нанесение пленки или покрытия на субстрат
Классы МПК: | C23C26/00 Способы покрытия, не предусмотренные в группах 2/00 B05D1/04 с помощью электростатического поля B05B5/08 установки для нанесения жидкостей или других текучих веществ на изделия |
Автор(ы): | ЧОЙ Кванг-Леонг (GB), БАЙ Вей (US) |
Патентообладатель(и): | ИМПЕРИАЛ КОЛЛЕДЖ ОФ САЙЕНС, ТЕКНОЛОДЖИ ЭНД МЕДИСИН (GB) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1998-05-28 публикация патента:
27.08.2003 |
Изобретение может быть использовано для изготовления ТБП для газотурбинных двигателей. Способ нанесения материала на подложку включает стадии подачи раствора материала к выпускному отверстию для обеспечения потока капель раствора материала; приложения разности потенциалов между выпускным отверстием и подложкой для электростатического притяжения капель от выпускного отверстия в направлении к подложке так, что вокруг выпускного отверстия образуется коронный разряд; нагревания подложки для обеспечения повышения температуры между выпускным отверстием и подложкой; постепенное увеличение температуры подложки в процессе нанесения на нее материала. Изобретения направлено на повышение качества покрытия при нанесении толстых пленок. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
1. Способ нанесения материала на подложку, включающий стадии подачи раствора материала к выпускному отверстию для обеспечения потока капель раствора материала; приложения разности потенциалов между выпускным отверстием и подложкой для электростатического притяжения капель из выпускного отверстия в направлении подложки; нагревания подложки для обеспечения повышения температуры между выпускным отверстием и подложкой; постепенного увеличения температуры подложки в процессе нанесения материала. 2. Способ по п. 1, включающий стадию относительного вращательного движения и/или поступательного движения выпускного отверстия и подложки в процессе нанесения материала. 3. Способ по п. 1 или 2, включающий стадию изменения композиции раствора материала и/или концентрации в процессе нанесения материала. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, включающий стадию изменения полярности электрического поля между выпускным отверстием и подложкой периодически в процессе нанесения материала. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, включающий стадию локального нагрева участков подложки для усиления осаждения материала на нагретых участках. 6. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором выпускное отверстие заряжают до приблизительно 4 - 15 кВ по отношению к подложке. 7. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором температуру повышают до температуры в примерном диапазоне от 650 до около 850oС. 8. Способ по любому из предшествующих пунктов, включающий стадию нанесения слоев материала, имеющих разные термические и/или механические свойства, путем изменения композиции раствора материала и/или условий осаждения в процессе нанесения материала. 9. Способ по любому из предшествующих пунктов, включающий стадию периодического изменения потока раствора материала к выпускному отверстию в процессе нанесения материала. 10. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором раствор материала включает одно или более соединений предшественников и растворитель. 11. Способ по п. 10, в котором растворителем является ацетилацетон и/или бутанол. 12. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором материал наносят в виде множества смежных столбцов материала. 13. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором прилагаемый потенциал является таким, что вокруг выпускного отверстия образуется коронный разряд. 14. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором раствор материала представляет золевый раствор. 15. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором параметры способа выбирают для получения заданной молекулярной микроструктуры. 16. Способ по любому из предшествующих пунктов, где указанный способ используют для наложения материала на большие площади и/или сложные формы. 17. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором нанесение материала контролируют с использованием контролируемых при помощи компьютера форсунок и/или вращением подложки. 18. Способ по любому из предшествующих пунктов, включающий стадию электростатического и/или магнитного управления потоком капель при их движении от выпускного отверстия к подложке. 19. Способ по любому из предшествующих пунктов, где указанный способ используют в формировании компонентов топливных элементов из твердых оксидов. 20. Способ по любому из предшествующих пунктов, где указанный способ используют в покрытии лопастей газовых турбин. 21. Способ по любому из предшествующих пунктов, где указанным способом образуют термобарьерное покрытие. 22. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором указанным способом получают толстое покрытие. 23. Способ по любому из пп. 1-21, в котором материал наносят в виде пленки. 24. Способ по п. 23, в котором пленкой является одна из многокомпонентной окисной пленки, простой окисной пленки или пленки с добавками. 25. Способ по п. 23, в котором пленкой является одна или более из структурной пленки, функциональной пленки, и электрокерамической пленки. 