專利名稱：多陰極脈沖弧等離子體源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脈沖等離子體產(chǎn)生裝置。
背景技術(shù)：
等離子體浸沒離子注入與沉積(Plasma Immersion Ion Implantation andDeposition，PIIID)技術(shù)已在國內(nèi)和國際得到了廣泛關(guān)注，美國、歐洲、日本、澳大利亞等國家和地區(qū)已經(jīng)把PIIID技術(shù)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(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)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，強化處理后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(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一是脈沖陰極弧等離子體源是否具有較長的穩(wěn)定工作時間。脈沖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?；》烹娧b置主要由陰極、陽極、觸發(fā)極及其供電部分組成，它主要用來產(chǎn)生金屬等離子體；磁過濾裝置由一定角度的磁導(dǎo)管和磁場電源部分組成，它主要用來過濾弧放電裝置產(chǎn)生的宏觀和中性粒子。脈沖陰極弧等離子體源一般采用脈沖高壓觸發(fā)的方式來引燃陰極和陽極之間的電弧，由于電弧燃燒時產(chǎn)生的宏觀粒子沾附到觸發(fā)極與陰極之間的絕緣瓷套上后很容易使觸發(fā)極與陰極短路，從而使脈沖陰極弧等離子體源不能正常穩(wěn)定工作。因此，要使PIIID技術(shù)在工業(yè)上廣泛應(yīng)用，必須提高脈沖陰極弧等離子體源的穩(wěn)定工作時間。
此外，在PIIID技術(shù)中，離子注入與沉積復(fù)合處理是獲得高性能表面強化層的關(guān)鍵工藝。例如鋁合金零件，需要先進行Ti離子注入，然后合成TiN和CrN薄膜，然后再合成類金剛石薄膜。在這種復(fù)合處理工藝中，要求脈沖陰極弧等離子體源能夠產(chǎn)生Ti，Cr和C等不同的等離子體。目前，常規(guī)脈沖陰極弧等離子體源只能產(chǎn)生單一的等離子體，要產(chǎn)生不同的等離子體，國際上一般采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(zhuǎn)動實現(xiàn)不同離子的注入或者沉積，采用此方法，存在設(shè)備投資大的問題；二是采用破壞真空的方法，先對真空系統(tǒng)放氣，在大氣條件下改變等離子體源的陰極材料然后抽真空以實現(xiàn)真空條件下不同等離子體的產(chǎn)生，雖然這種方法的設(shè)備投資較低，但是，由于破壞真空，外界大氣有可能對工件表面產(chǎn)生污染，導(dǎo)致強化層性能變差，另外，由于真空抽氣時間很長，其工作效率較低。因此，要實現(xiàn)多種PIIID復(fù)合處理工藝，必須研制出具有多陰極的脈沖陰極弧等離子體源，使陰極能夠在不破壞真空的情況下自由切換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多陰極脈沖弧等離子體源裝置，該裝置可解決脈沖陰極弧等離子體源由于觸發(fā)極與陰極容易短路而導(dǎo)致的等離子體源不能長時間穩(wěn)定工作的問題及為產(chǎn)生不同的等離子體，采用在真空室上安裝多個陰極弧等離子體源的方式，存在設(shè)備投資大的問題及采用破壞真空的方法，存在工件的強化層性能差、工作效率低的問題。
本發(fā)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(fā)明還包括主動齒輪、從動齒輪、推進桿、移動桿、支撐桿、手柄一、手柄二、軸承一和旋轉(zhuǎn)圓筒；所述的弧放電裝置由陰極、陽極、觸發(fā)極、絕緣瓷套和公共彈簧觸發(fā)桿裝置組成；所述的磁過濾裝置由不銹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(zhuǎn)圓筒上裝有推力軸承，旋轉(zhuǎn)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(nèi)，裝在陰極外套上的推進桿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(fā)極通過絕緣瓷套裝在陰極上，陽極外套內(nèi)裝有公共彈簧觸發(fā)桿裝置，公共彈簧觸發(fā)桿裝置的一端與相對應(yīng)的觸發(fā)極相接觸，公共彈簧觸發(