CN105970160A - 通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统，包括真空获得及测量装置和真空室，在真空室的侧壁安装有多个侧壁阴极靶对，其特征在于：在真空室的中心位置安装一个柱状阴极靶和旋转式支承机构，柱状阴极靶通过连接大功率弧电源、以输出大电流，柱状阴极靶的电源输入端连接PLC控制系统的输出端，通过PLC控制系统反复进行正负极输入切换改变作用在柱状阴极靶靶面的电磁场方向，使处于靶面的弧斑沿着靶面作向上螺旋运动，从一端往另一端转移，并形成弧斑在柱状阴极靶的靶面作反复螺旋转移运动，形成工件表面快速循环沉积结构，使工件表面最终快速的获得厚涂层。本发明具有工件表面的涂层沉积效率高等有益效果。

Description

通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统

技术领域

本发明涉及一种通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统，适用于等离子体在工件的表面快速沉积特厚涂层的再涂层增材制造，特别适用于复杂工件表面的快速形成高性能的厚涂层。属于等离子体再涂层增材制造技术领域。

背景技术

目前，增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的制造技术，其中设备的再涂层是增材制造技术的关键技术之一。增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序，再涂层制造的工艺方法直接决定了工件在累加方向的精度和质量。现有技术中，由于再涂层增材制造系统结构不合理，因此，存在工件表面的涂层沉积效率低、沉积的涂层厚度薄及不均匀、复杂工件的沉积涂层效果差等缺陷。

为响应国家关于增材计划的推进，面向重点领域产品开发设计和复杂结构件生产需求，以技术创新为动力，着力解决关键材料和装备自主研发等方面的基础问题，特别是在模具制造，轴承和飞机发动机叶片等航空航天及高端装备制造的重要技术领域，该系统的研发及应用就是采用真空等离子体的方法在工件的表面快速沉积特厚涂层的再涂层增材制造新技术。

发明内容：

本发明目的，是为了解决现有技术的再涂层增材制造系统存在工件表面的涂层沉积效率低、沉积的涂层厚度薄及不均匀、复杂工件的沉积涂层效果差的问题，提供一种通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统。该系统具有工件表面的涂层沉积效率高、沉积的涂层厚度厚及均匀、复杂工件的沉积涂层效果好等特点。

特别是在模具制造，轴承和飞机发动机叶片等航空航天和高端装备制造的重要技术领域，该系统的研发及应用就是采用真空等离子体的方法在工件的表面快速沉积特厚涂层的再涂层增材制造新技术。该技术能在复杂的零件表面快速一次性沉积，形成高效率，低成本，高性能的厚涂层，该厚涂层主要是应用在压铸模具，轴承，飞机发动机叶片，汽轮机叶片等制造领域。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统，包括真空获得及测量装置和真空室，真空获得及测量装置通过真空管道与真空室连通，在真空室的侧壁安装有多个侧壁阴极靶对，其结构特点在于：在真空室的中心位置安装一个柱状阴极靶和旋转式支承机构，柱状阴极靶具有大功率、大电流结构，柱状阴极靶通过连接大功率弧电源、以输出大电流，柱状阴极靶的电源输入端连接PLC控制系统的输出端，通过PLC控制系统反复进行正负极输入切换改变作用在柱状阴极靶靶面的电磁场方向，使处于靶面的弧斑沿着靶面作向上螺旋运动，从一端往另一端转移，并形成弧斑在柱状阴极靶的靶面作反复螺旋转移运动，形成工件表面快速循环沉积结构，使工件表面最终快速的获得厚涂层；侧壁阴极靶对和柱状阴极靶各连接一个弧电源，偏压电源连接在旋转式支承机构上；侧壁阴极靶对通过连接的弧电源形成阴阳配对电极，在侧壁阴极靶对与弧电源的连接处设置控制开关，通过控制开关控制配对的侧壁阴极靶通/断电，形成辅助沉积及清洗结构；通过旋转式支承机构使工件在柱状阴极靶和侧壁阴极靶对之间做公转和自转运动；构成工件表面快速沉积的增材制造系统。

