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電弧離子鍍膜裝置的制作方法

文檔序號(hào):3372780閱讀:269來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:電弧離子鍍膜裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型屬于材料表面改性領(lǐng)域,涉及一種用于長(zhǎng)管內(nèi)壁鍍膜的磁場(chǎng)和電場(chǎng)增 強(qiáng)的電弧離子鍍膜裝置。
技術(shù)背景在工業(yè)應(yīng)用中有大量金屬工件的內(nèi)表面需要改性處理,特別是對(duì)于管件,例如油 田上的抽油泵泵筒、輸油管道、化工管道、汽車汽缸套,以及軍事領(lǐng)域,特別是海軍艦艇上配 置的艦炮炮管以及魚雷發(fā)射管等在惡劣環(huán)境下工作的內(nèi)壁亟待強(qiáng)化處理的管狀零部件,普 通處理方法無(wú)法滿足其表面強(qiáng)化要求。這些工件常因內(nèi)壁磨損、腐蝕、氧化而發(fā)生早期失 效,因此開發(fā)具有抗磨損、抗腐蝕、抗氧化的表面改性技術(shù)及工藝,是目前表面改性領(lǐng)域急 需解決的難題。相比于工件的外表面而言,管狀工件內(nèi)壁改性處理主要存在以下幾個(gè)技術(shù)難題 一是受到內(nèi)腔形狀和尺寸的限制,一些處理方法很難實(shí)施,或者是即使能實(shí)施也很難得到 良好的改性效果,尤其是對(duì)于一些細(xì)長(zhǎng)的管件更是如此。二是受到內(nèi)腔形狀和尺寸的限制, 一些處理介質(zhì)很難進(jìn)入管腔內(nèi)部,或者是即使進(jìn)入也難以保證改性層的均勻性。三是受到 內(nèi)腔形狀和尺寸的限制,改性層與管壁的結(jié)合強(qiáng)度不高,限制了其使役性能的發(fā)揮。對(duì)于金屬管內(nèi)壁改性,最早人們提出用電鍍和化學(xué)鍍進(jìn)行處理。但是化學(xué)鍍由于 常常使用有害化學(xué)藥品,對(duì)環(huán)境有害,且鍍層致密性較差;電鍍盡管減少使用有害的化學(xué)藥 品,且鍍層致密性優(yōu)于化學(xué)鍍,但是仍存在使用過(guò)程中結(jié)合較差而易剝落的問(wèn)題。以色列公布了一項(xiàng)采用化學(xué)氣相沉積在管內(nèi)壁沉積涂層的方法(4764398) (Method of depositing coatings on the inner surface of a tube by chemical vapor d印osition),并獲得美國(guó)專利,但其主要用于沉積太陽(yáng)能吸收涂層。德國(guó)萊茵金屬公司的一項(xiàng)爆炸噴涂制備深管涂層工藝技術(shù)獲得美國(guó)專利 (6183820)(Method of internally coating a metal tube by explosive evaporation of the coating substance)。其核心思想是利用炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的高壓火藥氣體將熔點(diǎn)高、 耐燒蝕的金屬“冷焊接”在身管內(nèi)膛表面上。但該技術(shù)對(duì)管內(nèi)壁涂層的均勻性還有待解決。德國(guó)Christian發(fā)明的利用激光熔覆技術(shù)在火炮身管內(nèi)膛制備涂層的方法 (Method of internally coating a weapon barrel by means of a laser beam),獲得 了美國(guó)專利(us 6548125B2),其基本原理是利用激光照射已涂敷在身管內(nèi)膛上的鈮、鉬或 鉭等高熔點(diǎn)金屬,使涂敷金屬和身管基體金屬熔化并融合在一起,從而增強(qiáng)炮膛耐燒蝕能 力"激光加工頭在炮膛內(nèi)可軸向移動(dòng),滿足炮膛全長(zhǎng)度或部分所需部段上耐燒蝕涂層的制 備。但該技術(shù)對(duì)管內(nèi)壁涂層的均勻性還有待解決,且當(dāng)管腔尺寸較小或有彎曲形狀時(shí)激光 束無(wú)法完成照射而使得此方法無(wú)法實(shí)施。近年來(lái)提出了等離子體浸沒離子注入表面改性方法。其基本原理是管筒放在 真空室內(nèi),真空室內(nèi)產(chǎn)生等離子體,等離子體通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入到管筒內(nèi),然后在管上施加負(fù) 偏壓,這樣離子就被加速注入工件表面。由于管內(nèi)等離子體是靠擴(kuò)散進(jìn)入的,密度梯度(密度不均勻性)是必然的。后來(lái)有人提出了內(nèi)部射頻等離子體源的方法,如美國(guó)專利 5693376公開了筒型表面等離子體離子注入與沉積方法(Method for plasma source ion implantation and deposition for cylindrical surfaces),禾丨J用中心電極華禹合身寸步頁(yè)功 率來(lái)獲得管內(nèi)部的等離子體,同時(shí)被處理的管上施加負(fù)偏壓進(jìn)行離子注入或沉積。由于 在管上施加負(fù)偏壓時(shí)管內(nèi)部沒有嵌位的地電極,離子的注入能量不可能很高。為此中國(guó)專 利ZL01115523. X公開了一種新的結(jié)構(gòu)(一種管狀工件內(nèi)表面改性的方法),在管筒內(nèi)部 中心加入一個(gè)射頻天線,外套網(wǎng)狀金屬地電極。注入高壓施加在網(wǎng)狀地電極和管筒工件之 間。等離子體在中心射頻電極和地電極間產(chǎn)生,等離子體擴(kuò)散出來(lái),被負(fù)高壓吸引獲得管筒 內(nèi)壁的離子注入效應(yīng),從而有效實(shí)現(xiàn)離子注入。但該專利由于在管內(nèi)部加入了中心射頻電 極和地電極,使得處理的管筒直徑不可能較小。為進(jìn)一步改進(jìn)等離子的均勻性,中國(guó)專利 200910071869. 