多弧离子镀技术及其在高精度仪表中的应用

闫春和，刘冰洋，崔　砚，薛凤举，苏义兵

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

多弧离子镀技术及其在高精度仪表中的应用

闫春和，刘冰洋，崔砚，薛凤举，苏义兵

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

介绍了多弧离子镀技术，包括其技术原理、技术特点以及主要工艺参数，阐述了多弧离子镀技术在高精度仪表轴承零件表面改性方面的应用和存在的技术问题，对多弧离子镀技术在高精度仪表中的应用前景作出展望。

多弧离子镀；高精度仪表；轴承；表面改性

0 引言

多弧离子镀技术最早由苏联人发明，由于镀膜过程中基片始终受到高能粒子的轰击，与真空蒸镀和溅射镀相比，具有一系列的技术优点。20世纪80年代初，美国的Multi-Arc公司购买了苏联专利，并把这种技术市场化，带来了刀具涂层行业的革命。我国于同期引进外国先进设备，并开始自主研制与开发，掀起了一场“多弧热”，经过30多年的发展，多弧离子镀技术已经在国民经济的各个领域发挥着重要作用，在高精度仪表轴承零件表面改性方面的成功应用推动着新一代高精度仪表的研制［1-8］。

以下主要介绍多弧离子镀技术的工作原理、特点、主要工艺参数以及多弧离子镀技术在高精度仪表中的应用和存在的问题。

1 多弧离子镀技术原理

多弧离子镀技术的核心是真空弧光放电，通过作为阴极的金属蒸发源与作为阳极的壳体之间的弧光放电，产生阴极弧斑，烧蚀、蒸发、离化膜料靶材，形成空间等离子体，使其在一定电场加速下沉积到基体表面而形成薄膜。具体工艺流程如图1所示。

图1　多弧离子镀技术原理流程示意图Fig.1 Procedure of multi-arc ion plating technique

1.1弧光放电机理

弧光放电的机理尚不完全清楚，较为认可的说法由J.E.Daolder提出，利用图2所示模型可以进行解释［9］:

1）被吸到阴极表面的金属离子形成空间电荷层，由此产生强电场，使阴极表面上功函数小的点（晶界或裂纹）开始发射电子；

2）个别发射电子密度高的点，电流密度高，焦耳热使其温度上升，又产生大量热电子，进一步增加发射电子，这个正反馈作用使电流局部集中；

3）由于电流局部集中产生的焦耳热，使阴极材料局部地爆发性地等离子化、发射电子和离子，留下放电痕，同时也放出熔融的阴极材料粒子；

4）发射离子中的一部分被吸回阴极表面，形成空间电荷层，产生强电场，又使新的功函数小的点开始发射电子。

图2　弧光放电机理示意图Fig.2 Mechanism of arc discharge

1.2阴极弧源工作机理

图3所示为电磁机械触发式阴极弧源［10-11］，由水冷阴极、磁场线圈和机械触发引弧电极等部件组成。在一定真空度下，接通引弧电路，并使引弧电极与阴极表面瞬间接触后离开，由于导电面积的迅速缩小，电阻增大，局部区域温度迅速升高，致使阴极材料熔化，形成导电液桥，最终形成爆发性的金属蒸发，在阴极表面形成局部的高温区，产生等离子体，将电弧引燃，在主弧电路维持下，图2所示的弧光放电机理过程反复进行，在阴极表面形成大量移动变化的阴极弧斑，烧蚀靶块，喷射靶材等离子体，在外加偏压作用下运动到零件表面，形成薄膜。

图3　电磁机械触发式阴极弧源示意图Fig.3 Electromagnetic mechanical trigger cathode arc source

2 多弧离子镀技术特点

多弧离子镀技术以其独特的技术原理，具有一系列的技术特点，主要如下［2，7，11-12］:

