一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102747363 A (43)申请公布日 2012.10.24 CN 102747363 A *CN102747363A* (21)申请号 201210246537.7 (22)申请日 2012.07.17 C23C 24/04(2006.01) (71)申请人 河南理工大学 地址 454003 河南省焦作市高新区世纪大道 2001 号 (72)发明人 郑建新 刘传绍 陈松 金耀辉 (74)专利代理机构 郑州联科专利事务所 ( 普通 合伙 ) 41104 代理人 时立新 (54) 发明名称 一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺 (57) 摘要 本发明公开了一种纳米级金属颗粒。

2、冷喷涂工 艺， 顺次采用以下步骤 ：（1） 、 在喷管出口端的端 面设置一圈金属环形电极， 环形电极内径等于喷 管管壁内径 ；（2） 、 将环形电极、 金属基体置于真 空环境下， 设置环形电极到金属基体表面的距离 为 5 50mm ；（3） 、 将金属基体和环形电极接通可 调式直流稳压电源， 其中环形电极接电源正极， 金 属基体接电源负极 ；（4） 、 由喷管进口向喷管内输 入一定压力的气体和纳米级金属颗粒， 带正电荷 的金属颗粒撞击到带负电的金属基体表面， 从而 在金属基体表面沉积形成纳米涂层。本发明集成 了真空冷喷涂和电场辅助冷喷涂的优点， 选择合 适的工艺参数， 可在常温常压工作条件下实。

3、现纳 米级金属颗粒的喷涂作业。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/1 页 2 1. 一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺， 其特征在于， 顺次采用以下步骤 ： （1） 、 在喷管出口端的端面设置一圈金属环形电极， 环形电极内径等于喷管管壁内径 ； （2） 、 将环形电极、 金属基体置于真空环境下， 喷管的中心线垂直于金属基体表面， 并设 置环形电极到金属基体表面的距离为 5 50mm ； （3） 、 将金属基体和环形电极接通可调式直流稳压电源， 其中。

4、环形电极接电源正极， 金 属基体接电源负极 ； （4） 、 由喷管进口向喷管内输入一定压力的气体和纳米级金属颗粒， 在气流和电场的综 合作用下， 带正电荷的金属颗粒撞击到带负电的金属基体表面， 同时喷管和金属基体之间 形成相对运动进行大范围的喷涂作业， 从而在金属基体表面沉积形成纳米涂层。 2. 根据权利要求 1 所述的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺， 其特征在于 ： 所述喷管为 由陶瓷材料制成的拉瓦尔喷管。 3. 根据权利要求 1 所述的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺， 其特征在于 ： 所述环形电 极与喷管出口端的端面之间采用胶粘连接。 4. 根据权利要求 1 所述的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺。

5、， 其特征在于 ： 所述直流稳 压电源加在环形电极与金属基体间的电压不低于 50kV。 5. 根据权利要求 1 所述的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺， 其特征在于 ： 所述金属基 体通过绝缘垫固定在可在三维方向分别调节移动的工作台上， 金属基体随工作台沿水平面 方向移动实现大范围喷涂作业 ； 金属基体沿垂直方向运动调整环形电极与金属基体间的合 适距离， 实现最佳喷涂效果。 6. 根据权利要求 1 任一项所述的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺， 其特征在于 ： 所述 环形电极与金属基体间的喷涂最短距离必须能保证喷管出口气体得到充分膨胀， 金属基体 放置最佳位置为气体自由射流第一周期速度的最低点。 7.。

6、 根据权利要求 1 所述的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺， 其特征在于 ： 所述金属颗 粒在喷涂前需做导电化预处理， 使金属颗粒带有正电荷， 电荷量不低于 2000e。 8. 根据权利要求 1 所述的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺， 其特征在于 ： 所述喷管的 入口温度和出口温度均为常温。 9. 根据权利要求 1 所述的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺， 其特征在于 ： 所述向喷管 内输入的一定压力的为常压下的空气， 喷管出口处的压力即真空环境下的压力不大于使喷 管出口产生完全膨胀波所需压力。 10. 根据权利要求 7 所述的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺， 其特征在于 ： 若金属颗粒 携带的正电荷量小。