fā)桿裝置通過絕緣塊、支撐桿與上端蓋固定連接，推進桿的上端外壁上具有外螺紋，推進桿的上端裝有與推進桿螺紋連接的從動齒輪，移動桿穿過旋轉(zhuǎn)圓筒裝在陰極外套內(nèi)，移動桿的上端與手柄一固定連接，移動桿的下端固定裝有可與從動齒輪相嚙合的主動齒輪，移動桿與旋轉(zhuǎn)圓筒的上下兩端之間各裝有軸承一，旋轉(zhuǎn)圓筒的側(cè)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，陽極位于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銹鋼彎管，陽極與不銹鋼彎管之間裝有絕緣墊，不銹鋼彎管的外壁上纏繞有磁場線圈二。
本發(fā)明具有以下有益效果一、本發(fā)明通過旋轉(zhuǎn)與旋轉(zhuǎn)圓筒固定連接的手柄二，帶動旋轉(zhuǎn)圓筒、陰極外套、陰極、觸發(fā)極、絕緣瓷套和推進桿繞陰極外套的中心軸線旋轉(zhuǎn)，當(dāng)沿陰極外套底端面的圓周均布的陰極逐個旋轉(zhuǎn)到陽極的正上方時，若沿陰極外套底端面圓周均布的陰極采用不同的材料制成，就可以在不破壞真空的條件下實現(xiàn)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復(fù)合處理工藝的種類，大大地降低了設(shè)備成本；當(dāng)沿陰極外套端面圓周均布的陰極逐個旋轉(zhuǎn)到陽極的正上方時，若沿陰極外套端面圓周均布的陰極采用同一材料制成，即使其中的一個陰極與觸發(fā)極短路，也不會影響本發(fā)明的等離子體裝置的穩(wěn)定工作。二、本發(fā)明通過手柄一帶動移動桿上下移動，使裝在移動桿上的主動齒輪和任意一個從動齒輪相嚙合，當(dāng)手柄一轉(zhuǎn)動時，可以帶動從動齒輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動相應(yīng)的推進桿和陰極上下移動；此外，當(dāng)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(xiàn)陰極的推進。三、由于公共彈簧觸發(fā)桿裝置通過支撐桿和絕緣塊與上端蓋固定連接，當(dāng)陰極外套繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)時，可伸縮的觸發(fā)桿可保證觸發(fā)極與公共彈簧觸發(fā)桿裝置緊密接觸。四、本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、穩(wěn)定工作時間長、可在不破壞真空的條件下實現(xiàn)多個陰極的任意切換的優(yōu)點，并解決了多種等離子體難以由一個脈沖陰極弧等離子體源產(chǎn)生的問題。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)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是采用三個陰極4沿圓周均布的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結(jié)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、推進桿14、移動桿15、支撐桿16、手柄一17、手柄二18、軸承一19、旋轉(zhuǎn)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(fā)極6、絕緣瓷套7和公共彈簧觸發(fā)桿裝置20組成；所述的磁過濾裝置102由不銹鋼彎管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(zhuǎn)圓筒21上裝有推力軸承23，旋轉(zhuǎn)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(nèi)，裝在陰極外套2上的推進桿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(fā)極6通過絕緣瓷套7裝在陰極4上，陽極外套1內(nèi)裝有公共彈簧觸發(fā)桿裝置20，公共彈簧觸發(fā)桿裝置20的一端與相對應(yīng)的觸發(fā)極6相接觸，公共彈簧觸發(fā)桿裝置20通過絕緣塊22、支撐桿16與上端蓋3固定連接，推進桿14的上端外壁上具有外螺紋14-1，推進桿14的上端裝有與推進桿14螺紋連接的從動齒輪13，移動桿15穿過旋轉(zhuǎn)圓筒21裝在陰極外套2內(nèi)，移動桿15的上端與手柄一17固定連接，移動桿15的下端固定裝有可與從動齒輪13相嚙合的主動齒輪12，移動桿15與旋轉(zhuǎn)圓筒21的上下兩端之間各裝有軸承一19，旋轉(zhuǎn)圓筒21的側(cè)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位于陰極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銹鋼彎管10，不銹鋼彎管10的外壁上纏繞有磁場線圈二25，陽極5與不銹鋼彎管10之間裝有絕緣墊11，可以保證陽極5與不銹鋼彎管10的絕緣，不銹鋼彎管10可過濾弧放電產(chǎn)生的宏觀粒子和中性粒子，所纏繞的磁場線圈二25可產(chǎn)生100～600高斯的磁場。
