一种电弧离子镀设备制造技术

本发明专利技术涉及薄膜和涂层制备领域，为一种用以在长管内表面和深孔器件孔内壁沉积薄膜或涂层的电弧离子镀设备，该电弧离子镀设备设有三套磁场发生装置，对阴极靶发射的金属离子流进行聚束的第一磁场发生装置，在真空室外与阴极靶后面对应的位置；对金属离子流进行聚束的第二磁场发生装置，设置在真空室内阴极靶与工件之间，将已聚束金属离子流发散并向长管内表面或深孔内壁高速运动的第三磁场发生装置，设置于真空室内工件的外周，脉冲偏压电源，于对向长管内表面或深孔内壁运动的金属离子进一步加速，本发明专利技术解决了在长管内表面和深孔器件孔内壁沉积薄膜或涂层的技术难题；保证了薄膜或涂层的均匀性和质量，减少了所沉积薄膜或涂层中大颗粒的含量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及薄膜和涂层制备领域，具体地说是一种用以在长管内表面和深孔器件孔内壁沉积薄膜或涂层的电弧离子镀设备。
技术介绍
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，普通处理方法无法满足其内表面强化要求。这些工件常因内壁磨损、腐蚀、氧化过早失效，因此开发具有耐磨损、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。对于金属管内壁改性，最早的解决方案是采用电镀和化学镀工艺。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；电镀尽管减少了使用的有害化学药品，且镀层致密性优于化学镀，但是仍存在使用过程中与金属管内壁结合较差的问题。·以色列公布了一项米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 chemicalvapordeposition),并获得美国专利,但该专利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在深管内壁制备涂层工艺获得了美国专利(6183820)(Method of internally coating a metal tube by explosive evaporation ofthecoating substance)。其核心思想是利用炸药爆炸时产生的高压气体将熔点高、耐烧蚀的金属“冷焊接”在身管内膛表面上。但采用该技术在管内壁涂层的均匀性还有待解决。德国Christian专利技术的采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、钥或钽等高熔点金属，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。通过激光加工头在炮膛内轴向移动，可满足炮膛内全长度或部分所需段耐烧蚀涂层的制备。但采用该技术获得的管内壁涂层的均匀性还有待解决，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，存在密度梯度(密度不均匀性)是不可避免的。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 ionimplantation and deposition for cylindricalsurfaces),利用中心电极f禹合射频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接地电极，离子的注入能量不可能很高。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。电弧离子镀技术是结合了蒸发与溅射技术而发展的一种PVD技术。在真空室内，金属靶材蒸发在气体放电中进行，通过碰撞和电子撞击形成气体和金属的离子，这些离子在电场中被加速飞向衬底并形成涂层。如果在薄膜或涂层的形成过程中通入活性气体(如N2, O2等)，则会发生化学反应并得到各种化合物薄膜或涂层。电弧离子镀的主要优点在于靶材的离化率高，薄膜或涂层沉积速率快；所制备的薄膜或涂层与衬底之间具有良好的附着力，并且结构致密。基于以上优点，工业界已广泛采用电弧离子镀技术用于耐磨、抗高温氧化以及改性薄膜或涂层的制备。真空电弧放电为低电压大电流放电模式，其行为被金属靶材表面许多快速游动、高度明亮的阴极斑点所控制。电弧阴极斑点的产物是电子、金属离子、中性原子和熔化液滴。其中，金属离子是产物的主要部分。