一种提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置及方法，本发明专利技术为了解决管筒件内壁涂层表面光洁度差、膜基结合强度弱的问题。本发明专利技术提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置包括金属阴极弧源、磁场线圈、挡板、屏蔽罩、屏蔽挡板、阳极杆、辅助阳极、进气管、真空室、金属阴极弧直流电源、脉冲偏压电源和辅助阳极直流电源，管筒件置于真空室中。本发明专利技术采用弧增强辉光放电工艺，对管筒件内表面进行高密度等离子体刻蚀清洗及活化，也对涂层生长初期提供电子加热，可大幅度提高膜基结合强度。此外，正对金属阴极弧源的管口处加装屏蔽罩，可有效阻挡管口处外壁的成膜物质反溅射进入管内沉积，从而改善涂层表面的粗糙度及光洁度。度及光洁度。度及光洁度。
【技术实现步骤摘要】
一种提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置及方法
[0001]本专利技术涉及一种提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置，以及应用该装置进行管筒件内表面涂层沉积的方法。
技术介绍
[0002]管筒件已广泛应用于国防军事、能源生产、机械制造及化学化工等诸多领域，在工程使用中，管筒状零部件是一种重要的液体、气体的输运部件，承担着介质包容、物料输送/贮存等功能，如枪炮身管、燃料供给管路、化工管道、内燃机缸套、抽油泵泵筒、输油管道、建筑给水和城市饮用水管道等。在使用过程中管筒件内壁直接与内容物(气体、液体等)接触，极易在内表面发生腐蚀、磨损，并最终导致管壁破裂和内容物的泄露，从而引起严重的经济损失和安全问题。提升管筒件自身的耐磨损、耐腐蚀性能可在一定程度上降低管筒件内壁的损伤，但对于较为苛刻的服役工况(如酸性、高盐、高温等)，基于管筒状零部件自身成分调控已无法从根本上解决上述问题。近年来，管内壁涂层技术引起了越来越多的关注，涂覆了内壁涂层的管件也在各个行业得到了广泛的应用。
[0003]相对于零部件的外表面，管件内表面涂层技术面临更大的挑战：(1)内表面空间狭小，操作不便，无法直接使用基于外表面的涂层技术或设备；(2)内表面不易分析检测，难以直观地判断涂层的质量；(3)处理介质在单位时间的用量相对较少，内表面涂层效果可能不佳；(4)处理介质在管件内部分布不均匀，难以保证涂层的均匀性。
[0004]由此，针对不同需求，研究人员开发了很多管筒件内表面涂层技术。其中，物理气相沉积(PVD)是一种常见的表面涂层制备技术，目前应用于管内表面涂层的PVD技术主要有溅射镀膜、离子镀膜两种技术。相比于磁控溅射镀膜，离子镀膜大大提高了膜层粒子能量，不仅提升了膜基结合强度，也降低了薄膜内壁缺陷的产生。基于电弧离子的管内表面涂层技术原理，等离子体由管口进入到管内腔，并实现管内表面的薄膜沉积。当等离子体在长管中扩散时，由于等离子体流动的发散，容易在入口处堆积、沉积并形成膜。目前，电弧离子的管内表面涂层技术存在的主要问题是：薄膜厚度沿管长方向存在较大差异；管内表面前期溅射清洗不足，膜基结合强度弱；此外，管入口处外壁的成膜物质容易反溅射进入管内沉积，从而对膜层质量造成不利影响，如：管内壁涂层表面存在较多颗粒状物质且粗糙。
技术实现思路
[0005]本专利技术目的在于解决管筒件内壁涂层表面光洁度差、膜基结合强度弱的问题，而提供一种提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置及方法。
[0006]本专利技术提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置包括金属阴极弧源、磁场线圈、挡板、屏蔽罩、屏蔽挡板、管筒件、阳极杆、辅助阳极、进气管、真空室、金属阴极弧直流电源、脉冲偏压电源和辅助阳极直流电源；
[0007]在真空室内竖直设置有屏蔽挡板，真空室通过屏蔽挡板分隔成第一腔室和第二腔
室，屏蔽挡板上开有通孔，管筒件的前端口上设置有屏蔽罩，屏蔽罩插接在屏蔽挡板的通孔上，管筒件位于第二腔室内，在管筒件的后端口的后部设置有辅助阳极，管筒件的内部穿设有阳极杆；
[0008]在第一腔室内设有金属阴极弧源、挡板和进气管，管筒件前端口位于金属阴极弧源正后方，管筒件的前端口与金属阴极弧源之间设有挡板，且挡板位于金属阴极弧源正后方，磁场线圈安装在金属阴极弧源的外围；
[0009]金属阴极弧直流电源的负极与金属阴极弧源电连接，金属阴极弧直流电源的正极接地；辅助阳极直流电源的正极与辅助阳极电连接，辅助阳极直流电源的负极接地；脉冲偏压电源的一电极与管筒件的外壁电连接，脉冲偏压电源的另一电极与阳极杆电连接。
[0010]本专利技术应用提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置进行管筒件内表面涂层沉积的方法按照以下步骤实现：
[0011]一、前处理：
[0012]将管筒件放置在无水乙醇中超声清洗，干燥后安装到屏蔽挡板的通孔内；
[0013]二、弧增强辉光放电等离子体刻蚀清洗：
[0014]将真空室气压抽至预定值，然后通过进气管向真空室内通入高纯Ar，气压控制在0.8～1.0Pa，挡板遮挡金属阴极弧源，同时开启金属阴极弧直流电源、脉冲偏压电源和辅助阳极直流电源，对管筒件内表面进行弧增强辉光放电等离子体刻蚀清洗；
[0015]其中控制金属阴极弧直流电源的电流为30～250A；脉冲偏压电源的负偏压为0～
‑
500V，占空比为1～100％；辅助阳极直流电源的电流为30～250A；
[0016]三、金属离子轰击：
