PL177873B1 - Sposób obróbki powierzchni podłoża - Google Patents

Abstract

1 . S p o s ó b obróbki powierzchni podloza pole- gajacy na nakladaniu na nim powloki przy uzyciu energii laserow ej przez kierowanie co najmniej jed- n ej wiazki laserow ej z odpowiednio co najmniej jed- n e g o lasera n a te powierzchnie, znamienny tyra, ze wybiera s ie podloze zawierajace w swoim skladzie wegiel jako pierwiastek skladowy z grupy m ate- rialów obejm ujacych stale, stale nierdzewne oraz wegliki spiekane i aktywuje sie wybrana ilosc pie- rwiastka skladow ego w postaci wegla poprzez kie- rowanie energii wiazki laserowej co najmniej jednego lasera n a powierzchnie podloza oraz po- woduje s ie przemieszczanie tego pierwiastka skladow ego w p ostaci wegla w kierunku powierzch- ni podloza, n astep n ie odparowuje sie odpowiednio wybrana ilosc uruchom ionego pierwiastka sklado- wego w postaci wegla z podloza, p o czym powoduje s ie przereagowanie odparow anego wegla przez uzy- cie energii wiazki laserowej co najmniej dwóch la- serów i formuje s ie w ten s p o s ó b z teg o odparow anego pierwiastka skladow ego w p o sta ci wegla diament lub diam entopodobny material we- glowy na powierzchni podloza. ( 1 2 ) OPIS PATENTOWY (13)B1 P L 1 7 7 8 S 7 3 B1 Fig. 7 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest sposób obróbki powierzchni podłoża, w szczególności podłoża metalowego przy czym ta obróbka powierzchniowa polega na wytwarzaniu materiałów takich jak diament i węgiel diamentopodobny na powierzchni podłoża.

Przedmiot niniejszego wynalazku dotyczy w szczególności wytwarzania powłok takich jak diament, węgiel diamentopodobny (DLC), regularny azotek boru (CN), B₄C, SiC, TiC, Cr₂C₂, TiN, TiB₂, Si₃N4 i cCN na podłożach. W głównej części omówiono wytwarzanie powłok diamentowych na wkładce narzędzia skrawającego z węglika wolframu (podłoże), ale nie ogranicza się do nich.

Znany jest ze stanu techniki fakt, że pokrywanie podłoża, jak np. stosowanie powłoki diamentowej lub z węgla podobnego do diamentu (DLC) na podłożu, może polepszyć własności tego podłoża. Np. wkładka narzędzia skrawającego pokryta diamentem (lub DLC) na ogół pozwala na większą szybkość skrawania, szybkość podawania i głębokość skrawania, jak również powoduje się na ogół dłuższą żywotność narzędzia, wpływa na lepszą obróbkę metalu, i umożliwia suchą (bez smarowania) obróbkę detali. Narzędzia okrągłe, takie jak wiertła i frezy wykazują również podobne zalety po ich pokryciu diamentem (lub DLC).

Znanych jest szereg procesów chemicznego nakładania z fazy pary (CVD), stosowanych obecnie do nakładania powłok diamentowych. Na ogół procesy te polegają na dysocjacji gazów- prekursorów wodoru i metanu, które są następnie przeprowadzane ponad podgrzanym podłożem i osadzane na nim (np. przez strącanie). Na ogół procesy te zawierają zastosowanie plazmy, mikrofal, rozżarzonego włókna, wiązki jonów i wiązki elektronowej jako źródeł energii i zastosowanie mieszaniny 0,5% do 2% metanu i bilansowego wodoru jako źródła węgla (gaz prekursorowy). Na ogół te procesy, gdzie stosuje się jedną lub drugą formę CVD, są wewnętrznie ograniczone tym, że wymagają zastosowania komory próżniowej (przez co komplikuje się proces i ogranicza wielkość pokrywanego podłoża) i zawierają dużą ilość etapów sterowanego nagrzewania a następnie chłodzenia podłoża (przez co ograniczona jest ich skuteczność przy niektórych typach podłoży). Potrzeba nagrzewania podłoża w celu nałożenia powłok jest z wielu względów mało produktywna. Dostarczanie ciepła do całego podłoża (masowe nagrzewanie substratu) może powodować zniekształcenie podłoża i utratę zawartości węgla (obróbka cieplna), który poprzednio był obecny w podłożu. W metodzie CVD z rozżarzonym włóknem stosowane jest na przykład wolframowe lub tantalowe włókno do nagrzewania gazów-prekursorów do temperatury 2000°C. Temperatura podłoża wynosi 600-1100°C. Inną wadą procesów CVD jest to, że ich cykl czasowy na ogół wynosi kilka godzin, przy pokrywaniu ograniczonej liczby części. W tego rodzaju procesach szybkości nakładania są niskie, rzędu 1 - 10 pm na godzinę (przy zastosowaniu prekursorów wodoru i metanu). Inne procesy nakładania, podobne do CVD mają podobne ograniczenia.

W procesie cVd z łukiem plazmowym DC stosowany jest łuk DC (stałoprądowy) w celu dysocjacji gazów prekursora, co może dać większe objętości gazów i powodować większą szybkość prowadzenia procesu niż procesy opisane poprzednio.

W procesie CVD mikrofalowym (wspomagany plazmą mikrofalową) stosuje się mikrofale do wzbudzania gazów prekursora, uzyskując szybkości osadzania rzędu kilku

177 873 mikronów na godzinę. Powłoki nałożone przy zastosowaniu tej metody charakteryzują się dużą czystością.

Innym procesem pokrywania blisko związanym z CVD jest nakładanie z pary metodą fizyczną (PVD). W metodzie PVD target jest odparowywany w komorze próżniowej, w przeciwieństwie do wprowadzania gazu do komory próżniowej w przypadku metody CVD.

W procesach CVD i PVD (np. typu nakładania) istnieje potrzeba znacznego podniesienia temperatury podłoża (należy zauważyć, że wysokie temperatury nie są konieczne w PVD do wytworzenia powłok DLC).

Występuje też znaczny czas chłodzenia (2-5 godz.), podczas którego resztkowe prekursory (gaz lub odparowane materiały targetu) osadzają się, jak płatki śniegu, na pokrywanej powierzchni. Efektem tego jest uzyskanie powłoki o bardzo chropowatej powierzchni w porównaniu z powierzchnią pokrywaną wstępnie, która wymaga dalszej obróbki w celu uzyskania powierzchni o większej gładkości.

Ponadto podczas nakładania powłoki diamentowej (lub DLC), tworzy się powłoka amorficzna zawierająca węgiel o wiązaniach SP² lub węgiel o wiązaniach SP² i węgiel o wiązaniach SP³ o większej koncentracji wodoru.

Oba procesy CVD i PVD są ukierunkowane na nakładanie materiału na powierzchnię podłoża wiązanego wiązaniami molekularnymi i przystosowane są do pewnego kluczowania mechanicznego.

Powłoki PVD mają tendencję do porowatości. Powłoki CVD mają tendencję do nieco mniejszej porowatości niż powłoki PVD.

Zastosowanie obu znanych procesów CVD i PVD jest na ogół ograniczone do pokrywania płaskich powierzchni, lub prostych powierzchni okrągłych o nieskomplikowanej geometrii.

Wielkość podłoża, które może być pokryte jest ograniczona wielkością komory próżniowej, w której proces jest przeprowadzany, przy czym rozmiary średnicy podłoża są typowo mniejsze niż 20,32 cm (8).

Ponadto tak długo jak procesy wymienione odnoszą się głównie do mechanizmu typu strącania (tj. nakładania ogólnie kierunkowego), inna strona podłoża może wykazywać zacienienia albo powłokę nierówną.

Procesy CVD mogą wymagać także przygotowania podłoża przed pokryciem, w tym modyfikacji składu chemicznego podłoża, wprowadzania zarodków itp.

W opisie patentowym US 5 308 661 („FENG”); 5/94; 427/535, pod tytułem „Proces obróbki wstępnej do tworzenia warstwy diamentowej o gładkiej powierzchni na podłożu pokrytym węglem”, zawartym w niniejszym zgłoszeniu przez odniesienie, przedstawiono procesy CVD, i ujawniono stosowanie powłoki zawierającej węgiel na powierzchni podłoża, przy czym wymienione podłoże zawierające węgiel posiada koncentrację i grubość dostateczną do zapewnienia jednorodnej gęstości lub koncentracji atomów węgla w wynikowej powłoce na powierzchni podłoża wynoszącej przynajmniej 10 atomów/pm2. Podłoże pokryte węglem jest następnie wystawione na działanie plazmy mikrofalowej w komorze próżniowej w systemie nanoszenia z pary metodą chemiczną wzmacnianym plazmą mikrofalową (MECVD). Gazowy metan i wodór zostają wprowadzone do systemu. Po tych krokach obróbki wstępnej warstwa diamentowa jest krystalizowana na pokrywanym podłożu, przy zastosowaniu konwencjonalnego procesu, takiego jak MECVD przy wysokim ciśnieniu (bez obróbki wstępnej) i przy zmniejszonym przepływie metanu (stosunek metanu do wodoru 0,15% - 4,0% metanu, preferowane 0,5% -1,0%). Opisany sposób różni się od niniejszego wynalazku między innymi pod tym względem, że technika obróbki powierzchniowej według niniejszego wynalazku nie wymaga pierwszego pokrywania podłoża powłoką, zawierającą węgiel, technika przygotowania powierzchni według niniejszego wynalazku nie wymaga procesu CVD, i technika obróbki powierzchni według niniejszego wynalazku w sposób korzystny wykorzystuje energię wiązki laserowej do wytwarzania powłoki na podłożu. Znane techniki sugerują jednak, że

177 873 „konwencjonalna” (tj., akceptowana) metoda pokrywania diamentem na podłożu powinna stosować proces CVD.

Problem, który ogólnie istnieje podczas procesów pokrywania, a zwłaszcza w procesach CVD, pojawia się podczas tworzenia się powłoki diamentowej (lub DL) na podłożu z węglika wolframu. Węglik (ziarna węglika wolframu w spoiwie kobaltowym) długo był ustalonym rozwiązaniem przy stosowaniu narzędzi i wkładek skrawających, zwłaszcza do skrawania (obróbki) materiałów żelaznych, nieżelaznych lub ściernych takich jak aluminium i jego stopy, miedź, mosiądz, brąz, tworzywa sztuczne, ceramika, tytan, kompozyty wzmacniane włóknem i grafit. Stosuje się różne formy węglika do wytwarzania narzędzi i wkładek, takie jak skonsolidowany kobaltem węglik wolframu (WC/Co). Obecność kobaltu w podłożu powoduje istotne problemy przy próbie nałożenia powłoki diamentowej na wkładce narzędzia. Faza wiążącego kobaltu znajdowana w narzędziach węglikowych w sposób istotny „zatruwa” nukleacje diamentu i proces krystalizacji, powodując tworzenie się węgla grafitowego, a nie diamentu (lub DLC).

Ostatnio stało się znane stosowanie energii podawanej przez laser w połączeniu z formowaniem powłoki diamentowej lub warstwy na podłożu. Poniżej omówiono szereg metod stosujących energię lasera jako przykład takich technik. Są one włączone do niniejszego zgłoszenia jako odniesienie, w celu podania informacji o podstawie wynalazku.

W patencie US Nr 5 154 945 ujawniono dwie techniki nakładania cienkich warstw diamentowych na podłoże. W jednym z wykonań („BALDWIN-1”), nakładanie warstwy odbywa się z mieszaniny gazowego CH4 (metanu) i H₂ (wodoru), który jest wprowadzany do komory CVD i przepuszczany ponad powierzchnią podłoża w celu pokrywania, podczas gdy laser jest skierowany na powierzchnię tego podłoża. Wykonanie to na ogół wykazuje niedogodności z powodu wszystkich wewnętrznych ograniczeń konwencjonalnych i ograniczeń dotyczących procesów CVD. W innym przykładzie wykonania („BALDWIN-II”), czysty węgiel w postaci sadzy jest doprowadzany na pokrywaną powierzchnię i wiązka laserowa jest również skierowana na tę powierzchnię w atmosferze, która zapobiega spaleniu się węgla na CO₂. W tym wykonaniu („BALDWIN-II”) wiązka lasera gazowego CO2 jest skierowana prostopadle na pokrywaną powierzchnię. Ruch pomiędzy podłożem a wiązką lasera powoduje chwilowe nagrzewanie bardzo małego obszaru powierzchni podłoża przy minimalnym wkładzie energii, powodując równocześnie osadzanie diamentu na powierzchni podłoża praktycznie bez zakłóceń w podłożu.

Konwencjonalna zasada polegająca na nieoddziaływaniu na podłoże przy stosowaniu energii laserowej jest przytoczona także w innym opisie patentowym US Nr 5 573 788 pod tytułem „Wykonywanie cienkich warstw diamentowych i diamentopodobnych”, który ujawnia stosowanie lasera węglowodorowego do podłoża przy użyciu techniki Langmuira-Blodgetta, i naświetlanie powierzchni laserem w celu rozkładu warstwy molekuł na powierzchni bez oddziaływania na podłoże.

W opisie patentowym US Nr 4 981 717 pod tytułem „Powłoka diamentopodobna i sposób jej wytwarzania”, ujawniono sposób nakładania warstw diamentopodobnych z plazmy prekursora gazowego węglowodoru. Plazma jest wytwarzana przy użyciu impulsu laserowego, który jest zapalany w gazie i jest absorbowany przez „inicjator” zmieszany z gazem. Wynikowa detonacja wytwarza plazmę, składającą się z jonów, rodników, fragmentów molekuł i elektronów, która jest wydmuchiwana przez fale ciśnienia detonacji na podłoże i tam osadzana. Ta technika, i inne podobne do niej, jest analogiczna do deszczu (cząstki diamentu) padającego na staw (pokrywane podłoże), i ma tendencje do dawania powłoki, która nie przylega dobrze do podłoża i która wymaga dalszego wykańczania celem uzyskania wymaganego wykończenia powierzchni na pokrywanym podłożu.

W przytoczonym opisie omówione jest zastosowanie gazowych prekursorów węglowodorowych, np. metanu, etanu, propanu, etylenu, acetylenu lub podobnych gazowych węglowodorów i par. Gaz ten podlega krakingowi skutkiem intensywnego dostarczania ciepła tworząc różnorodność fragmentów o wysokiej energii jonów, rodników i elektronów swobodnych.

177 873

Kraking uzyskiwany jest przez poddanie węglowodoru działaniu intensywnych impulsów laserowych np. lasera C02 o impulsie 50 ns i mocy 1014 W/cm².

Omówiono ponadto zastosowanie inicjatora, który jest zmieszany z gazem lub parą węglowodoru. Inicjator jest to korzystnie związek silnie absorbujący przy długości fali stosowanego impulsu lasera. Długość fali wyjściowej dla lasera CO2 wynosi 10,6 pm, i fluorek siarki (SF₆) jest wysoce efektywnym inicjatorem do stosowania z tego rodzaju laserem, dając jony siarki i fluoru oraz rodniki podczas detonacji. Inicjator służy do akumulowania podawanej energii (impulsu laserowego) w bardzo małej objętości wyzwalając ją w sposób eksplozyjny, rozrywając węglowodór na wysoce reaktywne jony i rodniki i nadając wysoką energię kinetyczną utworzonym gazom. Powłoka będąca efektem tych detonacji posiada własności diamentu jak i węglofluorów.

Z opisu patentowego US Nr 4 948 629 pod tytułem „Nakładanie warstw diamentowych” znane jest nakładanie warstw diamentowych na podłożach poniżej temperatury 400°C, a korzystnie niższej niż 150°C przez chemiczne osadzanie pary przy zastosowaniu lasera impulsowego dużej mocy i pary, która jest alimfatycznym kwasem karboksylowym albo aromatycznym bezwodnikiem karboksylowym. Proces wymaga zastosowania lasera impulsowego dużej mocy, takiego jak laser ekscymerowy lub laser Nd:YAG. Preferowana długość fali lasera ekscymerowego wynosi 220 pm dla KrCl, 248 pm dla KrF, XeCl dla 308 pm i 351 pm dla XeF. Preferowane długości fal dla lasera Nd:YAG zawierają czwartą harmoniczną przy 266 nm i trzecią harmoniczną przy 355 nm.

W cytowanym opisie omówiono zastosowanie drugiego lasera o większej długości fali (<400 pm), np. druga harmoniczna lasera Nd:YAG przy długości fali 532 nm celem selektywnego usunięcia węgla sp2 i nałożenia warstwy diamentowej o większej czystości. Podany jest również przykład, w którym nakładanie diamentu zostało zapoczątkowane przez wiązkę laserową o długości 248 nm (laser ekscymerowy KrF) przez fotodysocjację prekursora organicznego (kwas malonowy lub piromelityczny dwubezwodnik z dodatkiem helu jako gazu buforowego), po czym następuje użycie wiązki laserowej o długości fali 532 nm (druga harmoniczna Nd:YAG) do fotoablacji wszelkich niediamentowych wtrąceń warstwy. Skutkiem zastosowania laserów do zintensyfikowania procesu CVD, przytoczona wyżej technika podlega wymienionym powyżej ograniczeniom (np. znacznemu zagrzewaniu wstępnemu podłoża, ograniczonym wielkościom podłoża), które są właściwe procesom CVD.

Z opisu patentowego US Nr 4 954 365 pod tytułem „Sposób wykonywania cienkiej warstwy diamentowej”, znane jest wykonywanie cienkiej warstwy diamentowej przez zanurzanie podłoża w cieczy, zawierającej węgiel i wodór, a następnie poddawanie podłoża co najmniej jednemu impulsowi lasera. Np., podłoże krzemowe jest zanurzone w metanolu w naczyniu wyposażonym w kwarcowe okienko, przez które może być przeprowadzone światło lasera. Impuls lasera ekscymerowego o długości fali 248 nm i czasie trwania około 20 ns jest przechwytywany przez podłoże krzemowe. Podłoże absorbuje światło lasera i nagrzewa się. Metanol w kontakcie z nagrzanym podłożem ulega pirolizie. Węgiel z metanolu poddanego pirolizie narasta na podłożu, i przy wysokiej gęstości wodoru reaguje i usuwa z podłoża wszelki węgiel nie posiadający wiązań diamentowych. Powtórzone zastosowanie impulsu laserowego powoduje kontynuację wzrostu warstwy diamentu na podłożu. Przedstawiona technika wymaga podłoża, które absorbuje światło laserowe jak np. wspomniane wyżej podłoże krzemowe.

Opis patentowy US Nr 5 290 368 pod tytułem „Proces wytwarzania powierzchni utwardzanej metodą azotkową i wolnej od pęknięć na tytanie przy użyciu wiązek laserowych”, ujawnia nagrzewanie wstępne podłoża tytanowego (stosowanie pieca do podniesienia temperatury podłoża do (538-650°C) 1000-1200 stopni Fahreitfieifa, stopienie małego obszaru podłoża przy użyciu lasera np. o mocy 5 kW, C02 o fali ciągłej działającego w zakresie mocy

3,1 kW do 3,6 kW, i związanie stopionego obszaru z mieszaninę gazową (zawierającą objętościowo co najmniej 70%, ale nie więcej niż 85% azotu, bilans tworzy jeden lub kilka gazów, które nie reagują ze stopionym tytanem). Omówiono także zastosowanie innych laserów w tym lasera YAG o działaniu ciągłym i laserów impulsowych CO2, YAG lub ekscymerowego.

177 873

W ogólności, gdy laser skanuje powierzchnię podłoża, obszar stopiony nie znajdujący się pod wiązką lasera ulega szybkiemu zakrzepnięciu ze względu na absorpcję ciepła z podłoża niestopionego. Stwierdzono, że proces będzie zachodził również w przypadku innych stopów tytanu, które zawierają w swoim składzie inne pierwiastki tworzące azotki, takie jak wanad, niob, węgiel i aluminium. Przedstawiony sposób nie jest szczególnie ukierunkowany na tworzenie powłok, to jednak jest cytowany w niniejszym zgłoszeniu jako przykład wykonywania innych procesów (tj. innych niż tworzenie powłok), na innych (tj. niż stal) materiałach przy pomocy laserów, chociaż jego zastosowanie wydaje się ograniczone tylko do wytwarzania powierzchni utwardzanej azotkami, wolnej od pęknięć na podłożu tytanowym i jego stopach.

Opis patentowy US Nr 5 236 545 ujawnia proces, w skład którego wchodzi nakładanie warstwy regularnego azotku boru (C) na podłoże krzemowe jako pierwsza warstwa pośrednia przy zastosowaniu ablacji laserowej z targetem z heksagonalnego azotku boru w atmosferze azotu, po której następuje druga warstwa pośrednia wodoru zakończona warstwą węgla, która jest nałożona przy pomocy ablacji laserowej z targetem węglowym w obecności atomowego wodoru, po której następuje heteroepitaksjalna warstwa diamentowa nałożona przy użyciu techniki chemicznego nakładania z fazy pary (CVD).

Znane jest z opisu patentowego US Nr 5 098 737 kierowanie wiązki laserowej na target pod kątem padania nieprostopadłym. Patent ten ujawnia sposób będący odniesieniem dla czterech głównych metod badanych pod kątem wytwarzania warstw węglowych diamentopodobnych, polegających na nakładaniu przy użyciu wiązki jonów, chemicznym nakładaniu z fazy pary, chemicznym nakładaniu z fazy pary, intensyfikowane plazmowo i nakładaniu sputteringowym (napylanie katodowe). W szerokim ujęciu, patent ten ujawnia laser skierowany do komory próżniowej tak, aby wiązka padała na ciągły arkusz poruszającego się materiału targetu wykonanego z folii grafitowej umieszczonego w komorze. Wiązka laserowa jest zogniskowana na materiale targetu w celu spowodowania ablacji i wyrzucania chmury pary węgla, w wyniku czego chmura ta jest częściowo zjonizowana przez wiązkę laserową.

Opis patentowy US Nr 5 094 915, zatytułowany „Pobudzana laserowo synteza warstw węglowych z mieszanin gazowych zawierających tlenek węgla”, ujawnia sposób wytwarzania warstwy węglowej na podłożu przez napromieniowanie gazu, zawierającego tlenek węgla emisją z lasera C02 bez naświetlania podłoża emisją laserową.

Z opisu patentowego US Nr 5 080 572 znany jest proces, w którym cząstki przezroczystego proszku diamentowego są związane razem diamentem polikrystalicznym tworząc strukturę diamentu użytkowego. Dokładna mieszanina drobnego nieprzezroczystego niediamentowego proszku węglowego i przezroczystego proszku diamentowego jest sprasowana na wypraskę w cienkościennym przezroczystym naczyniu kwarcowym, albo polikrystaliczna powłoka diamentowa, i laser impulsowy są zastosowane do szybkiego stopienia nieprzezroczystego niediamentowego proszku węglowego. Następnie, stopiony węgiel jest schłodzony w sposób naturalny i krystalizuje homoepitaksjalnie z powierzchni cząstek diamentowych, wytwarzając diament polikrystaliczny, który wiąże ze sobą cząstki diamentu.

Inny opis patentowy US Nr 5 066 515 ujawnia sposób wytwarzania sztucznego diamentu, polegający na zastosowaniu wiązki laserowej do szklistego stałego węgla przy poruszaniu punktu szklistego materiału węglowego, do którego przykładana jest wiązka laserowa, celem utworzenia lokalnie zogniskowanej jego części. W wyniku tego każda część lokalnie topionego fragmentu obszaru jest schładzana, gdy punkt ten odsuwa się od niego. Podczas chłodzonia lokalnie stopionego fragmentu, tworzy się sztuczny diament w sąsiednich obszarach po obu stronach zestalonego, lokalnie stopionego fragmentu.

