CN112313005A - 用于基材上的大气压等离子射流涂覆沉积的改进方法和装置 - Google Patents

用于基材上的大气压等离子射流涂覆沉积的改进方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于等离子涂覆包括物体轮廓的物体的方法，包括以下步骤：a.制造能更换的遮护件(2)，该遮护件包括射流入口(22)、喷嘴出口(24)和从射流入口延伸至喷嘴出口的侧壁(21)，其中，喷嘴出口包括与物体轮廓的至少一部分基本上一致的边缘(25)；b.将能更换的遮护件能拆卸地附连到等离子射流发生器的射流出口；c.将物体放置在喷嘴出口处，使得物体轮廓紧密地配合喷嘴出口边缘，从而使喷嘴出口与物体之间的间隙最小化；d.通过经由等离子射流发生器在遮护件中提供等离子射流，并在遮护件中的等离子射流中喷射涂层前体，由此产生操作压力，在高于大气压力、优选地至多10％的操作压力下，从而利用低温无氧等离子体对物体进行涂覆，从而在氧耗尽的等离子体区中对物体进行等离子涂覆。

Description

用于基材上的大气压等离子射流涂覆沉积的改进方法和装置
技术领域
本发明涉及等离子体沉积的技术领域。因此，本发明可以涉及IPCH05h1/24和/或IPCB01J19/08。
背景技术
相对于其它涂覆技术，特别是相对于通过使物体经受含有涂覆物质的液体来施加涂层的湿法技术，通过等离子体沉积进行涂覆提供了许多益处。例如，等离子涂覆允许非常薄的涂层，这允许涂覆的物体具有所有类型形状，涂覆物质的损失很少等。
等离子涂覆技术通常可以分为真空技术和大气技术。本发明涉及大气等离子涂覆，其中等离子体的压力接近大气压。实际上，等离子体压力可以与大气压力稍微不同，例如稍微过压。大气等离子涂覆技术具有优于真空等离子涂覆技术的主要优点，因为不需要真空腔室并且涂覆过程可以容易地在线进行。
专利文献EP0217399A2、US3914573A、US2017/095929A1和EP1875785A1中公开了许多等离子涂覆方法。这些文献涉及将等离子体加热到1000℃或更高并将等离子体高速地喷涂到基材上的特定类型的等离子体喷枪。诸如US3914573A中公开的方法通常可用于利用材料颗粒对熔融温度远高于等离子体温度的例如钢的金属物体进行涂覆。需要高等离子体温度来软化材料颗粒，以增强对基材的涂覆。
然而，本发明涉及不同类型的大气等离子涂覆方法及其装置，其允许将分子物质涂覆到包括金属和非金属基材的所有类型的基材上，尤其还包括熔融温度和/或流动温度远低于1000℃，有时甚至低于200℃、150℃、100℃或甚至更低的塑料和/或玻璃物质。显然，不能使用EP0217399A2、US3914573A、US2017/095929A1和EP1875785A1中公开的等离子体喷枪的专用设备和工艺。需要在低温下，通常低于200℃的等离子体温度下的等离子涂覆技术。
JP2008/130503A公开了一种包括大气压等离子射流产生装置和处理腔室的设备。等离子射流可以被插入到处理腔室中。处理腔室包括由树脂制成的、以小间隙相互隔开的上部和下部，这会使得气体通过小间隙从处理腔室流出，由此，该装置构造成防止环境空气通过过压而包含在处理腔室中。
该文献公开了解决提供大气压等离子射流装置的问题，该大气压等离子射流装置能够延长等离子蕈状团以有效地重整表面，而与材料的表面形状无关。
然而，根据该文献的装置不适于涂层沉积。该文献特别地描述了清洁和亲水性改进，以作为可能的用途。
此外，根据该文献的装置不适于连续基材的在线处理。该文献特别地描述了用于装载和卸载处理对象的开口区域调节装置(或关闭件)。该文献还描述了处理对象的尺寸大致等于处理腔室的上部的开口表面。因此，该文献提供了批处理腔室。
此外，根据该文献的装置不适于容易地清洁、长期维护和/或在线处理多个不规则表面。
JP2007/323812A公开了一种大气压等离子体装置，该大气压等离子体装置包括第一反应空间和包括混合气体区域的混合气体容器。该装置构造成将来自第一反应空间的初级等离子射流插入混合气体区域中，并且将包含反应气体的混合气体插入混合气体区域中以与初级等离子体碰撞。
根据该文献的装置不适于在具有不规则表面的连续基材上进行在线等离子体沉积。此外，该装置不适于容易地清洁和/或长期维护。
本发明的目的在于解决如上所述的问题中的至少一些。因此，其目的在于允许所有类型的基材在低温下在线进行大气等离子涂覆以获得均匀的涂层。
发明内容
在第一方面中，本发明提供了根据权利要求1的通过大气压等离子射流来沉积涂层的方法。
在第二方面中，本发明提供了根据权利要求13的用于大气压等离子射流发生器的套件。
在第三方面中，本发明提供了根据权利要求16的通过大气压等离子射流来沉积涂层的装置。
在另一方面中，本发明提供了一种通过大气压等离子射流来沉积涂层的方法，该方法包括以下步骤：
-提供包括射流出口(12)的大气压等离子射流发生器(1)；
-提供遮护件(2)，所述遮护件包括射流入口(22)、喷嘴出口(24)和从射流入口延伸至喷嘴出口的侧壁(21)；
-将遮护件能拆卸地附连到等离子射流发生器，并且由此将射流入口和射流出口连通地联接；
-通过等离子射流发生器在遮护件中提供等离子射流，并且将涂层前体注入遮护件的等离子射流中，从而在遮护件中产生相对于环境的过压；以及
