专利名称：低气压层流等离子体喷涂装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于材料表面处理，涉及的低气压层流等离子体喷涂装置，用于高性能涂层薄膜复合材料的等离子体喷涂制备。
大气压等离子喷涂工艺的主要问题是在喷涂材料的沉积过程中，由于空气中杂质物的参入及空气与喷涂工作气体的混合，必然造成处于高温液态的喷涂材料发生不必要的化学和物理反应，增加涂层材料中的孔隙率，降低其密度；湍流等离子喷涂工艺中等离子体射流状态不稳定、可控性差、沿射流轴线温度梯度大。这些因素同样影响着涂层材料的品质。
低气压层流等离子体喷涂工艺是指在0.1大气压环境下进行的涂层材料制备工艺。这时等离子体射流是在一个低气压真空腔体内产生的。由于真空腔体的内部容积是有限的，通过适当调节真空气泵的排气速度，可以实现环境气体与喷涂工作气体一致。并缩小两者间的温度差，利于提高涂层材料的品质。
目前，低气压层流真空等离子体喷涂已得到广泛应用。大多数装置是从国外直接购进的商品化设备。虽然这些设备的自动化程度较先进，但往往是针对某些具体的应用设计的，因而其使用范围受到很大限制。因此，研制开发高性能多用途的低气压等离子体喷涂设备，具有重要的实际意义。低气压层流真空等离子体喷涂装置包括层流等离子体发生器、真空室和工件台等相关部件。中国专利991218256公开了一种层流等离子体发生器。
本实用新型低气压层流等离子体喷涂装置，包括真空室及机械真空泵，装在真空室上的层流等离子体射流发生器，输送喷涂粉末的供粉器，向所述射流发生器和供粉器供气的气源，对所述真空室、射流发生器和工件台实施冷却的循环冷却水源。所述的层流等离子体射流发生器，在其阳极和阴极之间有一中间段，工作气路分为轴向主气、切向主气和辅气三路；该射流发生器通过发生器连接机构安装在真空室上，真空室圆柱筒体和前门盖板上都有射流发生器连接机构安装孔。发生器借助于该连接机构可以径向和轴向移动。真空室的一端面上有水冷工作台，该工作台具有旋转、移动多个自由度，并对工件基底冷却。真空室上还设有挡板机构，其中的挡板位于射流发生器和工作台之间。真空室与机械真空泵之间有水冷过滤器。
本实用新型低气压层流等离子体喷涂装置中的真空室为双层水冷结构，分为圆柱筒体、一端的底盘和另一端的前门盖板三部分，三部分分别水冷。
本设计低气压层流等离子体喷涂装置中，真空室和机械真空泵之间的水冷过滤器包括多层盘状水冷管和气体过滤器；该气体过滤器由两个形状完全相同的钢圆盘、过滤布和过滤纸组成，两个钢圆盘的板面上有大小不同的圆孔，过滤布和过滤纸夹在两钢圆盘之间，过滤纸紧邻所述盘状水冷管，两个钢圆盘上的圆孔一一对应重合。高温气体经盘状水冷管冷却后再过滤。
本设计低气压层流等离子体喷涂装置中的发生器连接机构是具有密封功能的滑道机构，包括一与安装位置相对固定的压板和固定在发生器上的滑板，滑板的一面有滑道，压板上装轴承滑轮在滑道上滑行，滑板与安装面例如前门盖板间用“O”形圈密封，这样既可以确保系统密封，又可以确保构件间自由滑动；滑板与压板安装有足够强度的弹簧，另一端与偏心轮接触，该偏心轮与被动齿轮由销钉同轴连接，主动齿轮由电动机带动。
