CN101218040A - 采用激光器对浆料涂层进行选择性区域熔合 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种沉积薄涂层的方法，利用激光器发出的能量，将涂层材料的浆料涂层熔合于衬底的涂层表面上，从而将各种涂层材料沉积于各种衬底上。该涂层材料和衬底可包括纯金属和金属合金、陶瓷、陶瓷合金、聚合物以及这些材料的复合材料。本方法采用反射掩膜，例如由特别适于反射用于熔合涂层的激光能量波长的金属制成的抛光金属掩膜，在预定图样中形成熔合的涂层。本方法可按照加成法实施，以形成熔合涂层，或者按加成及减成法实施。

Description

采用激光器对浆料涂层进行选择性区域熔合
技术领域
本发明一般涉及一种将浆料涂层熔合于衬底的方法，特别是一种采用激光器将浆料涂层按预定图样熔合于衬底，使得浆料涂层的微粒和反射掩膜熔合，从而形成预定图样的浆料涂层。
背景技术
在许多应用场合，都需要在第二材料衬底上形成相对较薄的第一材料涂层。而且，常常需要在衬底上形成预定图样的薄涂层。根据应用场合，可选衬底实质上可包括任何固体材料，包括金属、陶瓷、玻璃、陶瓷合金和这些材料形成的复合材料。根据应用场合和衬底，涂层实质上也可由任何固体衬底材料形成，包括上述各种材料。这种涂层可用于实现各种功能或提供各种性能，包括导电性、电阻性能、电绝缘或电隔离性能、热导性、耐热性、抗氧化性、耐烧蚀性、耐磨性、所确定的表面拓扑或粗糙度特征、摩擦学或摩擦系数控制特性以及其他功能或特性。
现有许多不同的方法，可将相对较薄的各种材料涂层涂覆于各种衬底。同样地，也有很多方法可在这类衬底上形成预定图样的薄涂层。例如，采用各种薄膜沉积方法，如溅射法、热蒸发或电子束蒸发技术、电镀、化学镀、电泳分离法、浸渍、热处理、动力和等离子喷涂、层压、覆层以及许多其他方法，将薄涂层涂覆于衬底，通过沉积或采用各种形成图样的方法形成图样，例如，各种光刻和其他结合化学、等离子或其他蚀刻技术的形成图样的方法，离子刻蚀、溅射法只代表其中少数部分。其他例子包括采用各种丝网印刷和流延涂膜(doctor blading)技术将涂层的可熔微粒涂覆在衬底上，再采用各种方法通过足够的热量使得可熔微粒彼此熔合并与衬底熔合形成预定图样。利用热能使微粒彼此熔合并与衬底熔合的方法可通过对流加热炉、红外灯等实现。也可以用其他方法，包括各种覆层成型方式，例如将衬底与薄涂层材料一起高温、高压碾压，使其彼此结合。
发明内容
本发明提供一种将熔融的涂层涂覆于衬底的方法，该方法将包含涂层材料可熔粉粒的浆料涂层涂覆于衬底，并利用能量源发出的能量，例如激光束，将浆料涂层中的涂层材料熔合于衬底上作为涂层。本发明方法可用于将各种涂层材料，例如各种纯金属和金属合金、陶瓷、陶瓷合金、玻璃和聚合物以及这些材料的复合材料，涂覆于各种衬底材料上，该衬底材料也可包括各种纯金属和金属合金、陶瓷、陶瓷合金、玻璃和聚合物以及这些衬底材料的复合材料和层压材料。所述方法可用于生产各种预定图样的涂层。按照本发明的一方面，所述方法包括下列步骤：选择具有涂层表面的衬底；将包括可熔微粒的浆料的涂层涂覆于所述涂层表面；将掩膜置于所述涂层表面上以界定所述浆料涂层的预定图样；以及，使激光器发出的能量作用于所述浆料涂层的预定图样，使其足以导致所述预定图样中至少部分所述可熔微粒熔合于所述衬底。本发明还可在所述将浆料的涂层涂覆于所述涂层表面的步骤之后，进行干燥所述浆料的步骤。在该方法的实施过程中，并非浆料涂层的所有可熔微粒均可在所述使激光器发出的能量作用于所述浆料涂层的预定图样的步骤中熔化，因此本方法还具有去除上述步骤中未熔化的可熔微粒的步骤。按照本发明的第二方面，可改变上述方法各步骤的顺序，使得所述将掩膜置于所述涂层表面上以界定所述浆料涂层的预定图样的步骤在所述将包括可熔微粒的浆料的涂层涂覆于所述涂层表面的步骤之前完成。在这方面，上述参考替换步骤也可在设置掩膜步骤和涂覆涂层步骤的顺序已经重新排列的情况下，做适当改变后再执行。本发明方法的有益效果在于，能够通过采用单一涂层方法，根据适于所选的特定浆料涂层和衬底材料的沉积参数，在各种衬底上按各种预定图样沉积各种涂层材料。
