一種長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及薄膜和涂層制備領(lǐng)域，具體地說是研制一種特殊的電弧離子鍍柱狀靶弧源及附屬部件，用以在長管件內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁沉積薄膜和涂層，實(shí)現(xiàn)軍工和特殊部件內(nèi)壁表面改性目的。其特征在于：該長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置，設(shè)有真空室、柱狀靶弧源、引弧裝置、固定管件的樣品架、圓形均氣管、樣品架加熱系統(tǒng)、陰極靶材與樣品架偏壓系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、控制柜、陰極靶電源、偏壓電源和工作臺。本發(fā)明的目的是提供一種新型的由柱狀靶弧源及附屬部件實(shí)現(xiàn)長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置，用以實(shí)現(xiàn)對長管件內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁防護(hù)和改性的目的。
【專利說明】一種長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄膜和涂層制備領(lǐng)域，具體地說是研制一種特殊的電弧離子鍍柱狀靶弧源及附屬部件，用以在長管件內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁沉積薄膜和涂層，實(shí)現(xiàn)軍工和特殊部件內(nèi)壁表面改性目的。

【背景技術(shù)】
[0002]在工業(yè)上有大量金屬工件的內(nèi)壁需要改性處理，特別是對于長管件或筒件，如油田抽油泵的泵筒、石油化工的合成設(shè)備、輸油輸水的管道、特別是軍事上使用的炮管和火箭彈管等在腐蝕或高溫下工作，承受著腐蝕、磨損和高溫氧化或承受以上多種工況同時(shí)多方面作用的影響，而目前的處理方法還無法滿足如此惡劣環(huán)境下使用的內(nèi)表面改性和強(qiáng)化要求。
[0003]相對于部件的外表面，管件內(nèi)壁的改性處理存在以下幾個(gè)技術(shù)難題:一是受內(nèi)腔形狀和尺寸的限制，一些處理方法很難實(shí)施，或是即使能實(shí)施也很難得到良好的改性效果，尤其是徑長比較小的長管件更是如此。二是受內(nèi)腔形狀和尺寸的限制，一些處理介質(zhì)較難進(jìn)入管件內(nèi)部，或者即使進(jìn)入也很難保證改性層的均勻性。三是受內(nèi)腔形狀和徑長比較小尺寸的限制，改性層與管件內(nèi)壁結(jié)合強(qiáng)度較差，限制了改性層的優(yōu)異性能發(fā)揮。
[0004]對于金屬管件內(nèi)壁的改性，最早人們進(jìn)行化學(xué)鍍和電鍍的處理。然而化學(xué)鍍和電鍍都出現(xiàn)使用有害有毒化學(xué)藥品，污染環(huán)境，是被目前限制使用的技術(shù)。另外，化學(xué)鍍和電鍍的鍍層常常是金屬，其表面改性效果和程度受到限制，無法滿足目前惡劣環(huán)境的苛刻要求。盡管近年也有通過復(fù)合電鍍獲得金屬和非金屬構(gòu)成的復(fù)合鍍層，但其結(jié)合力和膜層的致密度等較差，極易出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，其表面改性所要求的防護(hù)性能很難達(dá)到要求。通過傳統(tǒng)的表面化學(xué)熱處理如氣體滲氮或滲碳等表面改性處理，或者化學(xué)氣相沉積，有時(shí)也不能滿足表面改性的苛刻要求，而且常常這些方法處理溫度較高，易破壞金屬部件的原始組織，失掉部件的其它性能。激光熔覆和噴涂等技術(shù)內(nèi)部表面改性需要有軸向移動(dòng)的處理部件，有時(shí)處理層均勻性難于保證，且膜層致密性較差。近年來，盡管等離子注入改性能夠?qū)芗?nèi)壁進(jìn)行改性，但注入改性層較淺，目前僅能注入N離子，強(qiáng)化效果有限。
