多弧离子镀技术的现状调研
引言
物理气相沉积技术早在 20世纪初已有些应用，但在最近 30年迅速发 展，成为一门极具广阔应用前景的新技术，并向着环保型、清洁型趋势发 展。20世纪90年代初至今，在钟表行业，尤其是高档手表金属外观件的表 面处理方面得到越来越为广泛的应用。
离子镀技术是在真空蒸
镀和真空溅射的基础上于 20世纪60年代初发展起来 的新型薄膜制备技术，于 发表了电子束离子镀技术， 作了 TIN 及TIC 超硬膜。 多弧离子镀属于离子镀的一种改进方法， 是离子镀技术中的皎皎者。最早由苏联 人开发，80年代初，美国的Multi-Arc 公司首先把这种技术实用化，至此离子 镀达到工业应用水平。
离子镀种类很多，蒸发远加热方式有电阻加热、电子束加热、等离子
电子束加热、高频感应加热等
然而多弧离子镀与一般的离子镀有着很大的区别。多弧离子镀采用的
是弧光放电，而并不是传统离子镀的辉光放电进行沉积。简单的说，多弧 离子镀的原理就是把阴极靶作为蒸发源，通过靶与阳极壳体之间的弧光放 电，使靶材蒸发，从而在空间中形成等离子体，对基体进行沉积。由于多弧 离子镀技术具有镀膜速度高，膜层的致密度大，膜的附着力好等特点，使多弧离 子镀镀层在工具、模具的超硬镀膜、装饰镀膜等领域的应用越来越广泛， 并将占 据越来越重要的地位。
离子镀技术是当前使用面最为广泛、最为先进的表面处理技术之一，
而多弧离子镀更是其中的佼佼者。据不完全统计，国内外有近一半以上表 面处理使用多弧离子镀技术， 尤其是那些需要耐磨、耐蚀及特殊要求的场 合。随着社会的进步，科学的发展，离子镀技术必将加完善。
1963 年由 D. M Mattox 提出，1971 年 Chamber 等
1972年又出现了反应蒸发镀（ARE 技术，并制 同年，
MOLEY 和SMITH 将空心阴极技术应用于镀膜。
目录
1物理气相沉积技术
物理气相沉积技术种类
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition ， PVD）技术是在真空条件下，采
用物理方法，将材料源一一固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体（或）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有（1）真空蒸镀；（2）溅射镀膜；（3）离子镀膜。
发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、、聚合物膜等。
真空蒸镀
真空蒸镀基本原理是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后沉积在基体表面上，蒸发的方法常用电阻加热，高频感应加热，电子束、激光束、离子束高能轰击镀料，使其蒸发成气相，然后沉积在基体表面，历史上真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。
溅射镀膜
溅射镀膜基本原理是充氩气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，这时氩原子电离成氩离子，氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。如果采用直流辉光放电，称直流（Qc）溅射，射频（RF）辉光放电引起的称射频溅射。磁控（M）辉光放电引起的称磁控溅射。离子镀膜离子镀基本原理是在真空条件下，采用某种等离子体电离技术，使镀料原子部分电离成离子，同时产生许多高能量的中性原子，在被镀基体上加负偏压。这样在深度负偏压的作用下，离子沉积于基体表面形成薄膜。
物理气相沉积技术主要厂商
PLATIT涂层设备公司
PLATIT公司总部位于瑞士，属于BCI集团旗下企业。该公司是目前唯一只做设备不做涂层服务的公司。目前在国内的市场主要由代理商科汇负责，科汇最早在香港开了涂层中心，于2006年在深圳成立分厂，但现在基本都转移到深圳。PLATIT的最大优点是开发纳米结构涂层，而且宣传的非常好，PLATIT的设备是
目前在国内销售的最多的外国涂层设备。
赛利涂层技术有限公司？？
赛利涂层技术有限公司原是天威赛利涂层技术有限公司，由天威集团与德国CemeCon AG共同投资成立。公司成立于2003年09月。2005年04月，天威赛利成功通过德国T u V （莱茵公司）的￡09001:2000质量认证，2008年06月顺利完成了由德国CemeCon独资的股权变更，公司名称变更为：保定赛利涂层技术有限公司。公司主营业务为：PVD （物理气相沉积）与金刚石涂层产品、涂层设备、配件与耗材的制造、销售与售后服务。
欧瑞康巴尔查斯有限公司？？
欧瑞康巴尔查斯涂层（苏州）有限公司是瑞士独资公司，注册成立于2003年，目前全国有7个涂层中心，分别位于天津、江苏苏州、浙江温岭、陕西汉中和西安、四川成都、广州东莞。目前我们正在建设两个新的涂层中心，分别位于在重庆市和山东济南市。欧瑞康已涉足六大领域：涂层、真空、光学和航空元件、纺织品、推进系统、半导体等。欧瑞康巴尔查斯产品在国市场的占有份额约为15%?20%,这一份额已经是国内最大的PVD 涂层公司，比其它涂层公司要高出很多，目前巴尔查斯在全球市场所占份额约为三分之一。
德国PVT涂层有限公司
德国PVT涂层有限公司，是由德国PVT公司在中国投资设立的涂层加工中心，公司总部在德国的本斯海姆，目前该公司自己在国内有四个涂层中心：黑龙江哈尔滨、江苏常州、浙江温岭、广东东莞。德国PVT公司是当今世界上最先
进的超硬涂层技术研发和设备制造公司之一，是专门开发设计具有世界领先水平的离子和等离子真空镀膜设备的高科技公司，主要集涂层设备制造，涂层新工艺研发及涂层加工于一体。特别是其动态磁场设计，电弧运动速度快，而且遍布整个靶面，能够提高膜层均匀性、提高靶材利用率、减小液滴等特点。
瑞士Sulzer
瑞士Sulzer公司成立于1984年, 1987年在德国Bevgisch Gladbach建立独立
的涂层中心，主要以MAXIT耐磨涂层为主。1992年开始生产制造设备，并扩大了涂层服务，1997年兼并了Klocknev lonon GmbH公司，业务范围扩展到等离子渗氮领域，即IONIT R耐磨保护，1999扩展到装饰涂层领域。2001年该公司被瑞士Sulzer公司收购，2002年扩大了Bergisch Gladbach 的IONIT 和IONIT OX 的生产规模，成为最大
的工业等离子表面处理制造商。2003年兼并了美国前DB 薄膜公司，开始从事MAXIT、IONIT、IONITOX生产服务。
亚特梯尔镀层科技有限公司
亚特梯尔镀层科技有限公司是由香港Art Technology Development LTD与英国Teer Coating LTD共同投资组建的外资企业。Teer coating主要强项是非平衡磁控溅射，公司位于东莞市凤岗镇塘沥村福民工业区，主要从事机械加工用的刀、模具的镀层处理，目前主要生产CrAlTiN、Graphit-iC和MoST三种高性能的镀层。
爱恩邦德技术有限公司
