專利名稱：大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出的大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源屬于薄膜沉積設(shè)備。它是真空電弧離子鍍膜機(jī)中的核心部件。
這種受控真空電弧蒸發(fā)源應(yīng)用于離子鍍膜技術(shù)，即可在各種材料上鍍上一層金屬氮化物，金屬碳化物、金屬氧化物和金屬碳氮化物硬質(zhì)薄膜，或多元合金薄膜，以提高材料表面的耐磨、耐腐蝕、耐高溫氧化等性能;還可用以鍍表面裝飾膜或其它功能性的薄膜。
真空電弧離子鍍膜是當(dāng)今一種先進(jìn)的離子鍍膜技術(shù)。這種技術(shù)是依靠在真空鍍膜室中所產(chǎn)生的真空電弧弧斑的局部高溫，使作為靶極的陰極材料瞬時(shí)蒸發(fā)和離化，產(chǎn)生電離度高而離子能量大的等離子體，在工件上加上負(fù)電位，即可在工件加熱溫度比較低的條件下，在工件表面上鍍上一層硬度高、組織致密而附著力強(qiáng)的各種硬質(zhì)薄膜。
人們最初采用自由真空電弧蒸發(fā)源，即真空電弧的弧斑在陰極表面上是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的，其缺點(diǎn)是容易在被鍍工件上產(chǎn)生固化金屬液滴。1985年美國S.Ramalingam提出采用提高弧斑旋轉(zhuǎn)速度以抑制金屬液滴的概念，起到了抑制金屬液滴的效果。然而單純使弧斑在陰極表面上旋轉(zhuǎn)，會使陰極表面的燒蝕很不均勻。圍繞著解決抑制金屬液滴和提高陰極表面燒蝕均勻性之間的矛盾，國際上曾提出過幾種不同結(jié)構(gòu)形式的受控真空電弧蒸發(fā)源。
美國Minnesota大學(xué)S.Ramalingam等人于1987年的美國專利4673477和1989年的美國專利4839011中，提出了一種機(jī)械-磁場聯(lián)合掃描的圓形陰極的受控電弧蒸發(fā)源。是用放置在陰極底部的永磁體磁場，使陰極弧斑在陰極表面上作圓形軌跡運(yùn)動(dòng)，并將永磁體在陰極底下作偏心旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到弧斑在陰極上全面掃描的目的。
美國Vac-Tec Systems公司的C.F.Morrison于1988年的美國專利4724058中，提出了一種采用脈沖控制式線圈磁體和矩形陰級結(jié)構(gòu)的受控真空電弧蒸發(fā)源。采用脈沖電源對磁場線圈供電，以產(chǎn)生脈沖磁場。在脈沖作用的時(shí)間內(nèi)，弧斑在陰極表面沿某一封閉路徑運(yùn)動(dòng);在脈沖停歇時(shí)間，弧斑在陰極表面上仍然為自由運(yùn)動(dòng)。使得在每一脈沖周期內(nèi)，弧斑在陰極表面上由自由運(yùn)動(dòng)向著某一確定的封閉路徑掃描，以實(shí)現(xiàn)對陰極表面上的弧斑運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。
美國的S.Ramalingam于1989年的國際專利WO089/01699中，又提出了一種復(fù)合磁場和厚陰極結(jié)構(gòu)的受控真空電弧蒸發(fā)源。這種蒸發(fā)源的復(fù)合磁場，是采用一個(gè)主磁場線圈，并外加一個(gè)輔助磁場線圈，或者由一個(gè)電磁線圈和永磁體組合的復(fù)合磁場;陰極則采用一個(gè)圓形的單金屬厚陰極，或在圓形陰極外邊套一個(gè)環(huán)形陰極，或在圓形陰極上嵌入其它金屬的復(fù)合陰極，用以鍍多元合金薄膜。依靠調(diào)節(jié)線圈的直流電流來控制弧斑在陰極表面上的運(yùn)動(dòng)軌跡。
