专利名称：通过气相沉积法制造中空镍成型体的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过镍气相沉积制造制品，例如镍制的工具部件。
背景技术：
已知通过镍气相沉积(NVD，Nickel Vapor Deposition)来制造镍部件，例如外壳或其他成型体。通常使用沉积室，在沉积室中有一卷筒或沉积盘。卷筒被加热，呈四羰化镍(Nickel Carbonyl)气体状态的镍蒸汽经过加热的卷筒。当四羰化镍气体接触加热的卷筒表面，就会分解，形成坚硬致密的镍，沉积在卷筒上。沉积的镍形成一层膜，该膜精确复制其所沉积的卷筒的表面细节。
由Reinhart Weber等提出的美国专利No.6,007,634就展示了这样的沉积室来生产镍制品。
但是，现有技术中使用沉积室的NVD方法和装置存在的缺点是，在将四羰化镍气体通入沉积室之前，必需清除整个沉积室内全部的氧。这一过程占用最大的成本，根据沉积室的大小要花费4～6小时。同样的清除过程在沉积过程之后沉积室打开之前还要重复一次。
发明内容
本发明通过使用多部件卷筒，使其自身成为沉积室，取消了单独使用的沉积室，明显降低了由于所生产产品的特定尺寸而需要的清除时间。镍气相沉积生产的NVD镍制品，其外形尺寸和表面光洁度是卷筒内表面的全部或部分的准确复制。
根据本发明的一个方面，提供了一种通过镍气相沉积生产镍制品的方法。提供一种中空的多部件卷筒，其具有内壁部分，该内壁部分限定所制造的镍制品的至少一部分外表面。该中空的多部件卷筒已经清除了氧。多部件卷筒的内壁部分被加热到足以使存在的四羰化镍蒸汽在其上沉积镍的温度。然后四羰化镍蒸汽通过加热的中空多部件卷筒来生产镍制品。然后，对镍制品和多部件卷筒的内部清除四羰化镍气体，将镍制品从模具中取出。
根据本发明的另一方面，提供通过镍气相沉积生产镍制品的一种装置。第一卷筒构件包括一个侧壁，侧壁具有第一卷筒表面，该第一卷筒表面部分限定了所生产的镍制品。第一卷筒构件设置环绕第一卷筒表面的第一分割线。第二卷筒构件具有一个侧壁，侧壁具有第二卷筒表面，该第二卷筒表面限定所生产的镍制品的其余部分。第二卷筒构件设置环绕第二卷筒表面的第二分割线，其与第一分割线相配合形成的封闭空间限定了制品的结构，并允许该制品从卷筒构件的开口之上取出。加热部件设置在卷筒构件中，用于将第一和第二卷筒表面加热到预先设定的温度。至少一个进气扩散器和一个排气扩散器被设置在卷筒器件之内，用于输送气体通过该封闭空间。
为了清晰理解本发明以及便于实施，以下参照附图，基于以下附图对本发明的优选实施例进行说明图1是根据本发明的多部件卷筒的实施例的分解示意图，显示出已在多部件卷筒间成型、位于上下卷筒构件之间的镍制品。
图2是图1中的多部件卷筒的示意图，显示旋转180度后的下卷筒构件，其位于上卷筒构件之后。
图3是沿着图1中的3-3线的将图1中卷筒封闭了的剖面图，镍制品仍在卷筒中。
图4是沿着图1中的4-4线的将图1中卷筒封闭了的剖面图，镍制品仍在卷筒中。
图5是图4中的圈5部分的放大剖面图，显示镍制品仍在卷筒中，以及被封闭的部件如何固定到位。
图6是根据本发明制造具有开口端的镍制部件的另一实施例的分解示意图，并显示镍制品已在其中形成且从卷筒中取出。
图7是沿着图6中的7-7线的图6中卷筒封闭了的剖面图，镍制品仍在卷筒中。
图8是沿着图6中的8-8线的将图6中卷筒封闭了的剖面图，镍制品仍在卷筒中。
图9是类似于图3或图8的剖面图，但显示的是本发明的另一实施例，用于制造具有V形断面的镍制品，镍制品仍在卷筒中。
图10是本发明的另一实施例的分解示意图，用于制造位于下卷筒构件的中空镍制品。
