专利名称：低温气体喷镀法的制作方法
低温气体喷镀法
本发明涉及一种工件的镀层方法，其中，镀层材料的颗粒借助一个低温 气体喷嘴朝工件要镀层的表面方向加速。
例如在US2004/0037954A1中介绍了这种方法。按此方法，应形成镀层 的颗粒在所谓低温气体射流内朝要镀层的表面方向加速。这借助一个低温气 体喷嘴实施。在这里，镀层颗粒被加入足够的动能，以便在要镀层的表面上 形成一个镀层。动能一方面转化为镀层颗粒和表面的变形，另一方面动能转 变为热能导致工件表面及至少在表面附近的区域内的镀层颗粒熔化，从而使 镀层形成一种在要镀层的工件表面上牢固粘附的结构。
所介绍的方法也可以称为低温气体喷镀。使用这种方法的优点是，镀层 颗粒和基层的热负荷与例如等离子喷镀相比可以保持为较小，从而对镀层颗 粒的组织有小的或甚至没有影响。由此可以为制成镀层使用具有特殊性质的 镀层颗粒，不会由于镀层颗粒的热负荷而损害镀层颗粒的性质。
按DE60009823T2介绍了 一种借助低温气体喷镀修理表面的方法。表面 要修理的地方用一种含有镀层颗粒的低温气体射流处理，由此形成一个镀 层。若镀层颗粒遇到射流源，例如激光器，则可以提高在低温气体射流内加 入的能量。由此使那些通过在低温气体喷嘴内加速并没有受到明显提高温度 的镀层颗粒增加热能。此外，所构成的镀层可经受一次再处理，这同样可以 借助激光器实现。
按JP05078812A的摘要规定，可通过热喷射制造一个镀层，接着可借 助激光器再处理，以造成最终的镀层成分。按DE19941562A1同样可以制成 一个例如作为气缸工作面的镀层，它造成热喷镀层以及接着借助激光束再熔 化，由此形成期望的组织成分。
按DE19740205B4,在等离子喷镀时还可以借助激光器减緩通过等离子 喷镀施加的镀层的冷却，以直接影响镀层组织的构成。为此目的，喷镀射流 命中的颗粒在相当长的时间仍保持处于熔点。
本发明的目的是，对借助低温气体喷嘴为工件镀层的方法进行如下的改 进，即，采用本方法在制造镀层时造成一个尽可能大的活动余地或灵活性。
此目的按本发明通过前言所述方法采取下列措施达到在低温气体射流 内的颗粒被加入一能量，该能量对于促使颗粒持久粘附在表面上而言太小； 以及，在镀层期间，颗粒的持久粘附是通过低温气体射流在表面上的命中点 内局部加入电磁辐射射线来形成。在这种按本发明的设计中，低温气体喷嘴 因而以一些工艺参数工作，这些参数有意识地选择为，使得仅仅通过低温气 体喷射并不能形成其性质已与期望的镀层成品相应的镀层。因此，按本发明 采用另一个能源，它可以将电磁辐射射线局部加入表面内，从而精确地在镀 层区域内实现，其镀层性质可最终通过附加地加入的电磁辐射射线能量来形 成。由此有利地可以使通过低温气体喷嘴加入的能量较小，从而可以为镀层 使用熔点比较低的颗粒。此外，通过在被镀层的工件表面上局部加入电磁辐 射射线能量，可以根据局部加入的能量值造成性质局部改变的镀层。在这里 有利地可以造成镀层性质高精度的局部改变。
按方法的一项设计规定，在低温气体射流内的能量对于促使颗粒暂时粘 附而言足够大，在这种情况下，当局部造成持久粘附某些颗粒后，就将暂时 粘附的其余颗粒重新从表面去除。颗粒的暂时粘附可这样达到，即，使它们 的动能刚好够将镀层颗粒粘附在表面上。为此所需的能量可通过所使用的低 温气体喷镀法非常准确地调整。另 一方面颗粒的粘附力没有大到足以发生工 件和颗粒可能的熔化。由此，暂时粘附的颗粒可重新从表面去除，在这里主 要进行在工件与颗粒的分界面之间的分离(例如机械地通过喷砂或激光烧 蚀)。然而通过附加的能量加入，可局部达到为此规定的颗粒的持久粘附。
面的最终溶解，从而使它们不再能彼此分离。在这里例如是工件的边界层附 近区域和颗粒熔化，所以在凝固后形成统一的组织结构。
按方法另 一项设计规定，在低温气体射流内的能量对于促使颗粒以任意 一种粘附类型粘附在表面上都太小，以及在颗粒命中表面的同时实施局部加 入电磁辐射射线能量以造成持久粘附。在造成颗粒暂时粘附的方法中，电磁 辐射射线的能量可选择与镀层同时加入或可在结束镀层过程后加入，而在低 温气体射流内的能量不足以促使颗粒粘附在表面上的情况下，必须通过电磁 辐射射线同时附加地激活，只有这样才能构成镀层。否则镀层颗粒会从表面 回弹，不实施镀层的构成(类似于喷砂的效果)。然而局部加入能量可有利地 实现有高局部精度的镀层结构。在这里镀层可构成单层或多层，其中，在构