此外，聯(lián)邦德國Interatom公司的E.Erturk等(Surface and Co atings Technol.39/40，1989)還提出了用直線位移的永磁體掃描控制弧斑軌跡，也是一個(gè)類似上述機(jī)械-磁場聯(lián)合掃描的受控電弧蒸發(fā)源。
上述的幾種受控真空電弧蒸發(fā)源中，機(jī)械旋轉(zhuǎn)永磁體和圓形陰極結(jié)構(gòu)的受控電弧蒸發(fā)源可以一定程度地起到抑制金屬液滴的作用，也能達(dá)到一定程度的陰極燒蝕均勻性，然而這幾種蒸發(fā)源的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，工作可靠性和穩(wěn)定性較差，不適于在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用。脈沖控制式線圈磁體和矩形陰極結(jié)構(gòu)的受控真空電弧蒸發(fā)源，其弧斑運(yùn)動(dòng)速度不高，不能有效地起到抑制金屬液滴的作用;陰極表面的燒蝕均勻性也不理想，影響了陰極材料利用率的提高，這對大面積矩形陰極來說，會使制作和更換陰極的成本提高，抵消了采用大面積陰極應(yīng)用于生產(chǎn)上的優(yōu)越性。
在WO/01699中提出的復(fù)合磁場和厚陰極結(jié)構(gòu)的受控真空電弧蒸發(fā)源，依靠線圈中的電流，原則上可以控制弧斑在陰極表面上的運(yùn)動(dòng)軌跡，能抑制蒸發(fā)源金屬液滴的產(chǎn)生和提高陰極表面的燒蝕均勻性。但這種蒸發(fā)源采用復(fù)合磁場，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且在該專利中，除提到陰極采用直徑為200-300mm(或更大)的數(shù)據(jù)外，沒有提出可供實(shí)施這種受控真空電弧蒸發(fā)源的具體結(jié)構(gòu)和任何其它參考的運(yùn)行參數(shù)實(shí)例。
到目前為止，所提出的各種受控真空電弧蒸發(fā)源，雖然在減少或基本消除金屬液滴和提高陰極表面燒蝕均勻性方面，取得了一定效果，然而仍存在以下兩個(gè)方面的缺點(diǎn)(1)蒸發(fā)源都是建立在單個(gè)弧斑旋轉(zhuǎn)工作的基礎(chǔ)上的，因而工作電流仍然比較小，雖然抑制了金屬液滴的產(chǎn)生，卻因弧斑旋轉(zhuǎn)帶來的鍍膜沉積速率有些下降，使鍍膜生產(chǎn)效率受到一定影響;(2)蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制作成本高，運(yùn)行可靠性也會受到一定影響。鑒于上述兩點(diǎn)，仍然難以取代現(xiàn)有商品化離子鍍膜機(jī)中所采用的自由電弧蒸發(fā)源。
本發(fā)明的目的就是提供一種在工業(yè)生產(chǎn)上實(shí)用的，能取代自由電弧蒸發(fā)源的新型大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源，這種蒸發(fā)源，一方面同自由電弧蒸發(fā)源相比具有能減少或基本消除金屬液滴和提高鍍膜沉積速率的優(yōu)點(diǎn)，另一方面同其它類型蒸發(fā)源相比，又具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低，控制靈活、運(yùn)行穩(wěn)定性好、應(yīng)用廣泛的優(yōu)點(diǎn)。能夠在工業(yè)生產(chǎn)上實(shí)際應(yīng)用。