-使基材的表面和喷嘴出口相对地移动，从而在所述表面上沉积涂层。
遮护件的喷嘴出口可以放置在靠近待处理的基材表面的位置，并且通过遮护件中的过压，可以防止环境空气的大量流入。在涂层沉积期间，例如由于等离子射流使遮护件内壁劣化和/或涂层沉积在遮护件内壁上，遮护件可能会劣化。此外，更重要的是，当使用不同尺寸和/或形状的基材时，单个喷嘴可能不会对每个基材产生令人满意的结果。本发明允许根据应用场合更换遮护件。对于在较大的平坦表面上的在线涂层沉积，可以使用具有较大的平坦喷嘴出口的遮护件。对于在非平坦表面上的在线涂层沉积，可以使用具有特别适合的非平坦喷嘴的遮护件。对于有限不规则样本的处理，样本可以保持静止，并且射流可以移动，由此喷嘴出口可以包括足够小的尺寸，以允许紧密地跟随样本的表面。本发明允许在稍微高于大气压、优选地至多10％的操作压力下，通过经由等离子射流发生器在遮护件中提供等离子射流，并在遮护件中的等离子射流中喷射涂层前体，由此产生所述操作压力，从而利用低温无氧等离子体对所有类型的物体进行在线等离子涂覆。由于喷嘴出口边缘与物体轮廓的一致性，同喷嘴出口边缘与物体表面之间的小间隙相结合的过压允许使物体表面经受氧耗尽的等离子体区，这进而导致涂层的更好结果，特别是在均匀性和稳定性方面中，这包括涂层对表面的更好粘附和随时间的更少劣化。此外，氧耗尽的等离子体区的存在允许使用大量的前体分子，否则由于所述前体分子与氧的反应性而不能使用这些前体分子。
还应当注意的是，在本发明中优选地将等离子体温度保持地较低，优选地低于200℃、更优选地低于180℃、更优选地低于160℃，更优选地低于140℃、更优选地低于130℃、更优选地低于120℃、更优选地低于110℃、更优选地低于100℃、更优选地低于90℃、更优选地低于80℃、更优选地低于70℃、更优选地低于60℃、更优选地低于50℃。
本发明的其它优点、特征和示例在详细描述中公开。
附图说明
图1a和图1b示出了根据本发明的装置的实施方式的立体图。
图2a、图2b、图2c、图2d和图3示出了根据本发明的遮护件的实施方式的立体图。
图4示出了根据本发明的遮护件和适配器的实施方式的立体图。
图5a和图5b分别示出了根据本发明的遮护件的实施方式的纵向视图和侧视图。
图6示出了根据本发明的遮护件的一个可选实施方式的侧视图。
图7示出了根据本发明的具有遮护件的装置的剖视图，该装置特别优选地用于粉末的等离子涂覆。
图8示出了根据本发明的具有遮护件的装置的剖视图，该装置特别优选地用于纤维的等离子涂覆。
图9示出了根据本发明的遮护件的立体图，该遮护件的边缘被特别地制造成与轴向对称物体一致。
具体实施方式
本发明涉及一种通过大气压等离子射流来沉积涂层的装置和方法。本发明还涉及套件。本发明已经在以上相应部分中总结。下面详细描述本发明，讨论优选的实施方式，并通过实施方式来说明本发明。
除非以其它方式定义，否则在公开本发明时使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义。通过进一步的指导，包括术语定义以更好地理解本发明的教导。
如本文使用的，以下术语具有下列含义：
除非上下文另外明确地指出，否则，本文所用的“一个”、“一种”以及“该/所述”是指代单数和复数。借助示例，“隔室”是指一个或多于一个隔室。
本文涉及诸如参数、量、持续时间等能测量的值使用“约”，其意思是包括指定值的+/20％或更小、优选地+/10％或更小、更优选地+/5％或更小、甚至更优选地+/1％或更小、还更优选地+/0.1％或更小的变化，在此范围内，这样的变化适于在所公开的发明中实施。然而，应当理解的是，修饰语“约”所指的值本身也是具体公开的。
此处使用的“包括(comprise)”、“包括(comprising)”以及“包括(comprises)”和“由……组成(comprised of)”与“包括(include)”、“包括(including)”、“包括(includes)”、或“包含/含有(contain)”、“包含/含有(containing)”、“包含/含有(contains)”同义，并且是规定了以下内容(例如组件)的存在的包含性或开放式术语，并且不排除或排除本领域已知或公开的附加的、未叙述的组件、特征、元件、构件、步骤的存在。
由端点表述的数值范围包括该范围内包含的所有数值和分数、以及所表述的端点。
在第一方面中，本发明提供了一种通过大气压等离子射流来沉积涂层的方法，包括若干个步骤。提供了一种包括射流出口的等离子射流发生器。制造了一个遮护件，该遮护件的边缘与待处理物体的轮廓一致。该遮护件包括射流入口、喷嘴出口和从射流入口延伸至喷嘴出口的侧壁。该遮护件可以能拆卸地附连到等离子射流发生器，由此将射流入口和射流出口连通地联接。等离子射流可以通过等离子射流发生器提供到遮护件中。涂层前体可以注入到遮护件的等离子射流中。因此，可以在遮护件中产生相对于环境的过压。基材的表面能相对于喷嘴出口移动，并且由此涂层能被沉积在表面上。
在第二方面中，本发明提供了一种套件。该套件可以构造成用于包括射流出口的大气压等离子射流发生器。喷嘴套件可包括适配器和多个能更换的遮护件。每个遮护件包括射流入口、喷嘴出口和从射流入口延伸至喷嘴出口的侧壁。适配器可以构造成用于将遮护件中的一个能拆卸地附连到等离子射流发生器，并且由此将射流出口和射流入口连通地联接。
