CN108456862B - 一种金属离子源及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种金属离子源及其使用方法。本发明提供的金属离子源，阴极管的管壁开有第一通孔，空心阴极放电在第一通孔中进行。用作阳极的内芯设置在阴极管内部，便于在阳极与阴极之间产生由中心到边缘的径向电场，溅射离子在该电场的作用下被加速后轰击阴极，从阴极溅射出来的金属离子沿径向飞出，垂直入射到细长管零件的内表面。本发明提供的金属离子源，能在轴向均匀地供给细长管内表面金属离子；有利于提高膜基结合力；能调控放电区域的位置，便于在设计要求的区域进行内表面改性，能避免大面积的放电，便于控制内孔零件的温度。金属离子源的使用方法基于上述的金属离子源，因此也具备有上述的有益效果。
Description
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种金属离子源及其使用方法。
背景技术
等离子体表面改性技术具有工艺简单、加工速度快、处理效果好等优点，得到了广泛应用。表面改性过程中，常常需要提供金属离子，以便得到满足设计要求的表面改性层。
内表面等离子体改性过程中，尚缺乏有效的供给金属离子的方法。就管筒状零件而言，如果以金属气相化合物供给金属，则在供给入口端和出口端之间必然存在浓度差，从而使改性层不均匀。等离子浸没离子注入等技术先在外部产生金属离子，然后让金属离子扩散进入管筒状零件内，则依然存在浓度差，使得改性层沿轴向不均匀。
栅极增强等离子体源离子注入技术用待注入金属制作中心电极和栅网，实现了内表面的金属离子注入，但所得金属涂层留有栅网的阴影，对内周壁离子注入的均匀性有一定的影响。
在管内放置旋转的锥状靶材，用离子束溅射靶材，可以在管内表面均匀沉积溅射材料，但很难进一步提高膜基结合力，例如三极溅射沉积装置已被美国军方用于处理4340钢炮管，虽然具有较高的沉积效率，但膜基结合力依然较差。
Kawasaki等发明的磁控空心阴极放电装置，在金属管内设置多个柱状阴极，借助空心阴极放电在金属管内产生高密度等离子体，同时在管外设置垂直于放电电场方向的磁场，以增加放电电流及降低工作气压，进而提高沉积速率，但所得膜基结合力不高，且不便于控制放电区域与放电温度，有待改善。
将空心阴极引入到内孔零件中，利用空心阴极放电产生的等离子体实现内表面改性，但空心阴极常常与内孔零件同轴放置，从空心阴极中喷出的等离子体需要经过转向后才能注入或沉积到内表面。
综上所述，由于缺乏有效地、可控地供给金属离子的方法，细长管内表面改性一直是等离子体表面改性领域的难题。
发明内容
为解决等离子体表面改性在细长管内表面中应用的难题，本发明的目的在于提供一种金属离子源。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述金属离子源的使用方法。
本发明的实施例是这样实现的：
一种金属离子源，其包括用作阳极的内芯；用作阴极的阴极管，阴极管环设于内芯外侧，阴极管的侧壁上开设有宽度为5～10mm的至少一个第一通孔；内屏蔽管，内屏蔽管设置于内芯与阴极管之间，内屏蔽管内周壁与内芯外周壁形成第一间隙，内屏蔽管外周壁与阴极管内周壁形成第二间隙，内屏蔽管的侧壁上开设有至少一个第二通孔；外屏蔽管，外屏蔽管环设于阴极管外侧，外屏蔽管内周壁与阴极管外周壁形成第三间隙，外屏蔽的侧壁上开设有至少一个第三通孔；其中，第一通孔、第二通孔以及第三通孔形状相同，尺寸相同，数量相同，且在轴向位置上一一对应，在周向位置上也一一对应；其中，内屏蔽管外周壁与阴极管内周壁之间的距离为2～4mm，外屏蔽管内周壁与阴极管外周壁之间的距离为2～4mm。
本发明的实施例中提供的金属离子源，利用空心阴极放电过程中阳离子对阴极的溅射作用，将阴极材料溅射出来形成金属离子。本发明采用阴极管，在阴极管的管壁上开有第一通孔，空心阴极放电就在第一通孔中进行。用作阳极的内芯设置在阴极管内部，便于在阳极与阴极之间产生由中心到边缘的径向电场，溅射气体在该电场的作用下电离，电离产生的阳离子继续在该电场的作用下加速并轰击阴极，从阴极溅射出来的金属离子沿径向飞出，可以垂直入射到细长管零件的内表面上。本发明提供的金属离子源，可以产生以下有益效果：当金属离子源用于细长管内表面改性时，能够沿轴向均匀地供给金属离子；产生的金属离子垂直入射到零件的内表面，有利于提高膜基结合力；能改变第一通孔、第二通孔以及第三通孔在阴极管、内屏蔽管、外屏蔽管上的布置方式与位置，便于在设计要求的区域进行内表面改性，同时避免了大面积的放电，便于控制内孔零件的温度。