4公開了一種新的方法(電感耦合等離子體管筒內(nèi)表面離子注入改性裝置 及方法),通過(guò)在管筒內(nèi)設(shè)置螺線管,使其產(chǎn)生軸向均勻的等離子體,同時(shí)螺線管起到地電 極鉗制電位的作用,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑更細(xì)的管筒內(nèi)進(jìn)行離子注入處理。但該專利由于在管 內(nèi)部設(shè)置螺線管,仍限制了對(duì)管徑較小的管壁進(jìn)行處理。盡管等離子體浸沒離子注入在一定程度上解決了管內(nèi)壁改性處理的技術(shù)難題,使 得改性質(zhì)量得到了很大改善,但仍存在一些問(wèn)題有待解決。主要是離子注入層較淺,目前能 注入的元素僅限于N元素,且表面強(qiáng)化效果有限(主要是注入層的硬度較低),仍不能滿足 日益苛刻的應(yīng)用需求。作為材料表面改性領(lǐng)域的離子鍍膜技術(shù),在上世紀(jì)80年代在工具、模具及金屬零 件表面成功沉積TiN等硬質(zhì)薄膜,極大提高了這些部件的性能和使用壽命,并在工業(yè)生產(chǎn) 中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。尤其是電弧離子鍍技術(shù)(又稱為多弧離子鍍技術(shù)),由于具有離 化率高(目前是離化率最高的真空鍍膜技術(shù),可達(dá)70 80% )、沉積速率快、繞鍍性好、膜 基結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工模具表面改性。而這一技術(shù)主要應(yīng)用在工具、模具及金 屬零件的外表面,而對(duì)于金屬管件內(nèi)壁的鍍膜處理,則是目前急需開發(fā)解決的技術(shù)難題。管狀工件內(nèi)壁鍍膜的困難在于等離子體在向長(zhǎng)管內(nèi)部擴(kuò)散過(guò)程中,由于等離子體 流的發(fā)散很容易在距離管口附件的位置沉積成膜,隨著等離子體在成膜過(guò)程中的不斷消 耗,等離子體密度將隨管子深度不斷下降,因此越往深處則成膜越困難。一般來(lái)講,即使采 用離化率最高的電弧離子鍍技術(shù),也只能得到與管孔直徑一樣的鍍膜深度,即得到1 1的 鍍膜深徑比。最近有研究(石昌侖,張敏,林國(guó)強(qiáng).脈沖負(fù)偏壓對(duì)電弧離子鍍深管內(nèi)壁沉積 TiN薄膜的影響.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2007,27 (6) :517_521)表明,在電弧離子鍍過(guò)程中 采用脈沖負(fù)偏壓,可以使鍍膜深度達(dá)到管徑的1.4倍,即得到1.4 1的鍍膜深徑比。但僅 使用脈沖負(fù)偏壓仍無(wú)法達(dá)到更深的深度,無(wú)法解決那些長(zhǎng)管深度與直徑比大于1. 4的大多 數(shù)管狀零部件內(nèi)壁的性能和使用壽命等問(wèn)題。最近也有中國(guó)專利(200910303933.7)公開 了一種深孔內(nèi)壁電弧離子鍍膜方法,主要是采用在管狀工件周圍放置永久磁鐵的方法形成 不均勻磁場(chǎng),使得等離子體流定向流動(dòng)得到增強(qiáng),從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)管深徑比2.0以上的深孔內(nèi) 壁鍍膜,以提高其抗磨損、抗腐蝕等性能和使用壽命的目的。但是僅使用永久磁鐵存在的問(wèn) 題有二 一是使得等離子體束流周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度不能針對(duì)各種尺寸的長(zhǎng)管內(nèi)壁實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí) 調(diào)整,參數(shù)可控性差;二是永久磁鐵產(chǎn)生的不均勻磁場(chǎng)造成對(duì)等離子體流擴(kuò)散到不同位置 時(shí)的約束能力相差較大,造成內(nèi)壁鍍膜均勻性差;三是對(duì)于長(zhǎng)管深徑比2. 5以上時(shí)鍍膜仍面臨很大困難。 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于長(zhǎng)管內(nèi)壁鍍膜的磁場(chǎng)和電場(chǎng)增強(qiáng)的電弧離 子鍍膜裝置,解決電弧離子鍍?cè)陂L(zhǎng)管內(nèi)壁鍍膜等問(wèn)題。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種電弧離子鍍膜裝置,該電弧離子鍍膜裝置設(shè)有真空室、工件磁場(chǎng)線圈支撐圓 筒I、工件磁場(chǎng)線圈、工件輔助電極、等離子體束流I、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I、 等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈I、陰極靶I、陰極靶電源、脈沖偏壓電源和工件臺(tái),具體結(jié)構(gòu)如 下真空室內(nèi)設(shè)置工件、工件磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I、工件磁場(chǎng)線圈、工件輔助電極和工 件臺(tái),工件磁場(chǎng)線圈設(shè)置于工件磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I的外側(cè),工件磁場(chǎng)線圈和工件磁場(chǎng)線 圈支撐圓筒I設(shè)置于工件臺(tái)上,工件輔助電極的一端伸至工件的工件內(nèi)孔中,電極的另一 端通過(guò)導(dǎo)線連至脈沖偏壓電源的正極,工件臺(tái)通過(guò)導(dǎo)線連至脈沖偏壓電源的負(fù)極;真空室的一側(cè)設(shè)置等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈 I、陰極靶I,等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈I設(shè)置于等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I的外側(cè), 陰極靶I的一端伸至等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I中,陰極靶電源的正極連接真空室 的外殼,陰極靶電源的負(fù)極連接陰極靶I。