专利名称：电弧离子镀膜装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于材料表面改性领域，涉及一种用于长管内壁镀膜的磁场和电场增 强的电弧离子镀膜装置。
技术背景在工业应用中有大量金属工件的内表面需要改性处理，特别是对于管件，例如油 田上的抽油泵泵筒、输油管道、化工管道、汽车汽缸套，以及军事领域，特别是海军舰艇上配 置的舰炮炮管以及鱼雷发射管等在恶劣环境下工作的内壁亟待强化处理的管状零部件，普 通处理方法无法满足其表面强化要求。这些工件常因内壁磨损、腐蚀、氧化而发生早期失 效，因此开发具有抗磨损、抗腐蚀、抗氧化的表面改性技术及工艺，是目前表面改性领域急 需解决的难题。相比于工件的外表面而言，管状工件内壁改性处理主要存在以下几个技术难题 一是受到内腔形状和尺寸的限制，一些处理方法很难实施，或者是即使能实施也很难得到 良好的改性效果，尤其是对于一些细长的管件更是如此。二是受到内腔形状和尺寸的限制， 一些处理介质很难进入管腔内部，或者是即使进入也难以保证改性层的均勻性。三是受到 内腔形状和尺寸的限制，改性层与管壁的结合强度不高，限制了其使役性能的发挥。对于金属管内壁改性，最早人们提出用电镀和化学镀进行处理。但是化学镀由于 常常使用有害化学药品，对环境有害，且镀层致密性较差；电镀尽管减少使用有害的化学药 品，且镀层致密性优于化学镀，但是仍存在使用过程中结合较差而易剥落的问题。以色列公布了一项采用化学气相沉积在管内壁沉积涂层的方法(4764398) (Method of depositing coatings on the inner surface of a tube by chemical vapor d印osition)，并获得美国专利，但其主要用于沉积太阳能吸收涂层。德国莱茵金属公司的一项爆炸喷涂制备深管涂层工艺技术获得美国专利 (6183820)(Method of internally coating a metal tube by explosive evaporation of the coating substance)。其核心思想是利用炸药爆炸时产生的高压火药气体将熔点高、 耐烧蚀的金属“冷焊接”在身管内膛表面上。但该技术对管内壁涂层的均勻性还有待解决。德国Christian发明的利用激光熔覆技术在火炮身管内膛制备涂层的方法 (Method of internally coating a weapon barrel by means of a laser beam)，获得 了美国专利(us 6548125B2)，其基本原理是利用激光照射已涂敷在身管内膛上的铌、钼或 钽等高熔点金属，使涂敷金属和身管基体金属熔化并融合在一起，从而增强炮膛耐烧蚀能 力"激光加工头在炮膛内可轴向移动，满足炮膛全长度或部分所需部段上耐烧蚀涂层的制 备。但该技术对管内壁涂层的均勻性还有待解决，且当管腔尺寸较小或有弯曲形状时激光 束无法完成照射而使得此方法无法实施。近年来提出了等离子体浸没离子注入表面改性方法。其基本原理是管筒放在 真空室内，真空室内产生等离子体，等离子体通过扩散进入到管筒内，然后在管上施加负 偏压，这样离子就被加速注入工件表面。由于管内等离子体是靠扩散进入的，密度梯度(密度不均勻性)是必然的。后来有人提出了内部射频等离子体源的方法，如美国专利 5693376公开了筒型表面等离子体离子注入与沉积方法(Method for plasma source ion implantation and deposition for cylindrical surfaces),禾丨J用中心电极華禹合身寸步页功 率来获得管内部的等离子体，同时被处理的管上施加负偏压进行离子注入或沉积。由于 在管上施加负偏压时管内部没有嵌位的地电极，离子的注入能量不可能很高。为此中国专 利ZL01115523. X公开了一种新的结构(一种管状工件内表面改性的方法)，在管筒内部 中心加入一个射频天线，外套网状金属地电极。