一种用于在大长径比金属管内沉积硬质涂层的装置的制作方法

本发明涉及金属表面工程技术领域，特别是涉及一种用于在大长径比金属管内沉积硬质涂层的装置。

背景技术：

现代工业生产中，管状零件广泛应用在建筑、装饰、机械、武器、航空航天、生物医学等行业中。管状零件主要应用于输送，传导，导向等工作，主要工作面为其内表面。工作过程中，管状零件会出现磨损、腐蚀、高温氧化的情况，影响其正常工作，对工业生产带来极大损失。因此，对管状零件来说，获得较好性能的内表面是有着非常重要的现实意义的。但由于经济性等因素，通过提高制造管状零件的整体材料性能在实际的生产中已不能满足需求。采用表面改性技术提高管状零件内表面性能是非常经济实用的途径。

表面改性技术通常是在衬底表面涂覆一层硬度高、摩擦系数低、耐磨性能好的硬质涂层，以提高装置的抗冲击韧性和抗弯强度。现有技术中的硬质涂层分为金属化合物涂层和非金属化合物涂层，如金刚石薄膜涂层。现有技术在进行表面涂覆的过程中，通常是在金属管内形成真空环境进行涂层，对仪器的精密度和密封性要求较高，结构复杂，并且金属管规格与涂层装置规格需要保持一致，适用范围小；形成的反应物在通过等离子体鞘层进入到金属管内时容易受到阻碍，导致金属管内表面的形成的硬质涂层密度低、均匀性差。实现改善金属管内壁性能仍然是一个技术难题，具有较高的研究价值。因此，如何提供一种适用范围广，并且能够快速在大长径比金属管内形成密度高、均匀性强的硬质涂层的装置，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于在大长径比金属管内沉积硬质涂层的装置，旨在解决现有涂层装置适用范围小、离子沉积速度慢，并且形成的涂层密度低、均匀性差的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种用于在大长径比金属管内沉积硬质涂层的装置，包括：

真空腔体，所述真空腔体为封闭腔体；

供气系统，所述供气系统用于向所述真空腔体提供工作气体和工艺气体，所述工作气体为惰性气体；

离子发生装置，所述离子发生装置包括空心阴极电子枪和辅助阳极，所述空心阴极电子枪和所述辅助阳极均安装于所述真空腔体内，所述空心阴极电子枪和所述辅助阳极的中心均与待涂层金属管的轴线重合；

支撑架，所述支撑架固定于所述真空腔体内，所述支撑架置于所述空心阴极电子枪和辅助阳极之间，所述支撑架用于支撑待涂层金属管；

电源，所述空心阴极电子枪与所述电源的负极电连接，所述辅助阳极与所述电源的正极电连接，电源通电后用于使所述空心阴极电子枪产生辉光放电；

磁场发生装置，所述磁场发生装置用于产生沿待涂层金属管轴线方向的磁场，使辉光放电产生的离子向待涂层金属管轴线方向移动而形成等离子体光柱；

真空泵，所述真空泵与所述真空腔体相连；

偏压电源，所述偏压电源与所述真空腔体相连，所述偏压电源用于在镀膜过程中为待涂层金属管提供负电压；

加热装置，所述加热装置安装于所述真空腔体内。

优选地，所述供气系统包括工作气体供应系统和工艺气体供应系统，所述工作气体供应系统包括工作气体罐，所述工作气体罐通过工作气体管路与所述空心阴极电子枪连通，所述工艺气体供应系统包括工艺气体罐、进气管道和气体喷头，所述工艺气体罐与所述进气管道通过工艺气体管路连通，所述进气管道固定于所述真空腔体内，所述进气管道与待涂层金属管的轴线平行，所述气体喷头与所述进气管道连通，所述气体喷头为多个，多个所述气体喷头沿所述进气管道长度方向均匀布置。

优选地，所述进气管道为多个，多个所述进气管道以待涂层金属管的轴线为中心周向均匀布置。

优选地，所述工作气体罐中的工作气体为ar。

优选地，所述工艺气体罐内为两个，两个所述工艺气体罐的工艺气体分别为c2h2、tms。

优选地，还包括磁控溅射靶，所述磁控溅射靶与待涂层金属管的轴线平行，所述磁控溅射靶为多个，多个所述磁控溅射靶以待涂层金属管的轴线为中心周向均匀布置，所述磁控溅射靶固定于所述真空腔体内且置于所述进气管道靠近所述真空腔体侧壁的一侧。

优选地，所述磁控溅射靶的靶材为gr。

优选地，所述工艺气体罐中的工艺气体为n2。

优选地，所述支撑架为u型，所述支撑架的开口方向朝向所述真空腔体的底面。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的用于在大长径比金属管内沉积硬质涂层的装置包括真空腔体、供气系统、离子发生装置、支撑架、电源、磁场发生装置、真空泵、偏压电源和加热装置。空心阴极电子枪和辅助阳极的中心与待涂层金属管的轴线重合，通过磁场的聚集作用，可在空心阴极电子枪和辅助阳极之间形成工作气体等离子体光柱，并使等离子体光柱穿过待涂层金属管，工艺气体电离产生工艺气体离子，工艺气体离子受磁场的影响向等离子体光柱移动。涂层过程中，离子沉积速度快，并且能够在金属管内表面上形成密度高、均匀性好的硬质涂层。本涂层装置中，能够将不同规格型号的待涂层金属管放入真空腔体内进行涂层，适用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例用于在大长径比金属管内沉积硬质涂层的装置的结构示意图；

其中：1-真空腔体；2-空心阴极电子枪；3-待涂层金属管；4-偏压电源；5-磁场发生装置；6-辅助阳极；7-磁控溅射靶；8-真空泵；9-工作气体管路；10-工艺气体管路；11-支撑架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1、