图11是沿着图10中的11-11线的将图10中卷筒封闭了的剖面图，镍制品仍在卷筒中。
具体实施例方式
参照附图，在图1～5中，附图标记10整体代表多部件卷筒(multi-partmandrel)的优选实施例，用于生产一对被称为起模器12(mold lifter)的镍气相沉积(NVD)制品或部件。在卷筒10中有2个起模器12，分别为左、右起模器，根据需要可以在卷筒中仅制造一个或者两个以上制品。起模器12是典型的模具器件或工具，用于生产塑料注入、压缩、反应注入模具和喷射工具。起模器12是这些工具的部件，在现有技术中，通常由金属固体块来制造，并被安装在模具上来用作可动部分，辅助该部分的喷射。根据本发明的制造方法，起模器12是中空的镍外壳，减轻了重量，并具有优良的热传导特性，因此降低了整个制造和装配时间及成本。这里所述的NVD方法，可以生产使用于某些特殊领域的具有纹路制品的起模器12。如果需要多个器件或工具，只需一次性蚀刻卷筒，而不用蚀刻每一个镍起模器12，具有可重复使用和低成本的优点。
卷筒10包括第一或者上卷筒构件13和第二或下卷筒构件14。卷筒构件13、14限定了在卷筒10中生产的制品例如起模器12的形状。第一或上卷筒构件13具有内壁部分，限定了两个第一凹陷50(参照图3)，每个凹陷都限定了起模器12的上半部分(参照图3)的形状(实际上，是起模器的下半部分，因为起模器自身被用作工具或卷筒来生产所需端面的产品)。上卷筒13的这些内壁部分被称为第一独立阴模具部分51。上卷筒构件13还具有第一分割线或切割线52(见图1)，环绕着第一凹陷50或阴模具部分51。
第二或下卷筒构件14具有内壁部分，限定了两个第二凹陷53(见图3)，每个凹陷都限定了起模器12的下半部分(见图3)的形状(同样，是起模器12的上半部分，在生产一个终端的产品时自身被用作卷筒)。下半部分被称为第二独立阴模具部分54。下卷筒14同样具有第二分割线或切割线56，环绕着阴模具部分54的第二凹陷53。
分割线或切割线52、56分别环绕着第一和第二凹陷50、53，相互匹配形成封闭空间，该封闭空间由独立阴模具部分51、54限定，并限定了起模器12的形状。分割线52、56的位置由卷筒10中所加工的制品的形状所决定，并使得在沉积后制品可以取出。在两个独立的卷筒构件13、14之间环绕着起模器12的分割线52、56中设置O形圈27，在卷筒部件13、14之间提供良好的密封。用螺栓25和26把卷筒构件13、14紧固在一起。对准块21嵌入凹槽23中来保证上、下卷筒构件13、14间的精确对准。
参照图1～4，限定了进气和排气口28、29的进气和排气喷嘴或扩散器11和22，用于四羰化镍气体的气流通过卷筒10。扩散器11和22有时作为绝缘套管。扩散器11、22由绝缘材料构成，例如尼龙，使得四羰化镍气体中的镍不会沉积于其上。扩散器11、22由定位盘42和定位螺栓44所固定到位。
在卷筒10中，具有4个进气喷嘴或扩散器11和2个排气喷嘴或扩散器22。任何卷筒中使用的进气和排气扩散器的数量取决与将要沉积镍的器件的形状和结构，但是一般而言，进气扩散器的数量是排气扩散器的2倍。在多孔卷筒中，可以有30～40个进气和排气扩散器。应该是使得四羰化镍气体稳定地进入卷筒，在靠近喷嘴的地方均匀沉积镍，避免气流的速度影响沉积，这将在后续中详述。
从图1、4和5可知，双头螺栓19和中空加热管20被螺栓46和48选择性地固定在上卷筒构件上，在沉积过程中被镍所包裹。螺栓或密封19优选由钢制成，用来接触起模器或拉杆或其他固定装置，在使用中来保持NVD沉积制品定位。密封19由螺栓46可松开地安装在独立阴卷筒部分上，在靠近独立阴卷筒的部分具有阴螺纹开口。但是，密封19也可以是具有阳螺纹的螺栓，穿过阴模具部分的壁，由螺母固定。
