Title:
Verfahren zur direkten Erzeugung von Porosität in Beschichtungen mit Hilfe der aerosolbasierten Kaltabscheidung
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Erzeugung von Porosität bei der aerosolbasierten Kaltabscheidung durch Einbringen einer flüchtigen Komponente als Porenbildner, dergestalt, dass diese nach dem Beschichtungsprozess ohne eine chemische Nachbehandlung oder einen Erwärmungsschritt oberhalb der Einsatztemperatur entweicht.
Durch den Einsatz der Erfindung kann Porosität in Beschichtungen oder Schichten ohne einen aufwändigen Nachbehandlungsschritt erzeugt werden. Dies ermöglicht einerseits einer einfachere und effizientere Prozesskette, andererseits aber auch bisher nicht mögliche Kombinationen von Beschichtungs- und Substratmaterial. Die Größe und Anzahl an Poren ist durch die Partikelgröße und Menge des verwendeten Porenbildners einstellbar.





Inventors:
Moos, Ralf, Prof. Dr.-Ing. (95447, Bayreuth, DE)
Schubert, Michael, Dipl.-Ing. (95448, Bayreuth, DE)
Exner, Jörg, Dipl.-Ing. (95445, Bayreuth, DE)
Stöcker, Thomas, M.Sc. (95444, Bayreuth, DE)
Bruckner, Michaela, M.Sc. (95447, Bayreuth, DE)
Hanft, Dominik, Dipl.-Ing. (95447, Bayreuth, DE)
Application Number:
DE102015010475A
Publication Date:
02/16/2017
Filing Date:
08/14/2015
Assignee:
Bruckner, Michaela, M.Sc., 95447 (DE)
Exner, Jörg, Dipl.-Ing., 95445 (DE)
Hanft, Dominik, Dipl.-Ing., 95447 (DE)
Moos, Ralf, Prof. Dr. Ing., 95447 (DE)
Schubert, Michael, Dipl.-Ing., 95448 (DE)
Stöcker, Thomas, M.Sc., 95444 (DE)
International Classes:
B05D1/02; B05D3/00; B05B7/14
Claims:
1. Schichtbildungsverfahren mittels aerosolbasierter Kaltabscheidung zur Herstellung von Porosität in Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Kompositschicht ausgebildet wird, welche aus einem oder mehreren Schichtmaterialien und mindestens einem oder mehreren Porenbildnern besteht, die durch geeignete Wahl der Prozessbedingungen während des Beschichtungszeitpunktes alle im festen Aggregatzustand vorliegen und im Anschluss an den Beschichtungsvorgang der oder die Porenbildner durch eine Aggregatszustandsänderung aus der Schicht entweichen und dabei Porosität hinterlassen, jedoch ohne einen Erwärmungsschritt oberhalb der Einsatztemperatur der Schicht oder eine chemische Behandlung erforderlich gemacht zu haben.

2. Schichtbildungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Komponenten des an der Abscheidung beteiligten Aerosols vor und/oder während der Beschichtung gekühlt werden, um die Abscheidungseigenschaften des Porenbildners gezielt zu beeinflussen.

3. Schichtbildungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Komponenten gleichzeitig, nacheinander oder in mehrfach alternierender Reihenfolge abgeschieden werden.

4. Schichtbildungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die porenbildende Komponente frühestens während des Auftreffens, spätestens nach Beendigung des Prozesses eine Aggregatszustandsänderung vollzieht und entweicht.

5. Schichtbildungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Nachbehandlung der Kompositschicht im Anschluss an den Beschichtungsprozess eine Aggregatszustandsänderung des Porenbildners ermöglicht oder zusätzlich beschleunigt wird, indem eine geeignete Veränderung des Drucks und/oder eine Erhöhung der Schichttemperatur die Aggregatszustandsänderung unterstützt.

6. Schichtbildungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und Anzahl der Poren in der Schicht direkt durch die Größe und Anzahl der am Aerosol beteiligten Partikel des Porenbildners oder der Porenbildner beeinflusst werden kann.

7. Schichtbildungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz eines gekühlten Trägergases mindestens eine Komponente des Aerosols zunächst in einem festen, eingefrorenen Zustand abgeschieden wird und im Anschluss bei Umgebungsbedingungen (Raumtemperatur, Umgebungsdruck) durch Sublimation ohne Bildung einer flüssigen Phase aus der abgeschiedenen Schicht entweichen kann.

8. Schichtbildungsverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Kühlung des zu beschichtenden Werkstücks eine Aggregatszustandsänderung während der Beschichtung unterbunden wird.

9. Mechanische Pulverkonditionierung vor dem Beschichtungsvorgang nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine geeignete Kühlung während der Pulverpräparation ein unerwünschtes Aufschmelzen niedrigschmelzender Materialien verhindert wird.

Description:
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Erzeugung von Porosität bei der aerosolbasierten Kaltabscheidung durch Einbringen einer flüchtigen Komponente als Porenbildner, dergestalt, dass diese nach dem Beschichtungsprozess ohne eine chemische Nachbehandlung oder einen Erwärmungsschritt oberhalb der Einsatztemperatur entweicht.

Technischer Hintergrund

Gewöhnlich ist für die Herstellung von keramischen Schichten oder Körpern eine Sintertemperatur oberhalb von 1000°C notwendig. In Folge dessen ist eine Integration bzw. Kombination von Keramiken mit niedrigschmelzenden Kunststoffen, Gläsern oder Metallen kaum oder gar nicht möglich [1]. Eine weitere Schwierigkeit stellen zudem Keramiken mit einem hohen kovalenten Bindungsanteil dar. Hierbei tritt eine Zersetzung der Keramik vor einer Verdichtung auf, wodurch eine Herstellung dichter Bauteile bzw. Schichten nicht oder nur unter erheblichem Aufwand möglich ist [2].

Eine neuartige Herangehensweise bildet ein bereits bekanntes Verfahren einer aerosol- und vakuumbasierten Schichtdeposition [3]. Das Verfahren wird in jüngster Zeit im Deutschen auch als „aerosolbasierte Kaltabscheidung” bezeichnet. Hierbei können bei Raumtemperatur dichte Schichten direkt aus den Ausgangspulvern auf verschiedenste Substratmaterialien abgeschieden werden. Diese zeichnen sich sowohl durch eine feste Anhaftung auf dem Substrat, hohe Dichtheit als auch durch im Vergleich zu den eingesetzten Ausgangspulvern ähnlichen Materialeigenschaften aus.

Die Grundlage des Verfahrens besteht darin, dass in einer entsprechenden Anlage mit Hilfe entsprechender Vorrichtungen (Beschreibung im nachfolgenden Punkt) Partikel 5 beschleunigt und auf ein zu beschichtendes Substrat 6 gelenkt werden. Die hohe kinetische Energie der Partikel 5 führt beim Aufprall auf das Substrat 6 mutmaßlich [1] sowohl zu einem lokalen Druck- und Temperaturanstieg als auch zu einer plastischen Deformation und zum Aufbrechen der Partikel. Dies sorgt wiederum für eine entsprechende Haftung sowohl zwischen den Partikeln als auch zwischen Partikel und Substrat.

Der Vorgang der Schichtabscheidung beginnt nach derzeitigem Wissensstand [1] mit einer Ausbildung einer Verankerungsschicht auf dem Substrat 6 und setzt sich mit einem kontinuierlichen Aufbau und der Verdichtung der Schicht fort. In der Literatur wird der Vorgang dieser Schichtbildung auch häufig mit dem Begriff „Room Temperature Impact Consolidation” (RTIC) bezeichnet [1].

