多陰極脈衝弧等離子體源裝置的製作方法

2023-12-03 20:49:51 2

專利名稱：多陰極脈衝弧等離子體源裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種脈衝等離子體產生裝置。
背景技術：
等離子體浸沒離子注入與沉積(Plasma Immersion Ion Implantation andDeposition，PIIID)技術已在國內和國際得到了廣泛關注，美國、歐洲、日本、澳大利亞等國家和地區已經把PIIID技術作為精密零件表面強化處理的重要手段之一。目前，利用PIIID技術已經能夠實現氣體離子注入、氣體+金屬離子混合注入、化合物沉積等多種強化處理工藝，強化處理後材料表面的顯微硬度、耐磨損、抗腐蝕和接觸疲勞壽命等性能已得到較大地提高。
決定PIIID技術在工業生產中廣泛應用的關鍵技術之一是脈衝陰極弧等離子體源是否具有較長的穩定工作時間。脈衝陰極弧等離子體源主要由兩部分組成弧放電裝置和磁過濾裝置。弧放電裝置主要由陰極、陽極、觸發極及其供電部分組成，它主要用來產生金屬等離子體；磁過濾裝置由一定角度的磁導管和磁場電源部分組成，它主要用來過濾弧放電裝置產生的宏觀和中性粒子。脈衝陰極弧等離子體源一般採用脈衝高壓觸發的方式來引燃陰極和陽極之間的電弧，由於電弧燃燒時產生的宏觀粒子沾附到觸發極與陰極之間的絕緣瓷套上後很容易使觸發極與陰極短路，從而使脈衝陰極弧等離子體源不能正常穩定工作。因此，要使PIIID技術在工業上廣泛應用，必須提高脈衝陰極弧等離子體源的穩定工作時間。
此外，在PIIID技術中，離子注入與沉積複合處理是獲得高性能表面強化層的關鍵工藝。例如鋁合金零件，需要先進行Ti離子注入，然後合成TiN和CrN薄膜，然後再合成類金剛石薄膜。在這種複合處理工藝中，要求脈衝陰極弧等離子體源能夠產生Ti，Cr和C等不同的等離子體。目前，常規脈衝陰極弧等離子體源只能產生單一的等離子體，要產生不同的等離子體，國際上一般採取以下兩種方法一是在真空室上安裝多個陰極弧等離子體源的方式，通過樣品的轉動實現不同離子的注入或者沉積，採用此方法，存在設備投資大的問題；二是採用破壞真空的方法，先對真空系統放氣，在大氣條件下改變等離子體源的陰極材料然後抽真空以實現真空條件下不同等離子體的產生，雖然這種方法的設備投資較低，但是，由於破壞真空，外界大氣有可能對工件表面產生汙染，導致強化層性能變差，另外，由於真空抽氣時間很長，其工作效率較低。因此，要實現多種PIIID複合處理工藝，必須研製出具有多陰極的脈衝陰極弧等離子體源，使陰極能夠在不破壞真空的情況下自由切換。

發明內容
本發明的目的是提供一種多陰極脈衝弧等離子體源裝置，該裝置可解決脈衝陰極弧等離子體源由於觸發極與陰極容易短路而導致的等離子體源不能長時間穩定工作的問題及為產生不同的等離子體，採用在真空室上安裝多個陰極弧等離子體源的方式，存在設備投資大的問題及採用破壞真空的方法，存在工件的強化層性能差、工作效率低的問題。
本發明包括陽極外套、陰極外套、上端蓋、磁場線圈一、絕緣墊圈、絕緣墊、推力軸承、絕緣塊、弧放電裝置和磁過濾裝置；本發明還包括主動齒輪、從動齒輪、推進杆、移動杆、支撐杆、手柄一、手柄二、軸承一和旋轉圓筒；所述的弧放電裝置由陰極、陽極、觸發極、絕緣瓷套和公共彈簧觸發杆裝置組成；所述的磁過濾裝置由不鏽鋼彎管和磁場線圈二組成；陽極外套與上端蓋之間裝有絕緣墊圈，旋轉圓筒上裝有推力軸承，旋轉圓筒的下端穿過上端蓋的中心孔與陰極外套的上端固定連接，陰極外套裝在陽極外套內，裝在陰極外套上的推進杆的下端與陰極的上端固定連接，陰極沿陰極外套的底端面的圓周均布，觸發極通過絕緣瓷套裝在陰極上，陽極外套內裝有公共彈簧觸發杆裝置，公共彈簧觸發杆裝置的一端與相對應的觸發極相接觸，公共彈簧觸發杆裝置通過絕緣塊、支撐杆與上端蓋固定連接，推進杆的上端外壁上具有外螺紋，推進杆的上端裝有與推進杆螺紋連接的從動齒輪，移動杆穿過旋轉圓筒裝在陰極外套內，移動杆的上端與手柄一固定連接，移動杆的下端固定裝有可與從動齒輪相嚙合的主動齒輪，移動杆與旋轉圓筒的上下兩端之間各裝有軸承一，旋轉圓筒的側壁上固定裝有手柄二，陽極外套的外端面上裝有磁場線圈一，陽極位於陰極中心圓的正下方，陽極與陽極外套的下端面固定連接，陽極的下端裝有與陽極外套的下端面固定連接的不鏽鋼彎管，陽極與不鏽鋼彎管之間裝有絕緣墊，不鏽鋼彎管的外壁上纏繞有磁場線圈二。
