基于柱状电弧靶的高沉积率真空多弧离子镀装备设计

董小虹，卢泽坚，常玉敏，万庆海

（广东世创金属科技股份有限公司，广东佛山 528313）

0 引言

物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程。它的作用是可以使某些有特殊性能（强度高、耐磨性、散热性、耐腐性等）的微粒喷涂在性能较低的母体上，使得母体具有更好的性能。

PVD基本方法包括真空蒸发、磁控溅射、离子镀等。离子镀是真空室中，利用气体放电或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质粒子轰击作用的同时，将蒸发物或反应物沉积在基片上。离子镀把辉光放电现象、等离子体技术和真空蒸发三者有机结合起来，不仅能明显改进膜质量，而且还扩大了薄膜的应用范围。其优点是薄膜附着力强，绕射性好，膜材广泛等。

多弧离子镀与一般的离子镀有着很大的区别。多弧离子镀采用的是弧光放电，而并不是传统离子镀的辉光放电进行沉积。多弧离子镀的原理就是把阴极靶作为蒸发源，通过靶与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发，从而在空间中形成等离子体，对基体进行沉积。多弧离子镀能够同时提供多金属元素沉积，也可沉积单金属元素，金属原子离化率高，膜层与基体附着强度高，沉积成膜速率高。阴极蒸发源同时也是工件加热源、金属原子离化源、轰击净化工件源，真正做到一弧多用，而且真空多弧离子镀设备与其他物理气相沉积设备相比，简单且成本低［1］。

目前真空多弧离子镀主要应用于以下几个领域。

（1）涡轮涡扇发动机涡轮动、静叶片采用真空多弧离子镀沉积技术，在单晶耐热材料表面涂覆耐热涂层，膜厚从小于10 μm至上百微米，用以提高涡轮涡扇发动机叶片的抗高温氧化、抗热腐蚀性能，延长叶片的使用寿命。

（2）核电和火力发电燃气轮机的涡轮叶片长期在高温下工作，会受燃气中硫、钒等有害物质的严重腐蚀，国外常用NiCrAlY涂层保护。其中，NiCrAlY涂层可用等离子喷涂、电子束蒸镀、磁控溅射等多种方法制作.但都不及离子镀好。离子镀的涂层与基体结合牢固，镀层均匀且致密，可镀材料广泛，涂覆层基本上不影响零件原有的表面粗糙度和机械性能［2］。

（3）采用真空电弧源设备在模具、轴承和高速切削工具上沉积TiN、TiAlN、TiC 等硬质膜层，可提高其寿命1.5 ～3 倍［3-8］。

国内在等离子涂层技术领域虽然也开展了大量的研究性工作，但总体上看，研究论文多，应用少，产业化水平和国外有很大差距；涂层设备功能单一，集成度低，稳定性和可靠性差，未能满足产品对高性能硬质或耐热涂层的要求；面对欧美国家技术封锁，国内高端涂层设备几乎完全依赖由国外直接购买，本土化的消化吸收进展缓慢，在自主创新方面缺乏平台，从而亦制约了本土化涂层技术的创新发展。

1 高沉积率真空电弧离子镀原理

高沉积率真空电弧离子镀设备分为离子清洗装置、柱状电弧靶涂覆装置和信息化与智能化控制装置3个部分组成。

1.1 离子清洗装置

在涂覆工艺前进行气体离子刻蚀清洗，采用电弧离子镀膜系统中相对的一对沉积用阴极电弧靶通过控制电路对弧电源的切换组成一对串联的阴极靶与阳极靶，阳极靶前配有挡板装置，只允许气体离子通过，形成一个离子源系统。该系统根据涂层机真空室大小及电弧靶的多少，可设置一个或多个离子源系统，并可高低按需分布，达到均匀覆盖有效工作区域的要求。离子源气体离子刻蚀强度可通过控制弧电源的输入功率进行调节。在进入沉积工艺阶段时各靶又切换回沉积用阴极靶进行正常的沉积阴极靶使用。沉积阴极靶和离子源系统靶的切换是在工艺流程设定中由电脑程序自动切换，全自动运行。

本装置在真空室侧壁上可安装多个侧壁阴极靶对，使用离子清洗方式为工件提供清洗，使工件的表面清洁干净和带有强活性，增加了工件膜层的附着力，膜层与工件基体表面的结合力增加，减少了脱膜的概率，提高工件的质量，使工件的使用寿命提高3 ～5 倍，同时也可以作为沉积时的辅助手段，来辅助沉积，增大了涂层膜层的种类和增加扩展了沉积的方法，使工件表面最终快速获得厚涂层，解决了工件表面的涂层沉积效率低及沉积涂层厚薄不均匀、复杂工件沉积涂层效果差的技术难题。本装置已获得国家发明专利。

