基于柱狀電弧靶的高沉積率真空多弧離子鍍裝備設(shè)計

董小虹，盧澤堅，常玉敏，萬慶海

（廣東世創(chuàng)金屬科技股份有限公司，廣東佛山 528313）

0 引言

物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）指利用物理過程實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，將原子或分子由源轉(zhuǎn)移到基材表面上的過程。它的作用是可以使某些有特殊性能（強度高、耐磨性、散熱性、耐腐性等）的微粒噴涂在性能較低的母體上，使得母體具有更好的性能。

PVD基本方法包括真空蒸發(fā)、磁控濺射、離子鍍等。離子鍍是真空室中，利用氣體放電或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)粒子轟擊作用的同時，將蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基片上。離子鍍把輝光放電現(xiàn)象、等離子體技術(shù)和真空蒸發(fā)三者有機結(jié)合起來，不僅能明顯改進膜質(zhì)量，而且還擴大了薄膜的應(yīng)用范圍。其優(yōu)點是薄膜附著力強，繞射性好，膜材廣泛等。

多弧離子鍍與一般的離子鍍有著很大的區(qū)別。多弧離子鍍采用的是弧光放電，而并不是傳統(tǒng)離子鍍的輝光放電進行沉積。多弧離子鍍的原理就是把陰極靶作為蒸發(fā)源，通過靶與陽極殼體之間的弧光放電，使靶材蒸發(fā)，從而在空間中形成等離子體，對基體進行沉積。多弧離子鍍能夠同時提供多金屬元素沉積，也可沉積單金屬元素，金屬原子離化率高，膜層與基體附著強度高，沉積成膜速率高。陰極蒸發(fā)源同時也是工件加熱源、金屬原子離化源、轟擊凈化工件源，真正做到一弧多用，而且真空多弧離子鍍設(shè)備與其他物理氣相沉積設(shè)備相比，簡單且成本低［1］。

目前真空多弧離子鍍主要應(yīng)用于以下幾個領(lǐng)域。

（1）渦輪渦扇發(fā)動機渦輪動、靜葉片采用真空多弧離子鍍沉積技術(shù)，在單晶耐熱材料表面涂覆耐熱涂層，膜厚從小于10 μm至上百微米，用以提高渦輪渦扇發(fā)動機葉片的抗高溫氧化、抗熱腐蝕性能，延長葉片的使用壽命。

（2）核電和火力發(fā)電燃氣輪機的渦輪葉片長期在高溫下工作，會受燃氣中硫、釩等有害物質(zhì)的嚴重腐蝕，國外常用NiCrAlY涂層保護。其中，NiCrAlY涂層可用等離子噴涂、電子束蒸鍍、磁控濺射等多種方法制作.但都不及離子鍍好。離子鍍的涂層與基體結(jié)合牢固，鍍層均勻且致密，可鍍材料廣泛，涂覆層基本上不影響零件原有的表面粗糙度和機械性能［2］。

（3）采用真空電弧源設(shè)備在模具、軸承和高速切削工具上沉積TiN、TiAlN、TiC 等硬質(zhì)膜層，可提高其壽命1.5 ～3 倍［3-8］。

國內(nèi)在等離子涂層技術(shù)領(lǐng)域雖然也開展了大量的研究性工作，但總體上看，研究論文多，應(yīng)用少，產(chǎn)業(yè)化水平和國外有很大差距；涂層設(shè)備功能單一，集成度低，穩(wěn)定性和可靠性差，未能滿足產(chǎn)品對高性能硬質(zhì)或耐熱涂層的要求；面對歐美國家技術(shù)封鎖，國內(nèi)高端涂層設(shè)備幾乎完全依賴由國外直接購買，本土化的消化吸收進展緩慢，在自主創(chuàng)新方面缺乏平臺，從而亦制約了本土化涂層技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