本發明具有以下有益效果一、本發明通過旋轉與旋轉圓筒固定連接的手柄二，帶動旋轉圓筒、陰極外套、陰極、觸發極、絕緣瓷套和推進杆繞陰極外套的中心軸線旋轉，當沿陰極外套底端面的圓周均布的陰極逐個旋轉到陽極的正上方時，若沿陰極外套底端面圓周均布的陰極採用不同的材料製成，就可以在不破壞真空的條件下實現不同等離子體的切換，從而大大提高了全方位離子注入與沉積複合處理工藝的種類，大大地降低了設備成本；當沿陰極外套端面圓周均布的陰極逐個旋轉到陽極的正上方時，若沿陰極外套端面圓周均布的陰極採用同一材料製成，即使其中的一個陰極與觸發極短路，也不會影響本發明的等離子體裝置的穩定工作。二、本發明通過手柄一帶動移動杆上下移動，使裝在移動杆上的主動齒輪和任意一個從動齒輪相嚙合，當手柄一轉動時，可以帶動從動齒輪旋轉，從而帶動相應的推進杆和陰極上下移動；此外，當工作過程中陰極材料消耗時，在不破壞真空的情況下就可以實現陰極的推進。三、由於公共彈簧觸發杆裝置通過支撐杆和絕緣塊與上端蓋固定連接，當陰極外套繞其中心軸線旋轉時，可伸縮的觸發杆可保證觸發極與公共彈簧觸發杆裝置緊密接觸。四、本發明具有結構簡單、使用方便、穩定工作時間長、可在不破壞真空的條件下實現多個陰極的任意切換的優點，並解決了多種等離子體難以由一個脈衝陰極弧等離子體源產生的問題。


圖1是本發明的整體結構主視剖面圖，圖2是圖1的A-A剖面圖，圖3是圖1的B部放大圖，圖4是採用三個陰極4沿圓周均布的俯視結構示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結合圖1～4說明本實施方式，本實施方式由陽極外套1、陰極外套2、上端蓋3、磁場線圈一9、絕緣墊圈8、絕緣墊11、推力軸承23、絕緣塊22、主動齒輪12、從動齒輪13、推進杆14、移動杆15、支撐杆16、手柄一17、手柄二18、軸承一19、旋轉圓筒21、弧放電裝置101和磁過濾裝置102組成；所述的弧放電裝置101由陰極4、陽極5、觸發極6、絕緣瓷套7和公共彈簧觸發杆裝置20組成；所述的磁過濾裝置102由不鏽鋼彎管10和磁場線圈二25組成；陽極外套1與上端蓋3之間裝有絕緣墊圈8，旋轉圓筒21上裝有推力軸承23，旋轉圓筒21的下端穿過上端蓋3的中心孔與陰極外套2的上端固定連接，陰極外套2裝在陽極外套1內，裝在陰極外套2上的推進杆14的下端與陰極4的上端固定連接，陰極4沿陰極外套2的底端面2-1的圓周均布，觸發極6通過絕緣瓷套7裝在陰極4上，陽極外套1內裝有公共彈簧觸發杆裝置20，公共彈簧觸發杆裝置20的一端與相對應的觸發極6相接觸，公共彈簧觸發杆裝置20通過絕緣塊22、支撐杆16與上端蓋3固定連接，推進杆14的上端外壁上具有外螺紋14-1，推進杆14的上端裝有與推進杆14螺紋連接的從動齒輪13，移動杆15穿過旋轉圓筒21裝在陰極外套2內，移動杆15的上端與手柄一17固定連接，移動杆15的下端固定裝有可與從動齒輪13相嚙合的主動齒輪12，移動杆15與旋轉圓筒21的上下兩端之間各裝有軸承一19，旋轉圓筒21的側壁上固定裝有手柄二18，陽極外套1的外端面上裝有磁場線圈一9，陽極5位於陰極4中心圓4-1的正下方，陽極5與陽極外套1的下端面固定連接，陽極5的下端裝有與陽極外套1的下端面固定連接的不鏽鋼彎管10，不鏽鋼彎管10的外壁上纏繞有磁場線圈二25，陽極5與不鏽鋼彎管10之間裝有絕緣墊11，可以保證陽極5與不鏽鋼彎管10的絕緣，不鏽鋼彎管10可過濾弧放電產生的宏觀粒子和中性粒子，所纏繞的磁場線圈二25可產生100～600高斯的磁場。
具體實施方式