被包裹的加热线或加热管20形成为用于NVD端产品的加热传导回路，例如起模器12。螺栓48是中空的，使得管20的内部在沉积之前被清理。使用氮气和随后的一氧化碳来清理管20。这是为了防止四羰化镍气体在卷筒加热中变成受污染气体。螺纹塞24和O形圈37将管20的端部密闭固定在卷筒10上，防止一氧化碳从管20中泄漏，也密封以防止沉积中四羰化镍气体的泄漏。
可以将电阻加热器17安装到卷筒构件13、14中用来均匀加热卷筒，或用来在沉积过程中提供分布式的或可变的温度区域来影响沉积镍的组成或厚度，这将在后文中叙述。或者如图6、8和9所示，通过压力使受热流体通过一系列钻孔通道18。另一种方法是使用加热板或加热板群(图中未显示)紧贴卷筒构件13、14的外面。绝缘板15、16设置在卷筒构件13、14的外表面上以固定加热器并保证能源效率。
在图1～5中，进气和排气喷嘴11、22被安装在上模具构件13上。实际上，他们可以安装在卷筒10的任何位置，使得四羰化镍气体能良好地流过卷筒10。卷筒10被显示成水平放置，实际上可以垂直放置，也可以以其他需要方向放置。
图6和8显示了卷筒30的另外一个优选实施例，其中根据该过程可以制造各种具有简单或复杂几何形状的成型体或制品32。可以制造的零件或制品32，例如简化成一根细管或粗管，其两端都开口。绝缘板39由尼龙或其他材料制成，镍不会在其上粘结，由固定盘42和螺栓44固定到位。绝缘板39和固定盘42形成同轴的进气和排气口使得四羰化镍气体通过卷筒30。
管状制品32可以具有任何所需的壁厚，从最小为约0.05mm(0.002英寸)开始，直到制品几乎为固态实体。制品32的结构只是用来说明，其可以是任何所需的形状和结构。
图9显示卷筒40的另一优选实施例，其中下卷筒构件14和在上卷筒构件13上的尼龙绝缘板31一起，可以制造开口V形的零件33，例如可以用于飞机推进器或直升飞机旋翼的前缘部分。凹陷50的表面温度可以通过使用加热通道18来控制，从而调节沉积镍的厚度。可以控制NVD镍成型体33的壁厚，根据通道18中热循环的结构以及卷筒构件14的各部分上进行的控制来使得厚度变化，最小约为0.05mm(0.002英寸)。例如，在推进器和旋翼的机翼部分的前缘或顶点，临近通道18的高温可以形成壁厚为约2.25mm(0.090英寸)，在外缘或侧翼部，临近通道18的低温可以产生部分区域的厚度在0.25mm(0.01英寸)。而且，在沉积过程中还可以改变四羰化镍气体的成分来改变镍在其厚度上的硬度。下文中将介绍温度和气体成分与镍的硬度和壁厚的关系。
图10和11显示了卷筒35的另一优选实施例，其中，形成一个中空外壳34，用于例如弯曲模具组件，模具中热水或冷水可以从中空外壳34中通过由进气和排气喷嘴或扩散器11、22产成的孔36、38流入和流出。
进气和排气喷嘴11、22的数量和位置取决于卷筒构件13、14中要制造的零件或制品34的几何形状。如上所述，喷嘴11、22的位置影响在沉积中壁厚的均匀性。希望在沉积中通过喷嘴11、22的气流不影响镍的沉积。为了这一点，在喷嘴11上形成低部分58来导引气流横向流动，或者偏离独立阴模具部分，或者以一定角度向上，这样气流不直接吹向凹陷50、53的表面或壁上。这将影响壁表面的温度并影响镍沉积的速度，这将导致不希望发生的结果。低部分58具有排气开口60，一般的直径在4.7mm(0.185英寸)。同样的目的，喷嘴可以以一个角度来进入卷筒。喷嘴的进气口的直径一般的范围是4～6mm，优选5mm(0.197英寸)。排气开口并不必须一定是圆的。进气和排气扩散器或喷嘴11、22由绝缘材料制成，例如尼龙，由固定盘42和螺栓44固定到位。
