本發(fā)明涉及金屬化學氣相沉積微納增材制造技術領域，具體涉及微納增材制造和基于化學氣相沉積的三維過渡金屬結構3D打印裝置與方法。

背景技術：

目前，金屬化學氣相沉積技術在增材制造領域沒有應用，金屬化學氣相沉積在增材制造領域一直存在技術難題：沉積速度慢，通常沉積速度僅為幾個微米每小時，由于靠近熱源的區(qū)域沉積速度高，遠離熱源的區(qū)域沉積速度低，打印的每層金屬零件厚度不均勻。過渡金屬化學氣相沉積技術主要是一種將金屬顆粒沉積在基底表面的技術，無法實現(xiàn)金屬顆粒的選擇性沉積，將該技術應用到3D打印上，是很難實現(xiàn)金屬顆粒按照預定軌跡進行沉積，

目前，針對微納尺度增材制造，在微流控器件、微納光學器件、微納傳感器、微納電子、生物芯片、光電子和印刷電子等領域有著巨大的產(chǎn)業(yè)需求，需要研究一種用于生產(chǎn)微納三維金屬結構的裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種過渡金屬化學氣相沉積微納增材制造裝置與方法，目的是用過渡金屬材料制備復雜三維結構零部件。

本發(fā)明采取的技術方案是：氬氣與一氧化碳混合氣體瓶通過氣體開關閥與氣體流量計相連，氣體流量計與反應室噴頭相連，過渡金屬絲通過過渡金屬絲支撐架與反應室噴頭內壁相連，反應室噴頭外壁通過反應室環(huán)形熱電偶與控溫箱相連，沉積基底通過沉積室與三聯(lián)動工作臺相連，可移動式軟蓋板放置在沉積室的頂部，沉積室外壁通過沉積室環(huán)形熱電偶與控溫箱相連。

一種過渡金屬化學氣相沉積微納增材制造方法，包括下列步驟：

(1)獲取零件的三維模型，并將三維零件分成若干二維層面，切片分層成STL格式文件，計算出每一層零件的厚度及形狀，然后將零件所有二維層的形狀、以及對應的厚度輸入到計算機中的加工控制系統(tǒng)中；

(2)控溫箱通過反應室環(huán)形熱電偶加熱反應室噴頭外壁，使反應室噴頭的溫度控制在150℃～200℃，調整控溫箱溫度，使其滿足過渡金屬與一氧化碳氣體發(fā)生反應的最佳溫度；

一氧化碳氣體的供給主要是通過兩個部件來控制，氣體開關閥通過旋轉就可以實現(xiàn)一氧化碳的釋放和關閉，氣體流量計通過自帶安全閥調節(jié)氣體管道的開放程度，進而控制一氧化碳和氬氣混合氣體的流量，保證混合氣體平穩(wěn)進入反應室噴頭，混合氣體進入反應室噴頭以后，過渡金屬絲與反應室噴頭具有相同的溫度，一氧化碳氣體與過渡金屬絲在反應室噴頭里面發(fā)生化學反應，化學反應通式為其中M為過渡金屬，生成物Mx(CO)y為過渡金屬羰基化合物；在高溫環(huán)境下，生成的過渡金屬羰基化合物以氣態(tài)小顆粒存在，同時在混合氣體中氬氣沒有與過渡金屬絲發(fā)生化學反應，此外氬氣僅作為載氣，承載著氣態(tài)過渡金屬羰基化合物小顆粒，形成載氣流，在一定的壓力下，載氣流從反應室噴嘴噴射出進入沉積室；

(3)控溫箱通過沉積室環(huán)形熱電偶加熱沉積室，可移動式軟蓋板覆蓋在沉積室的上面，使沉積室的溫度控制在190℃～300℃，調整控溫箱溫度，使其滿足過渡金屬羰基化合物進行分解反應的最佳溫度，提高3D打印速度，化學反應通式為：載氣流進入沉積室，載氣流在反應室噴頭上的噴嘴作用下，射流在沉積室基底上，沉積基底與三聯(lián)動工作臺相連，通過計算機加工控制系統(tǒng)控制三聯(lián)動工作臺的位移和速度，并進行X/Y方向的移動，這時反應室噴頭上的噴嘴進行噴射載氣流，與此同時三聯(lián)動工作臺由計算機加工控制系統(tǒng)控制其位移和速度，分別控制第一層零件的厚度和形狀，第一層零件制造出來以后，在計算機加工控制系統(tǒng)的控制下自動關閉氣體開關閥，停止載氣流的供給，同時根據(jù)每層零件厚度，繼續(xù)控制三聯(lián)動工作臺的位移，并進行Z方向的移動，這時氣體開關閥在計算機加工控制系統(tǒng)的控制下自動開啟，反應室噴頭反應進行，形成載氣流并進入沉積室；重復上述步驟完成其他層零件的成型，得需成型零件。

