CN115198240B - 一种大尺寸真空镀膜设备及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺寸真空镀膜设备及其使用方法，其中，所述大尺寸真空镀膜设备包括真空室，以及设于所述真空室内的加热系统、工件传输系统、监控系统、弧光放电模块和高功率磁控放电模块，所述加热系统用于控制所述真空室内的温度；所述工件传输系统用于承载和移动待镀工件；所述监控系统用于测量所述待镀工件的形状和尺寸；所述弧光放电模块设于所述工件传输系统的上方，用于清洗所述待镀工件；所述高功率磁控放电模块设于所述工件传输系统的上方，用于在所述待镀工件上镀膜。本申请通过在真空室内设置弧光放电模块和高功率磁控放电模块，使用高离化、高密度的放电技术，提高了大尺寸工件表面镀膜的致密度、均匀性、精确度和沉积效率。
Description
技术领域
本发明涉及真空离子镀膜工艺技术领域，特别是涉及一种大尺寸真空镀膜设备及其使用方法。
背景技术
汽车模具被誉为“汽车工业之母”，汽车生产中90％以上的零部件需要依靠模具成形，包括冲压、压铸和挤压模具，可以制造包括发动机(缸体、缸盖、进气管等)、变速器壳体、轮毂以及底盘悬架、白车身结构件(横纵梁、减震塔等)、覆盖件、内饰件等部件。在模具使用过程中，其表面所承受着最大的应力，且应力分布繁杂，同时还承受着摩擦、腐蚀、高温等多种工况，因此，汽车模具的失效形式主要为其表面的局部损坏而造成的报废。因此，对模具的工作表面进行强化，可以大幅度延长、提高工模具的使用寿命，据报道，在压铸模具的表面采用物理气相沉积的方法制备一层防护涂层，在生产6万个工件时，维护成本仅为未涂敷防护层模具的1/10，节约成本可达到65％。尤其随着新能源汽车的推广与发展，新型铝、镁合金车身和结构越来越多，零部件的制备更加集成化，相应的汽车模具也向着集成压铸方向发展，模具的尺寸越来越大、形状越来越复杂、工作温度越来越高，导致其尺寸精度和表面粗糙度要求均大幅度提高。目前模具表面硬质涂层的制备主要采用电弧离子镀或磁控溅射技术，电弧离子镀通过多个小弧源的布局来提高等离子体空间分布，随模具尺寸变大，涂层均匀性问题凸显出来，电弧产生的“金属液滴”也严重影响涂层致密度，导致耐高温性能不足；而常规的磁控溅射技术金属离化率低，沉积效率低，膜层性能不足，较少使用。
因此，传统的离子镀膜技术在大尺寸模具表面镀膜的均匀性、精密性、沉积效率等方面存在不足。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种大尺寸真空镀膜设备及其使用方法，旨在解决现有的镀膜技术在针对大尺寸模具镀膜的时候无法兼顾均匀性、精密性、沉积效率低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种大尺寸真空镀膜设备，其中，所述大尺寸真空镀膜设备包括真空室，以及设于所述真空室内的加热系统、工件传输系统、监控系统、弧光放电模块和高功率磁控放电模块，所述加热系统用于控制所述真空室内的温度；所述工件传输系统用于承载和移动待镀工件；所述监控系统用于测量所述待镀工件的形状和尺寸；所述弧光放电模块设于所述工件传输系统的上方，用于清洗所述待镀工件；所述高功率磁控放电模块设于所述工件传输系统的上方，用于在所述待镀工件上镀膜。
所述的大尺寸真空镀膜设备，其中，所述真空室为箱式结构，所述真空室的长度值大于或者等于0.8米，宽度值大于或者等于0.5米，高度值大于或者等于1米，并且所述真空室为无磁性不锈钢真空室；所述大尺寸真空镀膜设备还包括抽气系统、充气系统和真空测量系统，所述抽气系统位于所述真空室的顶部，所述充气系统位于所述真空室的底部；或者所述抽气系统位于所述真空室的背面，所述充气系统位于所述真空室的正面；所述真空测量系统与所述充气系统设于所述真空室的同一侧，或者，所述真空测量系统呈多位点分布于所述真空室内，所述真空室的本底真空度大于或者等于3×10－3Pa；所述真空室的侧壁壁上设有水冷系统，所述水冷系统由所述真空室的下方入水，并由所述真空室的上方出水；所述真空室的内壁上设有双层隔板，所述双层隔板为无磁性不锈钢双层隔板，用于保温和减少所述真空室污染度；所述真空室的顶部设有磁控阴极装配接口和阴极电弧结构装配接口，并且所述真空室接地。
所述的大尺寸真空镀膜设备，其中，所述弧光放电模块包括阴极电弧源，挡板和辅助阳极；所述阴极电弧源安装在所述真空室的顶部，与所述阴极电弧结构装配接口连接，所述阴极电弧源包括矩形平面弧源、柱状阴极电弧源中的一种或几种；所述弧光放电模块还包括第一驱动电源，用于向所述阴极电弧源供电；所述第一驱动电源包括直流电弧电源、中频电弧电源、脉冲电弧电源、双极脉冲电源中的一种或几种；所述第一驱动电源的负极与所述阴极电弧源连接；所述第一驱动电源的正极与所述真空室连接，用于接地；所述挡板设于所述真空室的内壁上，水平设置于所述阴极电弧源与所述工件传输系统之间；所述挡板为无磁性金属挡板，并且所述挡板与所述真空室绝缘接触，所述挡板沿水平方向上的面积为所述阴极电弧源沿水平方向上面积的1.5－4倍；所述辅助阳极与所述阴极电弧源放置于所述真空室的同一侧壁上，并且所述辅助阳极与所述真空室绝缘接触；所述辅助阳极为金属阳极，所述辅助阳极的形状为圆柱形或者平板形；所述辅助阳极内设有冷却系统；所述弧光放电模块还包括第二驱动电源，用于向所述辅助阳极供电；所述第二驱动电源的阳极与所述辅助阳极连接，阴极与所述真空室连接，所述第二驱动电源的电压为0－600伏特，所述第二驱动电源包括直流电源、中频电弧电源、脉冲电弧电源、双极脉冲电源中的一种或几种。
