专利名称：一种电弧离子镀设备的制作方法
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。·以色列公布了一项米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 chemicalvapordeposition),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 ofthecoating 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、钥或钽等高熔点金属，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 ionimplantation and deposition for cylindricalsurfaces),利用中心电极f禹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 IOOeV),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。
电弧离子镀技术一般只能用于工件外表面沉积防护和改性薄膜或涂层，无法实现对长管内表面和深孔器件孔内壁进行防护和改性的目的。其主要原因如下一方面，由于口径较小，金属离子流进入长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层。一般来说，普通电弧离子镀设备金属离子进入长管或深孔的深度基本等于管(孔)径。尽管通过提高金属离子入射速度可以增加其进入长管或深孔的深度，但增加量非常有限，并且获得长管或深孔内的薄膜和涂层厚度沿进入深度梯度减小；另一方面，金属离子呈发散状由靶材高速向基材运动，当远离靶材10-20cm后金属离子分布将是一个非常大的圆台底面。既使金属离子能够进入长管或深孔较深，由于长管或深孔的内径非常小，金属离子的利用率将非常低，甚至不超过1%，因此普通电弧离子镀设备很难实现在长管内表面或深孔器件孔内壁防护和改性的目的。
发明内容
针对现有技术中存在的电弧离子镀技术无法实现对长管内表面和深孔器件孔内壁进行防护和改性的目的、改进电弧离子镀技术可处理的长管和深孔器件孔径或边长与改性深度不超过I : 2.5以及改性薄膜或涂层均匀性及结合力较差等不足之处，本发明提供一种采用磁场和电场控制的电弧离子镀设备，能够实现对长管内表面和深孔器件孔内壁防护和改性的目的，其沉积的薄膜或涂层均匀性好，与长管内表面和深孔器件孔内壁结合强。为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种电弧离子镀设备，该电弧离子镀设备设有三套磁场发生装置，包括用于对阴极靶发射的金属离子流进行聚束的第一磁场发生装置，设置在真空室外与阴极靶后面对应的位置；所述第一磁场发生装置为在中间安装镀镍纯铁的电磁线圈或者环形永磁体，该电磁线圈或环形永磁体通过圆形或矩形的第一支撑筒/架固定在与电弧离子镀设备外壳连接的可移动工作台上，第一磁场发生装置的中心轴与阴极靶的中心轴重合，通过移动工作台调整电磁线圈或环形永磁体与阴极靶之间的距离；用于同第一磁场发生装置配合对金属离子流进行聚束的第二磁场发生装置，设置在真空室内阴极靶与工件之间，通过圆形或矩形的第二支撑筒/架固定在与真空室壁相连的工作台上；用于将已聚束金属离子流发散并向长管内表面或深孔内壁高速运动的第三磁场发生装置，设置于真空室内工件的外周，通过圆形或矩形第三支撑筒/架绝缘固定在与真空室壁相连的工作台上；一脉冲偏压电源，阳极接于工件内孔中心悬空的工件辅助电极和真空室壁并接地，阴极与真空室内的第三支撑筒/架相连。