本设计低气压层流等离子体喷涂装置中的工件台的主要构件包括空心主轴、主轴定位套、驱动微电机、轴向移动机构、水冷管道。空心主轴可以在涂层制备过程中对工件基底进行水冷；工件安装卡具有较大自由度，实用于圆片形或空心圆柱形等不同构形工件。主轴定位套把主轴固定在真空室的底盘上，其内壁与主轴外壁有多个“O”形密封圈。在真空室外的主轴部分有轴向推进机构，并可以进行主轴同心度调节；驱动主轴旋转的微型电机固定在主轴上；冷却水通过空心主轴内水管到达工件基底非涂层面，再通过水管外壁或主轴内壁从出水口流出，实现工件基底的冷却。
本设计装置中的挡板机构包括挡板和挡板轴。挡板装在挡板轴上，二者相对位置可调；挡板轴为水冷结构，可沿其轴向移动。需要时挡住等离子体射流直接接触工件；不需要时放开等离子体射流路线。
本设计装置中的送粉器由真空腔体、送粉器、送粉管等部件组成；工作时可以放置在真空室上方实现重力送粉，或视具体工作环境放置于其他地方进行携带微量气体的送粉；送粉嘴可以直接与发生器阳极连接，也可以安置在发生器喷嘴前方，还可以安置在真空室外部发生器的阳极上。
整个装置中，真空室连同安装在其室壁内外的相关部件固定在一个可调水平度的支架上，支架下有可调底脚，旋转底脚可调节支架的水平度。
本实用新型低气压层流等离子体喷涂装置具有如下显著的特点和效果。如果等离子体射流发生器安装在前门上时，发生器阳极的中心轴线与工件台主轴轴线间的偏心距离。通过发生器连接机构，可以在喷涂过程中使发生器沿工件台轴线移动，同时工件台绕其轴线转动，这样就可以在圆片基底的整个表面上进行喷涂；如果等离子体射流发生器安装在真空室的圆柱体柱面上时，发生器阳极的中心轴线与工件台主轴轴线处于同一水平面上。喷涂过程中，等离子体射流可以沿主轴轴线平行移动，同时工件随主轴旋转。这样就实现了圆柱体工件表面的涂层制备。层流等离子体射流的长度达到400-600毫米，在射流的较长的某一区段间粉末颗粒可以得到充分融化。通过调节工件的位置，可以将基底的喷涂部位调节到此区段内，以便达到最佳材料制备效果。本实用新型装置的发生器连接机构和旋转工件台主轴机构用微型电动机驱动，所以，制造成本低、操作便捷、工作性能稳定。
本实用新型低气压层流等离子体喷涂装置中，若将细粉供粉技术与低气压层流等离子体喷涂工艺相结合，使制备的涂层具有质地致密、表面光洁度高和孔隙率低等特点，质量明显提高。
本实用新型设计中，旋转式工件台的主轴不仅可以绕其自身轴线转动，还可以沿其轴向移动。主轴轴向推进机构采用悬臂手动旋转式，操作方便，调节范围广，定位精度完全满足需求。
本实用新型设计中，采用多种工件连接卡具，具有不同的形状和功能，适于圆盘、宽梁和空心圆筒等形状工件的涂层制备要求。工件安装、操作简便，更换方便，并具有良好的密封性能。
本实用新型设计的水冷过滤器结构紧凑。多层螺旋式盘条确保喷涂中的高温气体得以充分冷却。过滤布与过滤纸双重过滤效果显著。其外壳和过滤布与过滤纸的压片均采用螺栓紧固。除尘清理和更换过滤纸是十分方便的。
图2是真空室、等离子体发生器和其他主要部件安装位置示意图。
图3是等离子体发生器连接机构(轴向端面)示意图。
图4是层流等离子体发生器及其连接机构剖视图。
图5是旋转式工件台结构图。
图6是圆筒形工件的安装示意图。
图7是可调式挡板机构示意图。
图8是图7所示可调式挡板机构侧视图。
图9是水冷过滤器总成及部分构件图。
