CN106856185A - 一种氧化钇陶瓷等离子溶射设备及溶射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种氧化钇陶瓷等离子溶射设备及溶射方法，设备包括控制中心、送粉器、冷却系统、等离子枪、气体系统、电源和机械手，送粉器通过送粉管道连接至等离子枪内，气体系统与等离子枪连接，冷却系统围绕在等离子枪周围，电源分别与控制中心、送粉器、冷却系统、等离子枪、气体系统和机械手连接，等离子枪固定在机械手上。本发明等离子溶射加工，是以等离子体的能量作为热源，把氧化钇陶瓷粉末状固体物质溶化，通过等离子流，将熔化后的材料加速，吹附在母体材料表面，形成皮膜。不仅可以恢复零件尺寸，而且还能提高耐磨性、耐热性、耐腐蚀性，可以给母体材料增加原来没有的各种优良性能。

Description

一种氧化钇陶瓷等离子溶射设备及溶射方法

技术领域

本发明公开一种溶射设备及溶射方法，特别是一种氧化钇陶瓷等离子溶射设备及溶射方法。

背景技术

随着液晶面板和集成电路制造设备的大型化，设备的功率也随之提高，以确保高世代生产线的生产效率和品质要求，而制造设备在功率增加的同时，对设备组件表面特性的要求也随之有了大幅的提高，因此，需要对设备组件的表面进行特殊处理，以增加其使用寿命。常规的做法通常是应用在干刻(Dry Etch)和化学气相沉积(CVD)设备中，对于小世代液晶面板生产线和小尺寸晶圆生产设备使用氧化铝陶瓷(即在组件表面附着一侧氧化铝陶瓷)即可满足抗等离子蚀刻(Plasma Etching)的要求，而设备升级后，氧化铝陶瓷抗高强度等离子蚀刻(plasma etching)时，氧化铝陶瓷寿命快速缩短，影响设备运行，增加客户高端设备风险。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的液晶面板和集成电路制造设备中的组件表面采用氧化铝陶瓷，容易损坏，存在风险的问题，本发明提供一种氧化钇陶瓷等离子熔射设备及熔射方法，其采用特殊的设备结构和工艺方法，可使工件表面具备氧化钇的特性，大大延长客户设备运行时间，确保设备的寿命。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种氧化钇陶瓷等离子溶射设备，该设备包括控制中心、送粉器、冷却系统、等离子枪、气体系统、电源和机械手，送粉器通过送粉管道连接至等离子枪内，气体系统与等离子枪连接，冷却系统围绕在等离子枪周围，电源分别与控制中心、送粉器、冷却系统、等离子枪、气体系统和机械手连接，等离子枪固定在机械手上。

一种采用上述的氧化钇陶瓷等离子溶射设备的熔射方法，该方法包括下述步骤：

A、工件表面化学清洗：采用70％±2浓度的浓硝酸和纯水按照体积比为1:1的比例进行混合，将工件放入混合液中浸泡1～2小时，对其进行常压化学清洗，清洗时，混合液温度保持在40℃～50℃；

B、工件纯水漂洗：将工件捞出放入流动的纯水中浸泡冲洗30分钟以上；

C、超声波清洗：将工件放入超声波清洗槽中，超声波清洗槽中放入纯水，采用功率为1.2Kw的超声波进行超声波震荡清洗30分钟以上；

D、干燥：采用CDA吹干，干燥温度为100±5°，干燥时间为30分钟以上；

E、喷砂：采用WA46#利用3～5Kgf/cm2的压力，距离工件300±50mm的距离，喷射角度为45°～90°的角度对工件进行表面喷砂处理，利用粗糙度检测仪对其表面进行粗糙度检测，保证工件表面粗糙度达到Ra＞3μm；

F、高压水洗：采用纯水，水压保持在50bar，水枪出水口距离工件表面的距离为30～50cm，对工件表面进行全面清洗；

G、超声波清洗：将工件放入超声波清洗槽中，超声波清洗槽中放入纯水，采用功率为1.2Kw的超声波进行超声波震荡清洗30分钟以上；

H、干燥：采用CDA吹干，干燥温度为100±5°，干燥时间为30分钟以上；

I、进行溶射作业：气体系统将等离子气体Ar和He经配管送至等离子枪内，通入流量为Ar：110SCFH±0.5％，He：60SCFH±0.5％；等离子枪通入电流为450A，电压为：38～45V，送粉率为15-20g/min，陶瓷采用氧化钇粉末，粉末粒径为：15～45μm，喷涂距离为等离子枪出口距离工件表面为110-120mm，喷涂速度：500mm/sec，经多层喷涂，直至达到设定厚度；

