电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置及方法

1.本发明涉及一种电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁沉积金属薄膜的装置及沉积方法。


背景技术：

2.随着工业社会的进步，管筒状材料在工业生产中的占比越来越大。例如，发动机气缸、石油输送管道、战斗机尾喷管等等，特别是应用在国防工业中的火炮衬管和身管的内壁镀膜。由于实际工况条件下，火炮衬管和身管内壁需要承受极高的温度(3000k以上)、压力(几百兆帕)以及火药燃烧气的腐蚀。因此，对细长管筒件内壁膜层的耐高温、腐蚀、烧蚀和摩擦学性能等都提出了极大的挑战。
3.针对细长管筒件内壁镀膜的常用方法包括，化学气相沉积(cvd)、电镀、磁控溅射镀膜以及阴极弧离子镀。cvd技术需要将被镀金属材料加热到其沸点以上，因此不适用于对温度敏感的基体材料，且该技术的离化率过低。电镀技术虽然可以实现复杂结构件的表面镀膜，但存在涂层脆、环境污染严重以及电流利用率低的问题。磁控溅射镀膜是一种环保且膜层表面光洁的技术，但受限于较低的离化率，导致该技术沉积的膜层与基体之间的结合强度不高。综上所述，阴极弧离子镀技术，由于其接近100％的离化率、高的入射离子能量和极快的沉积速率，成为细长管筒件内壁镀膜的首选方法。
4.传统的阴极弧离子镀方法采用的是平面靶材，被镀细长管筒件放置在平面靶材正前方，细长管筒件上施加负偏压。平面靶材放电电源可以选择直流电源或直流耦合脉冲电源。传统的阴极弧离子镀方法具有离化率高、离子能量高等优势。但该方式仍然不能解决细长管筒件内壁轴向均匀性和快速沉积大厚度膜层的目的。因此，从根本上解决细长管筒件内壁镀膜均匀性和沉积速率的问题，是限制细长管筒件内壁镀膜发展的关键，亟待解决。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决常规沉积方法受限于细长管筒件尺寸，无法满足细长管筒件内壁轴向均匀、高速沉积大厚度膜层的问题，而提出了一种电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置及方法。
6.本发明电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置包括法兰盘、引弧针、电场辅助圆筒、细长管筒件和柱状阴极弧源，其中柱状阴极弧源包括柱状阴极靶材、磁钢座和磁铁，柱状阴极靶材的表面形成金属靶材，磁钢座套设在柱状阴极靶材内部，磁钢座的外表面设置有多个磁铁，磁钢座由电机驱动旋转；
7.在真空室的侧面设置有法兰盘，电场辅助圆筒、细长管筒件和柱状阴极弧源设置在真空室中，细长管筒件的筒内套设有柱状阴极弧源，细长管筒件的筒外套设有电场辅助圆筒，电场辅助圆筒、细长管筒件和柱状阴极弧源同轴设置，柱状阴极靶材的长度长于电场辅助圆筒和细长管筒件，柱状阴极靶材与脉冲阴极弧电源的负输出端连接，脉冲阴极弧电
源的正输出端与电场辅助圆筒连接，细长管筒件与中频偏压电源的负输出端连接，中频偏压电源的正输出端接地；
8.在法兰盘上连接有引弧针，引弧针与柱状阴极靶材接触引弧，柱状阴极靶材的一端从法兰盘穿出，柱状阴极靶材的另一端设置有靶堵。
9.本发明在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的方法按照以下步骤实现：
10.一、辉光清洗管筒件内壁：对真空室抽真空，向真空室中通入氩气，保持真空室气压为5-10pa，将中频偏压电源的正输出端与柱状阴极靶材相连，将中频偏压电源的负输出端与细长管筒件相连，控制中频偏压电源电压为-800～-1000v，占空比40％～60％，通过细长管筒件的自空心阴极放电效应，产生(高密度)的ar等离子体对细长管筒件内表面进行辉光清洗，得到辉光清洗后的细长管筒件；
