多弧离子镀PPT课件

多弧离子镀磁控溅射复合沉积
多弧离子镀磁控溅射复合沉积是一种先进的表面处理技术，常用于制备功能性薄膜材料。

其工艺过程包括离子镀、磁控溅射和复合沉积三个步骤。

在离子镀步骤中，将基片作为阴极放置在离子源中，通过电弧放电或射频加热使金属阳极材料释放离子。

离子在离子源内被加速并排列成束，然后通过减速器进入装置的真空室。

离子束在进入真空室后会被聚焦并沉积在基片表面，形成均匀的金属薄膜。

这一步骤可以提高基片表面的粗糙度和增加表面活性位点数量。

在磁控溅射步骤中，将基片作为靶材放置在溅射室中，真空室内注入惰性气体（如氩气）。

通过电弧放电或射频放电，使靶材表面产生高温等离子体，使靶材表面的原子或分子离开靶材并冲击基片表面。

这个过程可以形成一层均匀致密的薄膜，增加基片表面的硬度和抗腐蚀性能。

复合沉积步骤是将离子镀和磁控溅射两个步骤结合起来，以更好地改善薄膜的性能。

通常先进行离子镀步骤，增加基片表面的活性位点数量，然后再进行磁控溅射步骤，形成一层均匀的薄膜。

这种复合沉积可以延长薄膜的使用寿命，提高其机械强度和耐磨性。

多弧离子镀磁控溅射复合沉积技术具有较高的沉积速率、良好的薄膜质量和复杂化学成分的调控能力。

它广泛应用于光学薄
膜、电子薄膜、功能性涂层等领域，如太阳能电池、显示器件和传感器等。

多弧离子镀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，对工件进行沉积镀膜. 工艺参数：1、靶源电流。

靶源电流与弧斑的数目成正比。

2、反应气体压强。

反应气体分压的大小直接影响涂层的化学成分、组织结构及性能。

3、基底负偏压。

镀膜真空室内为等离子气体气氛所填充，等离子体中含有大量的离子、电子及中性粒子。

当基底被施加负偏压时，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底。

到达基底表面时，离子轰击基底，并将从电场中获得的能量传递给基底，导致基底温度升高。

高的负偏压在给基底加热的同时高能量离子的溅射作用也有利于清除工件表面吸附的气体和污染物;在沉积期间，偏压又为离子提供能量使膜层与基底紧密结合。

4、基底温度。

基底温度的高低可以影响到基底对气体杂质的吸附、基底的硬度、渗透层的深度、膜层硬度及附着力等。

根据吉布斯的吸附原理可知温度越高，基底对气体杂质的吸附越少。

优点：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)金属离化率高，可达80%以上，因此镀膜速率高，有利于提高膜基附着性和膜层的性能.3)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源.4)沉积速度快，绕镀性好.5)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，因而膜的附着力高缺点：主要是在制备过程中一些大的金属颗粒、熔滴易沉积到工件表面上去，使得膜层致密性降低，表面不光滑、不细腻，直接影响到薄膜的各种性能。

多弧离子镀原理阴极材料即是镀膜材料. 在10 ～10 - 1 Pa真空条件下,接通电源并使引弧电极与阴极瞬间接触,引发电弧,在阴极表面产生强烈发光的阴极斑点,斑点直径在100um以下,斑点内电流密度可达105 ~107A/cm2温度达8000一10000K。

