CN109819660A - 等离子体喷涂装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于涂覆基板(S)的等离子体喷涂装置(1)，包括：至少一个工作腔室(3)，该工作腔室包括至少一个等离子体炬(21)和至少一个用于要涂覆基板(S)的基板支承件(26)，惰性气体或惰性气体混合物容纳在该工作腔室中，其压力接近或高于正常压力；至少一个气体回路(2)，该气体回路与所述工作腔室(3)连通，并包括包含在所述工作腔室(3)中的惰性气体的再循环装置(R)。该再循环装置(R)包括：闭合环路(L)，该闭合环路包括用于使气体再循环的鼓风机(17)和用于冷却气体的第一换热器(18)，该闭合环路与所述工作腔室(3)连通，适用于从所述工作腔室(3)中抽出惰性气体和将冷却惰性气体的第一部分送回所述工作腔室(3)的第一部分(3a)中；以及至少一个通路(P)，该通路与所述闭合环路(L)连通，并包括用于压缩气体的压缩机(19)和用于进一步冷却气体的第二换热器(20)，该通路适合将冷却惰性气体的第二部分供给至所述工作腔室(3)的第二部分(3b)中，并通过合适布置的管道(31a、31b)而指向基板(S)。

Description

等离子体喷涂装置和方法
技术领域
本发明涉及一种等离子体喷涂装置和方法。
背景技术
热喷涂技术是将熔化或加热的材料喷涂至表面(也称为基板)上的涂覆方法。
作为涂料前体的供料通过电或化学装置来加热。
等离子体喷涂方法是热喷涂的子类，其中，成粉末形式的供料通过等离子体射流来加热，该等离子体射流由等离子体炬发射。
在温度为大约10000K的等离子体射流中，材料熔化和推向基板。
在那里，熔融的液滴变扁平，迅速凝固，并一层层地形成沉积物。
等离子体由工作气体的连续输入来形成，该工作气体经受高电流放电。通常，工作气体由氮气、氢气、氦气、氩气或它们的混合物来构成。
等离子体喷涂方法能够通过喷涂环境来分类。
空气等离子体喷涂(APS)在常压下在空气中进行。
真空等离子体喷涂(VPS)和低压等离子体喷涂(LPPS)在低压下在密封腔室内的惰性气体环境中进行，低压例如0.05-0.25巴，或者甚至更低。
这种方法的示例在US4596718中公开，该US4596718涉及一种真空等离子体涂覆装置，该真空等离子体涂覆装置包括布置在低压腔室中的等离子体炬。
US4328257公开了一种超音速等离子体流和转移电弧系统，以获得高强度的涂层；等离子体腔室中的压力通过真空泵来保持，在0.6巴和低至0.001巴的范围内。
US6357386公开了另一种等离子体喷涂装置，等离子体喷涂装置在惰性气体中在低于大气压下工作，包括用于控制在处理腔室内部的气流的组件。
当与APS方法相比时，VPS和LPPS方法能够产生更高机械强度的涂层，因为在它们的环境中没有氧气。
众所周知，氧是一种非常活泼的元素，它氧化加热的供料，并在金属基质中引入脆性相；类似地，根据构成供料的元素，氮也能够使得涂层脆化。
因此，VPS和LPPS涂层有对于基板的更高粘附力、更高的内聚力、更高的耐磨性；而且，VPS和LPPS方法能够用于产生更高厚度的涂层(与通过APS方法获得的涂层相比)，还用于产生高多孔性的涂层，但机械强度仍然非常高。
由于等离子体射流，所有等离子体喷涂方法都产生大量热量，为了不使基板过热和造成热损坏，必须提供合适的冷却系统：该冷却系统包括一个或多个导管，冷却气体在该导管中以高流速吹向基板。
冷却系统限制了基板达到的温度；当没有合适冷却时，高的热应力将在基板内和涂层内产生，这可能对机械强度和抗疲劳性产生负面影响，或引起最终涂覆物体的变形。
由于上述考虑，VPS和LPPS方法与APS方法相比很不利，主要是由于两个原因。
首先，在低压条件下产生的等离子体射流将达到高得多的温度。
其次，在低压环境情况下，冷却介质的流速不能像在常压环境情况下一样高，否则在工作腔室内部的压力将升高。