7、， 则应提高环形电极与金属基体间的电压 ； 反之， 若金属颗粒电荷量大， 则可降低环形电极与金属基体间的电压。 权 利 要 求 书 CN 102747363 A 2 1/4 页 3 一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺 技术领域 0001 本发明属于表面技术领域， 尤其是涉及一种在常温常压下将纳米级金属颗粒沉积 到金属基体上的纳米级金属颗粒冷喷涂工艺。 背景技术 0002 冷喷涂技术是近年来发展起来的一种新型的表面涂层技术， 由于具有低温下固态 沉积的特点， 可明显降低甚至完全消除传统热喷涂中氧化、 相变、 偏析、 残余拉应力和晶粒 长大等不利影响， 特别适合于非晶、 纳米等温度敏感材料、 铜、 钛等。

8、氧化敏感材料涂层的制 备。 0003 在冷喷涂过程中， 喷涂颗粒能否在基体表面形成有效沉积， 取决于颗粒对基板的 撞击速度。只有当颗粒的撞击速度大于临界沉积速度时， 颗粒才能与基板有效结合。在一 定的喷枪结构下， 颗粒撞击速度主要取决于气体性质、 喷涂距离和颗粒特性等。 在传统冷喷 涂中， 为了使颗粒达到临界沉积速度， 气体压力一般高达 1.53.5Mpa， 气体温度范围一般为 100600， 载气首选氦气， 其次是氮气 ； 为防止颗粒在空气中的减速和过多氧化， 喷涂距离 一般为 550mm ； 由于受基体前弓形激波的影响， 喷涂颗粒直径范围大多限制在 150m 之 间。 0004 在冷喷涂过。

9、程中， 由于基板前弓形激波的存在， 纳米级颗粒易在湍流区随气体一 起脱离基板， 或在气流漩涡内旋转， 难以形成涂层。对于纳米级颗粒的喷涂， 现有的喷涂技 术主要有真空冷喷涂、 气浮沉积和电场辅助冷喷涂技术等。 0005 西安交通大学设计了真空冷喷涂系统， 当真空喷涂室真空度小于 2000Pa 时， 利用 氦气作为载气， 成功实现了 80nm 的氧化铝、 500nm 的碳化硅和 200nm 的二氧化钛颗粒的沉 积。而其他研究成果表明， 利用空气作为载气进行纳米级颗粒真空冷喷涂时， 入口压力为 0.4MPa ； 利用氮气或氦气， 则可适当降低入口压力。专利公开号 CN 1782127A 的 “真空。

10、冷喷 涂工艺” 解决了在多操作循环涂层中存在的剥离问题， 但该工艺喷涂的颗粒尺寸范围主要 集中在 550m 之间。 0006 日本研究者提出了气浮沉积技术， 是在室温和低真空环境下， 利用高速气流吹浮、 雾化并加速超细喷涂粒子， 然后高速沉积到洁净的基体表面形成涂层。 0007 重庆大学和美国学者合作， 提出了电场辅助冷喷涂技术， 采用空气作为载气， 当 入口压力为 0.81MPa， 入口温度为 700K， 出口压力为常压， 出口温度为 300K， 电场强度为 3.0kV/m 时， 实现了 100nm 铜颗粒的有效喷涂。 0008 显然， 在当前冷喷涂技术条件下， 要实现纳米级金属颗粒的喷涂，。

11、 若采用真空冷喷 涂， 则以昂贵的氦气或氮气作为载气， 且需使用高压气源以驱动金属颗粒 ； 若采用气浮沉 积， 则需采用气浮雾化室等复杂的喷涂系统设备 ； 若采用电场辅助冷喷涂， 则因喷管出口压 力为常压， 需提高入口压力和入口温度以提高出口气流能量， 进而提高颗粒撞击速度。 发明内容 说 明 书 CN 102747363 A 3 2/4 页 4 0009 本发明为了解决现有技术中的不足之处， 提供了一种使用简单的冷喷涂设备在常 温常压下操作的纳米级金属颗粒冷喷涂工艺。 0010 为解决上述技术问题， 本发明采用如下技术方案 ： 一种纳米级金属颗粒冷喷涂工 艺， 顺次采用以下步骤 ： （1） 。