在本发明的一个实施例中：
上述第一通孔、第二通孔以及第三通孔均设置为沿轴向延伸的长条形。
在本发明的一个实施例中：
上述第一通孔、第二通孔以及第三通孔均设置为沿螺旋线展开的，螺距相同的螺旋孔。
在本发明的一个实施例中：
上述金属离子源还包括用于支撑内芯、内屏蔽管、阴极管以及外屏蔽管的绝缘座，绝缘座分别设置于内芯、内屏蔽管、阴极管以及外屏蔽管相对的两端。
在本发明的一个实施例中：
上述绝缘座采用刚玉制成。
在本发明的一个实施例中：
上述内芯采用金属杆或者金属线制成。
在本发明的一个实施例中：
上述阴极管采用预设金属制成。
一种金属离子源的使用方法，其基于上述的金属离子源，包括：
将金属离子源置于真空系统内，抽真空至低于10-3～10-2Pa后，充入溅射气体，使气压回升到200～500Pa；
在内芯与阴极管之间施加400～1200V的偏压，阴极管上的第一通孔产生空心阴极放电，使阴极管的材料溅射出来形成金属离子。
在本发明的一个实施例中：
上述溅射气体为氩气以及氪气中一种或两种。
在本发明的一个实施例中：
上述溅射气体为氩气与反应气体的混合气体，反应气体用于与溅射出来的金属离子发生反应，生成金属化合物。
本发明实施例的有益效果是：
本发明的实施例中提供的金属离子源，利用空心阴极放电过程中阳离子对阴极的溅射作用，将阴极材料溅射出来形成金属离子。本发明采用阴极管，在阴极管的管壁上开有第一通孔，空心阴极放电就在第一通孔中进行。用作阳极的内芯设置在阴极管内部，便于在阳极与阴极之间产生由中心到边缘的径向电场，溅射气体在该电场的作用下电离，电离产生的阳离子继续在该电场的作用下加速并轰击阴极，从阴极溅射出来的金属离子沿径向飞出，可以垂直入射到细长管零件的内表面上。本发明提供的金属离子源，可以产生以下有益效果：当金属离子源用于细长管内表面改性时，能够沿轴向均匀地供给金属离子；产生的金属离子垂直入射到零件的内表面，有利于提高膜基结合力；能改变第一通孔、第二通孔以及第三通孔在阴极管、内屏蔽管、外屏蔽管上的布置方式与位置，便于在设计要求的区域进行内表面改性，同时避免了大面积的放电，便于控制内孔零件的温度。
本发明的实施例中提供的金属离子源的使用方法由于基于上述的金属离子源，因此也具备有上述的有益效果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例中需要使用的附图作简单介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，不应被看作是对本发明范围的限制。对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的情况下，能够根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例1提供的金属离子源在第一视角下的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的金属离子源在第二视角下的整体结构示意图；
图3为图2中I I I-I I I的剖视图；
图4为图2中VI-VI的剖视图。
图标：10-金属离子源；100-内芯；200-阴极管；210-第一通孔；300-内屏蔽管；310-第一间隙；320-第二间隙；330-第二通孔；400-外屏蔽管；410-第三间隙；420-第三通孔；500-绝缘座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1：
