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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Durch
ein Hinzufügen
von Partikeln zu einem Schichtmaterial einer Schicht lassen sich
die Schichteigenschaften deutlich modifizieren. Beispielsweise ist
aus der europäischen
Offenlegungsschrift
EP
0 748 883 A1 ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei
dem ein elektrisch leitfähiges
Schichtmaterial gemeinsam mit elektrisch nichtleitenden Partikeln auf
einem Träger
abgeschieden wird, um Abriebseigenschaften der Schicht zu verbessern.
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In
der nachveröffentlichten
DE 10 2005 047 739
B3 ist eine Beschichtung offenbart, welche verkapselte
Nanopartikel enthält.
Diese Beschichtung wird beispielsweise durch elektrochemisches Beschichten
auf das Substrat aufgebracht, wobei die beschichteten Nanopartikel
in die Schicht aufgenommen werden. Die beschichteten Nanopartikel
enthalten einen vorzugsweise metallischen Stoff, der mit Legierungselementen
der Schichtmatrix bei Überschreitung
gewisser zulässiger
Grenztemperaturen Verbindungen ausbildet, welche durch eine Verfärbung der
Beschichtung erkennbar werden. Hierdurch ist es auf einfache Weise
möglich,
thermische Überbeanspruchungen
aufgrund einer Verfärbung
der betreffenden Bauteile zu ermitteln.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrochemisches Verfahren
der beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass der Einbau
von Partikeln in der Schicht in einer besonders hohen Konzentration
möglich
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
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Danach
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
die Partikel zunächst
mit einer Mantelschicht, die elektrisch leitfähiger als die Partikel ist,
unter Bildung einer Kern-Mantelstruktur
versehen werden und die derart beschichteten Partikel zusammen mit dem
leitenden Schichtmaterial auf dem Träger abgeschieden werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu
sehen, dass sich bei diesem – im
Vergleich zu herkömmlichen
Verfahren – relativ
große
Partikelkonzentrationen in der Schicht erreichen lassen. Im Unterschied
zu dem eingangs erwähnten
vorbekannten Verfahren, bei dem die Partikel ohne eine besser leitende
Mantelschicht in das Schichtmaterial eingebaut werden, erfolgt bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
nämlich
zunächst eine
Beschichtung der Partikel mit einem leitfähigeren Mantelmaterial, so
dass die Partikel beim Abscheiden des leitfähigen Schichtmaterials von
diesem deutlich schneller umwachsen und in das Schichtmaterial integriert
werden, als dies bei Partikeln ohne vorherige leitfähigere Beschichtung
möglich
ist. Dies soll nachfolgend kurz verdeutlicht werden:
Während des
Abscheidens bleiben Partikel aufgrund elektrostatischer Wechselwirkung
auf einem leitenden Schichtmaterial zunächst nur haften, so dass sie sich
von diesem wieder lösen
können,
sofern sie nicht von dem nachwachsenden leitenden Schichtmaterial
rasch genug „umwachsen" und darin fest integriert
werden. Ein solches Lösen
und Wegbewegen von Partikeln stellt insbesondere dann ein großes Problem
dar, wenn die Abscheidung des leitenden Schichtmaterials langsam
erfolgt und die Partikel genügend
Zeit zu einem Ablösen
haben. Beispielsweise ist im Rahmen eines ECD(electrochemical deposition)-Verfahrens bzw. eines
elektrochemischen Abscheidungsverfahrens der Einbau schlechtleitender Wolframcarbid-Partikel
in eine abzuscheidende Nickelkobalt-Schicht – wie erfinderseitig erkannt
wurde – nur
bis zu einem Anteil von bis ca. 10% (gewichtsbezogen) möglich.
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An
dieser Stelle setzt die Erfindung an, indem die Ablösewahrscheinlichkeit
der Partikel reduziert wird; konkret wird durch ein vorheriges Beschichten,
insbesondere Metallisieren, der Partikel das spätere Umwachsen mit dem Schichtmaterial gefördert und
so der Einbau der Partikel in das Schichtmaterial beschleunigt.
