CN102747363B - 一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺，顺次采用以下步骤：（1）、在喷管出口端的端面设置一圈金属环形电极，环形电极内径等于喷管管壁内径；（2）、将环形电极、金属基体置于真空环境下，设置环形电极到金属基体表面的距离为5～50mm；（3）、将金属基体和环形电极接通可调式直流稳压电源，其中环形电极接电源正极，金属基体接电源负极；（4）、由喷管进口向喷管内输入一定压力的气体和纳米级金属颗粒，带正电荷的金属颗粒撞击到带负电的金属基体表面，从而在金属基体表面沉积形成纳米涂层。本发明集成了真空冷喷涂和电场辅助冷喷涂的优点，选择合适的工艺参数，可在常温常压工作条件下实现纳米级金属颗粒的喷涂作业。
Description
技术领域
本发明属于表面技术领域，尤其是涉及一种在常温常压下将纳米级金属颗粒沉积到金属基体上的纳米级金属颗粒冷喷涂工艺。
背景技术
冷喷涂技术是近年来发展起来的一种新型的表面涂层技术，由于具有低温下固态沉积的特点，可明显降低甚至完全消除传统热喷涂中氧化、相变、偏析、残余拉应力和晶粒长大等不利影响，特别适合于非晶、纳米等温度敏感材料、铜、钛等氧化敏感材料涂层的制备。
在冷喷涂过程中，喷涂颗粒能否在基体表面形成有效沉积，取决于颗粒对基板的撞击速度。只有当颗粒的撞击速度大于临界沉积速度时，颗粒才能与基板有效结合。在一定的喷枪结构下，颗粒撞击速度主要取决于气体性质、喷涂距离和颗粒特性等。在传统冷喷涂中，为了使颗粒达到临界沉积速度，气体压力一般高达1.5~3.5Mpa，气体温度范围一般为100~600℃，载气首选氦气，其次是氮气；为防止颗粒在空气中的减速和过多氧化，喷涂距离一般为5~50mm；由于受基体前弓形激波的影响，喷涂颗粒直径范围大多限制在1~50μm之间。
在冷喷涂过程中，由于基板前弓形激波的存在，纳米级颗粒易在湍流区随气体一起脱离基板，或在气流漩涡内旋转，难以形成涂层。对于纳米级颗粒的喷涂，现有的喷涂技术主要有真空冷喷涂、气浮沉积和电场辅助冷喷涂技术等。
西安交通大学设计了真空冷喷涂系统，当真空喷涂室真空度小于2000Pa时，利用氦气作为载气，成功实现了80nm的氧化铝、500nm的碳化硅和200nm的二氧化钛颗粒的沉积。而其他研究成果表明，利用空气作为载气进行纳米级颗粒真空冷喷涂时，入口压力为0.4MPa；利用氮气或氦气，则可适当降低入口压力。专利公开号CN 1782127A的“真空冷喷涂工艺”解决了在多操作循环涂层中存在的剥离问题，但该工艺喷涂的颗粒尺寸范围主要集中在5~50μm之间。
日本研究者提出了气浮沉积技术，是在室温和低真空环境下，利用高速气流吹浮、雾化并加速超细喷涂粒子，然后高速沉积到洁净的基体表面形成涂层。
重庆大学和美国学者合作，提出了电场辅助冷喷涂技术，采用空气作为载气，当入口压力为0.81MPa，入口温度为700K，出口压力为常压，出口温度为300K，电场强度为3.0kV/m时，实现了100nm铜颗粒的有效喷涂。
显然，在当前冷喷涂技术条件下，要实现纳米级金属颗粒的喷涂，若采用真空冷喷涂，则以昂贵的氦气或氮气作为载气，且需使用高压气源以驱动金属颗粒；若采用气浮沉积，则需采用气浮雾化室等复杂的喷涂系统设备；若采用电场辅助冷喷涂，则因喷管出口压力为常压，需提高入口压力和入口温度以提高出口气流能量，进而提高颗粒撞击速度。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供了一种使用简单的冷喷涂设备在常温常压下操作的纳米级金属颗粒冷喷涂工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺，顺次采用以下步骤：
（1）、在喷管出口端的端面设置一圈金属环形电极，环形电极内径等于喷管管壁内径；
（2）、将环形电极、金属基体置于真空环境下，喷管的中心线垂直于金属基体表面，并设置环形电极到金属基体表面的距离为5～50mm；
（3）、将金属基体和环形电极接通可调式直流稳压电源，其中环形电极接电源正极，金属基体接电源负极；
