一种金属离子源及其应用和使用方法
阅读说明：本技术 一种金属离子源及其应用和使用方法 (Metal ion source and application and use method thereof ) 是由 刘锦云 金应荣 贺毅 曹仁发 王梦嘉 曾国兴 张平 万海毅 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属离子源及其应用和使用方法,涉及表面工程技术领域。其包括：用作阴极的内芯、用作阳极的外芯和屏蔽管。本发明提供的金属离子源,具有较高的溅射效率,能在管筒状零件内沿轴向均匀地供给金属离子,便于在内表面得到均匀的表面改性层；本发明通过在内芯的双侧开通孔,使得金属离子溅射面积更大,溅射效率更高。将外芯单独设置到屏蔽管外,有利于实现金属离子源整体结构的小型化。从而对更小型的管状工件进行内表面改性,应用范围更广,同时极大程度地简化了结构,提高了可靠性。此外还提供了金属离子源的使用方法和应用。(The invention discloses a metal ion source and an application and a using method thereof, and relates to the technical field of surface engineering. It includes: an inner core serving as a cathode, an outer core serving as an anode, and a shield tube. The metal ion source provided by the invention has higher sputtering efficiency, can uniformly supply metal ions in the tubular part along the axial direction, and is convenient for obtaining a uniform surface modified layer on the inner surface; according to the invention, through holes are formed on two sides of the inner core, so that the metal ion sputtering area is larger and the sputtering efficiency is higher. The outer core is independently arranged outside the shielding pipe, so that the miniaturization of the whole structure of the metal ion source is realized. Therefore, the inner surface of the smaller tubular workpiece is modified, the application range is wider, the structure is greatly simplified, and the reliability is improved. In addition, a use method and application of the metal ion source are also provided.)
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，具体而言，涉及一种金属离子源及其应用和使用方法。
背景技术
等离子体表面改性技术具有工艺简单、加工速度快、处理效果好等优点，目前已经得到了广泛的应用。该技术通常需要提供金属离子，就管筒状零件而言，如果以金属气相化合物供给金属，则在供给入口端和出口端之间必然存在浓度差，从而使改性层不均匀。等离子浸没离子注入等技术先在外部产生金属离子，然后让金属离子扩散进入管筒状零件内，这种技术依然存在浓度差，使得改性层轴向方向上分布不均匀。
CN 108456862 B在阴极管壁上开槽，虽然可以在垂直于内表面的方向上形成空心阴极放电，但由于空间位置的限制使得阴极管的壁厚有限，溅射面积小，致使溅射效率较低，难于得到工程应用。
