專利名稱：低溫氣體噴鍍法的制作方法
低溫氣體噴鍍法
本發(fā)明涉及一種工件的鍍層方法，其中，鍍層材料的顆粒借助一個(gè)低溫 氣體噴嘴朝工件要鍍層的表面方向加速。
例如在US2004/0037954A1中介紹了這種方法。按此方法，應(yīng)形成鍍層 的顆粒在所謂低溫氣體射流內(nèi)朝要鍍層的表面方向加速。這借助一個(gè)低溫氣 體噴嘴實(shí)施。在這里，鍍層顆粒被加入足夠的動(dòng)能，以便在要鍍層的表面上 形成一個(gè)鍍層。動(dòng)能一方面轉(zhuǎn)化為鍍層顆粒和表面的變形，另一方面動(dòng)能轉(zhuǎn) 變?yōu)闊崮軐?dǎo)致工件表面及至少在表面附近的區(qū)域內(nèi)的鍍層顆粒熔化，從而使 鍍層形成一種在要鍍層的工件表面上牢固粘附的結(jié)構(gòu)。
所介紹的方法也可以稱為低溫氣體噴鍍。使用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，鍍層 顆粒和基層的熱負(fù)荷與例如等離子噴鍍相比可以保持為較小，從而對(duì)鍍層顆 粒的組織有小的或甚至沒有影響。由此可以為制成鍍層使用具有特殊性質(zhì)的 鍍層顆粒，不會(huì)由于鍍層顆粒的熱負(fù)荷而損害鍍層顆粒的性質(zhì)。
按DE60009823T2介紹了 一種借助低溫氣體噴鍍修理表面的方法。表面 要修理的地方用一種含有鍍層顆粒的低溫氣體射流處理，由此形成一個(gè)鍍 層。若鍍層顆粒遇到射流源，例如激光器，則可以提高在低溫氣體射流內(nèi)加 入的能量。由此使那些通過在低溫氣體噴嘴內(nèi)加速并沒有受到明顯提高溫度 的鍍層顆粒增加熱能。此外，所構(gòu)成的鍍層可經(jīng)受一次再處理，這同樣可以 借助激光器實(shí)現(xiàn)。
按JP05078812A的摘要規(guī)定，可通過熱噴射制造一個(gè)鍍層，接著可借 助激光器再處理，以造成最終的鍍層成分。按DE19941562A1同樣可以制成 一個(gè)例如作為氣缸工作面的鍍層，它造成熱噴鍍層以及接著借助激光束再熔 化，由此形成期望的組織成分。
按DE19740205B4,在等離子噴鍍時(shí)還可以借助激光器減緩?fù)ㄟ^等離子 噴鍍施加的鍍層的冷卻，以直接影響鍍層組織的構(gòu)成。為此目的，噴鍍射流 命中的顆粒在相當(dāng)長的時(shí)間仍保持處于熔點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是，對(duì)借助低溫氣體噴嘴為工件鍍層的方法進(jìn)行如下的改 進(jìn)，即，采用本方法在制造鍍層時(shí)造成一個(gè)盡可能大的活動(dòng)余地或靈活性。
此目的按本發(fā)明通過前言所述方法采取下列措施達(dá)到在低溫氣體射流 內(nèi)的顆粒被加入一能量，該能量對(duì)于促使顆粒持久粘附在表面上而言太?。?以及，在鍍層期間，顆粒的持久粘附是通過低溫氣體射流在表面上的命中點(diǎn) 內(nèi)局部加入電磁輻射射線來形成。在這種按本發(fā)明的設(shè)計(jì)中，低溫氣體噴嘴 因而以一些工藝參數(shù)工作，這些參數(shù)有意識(shí)地選擇為，使得僅僅通過低溫氣 體噴射并不能形成其性質(zhì)已與期望的鍍層成品相應(yīng)的鍍層。因此，按本發(fā)明 采用另一個(gè)能源，它可以將電磁輻射射線局部加入表面內(nèi)，從而精確地在鍍 層區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)，其鍍層性質(zhì)可最終通過附加地加入的電磁輻射射線能量來形 成。由此有利地可以使通過低溫氣體噴嘴加入的能量較小，從而可以為鍍層 使用熔點(diǎn)比較低的顆粒。此外，通過在被鍍層的工件表面上局部加入電磁輻 射射線能量，可以根據(jù)局部加入的能量值造成性質(zhì)局部改變的鍍層。在這里 有利地可以造成鍍層性質(zhì)高精度的局部改變。