1）金属阴极蒸发器不熔化，直接从阴极产生等离子体；

2）可以采用多个电弧蒸发源，提高沉积速率使膜层厚度均匀；

3）工件外加偏压，入射粒子能量高，涂层致密度高，强度和耐久性好；

4）离化率高，一般可达60％～90％，提高膜层均匀性和膜/基的结合力；

5）沉积速率高，镀膜效率高，绕镀性好；

6）设备较为简单，可以拼装，适用于镀各种形状的零件；

7）一弧多用，既是蒸发源和离化源，又是加热源和离子溅射清洗源；

8）外加磁场可以改善电弧放电，使电弧细碎，细化涂层微粒，并可以改善阴极靶面刻蚀的均匀性，提高靶材的利用率。

3 多弧离子镀技术主要工艺参数

多弧离子镀技术工艺过程复杂，各个环节的工艺参数较多，所以影响镀膜质量的因素很复杂。下面介绍几个主要的工艺参数及其研究情况。

3.1基体沉积温度

基体沉积温度对膜料粒子的形核、扩散，膜层的生成、生长都有影响，对膜层的结构、膜/基间的结合力产生直接的影响，最终影响膜层的使用性能。一般情况下，温度越高，膜层越容易长大，提高沉积速率；但温度过高，会造成膜基间热应力加大，影响结合力，同时组织发生粗化，降低机械性能。

徐富春等［13］研究了不同镀膜温度下离子镀TiN与Cr/Cu接触界面形成与表面特性，结果表明镀膜温度对TiN与Cr/Cu接触界面的形成与表面的微结构有直接的影响:较低镀膜温度表面TiN膜不均匀，90℃生成膜表面TiN与Cr/Cu接触界面边界清晰；适当提高离子镀温度到120℃，表面层状生长均匀、微晶粒细化，界面分界处开始呈现模糊；170℃生成膜表面TiN与Cr/Cu界面模糊不清。

3.2反应气体压强

反应气体分压直接影响到生成离子或离子间化合物的种类和比例，间接影响薄膜的物相和组织，对薄膜的性能有很大影响，还会影响到膜层的内应力。

杨英［14］、杨洪刚［15］、谢仕芳［16］、薛钰芝［17］等都曾对N2分压或流量对TiN或Ti-Al-N系膜层的性能影响作过研究。其中，薛钰芝等对多弧离子镀（在0.4Pa，0.1Pa，0.05Pa氮分压下）的TiN镀层进行了研究，比较了不同氮分压下镀层色泽、显微硬度、结合强度，结果表明，随氮分压升高而增加，多弧离子镀膜层色泽由浅变深，于多弧离子镀层。在0.4Pa氮分压时的显微硬度高于0.1Pa时，但当氮分压再降低时，到0.05Pa时，显微硬度反而上升，膜基结合力随着氮分压的上升而增强。总之，反应气体压强作为一个重要的工艺参数，只要合理控制，可控制膜层性能，制作良好性能的薄膜。

3.3弧源电流

弧源电流是弧源参数中最重要的参数，对靶材的蒸发和沉积速率有重要的影响，一般情况下，弧源电流越大，靶材的蒸发和离化率越高，但相应地产生较大金属或合金的液滴相几率增大，产生膜层缺陷的几率也增大，影响膜层性能。

史新伟［18］研究了不同弧源电流TiN薄膜的表面形貌及其摩擦学性能，结果表明，随着弧源电流的增大，薄膜沉积速率增大、硬度提高，但薄膜表面熔滴（MP）数量增多、尺寸变大，表面粗糙，摩擦系数增大，因此控制最佳弧源电流来获得最好的薄膜性能是离子镀TiN薄膜的关键问题之一。卢龙等［19］研究了靶电流对TiAlN/TiN复合膜组织及硬度的影响，结果表明靶材电流对膜层组织和硬度有显著影响，电流越高膜层表面越不平整，显微硬度随靶材电流的升高先上升后降低。靶电流越高，膜层中Ti、Al原子的含量就越高。

