CN107287567A - 微滴离子溅射工艺以及水轮机制备方法 - Google Patents

微滴离子溅射工艺以及水轮机制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及增材制造微滴离子溅射技术领域，且特别涉及一种微滴离子溅射工艺以及水轮机制备方法。该工艺利用两个溅射头对待溅射基体相对的两个表面同时进行溅射，形成打印层防护层；其中，溅射使用的打印层原料的粒径为10‑20纳米。其能够同时对待溅射基体相对两个表面的相对区域同时进行打印层原料溅射，减小受热不均导致的变形，解决待溅射基体的裂纹。气泡等缺陷。

Description

微滴离子溅射工艺以及水轮机制备方法
技术领域
本发明涉及增材制造微滴离子溅射技术领域，且特别涉及一种微滴离子溅射工艺以及水轮机制备方法。
背景技术
溅射技术是在待溅射基体上溅射一层或多层打印层，对基体的性能进行修正或改良。但是现有的溅射方式为单面溅射，即在待溅射基体的一面先进行溅射，溅射完成后再进行另一面的溅射。溅射打印层时，打印层温度极高，因此打印层作用于待溅射基体一面后的部位温度瞬间升高，由于采用单面溅射，待溅射基体与打印层作用的部位相对的一侧，温度低，两侧温差大，因此，容易造成待溅射基体变形。同时，作用于待溅射基体的打印层的液滴粒径较大，也容易造成变形，同时粒径过大，不利于打印层涂布均匀。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微滴离子溅射工艺，其能够同时对待溅射基体相对两个表面的相对区域同时进行打印层原料溅射，减小受热不均导致的变形，解决待溅射基体的裂纹。气泡等缺陷。
本发明的另一目的在于提供一种待溅射基体制备方法，该制备方过程中能够保持待溅射基体结构完整且不受到破坏，减少了后续的多次正型等操作。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本发明提出一种微滴离子溅射工艺包括以下步骤：利用两个溅射头对待溅射基体相对的两个表面同时进行溅射，形成打印层防护层；其中，溅射使用的打印层原料的粒径为10-20纳米。
本发明提出一种待溅射基体制备方法，其包括上述的微滴离子溅射工艺。
本发明微滴离子溅射工艺的有益效果是：本发明提供的一种微滴离子溅射工艺利用两个溅射头同时对待溅射基体相对的两个表面的相对区域同时进行溅射，使得同时溅射的相对的两个区域的受热面积以及受热温度一致，继而使得待溅射基体相对的两个表面形变减小甚至不发生形变，进而保证待溅射基体结构的完整性。而对溅射的打印层原料的粒径进行控制，减小具有高温的打印层原料每次与待溅射基体表面接触的面积，继而降低具有较高能量的打印层原料对待溅射基体表面变形的影响。同时，溅射打印层原料的粒径减小，更有利于打印层原料溅射均匀，同时，能够提升打印层原料与待溅射基体表面的作用，增强打印层原料与待溅射基体表面的结合力，继而提升形成的打印层防护层的防护效果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面对本发明实施例的微滴离子溅射工艺以及待溅射基体制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供的一种微滴离子溅射工艺：
S1、待溅射基体预处理；
未进行打印层的待溅射基体表面可能凹凸不平，同时表面可能含有大量的灰尘等垃圾。若直径对待溅射基体进行溅射，溅射打印层原料得到的防护也会存在凹凸不平的情况，同时，可能某些凹凸不平的区域未能溅射到打印层，进而降低打印层原料对待溅射基体的保护作用，不能实现延长待溅射基体寿命的目的。为了解决这一技术问题本发明实施例在溅射打印层原料前需要对待溅射基体进行预处理。
