[发明专利]一种制备TiAlCrN多元涂层的装置和方法

权利要求书

1.一种制备TiAlCrN多元涂层的装置，主要由真空系统、电源系统、控制系统、冷却系统四部分组成，真空系统包括：真空室、靶材、样品架、非平衡磁控管、碘钨灯加热装置、机械泵和扩散泵；机械泵和扩散泵分别与真空室连接，用于安装试样的样品架位于真空室中央，在镀层沉积过程中试样随工件架旋转，使涂层分布均匀，碘钨灯加热装置内置在真空室底部；其特征在于：真空室炉壁上安装有4个靶材：Ti靶、Cr靶、Al靶、Cr靶；4个靶材对称分布；每个靶材上安装有非平衡磁控管从而使得非平衡磁控管也对称分布；使磁力线可以从一个磁控管直接延伸到另一个磁控管，以便产生闭合磁场，有效阻止电子逃逸，提高溅射效率和离化率。

2.如权利要求1所述的一种制备TiAlCrN多元涂层的装置，其特征在于：电源系统分为两部分：一部分为4个非平衡磁控管分别提供直流电压的4个溅射电源，溅射电源与靶材连接；另一部分为试样提供脉冲偏压，与试样连接。

3.如权利要求1所述的一种制备TiAlCrN多元涂层的装置，其特征在于：控制系统包括反应气体N₂、保护气体Ar和流量控制计，反应气体N₂和保护气体Ar通过流量控制计来引入真空室，调节流量来控制溅射气压，整个系统的运行采用计算机软件进行控制。

4.如权利要求1所述的一种制备TiAlCrN多元涂层的装置，其特征在于：冷却系统包含靶材，为防止溅射导致的靶材温度过高，靶材为空心通孔，类似于水管结构，空心通孔作为冷却水槽，因此可以直接水冷。

5.利用如权利要求1所述的一种制备TiAlCrN多元涂层的装置制备TiAlCrN多元涂层的的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）利用强磁铁和软铁组成非平衡磁场，选用纯度为99.99%的Ti靶、Al靶和Cr靶作为溅射靶材，规格为100×100mm，试样经80号～1200号砂纸和金相砂纸打磨，粒度为2.5的金刚石抛光剂抛光至镜面，再先后放入丙酮和酒精溶液超声波清洗10min，除去基体表面杂质和油脂；Cr靶和Cr靶、Ti靶和Al各自相对安装在真空室炉壁上，试样安放在样品架上，在镀层沉积过程中试样随工件架旋转，设定工件架旋转速度为20 r/ min，以使镀层均匀；

（2）利用两级真空系统：前级采用机械泵粗抽, 后级采用扩散泵精抽将系统的极限真空度为抽至5×10^-3Pa；采用真空室内置碘钨灯装置进行加热，衬底温度控制在200℃，同时纯度99.99%Ar气体通过流量计引入溅射室，溅射气压可通过调节流量来控制，保持溅射气压0.5Pa，对试样进行辉光放电10min；各溅射靶的脉冲电源选择25kHz，0~3A可调的电源，溅射靶材施加50-500V的电压，溅射电源提供；溅射炉体内额定电压为100V~600V，额定功率为50kW，脉冲偏压提供；

（3）磁控管对称分布，这使磁力线可以从一个磁控管直接延伸到另一个磁控管，以便产生闭合磁场，有效阻止电子逃逸，提高溅射效率和离化率；

（4）靶材表面的原子被Ar离子轰击出来形成溅射，原子呈电中性，可以直接冲出磁势阱，不受磁场的约束，这些原子轰击并沉积在工件表面形成致密的镀层；

（5）靶材表面溅射出电子，电子是呈电负性的亚原子微粒，会被磁势阱俘获，在磁势阱内被回旋加速，继而轰击这一区域的Ar原子，使电离出越来越多的Ar离子，溅射过程开始，就会产生越来越多的Ar离子，使辉光放电得以自持，溅射过程持续不断；

（6）大量高能粒子的轰击会导致靶材和磁控管的温度升高，靶材中加入了冷却水槽，使靶材冷却时可以得到循环冷却。