專利名稱：盲孔的真空連續(xù)滲鍍多元合金及化合物薄層的工藝及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)金屬工件滲入特定元素的加工處理方法及設(shè)備，更具體地說(shuō)，關(guān)系到一種利用真空及發(fā)射弧光等離子體對(duì)金屬工件的盲孔、深孔連續(xù)滲入合金元素及化合物等的工藝及裝置。
目前，盡管離子滲入技術(shù)已普遍應(yīng)用于零件的表面處理，以提高工件的抗高溫氧化、腐蝕并優(yōu)化工件表面的力學(xué)性能，但有關(guān)盲孔或深孔的連續(xù)滲鍍合金元素或化合物還沒(méi)有一種比較理想的解決方法和可適用的加工裝備。舉例來(lái)說(shuō)，在中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?5，102057、由太原工業(yè)大學(xué)徐重提出的、題名為“等離子表面及技術(shù)”專利申請(qǐng)中，揭示了一種利用輝光放電熱濺射源極提供金屬離子流的雙層和多層輝光離子滲金屬的方法。在該專利申請(qǐng)文件中，介紹到用離子滲金屬技術(shù)對(duì)某些零件滲入鉭元素，得到不大于180μm的滲層，但是，文件中沒(méi)有提供滲層到鍍層連續(xù)遞次變化的合金元素或化合物重量百分比含量的連續(xù)表面冶金合金薄膜。此外還由于這種滲鍍技術(shù)在輝光放電時(shí)的電流密度小、濺射速率低，金屬電離的幾率小，所以其滲金屬速率低，故無(wú)法對(duì)盲孔、深孔、例如口徑與深度比小于1的孔的零件進(jìn)行滲金屬處理。
在另一中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?8100549A中，公開了一種“陰極電弧源離子滲金屬技術(shù)及設(shè)備”的發(fā)明。這一發(fā)明利用低氣壓弧光等離子體對(duì)金屬工件滲入特定元素以優(yōu)化工件表面性能的工藝和設(shè)備，但由于在處理時(shí)使用低氣壓，造成離子束流對(duì)表面的氣蝕、摻雜，引起低氣壓氣流對(duì)滲層的污染，使其中雜質(zhì)含量過(guò)大。同時(shí)這一發(fā)明專利使用平面靶陰極電弧源，對(duì)工件的面仍呈180°平面，所以對(duì)盲孔、深孔零件無(wú)法進(jìn)行滲金屬處理、且對(duì)鈷等金屬元素?zé)o法作為滲鍍?cè)貙?duì)金屬件進(jìn)行滲金屬處理。
本發(fā)明的目的在于提供一種在滲金屬過(guò)程中不產(chǎn)生污染的、而能產(chǎn)生高密度離子流的、可做360°立體離子流發(fā)射并可用于盲孔、深孔的多元合金或化合物滲層處理的真空連續(xù)滲鍍各合金或化合物薄層的工藝和裝置。
根據(jù)以上所提出的目的，本發(fā)明首先設(shè)計(jì)了一套可實(shí)現(xiàn)對(duì)盲孔真空連續(xù)滲鍍多元合金及化合物薄層的工藝，該工藝包括如下工序?qū)⒀b置的真空室抽成真空；向真空室充入氬氣；使陰極電弧蒸發(fā)器得到引燃；靠設(shè)置在陰極電弧蒸發(fā)器前端的靶材對(duì)帶孔的工件加熱并通過(guò)負(fù)偏壓電源使工件受到負(fù)偏壓；以及，以耙材作為蒸發(fā)源對(duì)深孔或盲孔進(jìn)行滲鍍；其中所述陰極電弧蒸發(fā)源上的靶材為采用可伸入工件的盲孔中的360°管狀或球面狀MCrALX的金屬合金材料件，所述陰極電弧蒸發(fā)器的引燃是用直流電壓引弧電源的點(diǎn)弧器(圖中未畫出)而給予蒸發(fā)器一瞬間電勢(shì)，在所述工件加熱的同時(shí)，向工件上需滲鍍的盲孔周壁發(fā)射金屬離子流并施加磁場(chǎng)，使盲孔滲入MCrALX的滲鍍薄層。