本發(fā)明提出的蒸發(fā)源，是通過控制陰極表面上的磁場分布，來達(dá)到控制弧斑在陰極表面上的運(yùn)動(dòng)速度和軌跡。具體地說是采用可調(diào)電流的磁線圈在陰極表面上產(chǎn)生橫向磁場和縱向磁場分量，其中的橫向磁場使陰極弧斑在陰極表面上快速旋轉(zhuǎn)，而縱向磁場則使陰極弧斑向陰極表面的中心聚焦。該蒸發(fā)源在低電流(＜100A)和低磁場下運(yùn)行時(shí)，由于磁場對弧斑的作用力很弱，蒸發(fā)源可在自由電弧狀態(tài)下運(yùn)行，其特性和自由電弧蒸發(fā)源完全相同。在大電弧電流(≥150A)和與其相匹配的較強(qiáng)磁場下運(yùn)行時(shí)，大電流弧根就會分裂為幾個(gè)小的弧斑，同時(shí)由于電弧電流的提高，聚焦作用得到加強(qiáng)，幾個(gè)弧斑就會在幾乎整個(gè)陰極表面上作多軌跡快速旋轉(zhuǎn)，這樣不但抑制了金屬液滴，提高了鍍膜質(zhì)量，而且隨著電弧電流的增強(qiáng)和電離度的提高，鍍膜沉積速率也有明顯提高。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的特點(diǎn)及其實(shí)施例。
附

圖1為本發(fā)明的大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
其中(1)為點(diǎn)弧極， (2)為高溫絕緣屏蔽環(huán)(3)為陰極 (4)為水密封蓋(5)為線圈骨架 (6a)為上導(dǎo)磁環(huán)(6b)為下導(dǎo)磁環(huán) (7)為屏蔽極(8)為點(diǎn)弧極支撐桿 (9)為陰極壓板(10)為可拆卸陰極法蘭 (11)為電磁線圈(12)為陰極筒體 (13)為屏蔽極支撐螺桿(14)為主支撐桿 (15)為高溫絕緣屏蔽板(16)為絕緣密封法蘭 (17)為陰極座法蘭(18)為陶瓷管 (20)為導(dǎo)磁筒(21)為導(dǎo)磁導(dǎo)電桿 (24)為導(dǎo)電片(26)為冷卻水管 (27)為通水孔(28)為水冷空腔附圖2為用于鍍多元合金時(shí)的本發(fā)明蒸發(fā)源的復(fù)合陰極，用以取代附圖1中的陰極(3)。
其中(46)為螺釘 (47)為高溫絕緣蓋(48)為復(fù)合陰極 (49)為鑲嵌槽附圖3為當(dāng)陰極為環(huán)形陰極時(shí)本發(fā)明該蒸發(fā)源的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中(1)為點(diǎn)弧極 (2)為高溫絕緣屏蔽環(huán)(6c)為上導(dǎo)磁環(huán)， (6d)為下導(dǎo)磁環(huán)(7)為穩(wěn)弧屏蔽極 (8)為點(diǎn)弧極支撐桿
(9a)為陰極壓板 (10a)為可拆卸陰極法蘭(11a)為電磁線圈 (12a)為陰極筒體(13a)為屏蔽極支撐螺桿 (14a)為主支撐桿(15a)為高溫絕緣屏蔽板 (16a)為絕緣密封法蘭(17a)為陰極座法蘭 (24a)為導(dǎo)電片(26a)為冷卻水管 (30)為高溫絕緣蓋(31)為緊固螺釘 (32)為壓緊螺栓(33)為導(dǎo)磁墊圈 (34)為導(dǎo)磁端蓋(35)為環(huán)形陰極 (36)為導(dǎo)磁導(dǎo)電桿(37)為陰極鎖緊片 (38)為鎖緊螺釘(39)為陰極外密封圈 (40)為陰極內(nèi)密封圈(41)為密封端蓋在圖1中，陰極直徑為60-150mm。