而且，冷却介质必须是惰性气体：在许多情况下能够使用氩气，但它具有比空气更低的冷却能力，因此，氩气冷却VPS方法的冷却效率低于APS方法。
氦气是适用于该范围的另一种惰性气体：它的冷却能力高于空气，但它是非常昂贵的气体，这使得该方法的成本效益较低。
因此，基板以及支承件(该支承件抓住和将物体保持在合适位置)和掩模工具(该掩模工具覆盖表面的、必须不涂覆的部分)将更快速地加热。
在该方面，当前在APS方法中使用的、具有成本效益的硅酮掩模胶带不可用于VPS方法中，这些VPS方法更昂贵：必须使用金属掩模覆盖件。
用于在控制情况下限制和保持基板温度的简单方法是在沉积一层涂层和下一层涂层之间设置较长暂停；不过，这增加了涂覆处理的持续时间，并降低了生产率。
将温度保持在较低的控制水平的其它方法与使用制冷气体相关。
例如，EP0124432公开了一种喷射液化氩气或液化氮气的液滴的方法，用于冷却在控制气体中进行等离子体喷涂的部件。
FR2808808公开了一种方法，其中，要涂覆的部件的温度通过由二氧化碳或氩气射流在20-60巴的压力下和/或在10-300kg/h的流速下冷却而保持在300℃，优选是100-200℃。
EP0375914公开了一种用于纤维增强塑料的等离子体喷涂的方法，该纤维增强塑料通过在60巴压力下的二氧化碳、氩气或氮气射流而保持温度低于150℃。
所有上述公开的方法对于温度控制都有效，但是由于需要大量的冷却气体，因此它们非常昂贵。
二氧化碳也可能与金属基体涂层不相容，因为它可能导致氧化。
发明内容
本发明的技术目的是改进在涂覆方法领域中的现有技术。
对于该技术目的，本发明的目的是提供一种能够产生高质量涂层的等离子体喷涂装置和方法，与通过VPS和LPPS方法获得的涂层相当，但能更好的控制和限制由基板达到的温度。
本发明的还一目的是提供一种能够产生高质量涂层的等离子体喷涂装置和方法，与通过VPS和LPPS方法获得的涂层相当，但是有更高的生产率。
该目的和这些目的都通过根据附加权利要求1的等离子体喷涂装置来实现。
等离子体喷涂装置至少包括工作腔室，该工作腔室包括至少一个等离子体炬和至少一个用于要涂覆基板的基板支承件，惰性气体或惰性气体混合物包含在该工作腔室中，其压力接近或高于正常压力。
该装置还包括至少一个气体回路，该气体回路与工作腔室连通，该气体回路包括包含在相同工作腔室中的惰性气体的再循环装置。
根据本发明的一个方面，再循环装置包括至少一个闭合环路，该闭合环路包括用于冷却惰性气体的第一换热器，该第一换热器与工作腔室连通，并适合从工作腔室抽出惰性气体和将相同惰性气体的第一部分向回供给至工作腔室的第一部分中。
再循环装置还包括至少一个通路，该通路与闭合环路连通，并包括用于进一步冷却气体的第二换热器以及用于增加气体压力的压缩机，该压缩机适合将冷却惰性气体的第二部分供给至所述工作腔室的第二部分中，通过合适布置的管道而指向基板。
该目的和这些目的也都通过根据附加权利要求11的等离子体喷涂方法来实现。
用于涂覆基板的等离子体喷涂方法包括以下步骤：提供至少一个工作腔室，该工作腔室包括至少一个等离子体炬和至少一个用于要涂覆基板的基板支承件，惰性气体或惰性气体混合物包含在该工作腔室中，其压力接近或高于正常压力；以及提供至少一个气体回路，该气体回路与工作腔室连通，并包括包含在工作腔室中的惰性气体的再循环装置。根据本发明，该方法还包括以下步骤：将第一部分的再循环和冷却的惰性气体供给至工作腔室的第一部分中，以及将第二部分的再循环、压缩和进一步冷却的惰性气体供给至工作腔室的第二部分中，通过合适布置的管道而指向基板。
从属权利要求涉及本发明的优选和有利的实施例。
附图说明
通过下面作为非限定示例而给出的详细说明和附图，本领域技术人员将更好地理解这些和其它优点，附图中：
图1是根据本发明的等离子体喷涂装置的简化示意图；
图2是根据本发明的等离子体喷涂装置的工作腔室的简化示意图；
