專利名稱：一種電弧離子鍍?cè)O(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜和涂層制備領(lǐng)域，具體地說是一種用以在長(zhǎng)管內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁沉積薄膜或涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備。
背景技術(shù)：
在工業(yè)應(yīng)用中有大量金屬工件的內(nèi)表面需要改性處理，特別是對(duì)于管件，普通處理方法無法滿足其內(nèi)表面強(qiáng)化要求。這些工件常因內(nèi)壁磨損、腐蝕、氧化過早失效，因此開發(fā)具有耐磨損、抗腐蝕、抗氧化的表面改性技術(shù)及工藝，是目前表面改性領(lǐng)域急需解決的難題。對(duì)于金屬管內(nèi)壁改性，最早的解決方案是采用電鍍和化學(xué)鍍工藝。但是，化學(xué)鍍由于常常使用有害化學(xué)藥品，對(duì)環(huán)境有害，且鍍層致密性較差；電鍍盡管減少了使用的有害化學(xué)藥品，且鍍層致密性優(yōu)于化學(xué)鍍，但是仍存在使用過程中與金屬管內(nèi)壁結(jié)合較差的問題?！ひ陨泄剂艘豁?xiàng)米用化學(xué)氣相沉積在管內(nèi)壁沉積涂層的方法(4764398)(Method of depositing coatings on the inner surface of a tube by chemicalvapordeposition),并獲得美國(guó)專利,但該專利主要用于沉積太陽能吸收涂層。德國(guó)萊茵金屬公司的一項(xiàng)爆炸噴涂在深管內(nèi)壁制備涂層工藝獲得了美國(guó)專利(6183820)(Method of internally coating a metal tube by explosive evaporation ofthecoating substance)。其核心思想是利用炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的高壓氣體將熔點(diǎn)高、耐燒蝕的金屬“冷焊接”在身管內(nèi)膛表面上。但采用該技術(shù)在管內(nèi)壁涂層的均勻性還有待解決。德國(guó)Christian發(fā)明的采用激光熔覆技術(shù)在火炮身管內(nèi)膛制備涂層的方法(Method of internally coating a weapon barrel by means of a laser beam)獲得了美國(guó)專利(US 6548125B2)，其基本原理是利用激光照射已涂敷在身管內(nèi)膛上的鈮、鑰或鉭等高熔點(diǎn)金屬，使涂敷金屬和身管基體金屬熔化并融合在一起，從而增強(qiáng)炮膛耐燒蝕能力。通過激光加工頭在炮膛內(nèi)軸向移動(dòng)，可滿足炮膛內(nèi)全長(zhǎng)度或部分所需段耐燒蝕涂層的制備。但采用該技術(shù)獲得的管內(nèi)壁涂層的均勻性還有待解決，且當(dāng)管腔尺寸較小或有彎曲形狀時(shí)激光束無法完成照射而使得此方法無法實(shí)施。近年來提出了等離子體浸沒離子注入表面改性方法。其基本原理是管筒放在真空室內(nèi)，真空室內(nèi)產(chǎn)生等離子體，等離子體通過擴(kuò)散進(jìn)入到管筒內(nèi)，然后在管上施加負(fù)偏壓，這樣離子就被加速注入工件表面。由于管內(nèi)等離子體是靠擴(kuò)散進(jìn)入的，存在密度梯度(密度不均勻性)是不可避免的。后來有人提出了內(nèi)部射頻等離子體源的方法，如美國(guó)專利5693376公開了筒型表面等離子體離子注入與沉積方法(Method for plasma source ionimplantation and deposition for cylindricalsurfaces),利用中心電極f禹合射頻功率來獲得管內(nèi)部的等離子體，同時(shí)被處理的管上施加負(fù)偏壓進(jìn)行離子注入或沉積。由于在管上施加負(fù)偏壓時(shí)管內(nèi)部沒有嵌位的接地電極，離子的注入能量不可能很高。盡管等離子體浸沒離子注入在一定程度上解決了管內(nèi)壁改性處理的技術(shù)難題，使得改性質(zhì)量得到了很大改善，但仍存在一些問題有待解決。主要是離子注入層較淺，目前能注入的元素僅限于N元素，且表面強(qiáng)化效果有限(主要是注入層的硬度較低)，仍不能滿足日益苛刻的應(yīng)用需求。電弧離子鍍技術(shù)是結(jié)合了蒸發(fā)與濺射技術(shù)而發(fā)展的一種PVD技術(shù)。在真空室內(nèi)，金屬靶材蒸發(fā)在氣體放電中進(jìn)行，通過碰撞和電子撞擊形成氣體和金屬的離子，這些離子在電場(chǎng)中被加速飛向襯底并形成涂層。如果在薄膜或涂層的形成過程中通入活性氣體(如N2, O2等)，則會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并得到各種化合物薄膜或涂層。電弧離子鍍的主要優(yōu)點(diǎn)在于靶材的離化率高，薄膜或涂層沉積速率快；所制備的薄膜或涂層與襯底之間具有良好的附著力，并且結(jié)構(gòu)致密。基于以上優(yōu)點(diǎn)，工業(yè)界已廣泛采用電弧離子鍍技術(shù)用于耐磨、抗高溫氧化以及改性薄膜或涂層的制備。真空電弧放電為低電壓大電流放電模式，其行為被金屬靶材表面許多快速游動(dòng)、高度明亮的陰極斑點(diǎn)所控制。電弧陰極斑點(diǎn)的產(chǎn)物是電子、金屬離子、中性原子和熔化液滴。其中，金屬離子是產(chǎn)物的主要部分。金屬離子的發(fā)射能量比較大(10 IOOeV),發(fā)射方向具有發(fā)散性，并且隨離開靶材的距離增加該發(fā)散性越明顯。