Der erfinderische Gedanke besteht also darin, dass durch eine leitfähigere Schicht
um die nicht- oder
schlechtleitfähigen
Partikel herum die Einbaugeschwindigkeit der Partikel in der leitenden
Schicht vergrößert wird,
so dass die Chance der Partikel, sich von der abscheidenden Schicht
wieder lösen
können,
reduziert wird.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass sich auch die Schichtqualität
der mit den Partikeln versetzten Schicht aufgrund der vorherigen
Partikelbeschichtung, insbesondere -metallisierung, deutlich verbessern
lässt.
Durch das Beschichten, insbesondere Metallisieren, der Partikel
und den damit einhergehenden schnelleren Einbau der Partikel in
die Schicht wird die Beweglichkeit der Partikel auf dem Träger insgesamt
reduziert, so dass die Bildung von Fehlstellen innerhalb der Schicht
in Form von leeren oder mit Partikeln nur teilweise gefüllten Poren
verhindert wird. Teilweise gefüllte
Poren können
sich beispielsweise bilden, wenn die Partikel zwar in das Schichtmaterial
eingebaut werden, weil sie noch rechtzeitig von der aufwachsenden
Schicht eingefangen werden, jedoch aufgrund ihrer Bewegung vom Träger weg
bereits einen Leerraum im Schichtmaterial gebildet haben; leere
Poren bilden sich, wenn sich ein Partikel während des Einbaus noch löst und dadurch
eine materialfreie Leerstelle zurücklässt. Durch das vorherige Beschichten,
insbesondere Metallisieren, lässt
sich somit nicht nur die Partikelkonzentration erhöhen, sondern
auch die Konzentration der Fehlstellen in der Schicht reduzieren
und eine sehr kompakte Schicht mit einer homogenen Partikelverteilung
herstellen.
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Das
Verfahren wird bei nichtleitenden oder schlechtleitenden Partikeln
eingesetzt, um deren Einbau in einem leitfähigen Schichtmaterial zu verbessern.
Unter schlechtleitenden Partikeln werden in diesem Zusammenhang
Partikel verstanden, deren spezifischer elektrischer Widerstand
größer als 15·10–6 Ωcm bzw.
15 μΩcm ist.
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Vorzugsweise
wird das beschriebene Verfahren eingesetzt, wenn auf elektrochemischem
Wege, beispielsweise in einem galvanischen Bad, auf einem Träger eine
Dispersionsschicht bestehend aus einem Metallmatrix-Schichtmaterial
mit darin enthaltenen nicht- oder schlechtleitenden Partikeln abgeschieden
werden soll.
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Bevorzugt
werden mit dem Verfahren nicht- oder schlechtleitende Partikel aus
einem Oxid, einem Nitrd, einem Karbid, einem Silizid oder einem
Kunststoff hergestellt.
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Besonders
bevorzugt werden als nicht- oder schlechtleitende Partikel Nanopartikel
in das Schichtmaterial eingebracht. Unter Nanopartikeln sind dabei Partikel
mit einer Partikelgröße unter
einem Mikrometer zu verstehen. Nanopartikel weisen – im Unterschied
zu jeweils demselben Material ohne Nanopartikelstruktur – zum Teil
sehr außergewöhnliche
Eigenschaften auf; dies ist darauf zurückzuführen, dass das Verhältnis von
Oberfläche
zu Volumen bei Nanopartikeln besonders groß ist: So sind beispielsweise
selbst bei kugeligen Nanopartikeln bestehend aus hundert Atomen über fünfzig Atome
Oberflächenatome.
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Werden
nicht- oder schlechtleitende Nanopartikel in das Schichtmaterial
eingebaut, so werden die Nanopartikel mit der leitfähigeren
Mantelschicht vorzugsweise derart dünn be schichtet, dass auch die beschichteten
Partikel noch nanoskalig, also kleiner als 1 μm, sind.
