本發(fā)明涉及一種用于在部件、帶狀材料或工具的表面上形成涂層的裝置。可以形成不同涂層，所述不同涂層特別形成耐高溫、耐磨損或耐腐蝕的層。

背景技術(shù)：

到目前為止，還沒有任何以連續(xù)材料進(jìn)料(例如，快速運(yùn)行的鋼帶狀材料)對大表面連續(xù)涂覆的良好可控的涂覆方法，其中，通過氣相沉積進(jìn)行涂覆，該方法比常規(guī)的涂覆方法具有經(jīng)濟(jì)競爭力，并且通過該方法，還可以由高熔點材料形成涂層。

因此，幾十年來，在用于精加工部件的批處理過程中，使用在負(fù)壓下工作的氣相沉積方法和具有高功能(耐磨損、光學(xué)和磁性應(yīng)用、微電子學(xué))層的工具進(jìn)行涂覆，例如，已知的化學(xué)氣相沉積(chemicalvapordeposition，cvd)和物理氣相沉積(physicalvapordeposition，pvd)方法。雖然cvd方法由于與處理前體和處理廢氣相關(guān)的困難而沒有廣泛用于連續(xù)過程，但是現(xiàn)在，在許多領(lǐng)域中，pvd方法對于精加工平板產(chǎn)品(鏡子、建筑玻璃)、片材和卷材(包裝膜、銅板和鋁板)是絕對必要的。

pvd方法的關(guān)鍵優(yōu)點在于，其中，涂層材料使用物理方法轉(zhuǎn)移到氣相，它們由于層組成和結(jié)構(gòu)而具有非常高的柔性，這允許例如目標(biāo)層設(shè)計。因此，自從20世紀(jì)80年代以來，一直在致力于在連續(xù)工藝中用氮化鈦涂覆電帶以減少磁滯損耗，并且還有相應(yīng)的專利。

典型地，用固體或液體金屬填充并且用電子束槍蒸發(fā)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(xù)提供到坩堝中的材料是有問題的。由于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(dǎo)通過待涂覆的相應(yīng)部件或工具的表面的熱通道。因此，散射涂層保留，在短暫的時間之后必須清潔并供給到再循環(huán)過程，這涉及非常復(fù)雜并且導(dǎo)致不能有效使用的時間損失。

在通過pvd工藝生產(chǎn)由鋅-鎂合金制成的防腐蝕層的領(lǐng)域中，也已經(jīng)存在許多公認(rèn)的技術(shù)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(xù)層的層系統(tǒng)的氣相沉積。還建議使用另外的熱后續(xù)處理。

還已知使用具有鋅涂層和鋅合金涂層的pvd涂覆方法。可以使用包括兩個噴射蒸發(fā)器和一個混合腔室的系統(tǒng)。蒸發(fā)器中的金屬被感應(yīng)加熱，形成的金屬蒸汽被引導(dǎo)到混合腔室中并且從那里被引導(dǎo)到運(yùn)行的帶狀部件的表面上。盡管該方法允許高速率，但由于大量熔化材料，其極度熱阻滯，這使得工業(yè)過程的調(diào)節(jié)更加困難。此外，所有的蒸汽接觸表面必須保持高于所使用的金屬的冷凝溫度，這幾乎不能處理，特別是對于更高熔點的金屬。此外，由于技術(shù)工藝原因，具有確定組成的金屬合金層的生產(chǎn)是困難的。還存在將材料連續(xù)進(jìn)料到蒸發(fā)器中的問題。因此，沒有長時間耐受液態(tài)鎂的材料。

另一種方法是基于電磁懸浮。在該方法中，將線狀材料側(cè)向進(jìn)料到石英管中，并且在保持懸掛的同時，通過包圍石英管的線圈熔化和蒸發(fā)。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，在形成于各個表面上的層中引入液滴(較大的顆粒)，這對于耐腐蝕層，耐磨層和經(jīng)受滑動磨損的層是不可接受的。