此蒸發(fā)源是將陰極座法蘭(17)和絕緣密封法蘭(16)，通過壓板，壓接密封在真空鍍膜室的帶密封圈的連接法蘭上(圖中未畫出壓板和真空鍍膜室的連接法蘭)，使整個(gè)陰極對鍍膜室絕緣，而絕緣法蘭(16)以上的部分，可以在較短時(shí)間內(nèi)，抽到6.7×10-3帕以上的真空，并可通過微量進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥(圖中未畫出)調(diào)節(jié)鍍膜室內(nèi)的氣體壓力。由高溫絕緣材料制成的高溫絕緣屏蔽板(15)，用以防護(hù)鍍膜室的高溫，避免絕緣密封法蘭(16)遭到破壞。陰極座法蘭(17)由導(dǎo)磁材料制成。在陰極座法蘭(17)內(nèi)設(shè)有和陰極筒體(12)中的兩個(gè)通水孔(27)相通的水冷空腔(28)，用以防止法蘭過熱，同時(shí)保護(hù)密封圈避免因過熱而變質(zhì)，陰極座法蘭(17)底部開有和端面垂直的盲孔，盲孔中裝有和水冷空腔(28)相通的冷卻水管(26)。由單金屬或合金制成的陰極(3)采用直接水冷，冷卻水由冷卻水管(26)進(jìn)入水冷空腔(28)，經(jīng)厚的陰極筒體(12)中兩個(gè)通水孔(27)中的一個(gè)進(jìn)水后，經(jīng)過陰極(3)的底面冷卻陰極后，再經(jīng)另一個(gè)通水孔(27)流出，經(jīng)水冷空腔(28)，再從另一個(gè)冷卻水管(26)(圖中未標(biāo)出)流出。蒸發(fā)源的磁路結(jié)構(gòu)由電磁線圈(11)陰極(3)和導(dǎo)磁材料組成。導(dǎo)磁材料包括導(dǎo)磁導(dǎo)電桿(21)、導(dǎo)磁筒(20)、陰極座法蘭(17)、陰極筒體(12)、可拆卸陰極法蘭(10)、陰極壓板(9)、上導(dǎo)磁環(huán)(6a)或(6c)、下導(dǎo)磁環(huán)(6b)或(6d)。線圈(11)繞制在線圈骨架(5)上，并一起套在導(dǎo)磁筒(20)的外周，上端蓋有水密封蓋(4)，位于陰極筒體(12)的內(nèi)部，陰極筒體(12)下端和陰極座法蘭(17)相接，上端面上放有陰極(3)，陰極(3)直徑為60-150mm，陰極(3)由陰極壓板(9)壓緊并密封在陰極筒體(12)上，帶絲扣的可拆卸陰極法蘭(10)，螺紋固定在陰極筒體(12)上，要在安裝好絕緣密封法蘭(16)和高溫絕緣屏蔽板(15)以后安裝?？刂脐帢O弧斑運(yùn)動(dòng)的磁通，經(jīng)陰極座法蘭(17)、陰極筒體(12)、可拆卸的陰極法蘭(10)、陰極壓板(9)經(jīng)可拆卸的陰極法蘭(10)和陰極壓板(9)之間的氣隙到下導(dǎo)磁環(huán)(6b)和上導(dǎo)磁環(huán)(6a)，再經(jīng)陰極(3)而到導(dǎo)磁導(dǎo)電桿(21)和導(dǎo)磁筒(20)，而和陰極座法蘭(17)閉合。由導(dǎo)磁或非導(dǎo)磁材料制成的穩(wěn)弧用屏蔽極(7)點(diǎn)焊在上導(dǎo)磁環(huán)(6a)上，對陰極(3)是絕緣的。屏蔽極(7)由3個(gè)屏蔽極支撐螺桿(13)固定在主支撐桿(14)上，而主支撐桿(14)則由螺釘固定在絕緣密封法蘭板(16)上，帶內(nèi)螺紋的下導(dǎo)磁環(huán)(6b)和帶外螺紋的上導(dǎo)磁環(huán)(6a)螺紋連結(jié)，陰極(3)經(jīng)過燒蝕變短后，可重新旋轉(zhuǎn)屏蔽極支撐桿(13)和下導(dǎo)磁環(huán)(6b)，以保持屏蔽極(7)和陰極(3)的相對高度。