注入高压施加在网状地电极和管筒工件之 间。等离子体在中心射频电极和地电极间产生，等离子体扩散出来，被负高压吸引获得管筒 内壁的离子注入效应，从而有效实现离子注入。但该专利由于在管内部加入了中心射频电 极和地电极，使得处理的管筒直径不可能较小。为进一步改进等离子的均勻性，中国专利 200910071869. 4公开了一种新的方法(电感耦合等离子体管筒内表面离子注入改性装置 及方法)，通过在管筒内设置螺线管，使其产生轴向均勻的等离子体，同时螺线管起到地电 极钳制电位的作用，从而实现对直径更细的管筒内进行离子注入处理。但该专利由于在管 内部设置螺线管，仍限制了对管径较小的管壁进行处理。尽管等离子体浸没离子注入在一定程度上解决了管内壁改性处理的技术难题，使 得改性质量得到了很大改善，但仍存在一些问题有待解决。主要是离子注入层较浅，目前能 注入的元素仅限于N元素，且表面强化效果有限(主要是注入层的硬度较低)，仍不能满足 日益苛刻的应用需求。作为材料表面改性领域的离子镀膜技术，在上世纪80年代在工具、模具及金属零 件表面成功沉积TiN等硬质薄膜，极大提高了这些部件的性能和使用寿命，并在工业生产 中发挥越来越重要的作用。尤其是电弧离子镀技术(又称为多弧离子镀技术)，由于具有离 化率高(目前是离化率最高的真空镀膜技术，可达70 80% )、沉积速率快、绕镀性好、膜 基结合强度高等优点，广泛应用于工模具表面改性。而这一技术主要应用在工具、模具及金 属零件的外表面，而对于金属管件内壁的镀膜处理，则是目前急需开发解决的技术难题。管状工件内壁镀膜的困难在于等离子体在向长管内部扩散过程中，由于等离子体 流的发散很容易在距离管口附件的位置沉积成膜，随着等离子体在成膜过程中的不断消 耗，等离子体密度将随管子深度不断下降，因此越往深处则成膜越困难。一般来讲，即使采 用离化率最高的电弧离子镀技术，也只能得到与管孔直径一样的镀膜深度，即得到1 1的 镀膜深径比。最近有研究(石昌仑，张敏，林国强.脉冲负偏压对电弧离子镀深管内壁沉积 TiN薄膜的影响.真空科学与技术学报，2007，27 (6) :517_521)表明，在电弧离子镀过程中 采用脉冲负偏压，可以使镀膜深度达到管径的1.4倍，即得到1.4 1的镀膜深径比。但仅 使用脉冲负偏压仍无法达到更深的深度，无法解决那些长管深度与直径比大于1. 4的大多 数管状零部件内壁的性能和使用寿命等问题。最近也有中国专利(200910303933.7)公开 了一种深孔内壁电弧离子镀膜方法，主要是采用在管状工件周围放置永久磁铁的方法形成 不均勻磁场，使得等离子体流定向流动得到增强，从而实现长管深径比2.0以上的深孔内 壁镀膜，以提高其抗磨损、抗腐蚀等性能和使用寿命的目的。但是仅使用永久磁铁存在的问 题有二 一是使得等离子体束流周围的磁感应强度不能针对各种尺寸的长管内壁实现实时 调整，参数可控性差；二是永久磁铁产生的不均勻磁场造成对等离子体流扩散到不同位置 时的约束能力相差较大，造成内壁镀膜均勻性差；三是对于长管深径比2. 5以上时镀膜仍面临很大困难。 实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种用于长管内壁镀膜的磁场和电场增强的电弧离 子镀膜装置，解决电弧离子镀在长管内壁镀膜等问题。本实用新型的技术方案是一种电弧离子镀膜装置，该电弧离子镀膜装置设有真空室、工件磁场线圈支撑圆 筒I、工件磁场线圈、工件辅助电极、等离子体束流I、等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒I、 等离子体聚焦磁场线圈I、阴极靶I、阴极靶电源、脉冲偏压电源和工件台，具体结构如 下真空室内设置工件、工件磁场线圈支撑圆筒I、工件磁场线圈、工件辅助电极和工 件台，工件磁场线圈设置于工件磁场线圈支撑圆筒I的外侧，工件磁场线圈和工件磁场线 圈支撑圆筒I设置于工件台上，工件辅助电极的一端伸至工件的工件内孔中，电极的另一 