專利名稱：一種電弧離子鍍設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及薄膜和涂層制備領域，具體地說是一種用以在長管內表面和深孔器件孔內壁沉積薄膜或涂層的電弧離子鍍設備。
背景技術：
在工業應用中有大量金屬工件的內表面需要改性處理，特別是對于管件，普通處理方法無法滿足其內表面強化要求。這些工件常因內壁磨損、腐蝕、氧化過早失效，因此開發具有耐磨損、抗腐蝕、抗氧化的表面改性技術及工藝，是目前表面改性領域急需解決的難題。對于金屬管內壁改性，最早的解決方案是采用電鍍和化學鍍工藝。但是，化學鍍由于常常使用有害化學藥品，對環境有害，且鍍層致密性較差；電鍍盡管減少了使用的有害化學藥品，且鍍層致密性優于化學鍍，但是仍存在使用過程中與金屬管內壁結合較差的問題。以色列公布了一項采用化學氣相沉積在管內壁沉積涂層的方法(4764398) (Method of depositing coatings on the inner surface of a tube by chemical vapor d印osition)，并獲得美國專利，但該專利主要用于沉積太陽能吸收涂層。德國萊茵金屬公司的一項爆炸噴涂在深管內壁制備涂層工藝獲得了美國專利 (6183820)(Method of internally coating a metal tube by explosive evaporation of the coating substance) 0其核心思想是利用炸藥爆炸時產生的高壓氣體將熔點高、耐燒蝕的金屬“冷焊接”在身管內膛表面上。但采用該技術在管內壁涂層的均勻性還有待解決。德國Christian發明的采用激光熔覆技術在火炮身管內膛制備涂層的方法 (Method of internally coating a weapon barrel by means of a laser beam)獲得了美國專利(US 6M8125B2)，其基本原理是利用激光照射已涂敷在身管內膛上的鈮、鉬或鉭等高熔點金屬，使涂敷金屬和身管基體金屬熔化并融合在一起，從而增強炮膛耐燒蝕能力。通過激光加工頭在炮膛內軸向移動，可滿足炮膛內全長度或部分所需段耐燒蝕涂層的制備。 但采用該技術獲得的管內壁涂層的均勻性還有待解決，且當管腔尺寸較小或有彎曲形狀時激光束無法完成照射而使得此方法無法實施。近年來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，真空室內產生等離子體，等離子體通過擴散進入到管筒內，然后在管上施加負偏壓，這樣離子就被加速注入工件表面。由于管內等離子體是靠擴散進入的，存在密度梯度 (密度不均勻性)是不可避免的。后來有人提出了內部射頻等離子體源的方法，如美國專利 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 cylindricalsurfaces),禾丨J用中心電極華禹合身寸步頁功率來獲得管內部的等離子體，同時被處理的管上施加負偏壓進行離子注入或沉積。由于在管上施加負偏壓時管內部沒有嵌位的接地電極，離子的注入能量不可能很高。盡管等離子體浸沒離子注入在一定程度上解決了管內壁改性處理的技術難題，使得改性質量得到了很大改善，但仍存在一些問題有待解決。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用需求。電弧離子鍍技術是結合了蒸發與濺射技術而發展的一種PVD技術。在真空室內， 金屬靶材蒸發在氣體放電中進行，通過碰撞和電子撞擊形成氣體和金屬的離子，這些離子在電場中被加速飛向襯底并形成涂層。