J、品质检验：粗糙度采用粗糙度检测仪对其表面进行粗糙度检测，保证工件表面粗糙度达到Ra为3～6μm，氧化钇溶射层厚度为200±20μm；

K、高压水洗：采用纯水，水压保持在50bar，水枪出水口距离工件表面的距离为30～50cm，对工件表面进行全面清洗；

L、超声波清洗：将工件放入超声波清洗槽中，超声波清洗槽中放入纯水，采用功率为1.2Kw的超声波进行超声波震荡清洗30分钟以上；

M、干燥：采用CDA吹干，干燥温度为120±5°，干燥时间为2小时；

N、最终检验：采用表面粒子测定仪进行表面检测，0.3μm颗粒每平方厘米少于3个。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的设备还包括集尘系统，集成系统设置在控制中心、送粉器、冷却系统、等离子枪、气体系统、电源和机械手组成的熔射设备的主体外部。

所述的等离子枪内设有阴极电极和阳极电极。

所述的气体系统内设有质量式流量控制器。

所述的送粉器包括筒状容腔、送粉腔和扇形阻挡件，送粉腔安装在筒状容腔底部，且与筒状容腔相连通，送粉腔顶部开设有送粉口，扇形阻挡件设置在送粉腔内，通过扇形阻挡件将送粉腔分割成多个送粉区。

所述的扇形阻挡件设有两个以上。

所述的冷却系统包括水管、外循环水泵和制冷装置，制冷装置与外循环水泵连接，外循环水泵通过水管与等离子枪连接。

本发明的有益效果是：本发明等离子陶瓷溶射就是为满足高世代面板和大尺寸晶圆设备组件的表面特性改进，采用本发明不仅可以恢复零件尺寸，而且还能提高耐磨性、耐热性、耐腐蚀性，可以给母体材料增加原来没有的各种优良性能。等离子溶射加工，是以等离子体的能量作为热源，把粉末状固体物质溶化，通过等离子流，将熔化后的材料加速，吹附在母体材料表面，形成皮膜。溶射加工在大气中或减压保护气体中进行，是改变材料表面质量的一种新的有效的新方法。随着溶射材料种类的增多，不仅可以恢复零件尺寸，而且还能提高耐磨性、耐热性、耐腐蚀性，可以给母体材料增加原来没有的各种优良性能。采用本发明工艺可使产品表面涂层孔隙率达到2％以下，产品结合力达到3000psi以上；涂层厚度可达到300μm。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明设备原理结构示意图。

图2为本发明送粉器立体结构示意图。

图3为本发明送粉器分解状态结构示意图。

图4为本发明加工的产品性能的测试实验室(机械性能)试验报告。

图5为本发明加工的产品性能的测试实验室(金相)试验报告第一页。

图6为本发明加工的产品性能的测试实验室(金相)试验报告第二页。

图7为本发明加工的产品性能的测试实验室(金相)试验报告第三页。

图中，1-等离子枪，2-气体系统，3-冷却系统，4-送粉器，5-筒状容器，6- 送粉腔，7-送粉口，8-扇形阻挡件。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

请参看附图1，本发明中的氧化钇陶瓷等离子熔射设备主要包括控制中心、送粉器4、冷却系统3、等离子枪1、气体系统2、电源和机械手，本实施例中，送粉器4通过送粉管道连接至等离子枪1的出口处位置，气体系统2与等离子枪1连接，冷却系统3围绕在等离子枪1周围，用于对等离子枪1进行冷却，电源分别与控制中心、送粉器4、冷却系统3、等离子枪1、气体系统2、机械手等连接，用于给其他系统供电，机械手用于夹持等离子枪1，以方便加工，本实施例中，机械手(图中未画出)可采用常规设计，可通过电机驱动，利用滑轨滑道形式保持运动部件的移动即可，本实施例中，还设有集尘系统，集尘系统设置在操作间(即氧化钇陶瓷等离子熔射设备的主体)的外部，用于收集废气，将工艺工程中产生的灰尘吸走。

