CN111663106A - 一种制备高遮挡基体涂层的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种制备高遮挡基体涂层的装置，涉及镀膜装置技术领域，主要结构包括真空室，所述真空室水平方向的中部后侧设置有第一法兰孔，待加工工件通过所述第一法兰孔进入所述真空室内；所述真空室还连通有气体离子源***、沉积***和分子泵；所述真空室上设置有进气口；通过气体离子源***对待加工工件进行表面气体离子源清洗；然后通入氮气进行表面氮化，提高基体抗疲劳特性，再进行循环多层涂层的制备；工件在真空腔室内进行自转。该单元涂层内每层均为氮化物、氧化物纳米晶的混合体，能够释放沉积时产生的内应力，同时膜层内Al，Cr的氧化物具备较好的抗高温性能。

Description

一种制备高遮挡基体涂层的装置
技术领域
本发明涉及镀膜装置技术领域，特别是涉及一种制备高遮挡基体涂层的装置。
背景技术
传统镀膜技术为磁控溅射、多弧、电子束沉积等，这些技术沉积结合无法满足高结合强度同时超厚超致密膜层的制备需求，特别是高遮挡的工件样品的镀膜；本专利装置中添加磁过滤沉积装置，磁过滤沉积技术在这方面有着独特的沉积优势：1、其制备的膜层致密性接近于体材料；2、其引出的均为离子，离化率为100％，非常有利于与基体的结合强度的提升；3、其制备是可方便设置通入气流量，可以方便实现陶瓷膜层内金属含量的控制，实现超韧。
传统技术偏压均为普通的偏压***，离子到达工件的瞬间能量有限，能量有限意味着离子绕射性有限，难以实现高遮挡部件的镀膜；本专利装置中添加高功率脉冲偏压电源装置，高功率脉冲电源技术在某瞬间功率可高达1MW，很方便的实现对离子的加速，即提高离子的能量，离子能量提高能实现：1)控制膜层的内应力，膜层内应力直接影响依附基体的疲劳特性；2)提高等离子体的绕射性，选择性的提高膜层的厚度，促进差异化工件镀膜。
传统技术如多弧技术，虽然沉积速度快，但其存在着一重大缺陷，即其沉积膜层时存在着大量的微米级颗粒，微米级颗粒对于膜层的质量影响非常大，特别是在高速沙尘或者盐雾环境下存在微米颗粒的地方容易形成优先腐蚀或者优先溅射，大幅降低膜层应有效果。本专利装置中添加磁过滤装置，该磁过滤沉积技术能彻底过滤掉微米级的大颗粒，沉积膜层致密性接近于体材料。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种制备高遮挡基体涂层的装置，以提高镀膜质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种制备高遮挡基体涂层的装置，包括真空室，所述真空室水平方向的中部后侧设置有第一法兰孔，待加工工件通过所述第一法兰孔进入所述真空室内；所述真空室还连通有气体离子源***、沉积***和分子泵；所述真空室上设置有进气口。
可选的，所述沉积***的出口与待加工工件之间还设置有第一磁场***。
可选的，所述第一磁场***包括铜管，所述铜管呈螺旋状结构，所述铜管的两端均贯穿所述真空室的外壁，所述铜管内通入有冷却水，所述铜管上通入电流。
可选的，所述气体离子源***与所述真空室通过弯管连接，所述弯管周围设置有第二磁场***。
可选的，所述第二磁场***包括绕制在所述弯管上的线包。
可选的，所述真空室外部设置有进气混合机构，所述进气混合机构与所述进气口相连通。
可选的，所述进气混合机构包括第一气罐和第二气罐，所述第一气罐和所述第二气罐通过管路连通，所述第一气罐上设置有两个进气管，所述第二气罐上设置有一个进气管和一个出气管，所述出气管与所述进气口相连通。
可选的，待加工工件设置于移动样品架上，所述移动样品架与所述真空室的外壁可拆卸连接。