1 高沉積率真空電弧離子鍍原理

高沉積率真空電弧離子鍍設(shè)備分為離子清洗裝置、柱狀電弧靶涂覆裝置和信息化與智能化控制裝置3個部分組成。

1.1 離子清洗裝置

在涂覆工藝前進行氣體離子刻蝕清洗，采用電弧離子鍍膜系統(tǒng)中相對的一對沉積用陰極電弧靶通過控制電路對弧電源的切換組成一對串聯(lián)的陰極靶與陽極靶，陽極靶前配有擋板裝置，只允許氣體離子通過，形成一個離子源系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)涂層機真空室大小及電弧靶的多少，可設(shè)置一個或多個離子源系統(tǒng)，并可高低按需分布，達到均勻覆蓋有效工作區(qū)域的要求。離子源氣體離子刻蝕強度可通過控制弧電源的輸入功率進行調(diào)節(jié)。在進入沉積工藝階段時各靶又切換回沉積用陰極靶進行正常的沉積陰極靶使用。沉積陰極靶和離子源系統(tǒng)靶的切換是在工藝流程設(shè)定中由電腦程序自動切換，全自動運行。

本裝置在真空室側(cè)壁上可安裝多個側(cè)壁陰極靶對，使用離子清洗方式為工件提供清洗，使工件的表面清潔干凈和帶有強活性，增加了工件膜層的附著力，膜層與工件基體表面的結(jié)合力增加，減少了脫膜的概率，提高工件的質(zhì)量，使工件的使用壽命提高3 ～5 倍，同時也可以作為沉積時的輔助手段，來輔助沉積，增大了涂層膜層的種類和增加擴展了沉積的方法，使工件表面最終快速獲得厚涂層，解決了工件表面的涂層沉積效率低及沉積涂層厚薄不均勻、復(fù)雜工件沉積涂層效果差的技術(shù)難題。本裝置已獲得國家發(fā)明專利。

1.2 柱狀電弧靶涂覆裝置

本裝置在真空室的中心位置安裝一個柱狀陰極靶和旋轉(zhuǎn)式支承機構(gòu)，中間柱形陰極靶作為工件膜層沉積增材的發(fā)生源，外接大功率的弧電源，能大功率大電流輸出，弧電源電流可達300 ～1 000 A，常用弧電源電流大于700 A，并可長時間工作，連續(xù)工作時間大于24 h，沉積速率大于15 μm／h，一次沉積厚度可大于80 μm，極大地提高了膜層的沉積效率，而在柱形陰極靶內(nèi)的電磁場引導(dǎo)弧斑在靶的表面上下移動，使每次經(jīng)過工件表面的弧斑工作時間是相同的，保證工件膜層厚度和膜層的均勻性，同時也保證膜層有很好的結(jié)合力，既減少了鍍膜的工作時間，降低了勞動強度，提高了效率，降低了生產(chǎn)成本，同時均勻的膜層厚度能使產(chǎn)品的質(zhì)量得到了提高，得到優(yōu)良結(jié)合力的均勻的超厚的沉積膜層。

1.3 信息化與智能化控制裝置

本裝置利用信息化和智能化的控制系統(tǒng)，使得各個動作都可以通過信息化和智能化的控制進程系統(tǒng)來逐一發(fā)出指令，使各動作連續(xù)有序進行，極大地提高了產(chǎn)品工作的安全性和自動化程度，使整個鍍膜的過程實現(xiàn)自動可控，從而降低了勞動強度和提高了工件的質(zhì)量和穩(wěn)定性。特別在柱狀陰極靶的電源輸入端連接PLC 控制系統(tǒng)的輸出端，通過PLC精確控制柱狀陰極靶靶面的電磁場強度，使處于靶面的弧斑沿著靶面作均勻的從一端往另一端移動，并形成弧斑在柱狀陰極靶的靶面作反復(fù)螺旋轉(zhuǎn)移動，形成工件表面快速循環(huán)沉積結(jié)構(gòu)。

2 高沉積率真空多弧離子鍍裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝備主要由真空室及真空系統(tǒng)、離子鍍膜系統(tǒng)、電氣控制及智能控制系統(tǒng)和工件轉(zhuǎn)架傳動系統(tǒng)等配套組成。圖1 為高沉積率真空電弧離子鍍裝備結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 高沉積率真空多弧離子鍍裝備示意圖

2.1 真空室及真空系統(tǒng)

真空室采用立式八角形棱柱結(jié)構(gòu)：其中一個側(cè)面連接真空泵組，離子源裝置對稱安裝在真空室側(cè)壁。真空室中心位置用于安裝用于電弧離子鍍膜的柱狀靶套件。真空鍍膜室采用立式前開門結(jié)構(gòu)，真空室外殼均勻布置冷卻水套，水套中加有定向?qū)Я鞑?，確保冷卻均勻一致，冷卻效果好。

