CN109136865A - 一种电弧离子镀装置及沉积硬质涂层工艺 - Google Patents
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Abstract
一种电弧离子镀装置及沉积硬质涂层工艺，该装置由真空室、真空抽气系统、四组弧源和置于其前的转动挡板组成，其中，转动挡板包括清洗挡板及沉积栅网两种，悬挂于真空室上部的转动盘上，有效防止大颗粒污染涂层结构和降低性能，同时还能有效提高对基材加热、清洗和刻蚀以及离子注入效果，显著提高后续制备的硬质防护涂层与基材的结合力，可用于刀具、模具、机械零部件等表面制备硬质防护薄膜和涂层领域。
Description
技术领域
本发明涉及金属等基材表面防护、改性技术领域，尤其涉及真空镀膜技术领域。
背景技术
物理气相沉积(PVD)是将原子或分子从气相中沉积到基体表面，包括蒸镀、溅射沉积、离子镀、脉冲激光沉积和扩散涂覆等工艺。切削刀具、模具、耐磨损零件等经物理气相沉积硬质涂层后，有效提高了其表面硬度、复合韧性、耐磨损性和化学稳定性能等，大幅度提高了工件的使用寿命。电弧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。在真空室内，金属靶材蒸发在气体放电中进行，通过碰撞和电子撞击形成气体和金属的离子，这些离子在电场中被加速飞向衬底并形成涂层。如果在薄膜或涂层的形成过程中通入活性气体（如N2、O2等），则会发生化学反应并得到各种化合物薄膜或涂层。电弧离子镀的主要优点在于靶材的离化率高，所制备的薄膜或涂层沉积速率快，并且薄膜或涂层结构致密。基于以上优点，工业界已广泛采用电弧离子镀技术用于硬质耐磨、抗高温氧化以及改性薄膜或涂层的制备。
真空电弧放电为低电压大电流放电模式，其行为被金属靶材表面许多快速游动、高度明亮的阴极斑点所控制。电弧阴极斑点的产物是电子、金属离子、中性原子和熔化液滴。其中，金属离子是产物的主要部分。金属离子的发射能量比较大（10～100eV），发射方向具有发散性，并且随离开靶材的距离增加该发散性越明显。但是，电弧蒸发的一个重要问题是存在大金属液滴颗粒。金属液滴（大颗粒，下同）进入涂层将恶化所获涂层的质量（结构），并导致涂层的耐磨和耐蚀能力下降。解决大颗粒的一个方法是通过给弧源配备过滤装置从而将大颗粒与离子分离。已知的磁过滤装置是弧源通过一个成九十度角并内部封闭磁场的管子与沉积腔室相连。磁场能够引导电子沿曲线运动，然后通过电场使离子也沿着相同的轨迹运动，不改变运动轨迹的大颗粒碰撞到器壁上，这样就无法到达基材了。但是，这一方法最大的不足在于严重降低了沉积效率，因此应用较少。近年来，有研究者提出并证实，通过加速弧斑在弧源表面的运动可以减少大颗粒，但相应的技术研究还不够成熟。
硬质涂层与基体材料良好的结合是其使役性能的重要保证。但是，由于硬质涂层与基体材料的结构（晶格常数）、硬度以及热膨胀性能存在较大差异，二者之间往往存在较大的应力，导致结合性能无法满足需要，同时也无法获得较厚的硬质涂层对基材进行防护。除对基片进行常规的前处理（机械研磨、抛光以及清洗）外，提高电弧离子镀硬质涂层与基材结合力的方法还包括沉积硬质涂层之前真空室内对基材前处理、加热以及沉积过渡层。