可选的，所述移动样品架包括中间轴、样品夹具、端头定位套、样品锁母、法兰和驱动机构；所述样品夹具设置于所述中间轴的一端，待加工工件设置于所述样品夹具内，所述端头定位套设置于所述中间轴上且位于待加工工件远离所述样品夹具的一端，所述样品锁母设置于所述中间轴的端部用于固定所述端头定位套以固定待加工工件，所述中间轴另一端与所述驱动机构动力连接；所述法兰设置于所述中间轴中部，所述法兰与所述真空室可拆卸连接。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、利用气体离子源进行氮化能明显降低后续镀膜对基体疲劳特性的影响；
2、相比磁控溅射、电子束蒸发等PVD沉积方法，磁过滤电弧沉积设备原子离化率非常高，能达到90％以上，这样，由于原子离化率高，可使等离子体密度增加，成膜时大颗粒减少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性、膜基结合力等；
3、本发明还提出磁过滤管道进行陶瓷涂层复合沉积，陶瓷层的质量比磁控溅射、电子束蒸发等PVD沉积方法得到的膜层具有更好的膜层质量以及更高的显微硬度；
4、本发明中气体离子源、磁过滤沉积以及磁场的相互协同能够很方便的实现高遮挡叶盘的差异化镀制。
5、抽速快：从大气到1.0×10-3Pa时间优于30分钟；
6、寿命长：MEVVA离子源阴极寿命大于18h，磁过滤阴极寿命大于10h；
8、整体设备和工艺方案简单可靠：经过多年的试验研究和相关性能考核，设备稳定性和工艺稳定性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明制备高遮挡基体涂层的装置的结构示意图；
图2为本发明制备高遮挡基体涂层的装置中真空室的结构示意图；
图3为本发明制备高遮挡基体涂层的装置中真空室另一视角的结构示意图；
图4为本发明制备高遮挡基体涂层的装置中移动样品架的结构示意图；
图5为本发明制备高遮挡基体涂层的装置中移动样品架的俯视结构示意图；
图6为本发明制备高遮挡基体涂层的装置中移动样品架的侧向结构示意图；
图7为本发明制备高遮挡基体涂层的装置中进气混合机构的结构示意图；
图8为本发明制备高遮挡基体涂层的装置中第二磁场***的结构示意图。
附图标记说明：1、真空室；2、第一沉积***；3、下分子泵；4、第一磁场***；5、待加工工件；6、上分子泵；7、第二沉积***；8、气体离子源***；9、电机；10、法兰；11、中间轴；12、样品夹具；13、端头定位套；14、样品锁母；15、进气管；16、第一气罐；17、第二气罐；18、出气管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例提供一种制备高遮挡基体涂层的装置，包括真空室1，所述真空室1水平方向的中部后侧设置有第一法兰10孔，待加工工件5通过所述第一法兰10孔进入所述真空室1内；所述真空室1还连通有气体离子源***8、沉积***和分子泵；所述真空室1上设置有进气口。
所述沉积***的出口与待加工工件5之间还设置有第一磁场***4。
所述第一磁场***4包括铜管，所述铜管呈螺旋状结构，所述铜管的两端均贯穿所述真空室1的外壁，所述铜管内通入有冷却水，所述铜管上通入电流。
所述气体离子源***8与所述真空室1通过弯管连接，所述弯管周围设置有第二磁场***。所述第二磁场***包括绕制在所述弯管上的线包。
所述真空室1外部设置有进气混合机构，所述进气混合机构与所述进气口相连通。
所述进气混合机构包括第一气罐16和第二气罐17，所述第一气罐16和所述第二气罐17通过管路连通，所述第一气罐16上设置有两个进气管15，所述第二气罐17上设置有一个进气管15和一个出气管18，所述出气管18与所述进气口相连通。
