CN110039044A - 一种粉体表面包覆镀膜装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在金属或陶瓷粉体表面进行涂层包覆实现粉体改性领域，更具体的说是一种粉体表面包覆镀膜装置和方法，包括真空腔体、真空抽口、进气口、保温屏蔽层、电阻加热盘一、电阻加热盘二、电阻加热盘三、旋转支撑一、旋转支撑二、圆周旋转料盘、电弧靶、粉体、硬质合金料球，该装置和方法可适用于金属或陶瓷粉体表面沉积金属或陶瓷涂层，实现粉体表面改性；适用材料广泛、材料利用率高、沉积速度快、膜层厚度均匀；尤其可实现粉末表面厚涂层包覆，可满足粉末冶金、热喷涂、3D打印等领域对复合粉体的应用需求。

Description

一种粉体表面包覆镀膜装置和方法

技术领域

本发明涉及在金属或陶瓷粉体表面进行涂层包覆实现粉体改性领域，更具体的说是一种粉体表面包覆镀膜装置和方法。

背景技术

粉体包覆技术是获得复合粉体的重要技术手段。通过粉体包覆，可以改变粉体的分散性能、表面活性、光学性能、化学成分、光泽、焊接性能等物理化学性能，获得复合粉体，实现粉体改性。目前，复合粉体在新型材料的开发和应用方面已经起到重要的作用，被广泛的应用于军事、航空、航天、化工等领域。

实现粉体表面改性的方法主要有机械化学法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法、化学镀法及物理气相沉积法等。

在众多粉体表面改性方法中，物理气相沉积法具有适用材料广、包覆材料纯度高等技术特点。为了实现粉体表面膜层均匀包覆，申请号为[CN201621206109.1]的专利中，采用超声波结合机械振动的方式实现了粉体在托盘中的分散跳动，提高了粉体表面镀层的均匀性；在公开号为[106929808A]的发明专利中，采用磁控溅射方法实现了多种粉体的表面改性，通过设置多级、多层磁控溅射源，可以满足较大批量连续批产粉体包覆改性需求。但由于磁控溅射过程的沉积速率较低，且沉积粒子能量不强，因此采用该方法仅能够实现粉体表面的改性，但难以实现粉体表面厚涂层沉积。

在公开文献[Nanostructure Ag and Cu coatings on powder materials,http://www.paton-icebt.kiev.ua/publication/movchan_kovinskyi.pdf]中，采用电子束物理气相沉积方法实现了粉体的表面沉积Ag和Cu膜层。但由于电子束物理气相沉积源具有较强的方向性，采用该方法实现粉体包覆时的材料利用率较低。同时由于电子束蒸发过程的特点限制，难以实现一些低饱和蒸汽压材料(如Nb，Zr等)材料的包覆应用

电弧离子镀是目前工业领域主流的镀膜技术，同磁控溅射相比具有较高的膜层沉积速率。公开号为[CN101787515A]的专利公开了一种铝包覆硼复合粉体的制备方法，即利用多弧离子镀膜机对预处理后的硼粉表面进行镀铝处理，获得铝包覆硼复合粉体。但由于通常的多弧离子镀膜机通常均是针对转架中的工件进行镀膜，因此在应用于粉体包覆时的靶材蒸汽利用率极低，无法满足厚涂层的包覆需求。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种粉体表面包覆镀膜装置和方法，该装置和方法可适用于金属或陶瓷粉体表面沉积金属或陶瓷涂层，实现粉体表面改性；适用材料广泛、材料利用率高、沉积速度快、膜层厚度均匀；尤其可实现粉末表面厚涂层包覆，可满足粉末冶金、热喷涂、3D打印等领域对复合粉体的应用需求。

为解决上述技术问题，本发明涉及在金属或陶瓷粉体表面进行涂层包覆实现粉体改性领域，更具体的说是一种粉体表面包覆镀膜装置和方法，包括真空腔体、真空抽口、进气口、保温屏蔽层、电阻加热盘一、电阻加热盘二、电阻加热盘三、旋转支撑一、旋转支撑二、圆周旋转料盘、电弧靶、粉体、硬质合金料球，该装置和方法可适用于金属或陶瓷粉体表面沉积金属或陶瓷涂层，实现粉体表面改性；适用材料广泛、材料利用率高、沉积速度快、膜层厚度均匀；尤其可实现粉末表面厚涂层包覆，可满足粉末冶金、热喷涂、3D打印等领域对复合粉体的应用需求。

