專利名稱：一種多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)，應用于表面鍍膜，屬于薄膜材料與現(xiàn)代表面工程的等離子體氣相沉積技術領域。
背景技術：
眾所周知，電弧離子鍍技術是利用冷場致弧光放電過程，使被鍍靶材蒸發(fā)、離子化，反應沉積，形成金屬氮化物或氮碳化物等化合物涂層。電弧離子鍍技術，由于具有設備結構較簡單，離化率高，沉積速率高，入射離子能量大，膜基結合力較高等優(yōu)點，作為硬質膜涂層手段，在刀具和各種工模具上已獲得愈來愈廣泛的應用。然而，現(xiàn)有技術的電弧離子鍍涂層中存在大顆粒污染，使涂層表面粗糙，孔隙率增加，涂層性能不穩(wěn)定，這在一定程度上制約了電弧離子鍍硬質涂層在精密工模具和高檔零件上的應用。為了減少涂層表面顆粒， 使涂層致密，光潔度提高，人們設計了不少對等離子體系統(tǒng)的改進方法。其中一種常用的較有效的方法是，在陰極靶后面設置永磁體，使在靶面產(chǎn)生彎曲磁場，利用此磁場分量，以增加弧斑在靶面的移動速度。但是，這種技術的彎曲磁場也將帶電粒子約束在陰極靶表面附近，使之不能充分發(fā)射到涂層工件區(qū)域參與離化。濺射鍍膜屬于輝光放電范疇，利用陰極濺射原理進行鍍膜。真空腔中的氬離子將靶材原子濺射下來，沉積到工件上形成所需膜層。在濺射鍍發(fā)展過程中，人們引入了磁控技術。在陰極靶表面建立跑道磁場，利用其控制二次電子運動，延長其在靶面附近的行程，增加與氣體的碰撞幾率，從而提高等離子體的密度，這樣可以大大提高靶材的濺射速率，提高沉積速率。但是此封閉的環(huán)狀跑道磁場也同樣會將大量的帶電粒子約束在陰極靶表面附近，使中性原子無法與工藝氣體(例如氮氣和含碳氣體)產(chǎn)生反應，以獲得基于氮化物、碳化物或者碳氮化物的涂層，導致陰極材料的大量中性原子落到正在形成的涂層表面上，

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術問題，即本發(fā)明的目的，是為了克服現(xiàn)有技術電弧離子鍍涂層中存在大顆粒污染、使涂層表面粗糙、孔隙率增加、涂層性能不穩(wěn)定的缺陷，提供一種多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)。本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術方案達到一種多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)，包括真空室和真空獲得裝置，結構特點是在真空室的中央設有旋轉工件臺，在真空室的內(nèi)腔壁設有二個相鄰的陰極電弧靶，陰極電弧靶之一帶阻擋屏，在此陰極電弧靶的正對面設有輔助陽極裝置，陰極電弧靶之二位于陰極電弧靶之一的相鄰處；由旋轉工件臺、二個陰極電弧靶、一個輔助陽極裝置和真空室構成旋轉式電弧離子鍍等離子體增強涂層系統(tǒng)。本發(fā)明的目的還可以通過采取如下技術方案達到本發(fā)明的一種實施方式是在陰極電弧靶之一的斜對面設有磁控濺射靶，由旋轉工件臺、二個陰極電弧靶、磁控濺射靶、輔助陽極裝置和真空室構成旋轉式電弧離子鍍、磁控濺射鍍多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)。進一步地，真空室呈筒狀，其截面可以呈六邊狀、八邊狀、十邊狀或十二邊狀，其中有相鄰的二邊各設有一個凹位，陰極電弧革巴之一內(nèi)置在凹位之一，陰極電弧革巴之二內(nèi)置在凹位之二，輔助陽極裝置設置在陰極電弧靶之一的正對面，磁控濺射靶設置在與輔助陽極裝置相鄰的下邊處；阻擋屏位于陰極電弧靶之一凹位的開口處并在該開口處留有間隙。進一步地，真空室呈圓筒狀，真空室的截面呈圓形狀，在X軸上的內(nèi)壁處設有凹位之一，陰極電弧祀之一內(nèi)置在該凹位之一中；在凹位之一的下方設有凹位之二，陰極電弧革巴之二內(nèi)置在凹位之二中，輔助陽極裝置設置在陰極電弧靶之一的正對面，磁控濺射靶設置在與輔助陽極裝置的下邊處；阻擋屏位于電弧靶一凹位的開口處并在該開口處留有間隙。本發(fā)明的一種實施方式是真空室呈筒狀，真空室的截面可以呈六邊狀、八邊狀、