電弧離子鍍技術(shù)一般只能用于工件外表面沉積防護(hù)和改性薄膜或涂層，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)管內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁進(jìn)行防護(hù)和改性的目的。其主要原因如下一方面，由于口徑較小，金屬離子流進(jìn)入長(zhǎng)管或深孔的深度非常有限，往往在管口或孔口附近即形成薄膜或涂層。一般來說，普通電弧離子鍍?cè)O(shè)備金屬離子進(jìn)入長(zhǎng)管或深孔的深度基本等于管(孔)徑。盡管通過提高金屬離子入射速度可以增加其進(jìn)入長(zhǎng)管或深孔的深度，但增加量非常有限，并且獲得長(zhǎng)管或深孔內(nèi)的薄膜和涂層厚度沿進(jìn)入深度梯度減??；另一方面，金屬離子呈發(fā)散狀由靶材高速向基材運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遠(yuǎn)離靶材10-20cm后金屬離子分布將是一個(gè)非常大的圓臺(tái)底面。既使金屬離子能夠進(jìn)入長(zhǎng)管或深孔較深，由于長(zhǎng)管或深孔的內(nèi)徑非常小，金屬離子的利用率將非常低，甚至不超過1%，因此普通電弧離子鍍?cè)O(shè)備很難實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)管內(nèi)表面或深孔器件孔內(nèi)壁防護(hù)和改性的目的。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的電弧離子鍍技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)管內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁進(jìn)行防護(hù)和改性的目的、改進(jìn)電弧離子鍍技術(shù)可處理的長(zhǎng)管和深孔器件孔徑或邊長(zhǎng)與改性深度不超過I : 2.5以及改性薄膜或涂層均勻性及結(jié)合力較差等不足之處，本發(fā)明提供一種采用磁場(chǎng)和電場(chǎng)控制的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)長(zhǎng)管內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁防護(hù)和改性的目的，其沉積的薄膜或涂層均勻性好，與長(zhǎng)管內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁結(jié)合強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種電弧離子鍍?cè)O(shè)備，該電弧離子鍍?cè)O(shè)備設(shè)有三套磁場(chǎng)發(fā)生裝置，包括用于對(duì)陰極靶發(fā)射的金屬離子流進(jìn)行聚束的第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置，設(shè)置在真空室外與陰極靶后面對(duì)應(yīng)的位置；所述第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置為在中間安裝鍍鎳純鐵的電磁線圈或者環(huán)形永磁體，該電磁線圈或環(huán)形永磁體通過圓形或矩形的第一支撐筒/架固定在與電弧離子鍍?cè)O(shè)備外殼連接的可移動(dòng)工作臺(tái)上，第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置的中心軸與陰極靶的中心軸重合，通過移動(dòng)工作臺(tái)調(diào)整電磁線圈或環(huán)形永磁體與陰極靶之間的距離；用于同第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置配合對(duì)金屬離子流進(jìn)行聚束的第二磁場(chǎng)發(fā)生裝置，設(shè)置在真空室內(nèi)陰極靶與工件之間，通過圓形或矩形的第二支撐筒/架固定在與真空室壁相連的工作臺(tái)上；用于將已聚束金屬離子流發(fā)散并向長(zhǎng)管內(nèi)表面或深孔內(nèi)壁高速運(yùn)動(dòng)的第三磁場(chǎng)發(fā)生裝置，設(shè)置于真空室內(nèi)工件的外周，通過圓形或矩形第三支撐筒/架絕緣固定在與真空室壁相連的工作臺(tái)上；一脈沖偏壓電源，陽極接于工件內(nèi)孔中心懸空的工件輔助電極和真空室壁并接地，陰極與真空室內(nèi)的第三支撐筒/架相連。第一支撐筒/架內(nèi)徑或邊長(zhǎng)為2-25cm，長(zhǎng)度為5-20cm，第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1000-5000Gauss。所述第二磁場(chǎng)發(fā)生裝置為電磁線圈，固定于第二支撐筒/架外周，該第二支撐筒/架內(nèi)徑或邊長(zhǎng)為2-25cm，長(zhǎng)度為5-20cm，其中心軸與陰極靶的中心軸重合，所產(chǎn)生磁感應(yīng) 強(qiáng)度為500_4000Gauss,磁場(chǎng)方向與第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同。