CN1130214A - 盲孔的真空连续渗镀多元合金及化合物薄层的工艺及装置 - Google Patents

Abstract

一种盲孔的真空连续渗镀多元合金及化合物薄层工艺及装置，其中工艺包括将装置抽真空、向真空室充入氩气、通过点弧器引燃阴极电弧蒸发器，用该蒸发器靶材加热工件并加负压以作为蒸发源对孔和盲孔进行渗镀，所述靶材为可伸入工件盲孔中的360°管状或球状MCrALX的金属合金材料，在工作加热的同时，向工件渗镀的盲孔周壁上发射金属离子并施加磁场，使盲孔渗入MCrALX的渗透薄层；具有结构简单、操作方便以及很好实现多个盲孔工件渗透MCrALX处理。

Description

盲孔的真空连续渗镀多元合金及 化合物薄层工艺及装置

本发明涉及对金属工件渗入特定元素的加工处理方法及设备，更具体地说，关系到一种利用真空及发射弧光等离子体对金属工件的盲孔、深孔连续渗入合金元素及化合物等的工艺及装置。

目前，尽管离子渗入技术已普遍应用于零件的表面处理，以提高工件的抗高温氧化、腐蚀并优化工件表面的力学性能，但有关盲孔或深孔的连续渗镀合金元素或化合物还没有一种比较理想的解决方法和可适用的加工装备。举例来说，在中国专利申请号85，102057、由太原工业大学徐重提出的、题名为“等离子表面及技术”专利申请中，揭示了一种利用辉光放电热溅射源极提供金属离子流的双层和多层辉光离子渗金属的方法。在该专利申请文件中，介绍到用离子渗金属技术对某些零件渗入钽元素，得到不大于180μm的渗层，但是，文件中没有提供渗层到镀层连续递次变化的合金元素或化合物重量百分比含量的连续表面冶金合金薄膜。此外还由于这种渗镀技术在辉光放电时的电流密度小、溅射速率低，金属电离的几率小，所以其渗金属速率低，故无法对盲孔、深孔、例如口径与深度比小于1的孔的零件进行渗金属处理。

在另一中国专利申请号88100549A中，公开了一种“阴极电弧源离子渗金属技术及设备”的发明。这一发明利用低气压弧光等离子体对金属工件渗入特定元素以优化工件表面性能的工艺和设备，但由于在处理时使用低气压，造成离子束流对表面的气蚀、掺杂，引起低气压气流对渗层的污染，使其中杂质含量过大。同时这一发明专利使用平面靶阴极电弧源，对工件的面仍呈180°平面，所以对盲孔、深孔零件无法进行渗金属处理、且对钴等金属元素无法作为渗镀元素对金属件进行渗金属处理。

本发明的目的在于提供一种在渗金属过程中不产生污染的、而能产生高密度离子流的、可做360°立体离子流发射并可用于盲孔、深孔的多元合金或化合物渗层处理的真空连续渗镀各合金或化合物薄层的工艺和装置。

根据以上所提出的目的，本发明首先设计了一套可实现对盲孔真空连续渗镀多元合金及化合物薄层的工艺，该工艺包括如下工序：

将装置的真空室抽成真空；

向真空室充入氩气；

使阴极电弧蒸发器得到引燃；

靠设置在阴极电弧蒸发器前端的靶材对带孔的工件加热并通过负偏压电源使工件受到负偏压；以及，

以耙材作为蒸发源对深孔或盲孔进行渗镀；其中：所述阴极电弧蒸发源上的靶材为采用可伸入工件的盲孔中的360°管状或球面状MCrALX的金属合金材料件，所述阴极电弧蒸发器的引燃是用直流电压引弧电源的点弧器(图中未画出)而给予蒸发器一瞬间电势，在所述工件加热的同时，向工件上需渗镀的盲孔周壁发射金属离子流并施加磁场，使盲孔渗入MCrALX的渗镀薄层。