如果在薄膜或涂層的形成過程中通入活性氣體(如 N2, O2等)，則會發生化學反應并得到各種化合物薄膜或涂層。電弧離子鍍的主要優點在于靶材的離化率高，薄膜或涂層沉積速率快；所制備的薄膜或涂層與襯底之間具有良好的附著力，并且結構致密。基于以上優點，工業界已廣泛采用電弧離子鍍技術用于耐磨、抗高溫氧化以及改性薄膜或涂層的制備。真空電弧放電為低電壓大電流放電模式，其行為被金屬靶材表面許多快速游動、 高度明亮的陰極斑點所控制。電弧陰極斑點的產物是電子、金屬離子、中性原子和熔化液滴。其中，金屬離子是產物的主要部分。金屬離子的發射能量比較大(10 IOOeV),發射方向具有發散性，并且隨離開靶材的距離增加該發散性越明顯。電弧離子鍍技術一般只能用于工件外表面沉積防護和改性薄膜或涂層，無法實現對長管內表面和深孔器件孔內壁進行防護和改性的目的。其主要原因如下一方面，由于口徑較小，金屬離子流進入長管或深孔的深度非常有限，往往在管口或孔口附近即形成薄膜或涂層。一般來說，普通電弧離子鍍設備金屬離子進入長管或深孔的深度基本等于管(孔) 徑。盡管通過提高金屬離子入射速度可以增加其進入長管或深孔的深度，但增加量非常有限，并且獲得長管或深孔內的薄膜和涂層厚度沿進入深度梯度減小；另一方面，金屬離子呈發散狀由靶材高速向基材運動，當遠離靶材10-20cm后金屬離子分布將是一個非常大的圓臺底面。既使金屬離子能夠進入長管或深孔較深，由于長管或深孔的內徑非常小，金屬離子的利用率將非常低，甚至不超過1%，因此普通電弧離子鍍設備很難實現在長管內表面或深孔器件孔內壁防護和改性的目的。
發明內容針對現有技術中存在的電弧離子鍍技術無法實現對長管內表面和深孔器件孔內壁進行防護和改性的目的、改進電弧離子鍍技術可處理的長管和深孔器件孔徑或邊長與改性深度不超過1 2.5以及改性薄膜或涂層均勻性及結合力較差等不足之處，本發明提供一種采用磁場和電場控制的電弧離子鍍設備，能夠實現對長管內表面和深孔器件孔內壁防護和改性的目的，其沉積的薄膜或涂層均勻性好，與長管內表面和深孔器件孔內壁結合強。為了實現上述目的，本發明的技術方案是一種電弧離子鍍設備，該電弧離子鍍設備設有三套磁場發生裝置，包括用于對陰極靶發射的金屬離子流進行聚束的第一磁場發生裝置，設置在真空室外與陰極靶后面對應的位置；所述第一磁場發生裝置為在中間安裝鍍鎳純鐵的電磁線圈或者環形永磁體，該電磁線圈或環形永磁體通過圓形或矩形的第一支撐筒/架固定在與電弧離子鍍設備外殼連接的可移動工作臺上，第一磁場發生裝置的中心軸與陰極靶的中心軸重合，通過移動工作臺調整電磁線圈或環形永磁體與陰極靶之間的距離；用于同第一磁場發生裝置配合對金屬離子流進行聚束的第二磁場發生裝置，設置在真空室內陰極靶與工件之間，通過圓形或矩形的第二支撐筒/架固定在與真空室壁相連的工作臺上；用于將已聚束金屬離子流發散并向長管內表面或深孔內壁高速運動的第三磁場發生裝置，設置于真空室內工件的外周，通過圓形或矩形第三支撐筒/架絕緣固定在與真空室壁相連的工作臺上；一脈沖偏壓電源，陽極接于工件內孔中心懸空的工件輔助電極和真空室壁并接地，陰極與真空室內的第三支撐筒/架相連。第一支撐筒/架內徑或邊長為2-25cm，長度為5-20cm，第一磁場發生裝置所產生的磁感應強度為1000-5000Gauss。所述第二磁場發生裝置為電磁線圈，固定于第二支撐筒/架外周，該第二支撐筒/ 架內徑或邊長為2-25cm，長度為5-20cm，其中心軸與陰極靶的中心軸重合，所產生磁感應強度為500-4000GauSS，磁場方向與第一磁場發生裝置產生的磁場方向相同。