本文闡述了新型的弧光輝光協(xié)同共放電真空鍍膜機的設(shè)計思想及應(yīng)用，敘述了鍍膜機的整體結(jié)構(gòu)、圓柱靶的設(shè)計和磁場模擬、工件籃的結(jié)構(gòu)和輝光弧光共放電的原理。實驗對比了輝光弧光共放電和單獨的輝光放電、弧光放電在鍍膜速度、膜層硬度和耐蝕性等方面的差別，表明了這種新型鍍膜機的優(yōu)越性。

　　采用物理氣相沉積(PVD)鍍膜技術(shù)制備的膜層具有高硬度、高耐磨性(低摩擦系數(shù))、很好的耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點，同時膜層還能夠提高工件的外觀裝飾性。PVD 是一種能夠真正獲得微米級鍍層且無污染的環(huán)保型表面處理方法。它能夠制備各種單一金屬膜(如鋁、鈦、鋯、鉻等)，也可以制備氮化物膜TiN(鈦金)、ZrN(鋯金)、CrN、TiAlN 和碳化物膜(TiC、TiCN)、以及氧化物膜(TiO)等陶瓷薄膜�；�于PVD 制備技術(shù)的納米超硬膜、耐蝕膜已成為涂層領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點，自2000 年以來在國內(nèi)已進入持續(xù)開發(fā)階段。眾所周知，金剛石、立方氮化硼、非晶態(tài)類金剛石等具有超硬膜的本征硬度，其研究及應(yīng)用已經(jīng)歷了較長時間，但其膜系本身的某些特性卻制約了應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。如金剛石薄膜并不適合于鐵基材料的切削加工，而立方氮化硼薄膜由于難于與刀具基體結(jié)合、易剝落，且高純度的c- BN制備困難，也尚未達到商業(yè)應(yīng)用水平。因此近年來薄膜技術(shù)的開發(fā)熱點更多的集中于非本征超硬膜的研究。非本征硬度超硬薄膜的超硬性和力學(xué)性能主要來自于它們組成物的性質(zhì)和超細顯微結(jié)構(gòu)，其組成物多為氧化物、碳化物、氮化物及硼化物，而其顯微結(jié)構(gòu)達到了納米數(shù)量級。

　　對于工業(yè)應(yīng)用的耐蝕膜包括耐磨蝕和耐環(huán)境腐蝕兩方面，要求膜層既有一定的硬度又有一定的厚度，并且能夠?qū)崿F(xiàn)快速鍍制。目前通用的真空鍍膜主要有真空蒸發(fā)、多弧離子鍍和磁控濺射，真空蒸發(fā)由于附著力較差，用于耐腐蝕涂層存在著天生的不足。多弧離子鍍鍍膜具有離化率高、膜層和基體的結(jié)合力好、沉積速度快、繞射性好的優(yōu)點，是一種較好的可選方法，但采用多弧離子鍍制備的涂層顆粒大、表面粗糙度大、膜層致密性較差、這對于耐腐蝕涂層又是致命的缺點。磁控濺射沉積的膜層相比離子鍍表面粗糙度小、膜層致密，但磁控濺射的離化率較低，一般只有3%，因此膜層結(jié)合力較差，沉積速度慢。對于耐腐蝕涂層的真空鍍膜除了要求膜層結(jié)合力好，表面覆蓋性好, 還要求涂層致密,沉積速度快。在真空鍍膜的應(yīng)用中一種折衷的方案是采用多弧離子鍍先打底，制備一層薄膜涂層，然后再用磁控濺射制備一層薄膜，采用這種方案結(jié)合了兩種方法的優(yōu)點，但薄膜涂層的應(yīng)力變化較大，制備厚的涂層有很大的困難。針對以上兩方面的問題，我們這里提出了一種獨特的方案，采用離子鍍+ 磁控濺射弧光輝光協(xié)同共放電氣相沉積(arc plating sputtering cement deposition，APSCD) 的方法制備混合薄膜�；�于上述指導(dǎo)思想，提出具體設(shè)計方案，完成了一套弧光輝光協(xié)同共放電真空鍍膜機的研制，并交付哈爾濱商業(yè)大學(xué)使用。

1、鍍膜機的總體設(shè)計及改造

　　鍍膜室采用立式前開門結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔尺寸：800 mm(直徑)×800 mm(長)，外壁通冷卻水。鍍膜機采用分子泵抽氣，減少了返油污染，結(jié)合力好，無斑點;安裝了分別使用30 kW 中頻濺射電源和3 kW 多弧電源的非平衡磁控濺射圓柱對靶和多弧圓柱靶;工件夾具采用往復(fù)式鼠籠式工件籃，無需掛具，裝件量大，可鍍制六面體結(jié)構(gòu)的工件；偏壓電源使用10 kW直流脈沖電源，可通過調(diào)節(jié)功率和占空比改變鍍膜工藝，提高膜層的附著力;電控采用PLC+ 觸摸屏控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)具有泵閥互鎖、防爆、互保護功能可實現(xiàn)全自動真空鍍膜。圖1是鍍膜機結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖1 鍍膜機平面示意圖