从图11清晰可知，独立阴卷筒构件之一具有向外突出的突起62，而且该突起与临近的卷筒表面隔出空间。这形成了缺口，该缺口是在沉积中镍桥接来形成用于抛光镍制品的壁支撑。
卷筒10、30、35和40可以由多种金属或非金属材料构成。金属例如可以使用铝或钢，也可以使用特定的环氧树脂，因为他们并不是疏气型的，可以影响镍沉积。在卷筒构件13和14上可以使用不同的材料来形成特定区域的不同结果。
上述任何卷筒还可以结合一层硅树脂层，或者覆盖在凹陷50、51的全部或任何部分，在抛光的制品的表面复制特定表面轮廓，例如内凹槽，或者制造具有纹路的表面，例如人造革。卷筒中的硅树脂必需在每次制造完之后更新。
操作中，第一和第二卷筒构件各自安装进气和排气扩散器或者喷嘴。喷嘴与惰性气源和真空源相联，来清除卷筒内部的氧。然后，卷筒构件被加热，四羰化镍蒸汽或气体穿过卷筒，在卷筒内壁上沉积镍。
四羰化镍蒸汽或气体(这里，“蒸汽”和“气体”在词义上可以互换)可以通过添加一氧化碳来稀释，根据需要可以下至15重量％的羰基。低浓度羰基与高浓度羰基相比，产生更硬的镍和更小的晶粒组织。优选的成分是大约60～70重量％的四羰化镍气体。
四羰化镍蒸汽或气体通常以大约20～40kPa(约3～6psi)的压力流入卷筒中，在模具侧壁的温度为165～175℃和气体成分约为90重量％羰基时形成大约每小时0.25mm(0.01英寸)的沉积速率。气源中高羰基浓度和卷筒中的高温度可以导致更高的沉积速度。卷筒温度下降，沉积速率下降，最小沉积发生在大约145℃，而且在130℃附近的温度几乎不发生沉积。这在模具的部分区域也许是需要的。优选的卷筒侧壁温度是170℃。如上所述，模具侧壁的不同区域可以被加热到不同温度来使得成型器件的一些部位获得不同的镍沉积的厚度。
对于本领域的专业人员，在可预见的范围内，在不脱离本发明的宗旨和范围的基础上，可以进行变更和改善，因此，本发明的范围限定于权利要求的范围。
权利要求
1.一种通过镍气相沉积制造镍制品的方法，其包括如下步骤提供一个中空多部件卷筒，其具有内壁部分，该内壁部分限定了所制造镍制品的至少一部分外表面；清除中空卷筒中的氧；加热所述多部件卷筒的内壁部分，使其温度足以使当四羰化镍蒸汽存在时发生镍沉积；输送四羰化镍蒸汽通过加热的中空多部件卷筒，制造所述镍制品；清除镍制品和多部件卷筒内部的四羰化镍蒸汽；以及，从卷筒中取下镍制品。
2.根据权利要求1所述的制造镍制品的方法，其特征在于在需要沉积镍的区域，多部件卷筒内壁部分被加热到至少165℃。
3.根据权利要求1所述的制造镍制品的方法，其特征在于在不需要沉积镍的区域，多部件卷筒内壁部分不能加热到超过130℃。
4.根据权利要求1所述的制造镍制品的方法，其特征在于部分多部件卷筒的内壁部分被加热到不同的温度，使得在镍制品的不同部位获得不同壁厚的沉积镍。
5.根据权利要求1所述的制造镍制品的方法，其特征在于进一步包括在内壁部分上安装另外的部件，使得其在沉积过程中被包裹在镍中的步骤。
6.根据权利要求1所述的制造镍制品的方法，其特征在于四羰化镍通过加热的中空多部件卷筒，直到沉积镍的厚度达到至少0.05mm(0.002英寸)。
7.根据权利要求1所述的制造镍制品的方法，其特征在于四羰化镍蒸汽与一氧化碳相混合来改变沉积镍的硬度。
8.根据权利要求1所述的制造镍制品的方法，其特征在于四羰化镍蒸汽与一氧化碳相混合来改变沉积镍的沉积速率。
9.根据权利要求7所述的制造镍制品的方法，其特征在于在沉积过程中四羰化镍蒸汽中混合的一氧化碳的量是变化的。
