电弧离子镀中真空电弧稳定性控制方法

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西北有色金属研究院 作者:严鹏

  电弧离子镀技术中真空电弧的工作稳定性对于制备高质量的涂层至关重要。本研究通过在一系列工艺条件下开展电弧离子镀镀膜实验,研究和分析了电弧离子镀中磁场、靶面污染物、靶面温度、靶面尺寸和形貌、维弧电流以及工作气体种类和压力对真空电弧稳定性的影响,从而得出了提高电弧稳定性的控制方法。

  离子镀技术是在真空蒸镀和真空溅射的基础上于20 世纪60 年代初发展起来的新型薄膜制备技术。该技术是在真空条件下,利用气体放电使气体或被蒸发物质离化,在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时,把蒸发物质或其反应物蒸镀在基片上。离子镀把气体放电、等离子体技术与真空蒸发镀膜技术结合在一起,不仅明显提高了镀层的各种性能,而且大大地扩充了镀膜技术的应用范围。该技术最初由Berghaus 提出,随后由Mattox推动。电弧离子镀属于离子镀的一种改性方法,是离子镀技术中的佼佼者,作为离子镀技术的一种,是在真空环境下采用电弧放电的方法直接蒸发固体阴极靶材金属,蒸发物在阴极弧光辉点离化产生金属离子并定向沉积至加载负偏压的工件上的涂层制备技术。电弧离子镀最早在20 世纪70 年代由原苏联发展起来的,美国在1980 年从原苏联引进该技术,并在1981 年有Multi-Arc 公司和Vac-Tec 公司使之实用化,其优异的性能很快席卷全球从20 世纪90 年代至今,电弧离子镀作为硬质保护涂层的主流生产技术,广泛应用于工具镀、装饰镀和特殊功能涂层领域。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为离子镀是一个十分复杂的过程,一般来说离子镀包括靶材金属的蒸发、气化、电离、离子加速、离子之间的反应、中和以及在基片上成膜和离子轰击等多个过程。对于电弧离子镀而言,真空电弧的稳定性对所制备涂层的质量和性能至关重要。

  本实验采用定制的多功能真空离子镀膜机,以在TC4 钛合金基体表面制备了TiA1N 涂层为背景,观察不同镀膜工艺条件下真空电弧的稳定性,探索研究真空电弧稳定性控制方法,从而为得到最佳的TiA1N 涂层制备工艺参数提供理论支撑。

1、实验方法

  本实验采用自制多功能真空离子镀膜机,靶材为99.99%的铝靶和工业纯钛靶。基体材料为TC4 合金,其名义成分为Ti-6Al-4V,试样尺寸为20mm×20mm×2mm。经2000#SiC 砂纸打磨后机械抛光,分别在酒精和丙酮中超声清洗,吹干后备用。

  工作气体为氩气,反应气体为氮气。真空室真空度达到3×10-3 Pa 后通入氩气,加载负偏压-500V~-800V,辉光清洗10min。随后,开启钛离子电弧靶,对试样进行离子溅射。最后,进行镀膜实验。

2、分析与讨论

  为改善真空电弧的不稳定性,不同学者提出了各自的解决办法,例如采用间隙屏蔽、采用磁场限制阴极斑点的运动、利用限弧环来限制弧斑移离靶面以及采用反馈机构等方法。大量研究结果表明,电弧稳定性与许多因素有关,对其效果最为显著的是磁场。此外,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为阴极靶表面的清洁程度、靶表面温度、靶面几何形状和尺寸、电弧电流的大小、环境气体种类、气氛压力等都对阴极电弧的稳定性有着不同程度的影响。本研究结合实验结果及实验过程中观察到的实验现象,分别就不同因素对电弧稳定性的影响展开分析讨论。

  2.1、磁场对电弧稳定性的影响

  图1A 和图1B 显示了在不同磁场作用下的电弧的位置变化情况。在其它参数相同的情况下,改变磁场,可以有效控制弧斑在靶面上的位置。当磁场强度过大时,强磁场能够将弧斑的位置强行约束在偏向或背离引弧针的方向。

  实验过程中观察到,当电弧弧斑粗糙、电弧在与靶面垂直方向上有较大跳动量且弧斑成堆团状时,将出现灭弧现象或其它故障。但如果磁场调试得当,则可以消除上述现象,从而使电弧长时间稳定工作。此外,由于磁场对带电粒子的作用,磁场能够改善阴极靶材的工作特性,还能提高极间的电弧电压,从而使得阴极靶释放出的原子与离子数目及粒子束通量密度也随之增加,从而改善靶材的沉积率。

  2.2、阴极表面污染对电弧稳定性的影响

  阴极靶材表面有污染时,靶表面的电子发射更为容易。实验过程中,在相同的实验条件下(工作气压,真空度,引弧电压等),表面清洁的靶面引弧相对困难,而表面有污染的冷阴极则引弧容易。一般情况下,靶表面污染物自身成分复杂,而某些元素比较容易发射电子;另一方面受污染的表面其电子的逸出功降低,在相同实验条件下有利于电子逸出。初始电弧更容易发生在有污染的地方,直到表面杂质被完全蒸发,才开始正常的靶材蒸发。所以在靶的装配过程中,应保证在清洁的状态下进行,使靶面,特别是非蒸发面(如侧面、阴极座、屏蔽件等)不受污染或少受污染,防止在非蒸发表面产生电子发射,从而提高蒸发源工作的稳定性和可靠性。

电弧离子镀中真空电弧稳定性控制方法

图1 磁场对电弧位置的影响

3、结论

  提高电弧稳定性对于利用电弧离子镀方法制备较高质量的涂层至关重要。合理的磁场布局、带凹面的阴极靶材形状、增加靶材表面面积及电弧电流均有利于提高电弧的稳定性。真空电弧的稳定性还与工作气体的种类、压力以及靶材表面的温度有关。此外,保持靶面清洁也有利于提高电弧稳定性。

  电弧离子镀设备中关键部件是阴极电弧源,电弧源的工作性能是评价一台电弧离子镀设备性能高低的关键指标。如何进一步提高电弧源的工作稳定性仍需开展更深入的研究。

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