所述的電弧離子鍍膜裝置,還包括陰極靶II、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈II、等離子體 聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒II,真空室的另一側(cè)設(shè)置陰極靶II、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈II、等離 子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒II,等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈II設(shè)置于等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支 撐圓筒II的外側(cè),陰極靶II的一端伸至等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒II中。所述的電弧離子鍍膜裝置,工件磁場(chǎng)線圈的磁場(chǎng)采用均勻磁場(chǎng)或梯度磁場(chǎng)。所述的電弧離子鍍膜裝置,陰極靶I與陰極靶II共用陰極靶電源。本實(shí)用新型的核心思想是為了有效改善等離子體的利用效率,在等離子體束流從陰極靶材表面噴射出來(lái) 后,即采用磁場(chǎng)與等離子體的交互作用,對(duì)等離子體束流進(jìn)行聚焦,以減少等離子體在傳輸 過(guò)程中的損失程度;而且在等離子束流進(jìn)入管腔內(nèi)時(shí)也采用磁場(chǎng)對(duì)等離子體束流進(jìn)行引 導(dǎo),防止等離子體過(guò)早沉積到近管口的內(nèi)壁表面;同時(shí)為了保證等離子體進(jìn)入管腔內(nèi)壁均 勻沉積,采用梯度磁場(chǎng)對(duì)等離子體進(jìn)行控制,在近管口處使磁感應(yīng)強(qiáng)度較大,以保證等離子 體束流能擴(kuò)散到管腔深處,隨著與管口距離增加,磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小,從而在很大程度上 保證管腔內(nèi)壁沉積的均勻性。此外,為了加強(qiáng)離子與內(nèi)壁的良好結(jié)合,在管腔內(nèi)部設(shè)置脈沖 電場(chǎng),在管壁施加脈沖負(fù)偏壓對(duì)正離子進(jìn)行加速。同時(shí),脈沖電場(chǎng)的頻率選擇則要考慮到等 離子體擴(kuò)散速率(約104m/s),既要保證等離子體能擴(kuò)散到管腔內(nèi)部,又能保證負(fù)偏壓電場(chǎng) 對(duì)離子的加速,以保證薄膜與管內(nèi)壁的良好結(jié)合。本實(shí)用新型的有益效果是1、本實(shí)用新型采用磁場(chǎng)對(duì)等離子體束流的傳輸和在工件內(nèi)腔內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)行聚焦和 約束,在很大程度上保證了等離子體束流的利用效率。2、本實(shí)用新型采用電磁線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)來(lái)約束等離子體,通過(guò)調(diào)整電磁線圈的
5電流大小來(lái)調(diào)整磁感應(yīng)強(qiáng)度,參數(shù)可調(diào)方便,使得電磁場(chǎng)對(duì)等離子體束流的聚焦和約束變 得容易控制。3、本實(shí)用新型采用磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度變化的梯度磁場(chǎng)施加在工件外面,可在工件內(nèi) 部產(chǎn)生梯度磁場(chǎng),在很大程度上保證了等離子體束流在工件內(nèi)腔的擴(kuò)散,使得內(nèi)壁表面鍍 膜均勻性大大提高。4、本實(shí)用新型解決了電弧離子鍍?cè)陂L(zhǎng)管內(nèi)壁鍍膜的技術(shù)難題,與常規(guī)的鍍膜工藝 相比,鍍膜深度可從1倍于管孔直徑提高到2. 5倍以上,即鍍膜深徑比達(dá)到2. 5以上;采用 磁場(chǎng)和電場(chǎng)與等離子體交互作用,有效提高了在管狀工件內(nèi)壁鍍膜的均勻性和沉積質(zhì)量, 尤其適用于以內(nèi)壁作為服役表面的管狀工件的離子鍍膜表面改性,有效提高其使用壽命。

圖1是本實(shí)用新型的采用均勻磁場(chǎng)和電場(chǎng)增強(qiáng)的電弧離子鍍沉積裝置及管狀工 件相對(duì)位置擺放示意圖,其中管狀工件為盲孔結(jié)構(gòu)。圖2是本實(shí)用新型的采用梯度磁場(chǎng)和電場(chǎng)增強(qiáng)的電弧離子鍍沉積裝置示意圖,其 中管狀工件為盲孔結(jié)構(gòu),在工件外圍設(shè)置梯度磁場(chǎng),梯度磁場(chǎng)由若干個(gè)電磁線圈組成,磁感 應(yīng)強(qiáng)度分別調(diào)整,且其大小沿著等離子體束流方向逐漸減小。圖3是本實(shí)用新型的采用均勻磁場(chǎng)和電場(chǎng)增強(qiáng)的電弧離子鍍沉積裝置及管狀工 件相對(duì)位置擺放示意圖,其中管狀工件為通孔結(jié)構(gòu)。圖4是本實(shí)用新型的采用梯度磁場(chǎng)和電場(chǎng)增強(qiáng)的電弧離子鍍沉積裝置示意圖,其 中管狀工件為通孔結(jié)構(gòu),在工件外圍設(shè)置梯度磁場(chǎng),梯度磁場(chǎng)由若干個(gè)電磁線圈組成,磁感 應(yīng)強(qiáng)度分別調(diào)整,且其大小沿著等離子體束流方向逐漸減小。