本发明方法的另一有益效果在于，预定图样的涂层可按照纯加成方式熔合于衬底，如果需要采用减成法去除浆料涂层的未熔部分，则可控制必须去除的材料的量，以最小化或大大减少必须采用减成法去除的材料的量。
附图说明
为便于理解本发明的特征及优点，以下结合附图对本发明进行详细描述，附图中相似的元件用相似的数字指代，其中：
图1是本发明第一示范性实施例的衬底的俯视图；
图2是沿图1中2-2线的剖视图；
图3是将浆料涂层涂覆于图1所示衬底的涂层表面后，该衬底的俯视图；
图4是沿图3中4-4线的剖视图；
图5是衬底和覆盖部分浆料涂层的掩膜的俯视图；
图6是沿图5中6-6线的剖视图；
图7是能量直接作用于部分浆料涂层后衬底和掩膜的俯视图；
图8是沿图7中8-8线的剖视图；
图9是去除掩膜后衬底的俯视图；
图10是沿图9中10-10线的剖视图；
图11是具有熔合涂层的衬底的俯视图；
图12是沿图11中12-12线的剖视图；
图13是本发明第二实施例中衬底和激光器发出的能量共同作用开始对浆料涂层进行扫描的第一侧视图；
图14是扫描过程中衬底和能量沉积的第二侧视图；
图15是扫描最后阶段衬底和能量的第三侧视图；
图16是本发明第三示范性实施例的详图，其中浆料涂层设于凹陷中；以及
图17是本发明第四示范性实施例的侧视图，其中相对于浆料涂层，掩膜是凹陷的。
具体实施例
本发明几个不同实施例如附图所示，其中各个不同的实施例显示了相似的特征，这些相似特征采用共同的两位参考数字编号，并在该两位共同数字之前设置第三个数字以示区别。而且，为了加强一致性，任一特定附图中的特征均采用同一第三个数字进行标注，即使该特征并未在所有实施例中显示。相似的特征具有相似的结构，相似的运行方式，和/或相似的功能，附图或本说明书中另有说明的除外。更进一步地，一个实施例中的特定特征可取代另一实施例中的相应特征，附图或本说明书中另有说明的除外。
本发明提供了一种将熔融的涂层涂覆于衬底的方法，该方法将包含涂层材料可熔粉粒的浆料涂覆于衬底，并利用能量源——例如激光束发出的能量，将浆料中的涂层材料熔合于衬底上作为涂层。该方法可用于将各种涂层材料，例如各种纯金属和金属合金、陶瓷、陶瓷合金、玻璃和聚合物以及这些材料的复合材料，涂覆于各种衬底材料上，该衬底材料也可包括各种纯金属和金属合金、陶瓷、陶瓷合金、玻璃和聚合物以及这些衬底材料的复合材料和层压材料。此外，该方法可用于生产各种具有预定图样的涂层。
图1-12举例说明了实施本发明的示范性处理过程中的各个步骤，以使浆料涂层15熔合于衬底25的涂层表面30上，形成涂层20。图1和图2展示了衬底25。该衬底25可选用任何适合的固体材料，包括金属、陶瓷、玻璃、陶瓷合金和聚合物。衬底25也可包括由这些材料层压形成的或者采用其他方法形成的各种复合材料。衬底材料的选择基于衬底25的应用领域。
衬底25可具有任何适合的尺寸和形状或形式，包括从各种尺寸和厚度的平面薄板或平板到各种尺寸和形式的其他二维或三维形状。衬底25也可采用各种阶梯状表面、曲面或其他表面形式。同样，涂层表面30也可具有任何需要的尺寸和形状或形式。
涂层表面30可包括衬底25的单一平整表面，也可由多个表面构成，包括各种尺寸和形式的二维和三维表面。衬底25的涂层表面30可根据衬底25、涂层20和其他因素的应用要求，具有可控的表面光洁度或粗糙度。
因此，可根据所需的应用和应用环境，选择相应的材料、尺寸、形状或其他特征来制造、加工和/或设计衬底25。示范性的衬底25为金属平板或薄板，例如薄钢板。