所述的大尺寸真空镀膜设备，其中，所述高功率磁控放电模块安装于所述真空室的顶部，与所述磁控阴极装配接口连接；所述高功率磁控放电模块包括磁控溅射阴极、伸缩机构、气动挡板和第三驱动电源，所述磁控溅射阴极包括矩形平面阴极、柱状阴极中的一种或几种，并且所述磁控溅射阴极内设有水冷系统和布气系统；所述伸缩机构设于所述磁控溅射阴极的后方，所述伸缩机构可沿竖直方向上下伸缩运动；所述气动挡板设于所述磁控溅射阴极的前方，用于进行开合动作；所述第三驱动电源包括低占空比的高功率脉冲磁控溅射电源、低占空比的高功率脉冲磁控溅射电源的优化脉冲电源、高占空比的大功率直流电源、脉冲电源、中频电源中的一种或几种，所述第三驱动电源的负极与所述磁控溅射阴极连接，正极与所述真空室连接。
所述的大尺寸真空镀膜设备，其中，所述工件传输系统为不锈钢工件传输系统，用于移动所述待镀工件；所述工件传输系统与所述真空室绝缘接触；所述大尺寸真空镀膜设备还包括偏压电源，所述偏压电源的阴极与所述工件传输系统连接，阳极与所述真空室连接，所述偏压电源包括直流电源、脉冲电源、中频电源、射频电源中的一种或几种。
所述的大尺寸真空镀膜设备，其中，所述加热系统包括加热元件和测温元件，所述加热元件位于所述真空室的侧壁上，所述加热元件包括碳纤维、电炉丝、硅碳棒、碘钨灯中的一种或几种，所述加热元件的加热温度范围为0－600℃；所述测温元件位于所述真空室的侧壁上，或者呈多位点分布于所述真空室内。
所述大尺寸真空镀膜设备，其中，所述监控系统包括用于监控镀膜过程中靶面等离子状态的等离子体密度探针、等离子体光谱监控系统、等离子体质谱监控系统、用于监控工件表面沉积膜层厚度的膜厚监控系统中的一种或几种。
所述的大尺寸真空镀膜设备，其中，所述监控系统包括用于监控大尺寸模具的尺寸的激光测距扫描系统；所述激光测距扫描系统与所述伸缩机构连接，用于反馈扫描复杂工件形状尺寸的数据，以调整所述磁控溅射阴极与所述待镀工件的距离，控制所述待镀工件表面的镀膜均匀性。
本申请还公开了一种用于如上任一所述的大尺寸真空镀膜设备的使用方法，其中，所述方法包括：
通过工件传输系统将待镀工件送入真空室，通过监控系统测绘出所述待镀工件的尺寸，对所述真空室进行抽气至达到背底真空度，并通过加热系统对所述真空室进行加热，至第一预设温度；
向所述真空室内通入惰性气体，通过所述工件传输系统移动所述待镀工件至弧光放电模块下方，所述弧光放电模块放电，产生高密度、高离化的气体等离子体，对所述待镀工件进行等离子体清洗；
向所述真空室内通入第一预设气体，通过所述加热系统控制所述真空室的温度至第二预设温度，所述弧光放电模块工作，产生高密度、高离化的气体等离子体，对所述待镀工件进行等离子体渗处理；
向所述真空室内通入惰性气体，通过所述工件传输系统控制所述待镀工件至高功率磁控放电模块下方，所述高功率磁控放电模块进行高强度辉光放电，通过高偏压对所述待镀工件表面进行高能离子轰击与注入，以提高膜基结合强度；其中，所述高偏压的电压值范围为1000－80000伏特；
通过所述高功率磁控放电模块放电，产生进行低密度、高离化金属等离子体，通过中偏压加速沉积离子，在所述待镀工件表面进行过渡层制备；其中，所述中偏压的电压值范围为50－3000伏特；
向所述真空室内通入第二预设气体，所述高功率磁控放电模块和所述弧光放电模块同时放电，产生进行高密度、高离化金属等离子体，通过低偏压加速沉积离子，对所述待镀工件进行功能膜层制备；其中，所述低偏压的电压值范围为0－600伏特；
待所述真空室冷却后，取出所述待镀工件。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：
本发明公开的大尺寸模具真空镀膜设备工作时先将真空室抽真空，然后通过加热件调节温度，直到真空室内的温度和气压都达到镀膜需要的环境条件之后，开启工件传输系统移动待镀工件，通过弧光放电模块和高功率磁控放电模块放电，对待镀工件表面进行清洗，然后再通入氮气，对待镀工件表面进行氮化，以提高待镀工件表面性能；完成预处理之后再在待镀工件表面形成过渡层和膜层，最终完成整个镀膜过程；可见，本申请公开的镀膜设备工艺全部使用高离化、高密度的放电技术，其较高的离子能量使复杂形状的工件镀膜时可以形成更加均匀的膜层，利用弧光放电模块和高功率磁控放电模块放电时的尺寸效应，实现了大尺寸工件均匀沉积，大幅度提高了涂层与基体的结合力、涂层的致密度、精确度、沉积效率，进一步提高膜层的力学性能、耐高温、防腐蚀性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中大尺寸模具真空镀膜设备的结构示意图；
图2为本发明中大尺寸模具真空镀膜设备的镀膜方法的流程图；
图3为本发明中大尺寸模具真空镀膜设备的镀膜方法的另一流程图。
其中，10、真空室；20、工件传输系统；30、矩形磁控阴极；40、伸缩机构；50、气动挡板；60、柱状阴极电弧；70、金属挡板；80、辅助阳极；90、加热元件；100、测温元件；110、等离子体光谱监控系统；120、激光测距扫描系统；130、待镀工件。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明申请的一实施例中，公开了一种大尺寸真空镀膜设备，其中，所述大尺寸真空镀膜设备包括真空室10，以及设于所述真空室10内的加热系统、工件传输系统20、监控系统、弧光放电模块和高功率磁控放电模块，所述加热系统用于控制所述真空室10内的温度和气压；所述工件传输系统20用于承载和移动待镀工件130；所述监控系统用于测量所述待镀工件130的形状和尺寸；所述弧光放电模块设于所述工件传输系统20的上方，用于清洗所述待镀工件130；所述高功率磁控放电模块设于所述工件传输系统20的上方，用于在所述待镀工件130上镀膜。
