物理氣相沉積鍍膜機(jī)器關(guān)鍵零部件設(shè)計與分析

冷長志

摘要：由于各種難加工材料和日益嚴(yán)峻的加工條件，近幾十年來，物理氣相沉積涂層技術(shù)越來越受到人們的重視。結(jié)合物理氣相沉積技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀，從物理氣相沉積涂層設(shè)備的角度綜述了物理氣相沉積涂層刀具的主要技術(shù)，包括陰極電弧蒸發(fā)技術(shù)和磁控濺射技術(shù)及其混合技術(shù)，并介紹了影響涂層附著強(qiáng)度的等離子體刻蝕技術(shù)。

關(guān)鍵詞：物理氣相沉積;鍍膜機(jī)器;關(guān)鍵零部件

中圖分類號：TH122.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0094-02

1? 物理氣相沉積方法概述

1.1 技術(shù)發(fā)展背景

與鑄造、鍛造等傳統(tǒng)成形技術(shù)形成的金屬材料相比，涂層零件在后續(xù)加工過程中具有一些明顯的難加工特性。首先，由于涂層和基體之間的力學(xué)性能不同，加工厚涂層面臨著很大的挑戰(zhàn)。在沉積過程中，涂層與基體之間的化學(xué)成分不同會導(dǎo)致稀釋。此外，機(jī)械性能的差異，特別是涂層和基體之間的屈服強(qiáng)度，可能導(dǎo)致不連續(xù)的塑性變形/應(yīng)變在隨后的機(jī)械加工過程中。一般來說，在加工常規(guī)成形工件時，根據(jù)加工余量來確定未切屑厚度的選擇，以滿足幾何/尺寸精度的要求。由于機(jī)械加工引起的亞表層應(yīng)力，結(jié)果改變了其表面的完整性。相反，厚涂層后續(xù)加工中未切削的切屑厚度必須嚴(yán)格限制在淺范圍內(nèi)（換句話說，必須薄于涂層厚度），而涂層厚度通常與涂層厚度相當(dāng)。當(dāng)用小的未切削切屑厚度（遠(yuǎn)小于涂層厚度）加工時，塑性變形只出現(xiàn)在涂層表面下。在這種情況下，涂層后續(xù)加工的力學(xué)行為相當(dāng)于用與涂層相同的材料加工常規(guī)成形的工件。當(dāng)用大的未切削切屑厚度（相當(dāng)于涂層厚度）進(jìn)行加工時，涂層和基體區(qū)域的表面下都會出現(xiàn)塑性變形。但是，由于涂層的屈服應(yīng)力大于基體的屈服應(yīng)力，涂層底部仍處于彈性狀態(tài)。因此，加工厚涂層的臨界條件被認(rèn)為是基體塑性變形的邊界。因此，機(jī)械加工引起的涂層-基體界面應(yīng)力達(dá)到了基體的屈服強(qiáng)度，但沒有發(fā)生塑性變形。

1.2 PVD技術(shù)發(fā)展

氣相沉積是擁有屬性成分元素在真空中蒸發(fā)成原子、分子或離子，然后凝結(jié)在基體表面形成所需的涂層的過程。根據(jù)這一原理，氣相沉積技術(shù)可以分為化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積?；瘜W(xué)氣相沉積技術(shù)具有沉積速度快和涂層均勻性好的優(yōu)點，但幾乎所有類型的化學(xué)氣相沉積技術(shù)都比PVD具有更高的沉積溫度和更高的氣體壓力。高沉積溫度會影響刀具基體的性能，導(dǎo)致CVD涂層主要用于連續(xù)切削或極端負(fù)載加工的整體硬質(zhì)合金刀片上。同時，由于化學(xué)氣相沉積涂層是由一種或多種揮發(fā)性前體反應(yīng)生成的，反應(yīng)后的揮發(fā)性前體和殘余氣體具有一定的毒性，造成環(huán)境污染。這些缺點限制了CVD技術(shù)的應(yīng)用。PVD技術(shù)具有加工溫度低、環(huán)境友好、涂層成分可控、涂層結(jié)構(gòu)合理等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于車、銑、鉆、絲錐、焊接工具等工具表面。

