CN203174194U

CN203174194U - 一种多功能等离子体增强涂层系统

Info

Publication number: CN203174194U
Application number: CN 201220594109
Authority: CN
Inventors: 董小虹; 张中弦; 梁航; 黄拿灿; 亚历山大·哥罗沃依
Original assignee: GUANGDONG STRONG METAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Guangdong Strong Metal Technology Co ltd
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2022-11-12

Abstract

本实用新型涉及一种多功能等离子体增强涂层系统，包括真空室（1）和真空获得装置，其特征在于：在真空室（1）的中央设有旋转工件台（12），在真空室（1）的内腔壁设有二个相邻的阴极电弧靶（2，4），阴极电弧靶之一带阻挡屏（3），在此阴极电弧靶（2）的正对面设有辅助阳极装置（11），阴极电弧靶之二位于阴极电弧靶之一的相邻处，由旋转工件台（12）、二个阴极电弧靶和真空室（1）、辅助阳极装置（11）和真空室（1）构成旋转式电弧离子镀等离子体增强涂层系统。本实用新型具有涂层表面精密、孔隙率低、涂层性能稳定、结构简单和成本低廉的有益效果。

Description

一种多功能等离子体增强涂层系统

技术领域

本实用新型涉及一种多功能等离子体增强涂层系统，应用于表面镀膜，属于薄膜材料与现代表面工程的等离子体气相沉积技术领域。

背景技术

众所周知，电弧离子镀技术是利用冷场致弧光放电过程，使被镀靶材蒸发、离子化，反应沉积，形成金属氮化物或氮碳化物等化合物涂层。电弧离子镀技术，由于具有设备结构较简单，离化率高，沉积速率高，入射离子能量大，膜基结合力较高等优点，作为硬质膜涂层手段，在刀具和各种工模具上已获得愈来愈广泛的应用。然而，现有技术的电弧离子镀涂层中存在大颗粒污染，使涂层表面粗糙，孔隙率增加，涂层性能不稳定，这在一定程度上制约了电弧离子镀硬质涂层在精密工模具和高档零件上的应用。为了减少涂层表面颗粒，使涂层致密，光洁度提高，人们设计了不少对等离子体系统的改进方法。其中一种常用的较有效的方法是，在阴极靶后面设置永磁体，使在靶面产生弯曲磁场，利用此磁场分量，以增加弧斑在靶面的移动速度。但是，这种技术的弯曲磁场也将带电粒子约束在阴极靶表面附近，使之不能充分发射到涂层工件区域参与离化。

溅射镀膜属于辉光放电范畴，利用阴极溅射原理进行镀膜。真空腔中的氩离子将靶材原子溅射下来，沉积到工件上形成所需膜层。在溅射镀发展过程中，人们引入了磁控技术。在阴极靶表面建立跑道磁场，利用其控制二次电子运动，延长其在靶面附近的行程，增加与气体的碰撞几率，从而提高等离子体的密度，这样可以大大提高靶材的溅射速率，提高沉积速率。但是此封闭的环状跑道磁场也同样会将大量的带电粒子约束在阴极靶表面附近，使中性原子无法与工艺气体（例如氮气和含碳气体）产生反应，以获得基于氮化物、碳化物或者碳氮化物的涂层，导致阴极材料的大量中性原子落到正在形成的涂层表面上，

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题，即本实用新型的目的，是为了克服现有技术电弧离子镀涂层中存在大颗粒污染、使涂层表面粗糙、孔隙率增加、涂层性能不稳定的缺陷，提供一种多功能等离子体增强涂层系统。

本实用新型的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种多功能等离子体增强涂层系统，包括真空室和真空获得装置，结构特点是：在真空室的中央设有旋转工件台，在真空室的内腔壁设有二个相邻的阴极电弧靶，阴极电弧靶之一带阻挡屏，在此阴极电弧靶的正对面设有辅助阳极装置，阴极电弧靶之二位于阴极电弧靶之一的相邻处；由旋转工件台、二个阴极电弧靶、一个辅助阳极装置和真空室构成旋转式电弧离子镀等离子体增强涂层系统。