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Als
Träger
kann beispielsweise ein Metallträger
beschichtet werden. Als Metallträger
kommen beispielsweise Schneidwerkzeuge oder andere Komponenten in
Betracht, die hohen mechanischen oder thermischen Belastungen ausgesetzt
sind. Hierzu gehören
beispielsweise auch Turbinenkomponenten wie zum Beispiel Turbinenschaufeln
oder dergleichen.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei der auf dem Träger aufzubringenden Schicht
um eine Metallschicht; in diesem Fall werden die nicht- oder schlechtleitenden
Partikel bevorzugt ebenfalls mit einer Mantelschicht aus Metall
versehen, um einen möglichst
schnellen Einbau der Partikel in das Schichtmaterial zu ermöglichen.
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Besonders
schnell und damit vorteilhaft erfolgt der Einbau der Partikel innerhalb
des Schichtmaterials, wenn die nicht- oder schlechtleitenden Partikel mit
einem Material beschichtet werden, das mit dem Schichtmaterial vollständig identisch
ist oder hinsichtlich zumindest eines chemischen Bestandteiles übereinstimmt.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen,
dass die nicht- oder schlechtleitenden Partikel mit einem Metall
beschichtet werden, das gegenüber
dem Metallmaterial der Schicht unedler ist; in diesem Fall wird nämlich die
unedlere Mantelschicht der Partikel etwaig in die Schicht eindiffundierenden
Sauerstoff binden und sich selbst opfern, so dass das übrige Schichtmaterial
länger
unkorrodiert bleibt.
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Besonders
bevorzugt werden Partikel, die aus Wolframkarbid bestehen oder dieses
enthalten, mit einer Mantelschicht, die aus Kobalt besteht oder dieses
enthält,
unter Bildung einer Kern-/Mantelstruktur aus bzw. mit „Wolframkarbid/Kobalt" beschichtet. Wolframkarbid
ist ein hartes, sprödes
Keramikmaterial, dessen Verbindung mit 6 bis 10% Kobalt ein hartes
Keramik-Metall bildet. Ein solches Material lässt sich beispielsweise für Schneidwerkzeuge einsetzen,
da es innerhalb eines formbaren Metalllegierungsbestandteils wie
beispielsweise einer Nickelkobaltlegierung harte keramische Kristalle
mit einer Größe von wenigen
Mikrometern bildet. Das daraus resultierende Material kann auch
sehr hohen Druckbelastungen während
eines Schneidprozesses widerstehen und verfügt darüber hinaus auch bei sehr hohen
Temperaturen über
gute Verschleiß-
und Oxidationsbeständigkeit.
Wolframkarbid/Kobalt ist außerdem
sehr wärmeschockbeständig und
kann auch raschen Temperaturschwankungen widerstehen.
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Im
Hinblick auf das bereits erwähnte
gute Zusammenwirken von Wolframkarbid/Kobalt in Nickelkobaltlegierungen
wird es als vorteilhaft angesehen, wenn Wolframkarbid/Kobalt-Partikel
zusammen mit Schichtmaterial, das aus einer Nickelkobaltlegierung besteht
oder diese enthält,
auf dem Träger
abgeschieden werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; dabei
zeigen beispielhaft
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1 bis 4 beispielhaft
zum besseren Verständnis
des technischen Hintergrundes ein Verfahren, bei dem von dem erfinderischen
Gedanken kein Gebrauch gemacht wird, und
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5 bis 7 beispielhaft
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
den 1 und 7 werden der Übersichtlichkeit
halber für
vergleichbare oder identische Komponenten dieselben Bezugszeichen
verwendet.