现在参考图3和图4，将浆料涂层15涂覆于表面30上。该示范性浆料涂层15由可熔微粒形成。这里所采用的浆料，通常定义为液体载体介质中的可熔微粒的混合物。该可熔微粒可由任何适合的可熔固体材料构成，包括金属、陶瓷、玻璃、陶瓷合金和聚合物以及其复合材料。该混合物优选采用液体载体介质中可熔微粒的稳态或亚稳态悬浮形式。
通常，优选可熔微粒的重量大于或等于约75％的浆料重量。同样，可熔微粒所占的百分比也可小于75％。液体载体介质可包括提供涂层20所需优点和构成的任意多个组分。该液体载体介质可主要为水基介质，在这种状况下，该浆料为水基浆料。
可选地，液体载体介质可包括有机溶剂，例如各种烷烃类、烯烃类、醇类、酮类、二醇类、酯类、醚类、醛类、吡啶类等等，此时，浆料为有机浆料。液体载体介质也可作为或者包含溶液或者其他中的一个独立组分，一种粘合材料。
该粘合材料涂覆并提供多个可熔微粒之间以及可熔微粒与衬底25之间的粘合力。该粘合材料在操作中通过任何已知的结合机理将微粒粘合形成粘结层。由于水基浆料包括多种金属粉粒，包括铂族贵金属粉粒和难熔金属粉粒的各种组合以及镍、钴、铬、铝、钇合金粉粒，因此，聚乙烯醇可作为一种粘合材料。浆料涂层15也可包括实现和提供各种其他功能的其他组分，包括流变助剂、生物抗菌剂、杀真菌剂、表面活性剂和助熔剂。
流变助剂，例如增稠剂，可用于调节浆料介质15的粘性和其他流体特性，使其与本方法涂覆该浆料相协调。例如，对于一些应用方法，需要具有为液体载体介质提供自由流动液体浓度的流变能力；而在另一些应用中，则希望液体载体介质具有更类似厚膜浆料的流变能力和浓度。因浆料由上述类型的各种金属粉末构成，黄原胶作为增稠剂，是一种有效的流变助剂。
除了粘合材料和流变助剂，浆料涂层15还可包括各种生物抗菌剂和杀真菌剂，以防止浆料存储期间微生物和真菌的滋生，并延长浆料的保存期限。由于水基浆料采用上述类型的各种金属粉末作为可熔微粒，对羟基苯甲酸甲酯可作为一种有效的杀菌和杀真菌剂。
浆料涂层15还可包括一种和多种表面活性剂，以增强可熔粉粒的润湿性。该表面活性剂可基于其他组分特别是溶剂、粘合材料和可熔微粒进行选择。可根据可熔微粒和液体载体介质的应用和属性，从已知表面活性剂材料包括离子和非离子表面活性剂材料中选择该表面活性剂。对于一些类型的可熔微粒，还需要采用助熔剂促进微粒熔化，或者，避免该微粒在熔化期间被氧化。该助熔剂也可根据可熔微粒和液体载体介质的应用和属性从已知助熔材料中选择。
根据衬底25和浆料涂层15的相关要求，可采用任何适合的涂覆技术和方法涂覆浆料涂层15。可采用浆料的涂装、喷涂、浸渍涂层、流延涂膜、转移印刷以及丝网印刷将浆料涂层15涂覆于衬底上。
现在参照图5和图6，掩膜35设置于涂层表面30上，以形成浆料涂层15的预定图样40。该掩膜35可用于界定将由浆料涂层35涂覆的部分涂层表面30。可选地，可在将浆料涂层15涂覆于涂层表面30之后，将掩膜35置于浆料涂层15上。
在采用掩膜35之前，可干燥浆料涂层15，以便去除所有或大部分液体载体介质。可采用任何适合的装置或方法进行干燥，包括在空气中或在非氧化气氛例如氮或氩中进行室温干燥，也可包括采用已知方法和装置例如各种烤炉、熔炉、红外灯等高温干燥。
掩膜35可由能够形成预定图样40的任何适合的材料制成。该掩膜35允许能量45(将在下面进行详细描述)作用于浆料涂层15的第一部分，阻止能量45作用于浆料涂层15的第二部分。掩膜35可通过吸收能量45，或反射能量45，或能量偏转和吸收相结合，来保护浆料涂层15的第二部分。
如果掩膜35可操作地吸收部分能量45，则该掩膜35适于吸收没有熔化和/或没有熔合涂层表面30的那部分能量45。如果掩膜35吸收部分能量45，则该掩膜35适于尽可能反射较多的能量45。掩膜35可由例如铜或铝合金、纯铜、纯铝制成。可将掩膜35的表面55抛光以增强掩膜35的反射能力。