爱恩邦德技术有限公司于2005年由lonbondAG集团投资140万美金成立了爱恩邦德涂层（苏州）有限公司，公司下设苏州、昆山两个工厂分别位于苏州工业园区和昆山经济技术开发区。Ion bo ndAG集团中国总部一--爱恩邦德（无锡）技术有限公司设于无锡市高新科技技术区，IonbondAG集团致力于CVD（化学气相沉积）、PVD（物理气相沉积）、PACVD离子加强化学气相沉积）以及CVA（铝化学气相沉积）等多种表面膜层技术及其设备的研发与生产。
豪泽（Hauzer）技术镀层公司
豪泽（Hauzer ）技术镀层公司是PVD技术的全球供应商，该技术广泛应用于切削刀具、汽车零部件及卫浴五金件。母公司易普森国际是市场上领先的真空热处理技术供应商，易普森工业炉（上海）有限公司是其在中国的生产基地。豪泽公司以易普森上海为其在中国的基地，为豪泽公司先进的镀层和PVD系统的
用户提供本地化的服务支持。除了为切削刀具提供一流的硬镀层外，豪泽公司也为硬质钢的干式高速加工以及铝、不锈钢和钛合金的切削刀具提供最优化的工具镀层技术和减磨镀层技术。Hauzer在汽车发动机零部件涂层上的市场份额是全球第一的，另外他最突出的涂层技术是在DLC膜上,这几年刀具涂层方面的业务发展迅速。
北京丹普表面技术有限公司
北京丹普表面技术有限公司是由北京丹鹏表面技术研究中心和意大利普罗
泰克表面技术有限公司于2000年4月共同投资兴建的中意股份合作企业。主要从事物理气相沉积（PVD技术的研究和开发。主营产品为阴极电弧离子蒸发系统和非平衡磁控溅射系统，AS系列和Propower（简称PP）系列计算机全自动控制离子镀膜设备是其主打产
品。
物理气相沉积技术总结
磁控溅射技术和电弧技术在工具涂层领域各有优势，到目前为止还很难说哪种技术更好。磁控溅射技术这几年发展很快，世界涂层领域在工具涂层上溅射技术做的最好的还是德国的Cemeco n公司，而且涂层的产品几乎全是刀具。
在刀具涂层领域，涂层设备的设计制造也有一些新的趋势。一些知名的国外涂层设备制造商纷纷推出电弧加溅射的涂层设备，例如Sulzer的Domi no系列涂
层设备，Balzers的Inn ova，以及豪泽公司的涂层设备。因此溅射技术还是存在电弧技术代替不了的优势的。
最近两年来，高能脉冲磁控溅射技术炒的很热。以Cemecon和Hauzer公司为代表，已经推出了采用这种技术的涂层设备。从原理上讲，这确实是一种能够结合电弧和溅射技术所有优点的涂层技术。如果发展的顺利，高能脉冲磁控溅射技术将代表工具涂层技术未来的发展方向。
在国内物理气相沉积镀膜设备主要是以进口为主，目前国内在物理气相沉积
技术方面还属于引进的阶段，缺少自主知名品牌，在市场上没有竞争力，这也同时预示着国内物理气相沉积技术的发展空间。总体技术的差距导致国外公司的垄断，在这方面应该加大投资，研发具有自主知识产权的高性能设备与产品提高竞争力。
2多弧离子镀
多弧离子镀原理及工艺
多弧离子镀的蒸发源结构由水冷阴极、磁场线圈、引弧电极等组成。阴极材料即是镀膜材料，在10-1 - 10 Pa真空条件下，接通电源并使引弧电极与阴极瞬间接触，在引弧电极离开的瞬间，由于导电面积的迅速缩小，电阻增大，局部区
域温度迅速升高，致使阴极材料熔化，形成液桥导电，最终形成爆发性的金属蒸 发，在阴极表面形成局部的高温区，产生等离子体，将电弧引燃，低压大电流的 电源维持弧光放电的持续进行。在阴极表面形成许多明亮的移动变化的小点，即 阴极弧斑。阴极孤斑是存在于极小空间的高电流密度、 高速变化的现象。阴极弧 斑的尺寸极小，有关资料测定为1 ~ 100 pm ;电流密度可高达105 ~10 7A / cm 2。 每个弧斑存在的时间很短，在其爆发性地离化发射离子和电子，将阴极材料蒸发 后，在阴极表面附近，金属离子形成空间电荷，又建立起弧斑产生的条件，产生 新的弧斑，众多的弧斑持续产生，保持了电弧总电流的稳定。阴极材料以每一个 弧斑60%?90%的离化率蒸发沉积于基片表面形成膜层。 阴极弧斑的运动方向和 速度受磁场的控制，适当的磁场强度可以使弧斑细小分散， 对阴极表面实现均匀 刻蚀。多弧离子镀的基本原理就是把金属蒸发源 （靶源）作为阴极，通过它与阳极 壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发并离化，形成空间等离子体，对工件进行沉积 镀覆。
多弧离子镀工艺特点
多弧离子镀是20世纪70年代开始研究的一种新的物理气相沉积工艺， 这种 工艺的特点如下：
1） 阴极电弧蒸发源不产生溶池，可以任意设置于镀膜室适当的位置，也可 以采用多个电弧蒸发源，提高沉积速率使膜层厚度均匀，并可简化基片转动机构。
2） 金属离化率咼，可达 80%以上，因此镀膜速率咼，有利于提咼膜基附着 性和膜层的性能。
3） 源。
4）
5）
多弧离子镀膜设备 多弧离子镀膜设备构成 多弧离子镀设备一般比较简单，整个设备主要由真空镀膜室、 弧源、真空获得系 统、偏压源等几大部分组成。弧源是多弧离子镀设备的关键部件， 现在国内一般 使用小弧源，直径为60?80mm 厚度为直径的1/2。少数离子镀膜机采用柱状 弧源设计，一台镀膜机只装一个柱状弧源于真空室中央， 工件置于四
周。国外有 些离子镀膜机使用大弧源，直径达 100 mm 厚度约为直径的1/4，一台镀膜机 上装有12~32个弧源，待镀工件置于真空室中央。 一弧多用。电弧既是蒸发源和离化源又是加热源和离子溅射清洗的离子
沉积速度快，绕镀性好。
入射粒子能量高，膜的致密度高，强度和耐磨性好。工件和膜界面有原 子
扩散，因而膜的附着力高。
离子镀铝技术介绍-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
离子镀铝技术 离子镀铝是通过物理气相沉积方法的方法在产品表面镀覆一层厚度均匀、结合力好的纯铝涂层。离子镀铝是一门新技术，它具有工艺温度低、镀层组织致密附着性、绕镀性良好、无公害等优点。目前主要有磁控溅射、多弧和电阻加热蒸发这三类设备。美国等国开展了离子镀铝研究工作较早，已取得较好成果，并应用于生产上。我国在80年代前后开展了离子镀的研究工作，并相继开始了离子镀铝的研究，但由于缺少环保意识，未获得大规模推广。 1、离子镀铝工艺流程 （1）入炉前的工件清洗：金属清洗剂浸泡—金属清洗剂超声波清洗—去离子水冲洗—脱水—烘干。通过清洗，使工件表面达到去油、去污、脱水的状态； （2）装炉后的离子溅射清洗：工件装卡入炉，抽真空、待真空度抽到8x 10-3Pa时，加热烘烤工件，同时通入氩气到2.6～6.67Pa之后，施加800～1000V的负偏压，对工件进行离子清洗，离子轰击15～20min，以保证铝涂层与工件有良好的结合力； （3）离子沉积镀铝：起铝靶、调正氩分压、调整所需的靶功率。等铝靶工作正常后，打开挡板，镀制铝涂层； （4）镀覆后处理：镀制结束，工件随炉冷却到150℃后，出炉，进行化学氧化处理（在7.5～15g/l阿洛丁1200S溶液中氧化30～60s）。
