CN114231884B - 一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料表面处理技术领域，具体涉及一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法。包括如下步骤：S1，使用指向待喷涂零件表面的等离子加速器，所述等离子加速器产生等离子流，并垂直于所述等离子流提供激光辐射；S2，通过激光辐射聚焦蒸发靶材生成蒸气；S3，将步骤S2中生成的蒸气，通过间接等离子体射流沉积到被喷涂零件表面上，最终形成薄膜涂层。本发明具有能够通过激光蒸发涂覆涂层，然后通过等离子体雾化靶材蒸气颗粒并进行沉积，为涂覆均匀的薄膜涂层（从10nm到100μm）提供可能性的特点。
Description
技术领域
本发明属于材料表面处理技术领域，具体涉及一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法。
背景技术
已有在工作部件上涂覆耐磨涂层的专利（专利RU№2494172:一种耐磨涂层工艺，作者:阿卜杜林（AbdullinI.Sh.），瓦西里耶夫（VasilievI.I.），加蒂娜（Gatina）E.B.等等，KazanNationalResearchTechnologicalUniversity；МПКC23C14/06,МПКC23C14/24;07.08.2012.）：可用于金属加工、医疗器械、工具和维修行业中以获得工具涂层。涂层通过真空离子-等离子体方法使用至少两个电弧蒸发器进行涂覆，其中一个包含铪或锆阴极，另一个是钛阴极。涂层在一个腔室内沉积，其中介质是氧气含量为1-3wt％的氮-氧混合气体，压力为0.07-0.45Pa。该专利方法可使涂层的硬度和耐磨性增加，进而提高工具性能，但是缺点在于需要使用成本高且难以维护的真空室或具有可控气氛的腔室，此外，每处理一批新的工件，均需要抽真空并充入可控气体，需要消耗大量时间。另外，有限的腔室尺寸限制了在腔室中处理的零件尺寸。
为了消除上述缺点，可以使用激光烧蚀方法[专利号RU2316612：通过激光烧蚀生产薄膜涂层的方法，作者：KamenevA.A.、MaslovI.A.、MordkovichV.Z.、联合研发中心有限责任公司（俄罗斯）；IPC7：C23C14/28；10.02.2008.]。根据该方法，通过激光辐射靶材表面并形成指向待沉积基材的粒子束来获得涂层。靶材至少沿着两个坐标轴与激光辐射的焦点相对移动，其中一个坐标轴与辐射方向重合。靶材沿与辐射方向重合的轴距焦点的位移为1至5毫米，沿垂直于第一轴的第二轴的位移不超过1毫米。结果表明，材料的沉积速率增加，并且为大表面积上制备薄膜提供了可能性，但是缺点在于激光辐射的焦点靠近被喷涂零件，会导致有害的反射或漫散射辐射到零件上，从而导致零件过热并损坏所沉积的涂层。
现有技术中，还有激光等离子镀膜方法（专利RU№2449048：涂层的激光等离子喷涂工艺，作者:ChashchinE.A.，ShilovI.V.，MitrofanovA.A.等等,GOUVPO"KovrovStateTechnologicalAcademynamedafterV.A.Degtyareva"(RU)；МПК7:C23C4/12;27.09.2015）。激光等离子镀膜方法涉及热喷涂领域，即激光等离子喷涂，可用于特种机械、航空、火箭、能源等领域机械零件的加工。原理如下：等离子发生器产生指向被喷涂表面的等离子束，将喷涂粉末送入其中，然后在等离子发生器喷嘴的出口处，垂直于等离子束的方向提供调制激光辐射，将其聚焦在等离子流束与激光辐射源相对的一侧。在送粉之前，以不小于发生光学击穿阈值的强度提供激光辐射。该专利技术提高了涂层与基材的结合强度，但缺点是需要使用CO2激光辐射以改善发生光学击穿的条件，而且激光辐射引起的光学击穿对喷涂粉末颗粒的处理不完全。上述缺陷可能是由于光学击穿的尺寸小于粉末颗粒的流束宽度，并且由于粉末颗粒通过光学击穿的速度很高而产生的。