Znany jest również z opisu patentowego US Nr 4 987 007 sposób wytwarzania warstwy materiału na podłożu przez wyekstrahowanie jonów z chmury ablacji laserowej w otoczeniu próżni. Urządzenie zawiera komorę próżniową, zawierającą materiał targetu i laser zogniskowany na targecie celem ablacji materiału i zjonizowania części chmury ablacyjnej i jest odpowiednie do tworzenia warstw węglowych diamentopodobnych na czystym, pozbawionym zarodków podłożu krzemowym. Proces może wytworzyć warstwę DLC o jednorodnej grubości

177 873 ze zmianami mniejszymi niż 3% z szybkością 20 pm/godz. Proces składa się z ogniskowania wiązki laserowej na targecie, ablacji fragmentu targetu celem wyrzucenia plazmy z substancji targetu, części jonizującej plazmę z laserem, i pozycjonowaniu podłoża celem utworzenia warstwy materiału na podłożu.

Opis patentowy US Nr 4 986 214 ujawnia urządzenie do tworzenia cienkich warstw zdolne do wytwarzania cienkich warstw diamentowych. Proces jest laserowym procesem CVD, w którym gazy tworzące warstwę są optycznie dysocjowane przez fotony o wysokiej energii ultrafioletowej wiązki laserowej.

Opis patentowy US Nr 4 874 596 ujawnia kierowanie wiązki intensywnego promieniowania do wnęki, zawierającej niewielką ilość materiału w celu przeprowadzenia reakcji. Dwie lub więcej wiązki intensywnej radiacji, wytwarzane przez jeden lub więcej laserów lub wyrzutni elektronowych, są kierowane na cząstkę lub granulkę materiału z przeciwnych kierunków, powodując fale uderzeniowe, które zanikaj ą w materiale granulowanym, przekształcając go do innej postaci. Granulki lub cząstki mogą zawierać węgiel, który jest zamieniany na diament przez intensywne nagrzewanie i moc fali (fal) uderzeniowej.

Opis patentowy US Nr 4 849 199 ujawnia eliminację wzrostu grafitu i innych niediamentowych odmian węgla podczas nakładania warstw przy niskim ciśnieniu celem wytworzenia diamentu. Grafit lub inne odmiany niediamentowe są odparowywane przy zastosowaniu padającej energii promienistej wystarczającej do odparowania grafitu, ale niewystarczającej do uszkodzenia podłoża. Wzrost grafitu i innych odmian niediamentowych jest eliminowany podczas nanoszenia diamentu przez wystawienie powierzchni wzrostu na padającą energię promienistą o długości fali wystarczającej do selektywnej fotolizy wiązań węglowych niediamentowych, utworzonych na powierzchni rosnącego diamentu. Jak zauważono w opisie patentowym, wszystkie procesy syntezy diamentu pod wysokim ciśnieniem podlegają niepożądanemu wzrostowi grafitu, który powoduje zmniejszenie wzrostu diamentu. W patencie została ujawniona metoda niskociśnieniowa, gdzie wzrost grafitu i innych niediamentowych odmian węgla jest tłumiony przez odparowanie lub selektywną fotolizę. W jednym ze sposobów ujawnionych w patencie, diament lub inne niediamentowe odmiany węgla jest odparowywany przy zastosowaniu padającej energii promienistej wystarczającej do odparowania grafitu, ale niewystarczającej do uszkodzenia podłoża. W innym sposobie ujawnionym w tym patencie, grafit lub inna niediamentowa odmiana węgla jest poddawany selektywnej fotolizie, na przykład przy zastosowaniu energii laserowej o odpowiedniej długości fali. Te sposoby według patentu mają za zadanie funkcjonować łącznie z procesami nakładania chemicznego z fazy pary wspomaganymi plazmowo (PECVD) celem hodowli diamentów na kryształach zarodkowych, wymagającymi gazowego źródła węgla. Zastosowanie lasera jest zasugerowane do odparowania grafitu i niediamentowych odmian węgla, jakie tworzą się na powierzchni wzrostu węgla, z zastrzeżeniem, że energia laserowa powinna być niska, aby uniknąć jakiejkolwiek zasadniczego chemicznego bądź fizycznego uszkodzenia podłoża, zwłaszcza jeżeli podłoże jest inne niż diamentowy kryształ zarodkowy. Sugerowane jest następnie według tego opisu patentowego, że kontrola wzrostu grafitu w dużych kryształach diamentowych lub obszarze podłoża może być uzyskana przez skanowanie wąsko zogniskowanej wiązki na całym obszarze.

Opis patentowy US Nr 4 522 680 ujawnia sposób wytwarzania kryształów diamentowych, w skład których wchodzi ciało odporne na ciśnienie, posiadające jądro materiału startowego wykrystalizowane w jego wnętrzu. Do jądra jest podawana energia, która jest w stanie przejść przez ciało odporne na ciśnienie i jest absorbowana przez materiał początkowy. Stop jest następnie stopniowo chłodzony pod ciśnieniem celem utworzenia kryształów. Do nagrzewania jądra jest stosowana wiązka laserowa lub technika nagrzewania indukcyjnego wysokiej częstotliwości.

Inny opis patentowy US Nr 5 176 788, zatytułowany „Sposób łączenia struktur diamentowych” ujawnia zastosowanie impulsowego światła laserowego do łączenia ze sobą struktur diamentowych. W skład procesu wchodzi tworzenie warstwy nieprzezroczystego materiału

177 873 niediamentowego pomiędzy dwoma powierzchniami diamentu, które mają być połączone, ściśnięcie razem powierzchni diamentu, zastosowanie impulsowego światła laserowego celem szybkiego stopienia całego nieprzezroczystego, niediamentowego materiału węglowego zanim zostanie utracona znaczna ilość ciepła przez powierzchnię diamentu, następnie następuje naturalne schłodzenie wynikowego stopionego węgla i skrzepnięcie w postaci diamentu polikrystalicznego, który rośnie homoepitaksjalnie z powierzchni diamentu, wiążąc ze sobą te powierzchnie.

Opis patentowy US Nr 4 892 751 zatytułowany „Sposób i urządzenie do wytwarzania cienkich warstw” ujawnia technikę, w której gaz, który zawiera pierwiastek stosowany do wytworzenia wymaganej warstwy jako co najmniej część jej pierwiastka składowego w warstwie ciała stałego tego gazu jest napromieniowywany wiązką lasera o dużej energii wyjściowej (np. ekscymerowym KrF) celem zdysocjowania gazu warstwy ciała stałego, a tym samym lokalne wytwarzanie plazmy, zaś podłoże jest napromieniowane reaktywnymi cząstkami wytwarzanymi w plazmie, w wyniku czego uzyskuje się cienką warstwę germanu o wstępnie wysokiej jakości (Ge) stosowaną w przyrządzie półprzewodnikowym. Według tej metody podłoże krzemowe jest umieszczone w taki sposób, że jest płaszczyzną (powierzchnią) równoległą do toru optycznego wiązki laserowej. Grzejnik podłoża jest umieszczony na tylnej stronie podłoża, celem utrzymania temperatury podłoża na wysokości 400°C, w sposób analogiczny do procesów CVD. W ogólności, laser jest stosowany do wytwarzania plazmy, ale nie działa bezpośrednio na podłoże.

Znany jest opis patentowy US Nr 4 681 640 7/87; zatytułowany „Indukowane laserem chemiczne nakładanie warstw z fazy pary germanu i domieszkowanych germanem”, który ujawnia tworzenie germanu i domieszkowych germanem warstw polikrystalicznych przy zastosowaniu przestrajanego lasera C02 o pracy ciągłej, który dostarcza podczerwonego promieniowania laserowego w zakresie długości fali 10,4 lub 9,4 pm w celu przeprowadzania chemicznego fotolitycznego nakładania z fazy pary, indukowanego laserem. Materiał wyjściowy, jak np., tetrametylogerman (TMG), który charakteryzuje się wysokim ciśnieniem par, i który nie posiada częstotliwości rezonansowej wibracji z promieniowaniem wyjściowym lasera CO2 jest stosowany w obecności „sensyzytera” - substancji, która absorbuje energię lasera, a następnie reaguje z energią przejścia do TMG.

Znany jest opis patentowy US Nr 5 080 753 zatytułowany „Laserowe nakładanie krystalicznych warstw azotku boru”, ujawniający stosowanie lasera ekscymerowego KrF celem dokonania ablacji targetu z azotku boru powodując nałożenie warstwy na pojedynczym podłożu krystalicznego krzemu, które jest nagrzewane wstępnie do około 400°C i utrzymywane w tej temperaturze w przeciągu procesu ablacji i nakładania. Według tej metody laser nie działa bezpośrednio na podłoże.

Inny znany opis patentowy US Nr 5 096 740 zatytułowany „Wytwarzanie warstw regularnego azotku boru przez nakładanie laserowe”, ujawnia napromieniowanie laserem ekscymerowym na target, zawierający atomy boru (lub atom azotu), i nakładanie regularnego azotku boru na podłożu, które jest umieszczone naprzeciw targetu. W tej metodzie laser nie działa bezpośrednio na podłoże. Typowo, podłoże dla rosnącego CN (regularny azotek boru) jest ograniczone do krzemu.

Znane jest także z opisu patentowego US Nr 4 701 592 zatytułowanego „Nakładanie i starzenie warstw ze wspomaganiem laserem” stosowanie lasera Nd:YAG o przełączanym współczynniku dobroci i rozdzielanie wiązki wyjściowej, kierowanie pierwszej wiązki wyjściowej na źródło (target) materiału do odparowania, i kierowanie drugiej wiązki wyjściowej na podłoże. Odparowany materiał targetu tworzy warstwę na podłożu. Podłoże jest umieszczone w położeniu pozwalającym na uniknięcie „rozbryzgu” (erupcji gorących cząstek ciała stałego lub ciekłych kropelek z targetu) z targetu, i druga wiązka wyjściowa jest stosowana do starzenia nałożonej (na podłożu) warstwy (zestalonego materiału). Proces jest użyteczny specjalnie do zaawansowanych zastosowań w przyrządach elektronicznych, zwłaszcza do integrowania warstw w strukturach scalonych układów krzemowych.

177 873

Procesy opisane powyżej mogą być scharakteryzowane jako techniki „nakładania”, przez co materiał (np. diament) jest tworzony i nakładany na powierzchnię podłoża. Przy zastosowaniu tych procesów, wiązania molekularne będą najlepiej tworzone pomiędzy naniesioną powłoką a podłożem, i takie wiązanie molekularne będzie wykazywać ograniczoną” adhezję” (mechaniczne kluczowanie) pomiędzy nałożoną powłoką a podłożem. W pewnych zastosowaniach, jak np. pokrywaniu wkładek skrawających narzędzi, adhezja powłoki diamentowej do podłoża jest bardzo istotna. Ponadto, jakość uzyskanej w tych procesach powierzchni nałożonej powłoki jest taka, że wymagane jest prowadzenie kolejnych etapów obróbki wykańczającej celem uzyskania odpowiedniego stopnia wykończenia pokrywanej części.

Procesy pokrywania według dotychczasowego stanu techniki są także ograniczone do tworzenia cienkiej warstwy na podłożu. Można je porównać w przybliżeniu do padania deszczu i zamarzania na trawniku. Powstająca warstwa lodu jest względnie twarda, ale cienka i istnieje nagła zmiana twardości od cienkiej warstwy lodu (powłoka) do znajdującej się pod spodem trawy (podłoże). Efektem tego będzie skrajnie słaby rozkład naprężeń, w wyniku czego cienka warstwa lodu ulega pękaniu po przyłożeniu naprężenia. W ogólności, procesy według dotychczasowego stanu techniki wykazują niewielkie szybkości nakładania, nie mogą być również przeprowadzane w temperaturze otoczenia (co powoduje, że ograniczona jest kilkakrotnie wielkość podłoża, które może być pokrywane), oraz są źle przystosowane do pokrywania pewnych podłoży (np. podłoży zawierających kobalt), i powodują powstawanie podłoży ze złym przyleganiem do podłoża, a także wymagają operacji wykańczania po procesie (celem uzyskania wymaganego wykończenia powierzchni na pokrytym podłożu). Procesy te wymagają także przygotowania powierzchni i zarodkowania.

Przykładowym narzędziem analizowania diamentowej (lub DCL) powłoki (lub warstwy) nałożonej na podłożu jest spektroskopia ramanowska. W miarę postępów technologii diamentów, spektroskopia ramanowska okazała się jednym z podstawowych narzędzi analizowania (charakteryzowania) materiałów diamentowych. Diament regularny posiada pojedynczy aktywny ramanowsko fonon pierwszego rzędu w środku strefy Brillouina. Naturalne pojedyncze kryształy diamentowe mogą być zidentyfikowane przez pojedynczy pik przy 1332 cm'¹, dla którego jeszcze można rozwinąć zadowalające wyjaśnienie. Półjakościowa analiza próbki, w oparciu jedynie o spektroskopię ramanowską, jest trudna. Jednakże istnieje pewna literatura, w której zakłada się, że pik przy 1550 cm⁴ pochodzi od grafitu, czułość którego jest około dwa rzędy wielkości wyższa niż czułość diamentu. Węgiel diamentopodobny (DLC) posiada zawsze dwa piki (1332 cm⁴ i 1550 cm⁴). Ze względu na czynnik czułości, zostało ogólnie zaakceptowane, że pik 1332 cm⁴ jest adekwatnym dowodem istnienia materiału diamentu w próbce. Jednakże, wiele diamentów syntetycznych nie wykazuje tego piku w ogóle, wykazując w miejsce niego nieznaczne rozszerzenie nałożone na znaczną luminescencję tła. Na ogół czułość (ostrość) piku diamentowego może zależeć do pewnego stopnia od wielkości jego ziaren - mianowicie, im mniejsze są ziarna, tym niższa jest czułość i tym szerszy będzie pik. Jednakże, warstwy diamentowe nałożone na twarde podłoża, takie jak tlenek glinu często wykazują przesunięcie, wynoszące 15 cm⁴, będące efektem stanu naprężenia warstwy. Spektroskopia ramanowska, jakkolwiek jest pożytecznym narzędziem do charakteryzowania powłoki diamentowej lub diamentopodobnej wytworzonej na podłożu, nie może jednak stanowić narzędzia do określania Jakości” powłoki. Na koniec, narzędzie skrawające pokryte powłoką powinno być przetestowane w warunkach stosowania (np. we frezarce, tokarce, wiertarce itp, gdzie rzeczywiście wykonywane jest skrawanie detalu) dla różnych szybkości podawania w zakresie żywotności narzędzia, łuszczenia się i ostatecznego wykończenia detalu, dla danego lub kilku materiałów (np. stopów aluminium, stopów żelaza, materiałów kompozytowych). Narzędzie skrawające pokryte właściwie może być także zdefiniowane przez swoją zdolność wykonywania „suchej” obróbki (bez stosowania smaru lub oleju do skrawania).

Technika według dotychczasowego stanu techniki wykorzystuje fotopolimery lub materiały wytłaczane, między innymi techniki niemetaliczne, do szybkiego wytwarzania prototypowych części z tworzyw sztucznych lub proszków spiekanych laserowo do wytwarzania

177 873 części metalowych. Wsyzskde znane metody prowadzą do wytwarzania części o względnie niewielkiej gładkości i ograniczonej użyteczności.

Na przykład, urządzenie stereolitograficzne (SLA) jest stosowane typowo w systemie szybkiego wytwarzania prototypów. Stereolitografia jest procesem, przy pomocy którego obiekty trójwymiarowe są wytwarzane z cienkich warstw utwardzanych, sieciowanych, ciekłych polimerów. Obecne systemy szybkiego tworzenia prototypów wykonują obiekt przez selektywne utwardzanie lub skrawanie warstw materiału na kształt określony przez dane z CAD. Do utwardzania polimeru stosowany jest zwykle laser ultrafioletowy, argonowy, lub inny typ lasera. Dane CAD matematycznie przedstawiają kształt wytwarzanego obiektu jako szereg kolejnych cienkich warstw.

Kilka publikacji położyło nacisk na wagę, którą technologie szybkiego prototypowania będą mieć w odniesieniu do systemu wytwarzania i zmniejszania kosztów Następnie, publikacje te identyfikują ograniczenia, które istni^j^ przy bieżącym stanie techniki. W dwóch ostatnich publikacjach, Manufacturing Engineering (Publikowane przez SME, str. 37-42, listopad 1993) i Plastics Technology (str. 40-44, styczeń 1994), autorzy odpowiednio podkreślają duże znaczenie systemów szybkiego wytwarzania prototypu i produkcji. Inne artykuły, zwłaszcza dotyczące spiekania laserowego, są także wyznacznikiem stanu techniki w dziedzinie szybkiego wykonywania prototypów.

W ogólności, technika szybkiego wykonywania prototypów według dotychczasowego stanu techniki nadaje obiektowi przez selektywne skrawanie warstw materiału, kształt określony przez dane CAD. Jak zanotowano w Manufacturing Engineering (listopad 1993), „celem obecnych RP [technologii szybkiego wykonywania prototypów] jest wykonywanie materiałów prototypowych, które posiadają wyższą wytrzymałość w podniesionych temperaturach. Przemysł wymaga form z pełnego metalu (bez stosowania materiałów spiekanych) tak, aby efektywnie analizować obiekt”. Ponadto, artykuł ten odnotowuje, że wytwarzanie części będzie ostatnim krokiem rozwoju techniki szybkiego wykonywania prototypów.

Artykuły podkreślają także, że kluczowe znaczenie w tej dziedzinie będą miały materiały, i chociaż pewne eksperymentalne systemy szybkiego wykonywania prototypów pracują z wykorzystaniem stopionych metali i proszków metali, to odbiegają one dlatego właściwościami od metali o wysokiej wytrzymałości i pełnej gęstości.

Poniżej przedstawiono metody wytwarzania obiektu według dotychczasowego stanu techniki (np. Metody szybkiego wykonywania prototypów). Uwaga jest skierowana na następujące opisy patentowe USA, zawarte w niniejszym przez odniesienie, będące wyznacznikiem stanu techniki stereolitografii i wytwarzania przedmiotów: US Nr 5 260 009 („System, metoda, i proces wykonywania trójwymiarowych przedmiotów”), US Nr 5 256 340 („Sposób wykonywania trójwymiarowych przedmiotów metodą stereolitografii”), US Nr 5 248 456 („Sposób i urządzenie do wykonywania przedmiotów wytwarzanych stereolitograficznie”), US Nr 5 247 180 („Urządzenie stereolitograficzne i sposób jego stosowania”) i US Nr 5 236 637 („Sposób i urządzenie do wytwarzania trójwymiarowych przedmiotów metodą stereolitografii”).

Zastosowanie lasera przy wytwarzaniu części prototypowych jest opisane w opisie patentowym US Nr 5 017 317, zatytułowanym „Nakładanie selektywnej wiązki z fazy gazowej”, który ujawnia sterowaną komputerowo ukierunkowaną wiązkę energii, np. laserowej, kierującą energię laserową do komory, zawierającej zasadniczo fazę gazową materiału, który ma być nakładany w celu najkorzystniejszego powstawania fotodekompozycji (rozkładu optycznego) lub rozkładu termicznego fazy gazowej i do selektywnego nakładania materiały w granicach wymaganych obszarów przekroju wytwarzanej części. Dla każdego przekroju, wiązka ma być przełączona na materiał nakładany w granicach przekroju. Każda kolejna warstwa jest połączona z bezpośrednio poprzednią warstwą celem wytworzenia części, posiadającej zespół połączonych warstw.

Sposób obróbki powierzchni podłoża polegający na nakładaniu na nim powłoki przy użyciu energii laserowej przez kierowanie co najmniej jednej wiązki laserowej z odpowiednio

177 873 co najmniej jednego lasera na tę powierzchnię, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wybiera się podłoże, zawierające w swoim składzie węgiel jako pierwiastek składowy z grupy materiałów obejmujących stale, stale nierdzewne oraz węgliki spiekane i aktywuje się wybraną ilość pierwiastka składowego w postaci węgla poprzez kierowanie energii wiązki laserowej co najmniej jednego lasera na powierzchnię podłoża oraz powoduje się przemieszczanie tego pierwiastka składowego w postaci węgla w kierunku powierzchni podłoża, następnie odparowuje się odpowiednio wybraną ilość uruchomionego pierwiastka składowego w postaci węgla z podłoża, po czym powoduje się przereagowanie odparowanego węgla przez użycie energii wiązki laserowej co najmniej dwóch laserów i formuje się w ten sposób z tego odparowanego pierwiastka składowego w postaci węgla diament lub diamentopodobny materiał węglowy na powierzchni podłoża.

Korzystnie, równocześnie z przereagowaniem odparowanego elementu składowego kieruje się pierwiastek wtórny na powierzchnię podłoża i tworzy się materiał kompozytowy z odparowanym pierwiastkiem składowym.

Korzystnie, stosuje się podłoże w postaci płaskiej wkładki skrawającej.

Korzystnie, stosuje się podłoże, które jest spajanym węglikiem wolframu.

Korzystnie, stosuje się podłoże, które jest narzędziem skrawającym o przekroju kołowym.

Korzystnie, stosuje się co najmniej jedną wiązkę złożoną z trzech wiązek podawanych przez laser ekscymerowy, laser Nd:YAG oraz laser CO₂, działające wspólnie i synchronicznie.

Korzystnie, stosuje się laser ekscymerowy pracujący z mocą wyjściową do 200 mW, z energią impulsu do 500 mJ, przy częstotliwości impulsu do 300 Hz, z gęstością energii do 30 mJ/mm2 i długością impulsu (czasem trwania) do 26 ns, laser Nd:YAG pracujący z mocą wyjściową do 1500 W i z energią impulsu do 150 J, oraz laser CO₂ pracujący z mocą wyjściową rzędu 500 - 10 000 W, z gęstością energii od 0,32 J/cm2.

Korzystnie, koordynuje się ze sobą impulsy z lasera ekscymerowego i lasera Nd:YAG.

Korzystnie, stosuje się wiązkę z lasera ekscymerowego posiadającą przekrój prostokątny, wiązkę z lasera Nd:YAG posiadającą przekrój kołowy i wiązkę z lasera CO2 posiadającą przekrój kołowy.

Korzystnie, powoduje się, że wiązki o przekroju kołowym pokrywają względnie mały fragment powierzchni podłoża, przy czym wymieniony względnie mały fragment jest umieszczony wewnątrz dużego fragmentu.

Korzystnie, przemieszcza się podłoże względem wiązek i powoduje się skanowanie względnie małego fragmentu w poprzek powierzchni podłoża.

Korzystnie, stosuje się jako jeden z laserów, laser ekscymerowy i podczas kierowania energii pochodzącej z tego lasera ekscymerowego na powierzchnię podłoża zanurza się podłoże w gazie obojętnym.

Korzystnie, stosuje się podłoże, zawierające ziarna węglika wolframu otoczone przez kobalt.

Korzystnie, kieruje się laser ekscymerowy na powierzchnię podłoża na czasy wystarczający do ujawnienia ziaren węglika wolframu.

Korzystnie, stosuje się gaz obojętny, taki jak azot oraz powoduje się określoną wstępnie orientacje na powierzchni podłoża podczas kierowania lasera ekscymerowego na tę powierzchnię.

Korzystnie, wywołuje się określoną orientację ziaren na powierzchni podłoża podczas kierowania lasera na powierzchnię podłoża.

Korzystnie, stosuje się elektryczną polaryzację podłoża.