所述靶材MCrALX的组成为如下：

其中，M为Co、Ni或它们的混合物，

X为以Y、即镱为主的稀土元素混合物，

各组分的重量百分含量为：

Cr 11-32  wt％

AL 4-22.5 wt％

其次，针对以上渗镀多元合金或化合物薄层的工艺也提供了一种实施以上工艺的专用装置。该装置包括由壳体所遮固起来的真空室、支撑架、底盘、机械泵、分子泵、阴极夹具、负偏压电源、进气控制装置、弧源电源和阴极电弧蒸发器，其中，所述阴极电弧蒸发器为360°发射离子流的筒形或球形的蒸发源，它有一个或多个并沿轴线方向均布地安装在壳体上，所述蒸发源上的靶材是以MCrALX为代表的合金材料，在蒸发源和壳体之间接有可提供直流脉冲短路点弧的点弧器，在壳体外阴极电弧蒸发器的轴线方向设有一对激磁线圈，该线圈包括一围绕蒸发器外周面设置的第一激磁线圈和一彼此相对而位于壳体的另一侧上的第二激磁线圈。

由于本发明采用可以360°发射离子流的MCrALX阴极电弧蒸发源，所以在高真空的物理状态下、离化靶材、加热工件，同时对工件施加负偏压及由激磁线圈产生的磁场施加于蒸发源，从而产生高密度、大能量金属离子流，电子控制场，将工件加热到所需的温度，使MCrALX合金元素的金属离子渗入盲孔的金属表面，产生MCrALX的渗层。而且，可根据工件的情况或要求，在渗入MCrALX的合金组分的情况下，在渗层完成后作沉积屏障和/或再镀上一定厚度的薄膜镀层。

本发明的盲孔渗镀MCrALX的工艺和装置对于盲孔渗镀MCrALX合金元素具有溅射速度高、电流密度大、效果好、特别是所得到的合金薄膜晶体缺陷密度小，一般可小于10³/cm³。对其设备或装置而言，具有结构简单、操作方便、渗镀金属的组成成分易于控制、偏析小、又能同时对多个盲孔工件或其它形状的工件进行渗镀MCrALX处理，尤其可用于炮膛内表面的处理，从而提高工件的耐蚀性、耐氧化性、耐高温度蚀和抗水蚀性。

图1是本发明盲孔真空连续渗镀多元合金及化合物薄层装置的横向剖视示意图；

图2是一沿图1的“A—A”线所作的本发明装置的纵向剖视图。

本发明盲孔的连续渗镀MCrALX的合金元素的工艺包括以下步骤：

请参阅图1，利用机械泵4、分子泵5将装置的真空室6抽真空并使真空室达到2×10^-5×2×10²pa。

通过进气控制装置7向真空室充入氩气，而使真空室6内的工作气压保持在2×10^-5至2×10pa；

安装在阴极夹具15上的被处理工件8通过该夹具与负偏压电源16相连而对其施加负偏压，工件的负偏压一般选用-50～-1050V，在开始时给予-1000V左右，达到对工件8的表面离子刻蚀的作用，然后略下降至-400V左右；

在装置的外壳1(接地)和阴极电弧蒸发器9之间通过直流电压引弧电源(图中未画出)对所述蒸发器释放一瞬间电势，其电压在500～2500V，电流为3A至20A，将阴极电弧蒸发器9引燃。因此，使其以场致发射或热电子发射方式发射出高密度电子，此外，由于电弧蒸发器发射电子密度越高输送能量也越高，促使阴极电弧蒸发器9上的靶材10在筒体上发射电子密度也越大，达到放电电压值8V至60V，放电电流20A至1000A，并且在MCrALX靶材表面产生360°的环状电弧的斑点，并且环绕360°阴极材料，从而MCrALX靶材的各组成金属被迅速蒸发并电离，电离几率达95％，产生了密度很高的离子束流；