本实施例公开的大尺寸模具真空镀膜设备工作时先将真空室10抽真空，然后通过加热件调节温度，直到真空室10内的温度和气压都达到镀膜需要的环境条件之后，开启工件传输系统20移动待镀工件130，通过弧光放电模块和高功率磁控放电模块放电，对待镀工件130表面进行清洗，然后再通入氮气，对待镀工件130表面进行氮化，以提高待镀工件130表面性能；完成预处理之后再在待镀工件130表面形成过渡层和膜层，最终完成整个镀膜过程；可见，本实施例公开的镀膜设备工艺全部使用高离化、高密度的放电技术，其较高的离子能量使复杂形状的工件镀膜时可以形成更加均匀的膜层，利用弧光放电模块和高功率磁控放电模块放电时的尺寸效应，实现了大尺寸工件均匀沉积，大幅度提高了涂层与基体的结合力、涂层的致密度、精确度、沉积效率，以及提高膜层的力学性能、防腐蚀性能、耐高温性能。
具体的，作为本实施例的一种实施方式，公开了所述真空室10为箱式结构，所述真空室10的长度值大于或者等于0.8米，宽度值大于或者等于0.5米，高度值大于或者等于1米，并且所述真空室10为无磁性不锈钢真空室10。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述大尺寸真空镀膜设备还包括抽气系统、充气系统和真空测量系统，所述抽气系统位于所述真空室10的顶部，所述充气系统位于所述真空室10的底部；或者所述抽气系统位于所述真空室10的背面，所述充气系统位于所述真空室10的正面。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述真空测量系统与所述充气系统设于所述真空室10的同一侧，或者，所述真空测量系统呈多位点分布于所述真空室10内，所述真空室10的本底真空度大于或者等于3×10－3Pa。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述真空室10的侧壁壁上设有水冷系统，所述水冷系统由所述真空室10的下方入水，并由所述真空室10的上方出水；所述真空室10的内壁上设有双层隔板，所述双层隔板为无磁性不锈钢双层隔板，用于保温和减少所述真空室10污染度。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述真空室10的顶部设有磁控阴极装配接口和阴极电弧结构装配接口，并且所述真空室10接地。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述弧光放电模块包括阴极电弧源，挡板和辅助阳极80；所述阴极电弧源安装在所述真空室10的顶部，与所述阴极电弧结构装配接口连接，所述阴极电弧源包括矩形平面弧源、柱状阴极电弧60源中的一种或几种。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述弧光放电模块还包括第一驱动电源，用于向所述阴极电弧源供电；所述第一驱动电源包括直流电弧电源、中频电弧电源、脉冲电弧电源、双极脉冲电源中的一种或几种；所述第一驱动电源的负极与所述阴极电弧源连接；所述第一驱动电源的正极与所述真空室10连接，用于接地。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述挡板设于所述真空室10的内壁上，水平设置于所述阴极电弧源与所述工件传输系统20之间；所述挡板为无磁性金属挡板70，并且所述挡板与所述真空室10绝缘接触，所述挡板沿水平方向上的面积为所述阴极电弧源沿水平方向上面积的1.5－4倍。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述辅助阳极80与所述阴极电弧源放置于所述真空室10的同一侧壁上，并且所述辅助阳极80与所述真空室10绝缘接触；所述辅助阳极80为金属阳极，所述辅助阳极80的形状为圆柱形或者平板形；所述辅助阳极80内设有冷却系统。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述弧光放电模块还包括第二驱动电源，用于向所述辅助阳极80供电；所述第二驱动电源的阳极与所述辅助阳极80连接，阴极与所述真空室10连接，所述第二驱动电源的电压为0－600伏特(V)，所述第二驱动电源包括直流电源、中频电弧电源、脉冲电弧电源、双极脉冲电源中的一种或几种。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述高功率磁控放电模块安装于所述真空室10的顶部，与所述磁控阴极装配接口连接；所述高功率磁控放电模块包括磁控溅射阴极、伸缩机构40、气动挡板50和第三驱动电源，所述磁控溅射阴极包括矩形平面阴极、柱状阴极中的一种或几种，并且所述磁控溅射阴极内设有水冷系统和布气系统。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述伸缩机构40设于所述磁控溅射阴极的后方，所述伸缩机构40可沿竖直方向上下伸缩运动。