Jedną z zalet niniejszego wynalazku w zakresie wytwarzania powłok jest podanie ulepszonej techniki do wytwarzania powłoki diamentowej (lub DLC) na podłożu, takim jak wkładka narzędzia skrawającego, zwłaszcza na wkładce narzędzia skrawającego, która zawiera kobalt w ilości mieszczącej się w handlowym zakresie lub do narzędzi skrawających o przekroju kołowym. Następna zaleta niniejszego wynalazku polega na opracowaniu techniki

177 873 nakłania powłoki na podłoże w środowisku otoczenia bez stosowania próżni. Inna zaleta niniejszego wynalazku polega na opracowaniu techniki nakładania powłoki na podłoże bez nagrzewania wstępnego całego podłoża, przy kontroli równowagi cieplnej obróbki, bez szkodliwego wpływu całej masy podłoża. Zaletę stanowi również podanie techniki formowania powłoki o wiązaniach dyfuzyjnych na podłożu.

Następną zaletę stanowi fakt, że opracowano metodę obróbki podłoża odpowiednią dla wszystkich stopów stali, w tym stali nierdzewnej, materiałów nieżelaznych lub ich stop, jak również innych materiałów, jak ceramika i polimery.

Technika wytwarzania powłok według niniejszego wynalazku daje możliwość uzyskania powłok o kształtach, grubości i składach umożliwiających dostosowywanie do indywidualnych potrzeb. Ponadto wynalazek podaje technikę obróbki podłoża w sposób, który nie wymaga procesu obróbki po procesie.

Zaletą niniejszego wynalazku jest podanie techniki obróbki powierzchni rzeczywiście heteroepitaksjalną metodą dla syntetycznego diamentu, DLC lub innych materiałów krystalicznych.

Technika według wynalazku umożliwia obróbkę substancji o skomplikowanej geometrii, w tym do wykonania narzędzia lub wkładki, zwłaszcza narzędzia skrawającego. Następna zaleta niniejszego wynalazku polega na opracowaniu techniki pokrywania podłoża takiego narzędzia skrawającego lub wkładki, zwłaszcza powłoką diamentową lub z materiału diamentopodobnego, tak, że jest ona mocno związana z węglikiem, nawet w przypadku wysokich koncentracji kobaltu, użytecznej przy stosowaniu ze stalą szybkotnącą i ceramiką, DLC lub tworzywami sztucznymi (powłoka barierowa itd.), i innymi materiałami na narzędzia skrawające, ponadto w sposób, który może być wykonywany przy niskich temperaturach i ciśnieniach. Zaletą niniejszego wynalazku jest także podanie techniki ulepszenia adhezji powłoki do podłoża, zwłaszcza powłok diamentowych (i DLC), jak również innych materiałów, tak, że jest mocno związana z węglikiem i w sposób, który może być wykonywany przy niskich temperaturach i ciśnieniach.

Inna zaleta niniejszego wynalazku polega na podaniu techniki obróbki powierzchni podłoża w sposób, który będzie dawać materiał kompozytowy o wiązaniach dyfuzyjnych pod powierzchnią podłoża. Niniejszy wynalazek umożliwia obróbkę i wytwarzanie materiałów do stosowania przy produkcji i wytwarzaniu przedmiotów z materiału kompozytowego, jak diament, DLC, regularny azotek boru (CN), B4C, SiC, TiC, Cr₂C2, TiN, TiB2, Si3N4 i cCN, węglik niobu, azotek tytanu, azotek glinu itd.

Następnym efektem niniejszego wynalazku jest podanie techniki wytwarzania powłok „projektowanych” na podłożu.

Wynalazek podaje również sposób, który może służyć do wytwarzania użytecznego metalu, ceramiki i części kompozytowych w finalnym stanie w sposób nie wymagający jakiegokolwiek procesu wykańczającego (poza środowiskiem sposobu) wykazującego ulepszone własności fizyczne na skutek zastosowania zaawansowanych materiałów kompozytowych, które nie mogą być wytworzone w inny znany obecnie sposób. Kolejną zaletąjest możliwość obróbki wstępnej podłoża według niniejszego wynalazku tj. przygotowania go do kolejnego pokrywania zarówno przy użyciu technik według niniejszego wynalazku jak i technik według dotychczasowego stanu techniki. Wynalazek pozwala na wykonanie obróbki wstępnej w jednej operacji z wytwarzaniem powłoki (in situ), bez konieczności prowadzenia odrębnej operacji wstępnej obróbki powierzchni podłoża. Technika obróbki powierzchniowej według niniejszego wynalazku ma również tę zaletę, że może być stosowana np. w dziedzinie szybkiego wykonywania prototypów.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 11 przedstawia schemat blokowy procesu według niniejszego wynalazku, fig. 2A - częściowy przekrój boczny podłoża poddanego obróbce (pokrytego) przy pomocy technik według niniejszego wynalazku, zwłaszcza przedstawiającym tworzenie się pierwotnej i wtórnej strefy konwersji w podłożu, fig. 2B - częściowy przekrój boczny podłoża poddanego

177 873 obróbce (pokrytego) przy pomocy technik według niniejszego wynalazku, zwłaszcza przedstawiający tworzenie się wielokrotnej warstwy na powierzchni podłoża, fig. 3 - uogólniony rzut perspektywiczny jednego z przykładów wykonania sposobu do przeprowadzania powierzchniowej obróbki podłoża, według niniejszego wynalazku, fig. 4 - uogólniony rzut perspektywiczny innego przykładu wykonania sposobu do przeprowadzania powierzchniowej obróbki podłoża, według niniejszego wynalazku, fig. 5 - przekrój dyszy do wprowadzania wtórnego pierwiastka do sposobu obróbki podłoża według niniejszego wynalazku w przykładzie wykonania, fig. 5A i 5B - rzut górny i przekrój odpowiednio, innego przykładu wykonania dyszy do wprowadzania pierwiastka wtórnego do sposobu obróbki podłoża według niniejszego wynalazku, fig. 6A - stylizowany przekrój podłoża z węglika wolframu, według dotychczasowego stanu techniki, fig. 6B - stylizowany przekrój poprzeczny widoku podłoża z węglika wolframu, z fig. 6A, po wstępnej obróbce według niniejszego wynalazku, fig. 7 - widok perspektywiczny sposobu obróbki powierzchniowej według niniejszego wynalazku, pokazujący trzy lasery kierujące energię (wiązki) przez dyszę w kierunku powierzchni podłoża, fig. 8 - przekrój podłoża umieszczonego na uchwycie, w celu powierzchniowej obróbki według niniejszego wynalazku, przedstawiający zwłaszcza płaską plazmę, uformowaną według niniejszego wynalazku, fig. 9 - rzut schematyczny głównych składowych sposobu, takiego jak sposób przedstawiony na fig. 7, według niniejszego wynalazku, fig. 10 - wykres przedstawiający sekwencję uruchamiania różnych składowych sposobu z fig. 7, według przykładu wykonania niniejszego wynalazku, fig. 11D - spektrogram ramanowski powierzchni podłoża z węglika wolframu z fig. 1C, która była poddawana obróbce według niniejszego wynalazku, fig. 12A - szczegółowy widok przekroju wiązki i przekroju przykładu wykonania niniejszego wynalazku, fig. 13A - 13H - widok powłoki dającej się dostosowywać do indywidualnych wymagań, według niniejszego wynalazku, fig. ł3l - widok perspektywiczny trójwymiarowego obiektu fizycznego, który został wykonany przy zastosowaniu technik wytwarzania powłok według niniejszego wynalazku i przedstawia rzeczywiście heteroepitaksjalny charakter tych technik, fig. 14A i 14B - rzuty perspektywiczne długich cylindrycznych podłozy poddawanych obróbce przy użyciu technik według niniejszego wynalazku, fig. 15A i 15B - przekroje poprzeczne łożyska kulkowego, które zostało pokryte przy użyciu technik według niniejszego wynalazku, fig. 16A - rzut boczny narzędzia o przekroju kołowym o ulepszanej powierzchni, według jednego z wykonań według niniejszego wynalazku, fig. 16B rzut boczny narzędzia o przekroju kołowym o ulepszanej powierzchni, według innego z przykładów wykonania według niniejszego wynalazku, fig. 16C i 16D - odpowiednio rzut boczny i czołowy boczny narzędzia o przekroju kołowym o ulepszanej powierzchni, według kolejnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, fig. 16E - odpowiednio rzut boczny okrągłego narzędzia o ulepszanej powierzchni, według kolejnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, oraz fig. 16F - odpowiednio rzut boczny okrągłego narzędzia o ulepszanej powierzchni, według kolejnego przykładu wykonania niniejszego wynalazku.

Sposób według wynalazku polega na tym, że energia pochodząca z trzech różnych wiązek laserowych jest skierowana na powierzchnię podłoża w celu obróbki tej powierzchni podłoża. Parametry procesu i oddziaływania trzech laserów są sterowane w celu uzyskania pożądanego efektu na i/lub pod powierzchnią podłoża. Parametrami procesu są: długość fali każdego lasera, rodzaj pracy (np. impulsowy, super impulsowy lub o fali ciągłej), w tym szerokość impulsu i częstotliwość, dla każdego lasera, moc wyjściowa każdego lasera, energia kazdego lasera, kąt padania na powierzchnię podłoża dla każdej wiązki laserowej, kształt przekroju i wielkość każdej wiązki laserowej oraz sekwencja (zależność synchronizacji) przy kierowaniu wiązek laserowych na powierzchnię podłoża.

Na przykład, jeden lub kilka składowych (rodzimych) pierwiastków znajdujących się w obszarze pod powierzchnią podłoża może zostać uruchomiony, z odpowiednią jedną lub wieloma szybkościami i przesunięty w kierunku powierzchni w celu wytworzenia gradientu koncentracji jednego i/lub kilku pierwiastków składowych w strefie podpowierzchniowej. Następnie, wybrane ilości wybranej części pierwiastków składowych mogą być oddzielone i

177 873 odparowane w kontrolowany sposób. Co najmniej jeden pierwiastek składowy podłoża jest uważany za „pierwotne źródło materiału dla procesu”.

Według jednego z aspektów wynalazku odparowany co najmniej jeden pierwiastek składowy jest przereagowany bezpośrednio ponad powierzchnią podłoża, celem zmodyfikowania fizycznej struktury i własności odparowanego, co najmniej jednego z elementów składowych i wytworzenia materiału złożonego, który z kolei jest wdyfundowany z powrotem do podłoża.

W odpowiednim punkcie procesu, który może znajdować się na jego początku, co najmniej jedno źródło wtórne, zawierające elementy wtóre, może być wprowadzone do systemu reakcyjnego występując bezpośrednio ponad powierzchnią podłoża. Na przykład, węgiel w podłożu może zostać uruchomiony, odparowany i poddany reakcji oraz zwielokrotniony ilościowo z wtórnego źródła dwutlenku węgla dostarczającego dodatkowy węgiel do układu reakcyjnego, celem utworzenia powłoki z węgla diamentopodobnego na podłożu.

Znaczna zaleta wynalazku wynika ze zmian metalurgicznych występujących na powierzchni podłoża. W wyniku dyfuzji przereagowanych elementów składowych z powrotem do podłoża, strefa dyfuzji (określana tu także jako strefa przejściowa lub strefa konwersji) w podłożu będzie wykazywać gradient składu materiału przechodząc od czystego podłoża do czystej powłoki. Będzie to dawać nie tylko bliski związek dyfuzyjny (np. metalurgiczny) pomiędzy materiałem wytworzonym na podłożu i samą powłoką, ale będzie dawać także łagodne przejście dla naprężeń fizycznych przyłożonych do powłoki podłoża.

Według wynalazku mogą być wytworzone w podłożu dwie różne strefy dyfuzyjne - pierwotna strefa konwersji głęboko w podłożu i wtórna strefa konwersji usytuowana pomiędzy pierwotną strefą konwersji a powierzchnią podłoża. Na przykład, aby wykonać warstwę o grubości około 3 pm (powłokę), strefa pierwotnej konwersji mogłaby być głęboka na około 0,75 mm, a wtórna strefa konwersji mogłaby posiadać grubość około 0,25 mm. Według jednej z cech niniejszego wynalazku, wybrane obszary podłoża są traktowane odpowiednio przy użyciu trzech laserów, lub przynajmniej jednego lasera i innego źródła energii (np. wiązki elektronowej, wiązki promieniowania rentgenowskiego, itd.) emitującego sterowaną wiązkę. Przez „obszary wybrane” rozumie się, że pewien obszar jest zasadniczo mniejszy niż całą powierzchni podłoża, która może być poddawana obróbce, bez poddawania obróbce pozostałej części powierzchni. Będzie rozumiane jednakże, że sekwencja wybranych obszarów może być poddana obróbce szeregowo lub równolegle, włącznie z obróbką całej powierzchni (lub wielu powierzchni) podłoża.

Według wynalazku, działania wykonywane podczas każdej operacji procesu mogą być sterowane za pomocą odpowiednich środków, jak stanowisko sterowania obróbki ze sterowaniem numerycznym. Parametry robocze lasera i współpracującego układu optycznego mogą zostać skonfigurowane w celu osiągnięcia wymaganej obróbki w dowolnym momencie czasu.

Według przykładu wykonania wynalazku pierwszy z trzech laserów jest laserem ultrafioletowym, jak np. impulsowy laser ekscymerowy, pracujący na długości fali 192 nm, 248 nm lub 308 nm, z wyjściem mocy rzędu kilkudziesięciu Watów (0-200), z energią impulsu do 500 mJ oraz długością impulsu do 26 ns i częstotliwością do 300 Hz, drugi z trzech laserów jest laserem Nd:YAG, pracującym przy długości fali 1,06 pm w trybie pracy ciągłej lub impulsowej, lub z przełączanym współczynnikiem dobroci z mocą wyjściową rzędu setek Watów (0-1500), z energią impulsu do 150 J, częstotliwością impulsów do 1000 Hz, długością impulsu do 20 ms i (w modzie impulso/pakietowym) czas trwania strumienia impulsów wynosi do 5 sek, zaś trzeci z trzech laserów jest laserem CO2, pracującym przy długości fali 10,6 pm, z mocą wyjściową rzędu 500-100000 W, częstotliwością impulsów do 25 kHz, z impulsem o długości do 25 ps, z częstotliwością superimpulsu do 20 kHz, i z szerokością superimpulsu do 500 ps.

W przykładowym zastosowaniu techniki obróbki podłoża według niniejszego wynalazku podłoże składa się ze stali węglowej, przy czym pierwiastek składowy będący przedmiotem zainteresowania jest węglem, pierwiastek wtórny, o ile jest stosowany, może być węglem,

177 873 w zależności od rodzaju obróbki, wymaganej grubości powłoki i tego czy podłoże jest stalą wysoko- czy niskowęglową. Wynikowa grubość strefy konwersji „d” wynosi około 1,0 mm (w tym około 0,25 mm wtórnej strefy konwersji) i wynikowa grubość powłoki diamentowej „t” wynosi około 3,0 mm (lub w przybliżeniu trzykrotną grubość strefy konwersji).

W następnym przykładowym wykonaniu sposobu obróbki powierzchniowej według niniejszego wynalazku zastosowano pierwiastek składowy tytan, pierwiastek wtórny azot, węgiel lub bor, przy czym wynikowa, uzyskana powłoka jest odpowiednio azotkiem tytanu, węglikiem tytanu lub dwuborkiem tytanu.

Według jednej z cech niniejszego wynalazku, energia skierowana na podłoże może korzystnie być wykorzystana do spowodowania (lub sterowania) fizycznych naprężeń w wytwarzanych powłokach i przez niekorzystne wprowadzenie takich naprężeń, wzrost krystaliczny może podlegać kontroli (przyśpieszeniu) w celu zasadniczego zwiększenia szybkości wzrostu w porównaniu z dotychczasowym stanem techniki.

Według jednego z przykładów wykonania niniejszego wynalazku energia kierowana na podłoże może być korzystnie wykorzystana do uzyskania wymaganej topografii (tekstury) na powierzchni podłoża, albo jako wynik finalny (tj. wykańczanie na miejscu), albo do przygotowania powierzchni (tj. obróbka wstępna powierzchni) do późniejszego wytwarzania powłoki.

Według następnego z przykładów wykonania niniejszego wynalazku, źródło wtórne może zawierać pierwiastek domieszkujący jako jeden z pierwiastków wtórnych. Na przykład, powłoka diamentowa lub DLC mogłaby być domieszkowana do zastosowania, na przykład, w półprzewodnikach.

Według kolejnego z przykładów wykonania niniejszego wynalazku może być podawana do podłoża polaryzacja elektryczna w celu sterowania orientacji wzrostu kryształu na podłożu, lub na podłożu już utworzonym.

Zaletą niniejszego wynalazku jest to, że obróbka nie musi być wykonywana w próżni. Jednakże preferowane jest, jeżeli strefa reakcji na podłożu jest ekranowana przez gaz ekranujący taki jak azot lub argon. Nie oznacza to jednak, że proces nie może być wykonywany w próżni. Zarówno cały proces lub jego części mogą być stosowane łącznie z istniejącymi procesami CVD i typu CVD celem eliminacji niektórych z jego ograniczeń. Na przykład, zamiast nagrzewać całe podłoże celem zintensyfikowania reakcji nakładania, energia może być przeniesiona na (skierowana na) wybrane obszary podłoża, i może być skanowana w dowolnym rysunku na powierzchni podłoża, celem wytworzenia żądanego „profilu”, (np. skład, grubość, kształt) lub wzorca powłoki na podłożu. To pozwoli uniknąć wielu problemów związanych z nagrzewaniem całego podłoża, i da rezultaty, które w przeciwnym przypadku nie są możliwe do uzyskania przy zastosowaniu takich procesów (bez maskowania podłoża).

W niniejszym wynalazku ujawnione są różne konstrukcje (wykonania) dysz do wprowadzania pierwiastków wtórnych w formie gazowej i do wprowadzania gazów osłonowych. Aby głębokość strefy konwersji i grubość powłoki wytworzonej na podłożu mogły być sterowane, podłoże (detal obrabiany) jest przesuwane względem źródeł energii (np. lasery), lub vice-versa, do położeniu w poprzek powierzchni podłoża.

Według wynalazku, głębokość „d” strefy konwersji jest sterowana na wybranej głębokości, przez wybranie dowolnego, co najmniej jednego z następujących parametrów: natężenie, czas trwania, profil i kąt padania wiązki laserowej.

Następnie metoda obróbki według wynalazku może być sterowana tak, aby powłoka wielowarstwowa, w której każda warstwa posiada wymagany skład, mogła być wykonana na podłożu.

Niniejszy wynalazek wykazuje kilka zalet w porównaniu z istniejącymi technikami nanoszenia powłok, do których należą: stworzenie układu ciągłej reakcji w wybranych (nieciągłych) obszarach podłoża, wytworzony skład może być „rzeczywiście heteroepitaksjalny” i/lub homoepitaksjalny, np. wytworzony skład heteroepitaksjalny może rozwinąć się na wytworzony skład homoepitaksjalny (np. powłoka, lub jej kolejne warstwy gdy skład posiada wiązania węglowe SP³). Techniki obróbki podłoża według niniejszego wynalazku pozwalają

177 873 na wzrost materiału na innym materiale spodnim bez ograniczeń co do orientacji kryształu, struktury sieci, kierunku wzrostu, materiału, itd. Innymi słowy, wytwarzany materiał nie jest ograniczony przez własności materiału lub podłoża, na którym jest wytwarzany. Dowolna struktura sieci może być utworzona w powłoce na powierzchni przez wybór odpowiedniego materiału nukleacyjnego i spowodowanie wejścia odpowiednich odmian materiału podłoża we wstępną fazę pary (PVP), proces może być wykonywany bez procesów CVD, bez zachowania próżni i bez materiału targetu, proces może być wykonywany w otoczeniu atmosferycznym, proces może być wykonywany bez wstępnego nagrzewania podłoża ma charakter ciągły i pozwala na tworzenie powłoki o składzie i o żądanej głębokości poniżej powierzchni podłoża posiadającej wymaganą grubość na i ponad powierzchnią podłoża, przy czym uzyskane wiązanie jest głębsze i daje większą adhezję niż w procesach według dotychczasowego stanu techniki.

Powłoka może być utworzona na podłożu o potencjalnie dowolnej wielkości i kształcie, w tym podłożu bardzo dużym. Potencjalnie nie ma ograniczenia grubości ani obszaru i składu powłoki utworzonej w procesie, ponadto obróbka podłoża w celu utworzenia diamentu lub powierzchni DLC może być zrealizowana bez oddziaływania na oryginalną objętość podłoża.

Układ optyczny (system podawania wiązki) może być umieszczony pomiędzy laserami i powierzchnią, podłoża tak, że wiązki emitowane przez lasery są albo ogniskowane albo rozpraszane lub zmieniane w inny sposób (np. ich profil i wymiar).

Pierwiastek wtórny jest wprowadzany w system reakcyjny w dowolny ze znanych sposobów, takich jak natryskiwanie, dyspergowanie, nakładanie, ablacja albo w inny znany sposób, i może posiadać dowolną, odpowiednią postać, jak ciecz, gaz, ciało stałe, proszek itp.

W przykładzie wykonania gazowy pierwiastek wtórny może być wprowadzony do układu reakcyjnego stosując dyszę pod ciśnieniem (jet), która jest zaprojektowana w celu dostarczania gazowego pierwiastka wtórnego w osłonie innego (np. obojętnego) gazu, która będzie ogniskować (bezpośrednio) dostarczanie pierwiastka wtórnego przez spiralnie kontrolowany wir gazów wychodzących z dyszy. W ten sposób, pierwiastek wtórny może być skierowany do tego samego wybranego obszaru podłoża, co padająca wiązka energii. Według jednej z cech niniejszego wynalazku, gazowy pierwiastek wtórny i gaz osłonowy mogą, służyć jako pierwiastki wtórne w tej reakcji. Target, np. źródło grafitu, może być zawarty na zewnątrz lub wewnątrz dyszy (jet) i wypromieniowywany przez źródło energii i kolejno wprowadzany do systemu reakcji. Element wtórny może być także wybrany aby pełnił rolę „osłony” (od otoczenia, bez konieczności stosowania próżni) dla procesu, gdy źródło wtórne nie jest konieczne (patrz, np. etap C, F i H w schemacie blokowym, opisanym poniżej), w którym to przypadku pierwiastek wtórny (i gaz osłonowy) może być gazem czystym bądź obojętnym.

Według konwencjonalnego zastosowania, wzrost materiału na nim samym, przy pozostawieniu krystalicznego charakteru leżącego na spodzie podłoża jest nazywane „homoepitaksją”. Wzrost innego materiału na podłożu, przy pozostawieniu krystalicznej orientacji podłoża jest nazywane „heteroepitaksją”. Użyty w niniejszym tekście, termin „prawdziwie heteroepitaksjalny” jest stosowany do oddania pojęcia syntetyzowania materiału na lezącym pod spodem innym materiale, niezależnie od orientacji krystalicznej, i intencją jest rozróżnianie pomiędzy systemami (takimi jak systemy CVD i PVD) wymagającymi zarodków materiału lub w inny sposób dostarczonych punktów nukleacji, które są uważane za „homoepitaksjalne”.

Techniki według niniejszego wynalazku są stosowane do obróbki podłoża, i do pokrywania podłoża dowolnym z wielu materiałów. Techniki według niniejszego wynalazku są stosowane do obróbki podłoży o potencjalnie wielu kształtach i rozmiarach, takich jak duże płaskie arkusze, duże ukształtowane arkusze, pierścienie tłoków, wykładziny cylindrów, dysze sprayów, wnętrza długich elementów cylindrycznych, gniazda zaworów itp.

Techniki według niniejszego wynalazku są stosowane do obróbki podłoży o potencjalnie dowolnym składzie materiałowym, w tym materiałów nadprzewodzących.

Techniki według niniejszego wynalazku są rzeczywiście heteroepitaksjalne, pozwalając na wytwarzanie podłoża o dowolnej potencjalnie orientacji na powierzchni podłoża lub

177 873 podłoża utworzonego uprzednio, w tym podłoża o kształcie litery „L” i struktury podłożowe o kierunku początkowo prostopadłym, a następnie równoległym do powierzchni podłoża.