3.4基体偏压

基体偏压对镀膜等离子体中的带电粒子形成加速，可以轰击基体，提高温度，促进膜层生长，提高膜层生长速率，同时，荷能粒子轰击，可以使膜层更加致密。

刘天伟［20］、宫永辉［21］、杨洪刚［15］、辛煜［22］等都对基体偏压对膜层的性能影响进行过研究。其中，刘天伟等研究了偏压对铀表面多弧离子镀Ti/TiN多层膜的结构及抗腐蚀性能的影响。结果表明，脉冲偏压不但影响多层膜物相各衍射峰的强度，还诱导新相Ti2N的出现。制备的多层膜呈“犬牙”交错的层状、柱状结构生长。随脉冲偏压的增加，柱状晶结构细化，薄膜变得更加致密。

4 多弧离子镀技术在高精度仪表中的应用及存在的问题

4.1多弧离子镀技术在高精度仪表中的应用

高精度仪表采用动压气浮轴承技术，具有抖晃小、噪声低、转速高、寿命长等优点［8，23］，图4所示为高精度仪表动压气浮轴承结构示意图［24］，轴承摩擦副由半球和球碗组成。

图4　高精度仪表轴承结构示意图Fig.4 Structure of high precision instruments' hemisphere hydrodynamic bearing

为了改善动压气浮轴承零件的摩擦磨损情况，提高仪表运行的稳定性和使用寿命，需要提高轴承零件的表面机械性能，主流方法是对轴承零件进行表面改性，其中多弧离子镀膜处理方法效果显著［8，25-26］。

（1）高精度仪表球形零件多弧离子镀TiN膜

TiN膜呈金黄色，具有类似NaCl的面心立方结构，由金属键和共价键混合而成，同时具有金属晶体和共价晶体的特点，具有高硬度（HV可达2000以上）、高强度、高耐磨性、优良的热和化学惰性、优良的导电性以及高温强度和耐蚀性等，是多弧离子镀技术几十年发展的主流薄膜［27］。

吴玉广等［3］指出，多弧离子镀TiN可以有效提高仪表轴承耐磨性，在钛铝合金制造的球及碗的表面采用离子镀工艺镀制2μm～5μm的TiN膜层后，表面显微硬度可达HV2700以上，经精研表面粗糙度Ra达0.033μm时显微硬度仍能达到HV2100以上，不仅耐磨性提高，且摩擦系数降低，使用寿命提高。崔砚等［28］研究了影响特材工件表面镀制TiN厚膜结合性能的因素，探讨了多弧离子镀制备的TiN厚膜的失效机理，针对特材半球形零件，分析了镀TiN厚膜结合性能的影响因素。

经过多年的理论研究和工艺实践，我国已经掌握了较为成熟的特材高精度仪表球形零件离子镀TiN工艺技术，各项指标达到技术条件要求，成功应用于型号产品。图5所示为我们采用多弧离子镀技术镀覆TiN膜的半球零件。

图5　多弧离子镀TiN膜的半球零件Fig.5 Hemisphere parts with TiN coating plated bymulti-arc ion plating technique

（2）高精度仪表球形零件多弧离子镀DLC膜

DLC薄膜是一种非晶碳膜，结构类似金刚石，碳原子主要以sp2和sp3杂化键结合，sp3键含量越高，越接近金刚石，具有超高硬度、超高强度、低摩擦系数、高电阻率、良好的光学性能等优良性能［29］。

资料表明［30］，苏联最早将多弧离子镀DLC技术应用于高精度仪表动压气浮轴承，成功研制出高精度且永不磨损型高精度仪表，其动压气浮轴承采用DLC-TiN膜层配对，摩擦系数可低至0.05，对于轴承的摩擦磨损有非常显著的改善。美国等国对于DLC薄膜在宇航仪表的动压轴承方面的应用也有研究，但报道较少。