難加工材料的出現(xiàn)，更嚴(yán)格的加工環(huán)境要求和制造成本控制促進(jìn)了PVD涂層刀具的發(fā)展。刀具表面涂層正朝著高硬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高溫抗氧化性和高溫穩(wěn)定性的方向發(fā)展。因此，對刀具涂層的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的更新。物理氣相沉積涂層材料包括氮化物、碳化物、氧化物和硼化物涂層，其元素組成從一元和二元到多元，層數(shù)從單層到多層甚至上千層，涂層組織從柱狀晶結(jié)構(gòu)演變?yōu)榧{米晶和納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。涂層材料對化學(xué)成份、結(jié)構(gòu)、與刀具基體的結(jié)合強(qiáng)度和表面光滑度的高要求促進(jìn)了涂層刀具PVD技術(shù)的創(chuàng)新。目前，涂層刀具的物理氣相沉積技術(shù)主要包括陰極電弧蒸發(fā)、磁控濺射及其混合工藝。前兩種技術(shù)已在刀具工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，混合技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用還需要一些研究，以獲得穩(wěn)定、可重復(fù)和具有競爭力的切削刀具硬質(zhì)涂層。除了中間層之外，在沉積涂層之前對基體進(jìn)行原位等離子體刻蝕對于優(yōu)異的涂層結(jié)合強(qiáng)度也是至關(guān)重要的。

2? 鍍膜機(jī)器關(guān)鍵零部件設(shè)計

陰極電弧蒸發(fā)（CAE）或電弧離子鍍（AIP）原理的示意圖，屬于真空電弧沉積的一種。陰極弧是一種低壓大電流等離子體放電，在真空中由蒸發(fā)材料制成的陰極靶與陽極（通常是涂層室）之間起始，使靶粒子蒸發(fā)并凝結(jié)在基體表面。在陰極上沒有磁場的情況下，弧斑在陰極表面上隨機(jī)移動。點在場地上的停留時間為微秒或亞微秒時間，點處的電流密度一般在106～1012A/m2之間。高能量密度直接導(dǎo)致電弧點處的固體靶材料向金屬蒸氣等離子體過渡，并伴隨著大量的液滴。靶的電離率和液滴數(shù)目與其熔化溫度有關(guān)。目標(biāo)表面噴射出的液滴凝結(jié)成大顆粒，最終沉積在涂層表面或嵌入到涂層中，導(dǎo)致涂層表面粗糙，降低了涂層的整體性能，這是CAE技術(shù)的最大缺點。此外，由于大電流真空電弧放電的特性，只能使用導(dǎo)電性好的靶材作為蒸發(fā)源，熔點過高或過低或機(jī)械強(qiáng)度差的材料不能使用。盡管存在一定的局限性，但由于目標(biāo)電離率高、鍍層沉積速度快，CAE技術(shù)目前在硬質(zhì)涂層制備技術(shù)領(lǐng)域尤其是刀具應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。除了優(yōu)化目標(biāo)材料和工藝參數(shù)之外，減少液滴的主要方法是優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu)和宏觀粒子過濾。

在陰極配置的過程中，優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu)可以抑制或減少液滴的生成。陰極蒸發(fā)器的類型可以根據(jù)它們的幾何特征和電弧進(jìn)給點運(yùn)動控制的性質(zhì)進(jìn)行分類。目前商業(yè)應(yīng)用的陰極幾何布局包括平面圓靶、平面矩形靶和圓柱靶。由于離子和電子很容易受到電場和磁場的控制，許多研究試圖通過優(yōu)化陰極靶電源和磁控管結(jié)構(gòu)來控制液滴的產(chǎn)生。

CAE過程中傳統(tǒng)的蒸發(fā)器電源為低壓高密度直流電源，基板與高負(fù)壓脈沖電源或直流電源相連。脈沖真空電弧離子鍍可以在一定程度上減少液滴的產(chǎn)生。在脈沖電弧沉積過程中，放電是脈沖的和間歇的，并且在脈沖開通時間內(nèi)利用大電流提供足夠的導(dǎo)電粒子。由于脈沖通電時間小于液滴形成所需的時間，大顆粒的產(chǎn)生大大減少。為了獲得高的工業(yè)沉積速率，開發(fā)了峰值電流為4-5ka，峰值電壓為30kV的強(qiáng)流脈沖電弧沉積技術(shù)。脈沖真空電弧沉積技術(shù)在制備大面積硬質(zhì)薄膜，尤其是碳涂層方面顯示了其優(yōu)越性，但失效放電和拉伸放電影響了放電的穩(wěn)定性。軸對稱磁場不同于傳統(tǒng)操縱電弧中的封閉拱形磁場，它對陰極斑點運(yùn)動和主值減小也有顯著影響。與軸對稱陰極磁場相比，有向電弧確保了更有效地降低MPs，特別是與高頻短脈沖負(fù)偏壓有關(guān)。然而，由于操縱電弧在靶表面產(chǎn)生的狹窄溝槽使靶的利用率降低，因此許多研究仍然集中在軸對稱磁場上。利用垂直磁場大于50g的等離子體增強(qiáng)弧-陰極技術(shù)沉積TiCrAlN涂層，涂層刀具在高速銑削試驗中表現(xiàn)出優(yōu)異的切削性能。他們發(fā)現(xiàn)，軸對稱磁場橫向分量的增加可以促進(jìn)從發(fā)亮的大陰極點到細(xì)長的線性陰極點的轉(zhuǎn)變，這有助于均勻蝕刻陰極靶，產(chǎn)生更少和更小的MP射流。然而，當(dāng)磁場強(qiáng)度過大時，很難維持弧斑的自持放電。采用電磁線圈繞組和永磁體相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)當(dāng)線圈電流過大時，陰極斑點聚集在靶的周邊區(qū)域，斑點尺寸增大。如圖1所示。