所述第三磁場發生裝置為一電磁線圈組，該電磁線圈組固定于第三支撐筒或支撐架外周，第三支撐筒/架內徑或邊長2-25cm，長度為10-60cm，其中心軸與陰極靶的中心軸重合，該電磁線圈組由5-15個長度為24cm的單個線圈密排組成，每個線圈分別外接電源控制，所產生磁場的磁感應強度為1000-5000GauSS，極性與第一磁場發生裝置產生的磁場極性方向相反，通過調節每個線圈上的電流使所產生磁場的磁感應強度沿工件深度梯度減小分布。所述脈沖偏壓電源產生脈沖電場作用于工件內，電場電壓為100-2000V，脈沖頻率為 50-2000Hz,占空比為 20-80% ο所述的工件為長管或深孔結構器件。所述長管為通孔結構，長度為10-60cm，內徑或邊長為0. 6-15cm,壁厚為 0.I-IOcm0所述的長管或深孔器件為盲孔結構，孔徑或邊長為0. 6-15cm,長度為l_40cm。電磁線圈采用耐高溫漆包線纏繞，外面纏繞耐高溫的玻璃絲布，每個線圈通過單獨外接電源控制，所采用的電流形式是直流、交流或脈沖。對于弧源陰極靶的起弧方式，為機械接觸式或高壓脈沖式。本發明的另一個方案為還包括與三套磁場發生裝置和陰極靶對稱結構設置的磁場結構和陰極靶結構，對稱面為以第三磁場發生裝置的末端所在面且與工件水平方向垂直。本發明的設備用于在長管或深孔器件內壁沉積防護或改性薄膜或涂層，所沉積的材料為金屬、金屬合金、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬碳氮化物、金屬氧化物或DLC。本發明具有如下的有益效果和優點1.采用三套磁場發生裝置和一套電場發生裝置。前兩套磁場發生裝置用于對靶材發射金屬離子進行聚束，第三套磁場發生裝置用于將已聚束金屬離子流發散并向長管內表面或深孔內壁高速運動。電場發生裝置即脈沖偏壓電源用于對向長管內表面或深孔內壁運動的金屬離子進一步加速。通過磁場和電場發生裝置產生的磁場和電場解決了在長管內表面和深孔器件孔內壁沉積薄膜或涂層的技術難題；2.通過磁場和電場控制等離子體運動，保證了在長管內表面和深孔器件孔內壁沉積的薄膜或涂層的均勻性和質量，同時減少了所沉積薄膜或涂層中大顆粒的含量，所獲得改性薄膜或涂層的質量優于傳統電弧離子鍍獲得的薄膜或涂層；3.通過增加脈沖電場，實現了離子飛行過程中的徑向加速，提高了所獲薄膜或涂層的質量；4.采用兩套磁場發生裝置配合對靶材發射的金屬離子進行聚束。其中，真空室外第一套磁場發生裝置主要用以控制沉積薄膜或涂層過程中靶材表面的弧斑運動來實現聚束目的；第二套磁場發生裝置主要用以約束等離子體傳輸以及離子運動軌跡來實現聚束目的。同時，所產生的兩個磁場將增強帶電粒子在傳輸空間的振蕩，增加帶電粒子之間的碰撞，從而提高離化率。與僅使用第二套磁場發生裝置相比，使用兩套磁場發生裝置對靶材發射的金屬離子聚束，可以使所處理的長管和深孔器件孔徑或邊長與改性深度比由1 2.5 提高到1 10。
圖1為本發明電弧離子鍍設備用于改性盲孔結構的工件內表面結構示意圖；圖2為本發明電弧離子鍍設備用于改性通孔結構的工件內表面結構示意圖；圖3為本發明電弧離子鍍設備用于從兩端改性通孔結構的工件內表面結構示意圖；圖中，1為真空室；2為陰極靶；3為永磁體；4為引弧線圈；5為引弧針；6為進水管；7為出水管；8為第一電磁線圈；9為鍍鎳純鐵；10為第一工作臺；11為第一支撐筒/架； 12為第二電磁線圈；13為第二工作臺；14為第二支撐筒/架；15為工件(長管或深孔器件)；16為工件輔助電極；17為外壁保護套；18為第三電磁線圈；19為第三工作臺；20為第三支撐筒/架；21為金屬離子流；22為陰極靶電源；23為脈沖偏壓電源。
具體實施方式