2、离子镀铝涂层的特点 离子镀铝是为了取代电镀镉涂层而发展起来的。由于电镀镉的一些问题，现在欧美国家已禁止使用电镀镉涂层，这些问题主要有：普通的电镀镉工艺不但造成环境污染，而且要引起高强钢和钛合金氢脆；电镀镉涂层的耐蚀性能低于离子镀铝层；电镀镉涂层的使用温度低于232℃，而离子镀铝层可用于500℃。 离子镀铝有下列优点： （1）离子镀铝层的组织结构可以通过工艺参数控制，从而得到晶粒细小、厚度均匀、结台力优异的涂层； （2）采用离子镀铝工艺不会造成环境污染，也不损害基体的机械性能，甚至能明显提高某些基体材料的疲劳性能； （3）离子镀铝涂层比电镀镉和锌涂层具有更好的保护性能和更高的使用温度； （4）铝涂层除了保护作用之外，还具有其它许多优异的性能，例如优异的导电性和漂亮的外观等。 3、离子镀铝涂层的效果 美国军标列出了三级二类铝涂层厚度和耐蚀性能的Mil-C-83488B标准：
万方数据
万方数据
万方数据
万方数据
多弧离子镀技术及其应用 作者：姜雪峰， 刘清才， 王海波， JIANG Xue-feng， LIU Qing-cai， WANG Hai-bo 作者单位：重庆大学,机械传动国家重点实验室,重庆,400030 刊名： 重庆大学学报（自然科学版） 英文刊名：JOURNAL OF CHONGQING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)：2006,29(10) 被引用次数：4次 参考文献(27条) 1.TANAKA Y;GUR T M Properties of(Ti,XAIX) N Coating for Cutting Tools Prepared by the Cathodic Arc Ion Plating Method 1992(04) 2.MATTAX D M Particle Bombardment Effects on Thin Film Deposition:A Review 1989(03) 3.KAMAR N Failure Mechanisms of TiN Thin Film Diffusion Barriers 1988 4.薛钰芝;林纪宁;周立梅氮分压对TiN离子镀层影响的研究 1998(01) 5.许樵府离子镀在航空发动机中的应用[期刊论文]-航空制造技术 2002(07) 6.杨建宏多弧离子镀技术在钟表行业中的应用 1994(02) 7.吴玉广;李荣雪多弧离子镀技术在航天航空制造维修业中的应用实例[期刊论文]-航空工程与维修 1999(02) 8.吴玉广;任德亮;徐前离子镀膜技术在制造业中的应用[期刊论文]-航空制造技术 2003(09) 9.王永康Ti0.5Al0.5N涂层的抗高温氧化行为[期刊论文]-材料工程 2001(01) 10.熊仁章;夏立芳;雷廷权工艺因素对TiAlN多元涂层成分的影响[期刊论文]-兵器材料科学与工程 2000(05) 11.孙伟;宫秀敏;叶卫平基体材料硬度和化学成分对TiN涂层结合力的影响[期刊论文]-金属热处理 2000(08) 12.汪泓宏;田民波离子束表面强化 1992 13.RICHERBY D S;BULL S J Engineering with Surface Coatings:The Role of Coating Microstructure 1989 14.孙伟;宫秀敏;叶卫平多弧离子镀沉积温度对TIN涂层性能的影响[期刊论文]-电加工与模具 2000(05) 15.胡树兵多弧离子镀TiN涂层在冲孔模上的应用 1997(02) 16.宋人娟多弧离子镀TiN低温涂层的研究 1994(06) 17.王福贞表面沉积技术 1989 18.周细应;万润根;陈凯旋TiN涂层的正交设计工艺分析[期刊论文]-热加工工艺 1996(04) 19.曾凤章;徐新乐;吴玉广多弧离子镀膜工艺的技术开发[期刊论文]-北京工业大学学报 1999(01) 20.SANCHETTE F;CZERWIEC T Sputtering of A1-Cr and Al-Ti Composite Targets in Pure Ar and in Reactive ArCr Plasmas[外文期刊] 1997(2/3) 21.WANG Y K;XIA L F;LEI T O A Research on Microstructure and Properties of (Ti,A1)N Coating 1995 22.胡传表面处理技术手册 1997 23.黄子勋电镀理论 1982 24.陈国平薄膜物理与技术 1993 25.宫秀敏;叶卫平;孙伟TiN涂层中的择优取向及其对涂层性能的影响[期刊论文]-机械工程材料 2000(01) 26.周细应;万润根;陈凯旋TiN涂层的工艺分析 1994(03) 27.严岱年表面处理 1996 引证文献(4条)
离子镀铝技术 离子镀铝是通过物理气相沉积方法的方法在产品表面镀覆一层厚度均匀、结合力好的纯铝涂层。离子镀铝是一门新技术，它具有工艺温度低、镀层组织致密附着性、绕镀性良好、无公害等优点。目前主要有磁控溅射、多弧和电阻加热蒸发这三类设备。美国等国开展了离子镀铝研究工作较早，已取得较好成果，并应用于生产上。我国在80年代前后开展了离子镀的研究工作，并相继开始了离子镀铝的研究，但由于缺少环保意识，未获得大规模推广。 1、离子镀铝工艺流程 （1）入炉前的工件清洗：金属清洗剂浸泡—金属清洗剂超声波清洗—去离子水冲洗—脱水—烘干。通过清洗，使工件表面达到去油、去污、脱水的状态； （2）装炉后的离子溅射清洗：工件装卡入炉，抽真空、待真空度抽到8x 10-3Pa时，加热烘烤工件，同时通入氩气到2.6～6.67Pa之后，施加800～1000V的负偏压，对工件进行离子清洗，离子轰击15～20min，以保证铝涂层与工件有良好的结合力； （3）离子沉积镀铝：起铝靶、调正氩分压、调整所需的靶功率。等铝靶工作正常后，打开挡板，镀制铝涂层； （4）镀覆后处理：镀制结束，工件随炉冷却到150℃后，出炉，进行化学氧化处理（在7.5～15g/l阿洛丁1200S溶液中氧化30～60s）。
2、离子镀铝涂层的特点 离子镀铝是为了取代电镀镉涂层而发展起来的。由于电镀镉的一些问题，现在欧美国家已禁止使用电镀镉涂层，这些问题主要有：普通的电镀镉工艺不但造成环境污染，而且要引起高强钢和钛合金氢脆；电镀镉涂层的耐蚀性能低于离子镀铝层；电镀镉涂层的使用温度低于232℃，而离子镀铝层可用于500℃。 离子镀铝有下列优点： （1）离子镀铝层的组织结构可以通过工艺参数控制，从而得到晶粒细小、厚度均匀、结台力优异的涂层； （2）采用离子镀铝工艺不会造成环境污染，也不损害基体的机械性能，甚至能明显提高某些基体材料的疲劳性能； （3）离子镀铝涂层比电镀镉和锌涂层具有更好的保护性能和更高的使用温度； （4）铝涂层除了保护作用之外，还具有其它许多优异的性能，例如优异的导电性和漂亮的外观等。 3、离子镀铝涂层的效果 美国军标列出了三级二类铝涂层厚度和耐蚀性能的Mil-C-83488B标准：