预定图样40可为任何需要的尺寸或形状。掩膜35具有周界60和孔65。该掩膜35可具有多个孔，这些孔相互配合来确定预定图样40。该预定图样40可包括位于掩膜35周界60外侧、或内侧、或同时位于外侧和内侧的浆料涂层15的区域。
参照图7和图8，来自激光器50的光能形式的能量45作用于浆料涂层15的预定图样40。该能量45足以使得预定图样40内的浆料涂层15可熔微粒至少部分彼此熔合，并熔合于衬底25的涂层表面30。
参照图9和图10，能量45作用于预定图样40中的浆料涂层15之后，浆料涂层15的微粒彼此熔合形成熔合的涂层20。根据将被照射的预定图样40的尺寸和形状、处理过程必需的生产能力以及其他因素，可采用已知的激光照射技术应用激光器50发出的能量45。这些技术可包括，例如，在激光器50和衬底25的涂层表面30、或者激光器50在衬底25的涂层表面30上形成的蛇纹或其他结构的光栅、或者激光器50和衬底25中一方相对另一方的扫描没有产生相对移动时，进行单点或区域照射。在本发明的另一实施例中，掩膜35和衬底25可相对激光器50旋转。相对激光器50旋转的掩膜35和衬底25带来的好处是能够控制对圆形预定图样40的曝光。
在进行扫描时，衬底25或激光器50之一随时间作相对移动，直到整个预定图样40受到激光器50的照射。参照图13-15，衬底125上涂覆浆料涂层115，该浆料涂层115由掩膜135环绕。激光器(图未示)将能量145引向衬底125。随时间过去，从t1到t3，激光器和衬底125之一相对另一移动，使得浆料涂层115在能量145作用下变为熔合涂层120。
对于包括有多纯金属和金属合金的浆料涂层15，可采用千瓦级的半导体激光器(direct diode laser)。当采用半导体激光器时，激光器50发出的能量45的功率密度可小于约105瓦/平方厘米，相互作用的时间为10-1秒或少于10-1秒，从而避免浆料涂层15可熔微粒或衬底25中任一过热或蒸发。根据所采用的浆料涂层15和衬底25以及预定图样40的尺寸和形状，激光器发出的激光束可具有任何适合的截面形状。在衬底25为金属衬底、浆料涂层15由金属粉粒构成的情况下，可采用矩形截面形状的扫描激光束，其矩形截面的宽度和长度分别为约10.0-15.0mm和0.5-2.0mm。
在本发明的一实施例中，浆料涂层15的微粒软熔，其部分16中产生的液体再凝固，形成涂层20(例如，许多金属和纯金属合金)。在某些情况下，例如对于由许多纯金属和金属合金粉粒构成的浆料涂层15，需要用足够的能量充分软熔所有的粉粒，随后再凝固，分别形成均质的纯金属或金属合金涂层20。类似地，如果浆料涂层15由不同纯金属粉粒，按与所需合金成分含量相应的量混合而成，则需要用足够的能量充分软熔所有粉粒，随后再凝固，形成所需金属合金成分的均质涂层。在另一些情况下，例如对于由各种聚合物微粒、或聚合物微粒和其他微粒如聚合物/金属组合物中的金属粉粒形成的混合物、或熔点相对较低的纯金属或金属合金与熔点相对较高的纯金属或金属合金的浆料构成的浆料涂层15，认为无需完全熔化或软化所有浆料微粒，但优选用足够的能量进行软熔，或者在将聚合物充分软化的情况下，仅熔化部分微粒，使其彼此熔合并与衬底熔合。这一点特别适合用于浆料中一种组分(例如，高熔点金属)的软熔导致对浆料涂层中另一种组分(例如，聚合物)的不适度加热的状况，特别是，熔化熔点较高的材料金属所需的能量级会导致熔点较低的组分化学分解、过度蒸发或发生其他降解的状况。在这种状况下，熔点或软化点较高的材料的粉粒不能被软熔或不能被充分软化以便彼此熔合，但这些粉粒可用于，例如，吸收激光器50发出的能量45并促进熔点或软化点较低的粉粒软化。
