專利名稱：利用激光在基體上制備金剛石、類金剛石碳以及其它材料的涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基體例如金屬基體的表面處理，該表面處理包括在基體表面制備諸如金剛石和類金剛石碳等材料。發(fā)明背景本發(fā)明涉及在基體上制造例如金剛石、類金剛石的碳(DLC)、立方氮化硼(CBN)、B4C、SiC、TiC、Cr3C2、TiN、TiB2、Si3N4和cCN的涂層。在后面的正文中討論了在碳化鎢切削刀片(基體)上制備金剛石涂層，但本發(fā)明并不局限于此。
通常，眾所周知，涂敷基體，例如在基體上涂敷金剛石或類金剛石碳(DLC)涂層，可改善基體的性能。例如，涂有金剛石(或DLC)的切削刀片一般便于實(shí)現(xiàn)較高的刀具速度、進(jìn)給速率和切削深度，且刀具壽命較長，工件精加工優(yōu)異，并便于實(shí)現(xiàn)工件的干法加工(不需潤滑)。圓形刀具例如鉆頭和端面銑刀在涂有金剛石(或DLC)時具有類似的優(yōu)點(diǎn)。
CVD淀積工藝目前人們用許多種化學(xué)汽相淀積(CVD)淀積工藝來淀積金剛石涂層。一般地，這些工藝包括氫氣和甲烷前驅(qū)氣體的離解和電離，然后使它們在加熱的基體上流過并淀積(例如淀析)。一般地這些工藝涉及用等離子體、微波、熱燈絲、離子束和電子束作為能量源，用0.5％到2.0％甲烷和平衡氫氣的混和氣作為碳源(前驅(qū)氣體)。一般地采用一種或另一種形式的CVD的工藝具有固有的局限性，即它們需要使用真空室(因而使工藝復(fù)雜和限制了要涂敷的基體的尺寸)，而且控制基體的加熱和下一步的冷卻十分重要(因而限制了其對于一定類型基體的有效性)。需加熱基體才能施加涂層在許多方面是阻礙生產(chǎn)的。對整個基體的這種加熱(基體整體加熱)可導(dǎo)致基體變形和損失基體內(nèi)原先存在的任何回火度(熱處理)。例如，在熱燈絲CVD法中，用鎢或鉭燈絲加熱前驅(qū)氣體到大約2000℃，而基體溫度為600～1100℃。CVD工藝的另一個缺點(diǎn)是涂敷周期一般在小時的數(shù)量級，并只能涂敷有限的數(shù)目。一般地，淀積速率很低，在每小時1-10μm的數(shù)量級(使用氫氣和甲烷前驅(qū)氣體)。其它淀積工藝同CVD一樣有類似的局限性。
在DC等離子體CVD中，用DC(直流)電弧來離解前驅(qū)氣體，并能比其它原有技術(shù)工藝提供更多的氣體體積和速度。
微波(或微波-等離子體增強(qiáng))CVD利用微波激活前驅(qū)氣體，其淀積速率為每小時幾微米。用這種方法淀積的涂層往往純度很高。
另一種與CVD緊密相關(guān)的涂層工藝是物理汽相淀積(PVD)。在PVD中，與CVD把氣體引進(jìn)到真空室相反，是把真空室內(nèi)的一個靶蒸發(fā)。
在CVD和PVD(例如淀積型)工藝中·需要顯著升高基體的溫度(注意在PVD制備DLC型涂層中高溫是不必需的)。
·冷卻時間很長(2-5小時)，在這期間剩余前驅(qū)體(氣體或蒸發(fā)的靶材)像雪片一樣淀積到被涂敷的表面上。這導(dǎo)致與涂敷前的表面相比，涂層表面很粗糙，一般需后處理以得到較平滑的表面。
·在淀積金剛石(或DLC)涂層時，一般地形成一種具有高氫濃度的不定形涂層，含有或者sp2鍵合的碳或者sp2鍵合的碳和sp3鍵合的碳。
·CVD和PVD兩種工藝都用來在一個基體的表面上淀積材料，并依賴分子鍵合，一般地依賴一些機(jī)械鍵合。
·PVD涂層往往是多孔的，CVD涂層往往比PVD涂層的孔多少少些。
·CVD和PVD兩種工藝一般都限用于涂敷扁平表面或簡單的(不復(fù)雜的幾何形狀)圓表面。
·可被涂敷的基體的尺寸受工藝在其中進(jìn)行的真空室的尺寸的限制，基體尺寸一般直徑小于8英寸。
·因而由于這些工藝往往主要取決于淀析型(即，一般地定向淀積)機(jī)理，基體的“另一”面會呈現(xiàn)遮蔽或不均勻淀積。
·CVD工藝可能也需基體預(yù)處理(在涂敷前)，包括表面化學(xué)改性，引晶和類似方法。
這里引入作為參考的標(biāo)題為“用來在碳涂層基體上制備光滑表面金剛石膜的預(yù)處理工藝”的專利USP 5308601(“FENG”；5/94；427/535)。說明的是CVD工藝，它揭示了在基體表面施加含碳涂層，上述含碳涂層具有足夠的濃度和厚度以便在基體表面最終的涂敷中提供至少10原子/μm2的碳原子的均勻密度或濃度。然后把該碳涂敷基體置于微波-等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(MECVD)系統(tǒng)中真空室內(nèi)的微波等離子體下。把甲烷和氫氣輸進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)。在這些預(yù)處理步驟后，利用常規(guī)工藝，例如在更多壓力(與預(yù)處理相比)和低甲烷流量(甲烷與氫汽相比的比值為0.15％-4.0％甲烷，優(yōu)選地為0.5％-1.0％的甲烷)的MECVD工藝，在涂層基體上生長出金剛石層。FENG法與本發(fā)明不同，特別在于本發(fā)明的表面處理技術(shù)不需用含碳涂層對基體的第一次涂敷，不需要CVD工藝，并有利地用激光能在基體上制備涂層。然而，F(xiàn)ENG的確表明對基體施加金剛石涂層的“常規(guī)”(即公認(rèn)的)方法是利用CVD工藝。
鈷害當(dāng)在碳化鎢基體上制備金剛石(或DLC)涂層時，一般的涂敷工藝，尤其是CVD(及其相關(guān))工藝很明顯會出現(xiàn)問題。碳化物(碳化鎢晶粒位于鈷粘結(jié)料內(nèi))一直是用于切削刀具和刀片的常規(guī)選擇材料，它尤其用于切削(加工)鐵、非鐵或磨損材料例如鋁及其合金、銅、黃銅、青銅、塑料、陶瓷、鈦、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和石墨。用于刀具和刀片的不同形式的碳化物是眾所熟知的，例如鈷強(qiáng)化碳化鎢(WC/Co)。在試圖對刀片涂敷金剛石涂層時，基體內(nèi)存在的鈷往往成為問題。碳化物刀具內(nèi)發(fā)現(xiàn)的鈷粘結(jié)相基本上抑制了金剛石的成核和生長過程，導(dǎo)致生成石墨碳而不是金剛石(或DLC)。
激光輔助涂敷工藝最近，在基體上制備金剛石涂層或薄膜時開始使用激光供給的能源，下面討論了許多使用激光能的技術(shù)作為這種技術(shù)的范例，并把它們收集在這里作為參考以提供背景信息。引用格式為“USP”(表示美國專利號)，接下來為(“第一發(fā)明人”；發(fā)布日期；類/子類)，所有這些都有下劃線。
USP5,154,945(“BALDWIN”10/92427/596)揭示了在基體上淀積金剛石薄膜的兩種技術(shù)。在一個實(shí)施例(“BALDWIN-I”)中，CH4(甲烷)和H2(氫氣)的氣體混合物輸進(jìn)CVD室并在要涂敷的基體表面流過，當(dāng)激光照到表面上時膜的淀積從該氣體混合物得到。這種實(shí)施例一般具有所有常規(guī)CVD工藝的內(nèi)在局限性。在另一個實(shí)施例(“BALDWIN-II”)中，純碳以碳黑的方式被輸送到要涂敷的表面上，激光束在一種能防止碳燃燒成為CO2的氣氛中照到表面上。在BALDWIN-II中，CO2氣體激光束以垂直入射的方式照到要涂敷的表面上?；w與激光束之間的移動導(dǎo)致用最小的能量輸入在很小的基體表面面積上瞬時加熱，形成表面上的金剛石淀積物并幾乎對襯底沒有破壞。
在標(biāo)題為“金剛石及類金剛石薄膜的制備”的專利USP527378B(“YU”；12/93；427/554)中也提出這種在施加激光能時不影響基體的“常規(guī)知識”，它揭示了用Langmuir-Blodgett技術(shù)在基體上施加一層碳?xì)浠衔锓肿樱⒂眉す庹丈浔砻嬉员悴挥绊懟w就能把表面上的分子層分解。
標(biāo)題為“類金剛石涂層及制備方法”的專利USP4981717(“THALER”；1/1/91；427/53.1)揭示了一種從碳?xì)浠衔锲嗲膀?qū)體的等離子體淀積類金剛石膜的方法。激光脈沖射入氣體并被氣體中混入的“觸發(fā)劑”吸收，從而產(chǎn)生等離子體。所造成的引爆產(chǎn)生了一個由離子、原子團(tuán)、分子分裂生成物和電子組成的等離子體，它被爆炸壓力波推進(jìn)到基體上并淀積下來。這種技術(shù)和任何類同的技術(shù)類似于雨(金剛石粒子)落在池塘(被涂敷的基體)上，它往往導(dǎo)致涂層與基體粘結(jié)不好和需進(jìn)行后加工以便在涂層基體上達(dá)到所要的表面光潔度。
THALER討論了使用象碳?xì)浠衔镞@樣的前驅(qū)氣體，例如甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔或類似的碳?xì)浠衔餁怏w和蒸汽。這種氣體被強(qiáng)熱裂化以生成不同的高能分裂生成物、離子、原子團(tuán)和自由電子。裂化是通過使碳?xì)浠衔锝?jīng)受強(qiáng)激光脈沖，例如具有50納秒脈沖峰和功率輸出為1014瓦特/cm2的CO2激光而得到的。
THALER討論了使用與碳?xì)浠衔餁怏w或蒸汽混合的觸發(fā)劑。觸發(fā)劑優(yōu)選地為一種在所用的激光脈沖的輸出波長處有強(qiáng)烈吸收的化合物。CO2激光的輸出波長為10.6微米(μm)，當(dāng)使用這樣的激光時六氟化硫(SF6)就是一種很有效的觸發(fā)劑，它在爆炸時提供了硫和氟兩種離子和原子團(tuán)。觸發(fā)劑的作用是在很小的容積內(nèi)積聚所供給的能量(激光脈沖)，爆炸釋放同樣能量，把碳?xì)浠衔锓至殉筛叻磻?yīng)性離子和原子團(tuán)，并傳遞給生成的氣體以高直線運(yùn)動能量。由這些爆炸生成的涂層具有金剛石和碳氟化合物兩種物質(zhì)的性質(zhì)。
標(biāo)題為“金剛石膜的淀積”的專利USP4,948,629(“HACKER”；8/90；427/53.1)揭示了通過化學(xué)汽相淀積使用高功率脈沖激光和一種脂肪族羧酸或芳香族羧酸酐的蒸汽在低于400℃，優(yōu)選地低于150℃的溫度下在基體上淀積金剛石膜。該工藝要求使用高功率的脈沖激光，例如準(zhǔn)分子激光或NdYAG激光。優(yōu)選的準(zhǔn)分子激光的波長包括KrD在220nm，KrF在248nm，XeCl在308nm，XeF在351nm，優(yōu)選的NdYAG波長包括266nm處的第四諧波和355nm處的第三諧波。
HACKER討論了利用第二種較長波長的激光(＞400nm)，例如NdYAG在532nm處的第二諧波，來選擇性地除去SP2碳并淀積較純的金剛石膜。舉出了一個實(shí)例，其中通過用248nm的激光束(KrF準(zhǔn)分子激光)光分解有機(jī)前驅(qū)體(丙二酸或苯均四酸二酐，用氮?dú)庾鳛榫彌_氣體)而開始金剛石的淀積，之后用532nm的激光束(NdYAG的第二諧波)把膜內(nèi)任何非金剛石夾雜物光(photo-ablate)消融掉。由于利用激光束擴(kuò)大CVD工藝，HACKER也具有前述的CVD工藝所固有的局限性(例如，基體的顯著預(yù)熱，有限的基體尺寸)。
標(biāo)題為“制備金剛石薄膜的方法”的專利USP4,954,365(”NEI-FIELD”；9/90；427/53.1)揭示了通過把基體浸沒于含碳和氫的液體中，然后使基體經(jīng)受至少一種激光脈沖而制備金剛石薄膜。例如，在一個具有能射入激光的石英窗的容器內(nèi)把硅基體浸沒于甲醇中。一種波長為248nm，脈沖持續(xù)時間為約20納秒的準(zhǔn)分子激光脈沖被硅基體截獲。基體吸收激光變熱。與熱基體相接觸的甲醇被熱解。來自熱解甲醇的碳材料然后在基體上生長，高密度的氫與不具有金剛石鍵的任何碳起反應(yīng)并把這種碳從基體中除去。反復(fù)施加激光脈沖就使基體上的金剛石膜持續(xù)生長。NEIFIELD要求基體能吸收激光，例如前述的硅基體。
標(biāo)題為“用激光束在鈦上制備無裂紋的氮化物硬化表面的工藝的專利USP5,290,368(”GAVIGAN”；3/94；148/212)揭示了預(yù)熱鈦基體(用加熱爐把基體溫度升高到1000與1200華氏度之間)，用激光熔化基體的小塊區(qū)域(例如5Kw的CO2連續(xù)波激光，工作功率范圍為3.1Kw到3.6Kw)，以及用氣體混合物(含有至少70％體積但不大于85％的氮?dú)?，平衡氣體為一種或多種不與熔態(tài)鈦發(fā)生反應(yīng)的氣體)籠罩熔化區(qū)。GAVIGAN討論了使用其它激光，包括一種連續(xù)波YAG激光、和一種脈沖的CO2、YAG或準(zhǔn)分子激光。一般地，當(dāng)激光掃過基體表面時，未不再位于激光束掃描下的熔化區(qū)由于未熔基體的熱吸收而迅速固化。GAVIGAN討論了該工藝對于其它組成中含其它強(qiáng)氮化物形成劑例如釩、鈳、碳和鋁的鈦合金也有效。雖然從本質(zhì)上說其目的不是形成涂層，但在這里還是無偏見地?zé)o償引用了GAVIGAN作為在其它材料(即不是鋼)上用激光進(jìn)行其它工藝(即不是形成涂層)的代表，雖然其方法表面上看限于在鈦及其合金上制備無裂紋的氮化物硬化表面。
USP5,236,545(”PRYOR”；8/93；156/613)揭示了這樣一種工藝，它包括在含氮?dú)夥罩杏眉す庀诹降鸢卸诠杌w上淀積一層立方氮化硼(CBN)作為第1界面層，然后在原子氫存在的條件下用激光消融碳靶而淀積氫載碳的第2界面層，然后用常規(guī)化學(xué)汽相淀積(CVD)技術(shù)淀積一層異質(zhì)外延金剛石膜。
USP5098737(“COLLINS”，3/92,427/53.1)揭示了在非垂直角度入射的方式下用激光束照射靶。該專利在正研究的制備類金剛石碳膜的四種主要方法方面提供了有用的基礎(chǔ)(1)離子束淀積(2)化學(xué)汽相淀積(3)等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積，以及(4)濺射淀積。廣泛地說，該專利揭示了在真空室內(nèi)用來碰撞室內(nèi)放置的由石墨箔組成的移動靶材的連續(xù)板的激光。激光束聚焦于靶材上消融并噴出一縷碳蒸汽，其中這縷碳蒸汽被激光束部分電離。
標(biāo)題為“從含一氧化碳的氣體混合物激光激發(fā)合成碳膜”的專利USP5,094,915(“SUBRAMANIAM”；3/92；428/408)揭示了一種通過用來自一氧化碳激光的輻射照射一種含一氧化碳的氣體而不使激光輻射照射基體在基體上制備碳膜的方法。
USP5080752(“KABACOFF”；1/92；156/603)揭示了一種用多晶金剛石把透明金剛石粉末顆粒結(jié)合在一起而形成有用的金剛石結(jié)構(gòu)的工藝，把細(xì)顆粒的不透明非金剛石碳粉末與透明金剛石粉末的均勻混合物壓制在一起形成坯體，該坯體放在薄壁透明石英容器或多晶金剛石涂層內(nèi)，并用脈沖激光快速熔化不透明的非金剛石碳粉。然后讓熔融碳冷卻并在金剛石顆粒的表面同外延生長，生成多晶金剛石把金剛石顆粒鍵合在一起。
USP5,066,515(“OHSAWA”；11/91；427/53.1)揭示了一種制備人造金剛石的方法，它包括一邊移動激光束施加在玻璃態(tài)固相碳材料上的點(diǎn)，一邊把激光束作用在玻璃態(tài)固相碳材料上，以在其上形成局部熔融區(qū)，這樣當(dāng)激光點(diǎn)從其位置離開時局部熔融區(qū)的每一部分被冷卻。在局部熔融區(qū)的冷卻過程中，在固化的局部熔融區(qū)兩側(cè)的鄰近區(qū)域形成了人造金剛石。
USP4,987,007(“WAGAL”；1/91；427/53.1)揭示了通過在真空氣氛下從一激光消融羽(plume)中萃取離子從而在基體上制備一層材料的方法。設(shè)備包括一個含有靶材的真空室和一個聚焦于靶上使材料消融并把消融羽的一部分電離的激光，并適用于在清潔的未引晶的硅酮基體上制備類金剛石碳膜。該工藝可在每小時20μm的速率下制備出具有小于3％變化率的均勻厚度的DLC層。該工藝包括把激光束聚焦于靶上，消融部分靶以噴出靶物質(zhì)的等離子體，用激光電離部分等離子體，和放置收集離子的基體以便在基體上形成一層材料。
USP4,986,214(“ZUMOTO”，1/91；118/722)揭示了一種能制備金剛石薄膜的薄膜制備設(shè)備。該工藝是一種激光CVD工藝，其中利用從紫外激光束釋放出的高能光子將薄膜制備氣體光離解。
USP4,874,596(“LEMELSON”；10/89；423/446)揭示了把強(qiáng)輻射束射入一個支撐有力量要在其上反應(yīng)的材料的腔內(nèi)。2個或多個例如由一個或多個激光器或電子槍產(chǎn)生的強(qiáng)輻射束從相反方向射向材料的顆?；蚍勰?，產(chǎn)生使粉末材料崩潰的沖擊波，并使它轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)。該粉末或顆?？砂?，強(qiáng)熱和沖擊波的壓力把碳轉(zhuǎn)換為金剛石。
USP4,849,199(“PINNEO”；7/89；423/446)揭示了在低壓淀積碳以形成金剛石的過程中抑制石墨和其它非金剛石碳物質(zhì)的生長。用入射的輻射能蒸發(fā)石墨或其它非金剛石物質(zhì)，該能量足以使石墨蒸發(fā)但不足以損害基體，在金剛石的沉積過程中通過把生長表面暴露在其波長足以有選擇地光解在生長的金剛石的表面上形成的非金剛石的碳—碳鍵的入射輻射能下而抑制石墨與其它非金剛石物質(zhì)的生長。正如該專利指出的那樣，所有高壓合成金剛石的工藝都往往有石墨的生長，它最終會導(dǎo)致金剛石的生長停止。該發(fā)明揭示了一種低壓方法，其中通過蒸發(fā)或選擇性光解抑制石墨和其它非金剛石碳物質(zhì)的生長。在該發(fā)明揭示的一種方法中，用可足以蒸發(fā)石墨但不足以損害基體的入射輻射能蒸發(fā)石墨或其它非金剛石碳物質(zhì)。在該專利揭示的另一種方法中，石墨和其它非金剛石碳物質(zhì)被例如使用適宜波長的激光能選擇性地光解。該專利的方法和等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積工藝(PECVD)一起作用以在籽晶上生長金剛石，它要求一種碳源氣體。建議用激光蒸發(fā)掉在金剛石生長表面上形成的石墨和非金剛石碳物質(zhì)，需要告誡的是激光能要足夠低以防止對基體的任何顯著物理或化學(xué)損害，尤其是當(dāng)基體不是金剛石籽晶時更應(yīng)如此。該專利還建議可通過在整個面積上掃描定焦激光束來達(dá)到在大金剛石晶體或基體面積上控制石墨的生長。
USP4,522,680(“OGAWA”；1/85；156/624)揭示了一種制備金剛石晶體的方法，包括提供一個具有在其內(nèi)部結(jié)晶的起始材料的核的耐壓體。對該核施加能穿過耐壓體并被起始材料吸收的能量，利用該能量加熱并熔化核。熔融物然后在壓力下逐漸冷卻以形成晶體。利用激光束或高頻感應(yīng)加熱技術(shù)來加熱此核。
