УЛУЧШЕННЫЕ СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ ПОКРЫТИЯ С ПОМОЩЬЮ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ НА ПОДЛОЖКУ
IMPROVED METHOD AND DEVICE FOR COATING DEPOSITION USING A PLASMA JET AT ATMOSPHERIC PRESSURE ON A SUBSTRATE

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к области плазменного осаждения. Настоящее изобретение может относиться к классу IPC H05H 1/24 и/или IPC B01J 19/08.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Покрытие путем плазменного осаждения предлагает ряд преимуществ по сравнению с другими технологиями нанесения покрытия, в частности, в отношении технологий мокрого осаждения, когда покрытие наносят путем воздействия на объект жидкостью, содержащей вещество покрытия. Например, плазменное нанесение покрытия позволяет получать очень тонкие слои покрытия; оно позволяет наносить покрытия на объекты любой формы с небольшими потерями вещества покрытия и т.д.
Методы плазменного нанесения покрытия обычно можно разделить на методы, осуществляемые в вакууме и при атмосферном давлении. Настоящее изобретение относится к плазменному нанесению покрытия при атмосферном давлении, причем плазма находится практически при атмосферном давлении. На практике давление плазмы может немного отличаться от атмосферного давления, например, быть немного выше него. Методы плазменного нанесения покрытия при атмосферном давлении обладают существенным преимуществом по сравнению с методами плазменного нанесения покрытия в вакууме, поскольку нет необходимости в вакуумной камере и процесс нанесения покрытия может легко осуществляться в поточном режиме.
Ряд процессов плазменного нанесения покрытия описан в патентных документах EP 0 217 399 A2, US 3914573 A, US 2017/095929 A1 и EP 1 875 785 A1. Эти документы относятся к конкретным типам пистолетов для плазменного напыления, которые нагревают плазму до 1000°C или более и распыляют плазму с высокой скоростью на подложку. Процесс, такой как описанный в патенте США 3914573 A, обычно можно использовать для покрытия металлических предметов, таких как сталь, температура плавления которых значительно выше температуры плазмы, частицами материала. Для размягчения частиц материала требуется высокая температура плазмы для улучшенного нанесения покрытия на подложку.
Однако настоящее изобретение относится к другому типу способа плазменного нанесения покрытия при атмосферном давлении и устройству для него, которые позволяют наносить покрытие из молекулярных веществ на все типы подложек, включая металлические и неметаллические подложки, в частности, также пластмассовые и/или стеклянные вещества, характеризующиеся температурами плавления и/или температурами текучести значительно ниже 1000°C, а иногда даже ниже 200°C, 150°C, 100°C или еще ниже. Очевидно, что процессы и специальное оборудование в виде пистолетов для плазменного напыления, описанные в документах EP 0217399 A2, US 3914573 A, US 2017/095929 A1 и EP 1875 785 A1, использовать нельзя. Существует необходимость в методе плазменного нанесения покрытия при низкой температуре, как правило, при температуре плазмы ниже 200°C.
В документе JP 2008/130 503 A раскрыто устройство, содержащее средство генерирования плазменной струи при атмосферном давлении и технологическая камера. В технологическую камеру может быть введена плазменная струя. Технологическая камера содержит верхнюю часть из смолы и нижнюю часть, разделенные небольшим зазором, при этом устройство выполнено так, чтобы предотвращать попадание окружающего воздуха в технологическую камеру из-за избыточного давления, которое вызывает выход газа из технологической камеры через небольшой зазор.
В документе раскрыто решение задачи по предоставлению устройства создания плазменной струи при атмосферном давлении, способного удлинить плазменную струю для эффективного преобразования поверхности независимо от формы поверхности материала.
Однако устройство согласно этому документу не подходит для осаждения покрытия. В документе, в частности, описаны очистка и повышение гидрофильности как возможные варианты.
Кроме того, устройство согласно документу не подходит для поточной обработки сплошных подложек. В документе, в частности, описаны средства регулирования площади открывания (или заслонки) для загрузки и выгрузки обрабатываемого объекта. Кроме того, в документе описывается, что размер обрабатываемого объекта по существу равен открытой поверхности верхней части технологической камеры. Таким образом, в документе предлагается камера для обработки партиями.
Кроме того, устройство согласно этому документу не приспособлено для легкой очистки, длительного обслуживания и/или поточной обработки множества поверхностей неправильной формы.
В документе JP 2007/323 812 A раскрыто плазменное устройство атмосферного давления, содержащее первое реакционное пространство и емкость для смешивания газа, содержащую область для смешивания газа. Устройство выполнено с возможностью ввода струи первичной плазмы из первого реакционного пространства в область для смешивания газа и ввода смешанного газа, содержащего реактивный газ, в область для смешивания газа для контакта с первичной плазмой.
Устройство согласно этому документу не приспособлено для поточного плазменного осаждения на непрерывную подложку с поверхностью неправильной формы. Кроме того, устройство не приспособлено для легкой очистки и/или длительного обслуживания.
Настоящее изобретение направлено на решение по меньшей мере некоторых из задач, упомянутых выше. Таким образом, оно направлено на то, чтобы обеспечить плазменное нанесение покрытия в поточном режиме при атмосферном давлении и при низкой температуре на все типы подложек для получения однородного покрытия.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Согласно первому аспекту в настоящем изобретении предлагается способ осаждения покрытия с помощью плазменной струи при атмосферном давлении согласно пункту 1 формулы изобретения.
Согласно второму аспекту в настоящем изобретении предлагается комплект для генератора плазменной струи при атмосферном давлении согласно пункту 13 формулы изобретения.
Согласно третьему аспекту в настоящем изобретении предлагается устройство для осаждения покрытия с помощью плазменной струи при атмосферном давлении согласно пункту 16 формулы изобретения.