本發(fā)明采用帶間隙的屏蔽極(7)和埋入式高溫絕緣屏蔽環(huán)(2)相結(jié)合的穩(wěn)弧方法，上導(dǎo)磁環(huán)(6a)或(6C)兼起穩(wěn)弧作用，在絕緣的屏蔽極(7)和高溫絕緣屏蔽環(huán)(2)的雙重作用下，不但可使蒸發(fā)源的運(yùn)行穩(wěn)定性明顯提高，而且高溫絕緣屏蔽環(huán)(2)鑲嵌在上導(dǎo)磁環(huán)(6a)內(nèi)，以保護(hù)由脆弱易碎材料制成的高溫絕緣屏蔽環(huán)(2)免遭損壞。導(dǎo)磁環(huán)的另一種形式，是由上、下導(dǎo)磁環(huán)(6c)和(6d)組成。點(diǎn)弧極(1)由緊固螺釘固定在點(diǎn)弧極支撐桿(8)上。點(diǎn)弧極支撐桿(8)可直接固定在電磁鐵或氣動(dòng)元件(圖中未標(biāo)出)的活動(dòng)部位上，通過電磁鐵的通電、斷電或氣動(dòng)元件的充氣、放氣使其上、下移動(dòng)，以達(dá)到接觸引弧的目的。電弧電流由導(dǎo)電片(24)引出。電磁線圈(11)對水的密封由非導(dǎo)磁材料制成的水密封蓋(4)和導(dǎo)磁導(dǎo)電桿(21)完成，其中下部的水封材料為硬性水封。此外，在圖1中，(18)為陶瓷管，(19)為固定電磁鐵或氣動(dòng)元件的螺孔，(25)為固定電磁線圈(11)引出線插座的螺孔。
本發(fā)明所提出的大電流多弧受控真空電弧蒸發(fā)源，工作可靠、操作靈活，可在10-3帕到數(shù)帕的氣壓和50-250A下穩(wěn)定運(yùn)行。由電磁鐵或氣動(dòng)元件引弧后，可根據(jù)不同的鍍膜要求，通過調(diào)節(jié)電磁線圈電流和電弧電流大小，選擇合適的運(yùn)行參數(shù)，即可滿足不同的鍍膜要求。
圖2為鍍多元合金用受控真空電弧蒸發(fā)源的復(fù)合陰極。在圖2中，通過將圖1大電流多弧斑受控電弧蒸發(fā)源的陰極3，換成如圖2的復(fù)合陰極，即可作各合金成分對多元合金鍍膜層性能影響的試驗(yàn)。圖2的復(fù)合陰極(48)的外徑和底部，仍取和圖1陰極(3)相同的尺寸。此復(fù)合陰極(48)，相當(dāng)于將圖1陰極3的中心部分去除，變成厚壁凹心杯形復(fù)合陰極(48)。厚壁上開有均勻分布而寬度不大的鑲嵌槽(49)，槽(49)中嵌入由所要加入成分的金屬或合金制成的片材。鑲嵌好后經(jīng)簡單的外形加工即可裝在如圖1的大電流多弧斑受控電弧蒸發(fā)源上，作多元合金性能的研究和試驗(yàn)。
圖2中，高溫絕緣蓋(47)，用以穩(wěn)弧。固定高溫絕緣蓋(47)的螺釘(46)的材質(zhì)與該復(fù)合陰極(48)的基礎(chǔ)材料相同。為了調(diào)節(jié)高溫絕緣蓋(47)的高度，使其和已燒蝕的復(fù)合陰極(48)的相匹配，可以通過旋進(jìn)或更換高溫絕緣蓋(47)的螺釘(46)來完成。
用大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源的主體結(jié)構(gòu)，換上上述如圖2的復(fù)合陰極，研究各合金成分的影響，非常簡便而快捷。可以不必先冶煉合金材料，只要有少量片狀金屬材料，嵌入陰極48的厚壁中，不但可嵌入一種材料，還可嵌入不同材料的幾個(gè)片，即可方便地得出各種合金成分影響的試驗(yàn)結(jié)果。由于燒蝕量不大，同一陰極(48)，可反復(fù)使用多次，進(jìn)行不同的研究和試驗(yàn)。此種方法比起用磁控濺射鍍膜方法，研究多元合金鍍膜層的性質(zhì)更方便。因?yàn)榇趴貫R射靶的厚度大多在20毫米以內(nèi)，不易嵌入其它金屬材料，更不易多次使用。