真空室内基材前处理是物理气相沉积技术中一个重要步骤，传统（常规采用）方法一般包括辉光放电清洗和弧光放电清洗两个过程。但是，传统辉光放电存在基材表面刻蚀能量较小以及容易出现尖端燃烧问题。弧光放电依旧存在大颗粒问题。同时，在偏压的作用下，电弧源发射的金属离子的能量远高于惰性气体（工作气体）电离离子能量，不容易控制其对基材轰击的清洗效果，一些时候甚至给基材带来损伤；常规对基材加热的方法是在真空室内安装加热体，以红外辐射的形式对基材进行加热升温。这一方法的问题在于加热效率较低，同时加热体占据真空室一定的空间，使真空室内空间利用率降低。虽然在硬质涂层与基体之间加入一种另外的材料如靶材金属层（性能在两者之间）可以提高涂层与基体的结合力，但中间过渡层与基材依旧存在界面，导致结合力的提高有限。
发明内容
为了解决现有硬质涂层与基体材料结合技术存在的问题，本发明提供了一种弧离子镀装置及沉积硬质涂层工艺。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种电弧离子镀装置，包括真空室、真空抽气系统、弧源和置于转动挡板，真空室内中心处安装转架，真空室连接真空抽气系统，每组弧源的弧源阳极与真空室之间电位可实现悬浮与导通的切换，转动挡板包括清洗挡板和沉积栅网，清洗挡板和沉积栅网间隔均匀分布安装在真空室内的转动盘上，中空结构转动盘通过支撑组件安装于真空室内壁，转动盘连接驱动轮转动驱动装置，转动盘位于转架外侧。
所述真空室内壁均匀分布安装四组弧源，其中一组弧源接地，转动盘上安装与另三组弧源对应的3组清洗挡板及与4组弧源对应的4组沉积栅网，清洗挡板和沉积栅网分别按90度均匀间隔排布。
所述转动盘通过转动盘支撑组件安装于真空室内壁上，转动盘连接转动驱动装置的驱动齿。
所述弧源为柱状弧源或平面弧源，平面弧源沿真空室高度方向每组弧源应由2-4个弧源组成，弧源阳极为具有冷却水道的阳极。
所述清洗挡板的尺寸为弧源的2-3倍，积栅网为50-200目的不锈钢网。
所述清洗挡板和沉积栅网通过绝缘组件安装于转动盘上。
一种采用电弧离子镀装置实现沉积硬质涂层工艺，包括如下步骤：
（a）清洗：对基材需沉积硬质防护层面进行研磨、抛光处理，然后采用溶剂进行超声波清洗；
（b）清洗后基材经干燥后，悬挂于真空室转架。关炉，抽真空至本底真空，加热真空腔室温度为350-600度；
（c）开动转架，通入工作气体并保持真空室压强在0.5-2Pa，3组电弧电流50-200A，电压为10-40V，转动挡板和沉积栅网电位悬浮，清洗挡板通过转动盘转动至弧源正前方；通入氩气与氢气，对基材进行工作气体等离子清洗，转架偏压60-100V，清洗10-20分钟；随后关闭氢气，用氩气等离子体清洗基材，转架偏压100-300V，清洗10-20分钟；
（d）关闭弧源，转动转动盘，将沉积栅网转至弧源正前方，开启弧源沉积硬质涂层。
一种采用电弧离子镀装置实现沉积硬质涂层工艺，包括如下步骤：
（a）清洗：对基材需沉积硬质防护层面进行研磨、抛光处理，然后采用溶剂进行超声波清洗；
（b）清洗后基材经干燥后，悬挂于真空室转架，关炉，抽真空至本底真空。
（c）开动转架，通入工作气体并保持真空室压强在0.02-4Pa，电弧电流50-200A，电压为10-40V，转动挡板通过绝缘组件实现清洗挡板可接电，沉积栅网电位悬浮，清洗挡板通过转动盘转至弧源正前方，将清洗挡板接负电50-300V，转架带正电200-500V，采用电子轰击对基材加热15-60分钟，通过红外测温仪测量基材表面温度至200-700℃合适温度时停止电子轰击；清洗挡板带负电50-300V，转架接负电200-500V，采用工作气体离子轰击对基材刻蚀清洗10-60分钟。
（d）采用挡板接正电50-300V，转架接负电400-1000V，继续通入工作气体并保持真空室压强在0.02-1.5Pa，采用弧源离子轰击注入基材10-30分钟；通入工作气体和含氮和/或含碳反应气体并保持真空室压强在0.02-2Pa，工作气体和反应气体之间分压比为1：2至1：16；保持挡板与弧源间电源负极接挡板50-300V，挡板与转架间电源负极接转架400-1000V，采用氮和/或碳离子轰击注入基材5-20分钟。