所述靶材MCrALX的組成為如下其中，M為Co、Ni或它們的混合物，X為以Y、即鐿為主的稀土元素混合物，各組分的重量百分含量為
Cr 11-32 wt％AL 4-22.5 wt％ 其次，針對(duì)以上滲鍍多元合金或化合物薄層的工藝也提供了一種實(shí)施以上工藝的專用裝置。該裝置包括由殼體所遮固起來(lái)的真空室、支撐架、底盤、機(jī)械泵、分子泵、陰極夾具、負(fù)偏壓電源、進(jìn)氣控制裝置、弧源電源和陰極電弧蒸發(fā)器，其中，所述陰極電弧蒸發(fā)器為360°發(fā)射離子流的筒形或球形的蒸發(fā)源，它有一個(gè)或多個(gè)并沿軸線方向均布地安裝在殼體上，所述蒸發(fā)源上的靶材是以MCrALX為代表的合金材料，在蒸發(fā)源和殼體之間接有可提供直流脈沖短路點(diǎn)弧的點(diǎn)弧器，在殼體外陰極電弧蒸發(fā)器的軸線方向設(shè)有一對(duì)激磁線圈，該線圈包括一圍繞蒸發(fā)器外周面設(shè)置的第一激磁線圈和一彼此相對(duì)而位于殼體的另一側(cè)上的第二激磁線圈。
由于本發(fā)明采用可以360°發(fā)射離子流的MCrALX陰極電弧蒸發(fā)源，所以在高真空的物理狀態(tài)下、離化靶材、加熱工件，同時(shí)對(duì)工件施加負(fù)偏壓及由激磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)施加于蒸發(fā)源，從而產(chǎn)生高密度、大能量金屬離子流，電子控制場(chǎng)，將工件加熱到所需的溫度，使MCrALX合金元素的金屬離子滲入盲孔的金屬表面，產(chǎn)生MCrALX的滲層。而且，可根據(jù)工件的情況或要求，在滲入MCrALX的合金組分的情況下，在滲層完成后作沉積屏障和/或再鍍上一定厚度的薄膜鍍層。
本發(fā)明的盲孔滲鍍MCrALX的工藝和裝置對(duì)于盲孔滲鍍MCrALX合金元素具有濺射速度高、電流密度大、效果好、特別是所得到的合金薄膜晶體缺陷密度小，一般可小于103/cm3。對(duì)其設(shè)備或裝置而言，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、滲鍍金屬的組成成分易于控制、偏析小、又能同時(shí)對(duì)多個(gè)盲孔工件或其它形狀的工件進(jìn)行滲鍍MCrALX處理，尤其可用于炮膛內(nèi)表面的處理，從而提高工件的耐蝕性、耐氧化性、耐高溫度蝕和抗水蝕性。


圖1是本發(fā)明盲孔真空連續(xù)滲鍍多元合金及化合物薄層裝置的橫向剖視示意圖；圖2是一沿圖1的“A—A”線所作的本發(fā)明裝置的縱向剖視圖。
本發(fā)明盲孔的連續(xù)滲鍍MCrALX的合金元素的工藝包括以下步驟請(qǐng)參閱圖1，利用機(jī)械泵4、分子泵5將裝置的真空室6抽真空并使真空室達(dá)到2×10-5×2×102pa。
通過(guò)進(jìn)氣控制裝置7向真空室充入氬氣，而使真空室6內(nèi)的工作氣壓保持在2×10-5至2×10pa；安裝在陰極夾具15上的被處理工件8通過(guò)該夾具與負(fù)偏壓電源16相連而對(duì)其施加負(fù)偏壓，工件的負(fù)偏壓一般選用-50～-1050V，在開始時(shí)給予-1000V左右，達(dá)到對(duì)工件8的表面離子刻蝕的作用，然后略下降至-400V左右；在裝置的外殼1(接地)和陰極電弧蒸發(fā)器9之間通過(guò)直流電壓引弧電源(圖中未畫出)對(duì)所述蒸發(fā)器釋放一瞬間電勢(shì)，其電壓在500～2500V，電流為3A至20A，將陰極電弧蒸發(fā)器9引燃。