图3是通过根据本发明的装置和方法而获得的金属涂覆物体的应用示例的横截面显微照片；以及
图4是通过根据本发明的装置和方法而获得的聚合物涂覆物体的应用示例的横截面显微照片。
具体实施方式
参考图1，参考标号1总体表示根据本发明的等离子体喷涂装置。
装置1包括主控制单元(图中未示出)：该主控制单元管理和控制装置的操作。
装置1包括气体回路，该气体回路总体由2表示。
如在下文中更清楚所述，气体回路2包括全部必须的部件和通信装置，以便在根据本发明的等离子体喷涂方法中实现所希望的效果。
装置1还包括工作腔室，该工作腔室总体由3表示。
喷涂方法在工作腔室3内部进行；该方法将在下文中更好地公开。
气体回路2包括包含工作腔室3中的惰性气体的再循环装置R。
特别是，再循环装置R对包含在工作腔室中的惰性气体执行冷却作用，原因将在下文中更好地公开。
气体回路2包括第一分支4。
第一分支4包括至少一个真空泵5。
如图1中所示，真空泵5沿第一分支4布置，且它置于两个相应的阀5a、5b之间。
气体回路2还包括第二分支6；该第二分支6使得工作腔室3与第一分支4连接。
两个相应的阀6a、6b设置在第二分支6的端部。
根据本发明的一个方面，装置1还包括至少一个穿透腔室7。
穿透腔室7与工作腔室3连通；穿透腔室7用于装载或卸载基板或物体。
穿透腔室7包括相应的门8。
门8能够由操作人员使用，用于手动或自动地装载或卸载基板或物体。
装置1包括闸门9，该闸门9使得工作腔室3和穿透腔室7连通。
如后面清楚所述，穿透腔室7的存在提高了等离子体喷涂方法的生产率。
实际上，通过穿透腔室7，操作人员能够在喷涂方法运行的同时用新的物体替换涂覆后的物体。
而且，不需要改变/更换工作腔室3的大气，而是只改变/更换包含在穿透腔室7中的大气，该穿透腔室7的容积小得多。
气体回路2包括第三分支10；该第三分支10使得穿透腔室7与第一分支4连通。
两个相应的阀10a、10b设置在第三分支10的端部。
根据本发明的一个方面，惰性气体的再循环装置R包括第四分支11。
该第四分支11使得工作腔室3与第一分支4连通，且它基本平行于(至少从功能的角度看)第二分支6，以便确定闭合环路L.
第二分支6(因此闭合环路L)通过再循环出口6c而与工作腔室3连通。
第四分支11包括相应的进口阀11a。
再循环装置R还包括第五分支12；该第五分支12沿通路P而使得第四分支11与工作腔室3连接。
第五分支12包括相应的进口阀12a。
进口阀12a使得流过第四分支11的气体的至少一部分流过第五分支12。
第二分支6包括至少一个过滤器13、14；更详细地说，第二分支6包括第一过滤器13和第二过滤器14。
第一过滤器13和第二过滤器14适合被从工作腔室3抽出的气体沿图1中第一箭头A所示的方向横穿。
更详细地说，第一过滤器13是粗过滤器，第二过滤器14是精细过滤器。
第三分支10包括相应的第三过滤器15和第一鼓风机16。
第三过滤器15和第一鼓风机16布置成使得它们被气体沿图1中第二箭头B所示的方向横穿。
第四分支11包括第二鼓风机17和第一换热器18。
第二鼓风机17和第一换热器18布置成使得它们被气体沿图1中第三箭头C所示的方向横穿。
第五分支12包括压缩机19和第二换热器20。
压缩机19和第二换热器20布置成使得它们被气体沿图1中第四箭头D所示的方向横穿。
参考图2，工作腔室3包括至少等离子体炬21，离子体喷涂方法在该工作腔室3中进行。
如下文中更好所述，等离子体炬21适合产生指向基板S的等离子体射流。
用于产生这种等离子体射流的工作气体只是惰性气体的混合物。
在特别实际的本发明实施例中，工作气体是氩气和氦气的混合物。
工作腔室3还包括机器人22，用于处理等离子体炬21。该机器人22布置在工作腔室3内。
等离子体炬21包括等离子体炬电源23、等离子体工作气体进口24和供料进口25(成粉末形式)。