请参照图1至图4，本实施例提供一种金属离子源10，其包括用作阳极的内芯100；用作阴极的阴极管200，阴极管200环设于内芯100外侧，阴极管200的侧壁上开设有宽度为5～10mm的至少一个第一通孔210；内屏蔽管300，内屏蔽管300设置于内芯100与阴极管200之间，内屏蔽管300内周壁与内芯100外周壁形成第一间隙310，内屏蔽管300外周壁与阴极管200内周壁形成第二间隙320，内屏蔽管300的侧壁上开设有至少一个第二通孔330；外屏蔽管400，外屏蔽管400环设于阴极管200外侧，外屏蔽管400内周壁与阴极管200外周壁形成第三间隙410，外屏蔽的侧壁上开设有至少一个第三通孔420；其中，第一通孔210、第二通孔330以及第三通孔420形状相同，尺寸相同，数量相同，且在轴向位置上一一对应，在周向位置上也一一对应；内屏蔽管300外周壁与阴极管200内周壁之间的距离为2～4mm，外屏蔽管400内周壁与阴极管200外周壁之间的距离为2～4mm。
在本实施例中，内屏蔽管300与阴极管200之间的第二间隙320的宽度为2～4mm，且设置内屏蔽管300可有效地避免阳极与阴极之间产生大面积的放电，防止温度过高烧毁放电装置。同时在内屏蔽管300上设置与阴极管200上的第一通孔210相对应的第二通孔330，便于将阳极和阴极之间的放电限制在阴极管200的第一通孔210内进行。
在本实施例中，外屏蔽管400内周壁与阴极管200之间的第三间隙410的宽度为2～4mm，且设置外屏蔽管400可防止阴极管200外表面产生爬弧现象，同时在外屏蔽管400上设置与阴极管200上的第一通孔210相对应的第三通孔420，便于金属离子喷射出来。
在本实施例中，第一通孔210、第二通孔330以及第三通孔420均设置为沿轴向方向延伸的长条形。将第一通孔210、第二通孔330以及第三通孔420设置为沿轴向方向延伸的长条形，以便增大溅射面积，提高溅射效率。需要说明的，这里并不对第一通孔210、第二通孔330以及第三通孔420的具体形状进行限定，可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，将第一通孔210、第二通孔330以及第三通孔420设置为其他形状。
具体地，在本实施例中，金属离子源10还包括用于支撑内芯100、内屏蔽管300、阴极管200以及外屏蔽管400的绝缘座500，绝缘座500分别设置于内芯100、内屏蔽管300、阴极管200以及外屏蔽管400相对的两端。
在本实施例中，绝缘座500采用耐高温的绝缘材料制成，具体地，在本实施例中，绝缘座500采用刚玉制成，刚玉具备有耐高温、绝缘以及良好的化学稳定性等特性，可有效地满足绝缘座500的使用需求。需要说明的，这里并不对绝缘座500的材料进行限定，可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，将绝缘座500采用其他材料制成。
具体地，在本实施例中，内芯100采用金属杆或者金属线制成。
具体地，在本实施例中，阴极管200采用预设金属制成。需要说明的，在本实施例中，预设金属为待溅射的金属。
需要说明的，本实施中的预设金属为待供给金属离子相对应的金属。
还需要说明的，在本实施例例中，并不对预设金属进行限定，可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，将预设金属采用合金制成。
具体地，采用本发明提供的金属离子源10在石英管内壁上沉积铁基涂层。在本实施例中，内芯100采用直径3mm、长2300mm的铁丝制成，内屏蔽管300是外径10mm、壁厚0.5mm、长1800mm的不锈钢管，内屏蔽管300上的第二通孔330设置在管壁中部沿轴向开设，宽为6mm、长为500mm；阴极管200采用内径为16mm、壁厚为4mm、长为1800mm的20钢钢管制成，阴极管200上的第一通孔210设置在管壁中部沿轴向开设，宽为6mm、长为500mm；外屏蔽管400采用内径为30mm、壁厚为2mm、长为1800mm的不锈钢管制成，外屏蔽管400上的第三通孔420设置在管壁中部沿轴向开设，宽为6mm、长为500mm。阳极、内屏蔽管300、阴极、外屏蔽管400两端用刚玉作为绝缘子支撑后，固定在内径40mm的石英玻璃管内。