[0005]電弧離子鍍技術(shù)主要是利用低氣壓下氣體弧光放電產(chǎn)生的高溫使陰極靶材蒸發(fā)，在電磁場作用下，通過原子、離子和電子間的粒子碰撞形成氣體和金屬的等離子體，這些等離子在電場中被加速飛向襯底并形成膜層。如果在膜層的形成過程中通入反應(yīng)氣體(如n2、C2H2等)，則會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并得到各種化合物膜層。電弧離子鍍的主要優(yōu)點(diǎn)在于靶材的離化率高，膜層沉積速率快，膜層厚度可達(dá)10 μ m以上；所制備的膜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膜層的制備。目前電弧離子鍍設(shè)備對部件外表面沉積膜層的效果很好，但對于筒件或管件，往往僅在管口或孔口附近形成薄膜或涂層，沉積膜層所需的等離子體很難進(jìn)入筒件或管件縱身內(nèi)部。一般來說，普通電弧離子鍍設(shè)備金屬等離子體進(jìn)入長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)入長管或深孔的深度，但增加值非常有限，并且獲得長管或深孔內(nèi)的薄膜和涂層厚度隨進(jìn)入深度增加急劇梯度減小。一些在管件周邊添加永磁鐵或磁場線圈，企圖利用磁場約束等離子體運(yùn)動(dòng)的方法，仍然需要等離子從管口進(jìn)入管內(nèi)，但是，由于等離子體密度在管件縱向方向上急劇降低，在管件內(nèi)部沉積的膜層在管件長度方向非常不均勻，而且膜層的沉積深度非常有限，受徑長比的影響，最大不超過I比3。因此目前的電弧離子鍍裝置很難實(shí)現(xiàn)在長管件內(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】

[0006]本發(fā)明提供了一種新型的由柱狀靶弧源及附屬部件實(shí)現(xiàn)長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置，用以實(shí)現(xiàn)對長管件內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁防護(hù)和改性的目的。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為:
[0008]一種長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置，其特征在于:該長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置，設(shè)有真空室、柱狀靶弧源、引弧裝置、固定管件的樣品架、圓形均氣管、樣品架加熱系統(tǒng)、陰極靶材與樣品架偏壓系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、控制柜、陰極靶電源、偏壓電源和工作臺。
[0009]柱狀靶弧源由輔助陽極、圓柱型空心靶材陰極、絕緣墊、固定螺栓和螺帽等組成；柱狀靶弧源中心有冷卻液流動(dòng)，根據(jù)長管件內(nèi)壁直徑大小，本專利發(fā)明的柱狀靶弧源的外直徑具有不同尺寸，最小外直徑可為1mm;控制陰極靶和輔助陽極或樣品架之間弧光放電，確保空心圓柱型陰極靶材在放電過程中均勻刻蝕；通過柱狀陰極靶材的弧光放電，在管件內(nèi)壁生成膜層。
[0010]樣品架旋轉(zhuǎn)和縱向運(yùn)動(dòng)在真空腔外部控制，利用快進(jìn)螺旋結(jié)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)控制，樣品架實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和縱向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速率每分鐘縱向移動(dòng)5-50_并旋轉(zhuǎn)1-5圈。
[0011]采用接觸式針尖引弧，引弧裝置在真空腔外由氣動(dòng)閥或電磁閥驅(qū)動(dòng)控制。
[0012]在柱狀靶弧源外部添加網(wǎng)狀高熔點(diǎn)金屬(鑰或鎢)筒，作為施加偏壓的陽極，樣品架為偏壓陰極，偏壓電源可以是直流也可以是脈沖的。
[0013]圓形均氣管置于腔體壁與管件一個(gè)端面靠近并遠(yuǎn)離真空抽氣端，圓形均氣管為直徑3mm的細(xì)銅管，且在銅管長度方向上的試樣區(qū)域設(shè)有均勻分布直徑為0.5mm的排氣孔。
[0014]本發(fā)明的特點(diǎn):研制了能夠放置在管件內(nèi)部的圓柱狀電弧靶源，且最小外直徑可達(dá)10_，能夠?qū)崿F(xiàn)圓柱狀陰極靶表面的均勻放電刻蝕，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電弧靶源與管件內(nèi)壁的相對運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管件內(nèi)壁的均勻鍍膜。