因此，使其以場(chǎng)致發(fā)射或熱電子發(fā)射方式發(fā)射出高密度電子，此外，由于電弧蒸發(fā)器發(fā)射電子密度越高輸送能量也越高，促使陰極電弧蒸發(fā)器9上的靶材10在筒體上發(fā)射電子密度也越大，達(dá)到放電電壓值8V至60V，放電電流20A至1000A，并且在MCrALX靶材表面產(chǎn)生360°的環(huán)狀電弧的斑點(diǎn)，并且環(huán)繞360°陰極材料，從而MCrALX靶材的各組成金屬被迅速蒸發(fā)并電離，電離幾率達(dá)95％，產(chǎn)生了密度很高的離子束流；通過(guò)對(duì)工件相對(duì)兩面施加負(fù)偏壓作用以及使激磁線圈13、14接通直流電源使進(jìn)一步對(duì)靶材電離的離子束流加以電子場(chǎng)控制，并使其磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到100高斯至800高斯。因工件與陰極斑點(diǎn)有-100～-400的壓降，金屬離子加速到達(dá)工件，而將工件8加熱到750～1800℃，同時(shí)使MCrALX合金元素的金屬離子更快、更迅速地滲入工件的盲孔的表面，產(chǎn)生MCrALX的滲層。在滲層完成后，可沉積屏障層，以及在屏障層之上沉積MCrALX的涂覆薄膜。
對(duì)這些層的尺寸而言，滲層厚度為30～150μm，屏障層為2～120μm，涂覆層在20～120μm。這樣，經(jīng)滲鍍的工件表面具有力學(xué)性能好、工件表面抗高溫氧化、高溫腐蝕性能好，所以可綜合地提供工件的工作使用性能。
在本工藝中所使用的靶材MCrALX的組成為 Cr 11-32 wt％AL 4-22.5 wt％ 有關(guān)滲鍍的各層加工情況，我們可以以DZ 22材料的盲孔為例加以說(shuō)明。在裝置中采用MCrALX的組成成分為
Cr 29.8 wt％AL 19 wt％ 用以上工藝方法一步一步進(jìn)行加工，在工件溫度達(dá)到950°時(shí)，滲45分鐘，工件表層滲入的MCrALX達(dá)120μm。此時(shí)滲層工藝切換到鍍層工藝、工件溫度200-950°，工件負(fù)偏壓為-50～-800V，工作真空度在2×10-2～2×10-1pa。屏障層蒸發(fā)材料安裝在單獨(dú)使用的360°的陰極電弧蒸發(fā)器上，屏障層鍍層結(jié)束后，工藝條件改換為MCrALX薄膜層鍍層工藝條件，工件溫度600°～1000℃，工件負(fù)偏壓-50～-800V。工件溫度600°～1000℃，工作負(fù)偏壓-50～-800V。工作真空度2×10-5～5×10-1pa，MCrALX的膜厚為20μm～120μm，是等軸晶體，沉積鍍層時(shí)的MGrALX蒸發(fā)靶材的金屬密度離子達(dá)到了3～10mA/cm3，法向方向上的MCrALX成分偏析小于5％。
由于360°陰極電弧蒸發(fā)源產(chǎn)生場(chǎng)致發(fā)射和熱電子發(fā)射的共同機(jī)制，同時(shí)它又處于直接水冷狀態(tài)，滲鍍MCrALX靶材制成的蒸發(fā)源靶材表面不會(huì)形成熔池，可一直保持固體狀態(tài)，因而，可以在真空室內(nèi)的不同位置上安裝多個(gè)蒸發(fā)源(器)，同時(shí)對(duì)一個(gè)或多個(gè)盲孔工件的內(nèi)外表面進(jìn)行滲鍍MCrALX。
本發(fā)明的靶材在組成成分或形式上可以通過(guò)冶煉做成上述MCrALX合金材料的一個(gè)金屬合金靶材，也可以分別制成M、Cr、AL、X的單一長(zhǎng)桿狀金屬靶材，分別安裝在多個(gè)電弧蒸發(fā)源的蒸發(fā)器上、易于制成MCrALX的各種設(shè)計(jì)成分的薄膜組分，得到在MCrALX某種合金成分上不能冶煉成整體MCrALX合金而僅能沉積成薄膜的某種MCrALX成分，例用此法制備某些組分的FeCoCrAlY薄膜，因此此種組分的FeCoCrAlY材料不易制成整體的。