Согласно дополнительному аспекту в настоящем изобретении предлагается способ осаждения покрытия с помощью плазменной струи при атмосферном давлении, причем способ предусматривает следующие стадии:
- предоставление генератора (1) плазменной струи при атмосферном давлении, содержащего выпускное отверстие (12) для струи;
- предоставление насадки (2), содержащей впускное отверстие (22) для струи, выпускное отверстие (24) сопла и боковую стенку (21), проходящую от впускного отверстия для струи до выпускного отверстия сопла;
- прикрепление с возможностью отсоединения насадки к генератору плазменной струи и, тем самым, обеспечение сообщения впускного отверстия для струи и выпускного отверстия для струи;
- подачу плазменной струи в насадку посредством генератора плазменной струи и ввод предшественников покрытия в плазменную струю в насадке, вследствие чего в насадке создается избыточное давление относительно окружающей среды; и
- относительное перемещение поверхности подложки и выпускного отверстия сопла и, таким образом, осаждение покрытия на указанную поверхность.
Выпускное отверстие сопла насадки может быть расположено в непосредственной близости от поверхности обрабатываемой подложки, причем за счет избыточного давления в насадке может быть предотвращен значительный приток окружающего воздуха. Во время осаждения покрытия насадка может получить повреждения, например, из-за повреждения плазменной струей внутренней стенки насадки и/или осаждения покрытия на внутреннюю стенку насадки. Кроме того, что более важно, когда используются подложки разного размера и/или формы, одно сопло может не дать удовлетворительных результатов для каждой подложки. Согласно настоящему изобретению можно менять насадку в зависимости от применения. Для осаждения покрытия в поточном режиме на большие плоские поверхности, может использоваться насадка с большим плоским выпускным отверстием сопла. Для осаждения покрытия в поточном режиме на неплоские поверхности, может использоваться насадка со специально сконструированным неплоским соплом. Для обработки конечного образца неправильной формы образец может оставаться неподвижным, а струя может перемещаться, в результате чего выпускное отверстие сопла может обладать размером, достаточно малым, чтобы можно было точно следовать за поверхностью образца. Настоящее изобретение обеспечивает плазменное нанесение покрытия в поточном режиме на все типы объектов с помощью низкотемпературной не содержащей кислорода плазмы при рабочем давлении, которое немного выше атмосферного давления, предпочтительно не более чем на 10%, за счет подачи плазменной струи в насадку посредством генератора плазменной струи и ввода предшественников покрытия в плазменную струю в насадке, вследствие чего создается указанное рабочее давление. Избыточное давление в сочетании с небольшим зазором между краем выпускного отверстия сопла и поверхностью объекта, за счет соответствия края выпускного отверстия сопла профилю объекта, позволяет подвергать поверхность объекта воздействию обедненной кислородом зоны плазмы, что, в свою очередь, приводит к лучшим характеристикам покрытие, в частности, в отношении однородности и стабильности, что предусматривает улучшение адгезии покрытия к поверхности и уменьшение повреждения с течением времени. Кроме того, наличие обедненной кислородом зоны плазмы позволяет использовать большое количество молекул-предшественников, которые в противном случае не могли бы быть использованы из-за их реакционной способности с кислородом.
Также следует отметить, что температура плазмы предпочтительно поддерживается низкой согласно настоящему изобретению, предпочтительно ниже 200°C, более предпочтительно ниже 180°C, более предпочтительно ниже 160°C, более предпочтительно ниже 140°C, более предпочтительно ниже 130°C, более предпочтительно ниже 120°C, более предпочтительно ниже 110°C, более предпочтительно ниже 100°C, более предпочтительно ниже 90°C, более предпочтительно ниже 80°C, более предпочтительно ниже 70°C, более предпочтительно ниже 60°C, более предпочтительно ниже 50°C.
Дополнительные преимущества, признаки и примеры настоящего изобретения раскрываются в подробном описании.
Описание фигур
На фиг. 1a и 1b
показаны виды в перспективе вариантов осуществления устройств согласно настоящему изобретению.
На фиг 2a, 2b, 2c, 2d и 3
показаны виды в перспективе вариантов осуществления насадок согласно настоящему изобретению.
На фиг. 4
показан вид в перспективе варианта осуществления переходника и насадки согласно настоящему изобретению.
На фиг. 5a и 5b
соответственно показаны продольный вид и вид сбоку варианта осуществления насадки согласно настоящему изобретению.
На фиг. 6
показан вид сбоку альтернативного варианта осуществления насадки согласно настоящему изобретению.
На фиг. 7
изображен вид в поперечном сечении устройства с насадкой в соответствии с настоящим изобретением, которое особенно предпочтительно для плазменного нанесения покрытия на порошок.
На фиг. 8
изображен вид в поперечном сечении устройства с насадкой в соответствии с настоящим изобретением, которое особенно предпочтительно для плазменного нанесения покрытия на волокно.
На фиг. 9
изображен вид в перспективе насадки в соответствии с настоящим изобретением, край которой специально изготовлен так, чтобы он соответствовал осесимметричному объекту.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
Настоящее изобретение относится к устройству и способу осаждения покрытия с помощью плазменной струи при атмосферном давлении. Настоящее изобретение, кроме того, относится к комплекту. Настоящее изобретение кратко изложено в соответствующем разделе выше. Далее следует подробное описание настоящего изобретения, раскрываются предпочтительные варианты осуществления и изобретение поясняется на примерах.
Если не указано иное, все термины, используемые при раскрытии настоящего изобретения, включая технические и научные термины, обладают значением, обычно понимаемым специалистом в области техники, к которой принадлежит настоящее изобретение. В качестве дополнительных указаний включены определения терминов для лучшего пояснения сути настоящего изобретения.
В контексте настоящего документа следующие термины обладают следующими значениями.
Формы единственного числа в контексте настоящего описания относятся как к единственному, так и к множественному числу, если из контекста явно не следует иное. Например, «отсек» относится к одному отсеку или более чем одному отсеку.
«Приблизительно» в контексте настоящего документа, относящееся к измеряемому значению, такому как параметр, количество, временная продолжительность и т.п., означает, что оно охватывает вариации +/- 20% или меньше, предпочтительно +/- 10% или меньше, более предпочтительно +/- 5% или меньше, еще более предпочтительно +/- 1% или меньше, и еще более предпочтительно +/- 0,1% или меньше от указанного значения, поскольку такие вариации подходят для реализации в раскрытом изобретении. Однако следует понимать, что значение, к которому относится модификатор «приблизительно», также конкретно раскрывается.