本發(fā)明所述過渡金屬包括Ti，Cr，Mn，F(xiàn)e，Ni，Cu，Zn，Ag，Au。

本發(fā)明步驟(2)中反應氣體氬氣與一氧化碳的混合氣體中一氧化碳為5％，載氣流流量為0.81/min。

本發(fā)明步驟(3)每層沉積厚度為50-100nm。

本發(fā)明的優(yōu)點是：裝置結構新穎，使用靈活方便，便于操作，解決了傳統(tǒng)聚焦離子束化學氣相沉積三維微納金屬制造和雙光子聚合激光直寫三維微納金屬裝置復雜，制造成本高，設備昂貴的弊端，可以實現(xiàn)金屬微納尺度低成本、高精度、高效率增材制造，解決了傳統(tǒng)微納尺度EFAB和機械加工難以實現(xiàn)微納金屬零部件制造的問題，能夠實現(xiàn)化學氣相沉積中的金屬顆粒按照預定軌跡沉積，易于實現(xiàn)打印微納過渡金屬復雜三維形狀的零部件。

本發(fā)明過渡金屬化學氣相沉積微納增材制造裝置主要用于鈦、鉻、錳、鐵、鎳、銅、鋅、銀、金等三維金屬維納零部件的制備，可實現(xiàn)過度金屬化學氣象沉積的微納增材制造，加工效率和自動化水平高，尤其適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明反應室噴頭的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明可移動式軟蓋板的結構示意圖。

具體實施方式

氬氣與一氧化碳混合氣體瓶1通過氣體開關閥2與氣體流量計3相連，氣體流量計3與反應室噴頭4相連，過渡金屬絲5通過過渡金屬絲支撐架6與反應室噴頭4內壁相連，反應室噴頭外壁通過反應室環(huán)形熱電偶8與控溫箱7相連，沉積基底12通過沉積室11與三聯(lián)動工作臺13相連，可移動式軟蓋板10放置在沉積室11的頂部，沉積室11外壁通過沉積室環(huán)形熱電偶9與控溫箱7相連。

本裝置開始打印之前先對反應環(huán)境進行加熱，控溫箱通過反應室環(huán)形熱電偶8與沉積室環(huán)形熱電偶9分別控制反應室噴頭4和沉積室11的溫度，然后打開氣體開關閥2，調節(jié)氣體流量計3，隨后氬氣與一氧化碳混合氣體瓶1釋放混合氣體進入反應室噴頭4，混合氣體中的一氧化碳與加熱好的過渡金屬絲5反應，氬氣不參與反應，僅作為載氣，氬氣與生成物形成載氣流，進入沉積室11，由于沉積室11溫度的改變，使得載氣流中的原生成物發(fā)生分解反應，生成過渡金屬單質沉積在沉積基底12上，這時通過控制三聯(lián)動工作臺的位移和速度，就可以按照預定軌跡打印出每層零件，最終通過累積形成所需零部件。

一種過渡金屬化學氣相沉積微納增材制造方法，包括下列步驟：

(1)獲取零件的三維模型，并將三維零件分成若干二維層面，切片分層成STL格式文件，計算出每一層零件的厚度及形狀，然后將零件所有二維層的形狀、以及對應的厚度輸入到計算機中的加工控制系統(tǒng)中；

(2)控溫箱7通過反應室環(huán)形熱電偶8加熱反應室噴頭4外壁，使反應室噴頭4的溫度控制在150℃～200℃，調整控溫箱溫度，使其滿足過渡金屬與一氧化碳氣體發(fā)生反應的最佳溫度；

