CN215925059U - 一种用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置，所述装置以大长径比金属管材(4)为磁控溅射腔体，包括：一个或多个空心圆柱状靶(12)；用于支撑空心圆柱状靶的多根可伸缩支杆；控制空心圆柱状靶沿大长径比金属管材轴心方向移动的传动装置；用于大长径比金属管材两端密封的两个密封端；与一个密封端连接的抽真空系统(17)；与空心圆柱状靶通过电线连接的磁控溅射电源(10)。本实用新型提供的用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置能够控制靶沿大长径比金属管材轴心方向移动，解决现有技术中靶系统自重过大，移动轨道偏离管材轴心导致镀膜效果不稳定的问题，并且通过在安装多个靶实现复杂多层复合膜层的制备。

Description

一种用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置

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金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置。

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。磁控溅射具有沉积速度快、基材温升低、对膜的损伤小等优点，展现了巨大优势，但现有磁控溅射方法要么采用与管材长度相当的柱状靶结构，或者是在管材轴线上架设供靶移动的导轨，这两种方案在面对长度过大的管材时，都会遇到自身重量过大导致靶或导轨弯曲难以在管材内壁镀膜的情况发生，因此需要开发一种用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置。

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金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置，采用该装置在大长径比金属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金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置，所述装置以大长径比金属管材4为磁控溅射腔体，包括：

一个或多个空心圆柱状靶12；

用于支撑空心圆柱状靶的多根可伸缩支杆；

控制空心圆柱状靶沿大长径比金属管材轴心方向移动的传动装置；

用于大长径比金属管材两端密封的两个密封端；

与一个密封端连接的抽真空系统17；

与空心圆柱状靶通过电线连接的磁控溅射电源10。

按上述方案，所述空心圆柱状靶12由内到外分别为磁体9(提供磁场)、铜背板2(用于传热、导电和固定)以及靶材3，铜背板内曲面设置有电源线接口(通过电线与电源连接，电流通过铜最终作用于靶材上)和冷却水进出水管。磁体、铜背板以及靶材套设在一起，可调节各部分直径和厚度从而调节靶面到大长径比金属管材内壁的距离。除外曲面(靶面)区域，靶结构表面套有不锈钢防护罩。空心圆柱状靶的数量根据需要溅射的膜层成分而定。

按上述方案，所述可伸缩支杆8一端与空心圆柱状靶12内壁固定，一端安装有可沿大长径比金属管材4内壁移动的耐高温绝缘轮子1。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。

优选的是，每个空心圆柱状靶上安装有4个可伸缩支杆。空心圆柱状靶靠4个可伸缩支杆支撑，使空心圆柱状靶保持与大长径比金属管材同轴，并能沿大长径比金属管材轴线移动。

按上述方案，所述传动装置包括安装在大长径比金属管材轴线上的传动带，以及控制传动带沿大长径比金属管材轴线水平移动的传动电机。水管和电线可沿传动带布设。

按上述方案，大长径比金属管材一侧密封端设有进气口16。用于向大长径比金属管材内通入氩气、氮气、乙炔等反应气体。抽真空系统可用于出气。

按上述方案，所述用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置还包括感应线圈。感应线圈安装于大长径比金属管材外周，用于对大长径比金属管材进行加热。

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金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置利用可伸缩支杆和传动装置控制靶沿大长径比金属管材轴心方向移动，解决现有技术中利用磁控溅射沉积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，移动轨道偏离管材轴心导致镀膜效果不稳定的问题，并且通过在安装多个靶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，通过控制电源开关、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中空心圆柱状靶的结构示意图；

图2为实施例1用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置结构示意图；

图3为实施例1所制备的CrN/TaN复合多层涂层断面SEM图；

图中：1-耐高温绝缘轮子；2-铜背板；3-靶材；4-大长径比金属管材；5-冷却水进水管；6-传动带；7-冷却水出水管；8-可伸缩支杆；9-磁体；10-磁控溅射电源；11-真空系统转接头；12-靶；13-水管、电线、传动带区域；14-电源端转接头；15-传动电机和磁控电源区域；16-进气口；17-抽真空系统；18-传动装置从动端。

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。

实施例1

本实用新型提供一种用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置(结构示意图如图2所示)，解决利用磁控溅射技术在较长管材内壁镀膜时，由于靶材或固定靶的导轨需与管材长度保持一致，其结构自重大幅上升造成导轨弯曲变形的问题。该磁控溅射装置以大长径比金属管材4为磁控溅射腔体，靶由4根可伸缩支杆支撑，并且靶座固定安装在传动带上，可根据目标膜层成分设置多个靶(如12a，12b，12c)，由电机带动传动带从而使靶座沿大长径比金属管材轴线移动，传动装置从动端18设置在大长径比金属管材4左侧。大长径比金属管材4两端密封，一端通过真空系统转接头11连接抽真空系统17，一端通过电源端转接头14连接传动电机和磁控电源区域15，大长径比金属管材4一端密封端还设置有进气口16与进气系统连接。