具體實施方式
二結(jié)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銹鋼彎管10的彎曲角度α為45°～90°。如此設(shè)置，具有較好的磁過濾效果。
具體實施方式
三結(jié)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銹鋼彎管10的外徑Φ1為80～300mm?？筛鶕?jù)陰極4和陽極5的直徑大小進行選擇。
具體實施方式
四結(jié)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(fā)桿裝置20由彈簧20-1、彈簧座套20-2和公共觸發(fā)桿20-3組成；公共觸發(fā)桿20-3的一端穿過彈簧座套20-2與相對應(yīng)的觸發(fā)極6相接觸，裝在彈簧座套20-2內(nèi)的公共觸發(fā)桿20-3上設(shè)有凸臺肩20-3-1，凸臺肩20-3-1與彈簧座套20-2的內(nèi)端面之間裝有彈簧20-1，彈簧座套20-2通過絕緣塊22和支撐桿16與上端蓋3固定連接。如此設(shè)置，可實現(xiàn)觸發(fā)極6與上端蓋3之間的絕緣，還可保證公共觸發(fā)桿20-3的伸縮距離在1～20mm之間，公共觸發(fā)桿20-3由彈簧20-1頂緊，可以保證公共觸發(fā)桿20-3與觸發(fā)極6的緊密接觸。
具體實施方式
五結(jié)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?？筛鶕?jù)實際需要選擇。
具體實施方式
六結(jié)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?？筛鶕?jù)實際需要選擇。
具體實施方式
七結(jié)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(fā)極6之間的絕緣距離h為1～10mm?？筛鶕?jù)需要調(diào)整。
具體實施方式
八結(jié)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的端口內(nèi)徑Φ3為40～100mm。根據(jù)陰極4直徑的不同選擇相適應(yīng)的陽極5的端口內(nèi)徑Φ3。
具體實施方式
九結(jié)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(fā)極6、1個陽極5和一個公共彈簧觸發(fā)桿裝置20組成；每個陰極4與觸發(fā)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的端口內(nèi)徑Φ3為40mm；本實施方式中的磁過濾裝置102中的不銹鋼彎管10的外徑Φ1為200mm，不銹鋼彎管10的彎曲角度α為90°。如此設(shè)置，可以實現(xiàn)Ti、Cr和C這三種不同等離子體的切換。
具體實施方式
十結(jié)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(fā)極6、1個陽極5和1個公共彈簧觸發(fā)桿裝置20組成；每個陰極4與觸發(fā)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的端口內(nèi)徑Φ3為40mm；本實施方式中的磁過濾裝置102中的不銹鋼彎管10的外徑Φ1為200mm，不銹鋼彎管10的彎曲角度α為90°。如此設(shè)置。
權(quán)利要求
1.一種多陰極脈沖弧等離子體源裝置，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)；其特征在于本發(fā)明還包括主動齒輪(12)、從動齒輪(13)、推進桿(14)、移動桿(15)、支撐桿(16)、手柄一(17)、手柄二(18)、軸承一(19)和旋轉(zhuǎn)圓筒(21)；所述的弧放電裝置(101)由陰極(4)、陽極(5)、觸發(fā)極(6)、絕緣瓷套(7)和公共彈簧觸發(fā)桿裝置(20)組成；所述的磁過濾裝置(102)由不銹鋼彎管(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(zhuǎn)圓筒(21)上裝有推