本發(fā)明屬于管內(nèi)壁薄膜沉積領(lǐng)域，具體來(lái)講是一種沉積管內(nèi)壁涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備。
背景技術(shù)：
：電弧離子鍍(aip)作為一種相對(duì)較新的物理氣相沉積(pvd)薄膜的技術(shù)(也稱為真空弧光蒸鍍、多弧離子鍍)由于鍍層質(zhì)量高、結(jié)合力好、成膜均勻、沉積速率快等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械工業(yè)、冶金、高溫防護(hù)、裝飾材料等方面得到廣泛應(yīng)用。電弧離子鍍的基本組成包括真空鍍膜室、陰極弧源、工件、真空系統(tǒng)等。電弧離子鍍的技術(shù)原理主要基于冷陰極真空放電理論，陰極弧源產(chǎn)生的金屬等離子體自動(dòng)維持陰極和鍍膜室之間的弧光放電，弧斑的電流密度可達(dá)105～107a/cm2。在陰極附近形成的金屬等離子體主要由電子、正離子、熔滴和中性金屬原子組成，其中原子僅占很小比例，一般低于2％。對(duì)于單元素金屬靶材，離子比例大約可達(dá)30％～100％，離子的動(dòng)能一般在10ev～100ev范圍內(nèi)。長(zhǎng)期以來(lái)，電弧離子鍍的研究集中在刀具、各種軸類、葉片等工件外表面沉積硬質(zhì)涂層、裝飾涂層、防護(hù)涂層方面，對(duì)于內(nèi)表面的鍍膜技術(shù)研究甚少。而在工業(yè)應(yīng)用中，需要對(duì)內(nèi)表面做改性處理的工件還有很多，尤其是管內(nèi)壁的表面改性，例如：輸油管道、化工管道、汽車的汽缸套、管狀模具、各種槍管、炮筒等。這些工件因未經(jīng)過有效的內(nèi)表面改性，常常造成內(nèi)壁的磨損和腐蝕而失效。因此研究出一種切實(shí)有效的電弧離子鍍沉積管內(nèi)壁涂層的技術(shù)，是電弧離子鍍領(lǐng)域亟待解決的難題之一。對(duì)于電弧離子鍍沉積管內(nèi)壁涂層，其困難主要在于，由于口徑較小的管口對(duì)于等離子體具有屏蔽作用，陰極弧源噴射出的等離子體的濃度在管內(nèi)空腔隨著管深的增加而逐漸降低，不能得到連續(xù)均勻的薄膜。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種沉積管內(nèi)壁涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，在現(xiàn)有電弧離子鍍膜設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在深管內(nèi)壁上制備出均勻、連續(xù)涂層的要求的沉積管內(nèi)壁涂層。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：一種沉積管內(nèi)壁涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，該設(shè)備包括置于真空室內(nèi)的管狀等離子靶材、管狀真空聚焦永磁體、等離子弧引弧裝置；其中，管狀等離子靶材的兩端通過絕緣密封法蘭與真空室殼連接上，管狀工件非接觸套于管狀等離子靶材上，兩組以上的管狀真空聚焦永磁體在管狀等離子靶材管內(nèi)沿管向按反向磁極順序排放，聚焦控制分布電弧，離化弧靶材料。所述的沉積管內(nèi)壁涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，等離子弧引弧裝置通過絕緣密封法蘭安裝在真空室上，等離子弧引弧裝置包括露于真空室外部的旋轉(zhuǎn)柄以及位于真空室內(nèi)與旋轉(zhuǎn)柄連接的引弧針，等離子弧引弧裝置通過引弧針與直流電源的負(fù)極相通，等離子弧引弧裝置通過旋轉(zhuǎn)觸發(fā)引弧。所述的沉積管內(nèi)壁涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，真空室殼體與管狀等離子靶材之間連接有直流電源，真空室殼體與直流電源的正極相連，管狀等離子靶材與直流電源的負(fù)極相連，管狀等離子靶材兩端連接偱環(huán)水冷卻裝置。