经过多年的理论研究和工艺实践，我国已经掌握了较为成熟的特材高精度仪表球形零件离子镀DLC膜工艺技术，各项技术指标达到设计要求，成功应用于型号产品。图6所示为我们采用多弧离子镀技术镀覆DLC薄膜的半球零件。

图6　多弧离子镀DLC薄膜的半球零件Fig.6 Hemisphere parts with DLC coating plated by multi-arc ion plating technique

4.2多弧离子镀技术在高精度仪表应用中存在的问题

随着研究的不断深入，我们发现高精度仪表轴承球形零件多弧镀膜技术中还存在一些不足，比如多弧离子镀TiN薄膜中存在大颗粒等膜层缺陷，破坏膜层的连续性和机械性能，影响仪表轴承零件的使用性能，降低了镀膜生产的合格率；类金刚石膜层在高温下会发生碳化，使用环境较恶劣时会发生膜层脱落等。这些都是对我们提出的新挑战、新问题，需要进一步研究解决。

5 结论

经过40多年的发展，多弧离子镀技术原理、特点、工艺参数等方面的研究已经较为成熟，在高精度仪表轴承零件表面改性方面的应用也取得了突破性的成果，推动了我国新一代高精度仪表的研制。虽然还存在一些问题有待研究解决，但多弧离子镀技术在半球动压马达中的应用前景非常广阔。

［1］李云奇.真空镀膜技术与设备设计安装及操作维护实用手册［M］.北京:化学工业出版社，2006. LI Yun-qi.Vacuum coating technology and equipment design and installation and operation and maintenance manual［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2006.

［2］邱联昌，李金中，王浩胜，等.多弧离子镀技术及其在切削刀具涂层中的应用［J］.中国钨业，2011，26（5）: 28-32. QIU Lian-chang，LI Jin-zhong，WANG Hao-sheng，et al. Multi-arc ion plating technology and its application in the coating of cutting tools［J］.China Tungsten，2011，26（5）: 28-32.

［3］吴玉广，任德亮，徐前.离子镀膜技术在制造业中的应用［J］.航空制造技术，2003（9）:64-66. WU Yu-guang，REN De-liang，XU Qian.Application of the ion plating in manufacturing industry［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2003（9）:64-66.

［4］吴玉广，李荣雪.多弧离子镀技术在航天航空制造维修业中的应用实例［J］.航空工程与维修，1999（2）: 47-48. WU Yu-guang，LI Rong-xue.Application of multi-arc ion plating technology in aerospace［J］.Aviation Maintenance &Engineering，1999（2）:47-48.

［5］杨建宏，夏慧琴，屈秀文.多弧离子镀技术在钟表行业中的应用［J］.金属热处理，1995（9）:20-22. YANG Jian-hong，XIA Hui-qin，QU Xiu-wen.Application of multi-arc ion plating technique for watch working process［J］.Heat Treatment of Metals，1995（9）:20-22.

［6］许樵府.离子镀在航空发动机中的应用［J］.航空制造技术，2002（7）:71-72. XU Qiao-fu.Application of ion plating in aeroengine［J］. Aeronautical Manufacturing Technology，2002（7）:71-72.

［7］张会霞，冯光光.多弧离子镀在海洋船舶装备材料上的应用［J］.淮海工学院学报（自然科学版），2012，21（2）:12-14. ZHANG Hui-xia，FENG Guang-guang.Application of multi-arc ion plating technology to marine equipment material［J］.Journal of Huaihai Institute of Technology（Natural Science Edition），2012，21（2）:12-14.

［8］李建春，冯浩，王晓瑜，等.气体动压轴承技术在陀螺电机中的应用［J］.微电机，2012，45（6）:80-82. LI Jian-chun，FENG Hao，WANG Xiao-yu，et al.Application of gas-dynamic bearing in gyro motor［J］.Micromotors，2012，45（6）:80-82.

［9］Daalder J E.A cathode spot model and its energy balance for meatl vapour arcs［J］.Journal of Physics D:Applied Physics，1978，11（12）:1667-1682.

