CN213266684U - 超硬纳米复合涂层的制备pvd设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供超硬纳米复合涂层的制备PVD设备。本实用新型提供了超硬纳米复合涂层的制备PVD设备，其通过总供电线路供电，复合PVD设备包括：一个壳体、一个工件架、一个离子源、一个分子泵、一个阴极电弧金属镀膜模块、一个阴极磁控溅射金属镀膜模块、一个阴极电弧石墨镀膜模块、一个阴极磁控溅射石墨镀膜模块。该PVD设备在一个真空镀膜室内集成多个磁控阴极、电弧阴极以及离子源，实现多种镀膜工艺集成，从而可以开发多种膜层复合的新型涂层材料。

Description

超硬纳米复合涂层的制备PVD设备

技术领域

本实用新型涉及金属表面处理及材料领域域。本实用新型具体涉及超硬纳米复合涂层的制备PVD设备。

背景技术

用于制备硬质功能涂层的真空物理气相沉积(PVD)设备，依据镀膜工艺原理主要分为两类：阴极电弧离子镀和磁控溅射。电弧离子镀的优势在于离化率高、沉积速率快、膜基结合力高，但电弧放电熔化靶材，容易产生液滴飞溅，进而在膜层中产生大颗粒，另外电弧镀膜的致密度不高。磁控溅射镀膜的优势在于膜层均匀平整、致密度高，但沉积速率较慢、离化率低，膜基结合力不高。对于制备超高硬度(>40GPa)的多层纳米复合涂层，单一电弧或磁控溅射工艺已很难满足要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种超硬纳米复合涂层的制备PVD设备具体为在一个真空镀膜室内集成多个磁控阴极、电弧阴极以及离子源，实现多种镀膜工艺集成，从而可以开发多种膜层复合的新型涂层材料。

本实用新型提供了超硬纳米复合涂层的制备PVD设备，其通过总供电线路供电，复合PVD设备包括：一个壳体、一个工件架、一个离子源、一个分子泵、一个阴极电弧金属镀膜模块、一个阴极磁控溅射金属镀膜模块、一个阴极电弧石墨镀膜模块、一个阴极磁控溅射石墨镀膜模块。

壳体具有一个反应腔室。工件架沿一个回转轴线可转动的连接于壳体且位于反应腔室内。工件架与总供电线路的地线连接。离子源设置于反应腔室内且具有一个离子源供气口、一个输出束流口和一个能够控制离子源启动的离子源启动端。分子泵具有一个抽气口及一个泵控制端。抽气口连通反应腔室。

阴极电弧金属镀膜模块，其包括一个电弧金属靶及一个第一金属弧靶高压供电回路。第一金属弧靶高压供电回路的负极与电弧金属靶电连接。电弧金属靶设置于反应腔室且朝向工件架。

阴极磁控溅射金属镀膜模块，其包括一个溅射金属靶及一个第一金属溅射高压供电回路。第一金属溅射高压供电回路的负极与溅射金属靶电连接。溅射金属靶设置于反应腔室且朝向工件架。

阴极电弧石墨镀膜模块，其包括一个电弧石墨靶及一个第一石墨弧靶高压供电回路。第一石墨弧靶高压供电回路的负极与电弧石墨靶电连接。电弧石墨靶设置于反应腔室且朝向工件架。

阴极磁控溅射石墨镀膜模块，其包括一个溅射石墨靶及一个第一石墨溅射高压供电回路。第一石墨溅射高压供电回路的负极与溅射石墨靶电连接。溅射石墨靶设置于反应腔室且朝向工件架。电弧石墨靶、溅射石墨靶、电弧金属靶及溅射金属靶沿反应腔室的内周向均匀设置。

在本实用新型超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的另一种实施方式中，溅射金属靶的材料为Ti、Cr、Si与W材料中的一种或多种。电弧金属靶的材料为Ti、Cr、Zr与W一种或多种。

在本实用新型超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的又一种实施方式中，反应腔室具有一个腔室高度延伸方向。反应腔室垂直于腔室高度延伸方向的截面为圆形截面。