1.2 柱状电弧靶涂覆装置

本装置在真空室的中心位置安装一个柱状阴极靶和旋转式支承机构，中间柱形阴极靶作为工件膜层沉积增材的发生源，外接大功率的弧电源，能大功率大电流输出，弧电源电流可达300 ～1 000 A，常用弧电源电流大于700 A，并可长时间工作，连续工作时间大于24 h，沉积速率大于15 μm／h，一次沉积厚度可大于80 μm，极大地提高了膜层的沉积效率，而在柱形阴极靶内的电磁场引导弧斑在靶的表面上下移动，使每次经过工件表面的弧斑工作时间是相同的，保证工件膜层厚度和膜层的均匀性，同时也保证膜层有很好的结合力，既减少了镀膜的工作时间，降低了劳动强度，提高了效率，降低了生产成本，同时均匀的膜层厚度能使产品的质量得到了提高，得到优良结合力的均匀的超厚的沉积膜层。

1.3 信息化与智能化控制装置

本装置利用信息化和智能化的控制系统，使得各个动作都可以通过信息化和智能化的控制进程系统来逐一发出指令，使各动作连续有序进行，极大地提高了产品工作的安全性和自动化程度，使整个镀膜的过程实现自动可控，从而降低了劳动强度和提高了工件的质量和稳定性。特别在柱状阴极靶的电源输入端连接PLC 控制系统的输出端，通过PLC精确控制柱状阴极靶靶面的电磁场强度，使处于靶面的弧斑沿着靶面作均匀的从一端往另一端移动，并形成弧斑在柱状阴极靶的靶面作反复螺旋转移动，形成工件表面快速循环沉积结构。

2 高沉积率真空多弧离子镀装备结构设计

装备主要由真空室及真空系统、离子镀膜系统、电气控制及智能控制系统和工件转架传动系统等配套组成。图1 为高沉积率真空电弧离子镀装备结构示意图。

图1 高沉积率真空多弧离子镀装备示意图

2.1 真空室及真空系统

真空室采用立式八角形棱柱结构：其中一个侧面连接真空泵组，离子源装置对称安装在真空室侧壁。真空室中心位置用于安装用于电弧离子镀膜的柱状靶套件。真空镀膜室采用立式前开门结构，真空室外壳均匀布置冷却水套，水套中加有定向导流槽，确保冷却均匀一致，冷却效果好。

真空系统由真空泵组以及与其配套的气动高真空阀、前级阀、粗抽阀和管道等组成。在系统的相关位置配备电阻和电离复合数显真空计和金属规管，以监控真空室的安全和稳定性。

2.2 离子镀膜系统

离子镀膜系统是由一套安装在设备中心的阴极柱状电弧靶及其配套的弧电源、偏置电压系统以及离子轰击清洗系统组成。

中心的阴极柱状电弧靶采用水冷结构，起弧触发机构为全自动高压触发起弧装置，采用全新设计的阴极电磁稳弧结构：靶材保持静止不动，靶内线圈的电源控制端与PLC的控制输出端连接，通过PLC控制线圈［9］，通过内部电磁线圈旋转稳定弧斑，提高有效沉积高度。电磁线圈电流大小可调，适应不同靶材及工艺开发过程不同磁场强度的要求。电弧弧斑稳定性高，可长时间稳定运行和生产24 h以上，断弧后可立即重新起弧。

偏置电压系统作用与炉壳和工件之间，把真空腔内离化的等离子体引向被涂覆的工件表面，使得工件快速形成沉积膜层，提高膜层形成效率［10］。

设备采用的离子轰击清洗系统是世创公司等离子增强涂层专利技术，在真空室侧壁布置一对（或多对）离子源，在原有基本离子镀膜系统金属离子刻蚀与加热工艺基础上，还可实现气体离子刻蚀与加热、等离子增强镀膜工艺，极大地提高了工艺气体及工艺介质的离化率，避免产生零件拉弧现象，具有更好的等离子清洗效果，产品涂层的均匀性，涂层沉积质量与效率更高。

