一种激光镀膜装置的制作方法

1.本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种激光镀膜装置。


背景技术：

2.阴极电弧蒸发沉积是在阴阳两极施加低电压大电流后，两极产生弧光放电，阴极表面形成弧斑燃烧，蒸发喷射出熔材形成等离子体，然后在电磁场作用下沉积到基材表面的一个过程，其具有离化率高、沉积速率快等特点，主要用来制备氮化物、碳化物和dlc等薄膜，其已经成为硬质耐磨润滑薄膜制备的主要技术之一，在刀具、汽车零部件、航空航天一些关键耐磨部件上得到广泛应用。
3.传统的阴极电弧蒸发沉积技术是在引弧针是施加几千伏电压，使阴极靶材上小凸起在磁场和电场作用下会聚集大量电子，此处温度最高、电场最强、逸出功也最低，因此形成阴极辉点，并且产生大量阴极材料蒸发，蒸发处产生灼坑，尖端消失，场强下降，不能引发弧光放电，放电电流也随之降低，导致鞘层位降升高，必然在另一凸起处再次产生阴极斑点，随着弧斑不断产生—熄灭，再位移产生—再熄灭的一系列快速过程的弧斑轨迹形成，从而产生一系列电弧蒸发过程。这种方法存在以下缺陷：在薄膜沉积过程中很容易镀上薄膜或产生烧蚀，从而使引起放电不稳甚至灭弧，有大量大颗粒飞溅，导致薄膜表面质量差，同时内部组织结构缺陷多，内应力大，进而导致薄膜性能不稳定，无法实现高精准可控薄膜制备。
4.还有一种脉冲激光烧蚀方法，是采用采用纳秒激光对材料进行轰击，然后将蒸发或轰击出来的物质沉淀在不同衬底而形成薄膜的一种方法。这种方法存在以下缺陷：阳极设计方式工程化可操作性差，结构复杂，而且产生有效等离子沉积区面积小，沉积效率低，同时由于采用传统长脉冲低功率激光器扫描，因此靶材仍会喷射出较大的熔融颗粒或碎片，另外与其配合使用的高功率脉冲弧电源的脉冲电流幅度也有限，所以虽然与传统阴极弧放电相比，大颗粒飞溅得到一定抑制，但仍有待进一步提升。
5.因此，本发明提出了一种激光镀膜装置。


技术实现要素：

6.（1）要解决的技术问题本发明实施例提供了一种激光镀膜装置，解决了现有技术中引弧电压不稳、易产生熔融颗粒或碎片的技术问题。
7.（2）技术方案为了解决上述技术问题，本发明的实施例提出了一种激光镀膜装置，包括：第一激光发射元件，用于发射第一激光束；旋转阴极，所述旋转阴极位于所述第一激光束出光方向上；阳极板；电源，所述电源分别和所述旋转阴极、所述阳极连通；
载物台，用于固定零件。
8.可选地，所述激光镀膜装置还包括封闭空间，所述旋转阴极、所述阳极板和所述载物台均位于所述封闭空间内。
9.可选地，所述封闭空间上设有第一窗口，所述封闭空间内设有保护膜装置，所述保护膜装置位于所述第一窗口处。
10.可选地，所述保护膜装置包括：两滚筒；保护膜，所述保护膜卷设在两所述滚筒上，所述保护膜位于所述第一窗口处，以用于挡住所述第一窗口，所述第一激光束能够穿过所述保护膜；第一驱动元件，所述第一驱动元件至少和一所述滚筒传动相连，以带动所述滚筒转动。
11.可选地，所述激光镀膜装置还包括第二激光发射元件，用于发射第二激光束；所述封闭空间上设有第二窗口，所述第二窗口处设有可移动的挡板，所述第二激光束能够穿过所述第二窗口，所述载物台位于所述第二激光束的出光方向上。
12.可选地，所述封闭空间内还设有磁控溅射靶。
13.可选地，所述封闭空间内还设有平面阴极弧靶。
14.可选地，所述激光镀膜装置还包括磁过滤器，所述磁过滤器位于所述阳极板和所述载物台之间。
15.可选地，所述阳极板的数量为两块，两所述阳极板位于所述旋转阴极和所述载物台之间，两所述阳极板对称的设在所述旋转阴极的两侧。
