而所有其他的襯底保持器是本身已知的、相對于部件操縱器I被簡單旋轉固定地布置(即，不可繞連接軸線V附加地旋轉)的襯底保持器。或者，然而，在實踐中作為優選情況的是，所有的襯底保持器5例如根據圖6b都布置在可旋轉的連接元件4處，并因此都可繞連接軸線V附加地旋轉。在這方面，可設定從第一表面211偏斜和/或反射到第二表面212上的蒸汽狀涂層材料200的量，使得當第二表面212不直接經受涂層束BS時(像例如圖7和圖8所示地部件操縱器I在涂層工藝中以預先限定的旋轉速度VD繞主旋轉軸線3旋轉時)，第二表面 212于是同樣可維持在預先限定的表面溫度并且被充分地涂層。除使部件操縱器I繞主旋轉軸線3旋轉和/或使襯底2圍繞連接軸線V旋轉之外，可在涂層工藝期間在預先限定的角度空間區域Ω中使涂層束BS能夠在要涂層的襯底2上來回樞轉，作為示例如圖7和圖8中所示的那樣，由此可實現襯底2對涂層束BS的更加均勻的經受，同時使襯底2不直接經受涂層束BS的時間最短，從而使得還實現了襯底2的甚至更均勻的回火。此外，在本實施例中可設定部件操縱器I與等離子源Q之間的分隔距離，該等離子源Q在一個或多個空間方向上以預先限定的路徑間隔X、Y來產生等離子，其中可使等離子源Q在一個或多個空間方向上沿其路徑X移位，和/或能在一個或多個空間方向上改變部件操縱器的位置，以及沿路徑Y在一個或多個空間方向上改變操縱器。此外，部件操縱器I在圖7以及相應圖8的具體實施例中可在預先限定的樞轉區域 中相對于涂層束BS樞轉。例如，本身已知的用于形成渦輪葉片2上的熱障涂層的細粒噴粉可用作涂層材料200，其中涂層束本身以具有在本示例中等于大約2，000m/s的音速的超音速操作，其中可在涂層束6中形成沖擊狀波或狀態。涂層束6在本示例中具有在6，000K與10，000K之間的溫度。
當然，應理解的是，本發明不局限于所描述的實施例，尤其地，在該申請的框架中描述的根據本發明的實施例當然還能夠以任何合適的方式彼此結合。
權利要求
1.一種用于在熱處理工藝中對要處理的襯底(2)進行動態定位的部件操縱器，其中所述部件操縱器包括能夠繞主旋轉軸線(3)旋轉的主驅動軸(30)、連接元件(4)和能夠連接至所述連接元件(4)的襯底保持器(5)，其特征在于，所述連接元件(4)為陶瓷連接元件(4)，所述襯底保持器(5)的連接段(51)借助于插塞旋轉連接相對于所述插塞旋轉連接的連接軸線(V)能夠以抗拉且旋轉固定的方式連接至所述連接元件(4)，并且所述襯底保持器(5)布置成能夠繞所述連接軸線(V)旋轉。
2.根據權利要求I所述的部件操縱器，其中提供了基板(6)，所述基板(6)旋轉固定地連接至所述主驅動軸(30)，用于接納帶有所述襯底保持器(5)的所述連接元件(4)。
3.根據權利要求2所述的部件操縱器，其中所述基板(6)經由用于供應冷卻流體(KF)的連接元件(32)旋轉固定地連接至所述主驅動軸(3)。
4.根據權利要求I或2所述的部件操縱器，其中多個連接元件(4)相對于所述主旋轉軸線(3)偏心地設置在所述基板(6)處，用于接納多個襯底保持器(5)。
5.根據權利要求I至4中任一項所述的部件操縱器，其中所述連接元件(4)經由驅動單元(7)與接觸元件(8)操作地連接，用于所述襯底保持器(5)的旋轉。
6.根據權利要求5所述的部件操縱器，其中所述主驅動軸(30)關于所述接觸元件(8)可旋轉地布置。
7.根據權利要求5或6中任一項所述的部件操縱器，其中所述接觸元件(8)是布置在相對于所述主驅動軸(30)固定的軸護套(31)處的齒輪，其是有齒的，用來借助于所述驅動單元(X)驅動所述連接元件(4)。
8.根據前述權利要求中任一項所述的部件操縱器，其中所述插塞旋轉連接的所述連接軸線(V)相對于所述主旋轉軸線(3)以能夠預先限定的傾斜角(α)傾斜。
9.根據權利要求3至8中任一項所述的部件操縱器，其中所述冷卻流體(KF)經由冷卻管線(KL)和布置在所述基板(6)上的冷卻分配器(9)能夠供應至所述連接元件(4)，并且能夠供應至所述襯底保持器(5)的所述連接段(51)。