真空腔体内设置一个真空抽口和进气口；真空腔体内侧设置有多层保温屏蔽层；圆周旋转料盘外侧设置有电阻加热盘一、电阻加热盘二和电阻加热盘三；圆周旋转料盘可在旋转支撑一和旋转支撑二作用下发生旋转；旋转支撑一和旋转支撑二设置有绝缘装置；圆周旋转料盘中放置粉体和硬质合金料球；电弧靶设置在真空腔体中。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种粉体表面包覆镀膜装置所述的真空腔体为半圆加矩形同时中心镂空。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种粉体表面包覆镀膜装置所述的保温屏蔽层的材质为不锈钢。

一种粉体表面包覆镀膜的方法，采用权利要求1中所述装置，具体操作流程包括以下步骤：

1.将粉体和硬质合金料球放置于圆周旋转料盘中；

2.将真空腔体抽真空至低于5×10^-3Pa；

3.打开圆周旋转料盘使之转动，转速为3-30转/min，确保粉体运动至与电弧靶位置对应；

4.打开电阻加热盘一、电阻加热盘二、电阻加热盘三，将圆周旋转料盘预热至100-400℃；

5.从进气口引入Ar至腔体分压为5×10^-2Pa至3×10^-1Pa；

6.引燃电弧靶，电弧靶电流为80-300A，开始进行粉体镀膜；过程中可引入CH₄、SiH₄、N₂等反应气体至腔体压强为1×10^-1Pa至3×10⁰Pa，实现反应镀膜粉体包覆。

本发明一种粉体表面包覆镀膜装置和方法的有益效果为：

本发明一种粉体表面包覆镀膜装置和方法，该装置和方法可适用于金属或陶瓷粉体表面沉积金属或陶瓷涂层，实现粉体表面改性；适用材料广泛、材料利用率高、沉积速度快、膜层厚度均匀；尤其可实现粉末表面厚涂层包覆，可满足粉末冶金、热喷涂、3D打印等领域对复合粉体的应用需求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明提供的电弧离子镀粉体包覆装置的原理示意图。

图2为玻璃微珠表面包覆Ti涂层的截面微观组织形貌。

图3为氧化锆粉体包覆Nb/Zr复合涂层的截面微观组织形貌。

图4为氧化锆粉体包覆Nb/Zr复合涂层的截面微观组织形貌放大照片和面分布谱图。

图5为Cr包覆SiC粉体的表面形貌。

图6为Cr包覆SiC粉体的截面微观组织形貌。

图中：真空腔体1；真空抽口2；进气口3；保温屏蔽层4；电阻加热盘一5；电阻加热盘二5’；电阻加热盘三5”；旋转支撑一6；旋转支撑二6’；圆周旋转料盘7；电弧靶8；粉体9；硬质合金料球10。

具体实施方式

具体实施方式一：

真空腔体1内设置一个真空抽口2和进气口3；真空腔体1内侧设置有多层保温屏蔽层4；圆周旋转料盘7外侧设置有电阻加热盘一5、电阻加热盘二5’和电阻加热盘三5”；圆周旋转料盘7可在旋转支撑一6和旋转支撑二6’作用下发生旋转；旋转支撑一6和旋转支撑二6’设置有绝缘装置，保证圆周旋转料盘7与真空腔体1外壳绝缘；圆周旋转料盘7中放置粉体9和硬质合金料球10；电弧靶8设置在真空腔体1中当圆周旋转料盘7转动时，粉体9在离心力和摩擦力的作用下，将随着圆周旋转料盘7发生一定的位移；在重力的同时作用下，粉体9的各个颗粒将循环滚动；硬质合金料球10将主要停留在圆周旋转料盘7的底部进行原地滚动，起到清理料盘的作用；电弧靶8表面高速运动的电弧将使物料发生蒸发，并在粉体9表面沉积成膜。