16.可选地，所述激光镀膜装置还包括第二驱动元件，所述载物台和所述第二驱动元件传动相连，所述第二驱动元件能够带动所述载物台移动。
17.（3）有益效果综上，本发明的激光镀膜装置中，将需要镀膜的零件放置在载物台上，电源的正极连接阳极板，电源的负极连接旋转阴极，第一激光发射元件发射出第一激光束，第一激光束射在旋转阴极上，使旋转阴极的材料蒸发，对零件表面产生沉积。
18.其中，当第一激光束照射到旋转阴极上时，瞬间高能脉冲使旋转阴极上的靶材表面产生等离子体爆炸，形成较强等离子体云，同时等离子体云与靶表面之间发生单极弧放电和燃烧， 当第一个单极弧点熄灭时，由于旋转阴极与阳极板之间施加超大脉冲电流（》5000a），可以提供较强净电流，同时第一激光束产生的等离子体云较强，当等离子体云与阳极板接触时，旋转阴极和阳极板瞬间导通实现引弧，并产生高强弧光放电，当第一激光束移到旋转阴极的靶材下一位置，此处又产生高强等离子体云，由于上一个等离子体云已减弱，此时此处电阻最小，优先导通形成弧斑转移，随着第一激光束的扫描，旋转阴极的靶材表面不断发生上述变化，引导弧斑燃烧轨迹，从而形成均匀、连续、稳定放电。
19.本发明的激光镀膜装置中，第一激光发射元件可以发射第一激光束，第一激光束代替了传统的引弧针，不会出现引弧针镀膜和烧损，不会引起放电不稳定和灭弧的现象。同时，第一激光束和旋转阴极旋转的方式引导弧斑运动，不依靠电磁线圈产生的变化磁场引导弧斑运动，避免电子在旋转阴极的弧靶表面微区聚集而产生局部过热，蒸发离化出较大颗粒，有效避免了熔融颗粒和靶材碎片问题。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
21.图1是本发明一实施例中激光镀膜装置的结构示意图。
22.图2是本发明另一实施例中激光镀膜装置的结构示意图。
23.图3是本发明一实施例中旋转阴极的结构示意图。
24.图中：101-第一激光束；102-第二激光束；1-旋转阴极；11-旋转柱；12-永磁铁；13-靶材；14-接线柱；15-接触盘；16-法兰；17-第三驱动元件；2-阳极板；3-电源；4-载物台；5-封闭空间；51-第一窗口；52-第二窗口；53-磁控溅射靶；54-平面阴极弧靶；55-挡板；6-保护膜装置；61-滚筒；62-保护膜；7-光纤激光器；8-磁过滤器；81-磁场线圈；82-壳体；91-场镜；92-扫描振镜。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本技术。
27.需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
28.请参照图1至图3，一种激光镀膜装置，包括：第一激光发射元件，用于发射第一激光束101；旋转阴极1，所述旋转阴极1位于所述第一激光束101出光方向上；阳极板2；电源3，所述电源3分别和所述旋转阴极1、所述阳极连通；载物台4，用于固定零件。
29.本实施例的激光镀膜装置中，将需要镀膜的零件放置在载物台4上，电源3的正极连接阳极板2，电源3的负极连接旋转阴极1，第一激光发射元件发射出第一激光束101，第一激光束101射在旋转阴极1上，使旋转阴极1的材料蒸发，对零件表面产生沉积。
30.其中，当第一激光束101照射到旋转阴极1上时，瞬间高能脉冲使旋转阴极1上的靶材13表面产生等离子体爆炸，形成较强等离子体云，同时等离子体云与靶表面之间发生单极弧放电和燃烧， 当第一个单极弧点熄灭时，由于旋转阴极1与阳极板2之间施加超大脉冲电流（》5000a），可以提供较强净电流，同时第一激光束101产生的等离子体云较强，当等离