«Содержать», «содержащий», «содержит» и «состоит из» в контексте настоящего документа являются синонимами «включать», «включающий», «включает» или «состоять», «состоящий», «состоит» и представляют собой включающие или открытые термины, которые определяют наличие следующего, например компонент, и не исключают и не препятствуют наличию дополнительных, не перечисленных компонентов, признаков, элементов, деталей, стадий, известных в данной области техники или раскрытых в них.
Указание числовых диапазонов по конечным значениям включает все числа и дроби, входящие в этот диапазон, а также перечисленные конечные значения.
Согласно первому аспекту в настоящем изобретении предлагается способ осаждения покрытия с помощью плазменной струи при атмосферном давлении, предусматривающий несколько стадий. Предлагается генератор плазменной струи, содержащий выпускное отверстие для струи. Насадка изготавливается с краем, соответствующим профилю обрабатываемого объекта. Насадка содержит впускное отверстие для струи, выпускное отверстие сопла и боковую стенку, проходящую от впускного отверстия для струи к выпускному отверстию сопла. Насадка может быть прикреплена с возможностью отсоединения к генератору плазменной струи, вследствие чего впускное отверстие для струи и выпускное отверстие для струи сообщаются друг с другом. Плазменная струя может быть подана в насадку с помощью генератора плазменной струи. Предшественники покрытия могут быть введены в плазменную струю в насадке. Таким образом в насадке может быть создано избыточное давление относительно окружающей среды. Поверхность подложки может быть перемещена относительно выпускного отверстия сопла, и покрытие, таким образом, может быть осаждено на поверхность.
Согласно второму аспекту в настоящем изобретении предлагается комплект. Комплект может быть предназначен для генератора плазменной струи при атмосферном давлении, содержащего выпускного отверстие для струи. Комплект сопла может содержать переходник и множество сменных насадок. Каждая насадка содержит впускное отверстие для струи, выпускное отверстие сопла и боковую стенку, проходящую от впускного отверстия для струи к выпускному отверстию сопла. Переходник может быть предназначен для прикрепления с возможностью отсоединения одной из указанных насадок к генератору плазменной струи и, таким образом, обеспечения сообщения выпускного отверстия для струи и впускного отверстия для струи.
Согласно третьему аспекту в настоящем изобретении предлагается устройство для осаждения покрытия с помощью плазменной струи при атмосферном давлении. Устройство содержит генератор плазменной струи, содержащий выпускное отверстие для струи. Устройство дополнительно содержит переходник и сменную насадку. Насадка содержит впускное отверстие для струи, выпускное отверстие сопла и боковую стенку, проходящую от впускного отверстия для струи к выпускному отверстию сопла. Переходник предназначен для прикрепления с возможностью отсоединения насадки к генератору плазменной струи и, таким образом, обеспечения сообщения выпускного отверстия для струи и впускного отверстия для струи.
Комплект сопла согласно второму аспекту может быть использоваться для устройства согласно третьему аспекту и/или в способе согласно первому аспекту. Способ согласно первому аспекту может осуществляться посредством устройства согласно третьему аспекту. Специалисту в данной области техники будет очевидно, что три аспекта настоящего изобретения связаны друг с другом. Таким образом, каждый признак, раскрытый в настоящем документе выше или ниже, может относится к каждому из аспектов настоящего изобретения, даже если он раскрыт в сочетании с конкретным аспектом.
приблизительно
примерно
не
В контексте настоящего документа термин «атмосферное давление» обозначает, что давление или соответствует давлению окружающей среды. Этот термин отличает настоящую плазменную технологию от плазменных технологий низкого и высокого давления, которые требуют, чтобы реакционный сосуд поддерживал значительный перепад давления с окружающей средой. Таким образом, специалисту в области плазменной технологии будет очевидно, что «атмосферное давление» в контексте настоящего документа  следует интерпретировать как единицу давления «атм», равную 101325 Па.
В контексте настоящего документа выражение «сообщаются друг с другом» относится к массовому потоку, т.е. потоку текучей среды, газа и/или плазмы. Сообщающиеся выпускное отверстие для струи генератора плазменной струи и впускное отверстие для струи насадки, таким образом, предназначены для того, чтобы плазменная струя, выходящая из указанного выпускного отверстия для струи, входила в насадку через впускное отверстие для струи.
В контексте настоящего документа выражение «плазменная струя» относится к плазменной струе и/или послесвечению плазменной струи. Например, предшественники покрытия, вводимые в «плазменную струю», внутри насадки могут относиться к предшественникам покрытия, вводимым в плазменную струю и/или послесвечение плазменной струи внутри насадки.
Способ согласно настоящему изобретению предусматривает следующие стадии:
a. изготовление сменной насадки (2), содержащей впускное отверстие (22) для струи, выпускное отверстие (24) сопла и боковую стенку (21), проходящую от впускного отверстия для струи к выпускному отверстию сопла, причем выпускное отверстие сопла содержит край (25), по существу соответствующий по меньшей мере части профиля объекта;
b. прикрепление с возможностью отсоединения сменной насадки к выпускному отверстию для струи генератора плазменной струи;
c. помещение объекта возле выпускного отверстия сопла таким образом, чтобы профиль объекта плотно прилегал к краю выпускного отверстия сопла, чтобы свести к минимуму зазор между выпускным отверстием сопла и объектом;
d. плазменное нанесение покрытия на объект с помощью низкотемпературной не содержащей кислорода плазмы при рабочем давлении, которое выше атмосферного давления, предпочтительно не более чем на 10%, за счет подачи плазменной струи в насадку посредством генератора плазменной струи и ввода предшественников покрытия в плазменную струю в насадке, вследствие чего создается указанное рабочее давление,
тем самым обеспечивая плазменное нанесение покрытия на объект в обедненной кислородом зоне плазмы.