通过对工件相对两面施加负偏压作用以及使激磁线圈13、14接通直流电源使进一步对靶材电离的离子束流加以电子场控制，并使其磁场强度达到100高斯至800高斯。因工件与阴极斑点有-100～-400的压降，金属离子加速到达工件，而将工件8加热到750～1800℃，同时使MCrALX合金元素的金属离子更快、更迅速地渗入工件的盲孔的表面，产生MCrALX的渗层。在渗层完成后，可沉积屏障层，以及在屏障层之上沉积MCrALX的涂覆薄膜。

对这些层的尺寸而言，渗层厚度为30～150μm，屏障层为2～120μm，涂覆层在20～120μm。这样，经渗镀的工件表面具有力学性能好、工件表面抗高温氧化、高温腐蚀性能好，所以可综合地提供工件的工作使用性能。

在本工艺中所使用的靶材MCrALX的组成为：

Cr 11-32  wt％

AL 4-22.5 wt％

有关渗镀的各层加工情况，我们可以以DZ 22材料的盲孔为例加以说明。在装置中采用MCrALX的组成成分为：

Cr 29.8 wt％

AL 19   wt％

用以上工艺方法一步一步进行加工，在工件温度达到950°时，渗45分钟，工件表层渗入的MCrALX达120μm。此时渗层工艺切换到镀层工艺、工件温度200-950°，工件负偏压为-50～-800V，工作真空度在2×10^-2～2×10^-1pa。屏障层蒸发材料安装在单独使用的360°的阴极电弧蒸发器上，屏障层镀层结束后，工艺条件改换为MCrALX薄膜层镀层工艺条件，工件温度600°～1000℃，工件负偏压-50～-800V。工件温度600°～1000℃，工作负偏压-50～-800V。工作真空度2×10^-5～5×10^-1pa，MCrALX的膜厚为20μm～120μm，是等轴晶体，沉积镀层时的MGrALX蒸发靶材的金属密度离子达到了3～10mA/cm³，法向方向上的MCrALX成分偏析小于5％。

由于360°阴极电弧蒸发源产生场致发射和热电子发射的共同机制，同时它又处于直接水冷状态，渗镀MCrALX靶材制成的蒸发源靶材表面不会形成熔池，可一直保持固体状态，因而，可以在真空室内的不同位置上安装多个蒸发源(器)，同时对一个或多个盲孔工件的内外表面进行渗镀MCrALX。

本发明的靶材在组成成分或形式上可以通过冶炼做成上述MCrALX合金材料的一个金属合金靶材，也可以分别制成M、Cr、AL、X的单一长杆状金属靶材，分别安装在多个电弧蒸发源的蒸发器上、易于制成MCrALX的各种设计成分的薄膜组分，得到在MCrALX某种合金成分上不能冶炼成整体MCrALX合金而仅能沉积成薄膜的某种MCrALX成分，例用此法制备某些组分的FeCoCrAlY薄膜，因此此种组分的FeCoCrAlY材料不易制成整体的。

本发明的盲孔真空连续渗镀多元合金及化合物装置包括一长筒形壳体1，若干支承壳体的支撑架、一底盘3、一机械泵4、一分子泵5、真空室6以及一可与真空室连通并可测量真空室的真空度和控制地向真空室输入氩气的进气控制装置7，一用于安装被处理工件8的阴极夹具15、一位于壳体1外，其正负接线端各自与阴极夹具15和壳体1相连的负偏压电源16，一个或多个阴极电弧蒸发器9，一位于壳体1外，其正负接线端各自与蒸发器9和壳体1相连的点弧器(未画出)或称作为直流电压引弧电源和一对激磁线13—14，所述激磁线圈包括一位于壳体一侧并围绕蒸发器外周面设置的第一激磁线圈和一与第一激磁线圈相相对而位于壳体另一侧上的第二激磁线圈。在该装置中，所述阴极电弧蒸发器9由一筒形(360°)的阴极电弧部本身、一位于电弧部分面的弧源电源11和一位于电弧部前面的靶材10组成。