具体地，在本实施例中，内芯100采用直径10mm、长3500mm的钨杆制成，内屏蔽管300是外径52mm、壁厚2mm、长3000mm的钨管，内屏蔽管300上的3个第二通孔330设置在管壁中部沿轴向开设，宽为10mm、长为2000mm，沿周向均匀布置；阴极管200采用内径为60mm、壁厚为8mm、长为3000mm的钨管制成，阴极管200上的3个第一通孔210设置在管壁中部沿轴向开设，宽为10mm、长为2000mm，沿周向均匀布置；外屏蔽管400采用内径为84mm、壁厚为3mm、长为3000mm的钨管制成，外屏蔽管400上的3个第三通孔420设置在管壁中部沿轴向开设，宽为10mm、长为2000mm，沿周向均匀布置。阳极、内屏蔽管300、阴极、外屏蔽管400两端用刚玉作为绝缘子支撑后，设置在内径120mm的钢管内。
需要说明的，这里并不对内芯100的尺寸进行限定，可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，将内芯100采用其他尺寸制成，需要说明的，这里并不对内芯100的材料进行限定，可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，将内芯100采用其他材料制成。
需要说明的，这里并不对内屏蔽管300的尺寸进行限定，可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，将内屏蔽管300采用其他尺寸制成，需要说明的，这里并不对内屏蔽管300的材料进行限定，可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，将内屏蔽管300采用其他材料制成。
需要说明的，这里并不对阴极管200的尺寸进行限定，可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，将阴极管200采用其他尺寸制成，需要说明的，这里并不对阴极管200的材料进行限定，可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，将阴极管200采用其他材料制成。
需要说明的，这里并不对外屏蔽管400的尺寸进行限定，可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，将外屏蔽管400采用其他尺寸制成，需要说明的，这里并不对外屏蔽管400的材料进行限定，可以理解的，在其他具体实施例中，也可以根据用户的需求，将外屏蔽管400采用其他材料制成。
本发明的实施例中提供的金属离子源10，利用空心阴极放电过程中阳离子对阴极的溅射作用，将阴极材料溅射出来形成金属离子。本发明采用阴极管200，在阴极管200的管壁上开有第一通孔210，空心阴极放电就在第一通孔210中进行。用作阳极的内芯100设置在阴极管200内部，便于在阳极与阴极之间产生由中心到边缘的径向电场，溅射产生的金属离子沿径向飞出，可以垂直入射到细长管零件的内表面上。本发明提供的金属离子源10，可以产生以下有益效果：当金属离子源10用于细长管内表面改性时，能够沿轴向均匀地供给金属离子；产生的金属离子垂直入射到零件的内表面，有利于提高膜基结合力；能调控放电区域，便于在设计要求的区域进行内表面改性，同时能避免大面积的放电，便于控制内孔零件的温度。
实施例2：
本实施例提供一种金属离子源10，其与第一实施例的金属离子源10大致相同，二者的区别在于本实施例的金属离子源10的第一通孔210、第二通孔330以及第三通孔420均设置为沿螺旋线展开，形成螺距相同的螺旋孔。
具体地，在本实施例中，采用金属钛作为离子源，将第一通孔210、第二通孔330以及第三通孔420均设置为沿右螺旋线展开的螺距都为150mm的螺旋孔，阴极管200用纯钛制造。
实施例3：
本实施例中提供了一种金属离子源10的使用方法，金属离子源10的使用方法基于上述的金属离子源10，包括：
将金属离子源10置于真空系统内，抽真空至10-3～10-2Pa后，充入溅射气体，使气压回升到200～500Pa；
在内芯100与阴极管200之间施加400～1200V的偏压，阴极管200上的第一通孔210产生空心阴极放电，使阴极管200的材料溅射出来形成金属离子。
在本实施例中，溅射气体为氩气以及氪气中一种或两种。当被溅射的金属原子量较大时，可以使用氪气、或氪气与氩气的混合气作为溅射气体，以提高溅射效率。