具体操作流程包括以下步骤：

1.将粉体9和硬质合金料球10放置于圆周旋转料盘7中；

2.将真空腔体1抽真空至低于5×10^-3Pa；

3.打开圆周旋转料盘7使之转动，转速为3-30转/min，确保粉体9运动至与电弧靶8位置对应；

4.打开电阻加热盘一5、电阻加热盘二5’、电阻加热盘三5”，将圆周旋转料盘7预热至100-400℃；

5.从进气口3引入Ar至腔体分压为5×10^-2Pa至3×10^-1Pa；

6.引燃电弧靶8，电弧靶8电流为80-300A，开始进行粉体镀膜；过程中可引入CH₄、SiH₄、N₂等反应气体至腔体压强为1×10^-1Pa至3×10⁰Pa，实现反应镀膜粉体包覆。

下面结合具体实施例对本发明进行解释：

玻璃微珠表面镀Ti：将5kg的50-70目玻璃微珠和2kg直径5mm硬质合金料球放置在圆周旋转料盘7中；将真空腔体1抽真空至3×10^-3Pa；打开圆周旋转料盘7使之转动，转速为20转/min；打开电阻加热盘一5、电阻加热盘二5’和电阻加热盘三5”，将圆周旋转料盘7预热至400℃；从进气口引入Ar至腔体分压为1×10^-1Pa；引燃Ti电弧靶8，开始进行粉体镀膜。镀膜时间2h，镀膜后进行微观组织观察，如图2所示。

通过对谱图1和谱图2两点进行成分测试，可以确认在氧化硅基玻璃珠外侧沉积得到～10μm厚的Ti层，Ti层厚度分布均匀，与玻璃珠表面结合良好。

涂Nb氧化锆粉末镀Zr：将3kg的平均粒径为～100μm的涂Nb氧化锆球形粉体和1.5kg直径5mm硬质合金料球放置在圆周旋转料盘7中；将真空腔体1抽真空至1×10^-3Pa；打开圆周旋转料盘7使之转动，转速为15转/min；打开电阻加热盘一5、电阻加热盘二5’和电阻加热盘三5”，将圆周旋转料盘7预热至400℃；从进气口引入Ar至腔体分压为3×10^-1Pa；引燃Zr电弧8，开始进行粉体镀膜。镀膜时间4h，镀膜后进行微观组织观察，如图3所示粉末表面可见有均匀镀层。图4为对单个粉末进一步观察，从面分布图可以看出，氧化锆粉体外均匀涂敷有Nb涂层，最外侧又包覆有Zr涂层，Zr涂层厚度分布均匀，与Nb层结合力良好，Zr层厚度～10μm。

SiC粉末镀Cr：将2kg的80-120目不规则形状SiC粉体和1kg直径5mm硬质合金料球放置在圆周旋转料盘7中；将真空腔体1抽真空至3×10^-3Pa；打开圆周旋转料盘7使之转动，转速为10转/min；打开电阻加热盘一5、电阻加热盘二5’和电阻加热盘三5”，将圆周旋转料盘7预热至300℃；从进气口引入Ar至腔体分压为3×10^-1Pa；引燃Cr电弧靶8，电弧靶电流180A，开始进行粉体镀膜。镀膜时间10h，镀膜后进行微观组织观察，如图5和图6所示。从图5所示的粉体表面形貌可见，SiC粉末表面均匀涂敷有Cr涂层；从图6截面形貌可观察到，Cr层结合力良好，厚度分布均匀，约为1.5μm。

本发明利用电弧离子镀高速蒸发金属靶材获得金属蒸汽，金属蒸汽从靶面发射出后在粉体表面沉积形成涂层，实现粉体改性。通过调整靶材表面放电电流大小，可以调整靶材的蒸发速率。由于电弧离子镀的技术特点，靶材表面发射出的金属蒸汽中含有大量微小的金属液滴，这种液滴将有利于提高粉体表面膜层的沉积速率，并降低膜层和靶材之间的成分偏差。

本发明采用圆周旋转料盘带动粉体运动实现粉体颗粒的分散，提高粉体表面膜层的均匀性。粉体在镀膜时的不停运动也可以避免粉体由于表面涂层沉积活性增强造成粉体之间发生团聚。