圖中,1真空室;2工件磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I ;3工件磁場(chǎng)線圈;4工件(模具);5 工件內(nèi)孔;6工件輔助電極;7等離子體束流I ;8等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I ;9等 離子體聚焦磁場(chǎng)線圈I ;10陰極靶I ;11陰極靶電源(陰極靶I與陰極靶II共用);12脈 沖偏壓電源;13工件臺(tái);14陰極靶II ;15等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈II ;16等離子體聚焦磁場(chǎng) 線圈支撐圓筒II ;17等離子體束流II。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型是通過(guò)在電弧離子鍍過(guò)程中采用磁場(chǎng)約束和控制等離子體束流運(yùn)動(dòng) 軌跡,利用電場(chǎng)對(duì)等離子體實(shí)現(xiàn)加速定向流動(dòng),以及增強(qiáng)管孔內(nèi)壁表面的等離子鞘層加速 等離子體在管內(nèi)的擴(kuò)散,從而實(shí)現(xiàn)等離子體在管內(nèi)壁沉積薄膜的目的。本實(shí)用新型采用金屬純鈦靶,將具有管狀結(jié)構(gòu)的工件清洗干燥后放入電弧離子鍍 沉積裝置的真空室中,抽真空至真空室內(nèi)真空度達(dá)到5X10_3Pa IX 10_2Pa時(shí),通氬氣、氣 壓控制在0. 5 IPa之間,調(diào)節(jié)聚束磁場(chǎng)線圈電流為0. 5 10A,磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為20 2000高斯,工件加負(fù)偏壓-500V -1000V范圍,對(duì)工件進(jìn)行輝光清洗5 10分鐘;然后,調(diào) 整Ar氣流量,使真空室氣壓調(diào)整為0. 2 0. 6Pa,同時(shí)開啟鈦弧,對(duì)樣品繼續(xù)進(jìn)行Ti+離子 轟擊1 5分鐘;調(diào)整基體偏壓為-100 -600V范圍,通氮?dú)?,調(diào)整氣壓為0. 1 1. OPa ; 調(diào)節(jié)引束磁場(chǎng)線圈電流為0. 3 8A,磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍為10 1500高斯,鍍膜時(shí)間為20 60分鐘。沉積結(jié)束后,迅速關(guān)閉基體偏壓,關(guān)閉鈦弧電源開關(guān),停止氣體通入,繼續(xù)抽真空至工件隨爐冷卻至50°C以下,鍍膜過(guò)程結(jié)束,打開真空室,取出工件。本實(shí)用新型中,在電弧離子鍍中采用磁場(chǎng)約束和控制等離子體束流運(yùn)動(dòng)軌跡,采 用電弧離子鍍沉積裝置,電弧離子鍍沉積裝置設(shè)置有兩套磁場(chǎng)發(fā)生裝置,一套放在真空室 外的等離子體傳輸通道上,即用磁場(chǎng)對(duì)等離子體束流進(jìn)行聚焦,約束等離子體束流傳輸時(shí) 的橫截面直徑和傳輸效率(稱為聚束場(chǎng)),另一套放置于真空室內(nèi)的管狀工件外側(cè),引導(dǎo)等 離子體束流沿著管狀工件中心軸向方向擴(kuò)散(稱為引束場(chǎng));所述的在電弧離子鍍中利用 電場(chǎng)對(duì)等離子體實(shí)現(xiàn)加速定向流動(dòng),是在工件內(nèi)部設(shè)置脈沖電場(chǎng)。本實(shí)用新型中,放置于真空室外的等離子體傳輸通道上的磁場(chǎng)發(fā)生裝置為一個(gè)電 磁線圈,線徑0. 3 2. 5mm,纏繞密度為10 100匝/mm,電磁線圈用支撐筒支撐,支撐筒內(nèi) 徑為200 300mm,長(zhǎng)度為200 400mm。本實(shí)用新型中,放置于真空室內(nèi)的管狀工件外側(cè)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置為一個(gè)電磁線 圈,電磁線圈與長(zhǎng)管內(nèi)壁同軸,線徑0. 5 2. 0mm,纏繞密度為5 50匝/mm,電磁線圈用支 撐筒支撐,支撐筒內(nèi)徑為50 200mm,長(zhǎng)度為100 500mm。通過(guò)調(diào)節(jié)電磁線圈電流的大小 來(lái)調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。本實(shí)用新型中,放置于真空室內(nèi)的管狀工件外側(cè)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置為2 10個(gè)電磁 線圈,線徑0. 7 2. 0mm,纏繞密度為5 50匝/mm,這些電磁線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度通過(guò)分別調(diào) 整其電磁線圈電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn),且其磁感應(yīng)強(qiáng)度大小沿著等離子體束流方向逐漸減小, 從而構(gòu)成一個(gè)梯度磁場(chǎng)。電磁線圈用支撐筒支撐,支撐筒內(nèi)徑為50 300mm,長(zhǎng)度為100 500mmo本實(shí)用新型中,電磁線圈的電流形式是直流、交流或脈沖的,電流大小通過(guò)調(diào)壓電 源調(diào)節(jié)。本實(shí)用新型中,在工件內(nèi)部設(shè)置的脈沖電場(chǎng)為以長(zhǎng)管中心軸線處放置一個(gè)懸浮的 電極作為脈沖電場(chǎng)正極,以長(zhǎng)管管壁作為脈沖電場(chǎng)負(fù)極,從而構(gòu)成一個(gè)脈沖電場(chǎng),對(duì)等離子 體進(jìn)行定向加速。