如图2所示，真空室10包括圆柱筒体11、前门盖板12和底盘13三部分。这些部件均设计成双层水冷结构。在双层腔体的外层上有冷却水的出入口。等离子体发生器70有两个安装位置圆柱筒体11上或前门盖板12上。圆柱筒体11上有发生器接口14、观察窗15、放气阀16、送粉孔17和水冷过滤器接口18等。在水冷过滤器接口18处圆柱筒体11与水冷过滤器40相连。图2所示为前门盖板12的发生器接口121上安装着等离子体发生器70。前门盖板12上有观察窗(图中未画出)和通气孔122；底盘13上的中心孔131安装旋转工件台80。前门盖板12的发生器接口121与底盘13上的中心孔131两者之间不同心，即为偏心的。圆柱筒体11上的发生器接口14与底盘13上的中心孔131处于同一铅垂面上；送粉器50工作时可以放置在圆柱筒体11的上方实现重力送粉，或视具体工作环境放置于其它地方进行携带微量气体的送粉。发生器70与工件台80之间装有挡板轴机构60。真空室10及发生器70、工件台30、水冷过滤器40和送粉器50等部件组成的整体安装在支架90上，旋转底脚91可调节支架90的水平度。
参见图3和图4，本实用新型装置中，层流等离子体发生器70通过发生器连接机构即具有密封功能的滑道机构安装在真空室圆柱筒体11或前门盖板12上的。图3是层流等离子体发生器70安装在前门盖板12上的示意图。滑道机构中有与前门盖板12具有相对固定位置的压板121和与发生器70固连的滑板122。压板121用紧固件131固定在前门盖板12上。滑板122的一面有滑道123。压板121上的滑轮124可以在滑道123上滑行。滑板122另一个面要求具有较高的光洁度，与前门盖板12通过“O”型圈120连接(图4)构成动密封。在滑板122一端与压板121之间有足够强度的弹簧125。与滑板122另一端接触的是偏心轮126。偏心轮126与齿轮127用销钉轴128同轴安装。齿轮127与齿轮129啮合连接。齿轮129为主动轮，与电动机(图中未表示)连接。
如图3和图4所示，运行时电动机直接带动齿轮129转动，与其啮合的从动齿轮127随之运动，偏心轮126以同样的角速度转动。弹簧125使滑板122与偏心轮126始终接触，偏心轮126的转动转化为滑板122的移动。滑板122上的等离子体发生器70也随之运动。为了确保动密封，可以采用多个“O”型圈120(图4中画出两个)。在“O”型圈120的外边还安装了毛毡圈132。安装前让其在真空油中充分浸泡，目的是润滑运动件，同时隔离灰尘。
从图4中还可以看出，本实用新型装置中，层流等离子体发生器70的阳极26和阴极27之间增加了中间段28。工作气路分为轴向主气、切向主气和辅气三路。阳极26的枪口处有一套管29，为阳极送粉之用。发生器的水冷成串联形式，即冷却水从入水嘴进入阳极26，经过中间段28后进入阴极27，最后从出水口流出。
如图5所示，本实用新型装置中旋转式工件台80包括空心的主轴31、工件固定机构32、转轴固定套筒33、水冷套筒34、旋转电机35和轴向推进机构36等组件。主轴31中有冷水入水管37，其右端固定一分水盘38。主轴31的右端有工件固定座39和夹紧盖41。圆盘形或圆片形工件42用夹紧盖41固定。在工件42与分水盘38之间装垫片43。转轴固定套筒33内装有一对轴承44，四个“O”型胶圈45和两个毛毡圈46。其作用分别是减小转动摩擦力、密封和隔尘。水冷套筒34内壁也有一对轴承44，四个“O”型胶圈47和水槽48。
