CN107227445A - 一种沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备 - Google Patents

一种沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备 Download PDF

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Abstract

本发明属于管内壁薄膜沉积领域，具体来讲是一种沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备。该设备包括置于真空室内的管状等离子靶材，管状真空聚焦永磁体，等离子弧引弧装置，其中，管状等离子靶材的两端通过绝缘密封法兰与真空室壳连接上，管状工件非接触套于管状等离子靶材上，两组以上的管状真空聚焦永磁体在管状等离子靶材管内沿管向按反向磁极顺序排放，聚焦控制分布电弧，离化弧靶材料。本发明可将镀膜材料的阴离子导入到管内壁更深的区域。本发明解决电弧离子镀沉积深管内壁深度不够、涂层不均匀的难题，提出一种在现有电弧离子镀技术的基础上制作简单、成本低廉、易于实施的设计思路，拓展电弧离子镀技术在沉积管内壁方面的应用范围。

Description

一种沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备
技术领域
本发明属于管内壁薄膜沉积领域，具体来讲是一种沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备。
背景技术
电弧离子镀(AIP)作为一种相对较新的物理气相沉积(PVD)薄膜的技术(也称为真空弧光蒸镀、多弧离子镀)由于镀层质量高、结合力好、成膜均匀、沉积速率快等优点，在机械工业、冶金、高温防护、装饰材料等方面得到广泛应用。
电弧离子镀的基本组成包括真空镀膜室、阴极弧源、工件、真空系统等。电弧离子镀的技术原理主要基于冷阴极真空放电理论，阴极弧源产生的金属等离子体自动维持阴极和镀膜室之间的弧光放电，弧斑的电流密度可达105～107A/cm2。在阴极附近形成的金属等离子体主要由电子、正离子、熔滴和中性金属原子组成，其中原子仅占很小比例，一般低于2％。对于单元素金属靶材，离子比例大约可达30％～100％，离子的动能一般在10eV～100eV范围内。
长期以来，电弧离子镀的研究集中在刀具、各种轴类、叶片等工件外表面沉积硬质涂层、装饰涂层、防护涂层方面，对于内表面的镀膜技术研究甚少。而在工业应用中，需要对内表面做改性处理的工件还有很多，尤其是管内壁的表面改性，例如：输油管道、化工管道、汽车的汽缸套、管状模具、各种枪管、炮筒等。这些工件因未经过有效的内表面改性，常常造成内壁的磨损和腐蚀而失效。因此研究出一种切实有效的电弧离子镀沉积管内壁涂层的技术，是电弧离子镀领域亟待解决的难题之一。
对于电弧离子镀沉积管内壁涂层，其困难主要在于，由于口径较小的管口对于等离子体具有屏蔽作用，阴极弧源喷射出的等离子体的浓度在管内空腔随着管深的增加而逐渐降低，不能得到连续均匀的薄膜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备，在现有电弧离子镀膜设备的基础上，通过改进结构设计，实现在深管内壁上制备出均匀、连续涂层的要求的沉积管内壁涂层。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备，该设备包括置于真空室内的管状等离子靶材、管状真空聚焦永磁体、等离子弧引弧装置；其中，管状等离子靶材的两端通过绝缘密封法兰与真空室壳连接上，管状工件非接触套于管状等离子靶材上，两组以上的管状真空聚焦永磁体在管状等离子靶材管内沿管向按反向磁极顺序排放，聚焦控制分布电弧，离化弧靶材料。
所述的沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备，等离子弧引弧装置通过绝缘密封法兰安装在真空室上，等离子弧引弧装置包括露于真空室外部的旋转柄以及位于真空室内与旋转柄连接的引弧针，等离子弧引弧装置通过引弧针与直流电源的负极相通，等离子弧引弧装置通过旋转触发引弧。
所述的沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备，真空室壳体与管状等离子靶材之间连接有直流电源，真空室壳体与直流电源的正极相连，管状等离子靶材与直流电源的负极相连，管状等离子靶材两端连接偱环水冷却装置。
所述的沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备，绝缘密封法兰包括一面凹形的法兰I与一面凸形的法兰II，法兰I的凹形面与法兰II的凸形面相对应，形成凹凸配合中间非接触结构。
本发明的设计思想是：
按管状等离子弧源靶中描述的设计思想，电弧离子镀沉积管内壁涂层技术需要一定直径非导磁金属管作为电弧离子镀管状靶源。在管状真空电弧离子镀膜设备上，制作两个与真空室和非导磁金属管靶材(管状等离子靶材)连接的绝缘密封法兰，永磁体分布于非导磁金属管靶材内，即等离子体聚焦磁场。非导磁金属管靶材两端连接偱环水，连接直流电源，等离子弧引弧采取绝缘旋转触发。
管状电弧非导磁金属靶引入等离子体到待沉积工件内测区域，把由阴极弧源喷射出的等离子体流完全引入待沉积工件内腔，通过冷却永磁体和管状等离子体弧源靶材设计及永磁体的磁场强度束缚弧斑，使管内空腔的等离子体浓度和均匀度得到有效提高，进而在管内壁上沉积出连续均匀的薄膜。
