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一种深孔内镀膜的技术和设备

发明公布  在审
申请(专利)号:CN201811507016.6国省代码:北京 11
申请(专利权)人:北京师范大学
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摘要:
本发明公开了一种深孔内镀膜的技术和设备,包括两个阴极靶系统、两个磁过滤系统、真空室、翻转系统、陶瓷螺线管、工件系统、辅助阳极等。弯管为直流磁场、圆柱形真空室为强脉冲聚焦磁场、真空室内陶瓷管上缠绕的也为脉冲聚焦磁场。阴极靶工作时为可推进靶材,圆筒内壁镀膜前真空室内通入惰性气体Ar和氢气,通过辅助阳极和镀件内壁之间电晕放电进行表面清洗,清洗完后进行电弧沉积镀膜。本发明可镀膜的圆筒长径比可大于20∶1,其中孔的直径不小于20mm,膜层的厚度均匀性好于±15%,弥补了国内外在内壁镀膜的均匀性差,长径比受限的关键技术瓶颈。

主权项:
1.一种深孔内镀膜的技术和设备,其特征包括:该技术为磁过滤沉积技术,设备包括弧源系统、磁过滤系统、真空系统、磁场系统、真空室内陶瓷管、镀件圆筒、翻转系统以及偏压系统;镀件可为金属、非金属或者不耐温的薄膜内壁,沉积的圆筒直径大于20mm,长度1.2‑2m,膜层均匀性±15%;镀件圆筒内壁镀膜之前通过辅助阳极和阴极圆筒之间电晕放电进行表面清洗,通入的气体为Ar和H2的混合气体,混合气体的比例Ar∶H2为10∶1,放电电压为800V;镀件圆筒内镀膜时两阴极靶起弧电流为20‑90A;磁过滤系统磁场电流为1‑5A;圆柱真空室上强脉冲聚焦磁场为直流和脉冲电流混合,直流电流为1‑2A,脉冲电流为1A‑1KA,频率10Hz‑1KHz;真空室内陶瓷管上缠绕的聚焦磁场为脉冲磁场电流为‑1KA‑1KA交替变化,频率为10Hz‑1KHz;陶瓷筒连带镀件圆筒在真空室内翻转,镀件通过电刷连接偏压,偏压为‑1000‑1000V交替变化,频率为10Hz‑200Hz;镀件与陶瓷筒之间通过陶瓷环进行限位,为保证镀膜均匀性和束流强度,镀件直径和外陶瓷筒直径差值不大于20mm;可镀膜的长径比可高达20∶1,其中孔的直径不小于20mm,膜层的厚度均匀性好于±15%。


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说明书

一种深孔内镀膜的技术和设备

技术领域

本发明是解决深孔内镀膜问题,具体技术是基于磁过滤沉积技术。

技术背景

随着科学技术的快速发展,对材料表面改性技术的要求越来越高,传统单一的表
面改性技术已越来越难以满足工业生产上的技术要求;异形件的表面镀膜成为未来发展的
方向之一。

近年来,一些表面改性复合技术不断问世并相继投入到产业中,并发挥着重要作
用。例如磁控溅射技术与电弧离子镀技术的复合技术,兼容了磁控溅射技术可以沉积大面
积和高均匀性的薄膜优点和离子镀技术制备高结合力薄膜的优点,提高了工艺实用性。再
如多弧离子镀将多个弧源共同作用,不仅实现多元复合薄膜沉积,而且显著的提高了沉积
效率,目前该技术在刀具、零部件加工产业中应用较为广泛。现表面沉积技术中如多弧离子
镀、磁控溅射以及化学气相沉积等是其中非常重要的改性手段。但其存在一重要缺点,即对
于孔内沉积膜层这些技术均不适用,特别是孔径比大的圆筒沉积均匀性更差。磁过滤阴极
真空弧沉积技术是近年来发展起来的一种新型离子束薄膜制备方法,它通过磁过滤技术,
过滤掉弧源产生的大颗粒和中性原子,得到无大颗粒的纯等离子束,有效地克服了普通弧
源沉积方法中由于大颗粒的存在而产生的问题,制备的薄膜具有优异的性能,但现有磁过
滤沉积技术重要的缺点仍是深孔镀膜能力有限,对一些大尺寸高孔径比的工件表面不能实
现内表面均匀镀膜。深孔镀膜无论是国外还是国内都是一个制约其发展的技术瓶颈,目前
仍未有相关深孔技术的报道。