十邊狀或十二邊狀，其中有相鄰的二邊各設有一個凹位，陰極電弧靶之一內(nèi)置在凹位之一，陰極電弧源之二內(nèi)置在凹位之二，輔助陽極裝置設置在陰極電弧靶之一的正對面；阻擋屏位于凹位之一的開口處并在該開口處留有間隙。進一步地，真空室I呈圓筒狀，真空室的截面呈圓形狀，在X軸上的內(nèi)壁處設有凹位之一，陰極電弧祀之一內(nèi)置在該凹位之一中；在凹位之一的下方設有凹位之二，陰極電弧靶之二內(nèi)置在凹位之二中，輔助陽極裝置設置在陰極電弧靶之一的正對面；阻擋屏位于凹位之一的開口處并在該開口處留有間隙。進一步地，在真空室內(nèi)可以設置電加熱板，旋轉工作臺裝備有行星機構和其它一些必要的輔助設施。進一步地，真空獲得裝置由真空泵機組構成，其連接通道設置在真空室的一個側面。本發(fā)明具有如下突出的有益效果；I、由于本發(fā)明在涂層系統(tǒng)中設置了陰極電弧源，并有輔助陽極裝置，使離子鍍或磁控濺射鍍在氣體放電與電弧放電中進行。由于此特殊電弧源的存在，使系統(tǒng)的中性原子減少，離化率提高，對鍍膜工件的刻蝕清洗與沉積過程得到強化，從而提高涂層的性能，具有涂層表面精密、孔隙率低、涂層性能穩(wěn)定的有益效果。2、本發(fā)明由于采用帶阻擋屏的陰極電弧靶，在真空室內(nèi)產(chǎn)生氣體等離子體，完全替代了造價昂貴、功率小、操作控制困難的氣體離子源輔助設備，因此，具有結構簡單、成本低廉的有益效果。由于原子(離子)阻擋屏隔住了質量較大金屬原子、離子以及弧斑微熔池噴射出來的液滴，而質量很小的電子則可繞過阻擋屏，在屏后形成電子云作為虛擬陰極，因此，可增加了腔體內(nèi)的等離子體密度。


圖I是本發(fā)明具體實施例I的結構示意圖。
具體實施例方式具體實施例I :參照圖I，本實施例包括真空室I和真空獲得裝置，在真空室I的中央設有旋轉工件臺12，在真空室I的內(nèi)腔壁設有二個相鄰的陰極電弧靶(2，4)，陰極電弧靶2帶阻擋屏3，在陰極電弧靶2的正對面設有輔助陽極裝置11，陰極電弧靶4位于陰極電弧靶2的相鄰處；在陰極電弧靶2的斜對面設有磁控濺射靶10 ;由旋轉工件臺12、陰極電弧靶2、陰極電弧靶
4、磁控濺射靶10、輔助陽極裝置11和真空室I構成旋轉式電弧離子鍍、磁控濺射鍍多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)。本實施例中，真空室I呈筒狀，真空室I的截面呈八邊狀，其中有相鄰的二邊各設有一個凹位，陰極電弧靶2內(nèi)置在凹位之一，陰極電弧靶4內(nèi)置在凹位之二，輔助陽極裝置11設置在陰極電弧靶2的正對面，磁控濺射靶10設置在與輔助陽極裝置11相鄰的下邊處；阻擋屏3位于凹位之一的開口處并在該開口處留有間隙。在真空室I內(nèi)可以設置電加熱板，帶有行星機構的旋轉工作臺12和其它一些必要的輔助設施。真空獲得裝置的接口設置在真空室的一個側面。本實施例的工作原理如下參照圖1，在真空室I內(nèi)有金屬離子源，例如常見的陰極電弧靶4和磁控濺射靶 10，在真空室I內(nèi)裝備了一個配置有原子(離子)阻擋屏3的陰極電弧靶2和與它相搭配的輔助陽極裝置11，同時配備相應的弧電源5、6、9和磁控濺射電源8，旋轉工作臺12與偏壓電源7相連接，工件或試樣安裝在旋轉工作臺12上面，真空腔內(nèi)還可以設置電加熱板、旋轉工作臺的行星機構和其它一些必要的輔助設施。