12、、 在喷管出口端的端面设置一圈金属环形电极， 环形电极内径等于喷管管壁内径 ； （2） 、 将环形电极、 金属基体置于真空环境下， 喷管的中心线垂直于金属基体表面， 并设 置环形电极到金属基体表面的距离为 5 50mm ； （3） 、 将金属基体和环形电极接通可调式直流稳压电源， 其中环形电极接电源正极， 金 属基体接电源负极 ； （4） 、 由喷管进口向喷管内输入一定压力的气体和纳米级金属颗粒， 在气流和电场的综 合作用下， 带正电荷的金属颗粒撞击到带负电的金属基体表面， 同时喷管和金属基体之间 形成相对运动进行大范围的喷涂作业， 从而在金属基体表面沉积形成纳米涂层。 0011 所述喷管为由。

13、陶瓷材料制成的拉瓦尔喷管。 0012 所述环形电极与喷管出口端的端面之间采用胶粘连接。 0013 所述直流稳压电源加在环形电极与金属基体间的电压不低于 50kV。 0014 所述金属基体通过绝缘垫固定在可在三维方向分别调节移动的工作台上， 金属基 体随工作台沿水平面方向移动实现大范围喷涂作业 ； 金属基体沿垂直方向运动调整环形电 极与金属基体间的合适距离， 实现最佳喷涂效果。 0015 所述环形电极与金属基体间的喷涂最短距离必须能保证喷管出口气体得到充分 膨胀， 金属基体放置最佳位置为气体自由射流第一周期速度的最低点。 0016 所述金属颗粒在喷涂前需做导电化预处理， 使金属颗粒带有正电荷， 。

14、电荷量不低 于 2000e。 0017 所述喷管的入口温度和出口温度均为常温。 0018 所述向喷管内输入的一定压力的为常压下的空气， 喷管出口处的压力即真空环境 下的压力不大于使喷管出口产生完全膨胀波所需压力。 0019 若金属颗粒携带的正电荷量小， 则应提高环形电极与金属基体间的电压 ； 反之， 若 金属颗粒电荷量大， 则可降低环形电极与金属基体间的电压。 0020 本发明中， 对于特定结构尺寸的喷管和特定的纳米级金属颗粒， 在喷涂过程中能 否使金属颗粒喷涂沉积到金属基体上， 主要取决于颗粒对基体的撞击速度。该撞击速度必 须超过临界沉积速度， 且取决于喷管出口到金属基体的喷涂距离、 金属基。

15、体与环形电极之 间的电压、 金属颗粒所带的电荷量、 喷管出口压力等参量， 并且上述这些参量都是联动的。 环形电极到金属基体表面的距离 5 50mm， 其中有一个最佳距离， 大了小了都会使得撞击 速度降低， 这个最佳距离就取决于气体自由射流第一周期速度的最低点。 电压、 金属颗粒的 电荷量则是越大越好， 出口压力理论上越小越好， 但是出口压力降低， 会使最佳喷涂距离发 生变化。喷管的出口压力最小值与采用拉瓦尔喷管的结构有关系。 0021 本发明集成了真空冷喷涂和电场辅助冷喷涂的优点， 选择合适的工艺参数， 可在 常温常压工作条件下实现纳米级金属颗粒的喷涂作业。本发明中载气可选用空气， 金属颗 粒。

16、无需加热， 也无须使用高压送粉器， 喷涂设备简单， 喷涂成本显著降低， 实用性强， 易于推 广应用。 说 明 书 CN 102747363 A 4 3/4 页 5 附图说明 0022 图 1 是本发明所采用的喷涂设备的结构示意图。 具体实施方式 0023 本发明所采用的喷涂设备如图 1 所示， 包括真空喷涂室 1， 真空喷涂室 1 内设有可 在三维方向分别调节移动的工作台6和陶瓷拉瓦尔喷管2， 喷管2位于工作台6上方且垂直 于工作台 6 表面， 真空喷涂室 1 下部连接有用于抽真空的真空泵 7， 喷管 2 上端连接有进气 管 8， 进气管 8 上连接有送粉管 9 和送粉器 10， 送粉管 9 。

