CN105648424B - 一种空心阴极放电变径金属管内壁涂层的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空心阴极放电变径金属管内壁涂层的装置和方法，该装置包括变径棒，其中，阴极靶台位于工作台支架的顶端；待处理管夹具固定待处理的变径金属管，并与待处理管支架连接，使得变径金属管通过待处理管支架而支撑于工作台支架上；变径棒与变径金属管的内壁轮廓相同，但直径相应比变径金属管的直径小；变径棒夹具固定变径棒，并与变径棒支架连接，使得变径棒通过变径棒支架而支撑于工作台支架上，并且变径棒插入变径金属管内，保持同心，使整个变径金属管的内壁与变径棒的外表面距离处处相等；并且变径棒和变径金属管均分别与阴极靶台电连接。本发明适用于具有某些形状的变径金属管内表面改性，设备相对简单，操作方便，沉积效果良好。

Description

一种空心阴极放电变径金属管内壁涂层的装置和方法

技术领域

本发明涉及涂层技术领域，尤其涉及一种空心阴极放电变径金属管内壁涂层的装置和方法。

背景技术

管筒状零件在机械、建筑、装饰、造船、大型水利、电力工程、海洋工程、生物医疗及国防领域都有着广泛的应用。但是，在实际应用中，由于腐蚀、高温氧化、摩擦磨损，管筒件内表面经常发生严重的破坏，造成寿命缩短，给人们的生活带来了许多不便，工程应用上带来大量的经济损失。例如油田管道的腐蚀，每年造成的直接经济损失高达上亿元；枪炮管膛磨损和内膛尺寸变化问题，导致弹丸初速度、射击精度下降，战术技术性能降低，枪炮管失效。因此，对管筒件内表面进行适当的处理以使其具有更高的硬度，更好的抗摩擦磨损性能，耐高温、高压性能、耐腐蚀性能等，就有着非常重要的现实意义。

相比于工件的外表面而言，管状工件内表面改性处理主要存在以下几个技术难题：受到内腔形状和尺寸的限制，一些处理方法很难实施，或者是即使能实施也很难得到良好的改性效果，尤其是对于一些细长或变径的管件更是如此；一些处理介质很难进入管腔内部，或者是即使进入也难以保证改性层的均匀性；改性层与管壁的结合强度不高，限制了其使用性能的发挥。

针对金属管内表面改性，人们提出了很多种方法，德国的W.Ensinger提出采用圆锥靶溅射的方法在管件内表面制备涂层(Coating the Inner Wall of Metal Tubes withCarbon Films by Physical Vapor Deposition at Low Temperature.Surface andCoatings Technology.2002.150(2-3):227～231.)。该方法的工作原理为将一可移动的圆锥形靶材伸入到变径金属管内，利用管外离子束源引出高能离子，经聚焦打到靶材上，产生溅射效应，从而在管件内表面沉积膜层。此方法的最大优势在于处理材质不受限制，可以对任何材料管件内壁进行处理，应用性较强。但由于要产生离子束，同时还要对其聚焦，实现起来较为困难。一旦散焦，溅射率就会大打折扣。中科院金属研究所的赵彦辉，于宝海，肖金泉发明了一种用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在长管内表面沉积薄膜的方法(发明专利：201310329125.4)。该方法将待处理的细长金属管置于管型真空室内，在金属管状工件的中心轴向放置一钨丝电极，向金属管内通入工作气体，在钨丝电极和真空室壁之间施加直流脉冲或射频信号，激励放电以产生等离子体。该方法将管内壁作为产生等离子体的电极，管必须为导体，所以只能在金属管内壁沉积。同时PECVD技术中，当管的内径变得越来越小时，辉光放电难以维持在管内部，导致该方法仅能用于沉积直径大于10mm的管。

本发明人发现虽然目前已经有很多管内壁表面改性的方法，但只适用于直管，

发明内容

本发明之目的在于提供一种操作相对简单的空心阴极放电变径金属管内壁涂层的装置和方法。

为实现上述目的，本发明提供.一种空心阴极放电变径金属管内壁涂层的装置，包括：变径棒；变径棒夹具；变径棒支架；待处理管夹具；待处理管支架；工作台支架；以及阴极靶台，其中，所述阴极靶台位于所述工作台支架的顶端；所述待处理管夹具固定待处理的变径金属管，并与所述待处理管支架连接，使得所述变径金属管通过所述待处理管支架而支撑于所述工作台支架上；所述变径棒与所述变径金属管的内壁轮廓相同，但直径相应比所述变径金属管的直径小；所述变径棒夹具固定所述变径棒，并与所述变径棒支架连接，使得所述变径棒通过所述变径棒支架而支撑于所述工作台支架上，并且所述变径棒插入所述变径金属管内，保持同心，使整个所述变径金属管的内壁与所述变径棒的外表面距离处处相等；并且，所述变径棒和所述变径金属管分别与所述阴极靶台电连接。

