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摘要：由于各种难加工材料和日益严峻的加工条件，近几十年来，物理气相沉积涂层技术越来越受到人们的重视。结合物理气相沉积技术的工业应用现状，从物理气相沉积涂层设备的角度综述了物理气相沉积涂层刀具的主要技术，包括阴极电弧蒸发技术和磁控溅射技术及其混合技术，并介绍了影响涂层附着强度的等离子体刻蚀技术。
关键词：物理气相沉积;镀膜机器;关键零部件
中图分类号：TH122.5 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）05-0094-02
1 物理气相沉积方法概述
1.1 技术发展背景
与铸造、锻造等传统成形技术形成的金属材料相比，涂层零件在后续加工过程中具有一些明显的难加工特性。首先，由于涂层和基体之间的力学性能不同，加工厚涂层面临着很大的挑战。在沉积过程中，涂层与基体之间的化学成分不同会导致稀释。此外，机械性能的差异，特别是涂层和基体之间的屈服强度，可能导致不连续的塑性变形/应变在随后的机械加工过程中。一般来说，在加工常规成形工件时，根据加工余量来确定未切屑厚度的选择，以满足几何/尺寸精度的要求。由于机械加工引起的亚表层应力，结果改变了其表面的完整性。相反，厚涂层后续加工中未切削的切屑厚度必须严格限制在浅范围内（换句话说，必须薄于涂层厚度），而涂层厚度通常与涂层厚度相当。当用小的未切削切屑厚度（远小于涂层厚度）加工时，塑性变形只出现在涂层表面下。在这种情况下，涂层后续加工的力学行为相当于用与涂层相同的材料加工常规成形的工件。当用大的未切削切屑厚度（相当于涂层厚度）进行加工时，涂层和基体区域的表面下都会出现塑性变形。但是，由于涂层的屈服应力大于基体的屈服应力，涂层底部仍处于弹性状态。因此，加工厚涂层的临界条件被认为是基体塑性变形的边界。因此，机械加工引起的涂层-基体界面应力达到了基体的屈服强度，但没有发生塑性变形。
1.2 PVD技术发展
气相沉积是拥有属性成分元素在真空中蒸发成原子、分子或离子，然后凝结在基体表面形成所需的涂层的过程。根据这一原理，气相沉积技术可以分为化学气相沉积和物理气相沉积。化学气相沉积技术具有沉积速度快和涂层均匀性好的优点，但几乎所有类型的化学气相沉积技术都比PVD具有更高的沉积温度和更高的气体压力。高沉积温度会影响刀具基体的性能，导致CVD涂层主要用于连续切削或极端负载加工的整体硬质合金刀片上。同时，由于化学气相沉积涂层是由一种或多种挥发性前体反应生成的，反应后的挥发性前体和残余气体具有一定的毒性，造成环境污染。这些缺点限制了CVD技术的应用。PVD技术具有加工温度低、环境友好、涂层成分可控、涂层结构合理等优点，广泛应用于车、铣、钻、丝锥、焊接工具等工具表面。
难加工材料的出现，更严格的加工环境要求和制造成本控制促进了PVD涂层刀具的发展。刀具表面涂层正朝着高硬度、良好的化學稳定性、高温抗氧化性和高温稳定性的方向发展。因此，对刀具涂层的组成和结构进行了相应的更新。物理气相沉积涂层材料包括氮化物、碳化物、氧化物和硼化物涂层，其元素组成从一元和二元到多元，层数从单层到多层甚至上千层，涂层组织从柱状晶结构演变为纳米晶和纳米复合结构。涂层材料对化学成份、结构、与刀具基体的结合强度和表面光滑度的高要求促进了涂层刀具PVD技术的创新。目前，涂层刀具的物理气相沉积技术主要包括阴极电弧蒸发、磁控溅射及其混合工艺。前两种技术已在刀具工业中得到广泛应用，混合技术的商业应用还需要一些研究，以获得稳定、可重复和具有竞争力的切削刀具硬质涂层。除了中间层之外，在沉积涂层之前对基体进行原位等离子体刻蚀对于优异的涂层结合强度也是至关重要的。
