专利名称：涂层方法和用于衬底动态定位的部件操纵器及其使用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在热处理工艺中对将要处理的衬底进行动态定位的部件操纵器，还涉及一种供部件操纵器使用的涂层方法，以及涉及借助于根据相应类目的独立权利要求的前序部分的热涂层方法对衬底进行涂层的部件操纵器使用。
背景技术：
对各种工件的表面的涂层具有几乎数不清的应用，并且对应地在工业技术中具有高的经济重要性。在这方面，可因为非常不一样的原因来有利地将涂层涂覆在极其不同的衬底上。例如，在强机械负载的零部件上(诸如举例来说，在内燃发动机或压缩机的气缸或活塞环的工作表面上)的磨损保护层就起到了重要作用。除了耐磨性之外，还有其他的需求(例如，良好的滑动特性)，这意味着将良好的摩擦特性或者同样极好的干碾特性都置于这样的零部件上。特别地，不同的热喷涂方法(尤其是已知的等离子喷涂方法)已经被证明对于这样的以及类似的需求是非常成功的。特别地，为了在高负载工具上生成硬层，在诸如铣床、钻头等的去毛刺工具上通过电弧汽化、PVD或CVD工艺非常成功地制造了涂层。然而具体地，上述工艺的使用同样还非常广泛地分布在其他应用领域中，例如，用于珠宝或表壳的涂层，或者用于保护层的应用，或者简单地用于器具的装饰。此外，其他方法，例如气体渗氮也是很好的既定方法，气体渗氮尤其在防腐蚀方面具有很大重要性。在这方面，面积非常大的工件或者具有复杂表面几何形状的部件的涂层通常非常成问题。一般而言，热喷涂也已经以各种变型将其自身设置成还用于这些通常更成问题的情形，尤其是因为热喷涂已经设置成长期用在单独零部件制造中以及用在工业成批生产中。最常见的喷涂方法(尤其是也用于大量衬底的表面涂层的成批生产的喷涂方法)例如是采用了喷粉或金属喷镀线的火焰喷涂、电弧喷涂、高速火焰喷涂(HVOF)、火焰冲击喷涂或等离子喷涂。热喷涂方法的前述列表无疑是非结论性的。而是，本领域的普通技术人员知悉所列出的方法的许多变型以及其他方法，例如，诸如火焰喷焊之类的专用工艺。此外，关于这一点还必须提及所谓的“冷气喷涂”。在这方面，热喷涂对于其他应用领域而言已经变得可用。人们通常能得出结论的是，作为表面喷涂方法的热喷涂关于其应用领域而言是可能具有最大应用领域的涂层技术。由于应用领域就此而论可能重叠，所以对前述喷涂方法的应用领域的限制不一定显得合理。在这方面，长期以来就已成问题的是，提供具有处于足够均匀性的复杂表面几何形状的部件。关于这种零部件的典型示例是用于陆承涡轮或气承涡轮和/或所有类型的航空器的动力单元的涡轮叶片。关于这一点，通过例如由Sulzer Metco在EP 0776594B1中建议的方法实现了突破，该方法提供了该热低压工艺(“LPPS方法”)，其借助于宽的等离子电流不仅在几何复杂的部件上而且在例如片状金属零部件的大面积上都允许均匀的涂层制造。这一方面通过喷枪的几何设计来实现，然而，其中同样重要的是，在喷枪的内部与外部之间存在相当大的压差。关于这一点，工件或者至少工件中待涂层的表面区域存在于涂层室中，在该涂层室中，关于喷枪的内部产生负压，例如小于IOOmbar的负压，同时在喷枪中存在例如大约IOOOmbar的压力，即大致存在环境压力。借助于在喷枪内部与涂层室之间设定这样的压力梯度，能够产生宽且长的涂层束，借助于该涂层束，能够以迄今为止未能实现的均匀性对工件表面进行涂层。在这方面，该方法的重要优点在于，涂层在一定程度上还可能到达位于涂层束的“阴影”中的区域内，这些区域由于该原因在使用传统的等离子涂层方法时一般不能到达；这意味着这样的部件借助于传统的涂层方法不能在所有表面足够均匀地提供涂层，并且尤其是无法以足够的品质在相对于涂层束位于被遮蔽区域中的那些表面处产生涂层。在这方面，基本原理已经同时得到充分地进一步发展。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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关于这一点，这些方法尤其适于涂覆不同的金属或非金属涂层，尤其是还有在薄层中的陶瓷、碳化物或氮化物的层组分。尤其对于涡轮叶片的涂层而言，Sulzer Metco的所谓的LPPS薄膜工艺(PS-TF)关于这一点已确立其本身，其在当时确实改革了低压等离子喷涂。在这方面，它从工艺观点看是被改变了的传统的LPPS等离子喷涂方法。在这方面，通过对喷涂参数(尤其是在工艺室中和在等离子火焰或等离子束本身中的压力参数)的合适设定，将由等离子(“等离子火焰”或“等离子束”)流过的空间加宽并扩展至达到2. 5m的长度。等离子的几何扩展导致了与原料气一起喷射到等离子中的粉末束的均匀扩展(“散开”)。分散到等离子中的云并且在云中被部分或完全熔化的粉末束材料均匀分布地到达衬底的宽广展开的表面上。薄层出现在衬底上，该薄层的层厚度可小于10 μ m，并且该薄层由于均匀分布而形成密集的覆盖。借助于对薄层的多次涂覆，可制造具有特定特性的较厚的层，这使得这样的涂层可用作功能层。例如，可借助于多层涂覆来制造多孔层，其适合作为用于催化活性材料的载体(参见 EP-1034843)。如果我们把涡轮叶片作为示例考虑，则涂覆到形成涡轮层的基体上的功能层一般由许多部分层组成。例如，对于以高的工艺温度操作的燃气涡轮(固定式燃气涡轮或飞机涡轮)而言，叶片涂有对热气体腐蚀具有抗耐性的第一层或多层的部分层。第二涂层形成热障涂层，该第二涂层被涂覆到第一部分涂层上，并且将陶瓷材料用于该第二涂层。先前已知的LPPS等离子喷涂方法尤其非常适合于第一层的制造。到目前为止，热障涂层被有利地生成，原因在于出现了具有柱状微结构的涂层。如此结构的层包括其中心轴线垂直于衬底表面对齐的大致的圆柱体或颗粒。其中沉积材料的密度比颗粒中的密度小的转换区域侧向地限制颗粒。具有这样的各向异性微结构的涂层是对于和变化的张力有关的应变而言更有耐受性的结构，其中所述变化的张力是由于反复升高的温度变化所导致的。该涂层以大致可逆的方式反作用于变化的张力，这意味着无裂纹形成，从而使得该涂层的寿命同没有柱状微结构的普通涂层的寿命相比能大大延长。可借助于作为汽相沉积方法的薄膜方法来产生各向异性微结构。在称为“EB-PVD”(电子束-物理汽相沉积)的该方法中，借助于高真空中的电子束使要作为热障涂层沉积的物质达到汽相，并且使所述物质从汽相蒸发到要涂层的部件上。如果合适地选择工艺参数，则获得柱状微结构。除了别的情况之外，该汽相沉积法的缺点是非常高昂的设备成本。除此之外，在对包括多个部分层的涂层进行制造时，相同的设备不能用于LPPS等离子喷涂方法和用于EB-PVD工艺这两者。为此，必须为涂层进行多个工作循环。该问题通过根据EP 1495151B1的发明首次由Sulzer Metco令人满意地解决，由此，首次使等离子喷涂法变得可用，借助于该等离子喷涂法可制造热障涂层，并且该等离子喷涂法允许在一个工作循环中将涂层涂覆到涡轮叶片上，其中涂层包括有作为部分层的热