本發(fā)明的盲孔真空連續(xù)滲鍍多元合金及化合物裝置包括一長(zhǎng)筒形殼體1，若干支承殼體的支撐架、一底盤3、一機(jī)械泵4、一分子泵5、真空室6以及一可與真空室連通并可測(cè)量真空室的真空度和控制地向真空室輸入氬氣的進(jìn)氣控制裝置7，一用于安裝被處理工件8的陰極夾具15、一位于殼體1外，其正負(fù)接線端各自與陰極夾具15和殼體1相連的負(fù)偏壓電源16，一個(gè)或多個(gè)陰極電弧蒸發(fā)器9，一位于殼體1外，其正負(fù)接線端各自與蒸發(fā)器9和殼體1相連的點(diǎn)弧器(未畫出)或稱作為直流電壓引弧電源和一對(duì)激磁線13—14，所述激磁線圈包括一位于殼體一側(cè)并圍繞蒸發(fā)器外周面設(shè)置的第一激磁線圈和一與第一激磁線圈相相對(duì)而位于殼體另一側(cè)上的第二激磁線圈。在該裝置中，所述陰極電弧蒸發(fā)器9由一筒形(360°)的陰極電弧部本身、一位于電弧部分面的弧源電源11和一位于電弧部前面的靶材10組成。
此外，在所述殼體1和蒸發(fā)器9的交接部設(shè)有絕緣密封件12。為此所述蒸發(fā)器9通過(guò)安裝在其周圍的絕緣密封件12也使其與殼體1一起達(dá)到對(duì)裝置內(nèi)部的密封作用，并且使蒸發(fā)器9的前部耙材10從殼體沿徑向方向延伸并使其具有360°的發(fā)射離子的表面。為此，只要把蒸發(fā)器的前部插入工件8的盲孔中就可進(jìn)行滲鍍合金元素等工作。
在另一方面，為了安全起見；通常殼體1本身接地和在殼體1外周壁上還可開觀察窗例如圖1中所示的密封型玻璃觀察窗17。
現(xiàn)以幾個(gè)實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明盲孔連續(xù)滲鍍多元合金工藝的操作1，火炮內(nèi)膛的MCrAlX處理工藝
將膛桿置入真空室6中，在火炮炮桿溫度達(dá)到950℃時(shí)，滲45分鐘。工藝表面滲入的CoNi41Cr20.5Al9.5Y1Ta3Nb2.5Hf0.5靶材合金達(dá)25pm。此后，滲層工藝切換到鍍層工藝，工件溫度400℃，工作負(fù)偏壓為-150V，工作真空度在2×10-2pa，屏障層蒸發(fā)材料(Ti)安裝在單獨(dú)使用的360°的陰極電弧蒸發(fā)器上，屏障層成分Ti的氮化物或碳化物，為TiN或TiC，屏障層鍍層結(jié)束后，工藝條件切換為CoNi41Cr20.5Al9.5Y1Ta3Nb2.5Hf0.5薄膜層鍍層工藝條件。工件溫度800℃，工件負(fù)偏壓-150V，工作真空度2×10-2pa，膜厚為60μm，且呈等軸晶體，沉積鍍層的MCrALX蒸發(fā)靶材的金屬密度達(dá)到7mA/cm3，成分偏析小于5％。在處理過(guò)程中，真空室內(nèi)放置3個(gè)360°的蒸發(fā)器，其材料分別為CoNi21Cr20.5Al9.5Y1Ta3Nb2.5Hf0.5，Ti和CoNi41Cr20.5Al9.5Y1Ta3Nb2.5Hf0.5等三個(gè)。