子体云与阳极板2接触时，旋转阴极1和阳极板2瞬间导通实现引弧，并产生高强弧光放电，当第一激光束101移到旋转阴极1的靶材13下一位置，此处又产生高强等离子体云，由于上一个等离子体云已减弱，此时此处电阻最小，优先导通形成弧斑转移，随着第一激光束101的扫描，旋转阴极1的靶材13表面不断发生上述变化，引导弧斑燃烧轨迹，从而形成均匀、连续、稳定放电。
31.本实施例的激光镀膜装置中，第一激光发射元件可以发射第一激光束101，第一激光束101代替了传统的引弧针，不会出现引弧针镀膜和烧损，不会引起放电不稳定和灭弧的现象。同时，第一激光束101和旋转阴极1旋转的方式引导弧斑运动，不依靠电磁线圈产生的变化磁场引导弧斑运动，避免电子在旋转阴极1的弧靶表面微区聚集而产生局部过热，蒸发离化出较大颗粒，有效避免了熔融颗粒和靶材13碎片问题。
32.在一实施例中，所述激光镀膜装置还包括封闭空间5，所述旋转阴极1、所述阳极板2和所述载物台4均位于所述封闭空间5内。封闭空间5可以为封闭仓等，封闭空间5可以避免旋转阴极1的材料浪费，也避免沉积的时候污染环境。
33.在一实施例中，所述封闭空间5上设有第一窗口51，所述封闭空间5内设有保护膜装置6，所述保护膜装置6位于所述第一窗口51处。沉积时，第一激光束101能够穿过第一窗口51和保护膜装置6，保护膜装置6能够保护第一窗口51，防止第一窗口51被污染。
34.在一实施例中，所述保护膜装置6包括：两滚筒61；保护膜62，所述保护膜62卷设在两所述滚筒61上，所述保护膜62位于所述第一窗口51处，以用于挡住所述第一窗口51，所述第一激光束101能够穿过所述保护膜62；第一驱动元件，所述第一驱动元件至少和一所述滚筒61传动相连，以带动所述滚筒61转动。
35.具体的，第一驱动元件为电机，该电机可以带动一个滚筒61转动，保护膜62为pc薄膜，第一激光束101能够穿过太pc薄膜。沉积会对保护膜62产生污染，污染的保护膜62会影响第一激光束101的穿透能力，因此，未污染的保护膜62卷在其中一个滚筒61上，被污染的保护膜62卷在另一个滚筒61上，两滚筒61之间的保护膜62挡住第一窗口51。沉积时，第一驱动元件带动滚筒61转动，使两滚筒61之间的保护膜62一直可以让第一激光束101通过。
36.在一实施例中，所述激光镀膜装置还包括第二激光发射元件，用于发射第二激光束102；所述封闭空间5上设有第二窗口52，所述第二窗口52处设有可移动的挡板55，所述第二激光束102能够穿过所述第二窗口52，所述载物台4位于所述第二激光束102的出光方向上。
37.第二激光发射元件发射的第二激光束102能够对零件进行微纳加工，微纳加工和沉积相结合，能够提高镀膜的效率。微纳加工能够提高沉积涂层的结合力和耐磨减摩性能。
38.第二激光束102在进行微纳加工时，需要将挡板55拿开，当沉积的时候可以将挡板55挡住第二窗口52，从而能够对第二窗口52产生保护作用。其中，挡板55可以采用不锈钢等材料制成。
39.在一些实施例中，第一激光发射元件和第二激光发射元件可以是相互独立的，第一激光发射元件和第二激光发射元件也可以共用的一个光纤激光器7，其中，光纤激光器7
可以为飞秒激光器，也可以为皮秒激光器，只要其激光功率密度达到j≥ 5
×
