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多弧離子鍍的工作原理和技術特點
發(fā)布時間：2016-12-02
多弧離子鍍作為物理氣相沉積技術的一個分支，是在真空蒸鍍和真空濺射的基礎上發(fā)展起來的一門新型涂層制備技術，也稱為真空弧光蒸鍍法，它把真空電弧放電用于電弧蒸發(fā)源。由于多弧離子鍍技術具有沉積速率高、涂層附著力好、涂層致密、操作方便等特點，因此在材料表面改性領域得到了廣泛應用。1963年Mattox提出并首次使用了離子鍍技術；1972年Bunshah等開發(fā)出活性反應蒸鍍（ARE）技術；1973年Mulayama等發(fā)明了射頻激勵法離子鍍；20世紀80年代，離子鍍已成為世界范圍內的一項高新技術產(chǎn)業(yè)，主要產(chǎn)品有高速鋼和硬質合金工具上的TiN、TiAlN耐磨層和TiN仿金裝飾涂層。1982年美國Multi-arc公司首先推出多弧離子鍍商品化設備，1986年我國開始了多弧離子鍍設備的生產(chǎn)。20世紀90年代，離子鍍技術取得了長足的進步，與80年代相比，離子鍍設備和工藝都有了重大的改進。近年來，國內外根據(jù)不同使用要求，制造了各種離子鍍膜機設備，有些已達到工業(yè)生產(chǎn)水平。以下主要介紹多弧離子鍍技術的工作原理、特點、工藝參數(shù)和研究進展，以及多弧離子鍍膜技術在切削刀具涂層中的應用。
多弧離子鍍的工作原理
多弧離子鍍技術的工作原理主要基于冷陰極真空弧光放電理論。圖1為多弧離子鍍工作原理示意圖，點燃真空電弧后，陰極靶材表面上出現(xiàn)一些不連續(xù)、大小和形狀多樣、明亮的斑點,它們在陰極表面迅速地做不規(guī)則的游動,一些斑點熄滅時又有些斑點在其他部位形成，維持電弧的燃燒。陰極斑點的電流密度達104~105A/cm2,并且以1000m/s的速度發(fā)射金屬蒸氣，其中每發(fā)射10個電子就可發(fā)射1個金屬原子,然后這些原子再被電離成能量很高的正離子（如Ti+）,正離子在真空室內運行時與其他離子結合（如與N-形成TiN），沉積在工件表面形成涂層。
多弧離子鍍的工作原理
多弧離子鍍技術的工作原理主要基于冷陰極真空弧光放電理論。圖1為多弧離子鍍工作原理示意圖，點燃真空電弧后，陰極靶材表面上出現(xiàn)一些不連續(xù)、大小和形狀多樣、明亮的斑點,它們在陰極表面迅速地做不規(guī)則的游動,一些斑點熄滅時又有些斑點在其他部位形成，維持電弧的燃燒。陰極斑點的電流密度達104~105A/cm2,并且以1000m/s的速度發(fā)射金屬蒸氣，其中每發(fā)射10個電子就可發(fā)射1個金屬原子,然后這些原子再被電離成能量很高的正離子（如Ti+）,正離子在真空室內運行時與其他離子結合（如與N-形成TiN），沉積在工件表面形成涂層。
圖1 多弧離子鍍工作原理示意圖
圖2為真空弧光放電示意圖，真空弧光放電理論認為電量的遷移主要借助于場電子發(fā)射和正離子電流，這兩種機制同時存在，而且相互制約。在放電過程中，陰極材料大量蒸發(fā)，這些蒸發(fā)原子產(chǎn)生的正離子在陰極表面附近很短的距離內產(chǎn)生極強的電場，在這樣強的電場作用下，電子足以能直接從金屬的費米能級逸出到真空，產(chǎn)生所謂的“場電子發(fā)射”。
圖 2 真空弧光放電示意圖[
多弧離子鍍的技術特點