Techniki obróbki według niniejszego wynalazku pozwalają na wytworzenie strefy konwersji pod powierzchnią podłoża i strefa konwersji może działać jako wspomaganie zintensyfikowanej dyfuzji wiążącej warstwę powłoki wytworzoną na podłożu.

Obok powłoki wytworzonej na powierzchni podłoża, jak np. powłoki diamentowej, techniki według niniejszego wynalazku ułatwiają tworzenie takiej powłoki przy szybkości i grubościach, które nie mogą być osiągnięte przy zastosowaniu procesów według dotychczasowego stanu techniki. Na przykład, powłoka może być wytworzona z szybkościami przekraczającymi 100 pm/godz, dając 1 mm/min, 3 mm/min i 10 mm/min. Mogą być wytwarzane powłoki o końcowych grubościach (t) przekraczające 100 pm, dające 1 mm, 3 mm i 10 mm.

Obok obróbki podłoża celem utworzenia strefy konwersji materiału złożonego, techniki według niniejszego wynalazku ułatwiają tworzenie takiej strefy konwersji przy szybkościach i głębokościach 30 pm/godz, dając 0,5 mm/min, 1 mm/min i 3 mm/min. Mogą być wytwarzane strefy konwersji z głębokościami końcowymi (d) wynoszącymi 30 μ, dają 0,5 mm, 1 mm i 3 mm.

Technika obróbki według niniejszego wynalazku ma charakter ciągły i przezwycięża ograniczenia obróbki wsadowej, które występują w przypadku techniki dotychczasowej. Podłoża o wymiarach przekraczających 152,4 mm (6 cali), więcej niż 203,2 mm (8 cali), większe niż 254 mm (10 cali), większe niż 762 mm (30 cali) i większe niż 2540 mm (100 cali) mogą być obrabiane z powodzeniem przy pomocy technik według niniejszego wynalazku.

Techniki według niniejszego wynalazku są użyteczne do obróbki podłoża celem ochrony przed korozją, erozją itp. i celem stworzenia powierzchni nieczynnej chemicznie na fragmencie obszaru całego podłoża.

Zaletą technik niskotemperaturowych (bez nagrzewania wstępnego) według mniejszego wynalazku jest to, że podłoże będzie podtrzymywać stabilność wymiarową podczas obróbki, zaś warstwa spodnia nie będzie tracić swojej twardości (np. zawartość węgla w stali).

Ogólnie, jak opisano w niniejszym i w podobnych przypadkach, diament lub diamentopodobna powłoka węglowa (jak również pokrycie innym materiałem) może być utworzona na podłożu bez dodawania materiałów innych niż te (np. węgiel), które występują w podłożu z założenia. Wytworzona powłoka istnieje w podłożu. Powłoka, która jest uformowana istnieje nie tylko na powierzchni podłoża, ale także poniżej powierzchni podłoża i charakteryzuje się wiązaniem dyfuzyjnym, które jest wytworzone pomiędzy powłoką a podłożem. Proces może być stosowany w celu utworzenia powłoki diamentowej, powłoki DLC, lub innej powłoki krystalicznej. Proces jest unikatowy pod tym względem, że może być wykonywany pod ciśnieniem otoczenia, nie wymaga stosowania próżni, ani wysokiego ciśnienia. Ponadto proces może być wykonywany bez znacznego nagrzewania podłoża.

Technika obróbki powierzchni według niniejszego wynalazku może być stosowana do obróbki dowolnej liczby podłoży, w tym podłoży metalicznych i niemetalicznych (podłoża niemetaliczne zawierają ceramikę i podłoża polimerowe). Szczególnymi materiałami, które mogą być poddawane obróbce, lub wprowadzane do układu reakcyjnego są, na przykład (nie wyłącznie): metale (B, Al, Ti, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Re itd.), grafit i węgliki (C, B4C, SiC, TiC, Cr₃C2, WC, węglik niobu, węglik hafnu itd.), azotki (N, TiN, TaN, SRN4, azotek hafnu, azotek aluminium, itd.), bor i borki (B, TaB2, T1B2, WB, FeB, NiB, itd.), krzem i krzemki (Si i różne krzemki, Mo, Fe, Ni, itd.), tlenki (A120₃, SiO, SiO2, itd.) i związki organiczne (PTFE, Kevlar, poliamidy, polimery ciekłokrystaliczne, polietylotetratalan, itd.).

Według jednej z cech niniejszego wynalazku, podłoże może być poddawane obróbce wstępnej (celem dalszego wytwarzania powłoki) przy pomocy jednego z laserów. Na przykład, wiązka z lasera ekscymerowego jest kierowana na powierzchnię podłoża z węglika wolframu w celu usunięcia znaczników szlifowania i zanieczyszczeń oraz usunięcie kobaltu z powierzchni podłoża. Inne zmiany metalurgiczne w podłożu są łatwo indukowane podczas takiej wstępnej obróbki przez dodawanie gazów reagujących celem zmiany chemii powierzchni, w razie potrzeby.

177 873

Według jednego z przykładów wykonania niniejszego wynalazku, techniki obróbki mogą być stosowane w celu szybkiego wykonywania prototypów przedmiotu. W ogólności, obiekt trójwymiarowy jest „budowany” z kolejno wytwarzanych warstw.

Inne obiekty, cechy i zalety wynalazku będą widoczne w świetle poniższego opisu.

Użyty w niniejszym tekście, termin „obróbka powierzchniowa” oznacza zmianę metalurgii podłoża, zawierając „wytwarzanie” jednej lub wielu powłok na powierzchni podłoża lub na powierzchni poprzednio wykonanej powłoki, jak również modyfikację składu podłoża w obszarze podpowierzchniowym (strefa „konwersji” lub „przejściowa”) poniżej powierzchni podłoża. Opisano dwa „tryby” obróbki powierzchniowej - tryb „obróbki wstępnej”, w którym podłoże jest przygotowane do nałożenia kolejnej powłoki przez dowolną technikę i tryb „pokrywania”, w którym powłoka jest wytworzona na powierzchni podłoża. Użyty w niniejszym opisie, termin „podłoże” obejmuje artykuł taki jak, płaskie lub okrągłe narzędzie skrawające. Wynalazek stosuje się także do wybranego obszaru artykułu poddawanego obróbce powierzchniowej. W ogólności technika niniejszego wynalazku obejmuje poddawanie ekstrakcji i reakcji pierwiastka „składowego” (lub „pierwotnego”) z podłoża, poddawanie go reakcji w „strefie reakcji” bezpośrednio ponad powierzchnią podłoża, opcjonalne wprowadzanie „pierwiastka wtórnego” z „wtórnego źródła” celem zwiększenia skali reakcji, dyfundowanie „materiału kompozytowego” (materiał przereagowany, posiadający własną strukturę fizyczną, w tym fazę, zmieniony, zmodyfikowany, zmieniany i/lub po dodaniu do niego jednego lub więcej pierwiastków) z powrotem do podłoża. W ten sposób, w strefie przejściowej istnieją „artefakty” materiału kompozytowego i/lub wytworzonego materiału powłoki, i wytworzona powłoka będzie „związana dyfuzyjnie” z podłożem.

Sposób powierzchniowej obróbki podłoży według wynalazku szczegółowo przedstawiono w odniesieniu do preferowanego wykonania wynalazku, którego przykłady pokazano na załączonych rysunkach. Chociaż wynalazek zostanie opisany na podstawie preferowanych wykonań, rozumie się, że opisane wykonania ograniczają wynalazek jedynie do tych wykonań. Alternatywne rozwiązania, modyfikacje i odpowiedniki są włączone w obręb idei i zakresu niniejszego wynalazku, określonego przez załączone zastrzeżenia.

W głównym przykładzie wykonania omówiono przykłady wytwarzania diamentu pokrywającego wkładki narzędzi skrawających z węglika wolframu. Jednakże, jak zostanie pokazane, wynalazek nie jest ograniczony do tych materiałów.

Na fig. 1 pokazano ogólny schemat blokowy 100 techniki według niniejszego wynalazku. W ogólności wszystkie techniki obejmują kierowanie energii laserowej lasera (korzystnie z trzech różnych laserów) na powierzchnię podłoża celem wywołania systemu reakcji w oparciu o pierwiastki składowe i wprowadzenie pierwiastków wtórnych w odpowiednie połączenia w systemie reakcji. Proces może odbywać się w różnych kierunkach i może być zakończony w różnych punktach swojego przebiegu.

W pierwszym etapie procesu (etap A) energia lasera jest stosowana do uruchomienia (uwolnienia) jednego lub więcej pierwiastków składowych w obszarze pod powierzchnią (strefą) podłoża z odpowiednią jedną szybkością lub kilkoma i przesunięciem jednego lub wielu pierwiastków składowych w kierunku powierzchni podłoża w celu wytworzenia koncentracji jednego lub więcej składowych pierwiastków w strefie podpowierzchniowej, oddzielenia (od innych materiałów w podłożu) i odparowania wybranych ilości fragmentu jednego lub kilku składowych pierwiastków w sposób kontrolowany oraz do przereagowania jednego lub kilku składowych pierwiastków w reakcji gazowej (PGR) występującej bezpośrednio ponad powierzchnią podłoża celem zmodyfikowania fizycznej struktury i własności odparowanego jednego lub kilku składników. Połączenie zmodyfikowanego i niezmodyfikowanego składnika (składników) jest materiałem „kompozytowym”. Ten etap (etap A) zasadniczo przygotowywuje podłoże do dalszego przetwarzania, jak opisano odnośnie etapu B. Proces także może być zakończony na tym etapie jak pokazano w etapie H.

W następnym etapie - etapie B procesu, materiał kompozytowy jest dyfundowany do powierzchni podłoża wytwarzając „strefę konwersji” przechodzącą w podłoże w kierunku od

177 873 powierzchni podłoża. Jest to zasadniczo proces dyfuzji biernej od większej koncentracji materiału kompozytowego w PGR do mniejszej koncentracji materiału kompozytowego w podłożu. Proces może następnie następować w jednym lub dwu kierunkach (etapy C i D opisane poniżej).

W etapie C, proces może być zatrzymany w punkcie pomyślnego uformowania strefy konwersji wykazującej sterowaną koncentrację materiału kompozytowego, np. materiał kompozytowy konwersji może być diamentem lub DLC. Wytwarzanie materiału kompozytowego i jego dyfuzja do strefy konwersji nie zmienia objętości podłoża.

Alternatywnie z etapem C, w etapie D procesu strefa konwersji może następnie być poddawana obróbce przez powtarzanie etapu uruchomienia, odparowania i przereagowania (w sposób podobny do etapu A) materiału kompozytowego w strefie konwersji lub uruchomienia, odparowania i reagowania jednego lub więcej składników z podłoża, lub obie wersje. W przypadku dalszej obróbki materiału kompozytowego w strefie konwersji proces staje się bardziej synergiczny i przebiega z większą szybkością (np. eksponencjalnie). Proces ten jest sterowany celem osiągnięcia dowolnej żądanej koncentracji materiału kompozytowego na powierzchni podłoża i dowolnego pożądanego gradientu materiału kompozytowego w strefie konwersji.

W tym punkcie procesu pokrycie może być wykonane na powierzchni podłoża. Powłoka lub wykonany materiał mogą mieć całkowicie inny skład chemiczny niż strefa konwersji. Celem wykonania powłoki, wtórne źródło może (etap E) ale nie musi (etap F) być wprowadzone do systemu.

W etapie E procesu wtórne źródło (samo podłoże jest uważane za źródło pierwotne) jest aktywowane celem wprowadzenia jednego lub więcej elementów (jeden lub więcej składników podłoża jest traktowany jako element pierwotny) do systemu reakcyjnego. Źródło energii jest stosowane w tym przypadku celem wytworzenia syntetycznego składu powłoki (takiego jak diament lub diamentopodobne) na powierzchni podłoża. Syntetyczny skład powłoki jest materiałem sztucznym zawierającym oba elementy wtórne i materiał kompozytowy, które mogą być jednakowe lub różne.

Jak zauważono powyżej (np. etap D) strefa konwersji będzie utworzona pod powierzchnią podłoża. Ta strefa konwersji może zawierać strefę konwersji pierwotnej i strefę konwersji wtórnej pomiędzy strefą konwersji pierwotnej i powierzchnią podłoża. W ogólności strefa konwersji wtórnej będzie posiadać względnie małą głębokość w porównaniu ze strefą konwersji pierwotnej, i będzie posiadać większą koncentrację jednego lub kilku elementów wtórnych niż obecna w strefie konwersji pierwotnej. Strefa konwersji wtórnej w połączeniu ze strefą konwersji pierwotnej, daje ważną funkcję wiązania, wspomagania i rozkładu naprężeń dla kolejnych procesów wytwarzania powłoki na podłożu. Strefa konwersji pierwotna lub wtórna posiada ogólny wpływ przy definiowaniu parametrów wymaganych do wiązania, podtrzymywania i dystrybucji rozkładów dla kolejnej powłoki wytwarzanej na podłożu, jeżeli istnieje. W ten sposób strefa konwersji posiadająca głębokość „d” może być utworzona pod powierzchnią podłoża, i materiał powłoki o grubości „t” może być wytworzony na powierzchni podłoża.

Na przykład, celem wyprodukowania warstwy o grubości 3 mm (powłoki) z diamentu na stali lub spajanym podłożu węglikowym, strefa konwersji pierwotnej mogłaby wynosić 0,75 mm głębokości i strefa wtórnej konwersji mogłaby posiadać grubość 0,25 mm.

Alternatywnie (względem etapu E) w etapie F procesu, w którym źródło wtórne nie jest wprowadzone do systemu, mała ilość materiału kompozytowego ze strefy konwersji jest uruchamiana, odparowywana i przereagowywana (w sposób podobny do etapu A) celem utworzenia wtórnej strefy konwersji pod powłoką, która następnie może być przeragowywana (przez źródło energii) celem uformowania powłoki na podłożu. Efektem tego jest powłoka wytworzona na podłożu, która prawdopodobnie jest cieńsza niż powłoka, która byłaby wytworzona przy zastosowaniu źródła wtórnego (etap E). Jest jednakże całkowicie możliwe, aby dostateczna ilość składnika była dostępna w samym podłożu celem wytworzenia względnie grubej powłoki na powierzchni podłoża w etapie F

177 873

Na przykład, stosując podłoże z węglika wolframu (np. 92%) w osnowie kobaltowej, źródło energii będzie powodować dezasocjację wolframu i węglika na postać wolframu i węgla, i węgiel będzie elementem składowym (źródło rodzime) do wytwarzania diamentu lub powłoki diamentowej lub DLC na podłożu. Dodatkowo rozpuszczony węgiel w osłonie kobaltowej tworzy także „źródło rodzime” węgla do wytwarzania powłoki diamentowej lub DLC. Technika obróbki powierzchniowej według niniejszego wynalazku jest lepsza w porównaniu z procesami według dotychczasowego stanu techniki (CVD i PVD), w których to procesach kobalt będzie wykazywać niepożądany wpływ na system, tj. zatruwać system i spowalniać tworzenie się powłoki diamentowej lub powłoki DLC. Przy stosowaniu techniki według niniejszego wynalazku, dowolny grafit wytworzony w procesie będzie, korzystnie i w sposób ciągły zamieniany na diament w wytwarzanej powłoce diamentowej. Jest to korzystne, gdyż cały dostępny grafit jest zużyty przez proces. Jednakże nie jest szkodliwe dla przebiegu procesu, jeżeli małe ilości grafitu nie zostaną przekształcone w diament.

W etapie G procesu (który następuje po etapie E w schemacie blokowym procesu) podczas wytwarzania powłoki na podłożu do systemu reakcyjnego może być wprowadzone inne niż poprzednio stosowane wtórne źródło, posiadające różny, jeden lub wiele, element wtórny. Będzie to powodować powstawanie wielowarstwowej powłoki na podłożu. Na przykład, przy rozpoczęciu na podłożu z węglika wolframu, może być następnie wytworzona powłoka (warstwa) węglika tytanu, na której może być wytworzona warstwa azotku a na niej może być wytworzona warstwa diamentu, przez kolejne wprowadzanie elementów wtórnych do systemu reakcji.

W następnym przykładzie gruba powłoka diamentowa może być pokryta cienką powłoką regularnego azotku boru (CN).

Proces ten nadaje się także do wytwarzania powłoki diamentowej na azotku krzemu. Moze także być stosowany do wytwarzania struktury kompozytowej z diamentu i CN, lub vice versa celem wytworzenia struktury kompozytowej cząstek diamentu zmieszanych z węglikiem krzemu lub azotkiem krzemu.

Jak przedstawiono w etapie H procesu, w pewnych okolicznościach, może być pożądane uniknięcie (lub zminimalizowanie) dyfuzji materiału kompozytowego z powrotem do podłoża (patrz etap B), w którym to przypadku proces może być powstrzymywany po uruchomieniu, odparowaniu i przereagowaniu jednego lub kilku składników podłoża w etapie A. Jest to korzystne do wytwarzania bardzo cienkich powłok na powierzchni podłoża, np. może być pożądane utworzenie cienkiego pokrycia diamentowego lub DLC na powierzchni podłoża np. drutu miedzianego lub poniżej powierzchni podłoża bez wpływania na początkową objętość (np. wymiary) podłoża. Przykładowo ilość składników materiałowych wybranych obszarów całego obszaru pierścienia nośnego łożyska kulkowego lub wałeczkowego może być zwiększana bez wpływu na objętość tego pierścienia.

Jest także możliwe, aby schemat blokowy procesu mógł przebiegać bezpośrednio od początkowego uruchomienia, odparowania i przereagowania (etap A do etap B) do wprowadzania wtórnego źródła do systemu reakcyjnego (ta procedura okrężna jest używana jako etap procesu i jest pokazana jako etap I procesu z fig. 1). Przykładowo, celem wytworzenia diamentu na podłożu czystego tytanu, byłoby konieczne wprowadzenie węgla jako pierwiastka wtórnego do systemu (nie ma dostępnego węgla jako składnika w podłożu). Etap uruchamiania, odparowywania i reagowania tytanu z podłoża będzie służyć do utworzenia wiązania dyfuzyjnego z kolejno wytworzoną powłoką diamentową lub dLc. Np. przy rozpoczęciu procesu na podłożu krzemowym węgiel może być wprowadzony przez źródło wtórne celem wytworzenia krzemu z węglika krzemu w strefie konwersji. Następnie węglik krzemu może być przekształcony w diament. Albo np. azot może być wprowadzony przez źródło wtórne celem wytworzenia krzemu z azotkiem krzemu w strefie konwersji i jeśli jest to pożądane, źródło wtórne może być używane kolejno celem dostarczania węgla do systemu reakcyjnego, oraz utworzenia diamentu lub warstwy DLC w strefie konwersji.

177 873

Na fig. 2A pokazano przekrój przykładowego podłoża poddanego obróbce 200, które zostało poddano obróbce według niniejszego wynalazku, dla jednego lub kilku etapów procesu opisanego w odniesieniu do fig. 1. Pokazano na nim podłoże 202 posiadające powierzchnię górną 204, wtórną strefę konwersji 206 utworzoną pod powierzchnią podłoża, pierwotną strefę konwersji 208 utworzoną nad wtórną strefą konwersji 206 i powłokę 210, która została wytworzona na powierzchni podłoża. Podłoże 200 poddawane obróbce mogłoby być efektem np. wykonywania etapów procesu A, B, D i E z Fig. 1. Jak zauważono powyżej, wtórna strefa konwersji 206 będzie posiadać grubość (d2) typowo mniejszą niż grubość (dl) pierwotnej strefy konwersji i będzie wykazywać większą koncentrację materiału kompozytowego niz pierwotna strefa konwersji. W agregacie, głębokość (d) stref konwersji wynosi d1 + d2 = d. Grubość wytwarzanej powłoki wynosi „t”.

Figura 2B pokazuje przekrój przykładowego podłoża 220 poddawanego obróbce, które zostało poddane obróbce według niniejszego wynalazku, opisanych w odniesieniu do fig. 1 Pokazano na niej podłoże 222 posiadające powierzchnię górną 224, pierwszą warstwę powłoki 226 o grubości t1 utworzoną na wierzchu powierzchni podłoża (dla jasności obrazu pominięto na rysunku pierwotną strefę konwersji i wtórną strefę konwersji), drugą warstwą powłoki 228 o grubości t2 utworzona na wierzchu poprzedniej (na rysunku) powierzchni pierwszej warstwy powłoki 226, i trzecią warstwę powłoki 230 o grubości t3 utworzoną na wierzchu powierzchni drugiej warstwy powłoki 228. Takie podłoże 220 poddawane obróbce mogłoby być efektem np. wykonywania etapów procesu A, B, D i C (z fig. 1).

Powłoka wielowarstwowa taka jak pokazana na fig. 2B jest łatwa do wytworzenia metodą obróbki według niniejszego wynalazku, np. w następujący sposób: pierwsza warstwa powłoki 226 może być utworzona z połączenia elementu składowego podłoża i pierwszego elementu wtórnego wprowadzonego do systemu reakcji przez źródło wtórne, druga warstwa powłoki 228 może być utworzona z połączenia składnika pierwszej warstwy powłoki 226 i drugiego wtórnego elementu wprowadzonego do systemu reakcyjnego przez źródło wtórne, trzecia warstwa powłoki 238 może być utworzona z połączenia składnika z drugiej warstwy powłoki 226 i trzeciego elementu wtórnego wprowadzonego do systemu reakcyjnego przez źródło wtórne. W zależności od zastosowania, może być wytworzona dowolna liczba warstw przy założonym wstępnie składzie chemicznym materiału.

Powyższy przykład pokazuje elastyczność i sterowalność systemu reakcji, mianowicie charakter i skład wytworzonej powłoki reguluje się po prostu przez wprowadzenie, w tym przypadku, sekwencji różnych pierwiastków wtórnych do systemu reakcyjnego. Jak będzie pokazane w dalszym omówieniu, istnieje wiele dodatkowych cech charakterystycznych metodę według niniejszego wynalazku, które pozwalaaą na uzyskanie wysokiego stopnia sterowalności i selektywności przy identyfikowaniu składu materiału, w tym wytwarzaniu powłok.

Figura 3 przedstawia schematycznie działanie sposobu obróbki powierzchni 300 według niniejszego wynalazku. Trzy oddzielne i różne lasery 312, 314 i 316 kierują swoje wiązki przez odpowiedni system podawania wiązek (BDS) 322, 324 i 326 na powierzchnię 304 podłoża 302. Jak przedstawiono, wiązki są kierowane tak, aby skupiały się na wybranym obszarze 330 podłoża, wyznaczając wybrane obszary (każdy mniejszy niż całe podłoże) powierzchni podłoża, które mogą być obrabiane. Celem obrabiania całej powierzchni podłoża (a) wybrany obszar 330 musi być równy lub większy niż cały obszar powierzchni podłoża, albo (b) musi być zapewniony mechanizm powodujący względny ruch pomiędzy podłożem i wiązkami, celem „skanowania” wybranego obszaru obróbki na całej powierzchni podłoża. Na rysunku przedstawiono, że podłoże może być przesuwane względem wiązek, w kierunku wskazanym przez strzałkę 332, w wyniku czego względny obszar, na którym wiązki zbiegają się w kierunku przeciwnym wskazanym przez strzałkę 334 do powierzchni jest traktowany jako obszar większy niż wybrany obszar podłoża. Każdy specjalista w opisywanej dziedzinie, której dotyczy wynalazek będzie rozumiał, że różne mechanizmy zrobotyzowane/zautomatyzowane, pozycjonujące, mogą być łatwo zastosowane do wytworzenia takiego względnego ruchu pomiędzy podłożem i wiązkami, że ścieżka skanowania może być sterowana w dowolny,

177 873 odpowiedni (żądany) sposób. Np. podłoże 302 może być utrzymywane w mechanizmie pozycjonującym takim, jak mechanizm wykonawczy (np. XYZ) robota wieloosiowego, w którym to przypadku będzie możliwe przesuwanie podłoża w dowolnym kierunku X, Y i Z, co jest uzyteczne przy obróbce podłoży o złożonej geometrii i/lub wielokrotnych powierzchni podłoża. Dla podłoża płaskiego o powierzchni planarnej jest dopuszczalne przesuwanie podłoża przy użyciu prostszego mechanizmu, takiego jak stół pozycjonujący XY. Jednakże może być konieczne przy specjalnych zastosowaniach kontrolowanie dodatkowych konfiguracji, w tym sterowanie punktów ogniskowych i kątów wiązki. Każdy specjalista w dziedzinie, której dotyczy wynalazek, łatwo zrozumie, że takie skanowanie samych wiązek może być wykonane przy użyciu sterowania komputerowego przy odpowiednich nastawach (galwos) i zaprogramowanie na śledzenie żądanej ścieżki, przy czym przerywanie sterowania na części obszaru powierzchni podłoża dla dowolnego czasu i poziom energii punktów ogniskowych może być realizowane w sposób selektywny.