標(biāo)題為“連接金剛石結(jié)構(gòu)的方法”的專利USP5,176,788(“KABACOFF”；1/93；156/603)揭示了使用脈沖激光把金剛石結(jié)構(gòu)連接在一起。工藝包括在要連接的兩個金剛石表面之間制備一層不透明的非金剛石材料，把金剛石表面壓在一起，在熱能穿過金剛石表面大量損失之前利用脈沖激光快速熔化所有不透明的非金剛石碳材料，然后使所得的熔融碳冷卻并固化，這時在金剛石表面同外延生長的多晶金剛石把這兩表面連接在一起。
標(biāo)題為“制備薄膜的方法及設(shè)備”的專利USP4,892,751(“MIYAKE”；1/90；427/34)揭示了一項(xiàng)技術(shù)，其中一種氣體含有一種用來構(gòu)成所需薄膜的元素，該元素是該氣體的冷凝固態(tài)層的組成元素中的至少一部分，用高輸出功率激光(例如，KrF準(zhǔn)分子激光)束照射該氣體以便使該氣體的固態(tài)層的氣體離解，從而在局部產(chǎn)生等離子體，并用等離子體內(nèi)產(chǎn)生的反應(yīng)性粒子輻射基體，從而得到一層用于半導(dǎo)體器件的高能高質(zhì)的鍺(Ge)薄膜。在MIYAKE的專利中，配置了一個硅基體(10)以使其表面(晶面)平行于激光束的光學(xué)路徑，在基體背部提供有一個用來加熱基體的加熱器(11)以便把基體溫度保持在400℃，其方式與CVD工藝相似。一般地，激光用來產(chǎn)生等離子體，并不直接作用于基體上。
標(biāo)題為“鍺和摻雜鍺膜的激光誘導(dǎo)化學(xué)汽相淀積”的專利USP4,681,640(“STANLEY”；7/87；148/1.5)揭示了用可調(diào)的連續(xù)波Co2激光器制備鍺和摻雜的鍺多晶膜，該Co2激光器在10.4或9.4μm的范圍內(nèi)輸出紅外激光輻射以實(shí)現(xiàn)光解的，激光誘導(dǎo)的化學(xué)汽相淀積。在“敏化劑”存在的條件下使用一種起始材料，例如具有高蒸汽壓且不具有與Co2激光的輸出共振的頻率的四甲基鍺烷(TMG)，敏化劑是一種吸收激光能然后反應(yīng)把能量轉(zhuǎn)移給TMG。
標(biāo)題為“晶態(tài)氮化硼膜的激光淀積”的專利USP5080753(“DOLL”；1/92；156/609)揭示了使用KrF準(zhǔn)分子激光以消融氮化硼靶，入射該激光以使氮化硼淀積到單晶硅基體上，該基體已預(yù)熱到大約400℃并在消融和淀積工藝中保持在這個溫度。在DOLL中，激光并不直接作用于基體上。
標(biāo)題為“用激光淀積生產(chǎn)立方氮化硼膜”的專利USP5096740(“NAKAGAMA”；5/92；427/53.1)揭示了把一種準(zhǔn)分子激光輻射到含硼原子(且可選為氮原子)的靶上，并把立方氮化硼淀積在一個被置于面對靶的基體上。在NAKAGAMA中，激光并不直接作用于基體上。一般，用來生長CBN(立方氮化硼)的基體僅限于硅。
標(biāo)題為“激光輔助淀積和退火”的專利USP4701592(“CHE-UNG”；10/87；219/121 LT)揭示了利用Q開關(guān)的NdYAG激光，分裂其輸出光束，把第一輸出光束照到源(靶)材料上以使該材料蒸發(fā)，以及把第二輸出光束照到基體上。蒸發(fā)的靶材料在基體上形成膜?；w應(yīng)放置于能避免靶“飛濺”的位置(來自靶的熱固體顆粒或液滴的噴出物)。第二輸出光束用來對所淀積的(在基體上)膜(為濃縮材料)進(jìn)行退火。該工藝特別適用于高級電子器件，特別適用于在硅集成電路結(jié)構(gòu)內(nèi)裝配膜。
現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)上面所述的工藝一般可稱為“淀積”技術(shù)，從而在基體表面形成并淀積材料(例如金剛石)。利用這些工藝最好也不過是在淀積層和基體之間形成分子鍵合，這樣的分子鍵合在淀積層和基體之間呈現(xiàn)為有限的“粘附”(機(jī)械鍵合)。在一定的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，例如涂敷切削刀片；金剛石涂層與基體的粘附是極不一般的。另外，淀積層的表面光潔度是這樣的，即需進(jìn)行不同的后精加工步驟以在涂層體上獲得所需的光潔度。
現(xiàn)有技術(shù)的涂敷工藝也往往限于在基體上制備薄膜(或?qū)?。這多少類似于雨落在草坪上并結(jié)冰。所得的冰層相對來說硬，但薄，而且從薄冰層(涂層)到底下的草(基體)有急劇的硬度變化這將造成極差的應(yīng)力分布，從而在施加應(yīng)力時冰薄層易產(chǎn)生裂紋。一般地，涂層的厚度將影響到涂層內(nèi)積聚的應(yīng)力。
一般地，現(xiàn)有技術(shù)工藝表現(xiàn)為低的淀積速率，需要對基體顯著預(yù)熱和后冷卻，不能在周圍環(huán)境下進(jìn)行(因而嚴(yán)重限制了可被涂敷的基體的尺寸)，不適用于涂敷某些基體(例如含鈷基體)，所得的涂層粘附性差(與基體)，且需要后續(xù)工藝加工步驟(以便在涂層基體上獲得所需的表面光潔度)，這些工藝也需要表面制備和引晶。
RAMAN光譜用來表征(分析)淀積在基體上的金剛石(或DLC)涂層(或膜)的一個示范性的工具就是RAMAN光譜。隨著金剛石技術(shù)的前進(jìn)，RAMAN光譜開始成為一種表征金剛石材料特性的主要工具之一。立方金剛石在Brillouin區(qū)的中心具有單一拉曼活性(Raman-ac-tive)一級聲子模式。天然金剛石單晶可表征為在1332cm-1處的單峰。合成金剛石膜常常在約1550cm-1處有另一峰，對該峰的較為滿意的解釋還有待進(jìn)一步研究。對樣品只基于拉曼光譜的半定量分析是困難的。然而，在一些文獻(xiàn)中人們假定1550cm-1峰是由于石墨造成的。石墨的敏感性比金剛石高大約兩個數(shù)量級。類金剛石碳(DLC)常常具有這兩個峰(1332cm-1和1550cm-1)。由于敏感性因素，一般認(rèn)為1332cm-1峰是樣品內(nèi)存在金剛石的充分證據(jù)。然而，許多合成金剛石材料根本沒有這個峰，而表現(xiàn)為在顯著的背景發(fā)光上疊加很小的寬輪廓。一般地，金剛石峰的敏感性(尖銳程度)在一定程度上取決于其粒徑，即粒徑越小，敏感性就越低，而峰就越寬。另外，淀積在硬基體例如氧化鋁或碳化物上的金剛石膜由于膜的應(yīng)力狀態(tài)常常有高達(dá)15cm-1的峰偏移。雖然拉曼光譜是用來表征基體上制備的金剛石或類金剛石涂層的有用工具，但不能依靠它處理涂層質(zhì)量。
最終，涂層切削刀具應(yīng)在其要用的領(lǐng)域(例如，在一個磨床，車床，鈷床或類似機(jī)器，實(shí)際切削工件)內(nèi)對所給定的一種或多種工件材料(例如鋁合金，合金鋼，復(fù)合材料)在一定的進(jìn)給速率范圍內(nèi)試驗(yàn)，檢查刀具壽命，剝落和最后的工件光潔度。一個“成功”的涂層切削刀具也可定義為其進(jìn)行“干”法(不用潤滑或切削油)加工的能力。
快速制備原型本發(fā)明的表面處理技術(shù)也適用于快速制備原型的領(lǐng)域。
現(xiàn)有技術(shù)的快速制造物體的方法具有有限的工程價值且不適于生產(chǎn)用途或制備原型。原有技術(shù)利用其它非金屬技術(shù)中的干膜或擠制材料來制造快速制備原型的塑料部件或用激光燒結(jié)粉末來制造金屬部件。所有這些方法制備的部件相對較粗糙，用途有限。
例如，在快速的制備原型系統(tǒng)中典型地使用一個立體石版印刷儀器(SLA)。立體石版印刷是一種通過其從硬化處理的液體聚合物的薄層制備三維物體的工藝?，F(xiàn)行的快速制備原型系統(tǒng)通過選擇性地把材料層硬化或切削成由CAD數(shù)據(jù)定義的形狀而制備物體。一般使用紫外，氬離子或其它類型的激光硬化聚合物。CAD數(shù)據(jù)在數(shù)學(xué)上把要制備的物體形狀表示為一系列順續(xù)的薄層。
幾種出版物已強(qiáng)調(diào)了快速制備原型(RP)技術(shù)將改進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)并降低成本的重要性。進(jìn)而，這些文章表明了存在于現(xiàn)行技術(shù)中的局限性。在兩個最近的出版物中，“生產(chǎn)工程技術(shù)”(由SME出版，pp.37-42，1993年11月)和“塑料技術(shù)”(pp.40-44，1994年1月)，作者分別強(qiáng)調(diào)了快速制備原型和生產(chǎn)系統(tǒng)的重要性。其它文章例如那些涉及激光燒結(jié)的，也對快速制備原型領(lǐng)域中的最新技術(shù)做了說明。
一般地，現(xiàn)有的快速制備原型技術(shù)通過選擇性地把材料層切削成由CAD數(shù)據(jù)定義的形狀而制造物體。正如在“生產(chǎn)工程技術(shù)”(1993年11月)指出的那樣，“現(xiàn)行RP(快速制備原型)技術(shù)的目標(biāo)是得到在高溫下有高強(qiáng)度的原型材料。工業(yè)需要全金屬模具(不用燒結(jié)材料)以便有效地分解物體?！绷硗猓撐闹赋鲋苯又圃觳考⑹强焖僦苽湓偷淖詈蟛襟E。文章也強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵在于材料。并強(qiáng)調(diào)雖然一些實(shí)驗(yàn)性的快速制備原型系統(tǒng)已用于熔融金屬和金屬粉末，但它們遠(yuǎn)不是高強(qiáng)度、全致密的金屬。
下列描述了現(xiàn)有技術(shù)制造物體(例如快速制備原型)的方法。應(yīng)注意下列在此引入作為參考的美國專利，它們是立體石版印刷和物體制造的最新技術(shù)的代表。
USP5,260,009(“制造三維物體的系統(tǒng)方法和工藝”)；USP5,256,340(“利用立體石版印刷制造三維物體的方法”)；USP5,248,456(“制造立體石版印刷制備物的方法和設(shè)備”)；USP5,247,180(“立體石版印刷設(shè)備及所用方法”)，以及USP5,236,637(“利用立體石版印刷生產(chǎn)三維物體的方法和設(shè)備”)。
標(biāo)題為“汽相選擇性光束淀積”的專利USP5017317(“MAR-CUS”；5/91；264/81)描述了在制備原型部件中使用激光，它揭示了一種計(jì)算機(jī)控制定向能量束例如激光，使激光能射入一個含有大量要淀積的材料的汽相的室內(nèi)，以便優(yōu)選地使汽相產(chǎn)生光解或熱解并在被制作部件的所需截面區(qū)域的邊界內(nèi)選擇性地淀積材料。對每一截面，光束的目的是使在截面的邊界內(nèi)的材料的淀積開始。每下一層馬上直接與前面一層結(jié)合，這樣制備的部件含有許多結(jié)合層。
發(fā)明的公開因而本發(fā)明的一個目的是提供一項(xiàng)改進(jìn)技術(shù)用來對襯底(在基體上)，例如切削刀片，特別是對含有商業(yè)范圍的鈷的切削刀片或?qū)A形切削刀具施加(制備)一層涂層，尤其是金剛石(或DLC)涂層。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一項(xiàng)在周圍環(huán)境(非真空)中向基體施加涂層的技術(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一項(xiàng)能在控制處理的熱平衡時不加熱(或預(yù)熱)整個基體，不對整個基體有不良影響而向基體施加涂層的技術(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一項(xiàng)在基體上制備擴(kuò)散結(jié)合的涂層的技術(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一項(xiàng)處理所有合金鋼包括不銹鋼、非鐵材料或合金，以及其它材料例如陶瓷和聚合物的基體的技術(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一項(xiàng)制備具有特制形狀，厚度和組成的涂層的技術(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一項(xiàng)不需后工藝精加工就能處理基體的技術(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一項(xiàng)以真正異質(zhì)外延的方式處理基體，例如合成金剛石，DLC或其它晶態(tài)材料的技術(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一項(xiàng)能處理具有復(fù)雜幾何形狀的基體的技術(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一項(xiàng)制備刀具或刀片，尤其是切削刀具的技術(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一項(xiàng)尤其用金剛石和類金剛石涂層以及用其它材料涂敷基體例如切削刀或刀片的技術(shù)，涂層相對于碳化物來說，既使它具有相對高的鈷濃度也堅(jiān)固耐久，該技術(shù)可用于高速鋼、陶瓷、塑料上的DLC(阻擋層等)和其它切削刀具材料，并且在低溫和低壓下也能進(jìn)行。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一項(xiàng)相對于碳化物堅(jiān)固耐久且在低溫和低壓下能夠進(jìn)行的改進(jìn)涂層尤其是金剛石(和DLC)涂層以及其它材料與基體間粘附性能的技術(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一項(xiàng)能以在基體表面下提供擴(kuò)散結(jié)合的復(fù)合材料的方式處理基體表面的技術(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一項(xiàng)用于材料處理和生產(chǎn)以便制備具有所需復(fù)合材料例如金剛石、DLC、立方氮化硼(CBN)、B4C、Sic、Tic、Cr3C2、TIN；TiB2、Si3V4和cCN、鈮、碳化物、氮化鈦、氮化鋁等的物體的技術(shù)。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一項(xiàng)在基體上制備“設(shè)計(jì)”涂層的技術(shù)。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種能以不需任何后序工藝(系統(tǒng)環(huán)境外)精加工并借助于用其它現(xiàn)行已知手段不能制備的高級復(fù)合材料而具有增強(qiáng)的物理性質(zhì)的方式把有用的金屬、陶瓷和復(fù)合部件生產(chǎn)到最終狀態(tài)的系統(tǒng)。
本發(fā)明另一個目的是提供一項(xiàng)用于基體預(yù)處理(準(zhǔn)備)以便下一步用本發(fā)明的技術(shù)或用現(xiàn)有涂敷技術(shù)進(jìn)行涂敷的技術(shù)。
本發(fā)明另一個目的是提供一項(xiàng)不需單獨(dú)的特殊預(yù)處理步驟把基體表面特性化而對襯底進(jìn)行表面處理的技術(shù)——換言之，和制備涂層一起(在原位)進(jìn)行預(yù)處理。
根據(jù)本發(fā)明，把能量，例如從三個不同的激光器出來的三個不同的激光束，射向基體表面以便處理基體的表面?？刂乒に噮?shù)和三束激光的互相作用以便在基體表面上和/或表面下達(dá)到所需的效果。工藝參數(shù)包括·每個激光器的波長；·每個激光器的工作模式(例如，脈沖的，超脈沖的或連續(xù)波)，包括脈中寬度和頻率；·每個激光器的輸出功率；·每束激光的能量；·每個激光束在基體表面上的入射角；·每個激光束的截面形狀和尺寸；以及·激光束射向基體表面的順序(時間關(guān)系)。
例如，可使位于基體亞表面區(qū)域內(nèi)的一種或多種組成(固有)元素以相應(yīng)的一種或多種速率移動，并移向基體表面從而在亞表面區(qū)域產(chǎn)生該種或多種組成元素的濃厚梯度。另外，可在可控方式下分離并蒸發(fā)組成元素的所選部分的選擇量。據(jù)認(rèn)為基體的一種或多種組成元素是工藝的首要源材料。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，被蒸發(fā)的一種或多種組成元素在緊接近基體表面的上方反應(yīng)使蒸發(fā)后的該種或多種組成元素的物理結(jié)構(gòu)和性質(zhì)改變從而制成一種下一步擴(kuò)散回基體的復(fù)合材料。
在工藝中的一個適當(dāng)時刻，它可以是從工藝的開始，把含有輔助元素的一種或多種輔助源引入反應(yīng)系統(tǒng)并出現(xiàn)在最接近基體表面的上方。例如，可以使基體內(nèi)部的碳移動、蒸發(fā)并起反應(yīng)，并用一種可向反應(yīng)系統(tǒng)提供附加碳的二氧化碳輔助源使其增加，從而在基體上制備金剛石或類金剛石碳的涂層。
本發(fā)明的一個顯著優(yōu)點(diǎn)來自出現(xiàn)在基體表面內(nèi)的冶金變化。通過把活性組成元素?cái)U(kuò)散回基體內(nèi)，和/或通過把活性輔助元素?cái)U(kuò)散回基體內(nèi)，基體內(nèi)的擴(kuò)散區(qū)(這里也稱為過渡區(qū))具有材料組成梯度，從純基體過渡到純涂層。這不但提供了基體上所制備的涂層與基體本身之間的緊密擴(kuò)散(例如冶金的)結(jié)合，也為加在基體涂層上的物理應(yīng)力提供了平滑(相對不急劇)的過渡。
根據(jù)本發(fā)明，可在基體內(nèi)產(chǎn)生兩個不同的擴(kuò)散區(qū)——主轉(zhuǎn)變區(qū)在基體內(nèi)部，次轉(zhuǎn)變區(qū)在主轉(zhuǎn)變區(qū)與基體表面之間。例如，為了在鋼或硬質(zhì)合金基體上制備大約3mm厚的金剛石層(涂層)，主轉(zhuǎn)變區(qū)可以大約為0.75mm深，次轉(zhuǎn)變區(qū)可以大約為0.25mm厚。