成镀层期间已经可以造成任意的几何结构，无需再加工。
对于所说明的按本发明方法的设计其共同点是，为制造镀层所需加入颗 粒中的能量一方面绝大部分分配给低温气体喷嘴以及另一方面分配给电磁 辐射射线的能源(例如激光器)。由此，按本发明的方法有利地为改变工艺参 数创造了一个大的活动余地或灵活性。 一方面通过低温气体喷嘴的定向可以 使颗粒射流比较准确地对准工件表面，另 一方面电磁辐射射线的能源可以独 立于低温气体喷嘴非常准确地定向，从而可以使镀层的构成具有高精度的几 何结构。
虽然例如由US4724299已知，在所谓激光熔覆法中使用电磁辐射射线 熔化镀层颗粒，但在该方法中仅通过激光束实现决定镀层构成的能量加入， 因为基于颗粒供给的颗粒动能可以忽略不计。颗粒的供给只应保证镀层颗粒 的均勻输送。这也解释了为什么在激光熔覆法中按标准使用环形结构的镀层 颗粒供给设备，因为激光应在中心产生以及颗粒的供给基于其低的动能必须 非常靠近激光的焦点。
按方法一项附加的设计规定，加入颗粒的能量除了基于其在低温气体喷 嘴内加速产生的动能外还有热能，后者通过一附加的能源在低温气体射流内 形成。在低温气体射流中在颗粒的熔点以下一定程度加热颗粒，导致减少要 通过电磁辐射射线加入的能量。由此有利地形成另一个可通过它影响镀层构 成的工艺参数。
特别有利的是，使用一种电绝缘的工件，并借助电磁辐射射线在由颗粒 组成的工件上制成能导电的印制导线。以此方式有利地有可能例如在具有复 杂几何结构的不导电表面上制成用于电子电路系统的印制导线。所使用的颗 粒可例如含有能导电的材料，它只有通过借助电,兹'辐射射线处理才被激活， 由此制成可导电的。除此之外，为了改善电特性，镀层的所述导电区可例如 进行电镀，因为它们为此可提供一种导电的底物。
此外有利的是，使用激光器产生电磁辐射射线。激光器可以将电磁辐射 射线非常局部地加入要构成的镀层内。要镀层的构件即使是复杂的表面几何 结构仍能做到这一点。
下面借助
本发明的其他详情。在各图中相同或相应的构件总是 采用同一个附图标记，以及仅多次说明各图之间有什么差别。其中
图1表示按本发明的镀层设备实施例的示意图2表示在按本发明的方法中的颗粒能量加入区与按先有技术在低温 气体喷镀时所使用的颗粒能量加入区的定性比较；以及
图3至5表示按本发明方法的实施例选择的工艺步骤，分别表示颗粒未 粘附在表面上、暂时粘附或基于激光处理最终粘附在表面上。
图1中表示用于低温气体喷镀的一种改型设备。它有一个真空罐11， 其中一侧设有一低温气体喷嘴12和另一侧设有一工件13(没有详细表示其固 定)。通过第一管道14可以向低温气体喷嘴12输入过程气体。如通过轮廓 暗示的那样，低温气体喷嘴设计为拉瓦尔喷管，过程气体通过它膨胀并以气 体射流(箭头15)的形式朝基层13表面16的方向加速。过程气体作为反应气 体可含有氧17。此外，过程气体可以通过未表示的方式被加热，由此在真空 罐11内调整为要求的过程温度。
可通过第二管道18向低温气体喷嘴12供给颗粒19,它们在气体射流 内加速并命中表面16。颗粒的动能导致颗粒粘附在表面16上，其中还可能 将氧17引入构成的镀层20内。为了构成镀层，基层13可以在低温气体喷 嘴12前沿双向箭头21的方向来回运动。在此镀层过程中，在真空罐11内 的真空度通过真空泵22持续地保持，此时过程气体在通过真空泵22前流经 过滤器23,以便滤出那些在命中表面16时没有与之连接的颗粒。
借助加热器23a可附加地加热在低温气体喷嘴12内部的颗粒19。由此 实施附加的能量加入，它直接作为热能或通过在拉瓦尔喷管内膨胀以动能的 形式供给颗粒。激光器24作为另一个能源安装在真空罐11内，它对准低温 射流在工件13表面16上的命中点。在命中点，激光束的电》兹能与颗粒19 的动能及可能的热能相结合，保证颗粒19持久粘附在表面16上，由此构成 镀层20。
