[发明专利]制造高质量表面的方法和具有高质量表面的产品

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造高质量表面的基于激光烧蚀的涂覆方法，以 及具有高质量表面的产品。本发明能够经济地制造高质量的表面和具 有高质量表面的产品。本发明能够经济地制造用于大量具有不同涂层 材料并因此具有不同特征的不同产品的高质量表面。

背景技术

例如，近些年激光技术已经显著进步并且现在能够制造可以用于 冷烧蚀的具有不错效率的基于光纤的半导体激光系统。在这些激光器 中，用于冷加工的激光器是皮秒激光器和飞秒激光器。例如在皮秒激 光器中，冷加工范围是指脉冲长度为100皮秒或更小的脉冲长度。除 了脉冲长度之外，皮秒激光器在重复频率方面也不同于飞秒激光器； 最新商用的皮秒激光器的重复频率为1-4MHz，而飞秒激光器在测量 的重复频率方面保持在千赫兹。冷烧蚀能够使材料蒸发，充其量使热 量不直接传输到被蒸发(被烧蚀)的材料本身上，也就是说，仅将脉 冲能量引导到被每个脉冲单独地烧蚀的材料上。

与基于全光纤的二极管泵浦的半导体激光器竞争的，有灯泵浦激 光源，其中激光束首先被引导到光纤并由此进一步到加工点。根据申 请人在本申请优先权日可得到的信息，这些基于光纤的激光系统在当 时是工业规模中制造关于基于激光烧蚀的产品的唯一途径。

当前光纤激光器的光纤以及由此保持为低的束功率在可以被蒸 发的材料方面有所限制。通过中等脉冲功率同样可以蒸发铝，而诸如 铜、钨等的较难蒸发的材料需要高得多的脉冲功率。

现有技术的另一缺陷在于激光束的扫描宽度。通常，在镜面膜扫 描器中采用线性扫描，在理论上能够达到例如约70mm的标称扫描线 宽的情况下，当扫描范围的边缘可以在质量上保持不均匀的情况时， 和/或不同于中心区域，实际上扫描宽度在存在问题的情况下或许能够 保持在约30mm。因此，小的扫描宽度还在这个意义上实现了将当前 的激光设备应用于工业上无益或技术上不可能的大且宽的物体的涂 覆应用中。

如申请人所知的，在本申请的优先权日时，具有已知设备的有效 容量在烧蚀方面保持在约10W。目前，例如，对于激光器来说，重复 频率被限制在只有4MHz的脉冲频率上。在应当试图将脉冲频率升高 到显著更高的情况下，现有技术的扫描器导致激光束脉冲的相当一部 分一方面被失控地引导到激光装置的壁结构上，而且还被引导到等离 子体形式的被烧蚀物质上，作为实际效果，通过被烧蚀物质淀积的表 面的质量和制造速度都下降，并且击中靶材的辐射流不够均匀，这在 所产生的等离子体的结构中可以看出，此时，当击中被涂覆的表面时 其将形成具有非同质性质量的表面。这个问题在要被处理的等离子体 羽按比例增长时变得更糟。

制造速度与脉冲重复频率成正比例。另一方面，对于已知的往复 式镜面膜扫描器来说，动作保持停止。由于除了停止之外，这种类型 的镜面膜扫描器必须在新的减速和停止——且同时改变方向之前减 速并加速；当目的在于通过提高重复频率来提高制造速度时，脉冲频 率的提高将导致靶材中不均匀的脉冲供给，并由此相对于留在停止位 置之间的区域的磨损来说使靶材材料磨损不均匀，特别是在停止位置 附近，即在扫描区域的边缘处。同样，相对于需要均匀质量的涂层的 应用来说，等离子体制造以及由此应当建立的涂层质量也因此而显著 且有害地不均匀。此外，靶材的不均匀磨损在一些情况中会导致颗粒 状碎片的形成，这在加工应用中首先削弱了加工产品的质量，使其变 得粗糙，并且紧靠加工点附近的结构会转向不利的方向。

此外，镜面膜扫描器的往复运动产生了惯性力，其变化地承担了 镜面膜扫描器的结构并使紧固装置变松，这意味着该结构经过一定时 间将在一定程度上开始偏移，特别是在其设置的极限处进行保持镜面 膜扫描器停止的操作。在这种情况下惯性力实际上还限制了镜面膜扫 描器的运动及其操作速度。失速(stalling)的镜面膜扫描器的停止还 限制了操作周期中的区域，在该操作周期中可以认为运动是均匀且适 合于制造烧蚀靶材的等离子体的。即使操作已经相当缓慢，在这种情 况下操作周期在一定程度上是持续不足的，并且只有一部分可以用在 有效容量(capacity)。现在由失速镜面膜扫描器获得的唯一结果就 是明显缓慢地产生等离子体、长时运行和等离子体中的颗粒状散射的 不稳定性以及被涂覆物体涂层质量的不稳定性，其中所述的散射在靶 材和/或被加工物体的表面上都可以看到。靶材表面上的有效扫描线宽 度也明显变短。