金属离子的发射能量比较大(10 IOOeV),发射方向具有发散性，并且随离开靶材的距离增加该发散性越明显。 电弧离子镀技术一般只能用于工件外表面沉积防护和改性薄膜或涂层，无法实现对长管内表面和深孔器件孔内壁进行防护和改性的目的。其主要原因如下一方面，由于口径较小，金属离子流进入长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层。一般来说，普通电弧离子镀设备金属离子进入长管或深孔的深度基本等于管(孔)径。尽管通过提高金属离子入射速度可以增加其进入长管或深孔的深度，但增加量非常有限，并且获得长管或深孔内的薄膜和涂层厚度沿进入深度梯度减小；另一方面，金属离子呈发散状由靶材高速向基材运动，当远离靶材10-20cm后金属离子分布将是一个非常大的圆台底面。既使金属离子能够进入长管或深孔较深，由于长管或深孔的内径非常小，金属离子的利用率将非常低，甚至不超过1%，因此普通电弧离子镀设备很难实现在长管内表面或深孔器件孔内壁防护和改性的目的。
技术实现思路
针对现有技术中存在的电弧离子镀技术无法实现对长管内表面和深孔器件孔内壁进行防护和改性的目的、改进电弧离子镀技术可处理的长管和深孔器件孔径或边长与改性深度不超过I : 2.5以及改性薄膜或涂层均匀性及结合力较差等不足之处，本专利技术提供一种采用磁场和电场控制的电弧离子镀设备，能够实现对长管内表面和深孔器件孔内壁防护和改性的目的，其沉积的薄膜或涂层均匀性好，与长管内表面和深孔器件孔内壁结合强。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是一种电弧离子镀设备，该电弧离子镀设备设有三套磁场发生装置，包括用于对阴极靶发射的金属离子流进行聚束的第一磁场发生装置，设置在真空室外与阴极靶后面对应的位置；所述第一磁场发生装置为在中间安装镀镍纯铁的电磁线圈或者环形永磁体，该电磁线圈或环形永磁体通过圆形或矩形的第一支撑筒/架固定在与电弧离子镀设备外壳连接的可移动工作台上，第一磁场发生装置的中心轴与阴极靶的中心轴重合，通过移动工作台调整电磁线圈或环形永磁体与阴极靶之间的距离；用于同第一磁场发生装置配合对金属离子流进行聚束的第二磁场发生装置，设置在真空室内阴极靶与工件之间，通过圆形或矩形的第二支撑筒/架固定在与真空室壁相连的工作台上；用于将已聚束金属离子流发散并向长管内表面或深孔内壁高速运动的第三磁场发生装置，设置于真空室内工件的外周，通过圆形或矩形第三支撑筒/架绝缘固定在与真空室壁相连的工作台上；一脉冲偏压电源，阳极接于工件内孔中心悬空的工件辅助电极和真空室壁并接地，阴极与真空室内的第三支撑筒/架相连。第一支撑筒/架内径或边长为2-25cm，长度为5-20cm，第一磁场发生装置所产生的磁感应强度为1000-5000Gauss。所述第二磁场发生装置为电磁线圈，固定于第二支撑筒/架外周，该第二支撑筒/架内径或边长为2-25cm，长度为5-20cm，其中心轴与阴极靶的中心轴重合，所产生磁感应 强度为500_4000Gauss,磁场方向与第一磁场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电弧离子镀设备，其特征在于：该电弧离子镀设备设有三套磁场发生装置，包括：用于对阴极靶发射的金属离子流进行聚束的第一磁场发生装置，设置在真空室外与阴极靶后面对应的位置；所述第一磁场发生装置为在中间安装镀镍纯铁的电磁线圈或者环形永磁体，该电磁线圈或环形永磁体通过圆形或矩形的第一支撑筒/架固定在与电弧离子镀设备外壳连接的可移动工作台上，第一磁场发生装置的中心轴与阴极靶的中心轴重合，通过移动工作台调整电磁线圈或环形永磁体与阴极靶之间的距离；用于同第一磁场发生装置配合对金属离子流进行聚束的第二磁场发生装置，设置在真空室内阴极靶与工件之间，通过圆形或矩形的第二支撑筒/架固定在与真空室壁相连的工作台上；用于将已聚束金属离子流发散并向长管内表面或深孔内壁高速运动的第三磁场发生装置，设置于真空室内工件的外周，通过圆形或矩形第三支撑筒/架绝缘固定在与真空室壁相连的工作台上；一脉冲偏压电源，阳极接于工件内孔中心悬空的工件辅助电极和真空室壁并接地，阴极与真空室内的第三支撑筒/架相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杜昊，赵彦辉，肖金泉，宋贵宏，熊天英，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：