障涂层。这通过新颖的等离子喷涂法实现，其中以粉末束的形式将要涂层的材料喷涂到金属衬底的表面上，尤其是喷涂到涡轮叶片上。在这方面，涂层材料在低于IOOmbar的低的 工艺压力下被喷入到使粉末束散开的等离子中，并且涂层材料在等离子中被部分或完全熔化。在这方面，产生具有足够高的比焓的等离子，使得涂层材料中相当大的部分(按重量，至少5% )转换成汽相，并在衬底上形成各向异性结构层。形成各向异性微结构的细长微粒对齐，以在该层中大体上与衬底表面垂直地直立。缺乏材料的转换区域将微粒限制成靠着彼此。在这方面，根据EP 1495151B1的方法相对于通过借助于EB-PVD来制造柱状结构层的已知方法而言具有的另一决定性的优点是相同层厚所用的工艺时间明显较短。其间，根据Sulzer Metco的EP 1495151B1的方法已决定性地改善并进一步发展，并且已经同时作为缩写标识PS-PVD在市场上得以确立。由于在本申请的框架中描述的部件操纵器可有利地与要求保护的涂层方法(优选为本身已知的PS-PVD方法)结合使用，所以在下文中应详细地说明PS-PVD方法，使得以下对PS-PVD方法的说明形成本发明说明书的一部分。当然应理解的是，本发明的部件操纵器本质上能够用于任何热处理工艺，并且因此原则上也能够有利地用于任何涂层方法。作为“等离子喷涂-物理汽相沉积”的缩写形式的PS-PVD是一种用于来自汽相的涂层沉积的低压等离子喷涂技术。在这方面，PS-PVD是申请人基于上述LPPS技术(Journalof Thermal Spray Technology, 502,卷 19 (1-2), 2010 年 I 月)新近开发的新混合工艺家族的一部分。在这方面，除了 PS-PVD之外，该家族在其中还包括“等离子喷涂-化学汽相沉积” (PS-CVD)和“等离子喷涂-薄膜” (PS-FT)工艺。同传统的真空等离子喷涂和/或传统的LPPS工艺比较起来，这些新工艺的特征在于使用了以低于2mbar的工作压力操作的高能等离子枪。这导致了非传统的等离子束特征，其可用于独特的特定涂层的制造。PS-PVD工艺重要的新特性在于不仅仅由熔化的流体材料来形成涂层的可能性，在由熔化的流体材料来形成涂层的工艺中所述层通过在被入射于衬底时凝固的所谓液体“泼溅(splats) ”来构建。然而，PS-PVD还允许直接从汽相来构建所述层。因此，PS-PVD填补了传统的PVD技术与热喷涂的标准技术之间的空隙。将涂层材料转换成汽相从而直接从汽相来沉积层的该可能性开启了构建具有新颖结构的其他独特的层和/或层系的完全崭新的可能性。这些新的层结构的特性同到目前为止已知的层比较起来、尤其是同借助于EP-PVD制造的层比较起来，在许多方面明显优越。对于所有热喷涂工艺来说共同的是，如上所述，熔化材料(包括所谓“泼溅”的熔化材料)的层因此通过衬底表面上的液体喷涂材料的凝固过程最终形成。这与经典的PVD工艺相反，其中涂层在工艺室中从汽相形成在衬底上，其中涂层材料在工艺室中在例如大致l(T4mbar的低压下被转换成汽相。这意味着热涂层材料不是从液相沉积在冷的衬底表面上，而是该热涂层材料从汽相冷凝在衬底表面上。这导致了不能通过普通热 喷涂方法来实现的非常的涂层特征特性。如本身已知地，PVD层可能非常均匀，并且在这方面，PVD层能够非常薄、致密、坚硬并且气密，或者可具有特定的预定微结构。例如，借助于EP-PVD (电子束-物理汽相沉积)沉积的钇稳定氧化锆(YSZ)的柱状结构尤其适于必须完全消除应力和/或非常耐应力的热障涂层(TBC)。同热喷涂比较起来，PVD方法的决定性缺点是高的投资成本和低的沉积速率以及因此高的工艺成本。为此，PVD工艺主要用于非常薄的层以及批量生产。然而，也可用于非常有价值的或者安全性相关的零部件涂层，例如，对航空器的涡轮的工作叶片或导向叶片的涂层。此外，仅借助于传统的PVD技术仅能对与涂层源成直达视线排列的层，即，没有相对于涂层源位于遮蔽区域中。为此，到目前为止总是难以和/或之前不可能对具有底切或复杂几何形状的部件(例如涡轮叶片)来有效且有成本效益地涂层以具有高品质和预先限定的微结构的均匀层。为此，在现有技术中具有的长期需求是具有这样的可用的设备和方法，其将热喷涂与PVD工艺的优点统一在单个工艺中。这已经通过新近开发的PS-PVD工艺由SulzerMetco实现，该新近开发的PS-PVD工艺是初始的LPPS工艺的进一步发展，并且其首次提供了这样的方法，该方法能够借助于热喷涂从汽相进行涂层，从而使得能以低的成本和大的批量来非常有效地制造具有可预先限定的微结构和具有可预先限定的特性的高品质的涂层。该新方法尤其适于同样均匀地并且以期望的厚度和品质来对相对于涂层源位于遮蔽区域中(即，未处在涂层源的直达视线中)的表面区域进行涂层。在这方面，在限定的工艺气氛下并且相对于大气环境压力在降低的气体压力下(典型地，在例如位于工艺室中的氩气之类的惰性气体的气氛中)与LPPS工艺类似地实现PS-PVD工艺。典型的工艺气体压力在O. 5mbar与2mbar之间。通过减小工艺室中的压力，等离子火焰或等离子束膨胀至例如超过2m的长度和从200mm到400mm的直径，其中通过对压力参数的合适选择，还可尽一切办法设定更大的等离子火焰。尤其地，通过等离子火焰或等离子束的膨胀在等离子火焰中获得温度和颗粒的非常均匀的分布，从而使得在诸如例如涡轮叶片的非常复杂的部件上以及在遮蔽的表面区域中同样产生厚度非常均匀的层。在这方面，优选地预热和/或清洁衬底的表面。这例如能够借助于等离子束或者借助于集成到工艺室中的电弧工艺来进行。尽管例如Imbar的PS-PVD工作压力明显高于诸如用于经典的PVD工艺的大致10_4mbar的工作压力，但低的工艺压力与等离子火焰和/或等离子流中高的等离子能量和/或焓的组合导致了被喷射到等离子火焰中的粉末的限定的蒸发，并且因为此而允许在PS-PVD工艺中从汽相的受控沉积。与此形成对比，蒸发材料沿衬底表面的方向的输送是在EB-PVD工艺中具有受限制的传送速率的扩散过程，并因此最终还是具有要涂覆的表面层的受限制的生长速度的扩散过程。在PS-PVD工艺中不同的是，其在等离子流中以大致Imbar的压力、以大致6. OOOK至10. 000K的温度、并且以大致2000m/s到4000m/s的超音速来输送被蒸发的涂层材料。这导致了所述层在衬底处的高的生长速度，并且导致了以均匀的高品质来对衬底的底切或遮蔽区进行涂层的可能性。因此，PS-PVD工艺首次使得还能够例如有效地通过热障涂层系统来自动地并且大量地以先前未知的品质对例如涡轮叶片之类的非常复杂形成的零部件进行涂层。然而，成本增加的压力在此还要求进一步的改善。上述工艺的实质性特性就是在于要涂层的部件必须在确定的边界内或多或少均匀地回火。这例如通过在工艺室的室壁中提供加热的事实来发生在已知的EP-PVD方法中，涂层工艺在工艺室内进行，其中要被涂层的部件在确定的限制内从若干侧均匀地回火，这自然成为EP-PVD方法的另一缺点，这是因为必须附加地在室壁内提供相关需求的加热并且还必须对其进行操作。通常在LPPS方法中，并且尤其是在PS-PVD方法中，部件仅通过涂层束预热，这具有的优点是能节省室壁中附加的加热，但无疑也导致了涂层室内非常不均匀的温度场。为此，众所周知的是，当要涂层的部件的膨胀使得其不再通过涂层束就足够均匀地回火时，例如当要涂层的部分的膨胀如此之大使得涂层束仅部分地覆盖和/或包围部件的表面时，则使涂层束在可预先限定的角度区域中以足够的速度在部件上来回运动，使得部件的所有表面随后在涂层期间被涂层束周期性地扫描，从而使得相继地所有表面区域反复地经受涂层束，使得一方面均匀地涂层全部表面，并且另一方面，在可预先限定的参数边界内足够均匀地回火或预热要涂层的部件。用于在要涂层的衬底上扫描的涂层束的该或多或少的周期性运动还经常称为涂层束的“扫掠”。为了改善均匀回火和涂层的效应，还已知例如将涡轮叶片安装到可旋转的衬底保持器上，使得衬底还随涂层束的扫掠同时绕旋转轴线旋转，使得涂层束随后从各侧直接应用于衬底。为了清楚，参考图I再次说明该本身已知的设备。在图I中，从现有技术已知的方法被示意性地图示成用于飞机涡轮的涡轮叶片的涂层。应指出的是，为了较好的区别本发明与现有技术，涉及已知方法的图I中的附图标记设置有撇号，而在涉及本发明的其余附图中的附图标记没有撇号。图I示出了从现有技术已知的用于衬底2'上的功能结构层20'的制造的方法，该衬底2'在本示例中是用于飞机的涡轮叶片2'，其中以涂层束BS'的形式的涂层材料200'在工艺室中借助于等离子喷涂方法在预先限定的低的工艺压力P'下被喷涂到衬底2’的表面210'上，为了清楚在图I中未具体图示出工艺室。在这方面，涂层材料200'在例如可大致为Imbar的低的工艺压力P'下被喷射到使涂层束BS'散开的等离子中，并且涂层材料200,在等离子中被部分或完全熔化，其中产生具有足够高的比焓的等离子，使得涂层材料200'中大致尽可能高的部分转换成汽相，并且在衬底2'上形成结构层20'。为了获得涡轮叶片2'的尽可能均匀的涂层，该涡轮叶片2'布置在可绕旋转轴线3'旋转的衬底板5'上，并且在涂层束BS'中转动。同时，涂层束BS'在角度区域Ω'中在要涂层的涡轮叶片V上来回扫掠。然而，不幸的是，到目前为止如此通过PS-PVD方法以该方式仅能够涂层单个的不太大的衬底。、
