VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUM ERWÄRMEN VON METALLBAUTEILEN MIT ELEKTRONENBESTRAHLUNG IN EINER VAKUUMKAMMER

Beschreibung

[0001] Verfahren und Einrichtung zum Erwärmen von Metallbauteilen mit Elektronenbestrahlung in einer Vakuumkammer

[0002] Die US-A-5 814 784 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erwärmen von Metallbauteilen mit Laserbestrahlung in einer Vakuumkammer mit Mehrschichten-Elementen, wobei die Mehrschichten-Elemente eine einer Einrichtung zur Laserbestrahlung zugewandte, hitzebeständige und gut wärmeabsorbierende äußere Schicht und eine dem jeweiligen Metallbauteil zugewandte, gut wärmeabstrahlende innere Schicht aufweisen.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem sich Metallbauteile mit Elektronenbestrahlung gleichmäßig über alle Bereiche des jeweiligen Metallbauteils erwärmen lassen.

[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe dient erfindungsgemäß ein Verfahren zum Erwärmen von Metallbauteilen mit Elektronenbestrahlung in einer Vakuumkammer, bei dem zur Halterung der Metallbauteile in der Vakuumkammer Mehrschichten-Halterungselemente mit einer der Elektronenbestrahlung zugewandten, hitzebeständigen und gut wärmeabsorbierenden äußeren Schicht und mit einer dem jeweiligen Metallbauteil zugewandten, gut wärmeabstrahlenden inneren Schicht verwendet werden.

[0005] Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß sich die mittels Elektronenbestrahlung zu erwärmenden Bauteile auch in den Bereichen gleichmäßig erwärmen lassen, die in der Vakuumkammer wegen der notwendigen Halterung der Metallbauteile gegenüber der Elektronenbestrahlung abgedeckt sind. Durch die Verwendung von Mehrschichten-Halterungselementen mit einer wärmeabsorbierenden äußeren Schicht ist dafür gesorgt, daß ein wirkungsvoller Wärmeeintrag erfolgt, während die innere Schicht wegen ihrer gut wärmestrahlenden Eigenschaften die von der äußeren Schicht aufgenommene Wärme gut an das jeweilige Metallbauteil abgibt. Daher lassen sich Metallbauteile mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in allen Bereichen homogen erwärmen.

[0006] Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erwärmen von Metallbauteilen mit Elektronenbestrahlung in einer Vakuumkammer anzugeben, die bei vergleichsweise einfachem Aufbau eine gleichmäßige Erwärmung der Metallbauteile in allen Bereichen erlaubt.

[0007] Zur Lösung dieser Aufgabe dient erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Erwärmen von Metallbauteilen mit Elektronenbestrahlung in einer Vakuumkammer mit einer Einrichtung zur Elektronenbestrahlung und mit Mehrschichten-Halterungselementen für die Metallbauteile, wobei die Mehrschichten-Halterungselemente eine der Elektronenbestrahlung ausgesetzte, hitzebeständige und gut wärmeabsorbierende äußere Schicht und eine dem jeweiligen Metallbauteil zugewandte, gut wärmeabstrahlende innere Schicht aufweisen.

[0008] Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vor allem insofern, als sie allein durch Verwendung von Mehrschichten-Halterungselementen eine homogene Erwärmung der Metallbauteile ermöglicht, weil durch die Mehrschichten-Halterungselemente eine gute Wärmeaufnahme und eine gute Wärmeabgabe an die Bereiche des jeweiligen Metallbauteils erfolgt, die durch die Halterungselemente gegenüber der Elektronenbestrahlung abgeschattet sind. Dabei lassen sich die Mehrschichten-Halterungselemente vergleichsweise einfach herstellen.

[0009] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Mehrschichten-Halterungselemente in unterschiedlicher Weise aufgebaut sein. Als vorteilhaft wird es angesehen, wenn die äußere Schicht ein Massivteil aus Tantal oder Molybdän ist, auf dem sich als innere Schicht eine Graphitschicht befindet.