2 镀膜机器关键零部件设计
阴极电弧蒸发（CAE）或电弧离子镀（AIP）原理的示意图，属于真空电弧沉积的一种。阴极弧是一种低压大电流等离子体放电，在真空中由蒸发材料制成的阴极靶与阳极（通常是涂层室）之间起始，使靶粒子蒸发并凝结在基体表面。在阴极上没有磁场的情况下，弧斑在阴极表面上随机移动。点在场地上的停留时间为微秒或亚微秒时间，点处的电流密度一般在106～1012A/m2之间。高能量密度直接导致电弧点处的固体靶材料向金属蒸气等离子体过渡，并伴随着大量的液滴。靶的电离率和液滴数目与其熔化温度有关。目标表面喷射出的液滴凝结成大颗粒，最终沉积在涂层表面或嵌入到涂层中，导致涂层表面粗糙，降低了涂层的整体性能，这是CAE技术的最大缺点。此外，由于大电流真空电弧放电的特性，只能使用导电性好的靶材作为蒸发源，熔点过高或过低或机械强度差的材料不能使用。尽管存在一定的局限性，但由于目标电离率高、镀层沉积速度快，CAE技术目前在硬质涂层制备技术领域尤其是刀具应用领域占据主导地位。除了优化目标材料和工艺参数之外，减少液滴的主要方法是优化阴极结构和宏观粒子过滤。
在阴极配置的过程中，优化阴极结构可以抑制或减少液滴的生成。阴极蒸发器的类型可以根据它们的几何特征和电弧进给点运动控制的性质进行分类。目前商业应用的阴极几何布局包括平面圆靶、平面矩形靶和圆柱靶。由于离子和电子很容易受到电场和磁场的控制，许多研究试图通过优化阴极靶电源和磁控管结构来控制液滴的产生。
CAE过程中传统的蒸发器电源为低压高密度直流电源，基板与高负压脉冲电源或直流电源相连。脉冲真空电弧离子镀可以在一定程度上减少液滴的产生。在脉冲电弧沉积过程中，放电是脉冲的和间歇的，并且在脉冲开通时间内利用大电流提供足够的导电粒子。由于脉冲通电时间小于液滴形成所需的时间，大颗粒的产生大大减少。为了获得高的工业沉积速率，开发了峰值电流为4-5ka，峰值电压为30kV的强流脉冲电弧沉积技术。脉冲真空电弧沉积技术在制备大面积硬质薄膜，尤其是碳涂层方面显示了其优越性，但失效放电和拉伸放电影响了放电的稳定性。轴对称磁场不同于传统操纵电弧中的封闭拱形磁场，它对阴极斑点运动和主值减小也有显著影响。与轴对称阴极磁场相比，有向电弧确保了更有效地降低MPs，特别是与高频短脉冲负偏压有关。然而，由于操纵电弧在靶表面产生的狭窄沟槽使靶的利用率降低，因此许多研究仍然集中在轴对称磁场上。利用垂直磁场大于50g的等离子体增强弧-阴极技术沉积TiCrAlN涂层，涂层刀具在高速铣削试验中表现出优异的切削性能。他们发现，轴对称磁场横向分量的增加可以促进从发亮的大阴极点到细长的线性阴极点的转变，这有助于均匀蚀刻阴极靶，产生更少和更小的MP射流。然而，当磁场强度过大时，很难维持弧斑的自持放电。采用电磁线圈绕组和永磁体相结合的方法，发现当线圈电流过大时，阴极斑点聚集在靶的周边区域，斑点尺寸增大。如图1所示。 对于宏粒子过滤（MP），通过影响液滴的输送，宏粒子过滤系统降低了MPs在涂层表面的沉积概率，从而产生一个光滑的涂层表面。与阴极结构的改进相比，宏粒子过滤系统可以实现100%的等离子体沉积。根据熔盐等离子体与电弧等离子体在电学和力学性能上的差异，现有的宏粒子滤波方法主要有脉冲偏压电弧、机械屏蔽电弧和磁过滤电弧。由于在沉积过程中电子的运动速度远大于离子的运动速度，每单位时间到达MPs表面的电子数量大于离子的数量，导致MPs呈现负电荷。