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述气动挡板50设于所述磁控溅射阴极的前方，用于进行开合动作。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述第三驱动电源包括低占空比的高功率脉冲磁控溅射电源、低占空比的高功率脉冲磁控溅射电源的优化脉冲电源、高占空比的大功率直流电源、脉冲电源、中频电源中的一种或几种，所述第三驱动电源的负极与所述磁控溅射阴极连接，正极与所述真空室10连接。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述工件传输系统20为不锈钢工件传输系统20，用于移动所述待镀工件130；所述工件传输系统20与所述真空室10绝缘接触；所述大尺寸真空镀膜设备还包括偏压电源，所述偏压电源的阴极与所述工件传输系统20连接，阳极与所述真空室10连接，所述偏压电源包括直流电源、脉冲电源、中频电源、射频电源中的一种或几种。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述加热系统包括加热元件90和测温元件100，所述加热元件90位于所述真空室10的侧壁上，所述加热元件90包括碳纤维、电炉丝、硅碳棒、碘钨灯中的一种或几种，所述加热元件90的加热温度范围为0－600℃；所述测温元件100位于所述真空室10的侧壁上，或者呈多位点分布于所述真空室10内。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述监控系统包括用于监控镀膜过程中靶面等离子状态的等离子体密度探针、等离子体光谱监控系统、等离子体质谱监控系统、用于监控工件表面沉积膜层厚度的膜厚监控系统中的一种或几种。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了所述监控系统包括用于监控大尺寸模具的尺寸的激光测距扫描系统120；所述激光测距扫描系统120与所述伸缩机构40连接，用于反馈扫描复杂工件形状尺寸的数据，以调整所述磁控溅射阴极与所述待镀工件130的距离，控制所述待镀工件130表面的镀膜均匀性。
如图2所示，作为本申请的另一实施例，公开了一种用于如上任一所述的大尺寸真空镀膜设备的使用方法，其中，所述方法包括：
M100、通过工件传输系统20将待镀工件130送入真空室10，通过监控系统测绘出所述待镀工件130的尺寸，对所述真空室10进行抽气至达到背底真空度，并通过加热系统对所述真空室10进行加热，至第一预设温度；
M200、向所述真空室10内通入惰性气体，通过所述工件传输系统20移动所述待镀工件130至弧光放电模块下方，所述弧光放电模块放电，产生高密度、高离化的气体等离子体，对所述待镀工件130进行等离子体清洗；
M300、向所述真空室10内通入第一预设气体，通过所述加热系统控制所述真空室10的温度至第二预设温度，所述弧光放电模块工作，产生高密度、高离化的气体等离子体，对所述待镀工件130进行等离子体渗处理；
M400、向所述真空室10内通入惰性气体，通过所述工件传输系统20控制所述待镀工件130至高功率磁控放电模块下方，所述高功率磁控放电模块进行高强度辉光放电，通过高偏压对所述待镀工件130表面进行高能离子轰击与注入，以提高膜基结合强度；其中，所述高偏压的电压值范围为1000－80000伏特；
M500、通过所述高功率磁控放电模块放电，产生进行低密度、高离化金属等离子体，通过中偏压加速沉积离子，在所述待镀工件130表面进行过渡层制备；其中，所述中偏压的电压值范围为50－3000伏特；
M600、向所述真空室10内通入第二预设气体，所述高功率磁控放电模块和所述弧光放电模块同时放电，产生进行高密度、高离化金属等离子体，通过低偏压加速沉积离子，对所述待镀工件130进行功能膜层制备；其中，所述低偏压的电压值范围为0－600伏特；
M700、待所述真空室10冷却后，取出所述待镀工件130。
具体的，作为本实施例的另一种实施方式，公开了一种大尺寸真空镀膜设备，包括真空室10、工件传输系统20、矩形磁控阴极30、柱状阴极电弧60、加热元件90、测温元件100、等离子体光谱监控系统110、激光测距扫描系统120；所述加热元件90，所述测温元件100以及所述的等离子体光谱监控系统110均设于所述真空室10的侧壁上；所述工件传输系统20设于所述真空室10的底部，成多段分布，用于承载和移动待镀工件130，并且所述工件传输系统20与脉冲偏压电源和直流偏压电源电连接；所述矩形磁控阴极30间隔分布在所述真空室10的顶部，由伸缩机构40相连接，所述矩形磁控阴极30前面设置了气动挡板50，并且所述矩形磁控阴极30与高功率脉冲电源和高功率直流磁控溅射电源相连接；所述柱状电弧阴极60均设于所述真空室10的顶部，并且所述柱状阴极电弧60设置在相邻两个所述矩形磁控阴极30之间，下方设置了金属挡板70，在所述真空室10底部设置了辅助阳极80，所述的辅助阳极80位于所述工件传输系统20底部，正对着所述的所述柱状阴极电弧60；在所述的真空室10入口处顶部还设置了所述的激光测距扫描系统120。