Stand der Technik bzgl. der aerosolbasierten Kaltabscheidung und Erzeugung von Porosität

Die Hauptkomponenten einer Anlage zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern sind, wie in 1 dargestellt, eine Vakuumkammer 1, eine Evakuierungsvorrichtung 2, eine aerosolerzeugende Vorrichtung 3 und eine Düsenapparatur 4. Veröffentlichungen bzgl. des Anlagenaufbaus, die den Stand der Technik hierzu darstellen, finden sich z. B. in der US 7,553,376 B2. Das Prinzip einer Anlage zur aerosolbasierten Kaltabscheidung von Pulvern basiert darauf, dass über eine Evakuierungsvorrichtung 2 innerhalb der Vakuumkammer 1 ein Vakuum erzeugt wird [5]. Die aerosolerzeugende Vorrichtung 3 vermischt ein Gas, z. B. Sauerstoff oder Stickstoff, mit Partikeln 5 und erzeugt so ein Aerosol [4]. Als Folge des auftretenden Druckabfalls zwischen aerosolerzeugender Vorrichtung 3 und Vakuumkammer 1 werden die Partikel von der aerosolerzeugenden Vorrichtung 3 über eine Verbindungsleitung 4.1 in die Vakuumkammer 1 transportiert. Die Verbindungsleitung 4.1 mündet in einer Düse 4.2, in der durch Querschnittsänderung die Partikel 5 weiter beschleunigt werden. In der Vakuumkammer 1 treffen die Partikel 5 auf ein bewegtes Substrat 6 und bilden dort einen dichten kratzfesten Film [1].

Werden statt nur einem Beschichtungsmaterial hingegen Materialmischungen versprüht, bilden sich mehrphasige Kompositschichten aus [5]. Um Schichten mit Porosität zu erzeugen, wird dem Aerosol eine polymere oder keramische Komponente als Porenbildner beigemischt und damit zunächst eine dichte Kompositschicht abgeschieden. Bereits eingesetzte Porenbildner sind Calciumphosphat [6], Polyvinylidenfluorid (PVDF) [7] und Polyethylenglycol (PEG) [8]. In einem anschließenden Nachbehandlungsschritt werden diese Porenbildner entweder über einen chemischen Prozess, z. B. durch Ätzen mit Salzsäure [6], oder einen Erwärmungsschritt [8] oberhalb von 450°C entfernt und hinterlassen die gewünschte Porosität. Für eine erfolgreiche Schichtbildung bei der aerosolbasierten Kaltabscheidung ist es zumeist notwendig, vor dem Beschichtungsvorgang eine mechanische Pulverkonditionierung, z. B. eine Mahlung, durchzuführen.

Nachteile des Standes der Technik

Derzeitige Varianten der Einbringung von Porosität in Beschichtungen benötigen immer einen zusätzlichen Nachbehandlungsschritt, welcher mit dem Einsatz von gesundheitsschädlichen Chemikalien und/oder einer separaten Hochtemperatur-Auslagerung verbunden ist. Dementsprechend entstehen einerseits zusätzliche Kosten durch den Verbrauch an Chemikalien und/oder einen erhöhten Energiebedarf. Andererseits wird durch die zwingend notwendige Nachbehandlung und die dabei auftretenden hohen chemischen und/oder thermischen Belastungen das Bauteil geschädigt. Dies schränkt die Auswahl an grundsätzlich möglichen Materialen bzw. Materialkombinationen stark ein.