多弧离子镀制备TiAlSiN涂层的工艺研究 研究了衬底温度、氮气流量、脉冲负偏压对多弧离子镀制备TiAlSiN涂层性能的影响，设计了L9（33）正交试验。利用扫描电子显微镜、能谱仪、纳米压痕仪和划痕仪对涂层性能进行测试。结果表明脉冲负偏压对涂层的硬度和表面大颗粒数量影响最大，衬底温度对涂层与衬底之间附着力影响最为明显。通过比对正交试验极差值，制定最佳制备工艺，制得的TiAlSiN涂层硬度为39.6GPa，膜基附着力为31.2N。 标签：多弧离子镀；TiAlSiN；硬度；附着力；大颗粒 Abstract：The effects of substrate temperature，nitrogen flow rate and pulse negative bias voltage on the properties of TiAlSiN coatings prepared by multi-arc ion plating were investigated. The properties of the coatings were tested by scanning electron microscope，energy spectrometer，nano-indentation instrument and scratch tester. The results show that the negative pulse bias has the greatest influence on the hardness and the number of large particles on the surface of the coating，and the substrate temperature has the most obvious effect on the adhesion between the coating and the substrate. The hardness of TiAlSiN coating was 39.6GPa and the adhesion of film substrate was 31.2N. Keywords：Multi-arc ion plating；TiAlSiN；hardness；adhesion；large particle 1 概述 涂層刀具不仅保持了基材的韧性和强度，还具有硬质涂层的耐磨性，大大提升了切削刀具的使用寿命。目前单纯的TiN无法满足高速切削对其综合性能的要求，已经逐步被性能更为优良的TiAlN[1]取代。当今时代切削工艺对涂层耐磨性、热稳定性和抗氧化性提出了更高的要求。目前，更多的研究开始采用在传统涂层中掺杂其他元素，以达到提高涂层综合性能的目的。掺杂的元素主要有Cr[2]、Y[3]、V[4]、Si[5]、B[6]等。尤其是掺杂Si元素形成的纳米TiAlSiN涂层，具有硬度高[7]、摩擦系数低[8]、热稳定性好[9]等优点，在涂层刀具行业具有广阔的应用前景。 在众多涂层制备技术当中，采用多弧离子镀技术制备的涂层具有膜基结合力强、沉积速率高、涂层致密等优点。然而该技术中对制备的硬质涂层性能有影响的因素较多，如真空室内布局、本底真空度、反应气体、脉冲负偏压、衬底温度、弧源电流大小等。面对如此众多的影响因素，调控合适的工艺参数对制备高性能的涂层具有重要意义。正交试验法可以全面考察各因素之间的相互关系、量化它们之间的相互影响及内在联系，从而优化实验条件。因此，本研究采用正交试验法，研究了衬底温度、氮气流量、脉冲负偏压对多弧离子镀制备TiAlSiN涂层性能的影响，并根据正交实验结果中三个影响因素对涂层性能影响的极差R值，
多弧离子镀氮化钛（TiN）超硬反应膜 氮化钛的分子量为61.89，密度5.43，熔点2930℃，可用钼舟加热蒸发，用电子束加热蒸发较好，也可以用溅射或离子镀方法制备氮化钛薄膜。氮化钛膜具有高硬度、低摩擦系数、良好的化学惰性、独特的颜色及良好的生物相容性。 氮化钛薄膜具有一些特殊的物理性质，比如它具有极高的物理硬度（2100HV），非常耐磨损的性能，具有和金属一样的导电性，宽范围的固溶度，很好的高温稳定性和化学惰性。氮化钛薄膜的这些有价值的特性已被应用于刀具工业，以增加切削刀具的使用寿命等方面。氮化钛薄膜具有高金属反射率及随化学计量和晶格畸变而变化的颜色特性。氮化钛薄膜具有类似黄金的外观，可使一些物品具有仿金的外观并且大大增加了物品抗划伤的能力，氮化钛薄膜也可作为一种选择性透射热镜材料，这种玻璃基底上的氮化钛薄膜的选择性，已由不透明氮化钛薄膜的光学常数做了计算。 多弧离子镀氮化钛薄膜的组织机构、力学性能受多种工艺参数的影响，包括：沉积温度、基体偏压、靶电流、离子轰击、氮气分压等。具体影响如下： （1）沉积温度多弧离子镀氮化钛薄膜，加热温度在200℃，沉积温度在400～600℃。温度太低，形核不均匀，为疏松、粗大的锥状晶组织，膜硬度、结合力、耐磨性等力学性能较差；温度太高，基体过热软化，为疏松的柱状晶，性能较差。沉积温度在500℃时最好，膜层的硬度和结合力较好。 （2）离子轰击离子轰击可以提高基体的温度，使膜层密度提高，并提高膜层硬度和耐磨性，基体温度低易得到疏松的锥状晶，而温度太高又易得到粗大的柱状晶，只有温度适宜才能得到致密的柱状晶，膜层硬度则由于原子排列更加规则、空隙减小和晶界强化等原因而有所提高。 （3）偏压偏压有直流和脉冲两种，偏压直接决定着镀膜过程中基体的沉积温度，偏压越高基体的沉积温度越高。无偏压时，氮化钛膜为（220）择优，硬度较低（2000HV），结合力较差，摩擦系数较高；若施加直流偏压后，为（111）择优，具有强烈的（111）取向，膜层结合力较好，偏压越高，（111）择优越明显，离子轰击增强，基体温度升高，膜层致密度增大，硬度达2500HV，结合力达45N左右，摩擦系数减小到0.3左右；偏压高时（500V）基体过热软化退伙，且（111）择优较弱，膜层界面应力大，硬度、结合力变差，同时偏压太高时，高能粒子轰击薄膜表面时，产生反溅射，沉积速率较低，并在表面形成微坑，组织性能恶化，而且随直流偏压升高，基体温度快速升高，薄膜晶粒快速长大，形成粗大组织，也使性能降低。 （4）靶电流靶电流的影响：在一定偏压下，靶电流决定基体温度和宏观力学性能，靶电流增大，集体温度升高，晶体由柱状晶生长向致密的等轴晶生长转变，膜层硬度随之增加；靶电流太小，沉积速率过低，且在沉积过程中容易熄弧；电流太大则容易形成大颗粒（液滴），硬度等各项性能下降，一般靶电流在80A以内，50A时硬度、结合力最好。 （5）氮气分压影响膜层的相组织，维弧作用。 （6）时间影响基体温度、膜层厚度、膜层色泽等。 沉积氮化钛薄膜的典型工艺如下： （1）抽真空至6.0 x 10-3Pa时，加热至200℃，充人氩气，真空度降至2～3帕，接通工件偏压电源，对工件进行轰击清洗。 （2）沉积钛底层，真空度调至3.0 x 10-1Pa，偏压调至500V，逐个引燃小弧源产生冷场致弧光放电，在工件负偏压的作用下沉积到工件上形成钛底层，以提高硬质膜层的结合力。钛金属放电时，真空室内的等离子体的光为蔚蓝色。