11.二、弧光清洗管筒件内壁：维持真空室气压为5～10pa，将脉冲阴极弧电源的负输出端连接柱状阴极靶材，脉冲阴极弧电源的正输出端连接电场辅助圆筒，细长管筒件与中频偏压电源的负输出端相连，中频偏压电源的正输出端接地，脉冲阴极弧电源同时施加50～140a直流，脉冲峰值电流为200～1000a(脉冲端平均电流为20～100a)，中频偏压电源电压为-400～-800v，占空比为40％～80％，进行弧光清洗，得到弧光清洗后的细长管筒件；
12.三、管筒件内壁沉积：将脉冲阴极弧电源的负输出端与柱状阴极靶材相连，脉冲阴极弧电源的正输出端连接电场辅助圆筒，同时，将中频偏压电源的负输出端与细长管筒件相连，中频偏压电源正输出端接地，维持真空室气压为5～10pa，控制脉冲阴极弧电源直流端电流为50～140a，脉冲峰值电流为200～1000a(脉冲端平均电流为20～100a)，中频偏压电源电压为-20～-150v，占空比为20％～50％，进行离子镀膜，完成细长管筒件内壁均匀沉积金属薄膜。
13.本发明在阴极弧离子镀过程中通过外置磁场束缚靶材表面弧斑，同时，还需要通过外置电机带动磁钢座旋转，使弧斑沿柱靶表面旋转，保证靶面的均匀烧蚀。磁钢座材料为空芯的q235a碳素钢，磁钢座尺寸为直径12mm的圆柱，在其上对称分布四条深度为1.7mm，宽4.2mm，长300mm的凹槽。磁铁尺寸为长25mm、宽4mm、厚3mm的矩形磁铁，磁铁的磁场强度为3000～6000gs。
14.本发明脉冲阴极弧电源包含直流端和脉冲端两个部分。直流端提供稳弧电流，电流范围为50-140a，脉冲端输出大电流，电流范围200-1000a，频率0-5000hz可调，脉宽0-5000μs可调。相较于传统的直流电源，脉冲峰值电流的引入极大地增加了靶材表面的峰值热输入功率，导致靶材的蒸发增加，鞘层内的离化增强，等离子体密度增加。且脉冲电流与沉积速率成线性关系增加，脉冲峰值电流越高，沉积速率越大。因此，通过引入脉冲电流可以实现膜层的快速沉积。
15.本发明通过电场辅助作用成功实现了细长管筒件芯部的柱状阴极弧靶的起弧。同时，脉冲峰值电流的引入，极大地提高了等离子体密度。通过本发明提出的方法可以实现细长管筒件内壁快速、均匀沉积，同时有助于控制细长管筒件表面的温升，确保了细长管筒件材料的力学性能。
16.本发明的柱状阴极靶材和被镀管筒件之间的距离只有7.5mm，在如此狭小的空间内想要实现阴、阳极之间的放电是极为困难的。受迫于阴、阳极之间的距离，一般情况下，只能采用二级放电的方式，即柱状阴极靶材接电源的负输出端，而被镀管筒件接电源的正输
出端。虽然该方式更容易实现二者之间的放电，但由于被镀管筒件连接电源的正输出端，导致其排斥离化的正离子(ar
+
、cr
+
)，而cr
+
是成膜离子，ar
+
起到轰击夯实膜层和反溅射结合弱的膜层的作用。因此，虽然二级放电更容易引起气体离化，但难以得到结合强度好的薄膜。基于上述问题，本发明创新地提出利用电场辅助圆筒与暴露在被镀管筒件两端部的柱状阴极靶材之间放电。由于该方法打破了阴、阳极之间距离的限制，可以优先实现在二者之间的汤森放电。该过程产生的等离子体向被镀管筒件芯部扩散，实现了芯部气体的离化，稳定了弧斑的运行并解耦了被镀管筒件。因此，本发明能实现三级放电过程，也就是说被镀管筒件可连接额外的中频偏压电源。中频偏压电源施加在被镀管筒件上的电压相对地电极来说呈负向，在电场作用下起到吸引离化的正离子(ar
+
、cr
+
)的作用，因此，沉积后的薄膜结合强度高，极端环境条件下的应用效果好。
17.本发明一种电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置及方法包括以下有益效果：
18.1.细长管筒件内径40mm，柱状阴极cr靶材外径为25mm。因此，柱状阴极cr靶材与细长管筒件内壁的间隙只有7.5mm。由于帕型定律的限制uz＝f(pd)，其中击穿电压uz是气压和阴、阳极距离乘积(pd)的函数。因此，想要在如此狭小的间隙内点燃柱状阴极cr靶材是极为困难的。基于这种情况，创新地在细长管筒件外侧放置了内径为2500mm的电场辅助圆筒。电场辅助圆筒接脉冲阴极弧电源的正输出端，柱状阴极cr靶材接脉冲阴极弧电源的负输出端。漏在细长管筒件两侧的柱状阴极cr靶材与电场辅助圆筒之间放电，离化细长管筒件两端部的氩气。离化的氩气向细长管筒件内部扩散，增加细长管筒件芯部气体离化。离化的气体起到稳定弧斑运行的目的，使柱状阴极cr靶材稳定烧蚀。