26. Способ по любому из пп. 1-21, в котором материал наносят в виде порошка. 27. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором раствор материала является полимерным раствором. 28. Устройство для нанесения материала на подложку, содержащее выпускное отверстие, средство подачи для подачи раствора материала к выпускному отверстию для создания потока капель раствора материала, источник напряжения для приложения разности потенциалов между выпускным отверстием и подложкой для электростатического притяжения капель в направлении от выпускного отверстия к подложке, средства нагрева для нагревания подложки для создания повышенной температуры между выпускным отверстием и подложкой, регулятор нагрева для управления средствами нагрева, и температурный детектор для определения температуры принимающей материал поверхности подложки, в котором регулятор нагрева выполнен таким образом, что его работа зависит от показаний температурного детектора для регулирования нагрева подложки для поддержания, по существу, постоянной температуры принимающей материал поверхности. 29. Устройство по п. 28, в котором детектор температуры является оптическим температурным детектором. 30. Устройство по п. 28 или 29, в котором материал наносится в виде теплоизолирующего покрытия. 31. Устройство по п. 28 или 30, в котором материал наносится в виде толстого покрытия. 32. Устройство по п. 28 или 30, в котором материал наносится в виде пленки. 33. Устройство по п. 32, в котором пленка является одной из многокомпонентной окисной пленки, простой окисной пленки или пленки с добавками. 34. Устройство по п. 32 или 33, в котором пленкой является по меньшей мере одна из конструкционной пленки, функциональной пленки и электрохимической пленки. 35. Устройство по любому из пп. 28-30, в котором материал наносится в виде порошка.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области нанесения пленок или покрытий на субстрат. Термобарьерные покрытия (ТБП) являются типом пленок, которые наносят на подложку. Для получения ТБП был исследован ряд способов, но на сегодняшний день только два технологических пути оказались успешными для получения толстых ТБП, обычно около 250 мкм. Это физическое осаждение паров при помощи электронного луча (EB-PVD) и способ плазменного распыления, оба эти способа предполагают экстенсивное использование вакуумного оборудования и сложного оборудования для осаждения. Однако оба вышеуказанных пути являются дорогостоящими для использования на крупномасштабных установках и в массовом производстве. Кроме того, EB-PVD является способом, скрытым от визуального наблюдения, что ограничивает возможности этого способа для однородного покрытия трехразмерных компонентов. Новый способ, обозначенный как осаждение паров при помощи электростатического распыления (ESAVD) описан в PCT/GB 96/03105. ESAVD является новым технологическим приемом, предлагающим простой и экономичный способ получения керамических пленок. Однако нанесение толстых пленочных покрытий, необходимых для ТБП, остается проблемой. Данное изобретение обеспечивает способ нанесения материала на подложку, при этом способ включает стадии: подачу раствора материала к выпускному отверстию для обеспечения потока капель раствора материала; приложение разности потенциалов между выпускным отверстием и подложкой для электростатического притяжения капель из выпускного отверстия к подложке; нагревание подложки для повышения температуры между выпускным отверстием и подложкой и постепенное повышение температуры подложки в процессе осаждения на нее материала. В данном изобретении признано, что при осаждении толстой пленки, особенно изоляционной пленки, такой как требуется для ТБП, изоляционные свойства пленки имеют тенденцию к понижению температуры поверхности пленки, принимающей на себя материал, по отношению к температуре исходной подложки. Так например, в то время как подложка может быть нагрета до постоянной температуры, например, с помощью электронагрева противоположной поверхности подложки для создания температурного градиента от подложки к выпускному отверстию, действительная поверхность нанесенной пленки, которая принимает следующий слой наносимого материала, может постепенно охлаждаться. Для решения этой проблемы изобретение обеспечивает постепенно повышающуюся температуру подложки с тем, чтобы поддерживать по существу постоянную температуру на материалопринимающей поверхности. В результате этого в процессе осаждения пленки можно получить более однородные свойства и, таким образом, можно получить толстые пленки, такие как ТБП, осаждаемые с гораздо большей однородностью, с надежными и предсказуемыми температурными и механическими свойствами. В качестве примера такую технологию можно использовать для изготовления ТБП для газотурбинных двигателей в энергетической и аэрокосмической отраслях промышленности. Кроме того, ТБП можно также использовать для применения в автомобильной промышленности. Настоящее изобретение также обеспечивает аппарат для нанесения материала на подложку, включающий выпускное отверстие; средства для подачи раствора материала к выпускному отверстию для обеспечения капель раствора материала; источник электрического тока для приложения