[0010] Der Vorteil eines derart ausgebildeten Mehrschichten-Halterungselementes besteht insbesondere darin, daß das Massivteil aus Tantal oder Molybdän die durch die Elektronenbestrahlung aufgebrachte Wärme gut aufnimmt und geringe Strahlungsverluste aufweist. Außerdem ist ein solches Massivteil hitzebeständig und hat die Eigenschaft, das auf ihm die Graphitschicht gut wärmeleitend aufgebracht werden kann. Die Graphitschicht ihrerseits ist insofern vorteilhaft, als sie ein hohes Wärmeabstrahlungsvermögen aufweist.

[0011] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die äußere Schicht ein Massivteil aus einem zur Bildung von thermisch hochstabilen Oxiden neigenden Metall, auf dem sich als innere Schicht eine Oxidschicht des Metalls befindet.

[0012] Die Ausführung eines derartig ausgestalteten Mehrschichten-Halterungselementes bietet den Vorteil, daß die in Frage kommenden Metalle hochtemperaturfest sind und ein gutes Wärmeaufnahmevermögen zeigen. Dies kann noch dadurch verbessert werden, daß die Oberfläche des Massivteils auf ihrer der Elektronenbestrahlung zugewandten Seite beispielsweise durch Sandstrahlen verbessert ist. Durch die Oxide ist eine gute Wärmeabstrahlung gewährleistet. Außerdem hat die Verwendung von zur Bildung von thermisch hochstabilen Oxiden neigenden Metallen als Werkstoff für das Massivteil den Vorteil, daß die Bildung der Oxide im Einsatz der Mehrschichten-Halterungselemente in der Vakuumkammer während des Erwärmungsprozesses geschehen kann, so daß sich solche Mehrschichten-Halterungselemente besonders einfach herstellen lassen. Außerdem führt die starke Oxidbildung zur Selbstheilung möglicher Oberflächendefekte und erhöht die Reproduzierbarkeit des Erwärmungsverfahrens. An der Außenseite der Massivteile ist die Oxidschicht vorteilhafterweise entfernt, um Strahlungsverluste zu vermeiden.

[0013] Als Metalle, die zur Bildung von thermisch hochstabilen Oxiden neigen, kommen vor allem Chrom, Nickel oder Aluminium in Frage.

[0014] Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn Mehrschichten-Halterungselemente mit einer Oxidschicht als innere Schicht außen auf dem Massivteil eine Keramikschicht tragen, weil eine solche Keramikschicht sehr gut wärmeabsorbierend, aber schlecht wärmeleitend ist.

[0015] Zur Erläuterung der Erfindung ist in der

Figur 1 ein zu erwärmendes Metallbauteil mit einem Mehrschichten-Halterungselement, in

Figur 2 eine Teilschnittfläche durch das Ausführungsbeispiel des Mehrschichten-Halterungselementes gemäß Figur 1, in

Figur 3 eine entsprechende Teilschnittfläche durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Mehrschichten-Halterungselementes und in

Figur 4 eine entsprechende Teilschnittfläche durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines Mehrschichten-Halterungselementes dargestellt.

[0016] In Figur 1 ist schematisch eine Vakuumkammer 1 gezeigt, in der sich eine Einrichtung 2 zur Elektronenbestrahlung (ebenfalls schematisch dargestellt) befindet. Oberhalb der Einrichtung zur Elektronenbestrahlung 2 befindet sich in der Vakuumkammer 1 ein zu erwärmendes Metallbauteil 3, das beispielsweise eine Welle 4 mit einem Flansch 5 sein kann.

[0017] Das zu erwärmende Metallbauteil 3 ist im Bereich seines Flansches 5 außen von einem Mehrschichten-Halterungselement 6 umfaßt, das mit einem in Figur 1 strichliert angedeuteten Halterungsarm 7 an einer Rückwand 8 der Vakuumkammer 1 gehalten ist. Das Mehrschichten-Halterungselement 6 weist eine der Einrichtung zur Elektronenbestrahlung 2 zugewandte, äußere Schicht 9 auf, die hitzebeständig und gut wärmeabsorbierend ist. Mit dieser äußeren Schicht 9 ist eine innere Schicht 10 verbunden, die dem Flansch 5 zugewandt ist und aus einem gut wärmeabstrahlenden Werkstoff besteht. Beide Schichten 9 und 10 des Mehrschichten-Halterungselementes 6 sind innig miteinander verbunden und umfassen unter Gewährleistung eines guten Wärmekontaktes den Flansch 5 eng.