工件架包括：一个旋转轴和一个层架。旋转轴延其轴线可转动的连接于壳体且位于反应腔室内。旋转轴的轴线平行于腔室高度延伸方向。旋转轴延的轴线为回转轴线。层架固定于旋转轴且随旋转轴转动。

在本实用新型超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的再一种实施方式中，还包括：一个电机，其输出轴同轴连接旋转轴且能够带动旋转轴绕其轴线转动。

在本实用新型超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的再一种实施方式中，还包括：多个气源供气装置。多个气源供气装置其均具有供气管路及供气控制端。供气管路分别与离子源供气口连接。

在本实用新型超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的再一种实施方式中，还包括：一个控制装置，其具有多个输入端、与多个输入端连接的处理器和与处理器连接的多个输出端。

输入端接收启动指令且能够发送到处理器。输出端分别与离子源启动端、气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端连接。

处理器根据启动指令，调用预存的启动序列。根据启动序列向输出端发送离子源启动端、气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端的控制信息。

启动系列包括多个顺序执行的启动指令。启动指令中包括：离子源启动端、气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端的控制指令。

下文将以明确易懂的方式，结合附图对船用供电分配控制器的特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

附图说明

图1是用于说明在本实用新型一种实施方式中，超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的横截面的内部示意图。

图2是用于说明在本实用新型另一种实施方式中，超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的内部局部示意图。

具体实施方式

为了对实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式，在各图中相同的标号表示结构相同或结构相似但功能相同的部件。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本示例性实施例相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构及真实比例。

本实用新型提供了超硬纳米复合涂层的制备PVD设备，PVD(Physical VaporDeposition)---物理气相沉积。如图1所示，其通过总供电线路供电，复合PVD设备包括：一个壳体10、一个工件架20、一个离子源30、一个分子泵40、一个阴极电弧金属镀膜模块50、一个阴极磁控溅射金属镀膜模块60、一个阴极电弧石墨镀膜模块70、一个阴极磁控溅射石墨镀膜模块80。

壳体10具有一个反应腔室11。工件架20沿一个回转轴线可转动的连接于壳体10且位于反应腔室11内。工件架20与总供电线路的地线连接。离子源30设置于反应腔室11内且具有一个离子源供气口、一个输出束流口和一个能够控制离子源30启动的离子源30启动端。分子泵40具有一个抽气口及一个泵控制端。抽气口连通反应腔室11。

阴极电弧金属镀膜模块50，其包括一个电弧金属靶51及一个第一金属弧靶高压供电回路。第一金属弧靶高压供电回路的负极与电弧金属靶51电连接。电弧金属靶51设置于反应腔室11且朝向工件架20。

阴极磁控溅射金属镀膜模块60，其包括一个溅射金属靶61及一个第一金属溅射高压供电回路。第一金属溅射高压供电回路的负极与溅射金属靶61电连接。溅射金属靶61设置于反应腔室11且朝向工件架20。

阴极电弧石墨镀膜模块70，其包括一个电弧石墨靶71及一个第一石墨弧靶高压供电回路。第一石墨弧靶高压供电回路的负极与电弧石墨靶71电连接。电弧石墨靶71设置于反应腔室11且朝向工件架20。

阴极磁控溅射石墨镀膜模块80，其包括一个溅射石墨靶81及一个第一石墨溅射高压供电回路。第一石墨溅射高压供电回路的负极与溅射石墨靶81电连接。溅射石墨靶81设置于反应腔室11且朝向工件架20。电弧石墨靶71、溅射石墨靶81、电弧金属靶51及溅射金属靶61沿反应腔室11的内周向均匀设置。

在本实用新型超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的另一种实施方式中，溅射金属靶61的材料为Ti、Cr、Si与W材料中的一种或多种。电弧金属靶51的材料为Ti、Cr、Zr与W一种或多种。

在本实用新型超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的又一种实施方式中，如图2所示，反应腔室11具有一个腔室高度延伸方向12。反应腔室11垂直于腔室高度延伸方向12的截面为圆形截面。