本实施例公开的大尺寸模具用真空镀膜设备工作时，先将代镀工件运输至真空室10内，并通过激光测距扫描系统120建立代镀模具的表面形貌模型，通过抽真空系统抽出真空室10内的气体，然后通过加热元件90调节温度，直到真空室10内的温度和气压都达到镀膜需要的环境条件之后，开启工件传输系统20往复移动待镀工件120，通过柱状电弧阴极60与辅助阳极80通电，对待镀工件130表面进行清洗，然后再通入氮气，对待镀工件130表面进行氮化，以提高待镀工件130表面性能；渗氮处理之后，根据建立的代镀模具130的表面形貌模型，调通过伸缩机构40调整矩形磁控阴极30的高度，依次开启高功率脉冲电源、高功率脉冲偏压电源，以及高功率磁控溅射电源、直流偏压电源，通过开口朝向代镀模具130的磁控阴极30的辉光放电，进行离子镀膜，依次在待镀工件130表面形成过渡层和膜层，最终完成整个镀膜过程。
可见，本实施例公开的镀膜设备通过利用了柱状电弧阴极60和矩形磁控阴极30的尺寸效应，提高了大尺寸模具表面镀膜的均匀性，又采用了高功率脉冲磁控溅射搭配高功率直流磁控溅射的辉光放电制备薄膜，提高了薄膜的致密性、精密性以及沉积效率，并通过渗氮层、过渡层的多层制备提高了薄膜与基体的结合力，并提高膜层的力学性能、耐高温、耐蚀性能，有利于获得更好的镀膜效果。
在实际使用中，本实施例公开的大尺寸模具真空镀膜设备至少可处理长1米，宽0.5米的大尺寸模具。
具体的，作为本实施例公开的另一种实施方式，公开了所述高功率磁控溅射电源包括高功率直流电源、直流脉冲电源、中频电源或射频电源；工件传输系统20上连接的电源可以为单独的高功率脉冲偏压电源和直流偏压电源，也可以是连接一个偏压电源系统，该系统具有两种输出模式：其一为直流模式，以配合金属离子进行离子清洗和沉积；其二为高功率脉冲模式，以配合气体离子进行离子轰击、注入和沉积。
具体的，作为本实施例公开的一种实施方式，公开了辅助阳极80连接电弧电源系统。辅助阳极80内部还设置有水冷结构，用于控制辅助阳极80的温度，避免温度过高，损坏构件。
具体的，作为本实施例公开的另一种实施方式，公开了所述加热件90设有多个，多个所述加热件90均匀分布在所述真空室10的侧壁上。单个加热件30的温度调节范围有限，在空间较大的真空室10内可能无法迅速控制整个密闭空间的温度，所以设置多个加热件90，对真空室10内的各个区域同时控温，有利于迅速、准确地控制真空室10内的温度，而且避免出现局部温差的问题。
如图1所示，在本实施例的另一实施方式中公开了所述大尺寸模具真空镀膜设备还包括插入至所述真空室10内的多个测温件100。设置测温件100是为了及时了解和控制真空室10内的温度，例如可以通过向真空室10内插入热电偶，并将热电偶与温度表连接的方式直观地监测真空室10内的实时温度，然后再以此控制加热件90的加热功率，提高对真空室10内温度的掌控精度。
再如图1所示，作为本实施例公开的另一种实施方式，公开了所述大尺寸模具真空镀膜设备还包括激光测距扫描系统120、伸缩机构40和处理器(附图中未示出)，所述激光测距扫描系统120设于所述真空室10的顶部，用于采集待镀工件120的形貌；所述伸缩机构40设于所述真空室10的顶部，所述磁控阴极30位于所述伸缩机构40朝向所述工件传输系统20的端部；所述处理器与所述激光测距扫描系统120和所述伸缩机构40连接，用于处理所述激光测距扫描系统120的图像信息，并控制所述伸缩机构40升降。在实际生产制造中，待镀工件130的形状往往不规则，可能局部凹陷，或者局部凸出，造成不同位置的磁控阴极30与待镀工件130的间距有差异，在镀膜过程中容易导致不同区域镀膜速率有差异的问题。
所以，设置激光测距扫描系统120在镀膜之前对待镀工件130进行建模，对待镀工件120的表面形貌进行数据采集，然后将采集的数据传输到处理器中进行处理分析，建立三维模型，以此选择各处磁控阴极30的预期工作高度，再然后通过伸缩机构40对矩形磁控阴极30进行调整，使得各个矩形磁控阴极30到达预期位置，保持与待镀工件130表面的合适距离，方便同时在待镀工件130上进行镀膜，有利于最终获得均匀厚度、致密性也统一的膜层。
具体的，本实施方式中公开的伸缩件130可以是多级调节的伸缩杆，也可以是弹簧、液压杆一类的调节构件。
再如图1所示，作为本实施例公开的另一种实施方式，公开了所述大尺寸模具真空镀膜设备还包括挡板70，挡板70为金属挡板，所述挡板70位于所述柱状电弧阴极60与所述工件传输系统20之间。在柱状电弧阴极60的下方设置挡板70是为了避免放电过程中产生颗粒喷射，防止影响膜层的致密性；另外，挡板70设置为与真空室10绝缘，并在真空室10底部设置辅助阳极80，将电弧放电过程中高浓度的热电子吸引出来，提高气体离化率，有利于提高清洗效果和氮化效果。
如图3所示，作为本申请的另一实施例，公开了一种用于如上任一所述的大尺寸模具真空镀膜设备的镀膜方法，其中，所述镀膜方法包括：
S100、将待镀工件130放入所述真空室10内，向所述真空室10内充入第一保护性气体；
S200、通过向所述柱状电弧阴极60和所述辅助阳极80通电，并开启脉冲偏压电源，对所述待镀工件130进行预处理；
S300、向所述真空室10内充入第二保护性气体，开启所述高功率脉冲电源和所述脉冲偏压电源，在预处理之后的所述待镀工件130上制备过渡层；
S400、向所述真空室10内充入反应性气体，开启所述高功率直流磁控溅射电源和直流偏压电源，在所述待镀工件130的所述过渡层上进行镀膜。