到目前为止不能用PS-PVD法令人满意地涂层如下的空间展开的衬底所述空间展开的衬底大到使得它们的表面在扫掠时没有完全被涂层束俘获；或者所述空间展开的衬底具有不对称的几何形状，使得例如在旋转板旋转时，某些表面区域离涂层束的束轴线太远，以至于涂层束不再到达所述某些表面区域。由于涂层束在涂层室中最大扫掠的角度区域无疑是受限制的，并且同时要涂层的衬底必须与产生涂层束的喷枪具有相当大的间隔距离，所以在技术人员当中通常认为不能在一个工作循环中利用已知的PS-PVD方法来同时对理论上可安置在旋转的衬底保持器上的多个衬底进行涂层。当然，即使在涂层束进行合适的扫掠运动的同时通过对旋转的衬底保持器进行合适的旋转从而使涂层束能够依次到达所有表面，但是人们到目前为止也认为人们不能借助于PS-PVD方法将任何均匀的层涂覆在衬底上。在这方面，该假设的理由具有合理的物理基础。如以上在LPPS法中所描述地，尤 其是在PS-PVD法中，也就是说实质性的是，必须通过涂层束尽可能均匀地预热衬底。这意味着要涂层的衬底必须至少部分地在短的时间平均中大致恒定地完全经受涂层束。在这方面，时间平均意味着例如在涂层束的扫掠时，或者在衬底保持器的旋转时，衬底的某些表面区域没有经受涂层束的情况持续达如此短的时间，使得这些表面区域的温度同经受涂层束的那些表面区域的温度比较起来仅仅是不明显地降低。否则，这样大的温度梯度出现在衬底中，或者间歇地没有经受涂层束的表面区域的温度降低得如此之低，从而使得不可能再涂覆具有所必需的高品质的层。尤其地，如果对涂层束的经受被从设置在衬底保持器上的衬底或多或少间歇地移除，则对应的衬底将冷却得如此之低，从而使得当它们再次经受用于涂层的涂层束时，不再可能具有根据所述高品质需求的涂层。这种负面效应对于非常复杂成形的衬底而言被极大地放大，所述非常复杂成形的衬底具有非常深的展开或者嵌套的底切，或者以不同的方式复杂地形成，例如用于现代的极端高负载的飞机涡轮的双叶片，这是因为例如被遮蔽的表面区域被涂层束甚至更加不太频繁地加热或者加热时间更短，从而使得不再可能具有关于层品质和/或层结构而言有着最高要求的足够均匀的涂层。在这方面，当人们试图在同一个涂层束中同时涂层多个衬底时，不仅要担心先前所提及的问题。即使仅单个衬底布置在涂层束中，上述问题仍然出现。对此而言的实质性原因是已知的衬底保持器对要在涂层束中涂层的衬底仅仅允许非常有限的定位类型。这主要与这样的事实相联系，即，对衬底的处理是在困难的环境条件下进行的。例如，该处理很少发生在灰尘环境中，在高压下或者在低压下，以及尤其地在达到1000°C或者甚至更高的高温下。为此，由于例如设计衬底保持器使得部件可绕附加的轴线旋转或枢转所需的已知的轴承不能经受侵蚀性环境条件，或者只能在很短的时间经受侵蚀性环境条件，尤其是经受高温，所以已知的衬底保持器是具有尽可能少的可动部件的简单设计。然而，由于热涂层常常需要非常长的处理时间，例如涂层工艺通常可能要花费一小时或更长，所以在已知的轴承用于使衬底旋转或枢转的情况下，衬底保持器将在短的时间之后失效。为此，到目前为止，仅可用非常简单的衬底保持器，其仅以非常受限制的方式允许衬底的动态位置。
已知的衬底保持器的另一缺点是缺少要涂层的衬底与衬底保持器的热解耦。例如，在进行热涂层时，这具有的效应是，例如，从要被涂层的衬底(即，例如涡轮叶片)的相当大且频繁的不规则温度流失经由衬底保持器发生在对该对象进行支撑并且对该衬底保持器进行引导的处理装置中。该或多或少无法控制的温度流失与缺乏衬底相对于涂层束的可对准性和可动性相结合，导致了层品质的严重损失和/或高的废品率，并因此导致了不可接受的高成本。
发明内容
为此，本发明的目的是提供一种部件操纵器，其在热处理工艺中，尤其是在热喷涂工艺中用于要处理的衬底的动态定位，借助于该部件操纵器避免了从现有技术已知的衬底保持器的缺点，并且借助于该部件操纵器，尤其能够使部件在处理工艺期间绕至少一根轴线运动，其中要处理的衬底以可预先限定的方式与部件操纵器热解耦，或者在涂层工艺期间借助于该部件操纵器还可设定、可改变和/或能够影响要涂层的衬底的热耦合和/或热流。本发明的另一目的是提供一种涂层方法以及对部件操纵器的使用，其中避免了从现有技术已知的问题，以便尤其还同时理想地处理多个衬底，从而使得借助于LPPS方法、·尤其是借助于PS-PVD方法将非常高品质且均匀品质的表面层还以成本和时间有效的方式同时沉积到多个衬底上和/或沉积到非常大的衬底上和/或沉积到具有非常复杂的几何形状的衬底上。满足该目的的本发明的主题通过相应类目的独立权利要求来限定特征。相应的从属权利要求涉及本发明的特别有利的实施例。因此，本发明涉及一种用于在热处理工艺中对要处理的衬底进行动态定位的部件操纵器，其中部件操纵器包括可绕主旋转轴线旋转的主驱动轴、连接元件和能够连接至连接元件的衬底保持器。根据本发明，连接元件是陶瓷连接元件，并且衬底保持器的连接段借助于插塞旋转连接可相对于插塞旋转连接的连接轴线以抗拉且旋转固定的方式连接至连接元件，并且衬底保持器布置成可绕连接轴线旋转。对本发明而言所必需的是连接元件是陶瓷连接元件。由于连接元件由传导性非常差的陶瓷材料制成，所以衬底保持器以及因此布置在衬底保持器上的要涂层的衬底都非常好地与根据本发明的部件操纵器热解耦。因此，首次能够在进行热涂层时将例如从衬底到部件操纵器的热流减小至小到可预先限定的程度，由此温度流同时还均匀地从要处理的衬底(即，例如要热涂层的涡轮叶片)经由衬底保持器流至部件操纵器，从而使得不出现从现有技术已知的破坏性的无法控制的温度流，并且由于该效应已明显改善了层的品质，从而减小了废品率，并因此达到可接受的成本。由于陶瓷连接元件大大地减小从衬底经由衬底保持器进入部件操纵器中的热流，所以还能首次提供驱动单元和/或传动单元，借助于所述驱动单元和/或传动单元，衬底保持器可绕连接轴线旋转，如果没有所述陶瓷连接元件，那么在操作状态中由于过度的热影响传动单元将受到影响，甚至被损坏。在这方面，本发明尤其涉及具有3级行星传动的部件操纵器。这具有很大的重要性，尤其是对于这样的具体实施例而言，其中多个连接元件同时设置在部件操纵器上，用于接纳多个衬底保持器。在该情况下，借助于设置在部件操纵器处的传动单元能够经由单根主驱动轴同时驱动所有的连接元件，并且能使所有的连接元件绕连接轴线旋转地移位，使得例如在对多个衬底进行热涂层时，这些衬底可在涂层束中旋转，由此可产生具有到目前为止不可获得的品质的尤其更加均匀的涂层。因为用于衬底保持器的连接段借助于插塞旋转连接可相对于插塞旋转连接的连接轴线以抗拉且旋转固定的方式连接至连接元件，所以在部件操纵器处不需要进行复杂的安装工作的情况下就能够非常简单地互换衬底保持器。在特别优选的实施例中，插塞旋转连接被设计成采用本身已知的插入式封盖机构的形式。在优选的实施例中，提供了旋转固定地连接至主驱动轴的基板，用于接纳具有衬底保持器的连接元件，其中一个或多个连接元件可同时设置在衬底保持器处，优选地而不是必需地，例如可同时设置三个连接元件，从而使得多个衬底可同时设置在同一个部件操纵器处。在这方面，多个连接元件被特别有利地相对于主旋转轴线偏心地设置在基板处，从而使得在操作状态下，例如在涂层工艺期间，可通过绕主驱动轴线旋转来使布置在衬底保持器处的衬底与涂层束的不同区域接触，由此尤其能明显改善衬底的涂层的均匀性。