如图2所示，工件架20包括：一个旋转轴21和一个层架22。旋转轴21延其轴线可转动的连接于壳体10且位于反应腔室11内。旋转轴21的轴线平行于腔室高度延伸方向。旋转轴21延的轴线为回转轴线。层架22固定于旋转轴21且随旋转轴21转动。从而便于容纳更多的待加工工件。

如图2所示，在本实用新型超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的再一种实施方式中，还包括：一个电机23，其输出轴同轴连接旋转轴21且能够带动旋转轴21绕其轴线转动。

在本实用新型超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的再一种实施方式中，还包括：多个气源供气装置。多个气源供气装置其均具有供气管路及供气控制端。供气管路分别与离子源供气口连接。一方面便于对代加工工件清洗，另外便于多种电镀加工。

在本实用新型超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的再一种实施方式中，还包括：一个控制装置，其具有多个输入端、与多个输入端连接的处理器和与处理器连接的多个输出端。

输入端接收启动指令且能够发送到处理器。输出端分别与离子源30启动端、气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端连接。

处理器根据启动指令，调用预存的启动序列。根据启动序列向输出端发送离子源30启动端、气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端的控制信息。

启动系列包括多个顺序执行的启动指令。启动指令中包括：离子源30启动端、气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端的控制指令。从而便于电镀加工的自动化。

本实用新型提供一种用于制备超硬纳米复合涂层的多功能复合PVD设备，具体为在一个真空镀膜室内集成多个磁控阴极、电弧阴极以及离子源，实现多种镀膜工艺集成，从而可以开发多种膜层复合的新型涂层材料。

本实用新型中的设计阴极电弧/磁控溅射/离子源复合PVD设备，设备的设计思路如图1所示，设备可以用于制备高性能金属、金属碳氮化物、类金刚石纳米复合超硬薄膜以及其他各类功能复合薄膜。设备的技术特征如下：

真空镀膜室内配置多个阴极弧源，磁控阴极源以及离子源，实现多种涂层材料的多功能镀膜，打造多功能、高性能、全面的表面等离子体加工处理平台；

采用矩形平面阴极电弧源，可获得比传统小圆柱弧源更为优异的均匀性与电弧稳定性；

独特设计的阴极弧源磁场，精确控制靶面磁力线分布，控制弧斑的快速均匀移动，通过强磁场使弧斑根部分裂为细小弧斑，有效改善传统电弧镀膜存在的大颗粒问题；

独特设计的全闭环磁场、非平衡磁控溅射模块，有效的增加空间等离子浓度，较传统的磁控溅射离子浓度增加了100倍，从而克服了磁控溅射离化率低而造成的结合力差和反应不充分等一系列缺点；

离子源辅助模块，可以进一步增强磁控溅射镀膜过程的等离子体浓度，提高镀膜速率与能量，提高膜基结合强度；

多元多层纳米结构的硬质镀层所需的全套控制系统及工艺开发软件，实时监控系统通过采用自动控制技术，以提高控制精度和系统可靠性，使得工艺得到有效的保证。

设备自主设计，主体设备国产化制造加工，有效降低成本。

本实用新型中超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的优点在于：本实用新型将阴极电弧、磁控溅射以及离子源等多种PVD工艺集成到一套设备中实现，对于制备多种工艺复合的膜层具有重要意义。此外，阴极电弧靶采用强磁场大电流方式调控弧斑分裂及快速扩散，有效降低电弧离子镀工艺中大颗粒的产生。磁控溅射通过设计非平衡磁控溅射模块提高离化率及沉积速率。

在本实用新型超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的的一种实施方式中，设置2套矩形平面弧源，靶材分别为金属与石墨；设置2套磁控溅射阴极，其中一套为非平衡磁控溅射阴极，放置石墨靶材，另一套为平衡磁控溅射阴极，放置金属靶材；设计一套阳极条形离子源；设备中间为三维旋转工件架。该设备的具体应用工艺如下：