圖3為當(dāng)陰極為環(huán)形陰極時(shí)該蒸發(fā)源的結(jié)構(gòu)示意圖，適用于要求基本消除固化液滴的鍍膜對象，陰極材料的利用率更高。陰極外徑可取60-250mm。這種蒸發(fā)源的磁路要求盡量增加橫向磁場強(qiáng)度，以提高弧斑的旋轉(zhuǎn)速度。電磁線圈(11a)采用直接水冷，以提高通過線圈的電流密度。磁路由陰極法蘭座(17a)、陰極筒體(12a)和可拆卸陰極法蘭(10a)、陰極壓板(9a)、下導(dǎo)磁環(huán)(6d)、上導(dǎo)磁環(huán)(6c)、導(dǎo)磁端蓋(34)、導(dǎo)磁墊圈(33)、導(dǎo)磁導(dǎo)電桿(36)以及壓緊螺栓(32)組成。這些部件均由導(dǎo)磁材料制成。環(huán)形陰極(35)可由厚壁管材制成，陰極的密封采用橡膠密封圈，由陰極外密封圈(39)和陰極內(nèi)密封圈(40)完成。由于環(huán)形陰極(35)采用大面積水冷，橡膠密封圈不會因過熱而變質(zhì)。為避免磁力線旁路，密封端蓋(41)，必須由非導(dǎo)磁材料制成。為了防止環(huán)形陰極(35)在水壓和真空壓差雙重作用下向上移動(dòng)，環(huán)形陰極(35)的底部有兩個(gè)螺釘孔，旋進(jìn)鎖緊螺釘(38)，并將此帶鎖緊螺釘(38)的環(huán)形陰極(35)旋一個(gè)角度，壓入陰極鎖緊片(37)的孔中。陰極鎖緊片(37)，應(yīng)是兩個(gè)窄片，不大影響冷卻水的流通。在環(huán)形陰極(35)燒蝕變短后，可通過旋動(dòng)或更換鎖緊螺釘(38)，提升環(huán)形陰極(35)到合適的高度，使蒸發(fā)源的運(yùn)行經(jīng)常處在最佳的工作狀態(tài)。高溫絕緣蓋(30)，由緊固螺釘(31)固定在壓緊螺栓(32)上，緊固螺釘(31)和環(huán)形陰極(35)的材質(zhì)相同。其它部件的作用和制造材料，和圖1的大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源相同。
本發(fā)明提出的受控真空電弧蒸發(fā)源的主要特點(diǎn)和效果歸納如下
(1)本發(fā)明提出的大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源是一種大電流多弧斑的蒸發(fā)源，能夠在旋轉(zhuǎn)多個(gè)弧斑狀態(tài)下以數(shù)百安培的較大電弧電流進(jìn)行工作，使電弧蒸發(fā)源在提高陰極燒蝕均勻性和減少金屬液滴的同時(shí)，具有高的鍍膜沉積速率，因而能減少鍍膜時(shí)間，提高離子鍍膜生產(chǎn)率。例如，此受控電弧蒸發(fā)源，在200A下運(yùn)行時(shí)的鍍膜沉積速率，比自由電弧蒸發(fā)源的沉積速率高2-3倍，而且鍍膜層的致密度，硬度和附著力也有提高。
(2)本發(fā)明提出的環(huán)形陰極結(jié)構(gòu)的受控電弧蒸發(fā)源，其磁路結(jié)構(gòu)有利于大幅度提高橫向磁場強(qiáng)度，使弧斑在陰極表面上以更快的速度旋轉(zhuǎn)，使金屬液滴基本消除，從而滿足了某些鍍膜層在這方面的特殊要求。同時(shí)，環(huán)形結(jié)構(gòu)的陰極還能使陰極端面燒蝕得更充分;可以采用較長的厚壁管材作陰極，使陰極材料的利用率更高。
(3)本發(fā)明提出的大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源是采用單一的直流線圈磁體和圓形或環(huán)形陰極結(jié)構(gòu)，使該蒸發(fā)源具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，制作成本低廉的特點(diǎn)，便于在生產(chǎn)上實(shí)際應(yīng)用。