工作腔室3包括基板支承件26。
基板支承件26适合使得基板S绕至少旋转轴27旋转，以使得支承件S的任何部分定向成朝向等离子体炬21。
工作腔室3包括惰性气体进口28和惰性气体出口29，该惰性气体进口28和惰性气体出口29由相应的阀28a、29a来操作。
当需要降低工作腔室3内的压力时，打开惰性气体出口29。
根据本发明的一个方面，工作腔室3还包括第一冷却惰性气体进口30，用于引入冷却惰性气体的第一部分。
根据本发明的另一方面，工作腔室3包括第二冷却惰性气体进口31，用于引入冷却和压缩惰性气体的第二部分。
第二冷却惰性气体进口31与至少一个管道31a、31b连通，该管道31a、31b指向基板S。
其它管道能够根据需要来添加和与气体进口31连接。
在图2中表示了作为示例的两个管道31a和31b。
根据基板S自身的几何形状，管道的出口喷嘴以不同方位指向基板S。
工作腔室3还包括温度测量装置32，例如高温计、热像仪等。
温度测量装置32能够在喷涂处理中监测基板S的温度。
与装置1的主控制单元连接的温度测量装置32用作控制传感器，该控制传感器在技术问题情况下停止喷涂处理，例如在达到预定的最大温度阈值的情况下。
穿透腔室7包括惰性气体进口33和惰性气体出口34，该惰性气体进口33和惰性气体出口34由相应的阀33a、34a来操作。
如上所述，本发明提供了一种用于等离子体喷涂的改进装置和方法；特别是，本发明提供了一种在惰性气体环境中的等离子体喷涂方法，该方法利用惰性气体的再循环和冷却系统，该方法优于传统的空气等离子体喷涂(APS)、真空等离子体喷涂(VPS)和低压等离子体喷涂方法(LPPS)。
根据本发明的装置1的操作如下。
要涂覆的基板S通过穿透腔室7而引入工作腔室3中。
工作腔室3和分支6、11和12首先抽空，因为它们通过第一分支4而与真空泵5连接。
在该操作过程中，阀10b、28a、28b和闸门9关闭，而阀5a、5b、6a、6b、11a、12a打开。
在完全抽真空后，工作腔室3和分支6、11和12通过惰性气体进口28而充满惰性气体。
在执行该操作之前，打开阀28a，关闭阀6b。
优选是，该惰性气体是氩气。
在该阶段结束时，工作腔室内的气体处在接近或高于正常压力的压力，优选在0.7和2.0巴之间，甚至更优选是在1.1和1.5巴或1.13巴或1.3巴之间。
在关闭阀28a之后，等离子体炬21进行操作；工作大气中的惰性气体(通过等离子体射流加热，并与离开等离子体炬的少量惰性气体混合)通过再循环装置R而连续地泵送离开工作腔室3。
抽出的气体通过第一分支6，并因此通过第一过滤器13和第二过滤器14，以消除固体颗粒。
之后，由第二鼓风机17吸入的抽出气体通过第四分支11，并因此通过第一换热器18(该第一换热器18为冷却器)。当离开第一换热器18时，惰性气体的第一部分(它可以是例如在5-40℃的温度，优选是10-20℃)通过第一冷却惰性气体进口30而再次供给至工作腔室3中，且它用作工作大气的冷却和清洁介质。
根据本发明，离开第一换热器18的惰性气体的第二部分通过第二冷却惰性气体进口31而供给至工作腔室3中。
惰性气体的该第二部分压缩(通过压缩机19)，以便使它的压力增加至高于2巴，优选是6-8巴。
而且，惰性气体的该第二(压缩)部分供给至第二换热器20，并冷却至低于40℃的温度，优选是10-20℃。
当离开第二换热器20时，惰性气体的、相对冷的第二部分再次以在250Nm3/h和350Nm3/h之间(标准立方米/小时，或优选是在280Nm3/h和320Nm3/h之间)的流速供给至工作腔室3中，并引导通过第一和第二管道31a、31b(该第一和第二管道31a、31b靠近和朝向要涂覆的基板S)，作为用于基板自身的冷却介质。
管道31a、31b的喷嘴在几何形状上设计成使得冷却气体的流速进一步增加。实现它的方式是使用所谓的空气扩大器或类似的喷射器，该空气扩大器或喷射器由于文丘里效应而增加流速。最后，惰性气体以在250Nm3/h和1000Nm3/h之间的最终流速而朝向基板喷射，