发明内容

针对上述问题,本发明基于原有的磁过滤沉积系统,针对真空室结构、弧源靶结
构,镀件及其旋转机构进行解构,提出了一种深孔镀膜技术和设备。

本发明实施例的目的之一是通过设计深孔镀膜设备有效地对离子束流进行深孔
调控,实现能处理更大长径比的工件,同时能够大幅减低起弧电流和大幅提高阴极寿命。

进一步来讲:

该技术为磁过滤沉积技术;

沉积的圆筒可为金属、非金属或者不耐温的薄膜内壁,沉积的圆筒直径大于20mm,
长度1.2-2m,膜层均匀性±15%;

圆筒内壁镀膜之前通过辅助阳极和阴极圆筒之间电晕放电进行表面清洗,通入的
气体为Ar和H2的混合气体,混合气体的比例Ar∶H2为10∶1,放电电压为800V;

镀件圆筒内镀膜时两阴极靶起弧电流为20-90A;磁过滤系统磁场电流为1-5A;

圆柱真空室上强脉冲聚焦磁场为直流和脉冲电流混合,直流电流为1-2A,脉冲电
流为1A-1KA,频率10Hz-1KHz,直流和脉冲电流的复合能明显提高等离子体的输运能力,提
高等离子体的穿孔能力;

真空室内陶瓷管上缠绕的聚焦磁场为脉冲磁场电流为-1KA-1KA交替变化,频率为
10Hz-1KHz,陶瓷管内磁场的交变;

陶瓷筒连带镀件圆筒在真空室内翻转,镀件通过电刷连接偏压,偏压为-1000-
1000V交替变化,频率为10Hz-200Hz;

镀件与陶瓷筒之间通过陶瓷进行限位,为保证镀膜均匀性和束流强度,镀件直径
和陶瓷筒直径差值不大于20mm;

可镀膜的长径比可高达20∶1,其中孔的直径不小于20mm,膜层的厚度均匀性好于
±15%。

相对于现有技术,本发明各实施例具有以下优势:

1、本发明实施例提出了一种深孔内镀膜的技术和设备,本发明可镀膜的圆筒长径
比可大于20∶1,其中孔的直径不小于20mm,膜层的厚度均匀性好于±15%,大大方便了圆筒
的内镀工业化应用;

2、相比现有磁过滤沉积装置,该专利装置真空室外部设置了高脉冲磁场,能够对
磁过滤引出的等离子体进行聚焦,大幅度提高等离子体进入镀件管内的几率,同时提高其
高长径比的镀膜能力;

3、相比现有的磁过滤装置,该专利设备在真空室内设置了强聚焦陶瓷管,通过设
置该陶瓷管线圈电流的方向可大幅提高镀件内表面的镀膜均匀能力;

4、相比于现有的表面沉积技术,该专利在镀件上采用电刷导电方式,同时镀件的
电位在镀膜过程中发生交替变化,如在镀件内壁为正电位时,等离子体被压缩进行传输;镀
件内壁为负电位时,等离子体中离子被吸引至内壁进行镀膜;因此通过内壁的电位的转换
能够实现均匀膜层镀制,这和传统的沉积方式有着很大的不同;

5、相比于现有的表面沉积技术,磁过滤阴极设置了双辅助阳极,阴极能够在高真
空下在更低的起弧电流下稳定可靠的工作,最低起弧电流可低至20A,同时无辅助气体,真
空度为1××10-3Pa。

需要说明的是,对于前述的方法实施例,为了简单描述,故将其都表述为一系列的
动作组合,但是本领域技术人员应该知悉,本发明并不受所描述的动作顺序的限制,因为依
据本发明,某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次,本领域技术人员也应该知悉,
说明书中所描述的实施例均属于优选实施例,所涉及的动作并不一定是本发明所必需的。

以上所述仅为本发明的实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和
原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明实施例的更多特点和优势将在之后的具体实施方式予以说明。