多弧离子镀技术的现状调研 引言 物理气相沉积技术早在20世纪初已有些应用，但在最近30年迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术，并向着环保型、清洁型趋势发展。20世纪90年代初至今，在钟表行业，尤其是高档手表金属外观件的表面处理方面得到越来越为广泛的应用。 离子镀技术是在真空蒸镀和真空溅射的基础上于20世纪60年代初发展起来的新型薄膜制备技术，于1963年由D．M．Mattox提出，1971年Chamber等发表了电子束离子镀技术，1972年又出现了反应蒸发镀（ARE）技术，并制作了TIN及TIC超硬膜。同年，MOLEY和SMITH将空心阴极技术应用于镀膜。多弧离子镀属于离子镀的一种改进方法，是离子镀技术中的皎皎者。最早由苏联人开发，80年代初，美国的Multi-Arc公司首先把这种技术实用化，至此离子镀达到工业应用水平。 离子镀种类很多，蒸发远加热方式有电阻加热、电子束加热、等离子电子束加热、高频感应加热等 然而多弧离子镀与一般的离子镀有着很大的区别。多弧离子镀采用的是弧光放电，而并不是传统离子镀的辉光放电进行沉积。简单的说，多弧离子镀的原理就是把阴极靶作为蒸发源，通过靶与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发，从而在空间中形成等离子体，对基体进行沉积。由于多弧离子镀技术具有镀膜速度高，膜层的致密度大，膜的附着力好等特点，使多弧离子镀镀层在工具、模具的超硬镀膜、装饰镀膜等领域的应用越来越广泛，并将占据越来越重要的地位。 离子镀技术是当前使用面最为广泛、最为先进的表面处理技术之一，而多弧离子镀更是其中的佼佼者。据不完全统计，国内外有近一半以上表面处理使用多弧离子镀技术，尤其是那些需要耐磨、耐蚀及特殊要求的场合。随着社会的进步，科学的发展，离子镀技术必将加完善。 目录
离子镀膜(PVD ) 技术和设备常见问题解答 Q1: 请问什么是PVD？ A1: PVD是英文Physical Vapor Deposition的缩写，中文意思是“物理气相沉积”，是指在真空条件下，用物理的方法使材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术。 Q2: 请问什么是PVD镀膜？什么是PVD镀膜机？ A2: PVD(物理气相沉积)技术主要分为三类，真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜。相对于PVD技术的三个分类，相应的真空镀膜设备也就有真空蒸发镀膜机、真空溅射镀膜机和真空离子镀膜机。 近十多年来，真空离子镀技术的发展是最快的，它已经成为了当代最先进的表面处理方法之一。我们通常所说的PVD镀膜，指的就是真空离子镀膜；通常所说的PVD镀膜机，指的也就是真空离子镀膜机。 Q3: 请问PVD镀膜的具体原理是什么？ A3: 离子镀膜（PVD镀膜）技术，其原理是在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质电离，在电场的作用下，使被蒸发物质或其反应产物沉积在工件上。 Q4: 请问PVD镀膜与传统的化学电镀（水电镀）相比有何优点？ A4: PVD镀膜与传统的化学电镀的相同点是，两者都属于表面处理的范畴，都是通过一定的方式使一种材料覆盖在另一种材料的表面。 两者的不同点是：PVD镀膜膜层与工件表面的结合力更大，膜层的硬度更高，耐磨性和耐腐蚀性更好，膜层的性能也更稳定；PVD镀膜可以镀的膜层的种类更为广泛，可以镀出的各种膜层的颜色也更多更漂亮；PVD镀膜不会产生有毒或有污染的物质。 Q5: 请问PVD镀膜能否代替化学电镀？ A5: 在现阶段，PVD镀膜是不能取代化学电镀的，并且除了在不锈钢材料表面可直接进行PVD镀膜外，在很多其他材料（如锌合金、铜、铁等）的工件上进行PVD镀膜前，都需要先对它们进行化学电镀Cr(铬)。PVD镀膜主要应用在一些比较高档的五金制品上，对那些价格较低的五金制品通常也只是进行化学电镀而不做PVD镀膜。 Q6: 请问采用PVD镀膜技术镀出的膜层有什么特点？ A6: 采用PVD镀膜技术镀出的膜层，具有高硬度、高耐磨性（低摩擦系数）、很好的耐腐蚀性和化学稳定性等特点，膜层的寿命更长；同时膜层能够大幅度提高工件的外观装饰性能。 Q7: 请问PVD能在镀在什么基材上？ A7: PVD膜层能直接镀在不锈钢以及硬质合金上，对锌合金、铜、铁等压铸件应先进行化学电镀铬，然后才适合镀PVD。 Q8: 请问PVD镀膜能够镀出的膜层种类有那些？ A8: PVD镀膜技术是一种能够真正获得微米级镀层且无污染的环保型表面处理方法，它能够
多弧离子镀DLC涂层的结构与力学性能文献综述 1.1多弧离子镀概述 1.1.1多弧离子镀概念 多弧离子镀与一般的离子镀相比有很大区别。多弧离子镀采用弧光放电，而不是传统离子镀的辉光放电以进行沉积。简单说，多弧离子镀的原理就是将阴极靶作蒸发源，通过靶与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发，从而在空间中形成等离子体，对基体进行沉积。 离子镀技术是结合了蒸发与溅射技术而发展的一种 PVD 技术。它对产品，特别是刃具之类的工具表面起着装饰和提高寿命的作用。多弧离子镀最早起源于苏联，美国于1980 年由 Multi-arc 公司引进，是上世纪 80 年代兴起的高新表面处理技术，Multi-arc 公司推广并使之实用化，它的发明使薄膜技术进入了一个崭新的阶段。在随后的几十年的时间里，该技术有了突飞猛进的发展。至今欧美国家仍然大力发展多弧离子镀膜技术。[1] 1.1.2多弧离子镀的基本结构 多弧离子镀的基本组成包括真空镀膜室，阴极弧源，基片，负偏压电源，真空系统等。阴极弧源是多弧离子镀的核心，它所产生的金属等离子体自动维持阴极和镀膜室之间的弧光放电。微小狐班在阴极靶面迅速徘徊，狐班的电流密度很大，电压为20V左右。由于微弧能量密度非常大，狐班发射金属蒸汽流的速度可达到10的8次方m/s.阴极靶本身既是蒸发源，又是离化源。外加磁场可以改变阴极狐班在靶面的移动速度，并使狐班均匀，细化，以达到阴极靶面的均匀烧蚀，延长靶的使用寿命。[1] 在靶面前方附近形成的金属等离子体，有电子，正离子，液滴和中性金属蒸汽原子组成，由于金属蒸汽原子仅占很小部分（低于百分之二），因而在基片上沉积的粒子束流中几乎全部由粒子和液滴组成。 为了解释这种高度离化的过程，已建立了一种稳态的蒸发离化模型。该模型认为，由于阴极狐班的能流密度非常大，在阴极的表面上形成微小熔池，这些微小熔池导致阴极靶材的剧烈蒸发。热发射和场至发射共同导致电子发射，而且电子被阴极表面的强电场加速，以极高的速度飞离阴极表面，在大约一个均匀自由程之后，电子与中性原子碰撞，并使之离化，这个区域称之为离化区。在这一区域内，高度的热等离子体被形成了。由于电子比离子轻得多，所以电子飞离离化区的速度要比重离子高得多，这样在离化区就出现正的空间电荷云。
电镀工艺一览表 什么是电镀: 就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。电镀时，镀层金属做阳极，被氧化成阳离子进入电镀液;待镀的金属制品做阴极，镀层金属的阳离子在金属表面被还原形成镀层。为排除其它阳离子的干扰，且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液，以保持镀层金属阳离子的浓度不变。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层(deposit),改变基材表面性质或尺寸.电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属)、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性、和表面美观。 电镀工艺一览表 1、不烘烤防爆热镀锌 2、彩色镀铬 3、长金属管内孔表面化学镀镍磷工艺 4、超声快速热浸镀 5、瓷砖表面镀覆贵金属的方法 6、大面积一次性精确刷镀技术 7、单槽法镀多层镍工艺 8、低浓度常温镀(微孔)铬添加剂及其应用工艺 9、低碳钢丝快速酸性光亮镀铜工艺 10、低温镀铁加离子轰击扩渗强化技术 11、电镀锡铋合金镀液及其制备方法
