表面的制作方法

表面的制作方法
【专利摘要】一种流体转移表面的制备方法，该方法包括：提供一个钛或钛合金的表面；使钛或钛合金表面通过间隙元素吸收进行表面硬化以提供一个硬化的表面；并且，如果需要的话，雕刻所述表面，以提供所需的表面形貌。
【专利说明】表面

【技术领域】
[0001] 本发明涉及流体转移表面，该流体转移表面的制备方法，以及该流体转移表面的 用途。

【背景技术】
[0002] 在流体转移操作中，装载有流体的表面（流体转移表面）和副表面有经常接触或 反复接触。例如，印刷版、胶印滚筒、橡皮辊子或其上施加有流体的目标基体表面。流体转 移表面通常有一个在其生命周期中始终保持不变的精确设计的形貌。该表面也必须能重复 地接收和输送一致的和一定量的流体，因此必须是硬且耐磨的。由在使用中的逐渐磨损或 粗心的操作导致的对表面的任何损害都很可能转化为对预期的产品缺陷。
[0003] 另一个问题是要注意的是，施加到副表面上的流体可以是高度腐蚀性的。例如，苯 胺印刷油墨（Flexographic inks)通常是碱性的，它们有时含有高含量的氨，将腐蚀如铜和 铝等的金属。此外，现代的印刷油墨是装载有诸如粘土和碳酸钙矿物以及矿物颜料的复合 制剂，这类填料可能导致诸如印刷辊和/或刮刀这样较软的印刷表面的磨损。
[0004] 铬电镀（或"硬铬（hard chrome) "）可被用于保护（辊）表面避免由于表面上铬 层的沉积导致的磨损和腐蚀。然而，这也有其缺点。沉积的铬层具有极小的孔隙度，因而不 能提供完全有效的针对印刷流体腐蚀的屏障。这就必须使用一个更高密度的阻隔膜（如 镍）作为底涂层，在沉积铬层前沉积到相关的表面上。此外，镀铬带来了环境和健康危害。 用铬酸的电镀槽也有严重的危险。更值得关注的是，镀铬使用了包括作为人类致癌物的六 价铬（Cr 6+)。因为含有高含量的酸和重金属，使用过的溶液也必须小心处理。
[0005] 从1970年代开始，以等离子体喷涂一层厚的铬氧化物多少取代了铬电镀作为赋 予流体转移表面耐磨性和耐腐蚀性的手段。与镀铬相比，铬氧化物是极其坚硬（HV?1500) 和更耐磨的。接下来，等离子体喷涂铬氧化物的表面可以被加工（machined)，以及然后用激 光雕刻均匀的单元格图案或凹槽。
[0006] 然而，这种方法本身并非没有问题。常规的空气等离子喷涂铬氧化物粉末的沉积 效率是比较低的（小于约45%)，以及等离子喷涂需要大功率，这两点意味着运行等离子体 喷射系统的成本相对较高。此外，结构缺陷总是出现在等离子体喷涂涂层中，以及孔隙度 (porosity)趋向较高。可以理解的是，涂层中的缺陷降低了作为对腐蚀性流体的屏障的有 效性。当腐蚀性流体与底层基板接触，涂层与基体的交界面经常发生问题。此外，较高的孔 隙度限制了可以雕刻的单元格数量，这限制了可产生的打印质量。
[0007] 考虑到通过铬基粉末的热喷涂形成Cr6+的可能性。事实上，在2004年的美国加州 空气资源委员会通过的通过04-44号决议中指出，使用含铬材料的热喷涂操作，可能会导 致潜在的有害的六价铬空气浓度，并设置了控制措施以应对这一风险。
[0008] 在此背景下，能提供一种替代的生产流体转移表面的方法是有利的，例如一些坚 硬的、对在使用中将与表面接触的流体具有耐磨性和耐腐蚀性的印刷表面。


【发明内容】

[0009] 因此，本发明提供一种流体转移表面的制备方法，该方法包括：
[0010] 提供一个钛或钛合金的表面；
[0011] 使钛或钛合金表面通过间隙元素吸收（interstitial element absorption)进行 表面硬化以提供一个硬化的表面；并且，如果需要的话，
[0012] 雕刻所述表面，以提供所需的表面形貌。
[0013] 关于雕刻工序，如果需要的话，可以在对钛/钛合金表面进行表面硬化的步骤之 前和/或之后进行。
[0014] 钛及钛合金具有卓越的抵抗大气腐蚀和侵袭性溶液（包括碱性介质）的性 能。钛的密度为4. 5g/cm3,在目前情况下这使得它用于大型模具和压辊时成为一个有吸 引力的选择，因为过重会使得操作笨重。然而，钛和钛合金往往具有较差的摩擦学性能 (tribiological properties)，使它们不适用于表面互相滑动时的情况，比如用于流体转 移表面。
[0015] 本发明的目的是充分利用钛和钛合金的所希望的性能，同时寻求解决其耐磨损性 差的问题。按照本发明，通过处理所述钛或钛合金，以实现其表面硬化完成。按照本发明， 这是通过的间隙元素吸收的机制来实现的。
[0016] 本发明还提供了通过本发明的方法制备的流体转移表面，以及所述流体转移表面 在流体输送中的应用。本发明进一步提供了在副表面提供流体的方法，该方法包括：按照本 发明提供被输送到流体转移表面的流体，将流体转移表面与副表面相接触，以将流体从流 体转移表面转移到副表面。这里的术语"副表面"用来表示流体要被输送到的表面。副表 面可以是用于将流体输送到最终产品/基底表面上的表面，例如印刷版、胶印滚筒、辊的表 面上。辊通常由天然或合成的聚合物形成，通常是橡胶或金属。或者，该副表面可以是用于 施加流体的最终产物/基底本身。最终产物/基底的实例包括塑料薄膜和片材（例如PE， ΡΕΤ，ΡΡ，Β0ΡΡ，乙烯基（vinyl)，PVC，聚碳酸酯，聚苯乙烯，尼龙和PTFE)及镀金属膜。该膜 可以为铸件或吹塑薄膜或层压制品。可替换地，最终产物/基底可以是纸张或滚筒，木材或 金属片或金属箔。本发明在关于生产在打印操作情况下的流体转移表面具有独有的效用。