（e）关闭弧源，切断转动挡板的电源，转动转动盘，使沉积栅网转至弧源正前方，开启弧源沉积硬质涂层。
所述步骤（c）中，工作气体离子轰击对基材刻蚀清洗10-60分钟后，清洗挡板带正电50-300V，转架接负电200-500V，降低真空室压强至0.02-1.5Pa，采用弧源金属离子轰击基材刻蚀清洗10-60分钟
所述工作气体为惰性放电气体如氩气、氦气和氢气；反应气体为氮源和碳源气体如氮气、氨气、甲烷、乙炔。
本发明的弧离子镀装置及沉积硬质涂层工艺不仅能阻挡大颗粒向基材的运动，有效防止大颗粒污染涂层结构和降低性能，同时还能有效提高对基材加热、清洗和刻蚀以及离子注入效果，显著提高后续制备的硬质防护涂层与基材的结合力，可用于刀具、模具、机械零部件等表面制备硬质防护薄膜和涂层领域。
附图说明
图1是本发明电弧离子镀装置的纵向刨面结构示意图。
图2是本发明电弧离子镀装置的清洗挡板转至弧源正前方的横向刨面结构示意图；
图3是本发明电弧离子镀装置的沉积栅网转至弧源正前方的横向刨面结构示意图。。
图中：10、真空室，101、转架，11、真空抽气系统，12、弧源，120、弧源阳极，130、转动驱动装置，131、清洗挡板，132、沉积栅网，1301、驱动齿，1302、转动盘，1303、转动盘支撑组件。
具体实施方式
基本原理：常规弧光放电过程中的电弧弧源的阳极直接接地，电子从阴极靶面射出后，回到真空腔室的接地端，在这个过程中电子会与工作气体发生碰撞，并离化工作气体，虽然电弧放电过程中气体的离化效果较高，但电子的有效形成很短；本发明通过人为的将弧源的阳极与真空腔室（接地端）之间悬浮电位，同时阳极背面采用悬浮电位的挡板进行遮挡，这样在弧光放电过程中，电子的有效运动行程大大的提高，在运动过程中会进一步的离化工作气体；同时，本发明采用转动挡板对弧光放电中的金属离子及金属大颗粒进行了遮挡，这有利于等离子体的纯洁性（不含有金属离子及大颗粒）可以更好的对基材进行清洗；
本发明采用转动挡板其主要的作用为：一、利用清洗挡板对弧光放电过程中的金属离子及大颗粒的遮挡，可有效获得高能气体离子，对基材进行等离子清洗；二、利用清洗挡板及沉积栅网独立装配在转动盘上，可实现清洗挡板带电，沉积栅网电位悬浮的效果，这样，就可以利用清洗挡板、弧光放电、转架三者之间不同的电位，所引起的不同的粒子从弧光放电中溢出，实现对等离子体的控制，从而进行不同的工艺过程，其具体过程如下：当清洗挡板带负电、转架带正电时，弧光放电中的电子受清洗挡板电场作用溢出，金属离子及大颗粒沉积在清洗挡板上，溢出的电子受带正电的转架的电场吸引，轰击转架上的基材，提升基材的温度；当清洗挡板带负电，转架带负电时，溢出的电子将向弧源的阳极运动，在运动过程中，会离化工作气体，离化的工作气体受转架负电电场的影响，轰击转架上的基材，从而实现对基材的清洗，若转架负电电势增大，可实现工作气体（氮、碳）的离子注入；当清洗衬板带正电，转架带负电时，弧光放电过程中的金属离子受电场作用溢出，并受转架负电的影响，轰击转架上的基材，从而实现高能金属离子对基材的清洗，若转架负电电势增大，可实现金属离子的离子注入；三、沉积栅网转至弧源正前方时，弧光放电过程中的大颗粒在经过致密的栅网时，大部分被栅网过滤掉，可实现对沉积涂层大颗粒的有效控制，同时沉积栅网相较于磁过滤、带电挡板吸收等控制大颗粒的方法来说，其对沉积速率的影响时最小的，其次其成本也是最低的。