如上所述，工作腔室3与更小的穿透腔室7连接，该穿透腔室7通常用于装载和卸载基板S或物体。
从操作的观点来看，穿透腔室7最初处于正常环境条件中：操作人员打开门8，并将要涂覆的物体/基板S放入穿透腔室7中。
在门8关闭之后，将穿透腔室7中的空气泵出(通过第三分支10)，并通过惰性气体进口开口33而用惰性气体回充相同的穿透腔室7，该惰性气体有与用于填充工作腔室3的惰性气体相同的成分，在与工作腔室3相同的压力下。
然后，打开在工作腔室3和穿透腔室7之间的闸门9，要涂覆的物体/基板S自动地移入工作腔室3中；同时，先前涂覆的物体/基板S从工作腔室3移动至穿透腔室7。
在闸门9关闭后，通过打开阀34a，穿透腔室7的压力降低至正常压力。
同时，喷涂处理在工作腔室3中开始。
当穿透腔室7的压力达到正常水平时，操作人员能够重新打开门8，取出涂覆的物体/基板S，并用要涂覆的新物体/基板S来替换它们。
本发明的目的还在于一种包括上述操作阶段的等离子体喷涂方法。
在本发明的一个实施例中，等离子体喷涂方法由包括上述公开特征的装置1来执行。
应用示例涉及用于生物医学植入件的涂层。
实际上，本发明特别有用和有利于在医疗植入装置(例如假体关节或脊柱植入件)上产生高孔隙、高强度的涂层。
这种金属多孔涂层有利于在手术后立即提供植入件的初始固定，但也用于通过增强骨的在上面生长/向内生长而促进长期稳定性：高孔隙率是保证植入件临床成功的关键特征。
在金属植入件部件上的高孔隙、高厚度涂层能够使用尺寸为75-250微米的精细钛粉作为供料而获得。
基板通常由钛、不锈钢或铬钴合金制成。粉末通过氩气流而输送给等离子体喷枪。
等离子体喷枪接收氦气和氩气的控制混合物，并通过能够产生25kW的动力单元来提供动力。
最初，工作腔室3由氩气在1.2-1.3巴的压力下填充。
再循环惰性气体的第一部分冷却至10-20℃，并再次供给至工作腔室3中。惰性气体的第二部分压缩和冷却至10-20℃，并以600-800Nm3/h的最终流速而导向金属基板。
高孔隙的涂层的最终厚度为500-800μm。
图3表示了根据这些条件涂覆的金属物体的横截面显微照片。
第二示例(图4)由植入件部件的涂层来构成，该植入件部件由可生物相容聚合物制成，例如聚醚醚酮(PEEK)。
尺寸为75-200微米的精细钛粉用作供料，等离子体喷枪接收氦气和氩气的控制混合物，它由能够产生14kW的动力单元来提供动力。
工作腔室3最初由氩气在1.1巴压力下填充。
再循环惰性气体的第一部分冷却至10-20℃，并再次供给至工作腔室3中。
惰性气体的第二部分压缩和冷却至10-20℃，并以800-1000Nm3/h的最终流速而导向聚合物基板。
高孔隙的涂层的最终厚度为300-500μm。
图4表示了根据上述条件涂覆的PEEK物体的横截面显微照片。
与传统的VPS和LPPS方法相比，根据本发明的装置和方法允许冷却的惰性气体的更高流速，也就是更高冷却能力，因为工作大气接近或高于正常压力。
当使用一次性惰性气体时，从经济角度来看，由根据本发明的再循环装置R能够达到的非常高流速是不可持续的。
而且，在VPS或LPPS系统中不可能有如此高的流速，因为在它们的工作腔室内部的低压力。
如上所述，根据本发明的优选实施例，氩气用作冷却惰性气体，氩气和氦气的混合物用于产生等离子体射流。
在离开等离子体炬之后，等离子体气体混合物扩散至工作腔室3的大气中，从而使大气富含氦气。
工作大气的惰性气体连续地泵出工作腔室3、再循环和用作冷却介质。
由于氦气有高冷却能力(高于氩气、氮气和空气)，因此，氦气在冷却再循环气体中的存在进一步提高了冷却处理的效率。
更高的冷却能力能够显著减少在沉积两个连续涂层之间的暂停，也就是，减少涂覆处理的持续时间。
