莫南云 王曉靜 詹興剛

摘要：真空離子鍍鋁過(guò)程無(wú)三廢即廢水、廢氣、廢渣產(chǎn)生，已成為廣泛研究的熱點(diǎn)。本文分析了真空離子磁控濺射鍍鋁設(shè)備原理結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)流程，引入閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射技術(shù)思路，對(duì)比直流單靶材磁控濺射和內(nèi)外雙靶材磁控濺射中的電磁場(chǎng)分布和等離子體分布，將2個(gè)直流內(nèi)單圓柱靶改制為4個(gè)磁極相對(duì)的內(nèi)外雙圓柱靶結(jié)構(gòu)，構(gòu)建內(nèi)靶磁場(chǎng)和外靶磁場(chǎng)相反的閉合磁場(chǎng)，研發(fā)滿(mǎn)足涂層綜合性能要求且適于批量生產(chǎn)的鍍鋁設(shè)備，助推國(guó)內(nèi)新型裝備高質(zhì)量發(fā)展和清潔節(jié)能生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：磁控濺射;雙靶材;鍍鋁設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：TN305? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0050-02

0? 引言

鈦合金零件具有結(jié)構(gòu)重量輕、比強(qiáng)度高、抗蝕性強(qiáng)、耐高低溫、抗疲勞等特點(diǎn)，對(duì)飛行器減重增速效果明顯，廣泛應(yīng)用于航空航天裝備。但鈦合金鈍態(tài)電位較高，在不進(jìn)行表面特殊處理的情況下，易與電極電位較負(fù)的鋁合金、鋼質(zhì)機(jī)體等接觸件產(chǎn)生電偶腐蝕與“咬死”，不易裝卸，同時(shí)會(huì)使鈦合金零件析氫導(dǎo)致氫脆，造成飛行器結(jié)構(gòu)破壞。航空航天工業(yè)上，采用傳統(tǒng)電鍍鎘的方法防止鈦合金零件與接觸件間產(chǎn)生電偶腐蝕與“咬死”，但電鍍鎘工藝易引起鈦合金氫脆、鎘脆和鎘的環(huán)境污染，已逐步被真空離子鍍鋁工藝取代。

真空鍍鋁具有比電鍍鎘更好的防腐蝕性能和環(huán)境友好優(yōu)點(diǎn)，已成為表面處理技術(shù)研究熱點(diǎn)，但其設(shè)備高昂、薄膜致密均勻性不足、生產(chǎn)效率低且成本高，已成為其推廣應(yīng)用之瓶頸。

1? 真空離子磁控濺射鍍鋁設(shè)備國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與本文研究目標(biāo)內(nèi)容

離子氣相沉積技術(shù)復(fù)雜，設(shè)備研制難度較大，目前多由德國(guó)、瑞士等公司進(jìn)行設(shè)備制造和工藝開(kāi)發(fā)。巴爾查斯涂層是國(guó)際最大的真空鍍鋁涂層公司，其設(shè)備和技術(shù)不外泄，其設(shè)備價(jià)格昂貴，達(dá)400～500萬(wàn)美元。

國(guó)內(nèi)早在1980年大連理工大學(xué)材料系陳寶清教授等人就立項(xiàng)開(kāi)展“離子鍍替代電鍍技術(shù)研究及專(zhuān)用設(shè)備的研制”，先后完成鋼鐵件離子鍍覆鋁、鍍鈦、鍍鉻，黃銅件離子鍍不銹鋼以及黃銅件、鋁合金、鋅基合金的離子鍍中間層合金等研究，然而，對(duì)鈦合金件離子鍍覆鋁技術(shù)及裝備的研究至今多停留在高校實(shí)驗(yàn)室或研究院，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢，這嚴(yán)重限制了鈦合金零件的產(chǎn)能規(guī)模和應(yīng)用范圍。

為滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)新型裝備對(duì)鈦合金零件的迫切需求，本文就某航天企業(yè)現(xiàn)有直流內(nèi)單圓柱靶真空離子磁控濺射鍍鋁設(shè)備存在的鍍鋁膜厚薄不均、成本高且效率低等批產(chǎn)瓶頸問(wèn)題，引入閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射技術(shù)，采用直流內(nèi)外雙圓柱靶技術(shù)對(duì)現(xiàn)有批產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改制。