107w/cm2即可实现旋转阴极1弧光放电的引燃。该光纤激光器7可以同时发射第一激光束101和第二激光束102，可以节省零部件。第一激光束101和第二激光束102可以的出光方向上分别可以依次设置场镜91和扫描振镜92，场镜91主要用于聚焦。第一激光束101在一扫描振镜92的作用下可以产生第一扫描路径，然后经过第一窗口51、保护膜62投射在旋转阴极1上。第二激光束102在另一扫描振镜92的作用下可以产生第二扫描路径，然后经过第二窗口52投射在载物台4的零件上。第一扫描路径可以引导第一激光束101在旋转阴极1上的投射，第二扫描路径可以引导第二激光束102在零件上的投射。
40.在一实施例中，所述封闭空间5内还设有磁控溅射靶53，磁控溅射靶53的数量可以选择设置，磁控溅射靶53也可以省略。通过磁控溅射靶53可以和旋转阴极1的沉积产生组合。磁控溅射靶53可以产生掺杂的作用，使最后形成组合的功能膜层，使形成的功能膜层有多重组合元素。磁控溅射靶53形成的膜组织致密，表面质量好，因此与其复合可实现高质量薄膜制备，可实现梯度、多元和多层结构膜层制备及薄膜的元素掺杂。
41.在一实施例中，所述封闭空间5内还设有平面阴极弧靶54，平面阴极弧靶54的数量可以选择设置，平面阴极弧靶54也可以省略，平面阴极弧靶54可以和磁控溅射靶53、旋转阴极1的沉积。平面阴极弧靶54也可以起到掺杂的作用，使最后形成组合的功能膜层，使形成的功能膜层有多重组合元素。
42.在一实施例中，所述激光镀膜装置还包括磁过滤器8，所述磁过滤器8位于所述阳极板2和所述载物台4之间。经过磁过滤器8过滤后，使零件上生成的沉积膜层质量更高。具体的，磁过滤器8为45
°
磁过滤器8，其中，45
°
磁过滤器8包括磁场线圈81和壳体82，通过磁场线圈81将质量小的带电颗粒的方向旋转45
°
，然后在零件上沉积，从而可以实现高质量的膜层沉积。
43.在一实施例中，所述阳极板2的数量为两块，两所述阳极板2位于所述旋转阴极1和所述载物台4之间，两所述阳极板2对称的设在所述旋转阴极1的两侧。两阳极板2对旋转阴极1产生的等离子体具有吸引作用，且由于两阳极板2对称设置在旋转阴极1的两侧，能够均匀的将等离子体引导至零件上沉积。
44.具体的，旋转阴极1包括旋转柱11、永磁铁12、靶材13、接线柱14、接触盘15、法兰16和第三驱动元件17，其中第三驱动元件17为电机，旋转柱11内通入水进行散热，永磁铁12均匀分布在旋转柱11周面，第三驱动元件17和旋转柱11传动相连，接触盘15和接线柱14电性相连，接触盘15和电源3负极相连。法兰16用于固定旋转柱11。
45.在一实施例中，所述激光镀膜装置还包括第二驱动元件，所述载物台4和所述第二驱动元件传动相连，所述第二驱动元件能够带动所述载物台4移动。第二驱动元件为电机，通过该电机带动零件旋转，使零件表面能够均匀成膜。
46.基于上述实施例的结合，下面具体公开实施例1和实施例2。
47.实施例1其中，光纤激光器7选择femtoyl-1000飞秒光纤激光器7，波长1064nm，总功率≥1000w， 脉宽500fs，频率1ghz，脉冲峰值功率约1
×
107w，通过光纤将超快激光分为第一激光束101和第二激光束102。
48.第一激光束101投射在旋转阴极1和零件的光斑直径可达3μm-20μm，旋转阴极1放
电时按第一扫描路径由软件控制沿旋转阴极1向扫描，采用第二激光束102对零件进行微纳结构加工时，按照需要刻蚀的微结构形状由控制软件生成第二扫描路径。
49.保护膜62和第一窗口51的距离小于5mm，挡板55和第二窗口52的距离小于5mm。保护膜62可选高红外透过pc薄膜，挡板55可选不锈钢或钛合金薄板。