多弧离子镀靶材多弧离子镀靶材是一种用于表面涂层处理的重要材料。

离子镀是一种将离子束引入靶材并通过高能离子轰击靶材表面形成薄膜的过程。

多弧离子镀靶材是指在离子镀过程中使用多个离子源的靶材，通过调节不同离子源的工作参数，可以实现对薄膜成分和性能的控制。

多弧离子镀靶材的制备过程主要包括靶材制备、离子源配置和离子镀工艺参数调节三个步骤。

靶材制备是多弧离子镀靶材制备的第一步。

常用的靶材材料有金属材料、陶瓷材料和复合材料等。

靶材的选择要根据所需涂层的性能要求来确定，同时还需要考虑靶材的成本、稳定性和可加工性等因素。

靶材的制备通常包括材料选取、预处理、成型和烧结等工艺步骤。

离子源配置是多弧离子镀靶材制备的关键一步。

离子源是产生离子束的装置，它可以将固体材料转化为离子，并将离子束引入靶材表面。

多弧离子镀靶材通常采用多个离子源的组合配置，每个离子源可以提供不同成分的离子束。

通过调节离子源的工作参数，如电弧电压、电弧电流和离子源间距等，可以控制离子束的能量和流强，从而实现对薄膜成分和性能的调控。

离子镀工艺参数调节是多弧离子镀靶材制备的最后一步。

离子镀是通过离子束的轰击和沉积形成薄膜的过程，离子镀的工艺参数对薄膜的成分和性能有着重要影响。

常用的离子镀工艺参数包括离子束能量、离子束流强度、沉积时间和离子束的轰击角度等。

通过调节这些工艺参数，可以控制薄膜的成分均匀性、致密性和附着力等性能。

多弧离子镀靶材具有许多优点。

首先，多弧离子镀靶材可以实现对薄膜成分和性能的精确控制。

通过调节不同离子源的工作参数，可以实现多种不同材料的混合镀膜，从而获得具有特定成分和性能的薄膜。

其次，多弧离子镀靶材可以实现大面积均匀镀膜。

离子源的多个工作区域可以同时对靶材进行离子轰击，从而提高镀膜的均匀性和效率。

此外，多弧离子镀靶材还具有成本低、工艺灵活和环境友好等优点。

多弧离子镀靶材在许多领域都有广泛应用。

在光学领域，多弧离子镀靶材可以制备具有特定光学性能的薄膜，用于制造光学镜片、滤光片和反射镜等光学元件。

2006年10月重庆大学学报(自然科学版)Oc.t2006　第29卷第10期Jour nal of Chongqi n g Unive rsity(Nɑt u rɑl Sc i e nce Edition)V o.l29　No.10 文章编号:1000-582X(2006)10-0055-03多弧离子镀技术及其应用*姜雪峰,刘清才,王海波(重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆　400030)摘　要:多弧离子镀技术是离子镀技术的一种改进方法,它是把弧光放电作为金属蒸发源的表面涂层技术.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.介绍了多弧离子镀技术的原理、特点,并在总结和归纳了以往大量实验研究及国内外文献的基础上,分析了多弧离子镀技术的工艺发展及其在各个领域的应用,为今后多弧离子镀技术的研究与应用提供了有利借鉴.关键词:镀膜;多弧离子镀;氮化钛 中图分类号:T G174.444文献标识码:A 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.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M u lti-A rc公司首先把这种技术实用化.1　多弧离子镀的原理多弧离子镀的蒸发源结构如图1所示[1],它由水冷阴极、磁场线圈、引弧电极等组成.阴极材料即是镀膜材料.在10～10-1Pa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1～100μm;电流密度很高,可达105～107A/c m2.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.图1　阴极强制冷却多弧离子镀结构示意图2　多弧离子镀的特点多弧离子镀是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*收稿日期:2006-06-11基金项目:机械传动国家重点实验室访问学者项目作者简介:姜雪峰(1974-),男,湖南汉寿人,重庆大学讲师,硕士研究生,主要从事陶瓷材料的研究.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)金属离化率高,可达80%以上,因此镀膜速率高,有利于提高膜基附着性和膜层的性能.3)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源.4)沉积速度快,绕镀性好.5)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.3　多弧离子镀工艺的发展30多年以来,中国已经用多种PVD方法成功制备了多弧离子镀涂层.