CN207435536U - 多元合金薄膜的制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及多元合金薄膜的制备装置，包括连接有真空泵组的腔室、多个用于盛放高纯金属液的金属液容器、用于放置沉积基片的可转动基座、多个产生双脉冲激光的激光器组、基座控制器和数据采集控制单元，数据采集控制单元采集可转动基座的温度和位移信息，并控制脉冲加压设备的加压频率和多个激光器组的双脉冲激光的射出频率和能量，从而控制所述双脉冲激光轰击对应的脉冲液滴的频率和能量，实现等离子体薄膜沉积的自动控制。本实用新型的制备装置，可以快速地制备高低熔点相差较大的多元合金薄膜、多元合金的气体化合物薄膜、化学成分梯度变化的薄膜和厚度方向合金比例任意变化的多元合金薄膜。

Description

多元合金薄膜的制备装置

技术领域

本实用新型涉及薄膜制备领域，特别涉及多元合金薄膜的制备装置。

背景技术

随着科学技术日新月异的发展，对材料的复合性能提出了越来越高的要求，一方面要求材料具有优良的强韧性、导电导热性，以承受机械载荷并达到长久使用的目的，另一方面又要求其能耐高温、耐热冲击、耐磨和高硬度等。新型功能薄膜材料应运而生，并得到了前所未有的发展，其中多元合金薄膜(如高熵合金薄膜)因其具有高温热稳定性、耐蚀性、高硬度和高抗氧化性等，成为一种极具发展潜力的新兴薄膜材料。

在多元合金薄膜的制备及性能研究中，增加或减少某些合金元素比例、改变薄膜成分在厚度方向上的变化规律以及形成多元合金的氮化物或碳化物薄膜等，均会改变薄膜特性或其与基体结合力，使其产生不一样的性能特点，从而应用于不同的场合。需要一套多元合金薄膜制备装置，可以任意设计合金成分比例，任意设计薄膜成分在厚度上的变化规律。

目前，多元合金薄膜的制备方法主要有磁控溅射法、电化学沉积法和激光熔覆法等。多元合金常选用Fe、Co、Cr、Ni、W、Mo、V、Mn、Ti、Zr和Cu等高密度过渡族金属元素作为主元素，这些元素大多具有高熔点；多元合金也掺入一些低熔点的元素，如：Al、Si、C、N和B等。由于合金元素高低熔点相差较大，磁控溅射法往往需要根据熔点范围制备多个两元或三元合金靶材，然后对多个靶材同时溅射沉积制备多元合金薄膜。磁控溅射法沉积速率低，所得薄膜成分和预先设计的差异较大。电化学沉积法制备多元合金薄膜需要配置多种电解液，某些元素无法通过电化学沉积在薄膜上，制备过程和膜厚不易控制。激光熔覆法常采用CO₂激光器、固体激光器或半导体激光器直接在基体上熔融输送来的金属粉末，该方法制备所得涂层与基体附着性差，所得薄膜成分和预先设计的差异也较大，且所得薄膜中往往存在空隙、气孔等缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的是为解决以上问题的至少一个，本实用新型的目的在于提出一种多元合金薄膜的制备装置。通过本实用新型的制备装置，可以快速地制备高低熔点相差较大的多元合金薄膜，如高熵合金薄膜；可以快速制备多元合金的气体化合物薄膜；可以快速制备化学成分梯度变化的薄膜；可快速制备厚度方向合金成分比例任意变化的多元合金薄膜；使制备得到的合金薄膜成分与预先设计得更加一致。

根据本实用新型，提供一种多元合金薄膜的制备装置，包括连接有真空泵组的腔室、多个用于容纳高纯度金属液的金属液容器、用于放置沉积基片的可转动基座、多个产生双脉冲激光的激光器组、基座控制器和数据采集控制单元。

可转动基座位于腔室内，多个金属液容器位于腔室的外部，并与腔室连通，每个金属液容器均设有脉冲加压设备，将金属液以均匀脉冲液滴的形式压入腔室；多个激光器组与多个金属液容器一一对应，使得射出的多束双脉冲激光一一对应轰击多种脉冲液滴并产生相应的等离子体并溅射沉积在沉积基片上形成多元合金薄膜。