50.第一激光束101的投射方向应与旋转阴极1外形成剪切关系，等离子体的运行方向和零件呈45
°
角。
51.两阳极板2端面与旋转阴极1的最佳距离应控制在5cm-10cm之间，电源3的脉冲电流》5000a。两阳极板2和载物台4之间设有磁过滤器8。
52.实施例2实施例2和实施例1的区别在于：没有设置磁过滤器8。
53.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不限制于本技术。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围内。

技术特征：
1.一种激光镀膜装置，其特征在于，包括：第一激光发射元件，用于发射第一激光束；旋转阴极，所述旋转阴极位于所述第一激光束出光方向上；阳极板；电源，所述电源分别和所述旋转阴极、所述阳极连通；载物台，用于固定零件。2.根据权利要求1所述的激光镀膜装置，其特征在于，还包括封闭空间，所述旋转阴极、所述阳极板和所述载物台均位于所述封闭空间内。3.根据权利要求2所述的激光镀膜装置，其特征在于，所述封闭空间上设有第一窗口，所述封闭空间内设有保护膜装置，所述保护膜装置位于所述第一窗口处。4.根据权利要求3所述的激光镀膜装置，其特征在于，所述保护膜装置包括：两滚筒；保护膜，所述保护膜卷设在两所述滚筒上，所述保护膜位于所述第一窗口处，以用于挡住所述第一窗口，所述第一激光束能够穿过所述保护膜；第一驱动元件，所述第一驱动元件至少和一所述滚筒传动相连，以带动所述滚筒转动。5.根据权利要求2所述的激光镀膜装置，其特征在于，还包括第二激光发射元件，用于发射第二激光束；所述封闭空间上设有第二窗口，所述第二窗口处设有可移动的挡板，所述第二激光束能够穿过所述第二窗口，所述载物台位于所述第二激光束的出光方向上。6.根据权利要求2所述的激光镀膜装置，其特征在于，所述封闭空间内还设有磁控溅射靶。7.根据权利要求2所述的激光镀膜装置，其特征在于，所述封闭空间内还设有平面阴极弧靶。8.根据权利要求1至7任一项所述的激光镀膜装置，其特征在于，还包括磁过滤器，所述磁过滤器位于所述阳极板和所述载物台之间。9.根据权利要求1至7任一项所述的激光镀膜装置，其特征在于，所述阳极板的数量为两块，两所述阳极板位于所述旋转阴极和所述载物台之间，两所述阳极板对称的设在所述旋转阴极的两侧。10.根据权利要求1至7任一项所述的激光镀膜装置，其特征在于，还包括第二驱动元件，所述载物台和所述第二驱动元件传动相连，所述第二驱动元件能够带动所述载物台移动。

技术总结
本发明涉及一种激光镀膜装置，包括第一激光发射元件、旋转阴极、阳极板、电源和载物台，第一激光发射元件用于发射第一激光束；所述旋转阴极位于所述第一激光束出光方向上；所述电源分别和所述旋转阴极、所述阳极连通；载物台用于固定零件。第一激光发射元件可以发射第一激光束，第一激光束代替了传统的引弧针，不会出现引弧针镀膜和烧损，不会引起放电不稳定和灭弧的现象。同时，第一激光束和旋转阴极旋转的方式引导弧斑运动，不依靠电磁线圈产生的变化磁场引导弧斑运动，避免电子在旋转阴极的弧靶表面微区聚集而产生局部过热，蒸发离化出较大颗粒，有效避免了熔融颗粒和靶材碎片问题。有效避免了熔融颗粒和靶材碎片问题。有效避免了熔融颗粒和靶材碎片问题。


技术研发人员：马国佳 孙刚 刘星 张伟 余庆陶 马贺
受保护的技术使用者：中国航空制造技术研究院
技术研发日：2022.02.09
技术公布日：2022/3/8