12、电解活化助镀剂法热镀铝锌合金工艺 13、电炉锌粉机械镀锌工艺 14、电刷镀法刷镀铅—锡—铜减磨耐磨层的镀液 15、电刷镀阳极 16、镀铬废槽液浓缩熔融除杂回收法 17、镀铬废水废渣提铬除毒法 18、镀铬废水中铬的回收方法 19、镀铝薄膜的常温快速阳极氧化技术 20、镀镍溶液及镀镍方法 21、镀镍溶液杂质专用处理剂 22、镀铜合金及其生产方法 23、镀铜添加剂及其制备方法和在焊丝镀铜中的应用 24、镀锌钢件表面附着有色镀层的方法 25、镀锌光亮剂主剂及用其组成的光亮剂 26、镀锌基合金的钢板的铬酸盐处理方法 27、镀锌件表面化学着黑剂 28、镀锌喷塑双层卷焊管的生产工艺、设备及产品 29、镀锌三价铬白色钝化液 30、镀锌添加剂的合成与应用工艺 31、镀银浴及使用该镀银浴的镀银方法 32、钝化法热浸镀铝及铝合金工艺 33、多层镍铁合金复合涂镀工艺
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 负偏压对多弧离子镀TiN 薄膜结构和沉积速率的影响(1) 采用多弧离子镀设备在抛光后的高速钢表面沉积TiN 薄膜,在其他参数不变的情况下，着重考察偏压对薄膜的沉积速率的影响。实验结果表明, 随着负偏压的增加，沉积速率不断增加，但在负偏压达到一定值后，沉积速率又随偏压增大而减小。 TiN 薄膜由于其具有高硬度、低摩擦系数、良好的化学惰性、独特的颜色以及良好的生物相容性等，在机械工业、塑料、纺织、医学工业及微电子工业等领域得到广泛应用，并成为目前工业研究和应用最为广泛的薄膜材料之一。制备TiN 膜的方法很多, 其中多弧离子镀是当今工业上应用最多的技术之一。该技术源于60 年代,之后得到了飞速发展。多弧离子镀沉积的薄膜具有膜基附着力强、膜层致密度大、可镀材料广泛、绕镀性好、沉积温度低等许多优点。但是镀膜过程中, 影响膜层质量的因素很多。国内外研究表明影响多弧离子镀的主要工艺参数有阴极靶的工作电流、反应气体压强、基体负偏压、氮气分压及基体沉积温度。 本文主要考察负偏压对沉积速率的影响，当基体被施加负偏压时，等离 子体中的离子将受到负偏压电场的作用而加速飞向基体。到达基体表面时，离子轰击基体，并将从电场中获得的能量传递给基体，导致基体温度升高，因此基体负偏压在离子镀中对薄膜的沉积速率、内部的残余应力、膜与基体的结合力以及膜/ 基体系的摩擦性能有显著影响。改变基板负偏压可以调整沉积离子的能量、基片表面的温度，以控制涂层质量。负偏压对多弧离子镀TiN 的结构和性能的影响已有大量的研究报道，但负偏压对薄膜沉积速率的影响，报道较少。本文拟研究负偏压对薄膜沉积速率的影响规律。
离子镀膜法简述 信材080（10082953）李煊 摘要：本文简述离子镀膜法的作用原理、相关使用的设备、与其余镀膜法相比较而言的特点与应用举例，在特点方面举出了附着性能好、绕镀能力强等优点特性并详细讨论,之后用详细的图表展示了在耐磨、耐热、耐腐蚀、润滑、装饰、电子工业集成电路等方面的应用,并且讨论了该方法现今的发展状况和未来的发展趋势 关键词：离子镀；放电；离子束；加热加工 1 前言 在现代生活中表面技术是非常重要的。通过机械结合、喷涂、化学镀、电镀或蒸镀等方法可以使材料与基体材料结合，然而这些方法存在很多缺陷，就比方说，膜层与基体结合强度低，膜层材料的纯度不高，膜层结构难以控制，膜层厚度不均匀等，导致失效现象广泛存在于材料的实际应用中。尤其是材料的表面处理，它是制约其发展的一大问题。 薄膜技术是表面工程三大技术之一，利用近代技术在零件或（衬底）表面上沉积厚度为100 nm至数微米薄膜的形成技术，称之为薄膜技术。薄膜的应用极为广泛，微电子工业中广泛采用铝合金作为布线膜层材料，金、银、铜、铂、镍等难熔金属作为导电薄膜在防电磁信息泄露材料中应用广泛。尤其是银和铜，将银与聚酯材料结合做成导电涂层通过涂敷的方式与基体结合，它的主要缺点是纯度低、结合强度低。在航空及航宇工业中，各种飞机、导弹、卫星、飞船的零部件经常在复杂而有害的条件下工作。以飞机为例，机翼、机身的蒙皮以及起落架等外表零部件，均受着大气、水份、灰尘以及燃料燃烧生成物中所含的化学活性气体的直接腐蚀。水上飞机的外表部分，特别是机体和浮筒，经常受到海水、湖水或河水的侵蚀；航空发动机的燃烧室、涡轮零件及气缸活塞零件，也经常受到高温和含酸及其他活性物质的燃气气流的氧化。还有诸如航空轴承、微型输电装置、精密齿轮、电位计等一类仪表元件，也经常受到不同程度的摩擦磨损。要使上述各种零部件能够适应耐温、防蚀、耐磨等苛刻要求，单纯从零件的结构或材料上想办法，往往是不够的。怎么办呢？当前使用最广的办法之一就是采用表面镀膜的方法来保护零部件的基体，使其满足上述要求。这正如人们根据不同环境条件穿上不同的衣衫一样，根据需要给零件镀上一层耐热、防腐或耐磨的镀层。 离子镀是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发，物质离子的轰击下，将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。其中包括磁控溅射离子镀、反应离子镀、空心阴极放电离子镀（空心阴极蒸镀法）、多弧离子镀（阴极电弧离子镀）等。
薄膜/涂层制备技术 (磁控溅射和电弧离子镀)及应用
雷浩
薄膜/涂层的概念与特点
概念：薄膜/涂层是一类用特殊方法获得的，依 靠基体支撑并具有与基体不同的结构和性能的 二维材料。薄膜(Films)：厚度 < 1m,如光电功 能薄膜等；涂层(Coatings)：厚度 ≥ 1m,如硬质 涂层、防护涂层等。
薄膜/涂层特征： 1）厚度 （纳米，微米，毫米） 2）有基体支撑（不是单独存在的） 3）特殊的结构和性能（与块体材料相区别） 4）特殊的形成方式
薄膜/涂层的概念与特点与分类
应用： 光学薄膜、微电子薄膜、光电子学薄膜、集成电路薄 膜、防护功能薄膜。
? 种类：
（1）以材料种类划分：金属、合金、陶瓷、半导体、化 合物、高分子薄膜等。 （2）以晶体结构划分：单晶、多晶、纳米晶、非晶 （3）以厚度划分：纳米薄膜，微米薄膜和厚膜。 （4）以薄膜组成结构划分：多层薄膜，梯度薄膜，复合 薄膜。
薄膜/涂层的种类及应用
? 电子工业：电极、电阻膜、电介质膜、绝缘膜、 透明导电膜、超导膜等。
? 光学工业：荧光膜、反射膜、增透膜、干涉膜 等。
? 机械工业：硬化膜、耐热膜、耐腐蚀膜等。 ? 能源工业：聚热膜、防反射膜、透射膜等。 ? 传感器：热敏、气敏、压敏、氧气传感器、红
外线传感器等。 ? 其它：装饰膜等。
薄膜和涂层的制备方法
湿式成膜 干式成膜
电镀 化学镀 微弧氧化 溶胶-凝胶膜
涂敷法（喷涂、甩胶、浸涂）
热浸渗（化学热处理）、热扩散法 电阻热蒸发
物理气相沉积 （PVD）
真空蒸发镀 溅射沉积