本发明的目的还可以通过采取如下技术方案达到：

进一步地，柱状阴极靶的内部配置有多个线圈，各线圈之间绝缘并分别与弧电源连接，柱状阴极靶的靶桶内接通自来水、以冷却靶体和线圈，各线圈的电源控制端与PLC的控制输出端连接，通过PLC控制每个线圈的开/关，按顺序从一端到另一端接通或关断线圈的弧电源，直到到最后的一个线圈通完电后，再通过PLC控制所有线圈的电路输入端进行正负极输入切换，使原来的正极变为负极输入，同时以最后一个线圈为初起点，依次逆向工作，通过依次接通一个并同时关闭一个线圈的通电方式，使通电线圈所产生的磁场的南北极方向做了一个调换，改变了电磁场的方向。

进一步地，在真空管道上设有节流阀，在真空室的侧壁设有真空规管和放气阀，柱形阴极靶外接有柱形阴极靶冷却水装置和柱形阴极靶弧电源输入装置；旋转式支承机构设置在真空室的内腔底部，旋转式支承机构具有工件放置结构和自转、公转结构；真空室为等边八角形，具有八个矩形面，其中一个矩形面通过真空管道连接真空获得系统及其测量装置，另外七个矩形面开有矩形口、用于连接矩形法兰，在其中四个面或六个面的矩形法兰上各安装有阴极靶，所述阴极靶外接有阴极靶弧电源输入装置、冷却水进出装置，在阴极靶的周围设有电磁场，形成二对或三对侧壁阴极靶对；与真空管道相对的形法兰上安装有一个观察窗、用于观察真空室内的状况。

进一步地，在真空室的其中四个面的矩形法兰上各安装有阴极靶，所述阴极靶外接有阴极靶弧电源输入装置、冷却水进出装置，在阴极靶的周围设有电磁场，形成二对侧壁阴极靶对；在与观察窗相邻的两个矩形面的内侧各安装有发热管、以在工件镀膜前加热；真空获得系统及其测量装置、节流阀、放气阀、柱形阴极靶、柱形阴极靶弧电源输入装置、柱形阴极靶冷却水装置、旋转式支承机构、阴极靶、阴极靶弧电源输入装置、冷却水进出装置和电磁场控制输入端各连接一个电控制柜的控制信号输出端，和计算机集成系统构成了自动控制结构。

进一步地，在真空获得及测量装置与真空室的连接处设有百叶窗；真空室中设有真空室炉门，在真空室与真空室炉门的连接处设有炉门密封条，观察窗设置在真空室炉门上。

进一步地，旋转式支承机构包括行星轮护罩、行星轮机构、传动输入机构、传动输入减速机和变频电机，变频电机的动力输出端通过传动输入减速机连接传动输入机构的动力输入端，传动输入机构的动力输出端连接行星轮机构的动力输入端，星轮机构上设有工作转盘，构成旋转式支承机构，行星轮护罩罩住星轮机构；在传动输入机构处设有偏压电源输入装置。

进一步地，圆形靶发生装置设置在靶桶内，即通过靶桶将圆形靶发生装置封罩起来、形成封闭结构。

进一步地，在传动输入机构安装有一个编码器，以测定工件的转速和产品定位。

进一步地，在电控柜的输入端连接计算机控制柜，构成LPC控制结构。

本发明具有如下突出的有益效果：

1、本发明由于具有工件表面快速循环沉积结构、使工件表面最终快速的获得厚涂层，以及具有辅助沉积及清洗结构；因此能够解决现有技术的再涂层增材制造系统存在工件表面的涂层沉积效率低、沉积的涂层厚度薄及不均匀、复杂工件的沉积涂层效果差的问题，具有工件表面的涂层沉积效率高、沉积的涂层厚度厚及均匀、复杂工件的沉积涂层效果好等有益效果。

2、本发明侧壁的阴极靶作为离子清洗的方式，提高离化率，使产品的表面清洁干净和带有强活性，增加了产品膜层的附着力，膜层与产品基体表面的结合力增加，减少了脱膜的几率，提高了产品的质量，使产品的使用寿命提高了3-5倍，同时也可以作为沉积时的辅助手段，用来辅助沉积，增大了涂层膜层的种类和增加扩展了沉积的方法。