根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，用三束激光或用至少一束激光和另一種能發(fā)出可控束流的能量源(例如電子束、x射線束等等)對基體的選擇區(qū)域進(jìn)行適宜的處理。“選擇區(qū)域”的意思指可處理一片比基體整個表面積小許多的面積而不需處理表面的剩余部分。然而不用說當(dāng)然能以順序或并行的方式處理一系列的選擇區(qū)域，直到并包括處理基體的整個表面(或多個表面)。
根據(jù)本發(fā)明，可用適宜的手段例如CNC控制站來控制工藝的每一步進(jìn)行的有效性?？膳渲眉す獾倪\(yùn)行參數(shù)和相關(guān)聯(lián)的光學(xué)系統(tǒng)以便在任何時候獲得任何所需的處理。
在本發(fā)明的一個示范性的實(shí)施例中·三個激光器的第一個是紫外激光器，例如脈沖準(zhǔn)分子激光器，它工作于192nm、248nm或308nm，功率輸出為幾百(0-200)瓦特(W)，脈沖能達(dá)500mJ(毫焦)，脈沖寬度達(dá)26納秒(ns)，重復(fù)頻率達(dá)300HZ(赫茲)；·三個激光器的第二個是NdYAG激光器，在1.06微米處以連續(xù)(CW)或猝發(fā)方式或Q開關(guān)方式工作，功率輸出為幾千(0-1500)瓦特，脈沖能達(dá)150J(焦?fàn)?，脈沖頻率達(dá)1000HZ，脈沖寬度達(dá)20毫秒(ms)，以及(在脈沖/猝發(fā)方式下)脈沖流持續(xù)時間達(dá)5秒。
·三個激光器的第三個是CO2激光器，在波長10.6微米處工作，輸出功率在500-10000W的數(shù)量級，脈沖頻率達(dá)25KHZ，脈沖寬度達(dá)25微秒，超脈沖頻率達(dá)20KHZ，超脈沖寬度達(dá)500微秒。
在本發(fā)明的基體處理技術(shù)的一個示范應(yīng)用中·基體為碳鋼；·所考慮的組成元素是碳；·如果使用的話，輔助元素可以是碳，取決于處理，所需涂層厚度和基體是高碳鋼還是低碳鋼；·所得的轉(zhuǎn)變區(qū)深度“d”大約為1.0mm(包括大約0.25mm的次轉(zhuǎn)變區(qū))，以及；·所得的金剛石涂層厚度“t”大約為3mm(或大約為轉(zhuǎn)變區(qū)深度的三倍)。
在本發(fā)明的基體處理技術(shù)的另一個示范應(yīng)用中，組成元素是鈦，輔助元素是氮、碳或硼，所得的涂層依次為氮化鈦、碳化鈦或二硼化鈦。
本發(fā)明的技術(shù)的其它應(yīng)用(即基體材料，復(fù)合材料，輔助源等)也包含于本發(fā)明揭示的領(lǐng)域和精神范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，能有利地利用射向基體的能量在要制備的涂層內(nèi)產(chǎn)生(或控制)物理應(yīng)力，以及通過仔細(xì)誘導(dǎo)這樣的應(yīng)力，可控制(加速)結(jié)晶生長從而比現(xiàn)有技術(shù)大大提高生長速度。
根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，能有利地利用射向基體的能量在基體表面獲得任何所需的形貌(織構(gòu))，或作為最后的產(chǎn)物(即，在原位后精加工)，或?yàn)橄乱徊降耐繉又苽錅?zhǔn)備表面(即，預(yù)處理表面)。
根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，輔助源可含有一種摻雜元素作為輔助元素之一。例如，可以摻雜金剛石或DLC涂層用于例如半導(dǎo)體領(lǐng)域。
根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，可在基體上施加偏置電壓以便控制基體上或已形成的涂層上的晶體生長方向。
本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)是它不需在真空中進(jìn)行。然而，最好用保護(hù)氣體例如氮?dú)饣驓鍤獍鸦w上的反應(yīng)區(qū)保護(hù)起來。然而這并不是說該工藝不能在真空中進(jìn)行。該工藝或其一部分可和已有的CVD和CVD型工藝一起使用以便消除其某些局限性。例如，不是加熱整個基體以驅(qū)動淀積反應(yīng)，能量是被加在(或照射在基體的選擇區(qū)域，并能在基體表面以任何圖案掃描以使在基體上制備任何所需“形貌”(例如組成、厚度、形狀)或圖案的涂層。這將避免出現(xiàn)與加熱整個基體有關(guān)的許多問題，并提供不用這樣的工藝就得不到的結(jié)果(不掩蔽襯底)。
這里揭示了用于引入氣體形式的輔助元素和引入保護(hù)氣體的噴咀的不同設(shè)計(jì)(實(shí)施例)。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，基體(工件)相對于能量源(例如激光)移動，或二者反過來，以便沿襯底表面各處控制轉(zhuǎn)變區(qū)的深度和基體上所制備的涂層的厚度。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，通過選擇任何或全部下述參數(shù)而把轉(zhuǎn)變區(qū)深度“d”控制到所選深度激光束的強(qiáng)度、持續(xù)時間、形狀和入射角。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，可以控制技術(shù)以便在基體上制備多層涂層，其每一層都具有所需組成。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，可以控制技術(shù)以便在基體內(nèi)生成多個轉(zhuǎn)變區(qū)。
本發(fā)明與已有的涂敷技術(shù)相比有幾個優(yōu)點(diǎn)，包括·提供了在基體的選擇(分立的)區(qū)域的連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)；·被制備的組成可以是“真正異質(zhì)外延”和/或同外延的；例如，一個被制備的異質(zhì)外延制備組成可發(fā)展進(jìn)入一個同外延制備組成(例如當(dāng)組成是SP3碳鍵時的涂層或下一步的涂層)。本發(fā)明的技術(shù)允許材料在另一種底層材料上生長而不限制如晶體取向，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、生長方向、材料等等。換句話，要制備的材料不受將它在其上面制備的材料或基體的性質(zhì)的限制(不約束)。
·通過選擇合適的成核材料和使基體材料內(nèi)的適宜物質(zhì)進(jìn)入初步汽相(PVP)可以在表面上形成任何點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為涂層；·工藝可以在無CVD工藝，無真空，無靶材下進(jìn)行；·工藝可以在周圍大氣環(huán)境下進(jìn)行；·工藝可以在不預(yù)熱基體下進(jìn)行；·工藝是連續(xù)的，它允許任何所需深度的組成在基體表面以下形成，任何所需厚度的組成在基體表面和表面之上形成；·與現(xiàn)有技術(shù)工藝相比，鍵合更深并提供了更強(qiáng)的粘附性；·可在實(shí)際上任何尺寸和形狀的基體上形成涂層，包括很大的基體。對用該工藝形成的組成的厚度或面積實(shí)際上無限制；·可以在不影響基體的原始體積的情況下完成基體的處理以形成金剛石或DLC表面。
可將光學(xué)系統(tǒng)(光束傳輸系統(tǒng))置于激光器與基體表面之間以便激光器發(fā)射的光束或聚焦或漫射或者做其它改變(例如，其形狀和尺寸)。
可以通過許多已知手段的任一種把輔助元素引入反應(yīng)系統(tǒng)，例如通過噴霧、彌散、淀積、消融或通過任何其它已知手段，并且可以以任何適宜形式引入，例如液體、氣體、固體、等離子體、粉末，等。
例如，可以用一種壓力噴嘴(噴口)把氣體輔助元素引入反應(yīng)系統(tǒng)，該噴嘴設(shè)計(jì)成在另一種(如，惰性)氣體的包圍下將氣體輔助元素傳送，該氣體通過噴嘴(噴口)排出的氣體的螺旋控制的旋流使輔助元素的輸送集中(定向)。這種方式中，輔助元素可以與入射能量束一樣射向基體的同一選擇區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，氣體輔助元素及包圍氣體都可作為反應(yīng)中的輔助元素。
靶，例如石默源，可放在噴嘴之外或內(nèi)部，用一種能量源對它輻射，接著引入反應(yīng)系統(tǒng)。
對于不需要輔助源的工藝(見，例如上面所述的工藝流程圖中的步驟C、F和H)，輔助元素也可選擇作為一種“保護(hù)”(與環(huán)境隔離，不需使用真空)，這種情況下輔助元素(和包圍氣體)可以是一種清潔的或惰性的氣體。
根據(jù)傳統(tǒng)的用法，材料在其本身上生長，同時保留底下基體的晶體特性被稱為“同外延”，不同的材料在基體上生長，同時保留基體的晶體取向被稱為“異質(zhì)外延”。在本發(fā)明中，術(shù)語“真正異質(zhì)外延”用來指在底下的不同材料上合成一種材料，而不考慮晶體取向，并與被稱為“同外延”的需要材料的引晶或者另外提供被合成材料的成核地點(diǎn)的系統(tǒng)(如CVD或PVD系統(tǒng))區(qū)別開。
本發(fā)明的技術(shù)可用于用任何多種材料處理基體和涂敷基體。
本發(fā)明的技術(shù)可用于處理實(shí)際上任意尺寸或形狀的基體，例如大平板、大成型板、活塞環(huán)、圓筒襯、噴霧嘴、長圓柱器件的內(nèi)部、閥座等。
本發(fā)明的技術(shù)可用于處理組成為實(shí)際上任何材料的基體，包括超導(dǎo)材料。
本發(fā)明的技術(shù)是真正異質(zhì)外延的，允許在基體或先形成的涂層的表面上以實(shí)際上任何取向制備涂層，包括“L”形涂層和開始時沿垂直于基體表面的方向生長，然后沿與其平行方向生長的涂層結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)有利于在基體表面下產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)變區(qū)，該轉(zhuǎn)變區(qū)可作為對在基體上制備的涂層進(jìn)行增強(qiáng)的擴(kuò)散鍵合的保證。
對于在基體表面制備的一個涂層，例如金剛石涂層，本發(fā)明的技術(shù)有利于在用現(xiàn)有技術(shù)的涂敷工藝所不能達(dá)到的速度和厚度下形成這樣的涂層。例如，可以在超過每小時100μm的速度下制備涂層，包括大于每分鐘1mm，每分鐘3mm和每分鐘10mm。制備的涂層最終厚度(t)可超過100μm，包括大于1mm，3mm，10mm。
對于處理基體以形成復(fù)合材料轉(zhuǎn)變區(qū)，本發(fā)明的技術(shù)有利于在超過每小時30μm的速度和深度下形成這樣一個轉(zhuǎn)變區(qū)，包括大于每分鐘0.5mm，每分鐘1mm和每分鐘3mm。制備的轉(zhuǎn)變區(qū)的最終深度(d)可超過30μm，包括大于0.5mm，1mm和3mm。
本發(fā)明的技術(shù)是連續(xù)性的，克服了現(xiàn)有技術(shù)中所具有的批量生產(chǎn)的局限性。用本發(fā)明的技術(shù)可成功地處理尺寸超過6英寸的基體，包括大于8英寸，大于10英寸，大于30英寸，及大于100英寸。
本發(fā)明的技術(shù)可用于處理基體以防止腐蝕、侵蝕等等，并在基體的部分區(qū)域或整體上產(chǎn)生化學(xué)惰性的表面。
本發(fā)明的低溫技術(shù)(沒有預(yù)熱)的一個優(yōu)點(diǎn)是基體在處理過程中將保持尺寸的穩(wěn)定性，并不會降低其下面的硬度(例如鋼中的回火)一般地，如在這里與原專利中所描述的，可在基體上制備金剛石或類金剛石碳的涂層(以及另一種材料的涂層)，而不用添加并非基體內(nèi)所固有的材料(例如，碳組成元素是基體固有的)。所形成的涂層不僅存在于基體表面上，也存在于表面下，其特征在于涂層與基體之間形成了擴(kuò)散鍵合。該工藝可用來制備金剛石涂層，DLC涂層、或另一種結(jié)晶材料涂層。工藝的獨(dú)特性在于它可在周圍環(huán)境壓力下進(jìn)行，不需真空或高壓。另外，實(shí)施該工藝時不用顯著加熱基體。
本發(fā)明的表面處理技術(shù)用于處理任意若干基體，包括金屬和非金屬基體(非金屬基體包括陶瓷和聚合物基體)?？梢蕴幚砘蛞敕磻?yīng)系統(tǒng)的特定材料包括但并不限于·金屬(B，Al，Ti，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Re，等)；·石墨和碳化物(C，B4C，SiC，Tic，Cr3C2，WC，碳化鈮，碳化鉿，等)；·氮化物(BN，TiN，TaN，Si3N4，氮化鉿，氮化鋁，等)；·硼和硼化物(B，TaB2，TiB2，WB，F(xiàn)eB，NiB，等)；·硅和硅化物(Si，和Mo，F(xiàn)e，Ni等的不同硅化物)；·氧化物(Al2O3，SiO，SiO2，等)；以及·有機(jī)化合物(PTFE，凱夫拉爾(Kevlar)，聚酰亞胺物，液晶聚合物，聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethyltetrathalate)，等)。根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，可用激光器之一預(yù)處理基體(用來下一步制備涂層)。例如，將來自一個準(zhǔn)分子激光器的一束光射向碳化鎢基體的表面以便除去研磨痕跡和雜質(zhì)并從基體表面除掉鈷。在這種預(yù)處理過程中可隨時在基體內(nèi)誘導(dǎo)其它冶金變化，例如必要時通過添加反應(yīng)氣體以改變表面化學(xué)性質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，本發(fā)明的技術(shù)可用于一種物體的快速制備原型。一般地，一個三維物體由一系列制備的涂層“構(gòu)成”。
通過對其下面的描述，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得很清楚。
附圖簡述收集在本說明書中并成為其一部分的


了本發(fā)明的實(shí)施例并與說明文字一起解釋了本發(fā)明的原理。
圖1是說明本發(fā)明的技術(shù)的工藝流程圖。
圖2A是用本發(fā)明的技術(shù)所處理(涂敷)的基體的局部截面?zhèn)纫晥D，尤其說明了在基體主和次轉(zhuǎn)變區(qū)的形成。
圖2B是用本發(fā)明的技術(shù)所處理(涂敷)的基體的局部截面?zhèn)纫晥D，尤其說明了在基體表面制備多層涂層。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個用于進(jìn)行基體的表面處理的系統(tǒng)的一個實(shí)施例的綜合透視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個用于進(jìn)行基體表面處理的系統(tǒng)的另一個實(shí)施例的綜合透視圖。
圖5是用于把輔助元素引入到本發(fā)明的基體處理系統(tǒng)的一種噴嘴的一個實(shí)施例的截面圖。
圖5A和5B分別是用于把輔助元素引入到本發(fā)明的基體處理系統(tǒng)的一種噴嘴的另一個實(shí)施例的頂視平面圖和截面圖。
圖6A是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的一個碳化鎢基體的仿效的截面圖。
圖6B是圖6A的碳化鎢基體在用根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)預(yù)處理后的仿效的截面圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個基體處理系統(tǒng)的透視圖，表明三個激光器穿過一個噴嘴把能量(光束)射向基體表面。
圖8是支撐于基座上以進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的表面處理的一個基體的截面圖，尤其說明了一種可根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)形成的扁平等離子體。
圖9是根據(jù)本發(fā)明一個系統(tǒng)例如圖7的系統(tǒng)的主要元件的原理圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，說明圖7的系統(tǒng)的不同元件工作順序的圖。
圖10A、10B、10C和10D依次是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，準(zhǔn)分子激光器、NdYAG激光器和CO2激光器的工作參數(shù)的曲線圖，圖表及曲線圖。
圖11A是在表面處理前現(xiàn)有技術(shù)的碳化鎢基體表面的顯微照片，顯示有研磨痕跡和表面雜質(zhì)。
圖11B是圖11A的碳化鎢基體表面在經(jīng)過本發(fā)明表面處理工藝的預(yù)處理階段后的顯微照片。
圖11C是圖11B的碳化鎢基體表面在經(jīng)過本發(fā)明表面處理工藝的涂敷階段后的顯微照片。
圖11D是對圖11C的碳化鎢基體表面所做的拉曼光譜，該基體已根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行過表面處理。
圖11E是圖11C的碳化鎢基體的截面的顯微照片的說明，該基體已根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行過表面處理。
圖11F是根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)制備的具有1，0，0晶向的金剛石涂層的顯微照片。
圖12A是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的光束截面和交點(diǎn)的詳細(xì)視圖。
圖12B是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，正被表面處理的基體的側(cè)視圖。
圖13A到圖13H是根據(jù)本發(fā)明能在基體上制備的特制涂層的視圖。
圖13I是能利用本發(fā)明的涂層技術(shù)制備的一個三維實(shí)際物體的透視圖，并表明了該技術(shù)的真正異質(zhì)外延本質(zhì)。
圖14A和14B是根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)已處理的長筒形基體的透視圖。