本實(shí)用新型中,在工件內(nèi)部設(shè)置的脈沖電場(chǎng)需要使用脈沖偏壓電源,偏壓幅值 100 1500V,頻率為10 100kHz,占空比為10 70%連續(xù)可調(diào)。本實(shí)用新型采用電弧離子鍍裝置通過(guò)靶材對(duì)長(zhǎng)管內(nèi)壁進(jìn)行沉積薄膜,磁場(chǎng)發(fā)生裝 置為兩套,一套放置在真空室外的等離子體傳輸通道上,用磁場(chǎng)對(duì)等離子體束流進(jìn)行聚焦, 用聚束場(chǎng)調(diào)整約束等離子體束流傳輸時(shí)的橫截面直徑與工件內(nèi)壁尺寸相當(dāng),以保證等離子 體束流最大程度地進(jìn)入管內(nèi);另一套放置于真空室內(nèi)的管狀工件外側(cè),對(duì)等離子體束流進(jìn) 行約束引導(dǎo),用引束場(chǎng)引導(dǎo)約束等離子體束流在管狀工件中心軸向的擴(kuò)散;在管狀工件內(nèi) 部設(shè)置的脈沖電場(chǎng)為以長(zhǎng)管中心軸線處放置一個(gè)懸浮的電極作為脈沖電場(chǎng)正極,以長(zhǎng)管管 壁作為脈沖電場(chǎng)負(fù)極,從而構(gòu)成一個(gè)脈沖電場(chǎng),對(duì)等離子體沿著工件軸向擴(kuò)散過(guò)程中通過(guò) 脈沖電場(chǎng)增強(qiáng)的工件內(nèi)壁表面的脈沖鞘層對(duì)離子加速,同時(shí)通過(guò)選擇合適的脈沖偏壓頻 率,以保證等離子體束流在擴(kuò)散進(jìn)入長(zhǎng)管深度的同時(shí)均勻沉積到工件內(nèi)壁表面,以保證沉 積質(zhì)量。本實(shí)用新型中,具有管狀結(jié)構(gòu)的工件可以是長(zhǎng)度為20 500mm、直徑為20 200mm,其內(nèi)的管孔直徑和長(zhǎng)度為15 180mm的金屬模具。本實(shí)用新型中,具有管狀結(jié)構(gòu)的工件可以是直徑為10 200mm、長(zhǎng)度為30
7500mm,壁厚為1 20mm的具有管孔結(jié)構(gòu)的金屬長(zhǎng)管。本實(shí)用新型中,具有管狀結(jié)構(gòu)的工件可以是長(zhǎng)度為20 500mm、直徑為20 200mm,其內(nèi)的管孔直徑和長(zhǎng)度為15 180mm的金屬零件。實(shí)施例1將Φ60Χ IOOmm的具有Φ30X70mm盲孔的低合金鋼模具清洗、烘干后,在電弧離 子鍍裝置的工件臺(tái)上固定。如圖1所示,電弧離子鍍裝置主要包括真空室1、工件磁場(chǎng)線 圈支撐圓筒I 2、工件磁場(chǎng)線圈3、工件輔助電極6、等離子體束流I 7、等離子體聚焦磁場(chǎng)線 圈支撐圓筒I 8、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈I 9、陰極靶I 10、陰極靶電源11、脈沖偏壓電源12 和工件臺(tái)13等,具體結(jié)構(gòu)如下真空室1內(nèi)設(shè)置工件4、工件磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I 2、工件磁場(chǎng)線圈3、工件輔助電 極6和工件臺(tái)13,工件磁場(chǎng)線圈3設(shè)置于工件磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I 2的外側(cè),工件磁場(chǎng)線圈 3和工件磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I 2設(shè)置于工件臺(tái)13上,工件輔助電極6的一端伸至工件4的 工件內(nèi)孔5中,電極6的另一端通過(guò)導(dǎo)線連至脈沖偏壓電源12的正極,工件臺(tái)13通過(guò)導(dǎo)線 連至脈沖偏壓電源12的負(fù)極;真空室1的一側(cè)設(shè)置等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I 8、等離子體聚焦磁場(chǎng)線 圈I 9、陰極靶I 10,等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈I 9設(shè)置于等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒 I 8的外側(cè),陰極靶I 10的一端伸至等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I 8中,可以產(chǎn)生等 離子體束流I 7,陰極靶電源11的正極連接真空室1的外殼,陰極靶電源11的負(fù)極連接陰 極靶I 10。本實(shí)施例中,工件磁場(chǎng)線圈3的磁場(chǎng)采用均勻磁場(chǎng),均勻磁場(chǎng)是指放置于真空室 內(nèi)的管狀工件外側(cè)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置為一個(gè)電磁線圈,電磁線圈的線徑、纏繞密度相同等參 數(shù)相同,其特點(diǎn)是可以在管狀工件內(nèi)部等效位置處(即距離軸向不同位置處)產(chǎn)生的磁感 應(yīng)強(qiáng)度基本相同,且等效位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度不隨管深度的變化而變化。將模具的開口方向?qū)?zhǔn)陰極弧靶的等離子體束流的來(lái)源方向,在模具的軸向周圍 放置不銹鋼內(nèi)套支撐的電磁線圈,電磁線圈長(zhǎng)度為100mm,抽真空至真空室內(nèi)真空度達(dá)到 6 X ICT3Pa時(shí),通氬氣、氣壓控制在lPa,調(diào)節(jié)聚束磁場(chǎng)線圈電流為8. OA,磁感應(yīng)強(qiáng)度為800高 斯,工件加負(fù)偏壓-800V,對(duì)工件進(jìn)行輝光清洗5分鐘;然后,調(diào)整Ar氣流量,使真空室氣壓 調(diào)整為0. 