针对电弧离子镀制备硬质涂层中存在大颗粒（金属液滴）导致所获涂层质量和性能（硬度）下降及涂层与基材结合力不足的问题，提出了一种由真空室、真空抽气系统、四组弧源和置于其前的转动挡板组成的电弧离子镀装置，在工作气体和工作气体+反应气体氛围下，既可以通过调节弧源阳极与真空腔室之间的悬浮与导通，实现大束流气体离子的清洗，又可以通过调整弧源、清洗挡板、悬挂基材转架及真空室壁之间的电位，实现对基材的电子轰击加热、工作气体和弧源金属离子轰击清洗刻蚀、弧源金属离子和氮/碳离子注入；随后通过利用栅网的过滤作用获得高速高能沉积的硬质涂层。
本发明的弧离子镀装置结构如图1-3所示，本装置是在现有的电弧离子镀装置基础上，进行的的电弧前装配转动挡板因而本装置中的电弧离子镀真空设备并没有进行详细的结构说明，部分零部件没有画出，但不影响对本装置的阐述。本装置由真空室10、真空抽气系统11、四组弧源12和转动挡板构成，其中真空室上的3组弧源的阳极可实现与真空室之间的电位悬浮及导通，3组弧源的阳极120为两根从真空室10下端装配的带有悬浮电位屏蔽板的具有冷却水道的阳极，真空室门上的一组弧源直接接地；转动挡板13包括转动驱动130、清洗挡板131、沉积栅网132，其中转动驱动130包括驱动齿1301，3组清洗挡板131及4组沉积栅网分别以90度均匀间隔分布，其中真空室门上的弧源不放置清洗挡板。转动挡板装配在真空室上部的转动盘1302上，可实现弧源前清洗挡板131及沉积栅网132的互换；装置内有3组清洗挡板131及4组沉积栅网132，清洗挡板131及沉积栅网132分别按90度均匀间隔排布。清洗挡板131及沉积栅网132可通过绝缘组件装配在转动盘1302上，可实现清洗挡板与沉积栅网之间不同的电位状态；同时驱动组件也可通过绝缘套实现整个转动挡板与真空腔室之间形成电位绝缘。
四组柱状弧源或平面弧源，嵌入并均匀（对称）排列在真空室10腔壁。当选用平面弧源时，沿真空室高度方向每组弧源应由2-4个弧源组成，以确保能够均匀覆盖整个真空室高度。
置于每一个弧源12前面的转动挡板均安装于真空室上部的转动盘上。挡板的尺寸为弧源的2-3倍，当弧源为柱弧时，挡板的长度为柱弧长度的1.1-1.5倍，宽度为柱弧直径的2-3倍；当弧源为平面弧时，挡板的长度和宽度是平面弧源直径的2-3倍。积栅网为50-200目的不锈钢网，其通过压条固定在栅网架上。转动挡板固定在转动盘上，其既可以通过绝缘组件实现清洗挡板及过滤栅网的悬浮电位，也可以实现清洗挡板带电，过滤栅网悬浮。3组清洗挡板通过转动盘转动可形成3组前置清洗挡板的离子输出源，四组弧源中放置与真空密封门上的仅作为沉积弧源使用，其可根据工艺需求使用一组或多组离子输出源。装置适用基材可以是纯金属、合金、陶瓷和金属陶瓷等材料。
该装置可根据转动挡板的电位情况产生两种不同的沉积硬质涂层的工艺，其中第一种为悬浮电位下的转动挡板，其工艺包括如下步骤：
（a）清洗：对基材需沉积硬质防护层面进行研磨、抛光处理，然后采用溶剂进行超声波清洗；
（b）清洗后基材经干燥后，悬挂于真空室转架。关炉，抽真空至本底真空，加热真空腔室温度为350-500度。
（c）开动转架，通入工作气体并保持真空室压强在0.5-2Pa，3组电弧电流50-200A，电压为10-40V。整个转动挡板电位悬浮，清洗挡板通过转动盘转动至弧源正前方；通入3：1的氩气与氢气，对基材进行工作气体等离子清洗，转架偏压60-100V，清洗10-20分钟；随后关闭氢气，用氩气等离子体清洗基材，转架偏压100-300V，清洗10-20分钟。