19.2.应用在国防工业中的火炮衬管和身管的内壁膜层厚度一般都要大于30μm，且要满足轴向均匀的要求。传统的平面阴极弧直喷方式，需要几十小时连续沉积才能满足厚度要求，而轴向均匀性的要求仍很难保证。如此长时间的连续沉积会在细长管筒件内部累积大量的热量，导致细长管筒件的温度急剧升高，甚至超过细长管筒件材料的热处理温度，导致材料的力学性能降低，直接缩短细长管筒件的使用寿命。通过创新设计的柱状阴极弧源可以实现在细长管筒件内壁快速沉积大厚度膜层的目的。这种快速沉积的镀膜方式有效地降低了细长管筒件材料表面的温升。在保证材料力学性能的前提下，满足膜层厚度和均匀性的要求。
附图说明
20.图1为本发明中电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置的整体结构示意图；其中1—法兰盘，2—引弧针，3—电场辅助圆筒，4—细长管筒件，5—磁铁，6—靶堵，7—柱状阴极靶材，8—磁钢座，9—支架，10—靶端屏蔽罩，11—进气管，12—密封圈；
21.图2为传统平面阴极弧源沉积方法细长管筒件内放置测试基片位置示意图；
22.图3为本发明柱状弧源沉积过程中细长管筒件内放置测试基片位置示意图；
23.图4为实施例中柱状阴极弧源沉积金属cr薄膜的表面和截面电镜图；
24.图5为传统平面阴极弧源沉积金属cr薄膜的截面电镜图；
25.图6为不同位置处柱状阴极弧源与平面阴极弧源沉积金属cr薄膜厚度比折线图；
26.图7为不同位置处柱状阴极弧源与平面阴极弧源沉积金属cr薄膜的沉积速率折线图；
27.图8为实施例中柱状阴极弧源沉积金属cr薄膜的洛氏硬度(hrc)压痕金相显微照片。
具体实施方式
28.具体实施方式一：本实施方式电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置包括法兰盘1、引弧针2、电场辅助圆筒3、细长管筒件4和柱状阴极弧源，其中柱状阴极弧源包括柱状阴极靶材7、磁钢座8和磁铁5，柱状阴极靶材7的表面形成金属靶材，磁钢座8套设在柱状阴极靶材7内部，磁钢座8的外表面设置有多个磁铁5，磁钢座8由电机驱动旋转；
29.在真空室的侧面设置有法兰盘1，电场辅助圆筒3、细长管筒件4和柱状阴极弧源设置在真空室中，细长管筒件4的筒内套设有柱状阴极弧源，细长管筒件4的筒外套设有电场辅助圆筒3，电场辅助圆筒3、细长管筒件4和柱状阴极弧源同轴设置，柱状阴极靶材7的长度长于电场辅助圆筒3和细长管筒件4，柱状阴极靶材7与脉冲阴极弧电源的负输出端连接，脉冲阴极弧电源的正输出端与电场辅助圆筒3连接，细长管筒件4与中频偏压电源的负输出端连接，中频偏压电源的正输出端接地；
30.在法兰盘1上连接有引弧针2，引弧针2与柱状阴极靶材7接触引弧，柱状阴极靶材7的一端从法兰盘1穿出，柱状阴极靶材7的另一端设置有靶堵6。
31.本实施方式中的引弧针为耐高温的金属mo棒。在法兰盘1上，以及法兰盘1与柱状阴极靶材7之间设置有密封圈12。
32.本实施方式为了实现高速沉积大厚度的膜层。在直流稳弧的基础上，引入高脉冲峰值电流。脉冲阴极弧电源的脉冲峰值电流范围200-1000a可调，频率0-5000hz可调，脉宽0-5000μs可调。
33.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是柱状阴极靶材7外表面的金属靶材的材质为cr、ti、ta或合金材料。
34.本实施方式柱状阴极靶材是采用热等静压形成金属层。
35.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是柱状阴极靶材7的内部(内表面)设置有冷却腔。