端通过导线连至脉冲偏压电源的正极，工件台通过导线连至脉冲偏压电源的负极；真空室的一侧设置等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒I、等离子体聚焦磁场线圈 I、阴极靶I，等离子体聚焦磁场线圈I设置于等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒I的外侧， 阴极靶I的一端伸至等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒I中，阴极靶电源的正极连接真空室 的外壳，阴极靶电源的负极连接阴极靶I。所述的电弧离子镀膜装置，还包括阴极靶II、等离子体聚焦磁场线圈II、等离子体 聚焦磁场线圈支撑圆筒II，真空室的另一侧设置阴极靶II、等离子体聚焦磁场线圈II、等离 子体聚焦磁场线圈支撑圆筒II，等离子体聚焦磁场线圈II设置于等离子体聚焦磁场线圈支 撑圆筒II的外侧，阴极靶II的一端伸至等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒II中。所述的电弧离子镀膜装置，工件磁场线圈的磁场采用均勻磁场或梯度磁场。所述的电弧离子镀膜装置，阴极靶I与阴极靶II共用阴极靶电源。本实用新型的核心思想是为了有效改善等离子体的利用效率，在等离子体束流从阴极靶材表面喷射出来 后，即采用磁场与等离子体的交互作用，对等离子体束流进行聚焦，以减少等离子体在传输 过程中的损失程度；而且在等离子束流进入管腔内时也采用磁场对等离子体束流进行引 导，防止等离子体过早沉积到近管口的内壁表面；同时为了保证等离子体进入管腔内壁均 勻沉积，采用梯度磁场对等离子体进行控制，在近管口处使磁感应强度较大，以保证等离子 体束流能扩散到管腔深处，随着与管口距离增加，磁感应强度逐渐减小，从而在很大程度上 保证管腔内壁沉积的均勻性。此外，为了加强离子与内壁的良好结合，在管腔内部设置脉冲 电场，在管壁施加脉冲负偏压对正离子进行加速。同时，脉冲电场的频率选择则要考虑到等 离子体扩散速率(约104m/s)，既要保证等离子体能扩散到管腔内部，又能保证负偏压电场 对离子的加速，以保证薄膜与管内壁的良好结合。本实用新型的有益效果是1、本实用新型采用磁场对等离子体束流的传输和在工件内腔内扩散进行聚焦和 约束，在很大程度上保证了等离子体束流的利用效率。2、本实用新型采用电磁线圈产生的电磁场来约束等离子体，通过调整电磁线圈的
5电流大小来调整磁感应强度，参数可调方便，使得电磁场对等离子体束流的聚焦和约束变 得容易控制。3、本实用新型采用磁感应强度梯度变化的梯度磁场施加在工件外面，可在工件内 部产生梯度磁场，在很大程度上保证了等离子体束流在工件内腔的扩散，使得内壁表面镀 膜均勻性大大提高。4、本实用新型解决了电弧离子镀在长管内壁镀膜的技术难题，与常规的镀膜工艺 相比，镀膜深度可从1倍于管孔直径提高到2. 5倍以上，即镀膜深径比达到2. 5以上；采用 磁场和电场与等离子体交互作用，有效提高了在管状工件内壁镀膜的均勻性和沉积质量， 尤其适用于以内壁作为服役表面的管状工件的离子镀膜表面改性，有效提高其使用寿命。
图1是本实用新型的采用均勻磁场和电场增强的电弧离子镀沉积装置及管状工 件相对位置摆放示意图，其中管状工件为盲孔结构。图2是本实用新型的采用梯度磁场和电场增强的电弧离子镀沉积装置示意图，其 中管状工件为盲孔结构，在工件外围设置梯度磁场，梯度磁场由若干个电磁线圈组成，磁感 应强度分别调整，且其大小沿着等离子体束流方向逐渐减小。图3是本实用新型的采用均勻磁场和电场增强的电弧离子镀沉积装置及管状工 件相对位置摆放示意图，其中管状工件为通孔结构。图4是本实用新型的采用梯度磁场和电场增强的电弧离子镀沉积装置示意图，其 中管状工件为通孔结构，在工件外围设置梯度磁场，梯度磁场由若干个电磁线圈组成，磁感 应强度分别调整，且其大小沿着等离子体束流方向逐渐减小。