2.3 电气控制及智能控制系统

控制系统包括PLC和计算机两部分，其中PLC负责执行元器件的控制以及部分单元部件数据采集，计算机主要实现数据采集、编辑和通信的功能。在运行涂层工艺时，电脑显示屏上可以实时显示所有工艺参数，所有工艺参数能自动记录在电脑中供随时调用，也可导出为表格形式供分析，系统配有打印机输出功能，可供数据输出打印。控制软件采用开放式客户界面，凭借操作系统，客户也可自行开发完成涂层工艺。设备可进行手动、自动操作。

软件具有报警、保护功能，在水流量不足、断水、各泵阀门出现故障时报警；在断水、真空度异常、停电等不具备安全生产条件时设备自锁保护。报警信息自动弹出报警信息，并且提供详细报警信息，便于工作人员对设备进行故障诊断。

数据分析：涂镀涂层过程中，采集的实时工艺数据（如真空度、温度、弧源输出电流、偏置电压等参数）同时与电脑和有纸记录仪连接。系统可对历史曲线显示及保存，并可对进行打印、分析。设备运行过程中所有的参数，包括设定参数和实际参数等，都能够自动记录，并形成曲线，所有这些参数数据可以保存1年时间，且参数不可更改，方便查询。

控制系统具有工艺库，可实现操作权限分级管理，以适应设备安装维修调试员、工艺员、现场操作员等分级管理。通过本系统自带的工艺库实现镀膜工艺，工艺库可进行编辑、修改。各人员可采用不同账号登录，操作者的使用记录可被追溯。控制电脑预留数据接口，提供远程在线监控功能。

2.4 工件转架传动系统

工件转架系统由工件转盘、行星转架、传动轴、变频器、调速电机和减速机组成。其中，行星转架采用下置安装方式，便于装挂工件。转架具有公转加自转功能。公转0 ～5 rad／min 连续可调，各个部件运转平稳。转架带过载或卡死的保护机构，防止损坏转架、夹具和产品。真空室前门处带脚踏开关，在开门状态下，能够控制转架转动，方便装卸工件及调整角度。

3 测试验证与结果分析

通过对该装置的多项专利技术的研究与组合，本文研制成功了工程应用的样机，在此基础上批量生产的此装备逐渐在模具制造、轴承、核电等燃气轮机叶片和涡轮涡扇发动机叶片等高端装备制造和重要领域的相关零件制造上。表1 所示为样机的部分实测参数。

表1 高沉积率真空多弧离子镀装备部分实测技术参数

该设备在国内某燃气轮机叶片厂使用后，一次沉积厚度达到100 μm，沉积效率在15 μm／h以上。使用该设备加工燃气轮叶片后能够满足零件的技术要求，可以替代同类的进口设备。

该设备是把多元涂层与复合涂层制备、等离子体增强涂层、新型合金靶电磁系统、稀土表面改性、低温沉积等创新性工艺技术集成到一起，使其成为先进而有效的涂层工艺组合，融合到新研发的智能化涂层装备上，从而开发出具有国际先进水平的多功能等离子复合涂层系统，填补了我国高端真空镀膜设备的空白，促进我国涂层技术和先进装备制造业的发展。

4 结束语

本装置采用中间柱形阴极靶作为产品膜层沉积增材的发生源，使涂层沉积速率大于15 μm／h，一次沉积厚度可大于80 μm，甚至可以达100 μm或更高，极大地提高了膜层的沉积效率，增加了膜厚厚度，使得此装备代替进口设备应用膜层较厚的热障涂层方面成为可能。

本装置侧壁的阴极靶作为离子清洗的方式，提高离化率，使产品的表面清洁干净并带有强活性，增加了产品膜层的附着力，膜层与产品基体表面的结合力增加，减少了脱膜的几率，提高了产品的质量，使产品的使用寿命提高了3 ～5 倍，同时也可以作为沉积时的辅助手段，用来辅助沉积，增加了涂层膜层的种类，扩展了沉积的方法。

本装置利用信息化和智能化的控制系统，提高了自动化的程度，降低了劳动强度。使整个镀膜的过程实现了自动可控，提高了产品的质量和稳定性。

航空发动机叶片制造技术，一直是欧美国家对我国禁止或限制输入的关键技术。该装置的研发成功，打破了欧美大公司对先进镀膜设备的垄断，促进我国涂层技术和先进装备制造业的发展，提升机械制造业的国际竞争力，也将使我国工模具与精密零件的涂层技术与产业实现跨越式发展。另外，该装置在核电蒸汽机叶片、舰船、汽车、能源等领域的热端部件上也有十分广阔的应用前景。