CN215481231U - 一种用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置，所述装置包括：带有靶材(3)的靶座(10)；用于支撑靶座的多根可伸缩支杆；控制靶座沿大长径比管材轴心方向移动的传动装置；用于大长径比管材两端密封的两个密封端，每个密封端设有两个石英窗口(8)；与一个密封端连接的抽真空系统；脉冲激光装置，用于从石英窗口射入激光至靶材表面。本实用新型提供的用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置利用可伸缩支杆和传动装置控制靶座沿大长径比管材轴心方向移动，解决现有技术中靶系统自重过大，移动位置偏离管材轴心导致镀膜效果不稳定的问题，并且通过在一个靶座上安装多种靶材或拼合靶材实现复杂多层复合膜层的制备。

Description

一种用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置

技术领域

本实用新型属于连续镀覆的专用设备技术领域，具体涉及一种用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置。

背景技术

大长径比金属管材被广泛应用于各行各业中，实际使用中，金属管材的使用寿命受化学腐蚀、热腐蚀、摩擦以及氧化等因素影响而大幅缩短。如何对金属管材内表面进行改性提高专用金属管内壁耐磨性、耐腐蚀性、耐热腐蚀性等属于本领域研究的热门课题，而在金属管材内壁镀膜是一种有效的改性方法。

使用电镀法在管材内壁镀膜时，需要使用有毒的化学试剂，且会产生大量的废液。此外，电镀法难以制备具有复杂结构的复合膜层。使用化学气相沉积法在管材内壁镀膜时，由于沉积所需温度一般高于1000℃，此温度高于大多金属材料的使用温度，容易对管材基体自身性能造成破坏。脉冲激光沉积具有沉积速率高、制备周期短、衬底温度要求低、制备的薄膜均匀等优点，展现了巨大优势，但现有脉冲激光沉积方法难以对较长管材内壁镀膜，因此需要开发一种用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置，采用该装置在大长径比管材内壁镀膜时具有无污染、灵活性强、可适用不同尺寸管材内壁镀膜的优点，且能制备具有复杂结构的复合膜层。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案是：

提供一种用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置，所述装置以大长径比管材为脉冲激光沉积腔体，包括：

带有靶材3的靶座10；

用于支撑靶座的多根可伸缩支杆；

控制靶座沿大长径比管材轴心方向移动的传动装置；

用于大长径比管材两端密封的两个密封端，每个密封端设有两个石英窗口8；

与一个密封端连接的抽真空系统；

脉冲激光装置，用于从石英窗口射入激光至靶材表面。

按上述方案，所述靶座上靶材面向石英窗口，并且靶面与靶座的夹角可通过角度调节杆11进行调节。通过调节靶面与靶座的夹角，可以改变羽辉方向。有多个靶材时，分别面向不同的石英窗口。

优选的是，所述靶面与靶座的夹角为10～80°。

按上述方案，所述靶座上靶材的数量为1～4个，脉冲激光装置数量与靶材数量相适。最多可设置4个脉冲激光装置，分别从4个石英窗口射入激光至4个靶材表面。可以根据目标涂层结构成分选择不同成分、结构的靶材，且靶材可为拼合靶材，用于制备具有复杂结构的复合膜层。

优选的是，所述靶座上安装有4个可伸缩支杆，可伸缩支杆一端固定在靶座上(具体位于靶座轴线两侧)，一端安装有可沿大长径比管材内壁移动的耐高温绝缘轮子15。靶座靠4个可伸缩支杆支撑，使靶座保持与大长径比管材同轴，并能沿大长径比管材轴线移动。可伸缩支杆长度可调节，使该装置能用于不同直径的管材镀膜。

按上述方案，所述传动装置包括安装在大长径比管材轴线上的传动带12，以及控制传动带沿大长径比管材轴线水平移动的传动电机14。

按上述方案，所述用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置还包括感应线圈。感应线圈安装于大长径比管材外周，用于对大长径比管材进行加热。

按上述方案，所述大长径比管材一侧密封端上设有进气口6。用于向大长径比管材内通入氮气、乙炔等反应气体。抽真空系统可用作出气口。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供的用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置利用可伸缩支杆和传动装置控制靶座沿大长径比管材轴心方向移动，解决现有技术中利用磁控溅射技术在管件内壁镀膜时，由于靶材配备的电源线路、冷却水管路以及磁体装置导致靶系统自重过大，移动位置偏离管材轴心导致镀膜效果不稳定的问题，并且通过在一个靶座上安装多种靶材或拼合靶材实现复杂多层复合膜层的制备，结构简单，可针对管件内壁需要提高的各项性能，对管件内壁膜层进行针对性设计，通过控制激光启闭、靶在管内的位置以及各靶材成分，可以制备单层、多层以及多元结构的膜层。

附图说明

图1为本实用新型实施例1用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置的正面结构示意图；

图2为实施例1用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置侧面结构示意图；

图3为实施例1制备的TiAlN涂层断面SEM图；

图中：1-真空系统转接头；2-大长径比管材；3-靶材；4-可伸缩支杆；5-脉冲激光；6-进气口；7-传动装置从动端；8-石英窗口；9-密封端；10-靶座；11-角度调节杆；12-传动带；13-真空系统接口；14-传动电机；15-耐高温绝缘轮子；16-传动带固定卡口。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型通过将大长径比管材作为腔体，并配置脉冲激光沉积装置，实现对管材内壁的膜层制备，且通过控制激光启闭、靶在管内的位置、各靶材成分以及羽辉方向，可以对膜层进行结构设计，能够制备具有复杂多层复合结构的涂层。

