[發明專利]一種高功率脈沖等離子體增強復合磁控濺射沉積裝置及其使用方法

有效

• 申請號: 201310729760.1
• 申請日: 2013-12-26
• 公開（公告）號: CN103668095A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 王啟民;王成勇;伍尚華;鄒長偉
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35
• 代理公司: 廣州市南鋒專利事務所有限公司 44228
• 代理人: 劉媖

技術領域

本發明涉及薄膜材料技術領域，尤其涉及一種高功率脈沖等離子體增強復合磁控濺射沉積裝置及其使用方法。

背景技術

隨著現代制造業的發展，難加工材料的高速、高效切削加工對刀具材料提出了越來越高的要求。涂層刀具利用氣相沉積方法在高強度的硬質合金或高速鋼(HSS)基體表面涂覆幾個微米的高硬度、高耐磨性的氮化物、氧化物或者硼化物涂層，使其具有表面硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦系數小和熱導率低等特性，切削時可比未涂層刀具提高刀具壽命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%。刀具涂層制造工藝主要有化學氣相沉積法(CVD)和物理氣相沉積法(PVD)。CVD工藝一般在800℃以上的高溫下進行，涂層較脆，不易制備納米結構和多組分的涂層，且對環境造成污染，限制了CVD涂層的應用。目前用于硬質涂層沉積的PVD涂層技術主要有磁控濺射和電弧離子鍍。磁控濺射沉積溫度低、涂層表面光滑、無顆粒缺陷，但濺射金屬大多以原子狀態存在，金屬離化率低（~1%），導致膜基結合力較差，涂層易剝落失效。非平衡磁場和閉合磁場的改進，較大幅度的提高了磁控濺射技術的離化率（可以到10-20%），實現了較致密涂層的制備，但對于刀具涂層其結合力和力學性能仍顯不足。相比于磁控濺射，電弧離子鍍具有較高金屬離化率（~90%）和強膜基結合力的優點。然而，在沉積過程中產生的大量宏觀顆粒，導致涂層表面粗糙、內應力高。這兩種應用比較成熟的PVD技術的難以克服的缺點成為其進一步產業化應用中的關鍵技術瓶頸。為了研發更多實用的高質量涂層及其在工業的推廣，探討新型涂層制備技術已成為涂層領域的迫切需求。

近幾年發展起來的高功率脈沖磁控濺射技術（High?Power?Impulse?Magnetron?Sputtering，HIPIMS）綜合了磁控濺射和電弧離子鍍的優點。HIPIMS利用較高的脈沖峰值功率和較低的脈沖占空比來實現產生高金屬離化率（>50%）。HIPIMS技術綜合了磁控濺射低溫沉積、表面光滑、無顆粒缺陷和電弧離子鍍金屬離化率高、膜基結合力強、涂層致密的優點，且離子束流不含電弧離子鍍的大顆粒，在控制涂層微結構的同時獲得優異的膜基結合力和可調節的涂層內應力，被認為是PVD發展史上最重要的一項技術突破。但是，高功率脈沖磁控濺射技術沉積硬質涂層應用于高速切削刀具，還存在一些問題：（1）高功率脈沖磁控濺射沉積速率較慢，約為普通磁控濺射的20-30%，作為工業化生產的刀具涂層沉積設備效率太低；（2）由于高功率脈沖濺射等離子體放電的特殊性，還無法像普通磁控濺射那樣適用于很多合金或化合物濺射材料；（3）目前磁控濺射設備多面向模具及各種機械零部件，對高速切削刀具等重載荷涂層，涂層沉積溫度和鍍前轟擊清洗不夠，因此涂層結合強度顯不足。

發明內容

本發明的目的在于克服以上缺陷，提出一種用于刀具涂層沉積的高功率脈沖等離子體增強復合磁控濺射沉積裝置，該裝置具有較好的磁場分布及離子鍍效果，能夠方便沉積出膜層結合力好、涂層致密、力學性能好、化學成分精確可控的優質涂層用于高速切削刀具。

本發明的另一個目的在于提出一種使用上述裝置的方法。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

一種高功率脈沖等離子體增強復合磁控濺射沉積裝置，包括真空室、磁控靶、工件架和旋轉支座；

所述真空室為密封結構，其上開設有抽氣口，所述抽氣口與真空泵連接；

所述磁控靶包括高功率脈沖磁控濺射靶和脈沖直流磁控靶，固定在所述真空室內，呈九十度對向設置，其磁場布局方式相反，形成閉合場；每個所述磁控靶的磁場布局方式都為非平衡磁場；

所述工件架置于所述磁控靶的磁場內，并且通過所述旋轉支座連接在所述真空室的內部，所述旋轉支架與所述真空室通過轉動機構連接；

進一步，所述磁控靶包括一個所述高功率脈沖磁控濺射靶和三個所述脈沖直流磁控靶。

進一步，所述真空室內設置有高溫加熱裝置。

進一步，還包括惰性氣體通氣管和反應氣體通氣管，與所述真空室連接。

進一步，所述惰性氣體通氣管和反應氣體通氣管設有流量計。

進一步，所述真空室內設置有反應氣體反饋裝置。

進一步，包括陽極層離子源，固定在所述真空室的內壁上。

進一步，所述陽極層離子源為兩個矩形的離子源。

進一步，所述旋轉支座與變頻器控制交流電機連接，所述工件架的工件安裝位置設有自轉裝置。

進一步，所述真空泵包括機械泵和分子泵。