36.本实施方式冷却腔内的冷却介质为流动的冷却水。
37.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是电场辅助圆筒3的下部设置有电动伸缩支架9。
38.本实施方式支架可上下调节高度，用以调节细长管筒件、电场辅助圆筒与柱状阴极靶材三者同轴。
39.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是柱状阴极靶材7在与法兰盘1的连接处设置有靶端屏蔽罩10。
40.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是在法兰盘1上设置有进气管11。
41.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是细长管筒件4
与柱状阴极靶材7的间距为6～12mm。
42.具体实施方式八：本实施方式在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的方法按照以下步骤实施：
43.一、辉光清洗管筒件内壁：对真空室抽真空，向真空室中通入氩气，保持真空室气压为5-10pa，将中频偏压电源的正输出端与柱状阴极靶材7相连，将中频偏压电源的负输出端与细长管筒件4相连，控制中频偏压电源电压为-800～-1000v，占空比40％～60％，通过细长管筒件4的自空心阴极放电效应，产生(高密度)的ar等离子体对细长管筒件4内表面进行辉光清洗，得到辉光清洗后的细长管筒件；
44.二、弧光清洗管筒件内壁：维持真空室气压为5～10pa，将脉冲阴极弧电源的负输出端连接柱状阴极靶材7，脉冲阴极弧电源的正输出端连接电场辅助圆筒3，细长管筒件4与中频偏压电源的负输出端相连，中频偏压电源的正输出端接地，脉冲阴极弧电源同时施加50～140a直流，脉冲峰值电流为200～1000a(脉冲端平均电流为20～100a)，中频偏压电源电压为-400～-800v，占空比为40％～80％，进行弧光清洗，得到弧光清洗后的细长管筒件；
45.三、管筒件内壁沉积：将脉冲阴极弧电源的负输出端与柱状阴极靶材7相连，脉冲阴极弧电源的正输出端连接电场辅助圆筒3，同时，将中频偏压电源的负输出端与细长管筒件4相连，中频偏压电源正输出端接地，维持真空室气压为5～10pa，控制脉冲阴极弧电源直流端电流为50～140a，脉冲峰值电流为200～1000a(脉冲端平均电流为20～100a)，中频偏压电源电压为-20～-150v，占空比为20％～50％，进行离子镀膜，完成细长管筒件内壁均匀沉积金属薄膜。
46.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是步骤一中辉光清洗时间为15min～30min。
47.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九不同的是步骤二中弧光清洗清洗时间为15min～30min。
48.具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式八至十之一不同的是步骤三中离子镀膜时间为10min～30min。
49.本实施方式细长管筒件上沉积的金属cr薄膜厚度为4.6～6.7μm。
50.实施例1：本实施例在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的方法按照以下步骤实施：
51.一、辉光清洗管筒件内壁：将真空室气压抽至5
×
10-3
pa，向真空室中通入氩气，保持真空室气压为5pa，将中频偏压电源的正输出端与柱状阴极cr靶材7相连，将中频偏压电源的负输出端与细长管筒件4相连，利用中频偏压电源作为等离子体激发电源，控制中频偏压电源电压为-800v，占空比75％，通过细长管筒件4的自空心阴极放电效应，产生高密度的ar等离子体对细长管筒件4内表面进行辉光清洗15min，得到辉光清洗后的细长管筒件；
