一种在活塞环表面快速沉积DLC膜层的设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种在活塞环表面快速沉积DLC膜层的设备及方法，该设备包括：离子注入系统，用于纵向均匀注入离子流；真空室，其一端与离子注入系统密封连接，另一端密封连接有宽束磁过滤沉积系统的一端，宽束磁过滤沉积系统的另一端设置有FCVA沉积阴极；工装系统，用于实现活塞环工装圆筒的自转；智能控制装置，用于对离子注入和膜层沉积的过程进行控制，并用于显示测量结果，以及用于进行数据的初步处理。因此，通过实施本发明专利技术能够实现大批量、均匀地在活塞环表面镀上具有高硬度和低摩擦系数的DLC膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及核科学技术与应用领域，特别涉及一种在活塞环表面镀DLC(高性能类金刚石，Diamond-like Carbon)膜的系统。
技术介绍
一般情况下，由于发动机活塞环的特殊工作环境，要求其摩擦系数较低，且硬度较高。现有的活塞环涂层主要为氮化铬超厚涂层，但这种超厚涂层的主要缺点是摩擦系数较大。随着人们对环境重视程度的提高，对活塞环燃烧效率以及热转换效率也提出更高的要求，研究发现DLC膜层能够很好的满足现在的高硬度、低摩擦系数的要求，目前主要是利用化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)技术沉积DLC膜层，但本专利技术的专利技术人发现这种采用CVD技术沉积DLC膜层的方法存在以下问题：1)DLC膜层沉积速率相对较慢，对于工业化生产而言相对时间成本较高；2)DLC膜层内部压应力较大，很难实现超厚膜层的制备，同时DLC膜层和活塞环结合力相对较差不能满足实际工业应用的要求；3)现有活塞环寿命难以达到在发动机内正常运行3000小时或以上。因此，亟需对发动机活塞环的膜层厚度以及摩擦系数进行改进，但采用现有的设备或技术又很难实现。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种在活塞环表面快速沉积DLC膜层的方法及设备，能够实现大批量、均匀地在活塞环表面镀上具有高硬度和低摩擦系数的DLC膜。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一方面，本专利技术提出一种在活塞环表面快速沉积DLC膜层的设备，该设备包括：离子注入系统，包括金属蒸汽离子源(MEVVA)阴极和MEVVA离子源加速电极，用于纵向均匀注入离子流，在活塞环抛光后的基底上形成钉扎层；真空室，其一端与所述离子注入系统密封连接，另一端密封连接有宽束磁过滤沉积系统的一端，所述宽束磁过滤沉积系统的另一端设置有FCVA沉积阴极，用于在所述钉扎层上沉积出金属过渡膜层和DLC膜层；所述真空室的底部靠近所述离子注入系统的一侧设置有真空室抽气口；所述宽束磁过滤沉积系统正对着所述离子注入系统设置，所述宽束磁过滤沉积系统的外周布置有宽束磁场，所述宽束磁过滤沉积系统的管壁上开设有电离气体进气阀；工装系统，包括位于所述真空室内的活塞环工装圆筒和用于使所述活塞环工装圆筒自转的旋转电机；智能控制装置，用于控制所述离子注入系统、所述宽束磁过滤沉积系统以及所述工装系统，对离子注入和膜层沉积的过程进行控制，并用于显示测量结果，以及用于进行数据的初步处理。作为一种可选的实施方案，上述在活塞环表面快速沉积DLC膜层的设备，还包括：加热系统，位于所述真空室的上方，用于给整个真空室加热，补偿在活塞环上镀膜时因旋转造成的温度损失。可选的是，在上述实施方案中，所述加热系统用于维持镀膜过程中温度稳定在280-380摄氏度；和/或，所述真空室与所述离子注入系统通过螺杆连接，采用密封圈密封；所述宽束磁过滤沉积系统与所述真空室通过螺杆连接固定，并采用密封圈密封。可选的是，在上述实施方案中，所述智能控制装置包括：控制模块，包括真空操作子模块、弧源沉积控制子模块和离子注入控制子模块，其中，所述真空操作子模块的控制界面上设置有加热开关、真空室温度设定单元、冷却水温度设定单元、左/右进气阀门进气量设定单元；显示模块，用于显示所述控制模块的操作界面和测量结果；数据处理模块，用于对获得的测量数据进行初步处理。可选的是，在上述实施方案中，所述宽束磁过滤沉积系统为宽束矩形弯管，所述宽束的尺寸为(300～500)×(150～300)mm2；和/或，所述进气阀的位置距所述宽束磁过滤沉积系统的出口距离在50～100mm。