3、本发明采用中间柱形阴极靶作为产品膜层沉积增材的发生源，外接大功率的弧电源，能大功率大电流输出，弧源电流可达300～1000A，常用弧源电流大于700A，并可长时间工作，连续工作时间大于24小时，沉积速率＞15μm/h，一次沉积厚度可大于80μm,该方法极大的提高了膜层的沉积效率，而在柱形阴极靶内的电磁场引导弧斑在靶的表面上下移动，使每次经过产品表面的弧斑工作时间是相同的，也就在保证产品膜层的厚度的同时也保证了膜层的均匀性，保证膜层有很好的结合力，这样就可减少了镀膜的工作时间，降低了劳动强度，提高了效率，降低了生产成本，同时均匀的膜层厚度能使产品的质量得到了提高，得到有优良结合力的均匀的超厚的沉积膜层，达到产品增材的目的。

4、本发明涂层除能获得均匀单一的成分外，同时可根据改变不同的靶材材料成份和通入炉内的不同气体，控制真空度，获得不同的材料成份的涂层或复合涂层。

5、本发明利用信息化和智能化的控制系统，提高了自动化的程度，降低了劳动强度。该系统采用信息化和智能化的控制集成系统，各个动作都可以通过信息化和智能化的控制集成系统来逐一发出指令，使各动作连续有序进行，极大地降低了产品工作的安全性和极大地提高了自动化程度，使整个镀膜的过程实现了自动可控，从而降低了劳动强度和提高了产品的质量和稳定性。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的阴极靶结构示意图。

图2-1为本发明的柱状阴极靶的线圈结构示意图。

图3为本发明具体实施例1的结构示意图主视图。

图4为本发明具体实施例1的结构示意图俯视图。

图5为本发明具体实施例1的结构示意图A-A侧视图。

图6为本发明具体实施例3的结构示意图主视图。

图7为本发明具体实施例3的结构示意图俯视图。

图8为本发明具体实施例3的结构示意图A-A侧视图。

图9为本发明具体实施例4的结构示意图主视图。

图10为本发明具体实施例4的结构示意图俯视图。

图11为本发明具体实施例4的结构示意图A-A侧视图。

图12为本发明具体实施例5的结构示意图主视图。

图13为本发明具体实施例5的结构示意图俯视图。

图14为本发明具体实施例5的结构示意图A-A侧视图。

具体实施方式：

具体实施例1：

参照图1至图5，本实施例包括真空获得及测量装置1和真空室10，真空获得及测量装置1通过真空管道2与真空室10连通，在真空室10的侧壁安装有多个侧壁阴极靶对，在真空室10的中心位置安装一个柱状阴极靶4和旋转式支承机构3，柱状阴极靶4具有大功率、大电流结构，柱状阴极靶4通过连接大功率弧电源、以输出大电流，柱状阴极靶4的电源输入端连接PLC控制系统的输出端，通过PLC控制系统反复进行正负极输入切换改变作用在柱状阴极靶4靶面的电磁场方向，使处于靶面的弧斑沿着靶面作向上螺旋运动，从一端往另一端转移，并形成弧斑在柱状阴极靶4的靶面作反复螺旋转移运动，形成工件表面快速循环沉积结构，使工件表面最终快速的获得厚涂层；侧壁阴极靶对和柱状阴极靶4各连接一个弧电源，偏压电源连接在旋转式支承机构3上；侧壁阴极靶对通过连接的弧电源形成阴阳配对电极，在侧壁阴极靶对与弧电源的连接处设置控制开关，通过控制开关控制配对的侧壁阴极靶通/断电，形成辅助沉积及清洗结构；通过旋转式支承机构3使工件在柱状阴极靶4和侧壁阴极靶对之间做公转和自转运动；构成工件表面快速沉积的增材制造系统。

