一种具有氧化铝多孔结构缓冲层的内热式一体化蒸发篮制造技术

本发明专利技术公开了一种具有氧化铝多孔结构缓冲层的内热式一体化蒸发篮，所述蒸发篮表面涂层总共包括两层，内层呈疏松多孔结构的Al2O3缓冲层，外层为致密、低孔隙率的耐腐蚀Al2O3涂层，采用旋涂浸渍工艺在基体表面制备厚度为0.15~0.5mmAl2O3缓冲层；再采用等离子喷涂技术在具有缓冲层的蒸发篮上喷涂制备厚度为0.5~1mm Al2O3耐腐蚀层。本发明专利技术采用复合工艺制备不同微观结构的Al2O3涂层蒸发篮，多孔结构的缓冲层在服役中不但可以起到应力减缓作用，而且还能防止后续喷涂带来的基体氧化问题；而致密、低孔率的Al2O3喷涂层又发挥了优良的耐腐蚀性，该蒸发篮可长久、广泛应用于真空蒸镀金属薄膜技术领域。

Internal heat integrated evaporation basket with alumina porous structure buffer layer

The invention discloses a heat integrated evaporation basket has a porous structure of alumina buffer layer, the evaporation surface coating basket includes a total of two layers, an inner layer is in a Al2O3 buffer layer is loose and porous structure, the outer layer of corrosion resistance of Al2O3 coating was dense and low porosity, thickness of 0.15~0.5mmAl2O3 buffer layer prepared on the surface of the substrate by spin system the impregnation process; then prepared by 0.5~1mm thickness Al2O3 corrosion spraying layer in the evaporation basket with buffer layer on the plasma spraying technology. The invention adopts composites prepared by different Al2O3 coating evaporation basket microstructure of the buffer layer of porous structure in service can not only contribute to the stress effect, but also prevent the oxidation of the substrate and subsequent spraying; low porosity, rate of Al2O3 coating and has excellent corrosion resistance, the for a long time, the evaporation basket can be widely used in the vacuum evaporation technology in the field of metal film.

【技术实现步骤摘要】
一种具有氧化铝多孔结构缓冲层的内热式一体化蒸发篮
本专利技术属于真空镀膜
，具体涉及一种具有氧化铝多孔结构缓冲层的内热式一体化蒸发篮。
