一种用于长外包壳管的立式磁控溅射镀膜装置的制作方法

本发明属于磁控溅射镀覆领域，具体涉及一种用于长外包壳管的立式磁控溅射镀膜装置。

背景技术：

当前世界对于清洁能源的需求越来越大，而核电具有绿色环保、产能巨大的优势，同时作为高辐射的工业，其安全问题不容小视。驱动发电机的高温水蒸气要通过锆合金为主要材料制造的压力管排出。纯锆的中子吸收截面非常低，但是由于其强度和抗蚀性能无法满足制造压力管的要求，因此人们在锆中往往添加一些合金元素，提高其力学性能和抗蚀能力，同时不大幅增加其中子吸收截面。锆合金在300～400℃的高温高压水和蒸汽中有良好的耐蚀性能、适中的力学性能、较低的原子热中子吸收截面(锆为0.18)，对核燃料有良好的相容性，因此可用作水冷核反应堆的堆芯结构材料(燃料包壳、压力管、支架和孔道管)。金属涂层材料与基体界面结合状态良好，在高温水蒸气和水腐蚀环境能够形成的致密氧化膜，能够有效地降低氧化速率并保护基体，提高锆压力管的使用寿命。

采用磁控溅射的镀膜方法，不仅可以解决真空蒸镀实现不了的匀镀性、高效性问题，同时也可以避免多弧离子镀等方法带来的金属液滴大颗粒造成的结构缺陷，可以达到较好的保护效果。

现有磁控溅射技术中，尚未出现可以一次性采用磁控溅射的方法镀覆4米及以上长度的锆合金管的设备。

技术实现要素：

本发明针对压力管在高温高压、强中子辐射、高温水冲击以及硼酸腐蚀等残酷环境的情况，提供了一种用于长外包壳管的立式磁控溅射镀膜装置，该装置可一次性在4米及以上锆合金包壳管表面镀覆金属保护层。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种用于长外包壳管的立式磁控溅射镀膜装置，包括壳体，该壳体具有顶部开口的圆柱形腔体，且腔体的高度不小于4m；其中，

腔体内的底部设置有转动装置，其与设置在壳体外的传动装置连接，转动装置上设置有用于放置工件的工件架；腔体内壁上沿其轴向安装有若干对靶座底盘，每对靶座底盘均包括呈180°相对布置的两个靶座底盘，每个靶座底盘上均分布有多个靶座，每个靶座上均用于安装靶材，每对靶座底盘旁边均设置有用于更换靶材的腔门，靶座上设置有遮挡板，以遮挡靶材；壳体顶部设置有气体进出装置和高压空气出气口；工作时，靶材通过座电极连接外电路负极，工件架通过座电极连接外电路正极。

本发明进一步的改进在于，壳体包括由外至内依次设置的起坚硬保护作用的外层金属层，其绝缘作用的中间陶瓷层和起封闭磁力线、阻隔富能粒子的内层金属层。

本发明进一步的改进在于，靶座底盘所在的腔体母线关于工件架中心轴呈二次或者四次或者六次对称分布。

本发明进一步的改进在于，每个靶座底盘上均设置有6个对称分布的靶座。

本发明进一步的改进在于，靶材为纯金属靶、合金靶或陶瓷靶。

本发明进一步的改进在于，转动装置包括转轴，转轴的一端穿过壳体与传动转置连接，另一端连接有行星转盘，工件架设置在行星转盘上。

本发明进一步的改进在于，工件架包括工件托盘和立柱，若干工件托盘分别与行星转盘上对应的行星轮连接，每个工件托盘上均设置有一个立柱，工作时，工件套装在对应的立柱上，行星转盘转动时，工件架带动上面安装的工件绕工件架中心轴公转，转轴上的工件托盘带动其上面安装的工件绕工件架中心轴公转的同时，也绕行星转轴自转。

本发明进一步的改进在于，传动装置包括自转电机和联轴器，自转电机的输出轴通过联轴器与转动装置的转轴连接。

本发明具有如下有益的技术效果：

通过本发明所提供的装置，可在4米及以上长外包壳管表面一次性磁控溅射沉积金属、合金膜及金属或合金的多层膜，将其应用于压力管外侧的保护时能进一步提升压力管的使用寿命，以增加核电的经济效益和安全性。具体来说，本发明整个腔体可以容纳多根4米长的管材，且镀膜过程是一次性完成，整个过程无停顿，因此可以保证长达4米的管材镀覆过程可以均匀连贯完成。

进一步，由于靶材安装在腔室内侧面相对的位置并加以匀速旋转，可以保证长4米的管材表面沉积速率近乎相同，即保证管材表面的均匀镀覆。

进一步，在沉积过程中，装有管材的工件托盘可以完成自转与公转的结合，充分保证同一根管材上周向各处可以等几率地朝向靶材，有利于均匀镀覆。

进一步，本发明腔室内部空间足够大，可以容纳下4米长的管材，此结构可以外延至多层工件托盘联动，提高加工效率。

进一步，本发明装置采用行星转盘结构，使管材的转动更加灵活、随机，充分保证管材镀覆的均匀性。

附图说明

图1为本发明装置的纵截面示意图；

图2为本发明装置的横截面示意图；

图3为本发明装置的靶座布置示意图。

附图标记说明：

10-腔体，110-腔门，20-靶座底盘，210-靶座，220-遮挡板，30-转轴，310-行星转盘，320-工件托盘，330-立柱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