图中，1真空室；2工件磁场线圈支撑圆筒I ；3工件磁场线圈；4工件(模具)；5 工件内孔；6工件辅助电极；7等离子体束流I ；8等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒I ；9等 离子体聚焦磁场线圈I ；10阴极靶I ；11阴极靶电源(阴极靶I与阴极靶II共用)；12脉 冲偏压电源；13工件台；14阴极靶II ；15等离子体聚焦磁场线圈II ；16等离子体聚焦磁场 线圈支撑圆筒II ；17等离子体束流II。
具体实施方式
本实用新型是通过在电弧离子镀过程中采用磁场约束和控制等离子体束流运动 轨迹，利用电场对等离子体实现加速定向流动，以及增强管孔内壁表面的等离子鞘层加速 等离子体在管内的扩散，从而实现等离子体在管内壁沉积薄膜的目的。本实用新型采用金属纯钛靶，将具有管状结构的工件清洗干燥后放入电弧离子镀 沉积装置的真空室中，抽真空至真空室内真空度达到5X10_3Pa IX 10_2Pa时，通氩气、气 压控制在0. 5 IPa之间，调节聚束磁场线圈电流为0. 5 10A，磁感应强度范围为20 2000高斯，工件加负偏压-500V -1000V范围，对工件进行辉光清洗5 10分钟；然后，调 整Ar气流量，使真空室气压调整为0. 2 0. 6Pa,同时开启钛弧，对样品继续进行Ti+离子 轰击1 5分钟；调整基体偏压为-100 -600V范围，通氮气，调整气压为0. 1 1. OPa ； 调节引束磁场线圈电流为0. 3 8A，磁感应强度范围为10 1500高斯，镀膜时间为20 60分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至50°C以下，镀膜过程结束，打开真空室，取出工件。本实用新型中，在电弧离子镀中采用磁场约束和控制等离子体束流运动轨迹，采 用电弧离子镀沉积装置，电弧离子镀沉积装置设置有两套磁场发生装置，一套放在真空室 外的等离子体传输通道上，即用磁场对等离子体束流进行聚焦，约束等离子体束流传输时 的横截面直径和传输效率(称为聚束场)，另一套放置于真空室内的管状工件外侧，引导等 离子体束流沿着管状工件中心轴向方向扩散(称为引束场)；所述的在电弧离子镀中利用 电场对等离子体实现加速定向流动，是在工件内部设置脉冲电场。本实用新型中，放置于真空室外的等离子体传输通道上的磁场发生装置为一个电 磁线圈，线径0. 3 2. 5mm,缠绕密度为10 100匝/mm，电磁线圈用支撑筒支撑，支撑筒内 径为200 300mm，长度为200 400mm。本实用新型中，放置于真空室内的管状工件外侧的磁场发生装置为一个电磁线 圈，电磁线圈与长管内壁同轴，线径0. 5 2. 0mm，缠绕密度为5 50匝/mm，电磁线圈用支 撑筒支撑，支撑筒内径为50 200mm，长度为100 500mm。通过调节电磁线圈电流的大小 来调节磁感应强度的大小。本实用新型中，放置于真空室内的管状工件外侧的磁场发生装置为2 10个电磁 线圈，线径0. 7 2. 0mm，缠绕密度为5 50匝/mm，这些电磁线圈的磁感应强度通过分别调 整其电磁线圈电流的大小来实现，且其磁感应强度大小沿着等离子体束流方向逐渐减小， 从而构成一个梯度磁场。电磁线圈用支撑筒支撑，支撑筒内径为50 300mm，长度为100 500mmo本实用新型中，电磁线圈的电流形式是直流、交流或脉冲的，电流大小通过调压电 源调节。本实用新型中，在工件内部设置的脉冲电场为以长管中心轴线处放置一个悬浮的 电极作为脉冲电场正极，以长管管壁作为脉冲电场负极，从而构成一个脉冲电场，对等离子 体进行定向加速。本实用新型中，在工件内部设置的脉冲电场需要使用脉冲偏压电源，偏压幅值 100 1500V，频率为10 100kHz，占空比为10 70%连续可调。