2.燃?xì)鈾C(jī)葉片的MGrALX處理工藝將葉片置入真空室中，在此工件溫度達(dá)到950℃時(shí)，滲入處理45分鐘，工作表層滲入的NiCo3Cr29.8AL19Y0.2Hf1Ta5達(dá)到30pm，此時(shí)真空度為2×10-2pa，工作的負(fù)偏壓-150V。然后，滲層工藝切換到鍍層工藝。此時(shí)，工作溫度為400℃，工作負(fù)偏壓為150V，工作真空度為5×10-1pa。屏障層蒸發(fā)材料(Ti)安裝在單獨(dú)使用的360°的陰極電弧蒸發(fā)器上，而所得到的屏障層成分為TiN。在屏障鍍層結(jié)束后，工藝條件切換為NiCo3Cr29.8Al19Y0.2Hf1Nb4Ta5薄膜層鍍層工藝條件。此時(shí)工件溫度達(dá)到750℃，工作負(fù)偏壓-150V，工作真空度2×10-2pa，膜層為120μm且呈粒狀晶，沉積鍍層的MGrALX蒸發(fā)靶材的金屬密度達(dá)到10mA/cm3，成分偏析小于3％。在處理過(guò)程中，真空室內(nèi)放置3個(gè)360°的蒸發(fā)器，其材料分別為NiCo3Cr29.8Al19Y0.2Hf1Nb4Ta5，Ti和NiCo3Cr29.8Al19Y0.2Hf1Nb4Ta5。
3.機(jī)械零件的耐蝕處理
將盲孔零件置入真空管中，盲孔零件為鋼制品，在工件溫度達(dá)到600℃時(shí)，滲入處理120分鐘，而使該工件表面滲入的CoG20Al12.5Y0.5達(dá)到25pm。此時(shí)，所采用的真空度為2×10-2pa，工作負(fù)偏壓-150V。滲入工藝后切換到鍍層工藝，所需工件溫度為400℃，工件所受負(fù)偏壓-100V，工作真空度在2×10-2pa。這里使用的屏障層蒸發(fā)材料與涂層材料相同，得到膜厚為80μm，且呈柱狀晶。沉積鍍層所用的MCrALX蒸發(fā)靶材的金屬密度可達(dá)到9mA/cm3，成分偏析則小于5％。在此處理過(guò)程中，真空室內(nèi)可放置1個(gè)或多個(gè)360°的蒸發(fā)器，其材料為CoCr20Al12.5Y0.5。
權(quán)利要求
1.一種盲孔的真空連續(xù)滲鍍多元合金及化合物薄層工藝包括如下工序?qū)⒀b置的真空室抽成真空；向真空室充入氬氣；使陰極電弧蒸發(fā)器得到引燃；靠設(shè)置在陰極電弧蒸發(fā)器前端的靶材對(duì)帶孔的工件加熱，并通過(guò)負(fù)偏壓電源對(duì)工件施加負(fù)偏壓；以靶材作為蒸發(fā)源對(duì)深孔或盲孔進(jìn)行滲鍍；其特征在于，所述陰極電弧蒸發(fā)源上的靶材為采用可伸入工件的盲孔中的360°管狀或球面狀MCrALX的金屬合金材件，所述陰極電弧蒸發(fā)器的引燃是用直流電壓引弧電源的點(diǎn)弧器而給予蒸發(fā)器一瞬間電勢(shì)而實(shí)現(xiàn)的，在所述工件加熱的同時(shí)，向工件的盲孔周壁發(fā)射金屬離子流并對(duì)離子流施加磁場(chǎng)，使盲孔滲加MCrALX形成的滲鍍層，即MCrALX的滲層、金屬化合物，例如氮化鈦或碳化物的屏障層以及MCrALX的鍍層。所述靶材料MCrALX的組成為如下，其中，M為Co，Ni或它們的混合物；X為以Y為主和稀土元素混合物，各組成的重量百分含量為 Cr 11—32 wt％AL 4—22.5 wt％
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，對(duì)所述真空室抽真空的真空度為2×10-5～2×102pa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，在真空室充入氬氣時(shí)，工作氣壓保持在2×10-5至2×10pa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述對(duì)工件施加負(fù)偏壓一般在—50～—1050V，一般在開始時(shí)給予負(fù)偏壓約—1000V，然后，略下降至約—400V。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述通過(guò)直流電壓引弧電源對(duì)所述蒸發(fā)器釋放的瞬間電勢(shì)為500～2500V，電流為3～20A。