所述的沉積管內(nèi)壁涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，絕緣密封法蘭包括一面凹形的法蘭i與一面凸形的法蘭ii，法蘭i的凹形面與法蘭ii的凸形面相對(duì)應(yīng)，形成凹凸配合中間非接觸結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是：按管狀等離子弧源靶中描述的設(shè)計(jì)思想，電弧離子鍍沉積管內(nèi)壁涂層技術(shù)需要一定直徑非導(dǎo)磁金屬管作為電弧離子鍍管狀靶源。在管狀真空電弧離子鍍膜設(shè)備上，制作兩個(gè)與真空室和非導(dǎo)磁金屬管靶材(管狀等離子靶材)連接的絕緣密封法蘭，永磁體分布于非導(dǎo)磁金屬管靶材內(nèi)，即等離子體聚焦磁場(chǎng)。非導(dǎo)磁金屬管靶材兩端連接偱環(huán)水，連接直流電源，等離子弧引弧采取絕緣旋轉(zhuǎn)觸發(fā)。管狀電弧非導(dǎo)磁金屬靶引入等離子體到待沉積工件內(nèi)測(cè)區(qū)域，把由陰極弧源噴射出的等離子體流完全引入待沉積工件內(nèi)腔，通過冷卻永磁體和管狀等離子體弧源靶材設(shè)計(jì)及永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度束縛弧斑，使管內(nèi)空腔的等離子體濃度和均勻度得到有效提高，進(jìn)而在管內(nèi)壁上沉積出連續(xù)均勻的薄膜。本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果：1、本發(fā)明的電弧離子鍍沉積管內(nèi)壁涂層的設(shè)備解決由于口徑較小的管口對(duì)于等離子體具有屏蔽的作用，造成陰極弧源噴射出的等離子體的濃度在管內(nèi)空腔隨著管深的增加而逐漸降低，不能得到連續(xù)均勻薄膜的問題。2、本發(fā)明沉積管內(nèi)壁涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，其裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用材料常見且成本低廉，加工容易實(shí)現(xiàn)。3、由于電弧離子鍍本身具有離子動(dòng)能大、成膜質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，因此采用本發(fā)明沉積管內(nèi)壁涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備制備出的管內(nèi)壁涂層致密、均勻性好。4、本發(fā)明等離子體聚焦磁場(chǎng)不僅可以對(duì)管內(nèi)壁方向飛來(lái)的離子流進(jìn)行聚焦，同時(shí)也可以對(duì)陰極弧源周圍一定范圍內(nèi)的離子聚焦，大大提高離子的利用率，進(jìn)而提高管內(nèi)壁鍍膜的沉積速率。5、本發(fā)明真空殼體兩端采用真空絕緣密封法蘭設(shè)計(jì)，此結(jié)構(gòu)絕緣抗電弧燒損其真空密封部位電位相對(duì)弧電極真空殼體懸浮電位。此無(wú)電弧產(chǎn)生管內(nèi)有冷卻水溫度低。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明沉積管內(nèi)壁涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備示意圖；圖2為本發(fā)明管外絕緣密封法蘭結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)引弧結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1真空室，2管狀工件，3管狀等離子靶材，4絕緣密封法蘭，5管狀真空聚焦永磁體，6直流電源，7等離子弧引弧裝置，8旋轉(zhuǎn)柄，41法蘭i，42法蘭ii。具體實(shí)施方式下面，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：如圖1～圖3所示，本發(fā)明沉積管內(nèi)壁涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，包括置于真空室1內(nèi)的管狀等離子靶材3、管狀真空聚焦永磁體5、等離子弧引弧裝置7；其中，管狀等離子靶材3的兩端通過絕緣密封法蘭4與真空室1外殼連接上，管狀工件2非接觸套于管狀等離子靶材3上，兩組以上的管狀真空聚焦永磁體5在管狀等離子靶材管內(nèi)沿管向按反向磁極順序排放，聚焦控制分布電弧，離化弧靶材料。