5Pa,同時(shí)開啟鈦弧,弧流為80A,對(duì)樣品繼續(xù)進(jìn)行Ti+離子轟擊2分鐘;調(diào)整基體 偏壓為-400V,通氮?dú)?,調(diào)整氣壓為0. 6Pa ;調(diào)節(jié)引束磁場(chǎng)線圈電流為5. 0A,磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍 為400高斯,鍍膜時(shí)間為40分鐘。沉積結(jié)束后,迅速關(guān)閉基體偏壓,關(guān)閉鈦弧電源開關(guān),停 止氣體通入,繼續(xù)抽真空至工件隨爐冷卻至50°C以下,鍍膜過(guò)程結(jié)束,打開真空室,取出工 件。本實(shí)施方式可以在模具內(nèi)壁70mm的深度沉積有致密的TiN薄膜,TiN薄膜的厚度 為0. 5-2 μ m,薄膜顯微硬度達(dá)到20GPa以上,能顯著提高模具內(nèi)壁的耐磨和耐腐蝕性能,進(jìn) 而提高模具的使用壽命。實(shí)施例2將Φ50Χ80πιπι的具有Φ25Χ60πιπι盲孔的不銹鋼管清洗、烘干后,在電弧離子鍍裝 置的工件臺(tái)上固定。如圖2所示,與圖1不同之處在于,本實(shí)施例工件磁場(chǎng)線圈3的磁場(chǎng)采 用梯度磁場(chǎng),梯度磁場(chǎng)是指放置于真空室內(nèi)的管狀工件外側(cè)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置為3個(gè)電磁線圈,電磁線圈的線徑、纏繞密度等參數(shù)相同,這些電磁線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度通過(guò)分別調(diào)整其電 磁線圈電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn),且其磁感應(yīng)強(qiáng)度大小沿著等離子體束流方向逐漸減小,從而構(gòu) 成一個(gè)梯度磁場(chǎng)。梯度磁場(chǎng)是相對(duì)于均勻磁場(chǎng)而言的,其特點(diǎn)是在管狀工件內(nèi)部等效位置 處(即距離軸向不同位置處)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著管深度的變化逐漸減小,而呈梯度變 化。將管子的開口方向?qū)?zhǔn)陰極弧靶的等離子體束流的來(lái)源方向,在模具的軸向周圍 放置不銹鋼內(nèi)套支撐的電磁線圈,電磁線圈長(zhǎng)度為100mm,抽真空至真空室內(nèi)真空度達(dá)到 6 X ICT3Pa時(shí),通氬氣、氣壓控制在lPa,調(diào)節(jié)聚束磁場(chǎng)線圈電流為7. OA,磁感應(yīng)強(qiáng)度為600高 斯,工件加負(fù)偏壓-800V,對(duì)工件進(jìn)行輝光清洗5分鐘;然后,調(diào)整Ar氣流量,使真空室氣壓 調(diào)整為0. 5Pa,同時(shí)開啟鈦弧,弧流為80A,對(duì)樣品繼續(xù)進(jìn)行Ti+離子轟擊2分鐘;調(diào)整基體 偏壓為-400V,通氮?dú)猓{(diào)整氣壓為0. 6Pa ;調(diào)節(jié)引束磁場(chǎng)線圈電流為6. OA 3. 0A,磁感應(yīng) 強(qiáng)度范圍為400 200高斯,隨著與管口距離增加磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小,鍍膜時(shí)間為60分 鐘。沉積結(jié)束后,迅速關(guān)閉基體偏壓,關(guān)閉鈦弧電源開關(guān),停止氣體通入,繼續(xù)抽真空至工件 隨爐冷卻至50°C以下,鍍膜過(guò)程結(jié)束,打開真空室,取出工件。本實(shí)施方式可以在不銹鋼管內(nèi)壁60mm的深度沉積有致密的TiN薄膜,TiN薄膜的 厚度為0. 6-2. 4 μ m,薄膜顯微硬度達(dá)到20GPa以上,能顯著提高不銹鋼管內(nèi)壁的耐磨和耐 腐蝕性能,進(jìn)而提高不銹鋼管的使用壽命。實(shí)施例3將Φ50Χ200πιπι的具有Φ30Χ 140mm通孔的不銹鋼零件清洗、烘干后,在電弧離子 鍍裝置的工件臺(tái)上固定。如圖3所示,電弧離子鍍裝置主要包括真空室1、工件磁場(chǎng)線圈 支撐圓筒I 2、工件磁場(chǎng)線圈3、工件輔助電極6、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I 8、等離 子體聚焦磁場(chǎng)線圈I 9、陰極靶I 10、陰極靶電源11、脈沖偏壓電源12、工件臺(tái)13、陰極靶 II 14、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈II 15、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒II 16等,具體結(jié)構(gòu)如 下真空室1內(nèi)設(shè)置工件4、工件磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I 2、工件磁場(chǎng)線圈3、工件輔助電 極6和工件臺(tái)13,工件磁場(chǎng)線圈3設(shè)置于工件磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I 2的外側(cè),工件磁場(chǎng)線圈 3和工件磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I 2設(shè)置于工件臺(tái)13上,工件輔助電極6的一端伸至工件4的 工件內(nèi)孔5中,電極6的另一端通過(guò)導(dǎo)線連至脈沖偏壓電源12的正極,工件臺(tái)13通過(guò)導(dǎo)線 連至脈沖偏壓電源12的負(fù)極;真空室1的一側(cè)設(shè)置等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I 8、等離子體聚焦磁場(chǎng)線 圈I 9、陰極靶I 