因此，由于缺乏有效地、可控地供给金属离子的方法，细长管内表面改性一直是等离子体表面改性领域的难题。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属离子源及其应用和使用方法以解决上述技术问题。
本发明是这样实现的：
一种金属离子源，其包括：
用作阴极的内芯、用作阳极的外芯和屏蔽管；
内芯在径向周壁上开设有至少一个贯穿孔，屏蔽管套设于内芯的外周，且屏蔽管的周壁上开设有离子通孔，离子通孔的数目至少为两个，每个贯穿孔与两个离子通孔相对，每个离子通孔与每个相对设置的贯穿孔形状相同，尺寸相同；
外芯设置于屏蔽管外侧。
在一种实施方式中，内芯在径向周壁上开设有两个贯穿孔，两个贯穿孔的夹角大于30度，小于等于90度。优选的，两个贯穿孔的夹角为90度。相应地，在屏蔽管的周壁上开设有两对离子通孔，每对离子通孔与其中一个贯穿孔在轴向位置上相对应。
需要说明的是，贯穿孔为通孔。
本发明通过提供贯穿孔、离子通孔及屏蔽管的结构，使得空心阴极放电过程在贯穿孔中进行。用作阳极的外芯设置在贯穿孔的一侧(空间上也就是离子通孔的一侧)，便于在阳极与阴极(内芯)之间产生由阳极到阴极的电场，溅射气体在该电场作用下电离，电离产生的阳离子继续在该电场的作用下加速并轰击阴极(内芯)，从阴极溅射出来的金属离子从贯穿孔飞出，穿过离子通孔后，直接入射到细长管零件的内表面上。
本发明提供的金属离子源，可以产生以下有益效果：当金属离子源用于细长管内表面改性时，能够沿工件(细长管)轴向均匀地供给金属离子；产生的金属离子直接入射到零件的内表面，有利于提高膜基结合力；贯穿孔较深，离子轰击面积大，有利于在单位时间单位轴向长度内溅射出更多的金属离子，即有利于提高溅射效率；通过改变贯穿孔、离子通孔在阴极、屏蔽管上的布置方式与位置，可以满足多种设计要求的区域内表面改性；本发明提供的金属离子源避免了大面积的辉光放电，便于控制内孔零件的温度。
此外，本发明通过在内芯上开贯通孔，使得单位轴向长度内离子溅射面积更大，溅射效率更高。将外芯单独设置在屏蔽管外，当待处理的零件是导电的细长管零件时，可以将零件作为阳极，无需设置外芯作为阳极，有利于实现金属离子源整体结构的简化和小型化。从而对更小型的管状工件进行内表面改性处理，应用范围更广。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述屏蔽管的内周壁与内芯的外周壁形成第一间隙；屏蔽管的外周壁与外芯的外周壁之间的间距大于5mm；
优选的，第一间隙宽度为2-5mm。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述贯穿孔在径向上的宽度为5-10mm。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述贯穿孔和离子通孔均呈条形；
优选的，贯穿孔和离子通孔均设置为沿轴向方向延伸的长条形。
将贯穿孔、离子通孔设置为沿轴向方向延伸的长条形，以便增大溅射面积，便于在单位时间内溅射出更多的金属离子，提高内表面改性效率。需要说明的，这里并不对贯穿孔、离子通孔的具体形状进行限定，可以理解的，在其他实施方式中，也可以根据用户的需求，将贯穿孔、离子通孔设置为其他形状。
在其中一种实施方式中，贯穿孔和离子通孔均设置为沿螺旋线展开的螺距相同的螺旋孔。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述外芯为导电的金属件，内芯由待溅射的金属或合金制成；优选的，外芯为金属杆或金属线。在其他实施方式中，外芯为导电的细长杆零件。
内芯可以用钢、钨合金、钛合金或铜合金制作。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述金属离子源还包括用于支撑内芯和屏蔽管的绝缘座，绝缘座的数目为两个，两个绝缘座分别套设于内芯的端部外周，且两个绝缘座分别与屏蔽管的两端固定连接。
在其中一种实施方式中，绝缘座通过卡接结构与屏蔽管卡接，在其他实施方式中，绝缘座也可以与屏蔽管螺纹连接固定。
绝缘座采用耐高温的绝缘材料制成，优选的，绝缘座采用刚玉制成，刚玉具备有耐高温、绝缘以及良好的化学稳定性等特性，可有效地满足绝缘座的使用需求。
在其他实施方式中，也可以根据用户的需求，将绝缘座采用其他材料制成。
一种金属离子源的使用方法，其包括：
将金属离子源在真空环境下，充入溅射气体，使气压回升，在内芯与外芯之间施加偏压，在贯穿孔内产生空心阴极放电，使内芯的材料从贯穿孔溅射出来形成金属离子；
优选的，抽真空至真空度为10-3-10-2Pa后，充入溅射气体，使气压回升到200～500Pa；