按方法的一項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)定，在低溫氣體射流內(nèi)的能量對(duì)于促使顆粒暫時(shí)粘 附而言足夠大，在這種情況下，當(dāng)局部造成持久粘附某些顆粒后，就將暫時(shí) 粘附的其余顆粒重新從表面去除。顆粒的暫時(shí)粘附可這樣達(dá)到，即，使它們 的動(dòng)能剛好夠?qū)㈠儗宇w粒粘附在表面上。為此所需的能量可通過所使用的低 溫氣體噴鍍法非常準(zhǔn)確地調(diào)整。另 一方面顆粒的粘附力沒有大到足以發(fā)生工 件和顆?？赡艿娜刍?。由此，暫時(shí)粘附的顆?？芍匦聫谋砻嫒コ?，在這里主 要進(jìn)行在工件與顆粒的分界面之間的分離(例如機(jī)械地通過噴砂或激光燒 蝕)。然而通過附加的能量加入，可局部達(dá)到為此規(guī)定的顆粒的持久粘附。
面的最終溶解，從而使它們不再能彼此分離。在這里例如是工件的邊界層附 近區(qū)域和顆粒熔化，所以在凝固后形成統(tǒng)一的組織結(jié)構(gòu)。
按方法另 一項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)定，在低溫氣體射流內(nèi)的能量對(duì)于促使顆粒以任意 一種粘附類型粘附在表面上都太小，以及在顆粒命中表面的同時(shí)實(shí)施局部加 入電磁輻射射線能量以造成持久粘附。在造成顆粒暫時(shí)粘附的方法中，電磁 輻射射線的能量可選擇與鍍層同時(shí)加入或可在結(jié)束鍍層過程后加入，而在低 溫氣體射流內(nèi)的能量不足以促使顆粒粘附在表面上的情況下，必須通過電磁 輻射射線同時(shí)附加地激活，只有這樣才能構(gòu)成鍍層。否則鍍層顆粒會(huì)從表面 回彈，不實(shí)施鍍層的構(gòu)成(類似于噴砂的效果)。然而局部加入能量可有利地 實(shí)現(xiàn)有高局部精度的鍍層結(jié)構(gòu)。在這里鍍層可構(gòu)成單層或多層，其中，在構(gòu)
成鍍層期間已經(jīng)可以造成任意的幾何結(jié)構(gòu)，無需再加工。
對(duì)于所說明的按本發(fā)明方法的設(shè)計(jì)其共同點(diǎn)是，為制造鍍層所需加入顆 粒中的能量一方面絕大部分分配給低溫氣體噴嘴以及另一方面分配給電磁 輻射射線的能源(例如激光器)。由此，按本發(fā)明的方法有利地為改變工藝參 數(shù)創(chuàng)造了一個(gè)大的活動(dòng)余地或靈活性。 一方面通過低溫氣體噴嘴的定向可以 使顆粒射流比較準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)工件表面，另 一方面電磁輻射射線的能源可以獨(dú) 立于低溫氣體噴嘴非常準(zhǔn)確地定向，從而可以使鍍層的構(gòu)成具有高精度的幾 何結(jié)構(gòu)。
雖然例如由US4724299已知，在所謂激光熔覆法中使用電磁輻射射線 熔化鍍層顆粒，但在該方法中僅通過激光束實(shí)現(xiàn)決定鍍層構(gòu)成的能量加入， 因?yàn)榛陬w粒供給的顆粒動(dòng)能可以忽略不計(jì)。顆粒的供給只應(yīng)保證鍍層顆粒 的均勻輸送。這也解釋了為什么在激光熔覆法中按標(biāo)準(zhǔn)使用環(huán)形結(jié)構(gòu)的鍍層 顆粒供給設(shè)備，因?yàn)榧す鈶?yīng)在中心產(chǎn)生以及顆粒的供給基于其低的動(dòng)能必須 非常靠近激光的焦點(diǎn)。
按方法一項(xiàng)附加的設(shè)計(jì)規(guī)定，加入顆粒的能量除了基于其在低溫氣體噴 嘴內(nèi)加速產(chǎn)生的動(dòng)能外還有熱能，后者通過一附加的能源在低溫氣體射流內(nèi) 形成。在低溫氣體射流中在顆粒的熔點(diǎn)以下一定程度加熱顆粒，導(dǎo)致減少要 通過電磁輻射射線加入的能量。由此有利地形成另一個(gè)可通過它影響鍍層構(gòu) 成的工藝參數(shù)。
特別有利的是，使用一種電絕緣的工件，并借助電磁輻射射線在由顆粒 組成的工件上制成能導(dǎo)電的印制導(dǎo)線。以此方式有利地有可能例如在具有復(fù) 雜幾何結(jié)構(gòu)的不導(dǎo)電表面上制成用于電子電路系統(tǒng)的印制導(dǎo)線。所使用的顆 ?？衫绾心軐?dǎo)電的材料，它只有通過借助電,茲'輻射射線處理才被激活， 由此制成可導(dǎo)電的。除此之外，為了改善電特性，鍍層的所述導(dǎo)電區(qū)可例如 進(jìn)行電鍍，因?yàn)樗鼈優(yōu)榇丝商峁┮环N導(dǎo)電的底物。