10,等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈I 9設(shè)置于等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒 I 8的外側(cè),陰極靶I 10的一端伸至等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I 8中,可以產(chǎn)生等 離子體束流I 7,陰極靶I 10的一端伸至等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒I 8中,可以產(chǎn)生 等離子體束流I 7 ;陰極靶電源11的正極連接真空室1的外殼,陰極靶電源11的負(fù)極連接 陰極靶I 10 ;真空室1的另一側(cè)設(shè)置陰極靶II 14、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈II 15、等離子體聚焦 磁場(chǎng)線圈支撐圓筒II 16,等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈II 15設(shè)置于等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐 圓筒II 16的外側(cè),陰極靶II 14的一端伸至等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒II 16中,可以 產(chǎn)生等離子體束流II 17,陰極靶I 10與陰極靶II 14共用陰極靶電源11。
9[0061]本實(shí)施例中,工件磁場(chǎng)線圈3的磁場(chǎng)采用均勻磁場(chǎng),均勻磁場(chǎng)是指放置于真空室 內(nèi)的管狀工件外側(cè)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置為一個(gè)電磁線圈,電磁線圈的線徑、纏繞密度相同等參 數(shù)相同,其特點(diǎn)是可以在管狀工件內(nèi)部等效位置處(即距離軸向不同位置處)產(chǎn)生的磁感 應(yīng)強(qiáng)度基本相同,且等效位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度不隨管深度的變化而變化。將管子的開口方向?qū)?zhǔn)陰極弧靶的等離子體束流的來(lái)源方向,在模具的軸向周圍 放置不銹鋼內(nèi)套支撐的電磁線圈,電磁線圈長(zhǎng)度為100mm,抽真空至真空室內(nèi)真空度達(dá)到 6 X ICT3Pa時(shí),通氬氣、氣壓控制在lPa,調(diào)節(jié)聚束磁場(chǎng)線圈電流為8. OA,磁感應(yīng)強(qiáng)度為500高 斯,工件加負(fù)偏壓-800V,對(duì)工件進(jìn)行輝光清洗5分鐘;然后,調(diào)整Ar氣流量,使真空室氣壓 調(diào)整為0. 5Pa,同時(shí)開啟鈦弧,弧流為80A,對(duì)樣品繼續(xù)進(jìn)行Ti+離子轟擊2分鐘;調(diào)整基體 偏壓為-400V,通氮?dú)?,調(diào)整氣壓為0. 6Pa ;調(diào)節(jié)引束磁場(chǎng)線圈電流為6. 0A,磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍 為300高斯,鍍膜時(shí)間為60分鐘。沉積結(jié)束后,迅速關(guān)閉基體偏壓,關(guān)閉鈦弧電源開關(guān),停 止氣體通入,繼續(xù)抽真空至工件隨爐冷卻至50°C以下,鍍膜過(guò)程結(jié)束,打開真空室,取出工 件。本實(shí)施方式可以在不銹鋼零件內(nèi)壁70mm的深度沉積有致密的TiN薄膜,TiN薄膜 的厚度為0. 6-2. 6 μ m,薄膜顯微硬度達(dá)到20GPa以上,能顯著提高零件內(nèi)壁的耐磨和耐腐 蝕性能,進(jìn)而提高不銹鋼零件的使用壽命。實(shí)施例4將Φ50Χ200πιπι的具有Φ30Χ 150mm通孔的不銹鋼零件清洗、烘干后,在電弧離子
鍍裝置的工件臺(tái)上固定。如圖4所示,與圖3不同之處在于,本實(shí)施例工件磁場(chǎng)線圈3的磁 場(chǎng)采用梯度磁場(chǎng),梯度磁場(chǎng)是指放置于真空室內(nèi)的管狀工件外側(cè)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置為5個(gè)電 磁線圈,電磁線圈的線徑、纏繞密度等參數(shù)相同,這些電磁線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度通過(guò)分別調(diào)整 其電磁線圈電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn),且其磁感應(yīng)強(qiáng)度大小沿著等離子體束流方向逐漸減小,從 而構(gòu)成一個(gè)梯度磁場(chǎng)。梯度磁場(chǎng)是相對(duì)于均勻磁場(chǎng)而言的,其特點(diǎn)是在管狀工件內(nèi)部等效 位置處(即距離軸向不同位置處)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著管深度的變化逐漸減小,呈梯度 變化。將管子的開口方向?qū)?zhǔn)陰極弧靶的等離子體束流的來(lái)源方向,在模具的軸向周圍 放置不銹鋼內(nèi)套支撐的電磁線圈,電磁線圈長(zhǎng)度為200mm,抽真空至真空室內(nèi)真空度達(dá)到 8 X IO-3Pa時(shí),通氬氣、氣壓控制在0. 8Pa,調(diào)節(jié)聚束磁場(chǎng)線圈電流為5. OA,磁感應(yīng)強(qiáng)度為500 高斯,工件加負(fù)偏壓-500V,對(duì)工件進(jìn)行輝光清洗8分鐘;然后,調(diào)整Ar氣流量,使真空室氣 壓調(diào)整為0. 3Pa,同時(shí)開啟鈦弧,弧流為80A,對(duì)樣品繼續(xù)進(jìn)行Ti+離子轟擊2分鐘;調(diào)整基 體偏壓為-200V,通氮?dú)?,調(diào)整氣壓為0. 