在第三方面中，本发明提供了一种通过大气压等离子射流来沉积涂层的装置。该装置包括等离子射流发生器，该等离子射流发生器包括射流出口。该装置还包括适配器和能更换的遮护件。该遮护件包括射流入口、喷嘴出口和从射流入口延伸至喷嘴出口的侧壁。适配器构造成用于将遮护件能拆卸地附连到等离子射流发生器上，并且由此将射流出口和射流入口连通地联接。
根据第二方面的喷嘴套件可以用于根据第三方面的装置和/或根据第一方面的方法中。根据第一方面的方法可以通过根据第三方面的装置来执行。本领域的普通技术人员将理解，本发明的三个方面因此是相互关联的。因此，本文献中以上或以下公开的每个特征可以适用于本发明的每个方面中，即使其已经结合特定方面被公开。
如本文所用，“大气压力”表示压力近似或大约匹配周围环境的压力。该术语将本发明的等离子体技术与需要反应容器以维持与环境的显著压力差的低压和高压等离子体技术区分开。因此，等离子体技术领域的普通技术人员将理解的是，在此使用的“大气压力”不应被解释为定义为101 325Pa的压力单位“标准大气压(atm)”。
如本文所用的“连通地联接”是指质量流、即流体、气体和/或等离子体流。因此，等离子射流发生器的连通地联接的射流出口和遮护件的射流入口构造成用于离开射流出口的等离子射流通过射流入口进入遮护件。
如本文所用的“等离子射流”是指等离子射流和/或等离子射流的余辉。例如，注入到遮护件内的“等离子射流”中的涂层前体可以指注入到等离子射流中的涂层前体和/或遮护件内的等离子射流的余辉。
本发明的方法包括以下步骤：
a.制造能更换的遮护件(2)，所述遮护件(2)包括射流入口(22)、喷嘴出口(24)和从射流入口延伸至喷嘴出口的侧壁(21)，其中，所述喷嘴出口包括与物体轮廓的至少一部分基本上一致的边缘(25)；
b.将能更换的遮护件能拆卸地附连到等离子射流发生器的射流出口；
c.将物体放置在喷嘴出口处，使得物体轮廓紧密地配合喷嘴出口边缘，从而使喷嘴出口与物体之间的间隙最小化；
d.在高于大气压力、优选地至多10％的操作压力下，通过经由等离子射流发生器在遮护件中提供等离子射流，并在遮护件中的等离子射流中喷射涂层前体，由此产生所述操作压力，从而利用低温无氧等离子体对物体进行涂覆。
从而在氧耗尽的等离子体区中对物体进行等离子涂覆。
在步骤a中，能更换的场区特别地被制造成具有与物体轮廓的至少一部分一致的边缘。因此，如果要涂覆不同类型的物体，则可以制造不同的遮护件，每个遮护件具有用于相应类型的物体的一致的边缘。因此，该方法也可以用于对多种类型的物体进行等离子涂敷，每种类型的物体包括不同的物体轮廓，其中，对每种类型的物体执行步骤a，由此制造多个能更换的遮护件，每个遮护件包括喷嘴出口，该喷嘴出口具有与相应物体的至少部分物体轮廓基本上一致的喷嘴出口边缘。在优选实施方式中，使用3D打印技术来制造遮护件，这允许以相当快速和可靠的方式制造非常复杂的边缘。
该方法特别涉及地低温等离子体。因此，等离子体温度优选地低于120℃、更优选地低于70℃。
本发明的套件包括多个能更换的遮护件(2)，每个所述遮护件包括射流入口(22)、喷嘴出口(24)和从射流入口延伸至喷嘴出口的侧壁(21)，其中，每个遮护件的喷嘴出口包括与物体的物体轮廓的至少一部分基本上一致的喷嘴出口边缘，优选地，每个遮护件包括喷嘴出口，所述括喷嘴出口的喷嘴出口边缘与物体轮廓的相应部分或与多种类型的物体的相应物体轮廓的至少一部分基本上一致。
为了允许第一遮护件的容易拆卸和第二遮护件的容易附连，优选地，遮护件通过适配器(3)能拆卸地附连到射流出口，该适配器构造成用于将遮护件能拆卸地附连到等离子射流发生器上，并且由此将等离子射流发生器的射流出口和遮护件的射流入口连通地联接。
在步骤d期间，物体可相对于喷嘴出口和边缘移动，例如以执行在线涂覆。因此，所述边缘优选地保持在与所述基材的所述表面相距至少0.1mm且至多5mm的距离处、优选地至少0.2mm且至多2mm的距离处、更优选地至少0.5mm且至多1mm的距离处。
在优选实施方式中，物体轮廓沿纵向方向基本上相同，并且所述相对运动包括沿所述纵向方向的相对平移。对于可以是非平坦的、即具有垂直于纵向方向的非笔直横截面的板状或片状物体尤其如此。
在优选实施方式中，所述边缘是与物体轮廓周向地一致的第一边缘，并且其中，所述遮护件包括第二边缘，所述第二边缘是与物体轮廓周向地一致的物体入口边缘，并且其中，所述相对运动包括物体在纵向方向上从物体入口边缘通过所述遮护件内的处理腔室到第一边缘的运动。如果物体是具有包括在纵向方向上相同的基本上圆形的横截面的轮廓的纤维，则这是特别有用的，优选地由此使用根据权利要求9的方法，其中，第一边缘和第二边缘包括具有与纤维的横截面一致的直径的圆形开口，从而允许纤维通过所述第一边缘和第二边缘的开口。如果物体是沿纵向方向吹制的粉末，则这也是特别有用的，吹制的粉末会形成具有包括基本上圆形横截面的轮廓的粉末束，该横截面具有沿纵向方向相同或沿纵向方向变化的直径，优选地由此使用根据权利要求9的方法，其中，第一边缘和第二边缘包括相应的圆形开口，该开口具有分别与粉末束在第一边缘和第二边缘的位置处的横截面一致的相应直径，从而允许粉末通过所述第一边缘和第二边缘的开口。
