[实用新型]一种电弧离子镀设备

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜和涂层制备领域，具体地说是一种用以在长管内表面和深孔器件孔内壁沉积薄膜或涂层的电弧离子镀设备。

背景技术

在工业应用中有大量金属工件的内表面需要改性处理，特别是对于管件，普通处理方法无法满足其内表面强化要求。这些工件常因内壁磨损、腐蚀、氧化过早失效，因此开发具有耐磨损、抗腐蚀、抗氧化的表面改性技术及工艺，是目前表面改性领域急需解决的难题。

对于金属管内壁改性，最早的解决方案是采用电镀和化学镀工艺。但是，化学镀由于常常使用有害化学药品，对环境有害，且镀层致密性较差；电镀尽管减少了使用的有害化学药品，且镀层致密性优于化学镀，但是仍存在使用过程中与金属管内壁结合较差的问题。

以色列公布了一项采用化学气相沉积在管内壁沉积涂层的方法(4764398)(Method of depositing coatings on the inner surface of a tube by chemical vapor deposition)，并获得美国专利，但该专利主要用于沉积太阳能吸收涂层。

德国莱茵金属公司的一项爆炸喷涂在深管内壁制备涂层工艺获得了美国专利(6183820)(Method of internally coating a metal tube by explosive evaporation of the coating substance)。其核心思想是利用炸药爆炸时产生的高压气体将熔点高、耐烧蚀的金属“冷焊接”在身管内膛表面上。但采用该技术在管内壁涂层的均匀性还有待解决。

德国Christian发明的采用激光熔覆技术在火炮身管内膛制备涂层的方法(Method of internally coating a weapon barrel by means of a laser beam)获得了美国专利(US 6548125B2)，其基本原理是利用激光照射已涂敷在身管内膛上的铌、钼或钽等高熔点金属，使涂敷金属和身管基体金属熔化并融合在一起，从而增强炮膛耐烧蚀能力。通过激光加工头在炮膛内轴向移动，可满足炮膛内全长度或部分所需段耐烧蚀涂层的制备。但采用该技术获得的管内壁涂层的均匀性还有待解决，且当管腔尺寸较小或有弯曲形状时激光束无法完成照射而使得此方法无法实施。

近年来提出了等离子体浸没离子注入表面改性方法。其基本原理是：管筒放在真空室内，真空室内产生等离子体，等离子体通过扩散进入到管筒内，然后在管上施加负偏压，这样离子就被加速注入工件表面。由于管内等离子体是靠扩散进入的，存在密度梯度(密度不均匀性)是不可避免的。后来有人提出了内部射频等离子体源的方法，如美国专利5693376公开了筒型表面等离子体离子注入与沉积方法(Method for plasma source ion implantation and deposition for cylindricalsurfaces)，利用中心电极耦合射频功率来获得管内部的等离子体，同时被处理的管上施加负偏压进行离子注入或沉积。由于在管上施加负偏压时管内部没有嵌位的接地电极，离子的注入能量不可能很高。

尽管等离子体浸没离子注入在一定程度上解决了管内壁改性处理的技术难题，使得改性质量得到了很大改善，但仍存在一些问题有待解决。主要是离子注入层较浅，目前能注入的元素仅限于N元素，且表面强化效果有限(主要是注入层的硬度较低)，仍不能满足日益苛刻的应用需求。

电弧离子镀技术是结合了蒸发与溅射技术而发展的一种PVD技术。在真空室内，金属靶材蒸发在气体放电中进行，通过碰撞和电子撞击形成气体和金属的离子，这些离子在电场中被加速飞向衬底并形成涂层。如果在薄膜或涂层的形成过程中通入活性气体(如N₂、O₂等)，则会发生化学反应并得到各种化合物薄膜或涂层。电弧离子镀的主要优点在于靶材的离化率高，薄膜或涂层沉积速率快；所制备的薄膜或涂层与衬底之间具有良好的附着力，并且结构致密。基于以上优点，工业界已广泛采用电弧离子镀技术用于耐磨、抗高温氧化以及改性薄膜或涂层的制备。

真空电弧放电为低电压大电流放电模式，其行为被金属靶材表面许多快速游动、高度明亮的阴极斑点所控制。电弧阴极斑点的产物是电子、金属离子、中性原子和熔化液滴。其中，金属离子是产物的主要部分。金属离子的发射能量比较大(10～100eV)，发射方向具有发散性，并且随离开靶材的距离增加该发散性越明显。