3Pa ;調(diào)節(jié)引束磁場(chǎng)線圈電流為5. OA 2. 0A,磁感 應(yīng)強(qiáng)度范圍為400 200高斯,隨著與管口距離增加磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小,鍍膜時(shí)間為30 分鐘。沉積結(jié)束后,迅速關(guān)閉基體偏壓,關(guān)閉鈦弧電源開關(guān),停止氣體通入,繼續(xù)抽真空至工 件隨爐冷卻至50°C以下,鍍膜過(guò)程結(jié)束,打開真空室,取出工件。本實(shí)施方式可以在不銹鋼零件內(nèi)壁70mm的深度沉積有致密的TiN薄膜,TiN薄膜 的厚度為0. 3-1. 5 μ m,薄膜顯微硬度達(dá)到20GPa以上,能顯著提高零件內(nèi)壁的耐磨和耐腐 蝕性能,進(jìn)而提高不銹鋼零件的使用壽命。
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權(quán)利要求一種電弧離子鍍膜裝置,其特征在于該電弧離子鍍膜裝置設(shè)有真空室、工件磁場(chǎng)線圈支撐圓筒Ⅰ、工件磁場(chǎng)線圈、工件輔助電極、等離子體束流Ⅰ、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒Ⅰ、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈Ⅰ、陰極靶Ⅰ、陰極靶電源、脈沖偏壓電源和工件臺(tái),具體結(jié)構(gòu)如下真空室內(nèi)設(shè)置工件、工件磁場(chǎng)線圈支撐圓筒Ⅰ、工件磁場(chǎng)線圈、工件輔助電極和工件臺(tái),工件磁場(chǎng)線圈設(shè)置于工件磁場(chǎng)線圈支撐圓筒Ⅰ的外側(cè),工件磁場(chǎng)線圈和工件磁場(chǎng)線圈支撐圓筒Ⅰ設(shè)置于工件臺(tái)上,工件輔助電極的一端伸至工件的工件內(nèi)孔中,電極的另一端通過(guò)導(dǎo)線連至脈沖偏壓電源的正極,工件臺(tái)通過(guò)導(dǎo)線連至脈沖偏壓電源的負(fù)極;真空室的一側(cè)設(shè)置等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒Ⅰ、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈Ⅰ、陰極靶Ⅰ,等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈Ⅰ設(shè)置于等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒Ⅰ的外側(cè),陰極靶Ⅰ的一端伸至等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒Ⅰ中,陰極靶電源的正極連接真空室的外殼,陰極靶電源的負(fù)極連接陰極靶Ⅰ。
2.按照權(quán)利要求1所述的電弧離子鍍膜裝置,其特征在于還包括陰極靶II、等離子體 聚焦磁場(chǎng)線圈II、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒II,真空室的另一側(cè)設(shè)置陰極靶II、等離 子體聚焦磁場(chǎng)線圈II、等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒II,等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈II設(shè)置 于等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈支撐圓筒II的外側(cè),陰極靶II的一端伸至等離子體聚焦磁場(chǎng)線圈 支撐圓筒II中。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的電弧離子鍍膜裝置,其特征在于工件磁場(chǎng)線圈的磁場(chǎng) 采用均勻磁場(chǎng)或梯度磁場(chǎng)。
4.按照權(quán)利要求2所述的電弧離子鍍膜裝置,其特征在于陰極靶I與陰極靶II共用 陰極靶電源。
專利摘要本實(shí)用新型屬于材料表面改性領(lǐng)域,涉及一種用于長(zhǎng)管內(nèi)壁鍍膜的磁場(chǎng)和電場(chǎng)增強(qiáng)的電弧離子鍍膜裝置。通過(guò)在電弧離子鍍過(guò)程中采用磁場(chǎng)約束和控制等離子體束流運(yùn)動(dòng)軌跡,在電弧離子鍍沉積裝置中設(shè)置兩套磁場(chǎng)發(fā)生裝置,一套放在真空室外的等離子體傳輸通道上,即用磁場(chǎng)對(duì)等離子體束流進(jìn)行聚焦,約束等離子體束流傳輸時(shí)的橫截面直徑和傳輸效率,另一套放置于真空室內(nèi)的管狀工件外側(cè),引導(dǎo)等離子體束流沿著管狀工件中心軸向方向擴(kuò)散;在電弧離子鍍中利用電場(chǎng)增強(qiáng)是用電場(chǎng)對(duì)等離子體實(shí)現(xiàn)加速定向流動(dòng),在工件內(nèi)部設(shè)置脈沖電場(chǎng);利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)對(duì)等離子體束流的約束和控制,實(shí)現(xiàn)等離子體在管內(nèi)壁沉積薄膜,適用于作為服役表面的管狀工件的內(nèi)壁表面鍍膜。
文檔編號(hào)C23C14/35GK201762438SQ201020281150
公開日2011年3月16日 申請(qǐng)日期2010年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月4日
發(fā)明者于寶海, 華偉剛, 孫超, 宮駿, 杜昊, 肖金泉, 趙彥輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所
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