电弧离子镀膜装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术属于材料表面改性领域，涉及一种用于长管内壁镀膜的磁场和电场增强的电弧离子镀膜装置。通过在电弧离子镀过程中采用磁场约束和控制等离子体束流运动轨迹，在电弧离子镀沉积装置中设置两套磁场发生装置，一套放在真空室外的等离子体传输通道上，即用磁场对等离子体束流进行聚焦，约束等离子体束流传输时的横截面直径和传输效率，另一套放置于真空室内的管状工件外侧，引导等离子体束流沿着管状工件中心轴向方向扩散；在电弧离子镀中利用电场增强是用电场对等离子体实现加速定向流动，在工件内部设置脉冲电场；利用磁场和电场对等离子体束流的约束和控制，实现等离子体在管内壁沉积薄膜，适用于作为服役表面的管状工件的内壁表面镀膜。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于材料表面改性领域，涉及一种用于长管内壁镀膜的磁场和电场增 强的电弧离子镀膜装置。技术背景在工业应用中有大量金属工件的内表面需要改性处理，特别是对于管件，例如油 田上的抽油泵泵筒、输油管道、化工管道、汽车汽缸套，以及军事领域，特别是海军舰艇上配 置的舰炮炮管以及鱼雷发射管等在恶劣环境下工作的内壁亟待强化处理的管状零部件，普 通处理方法无法满足其表面强化要求。这些工件常因内壁磨损、腐蚀、氧化而发生早期失 效，因此开发具有抗磨损、抗腐蚀、抗氧化的表面改性技术及工艺，是目前表面改性领域急 需解决的难题。相比于工件的外表面而言，管状工件内壁改性处理主要存在以下几个技术难题 一是受到内腔形状和尺寸的限制，一些处理方法很难实施，或者是即使能实施也很难得到 良好的改性效果，尤其是对于一些细长的管件更是如此。二是受到内腔形状和尺寸的限制， 一些处理介质很难进入管腔内部，或者是即使进入也难以保证改性层的均勻性。三是受到 内腔形状和尺寸的限制，改性层与管壁的结合强度不高，限制了其使役性能的发挥。对于金属管内壁改性，最早人们提出用电镀和化学镀进行处理。但是化学镀由于 常常使用有害化学药品，对环境有害，且镀层致密性较差；电镀尽管减少使用有害的化学药 品，且镀层致密性优于化学镀，但是仍存在使用过程中结合较差而易剥落的问题。以色列公布了一项采用化学气相沉积在管内壁沉积涂层的方法(4764398) (Method of depositing coatings on the inner surface of a tube by chemical vapor d印osition)，并获得美国专利，但其主要用于沉积太阳能吸收涂层。德国莱茵金属公司的一项爆炸喷涂制备深管涂层工艺技术获得美国专利 (6183820)(Method of internally coating a metal tube by explosive evaporation of the coating substance)。其核心思想是利用炸药爆炸时产生的高压火药气体将熔点高、 耐烧蚀的金属“冷焊接”在身管内膛表面上。但该技术对管内壁涂层的均勻性还有待解决。德国Christian专利技术的利用激光熔覆技术在火炮身管内膛制备涂层的方法 (Method of internally coating a weapon barrel by means of a laser beam)，获得 了美国专利(us 6548125B2)，其基本原理是利用激光照射已涂敷在身管内膛上的铌、钼或 钽等高熔点金属，使涂敷金属和身管基体金属熔化并融合在一起，从而增强炮膛耐烧蚀能 力"激光加工头在炮膛内可轴向移动，满足炮膛全长度或部分所需部段上耐烧蚀涂层的制 备。但该技术对管内壁涂层的均勻性还有待解决，且当管腔尺寸较小或有弯曲形状时激光 束无法完成照射而使得此方法无法实施。近年来提出了等离子体浸没离子注入表面改性方法。其基本原理是管筒放在 真空室内，真空室内产生等离子体，等离子体通过扩散进入到管筒内，然后在管上施加负 偏压，这样离子就被加速注入工件表面。由于管内等离子体是靠扩散进入的，密度梯度(密度不均勻性)是必然的。后来有人提出了内部射频等离子体源的方法，如美国专利 5693376公开了筒型表面等离子体离子注入与沉积方法(Method for plasma source ion implantation and deposition for cylindrical surfaces),禾丨J用中心电极華禹合身寸步页功 率来获得管内部的等离子体，同时被处理的管上施加负偏压进行离子注入或沉积。由于 在管上施加负偏压时管内部没有嵌位的地电极，离子的注入能量不可能很高。为此中国专 利ZL01115523. X公开了一种新的结构(一种管状工件内表面改性的方法)，在管筒内部 中心加入一个射频天线，外套网状金属地电极。注入高压施加在网状地电极和管筒工件之 间。等离子体在中心射频电极和地电极间产生，等离子体扩散出来，被负高压吸引获得管筒 内壁的离子注入效应，从而有效实现离子注入。