Grundgedanke der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Porosität in Beschichtungen. Hierfür wird zunächst eine (mehrphasige) Kompositschicht, bestehend aus dem eigentlichen Beschichtungsmaterial und mindestens einer zweiten, unter Prozessbedingungen festen Komponente als Porenbildner, hergestellt. Nach Beendigung des Prozesses entweicht diese Komponente bei veränderten Bedingungen (Überdruck oder Unterdruck) oder Umgebungsbedingungen oder einer geringfügigen Erwärmung, jedoch unterhalb der späteren Einsatztemperatur, aus der Beschichtung und hinterlässt damit Porosität. Bevorzugt lässt sich dies durch umfangreiche Kühlungsmaßnahmen lösen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass Porosität in Beschichtungen oder Schichten ohne einen aufwändigen Nachbehandlungsschritt erzeugt werden kann. Weder ein Erwärmungsschritt oberhalb der Einsatztemperatur, noch eine chemische Behandlung sind notwendig. Als Folge daraus kann der Herstellungsprozess effizienter gestaltet werden, indem z. B. energieintensive Hochtemperaturbehandlungen vermieden werden. Weiterhin kann eine deutlich größere Vielfalt bei den Beschichtungs- und Substratmaterialien verwendet werden, da durch die geringeren Prozesstemperaturen und ohne den Einsatz von aggressiven Chemikalien niedrigere Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe gestellt werden können. Zusätzlich ist die Größe und Anzahl an Poren durch die Partikelgröße und Menge des verwendeten Porenbildners einstellbar.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Ausgestaltung der Erfindung zur Erzeugung von Porosität in Schichten basiert auf der initialen Ausbildung einer Kompositschicht auf dem Substrat 6, dargestellt in 2. Die Kompositschicht besteht aus mindestens einem Beschichtungsmaterial 5.1 und mindestens einem Porenbildner 5.2. Stellvertretend sind in 2 aus Gründen der Übersicht jeweils nur ein Beschichtungsmaterial und ein Porenbildner dargestellt. Sowohl das Beschichtungsmaterial als auch der oder die Porenbildner liegen zum Beschichtungszeitpunkt durch die geeignete Wahl der Prozessbedingungen im festen Aggregatzustand vor. Veränderbare Prozessbedingungen sind dabei Druck und Temperatur in der Beschichtungskammer 1, sowie Druck und Temperatur der Aerosolerzeugung 3. Die Temperatur der Beschichtungskammer kann über eine Kühlung oder Heizung der Außenwände eingestellt werden, während die Temperatureinstellung bei der Aerosolerzeugung sowohl über ein temperiertes Trägergas als auch über Heizung oder Kühlung der Aerosolerzeugungseinheit 3 möglich ist. Eine Drosselung der Saugleistung der Evakuierungsvorrichtung 2 ermöglicht eine Regelung der Druckverhältnisse. Die initiale Kompositschicht kann auf verschiedenen Wegen hergestellt werden. So kann z. B. eine vorher hergestellte Pulvermischung aus Beschichtungsmaterial und Porenbildner zusammen und gleichzeitig aus einer einzelnen Düse 4.2 abgeschiedenen werden. Alternativ können mit zwei verschiedenen Düsen Porenbildner und Beschichtungsmaterial getrennt voneinander versprüht und auf den gleichen Auftreffpunkt auf dem Substrat fokussiert werden.

Um den Porenbildner im festen Aggregatzustand zu halten und eine vorzeitige Änderung des Aggregatszustands zu vermeiden, können sowohl das Trägergas als auch die gesamte Aerosolerzeugungseinheit gekühlt werden. Soll der Porenbildner nach der Bildung der Kompositschicht weiterhin im festen Aggregatzustand verbleiben, muss das Substrat ebenfalls aktiv gekühlt werden.

Nach dem Ende des Beschichtungsvorganges wird das beschichtete Werkstück unter geeigneten Bedingungen (Druck und Temperatur) ausgelagert, sodass der Porenbildner eine Aggregatszustandsänderung vom festen in den flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand vollzieht. Dies kann sowohl direkt im Anschluss an den Beschichtungsvorgang innerhalb der Beschichtungskammer als auch in einem eigenen Auslagerungsschritt außerhalb der Beschichtungskammer erfolgen. Eine Vielzahl an Materialien ist als Porenbildner geeignet. Alle Stoffe, welche bei gekühlten Bedingungen zunächst fest, bei Raumtemperatur oder leicht erhöhten Temperaturen aber flüssig oder gasförmig sind, kommen in Frage. Exemplarisch sind hier Trockeneis (festes Kohlenstoffdioxid) oder gefrorenes Wasser genannt. Nach der Aggregatszustandsänderung entweicht der Porenbildner aus der Beschichtung, wie in 3 dargestellt, und hinterlässt Porosität 7. Trockeneis bietet hier den Vorteil, dass es bei Umgebungsbedingungen (Raumtemperatur, Umgebungsdruck) sublimiert, also direkt in die gasförmige Phase übergeht, und damit ungehindert aus der Beschichtung entweichen kann. Durch Einstellung eines Unterdrucks und/oder Erhöhung der Temperatur kann eine Aggregatszustandsänderung des Porenbildners zusätzlich unterstützt werden, wodurch diese beschleunigt oder überhaupt erst ermöglicht wird.