17、上设有送粉阀门 11， 进气管 8 上设 有进气阀门 12。 0024 本发明的一种纳米级金属颗粒冷喷涂工艺， 顺次采用以下步骤 ： （1） 、 在喷管 2 出口端 （下端） 的端面胶粘一圈金属环形电极 3， 环形电极 3 内径等于喷 管 2 管壁内径 ； （2） 、 工作台 6 上铺设有绝缘垫 5， 将金属基体 4 放置到绝缘垫 5 上， 喷管 2 的中心线垂 直于金属基体 4 表面， 并通过调整工作台 6 沿 Z 向 （竖直方向） 移动， 确定环形电极 3 到金属 基体 4 表面的距离为 5 50mm ； 环形电极 3 与金属基体 4 间的喷涂最短距离必须能保证喷 管出口气体得到充分膨胀，。

18、 金属基体 4 放置最佳位置为气体自由射流第一周期速度的最低 点。 0025 （3） 、 将金属基体 4 和环形电极 3 接通可调式直流稳压电源 13， 其中环形电极 3 接 电源 13 正极， 金属基体 4 接电源 13 负极， 电源 13 加在环形电极 3 与金属基体 4 间的电压 不低于 50kV ； （4） 、 金属颗粒在装入送粉器 10 中之前即喷涂前需做导电化预处理， 使金属颗粒带有 正电荷， 电荷量不低于 2000e。打开进气阀门 12 和真空泵 7， 保持喷涂室 1 内压力不大于使 喷管 2 出口产生完全膨胀波所需压力 ； 打开送粉阀门 11， 利用送粉器 10 将带有正电荷的。

19、纳 米级金属颗粒经喷管 2 加速后在气流和电场的综合作用下以一定速度撞击金属基体 4， 同 时工作台 6 沿 X 向、 Y 向所在的平面 （水平面） 移动， 当然， 也可以使喷管 2 水平移动， 金属基 体 4 保持不动， 喷管 2 和金属基体 4 之间形成相对运动进行大范围的喷涂作业， 从而在金属 基体 4 表面沉积形成纳米涂层。喷管 2 的入口温度和出口温度均为常温。向喷管 2 内输入 的一定压力的为常压下的空气， 喷管 2 出口处的压力即真空环境下的压力不大于使喷管 2 出口产生完全膨胀波所需压力。 0026 下面给出一个实施例 ： 采用电场辅助真空冷喷涂铜粉， 球形颗粒直径 30nm，。

20、 导电 化处理后颗粒电荷为 2000e。拉瓦尔喷管 2 的结构如图 1 所示， 入口直径 1=8mm， 喉部直 径2=2mm， 出口直径3=6mm， 收缩段长度L1=12mm， 扩张段长度L2=12mm， 直管段与金属环 形电极 3 的长度 L3=50mm， 环形电极 3 距离金属基板 4 的距离 L4=15mm。 0027 喷涂工艺参数如下 ： 喷管 2 入口压力为常压、 入口温度为常温、 出口压力为 0.045atm、 出口温度为常温， 环形电极3与金属基体4间的电压为70KV。 铜粉撞击到金属基 体 4 表面的速度为 533.8m/s， 超过临界沉积速度， 可实现有效沉积。 0028 需。

21、要指出的是， 铜粉的临界速度差别很大 （从近 300m/s-650m/s） ， 金属表面氧化状 态对粒子沉积临界速度影响显著的现象， 氧化轻微的 Cu 粒子的沉积临界速度约 300m/s， 而 说 明 书 CN 102747363 A 5 4/4 页 6 临界速度随氧化程度增加显著变化。当临界沉积速度高时， 可通过降低喷管 2 出口压力同 时适当增大环形电极 3 距离金属基板 4 的距离 （喷涂距离） 、 提高电压 （环形电极 3 与金属基 体 4 间的电压） 、 提高金属颗粒电荷量等工艺措施提高撞击速度。 说 明 书 CN 102747363 A 6 1/1 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102747363 A 7 。