多弧離子鍍過程的突出特點在于它能產(chǎn)生由高度離化的被蒸發(fā)材料組成的等離子體，其中離子具有很高的動能。蒸發(fā)、離化、加速都集中在陰極斑點及其附近很小的區(qū)域內。其特點如下：
（1）最顯著的特點是從陰極直接產(chǎn)生等離子體。
（2）入射粒子能量高，涂層的致密度高，強度和耐久性好。
（3）離化率高，一般可達60%～80%。
（4）沉積速度快，繞鍍性好。
（5）設備較為簡單，采用低電壓電源工作比較安全。
（6）一弧多用，電弧既是蒸發(fā)源和離化源，又是加熱源和離子濺射清洗的離子源。
（7）外加磁場可以改善電弧放電，使電弧細碎，細化涂層微粒，增加帶電粒子的速率，并可以改善陰極靶面刻蝕的均勻性，提高靶材的利用率。
多弧離子鍍過程的突出特點在于它能產(chǎn)生由高度離化的被蒸發(fā)材料組成的等離子體，其中離子具有很高的動能。蒸發(fā)、離化、加速都集中在陰極斑點及其附近很小的區(qū)域內。其特點如下：
（1）最顯著的特點是從陰極直接產(chǎn)生等離子體。
（2）入射粒子能量高，涂層的致密度高，強度和耐久性好。
（3）離化率高，一般可達60%～80%。
（4）沉積速度快，繞鍍性好。
（5）設備較為簡單，采用低電壓電源工作比較安全。
（6）一弧多用，電弧既是蒸發(fā)源和離化源，又是加熱源和離子濺射清洗的離子源。
（7）外加磁場可以改善電弧放電，使電弧細碎，細化涂層微粒，增加帶電粒子的速率，并可以改善陰極靶面刻蝕的均勻性，提高靶材的利用率。
多弧離子鍍設備與技術研究進展
多弧離子鍍設備一般比較簡單，整個設備主要由真空鍍膜室、弧源、真空獲得系統(tǒng)、偏壓源等幾大部分組成。弧源是多弧離子鍍設備的關鍵部件，現(xiàn)在國內一般使用小弧源，直徑為60～80mm，厚度為直徑的1/2。少數(shù)離子鍍膜機采用柱狀弧源設計，一臺鍍膜機只裝一個柱狀弧源于真空室中央，工件置于四周。國外有些離子鍍膜機使用大弧源，直徑達100mm，厚度約為直徑的1/4，一臺鍍膜機上裝有12~32個弧源，待鍍工件置于真空室中央。丹普公司正積極地和國內外的企業(yè)和科研院所展開技術合作。并且已經(jīng)在一些比較常用的鍍膜應用領域取得了可喜的成果，鍍膜涂層工藝可以制備具有高硬度、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性的氧化鋁涂層，技術可制備許多物理氣相沉積涂層，如TiN、TiCN、AlTiN、AlTiSiN、CrN和DLC等。
多弧離子鍍設備一般比較簡單，整個設備主要由真空鍍膜室、弧源、真空獲得系統(tǒng)、偏壓源等幾大部分組成。弧源是多弧離子鍍設備的關鍵部件，現(xiàn)在國內一般使用小弧源，直徑為60～80mm，厚度為直徑的1/2。少數(shù)離子鍍膜機采用柱狀弧源設計，一臺鍍膜機只裝一個柱狀弧源于真空室中央，工件置于四周。國外有些離子鍍膜機使用大弧源，直徑達100mm，厚度約為直徑的1/4，一臺鍍膜機上裝有12~32個弧源，待鍍工件置于真空室中央。丹普公司正積極地和國內外的企業(yè)和科研院所展開技術合作。并且已經(jīng)在一些比較常用的鍍膜應用領域取得了可喜的成果，鍍膜涂層工藝可以制備具有高硬度、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性的氧化鋁涂層，技術可制備許多物理氣相沉積涂層，如TiN、TiCN、AlTiN、AlTiSiN、CrN和DLC等。
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