[0015]本發(fā)明解決了在長管件內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁沉積薄膜和涂層的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了對長管件內(nèi)表面和深孔器件內(nèi)壁改性的目的。與常規(guī)的電弧離子鍍工藝相比，可實(shí)現(xiàn)一定直徑長管件和深孔器件內(nèi)壁表面改性強(qiáng)化目的，通過柱狀陰極靶的均勻放電刻蝕和樣品架旋轉(zhuǎn)和縱向運(yùn)動(dòng)，保證了在長管件內(nèi)表面和深孔器件孔內(nèi)壁沉積薄膜和涂層的均勻性和質(zhì)量，滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要。

【專利附圖】

【附圖說明】
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[0016]【專利附圖】

【附圖說明】:圖1是長管件內(nèi)壁均勻鍍膜的電弧離子鍍裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖中，1.管件內(nèi)壁負(fù)偏壓樣品架；2.輔助陽極A ；3.絕緣墊；4.陰極靶材；5.柱狀靶弧源支撐架；6.固定螺桿；7.固定螺帽；8.輔助陽極B ；9.絕緣塞；10.引弧引針；11.均氣銅管；12.冷卻液管；13.真空腔。

【具體實(shí)施方式】
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[0018]本發(fā)明的核心思想:為了實(shí)現(xiàn)管件內(nèi)部深處電弧離子鍍膜層的沉積，需要設(shè)計(jì)和制造直徑較細(xì)的圓形靶弧源及附屬部件；同時(shí)為實(shí)現(xiàn)長范圍均勻沉積，需要設(shè)計(jì)和制造旋轉(zhuǎn)和縱向移動(dòng)的樣品架；為了實(shí)現(xiàn)化合物膜層的沉積，反應(yīng)氣體也需要引進(jìn)管件深處，且氣流速率要盡量大一些。同時(shí)，為了增加膜層的結(jié)合強(qiáng)度，在陰極靶和樣品架之間加入偏壓電場。
[0019]實(shí)施例1:壁厚為Imm直徑和長度為Φ80Χ600πιπι的不銹鋼管內(nèi)表面沉積金屬鈦膜層
[0020]利用外徑26mm的柱狀祀弧源，空心圓柱陰極祀為純Ti,選擇壁厚為Imm直徑為Φ80Χ600πιπι的不銹鋼管，經(jīng)稀磷酸除銹、清水清洗、無水乙醇清洗、烘干后置入樣品架上，不銹鋼管的中心線與靶弧源軸線重合，樣品架的移動(dòng)速率為每分鐘縱向移動(dòng)2mm并旋轉(zhuǎn)一圈。真空室抽真空至6.7X 10_3Pa后，通入Ar氣并維持真空室氣體壓強(qiáng)在0.6Pa。首先引弧，弧流60A，弧壓20V，在正?；」夥烹姾?，樣品架開始運(yùn)動(dòng)，施加900V負(fù)偏壓進(jìn)行轟擊清潔3-4分鐘。隨后，降低負(fù)偏壓為200V，繼續(xù)通入Ar，真空室氣體壓強(qiáng)仍然保持在0.6Pa，弧流和弧壓保持不變，計(jì)入沉積時(shí)間，60分鐘后，關(guān)閉偏壓電源和電弧電源，關(guān)閉氣體，停止樣品架運(yùn)動(dòng)，樣品架回復(fù)原位。真空腔繼續(xù)抽真空冷卻樣品，待冷卻I小時(shí)后，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，測量其內(nèi)壁膜層厚度。整個(gè)不銹鋼管內(nèi)壁為銀灰色，沿不銹鋼管長度方向，膜層厚度較均勻，厚度約為10 μ m。
[0021]實(shí)施例2:壁厚為Imm直徑和長度為Φ60Χ600.ι的不銹鋼管內(nèi)表面沉積氮化鈦膜層
[0022]利用外徑26mm的柱狀祀弧源，空心圓柱陰極祀為純Ti,選擇壁厚為Imm直徑為Φ60Χ600πιπι的不銹鋼管，經(jīng)稀磷酸除銹、清水清洗、無水乙醇清洗、烘干后置入樣品架上，不銹鋼管的中心線與靶弧源軸線重合，樣品架的移動(dòng)速率為每分鐘縱向移動(dòng)2mm并旋轉(zhuǎn)一圈。真空室抽真空至6.7X 10_3Pa后，通入Ar氣并維持真空室氣體壓強(qiáng)在0.6Pa。首先引弧，弧流60A，弧壓20V，在正?；」夥烹姾螅瑯悠芳荛_始運(yùn)動(dòng)，施加900V負(fù)偏壓進(jìn)行轟擊清潔3-4分鐘。隨后，降低負(fù)偏壓為200V，關(guān)掉Ar氣引入N2氣，真空室氣體壓強(qiáng)仍然保持在0.6Pa，弧流和弧壓保持不變，計(jì)入沉積時(shí)間，60分鐘后，關(guān)閉偏壓電源和電弧電源，關(guān)閉氣體，停止樣品架運(yùn)動(dòng)，樣品架回復(fù)原位。真空腔繼續(xù)抽真空冷卻樣品，待冷卻I小時(shí)后，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，測量其內(nèi)壁膜層厚度和硬度(顯微硬度計(jì))。整個(gè)不銹鋼管內(nèi)壁為金黃色，沿不銹鋼管長度方向，膜層厚度和硬度都較均勻，厚度約為9μπι和硬度約為19GPa。