На стадии a изготавливают сменную насадку так, чтобы она содержала край, соответствующий по меньшей мере части профиля объекта. Следовательно, если необходимо нанести покрытие на объекты разных типов, можно изготавливать разные насадки, каждая из которых содержит край, соответствующий объекту конкретного типа. Способ, таким образом, также может применяться для плазменного нанесения покрытия на несколько типов объектов, причем каждый тип объекта содержит отличающийся профиль объекта, при этом стадию a выполняют для каждого типа объекта, вследствие чего изготавливают множество сменных насадок, каждая насадка содержит выпускное отверстие сопла с краем выпускного отверстия сопла, по существу соответствующим по меньшей мере части профиля соответствующего объекта. Согласно предпочтительному варианту осуществления насадку изготавливают с использованием метода 3D-печати, который позволяет изготавливать края очень сложной формы достаточно быстро и надежно.
Способ, в частности, относится к низкотемпературной плазме. В данном случае предпочтительно температура плазмы составляет ниже 120°C, более предпочтительно ниже 70°C.
Комплект согласно настоящему изобретению содержит множество сменных насадок (2), каждая насадка содержит впускное отверстие (22) для струи, выпускное отверстие (24) сопла и боковую стенку (21), проходящую от впускного отверстия для струи к выпускному отверстию сопла, выпускное отверстие сопла каждой насадки содержит край выпускного отверстия сопла, по существу соответствующий по меньшей мере части профиля объекта, предпочтительно каждая насадка содержит выпускное отверстие сопла с краем выпускного отверстия сопла, по существу соответствующим части профиля объекта или по меньшей мере части соответствующих профилей множества типов объектов.
Для обеспечения простого отсоединения первой насадки и простого отсоединения второй насадки, предпочтительно насадка прикреплена с возможностью отсоединения к выпускному отверстию для струи посредством переходника (3), предназначенного для прикрепления с возможностью отсоединения насадки к генератору плазменной струи и, таким образом, обеспечения сообщения выпускного отверстия для струи генератора плазменной струи и впускного отверстия для струи насадки.
Во время стадии d объект может быть перемещен относительно выпускного отверстия сопла и края, например, для нанесения покрытия в поточном режиме. В данном случае указанный край предпочтительно поддерживают на расстоянии по меньшей мере 0,1 мм и не более 5 мм, предпочтительно по меньшей мере 0,2 мм и не более 2 мм, более предпочтительно по меньшей мере 0,5 мм и не более 1 мм от указанной поверхности указанной подложки.
Согласно предпочтительному варианту осуществления профиль объекта по существу одинаковый в продольном направлении, и указанное относительно перемещение предусматривает относительное поступательное перемещение в указанном продольном направлении. Это особенно характерно для пластинчатых или листовых объектов, которые могут быть неплоскими, т.е. обладать неровным поперечным сечением, перпендикулярным продольному направлению.
Согласно предпочтительному варианту осуществления край представляет собой первый край, который по окружности соответствует профилю объекта, при этом указанная насадка содержит второй край, который представляет собой край для впуска объекта, по окружности соответствующий профилю объекта, вследствие чего указанное относительное перемещение предусматривает перемещение объекта в продольном направлении от края для впуска объекта к первому краю через камеру обработки в указанной насадке. Это особенно целесообразно, если объект представляет собой волокно с профилем, характеризующимся по существу круглым поперечным сечением, которое одинаково в продольном направлении, при этом предпочтительно используют способ согласно пункту 9 формулы, первый край и второй край содержат круглое отверстие с диаметром, соответствующим поперечному сечению волокна, за счет чего волокно может проходить через отверстия указанных первого и второго краев. Это также особенно целесообразно, если объект представляет собой порошок, который выдувают в продольном направлении с образованием потока порошка с профилем, характеризующимся по существу круглым поперечным сечением с диаметром, который одинаков в продольном направлении или варьирует в продольном направлении, при этом предпочтительно используют способ согласно пункту 9 формулы, первый край и второй край содержат соответствующее круглое отверстие с диаметром, соответствующим поперечному сечению потока порошка в положении первого края и второго края соответственно, за счет чего порошок может проходить через отверстия указанных первого и второго краев.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления профиль объекта по существу осесимметричен относительно центральной оси, и указанное относительное перемещение предусматривает относительный поворот вокруг указанной центральной оси. В данном случае поверхность объекта может быть обработана быстро и надежно за счет поворота объекта или насадки, или и того, и другого, вокруг центральной оси, например, на 360° или целое число раз на 360° для нанесения покрытия за несколько проходов.
Комплект предпочтительно также содержит генератор плазменной струи, к которому может быть прикреплена каждая из множества насадок. Комплект может содержать один генератор плазменной струи или более одного генератора плазменной струи, например 2, 3, 4 или более.
Устройство согласно настоящему изобретению содержит:
- генератор (1) плазменной струи, содержащий выпускное отверстие (12) для струи; и
- сопло, содержащее переходник (3) и сменную насадку (2), насадка содержит впускное отверстие (22) для струи, выпускное отверстие (24) сопла и боковую стенку (21), проходящую от впускного отверстия для струи к выпускному отверстию сопла,
переходник предназначен для прикрепления с возможностью отсоединения насадки к генератору плазменной струи и, таким образом, обеспечения сообщения выпускного отверстия для струи и впускного отверстия для струи.
Выпускное отверстие сопла насадки может быть расположено в непосредственной близости от поверхности обрабатываемой подложки, причем за счет избыточного давления в насадке может быть предотвращен значительный приток окружающего воздуха. Во время осаждения покрытия насадка может получить повреждения и/или загрязниться, например, из-за повреждения плазменной струей внутренней стенки насадки и/или осаждения покрытия на внутреннюю стенку насадки. Кроме того, когда используются подложки разного размера и/или формы, одно сопло может не дать удовлетворительных результатов для каждой подложки. Согласно настоящему изобретению можно менять насадку в зависимости от применения. Для осаждения покрытия в поточном режиме на большие плоские поверхности, могут использоваться насадка с большим плоским выпускным отверстием сопла и высокая скорость предшественников. Для осаждения покрытия в поточном режиме на неплоские поверхности, может использоваться насадка со специально сконструированным неплоским выпускным отверстием сопла. Для обработки конечного образца неправильной формы образец может оставаться неподвижным, а генератор плазменной струи может перемещаться, в результате чего выпускное отверстие сопла может обладать размером, достаточно малым, чтобы можно было точно следовать за поверхностью образца неправильной формы. Когда предшественник первого покрытия, используемый при нанесении первого покрытия на первую подложку, нежелателен при осаждении второго покрытия на вторую подложку, сопло может быть заменено, чтобы избежать загрязнения предшественником первого покрытия во время осаждения второго покрытия.