在另一个优选实施方式中，物体轮廓基本上围绕中心轴线轴向对称，并且所述相对运动包括围绕所述中心轴线的相对旋转。因此，通过围绕中心轴线旋转物体或遮护件、或两者例如360°或360°的整数倍以多次涂覆通过，可以以快速且可靠的方式处理物体的表面。
该套件优选地还包括等离子射流发生器，多个遮护件中的每一个可以附连到该等离子射流发生器。该套件可以包括一个等离子射流发生器或多于一个(例如两个、三个、四个或更多个)等离子射流发生器。
本发明的装置包括：
-等离子射流发生器(1)，该等离子射流发生器包括射流出口(12)；以及
-喷嘴，所述喷嘴包括适配器(3)和能更换的遮护件(2)，所述遮护件包括射流入口(22)、喷嘴出口(24)和从射流入口延伸至喷嘴出口的侧壁(21)，
其中，适配器构造成用于将遮护件能拆卸地附连到等离子射流发生器上，并且由此将射流出口和射流入口连通地联接。
遮护件的喷嘴出口可以放置在靠近待处理的基材表面的位置，并且通过遮护件中的过压，可以防止环境空气的大量流入。在涂层沉积期间，例如由于等离子射流使遮护件内壁劣化和/或涂层沉积在遮护件内壁上，遮护件可能会劣化和/或被污染。此外，当使用不同尺寸和/或形状的基板时，单个喷嘴可能不会对每个基板产生令人满意的结果。本发明允许根据应用场合更换遮护件。对于在较大的平坦表面上的在线涂层沉积，可以使用具有较大的平坦喷嘴出口和较大的前体产出量的遮护件。对于在非平坦表面上的在线涂层沉积，可以使用具有特别适合的非平坦喷嘴出口的遮护件。为了有限的不规则样品的处理，样品可以保持静止，并且等离子射流发生器可以移动，由此喷嘴出口可以包括足够小的尺寸，以允许紧密地跟随不规则样品的表面。当在第一基材上进行第一涂层沉积所使用的第一涂层前体在第二基材上的第二涂层沉积中是不期望的时，可以更换喷嘴以避免在第二涂层沉积期间被第一涂层前体污染。
在优选实施方式中，遮护件包括在射流入口处附连到侧壁的凸缘。适配器可包括保持壁，该保持壁包括具有适于保持凸缘的尺寸和形状的开口。适配器和等离子射流发生器可包括构造成用于将适配器附连到等离子射流发生器的互补附连装置。适配器可以构造成通过保持壁在某个位置处将遮护件的凸缘压靠于等离子射流发生器，由此将射流出口和射流入口连通地联接。优选地，凸缘包括环绕射流入口的平坦表面。优选地，凸缘适于由适配器压靠于等离子射流发生器，以避免环境空气通过射流入口大量地流入遮护件中。因此，凸缘包括如下双重目的：避免环境空气通过喷射入口大量地流入遮护件中、以及避免遮护件通过适配器附连到喷射发生器上。遮护件包括长度方向，射流入口和喷嘴出口沿长度方向在空间上分离。优选地，凸缘基本上垂直于所述长度方向。优选地，凸缘的平坦表面基本上垂直于长度方向。
优选地，遮护件是整体式的。遮护件可以通过注射成型来制造。遮护件可以通过3D打印来制造。优选地，遮护件包括绝缘材料，更优选地包括塑料。遮护件的喷嘴出口包括边缘。遮护件的喷嘴出口可以包括平坦边缘、即喷嘴出口是平坦的。遮护件的喷嘴出口可以包括非平坦边缘、即喷嘴出口是非平坦的。这允许非平坦表面的在线涂覆，由此在边缘的每个部分与表面之间保持较小的距离。
涂层前体可以注入到遮护件的等离子射流中。等离子射流发生器的射流出口可以包括多个出口隔室。等离子射流发生器可构造成用于提供来自第一隔室的等离子射流和来自第二隔室的涂层前体。射流出口可以包括两个同心的圆柱形壁，该圆柱形壁限定了用于提供涂层前体的内隔室和用于提供等离子射流的外隔室。射流出口可以包括矩形出口，该矩形出口通过两个内壁分成三个隔室，并且限定用于提供涂层前体的中间隔室和用于提供等离子射流的两个外隔室。
在优选实施方式中，遮护件的侧壁包括至少一个前体入口，优选地至少两个前体入口，例如两个、三个、四个或更多个前体入口。前体入口可包括管状的中空主体，该中空主体包括与遮护件的内部连通地联接的第一外端、以及用于与前体源连通地联接的第二外端。管状主体可以是圆柱形的。管状主体可以包括一个或多个弯曲部。涂层前体可以通过所述至少一个前体入口注入到遮护件的等离子射流中。
在优选实施方式中，等离子射流发生器的射流出口包括开口，并且遮护件的射流入口包括开口，其中射流入口的开口大于射流出口的开口。这是有利的，因为扩大导致速度降低和压力升高，从而有助于在遮护件内部产生相对于环境的过压。这是进一步有利的，因为急剧扩大可能引起湍流和/或再循环，并因此引起存在于遮护件的相应部分中的组份的混合。优选地，遮护件包括在射流入口与喷嘴出口之间的长度，并且所述至少一个前体入口在等于所述长度的至多50％、优选地所述长度的至多40％、更优选地所述长度的至多30％的所述射流入口的距离内与遮护件的内部连通地联接。这是有利的，因为前体的流入发生在也发生了再循环的区域中。这是进一步有利的，因为前体的流入发生在基本上不平行于、优选地基本上垂直于在射流入口处的等离子射流流入的方向上、优选地基本上平行于长度方向，从而进一步增强湍流。
在优选实施方式中，遮护件的侧壁包括锥形部分。锥形部分可以从射流入口朝向射流出口扩大遮护件的横截面，例如用于在较大的基本上平坦的表面上沉积涂层。锥形部分可以从射流入口朝向射流出口收缩遮护件的横截面，例如用于将涂层沉积集中在窄的点上，从而可选地产生小的喷嘴出口，以便能够通过喷嘴出口的移动紧密地跟随不规则表面。优选地，锥形部分适于喷嘴出口包括比射流入口小的开口。优选地，锥形部分在遮护件的长度的至少20％上延伸。