本实施例中：

柱状阴极靶4的内部配置有多个线圈，各线圈之间绝缘并分别与弧电源连接，柱状阴极靶4的靶桶内接通自来水、以冷却靶体和线圈，各线圈的电源控制端与PLC的控制输出端连接，通过PLC控制每个线圈的开/关，按顺序从一端到另一端接通或关断线圈的弧电源，直到到最后的一个线圈通完电后，再通过PLC控制所有线圈的电路输入端进行正负极输入切换，使原来的正极变为负极输入，同时以最后一个线圈为初起点，依次逆向工作，通过依次接通一个并同时关闭一个线圈的通电方式，使通电线圈所产生的磁场的南北极方向做了一个调换，改变了电磁场的方向。

在真空管道2上设有节流阀3-1，在真空室10的侧壁设有真空规管5和放气阀6，柱形阴极靶4外接有柱形阴极靶冷却水装置7和柱形阴极靶弧电源输入装置8；旋转式支承机构3设置在真空室10的内腔底部，旋转式支承机构3具有工件放置结构和自转、公转结构；真空室10为等边八角形，具有八个矩形面，其中一个矩形面通过真空管道2连接真空获得系统及其测量装置1，另外七个矩形面开有矩形口、用于连接矩形法兰，在其中四个面的矩形法兰上各安装有阴极靶23，所述阴极靶23外接有阴极靶弧电源输入装置24、冷却水进出装置25，在阴极靶23的周围设有电磁场22，形成二对侧壁阴极靶对；与真空管道2相对的形法兰上安装有一个观察窗21、用于观察真空室10内的状况。

在真空室10的其中四个面的矩形法兰上各安装有阴极靶23，所述阴极靶23外接有阴极靶弧电源输入装置24、冷却水进出装置25，在阴极靶23的周围设有电磁场22，形成二对侧壁阴极靶对；在与观察窗21相邻的两个矩形面的内侧各安装有发热管20、以在工件镀膜前加热；真空获得系统及其测量装置1、节流阀3-1、放气阀6、柱形阴极靶4、柱形阴极靶弧电源输入装置8、柱形阴极靶冷却水装置7、旋转式支承机构3、阴极靶23、阴极靶弧电源输入装置24、冷却水进出装置25和电磁场22控制输入端各连接一个电控制柜26的控制信号输出端，和计算机集成系统27构成了自动控制结构。

在真空获得系统及其测量装置1与真空室10的连接处设有百叶窗4；真空室10中设有真空室炉门11，在真空室10与真空室炉门11的连接处设有炉门密封条14，观察窗21设置在真空室炉门11上。

旋转式支承机构包括行星轮护罩12、行星轮机构13、传动输入机构15、传动输入减速机17和变频电机18，变频电机18的动力输出端通过传动输入减速机17连接传动输入机构15的动力输入端，传动输入机构15的动力输出端连接行星轮机构13的动力输入端，星轮机构13上设有工作转盘，构成旋转式支承机构，行星轮护罩12罩住星轮机构13；在传动输入机构15处设有偏压电源输入装置16。

阴极靶23设置在靶桶19内，即通过靶桶19将圆形(矩形或柱形)阴极靶23封罩起来、形成封闭结构。

在传动输入机构15安装有一个编码器，以测定工件的转速和产品定位。

在电控柜26的输入端连接计算机控制柜27，构成信息化和智能化的控制系统。

在真空室10的两端设有进气管28、衬板29。

真空获得及测量系统系统1主要功能是获得镀膜时所需的本底真空度和保持镀膜时的真空度，同时加入气体后利用真空管道节流挡板阀3稳定波动大的真空度，而真空规管即作为检测真空室内真空度的检测仪器，确定真空度的大小，发出信号到进气管28的质量流量计进行调节进气量，控制测量镀膜时的真空度。

在真空室内设置的发热管20，用于产品镀膜时的加热及保温功能，加热管旁边附带有热电偶进行控制发热管的工作，采用PID的控温方式对真空腔体进行控温，同时还可以升温到产品涂层的扩散温度，对膜层进行扩散处理。

在真空室10侧壁所设置的4套(2套或多套)阴极靶23，是两两配对成一阴极和一阳极，形成一对电位差，在镀膜增材时进行激发产生电离的离子对工件进行清洗，并增加离化率，它们是利用外接弧电源的正负极对接形成的，外接弧电源通过阴极靶弧电源输入装置24作用于阴极靶上。