例如为了在热涂层时进一步改善衬底的层品质，连接元件可经由驱动单元与接触元件联系起来，用于绕衬底保持器的连接轴线的旋转，这意味着用于衬底保持器绕其连接轴线的旋转驱动，其中在特别优选的实施例中，部件操纵器的主驱动轴相对于接触元件以可旋转的方式布置。在这方面，在对于实践而言特别相关的实施例中，接触元件是关于相对于主驱动轴固定的轴护套进行布置的齿轮，该接触元件是有齿的，用于借助于驱动单元对连接元件进行驱动。在这方面，尤其优选的是，插塞旋转连接的连接轴线相对于主旋转轴线以可预先限定的倾角倾斜，使得例如一方面，可以使要在涂层束中涂层的衬底进行不对称运动，使得几何上非对称设计的部件(其可能设置有底切，例如涡轮叶片)在所有表面上都能够被均匀涂层，尤其是还在难以接近的底切的表面处。此外，如以下将进一步描述地，可能的情况是，由于衬底相对于彼此倾斜并且彼此同时绕它们相应的旋转轴线旋转，所以两个衬底的不同衬底段依次彼此面对，并且涂层材料能够从一个衬底表面反射到不同衬底的表面上，从而使得在与涂层束的方向不对应的方向上的涂层效应也是可能的。在这方面，连接元件可通过轴承元件支撑在轴承壳中，其中在轴承壳中优选提供形成了三点支承的三个轴承元件。在对于实践特别相关的实施例中，基板关于这一点优选经由连接元件以可旋转固定的方式连接至主驱动轴，所述连接元件在该连接中用于冷却液到衬底的供应。在实践中，冷却流体可例如经由冷却管线和布置在基板处的冷却分配器从连接元件供应至连接元件并且供应至衬底保持器的连接段。在这方面，在对于实践特别相关的实施例中，还可借助于与冷却流体的间接接触来冷却轴承元件。为了确保衬底保持器和/或连接段到连接元件的牢固连接，可借助于防旋转安全件来紧固所述连接段，防止相对于连接元件的旋转，其中所述防旋转安全件为锁定销，尤其优选为例如可借助于设置在连接元件处的安全带被紧固的陶瓷锁定销。在这方面，连接元件例如为了防温度辐射、为了防涂层束或者为了防可能影响在操作状态下的连接元件的其他破坏性影响而被封装在封壳中。
本发明还涉及利用部件操纵器时的涂层方法，还涉及对本发明的部件操纵器的使用，其中衬底尤其是用于飞机涡轮、用于燃气涡轮、用于蒸汽涡轮或用于水力涡轮的涡轮叶片。在这方面，根据本发明的涂层方法尤其涉及(但不仅涉及)用于衬底上的功能结构层的制造的涂层方法。在这方面，借助于等离子喷涂方法在预先限定的低的工艺压力下在工艺室中以涂层束的形式将涂层材料嗔涂到衬底的表面上，其中涂层材料在低于200mbar的低的工艺压力下被喷射到使涂层束散开的等离子中，其中产生具有足够高的比焓的等离子，使得涂层材料的量中按重量计算至少5%的部分的相当大部分的涂层材料转换成汽相，并在衬底上形成结构层。在这点上，要涂层的衬底布置有可绕主旋转轴线旋转的衬底保持器，使得衬底的第一表面与衬底的第二表面相对于彼此对齐，使得在等离子喷涂时转换成汽相的涂层材料的至少一部分从衬底的第一表面偏斜到衬底的第二表面上。在这方面，除了其他之外，对于本发明的涂层方法而言重要的是，由于借助于部件操纵器实现的例如在涂层束中对衬底的动态定位性的缘故，所以通过根据本发明的部件操 纵器能够首次实现的以下效应。一方面，可以基本上将衬底的预热温度维持在预先限定的技术上要求的边界内，并且在那些至少间断地不经受或者不直接经受涂层束的表面(因为对应的表面间歇地或者部分地转出了涂层束的影响区域，例如在至少某些情形中通过衬底保持器的旋转)处同样如此。在衬底上维持均匀分布的预热温度的积极效果甚至通过陶瓷连接元件首次实现的非常良好的热解耦来得以支撑和放大。对于那些例如由于几何原因从未或者未充分地经受涂层束的表面(因为衬底的对应表面被完全或者部分地从涂层束遮蔽，这种遮蔽例如是由于底切的缘故或者是通过布置在衬底保持器处的其它衬底)而言也具有类似的优点。实际上在大多数情形中通过对根据本发明的部件操纵器的使用能首次防止从现有技术已知的该负面的遮蔽效应。也就是说，因为衬底能够同时关于主旋转轴线和连接轴线定位(例如，由于衬底保持器的倾斜布置和/或由于衬底绕两个不同旋转轴线的旋转)，所以衬底在涂层束中能够极端灵活且动态地定位。当然，应理解的是，对于非常复杂的衬底几何形状而言，可能难以完全排除先前所提及的遮蔽效应。借助于本发明还实现了 这样的表面能够维持在所需的预处理温度；一个或两个衬底的两个表面被相对于彼此布置在衬底保持器上，使得存在于汽相中的涂层材料的一部分从第一表面偏斜和/或反射到第二表面，由此热涂层蒸汽还以充足的量入射在那些没有以相当大的时间段经受涂层束或者甚至从未经受涂层束的表面处。在这方面，“相当大的时间段”应被理解成这样的时间段该时间段如此之长，使得衬底(至少在未经受涂层束的表面区域中)在没有根据本发明的反射效应的情况下如此强烈地冷却；和/或从未达到所需预热温度的时间段，从而使得当对应的表面再次经受涂层束时，不再可能具有至少处于所需品质的涂层。在这方面，由于经由陶瓷连接元件的热解耦，热排出在根据本发明的部件操纵器的使用时被极大地减慢，所以大大地增加了“相当的时间段”。这意味着除了根据本发明的反射效应之外，已通过陶瓷连接元件明显减轻了前述问题。另一方面，从几何观点来看非常复杂的衬底不仅充分预热，甚至还能够通过利用根据本发明的方法进行涂层，其中所述衬底例如具有非常大量的底切，由此例如出现了通常不经受涂层束的表面。在这方面，应指出的是，具体地，已知不同的LPPS法在原理上也对遮蔽表面进行涂层，即在原理上也能够对不直接经受涂层束的表面进行涂层。与诸如例如传统的等离子喷涂或火焰喷涂之类的其他热涂层法形成对比，其中要涂层的表面总是必须直接经受涂层束。关于这一点，已参考单涡轮段(该单涡轮段相应地包括多个涡轮叶片，并且例如形成用于高负载的飞机涡轮的双叶片)的示例，在EP 2025772A1中对借助于LPPS对遮蔽表面区域进行涂层的可能性进行了详述。然而，LPPS方法、尤其地PS-PVD方法的能力当然也具有其限制。尤其地，于是当在一个衬底保持器处同时布置多个还同样相当复杂地形成的衬底时，诸如例如前述的用于高负载飞机涡轮的双叶片，利用现有技术中已知的涂层方法不再能够均匀地且以所需品质对将要涂层的衬底的所有表面进行涂层。因此，通过在部件操纵器处对将要涂层的衬底进行根据本发明的布置，同时解决了现有技术的多个主要问题。—方面，例如当衬底或衬底的部分通过衬底保持器的旋转恒定地或者至少间歇地从经过涂层束的直接经受移出时，本发明防止了衬底或衬底的部分冷却到不允许的水平。第二，衬底中不能被充分预热的表面区域在没有应用根据本发明的方法的情况下也能够被带至所需的预热温度，即使它们在总的涂层工艺期间从未经受涂层束也是如此。为此，一般不需要通过像例如用于EP-PVD方法那样需要的方式来进行附加的加热，在EP-PVD方法中必需在涂层室的室壁内提供附加的加热。第三，通过对根据本发明的方法的使用，首次能够均匀地并且以期望的高品质对前述表面以及因此对衬底的要涂层的整个表面进行涂层。此外，借助于本发明的方法首次能够将多个衬底(尤其是彼此以小的分隔距离布置的衬底)布置在同一个衬底保持器处，并在单个工作循环中涂层这些衬底。因此，同从现有技术已知的其中在一个工作循环中仅同时相应涂层一个单独的复杂衬底的方法比较起来，本发明的涂层方法非常高效。在这方面，必须强调的是，根据本发明的效应不能通过经典的PVD法、也不能通过经典的热喷涂法、还不能通过众所周知的EP-PVD法实现，并且到目前为止根据本发明的效应是完全意外的和令人惊讶的。因此，前述已知方法中没有一种方法可有助于解决本发明的目的，甚至也不能给本发明的目的的解决方案提供单独的指示。