Dla pewnych zastosowań może być pożądane posiadanie zarówno urządzenia do skanowania wiązek jak i wieloosiowego mechanizmu pozycjonowania podłoża celem uzyskania wymaganych rezultatów. Jedną z korzyści stosowania mechanizmu typu „robot” wykonującego ruch podłoża jest to, że ten sam mechanizm może być stosowany do podnoszenia podłoży w celu obróbki powierzchniowej i do umieszczania (dostarczania) podłoży po obróbce powierzchniowej. Specjalista w dziedzinie, której dotyczy wynalazek łatwo zrozumie, że taki ruch podłoża może być wykonywany przy sterowaniu komputerowym i programowany.

Źródła energii lasera 312, 314 i 316 mogą być ogniskowane, rozpraszane, poddawane zbieżności, rozbieżności, transportowane itp. przez nałożenie odpowiednich elementów optycznych celem uzyskania tych funkcji na ścieżce wiązki, która może być sterowana przez numeryczne sterowanie komputerowe. Tego rodzaju elementy optyczne są w ogólności pokazane jako systemy podawania wiązki (BDS) (322,324, 326).

Każdy z tych trzech laserów stosowany w obróbce powierzchni podłoża przyczynia się do powodowania określonych reakcji, następująco: pierwszy z laserów 312 (LASER 1) jest stosowany do odparowania elementu składowego (wytworzenie fazy gazowej) i do przerwania wiązań chemicznych w odparowanym składniku. Pierwszy z laserów jest, korzystnie laserem ekscymerowym działającym np. przy długościach fali 192, 248 lub 308 nm. Takie lasery ekscymerowe są użyteczne do odparowania dowolnej liczby składników. W wielu okolicznościach laser ekscymerowy będzie miał wyłączną lub pierwotną (wiodącą) rolę w powodowaniu odparowania elementu składowego i w zainicjowaniu początkowej reakcji gazowej (PGR) ponad powierzchnią podłoża. W pewnych okolicznościach, laser ekscymerowy będzie zastępowany w tych rolach przez inny z laserów (np. 314), drugi z trzech laserów 314 (LASER 2) jest stosowany, pierwotnie, do sterowania funkcją dyfuzji (tj. etapem B) i także równoważy termiczną reakcję gazową i stechiometrię reakcji fazy gazowej. Laser ten jest, korzystnie laserem Nd:YAG, i normalnie zakłada się jego wspierającą rolę (w sensie potocznym) względem głównej roli lasera ekscymerowego. W pewnych przykładach wykonania laser Nd:YAG będzie wspomagał odparowywanie elementu składowego, zwłaszcza w przypadku jasnego (odbijającego światło materiału), a w pewnych okolicznościach laser Nd:YAG będzie przejmował rolę wiodącą i będzie wspierany przez laser ekscymerowy (role lasera ekscymerowego i lasera Nd:YAG mogą się zamienić). W ogólności, przy jednoczesnym stosowaniu lasera ekscymerowego i lasera Nd:YAG do inicjacji odparowania elementu składowego i zrównoważenia reakcji, istnieje oddziaływanie pomiędzy dwoma laserami, które utrzymuje mechanizm reakcji w równowadze. W każdej sytuacji jest korzystne stosowanie obu laserów do podtrzymywania reakcji. Na przykład, jeżeli jest pożądane wytwarzanie powłoki diamentowej, większe możliwości i moc lasera ekscymerowego będą zwykle powodować jego priorytet w inicjowaniu reakcji fazy gazowej, i będzie on wspomagany przez laser Nd:YAG.

Trzeci z laserów 316 (LASER 3), korzystnie laser C02 jest stosowany do zrównoważenia termicznej, fizycznej gazowej i chemicznej reakcji przebiegającej ponad powierzchnią

177 873 podłoża. Głównym zadaniem lasera CO2 jest zapewnienie odpowiedniego bilansu termicznego i zapobieganie powstawaniu gradientu temperatury w reagujących gazach. Laser CO2 zapewnia uzyskanie minimalnej równowagi temperaturowej dla reakcji gazowej i polaryzuje temperaturę reakcji. Laser C02 zwiększa także synergię pomiędzy reakcją odbywającą się nad powierzchnią podłoża i reakcją gazową odbywającą się na powierzchni podłoża. W pewnych okolicznościach (tj. przy pewnych materiałach podłoża); laser CO2 mógłby także być wykorzystywany do zainicjowania reakcji (tj. do przejęcia pierwszeństwa przed laserem ekscymerowym w zakresie jego funkcji).

Jakkolwiek pokazane zostały na fig. 3 lasery kierujące swoje wiązki odpowiednio na wybrany obszar 330 podłoża pod różnymi kątami (zbiegające się na plamce 300), w zakresie niniejszego wynalazku jest zawarte również kierowanie wiązek np. współosiowo ze strefą reakcji. Ogólnie jednak, ze względu na synergię wywoływaną przez trzy lasery, powinny być one skierowane na ten sam punkt 330 na podłożu.

Figura 4 przedstawia system obróbki powierzchni 400 nadającej się szczególnie do wprowadzenia jednego lub kilku elementów wtórnych. Na figurze tej trzy lasery (np. trzy lasery 312, 314 i 316 z fig. 3) są pokazane jako jeden (połączony) element 410 posiadający wiązki przez system podawania wiązek (BDS) 412. Wiązki są skierowane na wybrany obszar 430 (porównać z 330) powierzchni 404 (porównać z 304) podłoża 402 (porównać z 302), i względny ruch pomiędzy wiązką (wiązkami) i podłożem 402 jest wskazywany przy pomocy strzałek 432 i 434 (porównać 332 i 334). W systemie obróbki powierzchniowej 400 z fig. 4, dane jest także przynajmniej jedno źródło wtórne (ŹRÓDŁO WTÓRNE 1) 420. Mozę być zastosowany zespół (N) wtórnych źródeł, jak wskazano przy pomocy źródła wtórnego (ŹRÓDŁO WTÓRNE N) 422. Jedno lub więcej źródeł wtórnych wprowadza jeden lub więcej elementów wtórnych do układu reakcyjnego (elementy składowe podłoża są uważane za źródła pierwotne w reakcji), przy czym elementy wtórne mogą występować w postaci gazu, pary, proszku lub w innej odpowiedniej formie w celu zintensyfikowania reakcji występującej w strefie reakcji bezpośrednio ponad powierzchnią podłoża. Element wtórny jest odpowiednio podawany przez dysze (JET) przystosowaną do kierowania strumienia elementu wtórnego na strefę reakcji, także element (elementy) wtórny może przyczyniać się do zachodzenia reakcji, która jest inicjowana przez wiązki laserowe. Preferowane jest, aby element wtórny był kierowany w kierunku tego samego obszaru 430 podłoża, gdzie kierowane są wiązki laserowe, ale jest także możliwe wprowadzenie źródła wtórnego w innym wybranym obszarze podłoża, lub proste „zanurzenie” podłoża (to jest całkowitej powierzchni podłoża) przy pomocy elementu (elementów) wtórnego. Dzięki wprowadzeniu elementu wtórnego do reakcji, powłoka może być wytwarzana na powierzchni podłoża, np. tak jak opisano w odniesieniu do etapu E w schemacie blokowym z fig. 1.

Element wtórny jest wprowadzany do układu reakcyjnego przy użyciu dowolnego z wielu znanych sposobów, takich jak spraying, dyspergowanie, nakładanie, ablacja albo inny dowolny ze sposobów i może być wprowadzany w dowolnej postaci, takiej jak ciecz, gaz, ciało stałe, plazma, proszek lub tym podobne. Np. gazowy element wtórny może być wprowadzony w układ reakcyjny przy stosowaniu dyszy pod ciśnieniem, która jest zaprojektowana do dostarczania gazowego elementu wtórnego w osłonie innego (np. obojętnego) gazu, który będzie ogniskować (kierować) dostarczanie wtórnego elementu przez spiralnie sterowane zawirowanie gazów wychodzących z dyszy. W ten sposób element wtórny może być skierowany do tego samego wybranego obszaru, co padająca wiązka energii. Odpowiednio do jednej z cech wynalazku gazowy element wtórny (SS) i gaz osłonowy (ekranujący) (SG) mogą służyć jako elementy wtórne. Dla procesu, gdy źródło wtórne nie jest wymagane (patrz np. etapy C, F i H w schemacie blokowym przepływu, opisanym powyżej), element wtórny może być także dobrany, aby służyć jako „osłona” od otoczenia, bez konieczności stosowania próżni. W tym przypadku element wtórny (i gaz osłonowy) może być gazem czystym lub obojętnym. W zależności od sposobu obróbki, funkcja osłony może nie być konieczna.

177 873

Figura 5 przedstawia przykład wykonania dyszy 500 odpowiedniej do wprowadzania gazowego elementu wtórnego (ze źródła wtórnego) do układu reakcyjnego. W tym wykonaniu dysza 500 jest odpowiednia do wprowadzania trzech różnych gazów, gazowego elementu wtórnego (SS), gazu osłonowego (SG) oraz gazu „buforowego” (BG).

Dysza 500 jest pierścieniowa, posiada część korpusu w kształcie pierścienia 508 i centralny osiowy otwór 506. Podczas stosowania dysza 500 jest umieszczona ponad powierzchnią podłoża (PODŁOŻE) podlegające obróbce. Trzy promienie laserowe El, E2 i E3 mogą być skierowane przez centralny otwór dyszy na podłoże.

W tym wykonaniu dyszy 500 gaz osłonowy (SG, taki jak azot) jest wprowadzany przez niższy (bliższy powierzchni podłoża) wlot 530 dyszy, przechodzi przez pierścień 532, przez korpus dyszy i następnie jest wyrzucony przez część wylotową 534 do otworu centralnego (wewnętrzna średnica) dyszy. Źródło wtórne (SS, takie jak dwutlenek węgla) jest wprowadzane przez pośredni wlot 520 dyszy, przechodzi przez pierścień 522 przez korpus dyszy, i jest następnie wyrzucony przez część wylotową 524 do centralnego otworu dyszy. Ponieważ źródło wtórne jest wyrzucane powyżej (jak pokazano na rysunku) gazu osłonowego, może ono ulegać reakcji pod wpływem energii lasera (1, 2, 3) i być osłaniane przez gaz osłonowy. Gaz buforowy (BG), analogiczny do czynnika sensytyzującego, może być wprowadzony łącznie, ze źródłem wtórnym, tak jak powyżej. Gaz buforowy jest wybrany (jeśli potrzeba) do wspomagania energii transferu wiązek laserowych do źródła wtórnego, i może działać jako bufor przy przerywaniu zasilania ze źródła wtórnego. Jak pokazano, gaz buforowy jest wprowadzany przez górny wlot 510 dyszy, przechodzi przez pierścieniowy runner 512 na wskroś korpusu dyszy i jest wyrzucany przez część wylotową 514 do centralnego otworu dyszy. Ponieważ gaz buforowy jest wyrzucany z dyszy powyżej źródła wtórnego (jak pokazano na rysunku), jest on w stanie absorbować energię laserową (El, E2, E3) w celu dalszego jej przeniesienia do gazu źródła wtórnego. Dysza 500 jest umieszczona w odległości (h) ponad podłożem, która jest ustalona celem określenia dostatecznego czasu (tj. odległość x szybkość propagacji) dla reakcji gazu i zasadniczego jej zakończenia pomiędzy dyszą a podłożem.

Figury 5A i 5B przedstawiają alternatywny, preferowany (np. do wytwarzania powłoki diamentowej na podłożu z węglika wolframu) przykład wykonania dyszy dostarczającej gazu wtórnego źródła (SS) i gazu osłonowego do systemu obróbki jest podobny do wykonania dyszy oznaczonej Nr. 500 na fig. 5 pod tym względem, że dysza jest pierścieniowa i posiada centralny otwór, który wiązki laserowe (pokazane prostą strzałką na fig. 5B) skieruje przez gazy w kierunku powierzchni podłoża (nie pokazanej) podlegającego obróbce powierzchniowej. W tym wykonaniu dysza 550 jest skonstruowana warstwowo, jak „sandwich” z dwóch płaskich, pierścieniowych korpusów dyszy 552 i 554, umieszczonych jeden 552 ponad drugim 554. Wierzchni korpus dyszy 552 posiada wlot 561 do odbierania gazu źródła wtórnego (SS), pierścień 562 do przepuszczania gazu wtórnego źródła (w kierunku przepływu cieczy) przez górny korpus dyszy i zespół części wylotowych 564 umieszczonych dokoła wewnętrznej średnicy (iD) korpusu dyszy 552. Jak najlepiej widać na fig. 5A, części zewnętrzne są skierowane stycznie, z uwzględnieniem osi korpusu dyszy w celu wywoływania ruchu wirowego (np. w kierunku wskazówek zegara jak pokazano na fig. 5A) dla wyrzucanego gazu źródła wtórnego. Jak najlepiej przedstawiono na fig. 5B, gaz źródła wtórnego jest preferencyjnie wyrzucany z korpusu dyszy 552 płasko (koplanarnie) względem dyszy. Pozwala to, aby gaz z wtórnego źródła był tak blisko energii wiązki laserowej (BEAMS) jak to możliwe, tak że reakcja gazu źródła wtórnego może się zacząć niezwłocznie. Jak będzie wynikać z omówienia przeprowadzonego poniżej, dysza 550 jest umieszczona w odpowiedniej odległości „h” (patrz np. fig. 7) powyżej powierzchni podłoża celem szukania wtórnego źródła pojawiającego się po reakcji. Jak pokazano na fig. 5B, gaz osłonowy (SG) sprowadzony przez wlot 580 do dolnego korpusu dyszy 554 przechodzi przez pierścień 582, przez dolny korpus dyszy 554 i jest wyrzucany przez zespół części wylotowych 584 do otworu korpusu dyszy. Otwory w dwu korpusach dyszy 554 i 552 są koncentryczne i preferencyjnie posiadają tę samą wielkość. Jak najlepiej widać na fig. 5B, części wylotowe 584 dla gazu ekranującego

177 873 są skierowane do dołu (jak pokazano) w kierunku podłoża poddawanego obróbce. Części wylotowe 584 powinny także być skierowane stycznie, do wykonywanego ruchu wirowego (w kierunku ruchu wskazówek zegara jak pokazano na fig. 5A) ze względu na osie korpusu dyszy celem wyrzucenia gazu źródła wtórnego. Powoduje to ruch (przedstawiony linią 590) gazu osłonowego, który będzie osłaniał i kierował źródło wtórne w kierunku podłoża.

Celem uproszczenia obróbki, korpusy dyszy 552 i 554, pierścienie 562 i 582 są utworzone jako otwory przelotowe przechodzące do dolnej powierzchni odpowiednich korpusów dyszy (jak pokazano). Powierzchnia górna dolnego korpusu dyszy 554 zamyka otwory pierścienia 562 w górnym korpusie dyszy 552, zaś prosta płytka pierścieniowa 592 ze środkowym otworem zamyka pierścień 582 w dolnym korpusie dyszy 554.

W ogólności korzystne jest przygotowanie powierzchni podłoża, która ma być pokryta powłoką do obróbki. Ślady szlifowania i zanieczyszczenia mogą być obecne na powierzchni i powinny zostać usunięte. Polerowanie i chemiczne wytrawianie są znanymi procesami do wykonania obróbki wstępnej. W ogólności wytrawianie chemiczne podłoża wymaga używania niebezpiecznych chemikaliów i powoduje powstawanie toksycznych odpadów, z których każdy wprowadza komplikacje do systemu nakładania powłok na podłoże. Ponadto każda odmiana składu podłoża wymagałby zastosowania swoich własnych odpowiednich środków chemicznych do wykonywania takiego trawienia. Według niniejszego wynalazku, podłoża różnego typu są przygotowywane do wytworzenia powłoki przy zastosowaniu tego samego lasera (laserów), które już są na miejscu w związku z wytwarzaniem powłok.

Według jednej z cech niniejszego wynalazku, system obróbki powierzchniowej np. 300, może być stosowany nie tylko do wykonywania obróbki powierzchniowej na podłożu, ale może także być stosowany do wykonywania obróbki wstępnej. Ogólnie rzecz ujmując istnieje sposób kontrolowania parametrów laserów, względem gazów.

Figury 6A i 6B przedstawiająjak podłoże może być poddane obróbce wstępnej razem z procesem obróbki powierzchniowej według niniejszego wynalazku. Proces obróbki wstępnej może być wykonywany przed (tj. oddzielnie) albo łącznie z procesem obróbki powierzchniowej opisanym w związku z fig. 1.

Według jednego z przykładów wykonania wynalazku technika obróbki wstępnej może być stosowana jako prekursor celem scharakteryzowania powierzchni podłoża dla następującego później procesu nanoszenia powłoki, łącznie z CVD itp.

W ogólności w przykładzie wykonania pokazanym na fig. 6A podłoże z węglika wolframu 602 będzie wykazywać ziarna 630 węglika wolframu, które są otoczone i pokryte przez kobalt 632. Jak wspomniano powyżej, obecność kobaltu może rodzić problemy w kontekście tworzenia powłok diamentowych na podłożu. Szczególnie kłopotliwe jest, gdy kobalt jest obecny na powierzchni podłoża. Według jednej z cech niniejszego wynalazku, zmiany składu chemicznego powierzchni mogą być indukowane w takich podłożach, jeśli jest to wymagane. Na przykład skład chemiczny podłoża z węglika wolframu może być zmieniony celem uwidocznienia stabilnego azotku kobaltu.

Według innej cechy niniejszego wynalazku, podłoże poddane jest wstępnej obróbce przez zastosowanie jednego z laserów (np. lasera ekscymerowego) do ablatowania kobaltu (jak również niewielkiej ilości węglika wolframu) z powierzchni substratu, w wyniku czego wyeksponowane zostaną ziarna 634 węglika wolframu, i wykonywanie innych znaczących funkcji metalurgicznych opisanych bardziej szczegółowo poniżej. Ponadto kobalt może być także poddawany reakcji celem utworzenia stabilnego azotku kobaltu. Kobalt może być ablatowany a także części WC i Co mogą być poddane reakcji w celu utworzenia stabilnego azotku węgla lub azotku kobaltu. W razie potrzeby azot może być wprowadzany podczas obróbki wstępnej w celu utworzenia azotku kobaltu. Azot może być wprowadzony w celu utworzenia azotku kobaltu, i zmienienia składu chemicznego powierzchni podłoża celem otrzymania stabilnego azotku kobaltu lub azotku węgla pomocnego przy orientacji krystalograficznej dla uzyskania większej ilości diamentów o płaszczyźnie 1-0-0.

177 873

Figura 6B przedstawia podłoże z węglika wolframu 602, które zostało wstępnie poddane obróbce i jak pokazano, proces obróbki wstępnej spowodował pożądane zaokrąglenie szczytów ziaren węglika wolframu. W ten sposób (tj. przez wstępną obróbkę podłoża w celu przygotowania/pokrywania powierzchni) ujawniają się różne zalety. Ilość kobaltu może być zminimalizowana lub nawet całkowicie wyeliminowana od strony czołowej powierzchni, ślady polerowania i zanieczyszczenia mogą być usunięte z tej powierzchni a struktura ujawnionego węglika wolframu może być sterowana i modyfikowana. Ogólnie, przez wykonywanie takiego procesu obróbki wstępnej przed wykonaniem procesu obróbki powierzchniowej (np. pokrywaniem) późniejszy proces obróbki powierzchniowej może być znacznie lepiej kontrolowany przez narzucenie znanych (np. powtarzalnych) charakterystyk na powierzchnię podłoża poddawanego obróbce. Jak pokazano na fig. 6B obszar podpowierzchniowy rozciągający się na głębokość d został oczyszczony z kobaltu. W ogólności jest to prekursor do strefy konwersji opisanej powyżej. Dodatkowe szczegóły dotyczące parametrów procesu są podane w przykładach przytoczonych poniżej.

Oprócz ujawniania i zaokrąglenia ziaren węglika wolframu proces obróbki wstępnej według niniejszego wynalazku wywołuje zmiany metalurgiczne na powierzchni podłoża. Na przykład (ponownie w kontekście podłoża z węglika wolframu spajanego kobaltem), może być utworzony diament o orientacji krystalograficznej 1, 0, 0, co posłuży jako wysoce pożądany punkt nukleacji dla późniejszego wytwarzania powłoki diamentowej (lub DLC) na powierzchni podłoża. Ponownie nie uwzględnia to techniki stosowanej do nanoszenia powłoki na tym podłożu i jest użyteczne dla procesów CVD itp. Jednakże jak będzie pokazane, stosowanie procesów wytwarzania powłok według niniejszego wynalazku będzie powodować efekt synergii i wyniki eksponencjalne, ponieważ to samo wyposażenie laserowe jest stosowane zarówno do obróbki wstępnej (przygotowania, charakteryzowania) i do obróbki właściwej (wytwarzania powłoki na podłożu). Ponadto (ponownie w kontekście podłoża z węglika wolframu spajanego kobaltem), w procesie obróbki wstępnej według niniejszego wynalazku, korzystnie wytwarza się kompleks węgiel + azotek + azotek kobaltu lub przewidzianą orientację w dolinach pomiędzy szczytami węglika wolframu, który jest bardzo odpowiedni do późniejszego nakładania powłok (albo do jednoczesnego wytwarzania powłoki).

Cały schemat blokowy procesu (fig. 1) zastosowanie trzech laserów (fig. 3), wprowadzenie źródła wtórnego (fig. 4, 5, 5A, 5B) i obróbki wstępnej (fig. 6A, 6B) zostały opisane poniżej.

Figura 7 przedstawia kompletny system obróbki powierzchni 700 odpowiedni do przeprowadzenia całego zakresu etapów procesu wymienionych na fig. 1, stosujący proces z trzema laserami przedstawiony na fig. 3 oraz zawierający wprowadzenie jednego lub kilku źródeł wtórnych jak przedstawiono na fig. 4, wykorzystujący preferowaną konstrukcję dyszy taką, jaka została zaprezentowana na fig. 5A i 5b i odpowiedni do wykonywania obróbki wstępnej opisanej w odniesieniu do fig. 6A i 6B.