实施例1

本实用新型提供一种用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置，其正面结构示意图和侧面结构示意图如附图1和附图2所示，将内壁待镀膜的大长径比管材2作为脉冲激光沉积腔体，大长径比管材2两端通过法兰分别与真空系统转接头1和密封端9连接，密封端9上设有两个石英窗口8，真空系统转接头1上也设有两个石英窗口，此外还设置了真空系统接口13用于外接真空泵，通过真空泵抽取腔体内的气体，使腔体处于真空状态，从而满足镀膜要求。

靶材3设置于轻质的不锈钢靶座10上，靶座10上有四个靶材，靶座10连接在传动带12上，用于使靶材3在大长径比管材内轴向移动。

靶材3与大长径比管材2内壁的夹角可以通过角度调节杆11进行调节，用于改变羽辉方向，可以调节靶面与管材内壁夹角的范围为10～80°，用于制备不同显微结构的涂层材料。

四个可伸缩支杆4一端安装固定于靶座10两侧，另一端带有耐高温绝缘轮子15，四个可伸缩支杆可支撑靶座稳定沿着大长径比管材2轴向移动；

传动带12与靶座10通过靶座10上的传动带固定卡口16连接，通过传动电机14提供动力，靶座10可以在大长径比管材2内移动，使管材内壁能够均匀镀膜，所述传动电机14的主动轮和从动轮设于真空系统转接头1和密封端9中。

四个脉冲激光5可分别穿过四个石英窗口8作用于四个靶材3上，所述脉冲激光5可同时开启，也可以部分开启，所述靶材3可选择相同材料，也可以选择不同材料，通过控制激光启闭、靶材在管内的位置、各靶材成分以及羽辉方向，可以对膜层进行结构设计，能够制备具有复杂多层复合结构的涂层。

腔体内可以通过设于密封端9上的进气口6通入氮气、乙炔等反应气体，通过抽真空系统出气。

腔体外可以设置加热线圈等装置为大长径比管材2进行加热。

采用本实用新型脉冲激光沉积装置在合金钢管内壁制备TiAlN涂层，具体方法如下：

(1)将两块Ti靶安装在靶座上的3A、3B位置(见图1)，将两块TiAlN靶安装置靶座上的3C、3D位置，调节靶面与靶座夹角为70°，将靶座放入长为8米、内径为0.35米的合金钢管中，调节可伸缩支杆使靶座轴线与钢管轴线重合，靶座初始位置在钢管左端，钢管左右两端分别连接真空系统转接头和密封端，装配完成后，腔体为密封状态，开启真空泵，将腔体抽真空至8×10^-3Pa；

(2)开启5A和5B脉冲激光烧蚀3A、3B位置的Ti靶，同时，靶座通过传动装置从钢管左端向右端横向均速移动，当到达钢管右端，靶停止移动并关闭脉冲激光，Ti过渡层沉积完成；

(3)开启5C和5D脉冲激光烧蚀3C、3D位置的TiAlN靶，同时，靶座通过传动装置在钢管中往复匀速移动，往复移动5次后，靶座停止移动并关闭脉冲激光，沉积结束，即在合金钢管内壁获得TiAlN涂层。

本实施例制备的TiAlN涂层断面SEM见图3，从图中可知，涂层致密，界面结合良好。

以上具体实施方案仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本文中所公开的技术方案可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应未等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述装置以大长径比管材为脉冲激光沉积腔体，包括：

带有靶材(3)的靶座(10)；

用于支撑靶座的多根可伸缩支杆；

控制靶座沿大长径比管材轴心方向移动的传动装置；

用于大长径比管材两端密封的两个密封端，每个密封端设有两个石英窗口(8)；

与一个密封端连接的抽真空系统；

脉冲激光装置，用于从石英窗口射入激光至靶材表面。

2.根据权利要求1所述的用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述靶座上靶材面向石英窗口，并且靶面与靶座的夹角可通过角度调节杆(11)进行调节。

3.根据权利要求2所述的用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述靶面与靶座的夹角为10～80°。

4.根据权利要求1所述的用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述靶座上靶材的数量为1～4个，脉冲激光装置数量与靶材数量相适。

5.根据权利要求1所述的用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述靶座上安装有4个可伸缩支杆，可伸缩支杆一端固定在靶座上，一端安装有可沿大长径比管材内壁移动的耐高温绝缘轮子(15)。

6.根据权利要求1所述的用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述传动装置包括安装在大长径比管材轴线上的传动带(12)，以及控制传动带沿大长径比管材轴线水平移动的传动电机(14)。

7.根据权利要求1所述的用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置，其特征在于，包括感应线圈。

8.根据权利要求1所述的用于大长径比管材内壁镀膜的脉冲激光沉积装置，其特征在于，所述大长径比管材一侧密封端上设有进气口(6)。

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