用静电喷涂法制作涂层的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了用于制造由单一材料或多种材料混合物构成的涂层的方法，先用ＥＳＣ沉积出基层，然后再使用除ＣＶＩ之外的用于粘结步骤的其他方法。此外，对于某些材料和应用来说，需要在沉积之前对涂层材料进行一些预加工或预处理，以便得到满意的涂层。本申请公开了用于在ＥＳＣ沉积之前对材料进行预处理的方法。此外，本发明专利技术公开了用于提供涂层附加功能或工作特性的后处理的方法。最后，本发明专利技术还公开了用于实现本发明专利技术所述方法的某些装置和设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及以静电喷涂法作为涂层沉积的核心方法来制作涂层 和物品的方法和装置，所述涂层和物品由多种材料混合物制成。
技术介绍
这种涂层的用途很广泛，例如刀具和磨损件上用的耐磨涂层、 工具和磨损件上用的固体润滑涂层、生物医学种植体上用的环保或 防腐涂层、以及微电子学上用的薄膜涂层，等等。采用本文正文中 详细描述的方法及装置设计，可以在多种不同的基体材料和具有简 单形状或三维几何复杂形状的零件上进行涂层。在2003年8月19日授权的由Ajay P. Malshe等人申请的美国第 No. 6，607，782号专利中公开了一种方法，在该方法中，首先用静电 喷涂法(ESC)在基体上沉积出基层或在基体上实施涂层，然后用化 学气相渗透法(CVI)引入一种粘结相，从而产生一种易于粘结在初 始相颗粒上且与基体上具有很好的粘结性的复合涂层。
技术实现思路
本专利技术包括用于制作由单 一 材料或多种材料混合物构成的涂层 的另一种方法，先用ESC沉积出基层，然后使用除了 CVI之外的用 于粘结步骤的其他方法。在ESC之后进行CVI已经成功地用于在硬 质合金基体上产生由立方氮化硼(cBN)和氮化钛(TiN)构成的复 合材料上。然而，由于CVI将基体暴露在高温之下，所以并不适用 于可能会被高温损坏或其性能可能由于高温而降低的某些材料。而 且，由于CVI的反应堆的大小受限，所以在进行表面积较大的实施作业时，CVI作为粘结步骤并不实用。由于存在这些问题以及其他限制，我们设计了在采用ESC沉积出的初始待加工涂层上施加第二 相的其他方法。在本申请中公开了这种两步涂层法及其效果。此外，对于某些材料和应用而言，为了得到令人满意的涂层，必 须在沉积之前对涂层进行一些预加工或预处理。本专利技术用多种实施 方式包括了用于在ESC沉积之前进行材料预沉积处理的方法。本发 明还用多种实施方式包括了用于在涂层上提供附加的功能化或其他 性能特点的后处理方法。最后，本专利技术还以多种实施方式说明了包括用于实现上述方法的 某些装置和设备。附图说明图1说明了包括基层或待加工涂层等初始沉积和随后的沉积后 处理步骤的两步涂层处理方法。图2表示沉积之前对涂层材料实施预沉积处理(沉积前处理)的 情况。图3说明了用于分离干燥粉末颗粒、避免产生团聚并优先将超微颗粒供入沉积系统的流化器。图4说明了利用空气动力帮助避免产生团聚的气流磨。图5表示用于防止供入沉积系统的粉末产生团聚的喷雾装置。图6表示用于容纳待沉积材料的沉积室，其避免材料不期望地泄漏到环境中，允许喷枪与基体之间调节并且可以将未使用的材料回收再利用。图7说明了用于确保基体上的涂层具有均匀沉积的旋转工作台。 图8表示结合有流化处理的带有腔室的沉积系统。 图9表示结合有气流磨的带有腔室的沉积系统。 图IO说明了一种改进型ESC喷枪设计方案，其不仅降低了喷枪 内材料产生聚集的可能性，而且提高了流过喷枪的流体的均匀性。具体实施例方式此处公开的是用于在基体上生成涂层的方法和装置，首先用静电 喷涂法沉积出基层或4寺加工涂层。图1说明了在基体上进行涂层的两步处理法。将基体170放入沉 积系统200中。将一种或多种涂层材斗牛150导入沉积系统200。这些 涂层材料可以以干粉或液体悬浮的形式存在，并且可以包含纳米颗 粒、微米颗粒或两种颗粒的混合物。可将多种材料混合在一起导入 或者分别导入该沉积系统200。可选用多种材料，包括氮化物、碳化 物、碳氮化物、硼化物、氧化物、硫化物和硅化物。该沉积系统200可以采用在基体上生成初始涂层或基层的多种 方法中的任意一种。