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述向工件上的盲孔周壁發(fā)射金屬離子流的電壓值分8～60V，放電電流為20～1000A。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述工藝還包括將工件的相對(duì)兩側(cè)的激磁線圈接通電流電源，進(jìn)一步對(duì)靶材料電離的離子束流加以控制，其磁場(chǎng)強(qiáng)度為100高斯至800高斯。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任何一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，在滲層加工時(shí)所述的工件加熱溫度為750～1800℃，在屏障層加工時(shí)工件加熱溫度350°～1200℃，在鍍層加工時(shí)，工件加熱溫度在300～1000℃。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的工藝，其特征在于，所述工件的滲鍍薄層包括滲層、屏障層、涂覆層，它們的厚度分別為30～150μm、2～20μm和20～120μm。
10.一種盲孔的真空連續(xù)滲鍍多元合金及化合物工藝用的裝置，包括由殼體所遮圍起來(lái)的真空室、支撐架、底盤、機(jī)械泵、分子泵、陰極夾具、負(fù)偏壓電源、進(jìn)氣控制裝置、靶材、弧源電源和陰極電弧蒸發(fā)器，其特征在于，所述陰極電弧蒸發(fā)器為360°發(fā)射離子流的筒形或球形的蒸發(fā)源，該蒸發(fā)源可沿裝置的軸線方向設(shè)置一個(gè)或多個(gè)，所述蒸發(fā)源上的靶材是以MCrALX為代表的合金材料，在蒸發(fā)源和殼體之間接有可提供直流脈沖短路點(diǎn)弧的點(diǎn)弧器，在殼體外陰極電弧蒸發(fā)器的軸線方向設(shè)有一對(duì)激磁線圈；
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述激磁線圈包括一位于殼體一側(cè)并圍繞蒸發(fā)器外周面設(shè)置的第一激磁線圈和一與第一線圈相對(duì)而位于殼體的另一側(cè)上的第二激磁線圈。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的所述的裝置，其特征在于所在所述殼體和蒸發(fā)器交接部位設(shè)有絕緣密封件。
全文摘要
一種盲孔的真空連續(xù)滲鍍多元合金及化合物薄層工藝及裝置，其中工藝包括將裝置抽真空、向真空室充入氬氣、通過(guò)點(diǎn)弧器引燃陰極電弧蒸發(fā)器，用該蒸發(fā)器靶材加熱工件并加負(fù)壓以作為蒸發(fā)源對(duì)孔和盲孔進(jìn)行滲鍍，所述靶材為可伸入工件盲孔中的360°管狀或球狀MCrALX的金屬合金材料，在工作加熱的同時(shí)，向工件滲鍍的盲孔周壁上發(fā)射金屬離子并施加磁場(chǎng)，使盲孔滲入MCrALX的滲透薄層；具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便以及很好實(shí)現(xiàn)多個(gè)盲孔工件滲透MCrALX處理。
文檔編號(hào)C23C14/14GK1130214SQ95100868
公開日1996年9月4日 申請(qǐng)日期1995年2月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月28日
發(fā)明者韓海斌 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)總公司第633研究所