待表面加工的零部件工件经过化学方法清洗后放入多功能PVD镀膜室内的旋转工件支架上面；真空环境下采用等离子体轰击对工件进行二次清洗；

启动阴极电弧镀膜模块，在工件表面沉积金属薄膜，膜层厚度0.1um左右；

继续阴极电弧镀膜模式，在金属薄膜表面制备碳氮化物薄膜，膜层厚度0.5-1um；

启动磁控溅射模块与气体离子源，继续沉积一层多元素掺杂的软质类金刚石层，厚度为1-2um；

切换成阴极电弧镀膜模式，以石墨为靶材，沉积不含氢的、具备高sp3含量的超硬四面体非晶碳膜，厚度为1-2um；

切换成非平衡磁控溅射模块，不用气体离子源，沉积无氢DLC硬质层，膜层厚度0.5um。

上述类金刚石纳米复合涂层的硬度可达51GPa。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施方式中描述的，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.超硬纳米复合涂层的制备PVD设备，其通过总供电线路供电，其特征在于，所述制备PVD设备包括：

一个壳体，其具有一个反应腔室；

一个工件架，其沿一个回转轴线可转动的连接于所述壳体且位于所述反应腔室内；所述工件架与所述总供电线路的地线连接；

一个离子源，其设置于所述反应腔室内且具有一个离子源供气口、一个输出束流口和一个能够控制所述离子源启动的离子源启动端；

一个分子泵，其具有一个抽气口及一个泵控制端；所述抽气口连通所述反应腔室；

一个阴极电弧金属镀膜模块，其包括一个电弧金属靶及一个第一金属弧靶高压供电回路；所述第一金属弧靶高压供电回路的负极与所述电弧金属靶电连接；所述电弧金属靶设置于所述反应腔室且朝向所述工件架；以及

一个阴极磁控溅射金属镀膜模块，其包括一个溅射金属靶及一个第一金属溅射高压供电回路；所述第一金属溅射高压供电回路的负极与所述溅射金属靶电连接；所述溅射金属靶设置于所述反应腔室且朝向所述工件架；

一个阴极电弧石墨镀膜模块，其包括一个电弧石墨靶及一个第一石墨弧靶高压供电回路；所述第一石墨弧靶高压供电回路的负极与所述电弧石墨靶电连接；所述电弧石墨靶设置于所述反应腔室且朝向所述工件架；以及

一个阴极磁控溅射石墨镀膜模块，其包括一个溅射石墨靶及一个第一石墨溅射高压供电回路；所述第一石墨溅射高压供电回路的负极与所述溅射石墨靶电连接；所述溅射石墨靶设置于所述反应腔室且朝向所述工件架：

所述电弧石墨靶、所述溅射石墨靶、电弧金属靶及所述溅射金属靶沿所述反应腔室的内周向均匀设置。

2.根据权利要求1所述的制备PVD设备，其特征在于，所述反应腔室具有一个腔室高度延伸方向；所述反应腔室垂直于所述腔室高度延伸方向的截面为圆形截面；

所述工件架包括：

一个旋转轴，所述旋转轴延其轴线可转动的连接于所述壳体且位于所述反应腔室内；所述旋转轴的轴线平行于所述腔室高度延伸方向；所述旋转轴延的轴线为所述回转轴线；和

一个层架，其固定于所述旋转轴且随所述旋转轴转动。

3.根据权利要求2所述的制备PVD设备，其特征在于，还包括：

一个电机，其输出轴同轴连接所述旋转轴且能够带动所述旋转轴绕其轴线转动。

4.根据权利要求1所述的制备PVD设备，其特征在于，还包括：

多个气源供气装置，其均具有供气管路及供气控制端；所述供气管路分别与所述离子源供气口连接。

5.根据权利要求4所述的制备PVD设备，其特征在于，还包括：

一个控制装置，其具有多个输入端、与所述多个输入端连接的处理器和与所述处理器连接的多个输出端；

所述输入端接收启动指令且能够发送到所述处理器；

所述输出端分别与所述离子源启动端、所述气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端连接；

所述处理器根据所述启动指令，调用预存的启动序列；根据所述启动序列向所述输出端发送所述离子源启动端、所述气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端的控制信息；

所述启动系列包括多个顺序执行的启动指令；所述启动指令中包括：所述离子源启动端、所述气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端的控制指令。

Images