Согласно предпочтительному варианту осуществления насадка содержит фланец на впускном отверстии для струи, прикрепленный к боковой стенке. Переходник может содержать удерживающую стенку, содержащую отверстие, размер и форма которого подходят для удерживания фланца. Переходник и генератор плазменной струи могут содержать комплементарные крепежные средства, предназначенные для прикрепления переходника к генератору плазменной струи. Переходник может быть выполнен с возможностью прижатия посредством удерживающей стенки фланца насадки к генератору плазменной струи в определенном положении, вследствие чего обеспечивается сообщение выпускного отверстия для струи и впускного отверстия для струи. Предпочтительно фланец содержит плоскую поверхность, которая окружает впускное отверстие для струи. Предпочтительно фланец приспособлен для прижатия переходником к генератору плазменной струи таким образом, чтобы избежать значительного притока окружающего воздуха в насадку через впускное отверстие для струи. Фланец служит двум целям: он предотвращает значительный приток окружающего воздуха в насадку через впускное отверстие для струи и способствует прикреплению насадки к генератору струи посредством переходника. Насадка характеризуется продольным направлением, вдоль которого впускное отверстие для струи и выпускное отверстие сопла отстоят друг от друга. Предпочтительно фланец по существу перпендикулярен указанному продольному направлению. Предпочтительно указанная плоская поверхность указанного фланца по существу перпендикулярна указанному продольному направлению.
Предпочтительно насадка выполнена как единое целое. Насадка может быть изготовлена посредством литья под давлением. Насадка может быть изготовлена посредством 3D-печати. Предпочтительно насадка содержит изолирующий материал, более предпочтительно пластмассу. Выпускное отверстие сопла насадки содержит край. Выпускное отверстие сопла насадки может содержать плоский край, т.е. выпускное отверстие сопла является плоским. Выпускное отверстие сопла насадки может содержать неплоский край, т.е. выпускное отверстие сопла является плоским. Это позволяет наносить покрытие в поточном режиме на неплоские поверхности, причем между каждым участком края и поверхности поддерживается небольшое пространство.
Предшественники покрытия могут быть введены в плазменную струю в насадке. Выпускное отверстие для струи генератора плазменной струи может содержать несколько выпускных отсеков. Генератор плазменной струи может быть выполнен с возможностью подачи плазменной струи из первого отсека и предшественников покрытия из второго отсека. Выпускное отверстие для струи может содержать две концентрические цилиндрические стенки, определяющие внутренний отсек для подачи предшественников покрытия и наружный отсек для подачи плазменной струи. Выпускное отверстие для струи может представлять собой прямоугольное выпускное отверстие, разделенное на три отсека посредством двух внутренних стенок, определяющих промежуточный отсек для подачи предшественников покрытия и два наружных отсека для подачи плазменной струи.
Согласно предпочтительному варианту осуществления боковая стенка насадки содержит по меньшей мере один впускной патрубок для предшественников, предпочтительно по меньшей мере два впускных патрубка для предшественников, например два, три, четыре или более впускных отверстий для предшественников. Впускной патрубок для предшественников может содержать трубчатое полое тело, содержащее первый наружный конец, сообщающийся с внутренним пространством насадки, и второй наружный конец, сообщающийся с источником предшественников. Трубчатое тело может быть цилиндрическим. Трубчатое тело может содержать один или несколько сгибов. Предшественники покрытия могут быть введены посредством указанного по меньшей мере одного впускного патрубка для предшественников в плазменную струю в насадке.
Согласно предпочтительному варианту осуществления выпускное отверстие для струи генератора плазменной струи содержит проем и впускное отверстие для струи насадки содержит проем, причем проем впускного отверстия для струи больше проема выпускного отверстия для струи. Это является преимущественным, так как увеличение приводит к снижению скорости и повышению давления, тем самым способствуя созданию избыточного давления внутри насадки по отношению к окружающей среде. Это является дополнительным преимуществом, поскольку резкое увеличение может вызвать турбулентный поток и/или рециркуляцию и, следовательно, смешивание компонентов, присутствующих в соответствующей части насадки. Предпочтительно насадка характеризуется длиной между впускным отверстием для струи и выпускным отверстием сопла, указанный по меньшей мере один впускной патрубок для предшественников сообщается с внутренним пространством насадки в пределах расстояния от впускного отверстия для струи, равного не более 50% указанной длины, предпочтительно не более 40% указанной длины, более предпочтительно не более 30% указанной длины. Это является преимущественным, поскольку приток предшественников происходит в области, где также происходит рециркуляция. Это является дополнительным преимуществом, поскольку приток предшественников происходит в направлении, по существу не параллельном, предпочтительно по существу перпендикулярном потоку плазменной струи на впускном отверстии для струи, предпочтительно по существу параллельно продольному направлению, тем самым дополнительно увеличивая турбулентный поток.
Согласно предпочтительному варианту осуществления боковая стенка насадки содержит сужающуюся часть. Сужающаяся часть может увеличивать поперечное сечение насадки от впускного отверстия для струи к выпускному отверстию для струи, например, для осаждения покрытия на большой, по существу плоской поверхности. Сужающаяся часть может сужать поперечное сечение насадки от впускного отверстия для струи к выпускному отверстию для струи, например, чтобы сосредоточить осаждение покрытия на узком участке, тем самым необязательно образуя небольшое выпускное отверстие сопла, которое точно следует поверхности неправильной формы за счет перемещения выпускного отверстия сопла. Предпочтительно сужающаяся часть под выпускное отверстие сопла с меньшим проемом, чем впускное отверстие для струи. Предпочтительно сужающаяся часть проходит по меньшей мере по 20% длины насадки.
