本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的用于利用等离子体发生器施加涂层到基质表面上的设备，所述等离子体发生器包括用于通过在工作气体中放电来产生大气等离子体射束的阳极和阴极，其中，所述等离子体发生器具有用于等离子体射束的排出通道，该排出通道通过流出开口朝周围大气敞开，排出到周围大气中的等离子体射束的流出区域连接到该流出开口上，并且设有输送装置，该输送装置具有用于给输送装置供应涂层材料的入口侧和用于将涂层材料引入到等离子体射束中的出口侧。
背景技术：
大气等离子体射束被看作是具有处于大气压量级中的环境压力的等离子体射束。为了形成这样的等离子体射束，将工作气体(通常为空气、氮气或稀有气体)引导穿过通道，在该通道中借助高压产生电晕放电和/或电弧放电形式的放电，所述放电将工作气体电离并且在通道中形成等离子体射束。随后可以将涂层材料输送给等离子体射束，以便对基质相应涂层，混有涂层材料的等离子体射束指向该基质。
例如已知将以金属化合物或热塑性塑料形式的粉状涂层材料作为涂层材料，所述涂层材料通过粉末输送器通常借助载体气体输送给等离子体射束、在等离子体射束中熔化并且在熔融或粘稠状态下通过等离子体射束的体积膨胀而加速并且沉积到要涂层的基质上。在此，层厚从几个微米范围到毫米范围变化。已知的应用例如是制造基于碳化钨的高耐磨层。此外已知液态的涂层材料，所述液态的涂层材料以液态形式输送给等离子体射束并且也称作“前体”。
输送给等离子体射束的涂层材料在等离子体射束中经历化学和/或物理变化，所述化学和/或物理变化能够对在基质上形成的层的特性有决定性影响。因此例如一些已知的涂层材料是氧化敏感的并且能通过与周围大气中的氧气反应而氧化。其他的涂层材料是水解敏感的并且在其在基质上沉积之前与存在的水以不期望的方式发生反应。然而涂层材料的化学和/或物理形式的不期望的或不可控的改变降低了涂层质量，其方式为：期望的层特性要么不能可靠地再现，要么在同一层内发生变化并且导致所涉及的层的不均匀的层结构。然而，涂层应尽可能均匀地并且在其特性方面尽可能可靠地可再现。
因此也提出：将涂层过程在真空下或者在至少一个相对于大气压力显著降低的压力下进行，以便减少涂层材料的直至到基质表面的化学变化、尤其是其氧化。但在真空下的涂层显著提高了设备复杂性并且因此提高了成本和涂层过程的时间花费。
技术实现要素：
因此，本发明的目的在于，对在大气条件下借助等离子体射束在表面上施加涂层进行改进并且尤其是将涂层的功能特性设计得更均匀并且更良好可控。所述目的通过权利要求1的特征来实现。权利要求1涉及一种用于利用等离子体发生器施加涂层到基质表面上的设备，所述等离子体发生器包括用于通过在工作气体中放电来产生大气等离子体射束的阳极和阴极，其中，所述等离子体发生器具有用于等离子体射束的排出通道，该排出通道通过流出开口朝周围大气敞开，排出到周围大气中的等离子体射束的流出区域连接到该流出开口上，并且设有输送装置，该输送装置具有用于给输送装置供应涂层材料的入口侧和用于将涂层材料引入到等离子体射束中的出口侧。在此按照本发明规定，所述输送装置在入口侧与用于涂层材料的汽化器连接并且在出口侧具有用于气态涂层材料的排出开口，所述排出开口指向流出区域中。
基于涂层材料在输送至等离子体射束之前的汽化，能实现沉积的材料的尤其是在颗粒大小方面的在基质上更均匀沉积。此外能实现具有直至几个纳米范围中的层厚的更薄的层的沉积。