也就是说，本发明的认识是，实质上需要LPPS方法(总体上)和PS-PVD方法(尤其地)的两个具体特性，从而使得根据本发明的方法实际上可成功用于对复杂形成的衬底的涂层和用于同时对多个衬底的涂层。与根据本发明的方法形成对比，对于经典的PVD方法和同样地对于EP-PVD工艺而言，蒸发的材料沿着朝衬底表面方向的输送为扩散过程，即不是定向的或者即使有的话也是具有弱定向特性的过程。因此，即使有的话可能出现在要涂层的衬底的表面处的反射过程同样是基本不定向的，即它们具有或多或少的扩散特征。显然的是，由此可能没有对衬底表面的遮蔽部分进行特定的并且充分的加热和/或涂层。实际上，从经典的PVD和/或从 EB-PVD工艺已知的是，使用可同时装载多个衬底的可旋转的衬底板。然而，这并不是像采用了根据本发明的方法的情况那样被专门用于设定定向涂层束的反射，而仅是用于在工艺室中对涂层材料的蒸汽的扩散分布的某种不均匀性进行补偿的用途。在进行经典的热涂层时，诸如例如在进行经典的等离子涂层时，在相对高的工艺压力下，诸如例如在大气压力下的等离子喷涂时或者在火焰喷涂时，实际上使用了定向的涂层束，并且还已知使用了同时装载多个衬底的旋转衬底保持器。然而，在此通常还是不可能同样具有根据本发明的效应。在前述热喷涂工艺中，涂层材料实际上或多或少熔化地(即以或多或少的液体状态)入射在衬底表面，也就是说，因此不像根据本发明的方法中的情况那样以汽相入射在衬底表面。这具体地是该已知涂层工艺的特有特性。如先前在对于这些已知的方法的介绍中所提及地，涂层通过在入射在衬底上时在衬底处从熔化凝固的所谓液体“泼溅”形成，而不是通过蒸汽状材料的沉积形成。当然，应理解的是，如果大致液体的材料入射在要涂层的衬底的表面上，则实际上不会发生液滴的反射。这也就是说，在撞击衬底相对冷的表面时仅仅瞬间冷凝成固体“泼溅” 并粘附至该表面，从而使得实际上排除了反射。在实践中，包括第一表面的至少一个衬底和包括第二表面的至少第二衬底被有利地布置在衬底保持器处并且相对于彼此对齐，从而使得在等离子喷涂时转换成汽相的涂层材料的至少一部分从第一衬底的第一表面偏斜和/或反射到第二衬底的第二表面上，使得通过从第一衬底的第一表面偏斜和/或反射的涂层材料对衬底的第二表面进行涂层和/或预热。在这方面，优选的是，如果设定从第一表面偏斜和/或反射到第二表面上的蒸汽状涂层材料的量，则使得当第二表面不再直接经受涂层束时，该第二表面维持在可预先限定的表面温度。在这方面，可能有多种措施，借助于所述多种措施能合适地设定偏斜和/或反射的涂层材料的量。因此，例如，可对应地优化第一表面相对于第二表面的取向。或者，可对应地设定不同的喷涂参数，诸如等离子的加热功率、工艺室中的工艺压力、涂层束的超声速或其他喷涂参数。此外，可旋转的衬底保持器可以预先确定的设置或者可变的旋转速度来绕主旋转轴线和/或绕连接轴线旋转，和/或其旋转速度可以设定或调节，从而使得偏斜和/或反射的涂层材料的量或任何不同的涂层参数得以优化。优选地，涂层束以本身已知的方式关于预先限定的空间角度区域在要涂层的衬底上来回枢转，这也被称为“扫掠”，并且为了所提及的目的或者为了其他目的(例如，使衬底回火至预先限定的温度)已在介绍中详细描述。此外，部件操纵器与产生等离子的等离子源之间的分隔距离可以以预先限定的路径间隔改变。这例如可发生在等离子源的位置和/或部件操纵器的位置的改变中，使得部件操纵器与等离子源和/或包括等离子源的喷枪之间的相互分隔距离被改变。当然，还可能的是，部件操纵器在预定的枢转区域中相对于涂层束作为一个整体枢转。在这方面，涂层室中的工艺压力在实践中常常选择成小于20mbar，优选地小于IOmbar,尤其是在O. Imbar与2mbar之间。在这方面，涂层束通常以具有在1，500m/s与3，000m/s之间的音速的超音速来操作，并且优选地以大致2，000m/s操作，和/或涂层束具有在4，000K与20，000K之间的温度，优选地具有在6，000K与10，000K之间的温度。
对于在实践中相关的大部分情况，涂层材料关于这一点以喷粉的形式以本身已知的方式提供。在这方面，设定涂层设备的上述工艺参数和/或几何参数，使得涂层材料按重量计算多于10%的部分转换成汽相，优选地按重量计算多于50%，以及在优选实施例中尤其地按重量计算多于80%转换成汽相。在这方面，根据本发明的方法尤其适于在涂层工艺中同时涂层多个涡轮叶片、尤其是多个双叶片，其中结构层在实践中常常是本身已知的热障涂层。本发明还涉及一种用于实现根据本发明的在衬底上制造功能结构层的上述方法中的一种方法的涂层设备。在这方面，根据本发明的涂层设备包括工艺室，在该工艺室中，涂层材料可借助于等离子喷涂方法在可预定的低的工艺压力下以涂层束的形式喷涂在衬底的表面上，其中涂层材料能够以低的压力(低于200mbar)喷射到使涂层束散开的等离子 中，并且可在等离子中被部分或完全熔化。在这方面，提供了等离子源和/或包括等离子源的喷涂枪，借助于该等离子源和/或包括等离子源的喷涂枪可产生具有足够高的焓的等离子，使得涂层材料的量中按重量计算5%的部分的相当大部分的涂层材料可转换成汽相，并且可在衬底上形成结构层。根据本发明，为要处理的衬底的动态定位提供了根据本发明的部件操纵器。在这方面，根据本发明的涂层设备优选地配置有部件操纵器，使得要涂层的衬底能够布置在部件操纵器处，使得衬底的第一表面与衬底的第二表面在衬底保持器处能够相对于彼此对齐，从而使得在涂层工艺期间，在等离子喷涂时转换成汽相的涂层材料的至少一部分从衬底的第一表面偏斜和/或反射到衬底的第二表面上。当然应理解的是，在特定的实施例中，根据本发明的涂层设备和/或根据本发明的部件操纵器可由结构性的观点构成，使得此外还能实现诸如以上所述的方法的其他方法变体。
在下文中，将参考附图详细说明本发明。示出了 图I是从现有技术已知的用于对飞机动力设备的涡轮叶片进行涂层的方法；图2a是根据本发明的部件操纵器的第一非常简单的实施例；图2b是在拆开状态下的根据图2a的实施例；图3是根据本发明的部件操纵器的特别优选的实施例；图4a是在没有封装的情况下的图3的实施例；图4b是根据图4a从方向I看到的图4a的实施例的视图；图4c是在没有基板的情况下以透视图形式的图4a和/或图4b ；图4d是根据图4a和/或图4b的沿驱动方向的基板；图4e是具有主驱动轴的轴护套；图5a是以透视图形式的具有连接元件的轴承壳的设置；图5b是没有连接元件的根据图5a的轴承壳；图5c是陶瓷连接元件；图6a是对衬底保持器与连接元件之间的插塞旋转连接的制造；
图6b是衬底保持器与连接元件之间的插塞旋转连接；图6c是借助于锁定销对插塞旋转连接中的旋转的固定；图6d是在连接元件的局部透视图中的对插塞旋转连接中的旋转的固定；图7是根据本发明的用于多个涡轮叶片的同时涂层的方法；以及图8是从观察方向B看到的图7的实施例的视图。