本发明在圆周旋转料盘中随待包覆粉体放置一定数量直径为5mm的硬质合金料球，圆周旋转料盘在转动时，硬质合金料球将一起运动。由于料球直径较大，将在重力作用下停留在料盘下方，不停滚动的硬质合金料球可实现清粉作用，即清理可能粘附在料盘内侧的粉体。此外，料球与随炉粉体之间将也发生碰撞搅拌，将也有利于实现粉体的颗粒分散，提高粉体表面膜层的均匀性。

本发明可实现的粉体包覆材料包括Ti、Zr、Cr、W、Mo、Ni、Al、Ag、Pt等金属单质材料，TiAl、CrAl、不锈钢、高温合金等化合物材料。也可通过在电弧离子镀膜层沉积过程中引入反应气体，获得TiN、TiC、ZrB₂、Al₂O₃等化合物陶瓷材料。

本发明可通过对圆周旋转料盘进行预热提高待包覆粉体的温度，从而提高粉体与改性膜层之间的结合力。

本发明所述的圆周旋转料盘为金属材质(如不锈钢)，在旋转过程中保持对设备外壳绝缘。当电弧靶工作时，圆周旋转料盘会在金属等离子体环境下产生～-10V的自偏压，该偏压将有利于提高粉体膜层的结合力，并有利于提高靶材蒸汽的利用率。

本发明采用圆周旋转料盘实现粉体分散运动，同机械振动分散方式相比，粉体运动振幅低，颗粒之间碰撞强度小，可有效的防止粉体镀膜过程中膜层脱附。

本发明采用的电弧离子镀粉体包覆方法及装置，同传统电弧离子镀设备相比，粉体与靶材距离近，靶材发射出的金属蒸汽利用率高，膜层沉积速率快，可以实现粉体厚涂层沉积。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种粉体表面包覆镀膜装置，包括真空腔体(1)、真空抽口(2)、进气口(3)、保温屏蔽层(4)、电阻加热盘一(5)、电阻加热盘二(5’)、电阻加热盘三(5”)、旋转支撑一(6)、旋转支撑二(6’)、圆周旋转料盘(7)、电弧靶(8)、粉体(9)、硬质合金料球(10)，其特征在于：真空腔体(1)内设置一个真空抽口(2)和进气口(3)；真空腔体(1)内侧设置有多层保温屏蔽层(4)；圆周旋转料盘(7)外侧设置有电阻加热盘一(5)、电阻加热盘二(5’)和电阻加热盘三(5”)；圆周旋转料盘(7)可在旋转支撑一(6)和旋转支撑二(6’)作用下发生旋转；旋转支撑一(6)和旋转支撑二(6’)设置有绝缘装置；圆周旋转料盘(7)中放置粉体(9)和硬质合金料球(10)；电弧靶(8)设置在真空腔体(1)中。

2.根据权利要求1所述的一种粉体表面包覆镀膜装置，其特征在于：所述的真空腔体(1)为半圆加矩形同时中心镂空。

3.根据权利要求1所述的一种粉体表面包覆镀膜装置，其特征在于：所述的保温屏蔽层(4)的材质为不锈钢。

4.一种粉体表面包覆镀膜的方法，采用权利要求1中所述装置，具体操作流程包括以下步骤：

1.将粉体(9)和硬质合金料球(10)放置于圆周旋转料盘(7)中；

2.将真空腔体(1)抽真空至低于5×10^-3Pa；

3.打开圆周旋转料盘(7)使之转动，转速为3-30转/min，确保粉体(9)运动至与电弧靶(8)位置对应；

4.打开电阻加热盘一(5)、电阻加热盘二(5’)、电阻加热盘三(5”)，将圆周旋转料盘(7)预热至100-400℃；

5.从进气口(3)引入Ar至腔体分压为5×10^-2Pa至3×10^-1Pa；

6.引燃电弧靶(8)，电弧靶(8)电流为80-300A，开始进行粉体镀膜；过程中可引入CH₄、SiH₄、N₂等反应气体至腔体压强为1×10^-1Pa至3×10⁰Pa，实现反应镀膜粉体包覆。