真空室10内中间位置的柱形阴极靶9，主要的作用是作为工件的膜层沉积源，是快速形成膜层的主要蒸发装置，该装置是通过外置的柱形阴极靶弧电源输入装置把弧电源的弧流作用于靶上，然后通过辉光放电，把阴极靶靶材进行电离并蒸发，并通过偏压电源16的作用下，沉积到工件的表面，和电离的气体一起形成沉积膜层。

真空室10内行星轮机构13的工作转盘是用来放置工件的，使工件做自转和公转运动，是放置工件的有效平台，在传动输入机构15外设置的个偏压电源输入装置16，使工件带上偏压，同时在传动输入机构15安装有一个编码器，可以测定工件的转速和产品定位。

电磁场22用于控制靶材上的弧斑工作时的路径，使弧斑按着磁场的方向移动，使弧斑不至断弧并可控。

起弧电极即是用来激发阴极靶产生辉光，在靶材表面产生辉光弧斑，产生等离子体沉积增材源。

在真空室10与真空管道2之间安装的百叶窗4，用来阻挡镀膜时所产生的污染源，污染真空泵及其真空测量系统。在真空室10四周和各个弧源蒸发装置的端部设置的冷却水进出装置各连接到冷热水循环系统中，用于冷却真空室和靶材连接处的密封圈，如通入热水时即可以再打开炉门(11)对真空腔体进行保温加热，赶走因炉门打开后空气冷凝于真空室内的水汽，减少抽真空时的时间，提高效率。

本实施例的工作原理如下：

本实施的工作方式，首先是打开真空室炉门11，把工件放置在行星轮机构13的工作转盘上，启动变频电机18，在传动输入机构15上输入转动动力，使工件在行星机构13上作公转和自转运动，然后关闭真空室炉门11，启动真空获得及测量系统系统1的真空泵，把真空抽动镀膜前的本底真空度，然后打开发热管20的控制开关，进行加热，直到温度上升到镀膜前的设定温度进行保温，在打开加热前一直要接通冷却水，然后打开气体流量计和阀门，通入气体，使真空室10内的真空度达到一个设定的真空度值，并稳定后，打开偏压电源输入机构16的开关，使工件带上偏压，再打开圆形阴极靶的弧电源，使阴极靶接通，并启动，这两对弧电源是一对阴阳极进行配对的，这样就可以使通入的气体产生很高的离化率，使工件的表面清洗干净，并有良好的活性和有利于增加附着力。在经过一段时间的工作后，关闭圆形阴极靶的弧电源，并调节偏压和质量流量计的流量，调节真空室内的真空度，打开柱形阴极靶的磁场的电源开关，再打开其弧电源的开关，并启动，产生弧斑，弧斑随着磁场的变化进行变化着，弧斑在垂直的方向螺旋运动，使金属等离子体进行蒸发，或与气体结合后，通过偏压附着在工件的表面上，经过一定的时间后，形成一定厚度的合金膜层，然后关闭弧电源，关闭磁场，再关闭偏压电源，然后关闭加热管的电源，关闭加热管，停止加热，同时关闭气体质量流量计，停止气体的加入，继续抽真空，直到真空室内的温度达到预定的温度后，关闭真空规管，停止真空系统里的真空泵，然后打开放气阀，使真空室与大气连通，当真空室内的压力与大气相同后，打开炉门，然后取出工件，产品的镀膜工序完成。