第一支撑筒/架内径或边长为2-25cm，长度为5-20cm，第一磁场发生装置所产生的磁感应强度为1000-5000Gauss。所述第二磁场发生装置为电磁线圈，固定于第二支撑筒/架外周，该第二支撑筒/架内径或边长为2-25cm，长度为5-20cm，其中心轴与阴极靶的中心轴重合，所产生磁感应 强度为500_4000Gauss,磁场方向与第一磁场发生装置产生的磁场方向相同。所述第三磁场发生装置为一电磁线圈组，该电磁线圈组固定于第三支撑筒或支撑架外周，第三支撑筒/架内径或边长2-25cm，长度为10-60cm，其中心轴与阴极靶的中心轴重合，该电磁线圈组由5-15个长度为2-4cm的单个线圈密排组成，每个线圈分别外接电源控制，所产生磁场的磁感应强度为1000_5000Gauss,极性与第一磁场发生装置产生的磁场极性方向相反，通过调节每个线圈上的电流使所产生磁场的磁感应强度沿工件深度梯度减小分布。所述脉冲偏压电源产生脉冲电场作用于工件内，电场电压为100-2000V，脉冲频率为 50-2000Hz,占空比为 20-80% ο所述的工件为长管或深孔结构器件。所述长管为通孔结构，长度为10_60cm,内径或边长为O. 6_15cm,壁厚为O.I-IOcm0所述的长管或深孔器件为盲孔结构，孔径或边长为O. 6-15cm,长度为l_40cm。电磁线圈采用耐高温漆包线缠绕，外面缠绕耐高温的玻璃丝布，每个线圈通过单独外接电源控制，所采用的电流形式是直流、交流或脉冲。对于弧源阴极靶的起弧方式，为机械接触式或高压脉冲式。本发明的另一个方案为还包括与三套磁场发生装置和阴极靶对称结构设置的磁场结构和阴极靶结构，对称面为以第三磁场发生装置的末端所在面且与工件水平方向垂直。本发明的设备用于在长管或深孔器件内壁沉积防护或改性薄膜或涂层，所沉积的材料为金属、金属合金、金属氮化物、金属碳化物、金属碳氮化物、金属氧化物或DLC。本发明具有如下的有益效果和优点I.采用三套磁场发生装置和一套电场发生装置。前两套磁场发生装置用于对靶材发射金属离子进行聚束，第三套磁场发生装置用于将已聚束金属离子流发散并向长管内表面或深孔内壁高速运动。电场发生装置即脉冲偏压电源用于对向长管内表面或深孔内壁运动的金属离子进一步加速。通过磁场和电场发生装置产生的磁场和电场解决了在长管内表面和深孔器件孔内壁沉积薄膜或涂层的技术难题；2.通过磁场和电场控制等离子体运动，保证了在长管内表面和深孔器件孔内壁沉积的薄膜或涂层的均匀性和质量，同时减少了所沉积薄膜或涂层中大颗粒的含量，所获得改性薄膜或涂层的质量优于传统电弧离子镀获得的薄膜或涂层；3.通过增加脉冲电场，实现了离子飞行过程中的径向加速，提高了所获薄膜或涂层的质量；4.采用两套磁场发生装置配合对靶材发射的金属离子进行聚束。其中，真空室外第一套磁场发生装置主要用以控制沉积薄膜或涂层过程中靶材表面的弧斑运动来实现聚束目的；第二套磁场发生装置主要用以约束等离子体传输以及离子运动轨迹来实现聚束目的。同时，所产生的两个磁场将增强带电粒子在传输空间的振荡，增加带电粒子之间的碰撞，从而提高离化率。与仅使用第二套磁场发生装置相比，使用两套磁场发生装置对靶材发射的金属离子聚束，可以使所处理的长管和深孔器件孔径或边长与改性深度比由I : 2.5提闻到I · 10。
图I为本发明电弧离子镀设备用于改性盲孔结构的工件内表面结构示意图；
图2为本发明电弧离子镀设备用于改性通孔结构的工件内表面结构示意图；图3为本发明电弧离子镀设备用于从两端改性通孔结构的工件内表面结构示意图；图中，I为真空室；2为阴极祀；3为永磁体；4为引弧线圈；5为引弧针；6为进水管；7为出水管；8为第一电磁线圈；9为镀镍纯铁；10为第一工作台；11为第一支撑筒/架；12为第二电磁线圈；13为第二工作台；14为第二支撑筒/架；15为工件(长管或深孔器件)；16为工件辅助电极；17为外壁保护套；18为第三电磁线圈；19为第三工作台；20为第三支撑筒/架；21为金属离子流；22为阴极靶电源；23为脉冲偏压电源。