本实用新型采用电弧离子镀装置通过靶材对长管内壁进行沉积薄膜，磁场发生装 置为两套，一套放置在真空室外的等离子体传输通道上，用磁场对等离子体束流进行聚焦， 用聚束场调整约束等离子体束流传输时的横截面直径与工件内壁尺寸相当，以保证等离子 体束流最大程度地进入管内；另一套放置于真空室内的管状工件外侧，对等离子体束流进 行约束引导，用引束场引导约束等离子体束流在管状工件中心轴向的扩散；在管状工件内 部设置的脉冲电场为以长管中心轴线处放置一个悬浮的电极作为脉冲电场正极，以长管管 壁作为脉冲电场负极，从而构成一个脉冲电场，对等离子体沿着工件轴向扩散过程中通过 脉冲电场增强的工件内壁表面的脉冲鞘层对离子加速，同时通过选择合适的脉冲偏压频 率，以保证等离子体束流在扩散进入长管深度的同时均勻沉积到工件内壁表面，以保证沉 积质量。本实用新型中，具有管状结构的工件可以是长度为20 500mm、直径为20 200mm，其内的管孔直径和长度为15 180mm的金属模具。本实用新型中，具有管状结构的工件可以是直径为10 200mm、长度为30
7500mm，壁厚为1 20mm的具有管孔结构的金属长管。本实用新型中，具有管状结构的工件可以是长度为20 500mm、直径为20 200mm，其内的管孔直径和长度为15 180mm的金属零件。实施例1将Φ60Χ IOOmm的具有Φ30X70mm盲孔的低合金钢模具清洗、烘干后，在电弧离 子镀装置的工件台上固定。如图1所示，电弧离子镀装置主要包括真空室1、工件磁场线 圈支撑圆筒I 2、工件磁场线圈3、工件辅助电极6、等离子体束流I 7、等离子体聚焦磁场线 圈支撑圆筒I 8、等离子体聚焦磁场线圈I 9、阴极靶I 10、阴极靶电源11、脉冲偏压电源12 和工件台13等，具体结构如下真空室1内设置工件4、工件磁场线圈支撑圆筒I 2、工件磁场线圈3、工件辅助电 极6和工件台13，工件磁场线圈3设置于工件磁场线圈支撑圆筒I 2的外侧，工件磁场线圈 3和工件磁场线圈支撑圆筒I 2设置于工件台13上，工件辅助电极6的一端伸至工件4的 工件内孔5中，电极6的另一端通过导线连至脉冲偏压电源12的正极，工件台13通过导线 连至脉冲偏压电源12的负极；真空室1的一侧设置等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒I 8、等离子体聚焦磁场线 圈I 9、阴极靶I 10，等离子体聚焦磁场线圈I 9设置于等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒 I 8的外侧，阴极靶I 10的一端伸至等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒I 8中，可以产生等 离子体束流I 7，阴极靶电源11的正极连接真空室1的外壳，阴极靶电源11的负极连接阴 极靶I 10。本实施例中，工件磁场线圈3的磁场采用均勻磁场，均勻磁场是指放置于真空室 内的管状工件外侧的磁场发生装置为一个电磁线圈，电磁线圈的线径、缠绕密度相同等参 数相同，其特点是可以在管状工件内部等效位置处(即距离轴向不同位置处)产生的磁感 应强度基本相同，且等效位置处的磁感应强度不随管深度的变化而变化。将模具的开口方向对准阴极弧靶的等离子体束流的来源方向，在模具的轴向周围 放置不锈钢内套支撑的电磁线圈，电磁线圈长度为100mm，抽真空至真空室内真空度达到 6 X ICT3Pa时，通氩气、气压控制在lPa，调节聚束磁场线圈电流为8. OA,磁感应强度为800高 斯，工件加负偏压-800V，对工件进行辉光清洗5分钟；然后，调整Ar气流量，使真空室气压 调整为0. 5Pa,同时开启钛弧，弧流为80A，对样品继续进行Ti+离子轰击2分钟；调整基体 偏压为-400V，通氮气，调整气压为0. 6Pa ；调节引束磁场线圈电流为5. 0A，磁感应强度范围 为400高斯，镀膜时间为40分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，停 止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至50°C以下，镀膜过程结束，打开真空室，取出工 件。