此外，在所述壳体1和蒸发器9的交接部设有绝缘密封件12。为此所述蒸发器9通过安装在其周围的绝缘密封件12也使其与壳体1一起达到对装置内部的密封作用，并且使蒸发器9的前部耙材10从壳体沿径向方向延伸并使其具有360°的发射离子的表面。为此，只要把蒸发器的前部插入工件8的盲孔中就可进行渗镀合金元素等工作。

在另一方面，为了安全起见；通常壳体1本身接地和在壳体1外周壁上还可开观察窗例如图1中所示的密封型玻璃观察窗17。

现以几个实例说明本发明盲孔连续渗镀多元合金工艺的操作：

1，火炮内膛的MCrAlX处理工艺：

将膛杆置入真空室6中，在火炮炮杆温度达到950℃时，渗45分钟。工艺表面渗入的CoNi₄₁Cr_20.5Al_9.5Y₁Ta₃Nb_2.5Hf_0.5靶材合金达25pm。此后，渗层工艺切换到镀层工艺，工件温度400℃，工作负偏压为-150V，工作真空度在2×10^-2pa，屏障层蒸发材料(Ti)安装在单独使用的360°的阴极电弧蒸发器上，屏障层成分Ti的氮化物或碳化物，为TiN或TiC，屏障层镀层结束后，工艺条件切换为CoNi₄₁Cr_20.5Al_9.5Y₁Ta₃Nb_2.5Hf_0.5薄膜层镀层工艺条件。工件温度800℃，工件负偏压-150V，工作真空度2×10^-2pa，膜厚为60μm，且呈等轴晶体，沉积镀层的MCrALX蒸发靶材的金属密度达到7mA/cm³，成分偏析小于5％。在处理过程中，真空室内放置3个360°的蒸发器，其材料分别为CoNi₂₁Cr_20.5Al_9.5Y₁Ta₃Nb_2.5Hf_0.5，Ti和CoNi₄₁Cr_20.5Al_9.5Y₁Ta₃Nb_2.5Hf_0.5等三个。

2.燃气机叶片的MGrALX处理工艺：

将叶片置入真空室中，在此工件温度达到950℃时，渗入处理45分钟，工作表层渗入的NiCo₃Cr_29.8AL₁₉Y_0.2Hf₁Ta₅达到30pm，此时真空度为2×10^-2pa，工作的负偏压-150V。然后，渗层工艺切换到镀层工艺。此时，工作温度为400℃，工作负偏压为150V，工作真空度为5×10^-1pa。屏障层蒸发材料(Ti)安装在单独使用的360°的阴极电弧蒸发器上，而所得到的屏障层成分为TiN。在屏障镀层结束后，工艺条件切换为NiCo₃Cr_29.8Al₁₉Y_0.2Hf₁Nb₄Ta₅薄膜层镀层工艺条件。此时工件温度达到750℃，工作负偏压-150V，工作真空度2×10^-2pa，膜层为120μm且呈粒状晶，沉积镀层的MGrALX蒸发靶材的金属密度达到10mA/cm³，成分偏析小于3％。在处理过程中，真空室内放置3个360°的蒸发器，其材料分别为：NiCo₃Cr_29.8Al₁₉Y_0.2Hf₁Nb₄Ta₅，Ti和NiCo₃Cr_29.8Al₁₉Y_0.2Hf₁Nb₄Ta₅。