由帶原子(離子)阻擋屏3的陰極電弧靶2，在真空腔體內(nèi)產(chǎn)生氣體等離子體，完全替代了造價昂貴、功率小，操作控制困難的氣體離子源輔助設備。工作過程中，該陰極靶起弧后，由于原子(離子)阻擋屏3隔住了質量較大金屬原子、離子以及弧斑微熔池噴射出來的液滴，而質量很小的電子則可繞過阻擋屏，在屏后形成電子云作為虛擬陰極。這時如果在其對面的輔助陽極上加上正電壓，則電子在電場力的作用下發(fā)生遷徙，從而電離了兩極之間的氣體分子，極大地增加了腔體內(nèi)的等離子體密度。此時若在工件上加負偏壓，則有利于促進涂層沉積過程。同時，上述機構的應用也有助于減少涂層表面上的陰極材料中的中性金屬原子，使涂層質量得以提高。實驗表明，通過調節(jié)弧電源9，可以改變輔助陽極11的電流，即可改變落在涂覆工件上的金屬及氣體中性原子與離子的比例，從而改變涂層的硬度。例如，當輔助陽極電流為零時，TiN涂層的硬度在20-25GPa，而輔助陽極電流調至最大時，硬度可達到35_40GPa ;相應的，對TiAlN涂層，其顯微硬度從25-30GPa到40_50GPa之間變化。在整個沉積周期內(nèi)，通過調整輔助陽極電流，可以獲得沉積涂層厚度所需要的顯微硬度分布，并且改變其它性能，例如涂層的耐磨性。本實施例構成的多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)物理氣相沉積(PVD)技術的基礎上，進行技術創(chuàng)新，而開發(fā)出的一種增強涂層系統(tǒng)。它可以結合電弧離子鍍、濺射鍍膜和等離子體增強化學氣相沉積等技術，使所制備的硬質涂層得到增強，膜層更加致密，硬度和韌性更高，結合力更好。應用實例一，電弧離子鍍氮化鈦涂層參照圖1，在真空室I中安裝被加工工件。真空室I在抽真空后的氣壓不應低于
O.005Pa。在涂鍍時，向真空室I中通入惰性氣體氬氣，達到O. 05-0. 5Pa的氣壓。之后啟動陰極電弧靶(鈦靶)2，通過弧電源5調整其工作電流。根據(jù)裝載工件的重量不同，工作電流可以在30A-300A范圍內(nèi)調節(jié)，工具的重量越大，電流越大。陰極電弧靶2借助弧電源5和弧電源9，平穩(wěn)增加通過輔助陽極11的電流，工件通過偏壓電源7增加偏壓(從O到最大值)，直到工件上的溫度達到所要求的溫度(150-600° C)。為了均勻加熱工件，工件放置在旋轉機構12上，并繞真空室中心轉動，必要時采用行星機構。在沉積開始時，弧電源5和弧電源9電流可以減少到最低，偏壓調整到150-300V。然后，啟動陰極電弧靶(鈦靶)4，并平穩(wěn)改變氣體混合物中的氮含量到需要的濃度。當真空室中的壓力穩(wěn)定后，可以調整弧電源5和弧電源9，通過陰極電弧靶2和輔助陽極11，改變氣體混合物的離子化程度。相應地，可改變落在工件上的金屬及氣體的中性原子與離子之間的比例?；诘乀iN的涂層的顯微硬度在輔助陽極11電流為零時在20-25GPa之間，而當輔助陽極11電流為最大時涂層的顯微硬度在35-40GPa之間。若是鍍TiAIN，基于TiAlN涂層的顯微硬度，可從25_30GPa到40_50GPa之間變化。這樣，在整個沉積周期內(nèi)通過調整輔助陽極電流可以獲得沿涂層厚度需要的顯微硬度分布，并且改變其他性能，例如，涂層的耐磨性。應用實例二，磁控濺射鍍氮化鈦涂層參照圖1，在真空室I中安裝被加工工件。真空室在抽真空后的氣壓不應低于