10.根据权利要求1所述的制造镍制品的方法，其特征在于多部件中空卷筒的内壁部分的温度设置为产生镍沉积的速率在大约每小时0.25mm(0.01英寸)。
11.根据权利要求1所述的制造镍制品的方法，其特征在于沉积过程中改变多部件中空卷筒的内壁部分的温度以改变镍的沉积的速率。
12.根据权利要求2所述的制造镍制品的方法，其特征在于部分多部件卷筒的内壁部分被加热到不同的温度，使得在镍制品的不同部位获得不同壁厚的沉积镍。
13.根据权利要求8所述的制造镍制品的方法，其特征在于在沉积过程中四羰化镍蒸汽中混合的一氧化碳的量是变化的。
14.一种通过镍气相沉积制造镍制品的装置，其包括第一卷筒构件，其具有侧壁，侧壁具有第一卷筒表面，该第一卷筒表面部分限定了所制造的镍制品，第一卷筒构件还具有环绕第一卷筒表面的第一分割线；第二卷筒构件，其具有侧壁，侧壁具有第二卷筒表面，第二卷筒表面限定了所述制造的镍制品的其余部分，第二卷筒构件还具有环绕第二卷筒表面的第二分割线，第二分割线与第一分割线配合构成封闭空间，所述封闭空间限定所述制品，并使得所述制品从所述卷筒构件的开口之上取出；在卷筒构件中安装加热设备用来加热所述第一和第二卷筒表面到预先设定的温度；以及，在卷筒构件上至少安装一个进气扩散器和至少一个排气扩散器，用来传输蒸汽通过所述封闭空间。
15.根据权利要求14所述的制造镍制品的装置，其特征在于所述进气扩散器的数量是排气扩散器的数量的2倍。
16.根据权利要求14所述的制造镍制品的装置，其特征在于所述进气扩散器具有排气开口，该排气开口的朝向远离所述卷筒表面。
17.根据权利要求16所述的制造镍制品的装置，其特征在于扩散器的排气开口的直径在4mm到6mm之间。
18.根据权利要求17所述的制造镍制品的装置，其特征在于扩散器的排气开口的直径大约为4.7mm。
19.根据权利要求14所述的制造镍制品的装置，其特征在于其进一步包括密封，其被可松开地安装在卷筒表面，在沉积过程中被镍所包裹。
20.根据权利要求19所述的制造镍制品的装置，其特征在于所述密封是具有螺纹的零件的形状，其具有靠近卷筒表面的阴螺纹开口。
21.根据权利要求14所述的制造镍制品的装置，其特征在于卷筒表面之一具有一个向外突出的突起，而且该突起与临近的卷筒表面隔出空间以在其间形成缺口，在沉积过程中该空间被沉积镍桥接过所述缺口。
22.根据权利要求19所述的制造镍制品的装置，其特征在于所述密封是具有螺纹的零件的形状，具有向外延伸穿出卷筒构件的侧壁的阳螺纹杆。
23.根据权利要求19所述的制造镍制品的装置，其特征在于所述密封是具有管状零件的形状，具有终端部分被封闭地安装在卷筒构件上，防止沉积过程中四羰化镍气体进入管状零件。
24.根据权利要求14所述的制造镍制品的装置，其特征在于其进一步包括至少覆盖在部分卷筒表面的硅树脂层，硅树脂层限定了预先设置的轮廓或纹路。
25.根据权利要求15所述的制造镍制品的装置，其特征在于所述进气扩散器具有排气开口，该排气开口的朝向远离所述卷筒表面。
全文摘要
本发明涉及通过在一个封闭的、多部件卷筒(10、30、40)的内表面进行镍气相沉积用来生产镍成型体或外壳的一种方法和装置。封闭的多部件卷筒(10、30、40)取消了对分离的沉积室的需求，镍气相沉积形成的镍外壳(12、32、33、34)具有全部或部分多部件卷筒的内表面，形成中空的或者部分中空的镍制品(12、32、33、34)。
文档编号C23C16/46GK1833049SQ200480022799
公开日2006年9月13日 申请日期2004年8月6日 优先权日2003年8月8日
发明者瑞恩哈特·韦伯, 康拉德·班科夫斯基, 阿兰·霍斯特 申请人:韦伯制造有限公司