具体地，首先打磨，使用磨床或者砂轮磨机对待溅射基体进行打磨保证待溅射打印层的表面光滑。同时，由于待溅射基体结构较为精细，此类机械打磨机不能作用到待溅射基体元件与元件之间的连接处，因此，为了保证打磨效果，有效采人为手工打磨。打磨时间为5-10分钟。
打磨完成后进行静电除尘。静电除尘不仅仅是去除累积在待溅射基体表面的灰尘，同时将上述打磨产生的各种颗粒物质去除。静电除尘是利用静电场使气体电离从而使尘粒带电吸附到电极上继而实现除尘。静电除尘的除尘效率高，且能够去除的灰尘等杂质的粒径范围广，更去除大颗粒灰尘。同时静电除尘装置的结构简单、气流速度低、能耗少。静电除尘的时间为3-5分钟。
S2、溅射打印层原料；
将制备好的打印层原料放置到容置腔内并对打印层原料进行加热，使得固体的打印层原料熔融成为液体的打印层液。具体的加热温度为1200-1500℃。此温度范围内能够将打印层原料完全的熔融，同时保证打印层原料不会因为加热温度过高而氧化或者分解，保证了打印层原料分子结构不被破坏，继而保证后续形成的打印层防护层的防护效果。若温度低于该范围则打印层原料不能够完全熔融，进而降低打印层原料溅射形成的防护层的防护效果。
同时，由于打印层液粘度较大且粒径大，若直接将打印层液溅射于待溅射基体表面，每次作用于待溅射基体表面的打印层数量多，不利于溅射的打印层液干燥，进而使得打印层液一直保持液体状态未能及时固化形成防护层，降低打印层于待溅射基体的粘附效果，继而降低打印层的防护效果。同时，打印层液具有极高的温度，其与待溅射基体表面作用后，相互作用的区域温度极高，而周围区域温度未变及为常温，由于热胀冷缩、表面张力等限制，使得待溅射基体表面容易发生形变。而打印层液的液体粒径较大，与待溅射基体表面接触面积也增大，每次变形的范围也较大，进而使得待溅射基体形变大，导致待溅射基体的结构发生变化，继而影响待溅射基体的正常使用。为了解决这一技术问题本发明实施例将打印层加热后立刻将得到的打印层液通过雾化喷嘴使得打印层液雾化成为液滴溅射于待溅射基体表面。雾化后形成的液滴粒径小，与待溅射基体表面接触面积小，减小形变。同时每次与待溅射基体接触的量少，易于凝固成固体，且形成的防护层均匀，更利于延长待溅射基体的寿命。
进一步地，雾化形成的液滴的粒径为10-20纳米。液滴的粒径处于该范围，保证了液滴作用于待溅射基体表面后，待溅射基体表面形变最小，能够保证待溅射基体结构的完整性。若溅射的打印层的粒径高于此范围则，液滴与待溅射基体表面作用面积增大，待溅射基体表面变形的程度加大，待溅射基体结构被破坏的可能性增大。同时，液滴仅作用与待溅射基体表面的一点，粒径大，使得形成的该层防护层的厚度增大，打印层容易脱落。而若溅射的打印层的粒径小于该范围，对于溅射的设备的精密度提高，增加了生产成本。同时，溅射的打印层的粒径小，增加了操作时间，对于溅射的精确的要求增加，不利于操作。
进一步地，打印层原料溅射到待溅射基体表面后待溅射基体表面温度极高，打印层原料不易冷凝形成防护层，同时，对待溅射基体损伤较大。为了解决这一技术问题，本发明实施例在向待溅射基体溅射打印层的同时，对待溅射基体进行降温处理。具体地降温处理，是采用冷却水进行降温处理。此处采用冷却水进行隔离降温，而不采用一般通风降温，是因为通风降温时会使得空气具有一定动能，而溅射的打印层原料的粒径以及重量都较小，容易受到风力以及空气的影响，进而使得打印层原料分布不均。而采用冷却水隔离降温，冷却水本身具有较低的热能，能够快速与打印层原料产生热交换，实现降温。同时，打印层原料与冷却水进行热交换后，冷却水变为热水甚至气化为水蒸气具有较高的能量，可回收这些具有高能量的热水或者水蒸气，节约资源。降温时，采用的冷却水的流通速率为20-50dm3/min。