[0023]實(shí)施例3:壁厚為Imm直徑和長度為Φ 50 X 600mm的不銹鋼管內(nèi)表面沉積氮化鈦膜層。
[0024]利用外徑26mm的柱狀祀弧源，空心圓柱陰極祀為純Ti,選擇壁厚為Imm直徑為Φ50Χ600πιπι的不銹鋼管，經(jīng)稀磷酸除銹、清水清洗、無水乙醇清洗、烘干后置入樣品架上，不銹鋼管的中心線與靶弧源軸線重合，樣品架的移動(dòng)速率為每分鐘縱向移動(dòng)2mm并旋轉(zhuǎn)一圈。真空室抽真空至6.7X 10_3Pa后，通入Ar氣并維持真空室氣體壓強(qiáng)在0.6Pa。首先引弧，弧流60A，弧壓20V，在正常弧光放電后，樣品架開始運(yùn)動(dòng)，施加900V負(fù)偏壓進(jìn)行轟擊清潔3-4分鐘。隨后，降低負(fù)偏壓為200V，關(guān)掉Ar氣引入N2氣，真空室氣體壓強(qiáng)仍然保持在0.6Pa，弧流和弧壓保持不變，計(jì)入沉積時(shí)間，60分鐘后，關(guān)閉偏壓電源和電弧電源，關(guān)閉氣體，停止樣品架運(yùn)動(dòng)，樣品架回復(fù)原位。真空腔繼續(xù)抽真空冷卻樣品，待冷卻I小時(shí)后，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，測量其內(nèi)壁膜層厚度和硬度(顯微硬度計(jì))。整個(gè)不銹鋼管內(nèi)壁為金黃色，沿不銹鋼管長度方向，膜層厚度和硬度都較均勻，厚度約為Ilym和硬度約為2IGPa。
【權(quán)利要求】
1.一種長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置，其特征在于:該長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置，設(shè)有真空室、柱狀靶弧源、引弧裝置、固定管件的樣品架、圓形均氣管、樣品架加熱系統(tǒng)、陰極靶材與樣品架偏壓系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、控制柜、陰極靶電源、偏壓電源和工作臺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置，其特征在于:柱狀靶弧源由輔助陽極、圓柱型空心靶材陰極、絕緣墊、固定螺栓和螺帽等組成；柱狀靶弧源中心有冷卻液流動(dòng)，根據(jù)長管件內(nèi)壁直徑大小，本專利發(fā)明的柱狀靶弧源的外直徑具有不同尺寸，最小外直徑可為10 mm;控制陰極靶和輔助陽極或樣品架之間弧光放電，確?？招膱A柱型陰極靶材在放電過程中均勻刻蝕；通過柱狀陰極靶材的弧光放電，在管件內(nèi)壁生成膜層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置，其特征在于:樣品架旋轉(zhuǎn)和縱向運(yùn)動(dòng)在真空腔外部控制，利用快進(jìn)螺旋結(jié)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)控制，樣品架實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和縱向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速率每分鐘縱向移動(dòng)5-50mm并旋轉(zhuǎn)1_5圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置，其特征在于:采用接觸式針尖引弧，引弧裝置在真空腔外由氣動(dòng)閥或電磁閥驅(qū)動(dòng)控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置，其特征在于:在柱狀靶弧源外部添加網(wǎng)狀高熔點(diǎn)金屬(鑰或鎢)筒，作為施加偏壓的陽極，樣品架為偏壓陰極，偏壓電源可以是直流也可以是脈沖的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長管件內(nèi)壁鍍膜的電弧離子鍍裝置，其特征在于:圓形均氣管置于腔體壁與管件一個(gè)端面靠近并遠(yuǎn)離真空抽氣端，圓形均氣管為直徑3_的細(xì)銅管，且在銅管長度方向上的試樣區(qū)域設(shè)有均勻分布直徑為0.5mm的排氣孔。
【文檔編號】C23C14/32GK104451562SQ201410749141
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】宋貴宏, 陳立佳, 杜昊, 遲松江, 肖金泉 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)