具体实施例方式已在关于现有技术的讨论期间以介绍的形式描述了图1，使得在这一点上可根据图2至图8直接从根据本发明的实施例开始讨论。初始地，参考图2a和图2b，将说明根据本发明的部件操纵器的第一非常简单的实施例，该实施例在下文中总体上用附图标记I指示。为了强调插塞旋转连接的功能，在图2b·中以拆开状态示出了根据图2a的实施例，这意味着在图2b中衬底保持器5与连接元件4之间释放了插塞旋转连接，并且从连接元件4拔出连接元件51。根据图2a和图2b，根据本发明的部件操纵器I的简单实施例仅允许对具有衬底2的单个衬底保持器5的接纳，用于对要在热处理工艺中进行处理的衬底2的动态定位。在该非常简单的实施例中，部件操纵器包括可绕主旋转轴线3旋转的主驱动轴30、陶瓷连接元件4和可连接至连接元件4的衬底保持器5来作为必需元件。根据本发明，陶瓷连接元件4借助于插塞旋转连接相对于插塞旋转连接的连接轴线V以抗拉且旋转固定的方式连接至衬底保持器5的连接段51，使得衬底保持器5布置成可绕连接轴线V旋转。参考图3至图6d，现在将介绍与根据本发明的部件操纵器的实践特别相关的实施例。根据图3，根据本发明的用于对要在热处理工艺中处理的衬底2(在该示例中，双涡轮叶片2)进行动态定位的部件操纵器I包括可绕主旋转轴线3旋转的主驱动轴30、连接元件4和可连接至连接元件4的衬底保持器5。在这方面，根据本发明，连接元件4是陶瓷连接元件4，其中衬底保持器5的连接段51借助于插塞旋转连接相对于连接轴线V以抗拉且旋转固定的方式连接至连接元件4。在这方面,插塞旋转方向的每根连接轴线V相对于主旋转轴线3以可预先限定的倾斜角α倾斜，其中，在实践中倾斜角α通常大于或小于90°，并且在优选实施例中等于大约30°。在这方面，如果每个单独的衬底保持器5在操作状态中可绕其连接轴线V旋转，那么这是优选的，并且所有的衬底保持器5可经由主驱动轴3共同绕主旋转轴线3旋转也是优选的。如所能清楚看到的那样，多个连接元件4关于主旋转轴线3偏心地设置在基板6处，用于多个衬底保持器5的接纳。如在下文中将参考详图更详细地说明的那样，连接元件4例如为了防温度辐射、为了防涂层束BS (在该示例中未示出)、或者为了防可能在操作状态下影响连接元件4的其他破坏性影响而被封装在封壳12中。在这方面，封壳12容纳被旋转固定地连接至主驱动轴30的基板6，在图2中封壳12还覆盖主驱动轴30，并且由此不能被看作用于接纳带有衬底保持器5的连接元件4的必需元件。同样被封壳12覆盖并因此在图3中不可见的是基板6，基板6经由用于冷却剂流体KF供应的连接元件32旋转固定地连接至主驱动轴3，并且连接元件4借助于同样位于封壳12中的驱动单元7与用于衬底保持器5旋转的接触元件8有效连接，这意味着，尤其是主驱动轴30相对于接触元件8可旋转地布置，其中接触元件8尤其优选是布置在相对于主驱动轴30固定的轴护套31处的齿轮，接触元件8是有齿的，用于借助于驱动单元7来驱动连接元件4。详细参考以下的图4a至图4e，在它们存在于图2的实施例中的范围内描述根据图3和图2的、根据本发明的部件操纵器I的实施例的部件。参考图4a，在无封装的情况下介绍图3的实施例，这意味着其在封壳12被移除的情况下示出，使得能更好地识别封壳12的内部中的部件以及它们的协作。为了清楚，还移除了具有衬底2的衬底保持器5。如人们一开始就能清楚地看到的那样，主驱动轴30可绕主旋转轴线3旋转，主驱动轴30由非旋转的轴护套31引导，也就是说，由相对于主驱动轴30固定的轴护套31引导。 在这方面，主驱动轴30通过未图示的驱动器(例如，通过合适的电动马达、或液压马达、或气动马达、或任何其他合适的驱动器)在操作状态下旋转地移动。接触元件8布置在轴护套31处，在轴护套31中，主驱动轴30被如所提及的那样引导，并且接触元件8旋转固定地连接至轴护套。因此，在该示例中，接触元件8是布置在相对于主驱动轴30固定的轴护套31处的齿轮，其具有齿，用于通过驱动单元7来驱动连接元件4。分别布置在轴承壳41中的三个连接元件4设置在基板6处。基板6借助于在图4a中不可见的连接元件32旋转固定地连接至主驱动轴30，使得基板6能够通过主驱动轴30绕主旋转轴线3旋转地移位。由于连接元件4分别经由驱动单元7与接触元件8旋转固定地接合,驱动单元7在其部分中分别通过齿轮71与设计成固定齿轮的接触元件8旋转固定地接合，所以陶瓷连接元件4还关于固定的接触元件8在基板6的旋转上旋转地移位。这种原理上可能是非常简单的传动的驱动器为本领域的普通技术人员从其他应用中已知，因此连接元件4的旋转驱动的功能通过图4a对于本领域的普通技术人员而言是显然的。如还可认识到地，布置在基板6处的冷却分配器9经由单独的冷却管线KL以通过轴承壳41处的连接的管线连接的形式分别连接至连接元件4。如稍后将更详细地说明地，冷却分配器9例如经由主驱动轴30、或者如图4b所图示地经由在连接元件32处的供应开口来中心地供应以冷却流体，然后冷却流体KF能够经由冷却管线KL被引导，以便还用于对连接元件4处的衬底保持器5和/或衬底2进行冷却。在这方面，任何合适的冷却流体都作为冷却流体KF被讨论，尤其是诸如氮或稀有气体之类的气体或者是适于对应的机械加工工艺的任何其他合适的气体状或液体冷却流体KF。在这方面，通常还可能的是，基板6也借助于冷却流体KF冷却，然而也可为基本6的冷却提供附加的单元，所述附加的单元借助于例如水或合适的气体之类的其他冷却流体来冷却基板6。图4b为了清楚起见再次示出了图4a的实施例，这次是从根据图4a中的方向I观察到的视图。在该侧视图中，现在还清楚地看到连接元件32，经由连接元件32，冷却流体经由侧向供应开口供应至冷却分配器9。在该示例中，还可非常清楚地看到驱动机构的操作模式。设计成齿轮的接触元件8通过螺钉旋转固定地连接至固定的轴杆。连接元件32也螺钉连接至固定的轴杆31和/或连接至固定的接触元件8，使得连接元件32相对于主驱动轴30和/或相对于基板6固定。在这方面，冷却分配器9旋转固定地连接至可旋转的基板6，并在操作状态下与该可旋转的基板6—起旋转。在这方面，冷却流体KF经由中心管线从固定的连接元件供应至旋转的冷却分配器，借助于中心管线，连接元件32中的冷却分配器9被导通地连接，但并不被旋转固定地连接。为了更好地理解先前描述的用于经由齿轮71驱动连接元件4的驱动机构，在图4c中在无基板6的情况下以透视图再次示出了图4a和/或图4b。图4d和图4e均最终再次分别单独且详细地示出了根据图4a和/或图4b的具有驱动单元7的基板6和/或具有主驱动轴30的固定轴杆31。如能从图4d看到地，基板6绕主旋转轴线3可旋转地布置，其中驱动单元7的齿轮71与齿轮形的接触元件8接合，使得基板6绕主旋转轴线3的旋转使未图示的连接元件4绕连接轴线V旋转地移位。可从图4e清楚地看到主驱动轴30的设置与功能，主驱动轴30布置在固定的轴护套31内，轴护套31可绕主旋转轴线3旋转。参考图5a，通过局部切开的壳体以透视图示意性地图示了具有连接元件的轴承壳的设置。如能清楚地看到地，连接元件4通过轴承元件42支撑在轴承壳41中，其中在轴承壳41中提供了形成三点支承的三个轴承元件42。在轴承壳41的切开区域中仅能看到两个轴承元件。由于第三轴承元件位于轴承壳41的没切开的部分之下，所以在图5a中不能看到第三轴承元件。连接元件4经由三乘二个轴承滚子72的支撑所具有的显著优点是，可极好地限定连接元件4与轴承滚子72之间的游隙。此外，还限定了连接元件4与轴承滚子72之间相对比较小的接触表面，从而使得传递相对较少的热，并且还可将这些轴承保持为小型的，这继而又节省了成本。关于这一点，轴承元件42由陶瓷与CrNi的组合制造，用于高达大约500°C的操作范围。高达大约800°C的温度的情况下，例如Si3N4陶瓷可有利地用于轴承元件42。主要地，Al2O3也作为用于轴承的材料而被讨论，其中甚至可能有达到1900°C的温度。例如，在轴承处或者在下面进一步描述的安全带11处必需的密封件优选地可由针织起绒物(needle fleece)制造,例如3. 5mm的针织起绒物,这使得能够达到1100°C的操作温度而不会有任何问题。在这方面，使轴承元件42与冷却流体KF间接接触，并且能因此经由冷却管线KL用冷却流体KF来冷却轴承元件42。图5b为了更好的理解在无连接元件4的情况下示出了根据图5a的轴承壳41。清楚地示出了形成连接元件4所用的三点支承的三个轴承元件42。在这方面，为了防热影响，例如可用针织起绒物覆盖轴承壳41，这同样允许例如达到1100°C的高操作温度。图5c示出了供轴承壳41使用的连接元件4。能清楚地看到用于接纳轴承滚子72的接纳槽N。还能清楚地看到贯穿开口 DG，通过该贯穿开口 DG能将冷却流体KF引导到连接元件4的内部中。连接元件关于该图的下部区域WZ用于齿轮的接纳，该齿轮优选由金属制成，并且达成与驱动单元7的耦联。在这方面，连接元件例如由Al202、Si02、或不同的合适的技术陶瓷制成。