將切斷的金屬線片應(yīng)用于過熱板并立即在那里蒸發(fā)的方法，所謂的快速蒸汽沉積，解決了材料進(jìn)料問題。然而，由于在固相中進(jìn)料的材料和需要顯著高于每根線材上的蒸發(fā)溫度的溫度，不可能獲得足夠的蒸發(fā)速率。

同樣完善的熱噴涂方法，特別是線電弧噴涂方法的方法變型，是用于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，并且在線的端部蒸發(fā)一小部分材料并且液化更大的部分。氣體噴流從導(dǎo)線端部撕裂液體材料并將其加速到待涂覆的表面上。由于熔滴非常小，當(dāng)它們撞擊在冷的基底表面上時它們非?？焖俚赜不⑿纬膳c前述方法相比非常多孔的層狀結(jié)構(gòu)。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，使得熱噴涂不適合用于帶涂覆或僅僅出于資源效率的原因的大表面。此外，通過熱噴涂產(chǎn)生的表面通常對于汽車應(yīng)用來說太粗糙，因此需要后處理。此外，與許多材料結(jié)合的不足的粘附力是一個問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的基本目的是，在使用易于控制和/或調(diào)節(jié)的氣相沉積的涂覆表面的涂覆方法中，提供具有高涂覆速率的選擇、具有連續(xù)的材料供給，特別是對于高熔點材料或合金系統(tǒng)(例如鐵-鎂-鋅)。

根據(jù)本發(fā)明，該目的通過具有權(quán)利要求1的特征的裝置來實現(xiàn)。本發(fā)明的有利實施方式和改進(jìn)可以通過從屬權(quán)利要求中描述的特征來實現(xiàn)。

在本發(fā)明的裝置中，用于形成相應(yīng)涂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(qū)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。電弧可以在由用于形成涂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(xiàn)為噴頭。借助于來自電弧流的能量熔化和/或蒸發(fā)的材料且借助于氣體或氣體混合物的氣體噴流通過入口流入腔室的內(nèi)部，該腔室可以被加熱到至少等于用于涂層的至少一種材料或具有相應(yīng)最高蒸發(fā)溫度的材料的蒸發(fā)溫度。因此，一種或多種材料在腔室中完全蒸發(fā)并且通過腔室中存在的開口離開。因此，蒸發(fā)的一種或多種材料撞擊到部件的待涂覆的表面，帶狀材料或用于形成相應(yīng)涂層的工具的表面上。

由于部件、帶狀材料或工具的表面上的溫度低得多，因此沖擊材料轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w聚集狀態(tài)。如果使用這樣的多種材料，則可以產(chǎn)生原位合金結(jié)構(gòu)，特別有利地，這對于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涂層，則腔室內(nèi)的氣氛應(yīng)當(dāng)是無氧的。為了確保沒有氧氣并且降低所供給的材料的蒸發(fā)溫度，與環(huán)境壓力相比，腔室內(nèi)的壓力應(yīng)該被降低，優(yōu)選地，降低到最小對應(yīng)于水蒸發(fā)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(huán)泵。

該材料可以有利地經(jīng)由可控制的驅(qū)動輥被供給有待涂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，然后優(yōu)選地，可以按照連續(xù)氣鎖技術(shù)供給至在真空條件下或在無氧氣氛中發(fā)生的電弧熔化或氣相沉積過程。

這里，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(zhì)合金層系統(tǒng)。所使用的合金的數(shù)量和數(shù)目可以根據(jù)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(kuò)展。通過在大氣條件下將線形或帶狀材料焊接在一起以產(chǎn)生準(zhǔn)連續(xù)線，可以確保不間斷的操作(甚至幾周)。