2? 真空離子磁控濺射鍍鋁技術(shù)原理

磁控濺射鍍鋁是在真空中利用荷能離子轟擊靶材，靶材原子被轟擊出來(lái)后經(jīng)輸運(yùn)沉積在工件表面成膜。由于在陰極靶材中放置磁鋼，輝光放電兩極之間引入電磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)電子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用其運(yùn)動(dòng)軌跡不再是近似直線穿過(guò)放電區(qū)域，而是以擺線和螺旋線的復(fù)合形式在靶周?chē)鲌A周運(yùn)動(dòng)。電子運(yùn)動(dòng)路徑大大延長(zhǎng)且被電磁場(chǎng)束縛在近靶材周?chē)牡入x子區(qū)域內(nèi)，與工作氣體分子碰撞次數(shù)增加，等離子體密度增大，磁控濺射速率得到很大提高，且可在較低的濺射電壓和氣壓下工作，降低薄膜污染傾向，同時(shí)，提高了入射到襯底表面的原子的能量，在很大程度上改善了薄膜質(zhì)量。此外，電子經(jīng)多次碰撞到達(dá)工件時(shí)，已變成低能電子，不會(huì)使工件過(guò)熱。因此磁控濺射法攻克了二級(jí)濺射速率低和電子使鍍件溫度升高的難點(diǎn)，獲得了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

3? 真空離子磁控濺射鍍鋁設(shè)備原理結(jié)構(gòu)與存在的問(wèn)題

3.1 真空離子磁控濺射鍍鋁設(shè)備原理結(jié)構(gòu)

真空離子磁控濺射鍍鋁設(shè)備原理：真空系統(tǒng)抽氣→充氬氣→輝光清洗→大功率磁控濺射鍍鋁→高離化率和等離子體密度→脈沖負(fù)偏壓增加定向運(yùn)動(dòng)→沉積薄膜。

真空離子磁控濺射鍍鋁設(shè)備總體結(jié)構(gòu)采用單室立式圓柱形結(jié)構(gòu)，設(shè)備組成包括：①真空腔室。由真空爐體、帶觀察窗的真空室門(mén)、加熱器、工件架、門(mén)鎖鎖緊機(jī)構(gòu)、磁控靶、光柵閥等組成。②真空系統(tǒng)。包括高真空閥、羅茨泵、擴(kuò)散泵+冷阱、預(yù)抽機(jī)械泵、維持機(jī)械泵、不銹鋼真空管道和閥門(mén)等。③電控系統(tǒng)。包括主控柜、循環(huán)冷卻水柜、偏壓與中頻電源柜、直流電源等。④其它要件。包括水路冷卻系統(tǒng)、槽子、溫控系統(tǒng)及必要的工裝等。

3.2 單靶材直流磁控濺射鍍鋁結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題

單靶材真空離子磁控濺射鍍鋁技術(shù)設(shè)備，在很大程度上解決了傳統(tǒng)的表面處理方法環(huán)境污染大（如電鍍鎘）、表面涂層質(zhì)量差（如噴涂鋁）等問(wèn)題，已初步在某航天公司實(shí)現(xiàn)小范圍應(yīng)用。

然而，由于采用如圖1所示單靶材結(jié)構(gòu)，在直流磁控濺射過(guò)程中，在靶材附近的磁力線保持自身的封閉性，等離子體被電磁場(chǎng)束縛在靠近靶材周?chē)牡入x子區(qū)域內(nèi)，靠近靶材的工件內(nèi)側(cè)的等離子體密度大。從而存在以下不足：

①批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性差。在靠近靶材的工件內(nèi)側(cè)鍍層厚度比外側(cè)厚，且易出現(xiàn)涂層堆積。②設(shè)備效率低且靶材利用率低，成本高。工件外側(cè)受到的等離子體轟擊少，達(dá)到鍍鋁厚度所需時(shí)間延長(zhǎng)，靶材消耗增加，且部分不閉合的磁力線向遠(yuǎn)離靶材的空間擴(kuò)展，部分靶材粒子濺射到真空室腔壁，造成靶材浪費(fèi)。③鋁涂層形成過(guò)程中易混入雜質(zhì)，影響了鋁涂層的純度和結(jié)合力，不利于厚鋁涂層制備。

4? 真空離子磁控濺射鍍鋁設(shè)備改制及其先進(jìn)性

4.1 設(shè)備改制技術(shù)思路及靶分析設(shè)計(jì)流程

針對(duì)單靶材真空離子磁控濺射鍍鋁技術(shù)設(shè)備不足，通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，根據(jù)直流內(nèi)外對(duì)靶雙靶閉合場(chǎng)非平衡磁控濺射裝置設(shè)計(jì)思路，采用內(nèi)外雙靶材對(duì)靶閉合磁場(chǎng)技術(shù)進(jìn)行改制，內(nèi)、外靶磁場(chǎng)相反，構(gòu)成閉合場(chǎng)，在內(nèi)外靶中心的工件浸沒(méi)在高密度等離子體中，使涂層的均勻性和致密度得到保證。

