CN105112872A - 制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置，包括靶材座，其一端设置有一个永久磁铁，所述的靶材座的另一端设置有另外一个永久磁铁，两个永久磁铁的磁极方向相同，两个永久磁铁之间通过磁铁隔板隔开；所述的靶材的一端套设在靶材座上；所述的靶材的另一端设置有紧固盘，并与靶材座固定在一起；该靶材座设置有用于通冷却介质的中空空腔，靶材座通过绝缘环与地电极隔开；该地电极固定连接在绝缘环上，该绝缘环固定连接在靶材座上。将该装置装入圆筒零件内，Ar气环境下，在靶材与地电极之间施加300-900V的高功率脉冲，对圆筒零件内部进行沉积0.5-100小时。可以在圆筒内部形成致密的涂层，从而提高圆筒内壁的抗磨损、耐腐蚀等性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备圆筒零件内表面涂层的高功率脉冲磁控溅射装置及其应用。
背景技术
在圆筒内表面的物理气相沉积(PVD)处理过程中，因为外界形成的沉积粒子难以连续地进入圆筒，即使能够进入，其进入速度和流量很低，难以保证涂层沉积的效率，因此必须让沉积粒子的形成过程发生在圆筒内部，而这个过程一直是圆筒内表面表面处理领域的一个关键技术难题。
为了实现圆筒内表面的沉积，国内外学者已经提出了很多方法，如锥形靶离子束溅射方法、共轴脉冲磁控放电技术、栅极增强等离子体源注入技术、空心阴极沉积方法等。这些方法能够在圆筒内部产生沉积粒子并在内表面制备出涂层，但是由于沉积粒子的离化程度不高，涂层的结合力差，很难得到实际应用。
高功率脉冲磁控溅射技术(HPPMS)，作为一种新的离子化物理气相沉积技术，将传统的直流溅射方式改变为短脉冲的瞬间高功率脉冲形式，使溅射靶材的离化率得到很大提升。当阴极金属离化率得到提高，再在基体加以负偏压就可以实现离子辅助沉积的效果，大大改善了沉积涂层的质量。由于脉冲作用时间很短，因此即使峰值电流远高于正常直流电源溅射，平均功率却与之相差无几，因此不会使溅射过程的器件受到高温的影响，是当前快速发展的涂层技术。如果能够将高功率脉冲磁控溅射技术与内表面沉积技术结合在一起，就有可能解决当前内表面沉积技术存在的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能解决当前内表面沉积技术存在的问题的制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置，该装置包括圆柱形的靶材(30-100mm外径)8、靶材座5、两个尺寸和结构完全相同的圆环形的永久磁铁3、紧固盘2，圆柱形的磁铁隔板4、绝缘环7和地电极6；所述的靶材座5的一端设置有与永久磁铁3相配合的第一台阶，其中的一个永久磁铁3设置在该第一台阶上，另一个永久磁铁3设置在所述靶材座5的另一端，这两个永久磁铁3的磁极方向相同、并通过磁铁隔板4隔开；所述的靶材座5在第一台阶的外侧设置有与靶材8相配合的第二台阶，靶材8的一端套设在该第二台阶上；所述的紧固盘2位于靶材8的另一端、与靶材座5固定在一起、并使得紧固盘2紧贴在相应的永久磁铁3上；该靶材座5设置有用于通冷却介质的中空空腔，所述的地电极6通过所述的绝缘环7套设在靶材座5上，所述的靶材8与地电极6留有间隙，使得靶材8与地电极6之间绝缘。
作为优选，所述的紧固盘2通过第一螺钉11与靶材座5固定连接。
作为优选，所述的靶材座5由紫铜制成。
作为优选，所述的地电极6通过第三螺钉13固定连接在绝缘环7上，该绝缘环7通过第二螺钉12固定连接在靶材座5上。
作为优选，所述的永久磁铁3和磁铁隔板2的内、外直径相同。
本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置的应用。
为解决第二个技术问题，本发明采用的技术方案是：一种制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置在圆筒内表面进行涂层的方法，其步骤为：
1)将所述的制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置装入圆筒零件中，要求靶材的外径小于圆筒零件内径30mm；
2)将该装置放入真空室中，抽真空至低于5×10-2Pa；
3)往真空室中通入Ar气，然后将真空度调节到0.1-10Pa之间；
4)靶材座5通入冷却水，在靶材8与地电极6之间施加300-900V的高功率脉冲，进行高功率脉冲磁控溅射；
5)开动外部的运动机构，使所述的制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置在圆筒内部进行直线往复运动，速度0.1-1m/min
6)沉积0.5-100小时。
有益效果：采用该方法可以在圆筒内部形成高密度的等离子体，当在圆筒上施加一定的偏压时，离子被加速到圆筒内壁，形成致密的涂层，从而提高圆筒内壁的抗磨损、耐腐蚀等性能。
附图说明
图1是内筒零件涂层制备的高功率脉冲磁控溅射装置立体图；
图2是内筒零件涂层制备的高功率脉冲磁控溅射装置结构图；
图3是Cr涂层的SEM表面形貌；
图4是Cr涂层的SEM截面形貌。
图1中，11、第一螺钉，12、第二螺钉，13、第三螺钉2、紧固盘，3、永久磁铁，4、磁铁隔板，5、靶材座，6、地电极，7、绝缘环，8、靶材。
具体实施方式：