本实用新型靶主体部分为空心圆柱状结构，结构示意图如图1所示，内层为磁体9，中间层为铜背板2，外层为靶材3，靶材3通过螺钉固定于导热无磁的铜背板2上，该空心圆柱状靶除外曲面(靶面)区域，其余表面安装有不锈钢防护罩(示意图中未画出)，靶内曲面配有磁控溅射电源10、冷却水进水管6和冷却水出水管7。空心圆柱状靶连接着四个可伸缩支杆8来支撑靶，并且空心圆柱状靶与传动带6连接，外接电机，使空心圆柱状靶在管材内横向移动轨迹与管材轴线重合，可伸缩支杆另一端装有耐高温绝缘轮子1，使该靶在任何长度下的管材内都能延管材轴线移动。水管和电线沿传动带布设，见图2中水管、电线、传动带区域13。

本实用新型采用可伸缩支杆固定支撑靶有效解决了靶自重过大移动轨道偏离轴线的问题，可以灵活用于不同长度、直径的管材内壁镀膜，且靶与管材相互独立，拆卸方便，能同时安装多套空心圆柱状靶用于复杂复合膜层的制备。

采用本实用新型磁控溅射装置在合金钢管内壁制备CrN/TaN复合多层涂层，具体方法如下：

(1)长度为10米、内径为0.4米的合金钢管两端分别与真空系统转接头11和电源端转接头14与连接，装有Cr靶的靶1与装有Ta靶的靶2的初始位置分别位于真空系统转接头11与电源端转接头14中，调节可伸缩支杆长度使靶的轴线与管材轴线重合，Cr和Ta的靶面与管件内壁距离分别为12和10cm，将抽真空系统、进气系统、靶材传动装置、冷却系统等与管件另一端连接，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)通入氩气，开启Cr靶与Ta靶电源，靶材在转接头中进行预溅射，清洗靶材表面杂质，溅射时间为5分钟；

(3)保持Cr靶工作，关闭Ta靶，Cr靶由真空系统转接头11向电源端转接头14移动，在合金钢管内壁沉积Cr过渡层；

(4)通入氮气，Cr靶由电源端转接头14向真空系统转接头11移动，沉积CrN层；

(5)关闭Cr靶，开启Ta靶，Ta靶由电源端转接头14向真空系统转接头11移动，沉积TaN层；

(6)通过控制Cr靶与Ta靶启闭与移动，在合金钢管内壁重复沉积CrN层和TaN层；

(7)沉积结束，关闭Cr靶与Ta靶电源、关闭氩气和氮气，即在合金钢管内壁获得CrN/TaN复合多层涂层。

本实施例制备的CrN/TaN复合多层涂层断面SEM见图3，从图中可知，涂层为层状结构，涂层致密，界面结合良好。

对所公开的上述实施例说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本实用新型。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 (7)

1.一种用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置，其特征在于，所述装置以大长径比金属管材(4)为磁控溅射腔体，包括：

一个或多个空心圆柱状靶(12)；

用于支撑空心圆柱状靶的多根可伸缩支杆；

控制空心圆柱状靶沿大长径比金属管材轴心方向移动的传动装置；

用于大长径比金属管材两端密封的两个密封端；

与一个密封端连接的抽真空系统(17)；

与空心圆柱状靶通过电线连接的磁控溅射电源(10)。

2.根据权利要求1所述的用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置，其特征在于，所述空心圆柱状靶(12)由内到外分别为磁体(9)、铜背板(2)以及靶材(3)，铜背板内曲面设置有电源线接口和冷却水进出水管。

3.根据权利要求1所述的用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置，其特征在于，所述可伸缩支杆(8)一端与空心圆柱状靶(12)内壁固定，一端安装有可沿大长径比金属管材(4)内壁移动的耐高温绝缘轮子(1)。

4.根据权利要求1所述的用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置，其特征在于，每个空心圆柱状靶上安装有4个可伸缩支杆。

5.根据权利要求1所述的用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置，其特征在于，所述传动装置包括安装在大长径比金属管材轴线上的传动带，以及控制传动带沿大长径比金属管材轴线水平移动的传动电机。

6.根据权利要求1所述的用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置，其特征在于，大长径比金属管材一侧密封端设有进气口(16)。

7.根据权利要求1所述的用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置，其特征在于，所述用于大长径比金属管材内壁镀膜的磁控溅射装置还包括感应线圈。

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