本实施方式可以在模具内壁70mm的深度沉积有致密的TiN薄膜，TiN薄膜的厚度 为0. 5-2 μ m，薄膜显微硬度达到20GPa以上，能显著提高模具内壁的耐磨和耐腐蚀性能，进 而提高模具的使用寿命。实施例2将Φ50Χ80πιπι的具有Φ25Χ60πιπι盲孔的不锈钢管清洗、烘干后，在电弧离子镀装 置的工件台上固定。如图2所示，与图1不同之处在于，本实施例工件磁场线圈3的磁场采 用梯度磁场，梯度磁场是指放置于真空室内的管状工件外侧的磁场发生装置为3个电磁线圈，电磁线圈的线径、缠绕密度等参数相同，这些电磁线圈的磁感应强度通过分别调整其电 磁线圈电流的大小来实现，且其磁感应强度大小沿着等离子体束流方向逐渐减小，从而构 成一个梯度磁场。梯度磁场是相对于均勻磁场而言的，其特点是在管状工件内部等效位置 处(即距离轴向不同位置处)产生的磁感应强度随着管深度的变化逐渐减小，而呈梯度变 化。将管子的开口方向对准阴极弧靶的等离子体束流的来源方向，在模具的轴向周围 放置不锈钢内套支撑的电磁线圈，电磁线圈长度为100mm，抽真空至真空室内真空度达到 6 X ICT3Pa时，通氩气、气压控制在lPa，调节聚束磁场线圈电流为7. OA,磁感应强度为600高 斯，工件加负偏压-800V，对工件进行辉光清洗5分钟；然后，调整Ar气流量，使真空室气压 调整为0. 5Pa,同时开启钛弧，弧流为80A，对样品继续进行Ti+离子轰击2分钟；调整基体 偏压为-400V，通氮气，调整气压为0. 6Pa ；调节引束磁场线圈电流为6. OA 3. 0A，磁感应 强度范围为400 200高斯，随着与管口距离增加磁感应强度逐渐减小，镀膜时间为60分 钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，停止气体通入，继续抽真空至工件 随炉冷却至50°C以下，镀膜过程结束，打开真空室，取出工件。本实施方式可以在不锈钢管内壁60mm的深度沉积有致密的TiN薄膜，TiN薄膜的 厚度为0. 6-2. 4 μ m，薄膜显微硬度达到20GPa以上，能显著提高不锈钢管内壁的耐磨和耐 腐蚀性能，进而提高不锈钢管的使用寿命。实施例3将Φ50Χ200πιπι的具有Φ30Χ 140mm通孔的不锈钢零件清洗、烘干后，在电弧离子 镀装置的工件台上固定。如图3所示，电弧离子镀装置主要包括真空室1、工件磁场线圈 支撑圆筒I 2、工件磁场线圈3、工件辅助电极6、等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒I 8、等离 子体聚焦磁场线圈I 9、阴极靶I 10、阴极靶电源11、脉冲偏压电源12、工件台13、阴极靶 II 14、等离子体聚焦磁场线圈II 15、等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒II 16等，具体结构如 下真空室1内设置工件4、工件磁场线圈支撑圆筒I 2、工件磁场线圈3、工件辅助电 极6和工件台13，工件磁场线圈3设置于工件磁场线圈支撑圆筒I 2的外侧，工件磁场线圈 3和工件磁场线圈支撑圆筒I 2设置于工件台13上，工件辅助电极6的一端伸至工件4的 工件内孔5中，电极6的另一端通过导线连至脉冲偏压电源12的正极，工件台13通过导线 连至脉冲偏压电源12的负极；真空室1的一侧设置等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒I 8、等离子体聚焦磁场线 圈I 9、阴极靶I 10，等离子体聚焦磁场线圈I 9设置于等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒 I 8的外侧，阴极靶I 