3.机械零件的耐蚀处理：

将盲孔零件置入真空管中，盲孔零件为钢制品，在工件温度达到600℃时，渗入处理120分钟，而使该工件表面渗入的CoG₂₀Al_12.5Y_0.5达到25pm。此时，所采用的真空度为2×10^-2pa，工作负偏压-150V。渗入工艺后切换到镀层工艺，所需工件温度为400℃，工件所受负偏压-100V，工作真空度在2×10^-2pa。这里使用的屏障层蒸发材料与涂层材料相同，得到膜厚为80μm，且呈柱状晶。沉积镀层所用的MCrALX蒸发靶材的金属密度可达到9mA/cm³，成分偏析则小于5％。在此处理过程中，真空室内可放置1个或多个360°的蒸发器，其材料为CoCr₂₀Al_12.5Y_0.5。

Claims (12)

1.一种盲孔的真空连续渗镀多元合金及化合物薄层工艺包括如下工序：

将装置的真空室抽成真空；

向真空室充入氩气；

使阴极电弧蒸发器得到引燃；

靠设置在阴极电弧蒸发器前端的靶材对带孔的工件加热，并通过负偏压电源对工件施加负偏压；

以靶材作为蒸发源对深孔或盲孔进行渗镀；

其特征在于，所述阴极电弧蒸发源上的靶材为采用可伸入工件的盲孔中的360°管状或球面状MCrALX的金属合金材件，所述阴极电弧蒸发器的引燃是用直流电压引弧电源的点弧器而给予蒸发器一瞬间电势而实现的，在所述工件加热的同时，向工件的盲孔周壁发射金属离子流并对离子流施加磁场，使盲孔渗加MCrALX形成的渗镀层，即MCrALX的渗层、金属化合物，例如氮化钛或碳化物的屏障层以及MCrALX的镀层。

所述靶材料MCrALX的组成为如下，其中，M为Co，Ni或它们的混合物；X为以Y为主和稀土元素混合物，各组成的重量百分含量为：

Cr 11—32  wt％

AL 4—22.5 wt％

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，对所述真空室抽真空的真空度为2×10^-5～2×10²pa。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，在真空室充入氩气时，工作气压保持在2×10^-5至2×10pa。

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述对工件施加负偏压一般在—50～—1050V，一般在开始时给予负偏压约—1000V，然后，略下降至约—400V。

5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述通过直流电压引弧电源对所述蒸发器释放的瞬间电势为500～2500V，电流为3～20A。

6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述向工件上的盲孔周壁发射金属离子流的电压值分8～60V，放电电流为20～1000A。

7.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括将工件的相对两侧的激磁线圈接通电流电源，进一步对靶材料电离的离子束流加以控制，其磁场强度为100高斯至800高斯。

8.根据权利要求1至7中的任何一项所述的工艺，其特征在于，在渗层加工时所述的工件加热温度为750～1800℃，在屏障层加工时工件加热温度350°～1200℃，在镀层加工时，工件加热温度在300～1000℃。

9.根据权利要求8所述的工艺，其特征在于，所述工件的渗镀薄层包括渗层、屏障层、涂覆层，它们的厚度分别为30～150μm、2～20μm和20～120μm。

10.一种盲孔的真空连续渗镀多元合金及化合物工艺用的装置，包括由壳体所遮围起来的真空室、支撑架、底盘、机械泵、分子泵、阴极夹具、负偏压电源、进气控制装置、靶材、弧源电源和阴极电弧蒸发器，其特征在于，所述阴极电弧蒸发器为360°发射离子流的筒形或球形的蒸发源，该蒸发源可沿装置的轴线方向设置一个或多个，所述蒸发源上的靶材是以MCrALX为代表的合金材料，在蒸发源和壳体之间接有可提供直流脉冲短路点弧的点弧器，在壳体外阴极电弧蒸发器的轴线方向设有一对激磁线圈；

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述激磁线圈包括一位于壳体一侧并围绕蒸发器外周面设置的第一激磁线圈和一与第一线圈相对而位于壳体的另一侧上的第二激磁线圈。

12.根据权利要求10的所述的装置，其特征在于所在所述壳体和蒸发器交接部位设有绝缘密封件。

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