二結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式的不鏽鋼彎管10的彎曲角度α為45°～90°。如此設置，具有較好的磁過濾效果。
具體實施方式
三結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一、二的不同點是本實施方式的不鏽鋼彎管10的外徑Φ1為80～300mm。可根據陰極4和陽極5的直徑大小進行選擇。
具體實施方式
四結合圖1和圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式的公共彈簧觸發杆裝置20由彈簧20-1、彈簧座套20-2和公共觸發杆20-3組成；公共觸發杆20-3的一端穿過彈簧座套20-2與相對應的觸發極6相接觸，裝在彈簧座套20-2內的公共觸發杆20-3上設有凸臺肩20-3-1，凸臺肩20-3-1與彈簧座套20-2的內端面之間裝有彈簧20-1，彈簧座套20-2通過絕緣塊22和支撐杆16與上端蓋3固定連接。如此設置，可實現觸發極6與上端蓋3之間的絕緣，還可保證公共觸發杆20-3的伸縮距離在1～20mm之間，公共觸發杆20-3由彈簧20-1頂緊，可以保證公共觸發杆20-3與觸發極6的緊密接觸。
具體實施方式
五結合圖1、圖2和圖4說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式的陰極4沿陰極外套2的底端面2-1的圓周均布有6個。可根據實際需要選擇。
具體實施方式
六結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一、五的不同點是本實施方式的陰極4的直徑Φ2為20～80mm。可根據實際需要選擇。
具體實施方式
七結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式的陰極4與觸發極6之間的絕緣距離h為1～10mm。可根據需要調整。
具體實施方式
八結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一的不同點是本實施方式的陽極5的埠內徑Φ3為40～100mm。根據陰極4直徑的不同選擇相適應的陽極5的埠內徑Φ3。
具體實施方式
九結合圖1和圖4說明本實施方式，本實施方式中的弧放電裝置101由3個直徑為30mm的陰極4、3個絕緣磁套7、3個觸發極6、1個陽極5和一個公共彈簧觸發杆裝置20組成；每個陰極4與觸發極6之間的絕緣距離h為3mm，3個陰極4的材料分別為Ti、Cr和C，陽極5的埠內徑Φ3為40mm；本實施方式中的磁過濾裝置102中的不鏽鋼彎管10的外徑Φ1為200mm，不鏽鋼彎管10的彎曲角度α為90°。如此設置，可以實現Ti、Cr和C這三種不同等離子體的切換。
具體實施方式
十結合圖1和圖4說明本實施方式，本實施方式中的弧放電裝置101由3個直徑為30mm的陰極4、3個絕緣磁套7、3個觸發極6、1個陽極5和1個公共彈簧觸發杆裝置20組成；每個陰極4與觸發極6之間的絕緣距離h為3mm，3個陰極4的材料均為Ti，陽極5的埠內徑Φ3為40mm；本實施方式中的磁過濾裝置102中的不鏽鋼彎管10的外徑Φ1為200mm，不鏽鋼彎管10的彎曲角度α為90°。如此設置。
權利要求
1.一種多陰極脈衝弧等離子體源裝置，它包括陽極外套(1)、陰極外套(2)、上端蓋(3)、磁場線圈一(9)、絕緣墊圈(8)、絕緣墊(11)、推力軸承(23)、絕緣塊(22)、弧放電裝置(101)和磁過濾裝置(102)；其特徵在於本發明還包括主動齒輪(12)、從動齒輪(13)、推進杆(14)、移動杆(15)、支撐杆(16)、手柄一(17)、手柄二(18)、軸承一(19)和旋轉圓筒(21)；所述的弧放電裝置(101)由陰極(4)、陽極(5)、觸發極(6)、絕緣瓷套(7)和公共彈簧觸發杆裝置(20)組成；所述的磁過濾裝置(102)由不鏽鋼彎管(10)和磁場線圈二(25)組成；陽極外套(1)與上端蓋(3)之間裝有