而且，更高的冷却能力能够使用更有成本效益的硅掩模胶带，如当前在APS方法中所使用，而不是在VPS方法中使用的、昂贵的金属掩模盖(masking cover)。
另外，本发明能够产生如在VPS或LPPS方法中的高质量涂层，因为工作环境既不含氧气也不含氮气。
作为这些优点的证明，在薄钛板(100×25×1.5mm)上进行了一系列实验，该薄钛板在不同条件下用钛粉进行等离子体喷涂。如前两个示例，这种材料组合有利于产生用于医疗植入件部件的骨融合涂层。
热条用于记录在实验过程中达到的最高温度。热条是自粘接标签，它包括一系列热敏元件。各元件在超过它的额定温度时从白色变成黑色。这种变化是不可逆的，从而提供了最高温度的记录。
各种不同的热条(形成从46℃至260℃的最终温度标尺)附接在钛板的一侧，随后用1.5mm厚的绝热硅酮胶带来保护。板的另一侧保持未覆盖。这样，热条记录了在涂层表面以下1.5mm处所达到的最高温度。
在进行的所有测试中，喷涂粉末由纯钛制成，颗粒尺寸为75-250微米。在化学上，粉末的碳含量≤0.08重量％，铁含量≤0.5重量％，氢含量≤0.05重量％，氮含量≤0.05重量％，氧含量≤0.4重量％。
为了模拟实际产生条件，在实验过程中测量的处理时间除以在相同涂覆运行中能够涂覆的零件数量，从而获得“每件的处理时间”。工作腔室实际上可以包含一个以上基板支承件。因为能够布置在工作腔室中的零件数量也取决于它们的几何形状和尺寸，因此所有实验都考虑相同类型零件(用于每次测试)来进行。最后，计算出的每件处理时间标准化成在APS系统中获得的值，作为参考。
不过为了简明，处理时间不考虑将零件装载至工作腔室或穿透腔室中/从工作腔室或穿透腔室中卸载所需要的时间。对于APS系统，装载/卸载阶段通常非常快速，因为它们在正常的空气环境中操作。对于具有穿透腔室的、在惰性环境中工作的系统，它通常慢2-4倍，而对于没有穿透腔室的、在惰性环境中工作的系统，它明显更耗时。
实验结果总结在下面的表1中。
冷却介质的流速值(E栏)与冷却介质在进入喷雾腔室之前在导管中的流动相关，因此不考虑喷嘴的流动扩大效果。
测试号1涉及在正常环境压力下在空气中进行的APS处理，并用作基准来用于评估其它实验中的处理时间和温度。作为参考，它处理时间设置为1.00(F栏)。
在冷却空气的流速为大约75Nm3/h的情况下，最高温度为大约93℃(H栏)。如上所述，当基板温度保持在这么低的水平时，热应力降低，并保持基板的机械性能和抗疲劳性。
在APS处理中，暂停的比率(G栏)保持在最小水平，小于总处理时间的3％。由于空气环境，APS涂层包含一定量的氧和氮(I栏)，它的厚度必须限制在低于350-400微米(J栏)的值，否则它变得太脆。它的孔隙率也限制在30％(K栏)。
测试号2表示了降低冷却空气流速的效果：冷却能力为大约一半(36Nm3/h，测试号2)，最大温度相应升高直至160℃。
测试号3至5涉及两种不同的VPS涂覆方法。
测试号3涉及在低压环境中进行的慢处理。在没有冷却介质的情况下，当暂停的比率保持在最低水平时，温度达到高于260℃的值，更可能甚至高于300℃(所有热条都熔化或燃烧)。相对处理时间为1.80表示该处理花费的时间比APS系统多1.80倍，以便涂覆相同数量的零件。
在这些条件下，该处理不仅引起高得多的温度，而且它的生产率也已经低于前面的APS涂覆系统。本领域普通技术人员知道，在这种低压系统中必须设置较长暂停，以便降低温度并降低变形和内应力的危险，这反过来使得该系统更慢。
测试号4涉及在较低的亚正常压力下在惰性环境中进行的快速处理。相对处理时间几乎是APS系统的一半，但是在没有冷却介质的情况下，温度上升超过260℃。
在暂停比率较高(测试号5，暂停设置为34.8％)的情况下，相对处理时间增加至0.71，但温度仍然达到230℃。应当设置较长的暂停，以便进一步降低温度，这使得处理甚至更慢。