本实用新型的目的还可以通过采取如下技术方案达到：

本实用新型的一种实施方式是：在阴极电弧靶之一的斜对面设有磁控溅射靶，由旋转工件台、二个阴极电弧靶、磁控溅射靶、辅助阳极装置和真空室构成旋转式电弧离子镀、磁控溅射镀多功能等离子体增强涂层系统。

进一步地，真空室呈筒状，其截面可以呈六边状、八边状、十边状或十二边状，其中有相邻的二边各设有一个凹位，阴极电弧靶之一内置在凹位之一，阴极电弧靶之二内置在凹位之二，辅助阳极装置设置在阴极电弧靶之一的正对面，磁控溅射靶设置在与辅助阳极装置相邻的下边处；阻挡屏位于阴极电弧靶之一凹位的开口处并在该开口处留有间隙。

进一步地，真空室呈圆筒状，真空室的截面呈圆形状，在X轴上的内壁处设有凹位之一，阴极电弧靶之一内置在该凹位之一中；在凹位之一的下方设有凹位之二，阴极电弧靶之二内置在凹位之二中，辅助阳极装置设置在阴极电弧靶之一的正对面，磁控溅射靶设置在与辅助阳极装置的下边处；阻挡屏位于电弧靶一凹位的开口处并在该开口处留有间隙。

本实用新型的一种实施方式是：真空室呈筒状，真空室的截面可以呈六边状、八边状、十边状或十二边状，其中有相邻的二边各设有一个凹位，阴极电弧靶之一内置在凹位之一，阴极电弧源之二内置在凹位之二，辅助阳极装置设置在阴极电弧靶之一的正对面；阻挡屏位于凹位之一的开口处并在该开口处留有间隙。

进一步地，真空室1呈圆筒状，真空室的截面呈圆形状，在X轴上的内壁处设有凹位之一，阴极电弧靶之一内置在该凹位之一中；在凹位之一的下方设有凹位之二，阴极电弧靶之二内置在凹位之二中，辅助阳极装置设置在阴极电弧靶之一的正对面；阻挡屏位于凹位之一的开口处并在该开口处留有间隙。

进一步地，在真空室内可以设置电加热板，旋转工作台装备有行星机构和其它一些必要的辅助设施。

进一步地，真空获得装置由真空泵机组构成，其连接通道设置在真空室的一个侧面。

本实用新型具有如下突出的有益效果;

1、由于本实用新型在涂层系统中设置了阴极电弧源，并有辅助阳极装置，使离子镀或磁控溅射镀在气体放电与电弧放电中进行。由于此特殊电弧源的存在，使系统的中性原子减少，离化率提高，对镀膜工件的刻蚀清洗与沉积过程得到强化，从而提高涂层的性能，具有涂层表面精密、孔隙率低、涂层性能稳定的有益效果。

2、本实用新型由于采用带阻挡屏的阴极电弧靶，在真空室内产生气体等离子体，完全替代了造价昂贵、功率小、操作控制困难的气体离子源辅助设备，因此，具有结构简单、成本低廉的有益效果。由于原子（离子）阻挡屏隔住了质量较大金属原子、离子以及弧斑微熔池喷射出来的液滴，而质量很小的电子则可绕过阻挡屏，在屏后形成电子云作为虚拟阴极，因此，可增加了腔体内的等离子体密度。

附图说明

图1是本实用新型具体实施例1的结构示意图。

具体实施方式

具体实施例1：

参照图1，本实施例包括真空室1和真空获得装置，在真空室1的中央设有旋转工件台12，在真空室1的内腔壁设有二个相邻的阴极电弧靶（2，4），阴极电弧靶2带阻挡屏3，在阴极电弧靶2的正对面设有辅助阳极装置11，阴极电弧靶4位于阴极电弧靶2的相邻处；在阴极电弧靶2的斜对面设有磁控溅射靶10；由旋转工件台12、阴极电弧靶2、阴极电弧靶4、磁控溅射靶10、辅助阳极装置11和真空室1构成旋转式电弧离子镀、磁控溅射镀多功能等离子体增强涂层系统。