1.1、鼠籠式往復(fù)擺線工件籃的結(jié)構(gòu)

　　真空鍍膜在取代電鍍時面臨的最大挑戰(zhàn)是膜層制備的繞射性。由于真空鍍膜是在真空中完成薄膜的制備，膜層的沉積為平行于蒸發(fā)源，工件必須面對蒸發(fā)源，多采用掛件結(jié)構(gòu)，垂直面的沉積速率即使在繞射性較好的磁控濺射也僅為平行于蒸發(fā)源的平面沉積速率的五分之一。此，真空鍍膜多適用于平面較多的工件或圓形工件，不能用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，這些都大大限制了真空鍍膜替代水電鍍的應(yīng)用，減慢了綠色環(huán)保的真空鍍膜應(yīng)用的步伐。對于緊固件這種六個面都需要鍍膜的工件，通常使用的真空鍍膜夾、卡、掛會使工件表面出現(xiàn)未鍍膜的盲點，形成酸堿和水汽及氧分子的侵蝕點，形成的侵蝕點會加劇緊固件的腐蝕，因此無法采用真空鍍膜常用的夾、卡、掛等方式固定工件。為了解決這一難題，本項目研究設(shè)計了獨特的鼠籠式工件籃，把螺釘螺栓等緊固件裝在工件籃內(nèi)，籃內(nèi)布有翻轉(zhuǎn)擋板，當(dāng)鼠籠工件籃擺線往復(fù)運動時，緊固件翻轉(zhuǎn)，形成新的面對沉積源的面，多層不停的翻轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對緊固件每個面均勻鍍膜。圖2 和圖3 分別是工件藍和工件藍擺線動作示意圖。

圖2 工件籃示意圖

1.向左運動; 2.向右返回; 3.向右運動; 4.向左返回

圖3 工件籃擺線動作示意圖

1.2、圓柱靶的設(shè)計

　　本真空鍍膜機在以前工作的基礎(chǔ)上設(shè)計了新結(jié)構(gòu)的圓柱陰極靶。多弧圓柱靶與磁控濺射靶材水平分置基材上下側(cè)共同放電，基材表面在沉積了多弧離子鍍大顆粒的同時也沉積了磁控濺射的小顆粒，一方面利用了多弧離子鍍的高離化率及離子鍍良好的基膜界面層結(jié)合力，另一方面利用了磁控濺射沉積薄膜的致密性，形成了一種混凝土式的共混結(jié)構(gòu)，達到耐磨、耐腐蝕的目的。圖4 所示的圓柱靶機構(gòu)設(shè)計示意圖，采用高磁場強度的釹鐵硼磁鐵，并用磁流體密封代替?zhèn)鹘y(tǒng)橡膠密封，從而克服轉(zhuǎn)動部分漏水漏氣的缺點。

圖4 圓柱靶結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

　　通常在磁控靶的設(shè)計中大多采用實物靶實驗的方法改進磁控靶的性能，多次反復(fù)實驗從而確定磁鐵的磁感應(yīng)強度和物理結(jié)構(gòu)。隨著計算機數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是計算機模擬軟件的應(yīng)用和普及，目前越來越多的工程設(shè)計采用了預(yù)先的計算機數(shù)值模擬分析技術(shù)，然后根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果進行工程設(shè)計，大大簡化了設(shè)計的研制周期，降低了研發(fā)成本。本研究采用有限元分析軟件ANSYS 模擬磁場的分布情況，確定了最佳的磁極分布、磁極尺寸和物理結(jié)構(gòu)。目前國際市場的稀土材料大漲造成強磁的釹鐵硼磁鐵價格也隨之大幅度增加，為了降低磁控陰極的生產(chǎn)成本我們又進行了鐵氧體磁體的數(shù)值模擬，通過改變磁鐵同靶材的距離增強靶表面磁感應(yīng)強度。

圖5 圓柱磁控靶磁場模擬數(shù)據(jù)