靶分析設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

首先，給出設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，計(jì)算其中電磁場(chǎng)分布;其次，確定等離子體分布，進(jìn)而對(duì)濺射和沉積過(guò)程進(jìn)行模擬;最后，根據(jù)模擬結(jié)果即靶面刻蝕輪廓、膜厚均勻性等確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

4.2 非平衡磁控濺射靶優(yōu)化方案及先進(jìn)性

在工件外側(cè)增加2個(gè)與內(nèi)靶磁極相對(duì)的外靶材結(jié)構(gòu)，如圖3所示，內(nèi)靶磁場(chǎng)和外靶磁場(chǎng)相反，構(gòu)成閉合磁場(chǎng)，內(nèi)外靶以工件為中心對(duì)稱(chēng)分布，使在內(nèi)外靶中心的工件浸沒(méi)在高密度的等離子體中。

靶優(yōu)化方案技術(shù)先進(jìn)性主要如下：

①內(nèi)外對(duì)靶閉合磁場(chǎng)技術(shù)使在內(nèi)外靶中心的工件浸沒(méi)在高密度的等離子體中，大幅提高靶材利用率、涂層均勻性、致密度和沉積效率，有利于沉積厚鋁涂層和保證批產(chǎn)質(zhì)量一致性。②克服單靶材結(jié)構(gòu)工件周?chē)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度分布不均，從而導(dǎo)致工件鍍層分布不均，靠近靶材的工件側(cè)膜層厚度要比遠(yuǎn)離靶材的工件側(cè)厚之不足。③突破行業(yè)沒(méi)有內(nèi)外靶結(jié)構(gòu)的常規(guī)濺射技術(shù)，為了提高表面涂層均勻性，需要采用復(fù)雜的三維旋轉(zhuǎn)技術(shù)，導(dǎo)致夾具設(shè)計(jì)制造復(fù)雜之難題。

4.3 設(shè)備達(dá)到的性能

極限真空度：4.8×10-4Pa

工件在鍍鋁時(shí)間內(nèi)表面溫度小于200℃

適用材質(zhì)：鈦合金、高溫合金、不銹鋼

裝爐量：約3000件（M4×12為準(zhǔn)）

5? 結(jié)論與展望

5.1 主要結(jié)論

本文在查閱大量國(guó)內(nèi)外真空離子鍍鋁技術(shù)的參考文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)某企業(yè)現(xiàn)有單靶材直流濺射鍍鋁設(shè)備存在的涂層厚薄不均、成本高且生產(chǎn)效率低的問(wèn)題進(jìn)行研究，引入了閉合磁場(chǎng)非平衡磁控濺射技術(shù)思路（直流內(nèi)外雙圓柱靶）對(duì)設(shè)備進(jìn)行改制，本文研究成果及結(jié)論如下：

采用先進(jìn)的內(nèi)外雙靶材柱形旋轉(zhuǎn)靶對(duì)現(xiàn)有真空離子鍍鋁設(shè)備進(jìn)行改制，將2個(gè)直流內(nèi)單圓柱靶改制為2對(duì)（4個(gè)）磁極相對(duì)的內(nèi)外雙靶材結(jié)構(gòu)，內(nèi)靶磁場(chǎng)和外靶磁場(chǎng)相反，構(gòu)成閉合磁場(chǎng)，使在內(nèi)外靶中心的緊固件浸沒(méi)在高密度的等離子體中，大幅提高靶材利用率、涂層均勻性、致密度和沉積效率，有利于沉積厚鋁涂層和保證批生產(chǎn)質(zhì)量一致性。裝爐量約3000件（M4×12為準(zhǔn)）。

通過(guò)某航天企業(yè)批量生產(chǎn)驗(yàn)證，改制后的設(shè)備完全滿(mǎn)足其高強(qiáng)度鈦合金緊固件真空離子磁控濺射鍍鋁批量生產(chǎn)需要。

5.2 研究展望

下一步，擬對(duì)內(nèi)外雙靶材直流磁控濺射鍍鋁設(shè)備批生產(chǎn)過(guò)程中，影響涂層形貌和性能的主要工藝參數(shù)即沉積時(shí)間、真空度、頻率、靶電流、偏壓、占空比、電壓值、爐溫等開(kāi)展研究，獲得了批量制備鋁薄膜最佳工藝參數(shù)，拓展鈦合金零件的產(chǎn)能規(guī)模和應(yīng)用范圍，滿(mǎn)足新型航空航天裝備研制和批產(chǎn)需求。

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