所述第三磁場(chǎng)發(fā)生裝置為一電磁線圈組，該電磁線圈組固定于第三支撐筒或支撐架外周，第三支撐筒/架內(nèi)徑或邊長(zhǎng)2-25cm，長(zhǎng)度為10-60cm，其中心軸與陰極靶的中心軸重合，該電磁線圈組由5-15個(gè)長(zhǎng)度為2-4cm的單個(gè)線圈密排組成，每個(gè)線圈分別外接電源控制，所產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1000_5000Gauss,極性與第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性方向相反，通過調(diào)節(jié)每個(gè)線圈上的電流使所產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度沿工件深度梯度減小分布。所述脈沖偏壓電源產(chǎn)生脈沖電場(chǎng)作用于工件內(nèi)，電場(chǎng)電壓為100-2000V，脈沖頻率為 50-2000Hz,占空比為 20-80% ο所述的工件為長(zhǎng)管或深孔結(jié)構(gòu)器件。所述長(zhǎng)管為通孔結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為10_60cm,內(nèi)徑或邊長(zhǎng)為O. 6_15cm,壁厚為O.I-IOcm0所述的長(zhǎng)管或深孔器件為盲孔結(jié)構(gòu)，孔徑或邊長(zhǎng)為O. 6-15cm,長(zhǎng)度為l_40cm。電磁線圈采用耐高溫漆包線纏繞，外面纏繞耐高溫的玻璃絲布，每個(gè)線圈通過單獨(dú)外接電源控制，所采用的電流形式是直流、交流或脈沖。對(duì)于弧源陰極靶的起弧方式，為機(jī)械接觸式或高壓脈沖式。本發(fā)明的另一個(gè)方案為還包括與三套磁場(chǎng)發(fā)生裝置和陰極靶對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)置的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和陰極靶結(jié)構(gòu)，對(duì)稱面為以第三磁場(chǎng)發(fā)生裝置的末端所在面且與工件水平方向垂直。本發(fā)明的設(shè)備用于在長(zhǎng)管或深孔器件內(nèi)壁沉積防護(hù)或改性薄膜或涂層，所沉積的材料為金屬、金屬合金、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬碳氮化物、金屬氧化物或DLC。本發(fā)明具有如下的有益效果和優(yōu)點(diǎn)I.采用三套磁場(chǎng)發(fā)生裝置和一套電場(chǎng)發(fā)生裝置。前兩套磁場(chǎng)發(fā)生裝置用于對(duì)靶材發(fā)射金屬離子進(jìn)行聚束，第三套磁場(chǎng)發(fā)生裝置用于將已聚束金屬離子流發(fā)散并向長(zhǎng)管內(nèi)表面或深孔內(nèi)壁高速運(yùn)動(dòng)。電場(chǎng)發(fā)生裝置即脈沖偏壓電源用于對(duì)向長(zhǎng)管內(nèi)表面或深孔內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)的金屬離子進(jìn)一步加速。通過磁場(chǎng)和電場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)和電場(chǎng)解決了在長(zhǎng)管內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁沉積薄膜或涂層的技術(shù)難題；2.通過磁場(chǎng)和電場(chǎng)控制等離子體運(yùn)動(dòng)，保證了在長(zhǎng)管內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁沉積的薄膜或涂層的均勻性和質(zhì)量，同時(shí)減少了所沉積薄膜或涂層中大顆粒的含量，所獲得改性薄膜或涂層的質(zhì)量?jī)?yōu)于傳統(tǒng)電弧離子鍍獲得的薄膜或涂層；3.通過增加脈沖電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了離子飛行過程中的徑向加速，提高了所獲薄膜或涂層的質(zhì)量；4.采用兩套磁場(chǎng)發(fā)生裝置配合對(duì)靶材發(fā)射的金屬離子進(jìn)行聚束。其中，真空室外第一套磁場(chǎng)發(fā)生裝置主要用以控制沉積薄膜或涂層過程中靶材表面的弧斑運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)聚束目的；第二套磁場(chǎng)發(fā)生裝置主要用以約束等離子體傳輸以及離子運(yùn)動(dòng)軌跡來實(shí)現(xiàn)聚束目的。同時(shí)，所產(chǎn)生的兩個(gè)磁場(chǎng)將增強(qiáng)帶電粒子在傳輸空間的振蕩，增加帶電粒子之間的碰撞，從而提高離化率。與僅使用第二套磁場(chǎng)發(fā)生裝置相比，使用兩套磁場(chǎng)發(fā)生裝置對(duì)靶材發(fā)射的金屬離子聚束，可以使所處理的長(zhǎng)管和深孔器件孔徑或邊長(zhǎng)與改性深度比由I : 2.5提聞到I · 10。