（d）随后关闭弧源，转动转动盘，将沉积栅网转至弧源正前方，根据不同的工艺及使用要求，利用自己的工艺开启弧源沉积陶瓷/金属陶瓷硬质涂层（可选择或无需沉积金属过渡层）。
第二种为清洗挡板可带电，沉积栅网悬浮，其工艺包括如下步骤：
（a）清洗：对基材需沉积硬质防护层面进行研磨、抛光处理，然后采用溶剂进行超声波清洗；
（b）清洗后基材经干燥后，悬挂于真空室转架。关炉，抽真空至本底真空。
（c）开动转架，通入工作气体并保持真空室压强在0.02-4Pa，电弧电流50-200A，电压为10-40V。转动挡板通过绝缘组件实现清洗挡板可接电，沉积栅网电位悬浮，清洗挡板通过转动盘转至弧源正前方，将清洗挡板接负电（50-300V），转架带正电（200-500V），采用电子轰击对基材加热15-60分钟，通过红外测温仪测量基材表面温度至200-700℃合适温度时停止电子轰击；清洗挡板带负电（50-300V），转架接负电（200-500V），采用工作气体离子轰击对基材刻蚀清洗10-60分钟；清洗挡板带正电（50-300V），转架接负电（200-500V），降低真空室压强至0.02-1.5Pa，采用弧源金属离子轰击基材刻蚀清洗10-60分钟。
（d）采用挡板接正电（50-300V），转架接负电（400-1000V），继续通入工作气体并保持真空室压强在0.02-1.5Pa，采用弧源离子轰击注入基材10-30分钟；通入工作气体和含氮和/或含碳反应气体并保持真空室压强在0.02-2Pa，工作气体和反应气体之间分压比为1：2至1：16。保持挡板与弧源间电源负极接挡板（50-300V），挡板与转架间电源负极接转架（400-1000V），采用氮和/或碳离子轰击注入基材5-20分钟。
（e）关闭弧源，切断转动挡板的电源，转动转动盘，使沉积栅网转至弧源正前方，根据不同的工艺及使用要求，利用自己的工艺开启弧源沉积陶瓷/金属陶瓷硬质涂层（可选择或无需沉积金属过渡层）。
其中两种工艺方法中采用的工作气体为惰性放电气体如氩气、氦气和氢气等；采用的反应气体为氮源和碳源气体如氮气、氨气、甲烷、乙炔等。
常规弧光放电过程中的电弧弧源的阳极直接接地，电子从阴极靶面射出后，回到真空腔室的接地端，在这个过程中电子会与工作气体发生碰撞，并离化工作气体，虽然电弧放电过程中气体的离化效果较高，但电子的有效形成很短；本发明通过人为的将弧源的阳极120与真空腔室10（接地端）之间悬浮电位，同时阳极背面采用悬浮电位的挡板进行遮挡，这样在弧光放电过程中，电子的有效运动行程大大的提高，在运动过程中会进一步的离化工作气体；同时，本发明采用转动挡板对弧光放电中的金属离子及金属大颗粒进行了遮挡，这有利于等离子体的纯洁性（不含有金属离子及大颗粒）可以更好的对基材进行清洗；
本发明采用的转动挡板的主要的作用包括：
1、当清洗挡板131转至弧源12正前方时，利用清洗挡板131对弧光放电过程中的金属离子及大颗粒的遮挡，可有效获得高能气体离子，对基材进行等离子清洗；
2、清洗挡板131及沉积栅网132独立装配在转动盘1302上，可实现清洗挡板131带电，沉积栅网132电位悬浮的效果，这样，就可以利用清洗挡板131、弧光放电、转架101三者之间不同的电位，所引起的不同的粒子从弧光放电中溢出，实现对等离子体的控制，从而进行不同的工艺过程，其具体过程如下：
（1）、当清洗挡板带负电、转架带正电时，弧光放电中的电子受清洗挡板电场作用溢出，金属离子及大颗粒沉积在清洗挡板上，溢出的电子受带正电的转架的电场吸引，轰击转架上的基材，提升基材的温度；