电子束蒸发 激光蒸发
电弧离子镀
化学气相沉积 （CVD）
等离子体增强CVD(PECVD) 辉光CVD，热丝CVD
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 多弧离子镀TiN 薄膜颜色性能的研究 用多弧离子镀技术在3Cr13 不锈钢表面沉积TiN 薄膜，用扫描电子显微镜和可见光分光光度计研究了大颗粒、氮气流量与靶电流对膜层颜色性能的 影响及其作用规律。结果表明，大颗粒由表面结晶层、中间层和液滴层组成， 大颗粒数量较少时不会影响薄膜的颜色性能。增加氮气流量，样品的反射率呈 下降趋势，颜色坐标红/绿值a* 和黄/蓝值b* 增大，明度L* 减小，彩度指数C*ab 增大，色调角H*ab 减小，薄膜颜色由银灰色逐渐变化为深黄色; 然而，随着靶电流的增大，色调角H*a b 增大，彩度指数C*ab、红/绿值a* 和黄/蓝值b* 减小，薄膜颜色从深黄色逐渐变为银白色。靶电流的变化改变了膜层中钛和氮 的原子比，可对氮气流量的变化起到补偿作用。 不锈钢本身具有优良的耐蚀，耐磨等特性，目前已广泛应用于日用、汽 车工业、建筑等方面，随其需求领域的扩大，彩色不锈钢悄然问世。彩色不锈 钢不仅增加了装饰性和艺术性，而且提高了钢的耐蚀性和耐磨性。如今，彩色 不锈钢的应用越来越广，要求也越来越高。不锈钢的表面技术处理技术直接影 响着彩色不锈钢的应用和发展，对研究不锈钢表面着色具有较大的实用价值和 实际意义。 TiN 薄膜具有硬度高，化学惰性好，颜色独特等优点，在耐磨和耐腐蚀的表面涂层，半导体的扩散阻挡层，装饰行业等均有广泛应用。采用多弧离子 镀技术在金属表面制备仿金氮化钛装饰膜层具有生产效率高、工艺成本低、膜 层性能稳定等优点，该方法已经进入实用化的生产阶段。本文旨在系统研究大 颗粒、氮气流量与靶电流对膜层色泽的影响及其变化规律，为采用多弧离子镀 制备氮化钛仿金装饰膜及优化膜层色泽提供依据。
磁控溅射镀膜原理及工艺 摘要：真空镀膜技术作为一种产生特定膜层的技术，在现实生产生活中有着广泛的应用。真空镀膜技术有三种形式，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。这里主要讲一下由溅射镀 膜技术发展来的磁控溅射镀膜的原理及相应工艺的研究。 关键词：溅射；溅射变量；工作气压；沉积率。 绪论 溅射现象于1870年开始用于镀膜技术，1930年以后由于提高了沉积速率而逐渐用于工业生产。常用二极溅射设备如右图。 通常将欲沉积的材料制成板材-靶，固定在阴 极上。基片置于正对靶面的阳极上，距靶一定距离。 系统抽至高真空后充入（10～1）帕的气体（通常 为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间 即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作用下 飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出 的靶原子称为溅射原子，其能量在1至几十电子伏 范围内。溅射原子在基片表面沉积成膜。其中磁控 溅射可以被认为是镀膜技术中最突出的成就之一。 它以溅射率高、基片温升低、膜-基结合力好、装 置性能稳定、操作控制方便等优点，成为镀膜工业 应用领域(特别是建筑镀膜玻璃、透明导电膜玻璃、 柔性基材卷绕镀等对大面积的均匀性有特别苛刻 要求的连续镀膜场合)的首选方案。 1磁控溅射原理 溅射属于PDV（物理气相沉积）三种基本方法：真空蒸发、溅射、离子镀（空心阴极离子镀、热阴极离子镀、电弧离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀、直流放电离子镀）中的一种。 磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar正离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar正离子来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰
多弧离子镀 离子镀膜 真空离子镀膜于1963年由D.M.Mattox提出，并开始实验。1971年Chamber等发表电子束离子镀技术，1972年B报告了反应蒸发镀（ARE）技术，并制作了TIN及TIC超硬膜。同年，MOLEY和SMITH将空心阴极技术应用于镀膜。20世纪八十年代，国内又相继出现了多弧离子镀及电弧放电高真空离子镀，至此离子镀达到工业应用水平。 离子镀膜原理及种类： 离子镀是真空室中，利用气体放电或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质粒子轰击作用的同时，将蒸发物或反应物沉积在基片上。离子镀把辉光放电现象、等离子体技术和真空蒸发三者有机结合起来，不仅能明显地改进了膜质量，而且还扩大了薄膜的应用范围。其优点是薄膜附着力强，绕射性好，膜材广泛等。D.M.首次提出离子镀原理，起工作过程是： 先将真空室抽至4×10（-3）帕以上的真空度，再接通高压电源，在蒸发源与基片之间建立一个低压气体放电的低温等离子区。基片电极接上5KV 直流负高压，从而形成辉光放电阴极。辉光放电去产生的惰性气体离子进入阴极暗区被电场加速并轰击基片表面，对其进行清洗。然后计入镀膜过程，加热使镀料气化，起原子进入等离子区，与惰性气体离子及电子发生碰撞，少部分产生离化。离化后的例子及气体离子以较高能量轰击镀层表面，致使膜层质量得到改善。 离子镀种类很多，蒸发远加热方式有电阻加热、电子束加热、等离子电子束加热、高频感应加热等 然而多弧离子镀与一般的离子镀有着很大的区别。多弧离子镀采用的是弧光放电，而并不是传统离子镀的辉光放电进行沉积。简单的说，多弧离子镀的原理就是把阴极靶作为蒸发源，通过靶与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发，从而在空间中形成等离子体，对基体进行沉积。
?机械制造?周陶,等?工艺参数对多弧离子镀TiAlN 涂层铝含量和硬度的影响 基金项目:国家自然科学基金(51275247)；江苏高校优势学科建设工程资助项目 作者简介:周陶(1990-),男,江苏苏州人,硕士研究生,主要研究方向:涂层硬质合金刀具三 DOI :10.19344/ｊ.