本实施例中公开的镀膜方法通过多个柱状电弧阴极60与工件传输系统20和辅助阳极80的配合对大尺寸待镀工件130表面进行完整的预处理，迅速提高待镀工件130的表面性能，做好镀膜前的准备；镀膜过程中设置过渡层增加膜层附在待镀工件130上的稳定性，降低膜层在模具使用过程中脱落的风险。
具体的，本实施例中公开的通过高功率脉冲电源和高功率直流磁控溅射电源导通若干个磁控阴极50，脉冲偏压电源和直流偏压电源导通工件传输系统20，在大尺寸的待镀工件130表面上进行高结合力的过渡层和膜层制备，采用了辉光放电，有利于制成均匀性好，无颗粒的膜层，提高镀膜效果。
具体的，作为本实施例公开的另一种实施方式，公开了所述步骤S200具体包括：
S201、通过抽真空系统使真空室10内的气压达到本底真空气压；并通过加热件90控制真空室10内的温度为第一预设温度；
S202、向真空室10内充入第一保护气体达到第一预设气压，开启工件传输系统20往复移动待镀工件130，并向柱状电弧阴极60和辅助阳极80通电，开启偏压电源，清洗待镀工件130；
S203、通过抽真空系统调节所述真空室10内的气压为本底真空气压；并通过加热件90控制真空室10内的温度为第二预设温度；
S204、向真空室10内充入氮气气体达到第二预设气压，并向柱状电弧阴极60和辅助阳极80通电，开启偏压电源，对待镀工件130表面进行氮化。
本实施例公开的预处理方法中对真空室10内抽真空后，依次进行清洗和氮化，清洗待镀工件130表面是为了除去待镀工件130生产加工过程中表面残留的杂质；氮化是通过氮气离子化，在待镀工件130的表面形成氮化物，通过氮化物具备的化学稳定性，耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性以及耐高温等等特性，提高待镀工件130的表面性能，从而方便在表面镀膜，形成膜层支撑层。
具体的，作为本实施例公开的另一种实施方式，公开了所述步骤S300具体包括：
S301、通过抽真空系统调节所述真空室10内的气压为本底真空气压；并通过加热件90控制真空室10内的温度为第三预设温度；
S302、向真空室10内充入第二保护气体达到第三预设气压，调整矩形磁控阴极30的高度；并开启高功率脉冲电源和脉冲偏压电源，制备过渡层。
具体的，作为本实施例公开的另一种实施方式，公开了所述大尺寸模具真空镀膜设备还包括激光测距扫描系统120、伸缩系统40和处理器，所述激光测距扫描系统120设于所述真空室10的顶部，用于采集待镀工件120的形貌；所述伸缩系统40设于所述真空室10的顶部，所述矩形磁控阴极30位于所述伸缩系统40朝向所述工件传输系统40的端部；所述处理器与所述激光测距扫描系统120和所述伸缩系统40相连接，用于处理所述激光测距扫描系统120的图像信息，并控制所述伸缩系统40升降；所述调整磁控阴极30的高度，具体包括步骤：
A100、通过激光测距扫描系统120采集待镀工件130的形貌图像，获得图像信息；
A200、所述处理器接收并处理所述图像信息，依据所述图像信息建立三维模型；
A300、所述处理器根据所述三维模型的高度与真空室10高度的对比，获得所述磁控阴极30的目标高度；
A400、所述伸缩系统40接收所述处理器的电信号，通过升高或降低调整所述磁控阴极30的高度至目标高度。
本实施例中公开的通过激光测距扫描系统120、处理器和伸缩系统40自动化调整矩形磁控阴极30的方法控制准确，而且反应迅速，可以迅速调节磁控阴极30的高度，以达到控制镀膜速率的目的，统一镀膜过程中待镀工件130表面各个区域的镀膜效果，提高整体的镀膜效果。
具体的，作为本实施例公开的另一种实施方式，公开了所述步骤S400具体包括：
S401、通过抽真空系统调节所述真空室10内的气压为本底真空气压；
S402、向真空室10内充入第三保护气体达到第四预设气压，开启高功率直流磁控溅射电源和直流偏压电源，进行镀膜。
具体的，作为本实施例公开的另一种实施方式，公开了大尺寸模具真空镀膜设备的镀膜过程如下：
1、在长度不低于0.8米，宽度不小于0.5米，高度不小于1米的真空室10内设置工件传输系统20，同时在真空室10的外侧设置另一工件传输系统20，将待镀工件130放置在真空室10外的工件传输系统20上，通过工件传输系统20输送到真空室10内的工件传输系统20上；
2、封闭真空室10，开启抽真空系统抽气，直到真空室10内的真空度达到本底真空(5×10－3Pa)，开启加热件90，直到达到预设的清洗温度(上述的第一预设温度)，然后开启工件传输系统20使待镀工件130往复运动，并向真空室10内充入氩气(Ar)气体(上述第一保护气体)，达到清洗气压(上述第一预设气压)后，启动柱状电弧阴极60的电源进行弧光放电，同时开启辅助阳极80连接的电源，以及工件传输系统20上连接的脉冲偏压电源，对待镀工件130进行清洗，清洗时间为3－60分钟；
3、清洗结束后，依次关闭工件传输系统20的脉冲偏压电源、电弧阴极60的电源和辅助阳极80的电源，停止充入Ar；
4、抽真空，待真空室10的真空度达到本底真空，再充入氩气与氮气混合气体(Ar/N2)，达到预设的渗氮气压(上述第二预设气压)，通过加热件90控制真空室10的温度在300－500℃(上述第二预设温度)，启动柱状电弧阴极60的电源进行弧光放电，开启辅助阳极90的电源，以及与工件传输系统20连接的脉冲偏压电源，对待镀工件130进行渗氮，渗氮工艺时间为1－10小时；
5、渗氮工艺结束后，依次关闭工件传输系统20的脉冲偏压电源、电弧阴极60的电源和辅助阳极80的电源，停止充入气体；