真空系統(tǒng)由真空泵組以及與其配套的氣動高真空閥、前級閥、粗抽閥和管道等組成。在系統(tǒng)的相關(guān)位置配備電阻和電離復(fù)合數(shù)顯真空計和金屬規(guī)管，以監(jiān)控真空室的安全和穩(wěn)定性。

2.2 離子鍍膜系統(tǒng)

離子鍍膜系統(tǒng)是由一套安裝在設(shè)備中心的陰極柱狀電弧靶及其配套的弧電源、偏置電壓系統(tǒng)以及離子轟擊清洗系統(tǒng)組成。

中心的陰極柱狀電弧靶采用水冷結(jié)構(gòu)，起弧觸發(fā)機構(gòu)為全自動高壓觸發(fā)起弧裝置，采用全新設(shè)計的陰極電磁穩(wěn)弧結(jié)構(gòu)：靶材保持靜止不動，靶內(nèi)線圈的電源控制端與PLC的控制輸出端連接，通過PLC控制線圈［9］，通過內(nèi)部電磁線圈旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定弧斑，提高有效沉積高度。電磁線圈電流大小可調(diào)，適應(yīng)不同靶材及工藝開發(fā)過程不同磁場強度的要求。電弧弧斑穩(wěn)定性高，可長時間穩(wěn)定運行和生產(chǎn)24 h以上，斷弧后可立即重新起弧。

偏置電壓系統(tǒng)作用與爐殼和工件之間，把真空腔內(nèi)離化的等離子體引向被涂覆的工件表面，使得工件快速形成沉積膜層，提高膜層形成效率［10］。

設(shè)備采用的離子轟擊清洗系統(tǒng)是世創(chuàng)公司等離子增強涂層專利技術(shù)，在真空室側(cè)壁布置一對（或多對）離子源，在原有基本離子鍍膜系統(tǒng)金屬離子刻蝕與加熱工藝基礎(chǔ)上，還可實現(xiàn)氣體離子刻蝕與加熱、等離子增強鍍膜工藝，極大地提高了工藝氣體及工藝介質(zhì)的離化率，避免產(chǎn)生零件拉弧現(xiàn)象，具有更好的等離子清洗效果，產(chǎn)品涂層的均勻性，涂層沉積質(zhì)量與效率更高。

2.3 電氣控制及智能控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括PLC和計算機兩部分，其中PLC負責執(zhí)行元器件的控制以及部分單元部件數(shù)據(jù)采集，計算機主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、編輯和通信的功能。在運行涂層工藝時，電腦顯示屏上可以實時顯示所有工藝參數(shù)，所有工藝參數(shù)能自動記錄在電腦中供隨時調(diào)用，也可導(dǎo)出為表格形式供分析，系統(tǒng)配有打印機輸出功能，可供數(shù)據(jù)輸出打印?？刂栖浖捎瞄_放式客戶界面，憑借操作系統(tǒng)，客戶也可自行開發(fā)完成涂層工藝。設(shè)備可進行手動、自動操作。

軟件具有報警、保護功能，在水流量不足、斷水、各泵閥門出現(xiàn)故障時報警；在斷水、真空度異常、停電等不具備安全生產(chǎn)條件時設(shè)備自鎖保護。報警信息自動彈出報警信息，并且提供詳細報警信息，便于工作人員對設(shè)備進行故障診斷。

數(shù)據(jù)分析：涂鍍涂層過程中，采集的實時工藝數(shù)據(jù)（如真空度、溫度、弧源輸出電流、偏置電壓等參數(shù)）同時與電腦和有紙記錄儀連接。系統(tǒng)可對歷史曲線顯示及保存，并可對進行打印、分析。設(shè)備運行過程中所有的參數(shù)，包括設(shè)定參數(shù)和實際參數(shù)等，都能夠自動記錄，并形成曲線，所有這些參數(shù)數(shù)據(jù)可以保存1年時間，且參數(shù)不可更改，方便查詢。