52.二、弧光清洗管筒件内壁：维持真空室气压为5pa，将脉冲阴极弧电源的负输出端连接柱状阴极靶材7，脉冲阴极弧电源的正输出端连接电场辅助圆筒3，细长管筒件4与中频偏压电源的负输出端相连，中频偏压电源的正输出端接地，脉冲阴极弧电源直流端电流55a，脉冲端输出脉冲峰值电流为200a(脉冲平均电流为22a)，脉冲峰值电流的频率为500hz，脉宽为500μs，中频偏压电源电压为-400v，占空比60％，进行弧光清洗15min，得到弧光清洗后的细长管筒件；
53.三、管筒件内壁沉积：将脉冲阴极弧电源负输出端与柱状阴极靶材7相连，脉冲阴极弧电源正输出端连接电场辅助圆筒3，同时，将中频偏压电源负输出端与细长管筒件4相连，中频偏压电源正输出端接地，维持真空室气压为5pa，控制脉冲阴极弧电源直流端电流为55a，脉冲端输出脉冲峰值电流为200a(脉冲平均电流为22a)，中频偏压电源电压为-30v，占空比40％，进行离子镀膜13min，完成细长管筒件内壁均匀沉积金属薄膜。
54.本实施例细长管筒件是内径40mm，长度120mm的马氏体时效钢。
55.本实施例柱状阴极弧靶材为热等静压制备的纯cr金属。cr靶材内部的冷却水流动腔室内径为16mm，厚度为3mm，材质为304不锈钢。在其上的热等静压的cr金属层厚度为3mm。因此，该柱状阴极cr靶材的总外径为25mm。流动水腔室内存在与外置可变速电机相连的磁钢座。磁钢座外径为12mm，在其上切分别成90
°
的三列凹槽，用以镶嵌磁铁。凹槽深度为1.7mm，宽为4.2mm，长为250mm。
56.细长管筒件外侧的电场辅助圆筒为304不锈钢材质。其结构分为上、下两个半圆，内径为2500mm。在下半圆底部对称设置可调高度的支架。用以调节细长管筒件、电场辅助圆筒与柱状阴极靶材三者同轴。
57.图4为通过本实施例沉积的cr薄膜表面和截面电镜图。截面电镜表明1和3位置(细长管筒件两端部)沉积的膜层厚度非常均匀，分别为6.6μm和6.7μm。2位置(细长管筒件芯部)的膜层厚度略低于两端部为4.6μm。
58.本实施例利用辅助电场与漏在细长管筒件两端的柱状阴极靶材放电离化氩气。离化的氩气等离子体向细长管筒件芯部扩散，增强芯部气体的离化。离化的气体起到稳定弧斑运行的作用，使整个靶管表面均匀烧蚀，得到快速沉积的均匀大厚度薄膜。且该方法有效地降低了细长管筒件材料表面的温升。在保证材料力学性能的前提下，满足膜层厚度和均匀性的要求。
59.实施例2：本实施例采用平面阴极弧源在内径40mm，长度120mm的马氏体时效钢内表面沉积金属cr薄膜：
60.一、弧光清洗管筒件内壁：按照图2所示的一种平面阴极弧源直喷方式在细长管筒件内壁沉积金属cr薄膜的装置。将脉冲阴极弧电源的负输出端接平面靶材，其正输出端接地。中频偏压电源的负输出端接细长管筒件，其正输出端接地。平面cr靶材表面距离细长管筒件近端的距离为150mm。首先，对细长管筒件内壁进行弧光清洗。维持真空室气压为0.5pa。阴极脉冲电源直流端输出电流为55a，脉冲端输出脉冲峰值电流为700a(脉冲平均电流为22a)，中频偏压电源电压为-950v，占空比75％。清洗时间为15min。
61.二、管筒件内壁沉积：弧光清洗之后，进行细长管筒件内壁金属cr薄膜沉积过程，维持真空室气压为0.5pa。阴极脉冲电源直流端输出电流为55a，脉冲端输出脉冲峰值电流为700a(脉冲平均电流为22a)，中频偏压电源电压为-100v，占空比40％，沉积时间为240min。
62.图5为一种平面阴极弧源直喷方式在细长管筒件内壁沉积金属cr薄膜的截面电镜图。截面电镜结果表明1/2/3位置的膜层厚度依次降低。靠近平面弧源1位置的膜层厚度为17μm，2位置的厚度为10.81μm，3位置的厚度仅有4.32μm。
63.图6对比了本发明提出的柱状阴极弧源和平面阴极弧源直喷方式沉积的金属cr薄膜厚度比的折线图。为了归一化以及方便比较两种沉积方式的膜层厚度均匀性，分别将两