一氧化碳氣體的供給主要是通過兩個部件來控制，氣體開關閥2通過旋轉就可以實現(xiàn)一氧化碳的釋放和關閉，氣體流量計3通過自帶安全閥調節(jié)氣體管道的開放程度，進而控制一氧化碳和氬氣混合氣體的流量，保證混合氣體平穩(wěn)進入反應室噴頭4，混合氣體進入反應室噴頭4以后，過渡金屬絲5與反應室噴頭4具有相同的溫度，一氧化碳氣體與過渡金屬絲5在反應室噴頭4里面發(fā)生化學反應，化學反應通式為其中M為過渡金屬，生成物Mx(CO)y為過渡金屬羰基化合物；在高溫環(huán)境下，生成的過渡金屬羰基化合物以氣態(tài)小顆粒存在，同時在混合氣體中氬氣沒有與過渡金屬絲5發(fā)生化學反應，此外氬氣僅作為載氣，承載著氣態(tài)過渡金屬羰基化合物小顆粒，形成載氣流，在一定的壓力下，載氣流從反應室噴嘴噴射出進入沉積室；

(3)控溫箱7通過沉積室環(huán)形熱電偶9加熱沉積室10，可移動式軟蓋板10覆蓋在沉積室11的上面，使沉積室11的溫度控制在190℃～300℃，調整控溫箱溫度，使其滿足過渡金屬羰基化合物進行分解反應的最佳溫度，提高3D打印速度，化學反應通式為：載氣流進入沉積室11，載氣流在反應室噴頭4上的噴嘴作用下，射流在沉積室基底12上，沉積基底12與三聯(lián)動工作臺13相連，通過計算機加工控制系統(tǒng)控制三聯(lián)動工作臺13的位移和速度，并進行X/Y方向的移動，這時反應室噴頭4上的噴嘴進行噴射載氣流，與此同時三聯(lián)動工作臺13由計算機加工控制系統(tǒng)控制其位移和速度，分別控制第一層零件的厚度和形狀，每層沉積厚度為50-100nm，第一層零件制造出來以后，在計算機加工控制系統(tǒng)的控制下自動關閉氣體開關閥2，停止載氣流的供給，同時根據(jù)每層零件厚度，繼續(xù)控制三聯(lián)動工作臺13的位移，并進行Z方向的移動，這時氣體開關閥在計算機加工控制系統(tǒng)的控制下自動開啟，反應室噴頭4反應進行，形成載氣流并進入沉積室11；重復上述步驟完成其他層零件的成型，得需成型零件。

本發(fā)明所述過渡金屬包括Ti，Cr，Mn，F(xiàn)e，Ni，Cu，Zn，Ag，Au。

本發(fā)明步驟(2)中反應氣體氬氣與一氧化碳的混合氣體中一氧化碳為5％，載氣流流量為0.81/min。

本發(fā)明步驟(3)每層沉積厚度為50-100nm。

實施例1一種過渡金屬鐵化學氣相沉積微納增材制造方法，包括下列步驟：

(1)獲取零件的三維模型，并將三維零件分成若干二維層面，切片分層成STL格式文件，計算出每一層零件的厚度及形狀，然后將零件所有二維層的形狀、以及對應的厚度輸入到計算機中的加工控制系統(tǒng)中；

(2)控溫箱7通過反應室環(huán)形熱電偶8加熱反應室噴頭4外壁，使反應室噴頭4的溫度控制在185℃，調整控溫箱溫度，使其滿足鐵金屬與一氧化碳氣體發(fā)生反應的最佳溫度；

一氧化碳氣體的供給主要是通過兩個部件來控制，氣體開關閥2通過旋轉就可以實現(xiàn)一氧化碳的釋放和關閉，氣體流量計3通過自帶安全閥調節(jié)氣體管道的開放程度，進而控制一氧化碳和氬氣混合氣體的流量，其中一氧化碳為5％，保證混合氣體平穩(wěn)進入反應室噴頭4，混合氣體進入反應室噴頭4以后，鐵金屬絲5與反應室噴頭4具有相同的溫度，一氧化碳氣體與鐵金屬絲5在反應室噴頭4里面發(fā)生化學反應，化學反應式為其中Fe為過渡金屬，生成物Fe(CO)₅為五羰基鐵化合物。在高溫環(huán)境下，生成的鐵金屬羰基化合物以氣態(tài)小顆粒存在，同時在混合氣體中氬氣沒有與鐵金屬絲5發(fā)生化學反應，此外氬氣僅作為載氣，承載著氣態(tài)鐵金屬羰基化合物小顆粒，形成鐵粒子載氣流，載氣流流量為0.81/min；在一定的壓力下，鐵粒子載氣流從反應室噴嘴噴射出進入沉積室；