VPS处理的积极效果通过涂层的更高纯度来证明：在测试号3和4中的氧和氮水平远低于测试号1中。它们在最终涂层中的存在主要与它们在初始钛粉中的存在相关。涂层有更高的内聚力和对基板的粘接性，并能够增加厚度和孔隙率。
测试号6至10是由本发明装置在不同条件下执行。所有测试都在氩气环境中在稍微高于正常压力的压力下进行，且惰性气体(氩气)根据图1的方案而再循环、压缩和冷却。
在测试号6中，只有低流速的氩气设置为冷却介质。在最小暂停的情况下，基板的温度仍然超过260℃，因为冷却介质还不是很有效。通过将暂停的比率增加至33.3％(测试号7)，冷却介质作用更长时间，温度能够降低至171℃。不过，相对处理时间增加(从0.74至1.04)。
另一方面，当流速从15Nm3/h增加至66Nm3/h(测试号8)，且暂停的比率保持在最小水平时，相对处理时间保持在大约0.72，且温度降低到182℃。
利用本发明装置，冷却气体的流速能够进一步增加，且在测试号9中(表示一种优选组合)，它设置为318Nm3/h。暂停的比率可以保持在最小水平，以使得相对处理时间保持在大约0.74。在这种情况下，最高温度为110℃。人们可以比较测试号9和测试号5，两种处理都产生具有高纯度、类似厚度和高孔隙率的涂层。相对处理时间也类似，但是在测试号5中，零件加热至230℃，而在测试号8中，温度限制在110℃。
还能够获得更厚的涂层，如在测试号10中。该条件表示在附图3中所示的示例。当然，该处理花费更长的时间，因为必须沉积更多的连续涂层，但是它仍然有与参考APS测试号1一样的生产率。还有，与APS相比，实现了更高的纯度和孔隙率，这使得涂层对于骨融合方面更有效。
因此，本发明的装置和方法同时能够产生：
-高质量的涂层，这是由于涂层处理在惰性气体环境中进行；
-由于在涂层下面的部件的较低热暴露，因此在抗疲劳性和尺寸变化方面对基板的影响较低；
-由于使用了穿透腔室7，且与VPS和LPPS系统相比，由于提高了冷却效率，因此具有高产生率，也就是减少了涂层处理的持续时间。
因此可以看见，本发明实现了所提出的目的。
所提出的技术方案结构简单且便宜，还能够安装在已有的工作装置上。
已经根据优选实施例介绍了本发明，但是能够在不脱离由附加权利要求提供的保护范围的情况下设想等效的变化形式。

Claims (18)

1.用于涂覆基板(S)的等离子体喷涂装置(1)，包括：
至少一个工作腔室(3)，所述工作腔室包括至少一个等离子体炬(21)和至少一个用于要涂覆的基板(S)的基板支承件(26)，惰性气体或惰性气体混合物在接近或高于正常压力的压力下容纳在所述工作腔室中；以及
至少一个气体回路(2)，所述气体回路与所述工作腔室(3)连通，并包括包含在所述工作腔室(3)中的惰性气体的再循环装置(R)，
所述再循环装置(R)包括闭合环路(L)，所述闭合环路包括：用于冷却气体的第一换热器(18)，所述第一换热器与所述工作腔室(3)连通；以及再循环鼓风机(17)，所述再循环鼓风机布置在所述第一换热器(18)的上游，适合从所述工作腔室(3)中抽出惰性气体，并将冷却的惰性气体的第一部分往回供给至所述工作腔室(3)的第一部分(3a)中，
其特征在于，所述再循环装置(R)包括至少一个通路(P)，所述通路与所述闭合环路(L)连通，并包括至少一个压缩机(19)和用于进一步冷却气体的第二换热器(20)，所述压缩机布置在所述第二换热器(20)的上游，适合将冷却的惰性气体的第二部分供给至所述工作腔室(3)的第二部分(3b)中，并通过适当布置的管道(31a、31b)而指向所述基板(S)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：所述气体回路(2)包括用于从工作腔室(3)抽出空气的至少一个真空泵(5)，所述真空泵沿第一分支(4)布置。
3.根据权利要求2所述的装置，其中：所述闭合环路(L)包括用于惰性气体的至少一个过滤器(13、14)，所述过滤器沿第二分支(6)布置。
