[发明专利]一种细长不锈钢管内壁沉积纳米SiC涂层的方法及装置

说明书

一种细长不锈钢管内壁沉积纳米SiC涂层的方法，属于涂层制备技术领域。所述方法为：基于螺旋波等离子体源，先向真空室内通入Ar对细长不锈钢管进行离子轰击，清洗掉表面杂质，然后向真空室内充入Ar和Si(CH₃)₄的混合气体，该混合气体在螺旋波源作用下被激发电离，在不锈钢管内产生等离子体密度大于10¹⁹m^‑3的高密度等离子体柱，然后在工件上施加脉冲负偏压，在其内表面沉积纳米SiC薄膜。本发明操作简单、方便、容易实现、易于工业化生产，可以在不需要加热的条件下或者保证不锈钢细长管基体在处理过程中不变形的前提下，制备与基体结合力强、硬度高、耐磨损的SiC涂层的方法，其提高了在恶劣环境下工作的不锈钢细长管的使用寿命。

技术领域

本发明属于涂层制备技术领域，具体涉及一种细长不锈钢管内壁沉积纳米SiC涂层的方法及装置。

背景技术

纳米碳化硅(nano-SiC)涂层由于其具有高硬度、耐腐蚀、耐氧化等优异的性能，在保护涂层领域有着广泛的应用，如切削刀具、热敏打印头等，可以通过纳米SiC涂层增加其使用寿命。SiC涂层可以通过物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)以及等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)合成。PECVD具有实验条件简单，制备的膜层纯度高、致密性好、附着力高等优点，是目前SiC涂层的主要制备方式。但是在早期PECVD制备SiC涂层时，使用的SiH₄和C₂H₂混合气体极易爆炸造成危险。而有机硅烷具有良好的稳定性，目前通常采用Si(CH₃)₄作为PECVD合成SiC涂层的前驱体。然而，这种方法的问题在于处理过程中基板的温度相对较高，通常在500℃以上，这会引起基板组成和结构上的变化。另外，SiC涂层和基板材料也会由于不同的热膨胀系数在膜基结合处产生应力，最终引起缺陷。

对于大长径比的细长管来说，如核燃料包壳等，采用等离子体的手段对其内表面进行改性一直以来都是一项重大的挑战。细长管内表面等离子体沉积的SiC涂层通常性能较差，与基体结合力不强，所以在细长管内表面沉积SiC涂层的技术还有待改进。

发明内容

本发明的目的是为了解决细长管内SiC涂层与基体结合不牢固的问题，提供一种细长不锈钢管内壁沉积纳米SiC涂层的方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种细长不锈钢管内壁沉积纳米SiC涂层的方法，所述方法为：基于螺旋波等离子体源，先向真空室内通入Ar对细长不锈钢管进行离子轰击，清洗掉表面杂质，然后向真空室内充入Ar和Si(CH₃)₄的混合气体，该混合气体在螺旋波源作用下被激发电离，在不锈钢管内产生等离子体密度大于10¹⁹m^-3的高密度等离子体柱，然后在工件上施加脉冲负偏压，在其内表面沉积纳米SiC薄膜。

进一步地，所述细长不锈钢管的长径比为50～100：1。

进一步地，所述离子轰击具体为：对其进行Ar⁺轰击处理，处理时真空室内的压力为1×10^-2Pa，射频电源的功率为3.5kW，在不锈钢管上施加直流负偏压-V_c＝200V，磁场强度为2000Gs，Ar的流量为50sccm，轰击处理时间为15min。

进一步地，所述混合气体中，Ar作为载体气体，流量为30sccm，Si(CH₃)₄的流量为50sccm。

进一步地，所述负偏压的范围为0V～-600V，可以在不同偏压幅值下实现细长不锈钢管内表面SiC涂层的沉积。

进一步地，所述负偏压的范围为-400V，沉积的SiC涂层的性能是最优异。