In der Kompositschicht enthaltene Mengen an Porenbildner, sowie die Größe dieser Bereiche, hängen direkt mit der Partikelgröße und Menge des verwendeten Porenbildners zusammen. Somit kann hierüber auch die Menge und Größe an Poren beeinflusst werden.

Um die Ausbildung einer Kompositschicht aus Porenbildner und Beschichtungsmaterial zu verbessern, kann eine gemeinsame Pulverkonditionierung (z. B. Mahlung) beider Komponenten angewendet werden. Durch eine Kühlung während der Mahlung kann ein ungewünschtes Aufschmelzen einzelner Komponenten verhindert werden.

Zitierte Nichtpatentliteratur

  • [1] J. Akedo: Room temperature impact consolidation (RTIC) of fine ceramic powder by aerosol deposition method and applications to microdevices, J. Therm. Spray Tech., 17, 181–198 (2008), doi: 10.1007/s11666-008-9163-7
  • [2] H. Salmang, H. Scholze: Keramik, 7th ed, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg (2007), p. 857–859, 906, ISBN 3-540-63273-5
  • [3] K. Sahner, M. Kaspar, R. Moos: Assessment of the novel aerosol deposition method for room temperature preparation of metal oxide gas sensor films, Sensors and Actuators B: Chemical, 139, 394–399 (2009), doi: 10.1016/j.snb.2009.03.011
  • [4] M. Schubert, J. Exner, R. Moos: Influence of carrier gas composition on the stress of Al2O3 coatings prepared by the aerosol deposition method, Materials, 7, 5633–5642 (2014), doi: 10.3390/ma7085633
  • [5] J. Exner, P. Fuierer, R. Moos: Aerosol Codeposition of Ceramics: Mixtures of Bi2O3-TiO2 and Bi2O3-V2O5, J. Am. Ceram. Soc., 98, 717–723 (2014), doi: 10.1111/jace.13364
  • [6] J. Ryu; B.-D. Hahn; J.-J. Choi; W.-H. Yoon; B.-K. Lee; J. H. Choi; D.-S. Park: Porous Photocatalytic TiO2 Thin Films by Aerosol Deposition, J. Am. Ceram. Soc., 93, 55–58 (2010), doi: 10.1111/j.1551-2916.2009.03391.x
  • [7] J.-J. Choi; J.-H. Choi; J. Ryu; B.-D. Hahn; J.-W. Kim; C.-W. Ahn; W.-H. Yoon; D.- S. Park: Low-temperature fabrication of nano-structured porous (La,Sr)(Co,Fe)O3-δ cathodes by aerosol deposition, J. Alloys Compd., 545, 186–189 (2012), doi: 10.1016/j.jallcom.2012.08.060
  • [8] S.-Q. Fan; C.-J. Li; C.-X. Li; G.-J. Liu; G.-J. Yang; L.-Z. Zhang: Preliminary Study of Performance of Dye-Sensitized Solar Cell of Nano-TiO2 Coating Deposited by Vacuum Cold Spraying, Mater. Trans., 47, 1703–1709 (2006), doi: 10.2320/matertrans.47.1703

Bezugszeichenliste

1
Vakuumkammer
2
Evakuierungsvorrichtung
3
Aerosolerzeugende Vorrichtung
4
Düsenapparatur
4.1
Verbindungsleitung
4.2
Düse
5
Partikel
5.1
Beschichtungsmaterial
5.2
Porenbildner
6
Substrat
7
Porosität

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 7553376 B2 [0006]