4.根据前述任意一项权利要求所述的装置，还包括：至少一个穿透腔室(7)，所述穿透腔室通过至少一个闸门(9)而与所述工作腔室(3)连通，所述穿透腔室(7)包括至少一个门(8)，用于允许操作人员将基板(S)或物体装载至所述工作腔室(3)/从所述工作腔室(3)卸载基板或物体。
5.根据权利要求4所述的装置，其中：所述穿透腔室(7)包括惰性气体进口(33)和惰性气体出口(34)，所述惰性气体进口和惰性气体出口由相应的阀(33a、34a)来操作。
6.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其中：所述工作腔室(3)包括：惰性气体进口(28)和惰性气体出口(29)，所述惰性气体进口和惰性气体出口由相应的阀(28a、29a)来操作；以及第一冷却惰性气体进口(30)，用于供给冷却的惰性气体的所述第一部分。
7.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其中：所述工作腔室(3)包括第二冷却惰性气体进口(31)，用于供给冷却的惰性气体的所述第二部分，所述第二冷却惰性气体进口(31)与指向所述基板(S)的至少一个终端管道(31a、31b)连通。
8.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其中：所述工作腔室(3)包括温度测量装置(32)，用于在喷涂处理中监测基板(S)的温度。
9.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其中：冷却的惰性气体是氩气。
10.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其中：使用氩气和氦气的混合物来产生等离子体射流。
11.用于涂覆基板(S)的等离子体喷涂方法，包括以下步骤：
提供至少一个工作腔室(3)，所述工作腔室包括至少一个等离子体炬(21)和用于要涂覆的基板(S)的至少一个基板支承体(26)，惰性气体或惰性气体混合物在接近或高于正常压力的压力下容纳在所述工作腔室中；以及
提供至少一个气体回路(2)，所述气体回路与所述工作腔室(3)连通，所述气体回路包括包含在所述工作腔室(3)中的惰性气体的再循环装置(R)，
其特征在于，所述等离子体喷涂方法还包括以下步骤：将再循环、冷却的惰性气体的第一部分供给至工作腔室(3)的第一部分(3a)中；以及将再循环、压缩和进一步冷却的惰性气体的第二部分供给至所述工作腔室(3)的第二部分(3b)中，并指向基板(S)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：再循环惰性气体的所述第一部分冷却至5-40℃的温度，优选是10-20℃。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中：再循环惰性气体的所述第二部分进一步冷却至低于40℃的温度，优选是10-20℃。
14.根据权利要求11-13中任意一项所述的方法，其中：再循环惰性气体的所述第二部分被压缩至高于2巴的压力，优选是6-8巴。
15.根据权利要求11-14中任意一项所述的方法，其中：再循环、冷却的惰性气体的所述第二部分以250-1000Nm3/h的流速导向基板(S)。
16.根据权利要求11-15中任意一项所述的方法，其中：冷却惰性气体的所述第二部分通过与指向基板(S)的至少一个终端管道(31a、31b)连通的第二冷却惰性气体进口(31)来供给。
17.根据权利要求11-16中任意一项所述的方法，其中：冷却惰性气体是氩气。
18.根据权利要求11-17中任意一项所述的方法，其中：使用氩气和氦气的混合物来产生等离子体射流。
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