本发明涉及镀层制备领域，尤其是磁控溅射镀层结合性能增强领域，具体为一种轴对称半封闭曲面工件内表面磁控溅射镀层结合性能的增强方法。
背景技术：
磁控溅射是一种工业化镀层沉积技术，其工作原理如下：电子在溅射靶面正交电磁场中做螺旋运动，并与工作气体（如氩气）发生碰撞，使工作气体电离为离子（如氩离子），离子在溅射阴极的电场作用下加速，获能飞向靶面的动能，并与靶面原子发生碰撞，而使靶材原子被溅射出来，被溅射出来的靶材原子沉积到工件表面，而形成镀层。为了满足工程应用，磁控溅射镀层与基体之间需要有较好的结合性能。
在磁控溅射镀层制备过程中，为了使镀层与基体之间具有较好的结合性能，通常需要对基体在一定负偏压下进行辉光放电清洗。在辉光放电清洗过程中，在工件表面负偏压电场的作用下，辉光放电等离子体中的离子飞向工件，并与工件表面发生轰击，通过动量传递来去除工件表面污染物质，从而获取洁净表面。其中，辉光放电清洗过程中的离子轰击是增强磁控溅射镀层与基体结合的重要因素。
对于普通平面、圆柱状、凸面工件，辉光放电清洗与镀膜过程中的离子轰击效果较好，磁控溅射镀层与基体通常具有较好的结合性能。但对于轴对称半封闭曲面件内表面，由于辉光放电清洗过程中电场分布存在“法拉第杯”效应（如图2所示），辉光放电清洗与镀膜过程中的离子轰击作用主要集中在轴对称半封闭曲面件内表面的口部，距口部越远，电场越弱，离子轰击效果越差，进而导致镀层与基体结合越弱，甚至出现镀层与基体没有结合而鼓泡，甚至脱落的现象。
在实际工程应用中，工件表面的镀层通常具有装饰、耐磨、防腐蚀等特殊表面功能，镀层与基体结合不足必将影响到镀层后工件的表面性能。
为此，迫切需要一种新的装置和/或方法，以解决上述问题。
技术实现要素：
本发明的发明目的在于：针对采用现有方法对轴对称半封闭曲面件内表面进行辉光放电清洗时，基于电场分布存在的“法拉第杯”效应，导致辉光放电清洗与镀膜过程中的离子轰击作用主要集中在轴对称半封闭曲面件内表面的口部，距口部越远，电场越弱，离子轰击效果越差，并导致镀层与基体结合能力较弱的问题，提供一种轴对称半封闭曲面件内表面镀层均匀增强结合的物理气相沉积方法及其应用。本发明通过象形辅助阳极来改变轴对称半封闭曲面工件内表面的电场分布，从而增强辉光放电清洗过程中的离子轰击作用，获得镀前工件洁净表面，最终有效增强轴对称半封闭曲面工件内表面磁控溅射镀层的结合性能。本发明的操作简单，工艺可控，可重复性好，能够满足工业化大规模生产和应用的需要，有效实现轴对称半封闭曲面工件内表面磁控溅射镀层与基体之间的牢固结合，显著提升装备制造水平，具有较高的应用价值和较好的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种轴对称半封闭曲面件内表面镀层均匀增强结合的方法，包括如下步骤：
（1）将轴对称半封闭曲面工件的开口部朝下设置，并将圆形平面磁控溅射靶设置于轴对称半封闭曲面工件下方，且轴对称半封闭曲面工件与圆形平面磁控溅射靶的轴线相重合，轴对称半封闭曲面工件与圆形平面磁控溅射靶之间保持一定的距离；
（2）在轴对称半封闭曲面工件的开口部设置一个与轴对称半封闭曲面工件内表面相配合的象形辅助阳极，且象形辅助阳极的轴线与圆形平面磁控溅射靶的轴线重合；
（3）使象形辅助阳极与轴对称半封闭曲面工件相对转动，进行物理气相沉积，当镀层达到设定值后，即可。
所述步骤3中，进行物理气相沉积包括：辉光放电清洗过程、镀膜过程；在辉光放电清洗过程中，将象形辅助阳极与电源阳极相连；在镀膜过程中，象形辅助阳极接地；当镀层达到设定值后，即可。
所述步骤3中，象形辅助阳极静止，轴对称半封闭曲面工件沿其轴线转动；
或轴对称半封闭曲面工件静止，象形辅助阳极沿其轴线转动；
或以轴对称半封闭曲面工件的轴线为旋转轴，轴对称半封闭曲面工件与象形辅助阳极沿旋转轴相对转动。
所述步骤1中，轴对称半封闭曲面工件与圆形平面磁控溅射靶之间形成间隙。
所述步骤2中，象形辅助阳极包括与轴对称半封闭曲面工件开口部相配合的第一圆环、与轴对称半封闭曲面工件内表面相配合的弧形连接杆、阳极连接杆，所述弧形连接杆为至少两个且弧形连接杆与第一圆环连接为一体构成阳极主体，所述阳极主体与阳极连接杆相连。
