物理氣相沉積鍍膜機器關鍵零部件設計與分析

冷長志

摘要：由于各種難加工材料和日益嚴峻的加工條件，近幾十年來，物理氣相沉積涂層技術越來越受到人們的重視。結合物理氣相沉積技術的工業應用現狀，從物理氣相沉積涂層設備的角度綜述了物理氣相沉積涂層刀具的主要技術，包括陰極電弧蒸發技術和磁控濺射技術及其混合技術，并介紹了影響涂層附著強度的等離子體刻蝕技術。

關鍵詞：物理氣相沉積;鍍膜機器;關鍵零部件

中圖分類號：TH122.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0094-02

1? 物理氣相沉積方法概述

1.1 技術發展背景

與鑄造、鍛造等傳統成形技術形成的金屬材料相比，涂層零件在后續加工過程中具有一些明顯的難加工特性。首先，由于涂層和基體之間的力學性能不同，加工厚涂層面臨著很大的挑戰。在沉積過程中，涂層與基體之間的化學成分不同會導致稀釋。此外，機械性能的差異，特別是涂層和基體之間的屈服強度，可能導致不連續的塑性變形/應變在隨后的機械加工過程中。一般來說，在加工常規成形工件時，根據加工余量來確定未切屑厚度的選擇，以滿足幾何/尺寸精度的要求。由于機械加工引起的亞表層應力，結果改變了其表面的完整性。相反，厚涂層后續加工中未切削的切屑厚度必須嚴格限制在淺范圍內（換句話說，必須薄于涂層厚度），而涂層厚度通常與涂層厚度相當。當用小的未切削切屑厚度（遠小于涂層厚度）加工時，塑性變形只出現在涂層表面下。在這種情況下，涂層后續加工的力學行為相當于用與涂層相同的材料加工常規成形的工件。當用大的未切削切屑厚度（相當于涂層厚度）進行加工時，涂層和基體區域的表面下都會出現塑性變形。但是，由于涂層的屈服應力大于基體的屈服應力，涂層底部仍處于彈性狀態。因此，加工厚涂層的臨界條件被認為是基體塑性變形的邊界。因此，機械加工引起的涂層-基體界面應力達到了基體的屈服強度，但沒有發生塑性變形。

1.2 PVD技術發展

氣相沉積是擁有屬性成分元素在真空中蒸發成原子、分子或離子，然后凝結在基體表面形成所需的涂層的過程。根據這一原理，氣相沉積技術可以分為化學氣相沉積和物理氣相沉積?；瘜W氣相沉積技術具有沉積速度快和涂層均勻性好的優點，但幾乎所有類型的化學氣相沉積技術都比PVD具有更高的沉積溫度和更高的氣體壓力。高沉積溫度會影響刀具基體的性能，導致CVD涂層主要用于連續切削或極端負載加工的整體硬質合金刀片上。同時，由于化學氣相沉積涂層是由一種或多種揮發性前體反應生成的，反應后的揮發性前體和殘余氣體具有一定的毒性，造成環境污染。這些缺點限制了CVD技術的應用。PVD技術具有加工溫度低、環境友好、涂層成分可控、涂層結構合理等優點，廣泛應用于車、銑、鉆、絲錐、焊接工具等工具表面。

難加工材料的出現，更嚴格的加工環境要求和制造成本控制促進了PVD涂層刀具的發展。刀具表面涂層正朝著高硬度、良好的化學穩定性、高溫抗氧化性和高溫穩定性的方向發展。因此，對刀具涂層的組成和結構進行了相應的更新。物理氣相沉積涂層材料包括氮化物、碳化物、氧化物和硼化物涂層，其元素組成從一元和二元到多元，層數從單層到多層甚至上千層，涂層組織從柱狀晶結構演變為納米晶和納米復合結構。涂層材料對化學成份、結構、與刀具基體的結合強度和表面光滑度的高要求促進了涂層刀具PVD技術的創新。目前，涂層刀具的物理氣相沉積技術主要包括陰極電弧蒸發、磁控濺射及其混合工藝。前兩種技術已在刀具工業中得到廣泛應用，混合技術的商業應用還需要一些研究，以獲得穩定、可重復和具有競爭力的切削刀具硬質涂層。除了中間層之外，在沉積涂層之前對基體進行原位等離子體刻蝕對于優異的涂層結合強度也是至關重要的。

2? 鍍膜機器關鍵零部件設計

陰極電弧蒸發（CAE）或電弧離子鍍（AIP）原理的示意圖，屬于真空電弧沉積的一種。陰極弧是一種低壓大電流等離子體放電，在真空中由蒸發材料制成的陰極靶與陽極（通常是涂層室）之間起始，使靶粒子蒸發并凝結在基體表面。在陰極上沒有磁場的情況下，弧斑在陰極表面上隨機移動。點在場地上的停留時間為微秒或亞微秒時間，點處的電流密度一般在106～1012A/m2之間。高能量密度直接導致電弧點處的固體靶材料向金屬蒸氣等離子體過渡，并伴隨著大量的液滴。靶的電離率和液滴數目與其熔化溫度有關。目標表面噴射出的液滴凝結成大顆粒，最終沉積在涂層表面或嵌入到涂層中，導致涂層表面粗糙，降低了涂層的整體性能，這是CAE技術的最大缺點。此外，由于大電流真空電弧放電的特性，只能使用導電性好的靶材作為蒸發源，熔點過高或過低或機械強度差的材料不能使用。盡管存在一定的局限性，但由于目標電離率高、鍍層沉積速度快，CAE技術目前在硬質涂層制備技術領域尤其是刀具應用領域占據主導地位。除了優化目標材料和工藝參數之外，減少液滴的主要方法是優化陰極結構和宏觀粒子過濾。