（4）、由喷管进口向喷管内输入一定压力的气体和纳米级金属颗粒，在气流和电场的综合作用下，带正电荷的金属颗粒撞击到带负电的金属基体表面，同时喷管和金属基体之间形成相对运动进行大范围的喷涂作业，从而在金属基体表面沉积形成纳米涂层。
所述喷管为由陶瓷材料制成的拉瓦尔喷管。
所述环形电极与喷管出口端的端面之间采用胶粘连接。
所述直流稳压电源加在环形电极与金属基体间的电压不低于50kV。
所述金属基体通过绝缘垫固定在可在三维方向分别调节移动的工作台上，金属基体随工作台沿水平面方向移动实现大范围喷涂作业；金属基体沿垂直方向运动调整环形电极与金属基体间的合适距离，实现最佳喷涂效果。
所述环形电极与金属基体间的喷涂最短距离必须能保证喷管出口气体得到充分膨胀，金属基体放置最佳位置为气体自由射流第一周期速度的最低点。
所述金属颗粒在喷涂前需做导电化预处理，使金属颗粒带有正电荷，电荷量不低于2000e。
所述喷管的入口温度和出口温度均为常温。
所述向喷管内输入的一定压力的为常压下的空气，喷管出口处的压力即真空环境下的压力不大于使喷管出口产生完全膨胀波所需压力。
若金属颗粒携带的正电荷量小，则应提高环形电极与金属基体间的电压；反之，若金属颗粒电荷量大，则可降低环形电极与金属基体间的电压。
本发明中，对于特定结构尺寸的喷管和特定的纳米级金属颗粒，在喷涂过程中能否使金属颗粒喷涂沉积到金属基体上，主要取决于颗粒对基体的撞击速度。该撞击速度必须超过临界沉积速度，且取决于喷管出口到金属基体的喷涂距离、金属基体与环形电极之间的电压、金属颗粒所带的电荷量、喷管出口压力等参量，并且上述这些参量都是联动的。环形电极到金属基体表面的距离5～50mm，其中有一个最佳距离，大了小了都会使得撞击速度降低，这个最佳距离就取决于气体自由射流第一周期速度的最低点。电压、金属颗粒的电荷量则是越大越好，出口压力理论上越小越好，但是出口压力降低，会使最佳喷涂距离发生变化。喷管的出口压力最小值与采用拉瓦尔喷管的结构有关系。
本发明集成了真空冷喷涂和电场辅助冷喷涂的优点，选择合适的工艺参数，可在常温常压工作条件下实现纳米级金属颗粒的喷涂作业。本发明中载气可选用空气，金属颗粒无需加热，也无须使用高压送粉器，喷涂设备简单，喷涂成本显著降低，实用性强，易于推广应用。
附图说明
图1是本发明所采用的喷涂设备的结构示意图。
具体实施方式
本发明所采用的喷涂设备如图1所示，包括真空喷涂室1，真空喷涂室1内设有可在三维方向分别调节移动的工作台6和陶瓷拉瓦尔喷管2，喷管2位于工作台6上方且垂直于工作台6表面，真空喷涂室1下部连接有用于抽真空的真空泵7，喷管2上端连接有进气管8，进气管8上连接有送粉管9和送粉器10，送粉管9上设有送粉阀门11，进气管8上设有进气阀门12。
本发明的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺，顺次采用以下步骤：
（1）、在喷管2出口端（下端）的端面胶粘一圈金属环形电极3，环形电极3内径等于喷管2管壁内径；
（2）、工作台6上铺设有绝缘垫5，将金属基体4放置到绝缘垫5上，喷管2的中心线垂直于金属基体4表面，并通过调整工作台6沿Z向（竖直方向）移动，确定环形电极3到金属基体4表面的距离为5～50mm；环形电极3与金属基体4间的喷涂最短距离必须能保证喷管出口气体得到充分膨胀，金属基体4放置最佳位置为气体自由射流第一周期速度的最低点。
（3）、将金属基体4和环形电极3接通可调式直流稳压电源13，其中环形电极3接电源13正极，金属基体4接电源13负极，电源13加在环形电极3与金属基体4间的电压不低于50kV；
（4）、金属颗粒在装入送粉器10中之前即喷涂前需做导电化预处理，使金属颗粒带有正电荷，电荷量不低于2000e。打开进气阀门12和真空泵7，保持喷涂室1内压力不大于使喷管2出口产生完全膨胀波所需压力；打开送粉阀门11，利用送粉器10将带有正电荷的纳米级金属颗粒经喷管2加速后在气流和电场的综合作用下以一定速度撞击金属基体4，同时工作台6沿X向、Y向所在的平面（水平面）移动，当然，也可以使喷管2水平移动，金属基体4保持不动，喷管2和金属基体4之间形成相对运动进行大范围的喷涂作业，从而在金属基体4表面沉积形成纳米涂层。喷管2的入口温度和出口温度均为常温。向喷管2内输入的一定压力的为常压下的空气，喷管2出口处的压力即真空环境下的压力不大于使喷管2出口产生完全膨胀波所需压力。