可选的是，在上述实施方案中，所述活塞环工装圆筒的数量至少为一个，所述活塞环工装圆筒的高度范围为400～800mm；所述活塞环工装圆筒具有不同的型号，根据不同直径的活塞环选择不同直径的活塞环工装圆筒；和/或，所述活塞环工装圆筒与所述基托通过卡箍固定连接，所述旋转电机和所述真空室通过磁流体密封，所述真空室内基托通过定位销钉固定在电机上，旋转时通过平键传动。可选的是，在上述实施方案中，所述MEVVA离子源阴极的直径为20～40mm，出口直径为200～450mm，束流强度在10～80mA；和/或，所述MEVVA离子源加速电极采用长条形束流通道，用于在纵向方向上拉长离子束流以实现均匀注入。另一方面，本专利技术还提出一种在活塞环表面快速沉积DLC膜层的方法，采用上述任一种实施方案所述的在活塞环表面快速沉积DLC膜层的设备，该方法包括：1)钉扎层制备步骤：根据预设的实验条件分别启动离子注入系统和FCVA沉积设备，在抛光处理后的安装于真空室中的活塞环基底上制备钉扎层；2)金属过渡膜层制备步骤：在真空室中，采用FCVA沉积设备，在所述钉扎层上，制备金属过渡膜层；3)DLC膜层制备步骤：在真空室中，打开进气阀，通入乙炔气体，在所述金属过渡膜层之上沉积DLC膜层；DLC膜层的沉积厚度通过控制乙炔气体的进入量及磁过滤管道线圈电流的大小进行控制。可选的是，在上述实施方案中，所述钉扎层制备步骤进一步包括：(a)第一次注入：开启加热开关，设定加热温度；基材钢样固定设置于样品
台，通过MEVVA离子注入系统开始注入；其中，注入离子源为纯度99.9％的纯Ti离子源，注入条件为：真空度1×10-3～6×10-3Pa，注入弧压：50～100V，高压：6～40kV，弧流：10～40mA，注入剂量1×1015～1×1016/cm2；(b)Ti沉积：启动FCVA沉积系统，在第一次注入形成的膜层的基础上进行沉积；其中，沉积弧源为纯度99％的Ti弧源，沉积条件为：真空度1×10-3～6×10-3Pa，沉积弧流：100～120A，磁场电流：2.4～4.4A，弧流：500～800mA，负偏压：-100V～-300V，占空比50％～100％，沉积时间3～60秒；(c)第二次注入：再次启动MEVVA离子注入系统，在形成的Ti沉积层上注入离子沉积层；其中，注入离子源为纯度99.9％的纯Ti离子源，注入条件为：真空度1×10-3～6×10-3Pa，注入弧压：60～80V，高压：10～45kV，弧流：30～60mA，注入剂量1×1015～1×1016/cm2。可选的是，在上述实施方案中，所述金属过渡膜层制备步骤进一步包括：在钉扎层202之上沉积Ti膜过渡层203，沉积条件为：沉积弧源为纯度99％的Ti弧源，真空度：1×10-3～6×10-3Pa，沉积弧流：100～120A，磁场电流：2.4～4.4A，弧流：500～800mA，负偏压：-150V～-350V，占空比50％～100％，沉积时间10～20分钟。可选的是，在上述实施方案中，所述DLC膜层制备步骤进一步包括：打开左或右进气阀门，通入C2H2，在金属过渡膜层之上沉积DLC膜；其中，沉积条件为：沉积弧源为纯度99％的Ti弧源，进气量：150-300sccm，真空度：2×10-2～5×10-2Pa，沉积弧流：60～110A，磁场电流：2～3A，弧流：600～900mA，负偏压：-150V～-350V，占空比10％～50％，沉积时间200～400分钟；可选制备过程中每30～60min，关闭乙炔进气阀门，沉积释放应力的金属Ti层，沉积时间为3-6min，随后恢复打开进气阀门继续沉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在活塞环表面快速沉积DLC膜层的设备，其特征在于，包括：离子注入系统，包括金属蒸汽离子源(MEVVA)阴极(100)和MEVVA离子源加速电极(101)，用于纵向均匀注入离子流，在活塞环抛光后的基底(201)上形成钉扎层(202)；真空室，其一端与所述离子注入系统密封连接，另一端密封连接有宽束磁过滤沉积系统(109)的一端，所述宽束磁过滤沉积系统(109)的另一端设置有FCVA沉积阴极(107)，用于在所述钉扎层(202)上沉积出金属过渡膜层(203)和DLC膜层(204)；所述真空室的底部靠近所述离子注入系统的一侧设置有真空室抽气口(102)；所述宽束磁过滤沉积系统(109)正对着所述离子注入系统设置，所述宽束磁过滤沉积系统(109)的外周布置有宽束磁场(105)，所述宽束磁过滤沉积系统(109)的管壁上开设有电离气体进气阀(106)；工装系统(104)，包括位于所述真空室内的活塞环工装圆筒和用于使所述活塞环工装圆筒自转的旋转电机(103)；智能控制装置，用于控制所述离子注入系统、所述宽束磁过滤沉积系统(109)以及所述工装系统(104)，对离子注入和膜层沉积的过程进行控制，并用于显示测量结果，以及用于进行数据的初步处理。...