还包括第二圆环，所述弧形连接杆的两端分别与第一圆环、第二圆环相连为一体。
所述弧形连接杆为四个且均布于第一圆环与第二圆环之间。
前述方法的应用，将其用于轴对称曲面工件内表面带偏压的镀层均匀增强结合的物理气相沉积。
将其用于磁控溅射制备轴对称半封闭曲面件内表面镀层。
为了解决现有轴对称半封闭曲面工件内表面磁控溅射镀层结合性能较差且不均的技术问题，本发明提供一种轴对称半封闭曲面件内表面镀层均匀增强结合的方法，具体为一种轴对称半封闭曲面工件内表面磁控溅射镀层结合性能的增强方法。该方法包括如下步骤：将轴对称半封闭曲面工件口部朝下放置，圆形平面磁控溅射靶位于其下方，二者轴线重合，靶与轴对称半封闭曲面工件口部保持一定距离；在轴对称半封闭曲面工件内口部放置一象形辅助阳极，且其轴线与工件轴线重合；在沉积过程中，象形辅助阳极静止、轴对称半封闭曲面工件沿工件轴线转动，或者轴对称半封闭曲面工件静止、象形辅助阳极沿轴线转动。在辉光放电清洗过程中，将象形辅助阳极与电源阳极相连。本发明中，通过在轴对称半封闭曲面工件内表面设置辅助阳极，来改善工艺过程中轴对称半封闭曲面工件内表面电位分布的均匀性，从而增强辉光放电清洗过程中离子在各部位的均匀轰击作用。即在工件镀前辉光放电清洗过程中，通过在辅助阳极上施加正电位来改善轴对称半封闭曲面工件内表面电位分布的均匀性，从而改善各部位离子轰击的均匀性，达到有效均匀清洗的目的，最终增强轴对称半封闭曲面工件内表面磁控溅射镀层的结合强度。
本发明适用于轴对称曲面工件内表面工艺过程中带偏压的镀层均匀增强结合的物理气相沉积，且不仅限于磁控溅射技术。
进一步，本发明提供一种象形辅助阳极的具体结构。该象形辅助阳极包括与轴对称半封闭曲面工件开口部相配合的第一圆环、与轴对称半封闭曲面工件内表面相配合的弧形连接杆、用于与电源相连的阳极连接杆，弧形连接杆为至少两个且弧形连接杆与第一圆环连接为一体构成阳极主体，阳极主体与阳极连接杆相连。该结构制备的象形辅助阳极与轴对称半封闭曲面工件的内表面相一致，且结构简单，生产成本低，并能有效解决本发明的技术问题。
进一步，该象形辅助阳极还包括第二圆环，弧形连接杆的两端分别与第一圆环、第二圆环相连为一体。本发明采用第一圆环、第二圆环相互配合，其有利于象形辅助阳极的加工和制造，降低生产成本。
在一个具体的实例中，弧形连接杆为四个且均布于第一圆环与第二圆环之间；将轴对称半封闭曲面工件口部朝下放置，圆形平面磁控溅射靶位于其下方，二者轴线重合，靶与轴对称曲面口部保持一定距离（靶-基距）；在轴对称曲面内部放置一个与工件内表面象形的辅助阳极，其轴线与工件轴线重合，辅助阳极与工件内表面的距离为3cm；在辉光放电清洗过程中，工作气体氩气的气压为2.0pa，工件偏压为-800v，辅助阳极电压为+50v，清洗时间30min；在镀膜过程中，辅助阳极接地；工艺过程中，工件保持转动，而象形辅助阳极保持静止。
本发明通过象形辅助阳极来改变轴对称半封闭曲面工件内表面的电场分布，从而增强辉光放电清洗过程中的离子轰击作用，获得镀前工件洁净表面，最终有效增强轴对称半封闭曲面工件内表面磁控溅射镀层的结合性能。经测定，本发明能将内径φ260mm的轴对称半封闭曲面工件内表面磁控溅射镀层结合强度由最小约3mpa大幅提高到约20mpa，具有显著的技术进步。
综上所述，本发明能够有效克服传统方法的不足，在轴对称半封闭曲面工件内表面实现磁控溅射镀层与基体之间的牢固结合，其方法简单，工艺可控，流程短，处理效果好。实践进一步表明，本发明能显著提高轴对称半封闭曲面工件内表面磁控溅射镀层的结合强度，具有较高的应用价值。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为传统方法轴对称半封闭曲面工件内表面磁控溅射示意图。
图2为传统方法轴对称半封闭曲面工件内表面辉光放电清洗电位分布图。
图3是实施例2中轴对称半封闭曲面工件内表面磁控溅射示意图。
图4是实施例2中象形辅助阳极的结构示意图。
图5是实施例2中轴对称半封闭曲面工件内表面辉光放电清洗电位分布图。
图6为实验验证中，轴对称半封闭曲面工件内表面结合强度测定拉头布置示意图。
图7是实施例1与实施例2所得轴对称半封闭曲面工件内表面镀层的结合强度测定结果图。