优选的，在阳极与阴极之间施加400～1200V的偏压。
在上述真空度、气压回升压强和偏压条件下，可以满足设计要求区域的内表面改性。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述溅射气体为惰性气体；
优选的，溅射气体为氩气和/或氪气。
在本发明应用较佳的实施方式中，上述溅射气体为氩气与反应气体的混合气体，反应气体用于与溅射出来的金属离子发生反应，生成金属化合物。
一种金属离子源在工件内表面等离子体改性中的应用。本发明提供的金属离子源可以用于细长管的内表面等离子体沉积涂层。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种金属离子源及其应用和使用方法，利用空心阴极放电过程中阳离子对阴极的溅射作用，将阴极材料溅射出来形成金属离子。其中，空心阴极放电在阴极上的贯穿孔中进行。用作阳极的外芯设置在贯穿孔的一侧，便于在阳极与阴极之间产生由阳极到阴极的电场，溅射气体在该电场的作用下电离，电离产生的阳离子继续在该电场的作用下加速并轰击阴极，从阴极溅射出来的金属离子从贯穿孔飞出，经过离子通孔，直接入射到细长管零件的内表面上。
当金属离子源用于细长管内表面改性时，能够沿轴向均匀地供给金属离子；产生的金属离子直接入射到零件的内表面，有利于提高膜基结合力；通过改变改变贯穿孔、离子通孔在阴极和屏蔽管上的布置方式与位置，可以满足多种设计要求的区域内表面改性；当金属离子源与细长管零件有相对转动时，可以在细长管内表面形成均匀的改性层；这种金属离子源也避免了大面积的放电，便于控制内孔零件的温度。
本发明通过在内芯上开贯通孔，使得单位轴向长度内金属离子溅射面积更大，溅射效率更高。将外芯单独设置在屏蔽管外，当待处理的零件是导电的细长管零件时，可以将零件作为阳极，无需设置外芯作为阳极，有利于实现金属离子源整体结构的简化和小型化。从而对更小型的管状工件进行内表面改性，应用范围更广。
本发明提供的金属离子源的使用方法及应用基于上述的金属离子源也具备有上述的有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1提供的金属离子源的整体结构示意图；
图2为实施例1提供的金属离子源的整体结构沿轴线的剖视图；
图3为图2中的垂直于轴线的剖视图；
图4为实施例3提供的金属离子源垂直于轴线的剖视图；
图5为实施例4中得到的涂层照片；
图6为图5中涂层与衬底能谱分析位置图；
图7为图6所示位置衬底中铜元素分布图；
图8为图6所示位置涂层中铁元素分布图。
图标：100-外芯；200-绝缘座；110-第二间隙；300-屏蔽管；310-第一间隙；320-离子通孔；400-阴极；410-贯穿孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
参照图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种金属离子源。其包括用作阳极的外芯100、绝缘座200、屏蔽管300和阴极400。其中，屏蔽管300环设于阴极(内芯)400外侧，阴极400上开设有宽度为5-10mm的一个贯穿孔410。
参照图2和图3所示，屏蔽管300设置于阴极400与外芯100之间，屏蔽管300的内周壁与阴极400的外周壁形成第一间隙310，屏蔽管300外周壁与外芯100之间形成第二间隙110。
屏蔽管300的侧壁上开设有两个离子通孔320；其中，贯穿孔410、离子通孔320的形状相同，轴向尺寸相同，径向尺寸相同，且在轴向位置上贯穿孔410与离子通孔320相对。两个离子通孔320分别与贯穿孔410的两个端口相对。
屏蔽管300外周壁与外芯100之间的距离(第二间隙110)大于5mm，屏蔽管300内周壁与内芯阴极400外周壁之间的距离为2-5mm。
在本实施例中，屏蔽管300与阴极400之间留有第一间隙310，且设置屏蔽管300可有效地避免阳极与阴极之间产生大面积的辉光放电，防止电流过大和温度过高烧毁放电装置。
在屏蔽管300上设置与阴极400上的贯穿孔410相对应的离子通孔320，便于将阳极和阴极之间的放电限制在阴极400的贯穿孔410内进行，有利于提高能量利用效率，降低温度。
在本实施例中，贯穿孔410、离子通孔320均设置为沿轴向方向延伸的长条形，这样设置可以在内表面得到长条形改性区域，当离子源相对于零件旋转时，可以在内表面上得到更大面积的改性区域。需要说明的，这里并不对贯穿孔410、离子通孔320的具体形状进行限定，在其他实施方式中，也可以将贯穿孔410、离子通孔320设置为方形、沿螺旋线展开成螺旋形。