[0017] 贯穿本说明书和随后的权利要求书，除非上下文另有要求，词语"包括"及其变型 如"含有"和"包含"，将被理解为暗示包括所述的整数或步骤以及一组整数或步骤，但并不 排除任何其他的整数或步骤以及一组整数或步骤。
[0018] 相对任何现有的出版物（或从它衍生的资料）或任何已知物质而言，本说明书中 的参考文献不是也不应当被视为承认或接受或任何形式的建议，现有的出版物（或从它衍 生的资料）或已知的物质形成本说明书相关的努力属于本领域公知常识的一部分。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 本发明的实施例参考所附的非限制性的附图示出。
[0020] 图1是按照本发明实施例1制备的钛表面的光学显微镜图像。
[0021] 图2是按照本发明实施例1制备的钛表面的经蚀刻的横截面的扫描电子显微镜图 像。
[0022] 图3是按照本发明实施例2制备的钛表面的光学显微镜图像。
[0023] 图4是按照本发明实施例3制备的钛表面的扫描电子显微镜图像。
[0024] 图5是按照本发明实施例4制备的钛表面的光学显微镜图像。
[0025] 图6是按照本发明实施例5制备的钛表面的光学显微镜图像。
[0026] 图7是实施例6中的印刷机装配试验的示意图，示出了墨盘、辊和刮刀的布置。
[0027] 图8是按照本发明实施例7制备的钛表面的受损区域的光学显微镜图像。

【具体实施方式】
[0028] 根据本发明，通过利用钛与一种或多种间隙元素 （interstitial elements)产生 反应来使表面（或者表面的一个或多个区域）更充实，并增加钛或钛合金表面的耐磨性和 表面硬度，并且产生了期望的表面特性。当使用钛合金的时候，该元素将与合金化金属反 应，特别是当合金元素为例如铝、钒和铬时。典型地，间隙元素选自氮、氧、碳和氢中的至少 一个。所需的表面硬化可以通过在包含相关元素的气体的存在下局部熔化表面来实现。本 发明的这一方面也可以看作是烙体硬化工序（melt hardening step)。然而，在另一个实施 例中，也可以不通过局部熔化钛/钛合金表面来实现所需的表面硬化。本实施例涉及的固 态硬化，可以通过将表面暴露在合适的热源和含有相关间隙元素的气体中来处理。典型地， 使用本发明可使表面硬度达到至少HK 800 (10g负载下的努普硬度），优选为至少HK 1200。 所使用的气体可以是纯的或气体的混合物。在另一个实施例中，用来提供间隙元素的气体 可以是与惰性气体的混合物。
[0029] 可以使用纯氮气气体（可能使用惰性气体如氩或氦稀释）。氮可以被吸收进入加 热的钛/钛合金表面，并在冷却时形成包括钛的氮化物和/或位于金属钛晶格中的固态氮 溶液。这个过程被称为氮化（nitriding)。
[0030] 同样地，在处理环境中的包含氧或碳的某些气体允许正在被处理的表面吸收这些 元素。例如，富含氮和氧的空气，可以用于引起氮氧化（oxynitriding)反应的发生。含碳 气体如C0或(：0 2可用于实现渗碳（carburizing)。一般的结果是表面微结构中，N、C、0和 /或Η在钛晶格和钛氮化物、碳化物、氧化物、氢化物和/或混合型（如：氮氧化物）相中填 隙地溶解。
[0031] 在本发明的一个实施例中，表面硬化可以在各个阶段所处于的气体环境被改变的 一系列阶段中通过吸收一种以上的元素达到间隙硬化来进行。
[0032] 在另一个实施方案中，使用的气体的改变，取决于被处理表面的特定区域。在这种 情况下，整个表面的成分以及表面硬化效果可能变化。
[0033] 此外，或可选地，整个表面上的硬化效果可以通过改变表面被加热的强度和/或 加热的持续时间来操纵。这些工艺参数也将影响间隙元素的吸收，以及所用的气体环境。 [0034] 不同的工艺参数，例如所用的气体、加热的强度/类型和/或加热的持续时间也可 以应用，以达到不同的元素吸收，并由此导致可以期望的表面的不同位置的不同特性。例 如，当表面用作流体输送时，基于在基底的不同区域上或需要不同的耐磨特性，因此需要不 同的表面硬化效果。在这种情况下，与将要经受较轻的磨损的某一区域的表面相比，将要经 受更大的磨损的表面的区域可以被处理以获得更强的表面硬度。
[0035] 表面或表面的区域的表面硬度特性，也可能会影响到流体输送到副表面的效率， 并且本发明可以允许通过操纵所述过程参数优化流体输送性能。
[0036] 钛或钛合金基底表面可以是流体输送组件本身，诸如印刷版或印刷柱体，或钛/ 钛合金可以提供作为表面层或涂层或套筒上的另一种材料或组件，以提供流体输送组件。 在任一情况下，该组件将是常规设计的，并可以采用圆柱体（例如，它可以是滚筒（roll)或 辊）/板等形式。该组件可以通过常规技术，如铸造、乳制、挤制、钻孔和焊接来制造。