但该专利由于在管内部加入了中心射频电 极和地电极，使得处理的管筒直径不可能较小。为进一步改进等离子的均勻性，中国专利 200910071869. 4公开了一种新的方法(电感耦合等离子体管筒内表面离子注入改性装置 及方法)，通过在管筒内设置螺线管，使其产生轴向均勻的等离子体，同时螺线管起到地电 极钳制电位的作用，从而实现对直径更细的管筒内进行离子注入处理。但该专利由于在管 内部设置螺线管，仍限制了对管径较小的管壁进行处理。尽管等离子体浸没离子注入在一定程度上解决了管内壁改性处理的技术难题，使 得改性质量得到了很大改善，但仍存在一些问题有待解决。主要是离子注入层较浅，目前能 注入的元素仅限于N元素，且表面强化效果有限(主要是注入层的硬度较低)，仍不能满足 日益苛刻的应用需求。作为材料表面改性领域的离子镀膜技术，在上世纪80年代在工具、模具及金属零 件表面成功沉积TiN等硬质薄膜，极大提高了这些部件的性能和使用寿命，并在工业生产 中发挥越来越重要的作用。尤其是电弧离子镀技术(又称为多弧离子镀技术)，由于具有离 化率高(目前是离化率最高的真空镀膜技术，可达70 80% )、沉积速率快、绕镀性好、膜 基结合强度高等优点，广泛应用于工模具表面改性。而这一技术主要应用在工具、模具及金 属零件的外表面，而对于金属管件内壁的镀膜处理，则是目前急需开发解决的技术难题。管状工件内壁镀膜的困难在于等离子体在向长管内部扩散过程中，由于等离子体 流的发散很容易在距离管口附件的位置沉积成膜，随着等离子体在成膜过程中的不断消 耗，等离子体密度将随管子深度不断下降，因此越往深处则成膜越困难。一般来讲，即使采 用离化率最高的电弧离子镀技术，也只能得到与管孔直径一样的镀膜深度，即得到1 1的 镀膜深径比。最近有研究(石昌仑，张敏，林国强.脉冲负偏压对电弧离子镀深管内壁沉积 TiN薄膜的影响.真空科学与技术学报，2007，27 (6) :517_521)表明，在电弧离子镀过程中 采用脉冲负偏压，可以使镀膜深度达到管径的1.4倍，即得到1.4 1的镀膜深径比。但仅 使用脉冲负偏压仍无法达到更深的深度，无法解决那些长管深度与直径比大于1. 4的大多 数管状零部件内壁的性能和使用寿命等问题。最近也有中国专利(200910303933.7)公开 了一种深孔内壁电弧离子镀膜方法，主要是采用在管状工件周围放置永久磁铁的方法形成 不均勻磁场，使得等离子体流定向流动得到增强，从而实现长管深径比2.0以上的深孔内 壁镀膜，以提高其抗磨损、抗腐蚀等性能和使用寿命的目的。但是仅使用永久磁铁存在的问 题有二 一是使得等离子体束流周围的磁感应强度不能针对各种尺寸的长管内壁实现实时 调整，参数可控性差；二是永久磁铁产生的不均勻磁场造成对等离子体流扩散到不同位置 时的约束能力相差较大，造成内壁镀膜均勻性差；三是对于长管深径比2. 5以上时镀膜仍面临很大困难。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种用于长管内壁镀膜的磁场和电场增强的电弧离 子镀膜装置，解决电弧离子镀在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电弧离子镀膜装置，其特征在于：该电弧离子镀膜装置设有真空室、工件磁场线圈支撑圆筒Ⅰ、工件磁场线圈、工件辅助电极、等离子体束流Ⅰ、等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒Ⅰ、等离子体聚焦磁场线圈Ⅰ、阴极靶Ⅰ、阴极靶电源、脉冲偏压电源和工件台，具体结构如下：真空室内设置工件、工件磁场线圈支撑圆筒Ⅰ、工件磁场线圈、工件辅助电极和工件台，工件磁场线圈设置于工件磁场线圈支撑圆筒Ⅰ的外侧，工件磁场线圈和工件磁场线圈支撑圆筒Ⅰ设置于工件台上，工件辅助电极的一端伸至工件的工件内孔中，电极的另一端通过导线连至脉冲偏压电源的正极，工件台通过导线连至脉冲偏压电源的负极；真空室的一侧设置等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒Ⅰ、等离子体聚焦磁场线圈Ⅰ、阴极靶Ⅰ，等离子体聚焦磁场线圈Ⅰ设置于等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒Ⅰ的外侧，阴极靶Ⅰ的一端伸至等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒Ⅰ中，阴极靶电源的正极连接真空室的外壳，阴极靶电源的负极连接阴极靶Ⅰ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵彦辉，肖金泉，杜昊，华伟刚，于宝海，宫骏，孙超，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：实用新型
国别省市：89[中国|沈阳]