在优选的实施方式中，喷嘴包括均质化装置。优选地，遮护件包括所述均质化装置，优选地在内侧上。均质化装置可以包括流动扰动元件。流动扰动元件可以包括多个倾斜表面。流动扰动元件可以包括多个层，每个所述层包括多个倾斜表面。流动扰动元件可以包括具有与遮护件的长度方向成至少20°且至多70°的角度的表面。
在优选实施方式中，喷嘴适用于冷却。优选地，遮护件的侧壁包括用于供冷却流体通过的通道。优选地，通道位于与喷嘴出口相距遮护件长度的至多60％、更优选地至多50％、甚至更优选地至多45％的位置处。
在优选实施方式中，该装置可以包括用于连续基材的平坦或非平坦表面的在线处理的输送装置，其中该装置构造成用于将喷嘴出口的边缘的每个部分保持在距所述基材的所述表面的至少0.1mm且至多5mm、优选地至少0.2mm且至多2mm、更优选地至少0.5mm且至多1mm的距离处。该方法可以包括使基材的表面和喷嘴出口相对地移动的步骤，其中所述边缘的每个部分被保持为与所述基材的所述表面相距至少0.1mm且至多5mm、优选至少0.2mm且至多2mm、更优选至少0.5mm且至多1mm的距离，并且由此在所述表面上沉积涂层。喷嘴出口的边缘与基材的表面之间的所述大小的间隙特别适合于防止环境空气通过遮护件中的稍微过压流入，而同时允许气体从遮护件充分地流出。
在优选实施方式中，等离子射流发生器构造成通过介质阻挡放电或电晕放电生成等离子射流。优选地，等离子射流发生器包括AC电源。
通过以下非限制性实施方式进一步描述本发明，所述实施方式进一步说明本发明，并且不旨在也不应解释为限制本发明的范围。
示例
示例1：第一装置
图1a中示出了根据本发明的装置的第一实施方式的至少一部分。该装置包括大气压等离子射流发生器(1)、以及包括适配器(3)和遮护件(2)的喷嘴。
等离子射流发生器(1)包括主体(11)，该主体包括具有圆柱形外端。圆柱形外端包括侧壁(14)和基本上垂直于侧壁的端壁(13)，其中设置有射流出口(12)。圆柱形外端包括直径(d5)。射流出口(12)包括直径(d1)。等离子射流发生器(1)包括在射流出口(12)中限定两个隔室的两个圆柱形壁：用于提供涂层前体的内隔室和用于提供等离子射流和/或余辉的外隔室。等离子射流发生器可示例性地根据EP1844635B1的权利要求1至8和说明书的相应部分进行构建。
遮护件(2)包括射流入口(22)、喷嘴出口(24)和从射流入口(22)延伸至喷嘴出口(24)的侧壁(21a、21b)。遮护件包括长度方向，射流入口(22)和喷嘴出口(24)沿所述长度方向间隔开。遮护件(2)包括在射流入口处的凸缘(26)，该凸缘(26)在射流入口(22)的边缘(23)处附连到侧壁(21a)并且围绕射流入口(22)。射流入口包括直径(d2)。喷嘴出口包括直径(d6)。遮护件包括锥形部分(21a)，所述锥形部分(21a)设置成与射流入口相距等于遮护件的长度方向的长度的至多50％的距离内。锥形部分(21a)使遮护件从射流入口朝向喷嘴出口变窄，由此喷嘴出口直径(d6)小于射流入口直径(d2)。射流入口直径(d2)大于射流出口直径(d3)，从而实现了在详细描述中描述的有利结果。喷嘴出口包括平坦边缘(25)、即喷嘴出口的边缘基本上位于平面中。优选地，该平面基本上垂直于长度方向。
适配器(3)包括保持壁(31)，所述保持壁(31)包括圆形开口(32)，所述圆形开口包括直径(d3)，所述直径(d3)基本上等于或稍微大于射流入口直径(d2)与侧壁(21a)厚度的两倍相加后的值。因此，开口(32)包括构造成用于保持遮护件(2)的凸缘(26)且特别地用于将凸缘(26)压靠到等离子射流发生器(1)的端壁(13)上的尺寸和形状。保持壁包括基本上等于外端直径(d5)的直径(d4)。该适配器还包括两个弯曲的侧壁部分(33)以及两个臂(34)，所述侧壁部分(33)用于定位在等离子射流发生器的外端的侧壁(14)上，所述臂(34)包括用于将适配器附连到等离子射流发生器的附连装置(35)，从而将凸缘(26)压靠在端壁(13)上，而同时保持射流出口(12)和射流入口(22)连通地联接。附连装置可以包括用于附连弹性的张紧机构的孔。
示例2：装置
图1b中示出了根据本发明的装置的第二实施方式的至少一部分。该装置包括大气压等离子射流发生器(1’)、以及具有适配器(3’)和遮护件(2’)的喷嘴。
等离子射流发生器(1’)包括主体(11’)，该主体包括立方体外端。长方体外端包括侧壁(14’)和基本上垂直于侧壁的端壁(13’)，并且其中设置有射流出口(12’)。立方体外端包括高度(h5)和宽度(l5)。射流出口(12’)包括高度(h1)和宽度(l1)。等离子射流发生器(1’)包括在射流出口(12’)中限定如下三个隔室的两个内壁：用于提供涂层前体的内隔室、以及用于提供等离子射流和/或余辉的两个外隔室。等离子射流发生器可示例性地根据EP1844635B1的权利要求9至15和说明书的相应部分进行构建。