本发明提供的一种用于长外包壳管的立式磁控溅射镀膜装置，该装置基于一个圆柱形外壳，即为腔体10，腔体10由三层组成，起坚硬保护作用的外层金属层，起绝缘作用的中间陶瓷层和起封闭磁力线、阻隔富能粒子的内层金属层；腔体10正上部是腔门110；腔体10上嵌有一个观察窗，位于中间的腔门上；腔体10内层金属内侧面对称安装共3对靶座底盘20，每个靶座底盘20上有6个对称分布的靶座210，每个靶座210上安装一块圆柱形金属靶材。靶材标准工装尺寸为φ1.5m×5m，金属靶材通过座电极连接着外电路负极，工件托盘320通过座电极连接到外电路正极；在腔室10内部，磁力线呈三维铅直对称分布；在腔门110周围设有气体进出装置，主要包括进气管、出气管和真空泵；腔体10内部的偏压引线、热电偶引线和真空度测量装置通过座电极连接到外部控制柜，以便读取状态和实时调控；此外，腔门110上还设有高压空气出气口，通过外接管道连接空气压缩泵，可360°旋转喷出高压空气，以达到清洁腔室内壁作用。

本发明还提供了该镀膜装置的控制柜，其包括以下部分：

1)控制转盘转动的脚踏式开关，额定转速1rpm。

2)显示当前转速的仪表盘以及控制转速的旋钮。

3)显示当前镀膜功率的仪表盘以及控制偏压和电流的旋钮。

4)显示当前真空度的仪表盘。

5)每个靶材的独立启动开关。

6)真空装置开关。

7)冷凝装置开关。

在沉积前的装样品阶段，采用小型起重机将转盘吊出，在腔室外预先安装外包壳管，其要点为，将工作长度为4米的外包壳管套在行星齿轮转轴钢棒外，并在上下两端进行螺丝定位，外包壳管两端预先留有加工余量，两端各打有4个对称分布的φ7通孔，钢棒两端同母线通孔的轴向距离与钢棒上的同母线限位孔轴向距离相等。安装后，再用小型起重机将转盘放入原位，关闭腔门，根据具体镀覆工艺进行沉积。

此外，为提高加工效率，相同的装置可累层叠加，保证一次沉积完成多根长外包壳管的镀覆。

如图1、图2和图3所示，为一种用于长外包壳管的立式磁控溅射镀膜装置的横截面、纵截面和靶座布置示意图，该立式磁控溅射镀膜装置包括腔体10、靶座底盘20和转轴30。腔体10为圆柱状结构，长度为5m，包括四个腔门110，位于顶面的腔门110用于装卸工件架，其余三个位于侧面的腔门用于更换所需靶材。

靶座底盘20位于腔体10内部，沿腔体10呈轴向分布，数量共计6个，靶座底盘20的底部通过座电极与外接电源相连，针对不同电源要求分别连接直流、脉冲或射频电源等。靶座底盘20上容纳6个靶座210，用以镀覆合金及多层薄膜。靶座210上设置有遮挡板220，以遮挡靶材。进一步，所述靶座底盘20沿腔室轴向分布，数量共6～18个，每3个靶座底盘20沿腔室母线分布，靶座底盘20所在的母线关于工件托盘320中心轴呈二次或者四次或者六次对称分布；每个靶座底盘20含有1个靶座210，用以镀覆合金及多层薄膜。靶座底盘20连接外部电源，以调整镀膜电流。靶前固定有遮挡板220，以遮挡靶材。所述靶材为纯金属靶、合金靶或陶瓷靶。

转轴30位于腔体10内部，用以支撑工件托盘320并传动来保证镀覆薄膜进行。如图1所示，转轴30上连接着行星转盘310，并与转轴30啮合；行星转盘310上面各连接一个工件托盘320，用于承载工件，每个工件托盘320圆心处连接一根立柱330，以保证长管在镀覆阶段不会沿周向与圆盘有任何相对位移。进一步，所述工件托盘320上设置有φ1m的转盘和夹持长外包壳管的工件架；所述转盘通过传动装置连接电机，并且在距转盘圆心0.2m处，等距分布着三个行星转轴，每个行星转轴上连接一个带有多根立柱的托盘；所述工件架采用轴向插入式与转盘配合，转盘转动时，工件架带动上面安装的工件绕中心轴公转，行星转盘310上的托盘带动其上面安装的工件绕中心轴公转的同时，也绕行星转盘310的转轴自转。

转轴30在腔体10外侧利用联轴器与电机相连接，利用电机调控转轴转速，同时控制行星转盘310的转速。此外，所述转盘下表面边缘与对称分布的四个轴承工作面接触，以起到支撑转盘并辅助传动的作用，轴承另一侧用弹性挡圈或其他定位方式固定。

将长管工件送入腔体10后，电机带动转轴30旋转，转轴上的工件托盘310带动工件自转，工件架每自转一周，长管工件可与靶材正对两次，从而在长管工件表面均匀镀覆薄膜。而沿腔体10纵向分布的靶座底盘20能够确保长管工件轴向上均匀镀覆薄膜。

以上具体实施方式仅表达了本发明的几种实施方式之一，不能够理解为对本发明专利范围的限制。因此，对于本领域的技术人员，在本发明的构思基础上做出的若干改变或调整均属于本发明的保护范围。所以本发明的保护范围应当以权利要求为准。