[0017]保持真空室内的气压不变，控制(调整)挡板不遮挡金属阴极弧源，然后开启磁场线圈电源，控制磁场线圈电源的电流为0.2～2.0A；调整金属阴极弧直流电源的电流在30～250A，辅助阳极直流电源的电流为30～250A，脉冲偏压电源的电压为
‑
900～
‑
1100V，占空比为10～60％，在高偏压下金属离子轰击5～15min，得到金属离子轰击后的管筒件；
[0018]四、涂层沉积：
[0019]通过进气管向真空室通入工作气体，并控制真空室气压为0.3～0.8Pa，调整金属阴极弧直流电源的电流为50～250A，磁场线圈电源的电流为0.2～2.0A，辅助阳极直流电源的电流为30～250A，脉冲偏压电源的电压为0～
‑
300V，占空比为1～100％，在管筒件内表面进行涂层沉积，管筒件内壁形成涂层；
[0020]五、冷却降温：
[0021]对真空室进行冷却，从真空室中取出管筒件，完成管筒件内表面的涂层沉积。
[0022]本专利技术提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置及方法包括以下有益效果：
[0023](1)采用弧增强辉光放电技术，对管筒件内表面进行高密度等离子体刻蚀清洗，相当于对管筒件内表面进行原子级别的微喷砂，可有效去除内表面氧化层及杂质，并对管筒件内表面活化，也对涂层生长初期产生电子加热作用，可大幅度提高膜基结合强度。
[0024](2)对管筒件内表面进行高偏压金属离子轰击，起到活化表面增强沉积原子和基体原子的相互扩散、高能离子刻蚀清洗作用，可在膜基界面处引入压应力，并通过物理混合形成“伪扩散层”界面，有利于提高涂层与基体的结合强度。
[0025](3)正对金属阴极弧源的管口处加装屏蔽罩，可有效阻挡管口处外壁的成膜物质反溅射进入管内沉积，从而改善涂层表面的粗糙度及光洁度。
附图说明
[0026]图1为本专利技术提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置的结构示意图；
[0027]图2为应用实施例对照实验管口不加屏蔽罩制备的管筒件内壁涂层表面形貌；
[0028]图3为应用实施例管口加屏蔽罩制备的管筒件内壁涂层表面形貌；
[0029]图4为应用实施例对照实验管口不加屏蔽罩制备的管筒件内壁涂层表面的洛氏压痕形貌；
[0030]图5为应用实施例管口加屏蔽罩制备的管筒件内壁涂层表面的洛氏压痕形本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置，其特征在于该装置包括金属阴极弧源(1)、磁场线圈(2)、挡板(3)、屏蔽罩(4)、屏蔽挡板(6)、管筒件(7)、阳极杆(8)、辅助阳极(9)、进气管(10)、真空室(11)、金属阴极弧直流电源(12)、脉冲偏压电源(13)和辅助阳极直流电源(14)；在真空室(11)内竖直设置有屏蔽挡板(6)，真空室(11)通过屏蔽挡板(6)分隔成第一腔室和第二腔室，屏蔽挡板(6)上开有通孔，管筒件(7)的前端口上设置有屏蔽罩(4)，屏蔽罩(4)插接在屏蔽挡板(6)的通孔上，管筒件(7)位于第二腔室内，在管筒件(7)的后端口的后部设置有辅助阳极(9)，管筒件(7)的内部穿设有阳极杆(8)；在第一腔室内设有金属阴极弧源(1)、挡板(3)和进气管(10)，管筒件(7)前端口位于金属阴极弧源(1)正后方，管筒件(7)的前端口与金属阴极弧源(1)之间设有挡板(3)，且挡板(3)位于金属阴极弧源(1)正后方，磁场线圈(2)安装在金属阴极弧源(1)的外围；金属阴极弧直流电源(12)的负极与金属阴极弧源(1)电连接，金属阴极弧直流电源(12)的正极接地；辅助阳极直流电源(14)的正极与辅助阳极(9)电连接，辅助阳极直流电源(14)的负极接地；脉冲偏压电源(13)的一电极与管筒件(7)的外壁电连接，脉冲偏压电源(13)的另一电极与阳极杆(8)电连接。2.根据权利要求1所述的提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置，其特征在于金属阴极弧源(1)、弧源前挡板(3)、屏蔽罩(4)、管筒件(7)、管内阳极杆(8)和辅助阳极(9)同轴设置。3.根据权利要求1所述的提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置，其特征在于屏蔽罩(4)与屏蔽挡板(6)之间设置有绝缘体(5)，绝缘体(5)的材质为氧化铝陶瓷。4.根据权利要求1所述的提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置，其特征在于在第二腔室上开有排气口(15)。5.根据权利要求1所述的提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置，其特征在于屏蔽罩(4)从管筒件(7)前端口延伸出的长度为10～20mm。6.应用权利要求1所述的提高管筒件内壁涂层表面光洁度和膜基结合强度的装置进行管筒件内表面涂层沉积的方法，其特征在于该涂层沉积的方法按照以下步骤实现：一、前处理：将管筒件(7)放置在无水乙醇中超声清洗，干燥后安装到屏蔽挡板(6)的通孔内；二、弧增强辉光放电等离子体刻蚀清洗：将真空室(11)气压抽至预定值，然后通过进气管(10)向真空室(11)内通入高纯Ar，气压控制在0.8～1.0Pa，挡板(3)遮挡金属阴极弧源(1)，同时开启...
【专利技术属性】
技术研发人员：田修波，张鑫，巩春志，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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