技术介绍
电阻加热式蒸发源因其结构简单、安装方便，价格低廉等特点，广泛应用于各个领域，但是也有个缺点即蒸镀的材料范围有限。作为盛装低熔点金属膜材（如Al、Ag、Fe、Ti、Ni等）的具有耐高温、耐金属熔体侵蚀性能和耐热冲击性能，在高真空下条件下导电发热的一种装置，是各种真空热蒸发镀膜设备中最易损耗的核心部件，也是影响金属薄膜性能质量、生产效率及制造成本的关键。电阻加热式蒸发源通常选用高熔点、低蒸汽压、化学和机械性能稳定的难熔金属如W、Mo、Ta或金属间化合物如TiB2-BN或高纯石墨制成箔状源、坩埚或者丝状源，统称为蒸发源。它是利用对电阻加热材料直接通电，使电流通过后产生大量焦耳热而获得高温来熔融金属膜材达到蒸发的作用。实际应用中，金属质蒸发源加热后会变脆而易折断，尤其于高真空下与高温熔融金属（比如Ni，Al）相浸润而发生合金化降低整个材料的熔点更是如此，导致该类蒸发源使用寿命无法得到保证。这种蒸发源材料与镀膜材料相浸润形成金属合金是破坏金属蒸发源最主要的原因，导致在高校的科研试验和企业生产中使用该类金属蒸发源的寿命近乎一次性。许多研究者为了提高各种蒸发源材料的耐腐蚀性、机械性能和使用寿命，已发表了众多专利。国内报道了一种（CN102465261A）将氧化铝和阿拉伯树胶形成的浆体包覆在钨篮表面，再进行烧结，但是其制备工艺周期长且该涂覆层由粗颗粒级粉末烧结而成，孔隙多，涂层质量难以把控易导致真空镀铝时铝熔体渗入并进一步侵蚀基体。此外，单层陶瓷涂层在使用时由于与基体钨的热物性能存在相容性问题，当温度骤变时，热失配应力易导致涂层剥离、脱落。而在国外的报道中（USPatent4054500）则先使用电泳技术在钨丝篮表面制备了氧化铝薄层，仅为了起到保护基体不受后续喷涂作业氧化的作用，但是电沉积条件苛刻，电泳液准备工期冗长，受多种因素影响，不易掌控，且结构不稳定镀层脆性大，该技术制备的陶瓷沉积层与金属基体结合弱，难以在此基础上再进行喷涂作业，所以无法展现陶瓷涂层本身具有的优良的防腐能力。而另一则国内报道（CN102978574A）是采用间接的加热方式蒸镀，即将坩埚放入螺旋锥形钨丝篮内形成加热丝/坩埚分体式的蒸发源，是通过加热丝的电阻将电能转换成热能对膜材进行加热，因此加热丝与坩埚的吻合程度很大程度上决定了蒸发源的蒸发性能和设备的电能消耗。另外，高温铝熔体在真空下非常活泼，易产生飞溅、溢出坩埚与金属丝发生合金化。因此开发具有耐熔融金属腐蚀、寿命长的新型金属质蒸发篮是各种真空镀膜企业和使用者的研究课题。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术存在的问题和金属质蒸发源服役过程中与高温熔融金属发生合金化易折断，加热丝/陶瓷坩埚式蒸发源热效率低、设备能耗高的问题，提供用于一种真空热蒸发镀膜氧化铝涂层钨质蒸发篮。所述钨质蒸发篮表面采用浸渍法和等离子喷涂法复合工艺制备不同微观结构的氧化铝涂层，首先利用浸渍法制备一层薄的多孔疏松状氧化铝缓冲层，不但能避免后续大气喷涂作业带来的基体氧化问题，而且在实际服役中还能起到应力缓和作用；再采用等离子喷涂技术制备一层厚的低孔率、致密氧化铝涂层，发挥了优良的耐腐蚀性。本专利技术提供的这种钨/氧化铝涂层内热式仿形一体仿形设计蒸发篮，能够大大提高使用寿命。等离子喷涂技术是采用等离子弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热至熔融或半熔融状态，能将Al2O3粉末充分熔化并高速喷向工件表面而形成附着牢固的表面防护涂层。