下面通過實施例結合附圖對本發明進行詳細地敘述。實施例1如圖1所示，一種電弧離子鍍設備，該電弧離子鍍設備設有三套磁場發生裝置，包括用于對陰極靶發射的金屬離子流進行聚束的第一磁場發生裝置，設置在真空室1外與陰極靶2后面對應的位置；第一磁場發生裝置為在中間安裝鍍鎳純鐵9的第一電磁線圈8 或者環形永磁體，該第一電磁線圈8或環形永磁體通過第一支撐筒11或采用支撐架結構固定在與設備外殼連接的可移動第一工作臺10上，第一磁場發生裝置的中心軸與陰極靶2的中心軸重合，所產生的磁感應強度為1000-5000GaUSS，第一支撐筒11內徑或支撐架的邊長為2-25cm，長度為5-20cm，電磁線圈采用耐高溫漆包線纏繞，線圈外面纏繞耐高溫的玻璃絲布，單獨外接電源控制，所采用的電流形式可以是直流、交流或脈沖的形式；用于同第一磁場發生裝置配合對金屬離子流進行進一步聚束的第二磁場發生裝置，設置在真空室1內陰極靶2與工件15端部之間，固定于第二支撐筒或支撐架14外周， 第二支撐筒14或支撐架固定在與真空室1壁相連的第二工作臺13上，第二磁場發生裝置為第二電磁線圈12，材料與第一磁場發生裝置所有的材料相同，單獨外接電源控制，所采用的電流形式可以是直流、交流或脈沖的形式，第二支撐筒的內徑或支撐架的邊長為2-25cm， 長度為5-20cm，第二磁場發生裝置的中心軸與陰極靶2的中心軸重合，第二磁場發生裝置所產生磁感應強度為500-4000GauSS，通過控制外接電源控制線圈電流方向使得磁場方向與第一磁場發生裝置產生的磁場方向相同。弧源陰極靶2的起弧方式，為機械接觸式或高壓脈沖式，陰極靶2連接陰極靶電源 22的負極，陰極靶電源22的正極連接真空室壁并接地；陰極靶2的背部安裝有永磁鐵3。用于將已聚束金屬離子流發散并向長管內表面或深孔內壁高速運動的第三磁場發生裝置，設置于真空室內工件15的外周，中心軸與陰極靶2的中心軸重合，第三磁場發生裝置為電磁線圈組18，該電磁線圈組固定于第三支撐筒或支撐架20外周，第三支撐筒或支撐架絕緣固定在與真空室1壁相連的工作臺19上，第三支撐筒內徑或支撐架邊長2-25cm， 長度為10-60cm，電磁線圈組18由5_15個長度為24cm的單個線圈密排組成，每個線圈分別外接電源控制，所產生磁場的磁感應強度為1000-5000GauSS，極性與第一磁場發生裝置產生的磁場極性方向相反，通過調節每個線圈上的電流使其產生的磁感應強度沿工件深度梯度減小，電磁線圈采用耐高溫漆包線纏繞，線圈外面纏繞耐高溫的玻璃絲布，每個線圈通過單獨外接電源控制，所采用的電流形式是直流、交流或脈沖。一脈沖偏壓電源23，正極接于工件內孔中心懸空的工件輔助電極16和真空室1壁并接地，負極與真空室內的第三支撐筒20或支撐架相連，脈沖偏壓電源產生脈沖電場作用于工件內，電場電壓為100-2000V，脈沖頻率為50-2000Hz，占空比為20-80%。如圖1所示，工件為盲孔結構，孔徑為0. 6-15cm，長度為l-40cm，工件為長管或深孔器件。如圖2所示，工件為通孔結構，內徑為0. 6-15cm,長度為10-60cm，壁厚為 0. 1-lOcm，工件為長管。實施例2如圖3所示，與實施例1的不同之處在于，對于通孔的長管或深孔器件，采用對稱的磁場裝置結構和陰極靶結構從孔兩端同時進行管件內表面防護和改性薄膜或涂層的沉積，從而可將所處理長管的長度提高一倍，在實施例1的電弧離子鍍設備的三套磁場發生裝置和陰極靶對稱設置有另外三套磁場發生裝置以及陰極靶，其結構與實施例1中的三套磁場發生裝置結構相同，對稱結構，對稱面為以第三磁場發生裝置的末端所在面且與工件垂直，對稱磁場結構和陰極靶結構從孔兩端同時進行管件內表面防護和改性薄膜或涂層的沉積，從而可將所處理長管的長度提高一倍，如圖3所示，用于制備較長的通孔結構工件， 可用于制備內徑為0. 6-15cm，長度為20-120cm，壁厚為0. Ι-lOcm，長管工件。