(4)本發(fā)明提出的大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源是采用帶間隙的屏蔽極和埋入式的高溫絕緣屏蔽環(huán)相結(jié)合的穩(wěn)弧方法，不但提高了蒸發(fā)源的運(yùn)行穩(wěn)定性，而且由于將高溫絕緣屏蔽環(huán)鑲嵌在堅(jiān)固的導(dǎo)磁環(huán)當(dāng)中，既能使脆弱易碎的高溫絕緣體得到保護(hù)，又明顯減少了昂貴的高溫絕緣材料的用量，降低了蒸發(fā)源的制造成本。
權(quán)利要求
1.一種大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源，由主弧電源，陰極和含電磁線圈的磁路結(jié)構(gòu)組成，其特征在于，主電弧電源為能使弧根分裂為幾個(gè)整個(gè)陰極表面作多軌跡旋轉(zhuǎn)的小弧斑的大電流電源；電磁線圈為可在陰極表面上產(chǎn)生使弧斑在陰極表面上快速旋轉(zhuǎn)的橫向磁場分量和使弧斑向陰極表面中心聚焦的縱向磁場分量的可調(diào)電流的電磁線圈；含電磁線圈的磁路結(jié)構(gòu)由線圈(11)和由導(dǎo)磁材料制成的導(dǎo)磁導(dǎo)電桿(21)、導(dǎo)磁筒(20)、陰極座法蘭(17)、陰極筒體(12)、可拆卸陰極法蘭(10)、陰極壓板(9)、下導(dǎo)磁環(huán)(6b)或(6d)、上導(dǎo)磁環(huán)(6a)或(6c)以及陰極(3)組成，繞制在線圈骨架(5)上的線圈(11)套在導(dǎo)磁筒(20)外周，上端放在水密封蓋(4)位于陰極極筒體(12)內(nèi)部，陰極筒體(12)下端面和陰極座法蘭(17)相接，上端放有陰極(3)，陰極座法蘭(17)內(nèi)部設(shè)有以防法蘭過熱并保護(hù)密封圈不因過熱而變質(zhì)并和陰極筒體(12)中的兩個(gè)通水孔(27)相通的水冷空腔(28)，底部開有和端面垂直的盲孔，盲孔中裝有和水冷空腔(28)相通的冷卻水管(26)，由導(dǎo)磁或非導(dǎo)磁材料制成的對陰極(3)絕緣的屏蔽(7)點(diǎn)焊在上導(dǎo)磁環(huán)(6a)或(6c)上，并由3個(gè)屏蔽極支撐螺桿(13)固定在主支撐桿(14)上，主支撐桿(14)由螺釘固定在位于陰極座法蘭(17)上端面的絕緣密封法蘭板(16)上，帶內(nèi)螺紋的下導(dǎo)磁環(huán)(6b)和帶外螺紋的上導(dǎo)磁環(huán)(6a)螺紋連結(jié)，陰極(3)經(jīng)過燒蝕變短后，調(diào)節(jié)屏蔽支撐(13)和下導(dǎo)磁環(huán)(6b)或(6d)可調(diào)節(jié)屏蔽(7)和陰極(3)的相對位置，高溫絕緣屏蔽環(huán)(2)鑲嵌在上導(dǎo)磁環(huán)(6a)內(nèi)，點(diǎn)弧極(1)由緊固螺釘固定在點(diǎn)弧極支撐桿(8)上，點(diǎn)弧極支撐桿(8)可直接固定在電磁鐵或氣動(dòng)元件(圖中未標(biāo)出)的活動(dòng)部位上，導(dǎo)磁筒(20)的內(nèi)孔和陰極座法蘭(17)的內(nèi)孔中套有導(dǎo)磁導(dǎo)電桿(21)，并用螺母將導(dǎo)磁筒(20)、線圈(11)、水密封蓋(4)固定在陰極座法蘭(17)上的陰極筒體(12)內(nèi)，同時(shí)，還將墊圈(22)、密封圈(23)、導(dǎo)電片(24)固定在導(dǎo)磁導(dǎo)電桿(21)的下端。
2.按權(quán)利要求1所述的大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源，其特征在于所述的主弧電流電源電流須大于或等于150A;