图5c中还能清楚地看到根据图示在连接元件4的上部区域中的大致矩形的开口 500，该开口 400用于接纳衬底保持器5的连接段51，并因此用于形成衬底保持器5与连接元件4之间的插塞旋转连接。还能清楚地看到用于防旋转安全件10的陶瓷锁定销的孔101以及用于将陶瓷锁定销紧固到孔101中的安全带11所用的安全槽111，这将在以下详细地参考图6a至图6d。参考图6a，应强调的是，如何制造衬底保持器5的连接段51与连接元件4之间的插塞旋转连接。如已提及地，连接元件具有例如大致矩形的开口 400，其中能够引入连接元件。其中开口 400当然还可具有任何其他合适的形状。在这方面，连接元件51也具有大致矩形的封闭部分511，和/或任何其他类型的合适形式，这允许形成将封闭部分511沿某一取向装配地引入到连接元件4的开口 400中。在这方面，连接部分51在该示例中被设计成中空的，使得在进入到开口 400中的引入时，该连接部分51可能够被引导销401接纳就位。引导销401例如可由SiO2 (熔凝石英)或Al2O3材料或任何其他耐高温材料构成。当连接部分51被引入到开口 400中的预先限定的深度时，衬底保持器5和/或连接部分51转动例如大约90°或180°或者任一不同角度的某一角度，其中封闭部分511以本身已知的方式与开口 400内部中的封闭槽互锁，使得连接部分51固定地锚接到开口 400中。这意味着连接部分51实质上沿连接轴线的方向不再可动。该状态在图6b中示出。如还能从图6a看到地，引导销401具有中心孔，经由该中心孔，冷却流体KF能经由连接部分51被引导到衬底保持器5中。在根据图6b的具体实施例中，衬底保持器5构造成使得将冷却流体KF进一步引导到衬底2(在本示例中为涡轮叶片)的内部，并从而例如在热涂层工艺期间冷却衬底2。冷却流体KF流过衬底2，并如应由两个箭头KF所指示的那样最终从衬底2流入环境中，例如流入衬底2当前正被涂层的工艺室中。当例如要涂层的衬底2是涡轮叶片时，则冷却孔通常被设计在涡轮叶片内，从而通常在涡轮叶片的操作状态中通过所述冷却孔来引导冷却气体，使得更好地冷却叶片。当然，应理解的是，这些冷却孔在涂层工艺期间不允许被涂层材料封闭。为此，冷却流体KF在根据本发明的涂层工艺期间优选经由前述冷却孔被运走，这具有的积极效应是，从涡轮叶片的冷却孔流走的冷却流体KF将保持这些冷却孔不被涂层材料封闭。显然的是，在开口 400中仅连接部分51必须被紧固，以便防止绕连接轴线V的旋转，这将参考图6c简要地说明。否则，可能出现连接部分51在开口 400中旋转，使得该连接部分51可能再次从开口 400滑出。径向孔101设置在连接元件4处和连接部分51处，以便防止连接部分51的旋转，所述孔在连接部分51位于开口 400中的嵌入状态下彼此对应，使得例如以金属或陶瓷锁定销形式的防旋转安全件10可插入到连接元件4和连接部分51的孔101中，使得这些锁定销防止了连接部分51的相对于连接元件4绕连接轴线V的旋转。锁定销例如可由CrNi钢或任何其他合适的材料制成。在根据图示透明地图示了连接元件4的上部的图6d中，能清楚地看到防旋转安全件10( S卩，锁定销10)如何能够紧固以便防止旋转。通过这样，使得锁定销在操作状态下不从径向孔中释放(即不滑出)，根据图6d还利用安全带11来紧固锁定销，该安全带11在绕、连接元件4的周向方向上设置在安全槽111中，从而有效地防止了锁定销10的径向移位。当然，应理解的是，取决于根据本发明的部件操纵器I的应用，仅一个或者多个衬底保持器5布置在连接元件4处，例如根据图6b布置在可旋转的连接元件4处，并因此可附加地绕连接轴线V旋转，而所有其他的衬底保持器是本身已知的衬底保持器，所述所有其他的衬底保持器简单地相对于部件操纵器I旋转固定地布置，即不可绕连接轴线V附加地旋转。或者，然而，在实践中作为优选情况的是，所有的衬底保持器5都布置在可旋转的连接元件4处，并因此例如根据图6b可绕连接轴线V附加地旋转。在图7中以及相应地在图8中，借助于根据本发明的部件操纵器I示意性地图示了根据本发明的用于多个衬底2(在本示例中为涡轮叶片2)的同时涂层的方法。为了清楚，在图7和图8的图示中省略了根据本发明的部件操纵器的细节。图7以及相应图8中的部件操纵器I例如可以是根据图3的部件操纵器，其中代替三个衬底2，例如在该示例中同时涂层四个衬底2。 根据图7以及相应图8的涡轮叶片2是本身已知的用于高负载飞机涡轮的所谓双叶片2。为了清楚，未详细图示工艺室2，并且作为示例在部件操纵器I上示出了四个涡轮叶片2。在这方面，图8是从观察方向B看到的图7的视图，并仅用于对涂层材料200的反射的机制的更好理解。因此，以下的说明同时与图7和图8相关。当然，在实践中应理解的是，还可将少于四个的衬底2设置在部件操纵器I处。然而，根据本发明的方法以及部件操纵器I的优点是，还可同时涂层多于四个的衬底2，这使本发明的方法非常高效。因此，参考图7，其示意性地图示了用于制造衬底2上的功能结构层20的根据本发明的涂层设备和/或根据本发明的方法的优选实施例，在该方法中，涂层材料200借助于等离子喷涂方法在预先限定的低的工艺压力P下于工艺室中以涂层束BS的形式被喷涂到衬底2的衬底表面211、212上，该等离子喷涂方法是在本示例中的介绍中描述的PS-PVD方法。在这方面，涂层材料200以低的工艺压力P被喷射到使涂层束BS散开的等离子中，在本示例中工艺压力为大约lmbar，涂层材料200在等离子中部分或完全熔化，其中生成具有足够高比焓的等离子，使得涂层材料200的大部分都转变到汽相(或气相)。在该示例中，相当大部分的蒸发材料按重量计算高于60%。结构层20形成在衬底2处。在这方面，根据本发明，要涂层的衬底2布置在如上所述根据本发明的部件操纵器I处，使得衬底2的第一表面211与衬底2的第二表面212在部件操纵器I处相对于彼此对齐，使得在等离子喷涂时转换成汽相的涂层材料200的至少一部分从第一衬底2的第一表面211偏斜和/或反射到第二衬底2的第二表面212上，从而使得第二表面212通过由第一表面211偏斜和/或反射的蒸汽状涂层材料200被涂层，并同时供应有热能，因此维持在足够的温度。在这方面，在图8的视图中能特别清楚地看到蒸汽状涂层材料200的反射过程。可清楚认识到的是，包括第一表面211的第一涡轮叶片2与包括第二表面212的第二涡轮叶片2如何布置在部件操纵器I处，从而使得它们相对于彼此对齐，使得在等离子喷涂时转换成汽相的涂层材料200的一部分从第一衬底21的第一表面211偏斜和/或反射到第二衬底2的第二表面212上，并且因此这还能在相对于涂层束BS而言的遮蔽区域处被理想地涂层。在这方面，如上所述，除部件操纵器I绕其主旋转轴线3的旋转之外，衬底2中的一个或多个衬底还可附加地绕连接轴线V旋转，使得替代性地不同的表面211、212以反射的方式彼此相对地设置，使得从第一表面211到第二表面212上的反射能够以不同的角度相继发生，由此可甚至更加均匀并且以甚至更高品质来制造所形成的功能结构层。然后，取决于应用，仅一个或者若干个衬底保持器5布置在根据本发明的部件操纵器I处，例如根据图6b布置在可旋转的连接元件4上，并因此可附加地绕连接轴线V旋转，而所有其他的衬底保持器是本身已知的、相对于部件操纵器I被简单旋转固定地布置(即，不可绕连接轴线V附加地旋转)的衬底保持器。或者，然而，在实践中作为优选情况的是，所有的衬底保持器5例如根据图6b都布置在可旋转的连接元件4处，并因此都可绕连接轴线V附加地旋转。在这方面，可设定从第一表面211偏斜和/或反射到第二表面212上的蒸汽状涂层材料200的量，使得当第二表面212不直接经受涂层束BS时(像例如图7和图8所示地部件操纵器I在涂层工艺中以预先限定的旋转速度VD绕主旋转轴线3旋转时)，第二表面 212于是同样可维持在预先限定的表面温度并且被充分地涂层。除使部件操纵器I绕主旋转轴线3旋转和/或使衬底2围绕连接轴线V旋转之外，可在涂层工艺期间在预先限定的角度空间区域Ω中使涂层束BS能够在要涂层的衬底2上来回枢转，作为示例如图7和图8中所示的那样，由此可实现衬底2对涂层束BS的更加均匀的经受，同时使衬底2不直接经受涂层束BS的时间最短，从而使得还实现了衬底2的甚至更均匀的回火。此外，在本实施例中可设定部件操纵器I与等离子源Q之间的分隔距离，该等离子源Q在一个或多个空间方向上以预先限定的路径间隔X、Y来产生等离子，其中可使等离子源Q在一个或多个空间方向上沿其路径X移位，和/或能在一个或多个空间方向上改变部件操纵器的位置，以及沿路径Y在一个或多个空间方向上改变操纵器。此外，部件操纵器I在图7以及相应图8的具体实施例中可在预先限定的枢转区域 中相对于涂层束BS枢转。例如，本身已知的用于形成涡轮叶片2上的热障涂层的细粒喷粉可用作涂层材料200，其中涂层束本身以具有在本示例中等于大约2，000m/s的音速的超音速操作，其中可在涂层束6中形成冲击状波或状态。涂层束6在本示例中具有在6，000K与10，000K之间的温度。