如圖3所示，等離子弧引弧裝置7通過絕緣密封法蘭安裝在真空室1上，等離子弧引弧裝置7包括露于真空室外部的旋轉(zhuǎn)柄8以及位于真空室內(nèi)與旋轉(zhuǎn)柄連接的引弧針，等離子弧引弧裝置7通過引弧針與直流電源6的負(fù)極相通，等離子弧引弧裝置7通過旋轉(zhuǎn)觸發(fā)引弧。真空室1殼體與管狀等離子靶材3之間連接有直流電源，真空室殼體與直流電源的正極相連，管狀等離子靶材與直流電源的負(fù)極相連，管狀等離子靶材兩端連接偱環(huán)水冷卻裝置。如圖2所示，絕緣密封法蘭4包括一面凹形的法蘭i41與一面凸形的法蘭ii42，法蘭i41的凹形面與法蘭ii42的凸形面相對(duì)應(yīng)，形成凹凸形側(cè)面配合、中間(底面)非接觸結(jié)構(gòu)。實(shí)施例本實(shí)施例中，φ30×100mm不銹鋼管材內(nèi)壁沉積純銅涂層，具體步驟如下：步驟1、按照本發(fā)明結(jié)構(gòu)，電弧離子鍍沉積管內(nèi)壁涂層技術(shù)需要一定直徑銅管作為電弧離子鍍管狀銅靶源。在管狀真空電弧離子鍍膜設(shè)備上，制作兩個(gè)與真空室和銅靶材連接的絕緣密封法蘭，裝配如圖1所示連接，永磁體分布銅管內(nèi)，即等離子體聚焦磁場(chǎng)。銅管兩端連接偱環(huán)水，接直流電源，等離子弧引弧采取絕緣旋轉(zhuǎn)觸發(fā)方法。步驟2、真空室管外壁連接直流電源正極，管狀等離子銅靶材連接直流電源負(fù)極，等離子弧引弧裝置連接直流電源正極。每組機(jī)構(gòu)獨(dú)立絕緣安裝組成，每一組采用真空方式與真空室組裝。步驟3、清洗管內(nèi)壁，采用的是φ30×100mm不銹鋼管材。鍍膜前，用蘸有酒精的脫脂棉擦拭內(nèi)表面，然后放入去離子水中超聲20min。洗凈吹干后，裝夾在管外壁梯度導(dǎo)向磁場(chǎng)線圈的內(nèi)部。為了方便表征膜厚，將拋光、清洗后的不銹鋼樣片(5×10×1mm)上的一側(cè)用油性筆畫出一條，并自左向右依此擺放在管子下部，由管口向內(nèi)部依次編號(hào)為1～10。步驟4、管內(nèi)壁沉積涂層。按照表1中給定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)提前為等離子體聚焦通電，當(dāng)真空室本底真空抽至6×10-3pa時(shí)，引入ar，使得真空室壓強(qiáng)穩(wěn)定在0.3～0.4pa，對(duì)陰極弧源引弧，弧流60a，弧壓20v左右，穩(wěn)定放電后開始記錄時(shí)間，鍍膜時(shí)間90min，鍍膜完成后關(guān)閉直流電源。步驟5、冷卻取出樣品。當(dāng)管內(nèi)壁附近溫度低于40℃時(shí)，放氣，取出樣品。步驟6、最后表征膜厚分布。將管內(nèi)部的不銹鋼樣片傾倒出來(lái)，擦去油性筆留下的痕跡，即可得到臺(tái)階，通過臺(tái)階儀測(cè)量膜厚。將通過上述實(shí)驗(yàn)步驟得到的管內(nèi)壁鍍膜沿管深方向膜厚的分布，同沒有采用本發(fā)明技術(shù)的普通方法得到的膜厚比較，實(shí)驗(yàn)情況及結(jié)果描述如下：采用普通方法沉積的管內(nèi)壁薄膜在長(zhǎng)度達(dá)到50mm后，涂層幾乎不可見；而采用本發(fā)明的薄膜在0～100mm范圍內(nèi)均沉積上有效厚度的涂層。同時(shí)，采用本發(fā)明制備的管內(nèi)壁涂層，在100mm長(zhǎng)的管道內(nèi)部形成比較均勻、連續(xù)的薄膜，其膜厚同普通方法的膜厚相比波動(dòng)變化較小。也就是說(shuō)，采用本發(fā)明沉積得到的管內(nèi)壁涂層不僅成膜深度有效提高，且均勻性好。表1實(shí)施例管內(nèi)壁鍍膜的沉積參數(shù)鍍膜參數(shù)值磁場(chǎng)參數(shù)值本底真空p06×10-3pa聚焦磁場(chǎng)電流i04a工作氣氛ar導(dǎo)向線圈1電流i10.2a壓強(qiáng)p0.3～0.4pa導(dǎo)向線圈2電流i20.5a弧流i60a導(dǎo)向線圈3電流i31.0a弧壓u～20v沉積時(shí)間t90min當(dāng)前第1頁(yè)12