因此，设计一种能够通过激光蒸发涂覆涂层，然后通过等离子体雾化靶材蒸气颗粒并进行沉积，为涂覆均匀的薄膜涂层（从10nm到100μm）提供可能性的一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法，就显得十分必要。在该镀膜方法下，可以使用任何具有足够功率的工艺激光器来辐射。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中，现有的激光镀膜技术存在成本高，时间消耗长，激光辐射的焦点靠近被喷涂零件，导致零件过热并损坏涂层以及激光辐射引起的光学击穿对喷涂粉末颗粒的处理不完全的问题，提供了一种能够通过激光蒸发涂覆涂层，然后通过等离子体雾化靶材蒸气颗粒并进行沉积，为涂覆均匀的薄膜涂层提供可能性的一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法，包括如下步骤：
S1，使用指向待喷涂零件表面的等离子加速器，所述等离子加速器产生等离子流，并垂直于所述等离子流提供激光辐射；
S2，通过激光辐射聚焦蒸发靶材生成蒸气；
S3，将步骤S2中生成的蒸气，通过间接等离子体射流沉积到被喷涂零件表面上，最终形成薄膜涂层。
作为优选，所述激光辐射功率为1.0kW-3.0kW；所述靶材位于等离子流的流动轴线下方1mm-10mm处；所述等离子流的流动轴线与激光辐射的轴线相交，且从等离子加速器的边缘到激光辐射通过等离子流的点之间的距离为5mm-50mm。
作为优选，所述靶材相对于作用在其上的激光辐射，以100m/h-300m/h的速度进行移动。
作为优选，所述间接等离子体射流为层流，由流量为10L/h-100L/h的一种或多种混合气体形成；所述间接等离子体射流传输直径为2mm-20mm，功率为0.5kW-1.5kW。
作为优选，当使用CO2激光辐射时，使用氦气，氦气-氩气混合物或氩气-氢气混合物作为等离子体形成气体，所述氦气-氩气混合物中的氩气含量最高为50％，所述氩气-氢气混合物中的氢含量最高为30％；当使用光纤激光或碟片激光或Nd：YAG激光器辐射时，使用氩气或氩-氢混合气体作为等离子体形成气体。
作为优选，所述激光辐射与指向喷涂零件表面的等离子流的流动轴线呈60°-120°夹角，且所述等离子流与被喷涂零件表面的夹角在60°-120°范围内。
作为优选，所述靶材采用粒度在0μm-300μm的金属粉末或粒度在0μm-30μm的金属氧化物或表面粗糙度在10μm-25μm的致密材料。
作为优选，所述靶材采用由粒度在0μm-30μm的金属和陶瓷粉末以1：2至2：1的比例混合压制而成的金属陶瓷板。
本发明与现有技术相比，有益效果是：（1）本发明能够通过激光蒸涂覆涂层，然后通过等离子体雾化靶材蒸气颗粒并进行沉积，为涂覆均匀的薄膜涂层（从10nm到100μm）提供可能性；（2）本发明能够使用任何具有足够功率的工艺激光器来进行辐射，适用范围广。
附图说明
图1为本发明一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法的原理示意图；
图2为采用本发明一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法在碳钢样品上沉积Al2O3陶瓷粉末后的实际效果图；
图3为采用本发明一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法在碳钢样品上进行工业纯镍沉积后的实际效果图；
图4为采用本发明一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法在碳钢样品上进行工业纯镍沉积后的部分表面微观结组织结构示意图；
图5为图3对应的镍含量（wt％）与镍在钢表面上沉积时间的曲线关系图。
图中：激光辐射1、等离子加速器2、靶材3、可移动平台4、被喷涂零件5、蒸气6、间接等离子体射流7。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