下面给出一个实施例：采用电场辅助真空冷喷涂铜粉，球形颗粒直径30nm，导电化处理后颗粒电荷为2000e。拉瓦尔喷管2的结构如图1所示，入口直径Ф1=8mm，喉部直径Ф2=2mm，出口直径Ф3=6mm，收缩段长度L1=12mm，扩张段长度L2=12mm，直管段与金属环形电极3的长度L3=50mm，环形电极3距离金属基板4的距离L4=15mm。
喷涂工艺参数如下：喷管2入口压力为常压、入口温度为常温、出口压力为0.045atm、出口温度为常温，环形电极3与金属基体4间的电压为70KV。铜粉撞击到金属基体4表面的速度为533.8m/s，超过临界沉积速度，可实现有效沉积。
需要指出的是，铜粉的临界速度差别很大（从近300m/s-650m/s），金属表面氧化状态对粒子沉积临界速度影响显著的现象，氧化轻微的Cu粒子的沉积临界速度约300m/s，而临界速度随氧化程度增加显著变化。当临界沉积速度高时，可通过降低喷管2出口压力同时适当增大环形电极3距离金属基板4的距离（喷涂距离）、提高电压（环形电极3与金属基体4间的电压）、提高金属颗粒电荷量等工艺措施提高撞击速度。
Claims (5)
1.一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺，其特征在于，顺次采用以下步骤：
（1）、在喷管出口端的端面设置一圈金属环形电极，环形电极内径等于喷管管壁内径；
（2）、将环形电极、金属基体置于真空环境下，喷管的中心线垂直于金属基体表面，并设置环形电极到金属基体表面的距离为5～50mm；
（3）、将金属基体和环形电极接通可调式直流稳压电源，其中环形电极接电源正极，金属基体接电源负极；
（4）、由喷管进口向喷管内输入一定压力的气体和纳米级金属颗粒，在气流和电场的综合作用下，带正电荷的金属颗粒撞击到带负电的金属基体表面，同时喷管和金属基体之间形成相对运动进行大范围的喷涂作业，从而在金属基体表面沉积形成纳米涂层；
所述喷管为由陶瓷材料制成的拉瓦尔喷管；
所述金属基体通过绝缘垫固定在可在三维方向分别调节移动的工作台上，金属基体随工作台沿水平面方向移动实现大范围喷涂作业；金属基体沿垂直方向运动调整环形电极与金属基体间的合适距离，实现最佳喷涂效果；
所述环形电极与金属基体间的喷涂最短距离必须能保证喷管出口气体得到充分膨胀，金属基体放置最佳位置为气体自由射流第一周期速度的最低点；
所述喷管的入口温度和出口温度均为常温；
所述向喷管内输入的一定压力的为常压下的空气，喷管出口处的压力即真空环境下的压力不大于使喷管出口产生完全膨胀波所需压力。
2.根据权利要求1所述的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺，其特征在于：所述环形电极与喷管出口端的端面之间采用胶粘连接。
3.根据权利要求1所述的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺，其特征在于：所述直流稳压电源加在环形电极与金属基体间的电压不低于50kV。
4.根据权利要求1所述的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺，其特征在于：所述金属颗粒在喷涂前需做导电化预处理，使金属颗粒带有正电荷，电荷量不低于2000e。
5.根据权利要求1所述的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺，其特征在于：若金属颗粒携带的正电荷量小，则应提高环形电极与金属基体间的电压；反之，若金属颗粒电荷量大，则可降低环形电极与金属基体间的电压。
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