本实施例中，控制中心为本设备的控制装置，用于控制其他各个部件的工作，控制中心用于与系统控制器连接，接受系统控制器输入的指令，将各项指令传送到对应子系统，如气体系统2、冷却系统3、送粉器4、等离子枪1以及机械手等。本实施例中，系统控制器为上位机，可采用PLC或主控电脑等，控制中心为本设备的控制部件，用于与系统控制器连接。

本实施例中，等离子枪1内设有阴极电极和阳极电极，等离子气体通过配管输入至等离子枪1内，通过等离子枪1内的阴极电极和阳极电极之间产生电弧电压将等离子气体解离为等离子态，在解离过程中产生大量的热可用于将陶瓷粉末熔化，同时，解离过程中产生的高膨胀气体会产生大量动能，将熔化后的陶瓷粉末进行加速，当其加速到一定速度后，高速的陶瓷粉末喷射至产品表面并附着在产品表面形成陶瓷涂层。

本实施例中，气体系统2用于将等离子气体Ar/N₂和He/H₂经配管送至本装置内，气体系统2含高精密的质量式流量控制器(常规部件)，用以精准控制提供至等离子枪1的各种气体流量。

本实施例中，送粉器4内自带有陶瓷粉末容器，用于盛装陶瓷粉末，陶瓷粉末预先放入送粉器4自带的容器中，请参看附图2，本实施例中，送粉器4包括筒状容腔5、送粉腔6和扇形阻挡件8，送粉腔6安装在筒状容腔5底部，且与筒状容腔5相连通，送粉腔6顶部开设有送粉口7，扇形阻挡件8设置在送粉腔6内，本实施例中，送粉腔6内设有两个以上的扇形阻挡件8，通过扇形阻挡件8将送粉腔6分割成多个送粉区，工作时，扇形阻挡件8在送粉腔6内旋转，形成闭环式旋转结构，当扇形阻挡件8运动到送粉口7处时，可通过扇形阻挡件8挡住送粉口7，当扇形阻挡件8与送粉口7错开时，送粉区内的陶瓷粉末可通过送粉口7将粉末送出(本实施例中，粉末送出时，采用气体吹送的方式，即在送粉腔内通入高压气体，将粉末通过高压气体在送粉口处吹走)，本实施例中，采用设定的气体流量和压力，通过闭环式旋转控制下的送粉口7，将陶瓷粉末送至等离子枪1内。

本实施例中，冷却系统3通过制冷方式将冷却水制冷成冰水，将冰水通过外循环水泵加压，通过水管，送至等离子枪1，用于冷却等离子枪1，产生的温水回流至冷却系统3，通过制冷后再循环以上流程，达到将等离子枪1降温的效果。

电源主机主要用于提供等离子气体电离需要的电能。

本发明中的等离子溶射原理是利用电源主机的电能，将等离子气体进行电离，产生等离子体，释放大量的热能，并在有限的空间内产生大量膨胀形成动能，利用热能将氧化钇陶瓷粉末融化熔化，利用动能将熔融状的陶瓷成分沉积到产品表面，形成氧化钇镀层。

本发明中采用的喷涂粉末为三氧化二钇，三氧化二钇纯度为99.99％以上，其他物质含量如下：

本发明中，等离子熔射可用于不锈钢工件、铝合金工件或氧化锆陶瓷工件的加工，主要包括下述步骤：

A、工件表面化学清洗：采用70％±2浓度的浓硝酸和纯水(电阻率为12MΩ以上的水)按照体积比为1:1的比例进行混合，将工件放入混合液中浸泡1～2小时，对其进行常压化学清洗，清除工件原有表面镀膜，清洗时，混合液温度保持在40℃～50℃，以目测工件表面无镀膜为止；

B、工件纯水漂洗：将工件捞出放入流动的纯水(电阻率为12MΩ以上的水)中浸泡冲洗30分钟以上；

C、超声波清洗：将工件放入超声波清洗槽中，超声波清洗槽中放入纯水(电阻率为12MΩ以上的水)，采用功率为1.2Kw的超声波进行超声波震荡清洗30分钟以上；

D、干燥：采用CDA(除油除水压缩空气)吹干，干燥温度为100±5°，干燥时间为30分钟，目测工件表面无流动水即可；

E、喷砂：采用WA46#(即编号为46#的氧化铝白刚玉)，利用3～5Kgf/cm2的压力，距离工件300±50mm的距离，喷射角度为45°～90°的角度对工件进行表面喷砂处理，利用粗糙度检测仪对其表面进行粗糙度检测，保证工件表面粗糙度达到Ra＞3μm；