具体实施例方式下面通过实施例结合附图对本发明进行详细地叙述。实施例I如图I所示，一种电弧离子镀设备，该电弧离子镀设备设有三套磁场发生装置，包括用于对阴极靶发射的金属离子流进行聚束的第一磁场发生装置，设置在真空室I外与阴极靶2后面对应的位置；第一磁场发生装置为在中间安装镀镍纯铁9的第一电磁线圈8或者环形永磁体，该第一电磁线圈8或环形永磁体通过第一支撑筒11或采用支撑架结构固定在与设备外壳连接的可移动第一工作台10上，第一磁场发生装置的中心轴与阴极靶2的中心轴重合，所产生的磁感应强度为1000-5000GauSS，第一支撑筒11内径或支撑架的边长为2-25cm，长度为5-20cm，电磁线圈采用耐高温漆包线缠绕，线圈外面缠绕耐高温的玻璃丝布，单独外接电源控制，所采用的电流形式可以是直流、交流或脉冲的形式；用于同第一磁场发生装置配合对金属离子流进行进一步聚束的第二磁场发生装置，设置在真空室I内阴极靶2与工件15端部之间，固定于第二支撑筒或支撑架14外周，第二支撑筒14或支撑架固定在与真空室I壁相连的第二工作台13上，第二磁场发生装置为第二电磁线圈12，材料与第一磁场发生装置所有的材料相同，单独外接电源控制，所采用的电流形式可以是直流、交流或脉冲的形式，第二支撑筒的内径或支撑架的边长为2-25cm，长度为5-20cm，第二磁场发生装置的中心轴与阴极靶2的中心轴重合，第二磁场发生装置所产生磁感应强度为500-4000Gauss,通过控制外接电源控制线圈电流方向使得磁场方向与第一磁场发生装置产生的磁场方向相同。弧源阴极靶2的起弧方式，为机械接触式或高压脉冲式，阴极靶2连接阴极靶电源22的负极，阴极靶电源22的正极连接真空室壁并接地；阴极靶2的背部安装有永磁铁3。用于将已聚束金属离子流发散并向长管内表面或深孔内壁高速运动的第三磁场发生装置，设置于真空室内工件15的外周，中心轴与阴极靶2的中心轴重合，第三磁场发生装置为电磁线圈组18，该电磁线圈组固定于第三支撑筒或支撑架20外周，第三支撑筒或支撑架绝缘固定在与真空室I壁相连的工作台19上，第三支撑筒内径或支撑架边长2-25cm，长度为10-60cm，电磁线圈组18由5_15个长度为2-4cm的单个线圈密排组成，每个线圈分别外接电源控制，所产生磁场的磁感应强度为1000-5000Gauss，极性与第一磁场发生装置产生的磁场极性方向相反，通过调节每个线圈上的电流使其产生的磁感应强度沿工件深度梯度减小，电磁线圈采用耐高温漆包线缠绕，线圈外面缠绕耐高温的玻璃丝布，每个线圈通过单独外接电源控制，所采用的电流形式是直流、交流或脉冲。 一脉冲偏压电源23，正极接于工件内孔中心悬空的工件辅助电极16和真空室I壁并接地，负极与真空室内的第三支撑筒20或支撑架相连，脉冲偏压电源产生脉冲电场作用于工件内，电场电压为100-2000V，脉冲频率为50-2000HZ，占空比为20-80%。如图I所示,工件为盲孔结构,孔径为O. 6_15cm,长度为l_40cm,工件为长管或深孔器件。如图2所示，工件为通孔结构，内径为O. 6-15cm,长度为10_60cm,壁厚为
O.I-IOcm,工件为长管。实施例2如图3所示，与实施例I的不同之处在于，对于通孔的长管或深孔器件，采用对称的磁场装置结构和阴极靶结构从孔两端同时进行管件内表面防护和改性薄膜或涂层的沉积，从而可将所处理长管的长度提高一倍，在实施例I的电弧离子镀设备的三套磁场发生装置和阴极靶对称设置有另外三套磁场发生装置以及阴极靶，其结构与实施例I中的三套磁场发生装置结构相同，对称结构，对称面为以第三磁场发生装置的末端所在面且与工件垂直，对称磁场结构和阴极靶结构从孔两端同时进行管件内表面防护和改性薄膜或涂层的沉积，从而可将所处理长管的长度提高一倍，如图3所示，用于制备较长的通孔结构工件，可用于制备内径为O. 