Согласно предпочтительному варианту осуществления сопло содержит средство обеспечения однородности. Предпочтительно насадка содержит указанное средство обеспечения однородности, предпочтительно внутри. Средство обеспечения однородности может содержать элементы возмущения потока. Элементы возмущения потока могут содержать множество наклонных поверхностей. Элементы возмущения потока могут содержать множество слоев, каждый из которых содержит несколько наклонных поверхностей. Элемент возмущения потока может содержать поверхность, характеризующуюся углом наклона по меньшей мере 20° и не более 70° относительно продольного направления насадки.
Согласно предпочтительному варианту осуществления сопло приспособлено для охлаждения. Предпочтительно боковая стенка насадки содержит канал для прохождения охлаждающей текучей среды. Канал предпочтительно расположен на расстоянии от выпускного отверстия сопла, составляющем не более 60%, более предпочтительно не более 50%, еще более предпочтительно не более 45% длины насадки.
Согласно предпочтительному варианту осуществления устройство может содержать средство транспортировки для обработки в поточном режиме плоской или неплоской поверхности непрерывной подложки, при этом устройство выполнено с возможностью поддержания каждой части края выпускного отверстия сопла на расстоянии по меньшей мере 0,1 мм и не более 5 мм, предпочтительно по меньшей мере 0,2 мм и не более 2 мм, более предпочтительно по меньшей мере 0,5 мм и не более 1 мм от указанной поверхности указанной подложки. Способ может предусматривать стадию относительного перемещения поверхности подложки и выпускного отверстия сопла, причем каждую часть указанного края поддерживают на расстоянии по меньшей мере 0,1 мм и не более 5 мм, предпочтительно по меньшей мере 0,2 мм и не более 2 мм, более предпочтительно по меньшей мере 0,5 мм и не более 1 мм от указанной поверхности указанной подложки, с осаждением покрытия на указанную поверхность. Зазор заданной величины между краем выпускного отверстия сопла и поверхностью подложки особенно хорошо подходит для предотвращения притока окружающего воздуха из-за небольшого избыточного давления в насадке, в то же время обеспечивая достаточный выход газов из насадки.
Согласно предпочтительному варианту осуществления генератор плазменной струи выполнен с возможностью генерирования плазменной струи посредством диэлектрического барьерного разряда или коронного разряда. Предпочтительно генератор плазменной струи содержит источник питания переменного тока (AC).
Настоящее изобретение далее описывается в следующих неограничивающих примерах, которые дополнительно иллюстрируют настоящее изобретение и не предназначены для ограничения объема изобретения и не должны интерпретироваться как ограничивающие его объем.
Примеры
Пример 1: первое устройство
По меньшей мере часть первого варианта осуществления устройства согласно настоящему изобретению показана на фиг. 1a. Устройство содержит генератор (1) плазменной струи при атмосферном давлении и сопло, содержащее переходник (3) и насадку (2).
Генератор (1) плазменной струи содержит основную часть (11), содержащую цилиндрический наружный конец. Цилиндрический наружный конец содержит боковую стенку (14) и торцевую стенку (13), по существу перпендикулярную боковой стенке, в которой предусмотрено выпускное отверстие (12) для струи. Цилиндрический наружный конец характеризуется диаметром (d5). Выпускное отверстие (12) для струи характеризуется диаметром (d1). Генератор (1) плазменной струи содержит две цилиндрические стенки, определяющие два отсека в выпускном отверстии (12) для струи: внутренний отсек для подачи предшественников покрытия и наружный отсек для подачи плазменной струи и/или послесвечения. Генератор плазменной струи для примера может быть выполнен согласно пунктам 1-8 формулы изобретения EP 1 844 635 B1 и соответствующим разделам описания.
Насадка (2) содержит впускное отверстие (22) для струи, выпускное отверстие (24) сопла и боковую стенку (21a, 21b), проходящую от впускного отверстия (22) для струи к выпускному отверстию (24) сопла. Насадка характеризуется продольным направлением, вдоль которого впускное отверстие (22) для струи и выпускное отверстие (24) сопла отстоят друг от друга. Насадка (2) содержит фланец (26) на впускном отверстии для струи, который прикреплен на краю (23) впускного отверстия (22) для струи к боковой стенке (21a) и который окружает впускное отверстие (22) для струи. Впускное отверстие для струи характеризуется диаметром (d2). Выпускное отверстие сопла характеризуется диаметром (d6). Насадка содержит сужающуюся часть (21a), расположенную в пределах расстояния от впускного отверстия для струи, равного не более 50% длины насадки в продольном направлении. Сужающаяся часть (21a) сужает насадку от впускного отверстия для струи к выпускному отверстию сопла, вследствие чего диаметр (d6) выпускного отверстия сопла меньше диаметра (d2) впускного отверстия для струи. Диаметр (d2) впускного отверстия для струи больше диаметра (d3) выпускного отверстия для струи, что обеспечивает положительные эффекты, описанные в подробном описании. Выпускное отверстие сопла содержит плоский край (25), т.е. край выпускного отверстия сопла лежит по существу в плоскости. Предпочтительно плоскость по существу перпендикулярна продольному направлению.
Переходник (3) содержит удерживающую стенку (31), содержащую круглое отверстие (32), характеризующееся диаметром (d3), по существу равным или немного превышающим сумму диаметра (d2) впускного отверстия для струи и двойной толщины боковой стенки (21a). Отверстие (32) характеризуется размером и формой, предназначенными для удерживания фланца (26) насадки (2), и, в частности, для прижатия фланца (26) к торцевой стенке (13) генератора (1) плазменной струи. Удерживающая стенка характеризуется диаметром (d4), по существу равным диаметру (d5) наружного конца. Переходник дополнительно содержит две изогнутые части (33) боковой стенки, размещаемые поверх боковой стенки (14) наружного конца генератора плазменной струи, и два плеча (34), содержащих крепежные средства (35) для прикрепления переходника к генератору плазменной струи и, таким образом, прижатия фланца (26) к торцевой стенке (13) с поддержанием сообщения между выпускным отверстием (12) для струи и впускным отверстием (22) для струи. Крепежные средства могут содержать вырезы для прикрепления механизма упругого натяжения.
Пример 2: устройство
По меньшей мере часть второго варианта осуществления устройства согласно настоящему изобретению показана на фиг. 1b. Устройство содержит генератор (1') плазменной струи при атмосферном давлении и сопло, содержащее переходник (3') и насадку (2').