本發明為用于在長管或深孔器件內壁沉積防護或改性薄膜或涂層的電弧離子鍍設備，可以用于沉積的材料為金屬、金屬合金、金屬氮化物、金屬碳化物、金屬碳氮化物、金屬氧化物或DLC等。實例1 不銹鋼管內表面沉積氮化鈦涂層采用實施例1的設備，選擇壁厚為3mm的Φ 14X 300mm的不銹鋼管，經稀磷酸清洗、無水乙醇超聲清洗、烘干后放入保護外套內，裝入工件臺上，使不銹鋼管的中心線與陰極靶材軸線重合。真空室抽真空至3X10_3I^后，通入氬氣并維持真空室氣體壓強在2. OPa0 調節真空室外第一磁場發生裝置的電磁線圈電流至3. 7A(對應磁感應強度3000GaUSS)；調節真空室內聚束電磁線圈即第二磁場發生裝置電流至2. IA(對應磁感應強度lOOOGauss)； 調節真空室內發散電磁線圈組即第三磁場發生裝置的電流至3. 6,4. 0,4. 2,4. 4,4. 6、4. 8A(對應磁感應強度1800、2100、2200、2300、2400、2500Guass)，不銹鋼管壁與其中懸空的工件輔助電極加負偏壓_800V(占空比調節為0)，對工件進行輝光清洗3分鐘；調整氬氣流量，使真空室氣壓調整為0. 6Pa。陰極靶采用鈦靶，開啟陰極靶材電源，控制電流為 80A(電壓為20V)，對不銹鋼管內壁進行離子轟擊2分鐘。關掉氬氣，通入氮氣，并保持真空室內氣體壓強為0. 6Pa。調整不銹鋼管壁與其中懸空的工件輔助電極偏壓至_500V(占空比調節至40% )，調整靶材電源電流至60A (對應電壓為17. 2V)，工作時間為60分鐘。結束后，關閉偏壓電源，關閉靶材電源，關掉氣體并繼續抽真空1小時。關閉真空系統，打開真空室，取出不銹鋼管。采用線切割機將不銹鋼管切開，測量其內壁涂層厚度及硬度(納米壓痕儀)。整個不銹鋼管內壁為金黃色，沿不銹鋼管長度方向，涂層厚度和硬度都較均勻，分別為1.6μπι 和 2 IGI^a。實例2 模具內壁沉積氮化鉻涂層選擇實施例2的設備，合金鋼模具尺寸為60X50X300mm，具有Φ30Χ150πιπι內
孔。該模具經丙酮超聲清洗、無水乙醇清洗后烘干并放入保護套內，將模具的開口方向對準陰極靶材的等離子體束流來源方向，并保持模具內孔軸線與陰極靶材軸線重合。將懸空工件輔助電極放入模具孔內至接近孔底。真空室抽真空至3 X IO-3Pa后，通入氬氣并維持真空室氣體壓強在2. OPa0調節真空室外電磁線圈即第一磁場發生裝置的電流至3. 2Α(對應磁感應強度2500GauSS)；調節真空室內聚束電磁線圈即第二磁場發生裝置電流至2. IA(對應磁感應強度lOOOGauss)；調節真空室內發散電磁線圈組即第三磁場發生裝置電流至3. 6、 4. 0,4. 2,4. 4,4. 6A(對應磁感應強度 1800、2100、2200、2300、2400、2500Guass)，模具與其中懸空的工件輔助電極加負偏壓-800V (占空比調節為0)，對模具內孔壁進行輝光清洗3分鐘；之后，調整氬氣流量，使真空室氣壓調整為0. 6Pa。采用鉻靶，開啟陰極靶電源，控制電流為70A(電壓為21V)，對模具孔內壁繼續進行離子轟擊2分鐘。關掉氬氣，通入氮氣，并保持真空室內氣體壓強為0.6Pa。調整模具與其中懸空的工件輔助電極偏壓至_500V(占空比調節至40% )，調整陰極靶電源電流至58A (對應電壓為17. 2V)，工作時間為60分鐘。 結束后，關閉偏壓電源，關閉陰極靶電源，關掉氣體并繼續抽真空1小時。關閉真空系統，打開真空室，取出模具。采用線切割機將模具沿內孔中心切開，測量其內壁涂層厚度及硬度(納米壓痕儀)。沿模具內孔深度方向，涂層厚度和硬度都較均勻，分別為1.4μπι和19.8GPa。實例3 不銹鋼管內表面沉積鈦涂層選擇壁厚為3mm的Φ14Χ200πιπι的不銹鋼管，經稀磷酸清洗、無水乙醇超聲清洗、烘干后放入保護外套內，不銹鋼管子的中心線與陰極靶材軸線重合。