本发明具有如下的优点及有益效果：
1、本发明的电弧离子镀沉积管内壁涂层的设备解决由于口径较小的管口对于等离子体具有屏蔽的作用，造成阴极弧源喷射出的等离子体的浓度在管内空腔随着管深的增加而逐渐降低，不能得到连续均匀薄膜的问题。
2、本发明沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备，其装置设计简单，使用材料常见且成本低廉，加工容易实现。
3、由于电弧离子镀本身具有离子动能大、成膜质量好的优点，因此采用本发明沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备制备出的管内壁涂层致密、均匀性好。
4、本发明等离子体聚焦磁场不仅可以对管内壁方向飞来的离子流进行聚焦，同时也可以对阴极弧源周围一定范围内的离子聚焦，大大提高离子的利用率，进而提高管内壁镀膜的沉积速率。
5、本发明真空壳体两端采用真空绝缘密封法兰设计，此结构绝缘抗电弧烧损其真空密封部位电位相对弧电极真空壳体悬浮电位。此无电弧产生管内有冷却水温度低。
附图说明
图1为本发明沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备示意图；
图2为本发明管外绝缘密封法兰结构示意图；
图3为本发明旋转引弧结构示意图。
图中，1真空室，2管状工件，3管状等离子靶材，4绝缘密封法兰，5管状真空聚焦永磁体，6直流电源，7等离子弧引弧装置，8旋转柄，41法兰I，42法兰II。
具体实施方式
下面，结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1～图3所示，本发明沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备，包括置于真空室1内的管状等离子靶材3、管状真空聚焦永磁体5、等离子弧引弧装置7；其中，管状等离子靶材3的两端通过绝缘密封法兰4与真空室1外壳连接上，管状工件2非接触套于管状等离子靶材3上，两组以上的管状真空聚焦永磁体5在管状等离子靶材管内沿管向按反向磁极顺序排放，聚焦控制分布电弧，离化弧靶材料。
如图3所示，等离子弧引弧装置7通过绝缘密封法兰安装在真空室1上，等离子弧引弧装置7包括露于真空室外部的旋转柄8以及位于真空室内与旋转柄连接的引弧针，等离子弧引弧装置7通过引弧针与直流电源6的负极相通，等离子弧引弧装置7通过旋转触发引弧。
真空室1壳体与管状等离子靶材3之间连接有直流电源，真空室壳体与直流电源的正极相连，管状等离子靶材与直流电源的负极相连，管状等离子靶材两端连接偱环水冷却装置。
如图2所示，绝缘密封法兰4包括一面凹形的法兰I41与一面凸形的法兰II42，法兰I41的凹形面与法兰II42的凸形面相对应，形成凹凸形侧面配合、中间(底面)非接触结构。
实施例
本实施例中，Φ30×100mm不锈钢管材内壁沉积纯铜涂层，具体步骤如下：
步骤1、按照本发明结构，电弧离子镀沉积管内壁涂层技术需要一定直径铜管作为电弧离子镀管状铜靶源。在管状真空电弧离子镀膜设备上，制作两个与真空室和铜靶材连接的绝缘密封法兰，装配如图1所示连接，永磁体分布铜管内，即等离子体聚焦磁场。铜管两端连接偱环水，接直流电源，等离子弧引弧采取绝缘旋转触发方法。
步骤2、真空室管外壁连接直流电源正极，管状等离子铜靶材连接直流电源负极，等离子弧引弧装置连接直流电源正极。每组机构独立绝缘安装组成，每一组采用真空方式与真空室组装。
步骤3、清洗管内壁，采用的是Φ30×100mm不锈钢管材。镀膜前，用蘸有酒精的脱脂棉擦拭内表面，然后放入去离子水中超声20min。洗净吹干后，装夹在管外壁梯度导向磁场线圈的内部。为了方便表征膜厚，将抛光、清洗后的不锈钢样片(5×10×1mm)上的一侧用油性笔画出一条，并自左向右依此摆放在管子下部，由管口向内部依次编号为1～10。
步骤4、管内壁沉积涂层。按照表1中给定的实验参数提前为等离子体聚焦通电，当真空室本底真空抽至6×10-3Pa时，引入Ar，使得真空室压强稳定在0.3～0.4Pa，对阴极弧源引弧，弧流60A，弧压20V左右，稳定放电后开始记录时间，镀膜时间90min，镀膜完成后关闭直流电源。
步骤5、冷却取出样品。当管内壁附近温度低于40℃时，放气，取出样品。
步骤6、最后表征膜厚分布。将管内部的不锈钢样片倾倒出来，擦去油性笔留下的痕迹，即可得到台阶，通过台阶仪测量膜厚。
将通过上述实验步骤得到的管内壁镀膜沿管深方向膜厚的分布，同没有采用本发明技术的普通方法得到的膜厚比较，实验情况及结果描述如下：
采用普通方法沉积的管内壁薄膜在长度达到50mm后，涂层几乎不可见；而采用本发明的薄膜在0～100mm范围内均沉积上有效厚度的涂层。同时，采用本发明制备的管内壁涂层，在100mm长的管道内部形成比较均匀、连续的薄膜，其膜厚同普通方法的膜厚相比波动变化较小。也就是说，采用本发明沉积得到的管内壁涂层不仅成膜深度有效提高，且均匀性好。
表1实施例管内壁镀膜的沉积参数
镀膜参数 值 磁场参数 值
本底真空P0 6×10-3Pa 聚焦磁场电流I0 4A
工作气氛 Ar 导向线圈1电流I1 0.2A
压强P 0.3～0.4Pa 导向线圈2电流I2 0.5A
弧流I 60A 导向线圈3电流I3 1.0A
弧压U ～20V
沉积时间t 90min