一种制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置，该装置包括圆柱形的靶材(30-100mm外径)8、靶材座5、两个尺寸和结构完全相同的圆环形的永久磁铁3、紧固盘2，圆柱形的磁铁隔板4、绝缘环7和地电极6；所述的靶材座5的一端设置有与永久磁铁3相配合的第一台阶，其中的一个永久磁铁3设置在该第一台阶上，另一个永久磁铁3设置在所述靶材座5的另一端，这两个永久磁铁3的磁极方向相同、并通过磁铁隔板4隔开；所述的靶材座5在第一台阶的外侧设置有与靶材8相配合的第二台阶，靶材8的一端套设在该第二台阶上；所述的紧固盘2位于靶材8的另一端、与靶材座5通过第一螺钉11固定在一起、并使得紧固盘2紧贴在相应的永久磁铁3上；该靶材座5由紫铜制成，并设置有用于通冷却介质的中空空腔，所述的地电极6通过所述的绝缘环7套设在靶材座5上，所述的靶材8与地电极6留有间隙，使得靶材8与地电极6之间绝缘。
作为优选，所述的地电极6通过第三螺钉13固定连接在绝缘环7上，该绝缘环7通过第二螺钉12固定连接在靶材座5上。
作为优选，所述的永久磁铁3和磁铁隔板2的内、外直径相同。
工作原理：该***安装在圆筒内部，在进行高功率磁控溅射时，靶材8与地电极6之间施加400-800V的高功率脉冲，由于两个圆环形永久磁铁3形成的磁场使电子绕磁力线作螺旋运动，形成大量的高密度等离子体，从而实现高功率脉冲磁控溅射，将这一装置整体安装在圆筒内部时，从靶材8表面溅射出来的等离子体就能沉积到圆筒的内表面而形成涂层。
圆筒内表面沉积Cr涂层的高功率脉冲磁控溅射方法实施方案如下：
1)将所述的内筒零件高功率脉冲磁控溅射装置装入80mm内径的内筒零件中，靶材外径为40mm；
2)将该装置放入真空室中，抽真空至1×10-2Pa；
3)往真空室中通入Ar气，然后将真空度调节到5.0Pa；
4)通入靶材冷却水，在靶材与地电极之间施加以500V的高功率脉冲，进行高功率脉冲磁控溅射；
5)开动外部的运动机构，使所述的内筒零件高功率脉冲磁控溅射装置在圆筒内部进行直线运动；
6)沉积2小时。
实施效果：圆筒内表面沉积的Cr涂层表面扫描电镜(SEM)照片如图3所示，由图可以看出，涂层表面光滑，致密，说明这种方法能够获得在内筒表面获得致密的涂层。
圆筒内表面沉积的Cr涂层扫描电镜界面照片如图4所示，由图可以看出，涂层与基体之间界面清晰，涂层的厚度大约为1.5μm，沿着界面方向厚度分布均匀。
Claims (7)
1.一种制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置，其特征在于：该装置包括圆柱形的靶材(8)、靶材座(5)、两个尺寸和结构完全相同的圆环形的永久磁铁(3)、紧固盘(2)，圆柱形的磁铁隔板(4)、绝缘环(7)和地电极(6)；所述的靶材座(5)的一端设置有与永久磁铁(3)相配合的第一台阶，其中的一个永久磁铁(3)设置在该第一台阶上，另一个永久磁铁(3)设置在所述靶材座(5)的另一端，这两个永久磁铁(3)的磁极方向相同、并通过磁铁隔板(4)隔开；所述的靶材座(5)在第一台阶的外侧设置有与靶材(8)相配合的第二台阶，靶材(8)的一端套设在该第二台阶上；所述的紧固盘(2)位于靶材(8)的另一端、与靶材座(5)固定在一起、并使得紧固盘(2)紧贴在相应的永久磁铁(3)上；该靶材座(5)设置有用于通冷却介质的中空空腔，所述的地电极(6)通过所述的绝缘环(7)套设在靶材座(5)上，所述的靶材(8)与地电极(6)留有间隙，使得靶材(8)与地电极(6)之间绝缘。
2.根据权利要求1所述的一种制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置，其特征在于：所述的紧固盘(2)通过第一螺钉(11)与靶材座(5)固定连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置，其特征在于：所述的靶材座(5)由紫铜制成。
4.根据权利要求1所述的一种制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置，其特征在于：所述的地电极(6)通过第三螺钉(13)固定连接在绝缘环(7)上，该绝缘环(7)通过第二螺钉(12)固定连接在靶材座(5)上。
5.根据权利要求1所述的一种制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置，其特征在于：所述的永久磁铁(3)和磁铁隔板(2)的内、外直径相同。
6.一种制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置在圆筒零件内表面进行涂层的方法，其步骤为：
1)将权利要求1所述的制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置装入圆筒零件内，要求靶材(8)的外径小于圆筒内径30mm；
2)将该装置放入真空室中，抽真空至低于5×10-2Pa；
3)往真空室中通入Ar气，然后将真空度调节至0.1-10Pa；
4)靶材座(5)通入冷却水，在靶材(8)与地电极(6)之间施加300-900V的脉冲，进行脉冲磁控溅射；对圆筒零件内部进行沉积0.5-100小时。
7.根据权利要求6所述的一种制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置在圆筒零件内表面进行涂层的方法，其特征在于：步骤4)对圆筒零件内部进行沉积的方式为：使权利要求1所述的制备圆筒零件内表面涂层的脉冲磁控溅射装置在圆筒零件内部进行直线往复运动，运动速度为0.1-1m/min。
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