真空室抽真空至 3 X IO-3Pa后，通入氬氣并維持真空室氣體壓強在2. OPa0調節真空室外電磁線圈即第一磁場產生裝置電流至3. 7Α (對應磁感應強度3000GaUSS)；調節真空室內聚束電磁線圈即第二磁場產生裝置電流至2. IA(對應磁感應強度lOOOGauss)；調節真空室內發散電磁線圈組即第三磁場產生裝置電流至3. 6,4. 0,4. 2,4. 4,4. 6,4. 8A(對應磁感應強度1800、2100、2200、 2300、2400、2500GuaSS)，不銹鋼管壁與其中懸空電極加負偏壓_800V(占空比調節為0)，對工件進行輝光清洗3分鐘；之后，調整氬氣流量，使真空室氣壓調整為0. 6Pa。開啟鈦靶電源，控制電流為80A(電壓為20V)，對不銹鋼管內壁繼續進行離子轟擊2分鐘。調整不銹鋼管壁與其中懸空的工件輔助電極偏壓至-500V(占空比調節至40%)，調整靶材電源電流至 60A(對應電壓為18. 2V)，工作時間為60分鐘。結束后，關閉偏壓電源，關閉靶材電源開關， 關掉氣體并繼續抽真空1小時。關閉真空系統，打開真空室，取出不銹鋼管。采用線切割機將不銹鋼管切開，測量其內壁涂層厚度及成分。沿不銹鋼管長度方向，選擇小樣品進行EDS分析證明不銹鋼管內壁已沉積了 Ti涂層，涂層厚度較均勻，為 2. 4 μ m0實例4 不銹鋼盲管內表面沉積銅涂層將Φ50Χ200πιπι的具有Φ30Χ 140mm盲孔的不銹鋼零件清洗、烘干后，放入保護外套內，不銹鋼零件盲孔的中心線與陰極靶材軸線重合。真空室抽真空至3X10_3!^后，通入氬氣并維持真空室氣體壓強在2. OPa0調節真空室外電磁線圈即第一磁場產生裝置電流至3. 4A(對應磁感應強度^OOGauss)；調節真空室內聚束電磁線圈即第二磁場產生裝置電流至2. IA(對應磁感應強度lOOOGauss)；調節真空室內發散電磁線圈組即第三磁場產生裝置電流至 3. 6,4. 0,4. 2,4. 4,4. 6,4. 8A(對應磁感應強度 1800、2100、2200、2300、2400、 2500GuaSS)，不銹鋼零件與其中懸空的工件輔助電極加負偏壓-800V(占空比調節為0)，對工件進行輝光清洗3分鐘；之后，調整氬氣流量，使真空室氣壓調整為0. 6Pa。開啟銅靶電源，控制電流為70A(電壓為25V)，對不銹鋼零件盲孔內壁繼續進行離子轟擊2分鐘。調整不銹鋼零件與其中懸空的工件輔助電極偏壓至-500V (占空比調節至40 % )，調整靶材電源電流至60A(對應電壓為18. 2V)，工作時間為60分鐘。結束后，關閉偏壓電源，關閉靶材電源開關，關掉氣體并繼續抽真空1小時。關閉真空系統，打開真空室，取出不銹鋼零件。采用線切割機將不銹鋼零件沿盲孔中心切開，測量其內壁涂層厚度及成分。沿不銹鋼零件盲孔長度方向，選擇小樣品進行EDS分析證明不銹鋼零件盲孔內壁已沉積了 Cu涂層，涂層厚度較均勻，為2. Ιμπι。
權利要求1.一種電弧離子鍍設備，其特征在于該電弧離子鍍設備設有三套磁場發生裝置，包括用于對陰極靶發射的金屬離子流進行聚束的第一磁場發生裝置，設置在真空室外與陰極靶后面對應的位置；所述第一磁場發生裝置為在中間安裝鍍鎳純鐵的電磁線圈或者環形永磁體，該電磁線圈或環形永磁體通過圓形或矩形的第一支撐筒/架固定在與電弧離子鍍設備外殼連接的可移動工作臺上，第一磁場發生裝置的中心軸與陰極靶的中心軸重合，通過移動工作臺調整電磁線圈或環形永磁體與陰極靶之間的距離；用于同第一磁場發生裝置配合對金屬離子流進行聚束的第二磁場發生裝置，設置在真空室內陰極靶與工件之間，通過圓形或矩形的第二支撐筒/架固定在與真空室壁相連的工作臺上；用于將已聚束金屬離子流發散并向長管內表面或深孔內壁高速運動的第三磁場發生裝置，設置于真空室內工件的外周，通過圓形或矩形第三支撐筒/架絕緣固定在與真空室壁相連的工作臺上；一脈沖偏壓電源，陽極接于工件內孔中心懸空的工件輔助電極和真空室壁并接地，陰極與真空室內的第三支撐筒/架相連。