优选地，所述变径棒支架和所述待处理管支架为绝缘体，或者所述变径棒支架和所述待处理管支架与所述阴极靶台相接处存在绝缘层。

优选地，所述变径棒夹具和所述为绝缘体，或在与所述变径金属管和所述变径棒接触处存在绝缘层。

本发明还提供一种空心阴极放电变径金属管内壁涂层的方法，包括如下步骤：(1)将待处理的变径金属管通过待处理管夹具固定，并且将与所述变径金属管的内壁轮廓相同但相应直径小的变径棒插入所述变径金属管内，保持同心，使整个所述变径金属管的内壁与所述变径棒外表面距离处处相等，所述变径棒通过变径棒夹具固定，所述变径金属管和所述变径棒分别与阴极靶台相连；(2)对真空室进行抽真空，控制真空度；(3)通入惰性气体，根据所述变径金属管的内壁与所述变径棒的外壁之间的距离，控制真空室气压，通过外加电源对阴极靶台加载合适负偏压，并设定合适的占空比，对所述变径金属管的内壁进行清洗；以及，(4)通过粒子馈送管道通入气态沉积粒子根据需要可同时通入少量惰性气体以增强放电效果)，根据变径金属管内壁与变径棒外壁距离，控制真空室气压通过外加负脉冲电源对阴极靶台加载合适负偏压，设定合适的占空比，完成对所述变径金属管内壁涂层。

优选地，在通过粒子馈送管道通入气态沉积粒子的同时可以通入少量惰性气体以增强放电效果。

优选地，在步骤(2)中，控制所述真空度为10e-3Pa级别；在步骤(3)中，控制真空室气压为10e1Pa级别，电压值为-10e4V，所述占空为比0.1～0.5％，对所述变径金属管的内壁进行清洗5～10分钟；并且，在步骤(4)中，控制真空室气压为10e1Pa级别，电压值为-10e4V，所述占空为比0.1～0.5％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明方法很好的适用于具有某些形状的变径金属管内表面改性，设备简单，操作方便，沉积效果良好，一定程度上填补了变径金属管内表面改性的空白。

附图说明

图1为空心阴极放电变径金属管内壁涂层装置的结构示意图。

图2为本发明的流程图。

图中：1-惰性气体钢瓶；2-质量流量控制器；3-气体馈送管道；4-质量流量控制器；5-气态沉积粒子钢瓶；6-法兰盘；7-真空室；8-变径金属管；9-变径棒；10-待处理管夹具；11-变径棒夹具；12-变径棒支架；13-待处理管支架；14-阴极靶台；15-绝缘陶瓷；16-工作台支架；17-真空泵排气口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中，空心阴极放电变径金属管内壁涂层装置，包括惰性气体钢瓶1、气态沉积粒子钢瓶5；真空室7、阴极靶台14和工作台支架16，惰性气体钢瓶1和气态沉积粒子钢瓶5通过气体馈送管道3连接在真空室7的侧壁，气体馈送管道3上安装有法兰盘6和质量流量控制器2、4，工作台支架16与外接电源相连，穿过真空室7底部并深入真空室7内，工作台支架16与真空室7底部之间设有绝缘陶瓷15，阴极靶台14固定安装在工作台支架16的顶端，阴极靶台14的两端分别放置有变径棒支架12和待处理管支架13，待处理管支架13的顶端通过待处理管夹具10安装有变径金属管8，变径棒支架12的顶端通过变径棒夹具11安装有变径棒9，且变径棒9一端平行伸入变径金属管8内，变径金属管8和变径棒9通过导线18与阴极靶台14相连，真空室7的底部还设有真空泵排气口17。

以变径金属管内壁类金刚石(DLC)涂层为例。变径金属管一端为直管，长15mm，内径10mm；另一端为变径管，长40mm，内径由10mm均匀增大到20mm，其形状与附图中变径金属管类似，根据变径金属管形状设计加工变径棒，采用不锈钢进行加工，其中直径不变部分长17mm，直径2mm，变径部分长42mm，直径由2mm均匀增大到12mm，保持变径金属管内壁与变径棒外壁距离处处为4mm，另在变径棒较粗一端预加工长10mm的夹持部位。

再参考图2的流程图，空心阴极放电变径金属管内壁涂层的方法具体步骤为：

(1)变径金属管与变径棒前清洁处理，使用无水乙醇超声波清洗10min，使用空气泵将其吹干；

(2)变径金属管通过夹具固定并通过导线与空心阴极放电变径金属管内壁涂层装置的阴极靶台相连，与变径金属管内壁轮廓相同的变径棒插入变径金属管内，保持同心，通过夹具固定并经导线与阴极靶台相连，阴极靶台通过工作台支架与外接负脉冲电源相连，整个装置放置在真空室中，并通过机械泵和分子泵维持真空室的真空度，粒子馈送通道通过阀门与真空室相连；