用于实现上述目的的技术方案为：一种具有氧化铝多孔结构缓冲层的内热式一体化蒸发篮，所述蒸发篮的表面涂层总共包括两层，内层呈疏松多孔结构的Al2O3缓冲层，外层为致密、低孔隙率的耐腐蚀Al2O3涂层，采用旋涂浸渍工艺在基体表面制备厚度为0.15~0.5mmAl2O3缓冲层，再采用等离子喷涂技术在具有缓冲层的蒸发篮上喷涂制备厚度为0.5~1mmAl2O3耐腐蚀层；所述蒸发篮的制备方法包括如下步骤：（1）氧化铝陶瓷浆料的制备：将氧化铝粉末和溶剂以质量比50~75：20~45的比例混合，并加入氧化铝粉末质量0.1~3%的分散剂、0.1~10%的流变剂和造孔剂羧甲基纤维素、2~10%的粘结剂，于行星球磨机混磨1~2h得到分散均匀、PH值10~11、流动性良好且适合于浸渍挂浆的氧化铝陶瓷浆料；（2）蒸发篮表面预处理：将蒸发篮基体采用碱洗、浸泡羧甲基纤维素溶液和浸泡硅溶胶溶液中的一种或几种工艺处理，提高基体与陶瓷浆料的润湿性和附着力；其基体材料包括W、Mo、Ta中的一种；（3）旋涂浸渍氧化铝薄层：将步骤（2）中预处理后的蒸发篮浸入氧化铝陶瓷浆料10~30s，旋转提拉至涂层厚度为150μm~500μm并均匀覆盖，然后置于空气中或烘箱中干燥；（4）烧结：分为低温排胶和高温烧结两个阶段，首先将步骤（3）浸渍后的坯体置于高温箱式炉有氧氛围中、温度25℃~500℃缓慢升温排出有机添加剂，称为“排胶”阶段；然后再将排完胶的坯体置于还原氛围中或真空中的管式炉、温度25℃~1650℃缓慢升温30~50h烧结得到初步制品；（5）等离子喷涂Al2O3耐腐蚀层：将烧成的初步制品超声震荡清洗后，采用大气等离子喷涂技术在氧化铝薄层上制备一层厚度为0.5~1mmAl2O3耐腐蚀层。步骤（1）中的有机添加剂均为分析纯，氧化铝粉末粒度为1.5~45μm。步骤（1）中所述的分散剂包括三乙醇胺、PEI、鱼油、脂肪酸。步骤（1）中所述的溶剂包括乙醇、丙酮、苯、水以及乙醇和丙酮任意体积比的混合溶剂。步骤（1）中所述的粘结剂包括聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、PVA、硝化棉。步骤（2）中的预处理液对应为10~20wt%的NaOH溶液，1~5wt%羧甲基纤维素溶液和高浓度硅溶胶溶液。在步骤（3）中，旋涂浸渍采用提拉仪，干燥方式选择自然风干或置于烘干箱50~70℃烘干。在步骤（4）中，低温排胶阶段升温速率2℃/min，在500℃保温2h确保添加剂都能彻底排除；高温烧结阶段1400℃以下升温速率1~2℃/min，1400~1650℃升温速率0.8~1℃/min，于1650℃保温15-60min，整个过程在还原气氛或真空中进行。在步骤（5）中，采用等离子喷涂制备耐腐蚀涂层时，喷涂工艺为：粒度35~45μm氧化铝粉；电弧电压60-70V；喷涂电流600-650A；主气流量45L/min，次气流量7~10L/min；喷涂距离80~100mm；送粉量2.0-3.0kg/h。本专利技术采用上述的技术方案，具有以下优点：采用粗粉配制的陶瓷料浆，浸渍制备得到的厚度为0.15~0.5mm氧化铝层经不完全烧结后留有孔隙且能保证与基体具有一定的结合强度，能使基体在后续喷涂中的具有支撑强度、防止氧化和增加了实际服役中的应变容限，再结合大气等离子喷涂技术制备的氧化铝涂层，结合强度高、孔隙率低，与高温铝熔体不润湿可确保在实际工况中蒸发篮电阻的一致性，同时具有耐高温、耐金属熔体腐蚀，可大大延长金属蒸发源的服役寿命，循环使用，降低制造生产成本，并且能减少设备能耗，有望取代市场上流行的金属-陶瓷坩埚分体式蒸发源，可广泛应用于高校科研试验和真空镀膜行业。