如图1所示，本实施例提供一种用于在大长径比金属管内沉积硬质涂层的装置，包括真空腔体1、供气系统、离子发生装置、支撑架11、电源、磁场发生装置5、真空泵8、偏压电源4和加热装置。

其中，真空腔体1为封闭腔体；供气系统用于向真空腔体1提供工作气体和工艺气体，工作气体为惰性气体；离子发生装置包括空心阴极电子枪2和辅助阳极6，空心阴极电子枪2和辅助阳极6均安装于真空腔体1内，空心阴极电子枪2和辅助阳极6的中心均与待涂层金属管3的轴线重合；支撑架11固定于真空腔体1内，支撑架11置于空心阴极电子枪2和辅助阳极6之间，支撑架11用于支撑待涂层金属管3；空心阴极电子枪2与电源的负极电连接，辅助阳极6与电源的正极电连接，电源通电后用于使空心阴极电子枪2产生辉光放电；磁场发生装置5用于产生沿待涂层金属管3轴线方向的磁场，使辉光放电产生的离子向待涂层金属管3轴线方向移动而形成等离子体光柱；真空泵8与真空腔体1相连；偏压电源4与真空腔体1相连，偏压电源4用于在镀膜过程中为待涂层金属管3提供负电压；加热装置安装于真空腔体1内。

使用时，通过真空泵8保证真空腔体1内达到所要求的真空环境，将带涂层金属管放入真空腔体1的支撑架11上，打开加热装置，保证空心阴极电子枪2和辅助阳极6的中心与待涂层金属管3的轴线重合；通过空心阴极电子枪2向真空腔体1内通入工作气体，打开电源使空心阴极电子枪2和辅助阳极6通电，真空腔体1内的压力随着通入工作气体的通入而升高，当气压满足气体点燃条件后，空心阴极电子枪2会产生辉光防电；然后打开磁场发生装置5，通过磁场的聚集作用，可在空心阴极电子枪2和辅助阳极6之间形成工作气体等离子体光柱，并使等离子体光柱穿过待涂层金属管3；打开偏压电源4，对待涂层金属管3进行离子清洗，随后，向真空腔体1内通入工艺气体，工艺气体电离产生工艺气体离子，工艺气体离子受磁场的影响向等离子体光柱移动。涂层过程中，离子沉积速度快，并且能够在金属管内表面上形成密度高、均匀性好的硬质涂层。本涂层装置中，能够将不同规格型号的待涂层金属管3放入真空腔体1内进行涂层，适用范围广。

为了适用不同离化源，满足形成不同类型硬质涂层的需求，以进一步扩大适用范围，本实施例的供气系统包括工作气体供应系统和工艺气体供应系统，工作气体供应系统包括工作气体罐，工作气体罐通过工作气体管路9与空心阴极电子枪2连通，工艺气体供应系统包括工艺气体罐、进气管道和气体喷头，工艺气体罐与进气管道通过工艺气体管路10连通，进气管道固定于真空腔体1内，进气管道与待涂层金属管3的轴线平行，气体喷头与进气管道连通。

为了进一步提高涂层均匀性和密度，以及离子沉积的速度，本实施例中，气体喷头为多个，多个气体喷头沿进气管道长度方向均匀布置，进气管道为多个，多个进气管道以待涂层金属管3的轴线为中心周向均匀布置。在待涂层金属管3的轴向方向均匀布置的进气管道通过在进气管道上均匀布置的气体喷头，可以在等离子体光柱的各个方向喷出气体，能够进一步地提高涂层的速度，并保证涂层的均匀性和密度。

为了避免支撑架11对空心阴极电子枪2与辅助阳极6之间形成等离子体光柱进行阻挡，以保证等离子体光柱的形成，本实施例中，支撑架11为u型，支撑架11的开口方向朝向真空腔体1的底面。

本实施例中，工作气体罐中的工作气体为ar，工艺气体罐内为两个，两个工艺气体罐的工艺气体分别为c2h2、tms，具体涂层步骤如下：

1.首先将待涂层金属管3在酒精与丙酮中分别清洗5min和15min，风干后置于支撑架11上；

2.预抽真空腔体1的真空至5×10^-3pa；

3.打开加热装置，预热至100℃；

4.通入工作气体至真空腔体1，使分压达到3×10^-1pa；

5.打开空心阴极电子枪2、辅助阳极6和磁场发生装置5，调节空心阴极电子枪2的工作电流为70a、磁场发生装置5的工作电流10a、加500v偏压对待涂层金属管3进行离子清洗10min，去除其表面的杂质大颗粒及氧化污染物，同时改善其粗糙度，形成有利于过渡层的附着条件；

6.然后调节工件偏压为100v，先通入tms工艺气体形成含si的过渡层，再通入c2h2工艺气体形成dlc层，能够实现在金属管内壁沉积dlc涂层。

实施例2、

本实施例提供一种用于在大长径比金属管内沉积硬质涂层的装置，其与实施例1中的结构大致相同，区别在于：本实施例还包括磁控溅射靶7，磁控溅射靶7与待涂层金属管3的轴线平行，磁控溅射靶7为多个，多个磁控溅射靶7以待涂层金属管3的轴线为中心周向均匀布置，磁控溅射靶7固定于真空腔体1内且置于进气管道靠近真空腔体1侧壁的一侧，磁控溅射靶7的靶材为gr，工作气体为ar，工艺气体罐中的工艺气体为n2，具体涂层步骤如下：

步骤1～5与实施例1中相同；

6.打开磁控溅射靶7，调节空心阴极电子枪2的工作电流为30a，通入n2至腔体压强为1pa至3pa，调节工件偏压为100v，能够实现在金属管内壁沉积crn涂层。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。