当然，应理解的是，本发明不局限于所描述的实施例，尤其地，在该申请的框架中描述的根据本发明的实施例当然还能够以任何合适的方式彼此结合。
权利要求
1.一种用于在热处理工艺中对要处理的衬底(2)进行动态定位的部件操纵器，其中所述部件操纵器包括能够绕主旋转轴线(3)旋转的主驱动轴(30)、连接元件(4)和能够连接至所述连接元件(4)的衬底保持器(5)，其特征在于，所述连接元件(4)为陶瓷连接元件(4)，所述衬底保持器(5)的连接段(51)借助于插塞旋转连接相对于所述插塞旋转连接的连接轴线(V)能够以抗拉且旋转固定的方式连接至所述连接元件(4)，并且所述衬底保持器(5)布置成能够绕所述连接轴线(V)旋转。
2.根据权利要求I所述的部件操纵器，其中提供了基板(6)，所述基板(6)旋转固定地连接至所述主驱动轴(30)，用于接纳带有所述衬底保持器(5)的所述连接元件(4)。
3.根据权利要求2所述的部件操纵器，其中所述基板(6)经由用于供应冷却流体(KF)的连接元件(32)旋转固定地连接至所述主驱动轴(3)。
4.根据权利要求I或2所述的部件操纵器，其中多个连接元件(4)相对于所述主旋转轴线(3)偏心地设置在所述基板(6)处，用于接纳多个衬底保持器(5)。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的部件操纵器，其中所述连接元件(4)经由驱动单元(7)与接触元件(8)操作地连接，用于所述衬底保持器(5)的旋转。
6.根据权利要求5所述的部件操纵器，其中所述主驱动轴(30)关于所述接触元件(8)可旋转地布置。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的部件操纵器，其中所述接触元件(8)是布置在相对于所述主驱动轴(30)固定的轴护套(31)处的齿轮，其是有齿的，用来借助于所述驱动单元(X)驱动所述连接元件(4)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的部件操纵器，其中所述插塞旋转连接的所述连接轴线(V)相对于所述主旋转轴线(3)以能够预先限定的倾斜角(α)倾斜。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的部件操纵器，其中所述冷却流体(KF)经由冷却管线(KL)和布置在所述基板(6)上的冷却分配器(9)能够供应至所述连接元件(4)，并且能够供应至所述衬底保持器(5)的所述连接段(51)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的部件操纵器，其中所述连接元件(4)通过轴承元件(42)支撑在轴承壳(41)中，其中在所述轴承壳(41)中优选提供了形成三点支承的三个轴承元件(42)，并且其中能够借助于与所述冷却流体(KF)的间接接触来冷却所述轴承元件(42) ο
11.根据前述权利要求中任一项所述的部件操纵器，其中借助于防旋转安全件(10)来紧固所述连接元件(51)，以免相对于所述连接元件(4)扭转，其中所述防旋转安全件(10)为锁定销，尤其为金属或陶瓷锁定销，所述锁定销借助于设置在所述连接元件(4)处的安全带被紧固。
12.—种供根据权利要求I至11中任一项所述的部件操纵器(I)使用的涂层方法。
13.根据权利要求12所述的用于在衬底(2)上制造功能结构层(20)的涂层方法，其中借助于等离子喷涂方法在预先限定的低的工艺压力(P)下在工艺室中以涂层束(BS)的形式将涂层材料(200)喷涂到衬底⑵的表面上，其中所述涂层材料(200)在低于200mbar的低的工艺压力(P)下喷射到使所述涂层束(BS)散开的等离子中，并产生具有足够高的比焓的等离子，使得所述涂层材料的量中按重量计算至少5%的部分的相当大部分的所述涂层材料(200)转换成汽相，并在所述衬底(2)上形成所述结构层(20)，其中利用能够绕主旋转轴线(3)旋转的所述衬底保持器(5)布置要涂层的所述衬底(2)，使得所述衬底(2)的第一表面(211)与所述衬底的第二表面(212)相对于彼此对齐，从而使得在等离子喷涂时转换成所述汽相的所述涂层材料(200)的至少一部分从所述衬底(2)的所述第一表面(211)偏斜到所述衬底(2)的所述第二表面(212)上。
14.一种用于实现根据权利要求12或13所述的在衬底(2)上制造功能结构层(20)的方法的涂层设备，所述涂层设备包括工艺室，在所述工艺室中，涂层材料(200)能够借助于等离子喷涂方法在能够预先限定的低的工艺压力(P)下以涂层束(BS)的形式喷涂到所述衬底(2)的表面上，其中所述涂层材料(200)能够在低于200mbar的低的工艺压力(P)下喷射到使所述涂层束(BS)散开的等离子中，并且所述涂层材料(200)能够在所述等离子中部分地或完全地熔化，并且其中提供了等离子源(Q)和/或包括等离子源(Q)的喷涂枪，借助于所述等离子源(Q)和/或包括所述等离子源(Q)的所述喷涂枪能够产生具有足够高的焓的等离子，使得所述涂层材料的量中按重量计算至少5%的部分的相当大部分的所述涂层材料(200)能够转换成汽相，并且能够在所述衬底(2)上形成所述结构层(20)，其特征在于，提供了一种根据权利要求I至11中任一项所述的部件操纵器，用于要处理的所述衬底(2)的动态定位。
15.对根据权利要求I至11中任一项所述的部件操纵器(I)或者根据权利要求14所述的涂层设备的使用，用于利用根据权利要求12或13所述的涂层方法对衬底(2)涂层，其中所述衬底(2)尤其是用于飞机涡轮、用于燃气涡轮、用于蒸汽涡轮或用于水力涡轮的涡轮叶片。
全文摘要
本发明涉及涂层方法和用于衬底动态定位的部件操纵器及其使用。具体地，提供了一种用于对在热处理工艺中要处理的衬底(2)进行动态定位的部件操纵器(1)，其中该部件操纵器(1)包括可绕主旋转轴线(3)旋转的主驱动轴(30)、连接元件(4)和可连接至连接元件(4)的衬底保持器(5)。根据本发明，连接元件(4)是陶瓷连接元件(4)，并且衬底保持器(5)的连接段(51)可借助于插塞旋转连接相对于该插塞旋转连接的连接轴线(V)以抗拉且旋转固定的方式连接至连接元件(4)，并且衬底保持器(5)布置成可绕连接轴线(V)旋转。本发明还涉及涂层方法、涉及涂层设备、以及涉及对部件操纵器(1)的使用。
文档编号C23C4/12GK102676973SQ201210090539
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月16日 优先权日2011年3月17日
发明者M·米勒 申请人:苏舍美特科公司