Генератор (1') плазменной струи содержит основную часть (11'), содержащую кубовидный наружный конец. Кубовидный наружный конец содержит боковую стенку (14') и торцевую стенку (13'), по существу перпендикулярную боковой стенке, в которой предусмотрено выпускное отверстие (12') для струи. Кубовидный наружный конец характеризуется высотой (h5) и шириной (l5). Выпускное отверстие (12') для струи характеризуется высотой (h1) и шириной (l1). Генератор (1') плазменной струи содержит две внутренние стенки, определяющие три отсека в выпускном отверстии (12') для струи: внутренний отсек для подачи предшественников покрытия и два наружных отсека для подачи плазменной струи и/или послесвечения. Генератор плазменной струи для примера может быть выполнен согласно пунктам 9-15 формулы изобретения EP 1 844 635 B1 и соответствующим разделам описания.
Насадка (2') содержит впускное отверстие (22') для струи, выпускное отверстие (24') сопла и боковую стенку (21'), проходящую от впускного отверстия (22') для струи к выпускному отверстию (24') сопла. Насадка характеризуется продольным направлением, вдоль которого впускное отверстие (22') для струи и выпускное отверстие (24') сопла отстоят друг от друга. Боковая стенка характеризуется постоянным прямоугольным поперечным сечением, по существу перпендикулярным продольному направлению. Насадка (2') содержит фланец (26') на впускном отверстии для струи, который прикреплен на краю (23') впускного отверстия (22') для струи к боковой стенке (21') и который окружает впускное отверстие (22') для струи. Впускное отверстие для струи и выпускное отверстие сопла характеризуются высотой (h2) и шириной (l2). Выпускное отверстие (24') сопла содержит плоский край (25'), т.е. край выпускного отверстия сопла лежит по существу в плоскости. Предпочтительно плоскость по существу перпендикулярна продольному направлению.
Переходник (3') содержит удерживающую стенку (31'), содержащую прямоугольное отверстие (32'), характеризующееся высотой (h3) и шириной (l3), по существу равными или немного превышающими соответственно сумму высоты (h2) и ширины (l2) впускного отверстия для струи и двойной толщины боковой стенки (21'). Отверстие (32') характеризуется размером и формой, предназначенными для удерживания фланца (26') насадки (2'), и, в частности, для прижатия фланца (26') к торцевой стенке (13') генератора (1') плазменной струи. Удерживающая стенка характеризуется высотой (h4) и шириной (l4), по существу равными соответственно высоте (h5) и ширине (l5) наружного конца. Переходник дополнительно содержит две части (33') боковой стенки, размещаемые поверх боковой стенки (14') наружного конца генератора плазменной струи, и два плеча (34'), содержащих крепежные средства (35') для прикрепления переходника к генератору плазменной струи и, таким образом, прижатия фланца (26') к торцевой стенке (13') с поддержанием сообщения между выпускным отверстием (12') для струи и впускным отверстием (22') для струи. Крепежные средства могут содержать вырезы для прикрепления механизма упругого натяжения.
Пример 3: формы насадки
В этом примере ссылка приводится на фиг. 2a, 2b, 2c и 2d. Конкретные признаки, раскрытые в этом примере, могут относиться к насадкам согласно примерам 1 и 2 выше.
Насадка содержит впускное отверстие (22'', 22''') для струи и выпускное отверстие (24'', 24''') сопла. Кроме того, насадка характеризуется продольным направлением вдоль которого впускное отверстие для струи и выпускное отверстие сопла отстоят друг от друга. Насадка также содержит боковую стенку (21a'', 21b'', 21'''), проходящую от впускного отверстия для струи к выпускному отверстию сопла. Насадка характеризуется длиной вдоль продольного направления, т.е. расстоянием, на которое впускное отверстие для струи и выпускное отверстие сопла отстоят друг от друга. Впускное отверстие для струи содержит по существу плоский край (23''), по существу перпендикулярный продольному направлению. Кроме того, насадка содержит фланец (26'', 26''') на впускном отверстии для струи, прикрепленный к боковой стенке и окружающий впускное отверстие для струи. Боковая стенка насадки может характеризоваться постоянным поперечным сечением, перпендикулярным продольному направлению (фиг. 2c и 2d). Боковая стенка насадки альтернативно может содержать сужающуюся часть (21a'') и часть (21b'') с постоянным поперечным сечением, перпендикулярным продольному направлению. Боковая стенка насадки может характеризоваться поперечным сечением, перпендикулярным продольному направлению, которое является круглым (фиг. 2a и 2b), овальным, прямоугольным (фиг. 2c и 2d), квадратным, треугольным, пятиугольным, шестиугольным, ромбовидным, восьмиугольным, звездообразным, крестообразным и т.п. Предпочтительно боковая стенка насадки характеризуется поперечным сечением, перпендикулярным продольному направлению и обладающим формой, приспособленной к форме выпускного отверстия для струи, а также одним или несколькими размерами, которые больше соответствующих размеров выпускного отверстия для струи. Наиболее предпочтительно указанная форма является круглой или прямоугольной. Насадка также содержит край (25'', 25''') выпускного отверстия сопла на выпускном отверстии (24'', 24''') сопла. Край выпускного отверстия сопла может быть плоским (фиг. 2a и 2b). Край выпускного отверстия сопла может лежать в плоскости, перпендикулярной продольному направлению. Край выпускного отверстия сопла также может быть неплоским (фиг. 2c и 2d). Край выпускного отверстия сопла может содержать две части, находящиеся на разном расстоянии от фланца. Край выпускного отверстия сопла может содержать части, характеризующиеся изгибом в продольном направлении.
Пример 4: дополнительные компоненты насадки
Как показано на фиг. 3, насадка может содержать по меньшей мере один, предпочтительно по меньшей мере два впускных патрубка (27) для предшественников. Впускной патрубок для предшественников предпочтительно сообщается с насадкой посредством боковой стенки, более предпочтительно находится в пределах расстояния от впускного отверстия для струи, составляющего не более 50% длины насадки. Впускной патрубок для предшественников может быть присоединен посредством сужающейся части (21a) боковой стенки (фиг. 3) или альтернативно посредством прямой части боковой стенки, т.е. части, параллельной продольному направлению.