此外有利的是，使用激光器產(chǎn)生電磁輻射射線。激光器可以將電磁輻射 射線非常局部地加入要構(gòu)成的鍍層內(nèi)。要鍍層的構(gòu)件即使是復(fù)雜的表面幾何 結(jié)構(gòu)仍能做到這一點(diǎn)。
下面借助


本發(fā)明的其他詳情。在各圖中相同或相應(yīng)的構(gòu)件總是 采用同一個(gè)附圖標(biāo)記，以及僅多次說明各圖之間有什么差別。其中
圖1表示按本發(fā)明的鍍層設(shè)備實(shí)施例的示意圖2表示在按本發(fā)明的方法中的顆粒能量加入?yún)^(qū)與按先有技術(shù)在低溫 氣體噴鍍時(shí)所使用的顆粒能量加入?yún)^(qū)的定性比較；以及
圖3至5表示按本發(fā)明方法的實(shí)施例選擇的工藝步驟，分別表示顆粒未 粘附在表面上、暫時(shí)粘附或基于激光處理最終粘附在表面上。
圖1中表示用于低溫氣體噴鍍的一種改型設(shè)備。它有一個(gè)真空罐11， 其中一側(cè)設(shè)有一低溫氣體噴嘴12和另一側(cè)設(shè)有一工件13(沒有詳細(xì)表示其固 定)。通過第一管道14可以向低溫氣體噴嘴12輸入過程氣體。如通過輪廓 暗示的那樣，低溫氣體噴嘴設(shè)計(jì)為拉瓦爾噴管，過程氣體通過它膨脹并以氣 體射流(箭頭15)的形式朝基層13表面16的方向加速。過程氣體作為反應(yīng)氣 體可含有氧17。此外，過程氣體可以通過未表示的方式被加熱，由此在真空 罐11內(nèi)調(diào)整為要求的過程溫度。
可通過第二管道18向低溫氣體噴嘴12供給顆粒19,它們?cè)跉怏w射流 內(nèi)加速并命中表面16。顆粒的動(dòng)能導(dǎo)致顆粒粘附在表面16上，其中還可能 將氧17引入構(gòu)成的鍍層20內(nèi)。為了構(gòu)成鍍層，基層13可以在低溫氣體噴 嘴12前沿雙向箭頭21的方向來回運(yùn)動(dòng)。在此鍍層過程中，在真空罐11內(nèi) 的真空度通過真空泵22持續(xù)地保持，此時(shí)過程氣體在通過真空泵22前流經(jīng) 過濾器23,以便濾出那些在命中表面16時(shí)沒有與之連接的顆粒。
借助加熱器23a可附加地加熱在低溫氣體噴嘴12內(nèi)部的顆粒19。由此 實(shí)施附加的能量加入，它直接作為熱能或通過在拉瓦爾噴管內(nèi)膨脹以動(dòng)能的 形式供給顆粒。激光器24作為另一個(gè)能源安裝在真空罐11內(nèi)，它對(duì)準(zhǔn)低溫 射流在工件13表面16上的命中點(diǎn)。在命中點(diǎn)，激光束的電》茲能與顆粒19 的動(dòng)能及可能的熱能相結(jié)合，保證顆粒19持久粘附在表面16上，由此構(gòu)成 鍍層20。
圖2圖解表示給鍍層顆粒加載的能量Ep。此能量由在低溫氣體射流中 的顆粒動(dòng)能和一個(gè)可能的熱能分量組成。圖中可以看到一個(gè)區(qū)域26,它使用 于按先有技術(shù)的低溫氣體噴鍍法。這一區(qū)域向上受顆粒熔化的限制，在低溫 氣體噴鍍時(shí)不采用顆粒熔化。顆粒表面可能的熔化或許還能容忍。這一區(qū)域 向下的限制在于，當(dāng)?shù)陀谀硞€(gè)能量值Ep時(shí)顆粒不再持久粘附在要鍍層的表 面上，而是重新彈回(見圖3)。此外還可以看到一個(gè)陰影線表示的區(qū)域27, 它適用于實(shí)施按本發(fā)明的方法。這一區(qū)域與區(qū)域26的下部交叉。區(qū)域27的 上限這樣來確定，即，能量Ep對(duì)于還要將顆粒暫時(shí)粘附在要鍍層的表面上
而言過大，也就是說對(duì)于保留有接著去除顆粒的可能性而言過大。區(qū)域27 的下限則由電磁輻射射線發(fā)生器的功率決定，因?yàn)镋p必須足夠大，以便能 與通過電磁輻射射線加入的能量一起保證構(gòu)成鍍層。由圖2可以清楚看出， 針對(duì)按本發(fā)明方法的Ep區(qū)域相對(duì)于按先有技術(shù)的低溫氣體噴鍍向較低的能 量移動(dòng)。
由圖3可以看到一個(gè)顆粒19,它的動(dòng)能不足以達(dá)到至少暫時(shí)粘附在工 件13表面16上。因此它從表面16彈落，在此期間它遭受由此造成的變形。 圖3所示的過程在圖2中用區(qū)域26之外的區(qū)域27暗示。