[0018] Wird von der Einrichtung zur Elektronenbestrahlung 2 in Richtung der Pfeile durch Elektronenbestrahlung ein Wärmeeintrag in das Metallbauteil 3 vorgenommen, dann nimmt dabei auch das Mehrschichten-Halterungselement 6 mit seiner äußeren Schicht die Wärme gut auf und gibt sie an die innere Schicht 10 weiter, die sie wiederum aufgrund ihres guten wärmeabstrahlenden Verhaltens in den Flansch 5 leitet, so daß das zu erwärmende Metallbauteil 3 im Bereich des Flansches 5 nahezu genauso stark erwärmt wird wie im Bereich des Wellenteils 4. Trotz der notwendigen Verwendung eines Mehrschichten-Halterungselementes 6 läßt sich daher eine weitgehend homogene Erwärmung des Metallbauteils 3 in allen seinen Bereichen erreichen. Zu beachten ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die unterschiedliche Masseverteilung in Flansch 5 und Welle 4, die eine entsprechend unterschiedliche Strahlungsdosierung verlangt, um eine homogene Erwärmung zu erreichen.

[0019] Bei dem in Figur 2 gezeigten Schnitt durch ein Mehrschichten-Halterungselement 11 bildet die äußere Schicht 12 ein Massivteil, das aus Tantal oder Molybdän besteht. Auf dieses Massivteil 12 ist durch Beschichtung oder Plattierung auf seiner Innenseite 14 eine Graphitschicht 13 aufgebracht.

[0020] Das in Figur 3 dargestellte Mehrschichten-Halterungselement 15 ist wiederum als ein Halterungselement aus zwei Schichten ausgeführt und enthält als äußere Schicht ein Massivteil 16 aus Chrom, Nickel oder Aluminium oder deren Legierungen. Die innere Schicht 17 des Mehrschichten-Halterungselementes 15 ist von einer Oxidschicht des Massivteils 16 gebildet.

[0021] Die Figur 4 zeigt im Schnitt ein Mehrschichten-Halterungselement 18 mit drei Schichten, wobei ein Massivteil 19 genauso ausgeführt ist wie die äußere Schicht 16 des Ausführungsbeispiels nach Figur 3 und die innere Schicht 20 wiederum eine Oxidschicht des Massivteils 19 darstellt. Außen auf dem Massivteil 19 befindet sich eine Keramikschicht 21.

[0022] Abschließend ist darauf hinzuweisen, daß die Mehrschichten-Halterungselemente konstruktiv in sehr unterschiedlicher Weise ausgebildet sein können. Beispielsweise können sie als Halterungselemente zum festen Umfassen des jeweils zu erwärmenden Metallbauteils dienen oder auch als Lagerstellen für die Metallbauteile, wenn diese zur Erzielung einer guten Durchwärmung gedreht werden sollen. Auch als einfache Abstützungen für die zu erwärmenden Metallbauteile können die Mehrschichten-Halterungselemente ausgestaltet sein.

Ansprüche

1. Verfahren zum Erwärmen von Metallbauteilen (3) mit Elektronenbestrahlung in einer Vakuumkammer (1), bei dem zur Halterung der Metallbauteile (3) in der Vakuumkammer (1) Mehrschichten-Halterungselemente (6) mit einer der Elektronenbestrahlung zugewandten, hitzebeständigen und gut wärmeabsorbierenden äußeren Schicht (9) und mit einer dem jeweiligen Metallbauteil (3) zugewandten, gut wärmeabstrahlenden inneren Schicht verwendet werden.