数据采集控制单元采集可转动基座的温度和位移信息，并控制脉冲加压设备的加压频率和多个激光器组的双脉冲激光的射出频率和能量，从而控制双脉冲激光轰击对应的脉冲液滴的频率和能量，实现等离子体薄膜沉积的自动控制。

基座控制器通过数据采集控制单元收集的基座的温度和位移信息，控制基座的温度、自转和移动。

其中，制备装置还包括同步触发器，同步触发器通过数据采集控制单元使激光双脉冲发射与对应的脉冲液滴形成同步。

其中，制备装置还包括检测组件，数据采集控制单元通过检测组件采集腔室的真空度和气体成分数据进而控制真空泵组的抽气。制备装置的腔室极限真空度为10^-6Pa。

其中，制备装置还包括进气组件，其中一个进气组件位于腔室上，控制腔室内的气体成分；另外多个进气组件位于金属液容器上，与所述多个金属液容器一一对应。

其中，制备装置还包括挡片，挡片可拆卸地设置于基座和所有双脉冲激光与脉冲液滴作用点连成的作用面之间。

制备装置还包括多个聚焦透镜，多个聚焦透镜与多个激光器组一一对应设置，每个聚焦透镜位于对应的激光器组和双脉冲激光和脉冲液滴的作用点之间，使得聚焦透镜的焦点正好为双脉冲激光和脉冲液滴的作用点。

其中，脉冲加压设备上有激振器，惰性气体由进气组件进入金属液容器并经过激振器形成脉冲气压，将金属液以脉冲液滴的形式喷入腔室。

其中，金属液容器的底部中心均设有喷孔，喷孔与腔室相通，每个喷孔到沉积基片的中心的水平距离和垂直距离均分别相等，每束双脉冲激光与对应的脉冲液滴的作用点到沉积基片的中心的水平距离和垂直距离均分别相等，射出的每束双脉冲激光的延长线与沉积基片平面夹角均相等。

其中，多个金属液容器完全一致，多个激光器组完全一致。脉冲液滴尺寸均匀，直径为微米量级，每束双脉冲激光通过对应的聚焦透镜聚焦成光斑轰击对应的脉冲液滴，光斑的直径大于对应的脉冲液滴的直径。

本实用新型具有以下有益效果：

1、可根据需要沉积任意合金成分比例的多元合金薄膜。

2、可根据需要沉积多元合金的气体化合物薄膜。

3、可根据需要沉积化学成分梯度变化的薄膜。

4、可根据需要进行薄膜成分设计并编程，得到化学成分在厚度方向任意变化的薄膜。

5、高能量的双脉冲激光轰击液滴靶后产生的等离子体具有更高的动能，沉积在沉积基片上，膜层与沉积基片结合力更强，形成的薄膜质量好。

6、液滴尺寸小，聚焦光斑尺寸大于液滴尺寸，采用双脉冲激光轰击单个液滴靶后产生的等离子体中碎片很少，得到的薄膜成分与预先设计的更加一致。

7、可根据需要选择激光功率，同时沉积高低熔点差异大的多种材料。

8、双脉冲激光束轰击液滴靶的频率可调，沉积速率快。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本实用新型实施方式的多元合金薄膜的制备装置的侧视图；

图2示出了根据本实用新型实施方式的多元合金薄膜的制备装置的俯视图；

图3示出了根据本实用新型实施方式的制备化学成分梯度变化的薄膜时的两组双脉冲激光轰击液滴的频率随时间变化曲线。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：在真空腔室内采用N束双脉冲激光等距离地分别轰击N类金属液滴靶产生N类等离子体，N类等离子体均匀混合后溅射沉积在沉积基片上。金属液滴靶采用脉冲气压控制其喷射频率，双脉冲激光的频率采用放电频率控制，双脉冲激光与液滴同步作用。通过集成在数据采集控制单元6上的软件可调节双脉冲激光轰击某类金属液滴靶的频率，从而改变其产生的该类金属的等离子体密度，实现任意成分比的N元合金薄膜制备。通过向真空腔室中通入作用气体，可使产生的等离子体与气体发生反应，从而形成N元合金的气体化合物薄膜。通过在数据采集控制单元6编程预设双脉冲激光轰击金属液滴靶的频率随时间变化曲线，可自动调节溅射沉积在沉积基片上的成分比例，制备得到合金成分比例沿厚度方向任意变化的薄膜。