需要说明的，在本实施例中，溅射气体还可以为氩气与反应气体的混合气体，反应气体用于与溅射出来的金属离子发生反应，生成金属化合物。具体地，反应气体设置为氮气或氧气等。
具体地，采用本发明提供的金属离子源10的使用方法在石英管内壁上沉积铁基涂层。在本实施例中，用20钢钢管制作阴极管200，在石英管两端引出电极引线、接上真空系统和进气系统后，进行真空密封。抽真空至10-2Pa后，开始通入氩气，调节抽气阀和进气阀开度，使真空度保持在400Pa附近。接通电源，逐步升高电压至800V，经过一段时间的打弧后，逐渐减小进气阀和抽气阀的开度，减小气体流量，让空心阴极放电逐渐稳定下来，此时的气压为460Pa左右。维持空心阴极放电6小时，在石英管内壁形成铁基涂层。
具体地，在本实施例中，采用本发明提供的金属离子源10在钢管内壁上沉积钨基涂层。在本实施例中，用钨管制作阴极管200，在石英管两端引出电极引线、接上真空系统和进气系统后，进行真空密封。抽真空至7×10-3Pa后，开始通入氩气与氪气的混合气体，其中氪气与氩气的混合比为1:9，调节抽气阀和进气阀开度，使真空度保持在400Pa附近。接通电源，逐步升高电压至1000V，经过一段时间的打弧后，逐渐减小进气阀和抽气阀的开度，减小气体流量，让空心阴极放电逐渐稳定下来，此时的气压为350Pa左右。维持空心阴极放电10小时，在钢管内壁形成钨基涂层。
综上所述，本发明的实施例中提供的金属离子源的使用方法由于基于上述的金属离子源10，因此也具备有上述的有益效果。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种金属离子源，其特征在于，包括：
用作阳极的内芯；
用作阴极的阴极管，所述阴极管环设于所述内芯外侧，所述阴极管的侧壁上开设有宽度为5～10mm的至少一个第一通孔；
内屏蔽管，所述内屏蔽管设置于所述内芯与所述阴极管之间，所述内屏蔽管内周壁与所述内芯外周壁形成第一间隙，所述内屏蔽管外周壁与所述阴极管内周壁形成第二间隙，所述内屏蔽管的侧壁上开设有至少一个第二通孔；
外屏蔽管，所述外屏蔽管环设于所述阴极管外侧，所述外屏蔽管内周壁与所述阴极管外周壁形成第三间隙，所述外屏蔽的侧壁上开设有至少一个第三通孔；
其中，所述第一通孔、所述第二通孔以及所述第三通孔形状相同，尺寸相同，数量相同，且在轴向位置上一一对应，在周向位置上也一一对应；
其中，所述内屏蔽管外周壁与所述阴极管内周壁之间的距离为2～4mm，所述外屏蔽管内周壁与所述阴极管外周壁之间的距离为2～4mm。
2.根据权利要求1所述的金属离子源，其特征在于，
所述第一通孔、所述第二通孔以及所述第三通孔均设置为沿轴向延伸的长条形。
3.根据权利要求1所述的金属离子源，其特征在于，
所述第一通孔、所述第二通孔以及所述第三通孔均设置为沿螺旋线展开的，螺距相同的螺旋孔。
4.根据权利要求1所述的金属离子源，其特征在于，
所述金属离子源还包括用于支撑所述内芯、所述内屏蔽管、所述阴极管以及所述外屏蔽管的绝缘座，所述绝缘座分别设置于所述内芯、所述内屏蔽管、所述阴极管以及所述外屏蔽管相对的两端。
5.根据权利要求4所述的金属离子源，其特征在于，
所述绝缘座采用刚玉制成。
6.根据权利要求1所述的金属离子源，其特征在于，
所述内芯采用金属杆或者金属线制成。
7.根据权利要求1所述的金属离子源，其特征在于，
所述阴极管采用预设金属制成。
8.一种金属离子源的使用方法，所述金属离子源的使用方法基于上述权利要求1至7任意一项所述的金属离子源，其特征在于，包括：
将所述金属离子源置于真空系统内，抽真空至10-3～10-2Pa后，充入溅射气体，使气压回升到200～500Pa；
在所述内芯与所述阴极管之间施加400～1200V的偏压，所述阴极管上的所述第一通孔产生空心阴极放电，使所述阴极管的材料溅射出来形成金属离子。
9.根据权利要求8所述的金属离子源的使用方法，其特征在于，
所述溅射气体为氩气以及氪气中一种或两种。
10.根据权利要求8所述的金属离子源的使用方法，其特征在于，
所述溅射气体为氩气与反应气体的混合气体，所述反应气体用于与溅射出来的金属离子发生反应，生成金属化合物。
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