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有氧化铝多孔结构缓冲层的内热式一体化蒸发篮，其特征在于，所述蒸发篮的表面涂层总共包括两层，内层呈疏松多孔结构的Al2O3缓冲层，外层为致密、低孔隙率的耐腐蚀Al2O3涂层，采用旋涂浸渍工艺在基体表面制备厚度为0.15~0.5mmAl2O3缓冲层，再采用等离子喷涂技术在具有缓冲层的蒸发篮上喷涂制备厚度为0.5~1mm Al2O3耐腐蚀层；所述蒸发篮的制备方法包括如下步骤：（1）氧化铝陶瓷浆料的制备：将氧化铝粉末和溶剂以质量比50~75：20~45的比例混合，并加入氧化铝粉末质量0.1~3%的分散剂、0.1~10%的流变剂和造孔剂羧甲基纤维素、2~10%的粘结剂，于行星球磨机混磨1~2h得到分散均匀、PH值10~11、流动性良好且适合于浸渍挂浆的氧化铝陶瓷浆料；（2）蒸发篮表面预处理：将蒸发篮基体采用碱洗、浸泡羧甲基纤维素溶液和浸泡硅溶胶溶液中的一种或几种工艺处理，提高基体与陶瓷浆料的润湿性和附着力；其基体材料包括W、Mo、Ta中的一种；（3）旋涂浸渍氧化铝薄层：将步骤（2）中预处理后的蒸发篮浸入氧化铝陶瓷浆料10~30s，旋转提拉至涂层厚度为150μm~500μm并均匀覆盖，然后置于空气中或烘干箱中干燥；（4）烧结：分为低温排胶和高温烧结两个阶段，首先将步骤（3）浸渍后的坯体置于高温箱式炉有氧氛围中、温度25℃~500℃缓慢升温排出有机添加剂，称为“排胶”阶段；然后再将排完胶的坯体置于还原氛围中或真空中的管式炉、温度25℃~1650℃缓慢升温30~50h烧结得到初步制品；（5）等离子喷涂Al2O3耐腐蚀层：将烧成的初步制品超声震荡清洗后，采用大气等离子喷涂技术在氧化铝薄层上制备一层厚度为0.5~1mm Al2O3耐腐蚀层。...

【技术特征摘要】
1.一种具有氧化铝多孔结构缓冲层的内热式一体化蒸发篮，其特征在于，所述蒸发篮的表面涂层总共包括两层，内层呈疏松多孔结构的Al2O3缓冲层，外层为致密、低孔隙率的耐腐蚀Al2O3涂层，采用旋涂浸渍工艺在基体表面制备厚度为0.15~0.5mmAl2O3缓冲层，再采用等离子喷涂技术在具有缓冲层的蒸发篮上喷涂制备厚度为0.5~1mmAl2O3耐腐蚀层；所述蒸发篮的制备方法包括如下步骤：（1）氧化铝陶瓷浆料的制备：将氧化铝粉末和溶剂以质量比50~75：20~45的比例混合，并加入氧化铝粉末质量0.1~3%的分散剂、0.1~10%的流变剂和造孔剂羧甲基纤维素、2~10%的粘结剂，于行星球磨机混磨1~2h得到分散均匀、PH值10~11、流动性良好且适合于浸渍挂浆的氧化铝陶瓷浆料；（2）蒸发篮表面预处理：将蒸发篮基体采用碱洗、浸泡羧甲基纤维素溶液和浸泡硅溶胶溶液中的一种或几种工艺处理，提高基体与陶瓷浆料的润湿性和附着力；其基体材料包括W、Mo、Ta中的一种；（3）旋涂浸渍氧化铝薄层：将步骤（2）中预处理后的蒸发篮浸入氧化铝陶瓷浆料10~30s，旋转提拉至涂层厚度为150μm~500μm并均匀覆盖，然后置于空气中或烘干箱中干燥；（4）烧结：分为低温排胶和高温烧结两个阶段，首先将步骤（3）浸渍后的坯体置于高温箱式炉有氧氛围中、温度25℃~500℃缓慢升温排出有机添加剂，称为“排胶”阶段；然后再将排完胶的坯体置于还原氛围中或真空中的管式炉、温度25℃~1650℃缓慢升温30~50h烧结得到初步制品；（5）等离子喷涂Al2O3耐腐蚀层：将烧成的初步制品超声震荡清洗后，采用大气等离子喷涂技术在氧化铝薄层上制备一层厚度为0.5~1mmAl2O3耐腐蚀层。2.根据权利要求1所述的具有氧化铝多孔结构缓冲层的内热式一体化蒸发篮，其特征在于，步骤（...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，郑钦龙，陈精杰，乔星，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35