力軸承(23)，旋轉(zhuǎn)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(nèi)，裝在陰極外套(2)上的推進桿(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(fā)極(6)通過絕緣瓷套(7)裝在陰極(4)上，陽極外套(1)內(nèi)裝有公共彈簧觸發(fā)桿裝置(20)，公共彈簧觸發(fā)桿裝置(20)的一端與相對應(yīng)的觸發(fā)極(6)相接觸，公共彈簧觸發(fā)桿裝置(20)通過絕緣塊(22)、支撐桿(16)與上端蓋(3)固定連接，推進桿(14)的上端外壁上具有外螺紋(14-1)，推進桿(14)的上端裝有與推進桿(14)螺紋連接的從動齒輪(13)，移動桿(15)穿過旋轉(zhuǎn)圓筒(21)裝在陰極外套(2)內(nèi)，移動桿(15)的上端與手柄一(17)固定連接，移動桿(15)的下端固定裝有可與從動齒輪(13)相嚙合的主動齒輪(12)，移動桿(15)與旋轉(zhuǎn)圓筒(21)的上下兩端之間各裝有軸承一(19)，旋轉(zhuǎn)圓筒(21)的側(cè)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)位于陰極(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銹鋼彎管(10)，陽極(5)與不銹鋼彎管(10)之間裝有絕緣墊(11)，不銹鋼彎管(10)的外壁上纏繞有磁場線圈二(25)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多陰極脈沖弧等離子體源裝置，其特征在于所述的不銹鋼彎管(10)的彎曲角度α為45°～90°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多陰極脈沖弧等離子體源裝置，其特征在于所述的不銹鋼彎管(10)的外徑Φ1為80～300mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多陰極脈沖弧等離子體源裝置，其特征在于所述的公共彈簧觸發(fā)桿裝置(20)由彈簧(20-1)、彈簧座套(20-2)和公共觸發(fā)桿(20-3)組成；公共觸發(fā)桿(20-3)的一端穿過彈簧座套(20-2)與相對應(yīng)的觸發(fā)極(6)相接觸，裝在彈簧座套(20-2)內(nèi)的公共觸發(fā)桿(20-3)上設(shè)有凸臺肩(20-3-1)，凸臺肩(20-3-1)與彈簧座套(20-2)的內(nèi)端面之間裝有彈簧(20-1)，彈簧座套(20-2)通過絕緣塊(22)和支撐桿(16)與上端蓋(3)固定連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多陰極脈沖弧等離子體源裝置，其特征在于所述的陰極(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(jù)權(quán)利要求1或5所述的多陰極脈沖弧等離子體源裝置，其特征在于所述的陰極(4)的直徑Φ2為20～80mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多陰極脈沖弧等離子體源裝置，其特征在于所述的陰極(4)與觸發(fā)極(6)之間的絕緣距離h為1～10mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多陰極脈沖弧等離子體源裝置，其特征在于所述的陽極(5)的端口內(nèi)徑Φ3為40～100mm。
全文摘要
多陰極脈沖弧等離子體源裝置，它涉及一種脈沖等離子體產(chǎn)生裝置。針對現(xiàn)有脈沖陰極弧等離子體源，存在易短路的問題及采用在真空室上安裝多個陰極弧等離子體源，存在設(shè)備投資大和采用破壞真空的方法，存在工件強化層性能差的問題。本發(fā)明的推進桿(14)裝在陰極外套(2)內(nèi)并與陰極(4)相連接，裝在陰極(4)上的觸發(fā)極(6)與陰極(4)之間裝有絕緣瓷套(7)，公共彈簧觸發(fā)桿裝置(20)的一端與相對應(yīng)的觸發(fā)極(6)相接觸，推進桿(14)上裝有螺旋傳動的從動齒輪(13)，移動桿(15)的下端裝在陰極外套(2)內(nèi)，移動桿(15)的下端裝有主動齒輪(12)，陽極(5)位于陰極4的正下方，陽極(5)的下端裝有不銹鋼彎管總成(10)。本發(fā)明具有穩(wěn)定工作時間長、可在不破壞真空的條件下實現(xiàn)多個陰極的任意切換的優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者王浪平, 王小峰, 王宇航, 湯寶寅 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)