6、抽真空，待真空室10的真空度达到本底真空，加热件90控制真空室10内的温度到镀膜温度(上述第三预设温度)，再充入Ar(上述第二保护气体)达到预设的过渡层镀膜气压(上述第三预设气压)，并通过真空室10内的激光测距扫描系统120，然后建立待镀工件130模型，在真空室10的顶部设置长度为0.5米的伸缩系统40，根据该模型的数据，与伸缩系统40连接的处理器控制伸缩系统40升降，以控制每个矩形磁控阴极30的高度，保持每个矩形磁控阴极30与待镀工件130的表面镀膜区域的距离控制在10－30厘米；
7、启动矩形磁控阴极30的高功率脉冲电源进行辉光放电，启动工件传输系统20连接的脉冲偏压电源，对待镀工件130进行过渡层的制备，时间为0.5－2小时；
8、过渡层制备工艺结束后，依次关闭磁控溅射阴极30的高功率脉冲电源和工件传输系统20连接的脉冲偏压电源，停止充入Ar；
9、抽真空，待真空室10的真空度达到本底真空，充入Ar(上述第三保护气体)达到预设的膜层镀膜气压(上述第四预设气压)，启动磁控阴极30的高功率直流磁控溅射电源进行辉光放电，启动工件传输系统20连接的直流偏压电源，随后逐步通入反应性气体(N2或C2H2)，进行镀膜，镀膜时间为1－5小时。
综上所述，本申请公开了一种大尺寸模具真空镀膜设备及其镀膜方法，其中，所述大尺寸模具真空镀膜设备包括真空室10、工件传输系统20、矩形磁控阴极30、柱状阴极电弧60、加热元件90、测温元件100、等离子体光谱监控系统110、激光测距扫描系统120；所述加热元件90，所述加热件30以及所述的等离子体光谱监控系统110均设于所述真空室10的侧壁上；所述工件传输系统20设于所述真空室10的底部，成多段分布，用于承载和移动待镀工件130，并且所述传送工件传输系统20与脉冲偏压电源和直流偏压电源电连接；所述矩形磁控阴极30间隔分布在所述真空室10的顶部，由伸缩机构40相连接，所述矩形磁控阴极30前面设置了气动挡板50，并且所述矩形磁控阴极30用于与高功率脉冲电源和高功率直流磁控溅射电源相连接；所述柱状电弧阴极60均设于所述真空室10的顶部，并且所述柱状阴极电弧60设置在相邻两个所述矩形磁控阴极30之间，下方设置了金属挡板70，在所述真空室10底部设置了辅助阳极80，所述的辅助阳极80位于所述工件传输系统40之间，正对着所述的所述柱状阴极电弧60；在所述的真空室10入口处顶部还设置了所述的激光测距扫描系统120。本实施例公开的大尺寸模具真空镀膜设备工作时先将代镀工件运输至真空室10内，并通过激光测距扫描系统120建立代镀模具的表面形貌模型，通过抽真系统抽出真空室10内的气体，然后通过加热元件90调节温度，直到真空室10内的温度和气压都达到镀膜需要的环境条件之后，开启工件传输系统20往复移动待镀工件120，通过柱状电弧阴极60与辅助阳极80通电，对待镀工件130表面进行清洗，然后再通入氮气，对待镀工件130表面进行氮化，以提高待镀工件130表面性能；渗氮处理之后，根据建立的代镀模具130的表面形貌模型，通过伸缩机构40调整矩形磁控阴极30的高度，依次开启高功率脉冲电源、高功率脉冲偏压电源，以及高功率磁控溅射电源、直流偏压电源，通过开口朝向代镀模具130的磁控阴极30的辉光放电，进行离子镀膜，依次在待镀工件130表面形成过渡层和膜层，最终完成整个镀膜过程。可见，本实施例公开的镀膜设备通过利用了柱状电弧阴极60和矩形磁控阴极30的尺寸效应，提高了大尺寸模具表面镀膜的均匀性，又采用了高功率脉冲磁控溅射搭配高功率直流磁控溅射的辉光放电制备薄膜，提高了薄膜的致密性、精密性以及沉积效率，并通过渗氮层、过渡层的制备提高了薄膜与基体的结合力，并提高膜层的力学性能、耐高温、耐蚀性能，有利于获得更好的镀膜效果。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
需要说明的是，本发明以大尺寸模具真空镀膜设备为例对本发明的具体结构及工作原理进行介绍，但本发明的应用并不以大尺寸模具真空镀膜设备为限，也可以应用到其它类似工件的生产和制造中。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种大尺寸真空镀膜设备，其特征在于，所述大尺寸真空镀膜设备包括真空室，以及设于所述真空室内的加热系统、工件传输系统、监控系统、弧光放电模块和高功率磁控放电模块，所述加热系统用于控制所述真空室内的温度；所述工件传输系统用于承载和移动待镀工件；所述监控系统用于测量所述待镀工件的形状和尺寸；所述弧光放电模块设于所述工件传输系统的上方，用于清洗所述待镀工件；所述高功率磁控放电模块设于所述工件传输系统的上方，用于在所述待镀工件上镀膜；
所述高功率磁控放电模块包括磁控溅射阴极、伸缩机构、气动挡板和第三驱动电源；
所述监控系统包括用于监控大尺寸模具的尺寸的激光测距扫描系统；所述激光测距扫描系统与所述伸缩机构连接，用于反馈扫描复杂工件形状尺寸的数据，以调整所述磁控溅射阴极与所述待镀工件的距离，控制所述待镀工件表面的镀膜均匀性。
2.根据权利要求1所述的大尺寸真空镀膜设备，其特征在于，所述真空室为箱式结构，所述真空室的长度值大于或者等于0.8米，宽度值大于或者等于0.5米，高度值大于或者等于1米，并且所述真空室为无磁性不锈钢真空室；
所述大尺寸真空镀膜设备还包括抽气系统、充气系统和真空测量系统，所述抽气系统位于所述真空室的顶部，所述充气系统位于所述真空室的底部；或者所述抽气系统位于所述真空室的背面，所述充气系统位于所述真空室的正面；