如图1～图2所示，本实用新型提供一种多元合金薄膜制备装置包括腔室1、真空泵组7、进气组件和检测组件。腔室1是多元合金薄膜的制备场所，为竖直放置的圆柱形，选用放气率低的316L不锈钢材质，并经过高温除气处理，其极限真空可达10^-6Pa，有效避免了合金制备过程中发生的薄膜氧化等化学反应。

真空泵组7采用机械泵和分子泵串联抽气。腔室上设有进气组件，进气组件包含流量控制器，通过该进气组件，可根据需要适时向腔室1中通入一定的氮气或氧气等，从而可制备多元合金的氮化物或氧化物薄膜。检测组件在图1中未画出，其可监测腔室的真空度和气体成分。

该多元合金薄膜制备装置还包括金属液容器2、脉冲气压、基座3、基座控制器5和挡片10。金属液容器2用于产生及容纳各类高纯液态金属，可根据沉积几元合金选择几个容器；各容器为尺寸完全一致的封闭圆柱形，容器底部通过真空法兰连接在腔室1的顶部。

每个金属液容器2底部中心有喷孔，用于喷出液滴，喷孔与腔室1顶部的中心距离一致；每个容器顶部还设有用于引入惰性气体的进气组件和激振器，进气组件与激振器配合在每个金属液容器2内形成脉冲气压。金属液在一个脉冲气压作用下从喷孔喷出形成一个均匀的脉冲液滴，液滴直径范围为30～40μm，大小均匀。

基座3固定在腔室1内的圆形顶部正中心，其上固定着待沉积的圆形沉积基片；基座3上布置有加热丝，可对沉积基片加热；基座3上有热电偶，可检测沉积基片温度。腔室1外有基座控制器5，用于控制基座的温度、自转和移动。挡片10与沉积基片平行放置，用于预溅射沉积时对等离子体的约束。

该多元合金薄膜制备装置还包括多个完全一致的激光器组4、光束和聚焦透镜11等光路传输组件。激光器组4在一个放电脉冲下可产生两个脉冲激光，典型激光为10.6μm的CO₂激光，频率范围为1Hz～20KHz，其出射的双脉冲激光束采用聚焦透镜聚焦成高能量密度的光斑轰击液滴金属靶，聚焦光斑直径大于液滴直径，聚焦光斑尺寸范围为60～90μm。一个双脉冲激光轰击一颗液滴，液滴吸收激光能量进而产生高温高能量密度的金属等离子体。多个激光器组4与多个金属液容器2一一对应放置，其与脉冲液滴作用位置和沉积基片中心距离相等。沉积基片中心与所有产生等离子体的脉冲液滴可组成一个标准的圆锥，各激光器组出射光束的延长线与沉积基片平面构成的沉积角度为45℃。激光器组4出射光束的能量密度需根据作用金属液滴类型来调节。

该多元合金薄膜制备装置还包括同步触发器和数据采集控制单元6。同步触发器可实现激光双脉冲和对应金属脉冲液滴的同步作用，即形成一颗脉冲液滴，即有一颗脉冲液滴被对应激光器组的双脉冲激光轰击成等离子体。通过数据采集控制单元6内的软件可控制双脉冲激光轰击对应金属液滴靶的频率，即可增加或减小双脉冲激光与脉冲液滴作用频率，从而增强或减弱对应等离子体的密度。通过软件可编程预设双脉冲激光轰击对应金属液滴靶的频率，从而自动控制等离子体沉积薄膜过程。数据采集控制单元6还采集和显示激光束能量、腔室的真空度和气体成分。数据采集控制单元6控制真空泵组、激光器组和真空检测组件的开关。数据采集控制单元6采集基座的温度和位移信息，PID控制基座的温度和运动。

