[发明专利]一种多弧离子镀镀膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种物理气相沉积（PVD）的方法，特别是涉及一种多弧离子镀镀膜的方法。

背景技术

氮化物涂层、碳化物涂层、碳氮化物涂层是应用较多的超硬涂层及功能涂层。人们在制备这些涂层以及提高其涂层质量和性能等方面开展了多方面的研究工作，研发出多种物理气相沉积（PVD）制备方法，如多弧离子镀（MAIP）、磁控溅射（MS）、空心阴极离子镀（HCD）、离子束辅助沉积（IBAD）等。其中，用多弧离子镀镀膜因具有较高离化率和离子沉积能量，沉积的涂层致密、沉积率高、与基底界面结合力好以及成本低、工艺简单，成为目前工业广泛应用的超硬涂层制备的主要方法。

但是目前的多弧离子镀在沉积涂层过程中，从弧源发出的等离子体中存在大量的液态颗粒，使涂层表面形成明显突出的大颗粒缺陷。这一缺陷不但降低了涂层表面的粗糙度，而且大幅度降低了涂层的抗摩擦磨损性能及抗高温氧化性能，也限制了多弧离子镀在纳米涂层及功能涂层制备中的应用。为改善和消除多弧离子镀涂层表面大颗粒缺陷，研究人员提出了诸多改良措施，如改进电弧源，在阴极靶安装额外的磁场装置来分散阴极斑点的分布，减少阴极靶发射等离子体中的液态颗粒数量及尺寸，但所增加的装置较为复杂，难以控制斑点均匀分布，不能明显消除等离子体中的液态颗粒，对涂层表面粗糙度的改善较小；再如对传输过程中的等离子体进行过滤，使等离子体中的大颗粒在传输过程中被磁过滤装置过滤掉，但在过滤大颗粒的同时，也降低了正常离子的沉积能量，使沉积效率降低，靶源消耗增大，并且也不能明显改善涂层表面大颗粒缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多弧离子镀镀膜的方法，其可以在不降低原多弧离子镀沉积效率的同时，明显减小并减少涂层表面的大颗粒缺陷，从而提高了涂层的质量和使用性能。

本发明的技术方案是这样实现的：一种多弧离子镀镀膜的方法，其特征在于：多弧源发射等离子体的同时，在真空室内设置空心阴极装置，用空心阴极电子枪向阳极发射高能等离子体电子束，使等离子体电子束与多弧源发射的等离子体进行相互交叉运动；其空心阴极电子枪发射等离子体电子束的工艺参数为：空心阴极电流70~220A；占空比10~90%；脉冲偏压幅值-50~-1000V；氮气分压：1×10^-1~5×10^-1Pa；氩气分压：2×10^-1~8×10^-1Pa。 

上述所说的在多弧源发射等离子体的同时用空心阴极电子枪向阳极发射高能等离子体电子束，是指用置于真空室内上方的空心阴极电子枪向位于真空室内下方中心的阳极靶发射等离子体电子束。由此形成以多弧离子镀为主与空心阴极离子镀为辅的复合离子镀。

上述所说的在多弧源发射等离子体的同时用空心阴极电子枪向阳极发射高能等离子体电子束，是指用置于真空室内上方的空心阴极电子枪向位于真空室内下方辅助阳极发射等离子体电子束。由此形成空心阴极发射等离子体电子束环境下的多弧离子镀。

上述所说的在多弧源发射等离子体的同时用空心阴极电子枪向阳极发射高能等离子体电子束，是指用置于真空室内上方的空心阴极电子枪同时向位于真空室内下方中心的阳极靶和辅助阳极发射等离子体电子束。

上述所说的阳极靶是涂层所需金属的金属靶。

上述所说的辅助阳极制成环绕于阳极靶的辅助阳极。

上述所说的辅助阳极制成位于工件下方的辅助阳极。

上述所说的辅助阳极制成位于工件下方并环绕于阳极靶的辅助阳极。

上述所说的空心阴极电子枪采用硼化镧(LaB₆)材料制作。

上述所说的空心阴极电子枪采用钽(Ta)金属材料制作。

本发明的原理为：多弧源合金靶在弧光放电下离化，形成了向工件运动的等离子体，在沉积到工件表面之前，受到了从空心阴极电子枪发射至阳极靶或辅助阳极的等离子体电子束（高能电子在真空室内的运动轨迹或聚集或发散，可以看到在真空室内充满了辉光，说明在真空室内到处都有电子在运动）的交叉轰击，使得从多弧源合金靶发出的等离子体中的未离化的液态颗粒受到高能电子的强烈碰撞，致使液态颗粒碎化并大量离化。液态颗粒在运动中受到等离子体电子束碰撞后的变化过程可表达为：

液态颗粒→金属离子+少量小的碎化液态颗粒

剩余未离化的碎化液态颗粒沉积到工件表面后只形成了较小的固态大颗粒。

本发明的积极效果在于：