對于宏粒子過濾（MP），通過影響液滴的輸送，宏粒子過濾系統(tǒng)降低了MPs在涂層表面的沉積概率，從而產(chǎn)生一個光滑的涂層表面。與陰極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)相比，宏粒子過濾系統(tǒng)可以實現(xiàn)100%的等離子體沉積。根據(jù)熔鹽等離子體與電弧等離子體在電學(xué)和力學(xué)性能上的差異，現(xiàn)有的宏粒子濾波方法主要有脈沖偏壓電弧、機(jī)械屏蔽電弧和磁過濾電弧。由于在沉積過程中電子的運(yùn)動速度遠(yuǎn)大于離子的運(yùn)動速度，每單位時間到達(dá)MPs表面的電子數(shù)量大于離子的數(shù)量，導(dǎo)致MPs呈現(xiàn)負(fù)電荷。當(dāng)在基片上施加負(fù)偏壓時，由于離子濺射、負(fù)偏壓反射和熱蒸發(fā)等原因，大顆粒在基片上的沉積概率可以在一定程度上降低。然而，長時間的高能離子轟擊會導(dǎo)致沉積層的基體溫度升高，殘余應(yīng)力增大。脈沖偏壓電弧保持了直流電弧的所有優(yōu)點，帶來了低殘余應(yīng)力、低沉積溫度和晶粒細(xì)化的新特點。高頻短脈沖負(fù)偏壓下的MPs數(shù)量和直徑明顯低于零偏壓下的襯底。最先進(jìn)的脈沖偏壓電弧不能完全消除MPs，常與其他優(yōu)化的電弧技術(shù)結(jié)合使用。該屏蔽電弧直接利用機(jī)械阻斷裝置影響MPs和電弧等離子體的運(yùn)動軌跡，并基于電弧等離子體優(yōu)良的纏繞特性沉積了鍍層。為了提高等離子體的傳輸效率，在濾波片上施加正偏置電位，利用感應(yīng)磁場引導(dǎo)等離子體通過濾波片間隙。

磁過濾弧比機(jī)械直接屏蔽弧受到更多的關(guān)注。基于磁場的強(qiáng)約束效應(yīng)，電子被拉莫爾進(jìn)動化，離子被電子引導(dǎo)，從而將等離子體與MPs分離。早在20世紀(jì)70年代，研究學(xué)者利用這一原理設(shè)計了磁過濾裝置，以消除宏觀粒子缺陷，改善沉積涂層的微觀結(jié)構(gòu)和性能。一方面，如果帶電離子在磁場中的拉莫爾進(jìn)動直徑大于過濾管的直徑，導(dǎo)致離子無法通過過濾裝置并沉積在管壁上，鍍層的沉積速率就會大大降低。另一方面，由于在過濾管中長時間輸送過程中的離子復(fù)合過程，產(chǎn)生了等離子體損耗。因此，磁場強(qiáng)度的控制和過濾裝置的設(shè)計對電弧等離子體的傳輸效率具有重要意義。

3? 結(jié)語

新的未來挑戰(zhàn)將繼續(xù)推動現(xiàn)有涂層技術(shù)和應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。通過使用新的蒸發(fā)器或濺射源和磁控管以及脈沖技術(shù)，電弧蒸發(fā)和磁控濺射工藝將繼續(xù)發(fā)展，目標(biāo)是提高涂層質(zhì)量，提高生產(chǎn)率和降低成本。

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