6-15cm，长度为20-120cm，壁厚为O. Ι-lOcm，长管工件。本发明为用于在长管或深孔器件内壁沉积防护或改性薄膜或涂层的电弧离子镀设备，可以用于沉积的材料为金属、金属合金、金属氮化物、金属碳化物、金属碳氮化物、金属氧化物或DLC等。实例I :不锈钢管内表面沉积氮化钛涂层采用实施例I的设备，选择壁厚为3mm的Φ 14X 300mm的不锈钢管，经稀磷酸清洗、无水乙醇超声清洗、烘干后放入保护外套内，装入工件台上，使不锈钢管的中心线与阴极靶材轴线重合。真空室抽真空至3 X 10_3pa后，通入氩气并维持真空室气体压强在2. OPa0调节真空室外第一磁场发生装置的电磁线圈电流至3. 7A(对应磁感应强度3000Gauss);调节真空室内聚束电磁线圈即第二磁场发生装置电流至2. IA (对应磁感应强度lOOOGauss)；调节真空室内发散电磁线圈组即第三磁场发生装置的电流至3. 6,4. 0,4. 2,4. 4,4. 6、4.8A(对应磁感应强度1800、2100、2200、2300、2400、2500Guass)，不锈钢管壁与其中悬空的工件辅助电极加负偏压_800V(占空比调节为O)，对工件进行辉光清洗3分钟；调整氩气流量，使真空室气压调整为O. 6Pa。阴极靶采用钛靶，开启阴极靶材电源，控制电流为80A(电压为20V)，对不锈钢管内壁进行离子轰击2分钟。关掉氩气，通入氮气，并保持真空室内气体压强为O. 6Pa。调整不锈钢管壁与其中悬空的工件辅助电极偏压至_500V(占空比调节至40% )，调整靶材电源电流至60A (对应电压为17. 2V)，工作时间为60分钟。结束后，关闭偏压电源，关闭靶材电源，关掉气体并继续抽真空I小时。关闭真空系统，打开真空室，取出不锈钢管。采用线切割机将不锈钢管切开，测量其内壁涂层厚度及硬度(纳米压痕仪)。整个不锈钢管内壁为金黄色，沿不锈钢管长度方向，涂层厚度和硬度都较均匀，分别为1.6μπι和 2IGPa。 实例2 :模具内壁沉积氮化铬涂层选择实施例2的设备，合金钢模具尺寸为60X50X300mm，具有Φ30Χ 150mm内孔。该模具经丙酮超声清洗、无水乙醇清洗后烘干并放入保护套内，将模具的开口方向对准阴极靶材的等离子体束流来源方向，并保持模具内孔轴线与阴极靶材轴线重合。将悬空工件辅助电极放入模具孔内至接近孔底。真空室抽真空至3 X 10_3pa后，通入氩气并维持真空室气体压强在2. OPa0调节真空室外电磁线圈即第一磁场发生装置的电流至3. 2A(对应磁感应强度2500Gauss);调节真空室内聚束电磁线圈即第二磁场发生装置电流至2. IA (对应磁感应强度lOOOGauss);调节真空室内发散电磁线圈组即第三磁场发生装置电流至3. 6、
4.0,4. 2,4. 4,4. 6A(对应磁感应强度 1800、2100、2200、2300、2400、2500Guass)，模具与其中悬空的工件辅助电极加负偏压-800V (占空比调节为O)，对模具内孔壁进行辉光清洗3分钟；之后，调整氩气流量，使真空室气压调整为O. 6Pa。采用铬靶，开启阴极靶电源，控制电流为70A(电压为21V)，对模具孔内壁继续进行离子轰击2分钟。关掉氩气，通入氮气，并保持真空室内气体压强为O. 6Pa。调整模具与其中悬空的工件辅助电极偏压至_500V(占空比调节至40% )，调整阴极靶电源电流至58A(对应电压为17. 2V)，工作时间为60分钟。结束后，关闭偏压电源，关闭阴极靶电源，关掉气体并继续抽真空I小时。关闭真空系统，打开真空室，取出模具。采用线切割机将模具沿内孔中心切开，测量其内壁涂层厚度及硬度(纳米压痕仪)。沿模具内孔深度方向，涂层厚度和硬度都较均匀，分别为1.4μπι和19.8GPa。实例3 :不锈钢管内表面沉积钛涂层选择壁厚为3mm的Φ14Χ200·ι的不锈钢管，经稀磷酸清洗、无水乙醇超声清洗、烘干后放入保护外套内，不锈钢管子的中心线与阴极靶材轴线重合。