（2）、当清洗挡板带负电，转架带负电时，溢出的电子将向弧源的阳极运动，在运动过程中，会离化工作气体，离化的工作气体受转架负电电场的影响，轰击转架上的基材，从而实现对基材的清洗，若转架负电电势增大，可实现工作气体（氮、碳）的离子注入；
（3）当清洗衬板带正电，转架带负电时，弧光放电过程中的金属离子受电场作用溢出，并受转架负电的影响，轰击转架上的基材，从而实现高能金属离子对基材的清洗，若转架负电电势增大，可实现金属离子的离子注入；
3、沉积栅网132转至弧源12正前方时，弧光放电过程中的大颗粒在经过致密的栅网时，大部分被栅网过滤掉，可实现对沉积涂层大颗粒的有效控制，同时沉积栅网相较于磁过滤、带电挡板吸收等控制大颗粒的方法来说，其对沉积速率的影响时最小的，其次其成本也是最低的。
下面结合具体的实施例具体阐述：
实施例1：一种弧源前设置转动挡板（电位悬浮）的电弧离子镀装置沉积TiN涂层，本实施例中，弧源前的转动挡板电位悬浮，仅作为清洗阶段的挡板及沉积阶段的过滤栅网使用。其TiN涂层的工艺如下：
将基材进行喷砂-抛光-除蜡-除油-漂洗-烘干处理后，待用。将经过磨、抛及清洗之后的钩针放入真空室并悬挂于转架。电弧靶采用4组12只平面圆靶，靶材纯度为99.99%Ti靶，在真空室内呈90度角排列，真空室内的3组弧源阳极与真空室电位悬浮。转动挡板为悬浮电位，通过转动盘将清洗挡板转至3组弧源正前方，其中沉积栅网为80目；真空室抽本低真空至0.004pa，温度加热至400度。
开动转架，通入工作气体并保持真空室压强在1.2Pa，真空室内3组电弧电流70A，电压为20V。整个转动挡板电位悬浮，清洗挡板通过转动盘转动至弧源正前方，从真空室下端装配的带有悬浮屏蔽罩的水冷阳极接收弧光放电过程中的电子，电子运动过程中与气体碰撞，离华工作气体，转架加载60v偏压，通入3：1的氩气对基材进行工作气体等离子清洗，转架偏压60-100V，清洗20分钟；随后关闭氢气，用氩气等离子体清洗基材，转架偏压150V，清洗20分钟。随后关闭弧源，转动转动盘，将沉积栅网转至4组弧源正前方，开启4组弧源，冲入氮气，调节真空度到1.5pa，转架偏压100V，沉积TiN涂层40分钟。
待沉积完成后，降温至180度，随后破空取出。
说明：本装置中转动挡板中清洗挡板将弧光放电中的金属粒子及大颗粒，悬浮的阳极接收放电中的电子，电子在向阳极运动过程中，与工作气体发生碰撞并离华，离华的气体受转架偏压的电场作用轰击基材表面，相较于常用的辉光放电、离子源清洗，其离子束流是两者的3-5倍，清洗效果明显；沉积栅网正对于弧源前方时，弧光放电过程中， 栅网可对放电过程中迸发的大颗粒进行过滤，相较于磁过滤及电场遮挡过滤来说，其沉积效率极高。
实施例2：一种弧源前设置转动挡板（沉积栅网电位悬浮、清洗挡板可接电）的电弧离子镀装置沉积AlTiN涂层，本实施例中，转动挡板13中的清洗挡板131可加载电压，而沉积栅网可通过绝缘组件实现电位悬浮，清洗挡板与转架之间不同的电位，可实现等离子体内不同粒子（电子、气体离子、金属离子）的溢出，从而实现不同的工艺过程；悬浮的沉积栅网仅对涂层沉积过程中大颗粒起到过滤作用。其AlTiN工艺如下：
将基材进行喷砂-抛光-除蜡-除油-漂洗-烘干处理后，待用。将经过磨、抛及清洗之后的钩针放入真空室并悬挂于转架。电弧靶采用4组12只平面圆靶，其中2组靶材纯度为99.99%Ti靶，2组靶材为99.99%AlTi靶，在真空室内呈90度角排列，真空室内的2组钛靶的弧源阳极与真空室电位悬浮，2组AlTi靶的弧源直接接地，转动挡板的沉积栅网为悬浮电位、清洗挡板可带电，通过转动盘将清洗挡板转至2组钛靶弧源正前方，其中沉积栅网为120目；真空室抽本低真空至0.004pa。