[0037] 在本发明的另一个实施例中，通过冷喷涂（cold spray，也称为冷气体动力喷涂， cold gas-dynamic spray)将钛或钛合金层表面（直接地）提供到底层材料（组件）上。 然后，通过冷喷涂形成的层可以按照本发明进行处理。冷喷涂是一个例如描述于US5302414 中的固态沉积过程。在这个过程中，粉末颗粒被加速形成超音速气体流，使得在对工件表面 的冲击中变形并结合。加速气体通常为氮、氦或空气，或两种或更多种这些物质的混合物。 粒子被加速到约300至约1200米/秒的速度。该过程发生在相对低的温度，使得在飞行中 的喷射颗粒不会熔化。在本发明的冷喷涂的情况下，可用于沉积薄（通常小于3毫米，例如 在0. 1-1. 5毫米范围内）但密度高的钛或钛合金层到材料（组件）上。钛或钛合金层通常 直接设置到材料上。通过这种方式，钛或钛合金可以冷喷涂到基体组件（如圆柱体，板或模 具）的表面上形成涂层。该组件可以由任何合适的载体材料，包括铁合金如钢和铸铁、铝的 合金，基于聚合物的复合材料（如玻璃纤维或碳纤维在聚合物基质中），或者它们的任意组 合。如果沉积了足够厚的钛/钛合金层，其可接着被加工，使该部件的总体尺寸返回到公差 范围之内并除去粗糙的刚喷涂的表面。雕刻前的平均粗糙度（Ra)通常应该是小于0.5微 米，虽然该数值还是依赖于雕版的精细度。在某些情况下，然而，这个额外的加工步骤可以 不需要。钛/钛合金涂层然后可接受表面硬化并可以使用本发明的方法雕刻。这种方法的 成本优势是可以使用便宜的组件材料，以及可以使用最小的钛/钛合金的使用量。
[0038] 在另一个实施方案中，冷喷涂可以用于提供钛或钛合金层到预先存在的、已变得 过度磨损或损坏的流体转移表面上，以使其适合使用。在这种情况下，冷喷涂可以用于提供 新的钛/钛合金层到该流体转移表面的磨损或损坏的区域。典型地，磨损或损坏的区域将 在冷喷涂前被事先进行复原加工（machined back),以提供合适的表面上，使得冷喷涂颗粒 会附着到其上。当钛或钛合金已按要求沉积到根据需要已进行复原加工的磨损或损坏的区 域中之后，可按照本发明对新的应用表面进行处理。目的是使修复的区域与原始表面具有 相同的表面特性（在表面硬度和表面浮雕/构图方面）。因此，本发明还提供修复流体转移 表面的方法，该方法包括通过冷喷涂钛或钛合金粒子到表面上来提供位于流体转移表面上 的钛或钛合金层，然后通过间隙元素吸收使钛或钛合金层硬化以提供硬化的表面，以及，如 果需要，雕刻硬化的表面，以提供所需的表面形貌。如前所述，在冷喷涂之前，可能有必要进 行复原加工（原始）流体转移表面，以及接下来，和/或在表面硬化之前沉积钛或钛合金。
[0039] 在另一个实施方案中，可以期望改变预先存在的流体转移表面的表面特性，以及 可通过冷喷涂新的钛/钛合金层以"覆盖"现有的特征。通常，原始表面特征可通过加工去 除，随后用冷喷涂来提供新的钛或钛合金层。在某些情况下，加工可能不是必需的，尽管机 械加工可以使通过冷喷涂施加的层的密合性方面得到改进的结果。新的（冷喷涂）层可以 根据需要进行复原加工，然后按照本发明进行处理，以提供一种具有新的表面特征的流体 转移表面用于流体输送。在这个变化中，冷喷涂可以用于填充流体传输特性，并建立适当厚 的钛或钛合金层，以使新的流体转移表面可以按照本发明制成，而不是加工原始流体转移 表面。通过冷喷涂沉积钛或钛合金后，在按照本发明的硬化和雕刻前，表面通常进行复原加 工。
[0040] 在另一个实施方案中，钛/钛合金部件（例如圆柱体，板或其他形式的）可以直 接由冷喷涂制造。通过冷喷涂直接制造（fabrication)或直接加工（manufacture),包 括转换粉末原料到只包括颗粒原料的高密度的、紧密结合的的独立的组件。这可以通过 将粉末喷涂到芯轴或支撑物上，随后移除芯轴或支撑物来实现。作为喷涂组件，它是在 最终产品的公差范围内所要求的尺寸或者仅需要极少的加工以达到规定的尺寸（参见 W02009/109016 "管的加工"）。
[0041] 在另一实施方案中，钛或钛合金层可以通过激光烙覆（cladding)到下层基底上。 这种技术是本领域已知的。
[0042] 在本发明中，各种等级的钛和各种类型的钛合金都可以使用。在另一个实施方案 中，钛或钛合金可以是包括一个或多个功能有效的添加剂的复合材料。例如，钛或钛合金可 包括颗粒，如纳米颗粒，即提供具有提高的耐磨性的钛或钛合金。此类颗粒可以包括硼化 物、碳化物或氧化物的化合物。使用碳化硅可通过举例说明的方式被提及。
[0043] 在功能上有效的添加剂可以用已知的方法掺入钛或钛合金。就这一点而言，使用 冷喷涂以生产包含这种添加剂的钛/钛合金可能是一个特别方便的方式。
[0044] 在另一个实施方案中，钛或钛合金可包括在实施表面硬化时被加热汽化或烧掉的 牺牲元件。这将在钛/钛合金基底上产生孔隙度并提高表面浮雕。这可能是可取的，因为 它会增加基底表面在流体运输过程中捕获和保留流体的能力。通过示例的方式，牺牲材料 可以是聚合物（以颗粒形式使用）。冷喷涂可方便地用于生产含有这样的牺牲元件的钛/ 钛合金。
[0045] 在下文中，除非另外说明，否则提及的钛和钛合金包括上述的各种可能性。
[0046] 加热钛/钛合金表面以促进表面硬化的方式可以通过多种方式实现。例如，表面 可以被加热到一个适当的程度，同时暴露于含有相关元素的气体中。在本发明的一个实施 例中，表面可以用含有相关元素的气体和惰性气体的混合物的等离子体流喷涂处理。等离 子体流通常通过包括一个电极的火炬装置（torch)喷射，以产生等离子体。本领域的技术 人员熟悉该技术以及它是如何实现的。
[0047] 优选地，表面的加热被限制在需要表面硬化的区域和钛/钛合金的厚度。事实上， 较少的局部加热（less localized heating)可能是不是最好的，例如，如果钛/钛合金被 设置在热敏感成分（如聚合物复合材料的）的组件上。