本实施例中，真空室1呈筒状，真空室1的截面呈八边状，其中有相邻的二边各设有一个凹位，阴极电弧靶2内置在凹位之一，阴极电弧靶4内置在凹位之二，辅助阳极装置11设置在阴极电弧靶2的正对面，磁控溅射靶10设置在与辅助阳极装置11相邻的下边处；阻挡屏3位于凹位之一的开口处并在该开口处留有间隙。在真空室1内可以设置电加热板，带有行星机构的旋转工作台12和其它一些必要的辅助设施。真空获得装置的接口设置在真空室的一个侧面。

本实施例的工作原理如下：

参照图1，在真空室1内有金属离子源，例如常见的阴极电弧靶4和磁控溅射靶10，在真空室1内装备了一个配置有原子（离子）阻挡屏3的阴极电弧靶2和与它相搭配的辅助阳极装置11，同时配备相应的弧电源5、6、9和磁控溅射电源8，旋转工作台12与偏压电源7相连接，工件或试样安装在旋转工作台12上面，真空腔内还可以设置电加热板、旋转工作台的行星机构和其它一些必要的辅助设施。

由带原子（离子）阻挡屏3的阴极电弧靶2，在真空腔体内产生气体等离子体，完全替代了造价昂贵、功率小，操作控制困难的气体离子源辅助设备。工作过程中，该阴极靶起弧后，由于原子（离子）阻挡屏3隔住了质量较大金属原子、离子以及弧斑微熔池喷射出来的液滴，而质量很小的电子则可绕过阻挡屏，在屏后形成电子云作为虚拟阴极。这时如果在其对面的辅助阳极上加上正电压，则电子在电场力的作用下发生迁徙，从而电离了两极之间的气体分子，极大地增加了腔体内的等离子体密度。

此时若在工件上加负偏压，则有利于促进涂层沉积过程。同时，上述机构的应用也有助于减少涂层表面上的阴极材料中的中性金属原子，使涂层质量得以提高。

实验表明，通过调节弧电源9，可以改变辅助阳极11的电流，即可改变落在涂覆工件上的金属及气体中性原子与离子的比例，从而改变涂层的硬度。例如，当辅助阳极电流为零时，TiN涂层的硬度在20-25GPa,而辅助阳极电流调至最大时，硬度可达到35-40GPa；相应的，对TiAlN涂层，其显微硬度从25-30GPa到40-50GPa之间变化。在整个沉积周期内，通过调整辅助阳极电流，可以获得沉积涂层厚度所需要的显微硬度分布，并且改变其它性能，例如涂层的耐磨性。

本实施例构成的多功能等离子体增强涂层系统，是在传统物理气相沉积（PVD）技术的基础上，进行技术创新，而开发出的一种增强涂层系统。它可以结合电弧离子镀、溅射镀膜和等离子体增强化学气相沉积等技术，使所制备的硬质涂层得到增强，膜层更加致密，硬度和韧性更高，结合力更好。

应用实例一，电弧离子镀氮化钛涂层：

参照图1，在真空室1中安装被加工工件。真空室1在抽真空后的气压不应低于0.005Pa。在涂镀时，向真空室1中通入惰性气体氩气，达到0.05-0.5Pa的气压。之后启动阴极电弧靶（钛靶）2，通过弧电源5调整其工作电流。根据装载工件的重量不同，工作电流可以在30A-300A范围内调节，工具的重量越大，电流越大。阴极电弧靶2借助弧电源5和弧电源9，平稳增加通过辅助阳极11的电流，工件通过偏压电源7增加偏压（从0到最大值），直到工件上的温度达到所要求的温度（150-600°C）。为了均匀加热工件，工件放置在旋转机构12上，并绕真空室中心转动，必要时采用行星机构。

