双金属电弧离子蒸发源的研制及TiAIN膜层制备

摘要

电弧离子镀以其离化率高，离子密度大，离子能量高，沉积速度快，膜层与基体结合力好等优点，成为硬质膜生产的主流技术，在工具镀、装饰镀和特殊功能镀膜领域倍受关注。为此，本文就电弧离子镀中的核心部分——电弧离子蒸发源进行研究，研制了双金属电弧离子蒸发源，并成功应用于膜层的制备过程。在优化电弧离子镀工艺参数的基础上，于TC4钛合金表面制备了TiAlN膜层，并对试样进行了分析。本课题为电弧离子镀电弧蒸发源的研究发展及在钛合金表面制备TiAlN膜层的研究工作提供了可靠的技术支持。
　　 首先对电弧离子镀电弧蒸发源放电特性及相应的磁场进行了研究，分析了磁场对电弧的影响因素，电弧源阴极现象的产生；同时对电弧源放电的稳定性及其影响因素进行了研究分析，确定了电弧源的最佳工作条件。研究结果表明磁场的分布对双金属电弧离子蒸发源的稳定起着重要作用，同时靶面温度，气体种类，维弧电流，靶面尺寸等因素对电弧稳定性都有不同的影响。
　　 在调研了电弧离子镀电弧蒸发源的工作原理基础上，研制了双金属电弧离子蒸发源。电弧蒸发源采用圆柱永磁铁（3000T）作为磁场源，并设计有磁场调节装置，控制磁场的强弱；引弧系统采用机械引弧装置，用电磁线圈控制；采用直接水冷电弧源冷却系统；真空密封采用o型圈静密封；同时带有靶源调节装置和隔弧装置。
　　 利用研制出的双金属电弧离子蒸发源，以TC4钛合金基片上成功制备出了TiAlN膜层，对TiAlN膜层的制备工艺进行了分析。确定了最佳工艺路线为：首先通入少量Ar气，此时负偏压-800V～-1200V；占空比60％；钛靶：60A～80A；炉体真空度10-2pa级时进行离子轰击清洗5min～10min。镀膜层时先用金属Ti靶对试样高偏压轰击，并沉积一层Ti过渡层，随后通入氮气。此时参数保持在负偏压-250V～-400V；占空比50％～60％；N2通入量138sccm左右，沉积温度100℃～300℃；金属Ti蒸发源弧流为60A～80A，Al蒸发源弧流为50A～70A；镀膜时间为60min；炉体真空度达到10-1Pa级。经过分析此工艺可得到厚度3～4.5μm，显微硬度2000～2500HV，膜基结合力好，综合性能优良的膜层。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1膜层的制备方法

1.1.1化学气相沉积方法

1.1.2物理气相沉积方法

1.2电弧离子镀概况及应用现状

1.3电弧离子镀设备组成及特点

1.4 TiAlN膜层研究现状

1.5课题研究目的及意义

2电弧离子镀的工作原理

2.1真空基础

2.1.1真空度和真空区域的划分

2.1.2真空的特点和应用

2.1.3真空获得方式

2.2气体放电原理

2.2.1气体放电特点

2.2.2气体放电伏安特性

2.2.3着火电压与巴邢定律

2.3弧光放电

2.4电子发射原理

2.4.1热电子发射

2.4.2场致发射

2.5等离子体基础

2.6电弧离子镀的过程及工作原理

3双金属电弧离子蒸发源的研制

3.1金属电弧离子蒸发源的设计原则

3.2双金属电弧离子蒸发源的设计

3.2.1磁场与靶源调节机构

3.2.2引弧机构

3.2.3冷却水系统

3.2.4弧屏蔽及隔弧机构

3.2.5电弧源电位布置

3.2.6离子蒸发源的部件选材

3.3双金属电弧离子蒸发源放电性能及使用性能

3.4双金属电弧离子蒸发源的UG NX实体建模

3.5本章小结

4双金属电弧离子蒸发源放电状况影响因素

4.1磁场对双金属电弧离子蒸发源电弧放电的影响

4.1.1等离子体的产生

4.1.2带电粒子在电磁场中的运动

4.1.3磁场对电弧的影响

4.1.4磁场对双金属电弧离子蒸发源放电影响分析

4.2双金属电弧离子蒸发源电弧阴极现象分析

4.2.1真空电弧特性

4.2.2阴极弧斑的特点

4.2.3宏观颗粒的形成和消除

4.3双金属电弧离子蒸发源电弧稳定性分析

4.3.1影响因素

4.3.2分析与讨论

4.4本章小结

5双金属电弧离子蒸发源在TC4钛合金表面TiAlN膜层的制备

5.1 TC4钛合金表面电弧离子镀TiAlN膜层工艺参数分析

5.2 TiAlN梯度膜层制备

5.2.1实验设备与工艺参数选择

5.2.2 TC4钛合金表面TiAlN梯度膜层制备

5.3 TiAlN梯度膜层的分析测试

5.3.1膜层微观形貌及元素分布

5.3.2膜层表面粗糙度

5.3.3显微硬度

5.4本章小结

6结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文