System obróbki powierzchniowej zawiera trzy lasery: ultrafioletowy laser ekscymerowy (LASER 1712, podczerwony laser Nd:YAG (LASER 2) 714 i podczerwony laser C02 (LASER 3) 716. Każdy laser emituje wiązkę, która jest kierowana przez wiązkę w dyszy 722 w kierunku powierzchni podłoża 702. Dysza 722 posiada oś 723, która jest najkorzystniej prostopadła (90°) do powierzchni podłoża 702. Laser ekscymerowy 712 jest skierowany, pod pierwszym kątem (theta 1) w kierunku powierzchni podłoża. Laser Nd:YAG 714 jest skierowany pod drugim kątem (theta 2) w kierunku powierzchni podłoża. Laser C02 716 jest skierowany, pod trzecim kątem (theta 3) w kierunku powierzchni podłoża. W przykładowym wykonaniu wynalazku, pierwszy kąt-11 = 0° (równoległy do osi dyszy) drugi kąt-t2 = -30° i trzeci kąt-t3 = +30°. Jednakże, w zakresie niniejszego wynalazku mieści się to, że trzy wiązki laserowe mogą być skierowane współosiowo lub równolegle względem siebie (t1, t2, t3 = 0°) przez otwór w dyszy. Dysza 722 jest umieszczona w odległości występu „h” ponad powierzchnią podłoża 702.

177 873

Gazowe źródło wtórne (SS) 720 (np. gaz zawierający węgiel tak jak dwutlenek węgla) jest podawany przez dysze 722 i gaz osłonowy (SG) 724 (niereaktywny lub obojętny) gaz, taki jak azot, hel, argon, itp. są podawane przez dyszę. W ogólności te trzy wiązki laserowe są kierowane przez dysze skupiając się na wybranym obszarze podłoża 702 w sposób omawiany powyżej w odniesieniu do fig. 3. Jednakże, w zakresie niniejszego wynalazku mieści się to, że trzy wiązki laserowe posiadają takie wymiary, że każda z nich pokrywa kompletnie powierzchnię podłoża (wybrany obszar obejmuje całą powierzchnię podłoża). W tym przykładzie podłoże ma kształt prostokątny posiadając wymiary „x” i „y” i jest przesuwane (strzałka 732) podczas obróbki powierzchniowej w osi Y.

W przykładzie zastosowania, gdy dopływ gazów 720, 724 jest załączony, wytwarzana jest, bezpośrednio na wierzchu powierzchni podłoża 702 poniżej dyszy, plazma, nie pokazana na niniejszej figurze, (patrz fig. 8). Jak wspomniano powyżej, źródło wtórne jest zamieniane na plazmę, razem z odparowanymi elementami składowymi wytwarzając powłokę na powierzchni podłoża.

Ogólnie zadaniem lasera ekscymerowego 712 jest wykonywanie ablacji powierzchni, załamywanie źródła wtórnego (SS) i inicjowanie syntezy wiązań i wzrostu (wytwarzania) powłoki na powierzchni podłoża. Laser Nd:YAG 714 wspomaga laser ekscymerowy w zadaniu rozbijania gazu wtórnego i pełni ważną rolę w dyfuzji, zaś laser CÓ₂ 716 wspomaga utrzymanie bilansu cieplnego reakcji, zarówno w plaźmie jak i w podłożu. Mając to na uwadze, chociaż preferowane jest, aby wszystkie trzy wiązki laserowe przechodziły przez dyszę w zakresie niniejszego wynalazku wiązka z lasera CO₂ 716 może być kierowana do plazmy bez przechodzenia przez otwory w dyszy.

Figura 8 przedstawia urządzenie służące jako uchwyt podłoża podlegającego obróbce i preferowany kształt plazmy („PLASMA”) stosowanej w procesie obróbki powierzchni.

Wyróżniającą się zaletą niniejszego wynalazku jest możliwość wytwarzania plazmy, która znajduje się w ścisłym sąsiedztwie powierzchni podłoża poddawanego obróbce. Ponadto, taka „płaska plazma” „dostarcza” pierwiastków wtórnych na powierzchnię podłoża i zapewnia zlokalizowanie (względem masy) nagrzewanie podłoża.

W tym przykładzie, podłoże 802 jest umieszczone na szczycie podstawki 804, której występ 808 przypomina guzik wystający w górę od jej powierzchni górnej. Występ 808 ma korzystnie mniejszą powierzchnię niż podtrzymywane podłoże, które jest umieszczone koncentrycznie na szczycie występu. Przejście próżniowe 810, przechodzące przez podstawkę 804 jest odpowiednie do „chwytu” (utrzymywania) podłoża na podstawce, i jest dobrze dostosowane do automatycznej manipulacji położeniem w warunkach produkcyjnych.

Plazma pokazana na fig. 8, wytworzona przez system obróbki powierzchniowej taki, jak opisano w odniesieniu do fig. 7, jest plazmą „płaską”, ponieważ jest ogólnie współpłaszczyznowa z powierzchnią podłoża, i jest rozłożona w sposób kontrolowany, (zminimalizowany, pionowo). Tworząc płaską plazmę można lepiej kontrolować reakcję odparowanych z podłoża pierwiastków składowych i pierwiastków wtórnych (pochodzących ze źródeł wtórnych), i lokalizować na powierzchni podłoża, które ma być poddawane obróbce.

Płaski (osadzony) kształt plazmy i jej bliski kontakt z powierzchnią podłoża są korzystne ze względu na możliwość wytwarzania (wzrost) powłoki bezpośrednio na powierzchni podłoża. Innymi słowy, „płaska” plazma oddziały wuje z powierzchnią podłoża. Stwarza to wyraźny kontrast względem systemu CVD, w którym plazma nabiera kształtu cienkich kolumn a pokrycie przypomina „deszcz” padający na powierzchnię podłoża i pozwala na względnie duże szybkości pokrywania przy wytwarzaniu powłok.

Znaczna zaleta wynalazku wiąże się z możliwością wytwarzania plazmy podczas gdy uchwyt próżniowy uzupełnia tworzenie się takiej „płaskiej” plazmy. Ponadto, jak przedstawiono na fig. 8, plazma wytworzona w procesie według mniejszego wynalazku może zostać owinięta wokół krawędzi obrabianego podłoża. Takie „owinięcie” (dokoła krawędzi podłoża) przez plazmę może być zintensyfikowane przy zapewnieniu zespołu dodatkowych przejść próżniowych 812 przez podstawkę, takich, że przepusty te uchodzą na zewnątrz przez gómą

177 873 powierzchnię podstawki 808 jeszcze w obrębie obszaru pod podłożem. Ta sama (lub inna) próżnia, która służy do podtrzymywania podłoża na podstawce będzie służyć do wzmocnienia (intensyfikowania) „owinięcia” plazmy wokół krawędzi podłoża.

Mechanizm reakcji wywoływanej przez połączenie laserów i plazmy można sklasyfikować jako „pirolityczny” i „fotolityczny”. W ogólności, w mechanizmie pirolitycznym, laser(y) służy (służą) do lokalnego nagrzewania podłoża w celu indukowania reakcji termicznej na podłożu, na którym jest wymagane wytwarzanie powłok. Alternatywnie, energia lasera jest absorbowana przez reagent, który jest początkowo wzbudzony do stanów niedysocjacyjnych. Po relaksacji energii, gaz-reagent może dysocjować celem utworzenia cienkich warstw. Podłoże i gaz mogą być nagrzewane jednocześnie. Gdy laser nagrzewa podłoże bezpośrednio, gaz w pobliżu powierzchni jest nagrzewany i dysocjowany przez dyfuzję i mechanizm konwekcyjny.

Ogólnie mówiąc, w mechanizmie pirolitycznym (lub procesie fotochemicznym), laser (y) służy (służą) do dysocjowania fazy gazowej lub molekuł zaabsorbowanych na powierzchni w celu utworzenia atomów osadzonych lub pośrednich, bez znacznego nagrzewania gazu lub powierzchni podłoża. Wzbudzenie laserowe może występować jako pobudzanie przejść elektronowych przez absorpcję fotonu ultrafioletowego lub, alternatywnie, przez absorpcję kilku widocznych fotonów ultrafioletowych. W tym ostatnim przypadku, absorpcja może występować albo w sposób uzgodniony, jak w absorpcji multifotonowej, lub w sposób sekwencyjny, który może, w rzeczywistości, zawierać absorpcję fotonu przez produkty pośrednie. Produkty fotolityczne mogą ulegać dalszemu rozkładowi przez proces pirolizy.

Ogólnie, wyjście lasera ekscymerowego może być skutecznie absorbowane przez dwutlenek węgla (np. ze źródła wtórnego), który prowadzi reakcje fotochemiczne do przerwania wiązań C-O celem utworzenia warstw diamentowych lub reaktywnych warstw pośrednich. Ponieważ dwutlenek węgla jest zasadniczo przezroczysty dla światła wyjścia lasera Nd:YAG, wyjście lasera Nd:YAG jest absorbowane głównie przez pośrednie produkty reakcji wytworzone przez laser ekscymerowy, i przez podłoże, albo przez pewne warstwy leżące na nim.

Figura 9 przedstawia schematycznie cały system 900 obróbki powierzchniowej (podobny do systemu 700). Podłoże 902 jest umieszczone pod dyszą (pamiętaną na tym widoku, dla jasności przedstawienia), energia z lasera 910 jest skierowana na powierzchnię podłoża i bezpośrednio ponad powierzchnią podłoża jeden lub kilka pierwiastków wtórnych jest wprowadzone z jednego lub kilku źródeł wtórnych 920 celem zwiększenia zintensyfikowania reakcji występującej na podłożu. Podłoże może być przesuwane wokół wieloosiowego mechanizmu pozycjonującego 930 (tj. robota wieloosiowego), a działanie tych elementów jest sterowane przez sterownik 940, (taki jak odpowiednio zaprogramowany komputer). Co jest ważne, system może wykonywać sterowanie czasowe (tj. sekwencję załączeń i wyłączeń) laserów 910, jak również zależności pomiędzy impulsami dostarczanymi przez różne lasery.

Poniżej podano przykłady obróbki wstępnej podłoża z węglika wolframu i wytwarzanie powłoki diamentowej, przy zastosowaniu obróbki powierzchniowej opisanej w odniesieniu do fig. 7.

W niektórych z tych procesów istnieją oczywiste liczne zmienne, powodując, że „recepta” procesu staje się różna w zależności od typu podłoża (np. materiału, geometrii, kształtu). Jak zauważono w opisie patentowym Kabacoff (5 176 788), zmienne określające taki proces są liczne, złożone i powiązane ze sobą, co powoduje, że obliczenia lub przewidywania są bardzo trudne. W ogólności, lepszym podejściem jest wypróbowywanie różnych parametrów procesu, obserwowanie uzyskiwanych rezultatów, i empiryczna optymalizacja procesu.

W ogólności, system wytwarzania powłok na podłożu, według niniejszego wynalazku, zawiera trzy lasery, każdy ze swoim własnym systemem podawania wiązki (BDS), oraz dyszę podającą źródło wtórne (SS) w osłonie gazu osłonowego (SG) i tworzącą płaską plazmę na powierzchni podłoża. Bardziej szczegółowo, w odniesieniu do wytwarzania powłok diamentowych na podłożu z węglika wolframu, podłoże może być poddane wstępnej obróbce w celu późniejszego pokrycia go przy zastosowaniu odpowiedniej techniki wytwarzaną na

177 873 podłożu powłoką. Może to być metoda obróbki według niniejszego wynalazku, albo też całkowity proces obróbki powierzchni wykonywany łącznie z trybem obróbki wstępnej i trybem pokrywania.

W poniższych przykładach płaskie podłoże narzędzia skrawającego wykonane z węglika karbidu jest poddawane wstępnej obróbce, albo jest poddawane obróbce zawierającej etapy wstępnego przygotowania i pokrywania w celu uzyskania powłoki diamentowej (lub DLC). Dla uproszczenia zakłada się, że całe podłoże jest obrabiane na raz tj. wiązki posiadają wymiary dostateczne aby „objąć” całą powierzchnię podłoża. Stosowany jest system obróbki powierzchniowej, taki jak opisano w odniesieniu do fig. 7 i 9.

Figura 10 jest wykresem przedstawiającym sterowanie czasowe procesem obróbki wstępnej podłoża celem dalszego wytwarzania powłoki (lub nakładania powłoki przy użyciu procesu CVD, lub podobnego).

Figura 10A jest wykresem przedstawiającym sterowanie czasowe procesem jednoczesnej obróbki wstępnej podłoża (in-sity) i powłoki.

Jak pokazano na fig. 10, proces obróbki wstępnej według niniejszego wynalazku zawiera wyłącznie stosowanie lasera ekscymerowego, zaś ablotowany kobalt jest odpowiednio usuwany przez osłonowy gazowy azot, który jest wprowadzany odpowiednio przez dyszę 550, ale może być również wprowadzany przez powierzchnię podłoża przy pomocy innej prostej dyszy (nie pokazanej).

Figura 10A jest wykresem sterowania czasowego procesem przedstawiającym zsynchronizowanie działania laserów oraz gazów wtórnych i osłonowych, zawierającym obróbkę i wytwarzanie powłoki.

W ogólności, jak przedstawiono na fig. 10A, trzy lasery (laser ekscymerowy, laser Nd:YAG i laser C02) i dwa gazy (CO2 jako źródło wtórne i N2 jako gaz osłonowy) są sterowane synchronicznie w celu wykonania obróbki powierzchniowej w dwóch „trybach” - w trybie obróbki wstępnej i w trybie nakładania powłoki. Fig. 10 jest przedstawia schematycznie czas, w którym każda z tych składowych jest załączana i wyłączana. Liczby na wykresie sterowania czasowego (np. „0”, „12”, „25” itd) oznaczają sekundy.

Jak omówiono w związku z fig. 6A i 6B, system obróbki powierzchniowej według niniejszego wynalazku jest odpowiedni do wykonania obróbki wstępnej podłoża.

Figura 10 przedstawia tryb obróbki wstępnej trwający około 20 sekund, w przedziale czasowym pomiędzy „p0” i „p1”, podłoże jest poddane obróbce wstępnej wyłącznie przez laser ekscymerowy np. 712, w celu przygotowania powierzchni podłoża do dalszej obróbki.

Jak pokazano na fig. 10, w fazie obróbki wstępnej azot (gaz osłonowy) jest także kierowany do przenoszenia materiału ablatowanego (kobalt, tlenki) od podłoża. Korzystnie wiązka laserowa jest podawana na krótki okres (pomiędzy „p1” a „p2”) po wyłączeniu lasera ekscymerowego w celu zapewnienia całkowitego usunięcia materiału ablatowanego z powierzchni podłoża.

Technika obróbki powierzchniowej może być realizowana poprzez łączenie obróbki wstępnej i wytwarzanie powłoki, jak pokazano na fig. 10A. W tym przypadku, w czasie „tO” rozpoczyna się obróbka powierzchniowa. Podczas całego procesu obróbki powierzchniowej, przebiegającego od „t0” do „tS”, laser ekscymerowy np. 712, źródło wtórne np. 720 i gaz osłonowy np. 724 pozostaaą załączone.

Laser ekscymerowy pracuje podczas całego okresu obróbki powierzchniowej („t0” do „t5”), na ogół według parametrów przytoczonych powyżej. Jednakże moc wyjściowa lasera ekscymerowego może być zmodyfikowana „w locie” w trybie pokrywania, mianowicie w celu zainicjowania obróbki wstępnej (w przedziale pomiędzy „t0” a „t1”) i w celu zintensyfikowania pracy „slack” lasera Nd:YAG, który może być wyłączony w czasie „t3” (omówiono poniżej). Podczas procesu obróbki powierzchniowej, laser ekscymerowy pracuje odpowiednio z energią 450 mJ i częstotliwością impulsowania 280 Hz.

Jak pokazano na fig. 10A, nie jest konieczne załączanie lasera Nd:YAG np. 714 niezwłocznie przy „t0”. Jego pierwsze wystąpienie w procesie (tryb pokrywania) może być

177 873 raczej opóźnione o krótki przedział czasowy (np. na 5 sek). W ogólności, podczas przedziału wyłącznej pracy lasera ekscymerowego („t0” do „t1”), strefa krawędzi wiodącej podłoża może być poddana wstępnej obróbce (patrz np. fig. 12B). Podobnie, nie jest konieczne, aby laser Nd:YAG brał udział w całym trybie pokrywania, może skończyć on działanie wcześniej w czasie „t3”, około 10 sekund (np. 12) przed wyłączeniem lasera ekscymerowego.

Podobnie, jak pokazano na fig. 10A, nie jest konieczne załączanie lasera C02 np. 716 niezwłocznie przy „t0”. Jego pierwsze wystąpienie w procesie może być raczej opóźnione o krótki przedział czasowy (np. o 12 sek). Podobnie, nie jest konieczne, aby laser C02 brał udział w całej operacji obróbki, może skończyć on działanie wcześniej w czasie „t4”, około 5 sekund przed wyłączeniem lasera ekscymerowego.

Pierwszy laser: laser ekscymerowy gra główną rolę w ablacji powierzchniowej i przerywaniu wiązań chemicznych w źródle wtórnym (np. C02) i posiada następujące parametry wiązki: długość fali 192 nm, 248 nm lub 308 nm, w zakresie ultrafioletu, preferowane 248 nm, moc wyjściową do 200 W, preferowane 100 W (mała moc, np. 75 W może być stosowana do narzędzi okrągłych), energia impulsu do 500 mJ, preferowane 450 mJ, częstotliwości sekwencji impulsów (współczynnik powtarzania) do 300 Hz, preferowane 280 Hz, gęstość energii do 30 mJ/mm², preferowane 26 mJ/mm², długość impulsu (czas trwania) do 26 ns, preferowane 18 ns, profil wiązki - prostokątny i rozbieżność wiązki - 3,5 miliradianów.

System podawania wiązki (BDS) dla lasera ekscymerowego składa się z prostokątnych soczewek do podawania prostokątnej wiązki (zogniskowanej) o wymiarach 1 mm x 12,7 mm (1/2 cala), i soczewki są umieszczone w odległości około 46 cm (18 cali) w kierunku przeciwnym do kierunku padania wiązki (kierunku lasera) od dyszy, w osi dyszy.

W celu wykonania tylko obróbki wstępnej, (np. fig. 6B), laser ekscymerowy na 20 sek pracuje przy energii impulsu 350 - 380 mJ, impulsowany przy częstotliwości 220 - 250 Hz, przy mocy wyjściowej 100 W i wykonuje ablacje powierzchni (usuwanie śladów powierzchniowych i zanieczyszczeń, usuwanie kobaltu z obszaru powierzchni podłoża).

Celem wykonania kompletnej obróbki powierzchniowej (tj. zintegrowania porządku obróbki wstępnej i nakładania powłoki), laser ekscymerowy pracuje przez 45 sek przy energii impulsu 450 mJ, impulsowany z częstotliwością 280 Hz, z mocą wyjściową 100 W, i powoduje reakcje oraz przerywa wiązania w źródle wtórnym (CO2), a także inicjuje syntezę przez tworzenie wiązań i wzrostu.

Drugi laser: Laser Nd:YAG odgrywa głó-wn^ rolę w funkcji dyfuzji i posiada następujące parametry wiązki: długość fali 1,06 mikrona (E-6 sek), w zakresie podczerwieni, moc wyjściowa do 1500 W, preferowane 1000 W, energia impulsu do 150 J, preferowane 50 J, częstotliwość sekwencji impulsów-fala ciągła, tryb pracy z paczkami impulsów, lub przełączanym współczynnikiem Q do 1000 Hz, preferowane 120 Hz, długość impulsu (czas trwania) do 20 ms, preferowane 1 ms, profil wiązki - okrągły i rozbieżność wiązki - 55 mrad.

System podawania wiązki (BDS) dla lasera Nd:YAG składa się z okrągłych soczewek do podawania okrągłej wiązki (rozproszonej) o promieniu 1,27 cm (1/2 cala), przy czym soczewki są umieszczone w odległości około 46 cm (18 cali) w kierunku przeciwnym do kierunku padania wiązki (w kierunku lasera) od dyszy pod kątem około -30° (30° w jednym kierunku) do osi dyszy.

W trybie wyłącznej obróbki wstępnej, laser Nd:YAG nie jest stosowany.

W zintegrowanym procesie obróbki powierzchniowej, zawierającym tryb obróbki wstępnej i nakładanie powłoki, laser Nd:YAG jest załączony przynajmniej w części procesu (np. „t1” do „t3”, patrz Figura 10A). Laser Nd:YAG jest załączany w 5 sek po załączeniu lasera ekscymerowego, na 35 sek, impulsowany z częstotliwością 120 Hz, przy mocy wyjściowej 1000 W, przy czym wspomaga on laser ekscymerowy przy przerywaniu wiązań w źródle wtórnym (C(Ó2> i odgrywa pierwotną (lub jedyną) rolę przy tworzeniu wiązań dyfuzyjnych.

Trzeci laser: Laser C02 gra główną role w utrzymywaniu równowagi termicznej, i posiada następujące parametry wiązki: długość fali 10,6 mikrona (E-6 sek), w zakresie podczerwieni, moc wyjściową rzędu 500 - 10000 W, preferowane 2000 W, częstotliwość sekwencji

177 873 impulsów do 25 Hz, impuls do 25 psek, częstotliwość superimpulsów do 20 kHz i szerokość superimpulsu do 500 psek, gęstość energii do 0,32 J/cm3, profil wiązki - okrągły, rozbieżność wiązki -1 1/2 mm/m, i czas trwania strumienia impulsów do 5 sek., w trybie pracy strumienia impulsów.

System podawania wiązki (BDS) dla lasera CO2 składa się z okrągłych soczewek do podawania okrągłej wiązki (rozproszonej) o promieniu 12,7 mm (1/2 cala). Soczewki są umieszczone w odległości około 46 cm (18 cali) w kierunku przeciwnym do kierunku padania wiązki (w kierunku lasera) od dyszy pod kątem około +30° (30° w kierunku przeciwnym do kierunku lasera Nd:YAG) do osi dyszy.

W trybie wyłącznej obróbki wstępnej, laser CO2 nie jest stosowany.

W zintegrowanym procesie obróbki wstępnej i nakładania powłoki, laser C02 jest załączony na około 12 sek („t2”) po załączeniu lasera ekscymerowego na 28 sek, impulsowany z częstotliwością superimpulsu 1,5 kHz, przy mocy 2000 W, w celu utrzymywania równowagi termicznej podczas procesu (synergia pomiędzy reakcją powierzchniową a reakcją gazową), zmiany szybkości adsorpcji podczas procesu sterowania temperatury podłoża na około 1 ns. Laser C02 może być wyłączony na krótko przed końcem procesu (tj, w czasie „t4”).

W ogólności, impulsy lasera ekcymerowego i N:YAG będą pracować łącznie celem „młotkowania” (wytworzenie fali uderzeniowej, naprężeń i relaksacji) w składowych plazmy i ich dysocjacje (m.in.). W tym celu, relacje fazowe pomiędzy impulsami podawanymi przez te dwa lasery są preferencyjnie regulowane (koordynowane) celem optymalizacji synchronizowanego „młotkowania”, w zależności od szczególnego zastosowania systemu. Parametry te są, najlepiej, określone empirycznie.

System podawania wiązki (BDS) przenosi wiązkę laserową do „komórki” obróbki powierzchniowej (obszar wykonywania obróbki powierzchniowej), ustala przekrój poprzeczny i ogniskuje wiązki, zawiera soczewki opisane powyżej dla każdego z trzech laserów. Odpowiednio, wiązka lasera ekscymerowego jest dostarczana jako wiązka o przekroju prostokątnym, a wiązki lasera Nd:YAG i CO2 są dostarczane jako wiązki okrągłe (w przekroju).

Gaz osłonowy (obojętny) (SG), który izoluje element wtórny (SS) od otoczenia (np. powietrza) jest to odpowiednio azot (N2), dostarczany przez dyszę np. 550 w postaci gazowej.

W trybie wyłącznej obróbki wstępnej, gazowy azot jest wprowadzany podczas procesu obróbki wstępnej (0 - 20 sek) z szybkością przepływu około 30 s/cm. Azot usuwa ablatowany kobalt lub tlenki. Na koniec trybu obróbki wstępnej, azot przepływa nadal przez kilka sekund celem zapewnienia, że niepożądane (tj. ablatowane) elementy są całkowicie spłukane (skierowane) z powierzchni podłoża.