在沉积开始时，弧电源5和弧电源9电流可以减少到最低，偏压调整到150-300V。然后，启动阴极电弧靶（钛靶）4，并平稳改变气体混合物中的氮含量到需要的浓度。当真空室中的压力稳定后，可以调整弧电源5和弧电源9，通过阴极电弧靶2和辅助阳极11，改变气体混合物的离子化程度。相应地，可改变落在工件上的金属及气体的中性原子与离子之间的比例。基于氮化钛TiN的涂层的显微硬度在辅助阳极11电流为零时在20-25GPa之间，而当辅助阳极11电流为最大时涂层的显微硬度在35-40GPa之间。

若是镀TiAlN，基于TiAlN涂层的显微硬度，可从25-30GPa到40-50GPa之间变化。这样，在整个沉积周期内通过调整辅助阳极电流可以获得沿涂层厚度需要的显微硬度分布，并且改变其他性能，例如，涂层的耐磨性。

应用实例二，磁控溅射镀氮化钛涂层：

参照图1，在真空室1中安装被加工工件。真空室在抽真空后的气压不应低于0.005Pa。在涂镀时，向真空室1中通入惰性气体氩气，达到0.05-0.5Pa的气压。之后启动阴极电弧靶（钛靶）2，通过弧电源5调整其工作电流。根据装载工件的重量不同，工作电流可以在30A-300A范围内调节，工具的重量越大，电流越大。阴极电弧靶2借助弧电源5和弧电源9，平稳增加通过辅助阳极11的电流，工件通过偏压电源7增加偏压（从0到最大值），直到工件上的温度达到所要求的温度（150-600°C）。为了均匀加热工件，工件放置在旋转机构[12]上，并绕真空室中心转动，必要时采用行星机构。

在沉积开始时，弧电源5和弧电源9电流可以减少到最低，偏压调整到150-300V。然后，启动磁控溅射电源8，使磁控溅射靶10表面产生辉光放电，平稳改变气体混合物中的氮含量到需要的浓度。当真空室中的压力稳定后，可以调整弧电源5和弧电源9，通过阴极电弧靶2和辅助阳极11，改变气体混合物的离子化程度。相应地，可改变落在工件上的金属及气体的中性原子与离子之间的比例。基于氮化钛TiN的涂层的显微硬度在辅助阳极11电流为零时在25-30GPa之间，而当辅助阳极11电流为最大时涂层的显微硬度在40-45GPa之间。

若是镀TiAlN，基于TiAlN涂层的显微硬度，可从3540GPa到45-55GPa之间变化。这样，在整个沉积周期内通过调整辅助阳极电流可以获得沿涂层厚度需要的显微硬度分布，并且改变其他性能，例如，涂层的耐磨性。

具体实施例2：

本实施例的特点是：真空室1呈筒状，真空室1的截面可以呈六边状、八边状、十边状或十二边状，其中有相邻的二边各设有一个凹位，阴极电弧靶2内置在凹位之一，辅助阳极装置11设置在阴极电弧靶2的正对面，磁控溅射靶10设置在与辅助阳极装置11相邻的下边处；阻挡屏3位于凹位之一的开口处并在该开口处留有间隙。其余结构组成、工作原理和应用实例同具体实施例1所述。

具体实施例3：

本实施例的特点是：在具体实施例1的基础上删除磁控溅射靶10，即由旋转工件台12、阴极电弧靶2、阴极电弧靶4、辅助阳极装置11和真空室1构成旋转式电弧离子镀等离子体增强涂层系统。本实施例中，真空室1呈筒状，该真空室1的截面呈六边状、八边状、十边状或十二边状，其中有相邻的二边各设有一个凹位，阴极电弧靶2内置在凹位之一，阴极电弧源4内置在凹位之二，辅助阳极装置11设置在阴极电弧靶2的正对面；阻挡屏3位于凹位之一的开口处并在该开口处留有间隙。其余结构组成、工作原理和应用实例同具体实施例1所述。