具体地，在本实施例中，贯穿孔410、离子通孔320的宽度相同，都设置为5～10mm。
具体地，在本实施例中，金属离子源还包括用于支撑阴极400和屏蔽管300的绝缘座200，绝缘座200的数目为两个，两个绝缘座200分别套设于阴极400的端部外周，且两个绝缘座200分别与屏蔽管300的两端固定连接。
在本实施例中，绝缘座200采用刚玉制成，刚玉具备有耐高温、绝缘以及良好的化学稳定性等特性，可满足绝缘座200的使用需求。此外，在其他实施方式中，也可以根据用户的需求，将绝缘座200采用其他材料制成。
采用本发明提供的铁离子源在铜管内壁上沉积铁基涂层。在本实施例中，外芯100采用直径3mm、长1000mm的铁丝制成，屏蔽管300是内径24mm、壁厚1mm、长800mm的不锈钢管，屏蔽管300上的两个离子通孔320设置在管壁中部沿轴向开设，宽为6mm、长为500mm。参照图3所示，上下两个离子通孔320尺寸相同。
阴极400采用直径为16mm、长为1000mm的20钢制成，阴极400上的贯穿孔410设置在管壁中部沿轴向开设，宽为6mm、长为500mm。屏蔽管300的两端用刚玉制成的绝缘座200支撑，绝缘座200的底端与阴极400固定螺纹连接。
将本实施例的铁离子源固定在内径60mm的铜管内。
在其他实施方式中，也可以根据用户的需求，将外芯100采用其他尺寸制成。在其他实施方式中，也可以根据用户的需求，将外芯100采用其他材料制成。
在其他实施方式中，屏蔽管300的尺寸和材料也可以根据用户的需求进行自适应调整。
在其他实施方式中，阴极400的尺寸和材料也可以根据用户的需求进行自适应调整。
本发明的实施例中提供的铁离子源，利用空心阴极放电过程中阳离子对阴极的溅射作用，将阴极材料溅射出来形成涂层。空心阴极放电在阴极400的贯穿孔410中进行。用作阳极的外芯100设置在贯穿孔410的一端，便于在阳极与阴极之间产生由阳极到阴极的电场，而溅射产生的金属离子在贯穿孔410的另一端飞出，可以直接入射到细长管零件的内表面上。
实施例2
本实施例提供一种钛离子源，与实施例1区别仅在于，本实施例的钛离子源的贯穿孔410、离子通孔320均设置为沿右螺旋线展开的螺距都为150mm的螺旋孔，阴极400用纯钛制造。
实施例3
本实施例提供一种钨离子源，其与实施例1区别仅在于：参照图4所示，本实施例中，外芯100用待处理的零件，该零件上有一个直径100mm、长3500mm的孔，屏蔽管300是内径80mm、壁厚3mm、长3000mm的钨管；
在屏蔽管300管壁中部沿轴向开设有4个离子通孔320，每个离子通孔320宽为8mm、长为2000mm，沿周向均匀布置；
阴极400采用直径为72mm、长为3000mm的钨棒制成，在阴极400中部均匀设置有2个贯穿孔410，每个贯穿孔410宽为8mm、长为2000mm，沿周向均匀布置。两个贯穿孔410夹角为90度，屏蔽管300的两端用刚玉作为绝缘座200支撑后，设置在零件上内径100mm长3500mm的孔内。
实施例4
本实施例中提供了一种金属离子源的使用方法，金属离子源的使用方法基于上述的金属离子源，包括：
在本实施例中，用20钢制作阴极，在铜管两端引出电极引线、接上真空系统和进气系统后，进行真空密封。抽真空至2×10-2Pa后，开始通入氩气，调节抽气阀和进气阀开度，使真空度保持在400Pa附近。接通电源，逐步升高电压至800V，经过一段时间的打弧后，逐渐减小进气阀和抽气阀的开度，减小气体流量，让空心阴极放电逐渐稳定下来，此时的气压为430Pa左右。维持空心阴极放电8小时，在铜管内壁形成铁基涂层。
本实施例在铜管内壁形成铁基涂层照片参照图5所示，相对应的能谱分析位置图参照图6所示，衬底中的铜元素分布参照图7所示，涂层中的铁元素分布参照图8所示。
实施例5
本实施例采用本发明提供的钨离子源在钢管内壁上沉积钨基涂层。用钨管制作阴极，在钢管两端引出电极引线、接上真空系统和进气系统后，进行真空密封。抽真空至3×10-2Pa后，开始通入氩气与氪气的混合气体，其中氪气与氩气的混合比为1:9，调节抽气阀和进气阀开度，使真空度保持在400Pa附近。接通电源，逐步升高电压至1000V，经过一段时间的打弧后，逐渐减小进气阀和抽气阀的开度，减小气体流量，让空心阴极放电逐渐稳定下来，此时的气压为350Pa左右。维持空心阴极放电8小时，在钢管内壁形成钨基涂层。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：等离子体处理装置