［10］胡传炘.表面处理技术手册［M］.北京:北京工业大学出版社，1997. HU Chuan-xin.Manual for surface treatment technology［M］.Beijing:Beijing University of Technology Press，1997.

［11］姜雪峰，刘清才，王海波.多弧离子镀技术及其应用［J］.重庆大学学报（自然科学版），2006，29（10）: 55-57. JIANG Xue-feng，LIU Qing-cai，WANG Hai-bo，et al. Technology and application of multi-arc ion plating［J］. Journal of Chongqing University（Natural Science Edition），2006，29（10）:55-57.

［12］张钧，赵彦辉.多弧离子镀技术与应用［M］.北京:冶金工业出版社，2007. ZHANGJun，ZHAOYan-hui.Technologyand application of multi-arc ion plating［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2007.

［13］徐富春，王水菊，林秀华，等.不同镀膜温度下离子镀TiN与Cr/Cu接触界面形成与表面特性［J］.厦门大学学报（自然科学版），2002，41（3）:306-310. XU Fu-chun，WANG Shui-ju，LIN Xiu-hua，et al.Interface formation and surface characteristics of TiN film in contact to Cr/Cu by multi-arc ion plating at different temperatures［J］.JournalofXiamenUniversity（Natural Science），2002，41（3）:306-310.

［14］杨英，董瑜亮，高立军，等.氮气流量及后续热处理对多弧离子镀制备Ti2AlN涂层的影响规律［J］.中国腐蚀与防护学报，2012，32（1）:1-6. YANG Ying，DONG Yu-liang，GAO LI-jun，et al.Effects of nitrogen flow rate and post-heat treatment on preparation of Ti2AlN coatings by AIP［J］.Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection，2012，32（1）:1-6.

［15］杨洪刚，李署，张荣禄.偏压和氮分压对TiN膜层结构和膜/基体系性能的影响［J］.中国表面工程，2009，22（2）:20-25. YANG Hong-gang，LI Shu，ZHANG Rong-lu.Influence of bias voltage and N2partial pressure on structure of TiN film and performance of film/substrate［J］.China Surface Engineering，2009，22（2）:20-25.

［16］谢仕芳，张栋，孙丽丽，等.电弧离子镀TiN工艺优化及TiN/TiC多层膜性能［J］.材料热处理学报，2014，35（4）:188-192. XIE Shi-fang，ZHANG Dong，SUN Li-li，et al.Process optimization of TiN films deposited by arc ion plating and properties of TiN/TiC multilayer films［J］.Transactions of Materials and Heat Treatment，2014，35（4）:188-192.

［17］薛钰芝，林纪宁，周立梅，等.氮分压对TiN离子镀层影响的研究［J］.大连铁道学院学报，1998，19（1）: 25-29. XUE Yu-zhi，LIN Ji-ning，ZHOU LI-mei，et al.The influence of divided pressure of N2on TiN ion planting［J］. Journal of Dalian Railway University，1998，19（1）: 25-29.

［18］史新伟.不同弧源电流TiN薄膜的表面形貌及其摩擦学性能研究［J］.真空，2013，50（1）:23-27. SHI Xin-wei.Surface morphology and tribological properties of TiN film deposited with different arc currents［J］. Vacuum，2013，50（1）:23-27.

［19］卢龙，任明皓，蒋涛，等.靶电流对TiAlN/TiN复合膜组织及硬度的影响［J］.热加工工艺，2010（22）: 120-122. LU Long，REN Ming-hao，JIANG Tao.Effects of target currentonstructureandhardnessofTiAlN/TiN composite film［J］.Hot Working Technology，2010（22）: 120-122.

［20］刘天伟，鲜晓斌，武胜，等.不同偏压下铀表面多弧离子镀TiN薄膜性能研究［J］.稀有金属材料与工程，2006，35（9）:1437-1440. LIU Tian-wei，XIAN Xiao-bin，WU Sheng，et al.Properties of TiN films on uranium surface by arc ion plating under different bias voltages［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2006，35（9）:1437-1440.