用于形成涂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(fā)。有利地，一種或多種線狀材料應(yīng)當(dāng)有利地相對于彼此或相對于陽極或陰極、類似于電弧焊絲噴頭而以平角(銳角)供給。該角度應(yīng)該優(yōu)選地在30°的范圍內(nèi)。然而，用于熔化和/或蒸發(fā)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。然后，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(fā)。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(bǔ)電極，即陰極或陽極由非熔化材料形成。

同時，優(yōu)選地?zé)o氧氣體噴流(優(yōu)選地氮氣或氬氣)可以在布置在電弧的影響區(qū)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)，并將它們和所得到的材料蒸汽驅(qū)使出而通過噴嘴狀開口并通過入口進(jìn)入腔室的內(nèi)部。

待蒸發(fā)的線狀或帶狀材料或待蒸發(fā)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范圍內(nèi)的直徑的線的形狀或在幾毫米的范圍內(nèi)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于待蒸發(fā)的材料。對于fe，可以使用u＝30v和i＝80a。接觸有利地由具有通孔的桿形式的導(dǎo)電材料(銅)構(gòu)成，使得線狀材料(wire-shaped)可以被引導(dǎo)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(dǎo)，使得其端部相接。對于帶狀材料，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并且可以部分地蒸發(fā)。因此，為了保持光弧，必須繼續(xù)供給線形或帶狀材料，這可以通過送料裝置來實現(xiàn)。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制成的塊中。為了使部分熔化的、部分蒸發(fā)的材料完全蒸發(fā)，后者通過待蒸發(fā)的材料不與其反應(yīng)的氣體流(例如，氬氣)被朝向腔室向前撕裂，并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(fā)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(dǎo)電材料，并且可以特別有利地包括石墨，并且可以具有圓柱形狀(坩堝/腔室)。連接到陶瓷塊的連接管應(yīng)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后，材料以圓形流的形狀循環(huán)。尚未蒸發(fā)的熔化材料顆粒具有比氣態(tài)蒸發(fā)材料更高的密度。材料顆?？梢员粓A形流朝向內(nèi)部坩堝壁向外推動，沿著內(nèi)部坩堝壁，它們循環(huán)并且因此吸收來自坩堝的熱量的、用于完全蒸發(fā)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(nèi)部(浸入管)并且在兩端開口。已經(jīng)處于氣態(tài)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涂覆的表面；這可以是例如為在開口上方連續(xù)移動的帶狀材料。為了增加蒸汽的范圍并防止材料的再冷凝，所述裝置可有利地在其中存在負(fù)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(yīng)加熱是有利的。為此，坩堝可以由具有適合的阻抗的感應(yīng)器包圍，并且可以有利地在數(shù)千赫茲的范圍內(nèi)操作。感應(yīng)器有利地完全由確保感應(yīng)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(dǎo)致的熱損失，坩堝應(yīng)該由絕熱材料包圍。必須選擇坩堝溫度，使得超過待蒸發(fā)的材料的沸點。這例如對于zn為1200℃，或者待蒸發(fā)的材料在主要負(fù)壓下(例如，對于fe為2600℃)已經(jīng)具有顯著蒸汽壓力。

為了增加蒸發(fā)速率和/或用于蒸發(fā)不同的材料，坩堝可有利地配備有多個上述用于供給被熔化和蒸發(fā)的材料的裝置。

已知用于電弧的電弧噴涂(spraying)的具有高熔化能力的電流源可被用于形成電弧。根據(jù)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(guī)噴涂工藝相反，目標(biāo)應(yīng)是待蒸發(fā)的材料的最高可能的蒸發(fā)速率。這也應(yīng)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(yīng)該有利地在腔室內(nèi)預(yù)熱而供給，以使氣體量和在隨后的蒸發(fā)過程中所需的能量最小化。這可能例如利用在感應(yīng)器的加熱區(qū)域中的螺旋而發(fā)生。因此，氣體噴流可以流過感應(yīng)器的影響區(qū)域并且由此被加熱。