[0048] 因此，在本发明的一个优选实施例中，使用激光使表面熔化进行熔融硬化。在这 种情况下，激光可以被用来提供非常局部的表面加热。当激光硬化用以施加到雕刻的表面 时，处理条件通常被控制以限制熔体的深度，使得它不超过该雕刻的深度。否则，可能导致 过度平滑化和变形的雕刻结构。例如，一个每英寸含有80线（80 lines per inch)的三螺 旋（trihelical)图案具有约50微米深度的单元格，这样的表面在接下来的任何激光硬化 步骤熔化时，最好限制到不超过50微米。此外，通过间隙元素吸收激光表面硬化，已被发现 是非常灵活的，以可控的方式在钛/钛合金表面上制造宽范围的属性（properties)。因此， 该表面可以被定制，以满足特定的流体输送的应用。通常，可以使用气体或固态激光器，例 如，C0 2、Nd :YAG激光器或光纤激光器，并且本领域的技术人员熟悉其操作。按照本发明，各 种操作参数可影响表面硬化效果的达成，并且每个和每个的组合的影响可通过实验进行研 究。广义地说，操作参数与激光器、激光器和表面的相对运动以及气体供应有关。
[0049] 相对于所使用的激光，相关的操作参数将取决于所使用的激光源和它的操作方 式。脉冲模式相关的操作参数包括激光脉冲能量、脉冲宽度、重复率和扩束望远镜（beam expanding telescope)的设置。在连续模式中，例如使用Nd:YAG激光器，相关参数是激光 功率。不同类型的激光器可以通过选择不同的操作模式、光学元件等以产生相同的硬化或 雕刻效果。
[0050] 关于激光器和钛/钛合金表面之间的相对运动的相关参数包括遍历速度 (traversing speed)和重叠率。该激光器可以是静止的，而钛/钛合金表面相对移动，或反 之亦然。
[0051] 相对于气体供给，相关参数包括气体浓度、气体流速和流动方向。
[0052] 通常，硬化的深度取决于在加热钛/钛合金表面时，与相关间隙元素反应的（表 面）层的厚度。例如，在低激光能量下熔融硬化，熔化深度会比较浅。峰值硬度（Peak hardness)与表面上的硬质相（如氮化物和碳化物）以及它们的组合物的浓度有关。表面 的亲水性也可以通过钛/钛合金与处理气体的反应操作。
[0053] 当使用激光时，处理过的表面的粗糙度被认为是激光功率、遍历速度，道次之间的 间距（spacing between passes)以及处理环境等相关的函数。在富氮环境下，一种典型的 粗糙，可产生珊瑚状的表面形貌（见下面的图4)。增加激光功率导致越来越平滑的处理表 面。在加工过的钛/钛合金中，用激光处理很容易实现表面粗糙度（Ra)值小于0.3μπι。
[0054] 按照本发明的实施例，有可能无需任何的雕刻步骤即可产生一个适用于流体输送 的硬化的表面。在这种情况下，表面硬化处理可以产生立即适用于流体输送的表面形貌/ 浮雕，所以实际上并不需要雕刻。这可能是这种情况：通过改变如上面经鉴定的特定操作参 数，激光处理产生了合适程度的表面粗糙度。特别地，激光能量被认为与此有关。
[0055] -般来说，要适用于流体传输，表面应具有的表面体积容量为l_300cc/m2,例如 l-ll〇CC/m2,再比如2-20cc/m2,其通过常规测定技术，例如使用垂直扫描干涉仪或立体视频 分析。一般地，平均粗糙深度（R z)应小于200 μ m，例如5-100 μ m，通过例如使用触针轮廓 仪决定。
[0056] 在其他实施例中，基于所预期的流体传递功能，表面被处理（雕刻）以提供期望的 形貌/表面浮雕，这可使用常规技术来完成。这些可以是机械性的，如压花或滚花。或者， 雕刻可以使用化学蚀刻或激光雕刻来进行。其中两种或多种技术的组合也可以使用。
[0057] 雕刻可以在对钛/钛合金表面进行表面硬化的步骤之前和/或已经实施的方面之 后进行。硬化可在雕刻之前进行，反之亦然。可能一个或多个区域将被雕刻，而其他区域没 有被雕刻。
[0058] 在本发明的一个优选实施例中，激光用来雕刻形貌特征到表面上，这对精确的计 量和输送流体而言是有用的。激光表面雕刻在流体计辊（如氧化铬涂层网纹辊）的制造中 是标准做法。一个常见的形貌是相同的六边形的单元格重复图案在表面上形成的蜂窝状图 案（见图1)。另一种常见的形貌是正方形图案。单元格图案形貌取决于由激光的组合线性 运动和辊旋转导致的雕刻角。另一个通常应用于凹版印刷辊的形貌是连续的平行的槽或通 道，一般是三螺旋结构。
[0059] 在效率方面，使用相同的激光系统进行硬化和雕刻操作是有利的。如前所述，硬化 可在雕刻之前和/或之后进行。为了得到足够的耐磨性，可能需要两个或更多个硬化步骤。 另外，在任何硬化或雕刻步骤之前，激光可以用于准备表面，在这种情况下，激光功率将被 相应地选择。因此，加工准则可以基于通过一系列的激光操作来设计以使原料钛/钛合金 表面完全适合于流体输送的任务被设计。
[0060] 这可以通过如下的多种不同的激光设备的配置来实现。
[0061] ?一个单一的激光束控制以实现在表面上的不同时间的不同操作。在这种情况 下，操作参数为各个独特类型的操作专门设置。
[0062] ?一个单一的激光分割为多个光束，每个光束传送能量到工件表面上的不同的物 理位置。
[0063] ?一种多光束系统（来自单个透镜的两个或更多个光束）。