一种N元合金薄膜的制备方法，首先将N个完全一致的金属液容器固定在腔室1顶部，分别盛放N类金属液。将预处理后的沉积基片固定在腔室1内的基座3上，通过数据采集控制单元6控制沉积基片温度和自转速率。将N个配套激光器组4固定在腔室外，保证出射光束与液滴的作用点和沉积基片中心距离(横向和纵向距离)相等。在数据采集控制单元6打开真空泵组7抽真空到极限真空度。若N元合金薄膜各元素原子比为1，需采用相同的激光束能量，相同的双脉冲激光轰击液滴靶的频率。若N元合金薄膜中某元素和其它元素的原子比均为2:1，则仅需将该元素的双脉冲激光轰击液滴靶频率调整为其它元素的两倍。首先在挡片10上进行预沉积，待激光与液滴作用形成的等离子体稳定后，N类金属的等离子体作用后均匀混合在一起。移开挡片10，则N类金属的等离子体均匀地沉积在沉积基片上。根据所需膜层厚度来控制激光与液滴作用时间。

以在Ti-6Al-4V沉积基片上制备五元合金TiVCrAlSi薄膜为例，具体包括以下步骤：

将五个完全一致的金属液容器2分别固定在腔室1顶部，依次盛放高纯的Ti液、V液、Cr液、Al液和Si液。

将预处理后的Ti-6Al-4V沉积基片固定在腔室1内的基座3上，通过数据采集控制单元6控制Ti-6Al-4V沉积基片的温度和自转速度，使得每个金属液容器2的喷孔到沉积基片的中心的水平距离相等、垂直距离也相等。

调整五个配套激光器组4，保证激光器组4射出的光束与液滴的作用点到沉积基片中心的水平距离相等，垂直距离也相等。

在数据采集控制单元6打开真空泵组7抽真空到极限真空度。

在数据采集控制单元6打开激光器组4和脉冲气压；采用相同的激光束能量，相同的双脉冲激光轰击液滴靶的频率。(若沉积TiVCrAl₂Si五元合金薄膜，则仅需将Al元素的双脉冲激光轰击液滴靶频率调整为其它元素的两倍。)

在挡片10上进行预沉积。

待激光与所有液滴作用形成的等离子体稳定后，五类金属的等离子体作用后均匀混合在一起。移开挡片10，则五类金属的等离子体按比例均匀地沉积在沉积基片上。

根据所需膜层厚度来控制激光与液滴作用时间。

一种N元合金的气体化合物薄膜的制备方法，在N元合金薄膜制备方法的基础上，打开真空泵组7抽真空到极限真空度后，通过进气组件向腔室充入预设的高纯气体(如氮气)，压力动态平衡范围为0.1Pa～300Pa。这样激光束与脉冲液滴作用形成的高温等离子体会与充入的气体发生化学反应，反应物沉积在沉积基片上，从而形成所需的N元合金的气体化合物薄膜。

以在Ti-6Al-4V沉积基片上制备五元合金TiVCrAlSi的氮化物薄膜为例，具体包括以下：

在五元合金TiVCrAlSi薄膜制备步骤基础上，在数据采集控制单元6打开真空泵组7抽真空到极限真空度步骤后打开激光器组4和脉冲加压设备步骤之前，通过进气组件向腔室1充入高纯氮气，压力动态平衡为约30Pa。这样各激光束与各脉冲液滴作用形成的高温等离子体会与充入的氮气发生化学反应，反应的合金氮化物沉积在沉积基片上，从而形成五元合金TiVCrAlSi的氮化物薄膜。

一种合金比例沿厚度方向任意变化的薄膜的制备方法，以在316L不锈钢沉积基片上沉积化学成分由316L不锈钢渐变到Inconel718镍基合金的梯度薄膜为例说明，具体包括以下步骤：

将盛放316L不锈钢、Inconel718镍基合金两种合金液分别放置到两个金属液容器中。

将预处理后的316L不锈钢沉积基片固定在基座上，通过数据采集控制单元6控制沉积基片的温度和自转速度，使得两个金属液容器2的喷孔到沉积基片的中心的水平距离相等、垂直距离也相等。