遮护件(2’)包括射流入口(22’)、喷嘴出口(24’)和从射流入口(22’)延伸至喷嘴出口(24’)的侧壁(21’)。所述遮护件包括长度方向，射流入口(22’)和喷嘴出口(24’)沿所述长度方向间隔开。侧壁包括基本上垂直于长度方向的均匀的矩形横截面。遮护件(2’)包括在射流入口处的凸缘(26’)，该凸缘(26’)在射流入口(22’)的边缘(23’)处附连到侧壁(21’)并且围绕射流入口(22’)。射流入口和喷嘴出口包括高度(h2)和宽度(l2)。喷嘴出口(24’)包括平坦边缘(25’)、即喷嘴出口的边缘基本上位于平面中。优选地，该平面基本上垂直于长度方向。
适配器(3’)包括保持壁(31’)，所述保持壁包括矩形开口(32’)，所述矩形开口包括高度(h3)和宽度(l3)，所述高度和宽度基本上分别等于或稍微大于射流入口高度(h2)和宽度(l2)加上侧壁(21’)厚度的两倍。因此，开口(32’)包括构造成用于保持遮护件(2’)的凸缘(26’)且特别地用于将凸缘(26’)压靠到等离子射流发生器(1’)的端壁(13’)上的尺寸和形状。保持壁包括高度(h4)和宽度(l4)，所述高度(h4)和宽度(l4)分别基本上等于外端的高度(h5)和宽度(l5)。该适配器还包括两个侧壁部分(33’)和两个臂(34’)，所述侧壁部分(33’)用于定位在等离子射流发生器的外端的侧壁(14’)上，所述臂(34’)包括用于将适配器附连到等离子射流发生器的附连装置(35’)，从而将凸缘(26’)压靠在端壁(13’)上，而同时保持射流出口(12’)和射流入口(22’)连通地联接。附连装置可以包括用于附连弹性的张紧机构的孔。
示例3：遮护件形状
在该示例中，参考图2a、图2b、图2c和图2d。在该示例中公开的具体特征可以涉及以上示例1和示例2的遮护件。遮护件包括射流入口(22”、22”’)和喷嘴出口(24”、24”’)。此外，遮护件包括长度方向，射流入口和喷嘴出口沿该长度方向在空间上分离。该遮护件还包括从射流入口延伸至喷嘴出口的侧壁(21a”、21b”、21”’)。该遮护件包括沿长度方向的长度、即射流入口和喷嘴出口间隔开的距离。射流入口包括基本上垂直于长度方向的基本上平坦边缘(23”)。该遮护件还包括位于射流入口处且附连到侧壁的凸缘(26”、26”’)，该凸缘围绕射流入口。遮护件的侧壁可以包括垂直于长度方向的均匀横截面(图2c和图2d)。遮护件的侧壁可以替代地包括锥形部分(21a”)和具有垂直于长度方向的均匀横截面的部分(21b”)。遮护件的侧壁可以包括垂直于长度方向的横截面，该横截面是圆形(图2a和图2b)、椭圆形、矩形(图2c和图2d)、正方形、三角形、五边形、六边形、菱形、八边形、星形、十字形等。优选地，遮护件的侧壁包括垂直于长度方向的横截面，该横截面包括适于射流出口的形状，并且还包括大于射流出口的相应尺寸的一个或多个尺寸。最优选地，所述形状是圆形或矩形。遮护件还包括在喷嘴出口(24”、24”’)处的喷嘴出口边缘(25”、25”’)。喷嘴出口边缘可以是平坦的(图2a和图2b)。喷嘴出口边缘可以位于垂直于长度方向的平面内。喷嘴出口边缘也可以是非平坦的(图2c和图2d)。因此，喷嘴出口边缘可以包括两个部分，这两个部分距凸缘的距离不同。因此，喷嘴出口边缘可以包括在长度方向上具有曲率的部分。
示例4：附加遮护件特征
参照图3，遮护件可以包括至少一个、优选地至少两个前体入口(27)。前体入口优选地通过侧壁与遮护件连通地联接，更优选地与射流入口相距遮护件长度的至多50％的距离内。前体入口可以通过侧壁的锥形部分(21a)(图3)、或替代地通过侧壁的直线部分(即，平行于长度方向的部分)联接。
参考图3及图4，为了突出前体入口(27、27””)及/或包括从射流入口(22””)朝向喷嘴出口(24””)加宽的锥形部分(21””)的遮蔽件，所述适配器可包括铰链(36”)及锁定机构(37”)，用于实现围绕遮蔽件的凸缘(26”)，以便通过适配器的保持壁(31”)抵靠等离子射流发生器的端壁按压凸缘(26””)。
在图5a、图5b和图6中，分别示出了根据本发明的遮护件的实施方式的沿长度方向的图、垂直于长度方向的侧视图和另一个垂直于长度方向的侧视图。遮护件的侧壁包括用于冷却流体通过的通道。通道包括入口(29a)、出口(29c)和在侧壁内从通道入口(29a)延伸至通道出口(29c)的螺旋部分(29b)。通道可以设置在相对射流入口的距离等于遮护件长度的至多50％的范围内(图5a和图5b)。通道可以替代地和优选地设置在相对喷嘴出口的距离等于遮护件长度的至多50％的范围内(图6)。该遮护件还包括多层的多个流动扰动元件(28)。所述层在长度方向上间隔开。每个元件可包括与长度方向成至少20°和至多70°、优选地至少30°和至多60°角度的表面，从而构造成基本上使流动方向转向，使得能够在遮护件内混合等离子体和/或余辉和/或气体的组分。多个层可以设置在相对喷嘴出口的距离等于遮护件长度的至多50％的范围内(图5a和图5b)。多个层可以替代地且优选地设置在射流入口相距等于遮护件的长度的至多50％的距离内(图6)。因此，冷却机构和均质化装置可以设置在遮护件的相同部分中、或遮护件的不同部分中。
示例5：粉末涂层
图7示出了根据本发明的具有遮护件的装置的剖视图，该装置特别优选地用于粉末的等离子涂覆。