［21］宫永辉，毛延发，唐卫国，等.脉冲偏压对TiAlN/TiN多层膜生长及熔滴的影响［J］.深圳大学学报（理工版），2007，24（4）:410-413. GONG Yong-hui，MAO Yan-fa，TANG Wei-guo，et al. Influence of DC pulse-bias on growing processes and droplets of TiAlN/TiN coating［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2007，24（4）:410-413.

［22］辛煜，范叔平，宁兆元，等.偏压对多弧离子镀TiN膜层的影响［J］.表面技术，1997，26（1）:8-10. XIN Yu，FAN Shu-ping，NING Zhao-yuan，et al.Influence of bias voltage on TiN film by multi-arc ion plating［J］.Surface Technology，1997，26（1）:8-10.

［23］Jang G H.Nonlinear dynamic analysis of a hydrodynamic journal bearing considering the effect of a rotating or stationary herringbone groove［J］.Journal of Tribology，2002，124（2）:297-304.［24］黄德，董君华，曹勇，等.半球动压马达半球孔加工误差的分析与改进［J］.导航与控制，2014，13（2）:57-59. HUANG De，DONGJun-hua，CAOYong，etal. Analysis and improvement on the processing error of hemisphere hole for the hemisphere dynamic pressure motor［J］.Navigation and Control，2014，13（2）:57-59.

［25］浅田.动压轴承及其在中小型电机中的应用［C］.日本小电机技术交流会论文选编，2001:109-115. MAO.Dynamic bearing and its application on the small and medium-sized motor［C］.Memoir of the Small Motor Communicating Conference in Japan，2001:109-115.

［26］王晓瑜.半球动压马达的可靠性研究［C］.中国惯性技术学会第五届年会论文集，2006:76-85. WANG Xiao-yu.Study on the capability of hemisphere dynamic motor［C］.The 5thYear Conference Memoir of the China Inertial Technology Institute，2006:76-85.

［27］赵海波.国内外切削刀具涂层技术发展综述［J］.工具技术，2002，36（2）:3-7. ZHAO Hai-bo.Summary of development of cutting tool coating technology at home and abroad［J］.Tool Engineering，2002，36（2）:3-7.

［28］崔砚，王锐，赵旺升，等.影响铍材工件表面镀制TiN厚膜结合力的因素分析［J］.导航与控制，2011，10（4）:52-57. CUI Yan，WANG Rui，ZHAO Wang-sheng，et al.Research on influencing factors of adhesion to TiN coating deposited on beryllium substrate［J］.Navigation and Control，2011，10（4）:52-57.

［29］Robertson J.Diamond-like amorphous carbon［J］.Materials Science and Engineering，2002，37（4）:129-281.

［30］杨雨时，王磊，沈江立.类金刚石膜（DLC）及其应用［J］.宇航材料工艺，1996（1）:13-16. YANG Yu-shi，WANG Lei，SHEN Jiang-li.Diamondlike carbon film and its applications［J］.Aerospace Materials&Technology，1996（1）:13-16.

Multi-arc Ion Plating Technique and Its Application for High Precision Instruments

YAN Chun-he，LIU Bing-yang，CUI Yan，XUE Feng-ju，SU Yi-bing
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

In this paper，multi-arc ion plating technique are introduced，including its operating principle，technical features and main process parameters.The application of multi-arc ion plating technique for high precision instruments and the remaining problems are elaborated.The prospect of the multi-arc ion plating technique's application in the high precision instruments is expected in the end.

multi-arc ion plating technique；high precision instruments；bearing；surface modification

TN305.8

A

1674-5558（2016）07-01156

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.05.005

闫春和，男，硕士，助理工程师，研究方向为惯性器件离子镀膜工艺。

2015-05-29