F、高压水洗：采用纯水(电阻率为12MΩ以上的水)，水压保持在50bar，水枪出水口距离工件表面的距离为30～50cm，对工件表面进行全面清洗，目测清洗干净；

G、超声波清洗：将工件放入超声波清洗槽中，超声波清洗槽中放入纯水(电阻率为12MΩ以上的水)，采用功率为1.2Kw的超声波进行超声波震荡清洗30分钟以上；

H、干燥：采用CDA(除油除水压缩空气)吹干，干燥温度为100±5°，干燥时间为30分钟，目测工件表面无流动水即可；

I、进行溶射作业：气体系统将等离子气体Ar和He经配管送至等离子枪内，通入流量为Ar：110SCFH±0.5％，He：60SCFH±0.5％；等离子枪内采用编号为2083-145(此为美国Praxair Surface Technologies Inc.公司生产的型号为2083-145的阳极材料，主要材质为铜合金)的阳极，编号为2083-120(此为美国Praxair Surface Technologies Inc.公司生产的型号为2083-120的阴极材料，主要材质为在钨金属上镀铜)的阴极，等离子枪通入电流为450A，电压为：38～45V，送粉率为15-20g/min，陶瓷采用氧化钇粉末，粉末粒径为：15～45μm，喷涂距离为等离子枪出口距离工件表面为110-120mm，喷涂速度(即机械手的移动速度)：500mm/sec，经多层喷涂，直至达到设定厚度，本实施例中，以200μm为例，按照500mm/sec的喷涂速度，每次喷涂厚度为10μm，共需喷涂20次，才能达到200μm，采用多层喷涂的方式，能有效减小涂层的孔隙率；

J、品质检验：粗糙度采用粗糙度检测仪对其表面进行粗糙度检测，保证工件表面粗糙度达到Ra为3～6μm，氧化钇溶射层厚度为200±20μm，目测外观无脱落、无印记、无色差；

K、高压水洗：采用纯水(电阻率为12MΩ以上的水)，水压保持在50bar，水枪出水口距离工件表面的距离为30～50cm，对工件表面进行全面清洗，目测清洗干净；

L、超声波清洗：将工件放入超声波清洗槽中，超声波清洗槽中放入纯水(电阻率为12MΩ以上的水)，采用功率为1.2Kw的超声波进行超声波震荡清洗30分钟以上；

M、干燥：采用CDA(除油除水压缩空气)吹干，干燥温度为120±5°，干燥时间为2小时，目测工件表面无流动水即可；

N、最终检验：采用表面粒子测定仪进行表面检测，0.3μm颗粒每平方厘米少于3个。

本发明等离子陶瓷溶射就是为满足高世代面板和大尺寸晶圆设备组件的表面特性改进，采用本发明不仅可以恢复零件尺寸，而且还能提高耐磨性、耐热性、耐腐蚀性，可以给母体材料增加原来没有的各种优良性能。等离子溶射加工，是以等离子体的能量作为热源，把粉末状固体物质溶化，通过等离子流，将熔化后的材料加速，吹附在母体材料表面，形成皮膜。溶射加工在大气中或减压保护气体中进行，是改变材料表面质量的一种新的有效的新方法。随着溶射材料种类的增多，不仅可以恢复零件尺寸，而且还能提高耐磨性、耐热性、耐腐蚀性，可以给母体材料增加原来没有的各种优良性能。采用本发明工艺可使产品表面涂层孔隙率达到2％以下，产品结合力达到3000psi以上；涂层厚度可达到300μm。

采用本发明加工的产品性能可参看下述检测报告，其中图4至图7为金属工业研究发展中心的关于本发明加工的产品性能的测试实验室(机械性能)试验报告和测试实验室(金相)试验报告。

Claims (8)

1.一种氧化钇陶瓷等离子溶射设备，其特征是：所述的设备包括控制中心、送粉器、冷却系统、等离子枪、气体系统、电源和机械手，送粉器通过送粉管道连接至等离子枪内，气体系统与等离子枪连接，冷却系统围绕在等离子枪周围，电源分别与控制中心、送粉器、冷却系统、等离子枪、气体系统和机械手连接，等离子枪固定在机械手上。