(3)控溫箱7通過沉積室環(huán)形熱電偶9加熱沉積室10，可移動式軟蓋板10覆蓋在沉積室11的上面，使沉積室11的溫度控制在225℃，調整控溫箱7溫度，使其滿足鐵金屬羰基化合物進行分解反應的最佳溫度，提高3D打印速度，化學反應通式為：載氣流進入沉積室11，載氣流在反應室噴頭4上的噴嘴作用下，射流在沉積室基底12上，沉積基底12與三聯(lián)動工作臺13相連，通過計算機加工控制系統(tǒng)控制三聯(lián)動工作臺13的位移和速度，并進行X/Y方向的移動，這時反應室噴頭4上的噴嘴進行噴射載氣流，與此同時三聯(lián)動工作臺13在計算機加工控制系統(tǒng)的控制下進行移動，每層沉積厚度為50-100nm，第一層零件的厚度和形狀制造出來以后，在計算機加工控制系統(tǒng)的控制下自動關閉氣體開關閥2，停止載氣流的供給，同時根據(jù)每層零件厚度，繼續(xù)控制三聯(lián)動工作臺13的位移，并進行Z方向的移動，這時氣體開關閥在計算機加工控制系統(tǒng)的控制下自動開啟，反應室噴頭4反應進行，形成載氣流并進入沉積室11；重復上述步驟完成其他層零件的成型，得需成型零件。

實施例2一種過渡金屬鎳化學氣相沉積微納增材制造方法，包括下列步驟：

(1)獲取零件的三維模型，并將三維零件分成若干二維層面，切片分層成STL格式文件，計算出每一層零件的厚度及形狀，然后將零件所有二維層的形狀、以及對應的厚度輸入到計算機中的加工控制系統(tǒng)中；

(2)控溫箱7通過反應室環(huán)形熱電偶8加熱反應室噴頭4外壁，使反應室噴頭4的溫度控制在178℃，調整控溫箱溫度，使其滿足鎳金屬與一氧化碳氣體發(fā)生反應的最佳溫度；

一氧化碳氣體的供給主要是通過兩個部件來控制，氣體開關閥2通過旋轉就可以實現(xiàn)一氧化碳的釋放和關閉，氣體流量計3通過自帶安全閥調節(jié)氣體管道的開放程度，進而控制一氧化碳和氬氣混合氣體的流量，其中一氧化碳為5％，保證混合氣體平穩(wěn)進入反應室噴頭4，混合氣體進入反應室噴頭4以后，鎳金屬絲5與反應室噴頭4具有相同的溫度，一氧化碳氣體與鎳金屬絲5在反應室噴頭4里面發(fā)生化學反應，化學反應式為其中Ni為過渡金屬，生成物Ni(CO)₄為四羰基鎳化合物。在高溫環(huán)境下，生成的鎳金屬羰基化合物以氣態(tài)小顆粒存在，同時在混合氣體中氬氣沒有與鎳金屬絲5發(fā)生化學反應，此外氬氣僅作為載氣，承載著氣態(tài)鎳金屬羰基化合物小顆粒，形成鎳粒子載氣流，載氣流流量為0.81/min；在一定的壓力下，鎳粒子載氣流從反應室噴嘴噴射出進入沉積室；

(3)控溫箱7通過沉積室環(huán)形熱電偶9加熱沉積室10，可移動式軟蓋板10覆蓋在沉積室11的上面，使沉積室11的溫度控制在225℃，調整控溫箱7溫度，使其滿足鎳金屬羰基化合物進行分解反應的最佳溫度，提高3D打印速度，化學反應通式為：載氣流進入沉積室11，載氣流在反應室噴頭4上的噴嘴作用下，射流在沉積室基底12上，沉積基底12與三聯(lián)動工作臺13相連，通過計算機加工控制系統(tǒng)控制三聯(lián)動工作臺13的位移和速度，并進行X/Y方向的移動，這時反應室噴頭4上的噴嘴進行噴射載氣流，與此同時三聯(lián)動工作臺13在計算機加工控制系統(tǒng)的控制下進行移動，每層沉積厚度為50-100nm，第一層零件的厚度和形狀制造出來以后，在計算機加工控制系統(tǒng)的控制下自動關閉氣體開關閥2，停止載氣流的供給，同時根據(jù)每層零件厚度，繼續(xù)控制三聯(lián)動工作臺13的位移，并進行Z方向的移動，這時氣體開關閥在計算機加工控制系統(tǒng)的控制下自動開啟，反應室噴頭4反應進行，形成載氣流并進入沉積室11；重復上述步驟完成其他層零件的成型，得需成型零件。