在圖4中，有足夠動(dòng)能的顆粒19沖擊在工件13表面16上，這促使暫 時(shí)粘附。當(dāng)然，顆粒19與表面16的連接尚不結(jié)實(shí)，所以顆粒19可以重新 從表面16去除。按圖4的過程在圖2中處于區(qū)域27與26的交叉區(qū)。
圖5示意表示激光束25如何供給各單個(gè)顆粒19以足夠的能量值，使之 熔化成工件13的一個(gè)鍍層20。在這里構(gòu)成了一種通過晶界28示意表示的新
權(quán)利要求
1.一種工件(13)的鍍層方法，其中，鍍層材料的顆粒(19)借助一個(gè)低溫氣體噴嘴(12)朝工件(13)要鍍層的表面(16)方向加速，其特征為該低溫氣體射流(15)內(nèi)的顆粒被加入一能量，該能量對(duì)于導(dǎo)致顆粒(19)持久粘附在表面(16)上而言太小；以及，在鍍層期間，通過在低溫氣體射流在所述表面上的撞擊點(diǎn)內(nèi)局部加入電磁輻射射線(25)，促使所述顆粒持久粘附在表面(16)上。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，在低溫氣體射流內(nèi)的能量 對(duì)于促使顆粒(19)暫時(shí)粘附在表面(16)上而言足夠大，在這種情況下，當(dāng)局 部造成持久粘附某些顆粒(19)后，將暫時(shí)粘附的其余顆粒重新從表面(16)去 除。
3. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為，在低溫氣體射流內(nèi)的能量 對(duì)于促使顆粒(19)以任何一種粘附類型粘附在表面(16)上而言都太小，以及 在顆粒(19)命中表面(16)的同時(shí)實(shí)施局部加入電磁輻射射線(25)能量以造成 持久粘附。
4. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為，所述加入顆粒的 能量除了基于其在低溫氣體噴嘴(12)內(nèi)加速產(chǎn)生的動(dòng)能外還有熱能，該熱能 通過附加的能源在低溫氣體射流(15)內(nèi)產(chǎn)生。
5. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為，使用一種有電絕 緣表面的工件，并借助電^f茲輻射射線(25)用所述顆粒在該工件上制成能導(dǎo)電 的印制導(dǎo)線。
6. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的方法，其特征為，使用激光器產(chǎn)生 電^f茲輻射射線(25)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種借助低溫氣體噴鍍?yōu)楣ぜ?13)鍍層的方法。在這里使用低溫氣體噴嘴(12)，它產(chǎn)生一個(gè)對(duì)準(zhǔn)表面(16)的顆粒射束(15)。按本發(fā)明規(guī)定，借助一個(gè)電磁能源，例如激光器(24)，在形成的層(20)內(nèi)加入附加的能量，在這種情況下通過低溫氣體噴嘴(12)加入顆粒(19)中的能量同樣有助于形成鍍層。通過借助電磁輻射射線(25)來進(jìn)行附加激活，使低溫噴鍍法可以靈活使用。此外，借助激光器(24)可以無需再加工地制成有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鍍層，例如印制導(dǎo)線。鍍層設(shè)備同樣是本發(fā)明的技術(shù)主題，它除了低溫氣體噴嘴(12)外還有一個(gè)電磁輻射射線發(fā)生器(24)，并因而適用于實(shí)施所述的方法。
文檔編號(hào)C23C24/00GK101111630SQ200680003718
公開日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2006年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月2日
發(fā)明者尤瑟斯·克魯格, 詹斯·D·詹森, 雷蒙德·烏爾里克 申請(qǐng)人:西門子公司