一種制備納米多層硬質(zhì)涂層的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備納米多層硬質(zhì)涂層的裝置和方法，更具體地說(shuō)是一種通過(guò)控制蒸發(fā)電子束在不同坩禍之間的周期跳躍實(shí)現(xiàn)空心陰極電子束激活電子束物理氣相沉積制備具有納米多層結(jié)構(gòu)硬質(zhì)涂層的方法及其實(shí)現(xiàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著金屬切削技術(shù)向著高精度、高速度、干切削方向的發(fā)展，對(duì)硬質(zhì)涂層的防護(hù)性能提出了更苛刻的要求；在壓氣機(jī)葉片、葉輪、模具等存在嚴(yán)重侵蝕作用的場(chǎng)合，傳統(tǒng)的金屬氮化物涂層如TiN、CrN、TiAlN等已無(wú)法適應(yīng)于惡劣的服役環(huán)境。
[0003]納米多層結(jié)構(gòu)硬質(zhì)涂層由于存在界面效應(yīng)，既具有高硬度又具有良好的韌性，在硬質(zhì)涂層領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。目前，制備納米多層硬質(zhì)涂層的方法主要有磁控濺射和電弧離子鍍。但這兩種方法具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
[0004]磁控濺射方法制備的涂層具有表面光滑、無(wú)液滴缺陷等優(yōu)點(diǎn)，但由于涂層沉積過(guò)程中離化率較低，導(dǎo)致涂層膜基結(jié)合力差，涂層致密度和硬度均較低。
[0005]公開(kāi)號(hào)為【CN102653857A】的專利通過(guò)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了非平衡磁控濺射，在一定程度上提高了磁控濺射過(guò)程的等離子體密度和空間分布，改善了膜層質(zhì)量；公開(kāi)號(hào)為【CN102027563A】的專利則通過(guò)采用脈沖放電方式實(shí)現(xiàn)了高能脈沖磁控濺射(HIPMS)，較高的離子體密度可獲得性能優(yōu)異的硬質(zhì)薄膜，但由于存在濺射粒子的反向轟擊，該過(guò)程的沉積速率極低。公開(kāi)號(hào)為【CN104152857A】的專利提出了一種制備高硬度、高彈性模量的TiAlZrN/CrN納米多層涂層及其制備方法，可通過(guò)反應(yīng)磁控濺射實(shí)現(xiàn)在基體上交替沉積納米量級(jí)TiAlZrN層和CrN層，涂層總厚度約為2.4?5.8 μ m，但仍無(wú)法克服磁控濺射方法沉積速率低的缺點(diǎn)。
[0006]電弧離子鍍過(guò)程具有較高等離子體密度(>50% )，所制備的涂層膜基結(jié)合力好，硬度和致密度均較高。但在涂層過(guò)程中靶材表面的冷陰極弧會(huì)激活出大量的宏觀液滴，導(dǎo)致涂層表面粗糙。部分液滴貫穿整個(gè)涂層，降低涂層的抗腐蝕性能。公開(kāi)號(hào)為【CN201158702Y】的專利通過(guò)弧源磁場(chǎng)設(shè)計(jì)，提高了冷陰極弧的運(yùn)動(dòng)速度，優(yōu)化了冷陰極弧的運(yùn)動(dòng)軌跡，可降低宏觀液滴的產(chǎn)生數(shù)量，但仍然無(wú)法消除涂層表面的液滴。在具有納米多層結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)涂層中，宏觀液滴往往會(huì)貫穿多個(gè)納米亞層，降低納米多層涂層的性能。
[0007]采用磁控濺射和電弧離子鍍制備納米多層結(jié)構(gòu)涂層均通過(guò)工件的旋轉(zhuǎn)(公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn))。因此，在沉積速率一定的條件下，多層結(jié)構(gòu)的調(diào)制周期僅取決于工件的旋轉(zhuǎn)速度。由于要保證工件旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，旋轉(zhuǎn)速度不能過(guò)高，因此對(duì)于厚度較大的納米結(jié)構(gòu)涂層，生產(chǎn)速率將受到嚴(yán)重限制。
[0008]采用等離子體激活電子束物理氣相沉積制備硬質(zhì)涂層可兼具高沉積速率和高離化率的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)“Zhou D, Peng H, Zhu L, et al.Microstructure, hardness andcorros1n behav1ur of Ti/TiN multilayer coatings produced by plasma activatedEB-PVD[J].Surface and Coatings Technology, 2014，258:102-107.