由于影响膜层质量的因素多而复杂,针对不同的用户,需要设立不同的优化设计方法,以开发质量稳定的、可满足不同用户膜厚要求的工艺条件.因此,不断研究镀膜工艺(参数)与膜层性能(指标)之间的关系,以实现膜层性能预报与工艺优化设计,始终是研究人员致力的目标[2-6].主要影响因素分析:1)氮分压的影响[7-11].研究表明,如果提高氮分压则会改变Ti N涂层的相结构,显著增强显微硬度.磁场强度氮分压的提高有利于增强Ti N涂层的耐磨性.2)择优取向的影响因素[12-16].具有强烈择优取向的涂层表面光亮度高、硬度高、耐磨性好,与基体有较高的结合强度.3)温度[17-20].在保证基体材料不过热的前提下提高沉积温度,有利于提高Ti N涂层的性能.4)基体硬度影响[21].基体材料的硬度越高,Ti N涂层的结合力越好,选择含V量高的材料沉积Ti N涂层,有利于提高涂层结合力.5)膜层的抗高温氧化性的影响因素[22-23].由于T i N存在高温下抗氧化性较差,薄膜韧性较低,内应力较大等不足.AL原子的加入极大地改善了薄膜的抗氧化性能,并且改善了薄膜的脆性.但AL的含量与薄膜硬度并不是完全的线形关系,实验表明:薄膜硬度随薄膜中AL的含量的增加呈先升后降的趋势.因此AL含量的确定是关键.另外,工艺因素对T i A l N涂层也有较大的影响. Ti A l N涂层的组成要受到N2分压、阴极弧流等的影响.4　多弧离子镀的应用自20世纪80年代以来,随着离子镀氮化钛超硬耐磨镀层工艺逐渐完善、镀膜质量的提高,多弧离子镀已广泛地在冶金、机械加工材料上得到实际应用[24-27].4.1　多弧离子镀膜技术在高速钢刀具上的应用涂层高速钢刀具是多弧离于镀最成功的应用之一.涂层高速钢刀具最常用的涂层是Ti N.经过Ti N涂层的高速钢刀具比没有涂层的高速钢刀具硬度提高2～3倍,镀Ti N后的高速钢刀具的摩擦系数大大降低,耐磨性大大提高,说明Ti N涂层具有一定的减摩作用.另外,经过Ti N涂层的高速钢刀具可以提高刀具的使用寿命1～5倍.目前,多弧离子镀膜技术在齿轮刀具、钻头等大多数高速钢刀具中都有广泛的应用.4.2　多弧离子镀膜技术在车辆零部件上的应用离子镀表面涂层技术可在以下场合应用于车辆零部件.1)在轴类零件的表面镀制硬质耐磨膜.离子镀用于轴类等易磨损零件的表面处理,可大大提高所镀表面的显微硬度,改善表面耐磨性,减小摩擦系数,从而降低表面磨损,延长零件使用寿命,还可降低零件运动时产生的噪声,减少环境污染.2)在发动机零件上镀制耐磨耐蚀膜.在活塞顶部、活塞环、汽缸套等直接与燃气接触的发动机零件上镀制一层耐磨损、耐气蚀、隔热的复合膜,使这些零件可在高温下工作,降低其冷却要求,可使大部分热量通过排出的气体带走,大大提高发动机的有效系数和经济性.如果不使用冷却系统,还可减小动力装置的重量和体积,并且有利于降低噪声.3)在发动机曲轴衬套等运动零件上镀制润滑膜层.非平衡纳米等离子体镀膜法(简称NCUPP法)是多弧离子镀范畴内的一种薄膜制备方法,它可镀制出具有良好润滑性能的固体润滑膜.4.3　多弧离子镀膜技术在航空业上的应用1)用于修复速率陀螺的马达轴承,进行轴承外圆表面的增厚处理.用真空多弧离子镀膜技术进行轴承的外圆增厚处理可达到理想的效果,这是因为它所沉积的膜层具有膜厚均匀一致,无边界效应,膜层硬度高,与基体结合牢固,耐磨性及表面光洁度好,沉积厚度可严格控制等优点.2)提高航天用球轴承表面的耐磨性.中国第一代特殊用途卫星测量照相机的镜片托架、镜筒、支撑框架、焦面框架等件采用的都是钛合金材料,其表面处理采用多弧离子镀黑色氮钛膜层工艺处理,可满足产品使用要求.对该航天产品返回地面后跟踪检查,未发现任何问题,黑色氮钛膜层无磨损或脱落现象.3)离子镀工艺镀制热障膜层.为了提高航空发动机涡轮叶片的寿命,增强其抗高温烧蚀的能力,需在涡轮叶片表面镀制一层热障膜层.用多弧离子镀膜工艺镀制N i C r A l Y热障涂层已成功地应用于航空发动机涡轮叶片的表面处理上,经试验及实际应用,取得了满意效果,并逐步应用到多种型号发动机的涡轮叶片的表面处理上.国外用离子镀技术制备了性能更好的优质复合膜层,正研究用于喷气发动机的叶片制造上.4)航空发动机中的应用.在航空发动机制造中,将离子镀技术应用于涡轮叶片镀N i C r A l Y涂层和压气56重庆大学学报(自然科学版) 2006年机叶片镀Ti N涂层等工艺.4.4　多弧离子镀膜技术在冲孔冲模上的应用多弧离子镀入射粒子能量高,在高能量的离子轰击下,可使膜的致密度高,强度和耐久性好.特别是膜层和基体界面原子扩散,因此不仅膜的附着强度好,而且形成了一个有一定厚度的高硬度过渡层.涂层膜本身具有很高的硬度,最高达2000HV左右,故涂层膜和过渡层组成了稳定的耐磨损耐冲击强化区,这显著提高了冲模的耐磨性能和抗冲击疲劳性能.