[0064] ?多个激光器。由于激光表面相互作用类型的多种不同需要，也可能需要多于一 种类型的激光器。不同的激光光源会在其特征波长发光。此外，特定的操作模式可以被有 利地使用，如可能由Q开关（Q-switching)、锁模或其它方法引起的极短的脉冲。这允许在 极短的时间间隔内将大量的能量传递到表面。然而，这可能无法适用于所有激光系统。此 夕卜，每个激光器可以提供一个或多个光束到工件表面上。
[0065] 与上述激光安排的任何一个，可以通过如下方法在工件表面上的多个点执行多个 操作。
[0066] ?以时间分隔的离散的操作，。例如，在工件为圆柱体的情况下，激光操作通过滚 筒的每一个旋转适时地分隔。或者，在下一个步骤开始之前，在整个表面完成一个处理过程 可能是有利的。
[0067] ?物理上相互偏置的多个处理区。例如，硬化操作可被分布在雕刻脉冲之前、期间 或之后。
[0068] ?上述的任意组合。例如，在工件为圆柱体的情况下，激光能量可在多个点定向， 沿周向和/或轴向彼此互相偏置，滚筒的多个转数导致该处理顺序的重复。
[0069] ?多个激光束指向一个位置，同时工作。
[0070] 在本发明的一个实施例中，钛或钛合金表面用包括一个或多个雕刻步骤和一个或 多个硬化的步骤（以任何顺序）的循环进行处理。例如，本实施例可包括2到10个处理周 期，但并不限定于10个周期。
[0071] 多个处理操作可以获得很多好处。例如，重复的雕刻脉冲，有时也被称为"多击雕 刻（multi-hit engraving) "允许极大地提高了单元格结构的一致性，时间的激光功率的变 化，平均暂时激光能量分布，平均暂时激光模式变动，改善了雕刻结构。在钛表面同时进行 雕刻和硬化操作具有在雕刻结构形成的同时单元格壁完全硬化的优点。在本发明的这方 面，当保留雕刻结构而不是只进行后雕刻操作时，更高的处理水平通常是可能的。除了改进 的处理水平，同时发生的处理和雕刻进一步的优点包括在最终的结构中更好的控制、雕刻 参数选择的灵活性、减少处理时间和减少浪费，简化操作流程和形成不可以在处理之前或 之后通过雕刻获得的复杂结构。
[0072] 在本发明的一个实施例中，该过程可以至少部分地自动化。例如，表面硬化和雕刻 可以使用一个或多个适当的定位激光依次进行。例如，这些用于硬化和雕刻的定位激光可 以围绕具有钛/钛合金表面的圆柱形基底圆周排列。也可以在一个或多个激光器的"上游" 增加冷喷涂站，以提供一个合适的待处理的钛/钛合金表面。通过冷喷涂制备的表面可能 需要在表面硬化和雕刻之前加工，但取决于所述冷喷涂表面的平滑性，不是必需的。
[0073] 本发明进一步提供了一种将流体供应到副表面上的方法，该方法包括：根据本发 明将需要输送的流体提供到流体转移表面上，然后使流体转移表面和副表面接触，以使流 体从流体转移表面输送到副表面上。为了使意图的流体输送有用和有效，钛/钛合金表面 包括意在允许流体均匀的体积以使其可被测量的带到所述表面上，并当表面/流体被带到 与副表面接触时，从表面转移到副表面上的表面特征/浮雕（空腔，凹陷，通道，沟槽等）。 流体从流体转移表面输送到副表面上的机制通常与表面张力有关。
[0074] 根据本发明，有准备表面的大量的实际应用。可理解的是，本发明可以用于提供钛 /钛合金辊，它们可以用于代替传统的陶瓷涂覆的、镀铬或金属的流体输送辊。在柔性版印 刷机的情况下，流体仪辊的功能已知为用作网纹辊的情况下，是为了控制墨水从储墨器到 印刷板的流动。柔性版印刷是一种用于宽范围的种类的基底上打印的打印过程。这些可以 被分为窄幅（narrow web)和宽幅（wide web)应用。窄幅包括标记（Tag)和标签（label)、 信封和纸箱。宽幅遍及所有方式的软包装，包括聚乙烯、聚丙烯、PET和玻璃纸。包装和食品 行业使用的包装袋是一个主要的细分市场。宽幅还包括纸（paper)和报纸（newspapers)。
[0075] 还有许多需要测量（与输送）精确的流体数量的其他工业应用。例如，辊涂用于 一系列的提供流体均匀的薄膜到副表面上的从胶带到乙烯基墙纸的工业中。雕花滚筒用于 提供漆膜到钢板或铝板卷。用于层压行业中的凹版印刷辊以相同的操作方式到柔性版网纹 辊：通过测量由单元格数量控制的流体的量，配置每个单元格的容量承载能力。在这种情况 下，以上的术语一凹版印刷辊不应当与用于轮转影印（凹版）印刷的凹版印刷辊相混淆，所 述凹版印刷辊具有雕刻图像，当辊与基底接触时该雕刻图像可被复制到基底上。网纹辊也 可用于液晶显示器（IXD)的取向层（alignment layer),激光全息标签，防伪保护标签的制 造。
[0076] 应该理解的是，在本发明的上下文中，术语"流体"并不限于液体。事实上，在一些 提到的应用中，油墨和油漆中具有高固体含量。因此，该术语也可延伸至浆料，可能的（可 流动的）粉末，如聚合物粉末和金属氧化物粉末（例如，的Ti0 2)。流体的其他例子可以为 期望应用到副表面的包括热熔性液体（如树脂粘合剂和密封剂），粘合剂（如聚乙酸乙烯酯 (PVA)、聚氯乙烯（PVC)和聚氨酯橡胶，颜料，食品和食品成分（如淀粉），和生物医学试剂。
[0077] 被输送的流体是可以含有赋予印刷表面功能的颗粒。一个例子是赋予在银行使用 的支票中的磁性氧化铁颜料以安全功能的磁性墨水字符识别（MICR)。另一个本发明可以得 到实用的领域是柔性电子器件的生产，其中具有适当的电或电磁特性的相对厚的膜被施加 到柔性副表面上。该膜可以含有导电材料的颗粒，例如银或银合金。其中一个常见的例子是 射频识别（RFID)标签。其它新的应用可能需要大规模的高分辨率印刷，如用于柔性显示器 和有机薄膜晶体管（0TFT)的有机发光二极管（0LED)。在不断发展的有机或聚合物太阳能 电池区域中，采用辊对辊印刷技术可有助于在规模上提高从实验室试验到全规模生产。在 这方面，流体可以是在合适的载体（例如醇）中的Ti0 2粉末的浆料。当将浆料输送到副表 面后，醇可以被蒸发以提供沉积的Ti02。