圖15A和15B是根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)已經(jīng)涂敷的滾珠軸承的截面圖。
圖16A是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例已表面處理的一個圓形刀具的側(cè)視圖。
圖16B是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例已表面處理的一個圓形刀具的側(cè)視圖。
圖16C和16D分別是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例已表面處理的一個圓形刀具的側(cè)視圖和端視圖。
圖16E分別是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例已表面處理的一個圓形刀具的側(cè)視圖。
圖16F分別是根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例已表面處理的一個圓形刀具的側(cè)視圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明中，術(shù)語“表面處理”是指改變基體的冶金性質(zhì)，包括在基體表面上或在原先制備的涂層表面上制備一層或多層涂層，以及在基體表面下的亞表面區(qū)(“轉(zhuǎn)變”區(qū)或“過渡”區(qū))改良基體的組成。描述了兩個表面處理“階段”--“預(yù)處理”階段，在該階段中把基體準(zhǔn)備好進(jìn)行下面的利用任何適宜的涂敷技術(shù)的涂敷，和“涂敷”階段，在該階段中在基體表面制備涂層。本發(fā)明中，術(shù)語“基體”包括一件例如平的或圓的刀具的物體，并且也適用于接受表面處理的物體的選擇區(qū)域。一般地，本發(fā)明的涂敷技術(shù)包括從基體萃取一種“組成”(或“主要”)元素并使其反應(yīng)，使它在最接近基體表面的上面的“反應(yīng)區(qū)”內(nèi)反應(yīng)，任選地從一個“輔助源”引入“輔助元素”以增大反應(yīng)，并把“復(fù)合材料”(反應(yīng)后的材料，其物理結(jié)構(gòu)包括相已被改變、改良、變化，并且/或者具有對它添加的另一種或多種元素)擴(kuò)散回襯底內(nèi)。這種方式下，在過渡區(qū)內(nèi)將明顯有復(fù)合材料的“人造物”和/或所制備的涂層材料，并且所制備的涂層將與基體“擴(kuò)散鍵合”。
下面將對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例做詳細(xì)說明，其例子在附圖中說明。雖然本發(fā)明將和優(yōu)選實(shí)施例一起描述，但不用說所描述的實(shí)施例并不是要將本發(fā)明限制在那些實(shí)施例上。相反本發(fā)明要覆蓋替換物，改進(jìn)物，和等價物，這些包括在由對本發(fā)明附屬的權(quán)利要求所確定的精神和領(lǐng)域之內(nèi)。
在后面的正文中，討論了在碳化鎢切削刀片上制備金剛石涂層的實(shí)施例。然而，很明顯本發(fā)明并不局限于這些材料。
工藝流程圖(圖1)圖1是說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的技術(shù)的總流程圖100。一般地，這些技術(shù)都包括把激光能(優(yōu)選地取自三個不同激光器)射向基體表面以驅(qū)動基于組成元素的反應(yīng)系統(tǒng)，以及在適宜的時機(jī)把輔助元素引入反應(yīng)系統(tǒng)中。很明顯，工藝可以不同的方向進(jìn)行，并可終止于工藝流程的不同點(diǎn)。
在第一工藝步驟(步驟A)中，激光能被用來·把基體亞表面區(qū)內(nèi)的一種或多種組成元素以相應(yīng)的一種或多種速度移動，并把它或它們移向基體表面以產(chǎn)生它或它們在亞表面區(qū)內(nèi)的濃度梯度；·以可控方式把一種或多種組成元素的挑選部分的選擇量分離(從基體內(nèi)的其它材料)并蒸發(fā)；以及·使蒸發(fā)后的一種或多種構(gòu)成元素在緊接近基體表面上方發(fā)生的初步汽相反應(yīng)(PGR)中進(jìn)行反應(yīng)，從而改良該蒸發(fā)后的一種或多種組成元素的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。已改良和未改良的組成元素的組合是一“復(fù)合材料”。該步驟(步驟A)基本上是為如步驟B描述的進(jìn)一步的工藝準(zhǔn)備基體。工藝也可以象步驟H標(biāo)明的那樣終止于這一階段。
在工藝步驟B中，復(fù)合材料擴(kuò)散進(jìn)入基體內(nèi)產(chǎn)生一個從基體表面延伸到基體內(nèi)部的“轉(zhuǎn)變區(qū)”。這基本上是一個從PGR內(nèi)的復(fù)合材料的較高濃度到基體內(nèi)的復(fù)合材料的較低濃度的被動擴(kuò)散過程。接著工藝以兩方向(步驟C和D，下面有說明)之一進(jìn)行。
在工藝步驟C中，工藝可在已成功地形成了具有可控復(fù)合材料濃度的轉(zhuǎn)變區(qū)點(diǎn)終止。例如，轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的復(fù)合材料可以是金剛石或DLC。作為一般前提，復(fù)合材料的生成及其擴(kuò)散進(jìn)入轉(zhuǎn)變區(qū)不改變基體的體積。
對另一種方法，(即，對于步驟C)，在步驟D中，通過重復(fù)轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)復(fù)合材料的移動、蒸發(fā)和起反應(yīng)的步驟(以類似于步驟A的方式)，或者重復(fù)取自基體的一種或多種組成元素的移動、蒸發(fā)和起反應(yīng)的步驟，或者兩方面都有，使轉(zhuǎn)變區(qū)進(jìn)一步得到處理。在進(jìn)一步處理轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的復(fù)合材料的情況下，工藝得到最佳協(xié)同作用并以極高的速度(例如成指數(shù)地)進(jìn)行。重復(fù)該工藝以便在基體表面獲得任何所需的復(fù)合材料的濃度，并在轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)獲得任何所需的復(fù)合材料梯度。
在工藝的這點(diǎn)上，能在基體表面制備涂層。該涂層或所制備的材料可具有與轉(zhuǎn)變區(qū)完全不同的化學(xué)性質(zhì)。為制備該涂層，可向系統(tǒng)引入一種輔助源(步驟E)或不引入(步驟F)。
在工藝步驟E中，激活一個“輔助”源(基體本身被認(rèn)為是“主要”源)以便向反應(yīng)系統(tǒng)引入一種或多種“輔助”元素(基體的一種或多種組成元素被認(rèn)為是“主要”元素)。這種情況下利用能量源在基體表面制備一層合成的涂層組成(例如金剛石或類金剛石碳)。該合成的涂層組成是一種既含有該一種或多種組成元素又含有該復(fù)合材料的被制備材料，該一種或多種組成元素與該復(fù)合材料可相同或者不同。
正如上面指出的(例如，步驟D)，在基體表面下形成了一個轉(zhuǎn)變區(qū)。這個轉(zhuǎn)變區(qū)可含有一個主轉(zhuǎn)變區(qū)和一個處在主轉(zhuǎn)變區(qū)和基體表面之間的次轉(zhuǎn)變區(qū)。一般地，次轉(zhuǎn)變區(qū)與主轉(zhuǎn)變區(qū)相比具有相對小的深度，并且所含的一種或多種輔助元素的濃度比主轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)所含的濃度高。次轉(zhuǎn)變區(qū)與主轉(zhuǎn)變區(qū)一起在鍵合、支撐和應(yīng)力分布方面為下一步在基體上制備涂層提供了重要的作用。如果下一步在基體上制備涂層，則轉(zhuǎn)變區(qū)(主和次)在確定用于下面涂敷的鍵合、支撐和應(yīng)力分布所需的參數(shù)方面有全面的影響。在這種方式中，能在基體表面下形成深度為“d”的一個轉(zhuǎn)變區(qū)，并在基體表面上制備厚度為“t”的一層涂層材料。
例如，為了在鋼或硬質(zhì)合金基體上制備大約3mm(毫米)厚的金剛石層(涂層)，主轉(zhuǎn)變區(qū)大約0.75mm深，次轉(zhuǎn)變區(qū)大約0.25mm厚。
對另一種方法(即，對于步驟E)，在工藝步驟F中，其中設(shè)有向系統(tǒng)引入輔助源，而是使取自轉(zhuǎn)變區(qū)的少量復(fù)合材料移動、蒸發(fā)和起反應(yīng)(以類似于步驟A的方式)從而在基體下面形成次轉(zhuǎn)變區(qū)，次轉(zhuǎn)變區(qū)能進(jìn)一步反應(yīng)(被能量源)而在基體上形成涂層。這樣在基體上制備的涂層很可能比用輔助源(步驟E)制備的涂層薄。然而，在步驟F中，完全有可能基體本身有充足的組成元素量可用從而在基體表面制備出一層相對厚的涂層。
例如，利用在鈷粘結(jié)相內(nèi)的碳化鎢(例如92％)的基體，能量源將使鎢和碳化物離解成為鎢和碳的形式，該碳就是在基體上制備金剛石或DLC涂層的組成元素(“固有”源)。另外，溶解于鈷粘結(jié)相中的碳也為制備金剛石或DLC涂層提供了一個碳的“固有”源。
本發(fā)明的表面處理技術(shù)比現(xiàn)有技術(shù)的CVD(和PVD)工藝優(yōu)越，這在于在現(xiàn)有技術(shù)工藝中鈷在系統(tǒng)中對生成石墨具有能“毒害”系統(tǒng)并抑制金剛石涂層或DLC涂層形成的不良影響。
利用本發(fā)明的技術(shù)，工藝中形成的任何石墨都有利地并連續(xù)地被轉(zhuǎn)化為所制備的金剛石涂層中的金剛石。優(yōu)選地，該工藝能消耗掉所有可得到的石墨。然而，即使有少量石墨沒轉(zhuǎn)化成金剛石，也不會對該工藝有損害。
在工藝步驟G(在工藝流程中它緊接著步驟E)中，由于基體表面制備有涂層，故能向反應(yīng)系統(tǒng)引入具有不同的一種或多種輔助元素的一個不同輔助源(與前面所用的相比)。這將造成在基體上制備多層涂層。
例如，從碳化鎢基體開始，通過向反應(yīng)系統(tǒng)按順序引入輔助元素，能在基體上制備一層碳化鈦覆蓋涂層(層)，在碳化鈦上面可制備一層氮化鈦，在氮化鈦層上可制備一層金剛石。
通過進(jìn)一步的實(shí)施例，能在厚金剛石涂層上涂敷一薄層立方氮化硼(CBN)。
本工藝也適用于在氮化硅上制備金剛石涂層。
本工藝也可用于制備金剛石與CBN的復(fù)合結(jié)構(gòu)，或者反過來，或制備金剛石顆粒與碳化硅或氮化硅相混的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
如在工藝步驟H所表示出的那樣，在某些情況下可能需要防止(或盡量減小)復(fù)合材料擴(kuò)散回基體內(nèi)(見步驟B)，這種情況下工藝可在步驟A中的使基體的一種或多種組成元素移動、蒸發(fā)和起反應(yīng)之后停止。這有利于在基體表面制備很薄的涂層。
例如，可能需要在不影響基體的初始體積(例如，尺寸)的情況下在基體(例如，銅線)表面上或基體表面下形成一薄層金剛石或DLC。例如，可在不影響滾珠軸承或滾柱軸承的環(huán)或圈的體積的情況下改善其選擇區(qū)域或整個面積的材料組成。
也有可能工藝流程直接從初始的移動、蒸發(fā)和起反應(yīng)(步驟A)進(jìn)行到向反應(yīng)系統(tǒng)引入輔助源的步驟(步驟E)。(這個“旁路”認(rèn)為是一個工藝步驟，并在圖1的圖中表示為工藝步驟I)。
例如，為了在純鈦基體上制備金剛石，必須向系統(tǒng)引入碳作為輔助元素(基體中得不到作為組成元素的碳)。使基體的鈦移動、蒸發(fā)和起反應(yīng)的步驟的作用是形成與下一步制備的金剛石或DLC涂層的擴(kuò)散鍵合。
例如，從硅基體開始，通過輔助源引入碳以使轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的硅生成碳化硅。然后把碳化硅轉(zhuǎn)化為金剛石?；蛘撸?，通過輔助源引入氮以使轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的硅生成氮化硅，并在必要時按順序引入輔助源以在反應(yīng)系統(tǒng)中提供碳，以便在轉(zhuǎn)變區(qū)上形成金剛石或DLC層。
轉(zhuǎn)變區(qū)(圖2A)圖2A是根據(jù)相應(yīng)圖1所述的一個或多個工藝步驟，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)處理后的一個示范已處理的基體200的截面圖。圖中表明基體202具有一個上表面204，在基體表面下形成有次轉(zhuǎn)變區(qū)206，在次轉(zhuǎn)變區(qū)206底下形成有主轉(zhuǎn)變區(qū)208，并且在基體表面上制備有涂層210。例如，被處理的基體200可通過進(jìn)行工藝步驟A、B、D和E(圖1的)得到。如上所述，次轉(zhuǎn)變區(qū)206具有典型地比主轉(zhuǎn)變區(qū)的厚度(d1)小的厚度(d2)，并且所含的復(fù)合材料濃度比主轉(zhuǎn)變區(qū)高。轉(zhuǎn)變區(qū)的整個深度(d)為d1＋d2＝d。所制備的涂層的厚度為“t”。
多層涂層(圖2B)圖2B是根據(jù)相應(yīng)圖1所述的一個或多個工藝步驟，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)處理后的一個示范已處理的基體220的截面圖。圖中表明基體222具有一個上表面224，在基體表面上形成有厚度為“t1”的第一層涂層226(為便于說明起見，圖中略去了主轉(zhuǎn)變區(qū)和次轉(zhuǎn)變區(qū))，在第一層涂層226的前表面(如所看到的)上形成有厚度為“t2”的第二層涂層228，在第二層涂層228的上表面(如所看到的)上形成有厚度為“t3”的第三層涂層230。這樣被處理的基體220可通過進(jìn)行工藝步驟A、B、D、E和G(圖1的)得到。
根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，可隨時制備如圖2B所示的多層涂層。例如可從基體的組成元素與輔助源引入反應(yīng)系統(tǒng)的第一輔助元素的混合物形成第一層涂層226；從第一層涂層的組成元素與輔助源引入反應(yīng)系統(tǒng)的第二輔助元素的混合物形成第二層涂層228；從第二層涂層的組成元素與輔助源引入反應(yīng)系統(tǒng)的第三輔助元素的混合物形成第三層涂層230。取決于用途，可制備具有預(yù)定的材料組成的任何數(shù)量的涂層。
這表明了反應(yīng)系統(tǒng)的靈活性與可控性的一個方面，即，在這種情況下，只需通過按順序把不同的輔助元素引入反應(yīng)系統(tǒng)就能很容易地確定所制備涂層的性質(zhì)和組成。在下面的討論中會很明顯地看到，本發(fā)明的技術(shù)有很多另外的特征，這些特征允許在改善材料組成以及制備涂層方面有高度的可控性和選擇性。
能量源(圖3)圖3示意性地說明了根據(jù)本發(fā)明的表面處理系統(tǒng)300的工作原理。三個分開的不同的激光器312，314，316，每個都通過各自的光束傳輸系統(tǒng)(BDS)322，324和326把一束光射向基體302的表面304上。如圖中所示，射出的光束聚集于基體的選擇區(qū)域330上，表明能夠處理基體表面的一個選擇區(qū)域(每個區(qū)域都比整個表面小)。為了處理基體的整個表面，(a)選擇區(qū)域(330)必須等于或大于基體表面的總表面面積，或者(b)必須提供一種能導(dǎo)致基體與光束之間相對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，從而在貫穿基體的整個表面上“掃描”選擇處理區(qū)域。該圖中表明基體可在箭頭332指示的方向上相對于光束運(yùn)動，從而使光束聚集的選擇區(qū)域在用箭頭334表示的相反方向上移動以便表面處理大于基體的選擇區(qū)域的面積。在本發(fā)明最從屬的領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員會明白，可隨時用不同的機(jī)器人的/自動化的/定位的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這樣的基體與光束之間的相對運(yùn)動，并且可以用任何適宜(所需)的方式控制掃描路徑。例如，可把基體302放在定位機(jī)構(gòu)中，例如一個多軸自動裝置的終端操縱器(例如x，y，z)，這種情況下有可能在任意x，y，z方向上移動基體，這在處理復(fù)雜幾何形狀的基體和/或多表面基體時是很有用的。對于平面基體，由于具有基本上平的表面，可以用簡單的機(jī)構(gòu)例如x-y定位點(diǎn)來移動基體。然而，對于特殊用途可能必須要控制另外的配置包括控制光束的焦點(diǎn)和角度。一個在本發(fā)明最從屬的領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員會容易明白這樣的光束掃描本身可能在計(jì)算機(jī)控制下(用合適的檢流計(jì)等)實(shí)施，并可編成程序以便遵循任何所要的路徑，在基體表面的任何部分區(qū)域停頓任意所需的時間，并且還能選擇地控制能量水平和焦點(diǎn)。對于一定的用途可能既需要具有掃描光束的儀器，又需要具有多軸基體定位機(jī)制以便獲得所需結(jié)果。用機(jī)器人型機(jī)構(gòu)給基體提供運(yùn)動的一個優(yōu)點(diǎn)是可以用相同的機(jī)器人機(jī)構(gòu)采集(收入)基體進(jìn)行表面處理并在表面處理后放下(送出)基體。一個在本發(fā)明最從屬的領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員會隨時明白這樣的基體運(yùn)動可在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)施，并可編成程序以便光束遵循任何所要的路徑，在基體表面的任意部分區(qū)域停頓任意所需的時間。
