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。
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：
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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)
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，
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。
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。
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。
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
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。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/d66117613.html, 多弧离子镀膜技术有效运用分析 作者：李洪亮 来源：《世界家苑·学术》2018年第09期 摘要：多弧离子镀技术实为一种基于离子镀技术而创新改进出的较新型技术，现阶段， 其已在多领域中得到广泛应用。本文首先简要分析了多弧离子镀的基本原理及主要特点，探讨了多弧离子镀在多领域中的实际应用。 关键词：多弧离子镀；镀膜；运用 离子镀技术是一种在上个世纪60年代基于真空溅射与真空蒸镀而发展起来的较新型薄膜制备技术，而对于多弧离子镀而言，其则为基于离子镀而不断发展与更新的改进方法，乃是整个离子镀技术架构当中的重要构成。到了上个世纪80年代，Multi-Arc公司（美国）首次将此技术应用于实践。本文就多弧离子镀膜技术的特点、原理及实际应用作一探讨。 1.多弧离子镀的基本原理 针对多弧离子镀而言，其主要由引弧电极、磁场线圈及水冷阴极等构成，所谓阴极材料，从根本上来讲，即为镀膜材料，当处于真空环境中，将电源接通，且使引弧电极瞬间接触于阴极，当引弧电极瞬间离开时，因导电面积瞬间变小，电阻随之增大，局部温度在短时间内会快速升高，造成阴极材料出现不同程度融化，最终造成液桥导电，形成金属蒸发；另外，还需要指出的是，基于阴极表面，通常会形成局部性的、区域性的高温区，此时，等离子体会不断产生，引燃电弧，电源维持弧光放电，在此影响下，阴极表面便会产生许多比较明亮的高电流密度，而且还呈现出高速变化状态；在此大背景下，阴极弧斑会有非常小的尺寸，通常处于1～100μm区间内；具有比较高的电流密度，通常达到105～107A/CM2。各弧斑有着并不长的存在时间，当其以一种爆发性的方式离化并发射电子与离子时，会大量蒸发阴极材料，而在此过程中，于阴极表面周围，金属离子受此影响与驱动，会形成比较典型的空间电荷，另外，还会根据实际情况及环境，构建弧斑生成所需条件，形成全新的弧斑，并持续生成，因而可以较好的保持电弧电流的基本稳定。针对阴极材料而言，通常情况下，其会以每个弧斑60～90%的离化率，在基片表面蒸发与沉积，最终形成膜层。磁场会控制阴极弧斑的速度与运动方向，而适宜的磁场强度会分散与细化弧斑，均匀刻蚀阴极表面。 2.多弧离子镀的基本特点 多弧离子镀主要有如下工艺特点：（1）阴极电弧的蒸发源不会有熔池出现，能在镀膜室中恰当位置随意设置，还可根据实际需要，选用多个电弧蒸发源，最大程度提高沉积速率，从中获得均匀的膜层厚度，除此之外，还能实现基片转动机构的相应简化。（2）较高的金属离化率，通常能够达到80%，所以，有着比较高的镀膜速率，这对膜层性能及膜基附着性的提高，有重要促进作用。（3）一弧多用。电弧不仅是离化源与蒸发源，而且还是离子源与加热