2. Vorrichtung zum Erwärmen von Metallbauteilen (3) mit Elektronenbestrahlung in einer Vakuumkammer (1) mit einer Einrichtung (z) zon Elektronenbestrahlung und mit Mehrschichten-Halterungselementen (6) für die Metallbauteile (3), wobei die Mehrschichten-Halterungselemente (6) eine der Elektronenbestrahlung zugewandte, hitzbeständige und gut wärmeabsorbierende äußere Schicht (9) und eine dem jeweiligen Metallbauteil zugewandte, gut wärmeabstrahlende innere Schicht (10) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß

- die äußere Schicht ein Massivteil (12) aus Tantal oder Molybdän ist, auf dem sich als innere Schicht eine Graphitschicht (13) befindet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß

- die äußere Schicht ein Massivteil (16) aus einem zur Bildung von thermisch hochstabilen Oxiden neigenden Metall ist, auf dem sich als innere Schicht eine Oxidschicht (17) des Metalls befindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß

- das Metall Chrom, Nickel oder Aluminium oder eine Legierung dieser Metalle ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß

- sich außen auf dem Massivteil (18) eine Keramikschicht (21) befindet.

Claims

1. Method for heating metal components (3) using electron irradiation in a vacuum chamber (1), in which multilayer holding elements (6), which have an outer layer (9), which faces the electron radiation, is resistant to heat and exhibits good heat-absorption properties, and an inner layer, which faces the respective metal component (3) and exhibits good heat-radiating properties, are used to hold the metal components (3) in the vacuum chamber (1).

2. Device for heating metal components (3) using electron irradiation in a vacuum chamber (1), having an arrangement (2) for electron irradiation and having multilayer holding elements (6) for the metal components (3), the multilayer holding elements (6) having an outer layer (9), which faces the electron radiation, is resistant to heat and exhibits good heat-absorption properties, and an inner layer (10), which faces the respective metal component and exhibits good heat-radiating properties.

3. Device according to Claim 2, characterized in that

- the outer layer is a solid part (12) made from tantalum or molybdenum, on which there is a graphite layer (13) as the inner layer.

4. Device according to Claim 2, characterized in that

- the outer layer is a solid part (16) made from a metal which tends to form thermally highly stable oxides and on which there is an oxide layer (17) of the metal as the inner layer.

5. Device according to Claim 4, characterized in that

- the metal is chromium, nickel or aluminium or an alloy of these metals.

6. Device according to Claim 3 or 4, characterized in that

- there is a ceramic layer (21) on the outside of the solid part (18).

Revendications

1. Procédé de chauffage d'éléments (3) métalliques en les exposant à un faisceau d'électrons dans une chambre (1) sous vide, qui consiste à utiliser, pour le maintien des éléments (3) métalliques dans la chambre (1) sous vide, des éléments (6) de maintien stratifiés ayant une couche (9) extérieure tournée vers le faisceau d'électrons, résistant à la chaleur et absorbant bien la chaleur et une couche intérieure tournée vers l'élément (3) métallique respectif et dissipant bien la chaleur.

2. Dispositif de chauffage d'éléments (3) métalliques en les exposant à un faisceau d'électrons, comprenant un dispositif (2) d'exposition à un faisceau d'électrons dans une chambre (1) à vide et des éléments (6) stratifiés de maintien des éléments (3) métalliques, les éléments (6) stratifiés de maintien comprenant une couche (9) extérieure tournée vers le faisceau d'électrons, résistant à la chaleur et absorbant bien la chaleur et une couche (10) intérieure tournée vers l'élément (3) métallique respectif et dissipant bien la chaleur.

3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que

- la couche extérieure est une partie (12) pleine en tantale ou en molybdène, sur laquelle se trouve en tant que couche intérieure une couche (13) en graphite.

4. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que

- la couche extérieure est une partie (16) pleine en un métal ayant tendance à former des oxydes très stables thermiquement, sur laquelle se trouve comme couche intérieure une couche (17) d'oxyde du métal.

5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que

- le métal est le chrome, le nickel ou l'aluminium ou un alliage de ces métaux.

6. Dispositif suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que

- une couche (21) en céramique se trouve à l'extérieur sur la partie (18) pleine.

Zeichnung