从图5可以清楚地看到当主轴31旋转时，冷却水由入水口进入，按虚线箭头所示路径行进，经过分水盘38，使垫片43和工件42得到冷却，最后由出水口流出。主轴31的旋转运动是由固定在水冷套筒34上的微型电机35带动的。在主轴31上同轴固定有从动齿轮49，主动齿轮51与电机35的转轴相连。电机35带动主轴31，使工件42绕主轴31的轴线Z转动。
参见图5，轴向推进机构36使工件42沿主轴31的轴线Z移动。轴向推进机构36中，主轴31的左端有套筒54，二者间装轴承53连接，并用螺帽52固定。套筒54的左端装一带孔的固定螺帽56，一丝杠58穿过固定螺帽56的孔向左伸出并用螺母57固定。丝杠58套装丝杠螺母座64支承，其左端先后装手柄座62和手柄61，再用销钉59锁定。旋转手柄61实现主轴31沿其轴线Z的移动。如图所示，真空室左端底盘13之外的组件，包括与主轴31相连的水冷套筒34、旋转电机35和轴向推进机构36用支座63、丝杠螺母座64装在底板65上，并且支座63和丝杠螺母座64是X、Y、Z三个方向可调的。底板65再与支架90固定。
图6是圆筒形工件的安装结构。一右端面做成夹紧板145的夹紧管141，以其左端的外螺纹与主轴31的螺孔连接，圆筒形工件142装套在夹紧管141之外被固定在主轴31与夹紧板145之间，并且两端用“O”圈107或108密封。夹紧管141管壁近两端处开有通水孔105和109。一长的“T”形进水管137贯通主轴31和夹紧管141的内腔，进水管137的右端是分水板138。分水板138与夹紧管141的内壁间用“O”圈106密封。自进水管137进入的冷却水沿图中虚线箭头所示路径流动，即由进水管137进入后从通过右端的通水孔109折返，冷却圆筒形工件142的内壁，然后通过通水孔105从主轴31和进水管137的夹壁间流出。
本实用新型可调式挡板机构的结构如图7和图8所示。主管61通过定位座63装在真空室壁上。挡板轴即主管61中插入冷却水管62形成冷却通道。主管61的表面有相距一段距离的定位孔68和69，定位座63上有定位销64。主管61可以在定位座63中垂直移动和转动，停留在两个位置，用定位销64插入定位孔68或69中。主管61下端的通孔中装水平调节杆65，可以水平移动。水平调节杆65一端的通孔中装铅垂调节杆66。一挡板67装在铅垂调节杆66的一端。使用时调节好挡板67的位置，移动主管61后定位，开放或挡住等离子体射流路线。
本设计水冷过滤器40的一个实例如图9所示，其中9-1为总成图，9-2、9-3、9-4分别为9-1中的三个构件图。壳体41的左端用顶盖45与抽真空管道连接。壳体41内，先后安装水冷过滤器即多层盘状水冷管42、两只钢圆盘43，并在两只钢圆盘43之间夹装过滤布和过滤纸44，然后用卡环46卡紧固定上述构件。多层盘状水冷管42两端分别连接进水管和出水管，相邻两层间隔相错，利于高温气体流过并得到充分冷却。两钢圆盘43上有大小不同的圆孔，夹装过滤布和过滤纸44后，两钢圆盘43上的圆孔一一对应重合，如此组成气体过滤器。高温喷涂气体夹带粉末先后经水冷过滤器(多层盘状水冷管)和气体过滤器冷却过滤后变成不带粉末的常温气体，由机械真空泵将其排出。