разности потенциалов между выпускным отверстием и подложкой для электростатического притяжения капель от выпускного отверстия в направлении к подложке; средства нагрева для нагревания подложки для обеспечения повышения температуры между выпускным отверстием и подложкой; регулятор нагрева для регулирования средств нагрева и температурный детектор для определения температуры принимающей материал поверхности подложки; при этом регулятор нагрева расположен так, что его работа зависит от показаний температурного детектора для регулирования нагрева подложки с тем, чтобы поддерживать по существу постоянной температуру принимающей материал поверхности. Далее соответствующие аспекты и характерные признаки изобретения определены в прилагаемой формуле изобретения. Ниже изобретение описывается только при помощи примеров со ссылкой на сопровождающие чертежи, гдена фиг. 1 схематически представлен аппарат для нанесения пленки в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения;
на фиг.2(а) представлена морфология поверхности ТБП (YSZ), наносимого в течение 1 часа при температуре в пределах 600-650oС;
на фиг.2(b) представлен микрофотографический снимок поперечного сечения покрытия фиг.2(а);
на фиг. 3(а) представлена морфология поверхности ТБП (YSZ), имеющего толщину около 400 мкм, наносимого в течение 1 часа при температуре в пределах 600-650oС;
на фиг.3(d) представлен микрофотографический снимок поперечного сечения покрытия фиг.3(а);
на фиг. 4 схематически представлена модификация аппарата для нанесения пленки, представленного на фиг.1. Аппарат для нанесения пленки, представленный на фиг.1, включает выпускное отверстие 5, например, форсунку, распылительную головку или т.п., соединенное с источником постоянного тока 7 с напряжением, предпочтительно меняющимся в пределах от 0 до 30 кВ. При работе с коронным разрядом, как описано ниже, обычно используемое напряжение для работы аппарата, как показано, составляет от 4 до 15 кВ (соответствует температуре подложки примерно от 650 до 850oС), хотя для других целей может быть подходящим напряжение от около 5 до 30 кВ. Держатель 4 подложки заземлен и нагревается при помощи нагревателя 2. Температуру имеющего определенную форму держателя 4 подложки регулируют при помощи регулятора 1 и присоединенной термопары 3. Нагревание держателя 4 подложки также вызывает соответствующий нагрев площади, окружающей подложку 14, между держателем 4 подложки и выпускным отверстием 5. Такой нагрев способствует установлению температурного градиента, в результате чего по мере приближения к подложке 14 в направлении от выпускного отверстия 5 окружающая температура увеличивается. Такое повышение температуры способствует химическому взаимодействию в паровой фазе раствора покрытия, что приводит к осаждению керамической пленки. Когда к выпускному отверстию 5 прилагают электрическое поле достаточной или подходящей силы, образуется коронный разряд от конца выпускного отверстия 5. Для осаждения керамического покрытия используют жидкий предшественник для формирования пленки, и его подают в выпускное отверстие 5 в направлении, указанном стрелкой X. Внутренний диаметр выпускного отверстия 5 может меняться от 1 до 0,1 мм. Такой сравнительно большой внутренний диаметр снижает потенциальный риск забивания отверстия 5 при пропускании через него высоковязких растворов. По существу постоянную скорость потока в пределах от 0,4 до 60 мл/ч поддерживают при помощи нагнетания с использованием шприцевого насоса или постоянного статического давления. Альтернативно скорость потока может меняться, если это желательно, например может быть пульсирующей. Это может привести к формированию слоистой структуры в осажденной пленке. Таким образом, электростатическое поле, образованное между имеющим электрический заряд выпускным отверстием 5 и заземленным держателем 4 подложки способствует направлению заряженных капель раствора покрытия на подложку 14. Каплям раствора покрытия сообщают положительный заряд при помощи источника постоянного тока 7 с высоким напряжением. Такие положительно заряженные капли притягиваются к заземленному держателю 4 подложки. В качестве альтернативного варианта, капли можно заряжать отрицательно по отношению к заземленному держателю 4 подложки. Раствор покрытия, который может представлять смесь Zr(OC4H9)4, бутанола и Y(O2С8Н15)3, затем пропускают к выпускному отверстию 5 и разгружают в направлении подложки 14. В качестве примера золевый раствор предшественника YSZ покрытия состоит из бутоксида циркония (IV) Zr(OC4H9)4, 2-этилгексаноата иттрия Y(O2C8H15)3 и смеси горючих растворителей, например, от 70 до 80 об.% бутанола и от 30 до 20 об.% ацетилацетона. В качестве катализатора используют этановую кислоту. Предпочтительно концентрация желаемого раствора покрытия составляет приблизительно от 0,01 до 0,5 мол/л. Кроме того, раствор покрытия может иметь вязкость в пределах от около 0,01 до 50 мПа
![нанесение пленки или покрытия на субстрат, патент № 2211259](/images/patents/259/2211015/8226.gif)
Класс C23C26/00 Способы покрытия, не предусмотренные в группах 2/00
Класс B05D1/04 с помощью электростатического поля
Класс B05B5/08 установки для нанесения жидкостей или других текучих веществ на изделия