10的一端伸至等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒I 8中，可以产生等 离子体束流I 7，阴极靶I 10的一端伸至等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒I 8中，可以产生 等离子体束流I 7 ；阴极靶电源11的正极连接真空室1的外壳，阴极靶电源11的负极连接 阴极靶I 10 ；真空室1的另一侧设置阴极靶II 14、等离子体聚焦磁场线圈II 15、等离子体聚焦 磁场线圈支撑圆筒II 16，等离子体聚焦磁场线圈II 15设置于等离子体聚焦磁场线圈支撑 圆筒II 16的外侧，阴极靶II 14的一端伸至等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒II 16中，可以 产生等离子体束流II 17，阴极靶I 10与阴极靶II 14共用阴极靶电源11。
9[0061]本实施例中，工件磁场线圈3的磁场采用均勻磁场，均勻磁场是指放置于真空室 内的管状工件外侧的磁场发生装置为一个电磁线圈，电磁线圈的线径、缠绕密度相同等参 数相同，其特点是可以在管状工件内部等效位置处(即距离轴向不同位置处)产生的磁感 应强度基本相同，且等效位置处的磁感应强度不随管深度的变化而变化。将管子的开口方向对准阴极弧靶的等离子体束流的来源方向，在模具的轴向周围 放置不锈钢内套支撑的电磁线圈，电磁线圈长度为100mm，抽真空至真空室内真空度达到 6 X ICT3Pa时，通氩气、气压控制在lPa，调节聚束磁场线圈电流为8. OA,磁感应强度为500高 斯，工件加负偏压-800V，对工件进行辉光清洗5分钟；然后，调整Ar气流量，使真空室气压 调整为0. 5Pa,同时开启钛弧，弧流为80A，对样品继续进行Ti+离子轰击2分钟；调整基体 偏压为-400V，通氮气，调整气压为0. 6Pa ；调节引束磁场线圈电流为6. 0A，磁感应强度范围 为300高斯，镀膜时间为60分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，停 止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至50°C以下，镀膜过程结束，打开真空室，取出工 件。本实施方式可以在不锈钢零件内壁70mm的深度沉积有致密的TiN薄膜，TiN薄膜 的厚度为0. 6-2. 6 μ m,薄膜显微硬度达到20GPa以上，能显著提高零件内壁的耐磨和耐腐 蚀性能，进而提高不锈钢零件的使用寿命。实施例4将Φ50Χ200πιπι的具有Φ30Χ 150mm通孔的不锈钢零件清洗、烘干后，在电弧离子
镀装置的工件台上固定。如图4所示，与图3不同之处在于，本实施例工件磁场线圈3的磁 场采用梯度磁场，梯度磁场是指放置于真空室内的管状工件外侧的磁场发生装置为5个电 磁线圈，电磁线圈的线径、缠绕密度等参数相同，这些电磁线圈的磁感应强度通过分别调整 其电磁线圈电流的大小来实现，且其磁感应强度大小沿着等离子体束流方向逐渐减小，从 而构成一个梯度磁场。梯度磁场是相对于均勻磁场而言的，其特点是在管状工件内部等效 位置处(即距离轴向不同位置处)产生的磁感应强度随着管深度的变化逐渐减小，呈梯度 变化。将管子的开口方向对准阴极弧靶的等离子体束流的来源方向，在模具的轴向周围 放置不锈钢内套支撑的电磁线圈，电磁线圈长度为200mm，抽真空至真空室内真空度达到 8 X IO-3Pa时，通氩气、气压控制在0. 8Pa,调节聚束磁场线圈电流为5. OA,磁感应强度为500 高斯，工件加负偏压-500V，对工件进行辉光清洗8分钟；然后，调整Ar气流量，使真空室气 压调整为0. 3Pa,同时开启钛弧，弧流为80A，对样品继续进行Ti+离子轰击2分钟；调整基 体偏压为-200V，通氮气，调整气压为0. 3Pa ；调节引束磁场线圈电流为5. OA 2. 0A，磁感 应强度范围为400 200高斯，随着与管口距离增加磁感应强度逐渐减小，镀膜时间为30 分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，停止气体通入，继续抽真空至工 件随炉冷却至50°C以下，镀膜过程结束，打开真空室，取出工件。本实施方式可以在不锈钢零件内壁70mm的深度沉积有致密的TiN薄膜，TiN薄膜 的厚度为0. 3-1. 5 μ m,薄膜显微硬度达到20GPa以上，能显著提高零件内壁的耐磨和耐腐 蚀性能，进而提高不锈钢零件的使用寿命。