通過插入適宜的已知光學(xué)元件可以使激光能量源312，314，316在光束路徑上聚焦，漫射，聚集，散射；傳輸或類似功能，并且可通過計(jì)算機(jī)數(shù)字控制進(jìn)行控制。這樣的光學(xué)元件一般表示為光束傳輸系統(tǒng)(BDS)322，324，326。
基體表面處理所用的三個激光器的每一個都對產(chǎn)生的整個反應(yīng)有作用，一般為·激光器的第一個312(激光器1)用來蒸發(fā)組成元素(產(chǎn)生汽相)，并斷開蒸發(fā)的組成元素內(nèi)的化學(xué)鍵。激光器的第一個優(yōu)選地是工作于例如192，248或308nm(納米)的準(zhǔn)分子激光器。這種準(zhǔn)分子激光器可用于蒸發(fā)許多組成元素的任意種。多數(shù)情況下，準(zhǔn)分子激光在使構(gòu)成元素蒸發(fā)和啟動基體表面上方的初步汽相反應(yīng)(PGR)方面起著唯一或主要的(主導(dǎo))作用。在某些情況下，準(zhǔn)分子激光器在這些方面的作用可由激光器中的另一個(例如314)給以支持。
·三個激光器中的第二個314(激光器2)主要用來驅(qū)動擴(kuò)散功能(例如步驟B)，并且也用來平衡熱氣體反應(yīng)和汽相反應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量。這種激光器優(yōu)選地是NdYAG激光，正常情況下起著對準(zhǔn)分子激光的主導(dǎo)作用的輔助作用(從某種方式說)。在某些情況(方案)下，該NdYAG激光器也幫助蒸發(fā)組成元素，特別是在明亮(反射)材料的范圍內(nèi)，在某些情況下該NdYAG激光器會起主導(dǎo)作用并由準(zhǔn)分子激光器給以支持(即，對于某些基體和所需的涂層材料，準(zhǔn)分子激光器和NdYAG激光器的作用會相互交換)。一般地，在既使用準(zhǔn)分子激光器又使用NdYAG激光器來啟動組成元素的蒸發(fā)和對反應(yīng)進(jìn)行平衡時，在這兩種激光之間存在著使反應(yīng)機(jī)制保持平衡的相互作用。在任何情況下使用這兩種激光器保持反應(yīng)的進(jìn)行是有利的。例如，在需要制備金剛石涂層時，具有較大功率和脈沖能力的準(zhǔn)分子激光一般在啟動汽相反應(yīng)方面起主導(dǎo)作用，而NdYAG激光器起輔助作用。
·三個激光器中的第三個316(激光器3)，優(yōu)選地為Co2激光器，用來平衡在基體表面上方發(fā)生的熱、物理、氣體和化學(xué)反應(yīng)。Co2激光器的主要作用是提供熱補(bǔ)償以及在反應(yīng)后的氣體內(nèi)防止出現(xiàn)較大的熱梯度。Co2激光器也為氣體反應(yīng)提供了最低溫度補(bǔ)償并使反應(yīng)溫度有偏差。Co2激光器也在基體表面發(fā)生的反應(yīng)與基體表面上方發(fā)生的氣體反應(yīng)之間提供了最佳協(xié)同作用。在一定情況下(即，對于一定的基體材料)，Co2激光器也用來啟動反應(yīng)(即，對于這項(xiàng)功能接替準(zhǔn)分子激光器的主要作用)。
雖然圖3中所示激光是從不同的角度把各自的光束射向基體的選擇區(qū)域330(在點(diǎn)330上聚集)，但本發(fā)明的范圍也包括光束同軸射向反應(yīng)區(qū)。一般地，由于三種激光器的最佳協(xié)同作用，它們應(yīng)都射向基體上的相同點(diǎn)(330)。
輔助源(圖4)圖4說明了一種特別適用于引入一種或多種輔助元素的表面處理系統(tǒng)400。該圖中，三個激光器(例如圖3中的三個激光器312，314，316)表示為一個(組合的)通過一個光束傳輸系統(tǒng)(BDS)412傳輸它們的光束的元件410。光束射向基體402(相對302)的表面404(相對304)的選擇區(qū)域430(相對330)上，箭頭432和434(相對332和334)表示出光束(們)與基體402之間的相對移動。在圖4的表面處理系統(tǒng)400中，也提供有至少一種輔助源(輔助源1)420。如輔助源422(輔助源N)所示，可以有許多輔助源(“N”種)。這一種或多種輔助源把相應(yīng)的一種或多種輔助元素引反應(yīng)系統(tǒng)(基體的組成元素被認(rèn)為是反應(yīng)的主要源)，輔助元素可以是氣體、蒸氣、粉末或其它適宜的形式從而增大緊接近基體表面上方的反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)。輔助元素適宜地由一個能夠把輔助元素流射向反應(yīng)區(qū)的噴嘴(噴口)提供，以便輔助元素(們)對被激光光束驅(qū)動的反應(yīng)起作用。最好是輔助元素(們)射向有激光光束入射的基體上的同一區(qū)域(430)，但也有可能把輔助元素射向基體的另一選擇區(qū)域，或者簡單地用輔助元素(們)“淹沒”基體(即基體的整個表面)。通過把輔助元素引入反應(yīng)，可以象例如圖1的工藝流程圖中的步驟E所述那樣在基體表面上制備涂層。
輔助元素可以用任何若干已知手段引入到反應(yīng)系統(tǒng)，例如噴霧、彌散、淀積、消融或任何其它已知手段，并能以任何適當(dāng)形式引入，例如液態(tài)、氣態(tài)、固態(tài)、等離子體、粉末等等。
例如，可以用一種壓力噴嘴(噴口)把氣體輔助元素引入反應(yīng)系統(tǒng)，該噴嘴設(shè)計(jì)成在另一種(如，惰性)氣體的包圍下將氣體輔助元素傳送，該氣體通過噴嘴(噴口)排出的氣體的螺旋控制的旋流使輔助元素的輸送集中(定向)。這種方式中，輔助元素可以與入射能量束一樣射向基體的同一選擇區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，氣體輔助元素(SS)及包圍(保護(hù))氣體(SG)都可作為反應(yīng)中的輔助元素。對于不需要輔助源的工藝(見，例如上面所述的工藝流程圖中的步驟C、F和H)，輔助元素也可選擇作為一種“保護(hù)”(與環(huán)境隔開，不需使用真空)，這種情況下輔助元素(和包圍氣體)可以是一種清潔的或惰性的氣體。取決于處理，可能不需保護(hù)功能。
噴嘴設(shè)計(jì)(圖5，5A和5B)圖5說明了一個適于把氣體輔助元素(來自一輔助源)引入到反應(yīng)系統(tǒng)的噴嘴500的一個實(shí)施例。在這個實(shí)施例中，噴嘴500適于引入三種不同氣體——?dú)怏w輔助元素(SS)，保護(hù)氣體(SG)和緩沖氣體(BG)。
噴嘴500是環(huán)狀的，具有環(huán)形體部分508和中軸開口506。使用時，噴嘴500置于正進(jìn)行處理的基體(襯底)表面上方。如圖所示，三個激光光束E1，E2，和E3可穿過噴嘴的中軸開口射向基體。
在這個噴嘴實(shí)施例500中，保護(hù)氣體(SG，例如氮?dú)?通過噴嘴的下(最靠近基體表面)入口530引入，在貫穿噴嘴體的環(huán)狀流道532中環(huán)流，并通過出口534噴射到噴嘴的中心開口(內(nèi)徑)。輔助源(SS，例如二氧化碳)通過噴嘴的中入口520引入，在貫穿噴嘴體的環(huán)狀流道522中環(huán)流，并通過出口524噴射到噴嘴的中心開口。由于輔助源是在保護(hù)氣體的上方(如所見)噴出，它處于被激光能(E1，E2，E3)使其反應(yīng)和被保護(hù)氣體包圍(環(huán)繞)的位置。緩沖氣體(BG)，類似于敏化劑，可以與輔助源一起例如在其上方(如所見)引入。選擇緩沖氣體(必要時)以便幫助把能量從激光光束傳遞給輔助源，并在分解輔助源時起緩沖劑的作用。如圖所示，緩沖氣體通過噴嘴的上入口510引入，在貫穿噴嘴體的環(huán)狀流道512中環(huán)流，并通過出口514噴射到噴嘴的中心開口。由于緩沖氣體是在輔助源的上方(如所見)噴射，它處于吸收激光能量(E1，E2，E3)以便下一步傳遞給輔助源氣體的位置。噴嘴500置于基體上方距離為“h”的位置，該距離是為氣體反應(yīng)能在噴嘴和襯底之間基本完成提供充足的時間(即，傳播速度確定距離)而確定的。
圖5A和5B描述了用于向處理系統(tǒng)輸送輔助源(SS)和保護(hù)氣體(SG)的一個噴嘴550的替代、優(yōu)選(例如，用來在碳化鎢基體上制備金剛石涂層)的實(shí)施例，它與圖5所示的實(shí)施例500大概相似處在于噴嘴是環(huán)狀的并具有一個中心開口，通過中心開口激光光束(在圖5B中以單箭頭標(biāo)記“光束”顯示)能透過氣體射向被表面處理的基體的表面。在這個實(shí)施例中，噴嘴構(gòu)造為兩個平的環(huán)狀噴嘴體552和554的“三明治結(jié)構(gòu)”，一個噴嘴體(552)置于另一個(554)上面。上噴嘴體552具有一個入口561用來接收輔助源氣體(SS)，一個用于環(huán)流輔助源氣體的環(huán)狀流道562均勻地(在流體動力學(xué)的意義上)貫穿上噴嘴體和許多位于噴嘴體552的內(nèi)徑(ID)附近的出口564。如在圖5A中更清楚地看到，出口是相對于噴嘴體的軸切向射出以便把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(例如，圖5A中所看到順時針轉(zhuǎn)動)賦予噴射的輔助源氣體。如在圖5B中更清楚看到，輔助源氣體優(yōu)選地從噴嘴體552相對于噴嘴平射出(在同一平面)。這樣能使輔助源氣體盡可能接近入射激光光束能(光束)，以便輔助源氣體的反應(yīng)馬上開始。從下面的討論中很明顯，噴嘴550置于基體表面上方足夠距離的位置(“h”，見例如圖7)以允許發(fā)生所要的輔助源氣體的反應(yīng)。如圖5B中所示，保護(hù)氣體(SG)通過下噴嘴體554內(nèi)的入口580引入，在貫穿下噴嘴體554的流道582內(nèi)環(huán)流，并通過許多出口584噴射到噴嘴體內(nèi)的開口。兩個噴嘴體554和552內(nèi)的開口是同心的，并優(yōu)選地尺寸相互一樣。如在圖5B中更清楚地看到，保護(hù)氣體的出口584是朝下射向(如所見)處理的基體。出口584也應(yīng)相對于噴嘴體的軸切向射出以便把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(例如，圖5A中所看到的順時針轉(zhuǎn)動)賦予噴射的輔助源氣體。這樣將產(chǎn)生保護(hù)氣體的“旋轉(zhuǎn)渦流”(用線590表示)該渦流將包圍輔助源并把它射向基體。為了加工噴嘴體552和554的簡單化，流道562和582被加工為伸展進(jìn)各自噴嘴體下表面(如所見)的槽。下噴嘴體554的上表面封閉住上噴嘴體552內(nèi)的槽(流道562)，而一個簡單的具有中心開口的環(huán)狀平板592封閉住下噴嘴體554內(nèi)的槽(流道582)。
預(yù)處理(圖6A、6B)一般地，對所要涂敷的表面進(jìn)行準(zhǔn)備是有益于基體的。表面上可能存在研磨痕跡和雜質(zhì)，并應(yīng)除掉它們。拋光和化學(xué)侵蝕是已知的用于進(jìn)行預(yù)處理的工藝。一般地，基體的化學(xué)侵蝕需要使用危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)，并造成有毒廢物，每一種都對涂敷基體的系統(tǒng)引入了附加的復(fù)雜性。另外，每種基體組成將需要其自己的化學(xué)物質(zhì)來進(jìn)行這樣的侵蝕。根據(jù)本發(fā)明，為了制備一個涂層，可使用為制備涂層已經(jīng)就位的相同的激光準(zhǔn)備不同類型的基體。
根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，表面處理系統(tǒng)(例如，300)不但能用來進(jìn)行基體的表面處理，而且也能用來進(jìn)行預(yù)處理。一般地，這是一個控制相對于氣體的激光的工藝參數(shù)的問題。
圖6A和6B說明了怎樣和本發(fā)明的表面處理工藝一起對基體進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理工藝能夠在圖1所述的表面處理工藝之前(即，與其分開)進(jìn)行或者一起進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的預(yù)處理技術(shù)能用來作為“前驅(qū)體”以便為任何下一步的涂敷工藝表征基體表面，包括CVD和類似技術(shù)。
一般地，通過如圖6A中所示的實(shí)例，碳化鎢基體602具有被鈷632包圍并覆蓋的碳化鎢晶粒630。如上所述，當(dāng)在基體上制備金剛石涂層時，鈷的存在多少有點(diǎn)問題。當(dāng)鈷存在于基體表面時尤其麻煩。根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，必要時能夠誘導(dǎo)這種基體的表面化學(xué)性質(zhì)變化。例如，碳化鎢基體的化學(xué)性質(zhì)能被改變成表面為穩(wěn)定的氮化鈷的性質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，基體的預(yù)處理方式是利用激光的一種(例如準(zhǔn)分子激光)把鈷(以及一些碳化鎢)從基體表面消融掉，從而暴露出碳化鎢晶粒634，并進(jìn)行在下面有更詳細(xì)描述的其它重要的冶金功能。另外，也能使鈷起反應(yīng)生成穩(wěn)定的氮化鈷。能消融掉鈷并且也能使一些WC和Co起反應(yīng)生成穩(wěn)定的氮化碳或氮化鈷。必要時在預(yù)處理過程中能引入氮以便生成氮化鈷從而改變基體的表面化學(xué)性質(zhì)，生成穩(wěn)定的氮化鈷或氮化碳以幫助晶體取向，得到更多的100晶面的金剛石。在現(xiàn)有技術(shù)中，典型地首先生長CBN以便為下一步的1-0-0晶面金剛石的生長準(zhǔn)備基體表面。
圖6B是已預(yù)處理過的碳化鎢基體(602)，如圖所示，預(yù)處理工藝也產(chǎn)生所需的碳化鎢晶粒尖峰的圓滑。在這種方式下(即通過預(yù)處理要被表面處理涂敷的基體)，出現(xiàn)了各種優(yōu)點(diǎn)。能把表面的鈷量降至最低或去除掉，能從表面去除研磨痕跡和雜質(zhì)，并且能控制和改良所暴露的碳化鎢的結(jié)構(gòu)。一般地，通過在進(jìn)行表面處理(例如涂敷)工藝之前進(jìn)行這樣的預(yù)處理工藝，可賦予要處理的基體表面已知的(例如，穩(wěn)定，可重復(fù))特性，從而能更好地控制下一步的表面處理工藝。如圖6B中所示，在延伸深度為“d”的亞表面區(qū)內(nèi)已去除掉鈷。一般地，這是上面所述的轉(zhuǎn)變區(qū)的前驅(qū)體。下面所述的圖11A和11B，也描述了預(yù)處理工藝。下面所述的實(shí)例中給出了工藝參數(shù)的其余詳細(xì)情況。
除了暴露和圓滑碳化鎢晶粒之外，本發(fā)明的預(yù)處理工藝能在基體表面內(nèi)產(chǎn)生冶金性質(zhì)的變化。例如(同樣，在鈷——燒結(jié)碳化鎢基體的情況下)，能形成具有1，0，0晶向的金剛石，它為下一步在基體表面上制備金剛石(或DLC)涂層提供了最好的成核點(diǎn)。同樣，這與涂敷基體所用的技術(shù)無關(guān)，并適用于CVD工藝及類似工藝。然而，很明顯，使用本發(fā)明的涂層制備工藝將產(chǎn)生最佳協(xié)同效果和指數(shù)結(jié)果，因?yàn)橥瑯拥募す庠O(shè)備既用于基體的預(yù)處理(準(zhǔn)備，表征)也用于基體的處理(在其上制備涂層)，另外(同樣，在鈷——燒結(jié)碳化鎢基體的情況中)，本發(fā)明的預(yù)處理工藝有利地形成了碳＋氮化物＋氮化鈷的復(fù)合體或者在碳化鎢的峰之間的谷內(nèi)形成規(guī)定的晶向，它們都很適用于下一步的涂敷(或用于涂層的同時制備)。
表面處理和預(yù)處理系統(tǒng)(圖7)上面已說明了總工藝流程(圖1)，三個激光器的使用(圖3)，輔助源的引入(圖4，5，5A，5B)以及預(yù)處理(圖6A，6B)。
圖7說明了一個完整的表面處理系統(tǒng)700，它可進(jìn)行圖1所描繪的工藝步驟的所有組成部分，利用相應(yīng)圖3描述的三激光器工藝，包含相應(yīng)圖4討論的引入一種或多種輔助源，具有例如相應(yīng)圖5A和5B所描述的一個優(yōu)選噴嘴構(gòu)造，并適于進(jìn)行相應(yīng)圖6A和6B所描述的預(yù)處理。
表面處理系統(tǒng)700包括三個激光器；一個紫外準(zhǔn)分子激光器(激光器1)712，一個紅外NdYAG激光器(激光器2)714和一個紅外Co2激光器(激光器3)716。每種激光器發(fā)射的光束都穿過噴嘴722的開口射向基體702的表面。噴嘴722的軸723優(yōu)選地垂直(為90°)于基體702的表面。準(zhǔn)分子激光器712以第一個角度“θ1”射向基體表面。NdYAG激光器714以第二個角度“θ2”射向基體表面。Co2激光器716以第三個角度“θ3”射向基體表面。在本發(fā)明的一個示范性的實(shí)施例中，第一個角度θ1＝0°(平行于噴嘴軸)，第二個角度θ2＝-30°，而第三個角度θ3＝+30°。然而，本發(fā)明的領(lǐng)域包括三種激光光束同軸地或互相平行地(θ1，θ2，θ3＝0°)穿過噴嘴的開口射出。噴嘴722位于基體702的表面上方相隔距離“h”的位置。
氣體輔助源(SS)720(例如，含碳?xì)怏w，比如二氧化碳)通過噴嘴722提供，保護(hù)氣體(SG)724(非反應(yīng)氣體或惰性氣體，例如氮?dú)猓?，氬氣，?通過噴嘴提供。一般地，三種激光光束以上面相應(yīng)圖3所討論的方式穿過噴嘴射向基體，聚集在基體702的選擇區(qū)域。然而，本發(fā)明的領(lǐng)域包括三個激光光束的尺寸能夠使每束光束完全覆蓋基體表面(選擇區(qū)域包含基體的整個表面)。在該例中，基體是具有尺寸“x”和“y”的長方形基體，在表面處理期間沿Y軸方向移動(箭頭732)。
使用中，隨著氣體(720，724)的開通，在噴嘴的下方(如所見)，緊靠近基體702表面的上方形成了等離子體(該圖未表示出，見圖8)。如上所述，在等離子體中輔助源與蒸發(fā)的組成元素一起被轉(zhuǎn)變以便在基體表面上制備涂層。
一般地準(zhǔn)分子激光器712的作用是進(jìn)行表面消融，分解輔助源(SS)并為在基體表面上鍵合和生長(制備)涂層啟動合成反應(yīng)；NdYAG激光器714輔助準(zhǔn)分子激光器分解輔助源并在擴(kuò)散中起主要作用；而Co2激光器716幫助維持等離子體內(nèi)和基體上的反應(yīng)的熱平衡。有了這些概念，雖然最好是所有三種激光都通過噴嘴，但本發(fā)明的領(lǐng)域包括Co2激光器716的光束可不通過噴嘴的開口射向等離子體。
基體支座和扁平等離子體(圖8)圖8說明了用來支撐被處理基體的裝置以及表面處理工藝中所產(chǎn)生的等離子體(“等離子體”)的優(yōu)選形狀。