进一步地，在待溅射基体进行打印层原料溅射的同时旋转待溅射基体。旋转待溅射基体是为了使得打印层原料溅射的更均匀，更利于打印层原料附着于待溅射基体表面，更利于打印层对待溅射基体进行防护。进一步地，旋转待溅射基体的转速为3-5度/分钟。此转速范围内，打印层原料能均匀的溅射于待溅射基体表面，若转速过快，可能有部分打印层原料未及时溅射到待溅射基体表面，进而导致待溅射基体有部分区域未被打印层保护，减低待溅射基体的使用寿命。若转速过慢，则可能导致溅射的打印层原料在待溅射基体表面堆积，造成溅射区域形成的打印层防护层的厚度过厚，降低打印层于待溅射基体的粘附例，使得打印层容易脱落，同样降低打印层的防护效果。
进一步地，溅射打印层原料采用的逐层覆盖的方式进行溅射。即溅射完一层打印层原料并等该打印层原料凝固并干结后形成第一层打印层防护层后再溅射形成第二层打印层防护层。采用逐层覆盖的方式，提升了打印层原料于待溅射基体的作用力，提升了打印层的防护效果。同时，采用逐层覆盖更利于打印层原料溅射均匀。进一步地，逐层覆盖溅射得到打印层防护层为多层结构，每层打印层防护层的厚度为3-5纳米。每层打印层防护层的厚度在该范围既能够实现每层打印层防护层与打印层防护层之间良好的粘接，同时每层打印层防护层的打印层原料也易于溅射。
进一步地，待溅射基体采用单面进行打印层原料溅射即进行打印层原料溅射时，先溅射完成一面后再进行另一面的溅射。溅射到待溅射基体表面的打印层原料具有较高温度，因此，仅仅溅射一面即溅射面时，待溅射基体的另一面即与溅射面相对的一面接收到溅射打印层原料的表面的热传递，继而发生膨胀，使得整个待溅射基体发生形变。为了解决这一技术问题，本发明实施例利用两个相对的溅射头将打印层同时溅射到待溅射基体相对的两个表面相对的区域，即当溅射一点或者一面时，同时对溅射面相对的表面进行溅射，优选地，是在溅射一面的一点时，在该溅射面的相对的表面的同一点进行溅射，此时，待溅射基体相对的表面相对的点或者区域受到相同的温度，故而两侧没有热交换，继而待溅射基体相对的表面不会发生形变，保证了待溅射基体结构的稳定性，提升打印层于待溅射基体表面的结合作用力。
采用双枪同时进行溅射，同时控制溅射打印层原料的粒径，能够有效减少待溅射基体表面的变形，但是由于物质均具有一定的可延伸性，因此，待溅射基体可能存在少于的变形。同时，为了防止溅射过程中操作不当引起的待溅射基体的变形，需要对已经溅射完成打印层原料的待溅射基体进行加热正型处理。具体地，采用的加热正型的温度为700-1000℃，加热正型时间为5-10分钟。在该温度范围内溅射到待溅射基体表面的打印层不会发生反应，且能加固与待溅射基体表面的作用，若加热正型的温度低于该温度范围，则不能达到加热正型的目的，若温度超过该范围值，则可能导致打印层发生反应，进而影响打印层的防护效果。
溅射有打印层的待溅射基体经过加热正型后基本已可使用，但是为了提升待溅射基体的美观度，同时，降低打印层溅射过程中溅射不均而导致的待溅射基体表面凹凸不平对待溅射基体的性能的影响，对待溅射基体表面进行抛光处理，以降低待溅射基体表面的粗糙度，使得待溅射基体表面更光亮以及平整。
本发明实施例还提供一种水轮机制备方法，其包括上述的微滴离子溅射工艺。