图中标记：1、真空室，2、轴对称半封闭曲面工件，3、象形辅助阳极，4、溅射靶，5、第一圆环，6、第二圆环，7、弧形连接杆，8、阳极连接杆。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面以内径φ260mm的轴对称半封闭曲面工件内表面磁控溅射镀铜为例，通过对比实验来对本发明效果进行进一步说明，其中实施例1为无辅助阳极的传统方法，实施例2为有辅助阳极的本发明内容。
为了比较效果，除了发明中的辅助阳极外，其它设备、工装和工艺参数均相同。具体如下：平面磁控溅射靶直径为φ240mm，靶面距离轴对称曲面工件口部100mm，靶功率3kw，工作氩气压0.3pa，镀制时间1h。工艺过程中，轴对称半封闭曲面工件转动速度3转/min，辅助阳极处于静止状态。
其中，轴对称半封闭曲面件内表面辉光放电清洗过程中的电位分布采用ansys软件进行计算，镀层结合强度采用positest结合强度测试仪进行测定。
实施例1
采用传统方法，将轴对称半封闭曲面工件口部向下正对靶面放置，且轴线重合，如图1所示。在辉光放电清洗过程中，工件附近的空间电位分布如图2所示。可以看出，轴对称半封闭曲面工件内部存在较大区域的等电位区，在该等电位区中，辉光放电产生的ar+不能被加速获能，仅在初始动能下飞向工件表面，加之在飞行过程中与其它气体原子发生碰撞而发生能量衰减，致使达到工件表面的离子能量不足而难以使工件表面吸附的污染物有效去除，如此镀层原子难以与工件基体有效结合，并表现出镀层结合不足。
实施例2
采用本发明方法，轴对称半封闭曲面工件口部正对靶面，且轴线重合，在轴对称半封闭曲面工件内设置辅助阳极，其轴线与工件轴线重合，辅助阳极距离工件内表面3cm，如图3所示。为了不影响镀层沉积，辅助阳极为四条辐球形结构（如图4所示，该象形辅助阳极包括与轴对称半封闭曲面工件开口部相配合的第一圆环、与轴对称半封闭曲面工件内表面相配合的弧形连接杆、用于与电源相连的阳极连接杆、第二圆环，弧形连接杆的两端分别与第一圆环、第二圆环相连为一体，弧形连接杆为四个且均布于第一圆环与第二圆环之间，弧形连接杆与第一圆环、第二圆环连接为一体构成阳极主体，阳极主体与阳极连接杆相连）。在辉光放电清洗过程中，将象形辅助阳极与电源阳极相连；在镀膜过程中，象形辅助阳极接地。在辉光放电清洗过程中，工件附近的空间电场分布如图5所示。可以看出，添加辅助阳极后，轴对称半封闭曲面工件内部等电位区显著缩小，从而克服了传统方法的不足。同时，在辅助阳极正电位的作用下，辅助阳极与轴对称半封闭曲面工件内表面的电场强度增加，在该区域中，辉光放电产生的ar+被进一步加速获能，从而有效轰击工件表面而去除表面吸附的污染物，如此镀层原子可以与工件基体有效结合并表现出镀层结合的增强。
实验验证
采用上述辉光放电与镀层制备工艺参数，分别采用实施例1、实施例2的方法在碳钢轴对称半封闭曲面工件内表面进行铜镀层的制备，然后采用positest结合强度测试仪进行镀层结合强度测定。测定结合强度的拉头布置如图6所示，拉头与镀层之间采用环氧树脂胶进行粘接，并在100℃下固化4h。除顶点外，其余每个纬度布置4个测量点，测定结合强度为同一纬度4个测定值的平均值，镀层结合强度测定结果如图7所示。通过图7可以看出，采用传统方法（实施例1）所得到的镀层结合强度随着轴对称半封闭曲面工件内表面纬度的增大而降低，其口部镀层结合强度约20mpa，而顶部仅有3mpa左右，这与辉光放电清洗过程中的电位分布有直接关系（由于电位分布的均匀性较差，辉光放电清洗过程中离子轰击作用差别显著，致使工件内形面顶部较口部的结合强度低很多）；采用本发明方法（实施例2）所得到的镀层结合强度均匀性好且明显高于传统方法，且整个内表面不同部位镀层结合强度基本一致，约为20mpa，这是由于象形辅助阳极的添加显著改善了轴对称半封闭曲面工件内表面辉光放电清洗过程中的电位分布均匀性，各部位离子轰击作用一致且清洗效果良好。
综上所述，镀层结合强度测定结果表明，本发明能显著提高轴对称半封闭曲面工件内表面磁控溅射镀层的结合强度。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。