本發(fā)明的一個明顯優(yōu)點(diǎn)是它能夠形成緊挨著被處理基體表面的扁平等離子體。另外，這種扁平等離子體能包裹基體的角；并且有利于在圓形刀具例如鉆頭上制備涂層。一般地，該等離子體把輔助元素輸送到基體表面，并確?；w的局部對集中加熱。
在該例中，基體802置于支座804上，支座具有的鈕扣狀凸臺808從其上(如所見)表面向上延伸。凸臺808優(yōu)選地面積小于被支撐基體的面積，并且基體同心地置于凸臺上。穿過支座804的真空管道810適于把基體“吸”(固定)到支座上，并很適于在生產(chǎn)環(huán)境中自動操縱基體。
圖8中所示的由例如相應(yīng)圖7所述的表面處理系統(tǒng)產(chǎn)生的等離子體是一種“扁平”等離子體，這在于它一般與基體表面在同一平面內(nèi)并且具有可控的最小豎直(如所見)長度。通過產(chǎn)生扁平等離子體，能很好地控制蒸發(fā)后的組成元素(來自基體)和輔助元素(來自輔助源)的反應(yīng)，并把反應(yīng)局限在要處理的基體的表面。
扁平的(壓扁的)等離子體形狀及其與基體表面的緊密接觸的優(yōu)點(diǎn)在于它允許在基體表面上直接制備(生長)涂層。換句話說，扁平等離子體與基體表面相互作用。這與CVD系統(tǒng)和形狀象高圓柱的等離子體明顯不同。涂敷象“雨”一般下落在基體表面上，并且它允許相當(dāng)高的涂敷基體的涂敷速率。
本發(fā)明的一個顯著優(yōu)點(diǎn)來自于能形成的扁平等離子體，并且真空吸盤有助于形成這種扁平等離子體。另外，如圖8中所示，可以使本發(fā)明的工藝產(chǎn)生的等離子體包裹被處理基體的棱角。通過提供許多輔助的穿過支座的真空管道812可增強(qiáng)等離子體的這種包裹(基體棱角)的效果，只要這些管道的出口露在凸臺808以外但還在基體下方面積之內(nèi)的支座上表面上。作用為把基體固定到支座上的同一(或另一)真空將增大(增強(qiáng))等離子體包裹基體的棱角的效果。
電激光和等離子體的組合實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)機(jī)制可分類為“熱解”和“光解”。一般地，在熱解機(jī)制中激光的作用為(a)在要制備涂層的表面上局部加熱基體以誘導(dǎo)熱反應(yīng)，(b)另一方面，激光被在開始已激活為非離解狀態(tài)的反應(yīng)劑吸收。能量釋放后，反應(yīng)劑氣體能離解從而形成薄膜，(c)同時加熱基體和氣體，(d)當(dāng)激光直接加熱基體時，其表面附近的氣體通過擴(kuò)散和對流機(jī)制被加熱和離解。
一般地，在光解機(jī)制(或光化學(xué)工藝)中，激光(們)的作用是不需顯著加熱氣體或基體表面就能離解汽相或表面吸附的分子從而生成淀積原子或中間產(chǎn)物?？赏ㄟ^吸收一個紫外光子或者吸收幾個可見光或紫外光子激發(fā)電子躍遷從而發(fā)生激光激發(fā)。在后一種情況下，發(fā)生吸收的方式可以是以如在多光子吸收中的一致方式或者是以實(shí)際上可能涉及光子被中間產(chǎn)物吸收的順序方式。光解產(chǎn)物可進(jìn)一步被熱解工藝所離解。
一般地，準(zhǔn)分子激光器的輸出可以有效地被二氧化碳(例如，來自輔助源)吸收，它引起光化學(xué)反應(yīng)分裂C-O鍵從而生成金剛石膜或活性中間產(chǎn)物。由于二氧化碳對于NdYAG激光器的輸出是基本透明的，因此NdYAG激光器的輸出主要被準(zhǔn)分子激光器所產(chǎn)生的反應(yīng)中間產(chǎn)物和基體或一些覆蓋基體的膜吸收。
對系統(tǒng)進(jìn)行控制(圖9)圖9示意性地說明了一個完整的表面處理系統(tǒng)900(類似于系統(tǒng)700)。基體902置于噴嘴(為便于說明，已從該圖中略去)下方，來自激光器910的能量射向襯底以便在基體表面內(nèi)和緊靠近基體表面的上方產(chǎn)生反應(yīng)(包括形成扁平等離子體)，從一種或多種輔助源920引入一種或多種輔助元素以增大發(fā)生在基體上的反應(yīng)，基體能通過多軸定位機(jī)構(gòu)930(例如，多軸機(jī)器人)轉(zhuǎn)動，這些元件的運(yùn)行可通過控制器940(如一個適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī))控制。重要的是系統(tǒng)能對激光器(910)的計(jì)時(例如開通和關(guān)斷的次序)以及不同激光器輸出的脈沖之間的關(guān)系進(jìn)行控制。
實(shí)施例下面是利用例如相應(yīng)圖7所述的表面處理系統(tǒng)預(yù)處理碳化鎢基體和制備金剛石涂層的實(shí)施例。
在任何這樣的工藝中當(dāng)然有許多變量使工藝“配方”從一種基體類型(例如材料，幾何形狀，尺寸)到另一種而有所不同。正如在Kabacoff專利(5,176,788)中恰當(dāng)指出的那樣，這種工藝伴隨的變量眾多、復(fù)雜并相互關(guān)聯(lián)，使得計(jì)算或估計(jì)十分困難。一般地，一種很好的途徑是在參數(shù)的合理范圍內(nèi)試用不同的工藝參數(shù)，觀察所得的結(jié)果，并依經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化工藝。
一般地，根據(jù)本發(fā)明，在基體上制備涂層的系統(tǒng)包含有三個激光器，每一個都有其自己的光束傳輸系統(tǒng)(BDS)，使用一種能輸送在保護(hù)氣體(SG)包圍下的輔助源(SS)的噴嘴，并且在基體表面上產(chǎn)生扁平等離子體。更確切地，當(dāng)在碳化鎢基體上制備金剛石涂層時，可以用任何適宜于在基體上形成涂層的技術(shù)對基體為下一步的涂敷進(jìn)行預(yù)處理，包括本發(fā)明的技術(shù)，或者可以進(jìn)行完整表面處理工藝包括一個預(yù)處理階段和一個涂敷階段。
在下面的實(shí)施例中，一個平的碳化物切削刀片基體被預(yù)處理，或者被處理(預(yù)處理及涂敷)以便具有一層金剛石(或DLC)涂層。為了簡單化，假定整個基體被處理一次(即光束具有足夠大的尺寸以“淹沒”基體整個表面積)，使用相應(yīng)圖7和圖9所述的表面處理系統(tǒng)。
圖10是說明為下一步制備涂層(或者用CVD工藝或類似工藝淀積涂層)而對基體進(jìn)行預(yù)處理的工藝的工藝計(jì)時圖。
圖10A是描述同時(在原位)預(yù)處理基體和制備涂層的工藝的工藝計(jì)時圖。
圖11A是說明在這種預(yù)處理之前碳化鎢切削刀片(基體)的表面的顯微照片。而圖11B是圖11A的碳化鎢基體在預(yù)處理后的顯微照片。如圖11A所示基體表面充滿研磨痕跡和雜質(zhì)。如圖11B所示基體表面去除了研磨痕跡和雜質(zhì)，并且在鈷的峰谷中暴露出碳化鎢晶粒(與圖6B相比)。
如圖10所示，本發(fā)明的預(yù)處理工藝涉及只使用準(zhǔn)分子激光，并且消融的鈷適宜地被氮保護(hù)氣去除，適宜地通過噴嘴(550)引入氮保護(hù)氣體，但它也可通過另一種簡單的噴嘴(未畫出)穿過基體表面引入。
圖10A是說明在一個包括預(yù)處理階段和涂層制備階段的完整的表面處理工藝中的激光和輔助氣體及保護(hù)氣體的相互配合情況的工藝計(jì)時圖。
一般地，如圖10A所示三個激光器(一個準(zhǔn)分子激光器，一個NdYAG激光器和一個CO2激光器)和兩種氣體(CO2為輔助源，N2為保護(hù)氣體)一齊運(yùn)行以便分兩“階段”進(jìn)行表面處理——預(yù)處理階段和涂敷階段。圖10是一個說明這些組分的每一個開通和關(guān)斷的時間的圖。計(jì)時圖上的數(shù)字(例如，“0”，“12”，“25”等)表示秒。
如相應(yīng)圖6A和6B所討論的，本發(fā)明的表面處理系統(tǒng)可適宜地用于進(jìn)行基體的預(yù)處理。
圖10說明了一個“P0”與“P1”之間的時間間隔內(nèi)持續(xù)了大約20秒的預(yù)處理預(yù)階段，在該階段中基體只被準(zhǔn)分子激光器(例如712)預(yù)處理以便為下一步的處理準(zhǔn)備基體表面。
如圖10所示，在預(yù)處理過程中，氮?dú)?保護(hù)氣)也被開通以便把消融的材料(鈷，氧化物)運(yùn)離基體。優(yōu)選地，在準(zhǔn)分子激光關(guān)斷后仍讓氮?dú)忾_通一短暫時間(從“P1”到“P2”)以確保完全從基體表面去除消融材料。
如圖10A所示，可將預(yù)處理與涂層制備結(jié)合來進(jìn)行表面處理技術(shù)。圖中，在時間“t0”時表面處理開始。在以時間“t0”延續(xù)到時間“t5”的整個表面處理工藝過程中，準(zhǔn)分子激光器(例如712)，輔助源(例如720)和保護(hù)氣體(例如724)被開通。
一般地根據(jù)上面提出的參數(shù)，準(zhǔn)分子激光器在整個表面處理工藝(“t0”到“t5”)過程中都運(yùn)行。然而，準(zhǔn)分子激光器的輸出可在涂敷階段改變?yōu)椤霸诳罩小?，尤其為了啟動預(yù)處理(在“t0”與“t1”之間的間隔)和消除來自可于時間“t3”關(guān)斷的NdYAG激光器的“放松”(后面有討論)。在表面處理過程中，準(zhǔn)分子激光器適宜地工作在450mJ和脈沖頻率280Hz下。
如圖10A所示，沒有必要馬上在“t0”開通NdYAG激光器(例如714)。相反，可把它開始進(jìn)入工藝(涂敷階段)的時刻延遲一段短暫的時間(例如，5秒)。一般地，在這段只有準(zhǔn)分子激光器的時間過程中(“t0”到“t1”)，能夠預(yù)處理基體的導(dǎo)角區(qū)(例如，參見圖12B)。類似地，NdYAG激光器沒有必要參與整個涂敷階段，它可在時間“t3”時提前退出，大約比關(guān)斷準(zhǔn)分子激光器提前10(例如12)秒。
類似地，如圖10A所示，沒有必要馬上在“t0”時開通CO2激光器(例如716)。相反，可把它進(jìn)入工藝的時刻延遲一段短暫的時間(例如，12秒)。類似地，CO2激光器沒有必要參與整個處理過程，它可在時間“t4”時提前退出，大約比關(guān)斷準(zhǔn)分子激光器早5秒。
更詳細(xì)地1第一個激光器準(zhǔn)分子激光器在表面消融和斷開輔助源(例如，CO2)內(nèi)的化學(xué)鍵方面起著主要的作用，并且具有下列光束傳輸參數(shù)a.波長為192nm，248nm或308nm(納米)，在紫外波長范圍，優(yōu)選地為248nm；b.功率輸出最高達(dá)200W(瓦特)，優(yōu)選地為100W(對于圓形刀具可以使用小一點(diǎn)的功率，例如75W)；c.脈沖能最高達(dá)500mJ(毫焦)，優(yōu)選地為450mJ；d.脈沖列頻率(重復(fù)頻率)最高達(dá)300Hz(赫茲)，優(yōu)選地為280Hz；e.能量密度最高達(dá)30mJ/mm2，優(yōu)選地為25mJ/mm2；f.脈沖寬度(持續(xù)時間)最高達(dá)26ns(納秒)，優(yōu)選地為18ns；g.光束形貌——矩形；以及h.偏差——3.5毫弧度(mrad)準(zhǔn)分子激光器的光束傳輸系統(tǒng)(BDS)包含一個矩形透鏡以便傳輸具有尺寸1mmx1/2英寸的矩形光束(聚焦的)，并且透鏡置于沿噴嘴軸線離噴嘴大約18英寸的上游(向著激光器)。
在只進(jìn)行預(yù)處理(例如，圖6B)時，準(zhǔn)分子激光器在350-380mJ，脈沖頻率220-250Hz，100瓦特的參數(shù)下開通20秒，并進(jìn)行表面消融(去除表面痕跡和雜質(zhì)，從襯底的表面區(qū)域去除鈷)。
當(dāng)進(jìn)行完整的表面處理時(即，包括預(yù)處理和涂敷階段)，準(zhǔn)分子激光器在450mJ；脈沖頻率280Hz100瓦特的參數(shù)下開通45秒，并且(i)使輔助源(CO2)起反應(yīng)并斷開其鍵，(ii)啟動鍵合和生長的合成反應(yīng)。
2.第二個激光器NdYAG激光器在擴(kuò)散功能上起著主要作用，它適宜地具有下列光束傳輸參數(shù)a.波長為1.06微米(E-6秒)，在紅外波長范圍；b.功率輸出最高達(dá)1500瓦特(W)，優(yōu)選地為1000W；c.脈沖能最高達(dá)150焦?fàn)?J)，優(yōu)選地為50J；
d.脈沖列頻率；連續(xù)波(CW)，猝發(fā)方式或Q開關(guān)最高達(dá)1000Hz(赫茲)，優(yōu)選地為120Hz；e.脈沖寬度(持續(xù)時間)最高達(dá)20ms(毫秒)，優(yōu)選地為1ms；f.光束形貌——圓形；以及g.偏差55mrad。NdYAG激光器的光束傳輸系統(tǒng)(BDS)包含一個圓形透鏡以便傳輸具有半徑1/2英寸的圓形光束(漫射的)，并且透鏡置于與噴嘴軸的角度大約為-30°(在一個方向上的30°)離噴嘴約18英寸的上游(向著激光器)。
在只有預(yù)處理階段時，NdYAG激光器不工作。
在進(jìn)行完整的表面處理工藝時，包括預(yù)處理和涂敷階段，對于工藝的至少一部分(例如，見圖10A，“t1”到“t3”)NdYAG激光器是開通的。在準(zhǔn)分子激光器開通5秒后，NdYAG激光在脈沖頻率120Hz，1000瓦特的參數(shù)下開通35秒以便(i)輔助準(zhǔn)分子激光器斷開輔助源(CO2)內(nèi)的鍵和(ii)在擴(kuò)散鍵合方面起主要(或唯一)的作用。
3.第三個激光器CO2激光器在維持熱平衡方面起著重要作用，它適宜地具有下列光束傳輸參數(shù)a.波長為10.6微米，在紅外波長范圍；b.功率輸出在500-10000瓦特(W)的數(shù)量級，優(yōu)選地為2000W。
c.脈沖列頻率最高達(dá)25Hz，脈沖最高達(dá)25微秒，超脈沖頻率最高達(dá)20KHz(千赫茲)，超脈沖寬度高達(dá)500微秒；d.能量密度最高達(dá)0.32J/cm2；e.光束形貌——圓形；f.偏差——1mm/m；以及g.在脈沖流模式中，脈沖流持續(xù)時間最高達(dá)5秒。
CO2激光器的光束傳輸系統(tǒng)(BDS)包含一個圓形透鏡以便傳輸具有半徑1/2英寸的圓形光束(漫射的)，并且透鏡置于與噴嘴軸的角度大約為+30°(在與NdYAG激光器的方向相反的方向上的30°)離噴嘴約18英寸的上游(向著激光器)。
在只進(jìn)行預(yù)處理階段時，CO2激光不工作。
在進(jìn)行完整的表面預(yù)處理和涂敷工藝時，在準(zhǔn)分子激光器開通大約12秒(“t2”)后，CO2激光器在超脈沖頻率1.5KHz的脈沖方式，2000瓦特的參數(shù)下開通28秒，以便(i)在工藝過程中維持熱平衡(表面反應(yīng)與汽相反應(yīng)之間的最佳協(xié)同作用)。(ii)在工藝過程中改變吸收速率的變化。(iii)在1ns(納秒)的數(shù)量級下控制基體溫度。CO2激光器可在工藝結(jié)束前不久時關(guān)斷(例如，在“t4”時)。
4.光束傳輸系統(tǒng)光束傳輸系統(tǒng)(BDS)把激光光束傳輸至一表面處理“單元”(進(jìn)行表面處理的區(qū)域)，確定光束的橫截面和聚焦，并包含上面對三個激光器的每一個所描述的透鏡。適宜地，準(zhǔn)分子光束以矩形(截面)光束傳輸，而來自NdYAG和CO2激光器的光束以圓形(截面)光束傳輸。
5.保護(hù)氣體把輔助源(SS)從周圍環(huán)境(例如空氣)隔離開的保護(hù)(惰性)氣體(SG)適宜地為氮?dú)?N2)，它由噴嘴(例如550)以氣體形式輸送。
在只進(jìn)行預(yù)處理階段的過程中，氮?dú)馐窃陬A(yù)處理階段(0-20秒)以40sccm的流量引入。氮?dú)馊コ讼诘拟捇蜓趸?。在預(yù)處理階段結(jié)束時，氮?dú)馊员３至鲃痈郊拥膸酌腌娨源_保不需要的(例如，消融的)元素從基體表面完全沖走(流走)。
在一個完整的表面處理工藝過程中，氮?dú)庠谡麄€處理階段過程中(例如，45秒，這時準(zhǔn)分子激光器被開通)以25sccm的流量引入。在工藝過程中，氮?dú)夥€(wěn)定并保護(hù)(即，從周圍環(huán)境)工藝。一般地，保護(hù)氣體(例如氮?dú)?的目的是防止生成剩余氧化物(防止與周圍環(huán)境中的氧結(jié)合)。氮?dú)獗Ｗo(hù)氣體的作用是(1)防止生成氧化物(2)使消融的鈷和/或碳化鎢從表面流走，以及(3)需要時生成氮化物(例如，氮化碳或氮化鈷)以便形成在1，0，0晶面的擇優(yōu)的金剛石晶向(例如參見圖11F)。
6.輔助元素含碳輔助源氣體(SS)優(yōu)選地為CO2，它由噴嘴以氣體形式輸送。其它含碳?xì)怏w也能用，但它們一般是有毒(例如CO)或易燃的(例如甲烷)。
在只進(jìn)行預(yù)處理階段的過程中，沒有必要引入二氧化碳?xì)怏w，因?yàn)椴恍枰o助源。
在進(jìn)行完整的表面處理工藝過程中，二氧化碳?xì)怏w在整個處理階段(例如，45秒，此時準(zhǔn)分子激光器開通)的過程中以60sccm的流量引入。在工藝過程中，二氧化碳?xì)怏w離解(被激光)為作為增強(qiáng)涂層形成的輔助元素的碳元素。
7.噴嘴噴嘴是環(huán)狀的，具有許多位于其內(nèi)徑附近的通道，并且位于基體表面上方大約6英寸處。選擇這樣的相隔距離“h”是為了使輔助元素在擴(kuò)散進(jìn)入基體和/或在基體表面上制備涂層之前離解和起反應(yīng)。
8.基體基體是長方形的碳化鎢切削刀片，尺寸為1/2英寸x1/2英寸。這種基體可含有94％的碳化鎢(W2C)與6％的鈷(Co)粘結(jié)相。鈷有向表面遷移的傾向，這種傾向?qū)χ苽浣饎偸?或類金剛石碳)涂層有不良影響。目標(biāo)是從表面(和亞表面區(qū))去除鈷，這是利用鈷比碳化鎢蒸發(fā)快的事實(shí)在預(yù)處理階段用準(zhǔn)分子激光進(jìn)行的。預(yù)處理之后，在基體表面暴露出碳化鎢晶體(晶粒)，并且在表面下，碳化鎢晶體與鄰近的Co粘結(jié)相生成所要的W2C-Co基元，表面上的碳化鎢與表面下的碳化鎢——鈷基元為下一步的金剛石生長(在涂敷階段過程中)提供了所需的成核地點(diǎn)。
表面處理工藝是在一個“現(xiàn)用的”由Kennametal(Latrobe，PA)生產(chǎn)的牌號“k68”切削刀片上進(jìn)行的，它具有92％的WC，2％的Ta(Nb)C和6％的Co，細(xì)晶粒尺寸，橫向斷裂強(qiáng)度2000N/mm2(牛頓/平方毫米)，密度14.9g/cm3(克/立方厘米)和HRA硬度92.7。
表面處理工藝也適用于，例如，一個“現(xiàn)用的”由Kennametal(Latrobe，PA)生產(chǎn)的牌號“K313”切削刀片，它具有93.5％的WC，0.5％的Cr3C2，和6％的Co，平均粒徑為1μm(微米)，橫向斷裂強(qiáng)度3000N/mm2(牛頓/平方毫米)，密度14.9g/cm3(克/立方厘米)，和HRA硬度93.0。