当在基片上施加负偏压时，由于离子溅射、负偏压反射和热蒸发等原因，大颗粒在基片上的沉积概率可以在一定程度上降低。然而，长时间的高能离子轰击会导致沉积层的基体温度升高，残余应力增大。脉冲偏压电弧保持了直流电弧的所有优点，带来了低残余应力、低沉积温度和晶粒细化的新特点。高频短脉冲负偏压下的MPs数量和直径明显低于零偏压下的衬底。最先进的脉冲偏压电弧不能完全消除MPs，常与其他优化的电弧技术结合使用。该屏蔽电弧直接利用机械阻断装置影响MPs和电弧等离子体的运动轨迹，并基于电弧等离子体优良的缠绕特性沉积了镀层。为了提高等离子体的传输效率，在滤波片上施加正偏置电位，利用感应磁场引导等离子体通过滤波片间隙。
磁过滤弧比机械直接屏蔽弧受到更多的关注。基于磁场的强约束效应，电子被拉莫尔进动化，离子被电子引導，从而将等离子体与MPs分离。早在20世纪70年代，研究学者利用这一原理设计了磁过滤装置，以消除宏观粒子缺陷，改善沉积涂层的微观结构和性能。一方面，如果带电离子在磁场中的拉莫尔进动直径大于过滤管的直径，导致离子无法通过过滤装置并沉积在管壁上，镀层的沉积速率就会大大降低。另一方面，由于在过滤管中长时间输送过程中的离子复合过程，产生了等离子体损耗。因此，磁场强度的控制和过滤装置的设计对电弧等离子体的传输效率具有重要意义。
3 结语
新的未来挑战将继续推动现有涂层技术和应用的进一步发展。通过使用新的蒸发器或溅射源和磁控管以及脉冲技术，电弧蒸发和磁控溅射工艺将继续发展，目标是提高涂层质量，提高生产率和降低成本。
参考文献：
[1]崔金婷.航空关键部件一体化集成薄膜热电阻传感器[D].电子科技大学，2020.
[2]刘晴.磁控溅射低温制备Cr/CrN薄膜与性能研究[D].安徽工业大学，2019.
[3]曹磊.TC4钛合金表面硬质薄膜的制备及腐蚀磨损和减摩抗磨机理研究[D].青岛理工大学，2019.
[4]夏先春.物理气相沉积镀膜机器关键零部件设计与分析[D].苏州大学，2017.
[5]白秀琴.低温气相沉积薄膜及其摩擦学性能研究[D].机械科学研究总院，2006.
关键词：物理气相沉积;镀膜机器;关键零部件
中图分类号：TH122.5 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）05-0094-02
1 物理气相沉积方法概述
1.1 技术发展背景
与铸造、锻造等传统成形技术形成的金属材料相比，涂层零件在后续加工过程中具有一些明显的难加工特性。首先，由于涂层和基体之间的力学性能不同，加工厚涂层面临着很大的挑战。在沉积过程中，涂层与基体之间的化学成分不同会导致稀释。此外，机械性能的差异，特别是涂层和基体之间的屈服强度，可能导致不连续的塑性变形/应变在随后的机械加工过程中。一般来说，在加工常规成形工件时，根据加工余量来确定未切屑厚度的选择，以满足几何/尺寸精度的要求。由于机械加工引起的亚表层应力，结果改变了其表面的完整性。相反，厚涂层后续加工中未切削的切屑厚度必须严格限制在浅范围内（换句话说，必须薄于涂层厚度），而涂层厚度通常与涂层厚度相当。当用小的未切削切屑厚度（远小于涂层厚度）加工时，塑性变形只出现在涂层表面下。在这种情况下，涂层后续加工的力学行为相当于用与涂层相同的材料加工常规成形的工件。当用大的未切削切屑厚度（相当于涂层厚度）进行加工时，涂层和基体区域的表面下都会出现塑性变形。但是，由于涂层的屈服应力大于基体的屈服应力，涂层底部仍处于弹性状态。因此，加工厚涂层的临界条件被认为是基体塑性变形的边界。因此，机械加工引起的涂层-基体界面应力达到了基体的屈服强度，但没有发生塑性变形。
1.2 PVD技术发展