Podczas zintegrowanego procesu obróbki powierzchniowej azot jest wprowadzany w czasie procesu obróbki (np. 45 sek. podczas gdy laser ekscymerowy jest załączony), z szybkością przepływu 25 s/cm. Podczas tego procesu azot stabilizuje i osłania proces od atmosfery otoczenia. W ogólności, zadaniem gazu osłonowego (np. azotu) jest zapobieganie przed tworzeniem się resztkowych tlenków (z połączeń z tlenem atmosferycznym). Azot osłonowy służy do zapobiegania przed tworzeniem się tlenków, bezpośredniego ablatowania kobaltu i/lub węglika wolframu od powierzchni oraz, jeśli to wymagane, tworzenia azotków (np. azotku węgla lub azotku kobaltu) do wytworzenia preferowanej orientacji krystalograficznej w płaszczyźnie 1, 0, 0.

Element wtórny tj. zawierający węgiel gaz źródła wtórnego (SS) jest to preferencyjnie CO2 i jest podawany przez dyszę w postaci gazowej. Inne gazy zawierające węgiel mogłyby być stosowane, ale są one najczęściej toksyczne (np. CO) lub palne (np. metan).

W trybie wyłącznie obróbki wstępnej nie jest konieczne wprowadzanie gazowego dwutlenku węgla, ponieważ źródło wtórne nie jest wymagane.

Podczas całego procesu obróbki powierzchniowej, dwutlenek węgla jest wprowadzany w czasie całego okresu obróbki (np. 45 sek, podczas gdy laser ekscymerowy jest załączany), przy przepływie 60 s/cm. Podczas procesu, gazowy dwutlenek węgla jest przełamywany

177 873 (przez lasery) na elementy węglowe, służące jako elementy wtórne, zwiększające tworzenie podłoża.

Dysza jest ukształtowana pierścieniowo, posiada umieszczony na niej zespół przepustów dokoła średnicy wewnętrznej, i jest umieszczona w odległości około 15,24 cm (6 cali) nad powierzchnią podłoża. Odległość występu „h” jest dobrana tak, aby umożliwić dysocjację i reakcję elementu wtórnego przed wdyfundowaniem do podłoża i/lub wytworzeniem powłoki na powierzchni podłoża.

Podłoże zawiera węglik wolframu i jest prostokątne, np. wkładka narzędzia skrawającego, o wymiarach 12,7 mm x 12,7 mm (1/2 cala na 1/2 cala). Takie podłoże może zawierać 94% węglika wolframu (W2C) ze środkiem wiążącym w postaci kobaltu (Co) 6%. Kobalt posiada tendencję do migracji w kierunku powierzchni, co nie jest pożądane przy wytwarzaniu powłoki diamentowej (lub węgla diamentopodobnego). W celu usunięcia kobaltu z powierzchni i obszaru podpowierzchniowego używa się lasera ekscymerowego w trybie obróbki wstępnej, wykorzystując fakt, że kobalt paruje szybciej niż węglik wolframu. Po obróbce wstępnej kryształy węglika wolframu (ziarna) są wystawione na powierzchnię podłoża i w pobliżu powierzchni, zaś kryształy węglika wolframu, łącznie z sąsiednim spoiwem Co tworzą pożądany element W2C-Co. Węglik wolframu na powierzchni i element węglik wolframu-kobalt pod powierzchnią daje pożądane punkty nukleacji dla dalszego wzrostu diamentu (w trybie nakładania powłoki).

W przykładzie wykonania proces obróbki powierzchniowej był wykonywany na standardowej wkładce narzędzia skrawającego Kennametal (Latrobe, PA), typy „K68”, o składzie 92% WC, 2% Ta (Nb)C i 6% Co, drobnoziarnisty, poprzeczna wytrzymałość na zrywanie 2000 N/mm², gęstość 14,9 g/cm³ i o twardości HRA 92,7.

Proces obróbki powierzchniowej jest także odpowiedni, na przykład, do stosowania na standardowej wkładce narzędzia skrawającego Kennametal (Latrobe, PA), typu „K313”, o składzie 93,5% WC, 0,5% &3C2 i 6% Co, przeciętna wielkość ziarna 1 pm, poprzeczna wytrzymałość na zrywanie 3000 N/mm2, gęstość 14,9 g/cm3 i o twardości HRA 93.

W ogólności, zintegrowany system obróbki powierzchni według niniejszego wynalazku jest odpowiedni do podłoży „z półki”, bez potrzeby modyfikacji (np. szlifowania, wytrawiania itd.) podłoża przed obróbką.

Chmura plazmowa wykazuje ukośny kształt otaczający przekrój poprzeczny podłoża, i podłoże preferencyjnie przenika przez tę chmurę pokrywając wymagany obszar (np. całą powierzchnię „wierzchnią”) podłoża.

Figura 10B jest wykresem mocy wiązki (P(W), oś pionowa) w funkcji częstotliwości impulsów (F(Hz), oś pozioma) dla lasera ekscymerowego, działającego przy trzech różnych poziomach mocy (100 W, 87,5 W, 75 W). Jak zauważono powyżej, moc 100 W jest odpowiednia do przeprowadzania obróbki płaskich wkładek narzędzi skrawających, zaś moc 75 W jest odpowiednia do przeprowadzania obróbki okrągłych wkładek narzędzi skrawających.

Figura 10C jest tabelarycznym wykazem danych programu dla lasera Nd:YAG. Każda liczba programu (1-13) ustawia odpowiednią częstotliwość impulsu, czas pakietu impulsów, energię impulsu pompującego i częstotliwość maksymalną.

Figura 10D jest szczegółowym wykresem mocy (oś pionowa) w funkcji czasu (oś pozioma) dla lasera C02, odpowiednio do uogólnionych parametrów opisanych w związku z fig. 10A.

W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 10B, 10c i 10D, dla obróbki powierzchniowej płaskiej wkładki narzędzia skrawającego, laser ekscymerowy działa z mocą wyjściową 100 W (W), przy czasie trwania impulsu 400 ms, razem z laserem Nd:YAG pracującym według programu Nr 4 z tabeli przedstawionej na fig. 10C a laser CO2 działa według profilu z fig. 10D.

Dla obrabiania powierzchni płaskiej wkładki narzędziowej, laser ekscymerowy może także pracować przy mocy wyjściowej 87,5 W, z czasem trwania impulsu 350 ms, łącznie z laserem Nd:YAG pracującym według PROGRAMU NR 11 przedstawionego na tabeli z fig. 10C i laserem CO2 działającym według profilu przedstawionego na fig. 10D. Dla obróbki po34

177 873 wierzchniowej okrągłej wstawki narzędzia skrawającego (jak omówiono powyżej w odniesieniu do z fig. 16A), laser ekscymerowy pracuje przy mocy wyjściowej 75 W, z czasem trwania impulsu 300 ms, łącznie z laserem Nd:YAG pracującym według PROGRAMU NR 11 przedstawionego na tabeli z fig. 10C oraz z laserem C02 działającym według profilu z fig. 10D.

Figura 11 D jest spektrogramem ramanowskim uzyskanym z próbki poddawanej obróbce. Na osi pionowej podana jest absorpcja a na osi pionowej liczba falowa. Jak pokazano, istnieje ostry (wąski) pik przy 1332 cm‘1 Pokazuje to, że powłoka zawiera węgiel w fazie krystalicznej sp2, jak również zauważalną ilość węgla diamentopodobnego. Jak omówiono powyżej, analiza taka ma charakter jedynie wskazujący, i nie jest narzędziem do określenia „jakości” powłoki - powinny być wykonywane rzeczywiste testy skrawania, aby móc ją określić.

Ślady, które proces obróbki powierzchniowej według niniejszego wynalazku wytworzył na obrabianej powierzchni są to sporadycznie ślady (artefakty) 1156 złożonych węglików (np. uwzględniając obróbkę wkładki narzędzia skrawającego z węglika wolframu), azotki węgla itp. łatwo widoczne w strefie przejściowej (dyfuzyjnej) podłoża. Ta strefa może być także nazwana „warstwą zróżnicowanego składu”. Te ślady („korzenie”) podłoża byłyby widoczne w potencjalnie każdym produkcie (podłożu) poddawanym obróbce przy użyciu procesu obróbki według niniejszego wynalazku i służyłyby jako artefakt do rozróżniania (ujawniania) produktów wykonywanych przy użyciu procesu według niniejszego wynalazku od produktów wykonywanych przy użyciu innych procesów (np. CVD), zwłaszcza jeżeli podłoże jest podłożem z węglika wolframu posiadającym powłokę diamentową lub z węgla diamentopodobnego.

Wśród wielu zalet niniejszego wynalazku jest to, że nie wymagane jest żadne „zarodkowanie” w celu wytworzenia powłoki diamentowej na podłożu. Ze względu na charakter zlokalizowanego ogrzewania, ogólna temperatura podłoża (w masie) może być utrzymana na poziomie 30°C. Jak wspomniano powyżej, system obróbki powierzchni według niniejszego wynalazku jest odpowiedni do przeprowadzania obróbki wybranych obszarów (a nie całej powierzchni na raz) podłoża. W ogólności jest to funkcja profilu (przekroju) wiązki lasera. Przez nadanie odpowiedniej wielkości i kształtu wiązkom, wybrany obszar może rozciągać się na całej „strefie” w poprzek powierzchni podłoża, i podłoże może być przesuwane do przodu podczas obróbki tak, że cała powierzchnia podłoża jest poddawana obróbce.

Jak zauważono powyżej, wiązki z trzech laserów mogą być poddane zbieżności na wybranym obszarze obrabianego podłoża, i wiązki są dostarczane (ogólnie przez dyszę gazową) do podłoża przez odpowiednie systemy podawania wiązek (patrz np. elementy 332, 324 i 326 według fig. 3). Stwierdzono, że proces może być optymalizowany przez sterowanie profilu indywidualnych wiązek.

Figura 12A przedstawia wiązki z trzech laserów zbiegające się na powierzchni podłoża 1202. W ogólności, przekroje wiązek są wybierane i sterowane ze względu na wymiary obrabianego podłoża. W tym przykładzie prostokątne podłoże 1202 posiadające wymiary „X” i „Y” jest poddawane obróbce (dysza pominięta dla jasności przedstawienia) i jest przesuwane w kierunku osi y, jak pokazuje strzałka 1232 (porównaj 332,432).

Prostokątne cewki 1252 wymuszają w przypadku lasera ekscymerowego np. 712 prostokątny przekrój (profil) wiązki 1262 o wymiarach „a” i „b”, przy czym wymiar „a” wiązki jest ogólnie zgrany z poprzecznym wymiarem „X” podłoża, i wymiar „b” wiązki jest ogólnie zgodny z wymiarem podłużnym „Y” podłoża. Ogólnie, wymiar „a” jest większy i subsumuje wymiar „X” dla pewności, że wiązka będzie całkiem pokrywać przekrój prostokątny (od jednej krawędzi 1202c do przeciwnej krawędzi 1202d) podłoża. Powodując ruch substratu względem wiązki (jak pokazano przy pomocy strzałki 780), wiązka ekscymerowa będzie przecinać (w kierunku „y”) całą powierzchnię podłoża 1202, od „wiodącej” krawędzi 1202a podłoża 1202 aż do tylnej krawędzi 1202b podłoża 1202. Wiązka o takim przekroju będzie uważana w ogólności za ogniskowaną.

Lasery Nd:YAG np. 714 i CO2 np. 716 dzięki sferycznym soczewkom 1264 i 1266 odpowiednio, posiadają wiązki o przekroju kołowym, padające na powierzchnie podłoża pod kątem t2 i t3, odpowiednio (patrz fig. 7). Dwie wiązki 1264 i 1266 mogą posiadać podobny przekrój kołowy promieniu „r”, chociaż, jak pokazano, są one wprowadzane w kierunku podłoża z przeciwnych stron lasera ekscymerowego 1262. Preferencyjnie, promienie „r” tych dwóch wiązek 1264 i 1266 są większe niż największy wymiar podłoża (poprzeczny wymiar „X” lub podłużny wymiar ”Y”).

Na fig. 12A, wiązki 1262, 1264, 1266 są przedstawione jako linie przerywane, i wynikowe geometrie trzech wiązek zbiegających się na powierzchni podłoża są pokazane linią przerywaną 1270. Wzorzec 1270 zbieżności wiązek byłby usytuowany w praktyce na powierzchni podłoża, i zawierałby trzy części: pierwszą część o kształcie ogólnie półkolistym 1270a zawierającą konwergencję wiązek z laserów Nd.YAG i C0₂, drugą część o kształcie zasadniczo półkolistym 1270b zawieraaącą zbieżność wiązek laserów Nd:YAG i C02 i trzecią część o kształcie zasadniczo prostokątnym 1270b zawierającą zbieżność wiązek z lasera ekscymerowego, Nd:YAG i CO2, przy czym wymieniona trzecia część 1270 jest umieszczona pomiędzy częścią pierwszą 1270a, a drugą 1270b.

Profile wiązek, które omówiono w odniesieniu do fig. 12 były stosowane w eksperymencie opisanym powyżej w związku z pokrywaniem powłoką wkładki narzędzia skrawającego z węglika wolframu.

Figura 12B przedstawia podłoże 1202 (w przekroju) poruszające się (strzałka 1210) pod układem zbieżności wiązek 1270 (pokazanym perspektywicznie). Gdy podłoże jest przesuwnie przemieszczane pod wiązkami, jest ono poddawane postępująco procesowi obróbki powierzchniowej, od swojej wiodącej krawędzi 1202a aż do krawędzi tylnej 1202b, jak pokazano na powłoce 1204 i strefie konwersji 1206 w wybranym obszarze rozciągającym się od (i częściowo nad) krawędzi wiodącej 1202a podłoża 1202 w kierunku krawędzi tylnej 1202b podłoża 1202. Taki proces był wykorzystywany z powodzeniem do wytwarzania powłoki diamentowej na podłożu z węglika wolframu, według parametrów procesu przytoczonych powyżej.

Metoda obróbki powierzchni według niniejszego wynalazku jest użyteczna do wytwarzania wielu różnych powłok na wielu różnych podłożach.

Na przykład, jak omówiono w odniesieniu do fig. 2B, mogą być wytwarzane na powierzchni podłoża powłoki wielowarstwowe. Na figurach, które podane są dalej, przedstawiono liczne przykładowe zastosowania opisanej technologii i produktów wytwarzanych przy użyciu tej technologii. Jak omówiono powyżej, wybrane obszary podłoża mogą być selektywnie obrabiane powierzchniowo. Według jednego z aspektów wynalazku, technika obróbki powierzchniowej jest odpowiednia do wytwarzania powłok o „zamawianych” własnościach na podłożu.

Figura 13A przedstawia podłoże 1302 posiadające cztery powierzchnie 1304, 1306, 1308, 1310, które mogą być obrabiane oddzielnie według metody stanowiącej przedmiot niniejszego wynalazku. Powłoka 1314 jest wytwarzana na powierzchni 1304, powłoka 1316 jest wytwarzana na powierzchni 1306, powłoka posiadająca dwa segmenty (1318a i 1318b) jest wytwarzana na powierzchni 1308 i powłoka 1320 jest wytwarzana na powierzchni 1310. Zakładając, że wiązka (nie pokazana) pada zawsze z góry (jak pokazano), podłoże będzie musiało być przesunięte (np. skanowane w płaszczyźnie x-y) w celu umożliwienia obróbki przez wiązkę istotnego obszaru na powierzchni 1304. Jak pokazano, powłoka 1314 pokrywa mniej niz cały obszar powłoki 1304 i więcej powierzchni niż strefa reakcji. Jest także widoczne, że podłoże będzie musiało być obrócone w celu poddania obróbce powierzchni bocznych 1306 i 1310, które są równoległe do wiązki 1312 i przeciwnej powierzchni 1308, która jest całkowicie zasłonięta dla wiązki. Przez obrócenie tych powierzchni do odpowiedniego położenia, mogą być one poddane obróbce tak samo łatwo, jak obróbka powierzchni 1304. Jak przedstawiono na rysunku, każda z powłok (i segmentów) może posiadać inną grubość i rozmiary (pokrycie powierzchni). Każda z powłok (i segmentów) może posiadać inny skład w zależności od wyboru elementu wtórnego wprowadzonego do układu reakcyjnego podczas tworzenia powłoki. Pierwotne strefy konwersji i wtórne strefy konwersji (nie pokazane, ze względu na jasność

177 873 przedstawienia) pod powierzchnią podłoża mogą także różnić się w zależności od powierzchni, w zależności od parametrów procesu podczas obróbki np. dla szczególnej powierzchni podłoża.

Figura 13B przedstawia przykład wykonania wynalazku, gdzie na powierzchni podłoża 1322 mogą być wytwarzane różne grubości obszarów powłok i/lub różne warstwy powłoki, z których każda posiada różne pokrycie (Pierwotne lub wtórne strefy konwersji są pominięte na rysunku, ze względu na jasność przedstawienia). W tym przykładzie, pierwsza powłoka 1324 jest wytworzona na powierzchni 1326. Druga powłoka 1330 jest wytworzona na wierzchniej powierzchni 1328 pierwszej powłoki 1324 i jest mniej rozległa, niż pierwsza powłoka 1324. Powłoki 1324 i 1330 mogą mieć podobny lub różny skład i podobną lub różną grubość.

Według niniejszego wynalazku, energia (np. z trzech laserów) zasilająca układ reakcyjny może być skierowana na wybrane obszary podłoża i może być skanowana w dowolnym układzie na powierzchni podłoża, celem wytwarzania dowolnego żądanego „Profilu” (np. składu, grubości, kształtu) lub wzoru powłoki na podłożu.

Figura 13C przedstawia podłoże 1350 posiadające powłokę wykonaną, na tym podłożu „na zamówienie” (pierwotne strefy konwersji i wtórne strefy konwersji są opuszczone ze względu na jasność przedstawienia). Części 1338 powłoki są płaskie. Inne części 1340, 1342, 1344 posiadają ograniczone rozmiary (pokrycie powierzchni) i są wytworzone jako grubsze niż części 1338, tak że rozciągają się powyżej (wyżej niż) części 1338. Następnie części 1340, 1342, 1344 mogą być utworzone różnorodnie np. jako stożkowe 1340 w celu uzyskania płaskiej powierzchni wierzchniej 1340, 1344, ze spadzistymi ściankami bocznymi 1340, 1344, jako zaokrąglone części 1342, 1344, z wklęsłą powierzchnią górną 1342 albo z wypukłą powierzchnią górną 744. Każda część powłoki pokazanej na fig. 13C może być wykonana z różnym składem (np. przy zastosowaniu różnych źródeł wtórnych dla każdej części powłoki).

Przedstawiono tylko kilka skomplikowanych kształtów powłoki, które mogą być wytworzone przy zastosowaniu techniki według niniejszego wynalazku. Na przykład, geometria łamacza chipów może być wykonana na płaskiej wkładce narzędzia skrawającego jako integralna część powłoki. Technika pokrywania według niniejszego wynalazku może być stosowana także do wytwarzania powłok o jednorodnej grubości na powierzchniach podłoża posiadających topografię nieregularną (taką, jaka byłby w przypadku np. podłoża stanowiącego wkładkę do narzędzia skrawającego posiadającego cechy łamacza wiórów zawarte w samym podłożu).

Figura 13D przedstawia przykłady kształtów, które można wytworzyć jako struktury powłok na powierzchni podłoża, mianowicie cylindry 1352, struktury rurowe 1354, struktury stożkowe 1356, struktury w kształcie litery „L” 1358, zakrzywione struktury 1360, i struktury typu wieży 1362. Struktura typu wieży demonstruje szczególnie zauważalną cechę niniejszego wynalazku, mianowicie jego zdolność do prawdziwej heteroepitaksji (we wszystkich kierunkach). Celem wykonania takiej struktury powłoki, część podstawy 1362a struktury jest wytwarzana najpierw daleko od powierzchni podłoża, następnie podłoże (lub źródło energii/źródło wtórne) jest ponownie orientowane i wzrost struktury jest kontynuowany w innym kierunku (ortogonalnym, jak pokazano) celem utworzenia segmentu 1362b. Inną zauważalną cechą wynalazku jest to, że wszystkie struktury pokazane na tym rysunku mogą być wytworzone na tej samej powierzchni tego samego podłoża, i każda struktura może posiadać skład różniący się od innej struktury. Poprzez analogię, podłoże może być widziane jako wieszak, na którym można umieścić wiele pożytecznych obiektów. (Oczywiście, obiekty będą związane dyfuzyjnie przy użyciu techniki według niniejszego wynalazku). Na przykład, prosta płaska wkładka narzędzia skrawającego mogłaby być pokrywana tak, aby nie tylko mieć powłokę diamentową, ale tak, że powłoka diamentowa jest dostosowywana, aby mieć własną geometrię (strukturę) łamacza wiórów.

Figura 13E przedstawia inną zauważalną i użyteczną cechę według niniejszego wynalazku. W tym przypadku, powłoka o kształcie węża 1366 jest wytwarzana na powierzchni podłoża

177 873

1368 (porównaj 1360, fig. 13D). W tym przypadku, jest pożądane wykonanie innego składu powłoki w różnych segmentach linii wężowej. Na przykład, pierwszy segment 1366a może być wykonany celem podania pierwszego składu, drugi segment 1366b może być wykonany z drugim składem, trzeci segment 1366c może być wykonany z trzecim składem, czwarty segment 1366d może być wykonany z czwartym składem. Pozostałe segmenty mogą powtarzać sekwencję (pierwszy, drugi, trzeci, czwarty skład). Alternatywnie, segmenty mogą reprezentować kod, analogicznie od zapamiętywania informacji (w systemie dwójkowym, trójkowym, czwórkowym itd.) w linii wężowej. Techniki te są np. analogiczne do wytwarzania np. chromosomu diamentowego. Rozdzielczość (wielkość) segmentów jest ograniczona tylko długością fali stosowanego lasera wytwarzającego segmenty, a segmenty posiadające boczne wymiary rzędu 308 nm są łatwe do wykonania. „Wąż” z węglika tytanu, wanadu, i azotku chromu może być wykonany łatwo. Indywidualny segment może być na przemian magnetyczny, niemagnetyczny, półprzewodzący i nieprzewodzący.

Figura 13F przedstawia w jaki sposób wiele (pokazano dziewięć) segmentów powłoki (1372a ... 1372i) można utworzyć w postaci tabeli na powierzchni podłoża 1370. Każdy z segmentów tabeli może być wytworzony o innym składzie, i każdy z segmentów może być wytworzony z inną grubością. Segment 1372b pokazano jako segment o grubości większej niż pozostałe segmenty (772a, 1372c ... 1372i). Dowolny z segmentów, lub wszystkie, mogą być także wykonane jako struktury wielowarstwowe (porównaj fig. 2B).

Figury 13A-13F przedstawiają możliwości zastosowania technik obróbki powierzchni według niniejszego wynalazku do wytwarzania powłok „projektowanych” o narzuconym składzie.

Figury 13G i 13H przedstawiają sposoby poddawania obróbce obiektów cylindrycznych, jako przykład możliwości zastosowania niniejszego wynalazku w zakresie nakładania powłok na powierzchniach, które nie są płaskie. Nakładanie powłok na dziurkacze do puszek byłoby jednym z użytecznych zastosowań takiej techniki.

Na fig. 13G, powłoka cylindryczna 1380 jest wytwarzana na podłożu cylindrycznym 1382. Podłoże cylindryczne może posiadać dowolną długość. Ilustruje to ciągły charakter obróbki według niniejszego wynalazku, na przykład, podłożem cylindrycznym mógłby być drut (np. miedziany) o niezwykłej długości (tysiące metrów). Przepuszczając drut przez stację roboczą, można uzyskać reakcję pokrywania wykonywaną w sposób ciągły wzdłuż drutu.