本发明提供了一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法，包括如下步骤：
S1，使用指向待喷涂零件表面的等离子加速器，所述等离子加速器产生等离子流，并垂直于所述等离子流提供激光辐射；
S2，通过激光辐射聚焦蒸发靶材生成蒸气；
S3，将步骤S2中生成的蒸气，通过间接等离子体射流沉积到被喷涂零件表面上，最终形成薄膜涂层。
具体的，如图1所示，图1表示激光蒸发后进行等离子沉积的原理。激光辐射1通过等离子加速器2产生的等离子流聚焦到由待喷涂金属制成的靶材3的表面上。将靶材放置在可移动平台4上以确保其具有连续的运动、稳定的蒸发过程并防止靶材表面局部过热产生大量液相。靶材的蒸气6进入间接等离子体射流7，并沉积在被喷涂零件5的表面上。被喷涂零件的表面可以是平面、圆柱形或其他任意形状，也可以移动或静止。
进一步的，所述激光辐射功率为1.0kW-3.0kW；所述靶材位于等离子流的流动轴线下方1mm-10mm处；所述等离子流的流动轴线与激光辐射的轴线相交，且从等离子加速器的边缘到激光辐射通过等离子流的点之间的距离为5mm-50mm。使用功率为1.0kW-3.0kW的光纤激光器和功率为0.5kW-1.5kW的间接层流等离子体进行了类似的实验。他们体现出相似的结果。由此发现，在本发明提出的方法中可以使用任何具有足够功率的工业激光器。
进一步的，所述靶材相对于作用在所述靶材上的激光辐射，以100m/h-300m/h的速度进行移动。通过实验确定，为了消除落在喷涂表面上的液滴飞溅，必须以100m/h-300m/h的速度移动靶材，同时将激光辐射功率从1.0kW增加到3.0kW。
进一步的，所述间接等离子体射流为层流，由流量为10L/h-100L/h的一种或多种混合气体形成；所述间接等离子体射流传输直径为2mm-20mm，功率为0.5kW-1.5kW。
进一步的，当使用CO2激光辐射时，使用氦气，氦气-氩气混合物或氩气-氢气混合物作为等离子体形成气体，所述氦气-氩气混合物中的氩气含量最高为50％，所述氩气-氢气混合物中的氢含量最高为30％；当使用光纤激光或碟片激光或Nd：YAG激光器辐射时，使用氩气或氩-氢混合气体作为等离子体形成气体。
进一步的，所述激光辐射与指向喷涂零件表面的等离子流的流动轴线呈60°-120°夹角，且所述等离子流与被喷涂零件表面的夹角在60°-120°范围内；
进一步的，所述靶材采用粒度在0μm-300μm的金属粉末或粒度在0μm-30μm的金属氧化物或表面粗糙度在10μm-25μm的致密材料。为了提高表面蒸发时对激光辐射的吸收率，可以加粗表面粗糙度Ra为10μm-25µm，在减小粉末的粒度的同时还能继续增加吸收率，并能提高工艺效率。
进一步的，所述靶材采用由粒度在0μm-30μm的金属和陶瓷粉末以1：2至2：1的比例混合压制而成的金属陶瓷板。
根据对激光等离子体沉积过程的研究结果，发现在激光功率密度Wp≤105W/cm2的情况下（尺寸为4-6×6-8mm的椭圆）持续13-15分钟，可在等离子体喷涂点对应的面积上沉积厚度约为10μm-15μm的涂层。整个过程非常稳定，并且可以在不使用真空室或受控气氛的情况下，在保护性气体（氩气）中沉积陶瓷和金属材料。
为了测试本发明一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法的有效性，创建了一个试验工作台。激光辐射被物镜聚焦，使激光辐射穿过在钨极和外部阳极之间的间接等离子加速器中形成的等离子弧。激光辐射的焦点位于平台上的可移动靶材的表面上。沿着等离子流的防线距离等离子加速器约150mm处放置可移动的被喷涂样品。在功率为1.0kW-3.0kW的激光辐射中，靶材蒸发后变成蒸气。所述蒸气进入功率为0.5kW-1.5kW的等离子流，被等离子流捕获并沉积在被喷涂样品的表面。