调整两个配套激光器组4，保证激光器组4射出的光束与液滴的作用点到沉积基片中心的水平距离相等，垂直距离也相等。

在数据采集控制单元6打开真空泵组7抽真空到极限真空度。

在数据采集控制单元6的软件中编制图3曲线。

在数据采集控制单元6打开激光器组4和脉冲加压设备，产生双脉冲激光和脉冲液滴。

软件自动调节双脉冲激光轰击液滴靶的频率，则沉积在316L不锈钢沉积基片上的薄膜中316L不锈钢和Inconel718镍基合金的合金含量比逐渐降低，直至完全过渡为Inconel718镍基合金，即在316L不锈钢沉积基片上沉积了化学成分由316L不锈钢渐变到Inconel718镍基合金的梯度薄膜。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.多元合金薄膜的制备装置，其特征在于，包括连接有真空泵组(7)的腔室(1)、多个用于盛放高纯金属液的金属液容器(2)、用于放置沉积基片的可转动基座(3)、多个产生双脉冲激光的激光器组(4)、基座控制器(5)和数据采集控制单元(6)；

所述可转动基座(3)位于所述腔室(1)内，所述多个金属液容器(2)与所述腔室(1)连通，每个金属液容器(2)均设有脉冲加压设备，将金属液以脉冲液滴的形式压入所述腔室(1)；所述多个激光器组(4)与所述多个金属液容器(2)一一对应，使得射出的多束双脉冲激光一一对应轰击多种脉冲液滴并产生相应的等离子体并溅射沉积在所述沉积基片上形成多元合金薄膜；

所述数据采集控制单元(6)采集所述可转动基座(3)的温度和位移信息，并控制所述脉冲加压设备的加压频率和所述多个激光器组(4)的双脉冲激光的射出频率和能量，从而控制所述双脉冲激光轰击对应的脉冲液滴的频率和能量，实现等离子体薄膜沉积的自动控制；

所述基座控制器(5)通过所述数据采集控制单元(6)收集的基座的温度和位移信息，控制基座的温度、自转和移动。

2.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，

所述制备装置还包括同步触发器，所述同步触发器通过所述数据采集控制单元(6)使激光双脉冲发射与对应的脉冲液滴形成同步。

3.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，

所述制备装置还包括检测组件，所述数据采集控制单元(6)通过所述检测组件采集所述腔室(1)的真空度和气体成分数据进而控制所述真空泵组(7)的抽气；

所述制备装置还包括进气组件，其中一个进气组件位于所述腔室(1)上，控制所述腔室(1)内的气体成分；另外多个进气组件位于所述金属液容器(2)上，与所述多个金属液容器一一对应。

4.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，

所述制备装置还包括挡片(10)，所述挡片(10)可拆卸地设置于所述基座(3)和所有双脉冲激光与脉冲液滴作用点连成的作用面之间；

所述制备装置还包括多个聚焦透镜(11)，所述多个聚焦透镜(11)与所述多个激光器组(4)一一对应设置，每个聚焦透镜(11)位于对应的激光器组(4)和双脉冲激光和脉冲液滴的作用点之间，使得聚焦透镜(11)的焦点正好为双脉冲激光和脉冲液滴的作用点。

5.如权利要求3所述的制备装置，其特征在于，

所述脉冲加压设备上有激振器，惰性气体由进气组件进入金属液容器(2)并经过激振器形成脉冲气压，将所述金属液以脉冲液滴的形式喷入所述腔室(1)。

6.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，

所述金属液容器(2)的底部中心均设有喷孔，所述喷孔与所述腔室(1)相通，每个所述喷孔到所述沉积基片的中心的水平距离和垂直距离均分别相等，每束双脉冲激光与对应的脉冲液滴的作用点到所述沉积基片的中心的水平距离和垂直距离均分别相等，射出的每束双脉冲激光的延长线与沉积基片平面夹角均相等。

7.如权利要求1所述的制备装置，其特征在于，

所述多个金属液容器完全一致，所述多个激光器组完全一致；

所述脉冲液滴尺寸均匀，直径为微米量级，每束双脉冲激光通过对应的聚焦透镜(11)聚焦成光斑轰击对应的脉冲液滴，光斑的直径大于对应的脉冲液滴的直径。