所述真空测量系统与所述充气系统设于所述真空室的同一侧，或者，所述真空测量系统呈多位点分布于所述真空室内，所述真空室的本底真空度大于或者等于3×10-3Pa；
所述真空室的侧壁壁上设有水冷系统，所述水冷系统由所述真空室的下方入水，并由所述真空室的上方出水；所述真空室的内壁上设有双层隔板，所述双层隔板为无磁性不锈钢双层隔板，用于保温和减少所述真空室污染度；
所述真空室的顶部设有磁控阴极装配接口和阴极电弧结构装配接口，并且所述真空室接地。
3.根据权利要求2所述的大尺寸真空镀膜设备，其特征在于，所述弧光放电模块包括阴极电弧源，挡板和辅助阳极；
所述阴极电弧源安装在所述真空室的顶部，与所述阴极电弧结构装配接口连接，所述阴极电弧源包括矩形平面弧源、柱状阴极电弧源中的一种或几种；
所述弧光放电模块还包括第一驱动电源，用于向所述阴极电弧源供电；所述第一驱动电源包括直流电弧电源、中频电弧电源、脉冲电弧电源、双极脉冲电源中的一种或几种；所述第一驱动电源的负极与所述阴极电弧源连接；所述第一驱动电源的正极与所述真空室连接，用于接地；
所述挡板设于所述真空室的内壁上，水平设置于所述阴极电弧源与所述工件传输系统之间；所述挡板为无磁性金属挡板，并且所述挡板与所述真空室绝缘接触，所述挡板沿水平方向上的面积为所述阴极电弧源沿水平方向上的面积的1.5-4倍；
所述辅助阳极与所述阴极电弧源放置于所述真空室的同一侧壁上，并且所述辅助阳极与所述真空室绝缘接触；所述辅助阳极为金属阳极，所述辅助阳极的形状为圆柱形或者平板形；所述辅助阳极内设有冷却系统；
所述弧光放电模块还包括第二驱动电源，用于向所述辅助阳极供电；所述第二驱动电源的阳极与所述辅助阳极连接，阴极与所述真空室连接，所述第二驱动电源的电压为0-600伏特，所述第二驱动电源包括直流电源、中频电弧电源、脉冲电弧电源、双极脉冲电源中的一种或几种。
4.根据权利要求2所述的大尺寸真空镀膜设备，其特征在于，所述高功率磁控放电模块安装于所述真空室的顶部，与所述磁控阴极装配接口连接；所述磁控溅射阴极包括矩形平面阴极、柱状阴极中的一种或几种，并且所述磁控溅射阴极内设有水冷系统和布气系统；
所述伸缩机构设于所述磁控溅射阴极的后方，所述伸缩机构可沿竖直方向上下伸缩运动；
所述气动挡板设于所述磁控溅射阴极的前方，用于进行开合动作；
所述第三驱动电源包括低占空比的高功率脉冲磁控溅射电源、低占空比的高功率脉冲磁控溅射电源的优化脉冲电源、高占空比的大功率直流电源、脉冲电源、中频电源中的一种或几种，所述第三驱动电源的负极与所述磁控溅射阴极连接，正极与所述真空室连接。
5.根据权利要求1所述的大尺寸真空镀膜设备，其特征在于，所述工件传输系统为不锈钢工件传输系统，用于移动所述待镀工件；
所述工件传输系统与所述真空室绝缘接触；
所述大尺寸真空镀膜设备还包括偏压电源，所述偏压电源的阴极与所述工件传输系统连接，阳极与所述真空室连接，所述偏压电源包括直流电源、脉冲电源、中频电源、射频电源中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的大尺寸真空镀膜设备，其特征在于，所述加热系统包括加热元件和测温元件，所述加热元件位于所述真空室的侧壁上，所述加热元件包括碳纤维、电炉丝、硅碳棒、碘钨灯中的一种或几种，所述加热元件的加热温度范围为0-600℃；
所述测温元件位于所述真空室的侧壁上，或者呈多位点分布于所述真空室内。
7.根据权利要求1所述大尺寸真空镀膜设备，其特征在于，所述监控系统包括用于监控镀膜过程中靶面等离子状态的等离子体密度探针、等离子体光谱监控系统、等离子体质谱监控系统、用于监控工件表面沉积膜层厚度的膜厚监控系统中的一种或几种。
8.一种用于如权利要求1-7任意一项所述的大尺寸真空镀膜设备的使用方法，其特征在于，所述方法包括：
通过工件传输系统将待镀工件送入真空室，通过监控系统测绘出所述待镀工件的尺寸，对所述真空室进行抽气至达到背底真空度，并通过加热系统对所述真空室进行加热，至第一预设温度；
向所述真空室内通入惰性气体，通过所述工件传输系统移动所述待镀工件至弧光放电模块下方，所述弧光放电模块放电，产生高密度、高离化的气体等离子体，对所述待镀工件进行等离子体清洗；
向所述真空室内通入第一预设气体，通过所述加热系统控制所述真空室的温度至第二预设温度，所述弧光放电模块工作，产生高密度、高离化的气体等离子体，对所述待镀工件进行等离子体渗处理；
向所述真空室内通入惰性气体，通过所述工件传输系统控制所述待镀工件至高功率磁控放电模块下方，所述高功率磁控放电模块进行高强度辉光放电，通过高偏压对所述待镀工件表面进行高能离子轰击与注入，以提高膜基结合强度；其中，所述高偏压的电压值范围为1000-80000伏特；
通过所述高功率磁控放电模块放电，产生进行低密度、高离化金属等离子体，通过中偏压加速沉积离子，在所述待镀工件表面进行过渡层制备；其中，所述中偏压的电压值范围为50-3000伏特；
向所述真空室内通入第二预设气体，所述高功率磁控放电模块和所述弧光放电模块同时放电,产生进行高密度、高离化金属等离子体，通过低偏压加速沉积离子，对所述待镀工件进行功能膜层制备；其中，所述低偏压的电压值范围为0-600伏特；
待所述真空室冷却后，取出所述待镀工件。
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