[0078] 本发明的主要优点包括：
[0079] ?由于使用了钛及钛合金，可以抵抗腐蚀和其他化学侵蚀。
[0080] ?避免使用那些对环境和人体健康构成威胁的含铬材料。
[0081] ?通过使用激光的硬化和雕刻步骤，使得制造步骤潜在的简化和更高的效率。
[0082] ?潜在的过程控制。例如，表面的临界性质，如粗糙度、表面能和硬度可以通过操纵 激光操作参数来控制。
[0083] ?处理后的钛表面的可修复性。磨损或损坏的地区可以使用例如冷喷涂的外加剂 技术进行重建，然后重建的材料被雕刻和硬化。与现有的陶瓷涂覆辊（例如，需要将整个被 涂覆的表面剥去回复成辊基（roller base)，然后重新涂覆该涂层）相比，能可观地节约时 间和精力。
[0084] 本发明的实施方案参照以下非限制性实施例示出。
[0085] 实施例1
[0086] 下面的例子用来说明使用激光来在钛表面进行雕刻和硬化操作。为此，从商业供 应商处获得〇. 4毫米厚的二级钛片。钛的物理形式被选择为便于分析后处理的，尽管没有 理由说明为什么相同的操作步骤顺序不能用于其他工件的形状或尺寸。
[0087] 将片材卷绕在75毫米直径的圆柱体上并转动，从而使圆周表面速度为0. 25m/s。 在三个分开的步骤中，使用Nd :YAG激光雕刻和氮化表面。雕刻时，激光在Q开关TEM 00模 式下操作。雕刻过程中，通过激光喷嘴将N2喷射到工作区。用60°的屏幕角来产生六边形 单元格形式。为了硬化，使用多模式TEM11。在第一硬化步骤中，队气体也被用来使所述表 面氮化。随后，该表面被以没有加入N 2的气体重新处理，从而使被加热的表面暴露于环境 空气中而被氮氧化。
[0088] 图1提供了最终的氧氮化处理阶段后的表面的光学显微镜图像。使用Rollscope 干涉仪（Rollscope Interferometer)测得单元格的尺寸。测得的屏数为每英寸142线。单 元格平均深度为54. 86 μ m。
[0089] 然后剖开片材，嵌入环氧树脂（epoxy resin)并用标准金相（metallographic)技 术抛光。在处理过的表面内的不同位置的微硬度（microhardness)在10g负载下用努普硬 度计压头（Knoop indenter)确定。发现在单元格壁的尖端的微硬度达到HK1800-2100范围 内。在所述基板的未受影响的区域的表面下的底端（至少200μπι)的微硬度达到HK176±2。
[0090] 然后使用Kroll试剂（氢氟酸和硝酸的水溶液）对抛光的截面蚀亥lj。图2示出了 处理区显微结构的代表性的扫描电子显微镜图像。在表面上，特别是在单元格壁上，发现了 氮化钛立方支状晶体（dendrites)。支状晶体象征着在凝固过程中一种含氧和氮的富钛熔 体的氧氮化物的形成。由努氏压痕测量的大部分的硬化与此部分的微结构有关。经过接下 来的两阶段的硬化处理，发现该支状晶体特别紧密的间隔排列，从而进一步提高了所得的 微硬度读数。在表面的更深处，通常发现一系列其它微结构，包括六边形钛支状晶体，针状 钛马氏体（martensite)和由于在部分基底中太深而难以受激光加热影响的钛多边形晶粒 (grain)〇
[0091] 实施例2
[0092] 下面的例子显示了本发明描述的方法生产的钛表面上的各种纹理的适应性。
[0093] 使用和前一个实施例相同的0. 4毫米厚的二级钛片材料。它以相同的方式被固定 在的圆柱体上并转动，以使表面速度为〇. 25cm/s。在Q开关TEM 00模式下，使用Nd:YAG 激光雕刻表面。激光被程序化控制以雕刻一个由两组与圆柱体的轴成45°角的直线凹槽 (straight grooves)图案。其中一组凹槽以170μπι的间隔隔开，而第二组，朝向垂直于第 一组，以350 μ m的间隔隔开。在组合中，两组凹槽确定了 170X350 μ m的矩形，如图3所示。 横断面分析表明，该凹槽的深度为?30 μ m。
[0094] 雕刻之后，在多模TEM11下将光束聚焦在工件上用激光对表面进行氮化。图3显 示了在左上角，被雕刻和氮化的区域的边缘以及周围被雕刻但未被氮化的区域的光学显微 镜图像。试验了适用于激光氮化的激光功率范围的设置。图3示出了激光减弱到约52W恒 定瓦特数的效果。氮化后，凹槽结构被清晰地保留。肉眼可见，在图3的左上角区域已变成 有光泽的金色。采用不同的激光氮化设置，特别是采用不同的气体进入处理区域，也可以制 备范围广泛的不同的颜色和反射率度数。
[0095] 然后剖开片材，嵌入环氧树脂并用标准金相技术抛光。发现最接近表面的在10g 负载下的努普微硬度达到HK1400-1600的数值范围。
[0096] 实施例3
[0097] 本实施例表明，正确选择激光处理条件，钛表面可以在一个单一的操作中熔化，该 熔化用于硬化表面并产生具有微米尺度的凸起特征和凹陷特征的拓扑结构。