控制系統(tǒng)具有工藝庫，可實現(xiàn)操作權(quán)限分級管理，以適應(yīng)設(shè)備安裝維修調(diào)試員、工藝員、現(xiàn)場操作員等分級管理。通過本系統(tǒng)自帶的工藝庫實現(xiàn)鍍膜工藝，工藝庫可進行編輯、修改。各人員可采用不同賬號登錄，操作者的使用記錄可被追溯。控制電腦預(yù)留數(shù)據(jù)接口，提供遠程在線監(jiān)控功能。

2.4 工件轉(zhuǎn)架傳動系統(tǒng)

工件轉(zhuǎn)架系統(tǒng)由工件轉(zhuǎn)盤、行星轉(zhuǎn)架、傳動軸、變頻器、調(diào)速電機和減速機組成。其中，行星轉(zhuǎn)架采用下置安裝方式，便于裝掛工件。轉(zhuǎn)架具有公轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)功能。公轉(zhuǎn)0 ～5 rad／min 連續(xù)可調(diào)，各個部件運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。轉(zhuǎn)架帶過載或卡死的保護機構(gòu)，防止損壞轉(zhuǎn)架、夾具和產(chǎn)品。真空室前門處帶腳踏開關(guān)，在開門狀態(tài)下，能夠控制轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動，方便裝卸工件及調(diào)整角度。

3 測試驗證與結(jié)果分析

通過對該裝置的多項專利技術(shù)的研究與組合，本文研制成功了工程應(yīng)用的樣機，在此基礎(chǔ)上批量生產(chǎn)的此裝備逐漸在模具制造、軸承、核電等燃氣輪機葉片和渦輪渦扇發(fā)動機葉片等高端裝備制造和重要領(lǐng)域的相關(guān)零件制造上。表1 所示為樣機的部分實測參數(shù)。

表1 高沉積率真空多弧離子鍍裝備部分實測技術(shù)參數(shù)

該設(shè)備在國內(nèi)某燃氣輪機葉片廠使用后，一次沉積厚度達到100 μm，沉積效率在15 μm／h以上。使用該設(shè)備加工燃氣輪葉片后能夠滿足零件的技術(shù)要求，可以替代同類的進口設(shè)備。

該設(shè)備是把多元涂層與復(fù)合涂層制備、等離子體增強涂層、新型合金靶電磁系統(tǒng)、稀土表面改性、低溫沉積等創(chuàng)新性工藝技術(shù)集成到一起，使其成為先進而有效的涂層工藝組合，融合到新研發(fā)的智能化涂層裝備上，從而開發(fā)出具有國際先進水平的多功能等離子復(fù)合涂層系統(tǒng)，填補了我國高端真空鍍膜設(shè)備的空白，促進我國涂層技術(shù)和先進裝備制造業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)束語

本裝置采用中間柱形陰極靶作為產(chǎn)品膜層沉積增材的發(fā)生源，使涂層沉積速率大于15 μm／h，一次沉積厚度可大于80 μm，甚至可以達100 μm或更高，極大地提高了膜層的沉積效率，增加了膜厚厚度，使得此裝備代替進口設(shè)備應(yīng)用膜層較厚的熱障涂層方面成為可能。

本裝置側(cè)壁的陰極靶作為離子清洗的方式，提高離化率，使產(chǎn)品的表面清潔干凈并帶有強活性，增加了產(chǎn)品膜層的附著力，膜層與產(chǎn)品基體表面的結(jié)合力增加，減少了脫膜的幾率，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，使產(chǎn)品的使用壽命提高了3 ～5 倍，同時也可以作為沉積時的輔助手段，用來輔助沉積，增加了涂層膜層的種類，擴展了沉積的方法。

本裝置利用信息化和智能化的控制系統(tǒng)，提高了自動化的程度，降低了勞動強度。使整個鍍膜的過程實現(xiàn)了自動可控，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

航空發(fā)動機葉片制造技術(shù)，一直是歐美國家對我國禁止或限制輸入的關(guān)鍵技術(shù)。該裝置的研發(fā)成功，打破了歐美大公司對先進鍍膜設(shè)備的壟斷，促進我國涂層技術(shù)和先進裝備制造業(yè)的發(fā)展，提升機械制造業(yè)的國際競爭力，也將使我國工模具與精密零件的涂層技術(shù)與產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。另外，該裝置在核電蒸汽機葉片、艦船、汽車、能源等領(lǐng)域的熱端部件上也有十分廣闊的應(yīng)用前景。