本发明实施例提供的一种微滴离子溅射工艺，利用两个溅射头同时对待溅射基体相对的两个表面的相对区域同时进行溅射，使得同时溅射的相对的两个区域的受热面积以及受热温度一致，继而使得待溅射基体相对的两个表面形变减小甚至不发生形变，进而保证待溅射基体结构的完整性。而对溅射的打印层原料的粒径进行控制，减小具有高温的打印层原料每次与待溅射基体表面接触的面积，继而降低具有较高能量的打印层原料对待溅射基体表面变形的影响。同时，溅射打印层原料的粒径减小，更有利于打印层原料溅射均匀，同时，能够提升打印层原料与待溅射基体表面的作用，增强打印层原料与待溅射基体表面的结合力，继而提升形成的打印层防护层的防护效果。溅射打印层还可以弥补原待溅射基体原来本身具有的裂纹、气泡等缺陷，进一步地优化了基体的性能。并且在溅射前，对待溅射基体进行打磨、除尘处理，避免待溅射基体表面的杂质对其结合造成影响，增强待溅射基体与打印层的结合力，继而提升打印层的防护效果，延长待溅射基体的使用寿命。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种微滴离子溅射工艺，对待溅射基体进行人工打磨和静电除尘，其中打磨时间为7分钟，静电除尘时间为4分钟。
而后将制备好的打印层原料放置到容置腔内并对打印层原料进行加热，使得固体的打印层原料熔融成为液体的打印层液，具体的加热温度为1200℃。将打印层液通过雾化喷嘴使得打印层液雾化成为液滴溅射于待溅射基体表面，其中，雾化形成的液滴的粒径为10纳米。
溅射打印层原料的同时对待溅射基体进行降温处理，利用冷却水进行降温，而通入冷却水的流通速率为25dm3/min。同时，旋转待溅射基体，旋转待溅射基体的转速为4度/分钟。
整个溅射打印层原料的过程采用逐层覆盖进行溅射，最终共溅射3次，得到3层打印层防护层，每层打印层防护层的厚度均为4纳米。整个溅射打印层原料的过程采用双枪同时进行溅射，即利用两个相对设置的溅射头将打印层原料同时溅射到待溅射基体相对的两个表面相对的区域。
最后对溅射完成的待溅射基体进行加热正型处理，具体地加热正型的温度为700℃，加热正型时间为8分钟。而后对待溅射基体进行抛光处理。
实施例2
本实施例提供一种微滴离子溅射工艺，对待溅射基体进行人工打磨和静电除尘，其中打磨时间为10分钟，静电除尘时间为3分钟。
而后将制备好的打印层原料放置到容置腔内并对打印层原料进行加热，使得固体的打印层原料熔融成为液体的打印层液，具体的加热温度为1400℃。将打印层液通过雾化喷嘴使得打印层液雾化成为液滴溅射于待溅射基体表面，其中，雾化形成的液滴的粒径为20纳米。
溅射打印层原料的同时对待溅射基体进行降温处理，利用冷却水进行降温，而通入冷却水的流通速率为50dm3/min。同时，旋转待溅射基体，旋转待溅射基体的转速为3度/分钟。
整个溅射打印层原料的过程采用逐层覆盖进行溅射，最终共溅射4次，得到4层打印层防护层，每层打印层防护层的厚度均为3纳米。整个溅射打印层原料的过程采用双枪同时进行溅射，即利用两个相对设置的溅射头将打印层原料同时溅射到待溅射基体相对的两个表面相对的区域。
最后对溅射完成的待溅射基体进行加热正型处理，具体地加热正型的温度为900℃，加热正型时间为5分钟。而后对待溅射基体进行抛光处理。
实施例3
本实施例提供一种微滴离子溅射工艺，对待溅射基体进行人工打磨和静电除尘，其中打磨时间为5分钟，静电除尘时间为5分钟。
而后将制备好的打印层原料放置到容置腔内并对打印层原料进行加热，使得固体的打印层原料熔融成为液体的打印层液，具体的加热温度为1500℃。将打印层液通过雾化喷嘴使得打印层液雾化成为液滴溅射于待溅射基体表面，其中，雾化形成的液滴的粒径为15纳米。
溅射打印层原料的同时对待溅射基体进行降温处理，利用冷却水进行降温，而通入冷却水的流通速率为20dm3/min。同时，旋转待溅射基体，旋转待溅射基体的转速为5度/分钟。
整个溅射打印层原料的过程采用逐层覆盖进行溅射，最终共溅射3次，得到3层打印层防护层，打印层防护层由内向外的厚度依次为3纳米、4纳米、3纳米。整个溅射打印层原料的过程采用双枪同时进行溅射，即利用两个相对设置的溅射头将打印层原料同时溅射到待溅射基体相对的两个表面相对的区域。