2.根据权利要求1所述的氧化钇陶瓷等离子溶射设备，其特征是：所述的设备还包括集尘系统，集成系统设置在控制中心、送粉器、冷却系统、等离子枪、气体系统、电源和机械手组成的熔射设备的主体外部。

3.根据权利要求1或2所述的氧化钇陶瓷等离子溶射设备，其特征是：所述的等离子枪内设有阴极电极和阳极电极。

4.根据权利要求1或2所述的氧化钇陶瓷等离子溶射设备，其特征是：所述的气体系统内设有质量式流量控制器。

5.根据权利要求1或2所述的氧化钇陶瓷等离子溶射设备，其特征是：所述的送粉器包括筒状容腔、送粉腔和扇形阻挡件，送粉腔安装在筒状容腔底部，且与筒状容腔相连通，送粉腔顶部开设有送粉口，扇形阻挡件设置在送粉腔内，通过扇形阻挡件将送粉腔分割成多个送粉区。

6.根据权利要求5所述的氧化钇陶瓷等离子溶射设备，其特征是：所述的扇形阻挡件设有两个以上。

7.根据权利要求1或2所述的氧化钇陶瓷等离子溶射设备，其特征是：所述的冷却系统包括水管、外循环水泵和制冷装置，制冷装置与外循环水泵连接，外循环水泵通过水管与等离子枪连接。

8.一种采用如权利要求1至权利要求7中任意一项所述的氧化钇陶瓷等离子溶射设备的熔射方法，其特征是：所述的方法包括下述步骤：

A、工件表面化学清洗：采用70％±2浓度的浓硝酸和纯水按照体积比为1:1的比例进行混合，将工件放入混合液中浸泡1～2小时，对其进行常压化学清洗，清洗时，混合液温度保持在40℃～50℃；

B、工件纯水漂洗：将工件捞出放入流动的纯水中浸泡冲洗30分钟以上；

C、超声波清洗：将工件放入超声波清洗槽中，超声波清洗槽中放入纯水，采用功率为1.2Kw的超声波进行超声波震荡清洗30分钟以上；

D、干燥：采用CDA吹干，干燥温度为100±5°，干燥时间为30分钟以上；

E、喷砂：采用WA46#利用3～5Kgf/cm2的压力，距离工件300±50mm的距离，喷射角度为45°～90°的角度对工件进行表面喷砂处理，利用粗糙度检测仪对其表面进行粗糙度检测，保证工件表面粗糙度达到Ra＞3μm；

F、高压水洗：采用纯水，水压保持在50bar，水枪出水口距离工件表面的距离为30～50cm，对工件表面进行全面清洗；

G、超声波清洗：将工件放入超声波清洗槽中，超声波清洗槽中放入纯水，采用功率为1.2Kw的超声波进行超声波震荡清洗30分钟以上；

H、干燥：采用CDA吹干，干燥温度为100±5°，干燥时间为30分钟以上；

I、进行溶射作业：气体系统将等离子气体Ar和He经配管送至等离子枪内，通入流量为Ar：110SCFH±0.5％，He：60SCFH±0.5％；等离子枪通入电流为450A，电压为：38～45V，送粉率为15-20g/min，陶瓷采用氧化钇粉末，粉末粒径为：15～45μm，喷涂距离为等离子枪出口距离工件表面为110-120mm，喷涂速度：500mm/sec，经多层喷涂，直至达到设定厚度；

J、品质检验：粗糙度采用粗糙度检测仪对其表面进行粗糙度检测，保证工件表面粗糙度达到Ra为3～6μm，氧化钇溶射层厚度为200±20μm；

K、高压水洗：采用纯水，水压保持在50bar，水枪出水口距离工件表面的距离为30～50cm，对工件表面进行全面清洗；

L、超声波清洗：将工件放入超声波清洗槽中，超声波清洗槽中放入纯水，采用功率为1.2Kw的超声波进行超声波震荡清洗30分钟以上；

M、干燥：采用CDA吹干，干燥温度为120±5°，干燥时间为2小时；

N、最终检验：采用表面粒子测定仪进行表面检测，0.3μm颗粒每平方厘米少于3个。