作为上述各种浆料的一个实施例，在可熔微粒是由单一纯金属(例如贵金属如铂、铱、铑、钯或其他金属如铪、钽、钨、铼)，或均质金属合金成分(例如，铂铱合金的微粒)，甚至由不同纯金属粉粒、按与所需合金成分含量相应的量混合而成的混合物(例如足以形成多种已知镍钴铬铝钇合金中一种合金的相应含量的镍、钴、铬、铝和钇纯金属粉末的混合物)，需要软熔所有浆料可熔微粒，并随后再凝固，形成均质纯金属或金属合金涂层20，可选地，在一个实施例中，可熔微粒具有明显不同的熔点(例如，许多聚合物/金属浆料，以及许多陶瓷/金属或聚合物浆料)，需要选择性地优先熔化或软化这些粉末组分中的一种或者多种，从而促进粉粒之间以及粉粒和衬底之间的有限熔合，例如烧结过程中常发生的状况。
参考图11和12，将任何在激光器能量作用下没有熔化的可熔微粒从表面30除去。这一过程可采用任何适合的方法实现，包括溶解未熔的浆料涂层15或将其从涂层表面上冲洗下来，或者采用机械方法，例如各种擦洗、喷涂磨料方法或其他已知的去除未熔涂层材料的方法，或者这些方法的各种组合。
可将上述步骤重复用于给定衬底25，从而在给定衬底25上形成一个以上涂层材料20的预定图样40，或形成多个涂层20。如果沉积形成多个涂层20，则每个涂层20可沉积于衬底25的单一涂层表面30上，也可沉积于衬底25的多个涂层表面30上；而且可沉积作为单一涂层的不同部分，或作为多层叠合的涂层材料，例如由各种绝缘层分隔的相叠合的导体层。易知，可涂覆于衬底的涂层的结合和变换方式，无论是单层还是多层叠合，均是多种多样的。
现在参照图16，在本发明的第三示范性实施例中，浆料涂层215可与掩膜235处于不同平面。浆料涂层215可沉积于衬底225表面230上的缺口或凹陷中。掩膜235可高于或低于浆料涂层215的平面。能量245的入射角α可从法线角变化至进一步使浆料涂层215微粒熔合的角度，其中法线角具有将能量245的前部自掩膜235侧壁236反射进浆料涂层215的有益效果。因此，可以根据需要改变能量源45的入射角度来改善能量转移。
现在参照图17，在本发明的第四示范性实施例中，当能量345作用于浆料涂层315时，掩膜335位于浆料涂层315下方。
很明显，根据以上描述可以对本发明做各种改变和修改。因此，可以理解，除上述特定实施例外，本发明可以用其他方式实施，而不限于上述说明书中所描述。

Claims (25)

1.一种将浆料涂层熔合于衬底的方法，包括下列步骤：
选择具有涂层表面的衬底；
将包括可熔微粒的浆料的涂层涂覆于所述涂层表面；
将掩膜置于所述涂层表面上以界定所述浆料涂层的预定图样；以及
使激光器发出的能量作用于所述浆料涂层的预定图样，使其足以导致所述预定图样中至少部分所述可熔微粒熔合于所述衬底。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述使激光器发出的能量作用于所述浆料涂层的预定图样的步骤之后，进一步包括将所述掩膜从所述涂层表面去除的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述将浆料的涂层涂覆于所述涂层表面的步骤之后，进一步包括干燥所述浆料的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浆料涂层包括在所述使激光器发出的能量作用于所述浆料涂层的预定图样的步骤中未熔化的可熔微粒，所述方法进一步包括去除该未熔化的可熔微粒的步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将浆料的涂层涂覆于所述涂层表面的步骤包括采用所述浆料的涂装、喷涂、浸渍涂层、流延涂膜、转移印刷以及丝网印刷方法中至少之一将所述浆料涂覆于所述衬底上。