(3)对真空室进行抽真空，使真空度达到10e-3Pa等级；

(4)通入氩气，通过质量流量控制器调节真空室气压为20Pa，通过外加负脉冲电源对阴极靶台加载负偏压，电压值-10e4V，占空比0.5％，对变径金属管内壁进行清洗，时间7min；

(5)同时通入乙炔与氩气(少量氩气可以增强真空室内放电效果)，氩气流量保持10sccm，通过质量流量控制器调节乙炔流量，使真空室气压保持在20Pa左右，通过外加负脉冲电源对阴极靶台加载负偏压，电压值为-10e4V，占空比0.5％，沉积时间20min；

(6)对真空室进行放气，取出变径金属管，完成涂层过程。

虽然在步骤(4)和(5)中，设定占空比0.5％，但该占空比可以根据需要设为0.1～0.5％。上述20Pa的真空室气压属于10e1Pa级别。

另外，虽然上述实施例采用的是氩气，但也可以根据需要选用其它惰性气体，例如氦气。

上述实施例只是用于说明本发明构思，是解释性的和说明性的，并不构成对本发明方案的限制。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (6)

1.一种空心阴极放电变径金属管内壁涂层的装置，包括：变径棒；变径棒夹具；变径棒支架；待处理管夹具；待处理管支架；工作台支架；阴极靶台；以及真空室，整个装置放置在所述真空室中，

其中，气体馈送管道连接于所述真空室的侧壁，惰性气体和气态沉积粒子通过所述气体馈送管道送入所述真空室；

所述工作台支架穿过所述真空室底部并深入所述真空室内，所述工作台支架与所述真空室底部之间设有绝缘陶瓷，所述阴极靶台位于所述工作台支架的顶端；

所述阴极靶台的两端分别放置有所述变径棒支架和所述待处理管支架，所述待处理管夹具固定待处理的变径金属管，并与所述待处理管支架连接，使得所述变径金属管通过所述待处理管支架而支撑于所述阴极靶台上；

所述变径棒与所述变径金属管的内壁轮廓相同，但直径相应比所述变径金属管的直径小；

所述变径棒夹具固定所述变径棒，并与所述变径棒支架连接，使得所述变径棒通过所述变径棒支架而支撑于所述阴极靶台上，并且所述变径棒插入所述变径金属管内，保持同心，使整个所述变径金属管的内壁与所述变径棒的外表面距离处处相等；并且

所述变径棒和所述变径金属管分别与所述阴极靶台电连接。

2.根据权利要求1所述的空心阴极放电变径金属管内壁涂层的装置，其中，所述变径棒支架和所述待处理管支架为绝缘体，或者所述变径棒支架和所述待处理管支架与所述阴极靶台相接处存在绝缘层。

3.根据权利要求1或2所述的空心阴极放电变径金属管内壁涂层的装置，其中，所述变径棒夹具和所述待处理管夹具为绝缘体，或在与所述变径金属管和所述变径棒接触处存在绝缘层。

4.一种空心阴极放电变径金属管内壁涂层的方法，包括如下步骤：

(1)在阴极靶台的两端分别放置变径棒支架和待处理管支架，将待处理的变径金属管通过待处理管夹具固定，并将所述变径金属管与所述待处理管支架连接，使得所述变径金属管通过所述待处理管支架而支撑于所述阴极靶台上，用变径棒夹具固定变径棒，并将所述变径棒与所述变径棒支架连接，使得所述变径棒通过所述变径棒支架而支撑于所述阴极靶台上，并且将与所述变径金属管的内壁轮廓相同但相应直径小的变径棒插入所述变径金属管内，保持同心，使整个所述变径金属管的内壁与所述变径棒外表面距离处处相等，所述变径金属管和所述变径棒分别与阴极靶台相连；

(2)对真空室进行抽真空，控制真空度；

(3)通入惰性气体，根据所述变径金属管的内壁与所述变径棒的外壁之间的距离，控制真空室气压，通过外加电源对阴极靶台加载合适负偏压，并设定合适的占空比，对所述变径金属管的内壁进行清洗；以及

(4)通过粒子馈送管道通入气态沉积粒子根据需要可同时通入少量惰性气体以增强放电效果，根据变径金属管内壁与变径棒外壁距离，控制真空室气压通过外加负脉冲电源对阴极靶台加载合适负偏压，设定合适的占空比，完成对所述变径金属管内壁涂层。

5.根据权利要求4所述的空心阴极放电变径金属管内壁涂层的方法，其中，在通过粒子馈送管道通入气态沉积粒子的同时可以通入少量惰性气体以增强放电效果。

6.根据权利要求4或5所述的空心阴极放电变径金属管内壁涂层的方法，其中：

在步骤(2)中，控制所述真空度为10e-3Pa级别；

在步骤(3)中，控制真空室气压为10e1Pa级别，电压值为-10e4V，所述占空为比0.1～0.5％，对所述变径金属管的内壁进行清洗5～10分钟；并且

在步骤(4)中，控制真空室气压为10e1Pa级别，电压值为-10e4V，所述占空为比0.1～0.5％。