Claims (4)

1.一种沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备，其特征在于，该设备包括置于真空室内的管状等离子靶材、管状真空聚焦永磁体、等离子弧引弧装置；其中，管状等离子靶材的两端通过绝缘密封法兰与真空室壳连接上，管状工件非接触套于管状等离子靶材上，两组以上的管状真空聚焦永磁体在管状等离子靶材管内沿管向按反向磁极顺序排放，聚焦控制分布电弧，离化弧靶材料。
2.按照权利要求1所述的沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备，其特征在于，等离子弧引弧装置通过绝缘密封法兰安装在真空室上，等离子弧引弧装置包括露于真空室外部的旋转柄以及位于真空室内与旋转柄连接的引弧针，等离子弧引弧装置通过引弧针与直流电源的负极相通，等离子弧引弧装置通过旋转触发引弧。
3.按照权利要求1所述的沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备，其特征在于，真空室壳体与管状等离子靶材之间连接有直流电源，真空室壳体与直流电源的正极相连，管状等离子靶材与直流电源的负极相连，管状等离子靶材两端连接偱环水冷却装置。
4.按照权利要求1所述的沉积管内壁涂层的电弧离子镀设备，其特征在于，绝缘密封法兰包括一面凹形的法兰I与一面凸形的法兰II，法兰I的凹形面与法兰II的凸形面相对应，形成凹凸配合中间非接触结构。
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