权利要求1.一种低气压层流等离子体喷涂装置，包括真空室及机械真空泵，层流等离子体射流发生器，输送喷涂粉末的供粉器，向所述射流发生器和供粉器供气的气源，对所述真空室、射流发生器和工件台实施冷却的循环冷却水源，其特征是层流等离子体射流发生器通过发生器连接机构安装在真空室上，真空室圆柱筒体和前门盖板上都有发生器连接机构的安装孔；真空室的一端面上安装有旋转和移动自由度的水冷工件台；其中的发生器连接机构是具有密封功能的滑道机构，包括一与安装位置相对固定的压板和固定在发生器上的滑板，滑板的一面有滑道，压板上装轴承滑轮在滑道上滑行，滑板与安装面用“O”形圈密封；滑板与压板间装有弹簧，另一端与偏心轮接触，该偏心轮与被动齿轮有销钉同轴连接，主动齿轮由电动机带动。
2.根据权利要求1所述的低气压层流等离子体喷涂装置，其特征是其中的工件台的主要构件包括空心主轴、主轴定位套、驱动微电机、水冷管道；主轴定位套使主轴固定在真空室的底盘上，其内壁与主轴外壁有多个“O”形密封圈；驱动主轴旋转的微型电机固定在主轴上。
3.根据权利要求2所述的低气压层流等离子体喷涂装置，其特征是其中的工件台包括轴向推进机构，其构造是主轴的左端有套筒，主轴与套筒间装轴承连接，并用螺帽固定，套筒的左端装一带孔的固定螺帽，一丝杠穿过固定螺帽的孔向左伸出并用螺母固定，丝杠用丝杠螺母座支承，其左端先后装手柄座和手柄，再用销钉锁定
4.根据权利要求1所述的低气压层流等离子体喷涂装置，其特征是真空室和机械真空泵之间设水冷过滤器，它包括多层盘状水冷管和气体过滤器；该气体过滤器由两个形状完全相同的钢圆盘、过滤布和过滤纸组成，两个钢圆盘的板面上有大小不同的圆孔，过滤布和过滤纸夹在两钢圆盘之间，过滤纸紧邻所述盘状水冷管，两钢圆盘上的圆孔一一对应重合。
5.根据权利要求1所述的低气压层流等离子体喷涂装置，其特征是真空室上设有挡板机构，挡扳机构包括挡板和挡板轴，挡板轴即主管通过定位座装在真空室壁上，主管中插入冷却水管形成冷却通道；主管的表面有相距一段距离的定位孔，定位座上有定位销；主管下端的通孔中装水平调节杆，水平调节杆一端的通孔中装铅垂调节杆；所述的挡板装在铅垂调节杆的一端。
6.根据权利要求2所述的低气压层流等离子体喷涂装置，其特征是其工件台装圆盘或圆片形工件时，空心主轴中有冷水入水管，其右端固定一分水盘，主轴右端有工件固定座和夹紧盖，圆盘或圆片形工件用夹紧盖固定。
7.根据权利要求2所述的低气压层流等离子体喷涂装置，其特征是工件台安装圆筒形工件时，一夹紧管的右端面是夹紧板，该夹紧管以其左端的外螺纹与主轴的螺孔连接，圆筒形工件套装在夹紧管之外被固定在主轴与夹紧板之间，并且两端用“O”形圈密封；夹紧管管壁近两端处开通水孔，一长的“T”型进水管贯通主轴和夹紧管的内腔，进水管的右端是分水板，分水板与夹紧管的内壁间用“O”形圈密封。
专利摘要低气压层流等离子体喷涂装置属于金属材料表面处理设备。本装置包括真空室、等离子体射流发生器、供粉器、电源、气源和冷却水源等。其中等离子体发生器是层流等离子体射流发生器，在其阳极和阴极之间有一中间段，通过发生器连接机构安装在真空室上并可以径向或轴向移动；真空室的底面安装有旋转、移动多个自由度、并能对工件水冷的工件台，工件台和射流发生器之间有挡板机构，真空室与机械真空泵之间有水冷过滤器。本实用新型装置功能完善、结构简单、制造费用少、操作便捷，适用于多种构形工件的等离子体喷涂涂层制备、表面改性和处理加工，获得质地致密、孔隙率低、光洁度高的涂层。
文档编号B05B5/06GK2528538SQ0127907
公开日2003年1月1日 申请日期2001年12月24日 优先权日2001年12月24日
发明者吴承康, 潘文霞, 马维 申请人:中国科学院力学研究所