图2图解表示给镀层颗粒加载的能量Ep。此能量由在低温气体射流中 的颗粒动能和一个可能的热能分量组成。图中可以看到一个区域26,它使用 于按先有技术的低温气体喷镀法。这一区域向上受颗粒熔化的限制，在低温 气体喷镀时不采用颗粒熔化。颗粒表面可能的熔化或许还能容忍。这一区域 向下的限制在于，当低于某个能量值Ep时颗粒不再持久粘附在要镀层的表 面上，而是重新弹回(见图3)。此外还可以看到一个阴影线表示的区域27, 它适用于实施按本发明的方法。这一区域与区域26的下部交叉。区域27的 上限这样来确定，即，能量Ep对于还要将颗粒暂时粘附在要镀层的表面上
而言过大，也就是说对于保留有接着去除颗粒的可能性而言过大。区域27 的下限则由电磁辐射射线发生器的功率决定，因为Ep必须足够大，以便能 与通过电磁辐射射线加入的能量一起保证构成镀层。由图2可以清楚看出， 针对按本发明方法的Ep区域相对于按先有技术的低温气体喷镀向较低的能 量移动。
由图3可以看到一个颗粒19,它的动能不足以达到至少暂时粘附在工 件13表面16上。因此它从表面16弹落，在此期间它遭受由此造成的变形。 图3所示的过程在图2中用区域26之外的区域27暗示。
在图4中，有足够动能的颗粒19沖击在工件13表面16上，这促使暂 时粘附。当然，颗粒19与表面16的连接尚不结实，所以颗粒19可以重新 从表面16去除。按图4的过程在图2中处于区域27与26的交叉区。
图5示意表示激光束25如何供给各单个颗粒19以足够的能量值，使之 熔化成工件13的一个镀层20。在这里构成了一种通过晶界28示意表示的新
权利要求
1.一种工件(13)的镀层方法，其中，镀层材料的颗粒(19)借助一个低温气体喷嘴(12)朝工件(13)要镀层的表面(16)方向加速，其特征为该低温气体射流(15)内的颗粒被加入一能量，该能量对于导致颗粒(19)持久粘附在表面(16)上而言太小；以及，在镀层期间，通过在低温气体射流在所述表面上的撞击点内局部加入电磁辐射射线(25)，促使所述颗粒持久粘附在表面(16)上。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征为，在低温气体射流内的能量 对于促使颗粒(19)暂时粘附在表面(16)上而言足够大，在这种情况下，当局 部造成持久粘附某些颗粒(19)后，将暂时粘附的其余颗粒重新从表面(16)去 除。
3. 按照权利要求1所述的方法，其特征为，在低温气体射流内的能量 对于促使颗粒(19)以任何一种粘附类型粘附在表面(16)上而言都太小，以及 在颗粒(19)命中表面(16)的同时实施局部加入电磁辐射射线(25)能量以造成 持久粘附。
4. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，所述加入颗粒的 能量除了基于其在低温气体喷嘴(12)内加速产生的动能外还有热能，该热能 通过附加的能源在低温气体射流(15)内产生。
5. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，使用一种有电绝 缘表面的工件，并借助电^f兹辐射射线(25)用所述颗粒在该工件上制成能导电 的印制导线。
6. 按照前列诸权利要求之一所述的方法，其特征为，使用激光器产生 电^f兹辐射射线(25)。
全文摘要
本发明涉及一种借助低温气体喷镀为工件(13)镀层的方法。在这里使用低温气体喷嘴(12)，它产生一个对准表面(16)的颗粒射束(15)。按本发明规定，借助一个电磁能源，例如激光器(24)，在形成的层(20)内加入附加的能量，在这种情况下通过低温气体喷嘴(12)加入颗粒(19)中的能量同样有助于形成镀层。通过借助电磁辐射射线(25)来进行附加激活，使低温喷镀法可以灵活使用。此外，借助激光器(24)可以无需再加工地制成有复杂结构的镀层，例如印制导线。镀层设备同样是本发明的技术主题，它除了低温气体喷嘴(12)外还有一个电磁辐射射线发生器(24)，并因而适用于实施所述的方法。
文档编号C23C24/00GK101111630SQ200680003718
公开日2008年1月23日 申请日期2006年1月30日 优先权日2005年2月2日
发明者尤瑟斯·克鲁格, 詹斯·D·詹森, 雷蒙德·乌尔里克 申请人:西门子公司