冲孔冲头经多弧离子镀Ti N涂层处理后,使用寿命比原冲头可提高5倍,可显著降低冲模的制造费用.4.5　多弧离子镀膜技术在钟表行业上的应用采用多弧离子镀技术制备各种钟表表面Ti N装饰膜,充分利用弧光放电中高密度、高能量的金属离子流,可成功地制得既具有“伪扩散”层又具有微细柱状晶组织的理想耐磨损和耐腐蚀的T i N仿金涂层.多弧离子镀技术在装饰膜方面的应用有很好的前景.当前,多弧离子镀是沉积Ti N装饰膜的最佳工艺,该技术具有较高的金属离化率和较高的离子能量,因而有利于提高涂层的均匀性和附着性.4.6　多弧离子镀膜技术在装饰上的应用目前很多宾馆大厦外表不是金碧辉煌,就是色彩绚丽.室内装饰或满堂金色,或富丽堂煌,其实这些都是多弧离子镀的杰作.多弧离子镀不仅膜层具有较好的耐磨性和耐蚀性,而且还可在多种材料(包括金属与非金属)上镀制,其色泽变化多样,十分丰富,这是传统的电镀等方法所不能比拟的.5　结　语多弧离子镀能获得普通电镀难以获得的涂层而无污染,除了能镀合金外还能镀活泼金属,如钛、铝等,也可以在钛或铝合金上镀其他金属.离子镀工艺的可镀性极好,基体和镀材的限制很少,在各行各业多弧离子镀镀层的应用正在逐步扩大之中,并将占据越来越重要的地位.参考文献:[1]　胡传.表面处理技术手册[M].北京:北京工业大学出版社,1997.[2]　KAM AR N.Fa ilure M echanis m s o f T i N T hin F il m D iffusionBarriers[J].T hin Soli d F il m s,1988,164:417-420.[3]　M A TTAX D M.Pa rtic l e Bo m bard m ent E ffec ts on Th i n F il mDepo sition:A R ev ie w[J].J V ac Sci Technol,1989,17(3):1105-1110.[4]　TANAKA Y,GUR T M.P rope rties of(T i,XA IX)N Coat-ing for Cutti ng T oo ls P repared by the C athodic A rc Ion P lat-ing M e t hod[J].J V ac Sci T echno l,1992,10(4):1749-1756.[5]　WANG Y K,X I A L F,LEI T O,et a.l A Resea rch onM icro-structure and P roper ties o f(T i,A1)N Coa ting[J].Surf＆Coat Techno l,1995,72:71-75.[6]　SAN C HETTE F,CZERW IEC T.Sputt e ri ng o f A1-Cr andA l-T i Co m po sit e T arge ts in P ure A r and i n Reac tive A r-Cr P las m as[J].Su rf＆Coa t Technol,1997,96:184-190.[7]　曾凤章,徐新乐,吴玉广.多弧离子镀膜工艺的技术开发[J].北京工业大学学报,1999,19(1):127-132.[8]　周细应,万润根,陈凯旋.T i N涂层的正交设计工艺分析[J].热加工工艺,1996,(4):22-23.[9]　王福贞.表面沉积技术[M].北京:机械工业出版社,1989.[10]　薛钰芝,林纪宁,周立梅,等.氮分压对T i N离子镀层影响的研究[J].大连铁道学院学报,1998,19(1):25-29.[11]　严岱年.表面处理[M].南京:东南大学出版社,1996.[12]　周细应,万润根,陈凯旋.T i N涂层的工艺分析[J].南昌大学学报,1994,16(3):30-35.[13]　宫秀敏,叶卫平,孙伟,等.T i N涂层中的择优取向及其对涂层性能的影响[J].机械工程材料,2000,24(1):20-22. 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多弧离子镀原理
多弧离子镀原理是一种表面处理技术，通过在真空环境中利用高能离子束对物体表面进行沉积，形成一层均匀的薄膜。

该技术适用于各种材料的镀膜，例如金属、陶瓷、塑料和玻璃等。

多弧离子镀原理的基本步骤包括：首先将待镀物体放置在真空室内，然后在离子源的帮助下，将金属材料加热至高温状态，使其发射出离子束。

这些离子束经过加速器的加速，最终在物体表面沉积，形成一层均匀的薄膜。

这种技术的主要优点是可以控制薄膜的厚度和组成成分，从而实现不同的应用需求。

此外，多弧离子镀原理还具有高效、均匀、高质量的特点，可以应用于各种工业领域，例如电子、光学、太阳能、航空航天、医疗和汽车等。

总之，多弧离子镀原理是一种高效、均匀、高质量的表面处理技术，具有广泛的应用前景。

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