2.按照權利要求1所述的電弧離子鍍設備，其特征在于所述第一支撐筒/架內徑或邊長為2-25cm，長度為5-20cm，第一磁場發生裝置所產生的磁感應強度為 1000-5000Gauss。
3.按照權利要求1所述的電弧離子鍍設備，其特征在于所述第二磁場發生裝置為電磁線圈，固定于第二支撐筒/架外周，該第二支撐筒/架內徑或邊長為2-25cm，長度為 5-20cm，其中心軸與陰極靶的中心軸重合，所產生磁感應強度為500-4000GauSS，磁場方向與第一磁場發生裝置產生的磁場方向相同。
4.按照權利要求1所述的電弧離子鍍設備，其特征在于所述第三磁場發生裝置為一電磁線圈組，該電磁線圈組固定于第三支撐筒或支撐架外周，第三支撐筒/架內徑或邊長 2-25cm，長度為10-60cm，其中心軸與陰極靶的中心軸重合，該電磁線圈組由5_15個長度為24cm的單個線圈密排組成，每個線圈分別外接電源控制，所產生磁場的磁感應強度為 1000-5000GaUSS，極性與第一磁場發生裝置產生的磁場極性方向相反，通過調節每個線圈上的電流使所產生磁場的磁感應強度沿工件深度梯度減小分布。
5.按照權利要求1所述的電弧離子鍍設備，其特征在于所述脈沖偏壓電源產生脈沖電場作用于工件內，電場電壓為100-2000V，脈沖頻率為50-2000Hz，占空比為20-80%。
6.按照權利要求1所述的電弧離子鍍設備，其特征在于所述的工件為長管或深孔結構器件。
7.按照權利要求5所述的電弧離子鍍設備，其特征在于所述長管為通孔結構，長度為 10-60cm,內徑或邊長為0. 6-15cm，壁厚為0. I-IOcm0
8.按照權利要求5所述的所述的電弧離子鍍設備，其特征在于所述的長管或深孔器件為盲孔結構，孔徑或邊長為0. 6-15cm，長度為l-40cm。
9.按照權利要求1、2和3所述的電弧離子鍍設備，其特征在于電磁線圈采用耐高溫漆包線纏繞，外面纏繞耐高溫的玻璃絲布，每個線圈通過單獨外接電源控制，所采用的電流形式是直流、交流或脈沖。
10.按照權利要求1所述的電弧離子鍍設備，其特征在于對于弧源陰極靶的起弧方式，為機械接觸式或高壓脈沖式。
11.按照權利要求1所述的電弧離子鍍設備，其特征在于還包括與三套磁場發生裝置和陰極靶對稱結構設置的磁場結構和陰極靶結構，對稱面為以第三磁場發生裝置的末端所在面且與工件水平方向垂直。
專利摘要本實用新型涉及薄膜和涂層制備領域，為一種用以在長管內表面和深孔器件孔內壁沉積薄膜或涂層的電弧離子鍍設備，該電弧離子鍍設備設有三套磁場發生裝置，對陰極靶發射的金屬離子流進行聚束的第一磁場發生裝置，在真空室外與陰極靶后面對應的位置；對金屬離子流進行聚束的第二磁場發生裝置，設置在真空室內陰極靶與工件之間，將已聚束金屬離子流發散并向長管內表面或深孔內壁高速運動的第三磁場發生裝置，設置于真空室內工件的外周，脈沖偏壓電源，于對向長管內表面或深孔內壁運動的金屬離子進一步加速，本實用新型解決了在長管內表面和深孔器件孔內壁沉積薄膜或涂層的技術難題；保證了薄膜或涂層的均勻性和質量，減少了所沉積薄膜或涂層中大顆粒的含量。
文檔編號C23C14/32GK202072760SQ201120127450
公開日2011年12月14日 申請日期2011年4月26日 優先權日2011年4月26日
發明者宋貴宏, 杜昊, 熊天英, 肖金泉, 趙彥輝 申請人:中國科學院金屬研究所