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In
der 1 erkennt man einen Träger 10, der beispielsweise
aus Metall besteht und mit einer Schicht 20 beschichtet
wird. Man erkennt, dass die Schicht 20 ein Schichtmaterial 30 aufweist,
in das während
des Abscheidungsvorganges Partikel 40, 50, 60 und 70 eingebaut
werden sollen. Nachfolgend wird beispielhaft davon ausgegangen,
dass es sich bei dem Schichtmaterial 30 um ein leitfähiges Material
aus einer Nickelkobaltlegierung handelt. Bei den Partikeln 40 bis 70 handelt
es sich beispielsweise um elektrisch nicht- oder schlechtleitende
Partikel aus Wolframkarbidmaterial.
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Man
sieht in der 1, dass die auf das Schichtmaterial 30 auftreffenden
Partikel 40, 60 und 70 zunächst auf
dem Schichtmaterial 30, beispielsweise durch elektrostatische
Wechselwirkung, haften bleiben. Durch Pfeile 80 ist in
der 1 angedeutet, dass die Partikel 40 und 60 dennoch
die Tendenz aufweisen, sich von dem Schichtmaterial 30 wieder
zu lösen.
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In
der 2 ist der weitere Verlauf des Abscheidungsvorganges
gezeigt. Man erkennt, dass die Dicke des Schichtmaterials 30 angewachsen
ist und dass das in der 2 rechte Partikel 70 fest
in das Schichtmaterial 30 eingebaut worden ist. Die beiden
Partikel 40 und 60 haben sich während des Wachstums
des Schichtmaterials 30 wieder von dem Träger 10 wegbewegt
und liegen oberflächenseitig noch
frei; sie weisen beide weiterhin noch die Tendenz auf, sich von
dem Träger 10 zu
lösen;
dies ist in der 2 wiederum durch Pfeile 80 angedeutet.
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In
der 3 erkennt man, dass bei dem weiteren Aufwachsen
des Schichtenmaterials 30 das Partikel 50 in das
Schichtmaterial 30 eingebaut wird, und zwar trotz seines
Bewegungsdrangs nach oben (vgl. Pfeil 80). Die beiden Partikel 40 und 60 haben den
Träger 10 und
das Schichtmaterial 30 wieder verlassen.
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Darüber hinaus
erkennt man in der 3, dass das Partikel 40 das
Schichtmaterial 30 erst relativ spät hat verlassen können, so
dass eine Fehlstelle 90 in der Oberfläche des Schichtmaterials 30 entstanden
ist. Das Partikel 60 hingegen war schneller, so dass sich
keine Fehlstelle gebildet hat.
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In
der 4 erkennt man die weitere Entwicklung des Schichtwachstums.
Man sieht, dass das Partikel 50 von dem nachwachsenden
Schichtmaterial 30 rechtzeitig eingefangen und noch in
das Schichtmaterial 30 eingebaut wurde. Aufgrund der Bewegungsrichtung
des Partikels 50 senkrecht nach oben – also von dem Träger 10 weg – ist jedoch
eine Pore 100 entstanden, in der das Partikel 50 enthalten ist.
Die Pore 100 bildet somit eine Fehlstelle innerhalb des
Schichtmaterials 30 bzw. innerhalb der Schicht 20.
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Darüber hinaus
erkennt man, dass die Fehlstelle 90 gemäß 3 durch
das weitere Schichtwachstum nicht mehr ausgefüllt werden konnte und dass
dadurch eine weitere Pore 110 entstanden ist, in der kein
Schichtmaterial 30 vorhanden ist.
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Im
Ergebnis ist somit festzustellen, dass aufgrund der Partikelbewegung
entlang der Pfeilrichtung 80 nur eines der Partikel, nämlich das
Partikel 70, richtig in das Schichtmaterial 30 eingebaut
worden ist. Das Partikel 60 hat das Schichtmaterial so
rechtzeitig wieder verlassen, das keine Leerstelle zurückgeblieben
ist. Das Partikel 40 war beim Verlassen des Schichtmaterials 30 langsamer,
so dass es eine Leerstelle 110 in der Schicht 20 zurückgelassen
hat. Das Partikel 50 wurde zwar noch durch das nachwachsende
Schichtmaterial 30 eingefangen und in der Schicht 20 eingebaut,
jedoch wurde aufgrund seiner Bewegungsrichtung – in Pfeilrichtung 80 nach oben – eine Pore
bzw. Leerstelle 100 und somit eine Fehlstelle innerhalb
des Schichtmaterials 30 erzeugt.