【技术特征摘要】
1.一种在活塞环表面快速沉积DLC膜层的设备，其特征在于，包括：离子注入系统，包括金属蒸汽离子源(MEVVA)阴极(100)和MEVVA离子源加速电极(101)，用于纵向均匀注入离子流，在活塞环抛光后的基底(201)上形成钉扎层(202)；真空室，其一端与所述离子注入系统密封连接，另一端密封连接有宽束磁过滤沉积系统(109)的一端，所述宽束磁过滤沉积系统(109)的另一端设置有FCVA沉积阴极(107)，用于在所述钉扎层(202)上沉积出金属过渡膜层(203)和DLC膜层(204)；所述真空室的底部靠近所述离子注入系统的一侧设置有真空室抽气口(102)；所述宽束磁过滤沉积系统(109)正对着所述离子注入系统设置，所述宽束磁过滤沉积系统(109)的外周布置有宽束磁场(105)，所述宽束磁过滤沉积系统(109)的管壁上开设有电离气体进气阀(106)；工装系统(104)，包括位于所述真空室内的活塞环工装圆筒和用于使所述活塞环工装圆筒自转的旋转电机(103)；智能控制装置，用于控制所述离子注入系统、所述宽束磁过滤沉积系统(109)以及所述工装系统(104)，对离子注入和膜层沉积的过程进行控制，并用于显示测量结果，以及用于进行数据的初步处理。2.根据权利要求1所述的在活塞环表面快速沉积DLC膜层的设备，其特征在于，还包括：加热系统(110)，位于所述真空室的上方，用于给整个真空室加热，补偿在活塞环上镀膜时因旋转造成的温度损失。3.根据权利要求1或2所述的在活塞环表面快速沉积DLC膜层的设备，其特征在于：所述加热系统(110)用于维持镀膜过程中温度稳定在280-380摄氏度；和/或，所述真空室与所述离子注入系统通过螺杆连接，采用密封圈密封；所述宽束磁过滤沉积系统(109)与所述真空室通过螺杆连接固定，并采用密封圈密封。4.根据权利要求3所述的在活塞环表面快速沉积DLC膜层的设备，其特征在于，所述智能控制装置包括：控制模块，包括真空操作子模块、弧源沉积控制子模块和离子注入控制子模块，其中，所述真空操作子模块的控制界面上设置有加热开关(301)、真空室温度设定单元(302)、冷却水温度设定单元(303)、左/右进气阀门进气量设定单元(304)；显示模块，用于显示所述控制模块的操作界面和测量结果；数据处理模块，用于对获得的测量数据进行初步处理，获取用于进行自动控制的模拟电压信号，用以自动调节如沉积束流、注入束流、以及沉积和注入时间。5.根据权利要求1至4任一项所述的在活塞环表面快速沉积DLC膜层的设备，其特征在于：所述宽束磁过滤沉积系统(109)为宽束矩形弯管，所述宽束的尺寸为(300～500)×(150～300)mm2；和/或，所述进气阀(106)的位置距所述宽束磁过滤沉积系统的出口距离在50～100mm。6.根据权利要求5所述的在活塞环表面快速沉积DLC膜层的设备，其特征在于：所述活塞环工装圆筒的数量至少为一个，所述活塞环工装圆筒的高度范围为400～800mm；所述活塞环工装圆筒具有不同的型号，根据不同直径...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖斌，欧阳晓平，罗军，张旭，吴先映，韩然，王宇东，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京;11