3.按權(quán)利要求1所述的大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源，其特征在于所述陰極(3)是園形陰極，該陰極(3)是靠陰極壓板(9)上的螺釘旋入可拆卸的陰極法蘭(10)，將陰極(3)壓緊密封在陰極筒體(12)上，陰極(3)可用鈦金屬制成，也可用其它金屬或?qū)щ姴牧现瞥?，陰極(3)直徑可為60-150mm;
4.按權(quán)利要求1所述的大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源，其特征在于所述的陰極還可以制成供鍍多元合金用的復(fù)合陰極，該復(fù)合陰極可以是凹心厚壁杯形，厚壁上開有均勻分布寬度不大的鑲嵌槽，槽中嵌入所要加入成分的金屬或合金制成的片材。
5.按權(quán)利要求1所述的大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源，其特征在于所述的陰極還可以是環(huán)形，外徑可為60-250mm，電磁線圈(11a)采取直接水冷，磁路由陰極法蘭座(17a)、陰極筒體(12a)可拆卸陰極法蘭(10a)、陰極壓板(9a)、上導(dǎo)磁環(huán)(6c)、下導(dǎo)磁環(huán)(6d)、導(dǎo)磁端蓋(34)、導(dǎo)磁墊圈(33)、導(dǎo)磁導(dǎo)電桿(36)以及壓緊螺栓(32)組成，這些部件由導(dǎo)磁材料制成，密封端蓋(41)由非導(dǎo)磁材料制成，環(huán)形陰極(35)的底部有兩個(gè)螺釘孔，旋進(jìn)鎖緊螺釘(38)，并將帶鎖緊螺釘(38)的環(huán)形陰極(35)旋一個(gè)角度，壓在陰極鎖緊片(37)的孔中，陰極鎖緊片(37)是兩個(gè)窄片，在環(huán)形陰極(35)燒蝕變短后，可通過旋動(dòng)或更換鎖緊螺釘(38)，提升環(huán)形陰極(35)到合適的高度，高溫絕緣蓋(30)由緊固螺釘(31)固定在壓緊螺栓(32)上，緊固螺釘(31)和環(huán)形陰極(35)材質(zhì)相同;
6.按權(quán)利要求1、2、3、4、5所述的大電流多弧斑受控真空電弧蒸發(fā)源，其特征在于采用帶間隙的屏蔽極(7)和埋入式的高溫絕緣屏蔽環(huán)相結(jié)合的弧穩(wěn)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明屬于薄膜沉積設(shè)備，是真空電弧離子鍍膜機(jī)的核心部件。采用電磁線圈磁場控制電弧弧斑在陰極表面上的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度，顯著減少了蒸發(fā)源發(fā)射的金屬液滴，提高了鍍膜質(zhì)量。蒸發(fā)源在200A以上的大電弧電流和與之相匹配的磁場下工作時(shí)，電弧弧根可分裂為幾個(gè)小的弧斑，在幾乎整個(gè)陰極表面上作多軌跡旋轉(zhuǎn)，使陰極表面燒蝕均勻，鍍膜沉積速率提高2-3倍。采用環(huán)形陰極蒸發(fā)源，因橫向磁場的增加，使弧斑旋轉(zhuǎn)速度更高，能基本消除蒸發(fā)源發(fā)射的金屬液滴，陰極材料利用率更高。
文檔編號C23C14/32GK1055774SQ9110354
公開日1991年10月30日 申請日期1991年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月1日
發(fā)明者吳振華, 黃經(jīng)筒, 游本章, 任俠 申請人:中國科學(xué)院電工研究所