柱状阴极靶4的内部配置有多个线圈，各线圈之间绝缘并分别与弧电源连接，柱状阴极靶4的靶桶内接通自来水、以冷却靶体和线圈，各线圈的电源控制端与PLC的控制输出端连接，通过PLC控制每个线圈的开/关，按顺序从下到上接通或关断线圈的弧电源，当第一个线圈通电几秒后，再使第二个线圈进行通电，并同时把第一个线圈断电，如此类推，直到到最后的一个线圈通完电后，再通过PLC控制所有线圈的电路输入端进行正负极输入切换，使原来的正极变为负极输入，同时以最后一个线圈为初起点，依次逆向工作，通过依次接通一个并同时关闭一个线圈的通电方式，使通电线圈所产生的磁场的南北极方向做了一个调换，改变了电磁场的方向。通过这种方式，在靶面上部点燃的弧斑就会由靶面的上部随着线圈电流的方向，在靶的表面做螺旋向下运动，直到靶下面最后的一个线圈的最后几圈，通过PLC控制，把线圈的正反极进行切换，迅间改变了线圈电流的方向，也就是改变了作用在靶面的电磁场的方向，使处于靶面下部的弧斑由下部向上部沿着靶面作向上的螺旋运动，直到最上部的线圈差不多工作完，又再次切换线圈的电流输入方向，改变电磁场的方向，使靶面的弧斑反向运动，如此反复工作，使弧斑在柱状的阴极靶的靶面作反复螺旋运动，极大地提高了靶材的蒸发效率，使工件表面最终快速的获得厚涂层。

清洗时把配对靶的阴阳极接通并送电到阴极靶上，通过阴极电离真空腔内的气体来清洗工件的表面，如果需要做沉积镀膜的工艺时，断开连接弧电源阴阳极连接开关，这时每个侧壁的阴极靶都和弧电源的负极连接的，一旦通电就可以对工件进行辅助沉积。

本实施例采用信息化和智能化的控制模式，其中中央集成系统负责执行元器件的控制，以及部分单元部件数据采集，计算机主要实现数据采集、编辑和通讯的功能。在运行涂层工艺时，电脑显示屏上可以实时显示所有工艺参数，所有工艺参数自动记录在电脑中供随时调用；也可导出为表格形式供分析，系统配有打印机输出功能，可供数据输出打印。计算机控制采用开放式客户界面，凭借控制系统，有经验的客户可自行开发完成任何多层和复合涂层。控制系统功能包括如下：

(1)手动操作：本系统各部件均可通过电脑手动独立操作，以便打样及工艺调整。

(2)自动操作：本系统具有自动抽气、自动镀膜及维护真空稳定、真空室自动回充大气功能；如将此三种功能连用即为本系统的全自动功能，操作工只需装件、取件、开关门即可。

(3)显示功能：显示屏上均可设定电源的电流、电压，当前工艺参数及工艺时间和工艺层数，显示当前炉内真空度及温度，转架转速及各泵阀门状态、各种故障报警显示等等。

(4)报警、保护功能：具有水流量不足、断水、各泵阀门故障报警；断水、真空度不对、停电等不具备安全生产条件时设备自锁保护。

(5)报警信息自动弹出：本系统在故障发生时自动弹出报警信息，并且提供详细报警信息，便于工作人员对设备进行故障诊断。

(6)镀膜工艺：本系统自带工艺库，工艺库可进行编辑、修改。

(7)数据分析：本系统可对各气体流量、电源的电流、电压、弧源电流等参数进行实时曲线、历史曲线的显示及保存，并可对这些数据进行打印、分析。

(8)工作时间记录：本系统具备对机械部件(如真空泵等)工作累计计时功能，可定期提醒工作人员进行设备保养。

在蒸发的弧靶和柱形靶中的材质根据要求可以是同一材质，也可以是不同的材质，每个靶可以是单一或复合的材料，也可以是几种不同的材料组成不同的靶，并可以安装于同一真空腔内进行电离蒸发，形成复合材料等离子体，最终构成复合涂层结构。

该系统在真空腔内设置了加热装置，所以能在真空的情况下，对涂层进行加热扩散，加热扩散温度可以最高达到1000℃，能适应多种涂层的扩散，增加结合力，因可以在高真空进行扩散，所以能防止产品和涂层氧化，并能增加扩散的外在动力，提高扩散速率。

具体实施例2：

本实施例2的特点是：真空室10为等边八角形，具有八个矩形面，其中一个矩形面通过真空管道2连接真空获得系统及其测量装置1，另外七个矩形面开有矩形口、用于连接矩形法兰，在其中六个面的矩形法兰上各安装有阴极靶23，所述阴极靶23外接有阴极靶弧电源输入装置24、冷却水进出装置25，在阴极靶23的周围设有电磁场22，形成三对侧壁阴极靶对。其余同具体实施例1。