待加工工件5设置于移动样品架上，所述移动样品架与所述真空室1的外壁可拆卸连接。
所述移动样品架包括中间轴11、样品夹具12、端头定位套13、样品锁母14、法兰10和驱动机构；所述样品夹具12设置于所述中间轴11的一端，待加工工件5设置于所述样品夹具12内，所述端头定位套13设置于所述中间轴11上且位于待加工工件5远离所述样品夹具12的一端，所述样品锁母14设置于所述中间轴11的端部用于固定所述端头定位套13以固定待加工工件5，所述中间轴11另一端与所述驱动机构动力连接；所述法兰10设置于所述中间轴11中部，所述法兰10与所述真空室1可拆卸连接。
以待加工工件5为离心叶盘为例，采用气体离子源的方法对离心叶盘进行清洗，通入气体为惰性气和氢气的混合气体，惰性气体和氢气的分压比为1-10，气压为0.1-20pa，清洗电压为400-1000V，束流强度为0.1-5A，清洗时间为0-120min，清洗后表面粗糙度0.1-0.3μm；
气体离子源使中性气体原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。引出的为离子流，前面通过流量计通入需要离化的气体，刻蚀完后获得电子又变为气体分子或者原子被真空室1抽走。
该清洗过程中伴随着氢气等离子体，在氢气等离子体的辅助下能够高效的去除表面附着的有机物，能大幅提高后续基体与膜层的结合强度，同时在低电流和高压的配合下能在表面形成亚微米级别的粗糙度，增加了基体的接触表面积。
还可以采用气体离子源的方法对基体进行氮化，通入气体为氮气和惰性气体的混合气体，氮气和惰性气体的分压比为11-20，气压为50pa，电压为800-1000V，束流强度为2-5A，氮化时间为0-120min，温度300-550℃。
第一沉积装置，采用磁过滤金属真空弧沉积***(FCVA)+高功率脉冲偏压(磁过滤沉积***即为第一沉积***2，高功率脉冲偏压***为复合电源***中的一部分，复合电源***包括直流偏压***和高功率脉冲偏压***，脉冲偏压和直流偏压通过串联进行连接)，气压为10-3-10-2pa，负压为400-1000V，峰值功率0.1-1MW，脉宽0-100μs，频率0.1-10KHZ，磁过滤阴极靶材元素为金属Ti、Ag，束流强度为300-3000mA，沉积时间0.1-5h。
第二沉积装置，磁过滤金属真空弧沉积(FCVA)***，采用的靶材为三元以上合金，如TiCrAl，起弧电流90～120A，弯管磁场2.0～4.0A，负压-200～600V，占空比为20～100％。
本发明装置中在第一沉积装置和第二沉积装置同时工作时，设置三路进气***(不在真空设备上，在电源柜上)，进气***在进入真空腔室内先在外部进行混合；氧气和氮气的两路***进气量S均按照以下公式：
Figure BDA0002572524090000061
规律进气，进气后现在外部进行有效混合，第三路进气***再与混合气体进行混合，第三路进气***进气量为50-100sccm，进气为氩气。三路同时进入真空室1流量为60-150sccm。
第二磁场***设置于弯管周围，用于控制等离子体的输运，(等离子体为电子和离子的混合体，电子在磁场中因为其质量小，在30mT作用磁场中为绕着磁力线螺旋运动，旋转半径在0.01-10mm，电子和离子之间存在库仑力，离子通过库仑力被电子束缚，围绕电子做螺旋运动，因此磁场中通过控制磁力线的方向可以很好的控制等离子体的输运)提高等离子体的输运效率和方向的一致性。
第一磁场***4设置于整体叶盘附近用于引导和控制等离子体沉积的方向，提高等离子体沉积膜层方向的可控性。