，，中米用熱陰極弧激活方式實(shí)現(xiàn)了納米多層Ti/TiN涂層的沉積，涂層結(jié)構(gòu)致密，具有良好的抗磨損抗腐蝕性能，但該方法通過(guò)控制氣體的通斷實(shí)現(xiàn)不同成分涂層的交替沉積，只能制備金屬/金屬氮化物交替結(jié)構(gòu)的納米涂層，適用范圍較窄；公開(kāi)號(hào)為【CN103409722A】的專利中，采用空心陰極電子束激活金屬蒸氣并與氣體作用實(shí)現(xiàn)反應(yīng)沉積，通過(guò)控制不同的蒸發(fā)材料，可實(shí)現(xiàn)單層或雙層結(jié)構(gòu)硬質(zhì)涂層，該方法只提供了實(shí)現(xiàn)空心陰極激活引入等離子體的方法，未能提供制備納米多層結(jié)構(gòu)涂層的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提出了一種在真空環(huán)境下實(shí)現(xiàn)空心陰極電子束激活電子束物理氣相沉積制備納米多層硬質(zhì)涂層的方法，更具體地說(shuō)是在空心陰極電子束激活電子束物理氣相沉積的條件下，通過(guò)控制蒸發(fā)電子束在不同蒸發(fā)材料坩禍之間的周期性跳躍，從而實(shí)現(xiàn)制備具有納米多層結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)涂層。
[0010]本發(fā)明所述的納米多層硬質(zhì)涂層為MeX/Me’X交替結(jié)構(gòu)，其中Me和Me’可以是T1、Cr、Zr、Al、S1、V、B、Hf、Nb、Mo或稀土元素或其組合。原則上，只要能被電子束蒸發(fā)的單質(zhì)金屬和合金化合物均可以作為Me或Me’ ；X可以為O、N、C或其組合。本發(fā)明制備的納米多層硬質(zhì)涂層可以沉積在不銹鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金或鈦合金等多種金屬基體表面，可用于刀具模具或航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片等對(duì)硬度、抗沖蝕、耐腐蝕性能有較高要求的場(chǎng)合。
[0011]所述的納米多層硬質(zhì)涂層的制備方法為:通過(guò)至少兩個(gè)蒸發(fā)坩禍，兩個(gè)坩禍中分別放置不同的蒸發(fā)靶材(金屬單質(zhì)或化合物)，通過(guò)程序控制電子槍發(fā)射電子束在兩個(gè)坩禍間跳躍實(shí)現(xiàn)不同涂層材料的周期性蒸發(fā)，形成金屬蒸氣。金屬蒸氣與空心陰極電子槍發(fā)射出的低壓大電流電子束中的電子相互碰撞發(fā)生電離，產(chǎn)生高密度等離子體，所述高密度等離子體與導(dǎo)入的反應(yīng)氣體發(fā)生反應(yīng)并在基板負(fù)偏壓的作用下形成涂層。
[0012]實(shí)現(xiàn)上述涂層制備過(guò)程的裝置應(yīng)包括:1)真空腔體；2)至少兩個(gè)蒸發(fā)坩禍，置于真空腔體內(nèi)部，兩個(gè)坩禍內(nèi)分別放置不同的蒸發(fā)靶材；3) —支可高速偏轉(zhuǎn)的電子槍，用于轟擊兩個(gè)i甘禍，實(shí)現(xiàn)涂層材料(蒸發(fā)革El材)的蒸發(fā)，形成金屬蒸氣；4)至少一支空心陰極電子槍，用于產(chǎn)生低壓大電流電子束，與金屬蒸氣發(fā)生作用形成高密度等離子體；5)輔助陽(yáng)極，用于接收低壓大電流電子束，實(shí)現(xiàn)電流回路。
[0013]所述的真空腔體與真空系統(tǒng)連接實(shí)現(xiàn)真空腔體的真空環(huán)境。所述的反應(yīng)氣體由質(zhì)量流量控制器控制流量。
[0014]電子束在不同靶材上停留的時(shí)間可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié):通過(guò)調(diào)節(jié)電子束的跳躍周期和在不同靶材上的停留時(shí)間可以靈活控制納米多層硬質(zhì)涂層的調(diào)制周期(相鄰兩層MeX和Me’X厚度之和)和層厚比(MeX層和Me’X層的厚度比)，進(jìn)而獲得具有不同性能的納米多層結(jié)構(gòu)硬質(zhì)涂層。
[0015]電子束跳躍掃描過(guò)程中停留在每個(gè)坩禍的時(shí)間通常大于0.1so以兩個(gè)蒸發(fā)坩禍為例，電子束的跳躍周期應(yīng)大于0.2s。當(dāng)電子束跳躍周期過(guò)低時(shí)，不同坩禍產(chǎn)生的金屬蒸氣將發(fā)生混合，無(wú)法形成納米結(jié)構(gòu)多層涂層。
[0016]基板在坩禍上方旋轉(zhuǎn)，在基板上施加的負(fù)偏壓可提高沉積粒子的能量，基板偏壓通常為直流或脈沖方式。
[0017]基板旋轉(zhuǎn)周期應(yīng)小于電子束跳躍周期，或基板旋轉(zhuǎn)周期大于電子束跳躍周期但非電子束跳躍周期的整數(shù)倍，否則將無(wú)法形成納米多層結(jié)構(gòu)涂層。
[0018]根據(jù)需要可對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱方式可為電子束掃描預(yù)熱或紅外輻射預(yù)熱，預(yù)熱溫度通常不超過(guò)873K。
[0019]根據(jù)需要，使用前可先對(duì)基板進(jìn)行Ar離子和金屬離子表面清洗，提高涂層結(jié)合力。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0021]本發(fā)明所述的涂層制備方法具有沉積速度快、涂層致密無(wú)液滴、可靈活控制調(diào)制周期和層厚比等優(yōu)點(diǎn)