具体实施例3：

参照图6至图8，本发明具体实施例4的特点是，真空室10的结构可以是圆形，在圆周上形成四至八个窗口，其中一个窗口通过真空管道2连接真空获得系统及其测量装置1，另外三至七个窗口为弧状矩形口(投影为矩形)、用于连接法兰，在其中四个或六个窗口的法兰上各安装有阴极靶23，所述阴极靶23外接有阴极靶弧电源输入装置24、冷却水进出装置25，在阴极靶23的周围设有电磁场22，形成二对或三对侧壁阴极靶对。其余同具体实施例1或具体实施例2。

具体实施例4：

参照图9至图11，本发明具体实施例4的特点是，真空室10的结构可以是正方或长方形，具有四个矩形面，其中一个矩形面通过真空管道2连接真空获得系统及其测量装置1，另外三个矩形面开有矩形口、用于连接矩形法兰，在其中二个面的矩形法兰上各安装有阴极靶23，所述阴极靶23外接有阴极靶弧电源输入装置24、冷却水进出装置25，在阴极靶23的周围设有电磁场22，形成一对侧壁阴极靶对。其余同具体实施例1。

具体实施例5：

参照图12至图14，本发明具体实施例4的特点是，转盘装置和柱形阴极靶的位置可以上下互换，其余同具体实施例1，真空室10可以是实施例2至4。

本发明的其他具体实施例中，真空室10的结构可以其他多边形，其余同具体实施例1至5。

本发明是通过真空等离子体的方法在工件的表面快速沉积特厚涂层的再涂层增材制造新技术，可连续工作，直到真空腔内的增发阴极靶材耗尽。该系统能在复杂的零件表面快速形成高效率，低成本，高性能的厚涂层，该厚涂层主要是在压铸模具，轴承，飞机发动机叶片，汽轮机叶片等制造领域得到了充分的应用。

本发明是面向重点领域产品开发设计和复杂结构件生产需求，以技术创新为动力，着力解决关键材料和装备自主研发等方面的基础问题，特别是在模具制造，轴承和飞机发动机叶片等航空航天及高端装备制造的重要技术领域，该系统的研发及应用就通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统的方法，是再涂层增材制造的新技术。

以上所述，仅为发明较具体的实施例，但发明的保护范围并不局限与此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的范围内，根据本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统，包括真空获得及测量装置(1)和真空室(10)，真空获得及测量装置(1)通过真空管道(2)与真空室(10)连通，在真空室(10)的侧壁安装有多个侧壁阴极靶对，其特征在于：在真空室(10)的中心位置安装一个柱状阴极靶(4)和旋转式支承机构(3)，柱状阴极靶(4)具有大功率、大电流结构，柱状阴极靶(4)通过连接大功率弧电源、以输出大电流，柱状阴极靶(4)的电源输入端连接PLC控制系统的输出端，通过PLC控制系统反复进行正负极输入切换改变作用在柱状阴极靶(4)靶面的电磁场方向，使处于靶面的弧斑沿着靶面作向上螺旋运动，从一端往另一端转移，并形成弧斑在柱状阴极靶(4)的靶面作反复螺旋转移运动，形成工件表面快速循环沉积结构，使工件表面最终快速的获得厚涂层；侧壁阴极靶对和柱状阴极靶4各连接一个弧电源，偏压电源连接在旋转式支承机构(3)上；侧壁阴极靶对通过连接的弧电源形成阴阳配对电极，在侧壁阴极靶对与弧电源的连接处设置控制开关，通过控制开关控制配对的侧壁阴极靶通/断电，形成辅助沉积及清洗结构；通过旋转式支承机构(3)使工件在柱状阴极靶(4)和侧壁阴极靶对之间做公转和自转运动；构成工件表面快速沉积的增材制造系统。