通入氩气并保持真空室工作压强0.3Pa，电流均为75A，电压均为20V，清洗挡板接负电调整至200V，；转架接正电，电压为500V，首先采用电子轰击对基材加热35分钟，通过红外测温仪测量基材表面温度为480℃；保持清洗挡板接负极，电压为200V，转架接负极，电压为500V，采用氩离子轰击清洗基材15分钟；采用清洗挡板接正电（200V），转架接负极（400V），降低真空室压强至0.1Pa，采用钛离子轰击基材刻蚀清洗30分钟；通入氩气并保持真空室压强为0.3Pa，挡板接正极（200V），转架接负极（800V），采用钛离子轰击注入基材25分钟；继续通入氩气并通入氮气并保持真空室压强在1.5Pa，工作气体和反应气体之间分压比为1：6。保持清洗挡板接负极（200V），转架接负极（600V），采用氮离子轰击对基材注入20分钟；
关闭2组钛靶弧源及清洗挡板的外接电，转动转动盘将沉积栅网转至四组弧源正前方，同时通入氩气和氮气，设定两者分压比为1：4，并保持真空室压强为1.5Pa，先启动2组钛弧靶，弧电流70A，转架偏压100V，沉积氮化钛20min，随后开启2组铝钛弧靶，调节真空室压强为3Pa，工作气体为氮气，钛靶弧电流70A，铝钛弧靶70A，转架偏压80V,沉积40分钟，基材表面沉积获得TiAlN涂层。
待沉积完成后，降温至180度，随后破空取出。
说明：本装置中转动挡板中清洗挡板将外接电，当其接正电时，弧光放电中的电子及大颗粒被清洗挡板吸收，金属正粒子受电场作用可向转架轰击，既可以作为清洗的高能金属粒子，又可以改变转架电压，作为金属粒子注入；当清洗挡板接负电时，弧光放电中的金属离子及大颗粒被清洗挡板吸收，弧光放电中的电子受电场作用，向悬浮的弧源阳极运动，电子运动过程中，一方面可以作为电子轰击加热，另一方面又离华工作气体产生气体离子，气体离子既可以作为清洗离子，又可以作为高能气体粒子注入转架上的基材上；经过电子加热基材、气体（金属）离子清洗基材、气体（金属）离子注入后，将沉积栅网正对于弧源前方时，弧光放电过程中， 栅网可对放电过程中迸发的大颗粒进行过滤，相较于磁过滤及电场遮挡过滤来说，其沉积效率极高。
本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种电弧离子镀装置，其特征在于：包括真空室（10）、真空抽气系统（11）、弧源（12）和置于转动挡板，真空室（10）内中心处安装转架（101），真空室（10）连接真空抽气系统（11），每组弧源（12）的弧源阳极（120）与真空室（10）之间电位可实现悬浮与导通的切换，转动挡板包括清洗挡板（131）和沉积栅网（132），清洗挡板（131）和沉积栅网（132）间隔均匀分布安装在真空室（10）内的转动盘（1302）上，中空结构转动盘（1302）通过支撑组件安装于真空室（10）内壁，转动盘（10）连接驱动轮转动驱动装置（130），转动盘（1302）位于转架（101）外侧。
2.根据权利要求1所述的一种电弧离子镀装置，其特征在于：所述真空室（10）内壁均匀分布安装四组弧源（12），其中一组弧源（12）接地，转动盘（1302）上安装与另三组弧源（12）对应的3组清洗挡板（131）及与4组弧源（12）对应的4组沉积栅网（132），清洗挡板（131）和沉积栅网（132）分别按90度均匀间隔排布。
3.根据权利要求1所述的一种电弧离子镀装置，其特征在于：所述转动盘（1302）通过转动盘支撑组件（1303）安装于真空室（10）内壁上，转动盘（1302）连接转动驱动装置（130）的驱动齿（1301）。