气相沉积是拥有属性成分元素在真空中蒸发成原子、分子或离子，然后凝结在基体表面形成所需的涂层的过程。根据这一原理，气相沉积技术可以分为化学气相沉积和物理气相沉积。化学气相沉积技术具有沉积速度快和涂层均匀性好的优点，但几乎所有类型的化学气相沉积技术都比PVD具有更高的沉积温度和更高的气体压力。高沉积温度会影响刀具基体的性能，导致CVD涂层主要用于连续切削或极端负载加工的整体硬质合金刀片上。同时，由于化学气相沉积涂层是由一种或多种挥发性前体反应生成的，反应后的挥发性前体和残余气体具有一定的毒性，造成环境污染。这些缺点限制了CVD技术的应用。PVD技术具有加工温度低、环境友好、涂层成分可控、涂层结构合理等优点，广泛应用于车、铣、钻、丝锥、焊接工具等工具表面。
难加工材料的出现，更严格的加工环境要求和制造成本控制促进了PVD涂层刀具的发展。刀具表面涂层正朝着高硬度、良好的化學稳定性、高温抗氧化性和高温稳定性的方向发展。因此，对刀具涂层的组成和结构进行了相应的更新。物理气相沉积涂层材料包括氮化物、碳化物、氧化物和硼化物涂层，其元素组成从一元和二元到多元，层数从单层到多层甚至上千层，涂层组织从柱状晶结构演变为纳米晶和纳米复合结构。涂层材料对化学成份、结构、与刀具基体的结合强度和表面光滑度的高要求促进了涂层刀具PVD技术的创新。目前，涂层刀具的物理气相沉积技术主要包括阴极电弧蒸发、磁控溅射及其混合工艺。前两种技术已在刀具工业中得到广泛应用，混合技术的商业应用还需要一些研究，以获得稳定、可重复和具有竞争力的切削刀具硬质涂层。除了中间层之外，在沉积涂层之前对基体进行原位等离子体刻蚀对于优异的涂层结合强度也是至关重要的。
2 镀膜机器关键零部件设计
阴极电弧蒸发（CAE）或电弧离子镀（AIP）原理的示意图，属于真空电弧沉积的一种。阴极弧是一种低压大电流等离子体放电，在真空中由蒸发材料制成的阴极靶与阳极（通常是涂层室）之间起始，使靶粒子蒸发并凝结在基体表面。在阴极上没有磁场的情况下，弧斑在阴极表面上随机移动。点在场地上的停留时间为微秒或亚微秒时间，点处的电流密度一般在106～1012A/m2之间。高能量密度直接导致电弧点处的固体靶材料向金属蒸气等离子体过渡，并伴随着大量的液滴。靶的电离率和液滴数目与其熔化温度有关。目标表面喷射出的液滴凝结成大颗粒，最终沉积在涂层表面或嵌入到涂层中，导致涂层表面粗糙，降低了涂层的整体性能，这是CAE技术的最大缺点。此外，由于大电流真空电弧放电的特性，只能使用导电性好的靶材作为蒸发源，熔点过高或过低或机械强度差的材料不能使用。尽管存在一定的局限性，但由于目标电离率高、镀层沉积速度快，CAE技术目前在硬质涂层制备技术领域尤其是刀具应用领域占据主导地位。除了优化目标材料和工艺参数之外，减少液滴的主要方法是优化阴极结构和宏观粒子过滤。
在阴极配置的过程中，优化阴极结构可以抑制或减少液滴的生成。阴极蒸发器的类型可以根据它们的几何特征和电弧进给点运动控制的性质进行分类。目前商业应用的阴极几何布局包括平面圆靶、平面矩形靶和圆柱靶。由于离子和电子很容易受到电场和磁场的控制，许多研究试图通过优化阴极靶电源和磁控管结构来控制液滴的产生。