圖I為本發(fā)明電弧離子鍍?cè)O(shè)備用于改性盲孔結(jié)構(gòu)的工件內(nèi)表面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明電弧離子鍍?cè)O(shè)備用于改性通孔結(jié)構(gòu)的工件內(nèi)表面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明電弧離子鍍?cè)O(shè)備用于從兩端改性通孔結(jié)構(gòu)的工件內(nèi)表面結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，I為真空室；2為陰極祀；3為永磁體；4為引弧線圈；5為引弧針；6為進(jìn)水管；7為出水管；8為第一電磁線圈；9為鍍鎳純鐵；10為第一工作臺(tái)；11為第一支撐筒/架；12為第二電磁線圈；13為第二工作臺(tái)；14為第二支撐筒/架；15為工件(長(zhǎng)管或深孔器件)；16為工件輔助電極；17為外壁保護(hù)套；18為第三電磁線圈；19為第三工作臺(tái)；20為第三支撐筒/架；21為金屬離子流；22為陰極靶電源；23為脈沖偏壓電源。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地?cái)⑹觥?shí)施例I如圖I所示，一種電弧離子鍍?cè)O(shè)備，該電弧離子鍍?cè)O(shè)備設(shè)有三套磁場(chǎng)發(fā)生裝置，包括用于對(duì)陰極靶發(fā)射的金屬離子流進(jìn)行聚束的第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置，設(shè)置在真空室I外與陰極靶2后面對(duì)應(yīng)的位置；第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置為在中間安裝鍍鎳純鐵9的第一電磁線圈8或者環(huán)形永磁體，該第一電磁線圈8或環(huán)形永磁體通過第一支撐筒11或采用支撐架結(jié)構(gòu)固定在與設(shè)備外殼連接的可移動(dòng)第一工作臺(tái)10上，第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置的中心軸與陰極靶2的中心軸重合，所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1000-5000GauSS，第一支撐筒11內(nèi)徑或支撐架的邊長(zhǎng)為2-25cm，長(zhǎng)度為5-20cm，電磁線圈采用耐高溫漆包線纏繞，線圈外面纏繞耐高溫的玻璃絲布，單獨(dú)外接電源控制，所采用的電流形式可以是直流、交流或脈沖的形式；用于同第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置配合對(duì)金屬離子流進(jìn)行進(jìn)一步聚束的第二磁場(chǎng)發(fā)生裝置，設(shè)置在真空室I內(nèi)陰極靶2與工件15端部之間，固定于第二支撐筒或支撐架14外周，第二支撐筒14或支撐架固定在與真空室I壁相連的第二工作臺(tái)13上，第二磁場(chǎng)發(fā)生裝置為第二電磁線圈12，材料與第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置所有的材料相同，單獨(dú)外接電源控制，所采用的電流形式可以是直流、交流或脈沖的形式，第二支撐筒的內(nèi)徑或支撐架的邊長(zhǎng)為2-25cm，長(zhǎng)度為5-20cm，第二磁場(chǎng)發(fā)生裝置的中心軸與陰極靶2的中心軸重合，第二磁場(chǎng)發(fā)生裝置所產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為500-4000Gauss,通過控制外接電源控制線圈電流方向使得磁場(chǎng)方向與第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同?；≡搓帢O靶2的起弧方式，為機(jī)械接觸式或高壓脈沖式，陰極靶2連接陰極靶電源22的負(fù)極，陰極靶電源22的正極連接真空室壁并接地；陰極靶2的背部安裝有永磁鐵3。用于將已聚束金屬離子流發(fā)散并向長(zhǎng)管內(nèi)表面或深孔內(nèi)壁高速運(yùn)動(dòng)的第三磁場(chǎng)發(fā)生裝置，設(shè)置于真空室內(nèi)工件15的外周，中心軸與陰極靶2的中心軸重合，第三磁場(chǎng)發(fā)生裝置為電磁線圈組18，該電磁線圈組固定于第三支撐筒或支撐架20外周，第三支撐筒或支撐架絕緣固定在與真空室I壁相連的工作臺(tái)19上，第三支撐筒內(nèi)徑或支撐架邊長(zhǎng)2-25cm，長(zhǎng)度為10-60cm，電磁線圈組18由5_15個(gè)長(zhǎng)度為2-4cm的單個(gè)線圈密排組成，每個(gè)線圈分別外接電源控制，所產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1000-5000Gauss，極性與第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性方向相反，通過調(diào)節(jié)每個(gè)線圈上的電流使其產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度沿工件深度梯度減小，電磁線圈采用耐高溫漆包線纏繞，線圈外面纏繞耐高溫的玻璃絲布，每個(gè)線圈通過單獨(dú)外接電源控制，所采用的電流形式是直流、交流或脈沖。 一脈沖偏壓電源23，正極接于工件內(nèi)孔中心懸空的工件輔助電極16和真空室I壁并接地，負(fù)極與真空室內(nèi)的第三支撐筒20或支撐架相連，脈沖偏壓電源產(chǎn)生脈沖電場(chǎng)作用于工件內(nèi)，電場(chǎng)電壓為100-2000V，脈沖頻率為50-2000HZ，占空比為20-80%。如圖I所示,工件為盲孔結(jié)構(gòu),孔徑為O. 6_15cm,長(zhǎng)度為l_40cm,工件為長(zhǎng)管或深孔器件。如圖2所示，工件為通孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為O. 6-15cm,長(zhǎng)度為10_60cm,壁厚為