其中一种方法为静电喷涂法(ESC )，如William D. Brown等人在2003年4月8日授权的美国第6,544,599号专利中 和Ajay P. Malshe等人在2003年8月19日授权的美国第6,607,782 号专利中所述，这种ESC沉积方法采用干粉喷涂实施，也可以用在完成该初始沉积步骤之后，干燥的涂层材料固体颗粒与基体接 触。该带有沉积物的基体270从沉积系统200中排出，如图l所示。然后，使带有基层沉积物的基体270进行沉积后处理步骤300。 沉积后处理用于使被沉积干粉颗粒彼此粘结并粘结在基体上。适用 的处理方法包括 化学气相渗透(CVI)，它与化学气相沉积(CVD)相似，但 采用更慢的反应速度，以便粘结剂渗透多孔干粉沉积，从而与基体 和干粉颗粒均接触； 烧结，采用多种可选择的烧结方法中的一种或将多种方法组合 使用进行烧结，烧结方法包括O微波烧结O激光烧结7〇红外烧结这些方法均采用一个或多个高能(微波、激光、红外线或高温高 压)短脉冲对初始涂层沉积中的颗粒进行烧结，使其彼此粘结并粘 结在基体上。另一种粘结方法是用高温-高压(HT-HP)的处理方法，该方法 通常用于包括构造立方氮化硼聚晶(PCBN)固态致密等各种目的。 在本专利技术的一个实施方式中，HT-HP法被用于沉积后粘结步骤，将 沉积颗粒彼此粘结并且粘结到基体上。有些实施方式中，在完成沉积后处理步骤300之后，还实施有附 加处理步骤(图中未示出)，以在涂层上加入附加相。其中一例是， 在完成基层涂层沉积和烧结之后，采用静电喷涂法或超声波喷涂沉 积法作为最后步骤，以实现将活性生物制剂施加在基层涂层上的目 的。可能带有多孔表面层的牙种植体或其他生物医学装置是比较特 殊的情况，这种装置可以先用ESC来完成涂层，随后对基层涂层进 行微波烧结。然后在附加烧结后沉积步骤中，施加例如防腐剂或防 菌剂等活性剂，而骨形态发生蛋白和传递药物用的载药颗粒等其他 活性剂可以在植入之后施加在装置表面。这些仅是如何将后处理步 骤用于将附加元素施加到基层涂层上以达到特殊目的的 一 些例子。在沉积处理之后实施的其他附加处理步骤(图中未示出)可用于 增强涂层粘结力，以及降低或消除涂层缺陷和涂层非均匀性。例如，高温-高压(HT-HP)和红外烧结(脉沖红外辐射)。也可以采用通 过瞬时能源的其他方法来增强基体上最后一层涂层的特性。如图2所示，本专利技术的一些实施方式中包含了任意一种预沉积处 理步骤100。在作为已处理的涂层材料150被导入沉积系统200之前， 先将未处理的涂层材料50进行加工处理。预处理可用于防止涂层材 料颗粒产生团聚。本文所公开的预处理方法既可用于涂层沉积前对 材料进行处理，也可用于独立于任何涂层沉积系统的其他目的。作为沉积之前的预加工步骤，本文7>开的预处理方法可以用于下述任意一个目的或多个目的 流化作用、尺寸区分及分离一流化作用有助于使干粉颗粒保持 分离并降低颗粒团聚或结块的情况，并且使其优先供入超微颗粒或 尺寸较小的颗粒；也可采用用于区分和优先供出较小颗粒的其他方 法。 防团聚一众所周知，超微颗粒、特别是纳米颗粒具有结块或团 聚的趋势，形成比基粒尺寸大得多的"簇"或"团"的趋势。使材 料不产生团聚有助于减少"簇"的数量和大小，这有利于使纳米颗 粒保持有利的特性，并基于所期望的应用目的，可改善最终涂层的 均匀性和表面粗糙度。 功能化一为了特殊的目的，可将颗粒进行功能化处理。此处描述了多种用于材料预沉积处理的方法和装置。这些方法和 装置可以单独使用，也可以与本文中描述的各种沉积方法/系统结合 起来使用。<流化方法及装置>在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用沉积材料对基体进行涂层的方法，包括：　（ａ）对沉积材料实施预沉积处理，所述预沉积处理步骤包括对沉积材料进行防团聚处理步骤；　（ｂ）用静电充电法将沉积材料导向到基体上；　（ｃ）对基体实施原位处理或沉积后处理，从而将沉积 材料结合在基体上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿贾伊P麦欧辛，江文平，贾斯廷B劳里，
申请(专利权)人：阿肯色大学董事会，纳米技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]