Как показано на фиг. 3 и 4, для выступающих впускных патрубков (27, 27'''') для предшественников и/или насадок, содержащих сужающуюся часть (21''''), расширяющую насадку от впускного отверстия (22'''') для струи к выпускному отверстию (24'''') сопла, переходник может содержать шарнир (36'') и фиксирующий механизм (37''), предназначенные для охвата фланца (26'') насадки с целью прижатия фланца (26'''') к торцевой стенке генератора плазменной струи посредством удерживающей стенки (31'') переходника.
На фиг. 5a, 5b и 6 показаны вид в продольном направлении, вид сбоку, перпендикулярный продольному направлению, и вид сбоку, перпендикулярный продольному направлению, согласно вариантам осуществления насадок в соответствии с настоящим изобретением соответственно. Боковая стенка насадки содержит канал для прохождения охлаждающей текучей среды. Канал содержит впускной патрубок (29a), выпускной патрубок (29c) и спиральную секцию (29b) в боковой стенке, проходящую от впускного патрубка (29a) канала к выпускному патрубку (29c) канала. Канал может быть расположен в пределах расстояния от впускного отверстия для струи, равного не более 50% длины насадки (фиг. 5a и 5b). Альтернативно и предпочтительно канал может быть расположен в пределах расстояния от выпускного отверстия сопла, равного не более 50% длины насадки (фиг. 6). Кроме того, насадка содержит множество слоев из нескольких элементов (28) возмущения потока. Слои отстоят друг от друга в продольном направлении. Каждый элемент может содержать поверхность, расположенную под углом по меньшей мере 20° и не более 70°, предпочтительно по меньшей мере 30° и не более 60° относительно продольного направления, таким образом, он может существенно отклонять направление потока, обеспечивая перемешивание компонентов газов и/или плазмы, и/или послесвечения внутри насадки. Множество слоев могут быть расположены в пределах расстояния от выпускного отверстия сопла, равного не более 50% длины насадки (фиг. 5a и 5b). Альтернативно и предпочтительно множество слоев могут быть расположены в пределах расстояния от впускного отверстия для струи, равного не более 50% длины насадки (фиг. 6). Механизм охлаждения и средство обеспечения однородности, следовательно, могут быть расположены в одной и той же части насадки или в разных частях насадки.
Пример 5: нанесение покрытия на порошок
На фиг. 7
изображен вид в поперечном сечении устройства с насадкой в соответствии с настоящим изобретением, которое особенно предпочтительно для плазменного нанесения покрытия на порошок.
Инертный газ может быть подан во впускной патрубок направляющей системы (40) с заданным расходом. Порошок (41) может быть добавлен, например, с помощью инжектор (42) Вентури. Полученный в результате поток порошка затем направляют к устройству (44) нанесения покрытия с помощью первого генератора (45a) плазменной струи и второго генератора (45b) плазменной струи, в которые подаются инертный газ и аэрозоль, содержащий предшественник, (46a, 46b). Насадка (47) прикреплена с возможностью отсоединения к выпускным отверстиям для струи обоих генераторов (45a, 45b) плазменной струи посредством двух переходников (48a, 48b), за счет чего впускные отверстия (49a, 49b) для струи насадки введены в сообщение с выпускными отверстиями для струи генераторов плазменной струи. Поток порошка проходит в продольном направлении (50) от края для впуска объекта, который по окружности соответствует потоку порошка через плазму, и продолжает проходить, подвергаясь воздействию плазмы на протяжении определенной длины (51), за счет чего обеспечивается нанесение покрытия на отдельные частицы порошка. Поток выходит из насадки через край для выпуска объекта, который по окружности соответствует потоку порошка, а затем собирается в системе (52) сбора, например, циклоне, для удаления порошка (54) с покрытием из инертного газа (53). Порошок с покрытием может быть возвращен во впускной патрубок (40) для дополнительных циклов нанесения покрытия.
Пример 6: нанесение покрытия на волокно
На фиг. 8
изображен вид в поперечном сечении устройства с насадкой в соответствии с настоящим изобретением, которое особенно предпочтительно для плазменного нанесения покрытия на волокно.
Установка аналогична установке из примера 5. Волокно (55) протягивают через устройство (44) для нанесения покрытия посредством первого генератора (45a) плазменной струи и второго генератора (45b) плазменной струи, в которые подаются инертный газ и аэрозоль, содержащий предшественник, (46a, 46b). Насадка (47) прикреплена с возможностью отсоединения к выпускным отверстиям для струи обоих генераторов (45a, 45b) плазменной струи посредством двух переходников (48a, 48b), за счет чего впускные отверстия (49a, 49b) для струи насадки введены в сообщение с выпускными отверстиями для струи генераторов плазменной струи. Волокно проходит в продольном направлении (56) от края (57) для впуска объекта, который по окружности соответствует волокну, через плазму и продолжает проходить, подвергаясь воздействию плазмы на протяжении определенной длины (51). Волокно выходит из насадки через край (58) для выпуска объекта, который по окружности соответствует волокну. Порошок с покрытием может быть возвращен во впускной патрубок (57) для дополнительных циклов нанесения покрытия.
Пример 7: ротационное нанесение покрытия
На фиг. 9
изображен вид в перспективе насадки в соответствии с настоящим изобретением, край которой специально изготовлен так, чтобы он соответствовал осесимметричному объекту.
Насадка (60) изготовлена для обработки осесимметричного объекта (61), характеризующегося радиальным профилем (62). Насадка (60) содержит впускное отверстие (63) для струи и выпускное отверстие сопла, содержащее край (64), который соответствует радиальному профилю (62). Во время воздействия поверхность объекта плазмой, объект поворачивают (65) вокруг его центральной оси (66). Насадка может содержать фланец возле впускного отверстия для струи для простого и удобного прикрепления к выпускному отверстию для струи генератора плазменной струи, например, как в предыдущих примерах или как более явно показано на фиг. 1A-5B. Следует отметить, что на фиг. 9 поверхность объекта может быть немного заведена в край (64), чтобы свести к минимуму зазор между объектом и насадкой.