此外重要的是，用于气态涂层材料的排出开口指向流出区域中。在常规方式中，在等离子体射束离开用于引导等离子体射束的排出通道之前，即沿等离子体射束的流出方向观察在排出通道的流出开口上游并且因此也在流出区域上游，将涂层材料通过输送通道导入到该排出通道中。在实践中，这种过程方式会导致涂层材料在等离子体射束的排出通道中的不期望的沉积，这不仅可能导致等离子体发生器的较低的使用寿命，而且还不利地影响等离子体射束，由此无法再现涂层质量或者完全无法实现层沉积。通过将涂层材料输送到流出区域中、即等离子体射束排出到周围大气中的区域中，此外得到如下可行性方案：在位置方面改变涂层材料到等离子体射束的输送。因此，等离子体射束在排出到周围大气中时根据距流出开口的距离在化学和/或物理方面发生变化。因此所述等离子体射束例如越来越冷却并且通过与周围空气的反应而经历化学变化。这种变化可以被有针对性地用于控制功能性的层特性，其方式为：将涂层材料导入流出区域的不同区中。如果大致在流出开口附近导入流出区域中、即导入电离气体的具有高等离子体温度和高电离度的区域中，则涂层材料与当涂层材料距流出开口越来越远地导入流出区域(在那里等离子体温度和电离度越来越小)时相比更显著地电离。可改变的电离度影响涂层材料，并且表面特性可以有针对性地进行调节。在涂层材料被常规地输送到等离子体发生器的排出通道中时，不可能改变到等离子体射束中的输送区域，从而也无法利用等离子体射束的不同特性。相反，借助于涂层材料的按照本发明的到流出区域中的输送，不仅能实现有针对性地控制沉积的涂层材料的特性，而且能实现涂层的更高的均匀性，这是因为在排出通道中的沉积和与沉积物以及排出通道边界的化学和/或物理反应得以避免。
在此，一种有利的设备设计方案也在于，将输送装置设计为至少一个输送管，该输送管固定在等离子体发生器上的支架上。在此，输送管的排出开口指向流出区域中。通常，用于涂层过程的离子发生器设有自身的涂层头，该涂层头包括用于涂层材料的输送装置并且具有用于等离子体的排出通道。在本发明的范围中，固定在等离子体发生器上的支架可以设有用于等离子体的排出通道，其中，在支架的外侧上可以固定至少一个用于涂层材料的输送管。
优选，所述输送管可调节地固定在支架上，从而排出开口在流出区域中的定位能够改变并且尤其是能够有针对性地进行调节。所述定位在此可以沿竖直方向、在水平平面中、亦或在该排出开口与等离子体气体流出方向的角度方面发生改变。所述有针对性的调节在此通常由等离子体发生器的制造商根据期望的层特性进行，而不再能由客户和使用者改变。尤其是也规定：涂层材料的通过输送管的纵轴线限定的输送方向与等离子体气体的通过排除通道的纵轴线限定的流出方向成锐角地设置。通过这种设置，涂层材料也可以导入流出区域的已更远离流出开口的区域中。
此外规定：工作气体优选是惰性工作气体。以这种方式应实现：工作气体在其从高度电离的电晕和/或电弧放电区域直至流出开口的路径上经历尽可能少的化学变化，这是因为否则的话涂层材料的在位置方面受控的导入会妨碍对层特性的有针对性控制。通过使用惰性工作气体，等离子体射束在流出区域中的物理和/或化学状态能够更好地再现和控制。此外，使用优选惰性的工作气体也减轻了阴极烧损并且提高了等离子体发生器的使用寿命。
附图说明
接下来根据实施例借助附图进一步阐述本发明。在此：
图1为等离子体发生器的剖视图，其中示出一种按照本发明来布置用于涂层材料的输送装置的实施形式。
具体实施方式
接下来根据图1说明按照本发明的用于施加涂层到基质表面上的设备的一种可能的实施形式。所述设备包括等离子体发生器1，所述等离子体发生器具有阴极2和阳极5。阴极2设计为柱形的并且在其自由端部上具有锥形的端部区域3，该端部区域在示出的实施例中伸入用于等离子体射束的排出通道4中。阳极5与阴极2同轴地设置，其中，所述阴极2和阳极5与可控制的电压源6连接。在阴极2和阳极5之间在3A-500A的电流或0.1A至2A的脉冲电流的情况下施加10V-30V范围内的直流电压或者直至5kV的脉冲电压。在此，等离子体发生器的电功率在100W-10000W的范围内变化。阴极2能够可选地在其内部设有阴极冷却装置(在图1中未示出)。此外，在等离子体发生器1的外壳体中设有冷却剂通道10，该冷却剂通道与冷却剂源11连接并且对等离子体发生器1进行冷却。