　　圖5是有限元數(shù)值模擬圓柱磁控濺射靶磁感應(yīng)強度的結(jié)果。磁鐵尺寸為11mm×11mm×30 mm，磁鐵磁感應(yīng)強度1200 Gs，設(shè)計的靶表面最大垂直方向磁感應(yīng)強度為240 Gs。圖6 是有限元數(shù)值模擬圓柱多弧靶磁感應(yīng)強度的結(jié)果，多弧靶的設(shè)計中由于要求的靶表面磁場強度不能太高，我們采用了單磁鐵結(jié)構(gòu)，設(shè)計的靶表面最大垂直方向磁感應(yīng)強度為110 Gs，磁鐵尺寸11mm×11mm×30 mm，磁鐵磁感應(yīng)強度1200 Gs。本研究中我們還對磁場數(shù)值模擬的結(jié)果同實際靶的磁場強度分布進行了比對研究。驗證試驗采用SHT- V 型特斯拉計測量了靶表面水平和垂直方向的磁感應(yīng)強度，實驗結(jié)果表面模擬磁感應(yīng)強度同實際測量結(jié)果有較好的一致性，有關(guān)結(jié)果將另行成文進行描述。根據(jù)數(shù)值分析的結(jié)果設(shè)計的兩種靶放電情況良好，靶材利用率可達85%。

圖6 圓柱多弧靶磁場模擬數(shù)據(jù)

1.3、輝光弧光共放電的物理特性的研究

　　圖7 是APSCD 輝光弧光協(xié)同共放電的結(jié)構(gòu)原理示意圖，多弧圓柱靶與磁控濺射靶分置基材上下側(cè)協(xié)同共同放電，輝光弧光等離子體互相增強，基材表面在沉積了多弧離子鍍大顆粒的同時也沉積了磁控濺射的小顆粒，形成了一種混凝土式的膜層同鍍的共混結(jié)構(gòu)膜層。磁控濺射利用的是氣體放電中的異常輝光放電，利用磁場束縛電子，增大電子密度，提高等離子體的密度，其陰極位降很大，且位降區(qū)的寬度減小。磁控濺射中一般陰極電壓為幾百伏特, 電流密度<1 mA/cm²，多弧離子鍍利用的是弧光放電，電弧放電產(chǎn)生強烈的輻射，放電區(qū)中溫度最高點幾千K，電弧放電其特點是電流密度極大而極間電壓低，其自持依賴于新的電子發(fā)射機制，其電壓一般僅為10 V- 20 V，電流則高達150 A。由于輝光弧光放電的機制不同，在輝光弧光共放電共沉積過程中要分析二者不同的等離子密度增強機制, 研究磁場對置結(jié)構(gòu)下弧斑軌跡的運動的變化規(guī)律, 研究弧光放電高強度輻射造成的荷能電子碰撞電離增強特性。

圖7 弧光輝光共放電沉積機構(gòu)原理圖

2、實驗結(jié)果

2.1、表面形貌分析

　　圖8 是采用磁控濺射，多弧離子鍍和APSCD混合鍍膜原子力顯微鏡的表面形貌圖。圖中可以明顯看出：由于磁控濺射產(chǎn)生的顆粒直徑本身較多弧離子鍍小，所以表面更為平整，致密。而采用混合鍍法，因為磁控濺射產(chǎn)生的小顆粒和多弧離子鍍產(chǎn)生的大顆粒進行了混凝土式的混合，填補了大顆粒之間的空隙，得到的膜層較單獨多弧離子鍍更加平整致密。

(a)磁控濺射;(b)多弧離子鍍;(c)混合鍍

圖8 三種工藝的表面形貌

2.2、膜厚的分析

　　實驗中采用臺階儀對薄膜的厚度進行了測量，測量結(jié)果如下表3 所示。

表3 不同樣品的薄膜厚度

　　在相同的時間內(nèi)，磁控濺射僅為658 nm，APSCD 混合鍍膜層厚度達到1345 nm，沉積速率提高了1 倍。磁控濺射采用了中頻雙靶結(jié)構(gòu)，這已經(jīng)較大的提高了磁控濺射沉積速率。在實際生產(chǎn)中，采用混合鍍方式的膜層厚度更容易達到微米級，更適合用來進行工業(yè)生產(chǎn)。

2.3、耐腐蝕性能的分析

　　實驗測定了腐蝕電位及腐蝕電流密度，采用電化學(xué)極化曲線對薄膜的耐腐蝕性能進行了評估。1#、2#、3# 試樣和4#(基體)的極化曲線如圖9 所示�；�體的腐蝕電位是- 855 mV，1#、2#、3#號試樣的腐蝕電位分別是- 776 mV、- 783 mV、- 751 mV。其中APSCD 混合鍍膜試樣腐蝕電位比基體的腐蝕電位提高了104 mV，耐腐蝕性能最好。

(1#)磁控濺射;(2#)多弧離子鍍;(3#)混合鍍; (4#)基體

圖9 不同試樣的極化曲線

3、結(jié)論

　　通過1 年的實驗，設(shè)計的新型輝光弧光協(xié)同共放電鍍膜機能夠滿足快速鍍制耐磨耐蝕膜層的工業(yè)要求，靶材利用率高，系統(tǒng)協(xié)同放電穩(wěn)定，該機能同時滿足多弧和磁控鍍膜的要求，提高了設(shè)備與薄膜制備的檔次，并使所能鍍制的薄膜范圍大大增加。