可以在引导系统(40)的入口处以预定流量提供惰性气体。粉末(41)可以例如通过文丘里喷射器(42)(Venturi injector)来添加。随后将所得粉末束引导至具有第一等离子射流发生器(45a)和第二等离子射流发生器(45b)的涂覆装置(44)，向所述涂覆装置提供惰性气体和包含前体的气溶胶(46a、46b)。遮护件(47)通过两个适配器(48a、48b)能拆卸地附连到两个等离子射流发生器(45a、45b)的射流出口，从而使遮护件的射流入口(49a、49b)与等离子射流发生器的射流出口连通。粉末束从与粉末束周向地一致的物体入口边缘通过等离子体沿纵向方向(50)流动，并且持续暴露于等离子体一定长度(51)，从而允许涂覆单独的粉末颗粒。该束通过与粉末束周向地一致的物体出口边缘离开遮护件，然后被收集在例如旋流器的收集器系统(52)中，以从惰性气体(53)中提取涂覆粉末(54)。涂覆粉末可以返回到入口(40)以用于进一步的涂覆循环。
示例6：纤维涂覆
图8示出了根据本发明的具有遮护件的装置的剖视图，该装置特别优选地用于光纤的等离子涂覆。
该设置与示例5类似。将纤维(55)拉过具有第一等离子射流发生器(45a)和第二等离子射流发生器(45b)的涂覆装置(44)，向所述涂覆装置提供惰性气体和包含前体的气溶胶(46a、46b)。遮护件(47)通过两个适配器(48a、48b)能拆卸地附连到两个等离子射流发生器(45a、45b)的射流出口，从而使遮护件的射流入口(49a、49b)与等离子射流发生器的射流出口连通。纤维从与纤维周向地一致的物体入口边缘(57)沿纵向方向(56)穿过等离子体，并且持续暴露于等离子体一定长度(51)。纤维通过与纤维周向地一致的物体出口边缘(58)离开遮护件。涂覆粉末可以返回到入口(57)以用于进一步的涂覆循环。
示例7：旋转涂覆
图9示出了根据本发明的遮护件的立体图，该遮护件的边缘被特别地制造成与轴向对称物体一致。
遮护件(60)特别地被制造为对包括径向轮廓(62)的轴对称物体(61)进行处理。因此，遮护件(60)包括射流入口(63)和喷嘴出口，所述喷嘴出口包括与径向轮廓(62)一致的边缘(64)。在使物体的表面经受等离子体期间，物体围绕其中心轴线(66)旋转(65)。该遮护件可以具有靠近射流入口的凸缘，以便容易地和能拆卸地附连到等离子射流发生器的射流出口，例如，如先前的示例中所示或如图1A至图5B中更清楚地示出的。注意，在图9中，物体的表面可以稍微插入边缘(64)中，以使物体与遮护件之间的间隙最小化。

Claims (27)

1.一种用于对包括物体轮廓的物体进行等离子涂覆的方法，包括以下步骤：
a.制造能更换的遮护件(2)，所述遮护件(2)包括射流入口(22)、喷嘴出口(24)和从所述射流入口延伸至所述喷嘴出口的侧壁(21)，其中，所述喷嘴出口包括与所述物体轮廓的至少一部分基本上一致的边缘(25)；
b.将能更换的所述遮护件能拆卸地附连到等离子射流发生器的射流出口；
c.将所述物体放置在所述喷嘴出口处，使得所述物体轮廓紧密地配合所述喷嘴出口边缘，从而使所述喷嘴出口与所述物体之间的间隙最小化；
d.通过经由所述等离子射流发生器在所述遮护件中提供等离子射流，并在所述遮护件中的所述等离子射流中喷射涂层前体，由此产生操作压力，所述操作压力高于大气压力、优选地至多高10％，在所述操作压力下利用低温无氧等离子体对所述物体进行涂覆，
从而在氧耗尽的等离子体区中对所述物体进行等离子涂覆。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤d中，在低于120℃、优选地低于70℃的温度下涂覆所述等离子体。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述遮护件通过适配器(3)能拆卸地附连到所述射流出口，所述适配器构造成用于将所述遮护件能拆卸地附连到所述等离子射流发生器上，并且其中将所述等离子射流发生器的所述射流出口与所述遮护件的所述射流入口连通地联接。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，为了对多种类型的物体进行等离子涂敷，每种类型的物体包括不同的物体轮廓，其中，对每种类型的物体执行步骤a，由此制造多个能更换的遮护件，每个遮护件包括喷嘴出口，所述喷嘴出口具有与相应物体的至少部分物体轮廓基本上一致的喷嘴出口边缘。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述遮护件的所述侧壁包括至少一个前体入口(27)，并且其中，所述涂层前体通过所述至少一个前体入口被注入到所述遮护件的所述等离子射流中。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，步骤d包括以下步骤：
e.使所述物体的表面和所述喷嘴出口相对地移动，以在所述表面上沉积涂层。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在使所述物体的表面和所述喷嘴出口相对地移动以在所述表面上沉积涂层的步骤e期间，所述边缘被保持为与基材的所述表面相距至少0.1mm且至多5mm、优选地至少0.2mm且至多2mm、更优选地至少0.5mm且至多1mm的距离处，并且由此在所述表面上沉积涂层。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述物体轮廓沿纵向方向基本上相同，并且所述相对运动包括沿所述纵向方向的相对平移。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述边缘是与所述物体轮廓周向地一致的第一边缘，并且其中，所述遮护件包括第二边缘，所述第二边缘是与所述物体轮廓周向地一致的物体入口边缘，并且其中，所述相对运动包括所述物体在纵向方向上从所述物体入口边缘通过所述遮护件内的处理腔室到所述第一边缘的运动。