將氣體噴流、蒸發(fā)材料和極細(xì)熔滴的混合物添加到加熱腔室中。腔室內(nèi)的溫度必須至少等于具有分別用于形成涂層的最高蒸發(fā)溫度的蒸發(fā)材料的蒸發(fā)溫度，使得材料的剩余的小熔滴可以在腔室內(nèi)完全蒸發(fā)。通過使用負(fù)壓，可以顯著降低蒸發(fā)溫度和因此所需的腔室溫度。這對于幾種高熔點材料是必要和有利的，因為否則沒有可用于腔室壁的合適材料。最小對應(yīng)于使水蒸發(fā)的壓力的負(fù)壓對于仍然能夠使用耐灰塵以產(chǎn)生真空的成本效益好的水環(huán)泵是有利的。

至少一個噴頭可以存在于腔室上，或者至少一個噴頭也可以連接到腔室。因此，噴頭應(yīng)當(dāng)具有形成電弧和氣體噴流所需的元件。用于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(shè)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(fā)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(yīng)該至少等于所供給的高熔點材料的熔點。這里也要達(dá)到蒸發(fā)溫度。因此，噴嘴和噴頭以及可能的噴射器管應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地由耐高溫的隔熱陶瓷材料制成或由石墨組分和隔熱陶瓷材料的混合物制成。氮化硼優(yōu)選地用于陶瓷材料。水冷式接觸元件(優(yōu)選由銅制成)應(yīng)該集成到噴頭中以用于電接觸帶狀或線狀材料。機(jī)械能或幾何形式的流出的氣體-蒸汽液滴流可以呈現(xiàn)為錐形減小或擴(kuò)大的噴嘴的形狀的開口影響。

由于其良好的耐溫性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，石墨應(yīng)優(yōu)選地用作腔室壁的材料。根據(jù)待蒸發(fā)的一種或多種材料，為了形成涂層，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(yōu)選地以部分或完全襯里的形式。

優(yōu)選地，可以使用感應(yīng)加熱將腔室加熱至蒸發(fā)溫度或大于蒸發(fā)溫度。對于溫度>2000℃時的隔熱性，此處優(yōu)選的是石墨棉和氧化鋁襯里、水冷式銅感應(yīng)器的組合。然而，也可以使用腔室內(nèi)或腔室外的cfc電阻加熱元件進(jìn)行加熱。

為了使所需的腔室溫度最小化并同時防止熔滴離開腔室內(nèi)部并且確保熔滴保持或沿著腔室的加熱的外壁流動盡可能長，腔室的壁可以形成通道，熔化和/或蒸發(fā)的材料經(jīng)由長路徑而流過該通道并且流動持續(xù)延長的時間段。腔室壁可以有利地呈現(xiàn)為旋風(fēng)分離器的形式。待涂覆的材料應(yīng)該在腔室內(nèi)滑動，如在氣墊上、在氣體流和/或蒸汽流上，并且在腔室內(nèi)形成的蒸汽應(yīng)當(dāng)被引導(dǎo)成使得其全部可以沉積在待涂覆的表面上。這可以使用合適的開口或噴嘴形狀來有利地影響和調(diào)節(jié)，蒸發(fā)的材料被引導(dǎo)出通過該開口或噴嘴形狀。在任何情況下，應(yīng)當(dāng)防止腔室壁和待涂覆的材料之間的直流接觸，這因為這可能導(dǎo)致對待形成的涂層和/或?qū)η皇冶诘耐繉拥膿p壞。

如果蒸汽流作為涂層完全沉積在部件、帶狀材料或工具的表面上不可能在蒸汽的直流沖擊區(qū)域中，則用于涂覆的材料可以在腔室的開口上方被引導(dǎo)在熱的通道。

可以根據(jù)需要并且快速地使用不同的前進(jìn)速度來控制或調(diào)節(jié)在腔室的開口上方氣相沉積的涂層的合金組成，利用該前進(jìn)速度將線狀或帶狀材料供給到電弧中，結(jié)合合適的電弧參數(shù)并通過打開和關(guān)閉。