种沉积方式位置1处的膜层厚度归一化为1，位置2和位置3处厚度分别除以位置1处的厚度值。研究结果表明，通过电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置及方法沉积的金属cr薄膜最小厚度和最大厚度比为0.69，而通过平面阴极弧源直喷方式沉积的金属cr薄膜最小厚度和最大厚度比为0.25。说明本发明提出的一种电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置及方法沉积的金属cr薄膜的均匀性更好。
64.另外，图7分别计算了本发明提出的一种电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置及方法沉积的金属cr薄膜的沉积速率和平面阴极弧源直喷方式沉积的金属cr薄膜的沉积速率折线图。研究结果表明，电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置及方法沉积的金属cr薄膜的最高沉积速率为30.9μm/h，而平面阴极弧源直喷方式沉积的金属cr薄膜的最高沉积速率4.25μm/h，二者相差了7.3倍。说明本发明提出的一种电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置及方法能够大幅度缩短薄膜沉积时间，降低细长管筒件材料表面的热量积累和温升。在实现细长管筒件内壁快速沉积大厚度薄膜的同时，仍能保证细长管筒件材料的力学性能(硬度和模量等)。
65.图8是轴向均匀分布的位置1、2、3处的三个基片的hrc测试结果。该方法是评价膜层与基体材料之间结合强度的常用方法之一。测量结合强度时，洛氏硬度计压头为120
°
圆锥形金刚石压头，加载载荷设定为1470n(150kgf)，保荷10s。用超景深光学显微镜vhx-1000e(日本keyence公司)对压痕形貌进行分析。对比vdi3198标准图谱，将结合强度分为6个等级(hf1-hf6)。研究结果表明：膜层与基体的结合强度均达到了hf1-hf2的等级。位置1和2处的hrc压痕形貌完整，压痕呈完整的圆形压痕，圆形压痕边缘光滑、完整，无径向裂纹和大面积的脱膜区域。位置3的hrc压痕形貌完整，但在圆形压痕左上部存在压痕向外扩散的现象，这可能是由于该位置的内应力较为集中造成的。

技术特征：
1.电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置，其特征在于该沉积金属薄膜的装置包括法兰盘(1)、引弧针(2)、电场辅助圆筒(3)、细长管筒件(4)和柱状阴极弧源，其中柱状阴极弧源包括柱状阴极靶材(7)、磁钢座(8)和磁铁(5)，柱状阴极靶材(7)的表面形成金属靶材，磁钢座(8)套设在柱状阴极靶材(7)内部，磁钢座(8)的外表面设置有多个磁铁(5)，磁钢座(8)由电机驱动旋转；在真空室的侧面设置有法兰盘(1)，电场辅助圆筒(3)、细长管筒件(4)和柱状阴极弧源设置在真空室中，细长管筒件(4)的筒内套设有柱状阴极弧源，细长管筒件(4)的筒外套设有电场辅助圆筒(3)，电场辅助圆筒(3)、细长管筒件(4)和柱状阴极弧源同轴设置，柱状阴极靶材(7)的长度长于电场辅助圆筒(3)和细长管筒件(4)，柱状阴极靶材(7)与脉冲阴极弧电源的负输出端连接，脉冲阴极弧电源的正输出端与电场辅助圆筒(3)连接，细长管筒件(4)与中频偏压电源的负输出端连接，中频偏压电源的正输出端接地；在法兰盘(1)上连接有引弧针(2)，引弧针(2)与柱状阴极靶材(7)接触引弧，柱状阴极靶材(7)的一端从法兰盘(1)穿出，柱状阴极靶材(7)的另一端设置有靶堵(6)。2.根据权利要求1所述的电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置，其特征在于柱状阴极靶材(7)外表面的金属靶材的材质为cr、ti、ta或合金材料。3.根据权利要求1所述的电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置，其特征在于柱状阴极靶材(7)的内部设置有冷却腔。