管筒內(nèi)壁真空鍍膜方法簡(jiǎn)介

引言

管筒內(nèi)表面處理的方式最早采用的是電鍍方法，但電解液污染環(huán)境。后來(lái)采用真空鍍膜方法來(lái)處理管狀構(gòu)件內(nèi)表面，包括化學(xué)氣相沉積( Chemical Vapor Deposition，CVD)和物理氣相沉積( Physical Vapor Deposition，PVD)。

化學(xué)氣相沉積

化學(xué)氣相沉積( CVD) 方法采用的介質(zhì)為氣體，不易受內(nèi)腔形狀和尺寸的限制，只要管狀構(gòu)件浸沒在工作氣體中即可在內(nèi)表面沉積所需薄膜，因此更易于處理復(fù)雜形狀的工件。

1）熱化學(xué)氣相沉積( H-CVD) 方法

在90年代Kwatera設(shè)計(jì)了一種內(nèi)表面鍍膜的CVD裝置，如圖1所示。該裝置由石英管構(gòu)成管型真空室，待鍍管狀構(gòu)件置于真空室內(nèi)并可沿真空室軸向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)通入含硅烷，氮?dú)?，氨氣及氬氣的混合氣體，在內(nèi)徑為30 mm的石英管內(nèi)表面沉積了Si3N4薄膜。

1—?dú)鍤馄?2—氨氣瓶;3—含 3% SiH4 的 N2;4，5，6—?dú)馄块_關(guān); 7，8，9，10—流量計(jì); 11—?dú)鈮河?jì);12—高頻感應(yīng)發(fā)生器; 13—高頻感應(yīng)發(fā)生器磁芯;14—石墨加熱器;15—待鍍膜的管; 16—柱狀石英反應(yīng)器;17—石墨軸承桿; 18—橡膠瓶塞; 19—?dú)鈮河?jì); 20—電動(dòng)機(jī); 21—旋轉(zhuǎn)加熱器的桿; 22，23—?dú)馄块_關(guān);

圖1管內(nèi)CVD沉積 Si3N4 薄膜裝置示意

2）等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積( PECVD) 方法

Lackner 等人采用脈沖直流輝光放電裝置(如圖 2所示)，對(duì)聚合物管內(nèi)壁沉積了 DLC 薄膜，發(fā)現(xiàn)不同的氣體(氬氣、氧氣、乙炔及空氣) 通入時(shí)對(duì)內(nèi)壁轟擊濺射及沉積DLC 膜的潤(rùn)濕性能影響較大。

圖 2 低氣壓脈沖直流輝光放電裝置示意

物理氣相沉積

物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)技術(shù)是指在真空條件下采用物理方法將材料源（固體或液體）表面氣化成氣態(tài)原子或分子，或部分電離成離子，并通過(guò)低壓氣體（或等離子體）過(guò)程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)。

1）真空蒸鍍方法

德國(guó)的Helmut Neff 等人在管內(nèi)設(shè)置一個(gè)線狀金屬靶，通過(guò)在靶上施加一個(gè)脈沖電流使其放電蒸發(fā)，從而在武器管內(nèi)沉積金屬膜，如圖3所示。

1—武器管; 2—支撐架; 3—電極 1; 4—電極 2; 5—武器內(nèi)表面; 6—主電極 1;7—主電極 2; 8—線狀靶材; 9—絕緣件;  10—靶材卷;11—金屬塊;12—金屬塊外圍;13—輔助電極; 14—導(dǎo)線 1;15—導(dǎo)線 2; 16—開關(guān); 17—脈沖電源; ?

圖 3管內(nèi)蒸發(fā)鍍金屬薄膜裝置示意

2）濺射鍍膜方法

日本的 Kawasaki發(fā)明了一種磁控空心-陰極放電裝置，如圖4所示。采用該裝置在銅管內(nèi)沉積了鈦薄膜，銅管的內(nèi)徑為20 mm，長(zhǎng) 100 mm。通過(guò)一個(gè)直流電源來(lái)產(chǎn)生氬等離子體。由于在待處理管件外設(shè)置磁芯以產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)空心陰極放電產(chǎn)生的等離子體流進(jìn)行約束控制，在一定程度上促進(jìn)了管內(nèi)薄膜軸向的均勻性。

圖4 磁控空心-陰極放電裝置

3）電弧離子鍍技術(shù)

德國(guó)的Wesemeyer 等人開發(fā)了一種中心柱靶電弧離子鍍膜裝置，如圖5 所示，并獲得了美國(guó)專利。該裝置可以對(duì)內(nèi)徑100 mm 的管件內(nèi)表面鍍膜，但由于柱靶的尺寸限制，不能處理內(nèi)徑低于100 mm 的管件。

1—管件;2—真空室;3—真空室開口;4—電弧蒸發(fā)裝置;5—密封環(huán);6—陰極;7—陽(yáng)極;8—引弧針;9—軟磁鐵;10—鎖定裝置;11—?jiǎng)訔U;12—球軸承;13—密封墊;14—防塵墊;15—預(yù)抽口;16—精抽口;17—伸縮屏蔽結(jié)構(gòu)

圖5 管內(nèi)表面中心柱靶電弧離子鍍膜裝置

小結(jié)

近年來(lái)，對(duì)于管筒工件內(nèi)表面防護(hù)的需求越來(lái)越高，也促使相關(guān)技術(shù)的不斷改進(jìn)發(fā)展。電鍍技術(shù)由于污染環(huán)境將會(huì)逐步淘汰。目前，化學(xué)氣相沉積方法中，熱化學(xué)氣相沉積( H-CVD) 方法和PECVD方法可在管內(nèi)利用有機(jī)氣體裂解和離化沉積涂層。磁控濺射方法可沉積的薄膜種類較廣，但會(huì)受到中心柱狀靶長(zhǎng)度形狀的限制。電弧離子鍍技術(shù)對(duì)管件內(nèi)壁鍍膜可得到較為致密的膜層，由于受等離子體傳輸過(guò)程中的損失及大顆粒污染，更細(xì)更長(zhǎng)管件內(nèi)表面鍍膜仍面臨很大挑戰(zhàn)?？偟膩?lái)看各種內(nèi)表面真空鍍膜技術(shù)各有其優(yōu)劣勢(shì)，如何找到合適的更可靠的內(nèi)壁鍍膜技術(shù)仍是未來(lái)研究的重點(diǎn)。