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权利要求一种电弧离子镀膜装置，其特征在于该电弧离子镀膜装置设有真空室、工件磁场线圈支撑圆筒Ⅰ、工件磁场线圈、工件辅助电极、等离子体束流Ⅰ、等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒Ⅰ、等离子体聚焦磁场线圈Ⅰ、阴极靶Ⅰ、阴极靶电源、脉冲偏压电源和工件台，具体结构如下真空室内设置工件、工件磁场线圈支撑圆筒Ⅰ、工件磁场线圈、工件辅助电极和工件台，工件磁场线圈设置于工件磁场线圈支撑圆筒Ⅰ的外侧，工件磁场线圈和工件磁场线圈支撑圆筒Ⅰ设置于工件台上，工件辅助电极的一端伸至工件的工件内孔中，电极的另一端通过导线连至脉冲偏压电源的正极，工件台通过导线连至脉冲偏压电源的负极；真空室的一侧设置等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒Ⅰ、等离子体聚焦磁场线圈Ⅰ、阴极靶Ⅰ，等离子体聚焦磁场线圈Ⅰ设置于等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒Ⅰ的外侧，阴极靶Ⅰ的一端伸至等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒Ⅰ中，阴极靶电源的正极连接真空室的外壳，阴极靶电源的负极连接阴极靶Ⅰ。
2.按照权利要求1所述的电弧离子镀膜装置，其特征在于还包括阴极靶II、等离子体 聚焦磁场线圈II、等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒II，真空室的另一侧设置阴极靶II、等离 子体聚焦磁场线圈II、等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒II，等离子体聚焦磁场线圈II设置 于等离子体聚焦磁场线圈支撑圆筒II的外侧，阴极靶II的一端伸至等离子体聚焦磁场线圈 支撑圆筒II中。
3.按照权利要求1或2所述的电弧离子镀膜装置，其特征在于工件磁场线圈的磁场 采用均勻磁场或梯度磁场。
4.按照权利要求2所述的电弧离子镀膜装置，其特征在于阴极靶I与阴极靶II共用 阴极靶电源。
专利摘要本实用新型属于材料表面改性领域，涉及一种用于长管内壁镀膜的磁场和电场增强的电弧离子镀膜装置。通过在电弧离子镀过程中采用磁场约束和控制等离子体束流运动轨迹，在电弧离子镀沉积装置中设置两套磁场发生装置，一套放在真空室外的等离子体传输通道上，即用磁场对等离子体束流进行聚焦，约束等离子体束流传输时的横截面直径和传输效率，另一套放置于真空室内的管状工件外侧，引导等离子体束流沿着管状工件中心轴向方向扩散；在电弧离子镀中利用电场增强是用电场对等离子体实现加速定向流动，在工件内部设置脉冲电场；利用磁场和电场对等离子体束流的约束和控制，实现等离子体在管内壁沉积薄膜，适用于作为服役表面的管状工件的内壁表面镀膜。
文档编号C23C14/35GK201762438SQ201020281150
公开日2011年3月16日 申请日期2010年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者于宝海, 华伟刚, 孙超, 宫骏, 杜昊, 肖金泉, 赵彦辉 申请人:中国科学院金属研究所