O.005Pa。在涂鍍時，向真空室I中通入惰性氣體氬氣，達到O. 05-0. 5Pa的氣壓。之后啟動陰極電弧靶(鈦靶)2，通過弧電源5調整其工作電流。根據(jù)裝載工件的重量不同，工作電流可以在30A-300A范圍內(nèi)調節(jié)，工具的重量越大，電流越大。陰極電弧靶2借助弧電源5和弧電源9，平穩(wěn)增加通過輔助陽極11的電流，工件通過偏壓電源7增加偏壓(從O到最大值)，直到工件上的溫度達到所要求的溫度(150-600° C)。為了均勻加熱工件，工件放置在旋轉機構[12]上，并繞真空室中心轉動，必要時采用行星機構。在沉積開始時，弧電源5和弧電源9電流可以減少到最低，偏壓調整到150-300V。然后，啟動磁控濺射電源8，使磁控濺射靶10表面產(chǎn)生輝光放電，平穩(wěn)改變氣體混合物中的氮含量到需要的濃度。當真空室中的壓力穩(wěn)定后，可以調整弧電源5和弧電源9，通過陰極電弧靶2和輔助陽極11，改變氣體混合物的離子化程度。相應地，可改變落在工件上的金屬及氣體的中性原子與離子之間的比例?；诘乀iN的涂層的顯微硬度在輔助陽極11電流為零時在25-30GPa之間，而當輔助陽極11電流為最大時涂層的顯微硬度在40_45GPa之間。若是鍍TiAIN，基于TiAlN涂層的顯微硬度，可從3540GPa到45_55GPa之間變化。這樣，在整個沉積周期內(nèi)通過調整輔助陽極電流可以獲得沿涂層厚度需要的顯微硬度分布，并且改變其他性能，例如，涂層的耐磨性。具體實施例2 本實施例的特點是真空室I呈筒狀，真空室I的截面可以呈六邊狀、八邊狀、十邊狀或十二邊狀，其中有相鄰的二邊各設有一個凹位，陰極電弧靶2內(nèi)置在凹位之一，輔助陽極裝置11設置在陰極電弧靶2的正對面，磁控濺射靶10設置在與輔助陽極裝置11相鄰的下邊處；阻擋屏3位于凹位之一的開口處并在該開口處留有間隙。其余結構組成、工作原理和應用實例同具體實施例I所述。具體實施例3 本實施例的特點是在具體實施例I的基礎上刪除磁控濺射靶10，即由旋轉工件臺12、陰極電弧靶2、陰極電弧靶4、輔助陽極裝置11和真空室I構成旋轉式電弧離子鍍等離子體增強涂層系統(tǒng)。本實施例中，真空室I呈筒狀，該真空室I的截面呈六邊狀、八邊狀、十邊狀或十二邊狀，其中有相鄰的二邊各設有一個凹位，陰極電弧靶2內(nèi)置在凹位之一，陰極電弧源4內(nèi)置在凹位之二，輔助陽極裝置11設置在陰極電弧靶2的正對面；阻擋屏3位于凹位之一的開口處并在該開口處留有間隙。其余結構組成、工作原理和應用實例同具體實施例I所述。具體實施例4 本實施例的特點是真空室I呈圓筒狀，真空室I的截面呈圓形狀，在X軸上的內(nèi)壁處設有凹位之一，陰極電弧祀2內(nèi)置在該凹位之一中；在凹位之一的下方設有凹位之二，陰極電弧靶4內(nèi)置在凹位之二中，輔助陽極裝置11設置在陰極電弧靶2的正對面；阻擋屏3位于凹位之一的開口處并在該開口處留有間隙。其余同具體實施例3。通過上述具體實施例可知，在涂層設備中，可以只有離子鍍涂層功能，也可以只帶磁控濺射鍍膜功能，或者兩種功能兼而有之。同理，也可以應用在等離子體增強化學氣相沉積技術中。本發(fā)明是為了克服電弧離子鍍與磁控濺射鍍中，陰極靶表面上帶電粒子被過多·約束，使之不能充分發(fā)射到涂層工件區(qū)域參與離化，影響涂鍍過程和涂層質量。
權利要求
1.一種多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)，包括真空室(I)和真空獲得裝置，其特征在于在真空室(I)的中央設有旋轉工件臺(12)，在真空室(I)的內(nèi)腔壁設有二個相鄰的陰極電弧靶(2，4)，陰極電弧靶之一帶阻擋屏(3)，在此陰極電弧靶(2)的正對面設有輔助陽極裝置(11)，陰極電弧靶之二位于陰極電弧靶之一的相鄰處，由旋轉工件臺(12)、二個陰極電弧靶和真空室(I )、輔助陽極裝置(11)和真空室(I)構成旋轉式電弧離子鍍等離子體增強涂層系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)，其特征在于在陰極電弧靶之一的斜對面設有磁控濺射靶(10)，由旋轉工件臺(12)、二個陰極電弧靶、磁控濺射靶(10)、輔助陽極裝置11和真空室(I)構成旋轉式電弧離子鍍、磁控濺射鍍多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)，其特征在于真空室(I)呈筒狀，其截面呈六邊狀、八邊狀、十邊狀或十二邊狀，其中有相鄰的二邊各設有一個凹位，陰極電弧靶之一內(nèi)置在凹位之一，陰極電弧靶之二內(nèi)置在凹位之二，輔助陽極裝置(11)設置在陰極電弧靶之一的正對面，磁控濺射靶(10)設置在與輔助陽極裝置(11)相鄰的下邊處；阻擋屏(3)位于陰極電弧靶之一凹位的開口處并在該開口處留有間隙。