多弧離子鍍的工作原理和技術特點
發布時間：2016-12-02
多弧離子鍍作為物理氣相沉積技術的一個分支，是在真空蒸鍍和真空濺射的基礎上發展起來的一門新型涂層制備技術，也稱為真空弧光蒸鍍法，它把真空電弧放電用于電弧蒸發源。由于多弧離子鍍技術具有沉積速率高、涂層附著力好、涂層致密、操作方便等特點，因此在材料表面改性領域得到了廣泛應用。1963年Mattox提出并首次使用了離子鍍技術；1972年Bunshah等開發出活性反應蒸鍍（ARE）技術；1973年Mulayama等發明了射頻激勵法離子鍍；20世紀80年代，離子鍍已成為世界范圍內的一項高新技術產業，主要產品有高速鋼和硬質合金工具上的TiN、TiAlN耐磨層和TiN仿金裝飾涂層。1982年美國Multi-arc公司首先推出多弧離子鍍商品化設備，1986年我國開始了多弧離子鍍設備的生產。20世紀90年代，離子鍍技術取得了長足的進步，與80年代相比，離子鍍設備和工藝都有了重大的改進。近年來，國內外根據不同使用要求，制造了各種離子鍍膜機設備，有些已達到工業生產水平。以下主要介紹多弧離子鍍技術的工作原理、特點、工藝參數和研究進展，以及多弧離子鍍膜技術在切削刀具涂層中的應用。
多弧離子鍍的工作原理
多弧離子鍍技術的工作原理主要基于冷陰極真空弧光放電理論。圖1為多弧離子鍍工作原理示意圖，點燃真空電弧后，陰極靶材表面上出現一些不連續、大小和形狀多樣、明亮的斑點,它們在陰極表面迅速地做不規則的游動,一些斑點熄滅時又有些斑點在其他部位形成，維持電弧的燃燒。陰極斑點的電流密度達104~105A/cm2,并且以1000m/s的速度發射金屬蒸氣，其中每發射10個電子就可發射1個金屬原子,然后這些原子再被電離成能量很高的正離子（如Ti+）,正離子在真空室內運行時與其他離子結合（如與N-形成TiN），沉積在工件表面形成涂層。
多弧離子鍍的工作原理
多弧離子鍍技術的工作原理主要基于冷陰極真空弧光放電理論。圖1為多弧離子鍍工作原理示意圖，點燃真空電弧后，陰極靶材表面上出現一些不連續、大小和形狀多樣、明亮的斑點,它們在陰極表面迅速地做不規則的游動,一些斑點熄滅時又有些斑點在其他部位形成，維持電弧的燃燒。陰極斑點的電流密度達104~105A/cm2,并且以1000m/s的速度發射金屬蒸氣，其中每發射10個電子就可發射1個金屬原子,然后這些原子再被電離成能量很高的正離子（如Ti+）,正離子在真空室內運行時與其他離子結合（如與N-形成TiN），沉積在工件表面形成涂層。
圖1 多弧離子鍍工作原理示意圖
圖2為真空弧光放電示意圖，真空弧光放電理論認為電量的遷移主要借助于場電子發射和正離子電流，這兩種機制同時存在，而且相互制約。在放電過程中，陰極材料大量蒸發，這些蒸發原子產生的正離子在陰極表面附近很短的距離內產生極強的電場，在這樣強的電場作用下，電子足以能直接從金屬的費米能級逸出到真空，產生所謂的“場電子發射”。
圖 2 真空弧光放電示意圖[
多弧離子鍍的技術特點
多弧離子鍍過程的突出特點在于它能產生由高度離化的被蒸發材料組成的等離子體，其中離子具有很高的動能。蒸發、離化、加速都集中在陰極斑點及其附近很小的區域內。其特點如下：
（1）最顯著的特點是從陰極直接產生等離子體。
（2）入射粒子能量高，涂層的致密度高，強度和耐久性好。
（3）離化率高，一般可達60%～80%。
（4）沉積速度快，繞鍍性好。
（5）設備較為簡單，采用低電壓電源工作比較安全。
（6）一弧多用，電弧既是蒸發源和離化源，又是加熱源和離子濺射清洗的離子源。
（7）外加磁場可以改善電弧放電，使電弧細碎，細化涂層微粒，增加帶電粒子的速率，并可以改善陰極靶面刻蝕的均勻性，提高靶材的利用率。
多弧離子鍍過程的突出特點在于它能產生由高度離化的被蒸發材料組成的等離子體，其中離子具有很高的動能。蒸發、離化、加速都集中在陰極斑點及其附近很小的區域內。其特點如下：
（1）最顯著的特點是從陰極直接產生等離子體。
（2）入射粒子能量高，涂層的致密度高，強度和耐久性好。
（3）離化率高，一般可達60%～80%。
（4）沉積速度快，繞鍍性好。
（5）設備較為簡單，采用低電壓電源工作比較安全。
（6）一弧多用，電弧既是蒸發源和離化源，又是加熱源和離子濺射清洗的離子源。
（7）外加磁場可以改善電弧放電，使電弧細碎，細化涂層微粒，增加帶電粒子的速率，并可以改善陰極靶面刻蝕的均勻性，提高靶材的利用率。
多弧離子鍍設備與技術研究進展
多弧離子鍍設備一般比較簡單，整個設備主要由真空鍍膜室、弧源、真空獲得系統、偏壓源等幾大部分組成。弧源是多弧離子鍍設備的關鍵部件，現在國內一般使用小弧源，直徑為60～80mm，厚度為直徑的1/2。少數離子鍍膜機采用柱狀弧源設計，一臺鍍膜機只裝一個柱狀弧源于真空室中央，工件置于四周。國外有些離子鍍膜機使用大弧源，直徑達100mm，厚度約為直徑的1/4，一臺鍍膜機上裝有12~32個弧源，待鍍工件置于真空室中央。丹普公司正積極地和國內外的企業和科研院所展開技術合作。并且已經在一些比較常用的鍍膜應用領域取得了可喜的成果，鍍膜涂層工藝可以制備具有高硬度、熱穩定性和化學穩定性的氧化鋁涂層，技術可制備許多物理氣相沉積涂層，如TiN、TiCN、AlTiN、AlTiSiN、CrN和DLC等。
多弧離子鍍設備一般比較簡單，整個設備主要由真空鍍膜室、弧源、真空獲得系統、偏壓源等幾大部分組成。弧源是多弧離子鍍設備的關鍵部件，現在國內一般使用小弧源，直徑為60～80mm，厚度為直徑的1/2。少數離子鍍膜機采用柱狀弧源設計，一臺鍍膜機只裝一個柱狀弧源于真空室中央，工件置于四周。國外有些離子鍍膜機使用大弧源，直徑達100mm，厚度約為直徑的1/4，一臺鍍膜機上裝有12~32個弧源，待鍍工件置于真空室中央。丹普公司正積極地和國內外的企業和科研院所展開技術合作。并且已經在一些比較常用的鍍膜應用領域取得了可喜的成果，鍍膜涂層工藝可以制備具有高硬度、熱穩定性和化學穩定性的氧化鋁涂層，技術可制備許多物理氣相沉積涂層，如TiN、TiCN、AlTiN、AlTiSiN、CrN和DLC等。
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