一般地，本發(fā)明的完整的表面處理工藝適用于任何“現(xiàn)用的”基體，而不需要處理前改良基體(例如，研磨，侵蝕等等)。
9.等離子體羽等離子體羽具有環(huán)繞基體截面的斜交形狀，并且基體優(yōu)選地橫穿等離子體羽以便涂敷基體的所需面積(例如，整個上表面)。
圖10B是準(zhǔn)分子激光器在三種(幾種中的)不同功率水平(1000W；87.5W；75W)下工作時的光速功率(P(w)，縱軸)對脈沖頻率(f(Hz)，橫軸)的曲線圖。如上所述，100W的功率適用于處理平切削刀片，75W的功率適用于處理圓形切削刀具。
圖10C是NdYAG激光器的程序數(shù)據(jù)的表列。每一程序編號(1-13)都有一組相應(yīng)的脈沖頻率，猝發(fā)時間，激勵脈沖能和最大頻率。
圖10D是CO2激光器的對應(yīng)于相應(yīng)圖10A所述的綜合參數(shù)的功率(縱軸)對時間(橫軸)的詳細(xì)輪廓圖。
參考這些圖10B、10C和10D(a)表面處理平切削刀片時，準(zhǔn)分子激光器是在功率輸出100W(瓦特)，脈沖持續(xù)時間400ms(毫秒)下工作，同時NdYAG激光器根據(jù)圖10C的表上的“程序編號4”的內(nèi)容工作而CO2激光器根據(jù)圖10D的輪廓圖工作，(b)表面處理平切削刀片時，準(zhǔn)分子激光器也能在功率輸出87.5W(瓦特)，脈沖持續(xù)時間350ms(毫秒)下工作，同時NdYAG激光器根據(jù)圖10C的表上的“程序編號11”的內(nèi)容工作而CO2激光器根據(jù)圖10D的輪廓圖工作。
(c)表面處理圓形切削刀片(如下面圖16A所討論的)時，準(zhǔn)分子激光器是在功率輸出75W(瓦特)，脈沖持續(xù)時間300ms(毫秒)下工作，同時NdYAG激光器根據(jù)圖10C的表上的程序編號(“程序編號”)11的內(nèi)容工作而CO2激光器根據(jù)圖10D的輪廓圖工作。
顯微照片與拉曼光譜分析圖11A，11B，11C，11D和11E的顯微照片與拉曼光譜分析涉及前面所提的在碳化鎢基體上制備金剛石涂層的例子。
圖11A是樣品(現(xiàn)有技術(shù))在表面處理之前的頂視顯微照片。如圖中所示一個現(xiàn)用的切削刀片具有研磨痕跡圖案(明顯地如圖中的斜線所示)并且也可能在表面上含有雜質(zhì)(明顯地如圖中的斑點(diǎn)所示)。如上面所指出的，最好進(jìn)行預(yù)處理以便除了消融鈷和暴露碳化鎢晶粒外，在涂敷前表征基體的表面。雖然與圖6A相關(guān)連，但圖11A更詳細(xì)表明了某些在表面處理現(xiàn)有基體中固有的困難。
圖11B是圖11A的樣品在根據(jù)本發(fā)明預(yù)處理之后的頂視顯微照片。如圖中所示，有許多碳化鎢“小山”1134(對應(yīng)于圖6B中的634)被鈷“谷”1132(對應(yīng)于圖6B中的632)包圍。在這種形式下，基體表面被預(yù)表征以便下一步進(jìn)行涂敷，碳化鎢小山作為下一步金剛石(或DLC)生長的限定成核點(diǎn)。
圖11C是樣品在根據(jù)本發(fā)明涂敷之后的頂視顯微照片。如圖中所示，在基體表面形成了許多基本均勻的金剛石晶體(在圖中其暴露部分看起來象金字塔狀結(jié)構(gòu))。
圖11D是對已處理樣品所做的拉曼光譜?？v軸是吸收，橫軸是波數(shù)。圖中很明顯看出在1332cm-1處有一尖(窄)峰。這表明涂層含有sp2結(jié)晶相的碳以及顯著數(shù)量的類金剛石碳。如上面所討論的，這種分析只是象征性的，并不說明涂層的“質(zhì)量”——質(zhì)量確定需用實(shí)際的切削試驗(yàn)來進(jìn)行。
圖11E是樣品根據(jù)本發(fā)明涂敷之后的側(cè)視(截面)顯微照片的說明。如圖中所示，過渡區(qū)1150從基體表面延伸到基體1152內(nèi)部的“d”深度，并且基體表面上明顯有厚度為“t”的金剛石(或DLC)涂層1154。在一個根據(jù)本發(fā)明表面處理過的樣品中，過渡區(qū)的深度經(jīng)觀測為10μm(微米)，金剛石(或DLC)涂層的厚度經(jīng)觀測為45μm。對于45秒的涂敷階段來說，這證實(shí)涂層生長速度在1μm/s(微米每秒)的數(shù)量級。
表明基體上進(jìn)行了本發(fā)明的表面處理工藝的“有說服力”的跡象是基體的過渡(擴(kuò)散)區(qū)1150內(nèi)明顯有復(fù)合碳化物(例如，對于處理一個碳化鎢切削刀片)、氮化碳和類似物的分散痕跡(人造跡象)1156。這個區(qū)1150也能稱為“不均勻組成層”。這些“根本”(涂層的)或類似特征(取決于所制備的涂層材料和下面的基體材料)實(shí)際上在經(jīng)本發(fā)明的表面處理工藝處理過的任何產(chǎn)物(基體)中都明顯，并能作為一種區(qū)分(證據(jù))用本發(fā)明工藝制備的產(chǎn)品與用其它(例如CVD)工藝制備的產(chǎn)品的人造跡象，尤其如果基體是具有金剛石或類金剛石碳涂層的碳化鎢基體。
在許多本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)中的一個優(yōu)點(diǎn)是在基體上制備金剛石涂層不需要“引晶”。由于局部加熱的本質(zhì)，總(整體)基體溫度能維持在30℃的低溫。
橫穿基體掃描如上所述，本發(fā)明的表面處理系統(tǒng)適用于處理基體的選擇區(qū)域(而不是一次整個表面)。一般地它是激光光束形貌(截面)的函數(shù)。通過適宜地選定光束的尺寸和形狀，選擇區(qū)域可覆蓋橫穿基體表面的整個“區(qū)”，并且基體能在處理過程中前進(jìn)以便基體的整個表面被處理。
如上面所指出的，三個激光器的光束可在被處理基體的選擇區(qū)域聚集，并且光束是通過各自的光束傳輸系統(tǒng)(見例如圖3中的文件322，324和326)傳輸?shù)?一般穿過一個氣體噴嘴)基體上。已確定能通過控制各個光束的形貌優(yōu)化工藝。
圖12A說明了來自三種激光器的光束聚集在基體1202的表面上。一般地，按照被處理基體的尺寸選擇和控制光束的截面。在該例中，對尺寸為“X”和“Y”的一個矩形基體1202，進(jìn)行處理(為了便于說明，略去了噴嘴)，并如箭頭1232所指示的(相對332，432)沿其Y軸移動。
矩形透鏡1252使準(zhǔn)分子激光(例如712)具有尺寸為“a”和“b”的矩形(截面，形貌)光束1262，其中光束的尺寸“a”一般沿著基體的橫向尺寸“X”，光束的尺寸“b”一般沿著基體的縱向尺寸“Y”。一般地，尺寸“a”大于并包含尺寸“X”以確保光束完全覆蓋基體的一個矩形部分(從一個邊棱1202c到對面的邊棱1202d)。通過使基體相對于光來移動(如箭頭780所指)，準(zhǔn)分子激光將橫穿(在“Y”方向)基體1202的整個表面，從基體1202的“前”棱1202a到基體1202的尾棱1202b。具有這樣截面的光束一般認(rèn)為是聚焦光束。
球形透鏡1254和1256分別使NdYAG(例如714)和CO2(例如716)激光具有各自的圓截面光束1264和1266，它們分別以角度θ2和θ3照射在基體表面上(相對圖7)。雖然兩束光束1264和1266如圖中所示是從準(zhǔn)分子激光1262的相反兩邊射向基體，但它們可具有相似的圓形截面半徑“r”。優(yōu)選地，這兩束光束1264和1266的半徑“r”大于基體的最大尺寸(橫向尺寸“X”或縱向尺寸“Y”)。
在圖12A中，光束1262，1264，1266被描繪為虛線，所得的三束光束在基體表面上聚集的圖案用虛線1270表示。在實(shí)際工作中，這個光束聚集圖案1270是在基體表面上，并包含三個部分(1)第1部分是包含NdYAG和CO2激光的光束聚集的一般為半圓形的部分1270a；(2)第2部分是包含NdYAG和CO2激光的光束聚集的一般為半圓形的部分1270b；和(3)第3部分是包含準(zhǔn)分子激光，NdYAG激光和CO2激光的光束聚集的一般為矩形的部分1270b，上述第3部分1270c位于第1部分1270a和第2部分1270b之間。
在上述關(guān)于涂敷碳化鎢切削刀片的試驗(yàn)中，使用例如相應(yīng)圖12A所討論的那些光束形貌。
圖12B說明了在光束聚集圖案1270(用透視表示)下移動(箭頭1210)的襯底1202(在截面)。隨著基體在光束下的前進(jìn)(移動)，基體逐漸從其前棱1202a到其尾棱1202b得到表面處理，從(并部分覆蓋)基體1202前棱1202a延伸到基體尾棱1202b的選擇區(qū)域內(nèi)的涂層1204和轉(zhuǎn)變區(qū)1206所示。根據(jù)上面給出的工藝參數(shù)，這樣的工藝可成功地用于在碳化鎢基體上制備金剛石涂層。
特制的涂層(圖13A-13H)本發(fā)明的技術(shù)適用于在各種各樣的基體上制備種種涂層。例如象相應(yīng)圖2B所討論的，可在基體表面上制備多層涂層。下面的圖中說明了該技術(shù)的許多示范應(yīng)用和用該技術(shù)制造的產(chǎn)品。如上面所討論的，基體的選擇區(qū)域能選擇性地被表面處理。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明的表面處理技術(shù)適用于在基體上制備“特制的”涂層。
圖13A描述了一個具有能根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)分別處理的四個表面1304，1306，1308和1310的基體1302。在表面1304上制備有涂層1314，在表面1306上制備有涂層1316，在表面1308上制備有含兩段(1318a和1318b)的涂層，在表面1310上制備有涂層1320。假定光束(未畫出)總是從上方(如所見)入射，則需要移動基體(例如，在X-Y平面內(nèi)移動)以便光束能處理表面1304的較大區(qū)域。如圖中所示，涂層1314覆蓋了小于表面1304整個面積的區(qū)域，但比一個反應(yīng)區(qū)面積大。也很明顯需要轉(zhuǎn)動基體以便處理平行于光束1312的側(cè)面1306和1310，以及完全同光束隔開的對面1308。通過將這些表面轉(zhuǎn)到位置上，可以象處理表面1304一樣容易地對它們進(jìn)行處理。如圖中所示，每種涂層(和段)都可能具有與其它涂層不同的厚度和延伸程度(覆蓋面積)。取決于制備涂層過程中被引入到反應(yīng)系統(tǒng)的輔助元素的選擇，每種涂層(和段)也可能具有與其它涂層不同的組成。取決于基體特定表面處理過程中引入的工藝參數(shù)，基體表面下的主轉(zhuǎn)變區(qū)和次轉(zhuǎn)變區(qū)(為便于說明，未畫出)也可能對不同表面而有所不同。
圖13B說明了本發(fā)明的一個特點(diǎn)，其中在基體1322表面上能夠制備具有不同厚度區(qū)域的一個涂層和/或各具有不同覆蓋面積的不同涂敷層。(為便于說明，圖中略去了主轉(zhuǎn)變區(qū)和次轉(zhuǎn)變區(qū)。)在該例中，在表面1326上制備了第一涂層1324。在第一涂層1324的表面1328上制備了第二涂層1330，它具有比第一涂層1324小的范圍(覆蓋面積)。涂層1324和1330可具有類似或不同的組成，并具有類似或不同的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的一個特點(diǎn)，驅(qū)動反應(yīng)系統(tǒng)的能量(例如來自三種激光器)可射向基體的選擇區(qū)域，并能在基體表面以任何圖案掃描以便在基體上制備任何所需“形貌”(例如組成，厚度，形狀)或圖案的涂層。
圖13C是一個在其表面制備有“特制”涂層的基體1350。(為便于說明，略去了主轉(zhuǎn)變區(qū)和次轉(zhuǎn)變區(qū)。)涂層的1338部分是平的。其它部分1340，1342，1344具有有限的范圍(覆蓋面積)，并被制備得比1338部分厚以便它們延伸到1338部分的上方(比1338部分高)。而且，那分1340，1342，1344能被制備成有錐度的(1340)、有平上表面的(1340，1344)、有陡側(cè)壁的(1340，1344)，圓的(1342，1344)、有凸上表面的(1342)或有凹上表面的(1344)。圖13C所示的涂層的每一部分都可使其具有不同的組成(例如通過對涂層的每一部分使用不同的輔助源)。
該圖說明的只是用本發(fā)明的技術(shù)能夠制備的復(fù)雜涂層形狀的幾個。例如，在一平切削刀片上能制備斷屑器的幾何形狀作為涂層的一個組成部分。作為這樣的一個推論，本發(fā)明的涂敷技術(shù)適于在具有不規(guī)則拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基體表面上制備具有均勻厚度的涂層(例如對具有制備到襯底本身內(nèi)的斷屑器特征的切削刀片襯底就是這種情況)。
圖13D說明了一個附加的能作為涂層結(jié)構(gòu)在基體表面上制備的形狀的“展覽(menagerie)”，包括圓柱1352，管狀結(jié)構(gòu)1354，錐狀結(jié)構(gòu)1356，“L”狀結(jié)構(gòu)1358，曲線結(jié)構(gòu)1360，和塔狀結(jié)構(gòu)1362。塔狀結(jié)構(gòu)1362表明了本發(fā)明的一個特別顯著的特征，即其真正的異質(zhì)外延(在所有方向上)能力。為了形成這樣的涂層結(jié)構(gòu)，首先制備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部分1362a以便從基體表面延伸出來，然后基體(或能量源/輔助源)重新定向，結(jié)構(gòu)生長在另一(如圖所示，垂直的)方向上繼續(xù)以便形成1362b段。本發(fā)明的另一顯著特征是該圖中所示的所有結(jié)構(gòu)能在同一基體的同一表面上制備，并且每種結(jié)構(gòu)可具有與其它結(jié)構(gòu)不同的組成。借助于比擬，基體可看成是一個柜臺頂，在其上可放置任意數(shù)量的有用物體。(當(dāng)然，這些物體將使用本發(fā)明的技術(shù)與柜臺頂擴(kuò)散鍵合。)例如，能夠涂敷一個平面切削刀片使其不但具有金剛石涂層，而且金剛石涂層被特制具有其自己的將切屑切斷的幾何形狀(結(jié)構(gòu))。
圖13E說明了本發(fā)明的另一個顯著的且有用的特點(diǎn)。這種情況中，在基體1368的表面上形成有蛇狀涂層1366(比較圖13D中的1360)。這種情況中，要求在蛇的不同段中形成不同的涂層組成。例如，第一段1366a能被制備具有第一種組成，第二段1366b能被制備具有第二種組成，第三段1366c能被制備具有第三種組成，第四段1366d能被制備具有第四種組成。其余的段可重復(fù)這個次序制備(第一，第二，第三，第四種組成)?；蛘?，這些段可表示一個數(shù)碼，類似于在蛇中存儲信息(二、三、四，等等)。這些技術(shù)，例如，類似于形成一個金剛石(例如)染色體。段的分辨率(尺寸)只受用來形成該段的激光的波長的限制，并且能隨時形成橫向尺寸在308nm數(shù)量級的段。能隨時制成組成為碳化鈦、釩和氮化鉻的“蛇”。各個段可交替地為磁性和非磁性的，半導(dǎo)體的和非導(dǎo)體的。
圖13F說明了在基體1370表面上如何以一陣列的方式形成若干(顯示有9個)涂層段(1372a…1372i)。陣列中的每一段可被形成具有不同的組成，并且每一段能被制備具有不同的厚度。1372b段顯示有比其余段(1372a，1372c…1372i)大的厚度。任一或全部這些段也能被制備具有多層結(jié)構(gòu)(相對圖2B)。
圖13A-13F說明了通過利用本發(fā)明的技術(shù)制備“設(shè)計(jì)的”涂層和組成的本發(fā)明技術(shù)的能力。
圖13G和13H說明了處理圓柱物體的技術(shù)，作為本發(fā)明涂敷不平的表面能力的示范例。涂敷罐沖頭將是這種技術(shù)的一個有用應(yīng)用。
在圖13G中，在一個圓柱形基體1382上制備有一個管形涂層1380。圓柱形基體可具有任意長度。這說明了本發(fā)明的技術(shù)的連續(xù)性本質(zhì)。例如，圓柱形基體可以是具有異常長度(幾千英尺)的電線(例如銅)。通過使電線穿過工作站，可以沿電線的長度連續(xù)進(jìn)行涂敷。
在圖13H中說明了在沿圓柱形基體例如電線的不同縱向位置如何施加箍狀涂層1384a和1384b。當(dāng)然，這些箍狀涂層可以是段并且可具有磁性或非磁性或其它性質(zhì)以便把一段與其它段區(qū)分開(相對圖13E的蛇1366)。
快速制備原型(圖13I)圖13I一般地描述了本發(fā)明的真正異質(zhì)外延本質(zhì)。在基體1390的表面上的一個或多個(圖中顯示有一個)選擇區(qū)域上開始制備涂層。很明顯，基體可能是一個“犧牲的”襯底，它能從最終建成的(所制備的)涂層結(jié)構(gòu)中除去。
圖中顯示，一個示范涂層結(jié)構(gòu)1392正在基體1390表面的一個選擇區(qū)域上制備。它可認(rèn)為是在Z軸(垂直于基體表面)上的生長。
借助于實(shí)例，涂層結(jié)構(gòu)1392的一部分1392a在Z軸方向上增長到基體表面上方“t1”的水平，在這一點(diǎn)上基體(或處理源)可被重新取向(例如對于能源和輔助源)以便涂層結(jié)構(gòu)1392的另一部分1392b能在不同的方向(例如如圖中所示，平行于基體并與其隔開)上繼續(xù)生長(制備)。1392b部分的生長可認(rèn)為是在x軸方向。涂層結(jié)構(gòu)的該1392b部分的制備可進(jìn)行到任何所需的程度。
同樣，可以對基體(或處理源)重新取向以便涂層結(jié)構(gòu)1392的生長在不同的方向從沿1392b部分的任意點(diǎn)開始進(jìn)行。這可通過被制備的涂層結(jié)構(gòu)1392的1392c部分來描述，它可認(rèn)為是在Y軸方向上生長。
明顯地，涂層結(jié)構(gòu)1392在基體表面和水平t2之間的形狀(輪廓和面積)與它在水平t2和t1之間的形狀不同。
這以很一般性的方式表明了本發(fā)明的真正異質(zhì)外延(在所有方向上)本質(zhì)，即涂層(和涂層結(jié)構(gòu)，涂層部分)能在任意方向(例如，在x，y和z軸的任何方向)上進(jìn)行。該圖用來表明能夠制備在任何給定水平(例如，基體表面上方)上具有不同輪廓的涂層結(jié)構(gòu)。在任何這些給定水平上的輪廓不受前一水平的輪廓的局限。而且，在任何給定水平的結(jié)構(gòu)的覆蓋面積不受前一水平上的覆蓋面積(例如“足跡”)的局限。在基體表面上方任何給定水平(高度)上能制備任何輪廓或面積的涂層結(jié)構(gòu)，并且例如簡單地通過從計(jì)算機(jī)生成的要制備物體的圖像中選取適宜的截面來作為生長結(jié)構(gòu)從而適宜地實(shí)施對制備的控制。這種方式下，能在基體上制備具有無限制的形狀或形式的三維結(jié)構(gòu)。在制備出這個三維結(jié)構(gòu)后，基體可通過任何手段包括機(jī)械或化學(xué)方法被切斷并扔掉，或溶解掉或去除掉。