這樣，用于形成涂層的一種或多種蒸發(fā)材料的量可以適應(yīng)于待涂覆的表面沿其移動的前進(jìn)速度。

如果待涂覆更大的表面區(qū)域或特定表面區(qū)域，則多個開口可以存在于一個腔室上，并且蒸發(fā)的材料可以通過它們被引導(dǎo)到待涂覆的表面上。還可以存在多個電弧，且用于氣體噴流和線形或帶狀材料的進(jìn)料存在于一個腔室中。例如，使用縱向壓力腔室，也可以將多個腔室彼此連接。

對于將在部件、帶狀材料或工具的表面上形成涂層的某些分層系統(tǒng)，如從電子束氣相沉積領(lǐng)域已知的，流出蒸汽的附加電離可導(dǎo)致層性能的改善。

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

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(qū)域中，調(diào)節(jié)待涂覆到腔腔室的表面上的帶狀材料的表面。這可以產(chǎn)生顯著地減小摩擦的氣墊，并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涂層材料的損失。

在下文中使用示例更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。

附圖說明

圖1是用于在部件的表面上形成涂層的本發(fā)明的裝置的示例。

具體實施方式

圖1描述了用于在部件7的表面上形成涂層的裝置，在這種情況下是由鋼制成的帶狀材料。

使用驅(qū)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(dǎo)線形成為陰極2.1，并且一個導(dǎo)線形成為陽極2.2，則在這些導(dǎo)線之間可以形成電弧2。這蒸發(fā)和/或至少熔化端面端。

優(yōu)選地加熱到至少600℃的溫度并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(qū)域中，該體積流足以驅(qū)動熔化和/或蒸發(fā)的材料2.1和2.2通過注入管3進(jìn)入呈現(xiàn)為旋風(fēng)分離器的腔室4中。

氣體-蒸汽液滴混合物被驅(qū)動到呈現(xiàn)為旋風(fēng)分離器的腔室4中，使得旋轉(zhuǎn)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的加熱的外壁并且在那里蒸發(fā)，并且氣體-蒸汽流被輸送到布置在浸入管9的區(qū)域中的開口5。

待涂覆的部件7的表面以與開口5相距微小的距離而設(shè)置在腔室4的外部，并且在形成涂層期間以適當(dāng)?shù)那斑M(jìn)速度平移或旋轉(zhuǎn)地移動，使得提供用于涂覆的整個表面可以被涂覆。

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(yīng)當(dāng)是可驅(qū)動的。

一個或多個通道6呈現(xiàn)為，使得從電弧2到開口5的路徑延伸，并且由于旋轉(zhuǎn)流，融滴保留在加熱的壁上，以便延長蒸發(fā)的一種或多種材料和加熱壁之間的接觸時間并且延長在腔室4內(nèi)的停留時間。由于腔室4的壁在腔室4中保持的壓力下被加熱到大于材料2.1和材料2.2(涂層由其形成)的蒸發(fā)溫度，通過從外部封閉腔室4的感應(yīng)加熱器8，可以使用于涂覆的所有材料2.1和2.2在其從開口5離開之前蒸發(fā)，并且沖擊在待涂覆的部件7的表面上。這樣，可以特別地獲得腔室4的壁的涂層和用于形成涂層的材料的至少幾乎完全地耗盡。通過完全蒸發(fā)，還可以防止可能沉積在涂層中的液滴離開，并且可能導(dǎo)致表面質(zhì)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(nèi)部的壓力應(yīng)該相對于環(huán)境壓力降低，以便能夠盡可能多地降低材料完全蒸發(fā)所需的溫度。

在該示例中，腔室4的壁由石墨制成。對于其熔體作用于石墨的材料，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于形成涂層的純石墨一起使用的材料。