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底选自金属、陶瓷、陶瓷合金、玻璃、聚合物或其复合材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浆料包括粘合剂。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述粘合剂包括聚乙烯醇。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浆料还包括流变助剂、抗菌剂、杀真菌剂和表面活性剂中至少之一。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浆料包括重量百分比大于或等于95％的可熔微粒。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浆料为水基浆料。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浆料为有机浆料。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可熔微粒选自金属、陶瓷、陶瓷合金、玻璃、聚合物或其复合材料。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩膜具有周界，所述预定图样设于所述掩膜的周界之外。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩膜具有周界，所述预定图样设于所述掩膜的周界之内。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩膜具有周界，所述预定图样设于所述掩膜的周界之外及之内。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩膜在操作时反射所述激光器的能量。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述掩膜包含金属。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述金属是铝或铜。
20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光器是半导体激光器。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述激光器发出截面形状为矩形的光束。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述光束聚焦形成的矩形截面形状的宽度和长度分别为10.0-15.0mm和0.5-2.0mm。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，作用于所述衬底的所述激光能量的功率密度为105瓦/平方厘米，相互作用的时间为10-1秒或少于10-1秒。
24.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使激光器发出的能量作用于所述浆料涂层的预定图样的步骤包括扫描所述光束和所述衬底中至少之一，使得所述激光能量作用于所述预定图样之上。
25.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使激光器发出的能量作用于所述浆料涂层的预定图样的步骤包括旋转所述光束和所述衬底中至少之一，使得所述激光能量作用于所述预定图样之上。
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