本發(fā)明的工藝可以與被能接受立體石版印刷軟件文件(例如STI)的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)系統(tǒng)所控制的儀器結(jié)合在一起以便有助于制備具有復(fù)雜部分的物體。這些物體可以簡單的，平的，或圓柱形基體形成，基體以一種利用本發(fā)明提出的方法制備(例如，制備原型)產(chǎn)品的方式被操縱。
因而，根據(jù)本發(fā)明的儀器和方法能用來對制成的工件尺寸從CAD數(shù)據(jù)制造復(fù)合材料的復(fù)雜原型部件。甚而，金屬、陶瓷和復(fù)合材料部件能被制造到最終狀態(tài)而不需后序工藝精加工，并借助于先進(jìn)的材料組成而具有用現(xiàn)有技術(shù)方法所不能制造出的增強(qiáng)的物理性質(zhì)。
管狀基體(圖14A和14B)本發(fā)明的技術(shù)適用于涂敷管狀基體的內(nèi)徑(ID)，并且尤其適用于涂敷具有大的長度(L)與直徑(D)的比值(大于3∶1)的管狀基體的內(nèi)徑。
圖14A說明了涂敷管狀基體1402的內(nèi)徑(ID)的一個技術(shù)。一個能量束1404(例如，來自三個激光器)射入管狀基體1402的一(開口)端1406。管狀基體的另一端1408優(yōu)選地被凹(或者凸，未畫出)拋物線反射面1410(為便于說明，畫得離1408端有段距離)封閉住。這種方式下，光束1404將在管狀基體內(nèi)部來回反彈，并處理管狀基體的整個內(nèi)徑。輔助元素可如所需引入或者不引入系統(tǒng)。
圖14B說明了涂敷管狀基體1412的內(nèi)徑的另一項(xiàng)技術(shù)。能量束1414(相對圖3的304)射入管狀基體1402的一(開口)端1416。管狀基體的另一端1418也可以是開口的。也能如流1420所指示的那樣引入一種輔助元素(例如氣態(tài)的輔助元素)。
對于具有異常深度(例如，高的LD)的管狀基體，可以在管狀基體內(nèi)部放置一個簡單的(例如，平的)反射鏡以便把入射能量光束射向管狀基體的內(nèi)徑上的選擇區(qū)域。這種方式下，通過光束能夠處理內(nèi)徑的選擇區(qū)域(軸向，圓周向，螺旋狀)。而且，通過按次序引入輔助源，可以以類似于圖13E、13F和13H的方式使處理從選擇區(qū)域到選擇區(qū)域發(fā)生改變。
本發(fā)明適用于涂敷許多基體中的使何一種，其中一些已在上面討論過。例如，除了為行波管制造窗口外，螺旋狀行波管的內(nèi)徑或外徑也能被處理和/或涂敷。例如除了炊具的內(nèi)和/或外表面之外，還可以處理和/或涂敷電阻性加熱元件以輔助熱分布?？梢栽谔鎿Q斜背接頭和類似物上制備涂層以便被涂敷物體的一部分有低摩擦涂層(如果需要，有提高了的高帶負(fù)載能力)，而該物體的另一部分裝配有多孔或織構(gòu)涂層(例如，以便促進(jìn)與骨面的結(jié)合)。沉淀罐、圓筒襯和類似物能有利地用本發(fā)明的技術(shù)處理。剃須刀、刀和解剖刀能容易地用本發(fā)明的技術(shù)處理它們的刀刃。切削刀具例如鉆頭能夠通過制備步進(jìn)槽在刀具側(cè)面上制備金剛石涂層和在刀具內(nèi)制備斷屑器形狀進(jìn)行改進(jìn)，而這用研磨設(shè)備是難以達(dá)到的。金剛石，例如，溶解于鐵，這種情況下就需在刀具(或其它基體上)制備一層氮化硅涂層。本發(fā)明能夠用實(shí)際上來自基體的任何構(gòu)成(主要)元素和輔助元素包括硅、銅、氧、氮、硼等萃取和形成復(fù)合材料。本發(fā)明的技術(shù)在干法加工上的應(yīng)用實(shí)際上是無限制的。
涂敷磨損表面(圖15A和15B)圖15A是一個滾珠軸承的構(gòu)件1552，其軸承環(huán)的表面已被處理具有一層硬(例金剛石或DLC)涂層1554。這樣，例如，能以與根據(jù)本發(fā)明處理切削刀具有助于干法加工極其相同的方式允許軸承在無(或少量)潤滑時工作。
圖15B是一個滾珠軸承的構(gòu)件1562，構(gòu)件1562的整個表面已被處理具有一層硬(例如金剛石或DLC)涂層1566。這種方式下，涂層1566的作用是一個散熱器以便除去軸承和軸承環(huán)的熱和用來保護(hù)軸承以免腐蝕。
涂敷圓形刀具(圖16A-16D)圖16A說明了涂敷圓形刀具(例如一個端面銑刀，一個鉆頭等)的一個實(shí)施例1600。如圖所示，調(diào)準(zhǔn)具有刀軸部分1604、刀槽部分1606和刀尖部分1608的端面銑刀1602使其刀尖向上朝向激光和一個噴嘴(未畫出)。在上面所述的方式下，刀尖附近產(chǎn)生了等離子體1610。等離子體1610將沿端面銑刀的刀槽向下“纏繞”，導(dǎo)致沿刀槽部分1606的整個長度上制備了一個涂層。一般地，很明顯，對于沿刀槽部分的長度制備一薄膜金剛石(或DLC)涂層，該實(shí)施例是優(yōu)選選用的。在這個實(shí)施例中，可使用與前述的真空吸盤(804)相似的一個真空吸盤以便支撐端面銑刀并輔助等離子體向下纏繞刀槽部分。
圖16B是在圓形刀具上制備涂層的一項(xiàng)技術(shù)的另一實(shí)施例1620。這種情況下，示范的端面銑刀1622(與端面銑刀1602類似)側(cè)面躺著，噴嘴和激光來自上方(未畫出)。在端面銑刀的刀尖處形成了等離子體1630，它以類似于上面所描述的方式(關(guān)于使大基體上的選擇區(qū)域相對運(yùn)動)，沿刀槽部分的長度行進(jìn)。在這個實(shí)施例中，應(yīng)與等離子體沿刀槽部分的行進(jìn)一致地轉(zhuǎn)動端面銑刀以確保沿刀槽部分的長度上均勻覆蓋(涂層制備)。
圖16C和16D分別是端面銑刀1642(與1602或1622類似)在沿刀槽部分的長度上淀積薄膜(以圖16A或16B的方式)后進(jìn)一步被處理的側(cè)視圖和端視圖。這種情況下，要求在鄰近刀刃的刀槽內(nèi)制備一層厚膜涂層以便該厚膜幫助切削，而該薄膜幫助去除切屑和減小切削力。均用箭頭1644表示的激光和一種或多種輔助源射向緊挨著刀刃的選擇區(qū)域(小點(diǎn))1646。隨著厚涂層的形成，通過與轉(zhuǎn)動端面銑刀一致地移動該點(diǎn)(例如，如所見從左到右)使該“點(diǎn)”(被處理的選擇區(qū)域)沿螺旋形刀刃前進(jìn)。如圖16D所示，這樣形成了一個具有一個“包皮”薄膜金剛石(或DLC)涂層和一個沿其刀刃的金剛石(或DLC)厚膜“角板”的端面銑刀。
圖16E是在圓形刀具上制備涂層的一項(xiàng)技術(shù)的另一實(shí)施例1660。這種情況下，示范的端面銑刀1662(與端面銑刀1602類似)置于其一端上，噴嘴和激光束來自上方(未畫出)。這種情況下，全部沿刀具1662的刀槽部分形成了等離子體1664以便不需要沿刀具長度上行進(jìn)就能實(shí)現(xiàn)涂層制備。
圖16F是在圓形刀具上制備涂層的一項(xiàng)技術(shù)的另一實(shí)施例1680。這種情況下，示范的端面銑刀1682(與端面銑刀1602類似)側(cè)身放置，噴嘴和激光來自上方(未畫出)。這種情況下，全部沿刀具1682的刀槽部分形成了等離子體1684以便不需沿刀具長度上行進(jìn)就能實(shí)現(xiàn)涂層制備。
優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的技術(shù)有利于為任何數(shù)量的目的制備若干涂層，例如耐腐蝕和耐侵蝕涂層，和對于惡劣工作環(huán)境(例如蒸汽鍋爐等)穩(wěn)定的涂層。本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)是不用加熱整個基體就能處理基體的整個表面。涉及這種“整體”加熱基體的現(xiàn)有技術(shù)例如在施加金剛石涂層(例如用CVD工藝等)時能導(dǎo)致底下的鋼基體損失其回火(硬度)。由于本發(fā)明的技術(shù)能在周圍環(huán)境中以連續(xù)方式進(jìn)行，因此使用本發(fā)明的技術(shù)能在大表面面積上制備耐火涂層。一般地，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括(a)能達(dá)到高的淀積速率，例如在每小時1或大于1毫米的數(shù)量級。
(b)對切削刀具提供了更大的粘附力(例如50kg/mm2)。
(c)能夠制備晶態(tài)涂層，例如具有一個晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，具有sp2-或sp3-鍵合的碳結(jié)構(gòu)，及必要時具有可控的混合結(jié)構(gòu)。
(d)不需預(yù)熱或冷卻時間。
(e)工藝不要求真空環(huán)境。從而對基體尺寸沒有理論上的限制。而且，操縱基體的裝置在周圍(對于真空)環(huán)境中更易提供。
(f)能操縱各個部分，能獲得不同的層厚，并且不需掩蔽就能在特定區(qū)域上施加涂層。
(g)涂層與含有大于10％鈷含量的基體粘附很好，從而大大省去了對特殊基體的需求。
(h)利用本發(fā)明的技術(shù)能很容易地涂敷不銹鋼。
(i)利用本發(fā)明的技術(shù)能很容易地涂敷鋼，從而省去了(首先)對不銹的要求。
(j)本發(fā)明的技術(shù)很適用于涂敷管的內(nèi)徑(內(nèi)徑孔)，包括那些具有相對高的長度直徑(L比D)比值的管。
(k)在涂敷工藝過程中能實(shí)現(xiàn)雕刻和織構(gòu)，從而省去了現(xiàn)有技術(shù)中的后序加工步驟。
(l)本發(fā)明的技術(shù)也能是異質(zhì)外延的。
(m)本發(fā)明的技術(shù)能有效地對任意形狀的基體均勻或選擇性地涂敷所有邊。
(n)當(dāng)對具有不同組成的基體使用本發(fā)明的技術(shù)來得到所要的復(fù)合材料時沒有明顯的Raman變化。例如Raman光譜分析表明不同組成的基體對用本發(fā)明的技術(shù)制造的金剛石涂層很少或沒有影響。
(o)能處理具有復(fù)雜幾何形狀的基體，并且能把不同的摻雜劑(例如，硼)引入表面處理中。
(p)能預(yù)處理基體以表征它們的表面從而利用任何適宜技術(shù)進(jìn)行下一步的涂敷。
本發(fā)明適于處理任何多種基體，包括金屬和非金屬基體(非金屬基體包括陶瓷和聚合物基體)。能被處理或引進(jìn)反應(yīng)系統(tǒng)的特定材料包括，但不限于·金屬(B，Al，Ti，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Re，H4等)；·石墨和碳化物(C，B4C，SiC，TiC，Cr3C2，WC，碳化鉿，等)；·氮化物(BN，TiN，TaN，Si3N4，等)；·硼和硼化物(B，TaB2，TiB2，WB，F(xiàn)eB，NiB，等)；·硅和硅化物(Si，和Mo，F(xiàn)e，Ni，等的不同硅化物)；·氧化物(Al2o3SiO，SiO2)；以及·有機(jī)化合物(PTFE，凱夫拉爾，聚酰亞胺物，液晶聚合物)。
如上所述，本發(fā)明的技術(shù)的一個優(yōu)點(diǎn)是不需后序加工來獲得所需的表面織構(gòu)。簡單地通過控制紫外激光器的輸出和持續(xù)時間就能利用它本身(例如)消融表面來獲得實(shí)際上從粗糙到光學(xué)平滑的任何織構(gòu)。另外，通過使用本發(fā)明的技術(shù)，不需對基體引晶(為下一步的涂層生長)，并且有控制晶體取向的前所未有的能力。另外，預(yù)處理和后加工都能在原位進(jìn)行(作為總工藝的一部分)。
在原有技術(shù)淀積工藝中，需要后加工步驟以獲得比通過淀積所得的織構(gòu)平滑的織構(gòu)。例如會利用一種磨料來拋光基體的涂敷表面。但使用磨料，無論多細(xì)，都以劃痕的形式留下襯底已被拋光過的痕跡(證據(jù))。也需要一個下一步的紫外激光、離子束、平滑或拋光工藝。
通過在后序加工步驟中避免使用磨料和類似物，最終的基體(工藝產(chǎn)物)就不會有這種劃痕并具有非方向性的表面光潔度。
雖然在附圖和前面的敘述中詳細(xì)說明和描述了本發(fā)明，但它們被認(rèn)為是說明性的且并不對其特征加以局限——顯而易見，所給出的和所描述的只是優(yōu)選實(shí)施例，并且在本發(fā)明的精神范圍內(nèi)的任何改變和修正都需要受到保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種表面處理基體表面的方法，包括把來自相應(yīng)的至少一個激光器的至少一束光束射向基體表面以便把基體的一種組成元素從基體的亞表面區(qū)域移向基體表面。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在這至少一束光束中提供足夠的能量以蒸發(fā)該組成元素。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括繼續(xù)使該至少一束光束射向基體表面以便使蒸發(fā)的組成元素起反應(yīng)。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括繼續(xù)使該至少一束光束射向基體表面以便使反應(yīng)后的蒸發(fā)的組成元素?cái)U(kuò)散回到基體的亞表面區(qū)內(nèi)。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求4的方法，還包括在使蒸發(fā)的組成元素起反應(yīng)的同時，把一種輔助元素射向基體表面以便和蒸發(fā)的組成元素形成一種復(fù)合材料。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求5的方法，還包括繼續(xù)使該至少一束光束射向基體表面以便在基體表面制備涂層。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中基體是平的切削刀片。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中基體是燒結(jié)的碳化鎢。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中基體是圓形切削刀具。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中這至少一束光束是由相互一致作用的準(zhǔn)分子激光器、NdYAG激光器和CO2激光器提供的三種光束。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中準(zhǔn)分子激光器是在功率輸出最高達(dá)200W，脈沖能最高達(dá)500mJ，脈沖列頻率最高達(dá)300Hz，能量密度最高達(dá)30mJ/mm2，和脈沖長度(持續(xù)時間)最高達(dá)26ns的參數(shù)下工作；NdYAG激光器是在功率輸出最高達(dá)1500W，脈沖能最高達(dá)150J的參數(shù)下工作；CO2激光器是在功率輸出在500-10000W的量級，能量密度最高達(dá)0.32J/cm2的參數(shù)下工作。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中來自準(zhǔn)分子激光器和NdYAG激光器的脈沖相互配合。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中準(zhǔn)分子激光器的光束具有矩形形貌；NdYAG激光器的光束具有圓形形貌；CO2光器的光束具有圓形形貌。
14.一種根據(jù)權(quán)利要求13的方法，還包括使圓形光束覆蓋基體表面上的相對大的部分；使矩形光束覆蓋基體表面上的相對小的部分，上述相對小的部分位于相對大的部分之內(nèi)。
15.一種根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括相對于光束移動基體以便使這相對小的部分掃描橫向穿過基體表面。
16.一種預(yù)處理基體的方法，以便下一步在基體表面制備涂層，該方法包括把準(zhǔn)分子激光射向基體表面，以及在把準(zhǔn)分子激光射向基體表面的同時用惰性氣體淹沒基體。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中基體含有被鈷包圍的碳化鎢晶粒。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求17的方法，還包括使準(zhǔn)分子激光在基體表面照射足夠的時間以便暴露碳化鎢晶粒。
19.一種根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中惰性氣體是氮?dú)?，以及該方法還包括在準(zhǔn)分子激光射向基體表面的同時，在基體表面形成碳、氮化物和穩(wěn)定的復(fù)合氮化鈷的復(fù)合物。
20.一種根據(jù)權(quán)利要求16的方法，還包括在準(zhǔn)分子激光射向基體表面的同時，在基體表面產(chǎn)生預(yù)定的晶粒取向。
全文摘要
作為在基體表面上制備涂層(例如，金剛石或類金剛石碳)的一個附件，激光能被射向基體以便使基體內(nèi)所含的一種組成(主要)元素(例如碳)移動、蒸發(fā)和起反應(yīng)，從而改良組成元素的組成(例如，結(jié)晶結(jié)構(gòu))并使改良后的組成元素?cái)U(kuò)散回基體內(nèi)。這樣在緊接近基體的下面產(chǎn)生了一個轉(zhuǎn)變區(qū)，它從底下的基體組成冶金過渡到在基體表面上被制備的涂層組成，它造成了涂層與基體間的擴(kuò)散鍵合。在基體表面上和表面上方的一個反應(yīng)區(qū)內(nèi)可引入附加(輔助)的類似(例如，碳)或不相同的元素以便增大涂層的制備并決定涂層的組成。激光能量是由準(zhǔn)分子激光器Nd:YAG激光器和CO
文檔編號C23C14/28GK1141602SQ95191718
公開日1997年1月29日 申請日期1995年1月17日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月18日
發(fā)明者普拉文·米斯特里·曼努埃爾·C·圖爾坎 申請人:Qqc公司