最后对溅射完成的待溅射基体进行加热正型处理，具体地加热正型的温度为1000℃，加热正型时间为6分钟。而后对待溅射基体进行抛光处理。
实施例4
本实施例提供一种微滴离子溅射工艺，对待溅射基体进行人工打磨和静电除尘，其中打磨时间为8分钟，静电除尘时间为5分钟。
而后将制备好的打印层原料放置到容置腔内并对打印层原料进行加热，使得固体的打印层原料熔融成为液体的打印层液，具体的加热温度为1350℃。将打印层液通过雾化喷嘴使得打印层液雾化成为液滴溅射于待溅射基体表面，其中，雾化形成的液滴的粒径为17纳米。
溅射打印层原料的同时对待溅射基体进行降温处理，利用冷却水进行降温，而通入冷却水的流通速率为35dm3/min。同时，旋转待溅射基体，旋转待溅射基体的转速为5度/分钟。
整个溅射打印层原料的过程采用逐层覆盖进行溅射，最终共溅射2次，得到2层打印层防护层，每层打印层防护层的厚度均为5纳米。整个溅射打印层的过程采用双枪同时进行溅射，即利用两个相对设置的溅射头将打印层同时溅射到待溅射基体相对的两个表面相对的区域。
最后对溅射完成的待溅射基体进行加热正型处理，具体地加热正型的温度为850℃，加热正型时间为10分钟。而后对待溅射基体进行抛光处理。
综上所述，本发明实施例1-4提供的微滴离子溅射工艺利用两个溅射头同时对待溅射基体相对的两个表面的相对区域同时进行溅射，使得同时溅射的相对的两个区域的受热面积以及受热温度一致，继而使得待溅射基体相对的两个表面形变减小甚至不发生形变，进而保证待溅射基体结构的完整性。而对溅射的打印层原料的粒径进行控制，减小具有高温的打印层每次与待溅射基体表面接触的面积，继而降低具有较高能量的打印层原料对待溅射基体表面变形的影响。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种微滴离子溅射工艺，其特征在于，包括以下步骤：
利用两个溅射头对待溅射基体相对的两个表面同时进行溅射，形成打印层防护层；其中，溅射使用的打印层原料的粒径为10-20纳米。
2.根据权利要求1所述的微滴离子溅射工艺，其特征在于，所述待溅射基体表面形成所述打印层防护层后对所述待溅射基体进行加热正型处理。
3.根据权利要求2所述的微滴离子溅射工艺，其特征在于，加热正型的温度为700-1000℃，加热正型的时间为5-10分钟。
4.根据权利要求1所述的微滴离子溅射工艺，其特征在于，所述待溅射基体进行溅射所述打印层原料之前，对所述待溅射基体进行打磨和静电除尘处理。
5.根据权利要求1所述的微滴离子溅射工艺，其特征在于，将所述打印层原料溅射于所述待溅射基体是利用逐层覆盖的方式进行溅射，溅射得到的所述打印层防护层为多层结构，每层所述打印层防护层的厚度为3-5纳米。
6.根据权利要求1所述的微滴离子溅射工艺，其特征在于，向所述待溅射基体溅射所述打印层原料的同时，对所述待溅射基体进行降温处理。
7.根据权利要求1所述的微滴离子溅射工艺，其特征在于，向所述待溅射基体溅射所述打印层原料的同时旋转所述待溅射基体，旋转的转速为3-5度/分钟。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的微滴离子溅射工艺，其特征在于，将所述打印层原料溅射于所述待溅射基体的表面是将所述打印层原料加热熔融形成打印层液后，利用雾化喷嘴将所述打印层液雾化为液滴溅射于所述待溅射基体的表面。
9.根据权利要求1所述的微滴离子溅射工艺，其特征在于，将所述打印层原料溅射完成后进行抛光处理。
10.一种水轮机制备方法，其特征在于，包括上述权利要求1-9任意一项所述的微滴离子溅射工艺。
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