具体实施例4：

本实施例的特点是：真空室1呈圆筒状，真空室1的截面呈圆形状，在X轴上的内壁处设有凹位之一，阴极电弧靶2内置在该凹位之一中；在凹位之一的下方设有凹位之二，阴极电弧靶4内置在凹位之二中，辅助阳极装置11设置在阴极电弧靶2的正对面；阻挡屏3位于凹位之一的开口处并在该开口处留有间隙。其余同具体实施例3。

通过上述具体实施例可知，在涂层设备中，可以只有离子镀涂层功能，也可以只带磁控溅射镀膜功能，或者两种功能兼而有之。同理，也可以应用在等离子体增强化学气相沉积技术中。本实用新型是为了克服电弧离子镀与磁控溅射镀中，阴极靶表面上带电粒子被过多约束，使之不能充分发射到涂层工件区域参与离化，影响涂镀过程和涂层质量。

Claims

1.一种多功能等离子体增强涂层系统，包括真空室（1）和真空获得装置，其特征在于：在真空室（1）的中央设有旋转工件台（12），在真空室（1）的内腔壁设有二个相邻的阴极电弧靶（2，4），阴极电弧靶之一带阻挡屏（3），在此阴极电弧靶（2）的正对面设有辅助阳极装置（11），阴极电弧靶之二位于阴极电弧靶之一的相邻处，由旋转工件台（12）、二个阴极电弧靶和真空室（1）、辅助阳极装置（11）和真空室（1）构成旋转式电弧离子镀等离子体增强涂层系统。

2.根据权利要求1所述的一种多功能等离子体增强涂层系统，其特征在于：在阴极电弧靶之一的斜对面设有磁控溅射靶（10），由旋转工件台（12）、二个阴极电弧靶、磁控溅射靶（10）、辅助阳极装置11和真空室（1）构成旋转式电弧离子镀、磁控溅射镀多功能等离子体增强涂层系统。

3.根据权利要求2所述的一种多功能等离子体增强涂层系统，其特征在于：真空室（1）呈筒状，其截面呈六边状、八边状、十边状或十二边状，其中有相邻的二边各设有一个凹位，阴极电弧靶之一内置在凹位之一中，阴极电弧靶之二内置在凹位之二中，辅助阳极装置（11）设置在阴极电弧靶之一的正对面，磁控溅射靶（10）设置在与辅助阳极装置（11）相邻的下边处；阻挡屏（3）位于阴极电弧靶之一凹位的开口处并在该开口处留有间隙。

4.根据权利要求2所述的一种多功能等离子体增强涂层系统，其特征在于：真空室（1）呈圆筒状，真空室（1）的截面呈圆形状，在X轴上的内壁处设有凹位之一，阴极电弧靶之一内置在该凹位之一中；在凹位之一的下方设有凹位之二，阴极电弧靶之二内置在凹位之二中，辅助阳极装置（11）设置在阴极电弧靶之一的正对面，磁控溅射靶（10）设置在与辅助阳极装置（11）的下边处；阻挡屏（3）位于阴极电弧靶之一凹位的开口处并在该开口处留有间隙。

5.根据权利要求2所述的一种多功能等离子体增强涂层系统，其特征在于：真空室（1）呈圆筒状，真空室（1）的截面呈圆形状，在X轴上的内壁处设有凹位之一，阴极电弧靶之一内置在该凹位之一中；在凹位之一的下方设有凹位之二，阴极电弧源之二内置在凹位之二中，辅助阳极装置（11）设置在阴极电弧靶之一的正对面；阻挡屏（3）位于阴极电弧靶之一凹位的开口处并在该开口处留有间隙。

6.根据权利要求2或3所述的一种多功能等离子体增强涂层系统，其特征在于：在真空室（1）内设置电加热板，旋转工作台（12）装备有行星机构和辅助设施。

7.根据权利要求2或3所述的一种多功能等离子体增强涂层系统，其特征在于：真空获得装置由真空泵机组构成，其连接通道设置在真空室的一个侧面。