在陰極配置的過程中，優化陰極結構可以抑制或減少液滴的生成。陰極蒸發器的類型可以根據它們的幾何特征和電弧進給點運動控制的性質進行分類。目前商業應用的陰極幾何布局包括平面圓靶、平面矩形靶和圓柱靶。由于離子和電子很容易受到電場和磁場的控制，許多研究試圖通過優化陰極靶電源和磁控管結構來控制液滴的產生。

CAE過程中傳統的蒸發器電源為低壓高密度直流電源，基板與高負壓脈沖電源或直流電源相連。脈沖真空電弧離子鍍可以在一定程度上減少液滴的產生。在脈沖電弧沉積過程中，放電是脈沖的和間歇的，并且在脈沖開通時間內利用大電流提供足夠的導電粒子。由于脈沖通電時間小于液滴形成所需的時間，大顆粒的產生大大減少。為了獲得高的工業沉積速率，開發了峰值電流為4-5ka，峰值電壓為30kV的強流脈沖電弧沉積技術。脈沖真空電弧沉積技術在制備大面積硬質薄膜，尤其是碳涂層方面顯示了其優越性，但失效放電和拉伸放電影響了放電的穩定性。軸對稱磁場不同于傳統操縱電弧中的封閉拱形磁場，它對陰極斑點運動和主值減小也有顯著影響。與軸對稱陰極磁場相比，有向電弧確保了更有效地降低MPs，特別是與高頻短脈沖負偏壓有關。然而，由于操縱電弧在靶表面產生的狹窄溝槽使靶的利用率降低，因此許多研究仍然集中在軸對稱磁場上。利用垂直磁場大于50g的等離子體增強弧-陰極技術沉積TiCrAlN涂層，涂層刀具在高速銑削試驗中表現出優異的切削性能。他們發現，軸對稱磁場橫向分量的增加可以促進從發亮的大陰極點到細長的線性陰極點的轉變，這有助于均勻蝕刻陰極靶，產生更少和更小的MP射流。然而，當磁場強度過大時，很難維持弧斑的自持放電。采用電磁線圈繞組和永磁體相結合的方法，發現當線圈電流過大時，陰極斑點聚集在靶的周邊區域，斑點尺寸增大。如圖1所示。

對于宏粒子過濾（MP），通過影響液滴的輸送，宏粒子過濾系統降低了MPs在涂層表面的沉積概率，從而產生一個光滑的涂層表面。與陰極結構的改進相比，宏粒子過濾系統可以實現100%的等離子體沉積。根據熔鹽等離子體與電弧等離子體在電學和力學性能上的差異，現有的宏粒子濾波方法主要有脈沖偏壓電弧、機械屏蔽電弧和磁過濾電弧。由于在沉積過程中電子的運動速度遠大于離子的運動速度，每單位時間到達MPs表面的電子數量大于離子的數量，導致MPs呈現負電荷。當在基片上施加負偏壓時，由于離子濺射、負偏壓反射和熱蒸發等原因，大顆粒在基片上的沉積概率可以在一定程度上降低。然而，長時間的高能離子轟擊會導致沉積層的基體溫度升高，殘余應力增大。脈沖偏壓電弧保持了直流電弧的所有優點，帶來了低殘余應力、低沉積溫度和晶粒細化的新特點。高頻短脈沖負偏壓下的MPs數量和直徑明顯低于零偏壓下的襯底。最先進的脈沖偏壓電弧不能完全消除MPs，常與其他優化的電弧技術結合使用。該屏蔽電弧直接利用機械阻斷裝置影響MPs和電弧等離子體的運動軌跡，并基于電弧等離子體優良的纏繞特性沉積了鍍層。為了提高等離子體的傳輸效率，在濾波片上施加正偏置電位，利用感應磁場引導等離子體通過濾波片間隙。

磁過濾弧比機械直接屏蔽弧受到更多的關注?；诖艌龅膹娂s束效應，電子被拉莫爾進動化，離子被電子引導，從而將等離子體與MPs分離。早在20世紀70年代，研究學者利用這一原理設計了磁過濾裝置，以消除宏觀粒子缺陷，改善沉積涂層的微觀結構和性能。一方面，如果帶電離子在磁場中的拉莫爾進動直徑大于過濾管的直徑，導致離子無法通過過濾裝置并沉積在管壁上，鍍層的沉積速率就會大大降低。另一方面，由于在過濾管中長時間輸送過程中的離子復合過程，產生了等離子體損耗。因此，磁場強度的控制和過濾裝置的設計對電弧等離子體的傳輸效率具有重要意義。

3? 結語

新的未來挑戰將繼續推動現有涂層技術和應用的進一步發展。通過使用新的蒸發器或濺射源和磁控管以及脈沖技術，電弧蒸發和磁控濺射工藝將繼續發展，目標是提高涂層質量，提高生產率和降低成本。

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