[0098] 本试验采用75mm直径和3mm壁厚的二级钛圆柱体。使用Nd :YAG激光处理，在多 模TEM11下操作，减弱到大约33W恒定瓦特数。为了拓宽工件上的光斑尺寸，激光通过从表 面1.0毫米±0. 1mm欠焦（underfocused)。在处理过程中，N2气体被注入到工作区。旋转 圆柱体以获得〇. 25m/s的线性表面速度，并且激光喷嘴以恒定0. 02mm每转轴向移动。
[0099] 图4示出了经处理的表面的扫描电子显微镜图像，其显示出珊瑚状形态。与相 对光滑的表面相比，存在的深凹陷允许表面容纳更多的流体。用触针式轮廓仪（stylus profilometer)测定的平均粗糙度深度（R z)为13·9±0·9μηι。
[0100] 剖开样品，安装并抛光用于微硬度分析。使用了 i〇g载荷的努氏压头。在表面微 凸体尖端的微硬度达到1000-1200HK，这表明通过激光氮化得到了有效的硬化。
[0101] 实施例4
[0102] 本实施例示出了使用一系列交替的激光雕刻和激光硬化步骤的多通道处理。
[0103] 使用和实施例1和2相同的0. 4毫米厚的二级钛片材料。以相同的方式将其固定 在圆柱体上并转动，以使表面速度为0. 25cm/s。使用Nd :YAG激光执行以下6种处理通道：
[0104] 通道1 :在Q开关TEM 00模式下雕刻。焦点-2. 0mm(目标表面上方）。
[0105] 通道2 :在CW TEM11模式下硬化。焦点+0· 5mm(目标表面下方）。
[0106] 通道3 :在Q开关TEM 00模式下雕刻。焦点-2. 0mm(目标表面上方）。
[0107] 通道4 :在CW TEM11模式下硬化。焦点+0· 5mm(目标表面下方）。
[0108] 通道5 :在Q开关TEM 00模式下雕刻。焦点-1. 0mm(目标表面上方）。
[0109] 通道6 :在CW TEM11模式下硬化。焦点+0· 5mm(目标表面下方）。
[0110] 在工作区周围同时为雕刻和硬化喷射氮气气体。雕刻图案是具有每英寸225线屏 幕数（screen count)的60°六边形结构。
[0111] 图5是光学显微镜图像，其显示所得的表面。
[0112] 实施例5
[0113] 在下面的例子中，激光雕刻和硬化在冷喷涂金属陶瓷复合涂层上进行。
[0114] 碳化硅（SiC)粉末与钛粉末混合制成25重量％的SiC和75重量％的钛混合物。钛 粉末粒子具有角形态和24.9 μ m的平均粒径。所述SiC颗粒也具有角形态并过筛至-25 μ m。 然后用CGT Kinetiks 4000系统冷喷涂该混合物。使用氮气作为载气，在3. 5MPa的压力和 800°C下立即从喷嘴上行进行冷喷涂。使用CGT 24TC喷嘴，其具有5. 6的膨胀比和129. 5mm 的分叉部分长度（diverging section length)。涂层沉积到外径75mm壁厚3mm的低碳钢 圆柱形基底。该圆柱体在车床上旋转。冷喷涂枪由ABB机器人控制。枪保持垂直于基底表 面，且喷嘴的端部与所述基底保持恒定的30mm的平衡距离，同时沿着圆柱体的长度方向向 下移动并返回33次，以建立该涂层。一个在金属钛基上含有SiC颗粒的1. 2mm厚的涂层形 成。
[0115] 该镀膜的圆柱体被复原加工成77. 1mm的统一直径。用Nd :YAG激光器进行激光雕 刻和硬化，同时圆柱体以0. 25m/s的周向表面速度旋转。镀膜的表面首先在Q开关ΤΕΜ00 模式下用激光进行雕刻，同时N2气注入到工作区域中。定向在与圆柱体的轴成45°角的每 英寸80线的三螺旋图案生成。用Nd :YAG激光以连续波（CW)TEMll模式以及N2喷射的情 况下，对该表面的一个区域进行硬化。在氮气下硬化后表面变成金黄色。
[0116] 图6示出了雕刻后的表面的光学显微镜图像，并且图6中的左上角是硬化区。然 后将样品切片，嵌入环氧树脂并抛光。抛光的横截面的努普微硬度测量值表明单元格壁的 峰值硬度位于1600-2000HK，表明有效的激光硬化。
[0117] 实施例6
[0118] 本实施例用以说明用于柔性版印刷机的，根据本发明的方法制得的网纹辊。
[0119] 包括两端的轴颈的低碳钢辊座的总长度为579_。圆柱体的工作表面（辊面）直 径为69. 0mm和长度为350mm。使用CGT Kinetiks 4000冷喷涂系统将钛涂层沉积在辊面。 原材料是实施例5中使用的具有24. 9 μ m平均粒径的相同的具有角形态的钛粉末。冷喷涂 系统在入口点到CGT 24TC聚合-分散喷嘴处以3. 5MPa压力的氮气和加热到800°C。该喷 涂涂层厚度为0. 9毫米。对该涂层进行机械加工，以使整个辊的直径回到70. 7mm。
[0120] 被加工的涂层表面用Nd :YAG激光雕刻，以形成凹槽直线相对辊轴成45°，并且每 英寸150线的三螺旋图案。激光在Q开关ΤΕΜ00模式下操作以进行雕刻操作，同时N 2气通 过激光喷嘴喷射到工作区域中。被雕刻的表面然后用连续波（CW)TEMll模式结合队气喷射 下对表面进行激光再熔以进行硬化。最后，雕刻和硬化的表面用金刚石浸渍薄膜进行研磨。 该研磨操作是常用的用于网纹辊的以磨掉最高的尖峰的技术，这降低了在常规的印刷操作 中辊和其他表面接触时的耐磨性。