2.根据权利要求1所述的通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统，其特征在于：柱状阴极靶(4)的内部配置有多个线圈，各线圈之间绝缘并分别与弧电源连接，柱状阴极靶(4)的靶桶内接通自来水、以冷却靶体和线圈，各线圈的电源控制端与PLC的控制输出端连接，通过PLC控制每个线圈的开/关，按顺序从一端到另一端接通或关断线圈的弧电源，直到到最后的一个线圈通完电后，再通过PLC控制所有线圈的电路输入端进行正负极输入切换，使原来的正极变为负极输入，同时以最后一个线圈为初起点，依次逆向工作，通过依次接通一个并同时关闭一个线圈的通电方式，使通电线圈所产生的磁场的南北极方向做了一个调换，改变了电磁场的方向。

3.根据权利要求1或2所述的通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统，其特征在于：在真空管道(2)上设有节流阀(3-1)，在真空室(10)的侧壁设有真空规管(5)和放气阀(6)，柱形阴极靶(4)外接有柱形阴极靶冷却水装置(7)和柱形阴极靶弧电源输入装置(8)；旋转式支承机构(3)设置在真空室(10)的内腔底部，旋转式支承机构(3)具有工件放置结构和自转、公转结构；真空室(10)为等边八角形，具有八个矩形面，其中一个矩形面通过真空管道(2)连接真空获得系统及其测量装置(1)，另外七个矩形面开有矩形口、用于连接矩形法兰，在其中四个面或六个面的矩形法兰上各安装有阴极靶(23)，所述阴极靶(23)外接有阴极靶弧电源输入装置(24)、冷却水进出装置(25)，在阴极靶(23)的周围设有电磁场(22)，形成二对或三对侧壁阴极靶对；与真空管道(2)相对的形法兰上安装有一个观察窗(21)、用于观察真空室(10)内的状况。

4.根据权利要求3所述的通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统，其特征在于：在真空室(10)的其中四个面的矩形法兰上各安装有阴极靶(23)，所述阴极靶(23)外接有阴极靶弧电源输入装置(24)、冷却水进出装置(25)，在阴极靶(23)的周围设有电磁场(22)，形成二对侧壁阴极靶对；在与观察窗(21)相邻的两个矩形面的内侧各安装有发热管(20)、以在工件镀膜前加热；真空获得系统及其测量装置(1)、节流阀(3-1)、放气阀(6)、柱形阴极靶(4)、柱形阴极靶弧电源输入装置(8)、柱形阴极靶冷却水装置(7)、旋转式支承机构(3)、阴极靶(23)、阴极靶弧电源输入装置(24)、冷却水进出装置(25)和电磁场(22)控制输入端各连接一个电控制柜(26)的控制信号输出端，和计算机集成系统(27)构成了自动控制结构。

5.根据权利要求1或2所述的通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统，其特征在于：在真空获得及测量装置(1)与真空室(10)的连接处设有百叶窗(4)；真空室(10)中设有真空室炉门(11)，在真空室(10)与真空室炉门(11)的连接处设有炉门密封条(14)，观察窗(21)设置在真空室炉门(11)上。

6.根据权利要求1或2所述的通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统，其特征在于：旋转式支承机构包括行星轮护罩(12)、行星轮机构(13)、传动输入机构(15)、传动输入减速机(17)和变频电机(18)，变频电机(18)的动力输出端通过传动输入减速机(17)连接传动输入机构(15)的动力输入端，传动输入机构(15)的动力输出端连接行星轮机构(13)的动力输入端，星轮机构(13)上设有工作转盘，构成旋转式支承机构，行星轮护罩(12)罩住星轮机构(13)；在传动输入机构(15)处设有偏压电源输入装置(16)。

7.根据权利要求1或2所述的通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统，其特征在于：圆形靶发生装置(23)设置在靶桶(19)内，即通过靶桶(19)将圆形靶发生装置(23)封罩起来、形成封闭结构。

8.根据权利要求1或2所述的通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统，其特征在于：在传动输入机构(15)安装有一个编码器，以测定工件的转速和产品定位。

9.根据权利要求1或2所述的通过真空等离子体在工件表面快速沉积的增材制造系统，其特征在于：在电控柜(26)的输入端连接计算机控制柜(27)，构成LPC控制结构。