O.I-IOcm,工件為長(zhǎng)管。實(shí)施例2如圖3所示，與實(shí)施例I的不同之處在于，對(duì)于通孔的長(zhǎng)管或深孔器件，采用對(duì)稱的磁場(chǎng)裝置結(jié)構(gòu)和陰極靶結(jié)構(gòu)從孔兩端同時(shí)進(jìn)行管件內(nèi)表面防護(hù)和改性薄膜或涂層的沉積，從而可將所處理長(zhǎng)管的長(zhǎng)度提高一倍，在實(shí)施例I的電弧離子鍍?cè)O(shè)備的三套磁場(chǎng)發(fā)生裝置和陰極靶對(duì)稱設(shè)置有另外三套磁場(chǎng)發(fā)生裝置以及陰極靶，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例I中的三套磁場(chǎng)發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)相同，對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)稱面為以第三磁場(chǎng)發(fā)生裝置的末端所在面且與工件垂直，對(duì)稱磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和陰極靶結(jié)構(gòu)從孔兩端同時(shí)進(jìn)行管件內(nèi)表面防護(hù)和改性薄膜或涂層的沉積，從而可將所處理長(zhǎng)管的長(zhǎng)度提高一倍，如圖3所示，用于制備較長(zhǎng)的通孔結(jié)構(gòu)工件，可用于制備內(nèi)徑為O. 6-15cm，長(zhǎng)度為20-120cm，壁厚為O. Ι-lOcm，長(zhǎng)管工件。本發(fā)明為用于在長(zhǎng)管或深孔器件內(nèi)壁沉積防護(hù)或改性薄膜或涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，可以用于沉積的材料為金屬、金屬合金、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬碳氮化物、金屬氧化物或DLC等。實(shí)例I :不銹鋼管內(nèi)表面沉積氮化鈦涂層采用實(shí)施例I的設(shè)備，選擇壁厚為3mm的Φ 14X 300mm的不銹鋼管，經(jīng)稀磷酸清洗、無水乙醇超聲清洗、烘干后放入保護(hù)外套內(nèi)，裝入工件臺(tái)上，使不銹鋼管的中心線與陰極靶材軸線重合。真空室抽真空至3 X 10_3pa后，通入氬氣并維持真空室氣體壓強(qiáng)在2. OPa0調(diào)節(jié)真空室外第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置的電磁線圈電流至3. 7A(對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度3000Gauss);調(diào)節(jié)真空室內(nèi)聚束電磁線圈即第二磁場(chǎng)發(fā)生裝置電流至2. IA (對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度lOOOGauss)；調(diào)節(jié)真空室內(nèi)發(fā)散電磁線圈組即第三磁場(chǎng)發(fā)生裝置的電流至3. 6,4. 0,4. 2,4. 4,4. 6、4.8A(對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度1800、2100、2200、2300、2400、2500Guass)，不銹鋼管壁與其中懸空的工件輔助電極加負(fù)偏壓_800V(占空比調(diào)節(jié)為O)，對(duì)工件進(jìn)行輝光清洗3分鐘；調(diào)整氬氣流量，使真空室氣壓調(diào)整為O. 6Pa。陰極靶采用鈦靶，開啟陰極靶材電源，控制電流為80A(電壓為20V)，對(duì)不銹鋼管內(nèi)壁進(jìn)行離子轟擊2分鐘。關(guān)掉氬氣，通入氮?dú)?，并保持真空室?nèi)氣體壓強(qiáng)為O. 6Pa。調(diào)整不銹鋼管壁與其中懸空的工件輔助電極偏壓至_500V(占空比調(diào)節(jié)至40% )，調(diào)整靶材電源電流至60A (對(duì)應(yīng)電壓為17. 2V)，工作時(shí)間為60分鐘。結(jié)束后，關(guān)閉偏壓電源，關(guān)閉靶材電源，關(guān)掉氣體并繼續(xù)抽真空I小時(shí)。關(guān)閉真空系統(tǒng)，打開真空室，取出不銹鋼管。采用線切割機(jī)將不銹鋼管切開，測(cè)量其內(nèi)壁涂層厚度及硬度(納米壓痕儀)。整個(gè)不銹鋼管內(nèi)壁為金黃色，沿不銹鋼管長(zhǎng)度方向，涂層厚度和硬度都較均勻，分別為1.6μπι和 2IGPa。 實(shí)例2 :模具內(nèi)壁沉積氮化鉻涂層選擇實(shí)施例2的設(shè)備，合金鋼模具尺寸為60X50X300mm，具有Φ30Χ 150mm內(nèi)孔。該模具經(jīng)丙酮超聲清洗、無水乙醇清洗后烘干并放入保護(hù)套內(nèi)，將模具的開口方向?qū)?zhǔn)陰極靶材的等離子體束流來源方向，并保持模具內(nèi)孔軸線與陰極靶材軸線重合。