在上述试验台上，将Al2O3陶瓷沉积在碳钢样品上，为此，使用Al2O3粉末作为靶材。另外，在同一试验台上，在碳钢样品上进行了工业纯镍的沉积，为此，将镍棒用作目标材料，最终获得了如图3所示的涂层。在移动靶材的情况下喷涂陶瓷涂层时，观察到稳定的Al2O3粉末蒸发，并在样品上均匀沉积，如图2（a）所示。在靶材没有运动的情况下，观察到Al2O3粉末的蒸发并形成液相，在一段时间之后，小液滴开始溅出，等离子束将其喷涂到试样表面，如图图2（b）所示。
对于工业纯镍，需通过功率为2.0kW的CO2激光聚焦辐射蒸发到1.3kW的层状氩等离子束中（电流43A，电压30V）。等离子体形成气体（氩气）的流量为80L/h。保护等离子体的氩气的流量为240L/h。图3（a）、图3（b）和图4展示了采用本发明一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法的结果实例。图3（a）展示的样品暴露时间为5-8分钟，喷涂厚度为5-7μm；图3（b）展示的样品暴露时间为13-15分钟，涂层厚度为10-15μm。图4显示了在喷涂过程开始后5分钟（图4（a））和8分钟（图4（b）），在钢表面沉积镍的一部分表面微观结组织（放大倍数×300）。
另外，通过更详细的研究，绘制了镍含量（wt％）与镍在钢表面上沉积时间的曲线关系图，具体如图5所示。
本发明能够通过激光蒸发涂覆涂层，然后通过等离子体雾化靶材蒸气颗粒并进行沉积，为涂覆均匀的薄膜涂层（从10nm到100μm）提供可能性；本发明能够使用任何具有足够功率的工艺激光器来进行辐射，适用范围广。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，使用指向待喷涂零件表面的等离子加速器，所述等离子加速器产生等离子体射流，并与所述等离子体射流的流动轴线呈60°-120°夹角提供激光辐射；
S2，通过激光辐射聚焦蒸发靶材生成蒸气；
S3，将步骤S2中生成的蒸气，通过等离子体射流沉积到待喷涂零件表面上，最终形成薄膜涂层；
其中，步骤S1中，所述等离子体射流与待喷涂零件表面的夹角在60°-120°范围内；
步骤S3中，所述等离子体射流为层流，由流量为10L/h-100L/h的一种或多种混合气体形成；所述等离子体射流传输直径为2mm-20mm，功率为0.5kW-1.5kW；靶材的蒸气进入等离子体射流，并沉积在待喷涂零件表面上。
2.根据权利要求1所述的一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法，其特征在于，所述激光辐射功率为1.0kW-3.0kW；所述靶材位于等离子体射流的流动轴线下方1mm-10mm处；所述等离子体射流的流动轴线与激光辐射的轴线相交，且从等离子加速器的边缘到激光辐射通过等离子体射流的点之间的距离为5mm-50mm。
3.根据权利要求1所述的一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法，其特征在于，所述靶材相对于作用在其上的激光辐射，以100m/h-300m/h的速度进行移动。
4.根据权利要求1所述的一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法，其特征在于，当使用CO2激光辐射时，使用氦气，氦气-氩气混合物或氩气-氢气混合物作为等离子体形成气体，所述氦气-氩气混合物中的氩气含量最高为50％，所述氩气-氢气混合物中的氢含量最高为30％；当使用光纤激光或碟片激光或Nd：YAG激光器辐射时，使用氩气或氩-氢混合气体作为等离子体形成气体。
5.根据权利要求1所述的一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法，其特征在于，所述靶材采用粒度在0μm-300μm的金属粉末或粒度在0μm-30μm的金属氧化物或表面粗糙度在10μm-25μm的致密材料。
6.根据权利要求1所述的一种激光蒸发后进行等离子沉积的镀膜方法，其特征在于，所述靶材采用由粒度在0μm-30μm的金属和陶瓷粉末以1：2至2：1的比例混合压制而成的金属陶瓷板。
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