真空室抽真空至3 X 10-3pa后，通入氩气并维持真空室气体压强在2. OPa0调节真空室外电磁线圈即第一磁场产生装置电流至3. 7Α(对应磁感应强度3000Gauss);调节真空室内聚束电磁线圈即第二磁场产生装置电流至2. IA(对应磁感应强度lOOOGauss);调节真空室内发散电磁线圈组即第三磁场产生装置电流至3. 6,4. 0,4. 2,4. 4,4. 6,4. 8A(对应磁感应强度1800、2100、2200、2300、2400、2500Guass)，不锈钢管壁与其中悬空电极加负偏压_800V(占空比调节为0)，对工件进行辉光清洗3分钟；之后，调整氩气流量，使真空室气压调整为0. 6Pa。开启钛靶电源，控制电流为80A(电压为20V)，对不锈钢管内壁继续进行离子轰击2分钟。调整不锈钢管壁与其中悬空的工件辅助电极偏压至-500V (占空比调节至40%)，调整靶材电源电流至60A(对应电压为18. 2V)，工作时间为60分钟。结束后，关闭偏压电源，关闭靶材电源开关，关掉气体并继续抽真空I小时。关闭真空系统，打开真空室，取出不锈钢管。采用线切割机将不锈钢管切开，测量其内壁涂层厚度及成分。沿不锈钢管长度方向，选择小样品进行EDS分析证明不锈钢管内壁已沉积了 Ti涂层，涂层厚度较均匀，为
2.4 μ m0实例4 :不锈钢盲管内表面沉积铜涂层将Φ50Χ200πιπι的具有Φ30Χ 140mm盲孔的不锈钢零件清洗、烘干后，放入保护外套内，不锈钢零件盲孔的中心线与阴极靶材轴线重合。真空室抽真空至3X10_3pa后，通入氩气并维持真空室气体压强在2. OPa0调节真空室外电磁线圈即第一磁场产生装置电流至3.4A(对应磁感应强度2800Gauss);调节真空室内聚束电磁线圈即第二磁场产生装置 电流至2. IA(对应磁感应强度lOOOGauss);调节真空室内发散电磁线圈组即第三磁场产生装置电流至 3. 6,4. 0,4. 2,4. 4,4. 6,4. 8A(对应磁感应强度 1800、2100、2200、2300、2400、2500Guass)，不锈钢零件与其中悬空的工件辅助电极加负偏压_800V(占空比调节为O)，对工件进行辉光清洗3分钟；之后，调整氩气流量，使真空室气压调整为O. 6Pa。开启铜靶电源，控制电流为70A(电压为25V)，对不锈钢零件盲孔内壁继续进行离子轰击2分钟。调整不锈钢零件与其中悬空的工件辅助电极偏压至-500V (占空比调节至40 % )，调整靶材电源电流至60A(对应电压为18. 2V)，工作时间为60分钟。结束后，关闭偏压电源，关闭靶材电源开关，关掉气体并继续抽真空I小时。关闭真空系统，打开真空室，取出不锈钢零件。采用线切割机将不锈钢零件沿盲孔中心切开，测量其内壁涂层厚度及成分。沿不锈钢零件盲孔长度方向，选择小样品进行EDS分析证明不锈钢零件盲孔内壁已沉积了 Cu涂层，涂层厚度较均匀，为2. I μ m。
权利要求
1.一种电弧离子镀设备，其特征在于该电弧离子镀设备设有三套磁场发生装置，包括: 用于对阴极靶发射的金属离子流进行聚束的第一磁场发生装置，设置在真空室外与阴极靶后面对应的位置；所述第一磁场发生装置为在中间安装镀镍纯铁的电磁线圈或者环形永磁体，该电磁线圈或环形永磁体通过圆形或矩形的第一支撑筒/架固定在与电弧离子镀设备外壳连接的可移动工作台上，第一磁场发生装置的中心轴与阴极靶的中心轴重合，通过移动工作台调整电磁线圈或环形永磁体与阴极靶之间的距离； 用于同第一磁场发生装置配合对金属离子流进行聚束的第二磁场发生装置，设置在真空室内阴极靶与工件之间，通过圆形或矩形的第二支撑筒/架固定在与真空室壁相连的工作台上； 用于将已聚束金属离子流发散并向长管内表面或深孔内壁高速运动的第三磁场发生装置，设置于真空室内工件的外周，通过圆形或矩形第三支撑筒/架绝缘固定在与真空室壁相连的工作台上； 一脉冲偏压电源，阳极接于工件内孔中心悬空的工件辅助电极和真空室壁并接地，阴极与真空室内的第三支撑筒/架相连。