將懸空工件輔助電極放入模具孔內(nèi)至接近孔底。真空室抽真空至3 X 10_3pa后，通入氬氣并維持真空室氣體壓強(qiáng)在2. OPa0調(diào)節(jié)真空室外電磁線圈即第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置的電流至3. 2A(對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度2500Gauss);調(diào)節(jié)真空室內(nèi)聚束電磁線圈即第二磁場(chǎng)發(fā)生裝置電流至2. IA (對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度lOOOGauss);調(diào)節(jié)真空室內(nèi)發(fā)散電磁線圈組即第三磁場(chǎng)發(fā)生裝置電流至3. 6、
4.0,4. 2,4. 4,4. 6A(對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 1800、2100、2200、2300、2400、2500Guass)，模具與其中懸空的工件輔助電極加負(fù)偏壓-800V (占空比調(diào)節(jié)為O)，對(duì)模具內(nèi)孔壁進(jìn)行輝光清洗3分鐘；之后，調(diào)整氬氣流量，使真空室氣壓調(diào)整為O. 6Pa。采用鉻靶，開啟陰極靶電源，控制電流為70A(電壓為21V)，對(duì)模具孔內(nèi)壁繼續(xù)進(jìn)行離子轟擊2分鐘。關(guān)掉氬氣，通入氮?dú)?，并保持真空室?nèi)氣體壓強(qiáng)為O. 6Pa。調(diào)整模具與其中懸空的工件輔助電極偏壓至_500V(占空比調(diào)節(jié)至40% )，調(diào)整陰極靶電源電流至58A(對(duì)應(yīng)電壓為17. 2V)，工作時(shí)間為60分鐘。結(jié)束后，關(guān)閉偏壓電源，關(guān)閉陰極靶電源，關(guān)掉氣體并繼續(xù)抽真空I小時(shí)。關(guān)閉真空系統(tǒng)，打開真空室，取出模具。采用線切割機(jī)將模具沿內(nèi)孔中心切開，測(cè)量其內(nèi)壁涂層厚度及硬度(納米壓痕儀)。沿模具內(nèi)孔深度方向，涂層厚度和硬度都較均勻，分別為1.4μπι和19.8GPa。實(shí)例3 :不銹鋼管內(nèi)表面沉積鈦涂層選擇壁厚為3mm的Φ14Χ200·ι的不銹鋼管，經(jīng)稀磷酸清洗、無水乙醇超聲清洗、烘干后放入保護(hù)外套內(nèi)，不銹鋼管子的中心線與陰極靶材軸線重合。真空室抽真空至3 X 10-3pa后，通入氬氣并維持真空室氣體壓強(qiáng)在2. OPa0調(diào)節(jié)真空室外電磁線圈即第一磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置電流至3. 7Α(對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度3000Gauss);調(diào)節(jié)真空室內(nèi)聚束電磁線圈即第二磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置電流至2. IA(對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度lOOOGauss);調(diào)節(jié)真空室內(nèi)發(fā)散電磁線圈組即第三磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置電流至3. 6,4. 0,4. 2,4. 4,4. 6,4. 8A(對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度1800、2100、2200、2300、2400、2500Guass)，不銹鋼管壁與其中懸空電極加負(fù)偏壓_800V(占空比調(diào)節(jié)為0)，對(duì)工件進(jìn)行輝光清洗3分鐘；之后，調(diào)整氬氣流量，使真空室氣壓調(diào)整為0. 6Pa。開啟鈦靶電源，控制電流為80A(電壓為20V)，對(duì)不銹鋼管內(nèi)壁繼續(xù)進(jìn)行離子轟擊2分鐘。調(diào)整不銹鋼管壁與其中懸空的工件輔助電極偏壓至-500V (占空比調(diào)節(jié)至40%)，調(diào)整靶材電源電流至60A(對(duì)應(yīng)電壓為18. 2V)，工作時(shí)間為60分鐘。結(jié)束后，關(guān)閉偏壓電源，關(guān)閉靶材電源開關(guān)，關(guān)掉氣體并繼續(xù)抽真空I小時(shí)。關(guān)閉真空系統(tǒng)，打開真空室，取出不銹鋼管。采用線切割機(jī)將不銹鋼管切開，測(cè)量其內(nèi)壁涂層厚度及成分。沿不銹鋼管長(zhǎng)度方向，選擇小樣品進(jìn)行EDS分析證明不銹鋼管內(nèi)壁已沉積了 Ti涂層，涂層厚度較均勻，為