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)，其特征在于真空室(I)呈圓筒狀，真空室(I)的截面呈圓形狀，在X軸上的內(nèi)壁處設有凹位之一，陰極電弧靶之一內(nèi)置在該凹位之一中；在凹位之一的下方設有凹位之二，陰極電弧靶之二內(nèi)置在凹位之二中，輔助陽極裝置(11)設置在陰極電弧靶之一的正對面，磁控濺射靶(10)設置在與輔助陽極裝置(11)的下邊處；阻擋屏(3)位于電弧靶一凹位的開口處并在該開口處留有間隙。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)，其特征在于真空室(I)呈筒狀，真空室(I)的截面呈六邊狀、八邊狀、十邊狀或十二邊狀，其中有相鄰的二邊各設有一個凹位，陰極電弧靶之一內(nèi)置在凹位之一，陰極電弧源之二內(nèi)置在凹位之二，輔助陽極裝置(11)設置在陰極電弧靶之一的正對面；阻擋屏(3)位于凹位之一的開口處并在該開口處留有間隙。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)，其特征在于真空室(I)呈圓筒狀，真空室(I)的截面呈圓形狀，在X軸上的內(nèi)壁處設有凹位之一，陰極電弧靶之一內(nèi)置在該凹位之一中；在凹位之一的下方設有凹位之二，陰極電弧源之二內(nèi)置在凹位之二中，輔助陽極裝置(11)設置在陰極電弧靶之一的正對面；阻擋屏(3)位于凹位之一的開口處并在該開口處留有間隙。
7.根據(jù)權利要求2或5所述的一種多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)，其特征在于在真空室(I)內(nèi)設置電加熱板，旋轉工作臺(12 )裝備有行星機構和輔助設施。
8.根據(jù)權利要求2或5所述的一種多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)，其特征在于真空獲得裝置由真空泵機組構成，其連接通道設置在真空室的一個側面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多功能等離子體增強涂層系統(tǒng)，包括真空室(1)和真空獲得裝置，其特征在于在真空室(1)的中央設有旋轉工件臺(12)，在真空室(1)的內(nèi)腔壁設有二個相鄰的陰極電弧靶(2，4)，陰極電弧靶之一帶阻擋屏(3)，在此陰極電弧靶(2)的正對面設有輔助陽極裝置(11)，陰極電弧靶之二位于陰極電弧靶之一的相鄰處，由旋轉工件臺(12)、二個陰極電弧靶和真空室(1)、輔助陽極裝置(11)和真空室(1)構成旋轉式電弧離子鍍等離子體增強涂層系統(tǒng)。本發(fā)明具有涂層表面精密、孔隙率低、涂層性能穩(wěn)定、結構簡單和成本低廉的有益效果。
文檔編號C23C14/22GK102943240SQ201210452328
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權日2012年11月12日
發(fā)明者董小虹, 張中弦, 梁航, 黃拿燦, 亞歷山大·哥羅沃依 申請人:廣東世創(chuàng)金屬科技有限公司