10.如权利要求6至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述物体轮廓围绕中心轴线基本上轴对称，并且所述相对运动包括围绕所述中心轴线的相对旋转。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，
-所述物体是具有包括在纵向方向上相同的基本上圆形的横截面的轮廓的纤维，优选地由此使用如权利要求9所述的方法，其中，所述第一边缘和所述第二边缘包括具有与所述纤维的横截面一致的直径的圆形开口，从而允许所述纤维通过所述第一边缘和所述第二边缘的所述开口；或者
-所述物体是沿纵向方向吹制的粉末，从而形成具有包括基本上圆形横截面的轮廓的粉末束，所述横截面具有沿纵向方向相同或沿纵向方向变化的直径，优选地由此使用如权利要求9所述的方法，其中，所述第一边缘和所述第二边缘包括相应的圆形开口，所述圆形开口具有分别与所述粉末束在所述第一边缘和所述第二边缘的位置处的横截面一致的相应直径，从而允许所述粉末通过所述第一边缘和所述第二边缘的所述开口。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述遮护件使用3D打印技术制造。
13.一种用于执行如权利要求1至12中任一项所述的方法的套件，包括多个能更换的遮护件(2)，每个所述遮护件包括射流入口(22)、喷嘴出口(24)和从所述射流入口延伸至所述喷嘴出口的侧壁(21)，其中，每个所述遮护件的所述喷嘴出口包括与物体的物体轮廓的至少一部分基本上一致的喷嘴出口边缘，优选地，每个所述遮护件包括喷嘴出口，所述喷嘴出口的喷嘴出口边缘与物体轮廓的相应部分或与多种类型的物体的相应物体轮廓的至少一部分基本上一致。
14.如权利要求13所述的套件，其特征在于，包括适配器(3)，所述适配器构造成用于将所述遮护件中的至少一个、优选地所述遮护件中的每一个能拆卸地附连到等离子射流发生器上，并且由此将所述等离子射流发生器的射流出口和附连到所述等离子射流发生器的遮护件的射流入口连通地联接。
15.如权利要求13或14所述的套件，其特征在于，包括等离子射流发生器，多个所述遮护件中的每一个能够附连到所述等离子射流发生器。
16.一种用于通过大气压等离子射流来沉积涂层的装置，所述装置包括：
等离子射流发生器(1)，所述等离子射流发生器包括射流出口(12)；以及
喷嘴，所述喷嘴包括适配器(3)和能更换的遮护件(2)，所述遮护件包括射流入口(22)、喷嘴出口(24)和从所述射流入口延伸至所述喷嘴出口的侧壁(21)，
其中，所述适配器构造成用于将所述遮护件能拆卸地附连到所述等离子射流发生器上，并且由此将所述射流出口和所述射流入口连通地联接。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述遮护件在所述射流入口(22)处包括附连到所述侧壁(21)的凸缘(26)，并且其中，所述适配器包括保持壁(31)，所述保持壁包括具有适于保持所述凸缘的尺寸和形状的开口(32)。
18.如权利要求16或17中任一项所述的装置，其特征在于，所述遮护件是整体式的。
19.如权利要求16至18中任一项所述的装置，其特征在于，所述遮护件包括绝缘材料。
20.如权利要求16至19中任一项所述的装置，其特征在于，所述遮护件包括聚合物材料，并且优选地由聚合物材料制成。
21.如权利要求16至20中任一项所述的装置，其特征在于，所述遮护件的所述喷嘴出口包括非平坦边缘(25”’)。
22.如权利要求16至21中任一项所述的装置，其特征在于，所述射流出口(24)包括开口，并且其中，所述射流入口(22)包括比所述射流出口的所述开口大的开口。
23.如权利要求16至22中任一项所述的装置，其特征在于，所述侧壁包括锥形部分(21a)。
24.如权利要求16至23中任一项所述的装置，其特征在于，所述遮护件的所述侧壁包括至少一个前体入口(27)。
25.如权利要求16至24中任一项所述的装置，其特征在于，所述喷嘴包括均质化装置(28)，优选地，所述遮护件的包括流动扰动元件。
26.如权利要求16至25中任一项所述的装置，其特征在于，所述喷嘴适于冷却(29a、29b、29c)，优选地，所述遮护件的所述侧壁包括用于冷却流体通过的通道。
27.如权利要求16至26中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于连续基材的平坦或非平坦表面的在线处理的输送装置，其中，所述遮护件的所述喷嘴出口(24)包括边缘(25)，并且其中，所述装置构造成用于将所述边缘保持在与所述基材的所述表面相距至少0.1mm且至多5mm、优选地至少0.2mm且至多2mm、更优选地至少0.5mm且至多1mm的距离处。
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