[發明專利]一種管內壁離子滲氮后原位沉積PVD涂層的裝置及方法

在審

• 申請號: 202210877479.1
• 申請日: 2022-07-25
• 公開（公告）號: CN115161589A
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 田修波;張鑫;鞏春志
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C23C14/02
• 分類號: C23C14/02;C23C14/32;C23C14/24;C23C8/24
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 侯靜

一種管內壁離子滲氮后原位沉積PVD涂層的裝置及方法，本發明涉及一種管內壁離子滲氮后原位沉積PVD涂層的裝置及方法。本發明目的是解決管內表面處理效率低以及涂層與基體之間界面結合強度較低、耐磨性較差的問題，裝置包括金屬陰極弧源、擋板、第一輔助陽極、管筒件、陽極桿、第二輔助陽極、Ar進氣管、N₂?H₂混合氣進氣管、熱電偶、第一絕緣屏蔽罩、第二絕緣屏蔽罩、真空室、金屬陰極弧直流電源、第一輔助陽極直流電源、脈沖偏壓電源和第二輔助陽極直流電源；本發明連續進行管內表面滲氮和PVD涂層沉積過程，有效提高管內表面處理效率，并提高涂層與基體間結合強度和耐磨性。本發明應用于管筒件內壁滲氮后原位沉積PVD涂層領域。

技術領域

本發明涉及一種管內壁離子滲氮后原位沉積PVD涂層的裝置及方法。

背景技術

管筒件在城市地下水管道、石油天然氣運輸管道、軍事器械的身管以及化學介質的傳輸管道等領域應用廣泛。但在實際應用中，因為工作環境較為嚴苛，管筒件的內表面通常受到嚴重的高溫氧化、摩擦磨損和腐蝕作用，容易產生裂紋，大大縮短了其服役年限或使用壽命，造成大量經濟損失。考慮到成本和服役環境的特殊性等因素，僅僅依靠研發高性能的新材料顯然不能滿足發展需求，因此可以從材料表面改性的角度進行思考。這種技術可以在不改變基體材料成分的前提下，通過特定的技術手段來提高材料表面的理化性能。對于管狀件而言，相比于外表面，內表面面臨的工作環境更加惡劣，因而失效的概率更大。因此，對管筒件內表面進行表面改性強化，使其具有高硬度、優異的摩擦磨損性能和耐高溫、耐腐蝕性能，這有著非常重要的現實意義。

對于管筒件內表面改性，最早人們提出用電鍍和化學鍍進行處理。其優勢是原理簡單、對于設備和操作的要求低，經濟適用。但是對于均勻性的把控較弱；同時對Mg、Al等活潑金屬無法進行電鍍沉積；此外還要求鍍層材料具有良好的導電性；產生的電解廢液會對環境產生嚴重破壞等。近年來提出了等離子體浸沒離子注入表面改性方法，盡管等離子體浸沒離子注入在一定程度上解決了管筒件內表面改性處理的技術難題，使得改性質量得到了很大改善，但仍存在一些問題有待解決。主要是離子注入層較淺，目前能注入的元素僅限于N元素，且表面強化效果有限主要是注入層的硬度較低，仍不能滿足日益苛刻的應用需求。涂層工藝可以使表面硬度提高到相當高的水平，但涂層厚度較薄，不能完全滿足工業生產要求。另外，針對硬質涂層-鋼基體體系而言，通常涂層與基體存在硬度差異大、彈性模量不匹配、塑性變形能力差等問題，類似“雞蛋殼效應”。涂層在服役過程中，承受高載荷以及劇烈的摩擦磨損，往往易出現開裂、剝落，最終失效。為了解決單一表面處理技術的不足，Korhnen等提出了把等離子體氮化與物理氣相沉積(PVD)工藝結合起來的一種復合處理(PN-PVD)新技術。

目前，關于管內壁改性技術，通常將離子滲氮和涂層沉積工藝單獨進行，一方面管內表面處理效率低，另一方面對于僅涂層沉積工藝，涂層與基體間缺乏梯度分布，涂層與基體之間界面結合強度較低，而對于離子滲氮工藝，基體氮化表面硬度低、耐磨性較差。

發明內容

本發明目的是為了解決管內表面處理效率低以及涂層與基體之間界面結合強度較低、耐磨性較差的問題，提供一種管內壁離子滲氮后原位沉積PVD涂層的裝置及方法。

本發明一種管內壁離子滲氮后原位沉積PVD涂層的裝置包括金屬陰極弧源、擋板、第一輔助陽極、管筒件、陽極桿、第二輔助陽極、Ar進氣管、N₂-H₂混合氣進氣管、熱電偶、第一絕緣屏蔽罩、第二絕緣屏蔽罩、真空室、金屬陰極弧直流電源、第一輔助陽極直流電源、脈沖偏壓電源和第二輔助陽極直流電源；