[0121] 在RY320-5B柔版印刷机（购自中国Hexiang)上进行辊的耐磨试验。图7示出了 该实验装置的侧视图。辊1在印刷机中以60米每分钟的印刷速度运行。一个350_长的白 色碳钢刮刀（〇. 2mm的薄片）2以反向角结构与网纹辊恒定接触。两个259g重的砝码3在 刮刀固定器60mm处与棒条体相连，枢轴线4用来保持处于网纹辊1表面不断冲击下的修理 的刮刀边缘。磨损刀刃的刀片接触角测定为30°。无印版滚筒、压印滚筒或送纸辊（paper feed)被用来作为测试的对象时，不进行打印，而是用来评估辊1的耐磨损性。由于柔性版 印刷油墨易于蒸发，同时由于需要在整个试验持续时间内提供恒定的条件，用混合物6代 替墨水加入墨盘5中，混合物6为1份Flexoclean洗漆剂和10份自来水。该洗漆剂溶液 6从墨托盘5中用直径为70. 5_的橡胶墨斗辊7拾起，并传递到涂覆钛的网纹辊1。橡胶 辊7和网纹辊1的面不接触，但足够接近洗涤剂溶液6,以使网纹辊1湿润。过量的溶液通 过刮刀2从涂覆钛的网纹辊1抹掉。涂覆钛的网纹辊1以这种方式运行整整224小时，这 等同于进行807. 84公里的行进。在测试之后用干涉仪进行的分析表面拓扑结构显示，三螺 旋的尺寸没有变化。
[0122] 通过比较，在相同的条件下将未硬化的冷喷涂辊经受相当的40. 00km(ll. 1小时） 后，表面的单元格区域完全消失。
[0123] 实施例7
[0124] 下面简短的过程演示了滚筒的可修复性。图8中的光学显微照片显示了由重钢物 体冲击凹损的表面的一个区域。三螺旋图案明显的损坏。围绕受损区域的辊表面30mm的 带被进行复原加工，并用带有24TC喷嘴的CGT Kinetiks系统以及在3. OMPa下N2气体被 预热到800°C的条件下喷涂相同的钛粉。再冷喷涂区域进行机械加工，并且使用与之前的处 理相同的程序进行激光处理。转动辊以产生0. 25m/s的圆周表面速度。在Q开关ΤΕΜ00模 式下用Nd :YAG激光，同时N2气注入到工作区域中的条件下雕刻与圆柱体的轴成45°角的 三螺旋图案。对于渗氮，使用CW TEM11模式下注入氮气。该重新喷涂的涂层在激光处理中 没有表现出任何分层的迹象。修复的表面的单元格使用Rollscope干涉仪测量。测得的屏 数为每英寸150线。
【权利要求】
1. 一种流体转移表面的制备方法，该方法包括： 提供钛或钛合金的表面； 使所述钛或钛合金表面通过间隙元素吸收进行表面硬化以提供一个硬化的表面；并 且，如果需要的话， 雕刻所述表面，以提供所需的表面形貌。
2. 权利要求1的方法，其中，表面硬化可以在含有相关元素的气体的存在下通过局部 熔化表面实现。
3. 权利要求2的方法，其中，所述气体含有相关元素的气体与惰性气体形成的混合物。
4. 权利要求2或3的方法，其中，所述气体为氮气。
5. 权利要求2或3的方法，其中，所述气体为二氧化碳。
5. 权利要求2或3的方法，其中，所述气体为空气。
6. 前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用激光局部熔化所述表面。
7. 前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用激光雕刻所述硬化的表面。
8. 前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过压花或滚花雕刻所述硬化的表面。
9. 前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过化学蚀刻雕刻所述硬化的表面。
10. 前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述钛或钛合金表面是圆柱体的外表 面。
11. 前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过冷喷涂钛或钛合金粉末产生所述钛 或钛合金表面。
12. 前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过冷喷涂钛或钛合金粒子到基体组件 的表面产生钛或钛合金表面。
13. 权利要求12的方法，其中，所述基体组件是圆柱体、板或模具。
14. 前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述钛或钛合金表面是含有一个或多个 功能上有效的添加剂的复合材料。
15. 权利要求1的方法，其中，所述钛或钛合金表面用包括一个或多个雕刻步骤和一个 或多个硬化的步骤的循环进行处理。
16. 修复流体转移表面的方法，该方法包括：通过冷喷涂钛或钛合金粒子到表面上来 提供位于流体转移表面上的钛或钛合金层，然后通过间隙元素吸收使所述钛或钛合金层硬 化以提供硬化的表面，以及，如果需要，雕刻所述硬化的表面，以提供所需的表面形貌。
17. 权利要求1至16中任一项所述的方法生产的流体转移表面。
18. 将流体供应到副表面上的方法，该方法包括：将需要输送的流体提供到按照权利 要求17所述的流体转移表面上，然后使流体转移表面和副表面接触，以使流体从流体转移 表面输送到副表面上。
19. 权利要求17所述的流体转移表面在流体输送中的应用。
【文档编号】B41M99/00GK104145040SQ201380008769
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年2月8日 优先权日:2012年2月9日
【发明者】P·C·金, M·Z·札赫迪, J·P·豪尔兰德, Y·H·史, A·C·恩格尔 申请人:联邦科学与工业研究组织