絕緣墊圈(8)，旋轉圓筒(21)上裝有推力軸承(23)，旋轉圓筒(21)的下端穿過上端蓋(3)的中心孔與陰極外套(2)的上端固定連接，陰極外套(2)裝在陽極外套(1)內，裝在陰極外套(2)上的推進杆(14)的下端與陰極(4)的上端固定連接，陰極(4)沿陰極外套(2)的底端面(2-1)的圓周均布，觸發極(6)通過絕緣瓷套(7)裝在陰極(4)上，陽極外套(1)內裝有公共彈簧觸發杆裝置(20)，公共彈簧觸發杆裝置(20)的一端與相對應的觸發極(6)相接觸，公共彈簧觸發杆裝置(20)通過絕緣塊(22)、支撐杆(16)與上端蓋(3)固定連接，推進杆(14)的上端外壁上具有外螺紋(14-1)，推進杆(14)的上端裝有與推進杆(14)螺紋連接的從動齒輪(13)，移動杆(15)穿過旋轉圓筒(21)裝在陰極外套(2)內，移動杆(15)的上端與手柄一(17)固定連接，移動杆(15)的下端固定裝有可與從動齒輪(13)相嚙合的主動齒輪(12)，移動杆(15)與旋轉圓筒(21)的上下兩端之間各裝有軸承一(19)，旋轉圓筒(21)的側壁上固定裝有手柄二(18)，陽極外套(1)的外端面上裝有磁場線圈一(9)，陽極(5)位於陰極(4)中心圓(4-1)的正下方，陽極(5)與陽極外套(1)的下端面固定連接，陽極(5)的下端裝有與陽極外套(1)的下端面固定連接的不鏽鋼彎管(10)，陽極(5)與不鏽鋼彎管(10)之間裝有絕緣墊(11)，不鏽鋼彎管(10)的外壁上纏繞有磁場線圈二(25)。
2.根據權利要求1所述的多陰極脈衝弧等離子體源裝置，其特徵在於所述的不鏽鋼彎管(10)的彎曲角度α為45°～90°。
3.根據權利要求1或2所述的多陰極脈衝弧等離子體源裝置，其特徵在於所述的不鏽鋼彎管(10)的外徑Φ1為80～300mm。
4.根據權利要求1所述的多陰極脈衝弧等離子體源裝置，其特徵在於所述的公共彈簧觸發杆裝置(20)由彈簧(20-1)、彈簧座套(20-2)和公共觸發杆(20-3)組成；公共觸發杆(20-3)的一端穿過彈簧座套(20-2)與相對應的觸發極(6)相接觸，裝在彈簧座套(20-2)內的公共觸發杆(20-3)上設有凸臺肩(20-3-1)，凸臺肩(20-3-1)與彈簧座套(20-2)的內端面之間裝有彈簧(20-1)，彈簧座套(20-2)通過絕緣塊(22)和支撐杆(16)與上端蓋(3)固定連接。
5.根據權利要求1所述的多陰極脈衝弧等離子體源裝置，其特徵在於所述的陰極(4)沿陰極外套(2)的底端面(2-1)的圓周均布有3～6個。
6.根據權利要求1或5所述的多陰極脈衝弧等離子體源裝置，其特徵在於所述的陰極(4)的直徑Φ2為20～80mm。
7.根據權利要求1所述的多陰極脈衝弧等離子體源裝置，其特徵在於所述的陰極(4)與觸發極(6)之間的絕緣距離h為1～10mm。
8.根據權利要求1所述的多陰極脈衝弧等離子體源裝置，其特徵在於所述的陽極(5)的埠內徑Φ3為40～100mm。
全文摘要
多陰極脈衝弧等離子體源裝置，它涉及一種脈衝等離子體產生裝置。針對現有脈衝陰極弧等離子體源，存在易短路的問題及採用在真空室上安裝多個陰極弧等離子體源，存在設備投資大和採用破壞真空的方法，存在工件強化層性能差的問題。本發明的推進杆(14)裝在陰極外套(2)內並與陰極(4)相連接，裝在陰極(4)上的觸發極(6)與陰極(4)之間裝有絕緣瓷套(7)，公共彈簧觸發杆裝置(20)的一端與相對應的觸發極(6)相接觸，推進杆(14)上裝有螺旋傳動的從動齒輪(13)，移動杆(15)的下端裝在陰極外套(2)內，移動杆(15)的下端裝有主動齒輪(12)，陽極(5)位於陰極4的正下方，陽極(5)的下端裝有不鏽鋼彎管總成(10)。本發明具有穩定工作時間長、可在不破壞真空的條件下實現多個陰極的任意切換的優點。
文檔編號H05G1/00GK1901136SQ20061001024
公開日2007年1月24日 申請日期2006年6月30日 優先權日2006年6月30日
發明者王浪平, 王小峰, 王宇航, 湯寶寅 申請人:哈爾濱工業大學