第一磁场***4因铜管中通入了冷却水，可进行颗粒的快速捕获(90度磁过滤引出的等离子体中混杂着极少的微米级颗粒，微米级颗粒在磁过滤管道引出口一般为非平行发射，在后续磁场***中不受磁场力而直接撞击冷却铜管，因为温度原因微颗粒迅速降温失去能量而停留在管道***上被通过捕获)，降低因真空室1内或者磁过滤管道内颗粒的弹射而到基体表面影响膜层质量。
通过气体离子源***8对待加工工件5进行表面气体离子源清洗，清洗后表面粗糙度0.1-0.3μm；清洗完后通过进汽口通入氮气在温度300-550℃环境下进行表面氮化，提高基体抗疲劳特性，氮化后硬度1000-1500HV能够较好的与后续膜层硬度匹配提高结合强度；然后进行循环多层涂层的制备；工件为高遮挡部件，其在真空腔室内通过电机9进行自转，当部件基体某部分转至第一沉积***2时沉积的膜层为Ti的氧化物和氮化物共混的纳米晶涂层，当该部分转至第二沉积***7时其沉积为TiCrAl氧化物和氮化物的纳米晶涂层，所以循环基本单元为金属钛氧氮层+钛铬铝氮氧化物复合涂层。该单元涂层内每层均为氮化物、氧化物纳米晶的混合体，能够释放沉积时产生的内应力，同时膜层内Al,Cr的氧化物具备较好的抗高温性能
本发明装置中在高遮挡部件表面镀膜为循环多层沉积设置，气体流量为混合正弦式交替变化能够很好的实现高低硬度、高低内应力膜层的配合沉积，大幅提高其韧性，提高其在高速切削情况下保持整体膜层的形状，减少在高应力下产生的裂纹的数目，本发明中复合多层的硬度最高可达40Gpa。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种制备高遮挡基体涂层的装置，其特征在于，包括真空室，所述真空室水平方向的中部后侧设置有第一法兰孔，待加工工件通过所述第一法兰孔进入所述真空室内；所述真空室还连通有气体离子源***、沉积***和分子泵；所述真空室上设置有进气口。
2.根据权利要求1所述的制备高遮挡基体涂层的装置，其特征在于，所述沉积***的出口与待加工工件之间还设置有第一磁场***。
3.根据权利要求2所述的制备高遮挡基体涂层的装置，其特征在于，所述第一磁场***包括铜管，所述铜管呈螺旋状结构，所述铜管的两端均贯穿所述真空室的外壁，所述铜管内通入有冷却水，所述铜管上通入电流。
4.根据权利要求1所述的制备高遮挡基体涂层的装置，其特征在于，所述气体离子源***与所述真空室通过弯管连接，所述弯管周围设置有第二磁场***。
5.根据权利要求4所述的制备高遮挡基体涂层的装置，其特征在于，所述第二磁场***包括绕制在所述弯管上的线包。
6.根据权利要求1所述的制备高遮挡基体涂层的装置，其特征在于，所述真空室外部设置有进气混合机构，所述进气混合机构与所述进气口相连通。
7.根据权利要求6所述的制备高遮挡基体涂层的装置，其特征在于，所述进气混合机构包括第一气罐和第二气罐，所述第一气罐和所述第二气罐通过管路连通，所述第一气罐上设置有两个进气管，所述第二气罐上设置有一个进气管和一个出气管，所述出气管与所述进气口相连通。
8.根据权利要求1所述的制备高遮挡基体涂层的装置，其特征在于，待加工工件设置于移动样品架上，所述移动样品架与所述真空室的外壁可拆卸连接。
9.根据权利要求8所述的制备高遮挡基体涂层的装置，其特征在于，所述移动样品架包括中间轴、样品夹具、端头定位套、样品锁母、法兰和驱动机构；所述样品夹具设置于所述中间轴的一端，待加工工件设置于所述样品夹具内，所述端头定位套设置于所述中间轴上且位于待加工工件远离所述样品夹具的一端，所述样品锁母设置于所述中间轴的端部用于固定所述端头定位套以固定待加工工件，所述中间轴另一端与所述驱动机构动力连接；所述法兰设置于所述中间轴中部，所述法兰与所述真空室可拆卸连接。
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