ｃnki.issn1671-5276.2017.05.004 工艺参数对多弧离子镀TiAlN 涂层 铝含量和硬度的影响 周陶,袁军堂,汪振华,黄雷 (南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094) 摘 要:为研究不同工艺参数对多弧离子镀制备TiAlN 涂层性能的影响规律,设计了L9(34)正交试验表,并通过试验研究了弧电流二衬底负偏压二氮气/氩气流量比以及腔体压强对涂层Al 含量和硬度的影响规律,得到了最佳工艺参数优化组合三结果表明:影响Al 含量的因素按重要性排序依次是:腔体压强二氮气/氩气流量比二衬底负偏压二弧电流三影响涂层硬度的因素按重要性排序依次是:弧电流二氮气/氩气流量比二腔体压强二衬底负偏压三关键词:多弧离子镀；TiAlN 涂层；正交分析；Al 含量；硬度 中图分类号:TG174 文献标志码:A 文章编号:1671-5276(2017)05-0015-05 Effects of Deposition Parameters on Aluminum Content and Hardness of TiAlN Coatings bｙMulti -arc Ion Plating Techniｑue ＺHOＵTao ,YＵAN Jｕntang ,ＷANG Ｚhenhｕa ,HＵANG Lei (School of Mechanical Engineering ,Ｎanｊing Ｕniｖerｓity of Science and Technology ,Ｎanｊing 210094,Ｃhina ) Abstract :The effectｓof depoｓition parameterｓon aluminum content and hardneｓｓof TiAlＮhard coatingｓｂy multi -arc ion plating techniｑue are reｓearched on.Ｂy the eｘperiment ,thiｓpaper analyｚeｓthe influence of four different factorｓ:arc current ,negatiｖe ｂi-aｓ,nitrogen /argon floｗratio and caｖity preｓｓure ,on Al content and hardneｓｓ.The reｓultｓindicate that the factorｓhaｖing influence on the aluminum content are caｖity preｓｓure ,nitrogen /argon floｗratio ,negatiｖe ｂiaｓand arc current in turn ,and the factorｓhaｖing influence on the coating hardneｓｓare arc current ,nitrogen /argon floｗratio ,caｖity preｓｓure and negatiｖe ｂiaｓin turn. Ｋeｙｗords :multi -arc ion plating techniｑue ；TiAlＮcoatingｓ；orthogonal analyｓiｓ；aluminum content ；ｓurface hardneｓｓ ０ 引言 硬质涂层刀具自20世纪70年代起经历了跨越式发展,其中以TiN 为代表的第一代涂层刀具具有较高的硬度和耐磨性,显著提高了加工效率和表面质量,得到广泛的运用 [1] 三然而随着钛合金等多种难加工材料的出现,第 一代涂层刀具已经无法满足现代切削加工的要求三 在此基础上,研究人员开发出以TiAlN 为代表的第二代涂层刀具,并由G.Gühring KG 于1989年首次应用于商业切削刀具市场 [2] 三与TiN 相比,TiAlN 涂层除具有热硬 度高二氧化温度高二化学稳定性好的特点,还具有附着力强二摩擦系数小二热导率低等优良特性[3],尤其适用于高速切削高温合金钢二不锈钢二钛合金二镍合金等材料三鉴于TiAlN 涂层刀具在高温性能方面所表现出巨大优势,有望逐渐替代TiN 涂层刀具三 自1985年Knotek 等首次发表了关于TiAlN 涂层的研究成果后,各国科研人员已经用多种物理气相沉积(PVD )法成功制备了TiAlN 涂层[4],如多弧离子镀二空心阴极离子镀二磁控溅射和离子束等三现阶段涂层刀具的工 业化生产中,多弧离子镀因具有沉积速率高和膜基结合力好等优点,已经成为制备TiAlN 涂层刀具的主要方法之一三 王萌萌[5]等研究了脉冲偏压对多弧离子镀法制备TiAlN 涂层的成分和结构的影响,发现随着偏压峰值的增大,表面大颗粒逐渐减少,致密性逐渐变好,涂层硬度也随之增加；梁俊才[6]等研究了TiAlN 涂层制备过程中Ti 元素和Al 元素存在形式的演变,发现Ti 元素和Al 元素在TiAl 合金靶材中以纯Ti 相和纯Al 相存在；在TiAl 涂层中以纯Ti 单质相和Ti 3Al 合金相存在；在TiAlN 涂层中以面心立方TiN 相和密排六方AlN 相存在；Ｗei Y Ｑ[7]等采用磁过滤多弧离子镀法在M2钢上制备TiN /TiAlN 多层膜,有效抑制了大颗粒的产生,结合力达到75N ；Li M X [8]等研究了真空退火对多弧离子镀制备TiAlN 涂层的结构和力学性能的影响,发现900?退火之后,由于ｃ-TiN 和ｃ-AlN 相的形成,涂层的硬度达到39GPa 三 影响多弧离子镀制备TiAlN 涂层结构和性能的工艺 参数有很多,主要有弧电流二衬底负偏压二衬底温度二氮气分压和腔体压强等三通过合理的试验设计,快速的制备高性能TiAlN 涂层尤为重要三本文通过正交试验的方法,重 ? 51?万方数据
一引言 多弧离子镀设备中阴极电弧蒸发源(靶)的真空电弧放电共工作电流一般为60～100A或更高些，工作电压约20V，电弧电流集中在靶面的阴极弧斑上，斑点面积很小，电流密度很高。在无外加磁场的情况下，阴极孤斑在靶面上的运动是无规则的，其颠簸运动速度达每秒几米，由于这种无规则的运动，若斑点移到蒸发面以外，可能导致灭弧、损坏装置及污染膜层。如何使蒸发源稳定工作，提高蒸发源的工作性能，对提高设备的整机水平，提高膜层质量极为重要。 二多弧靶真空电弧稳定性的影响因素 对多弧靶真空电弧的稳定性问题，许多科技工作者已避行了大量的试验研究工作-发表过许多论文，提出了一些提高电弧燃烧稳定性办法。L.P.Sablev曾提出采用间隙屏蔽和采用一些反馈机构来提高电弧的稳定性；H.Wroe建议采用磁场限制阴极弧斑的运动；C.F.Morrison.Jr则利用限弧环限制弧斑移离蒸发表面的办法来维持电弧的正常燃烧。 通过大量的实验研究发现，多弧靶电弧放电的稳定性与许多因素有关。影响效果最显著的是磁场对电弧燃烧稳定性的影响；同时阴极表面的清洁程度、阴极靶面的几何尺寸、几何形状及表面状态、阴极靶面的表面温度、电弧电流的大小、真空室内真空度及环境气氛种类等对多弧靶电弧燃烧的稳定性都有不同程度的影响。 三、实验现象及分析 1．磁场对多弧靶电弧燃烧稳定性的影响多弧离子镀设备靶源的真空电弧放电是以场致发射为主，热电子发射为辅。场致发射所需的强电场是靠靶面前的空间电荷产生的，这种真空电弧放电具有相当高的离化率，一般离化率为60％～90％，在真空室内特别是靶面附近基本上是完全的等离子体。由于磁场对带电粒子的运动具有很大的影响，从而真空电弧受磁场的控制。 无外加磁场情况下，阴极弧斑为堆团状，且在靶面上无规则运动，这时电弧燃烧极不稳定，时常灭弧，靶面刻蚀极为粗糙。 在靶面附近加一非轴对称磁场且磁力线平行于靶面的情况下电弧放电的弧斑形貌，这种情况下弧斑亦为堆团状，其运动是沿一个方向(与磁场方向有关)，最后停留于靶面外沿一点至到灭弧。 当靶面处加一相对千靶面轴对称的磁场时，堆团状弧斑消失，弧班在靶面上绕靶轴心作旋转运动，形成几条微细的弧环。这种情况下的放电稳定性较好。在阴极靶面上，弧斑位置受磁场控制，靶面处电弧燃烧比较稳定的地方也就是磁场最强的地方。