2.4 μ m0實(shí)例4 :不銹鋼盲管內(nèi)表面沉積銅涂層將Φ50Χ200πιπι的具有Φ30Χ 140mm盲孔的不銹鋼零件清洗、烘干后，放入保護(hù)外套內(nèi)，不銹鋼零件盲孔的中心線與陰極靶材軸線重合。真空室抽真空至3X10_3pa后，通入氬氣并維持真空室氣體壓強(qiáng)在2. OPa0調(diào)節(jié)真空室外電磁線圈即第一磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置電流至3.4A(對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度2800Gauss);調(diào)節(jié)真空室內(nèi)聚束電磁線圈即第二磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置 電流至2. IA(對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度lOOOGauss);調(diào)節(jié)真空室內(nèi)發(fā)散電磁線圈組即第三磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置電流至 3. 6,4. 0,4. 2,4. 4,4. 6,4. 8A(對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 1800、2100、2200、2300、2400、2500Guass)，不銹鋼零件與其中懸空的工件輔助電極加負(fù)偏壓_800V(占空比調(diào)節(jié)為O)，對(duì)工件進(jìn)行輝光清洗3分鐘；之后，調(diào)整氬氣流量，使真空室氣壓調(diào)整為O. 6Pa。開啟銅靶電源，控制電流為70A(電壓為25V)，對(duì)不銹鋼零件盲孔內(nèi)壁繼續(xù)進(jìn)行離子轟擊2分鐘。調(diào)整不銹鋼零件與其中懸空的工件輔助電極偏壓至-500V (占空比調(diào)節(jié)至40 % )，調(diào)整靶材電源電流至60A(對(duì)應(yīng)電壓為18. 2V)，工作時(shí)間為60分鐘。結(jié)束后，關(guān)閉偏壓電源，關(guān)閉靶材電源開關(guān)，關(guān)掉氣體并繼續(xù)抽真空I小時(shí)。關(guān)閉真空系統(tǒng)，打開真空室，取出不銹鋼零件。采用線切割機(jī)將不銹鋼零件沿盲孔中心切開，測(cè)量其內(nèi)壁涂層厚度及成分。沿不銹鋼零件盲孔長(zhǎng)度方向，選擇小樣品進(jìn)行EDS分析證明不銹鋼零件盲孔內(nèi)壁已沉積了 Cu涂層，涂層厚度較均勻，為2. I μ m。
權(quán)利要求
1.一種電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其特征在于該電弧離子鍍?cè)O(shè)備設(shè)有三套磁場(chǎng)發(fā)生裝置，包括: 用于對(duì)陰極靶發(fā)射的金屬離子流進(jìn)行聚束的第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置，設(shè)置在真空室外與陰極靶后面對(duì)應(yīng)的位置；所述第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置為在中間安裝鍍鎳純鐵的電磁線圈或者環(huán)形永磁體，該電磁線圈或環(huán)形永磁體通過圓形或矩形的第一支撐筒/架固定在與電弧離子鍍?cè)O(shè)備外殼連接的可移動(dòng)工作臺(tái)上，第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置的中心軸與陰極靶的中心軸重合，通過移動(dòng)工作臺(tái)調(diào)整電磁線圈或環(huán)形永磁體與陰極靶之間的距離； 用于同第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置配合對(duì)金屬離子流進(jìn)行聚束的第二磁場(chǎng)發(fā)生裝置，設(shè)置在真空室內(nèi)陰極靶與工件之間，通過圓形或矩形的第二支撐筒/架固定在與真空室壁相連的工作臺(tái)上； 用于將已聚束金屬離子流發(fā)散并向長(zhǎng)管內(nèi)表面或深孔內(nèi)壁高速運(yùn)動(dòng)的第三磁場(chǎng)發(fā)生裝置，設(shè)置于真空室內(nèi)工件的外周，通過圓形或矩形第三支撐筒/架絕緣固定在與真空室壁相連的工作臺(tái)上； 一脈沖偏壓電源，陽極接于工件內(nèi)孔中心懸空的工件輔助電極和真空室壁并接地，陰極與真空室內(nèi)的第三支撐筒/架相連。
2.按照權(quán)利要求I所述的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其特征在于所述第一支撐筒/架內(nèi)徑或邊長(zhǎng)為2_25cm,長(zhǎng)度為5_20cm,第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1000_5000Gauss。
3.按照權(quán)利要求I所述的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其特征在于所述第二磁場(chǎng)發(fā)生裝置為電磁線圈，固定于第二支撐筒/架外周，該第二支撐筒/架內(nèi)徑或邊長(zhǎng)為2-25cm，長(zhǎng)度為5-20cm，其中心軸與陰極靶的中心軸重合，所產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為500-4000Gauss，磁場(chǎng)方向與第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同。