阴极2和阳极5界定工作气体通道7，该工作气体通道与可控制的工作气体源8连接。例如可以使用氩气、氦气、氮气或优选惰性混合气体例如氩气-氢气混合气体亦或空气作为工作气体。工作气体通道7通入排出通道4中，该排出通道通过流出开口9向周围大气敞开。在运行中，在阴极2和阳极5上施加电压，该电压选择为足够高，以便在阴极2的渐缩的端部区域和包围阴极2的阳极5之间点燃电弧。这种放电使穿流工作通道7的工作气体电离，所述工作气体随后作为等离子体穿流排出通道4并且作为等离子体射束经由流出开口9排出到周围大气中。在此，邻接于流出开口9的大气区域在后面称为流出区域14并且在图1中以虚线表示。等离子体射束的在周围大气中的流出距离尤其是取决于工作气体源8的运行压力以及在阴极2和阳极5上施加的电流。所述等离子体射束在其沿着流出距离的流动路径中经历物理和化学变化，尤其是温度和电离度随着距流出开口9的距离的增加而减小。此外，与周围大气的化学组分的混合越来越多，所述混合在等离子体射束的边缘区域中大于在其核心区域中。
在等离子体发生器1上在其流出侧的端部上此外设置有支架12，通过该支架固定用于涂层材料的输送装置。所述输送装置在所示出的实施例中包括两个输送管13，所述输送管在入口侧与用于涂层材料的汽化器15连接并且在出口侧分别具有一个用于气态涂层材料的指向流出区域14中的排出开口16。汽化器15与用于涂层材料的至少一个储备容器17连接。如在图1中可见，输送管13可以这样固定在支架12上，使得涂层材料的通过输送管13的纵轴线限定的输送轴线Z相对于排出通道4的纵轴线以斜角α设置。该斜角在制造商方面可以容易地改变并且这样选择，使得能实现涂层材料输送到排出的等离子体射束的不同区中，这是因为输送管13的排出开口16在等离子体射束内的定位在固定角度变化时发生变化。排出开口16沿三个空间方向的这种不同的定位可以用于控制沉积的涂层材料的功能性层特性。如果例如在输送轴线Z和排出通道4纵轴线之间的角度α接近直角的情况下将涂层材料在流出开口9附近导入流出区域14中(即导入具有高等离子体温度和高电离度的区域中)，则与当涂层材料距流出开口9的距离越来越大地导入流出区域14中(在那里等离子体温度和电离度越来越小)时相比，涂层材料以不同的方式被激发。然而，输送管13的排出开口16在等离子体射束内的定位也可以在使用者方面被改变，例如以便在重复涂层过程期间分别以不同的层特性沉积多层涂层、例如一系列亲水层和疏水层，从而实现涂层的更高的耐磨性或者更少的层腐蚀。如果例如将硅氧烷基的前体用作涂层材料并且通过输送装置在气态状态下在输送管13的高的倾斜位置中、即靠近流出开口9地输送给等离子体射束的流出区域14，则实现主要作为亲水层的沉积，而在输送轴线Z和排出通道4纵轴线之间的输送角度α小的情况下(即相对更加远离流出开口9地)输送蒸汽状的前体时，则实现主要作为疏水层的沉积。在此可以将金属材料、但也可以将塑料、尤其是热塑性塑料用作基质，这是因为基于间接传递的电弧，既能够对导电的基质也能够对不导电的基质如玻璃状材料、复合材料(CFK/GFK)、塑料和/或纸张/纸板进行涂层。通过按照本发明的设备能实现的涂层的多层结构也能实现例如将金属颗粒熔融到热塑性塑料的表面中，以便由此实现牢固的颗粒锚固。以这种方式可以减少涂层的过早的磨料磨损。
借助涂层材料注入到等离子体射束中的在位置方面可调节性，在此尤其是能实现将涂层的功能特性设计得更均匀并且更良好可控，由此，在大气条件下借助等离子体射束将涂层施加在基质表面上得以改进。
附图标记列表：
1 等离子体发生器
2 阴极
3 锥形的端部区域
4 排出通道
5 阳极
6 电压源
7 工作气体通道
8 工作气体源
9 流出开口
10 冷却剂通道
11 冷却剂源
12 支架
13 输送管
14 流出区域
15 汽化器
16 排出开口
17 储备容器
Z 涂层材料的输送轴线