CAE过程中传统的蒸发器电源为低压高密度直流电源，基板与高负压脉冲电源或直流电源相连。脉冲真空电弧离子镀可以在一定程度上减少液滴的产生。在脉冲电弧沉积过程中，放电是脉冲的和间歇的，并且在脉冲开通时间内利用大电流提供足够的导电粒子。由于脉冲通电时间小于液滴形成所需的时间，大颗粒的产生大大减少。为了获得高的工业沉积速率，开发了峰值电流为4-5ka，峰值电压为30kV的强流脉冲电弧沉积技术。脉冲真空电弧沉积技术在制备大面积硬质薄膜，尤其是碳涂层方面显示了其优越性，但失效放电和拉伸放电影响了放电的稳定性。轴对称磁场不同于传统操纵电弧中的封闭拱形磁场，它对阴极斑点运动和主值减小也有显著影响。与轴对称阴极磁场相比，有向电弧确保了更有效地降低MPs，特别是与高频短脉冲负偏压有关。然而，由于操纵电弧在靶表面产生的狭窄沟槽使靶的利用率降低，因此许多研究仍然集中在轴对称磁场上。利用垂直磁场大于50g的等离子体增强弧-阴极技术沉积TiCrAlN涂层，涂层刀具在高速铣削试验中表现出优异的切削性能。他们发现，轴对称磁场横向分量的增加可以促进从发亮的大阴极点到细长的线性阴极点的转变，这有助于均匀蚀刻阴极靶，产生更少和更小的MP射流。然而，当磁场强度过大时，很难维持弧斑的自持放电。采用电磁线圈绕组和永磁体相结合的方法，发现当线圈电流过大时，阴极斑点聚集在靶的周边区域，斑点尺寸增大。如图1所示。 对于宏粒子过滤（MP），通过影响液滴的输送，宏粒子过滤系统降低了MPs在涂层表面的沉积概率，从而产生一个光滑的涂层表面。与阴极结构的改进相比，宏粒子过滤系统可以实现100%的等离子体沉积。根据熔盐等离子体与电弧等离子体在电学和力学性能上的差异，现有的宏粒子滤波方法主要有脉冲偏压电弧、机械屏蔽电弧和磁过滤电弧。由于在沉积过程中电子的运动速度远大于离子的运动速度，每单位时间到达MPs表面的电子数量大于离子的数量，导致MPs呈现负电荷。当在基片上施加负偏压时，由于离子溅射、负偏压反射和热蒸发等原因，大颗粒在基片上的沉积概率可以在一定程度上降低。然而，长时间的高能离子轰击会导致沉积层的基体温度升高，残余应力增大。脉冲偏压电弧保持了直流电弧的所有优点，带来了低残余应力、低沉积温度和晶粒细化的新特点。高频短脉冲负偏压下的MPs数量和直径明显低于零偏压下的衬底。最先进的脉冲偏压电弧不能完全消除MPs，常与其他优化的电弧技术结合使用。该屏蔽电弧直接利用机械阻断装置影响MPs和电弧等离子体的运动轨迹，并基于电弧等离子体优良的缠绕特性沉积了镀层。为了提高等离子体的传输效率，在滤波片上施加正偏置电位，利用感应磁场引导等离子体通过滤波片间隙。
磁过滤弧比机械直接屏蔽弧受到更多的关注。基于磁场的强约束效应，电子被拉莫尔进动化，离子被电子引導，从而将等离子体与MPs分离。早在20世纪70年代，研究学者利用这一原理设计了磁过滤装置，以消除宏观粒子缺陷，改善沉积涂层的微观结构和性能。一方面，如果带电离子在磁场中的拉莫尔进动直径大于过滤管的直径，导致离子无法通过过滤装置并沉积在管壁上，镀层的沉积速率就会大大降低。另一方面，由于在过滤管中长时间输送过程中的离子复合过程，产生了等离子体损耗。因此，磁场强度的控制和过滤装置的设计对电弧等离子体的传输效率具有重要意义。
3 结语
新的未来挑战将继续推动现有涂层技术和应用的进一步发展。通过使用新的蒸发器或溅射源和磁控管以及脉冲技术，电弧蒸发和磁控溅射工艺将继续发展，目标是提高涂层质量，提高生产率和降低成本。
参考文献：
[1]崔金婷.航空关键部件一体化集成薄膜热电阻传感器[D].电子科技大学，2020.
[2]刘晴.磁控溅射低温制备Cr/CrN薄膜与性能研究[D].安徽工业大学，2019.
[3]曹磊.TC4钛合金表面硬质薄膜的制备及腐蚀磨损和减摩抗磨机理研究[D].青岛理工大学，2019.
[4]夏先春.物理气相沉积镀膜机器关键零部件设计与分析[D].苏州大学，2017.
[5]白秀琴.低温气相沉积薄膜及其摩擦学性能研究[D].机械科学研究总院，2006.