4.按照權(quán)利要求I所述的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其特征在于所述第三磁場(chǎng)發(fā)生裝置為一電磁線圈組，該電磁線圈組固定于第三支撐筒或支撐架外周，第三支撐筒/架內(nèi)徑或邊長(zhǎng)2-25cm,長(zhǎng)度為10-60cm,其中心軸與陰極祀的中心軸重合,該電磁線圈組由5-15個(gè)長(zhǎng)度為2-4cm的單個(gè)線圈密排組成，每個(gè)線圈分別外接電源控制，所產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1000-5000Gauss,極性與第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性方向相反,通過調(diào)節(jié)每個(gè)線圈上的電流使所產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度沿工件深度梯度減小分布。
5.按照權(quán)利要求I所述的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其特征在于所述脈沖偏壓電源產(chǎn)生脈沖電場(chǎng)作用于工件內(nèi)，電場(chǎng)電壓為100-2000V，脈沖頻率為50-2000HZ，占空比為20-80%。
6.按照權(quán)利要求I所述的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其特征在于所述的工件為長(zhǎng)管或深孔結(jié)構(gòu)器件。
7.按照權(quán)利要求5所述的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其特征在于所述長(zhǎng)管為通孔結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為10-60cm,內(nèi)徑或邊長(zhǎng)為O. 6-15cm，壁厚為O. 1-lOcm。
8.按照權(quán)利要求5所述的所述的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其特征在于所述的長(zhǎng)管或深孔器件為盲孔結(jié)構(gòu)，孔徑或邊長(zhǎng)為O. 6-15cm，長(zhǎng)度為l-40cm。
9.按照權(quán)利要求1、2和3所述的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其特征在于電磁線圈采用耐高溫漆包線纏繞，外面纏繞耐高溫的玻璃絲布，每個(gè)線圈通過單獨(dú)外接電源控制，所采用的電流形式是直流、交流或脈沖。
10.按照權(quán)利要求I所述的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其特征在于對(duì)于弧源陰極靶的起弧方式，為機(jī)械接觸式或高壓脈沖式。
11.按照權(quán)利要求I所述的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其特征在于還包括與三套磁場(chǎng)發(fā)生裝置和陰極靶對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)置的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和陰極靶結(jié)構(gòu)，對(duì)稱面為以第三磁場(chǎng)發(fā)生裝置的末端所在面且與工件水平方向垂直。
12.按照權(quán)利要求I或11所述的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其特征在于所述電弧離子鍍?cè)O(shè)備用于在長(zhǎng)管或深孔器件內(nèi)壁沉積防護(hù)或改性薄膜或涂層，所沉積的材料為金屬、金屬合金、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬碳氮化物、金屬氧化物或DLC。
全文摘要
本發(fā)明涉及薄膜和涂層制備領(lǐng)域，為一種用以在長(zhǎng)管內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁沉積薄膜或涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，該電弧離子鍍?cè)O(shè)備設(shè)有三套磁場(chǎng)發(fā)生裝置，對(duì)陰極靶發(fā)射的金屬離子流進(jìn)行聚束的第一磁場(chǎng)發(fā)生裝置，在真空室外與陰極靶后面對(duì)應(yīng)的位置；對(duì)金屬離子流進(jìn)行聚束的第二磁場(chǎng)發(fā)生裝置，設(shè)置在真空室內(nèi)陰極靶與工件之間，將已聚束金屬離子流發(fā)散并向長(zhǎng)管內(nèi)表面或深孔內(nèi)壁高速運(yùn)動(dòng)的第三磁場(chǎng)發(fā)生裝置，設(shè)置于真空室內(nèi)工件的外周，脈沖偏壓電源，于對(duì)向長(zhǎng)管內(nèi)表面或深孔內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)的金屬離子進(jìn)一步加速，本發(fā)明解決了在長(zhǎng)管內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁沉積薄膜或涂層的技術(shù)難題；保證了薄膜或涂層的均勻性和質(zhì)量，減少了所沉積薄膜或涂層中大顆粒的含量。
文檔編號(hào)C23C14/48GK102758186SQ201110105549
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者宋貴宏, 杜昊, 熊天英, 肖金泉, 趙彥輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所