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Im
Zusammenhang mit den 5 bis 7 wird nun
ein Ausführungsbeispiel
für das
erfindungsgemäße Verfahren
erläutert.
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In
der 5 erkennt man einen Träger 10, auf dem eine
Schicht 20 bestehend aus Nickelkobalt-Schichtmaterial 30 und
beschichteten Partikeln 200 abgeschieden wird. Im Unterschied
zu dem Verfahren gemäß den 1 bis 4 weisen
die Partikel 200 eine Kern-Mantelstruktur auf, und zwar
bereits vor dem Abscheiden auf dem Träger. Demgemäß besteht jedes Partikel 200 jeweils
aus einem inneren Partikel bzw. Partikelkern 210 sowie
einem Partikelmantel 220.
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Die
beschichteten Partikel 200 werden in einem vorgeordneten
Verfahrensschritt hergestellt, indem nicht- oder schlechtleitende
Ausgangspartikel 210 – im
Folgenden Partikelkerne genannt – aus einem Oxid, einem Nitrid,
einem Karbid, einem Silizid oder aus einem Kunststoff hergestellt
werden. Nachfolgend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die
Partikelkerne 210 aus einem Wolframkarbidmaterial hergestellt
und anschließend
mit einem Mantelmaterial 220 aus einem leitfähigen Kobaltmaterial
beschichtet worden sind.
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Die
resultierenden Partikel 200 (mit ihrer Kern-Mantelstruktur)
werden danach – analog
zu den Ausführungen
im Zusammenhang mit den 1 bis 4 – zusammen
mit dem Schichtmaterial 30 auf dem Träger 10 abgeschieden,
vorzugsweise in einem galvanischen Bad im Rahmen eines elektrochemischen
Abscheidungsvorgangs (ECD-Verfahren).
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Wie
sich in der 6 erkennen lässt, werden die Partikel 200,
sobald sie auf das Nickelkobalt-Schichtmaterial 30 auftreffen,
relativ schnell mit dem sich weiter abscheidenden Schichtmaterial 30 umwachsen,
weil sie außen
leitfähig
sind und weil darüber
hinaus das Hüllenmaterial 220 der
Partikel 200 mit dem Schichtmaterial 30 aufgrund
des übereinstimmenden
Kobaltanteils zumindest teilweise identisch ist. Aufgrund des schnellen
Umwachsens werden die Partikel 200 relativ zügig in das
Schichtmaterial 30 bzw. in die Schicht 20 eingebaut;
dies hat zur Folge, dass keines der in den 5 und 6 dargestellten
Partikel 200 das Schichtmaterial 30 schnell genug
verlassen kann, um sich von dem Träger 10 endgültig zu
trennen. Im Ergebnis werden also alle in den 5 und 6 dargestellten
Partikel 200 in der Schicht 20 eingebaut. Den
Träger
mit der resultierenden Dispersionsschicht 20 zeigt die 7.
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Bei
dem Verfahren gemäß den 5 bis 7 wird
der Einbau der Partikel 200 in das Schichtmaterial 30 also
dadurch beschleunigt, dass diese zuvor mit dem leitfähigen Partikelmantel 220 beschichtet
worden sind. Aufgrund des leitfähigen Partikelmantels 220 lagert
sich nämlich
das auf dem Träger 10 abscheidende
Schichtmaterial 30 schneller an den Partikeln 200 an
und umschließt
diese zügiger,
so dass die Partikel 200 nicht ausreichend Zeit haben,
sich wieder von dem Schichtmaterial 30 zu lösen. Dies
führt sowohl
zu einer höheren
Kon zentration an Partikeln 200 als auch zu einer gleichmäßigeren
Verteilung der Partikel innerhalb der Schicht 20.