10.根據前述權利要求中任一項所述的部件操縱器，其中所述連接元件(4)通過軸承元件(42)支撐在軸承殼(41)中，其中在所述軸承殼(41)中優選提供了形成三點支承的三個軸承元件(42)，并且其中能夠借助于與所述冷卻流體(KF)的間接接觸來冷卻所述軸承元件(42) ο
11.根據前述權利要求中任一項所述的部件操縱器，其中借助于防旋轉安全件(10)來緊固所述連接元件(51)，以免相對于所述連接元件(4)扭轉，其中所述防旋轉安全件(10)為鎖定銷，尤其為金屬或陶瓷鎖定銷，所述鎖定銷借助于設置在所述連接元件(4)處的安全帶被緊固。
12.—種供根據權利要求I至11中任一項所述的部件操縱器(I)使用的涂層方法。
13.根據權利要求12所述的用于在襯底(2)上制造功能結構層(20)的涂層方法，其中借助于等離子噴涂方法在預先限定的低的工藝壓力(P)下在工藝室中以涂層束(BS)的形式將涂層材料(200)噴涂到襯底⑵的表面上，其中所述涂層材料(200)在低于200mbar的低的工藝壓力(P)下噴射到使所述涂層束(BS)散開的等離子中，并產生具有足夠高的比焓的等離子，使得所述涂層材料的量中按重量計算至少5%的部分的相當大部分的所述涂層材料(200)轉換成汽相，并在所述襯底(2)上形成所述結構層(20)，其中利用能夠繞主旋轉軸線(3)旋轉的所述襯底保持器(5)布置要涂層的所述襯底(2)，使得所述襯底(2)的第一表面(211)與所述襯底的第二表面(212)相對于彼此對齊，從而使得在等離子噴涂時轉換成所述汽相的所述涂層材料(200)的至少一部分從所述襯底(2)的所述第一表面(211)偏斜到所述襯底(2)的所述第二表面(212)上。
14.一種用于實現根據權利要求12或13所述的在襯底(2)上制造功能結構層(20)的方法的涂層設備，所述涂層設備包括工藝室，在所述工藝室中，涂層材料(200)能夠借助于等離子噴涂方法在能夠預先限定的低的工藝壓力(P)下以涂層束(BS)的形式噴涂到所述襯底(2)的表面上，其中所述涂層材料(200)能夠在低于200mbar的低的工藝壓力(P)下噴射到使所述涂層束(BS)散開的等離子中，并且所述涂層材料(200)能夠在所述等離子中部分地或完全地熔化，并且其中提供了等離子源(Q)和/或包括等離子源(Q)的噴涂槍，借助于所述等離子源(Q)和/或包括所述等離子源(Q)的所述噴涂槍能夠產生具有足夠高的焓的等離子，使得所述涂層材料的量中按重量計算至少5%的部分的相當大部分的所述涂層材料(200)能夠轉換成汽相，并且能夠在所述襯底(2)上形成所述結構層(20)，其特征在于，提供了一種根據權利要求I至11中任一項所述的部件操縱器，用于要處理的所述襯底(2)的動態定位。
15.對根據權利要求I至11中任一項所述的部件操縱器(I)或者根據權利要求14所述的涂層設備的使用，用于利用根據權利要求12或13所述的涂層方法對襯底(2)涂層，其中所述襯底(2)尤其是用于飛機渦輪、用于燃氣渦輪、用于蒸汽渦輪或用于水力渦輪的渦輪葉片。
全文摘要
本發明涉及涂層方法和用于襯底動態定位的部件操縱器及其使用。具體地，提供了一種用于對在熱處理工藝中要處理的襯底(2)進行動態定位的部件操縱器(1)，其中該部件操縱器(1)包括可繞主旋轉軸線(3)旋轉的主驅動軸(30)、連接元件(4)和可連接至連接元件(4)的襯底保持器(5)。根據本發明，連接元件(4)是陶瓷連接元件(4)，并且襯底保持器(5)的連接段(51)可借助于插塞旋轉連接相對于該插塞旋轉連接的連接軸線(V)以抗拉且旋轉固定的方式連接至連接元件(4)，并且襯底保持器(5)布置成可繞連接軸線(V)旋轉。本發明還涉及涂層方法、涉及涂層設備、以及涉及對部件操縱器(1)的使用。
文檔編號C23C4/12GK102676973SQ201210090539
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月16日 優先權日2011年3月17日
發明者M·米勒 申請人:蘇舍美特科公司