Figura 131 przedstawia, ogólnie, prawdziwie heteroepitaksjalny charakter wynalazku. Wytwarzanie powłok zaczyna się na jednym lub kilku (nie pokazanych) wybranych obszarach powierzchni podłoża 1390. Jak zostanie pokazane, podłoże może być podłożem traconym („poświęcanym”), które może być usuwane z wynikowej nadbudowanej (wytworzonej) struktury (struktur) powłoki.

Przykładowa struktura powłoki 1392 jest pokazana jako wytworzona (nadbudowana) z wybranego obszaru powierzchni podłoża 1390. Może to być uważane za wzrost w kierunku osi (prostopadle do powierzchni podłoża).

Jako przykład, część 1392a powierzchni powłoki 1392 jest nadbudowana w kierunku osi Z do poziomu „t1”, ponad powierzchnią podłoża, w którym to punkcie podłoże (lub źródło) obrabiane może być przeorientowane (np. względem źródła energii i źródła wtórnego) tak, że inna część 1392b struktury powłoki 1392 może dalej narastać (być wytwarzana) w różnych kierunkach (np. równolegle do podłoża i w pewnej odległości od niego, jak pokazano). Wzrost części 1392b może być uważany jako wzrost w kierunku osi X. Wytwarzanie tej części 1392b struktury prowadzi do dowolnego żądanego rozmiaru.

Podobnie, jest możliwe przeorientowanie podłoża (lub źródła (źródeł) obróbki) tak, aby wzrost struktury następował w różnym kierunku z dowolnego punktu wzdłuż części 1392b. Jest to przedstawione fragmentem 1392c struktury wytwarzanej, co może być uważane za wzrost w kierunku osi Y.

Oczywiście, kształt (obrys i powierzchnia) wykonanej struktury 1392 jest różne pomiędzy powierzchnią podłoża a poziomem t2 niż jest pomiędzy poziomami ¢2 i t1.

177 873

Pokazuje to, w bardzo uogólniony sposób, rzeczywiście heteroepitaksjalny (we wszystkich kierunkach)charakter wynalazku, mianowicie że powłoki i struktury powłok oraz ich fragmenty mogą być wykonane we wszystkich kierunkach, (np. w kierunku dowolnej z osi X, Y, Z). Figura ma pokazywać, że struktura powłoki posiadająca wyraźny obrys może być wytworzona na każdym danym poziomie (np. powyżej powierzchni podłoża). Obwód na każdym z tych danych poziomów nie jest ograniczony obwodem poprzedniego poziomu. Naztępnie. pokrycie obszaru struktury na każdym z tych poziomów nie jest ograniczone pokryciem obszaru poprzedniego poziomu (np. „footpint” - obwiednia rzutu górnego). Na dowolnym poziomie (wysokości) ponad powierzchnią podłoża można wytworzyć strukturę powłoki o dowolnym obwodzie i dowolnym pokryciu powierzchni. Sterowanie wytwarzaniem jest wykonywane w prosty sposób przez wybieranie odpowiednich przekrojów z generowanego komputerowo obrazu obiektu, który ma być wytworzony jako, na przykład struktura wzrostu. W ten sposób na podłożu może być wytworzona trójwymiarowa struktura o dowolnym kształcie lub postaci. Po wykonaniu struktury trójwymiarowej, podłoże może być odcięte i usunięte, lub rozpuszczone, albo usunięte w dowolny sposób mechaniczny lub chemiczny.

Proces według niniejszego wynalazku może być połączony z urządzeniem sterowanym przez system sterowania numerycznego (CNC), który akceptuje pliki oprogramowania do stereolitografii (np. StL) celem umożliwienia wytwarzania przedmiotów o złożonych kształtach. Obiekty te mogą być wytworzone z prostych, płaskich lub cylindrycznych podłoży, którymi manipuluje się w sposób pozwalający wytworzyć produkty (np. prototypy) przy użyciu metod opisanych w niniejszym wynalazku.

Zatem, urządzenie i sposób według niniejszego wynalazku może być stosowane do wytwarzania złożonych części prototypowych z materiału kompozytowego o wymiarach detali określonych bazując na danych CAD. Następnie, części metalowe, ceramiczne i kompozytowe mogą być wytwarzane w stanie finalnym, bez wymogu obróbki końcowej i wykazują ulepszone własności materiału dzięki zaawansowanym składom materiału, które nie mogą być wyprodukowane metodami znanymi z dotychczasowego stanu techniki.

Metoda obróbki według niniejszego wynalazku jest użyteczna do pokrywania wewnętrznych średnic (ID) podłoży o kształcie rurowym i jest szczególnie przydatna do pokrywania ID rur o dużym stosunku długości (L) do średnicy (D) (większym niż 3:1).

Figura 14A przedstawia pewną technikę pokrywania średnicy wewnętrznej (ID) podłoża o kształcie rurowym 1402. Wiązka energii 1404 (np. z trzech laserów) jest kierowana na jeden (otwarty) koniec 1406 podłoża rurowego 1402. Drugi koniec 1408 podłoża rurowego jest zamknięty, najlepiej przez wypukłą (może być również wklęsła) paraboliczną powierzchnię odbijającą 1410 (pokazana w pewnej odległości od końca 1408, celem jasności przedstawienia). W ten sposób, wiązka 1404 będzie odbijać się dokoła wnętrza podłoża rurowego, i będzie poddawać obróbce wnętrze ID podłoża rurowego. W miarę potrzeby może być wprowadzony element wtórny, ale nie musi.

Figura 14B przedstawia inną technikę pokrywania powłoką ID rurowego podłoża 1412. Wiązka energii 1414 (porównaj 304, fig. 3) jest skierowana do wewnątrz (otwartego) końca 1416 podłoża rurowego 1402. Drugi koniec 1418 podłoża rurowego może również być pozostawiony otwarty. Wtórny element może być wprowadzony strumieniem 1420, jak pokazano na rysunku (np. gazowy element wtórny).

Dla podłoży tubularnych o wyjątkowej głębokości (dużym stosunku L:D) jest możliwe umieszczenie prostego (np. płaskiego) lustra odbijającego w ID podłoża tabularnego celem kierowania padającej energii na wybrane obszary na ID podłoża tabularnego. W ten sposób, wybrane obszary (osiowy, obwodowy, spiralny) ID mogą być poddawane obróbce przez wiązkę. Następnie, przez kolejne wprowadzanie źródła wtórnego, obróbka może się zmienić z obszaru wybranego do innego wybranego obszaru, w sposób podobny do podanego na fig. 13E, 13F, i 13H.

Niniejszy wynalazek jest użyteczny do nakładania powłoki na dowolnej liczbie podłoży, z których kilka zostało omówionych powyżej. Na przykład, można byłoby obrabiać lub pokrywać

177 873 średnice wewnętrzne lub zewnętrzne lampy o fali bieżącej, jak również można by wytwarzać okienka dla lamp z falą bieżącą. Oporowe elementy grzejne mogłyby być obrabiane i pokrywane, na przykład, dla lepszej dystrybucji ciepła, jak również zewnętrzna i wewnętrzna powierzchnia naczyń kuchennych. Powłoki mogą być wytwarzane na częściach sztucznych stawów biodrowych itp. tak, aby pokryta część obiektu posiadała powłokę o małym współczynniku tarcia (z o ile to wymagane, większą wytrzymałością na obciążenia), podczas gdy inny fragment obiektu może mieć porowatą lub teksturowaną powłokę, (np. w celu polepszenia wiązania z powierzchnią kostną). Zamki broni strzeleckiej, wykładziny cylindrów itp. mogą korzystnie być ulepszane techniką według niniejszego wynalazku. Również ostrza do golenia, noże i skalpele mogą mieć części tnące poddawane ulepszeniu techniką według niniejszego wynalazku. Podobnie narzędzia skrawające, takie jak wiertła, mogą być ulepszone przez wytwarzanie powłok na częściach skrawających, w tym przez wytwarzanie diamentowych powłok na krawędzi tnącej narzędzia, i przez wytwarzanie geometrii łamacza wiórów na narzędziu, którą byłoby trudno uzyskać przy użyciu szlifierki. Ponieważ diament np. jest rozpuszczalny w żelazie, w tym przypadku może być pożądane tworzenie powłok z azotkami krzemu na narzędziu lub innym podłożu. Niniejszy wynalazek daje możliwość wykonania materiału kompozytowego z potencjalnie dowolnego zestawu pierwiastków składowych (pierwotnych) z podłoża i elementu wtórnego, w tym krzemu, miedzi, tlenu, azotu, boru itp. Zastosowanie technik według niniejszego wynalazku do obróbki na sucho jest praktycznie nieograniczone.

Figura 15a pokazuje część składową 1552 łożyska kulkowego, które ma utwardzaną powierzchnię (np. diament lub DLC) 1554. Pozwoli to na funkcjonowanie łożyska bez smarowania (lub z niewielką ilością smaru), na podobnej zasadzie przygotowanie narzędzi maszynowych metodą według niniejszego wynalazku ułatwia obróbkę na sucho.

Figura 15B pokazuje część składową 1562 łożyska kulkowego, którego cała powierzchnia była obrabiana w celu uzyskania twardej (np. diamentowej lub DLC) powłoki 1566. W ten sposób, powłoka 1566 będzie działać jako absorber ciepła, aby odprowadzić ciepło z kulek i bieżni łożyska, i w celu zabezpieczenia antykorozyjnego.

Figura 16A przedstawia jeden z przykładów wykonania powłoki 1600 na okrągłym narzędziu (np. frezie, wiertle, itp.). Frez czołowy 1602, posiadający uchwyt 1604, część rowkowaną 1606 i końcówkę 1608 jest ustawiony, jak pokazano, z końcówką skierowaną w górę w kierunku laserów i dyszy (nie pokazanej). W sposób opisany powyżej, w sąsiedztwie końcówki, jest wytwarzana plazma 1610. Plazma 1610 będzie się rozprzestrzeniać w dół rowków freza, powodując wytwarzanie powłoki wzdłuż całej rowkowanej części 1606. Na rysunku pokazano preferowane wykonanie dla tworzenia cienkowarstwowych powłok diamentowych (lub DLC) wzdłuż części rowkowanej freza.

W tym wykonaniu uchwyt próżniowy, podobnie do uchwytu próżniowego 804 opisanego poprzednio, może być stosowany do mocowania freza i do ułatwienia otaczania plazmą dolnej części rowkowanej freza.

Figura 16B przedstawia alternatywny przykład wykonania 1620 sposobu wykonywania powłok na okrągłym narzędziu. W tym przypadku, przykładowy frez 1622 (podobny do freza 1602) jest umieszczany na boku, przy czym dysza i lasery działają z góry (nie pokazane). Plazma 1630 jest tworzona na końcu freza i jest przesuwana wzdłuż części rowkowanej w sposób podobny do opisanego powyżej (ze względu na powodowanie względnego ruchu wybranego obszaru na większym podłożu). W tym przykładzie wykonania narzędzie powinno być obracane podczas pokrywania, celem zapewnienia jednorodności procesu nakładania powłoki wzdłuż części rowkowanej.

Figury 16C i 16D są rzutami bocznym i czołowym, odpowiednio, jednego końca freza 1642 (podobnego do 1602 i 1622) obrabianego następnie w celu nałożenia cienkiej warstwy na części rowkowanej (w sposób opisany w odniesieniu do fig. 16A i 16B). W tym przypadku, pożądane jest utworzenie pokrycia cienkowarstwowego na rowkach, w pobliżu krawędzi skrawających, tak aby gruba warstwa pomagała przy skrawaniu, a cienka warstwa pomagała

177 873 w usuwaniu wióra i zmniejszała siły skrawania. Lasery i jedno lub kilka źródeł wtórnych, przedstawione strzałkami 1644 są skierowane na wybrany obszar (mały punkt) 1646 bezpośrednio w sąsiedztwie krawędzi skrawającej. Gdy tworzona jest gruba powłoka, „plamka” (obrabiany wybrany obszar) jest przesuwana wzdłuż spiralnej (śrubowej) krawędzi skrawania przez przesuwanie plamki (np. z lewa na prawo, jak pokazano) w synchronizacji z obracającym się frezem. Jak pokazano na fig. 16D, powoduje to położenie diamentowej (lub DLC) powłoki cienkowarstwowej „blankiet” i diamentowej (lub DLC) powłoki grubowarstwowej „gusset” na krawędzi skrawającej frezu.

Figura 16E pokazuje alternatywne wykonanie 1660 techniki wytwarzania pokrycia na narzędziu okrągłym. W tym przypadku plazma 1684 jest tworzona wzdłuż rowkowanej części narzędzia 1662 wywołując wytworzenie powłoki bez konieczności przemieszczania się wzdłuż narzędzia. Najlepiej jest, gdy narzędzie jest obracane podczas pokrywania celem zapewnienia jednorodności procesu nakładania powłoki.

Figura 16F pokazuje alternatywne wykonanie 1680 techniki wykonywania powłok na okrągłym narzędziu. W tym przypadku, przykładowy frez 1682 (podobny do freza 1622) jest układany na boku, przy czym dysza i lasery działają z góry (nie pokazane). W tym przypadku plazma 1684 jest tworzona wzdłuż zanurzonej części narzędzia 1662 wywołując wytworzenie powłoki bez konieczności przemieszczania się wzdłuż narzędzia. Najlepiej jest, gdy narzędzie jest obracane podczas pokrywania celem zapewnienia jednorodności procesu nakładania powłoki.

Sposób obróbki powierzchni według niniejszego wynalazku jest bardzo korzystny przy wytwarzaniu wielu powłok dla wielu zastosowań, na przykład powłok odpornych na korozję i erozję, powłok obojętnych na agresywne środowisko (np. kotły parowe itp.). Zaletą niniejszego wynalazku jest to, że całe powierzchnie podłoży mogą być obrabiane bez nagrzewania całego podłoża. Metody znane ze stanu techniki, które zawierają takie „zgrubne” nagrzewanie podłoża mogą powodować, na przykład, utratę węgla (twardości) przez stal stanowiącą podłoże przy stosowaniu powłoki diamentowej (np. przy użyciu procesu CVD lub tp.). Stosując metodę obróbki według niniejszego wynalazku można wytworzyć pokrycia żaroodporne na dużych powierzchniach, ponieważ technika według niniejszego wynalazku może być wykonywana w sposób ciągły. W ogólności zalety niniejszego wynalazku są następujące: uzyskiwana jest wyższa szybkość osadzania, np. rzędu jednego lub kilku milimetrów na godzinę, uzyskana jest większa adhezja (np. 50 kg/m2) dla narzędzi skrawających, istnieje możliwość wytwarzania powłok krystalicznych, np. ze strukturą sieci krystalicznej, i ze strukturą wiązań węglowych SP2 lub SP3 i o kontrolowanym składzie (jeśli istnieje taka potrzeba), nie ma wymaganego czasu nagrzewania wstępnego lub chłodzenia wstępnego, proces nie wymaga środowiska próżni i stąd nie ma teoretycznego ograniczenia wielkości podłoża ponadto mechanizmy manipulowania podłożem dają się łatwo zastosować w środowisku otoczenia (w porównaniu z próżnią), obrabianymi częściami można manipulować, można uzyskać różne grubości warstwy i powłoka może być stosowana do szczególnych obszarów części bez maskowania, wytwarzana powłoka (np. diament) będzie dobrze przylegać do podłoży zawierających więcej niż 10% kobaltu, przez co zasadniczo wyeliminowana jest potrzeba stosowania specjalnych podłoży, stal nierdzewna może łatwo być pokrywana przy zastosowaniu technik według niniejszego wynalazku. Również zwykła stal łatwo może być pokrywana przy zastosowaniu technik według niniejszego wynalazku, dzięki czemu wyeliminowane są wymagania na nierdzewność. Techniki według wynalazku sprawdzają się także przy nakładaniu powłok na średnicach wewnętrznych (ID, otwór) rur, w tym posiadających względnie wysoki stosunek długości do średnicy (L do D).

Istnieje możliwość realizacji rzeźbienia i nadawania tekstury w procesie nakładania powłoki, dzięki czemu eliminowane są etapy obróbki wykańczającej według dotychczasowego stanu techniki.

Technika według niniejszego wynalazku może także być heteroepitaksjalna, oraz zapewnia skuteczne pokrycie wszystkich stron równo, albo selektywnie dla dowolnego kształtu

177 873 podłoża. Nie obserwuje się zmiany wariancji ramanowskiej przy stosowaniu techniki według niniejszego wynalazku, przy podłożach o różnych składach celem uzyskania wymaganych materiałów kompozytowych. Na przykład, widmowa analiza ramanowska pokazuje, że podłoża o różnych składach mają niewielki albo żaden wpływ na powłoki diamentowe wytwarzane przy użyciu technik według niniejszego wynalazku.

Podłoża o skomplikowanych geometriach mogą być poddawane obróbce jak również różne domieszki (np. bor) mogą być wprowadzone w celu obróbki powierzchniowej, podłoża mogą być obrobione wstępnie celem scharakteryzowania swoich powierzchni do dalszego nakładania powłoki, dowolną odpowiednią techniką.

Niniejszy wynalazek stosuje się do poddawania obróbce dowolnego z wielu podłoży w tym podłoży metalicznych i niemetalicznych (podłoża niemetaliczne są to ceramika i podłoża polimerowe). Szczególne materiały, które mogą być poddawane obróbce lub wprowadzane do układu reakcyjnego są następujące, ale nie wyłącznie: metale (B, Al, Ti, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Re itd.), grafit i węgliki (C, B₄C, SiC, TiC, Cr₃C2, WC, węglik niobu, węglik hafnu itd.), azotki (N, TiN, TaN, SicN4, azotek hafnu, azotek aluminium, itd.), bor i borki (B, TaB2, TiB2, WB, FeB, NiB, itd.), krzem i krzemki (Si i różne krzemki, Mo, Fe, Ni, itd.), tlenki (Al_s03, SiO, SiO2, itd.) i związki organiczne (PTFE, Kevlar, poliamidy, polimery ciekłokrystaliczne, polietyltetratalan, itd.).

Jak wspomniano powyżej zaletą sposobu obróbki według niniejszego wynalazku jest to, że nie wymaga stosowania wykończania po procesie aby uzyskać pożądaną teksturę powierzchni. Sam laser ultrafioletowy np. może być stosowany do ablatowania powierzchni w celu uzyskania potencjalnie wszystkich tekstur od chropowatej do gładkości optycznej przez proste sterowanie jego mocą wyjściową i czasem trwania impulsu. Następnie dzięki zastosowaniu technik według niniejszego wynalazku nie ma potrzeby nakładania zarodków na podłoże (w celu późniejszego wzrostu powłoki) i istnieje bezprecedensowa zdolność sterowania orientacją krystalograficzną. Ponadto zarówno obróbka wstępna jak i wykańczająca może być wykonywana in-situ (jako część całego procesu).

W znanych ze stanu techniki metodach nakładania powłok etapy wykańczania byłyby konieczne dla uzyskania tekstury gładszej niż tekstura uzyskana w wyniku nakładania. Na przykład, środek ścierny byłby stosowany do polerowania pokrytej powłoką powierzchni podłoża. Użycie materiału ściernego nawet drobnego będzie pozostawiać ślady na podłożu polerowanym w postaci rys. Może być także wymagany dalszy proces wygładzania lub polerowania przy pomocy lasera ultrafioletowego lub wiązki jonów.

Dzięki uniknięciu zastosowania środków ściernych i tym podobnych w etapie wykańczania po procesie, wynikowe podłoże (produkt procesu ubocznego) nie będzie wykazywało takich rys i będzie posiadać wykończenie powierzchni nie preferujące żadnego kierunku.

Jakkolwiek wynalazek został przedstawiony i opisany szczegółowo na rysunkach i w powyższym opisie, które są uważane za ilustracje i nie mają charakteru ograniczenia - jest rozumiane, że zostały pokazane i opisane tylko preferowane wykonania i że wszystkie zmiany i modyfikacje mieszczące się w idei wynalazku są przedmiotem ochrony.

Claims (17)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób obróbki powierzchni podłoża polegający na nakładaniu na nim, powłoki przy użyciu energii laserowej przez kierowanie co najmniej jednej wiązki laserowej z odpowiednio co najmniej jednego lasera na tę powierzchnię, znamienny tym, że wybiera się podłoże zawierające w swoim składzie węgiel jako pierwiastek składowy z grupy materiałów obejmujących stale, stale nierdzewne oraz węgliki spiekane i aktywuje się wybraną ilość pierwiastka składowego w postaci węgla poprzez kierowanie energii wiązki laserowej co najmniej jednego lasera na powierzchnię podłoża oraz powoduje się przemieszczanie tego pierwiastka składowego w postaci węgla w kierunku powierzchni podłoża, następnie odparowuje się odpowiednio wybraną ilość uruchomionego pierwiastka składowego w postaci węgla z podłoża, po czym powoduje się przereagowanie odparowanego węgla przez użycie energii wiązki laserowej co najmniej dwóch laserów i formuje się w ten sposób z tego odparowanego pierwiastka składowego w postaci węgla diament lub diamentopodobny materiał węglowy na powierzchni podłoża.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że równocześnie z przereagowaniem odparowanego elementu składowego kieruje się pierwiastek wtórny na powierzchnię podłoża i tworzy się materiał kompozytowy z odparowanym pierwiastkiem składowym.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się podłoże w postaci płaskiej wkładki skrawającej.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się podłoże, które jest spajanym węglikiem wolframu.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się podłoże, które jest narzędziem skrawającym o przekroju kołowym.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się co najmniej jedną wiązkę złożoną z trzech wiązek podawanych przez laser ekscymerowy, laser Nd:YAG oraz laser C0₂, działające wspólnie i synchronicznie.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się laser ekscymerowy pracujący z mocą wyjściową do 200 mW, z energią impulsu do 500 mJ, przy częstotliwości impulsu do 300 Hz, z gęstością energii do 30 mJ/mm² i długością impulsu (czasem trwania) do 26 ns, laser Nd:YAG pracujący z mocą wyjściową do 1500 W i z energią impulsu do 150 J, oraz laser CO2 pracujący z mocą wyjściową rzędu 500 - 10 000 W, z gęstością energii od 0,32 J/cm2.
8. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że koordynuje się ze sobą impulsy z lasera ekscymerowego i lasera Nd:YAG.
9. 9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że stosuje się wiązkę z lasera ekscymerowego posiadającą przekrój prostokątny, wiązkę z lasera Nd:YAG posiadającą przekrój kołowy i wiązkę z lasera C02 posiadającą przekrój kołowy.
10. 10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że powoduje się, że wiązki o przekroju kołowym pokrywają względnie mały fragment powierzchni podłoża, przy czym wymieniony względnie mały fragment jest umieszczony wewnątrz dużego fragmentu.
11. 11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że przemieszcza się podłoże względem wiązek i powoduje się skanowanie względnie małego fragmentu w poprzek powierzchni podłoża.
12. 12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się jako jeden z laserów, laser ekscymerowy i podczas kierowania energii pochodzącej z tego lasera ekscymerowego na powierzchnię podłoża zanurza się podłoże w gazie obojętnym.
13. 13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że stosuje się podłoże zawierające ziarna węglika wolframu otoczone przez kobalt.

    177 873
14. 14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że kieruje się laser ekscymerowy na powierzchnię podłoża na czas wystarczający do ujawnienia ziaren węglika wolframu.
15. 15. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że stosuje się gaz obojętny, taki jak azot oraz powoduje się określoną wstępnie orientacje na powierzchni podłoża podczas kierowania lasera ekscymerowego na tę powierzchnię.
16. 16. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że wywołuje się określoną orientację ziaren na powierzchni podłoża podczas kierowania lasera na powierzchnię podłoża.
17. 17. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się elektryczną polaryzację podłoża.