2.按照权利要求I所述的电弧离子镀设备，其特征在于所述第一支撑筒/架内径或边长为2_25cm,长度为5_20cm,第一磁场发生装置所产生的磁感应强度为1000_5000Gauss。
3.按照权利要求I所述的电弧离子镀设备，其特征在于所述第二磁场发生装置为电磁线圈，固定于第二支撑筒/架外周，该第二支撑筒/架内径或边长为2-25cm，长度为5-20cm，其中心轴与阴极靶的中心轴重合，所产生磁感应强度为500-4000Gauss，磁场方向与第一磁场发生装置产生的磁场方向相同。
4.按照权利要求I所述的电弧离子镀设备，其特征在于所述第三磁场发生装置为一电磁线圈组，该电磁线圈组固定于第三支撑筒或支撑架外周，第三支撑筒/架内径或边长2-25cm,长度为10-60cm,其中心轴与阴极祀的中心轴重合,该电磁线圈组由5-15个长度为2-4cm的单个线圈密排组成，每个线圈分别外接电源控制，所产生磁场的磁感应强度为1000-5000Gauss,极性与第一磁场发生装置产生的磁场极性方向相反,通过调节每个线圈上的电流使所产生磁场的磁感应强度沿工件深度梯度减小分布。
5.按照权利要求I所述的电弧离子镀设备，其特征在于所述脉冲偏压电源产生脉冲电场作用于工件内，电场电压为100-2000V，脉冲频率为50-2000HZ，占空比为20-80%。
6.按照权利要求I所述的电弧离子镀设备，其特征在于所述的工件为长管或深孔结构器件。
7.按照权利要求5所述的电弧离子镀设备，其特征在于所述长管为通孔结构，长度为10-60cm,内径或边长为O. 6-15cm，壁厚为O. 1-lOcm。
8.按照权利要求5所述的所述的电弧离子镀设备，其特征在于所述的长管或深孔器件为盲孔结构，孔径或边长为O. 6-15cm，长度为l-40cm。
9.按照权利要求1、2和3所述的电弧离子镀设备，其特征在于电磁线圈采用耐高温漆包线缠绕，外面缠绕耐高温的玻璃丝布，每个线圈通过单独外接电源控制，所采用的电流形式是直流、交流或脉冲。
10.按照权利要求I所述的电弧离子镀设备，其特征在于对于弧源阴极靶的起弧方式，为机械接触式或高压脉冲式。
11.按照权利要求I所述的电弧离子镀设备，其特征在于还包括与三套磁场发生装置和阴极靶对称结构设置的磁场结构和阴极靶结构，对称面为以第三磁场发生装置的末端所在面且与工件水平方向垂直。
12.按照权利要求I或11所述的电弧离子镀设备，其特征在于所述电弧离子镀设备用于在长管或深孔器件内壁沉积防护或改性薄膜或涂层，所沉积的材料为金属、金属合金、金属氮化物、金属碳化物、金属碳氮化物、金属氧化物或DLC。
全文摘要
本发明涉及薄膜和涂层制备领域，为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，该电弧离子镀设备设有三套磁场发生装置，对阴极靶发射的金属离子流进行聚束的第一磁场发生装置，在真空室外与阴极靶后面对应的位置；对金属离子流进行聚束的第二磁场发生装置，设置在真空室内阴极靶与工件之间，将已聚束金属离子流发散并向长管内表面或深孔内壁高速运动的第三磁场发生装置，设置于真空室内工件的外周，脉冲偏压电源，于对向长管内表面或深孔内壁运动的金属离子进一步加速，本发明解决了在长管内表面和深孔器件孔内壁沉积薄膜或涂层的技术难题；保证了薄膜或涂层的均匀性和质量，减少了所沉积薄膜或涂层中大颗粒的含量。
文档编号C23C14/48GK102758186SQ201110105549
公开日2012年10月31日 申请日期2011年4月26日 优先权日2011年4月26日
发明者宋贵宏, 杜昊, 熊天英, 肖金泉, 赵彦辉 申请人:中国科学院金属研究所