附图说明

构成本发明实施例一部分的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,本发明
的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:

图1为本发明深孔内镀膜设备的正视图;

图2为本发明真空室的剖面图;

图3为本发明实施例1弧斑图;

图4为本发明实施例2弧斑图;

图5为本发明实施例3弧斑图;

图6为本发明实施例4弧斑图。

附图标记说明

101 阴极座法兰

102 导磁阳极筒

103 磁过滤磁场

104 磁过滤管道

105 强脉冲磁场

106 真空室矮柜

107 强脉冲磁场

108 磁过滤磁场

109 导磁阳极筒

110 阴极座法兰

111 辅助电极

112 陶瓷绝缘管

113 陶瓷固定环

114 镀件圆筒

115 强脉冲线包

116 翻转夹具

117 辅助电极支撑轴

118 第一辅助阳极

119 第二辅助阳极

120 偏压电刷

201 辅助电极

202 辅助电极支撑轴

203 翻转夹具

204 镀件圆筒

205 陶瓷固定环

206 陶瓷绝缘管

207 真空腔室

实施例

实施例1

镀件圆筒内径为80mm,外径为110mm,长度为1100mm,选择的外绝缘陶瓷筒内径为
120mm,镀膜前清洗真空为0.5-2Pa,Ar∶H2为10∶1,放电电压为800V,清洗时间30-60min;镀
件圆筒镀膜时起弧电流为30A,真空度为1×10-3Pa,偏压为-800V-800V交替变化,频率为
50Hz,各线包磁场及其他参数如下:

103:直流电流3A;

105:直流电流2A,脉冲电流频率50Hz,电流50A;

107:直流电流2A,脉冲电流频率50Hz,电流50A;

108:直流电流3A;

115:强脉冲线包:-50A-50A,频率100Hz;

实施例2

镀件圆筒内径为60mm,外径为90mm,长度为1100mm,选择的外绝缘陶瓷筒内径为
110mm,镀膜前清洗真空为0.5-2Pa,Ar∶H2为10∶1,放电电压为800V,清洗时间30-60min;镀
件圆筒镀膜时起弧电流为30A,真空度为1×10-3Pa,偏压为-800V-800V交替变化,频率为
50Hz,各线包磁场及其他参数如下:

103:直流电流3A;

105:直流电流2A,脉冲电流频率50Hz,电流50A;

107:直流电流2A,脉冲电流频率50Hz,电流50A;

108:直流电流3A;

115:强脉冲线包:-300A-300A,频率100Hz;

实施例3

镀件圆筒内径为40mm,外径为60mm,长度为1100mm,选择的外绝缘陶瓷筒内径为
80mm,镀膜前清洗真空为0.5-2Pa,Ar∶H2为10∶1,放电电压为800V,清洗时间30-60min;镀件
圆筒镀膜时起弧电流为30A,真空度为1×10-3Pa,偏压为-800V-800V交替变化,频率为50Hz,
各线包磁场及其他参数如下:

103:直流电流3A;

105:直流电流2A,脉冲电流频率50Hz,电流50A;

107:直流电流2A,脉冲电流频率50Hz,电流50A;

108:直流电流3A;

115:强脉冲线包:-800A-800A,频率100Hz;

实施例4

镀件圆筒内径为40mm,外径为60mm,长度为1100mm,选择的外绝缘陶瓷筒内径为
80mm,镀膜前清洗真空为0.5-2Pa,Ar∶H2为10∶1,放电电压为800V,清洗时间30-60min;镀件
圆筒镀膜时起弧电流为30A,真空度为1×10-3Pa,偏压为-800V-800V交替变化,频率为50Hz,
各线包磁场及其他参数如下:

103:直流电流3A;

105:直流电流2A,脉冲电流频率50Hz,电流50A;

107:直流电流2A,脉冲电流频率50Hz,电流50A;

108:直流电流3A;

115:强脉冲线包:-500A-500A,频率100Hz;

图3,4,5和6为不同尺寸的镀件圆筒沉积效果图。需要说明的是,各件圆筒镀膜采
取以下方式验证均匀性:圆筒...

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图1
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