4.根据权利要求1所述的一种电弧离子镀装置，其特征在于：所述弧源（12）为柱状弧源或平面弧源，平面弧源沿真空室高度方向每组弧源应由2-4个弧源组成，弧源阳极（120）为具有冷却水道的阳极。
5.根据权利要求4所述的一种电弧离子镀装置，其特征在于：所述清洗挡板（131）的尺寸为弧源（12）的2-3倍，积栅网为50-200目的不锈钢网。
6.根据权利要求4所述的一种电弧离子镀装置，其特征在于：所述清洗挡板（131）和沉积栅网（132）通过绝缘组件安装于转动盘（1302）上。
7.一种采用电弧离子镀装置实现沉积硬质涂层工艺，其特征在于：包括如下步骤：
（a）清洗：对基材需沉积硬质防护层面进行研磨、抛光处理，然后采用溶剂进行超声波清洗；
（b）清洗后基材经干燥后，悬挂于真空室转架。
8.关炉，抽真空至本底真空，加热真空腔室温度为350-600度；
（c）开动转架，通入工作气体并保持真空室压强在0.5-2Pa，3组电弧电流50-200A，电压为10-40V，转动挡板（131）和沉积栅网（132）电位悬浮，清洗挡板（131）通过转动盘（1302）转动至弧源（12）正前方；通入氩气与氢气，对基材进行工作气体等离子清洗，转架（101）偏压60-100V，清洗10-20分钟；随后关闭氢气，用氩气等离子体清洗基材，转架偏压100-300V，清洗10-20分钟；
（d）关闭弧源（12），转动转动盘（1302），将沉积栅网（132）转至弧源（12）正前方，开启弧源沉积硬质涂层。
9.一种采用电弧离子镀装置实现沉积硬质涂层工艺，其特征在于，包括如下步骤：
（a）清洗：对基材需沉积硬质防护层面进行研磨、抛光处理，然后采用溶剂进行超声波清洗；
（b）清洗后基材经干燥后，悬挂于真空室转架，关炉，抽真空至本底真空；
（c）开动转架，通入工作气体并保持真空室压强在0.02-4Pa，电弧电流50-200A，电压为10-40V，转动挡板通过绝缘组件实现清洗挡板可接电，沉积栅网电位悬浮，清洗挡板通过转动盘转至弧源正前方，将清洗挡板接负电50-300V，转架带正电200-500V，采用电子轰击对基材加热15-60分钟，通过红外测温仪测量基材表面温度至200-700℃合适温度时停止电子轰击；清洗挡板带负电50-300V，转架接负电200-500V，采用工作气体离子轰击对基材刻蚀清洗10-60分钟；
（d）采用挡板接正电50-300V，转架接负电400-1000V，继续通入工作气体并保持真空室压强在0.02-1.5Pa，采用弧源离子轰击注入基材10-30分钟；通入工作气体和含氮和/或含碳反应气体并保持真空室压强在0.02-2Pa，工作气体和反应气体之间分压比为1：2至1：16；保持挡板与弧源间电源负极接挡板50-300V，挡板与转架间电源负极接转架400-1000V，采用氮和/或碳离子轰击注入基材5-20分钟；
（e）关闭弧源，切断转动挡板的电源，转动转动盘（1302），使沉积栅网（132）转至弧源（12）正前方，开启弧源沉积硬质涂层。
10.根据权利要求8所述的采用电弧离子镀装置实现沉积硬质涂层工艺，其特征在于：所述步骤（c）中，工作气体离子轰击对基材刻蚀清洗10-60分钟后，清洗挡板带正电50-300V，转架接负电200-500V，降低真空室压强至0.02-1.5Pa，采用弧源金属离子轰击基材刻蚀清洗10-60分钟根据权利要求7或权利要求8所述的采用电弧离子镀装置实现沉积硬质涂层工艺，其特征在于：所述工作气体为惰性放电气体如氩气、氦气和氢气；反应气体为氮源和碳源气体如氮气、氨气、甲烷、乙炔。
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