4.根据权利要求1所述的电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置，其特征在于电场辅助圆筒(3)的下部设置有电动伸缩支架(9)。5.根据权利要求1所述的电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置，其特征在于柱状阴极靶材(7)在与法兰盘(1)的连接处设置有靶端屏蔽罩(10)。6.根据权利要求1所述的电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置，其特征在于在法兰盘(1)上设置有进气管(11)。7.在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的方法，其特征在于该方法按照以下步骤实现：一、辉光清洗管筒件内壁：对真空室抽真空，向真空室中通入氩气，保持真空室气压为5-10pa，将中频偏压电源的正输出端与柱状阴极靶材(7)相连，将中频偏压电源的负输出端与细长管筒件(4)相连，控制中频偏压电源电压为-800～-1000v，占空比40％～60％，通过细长管筒件(4)的自空心阴极放电效应，产生的ar等离子体对细长管筒件(4)内表面进行辉光清洗，得到辉光清洗后的细长管筒件；二、弧光清洗管筒件内壁：维持真空室气压为5～10pa，将脉冲阴极弧电源的负输出端连接柱状阴极靶材(7)，脉冲阴极弧电源的正输出端连接电场辅助圆筒(3)，细长管筒件(4)与中频偏压电源的负输出端相连，中频偏压电源的正输出端接地，脉冲阴极弧电源直流端电流50～140a，脉冲端峰值电流200～1000a，中频偏压电源电压为-400～-800v，占空比为40％～80％，进行弧光清洗，得到弧光清洗后的细长管筒件；三、管筒件内壁沉积：将脉冲阴极弧电源的负输出端与柱状阴极靶材(7)相连，脉冲阴极弧电源的正输出端连接电场辅助圆筒(3)，同时，将中频偏压电源的负输出端与细长管筒
件(4)相连，中频偏压电源正输出端接地，维持真空室气压为5～10pa，控制脉冲阴极弧电源直流端电流为50～140a，脉冲端峰值电流为200～1000a，中频偏压电源电压为-20～-150v，占空比为20％～50％，进行离子镀膜，完成细长管筒件内壁均匀沉积金属薄膜。8.根据权利要求7所述的在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的方法，其特征在于步骤一中辉光清洗时间为15min～30min。9.根据权利要求7所述的在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的方法，其特征在于步骤二中弧光清洗清洗时间为15min～30min。10.根据权利要求7所述的在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的方法，其特征在于步骤三中离子镀膜时间为10min～30min。

技术总结
电场辅助脉冲增强柱状阴极弧在细长管筒件内壁快速均匀沉积金属薄膜的装置及方法，本发明为了解决常规方法难以满足细长管筒件内壁快速、均匀沉积大厚度薄膜的问题。本发明沉积金属薄膜的装置中磁钢座套设在柱状阴极靶材内部，磁钢座上设置有多列磁铁，电场辅助圆筒、细长管筒件和柱状阴极弧源同轴设置。柱状阴极靶材与脉冲阴极弧电源的负输出端连接，其正输出端与电场辅助圆筒连接，细长管筒件与中频偏压电源的负输出端连接。本发明通过电场辅助圆筒与柱状阴极靶材之间的优先放电，解耦了阴、阳极狭小间隙的限制。另外，在柱状阴极靶材上施加极高的脉冲电流，增强了等离子体密度，实现了快速沉积，并控制了基体材料的温升，保证了基材的力学性能。证了基材的力学性能。证了基材的力学性能。


技术研发人员：田修波 王本福 巩春志
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/11