電弧離子鍍技術(shù)中真空電弧的工作穩(wěn)定性對于制備高質(zhì)量的涂層至關(guān)重要。本研究通過在一系列工藝條件下開展電弧離子鍍鍍膜實(shí)驗(yàn)，研究和分析了電弧離子鍍中磁場、靶面污染物、靶面溫度、靶面尺寸和形貌、維弧電流以及工作氣體種類和壓力對真空電弧穩(wěn)定性的影響，從而得出了提高電弧穩(wěn)定性的控制方法。

　　離子鍍技術(shù)是在真空蒸鍍和真空濺射的基礎(chǔ)上于20 世紀(jì)60 年代初發(fā)展起來的新型薄膜制備技術(shù)。該技術(shù)是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子轟擊作用的同時(shí)，把蒸發(fā)物質(zhì)或其反應(yīng)物蒸鍍在基片上。離子鍍把氣體放電、等離子體技術(shù)與真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)結(jié)合在一起，不僅明顯提高了鍍層的各種性能，而且大大地?cái)U(kuò)充了鍍膜技術(shù)的應(yīng)用范圍。該技術(shù)最初由Berghaus 提出，隨后由Mattox推動(dòng)。電弧離子鍍屬于離子鍍的一種改性方法，是離子鍍技術(shù)中的佼佼者，作為離子鍍技術(shù)的一種，是在真空環(huán)境下采用電弧放電的方法直接蒸發(fā)固體陰極靶材金屬，蒸發(fā)物在陰極弧光輝點(diǎn)離化產(chǎn)生金屬離子并定向沉積至加載負(fù)偏壓的工件上的涂層制備技術(shù)。電弧離子鍍最早在20 世紀(jì)70 年代由原蘇聯(lián)發(fā)展起來的，美國在1980 年從原蘇聯(lián)引進(jìn)該技術(shù)，并在1981 年有Multi-Arc 公司和Vac-Tec 公司使之實(shí)用化，其優(yōu)異的性能很快席卷全球從20 世紀(jì)90 年代至今，電弧離子鍍作為硬質(zhì)保護(hù)涂層的主流生產(chǎn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工具鍍、裝飾鍍和特殊功能涂層領(lǐng)域。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為離子鍍是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，一般來說離子鍍包括靶材金屬的蒸發(fā)、氣化、電離、離子加速、離子之間的反應(yīng)、中和以及在基片上成膜和離子轟擊等多個(gè)過程。對于電弧離子鍍而言，真空電弧的穩(wěn)定性對所制備涂層的質(zhì)量和性能至關(guān)重要。

　　本實(shí)驗(yàn)采用定制的多功能真空離子鍍膜機(jī)，以在TC4 鈦合金基體表面制備了TiA1N 涂層為背景，觀察不同鍍膜工藝條件下真空電弧的穩(wěn)定性，探索研究真空電弧穩(wěn)定性控制方法，從而為得到最佳的TiA1N 涂層制備工藝參數(shù)提供理論支撐。

1、實(shí)驗(yàn)方法

　　本實(shí)驗(yàn)采用自制多功能真空離子鍍膜機(jī)，靶材為99.99%的鋁靶和工業(yè)純鈦靶�；�體材料為TC4 合金，其名義成分為Ti-6Al-4V，試樣尺寸為20mm×20mm×2mm。經(jīng)2000#SiC 砂紙打磨后機(jī)械拋光，分別在酒精和丙酮中超聲清洗，吹干后備用。

　　工作氣體為氬氣，反應(yīng)氣體為氮?dú)�。真空�?a target="_blank" href="http://www.healwit.com.cn/zhenkongdu/">真空度達(dá)到3×10^-3 Pa 后通入氬氣，加載負(fù)偏壓-500V~-800V，輝光清洗10min。隨后，開啟鈦離子電弧靶，對試樣進(jìn)行離子濺射。最后，進(jìn)行鍍膜實(shí)驗(yàn)。

2、分析與討論

　　為改善真空電弧的不穩(wěn)定性，不同學(xué)者提出了各自的解決辦法，例如采用間隙屏蔽、采用磁場限制陰極斑點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)、利用限弧環(huán)來限制弧斑移離靶面以及采用反饋機(jī)構(gòu)等方法。大量研究結(jié)果表明，電弧穩(wěn)定性與許多因素有關(guān)，對其效果最為顯著的是磁場。此外，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為陰極靶表面的清潔程度、靶表面溫度、靶面幾何形狀和尺寸、電弧電流的大小、環(huán)境氣體種類、氣氛壓力等都對陰極電弧的穩(wěn)定性有著不同程度的影響。本研究結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分別就不同因素對電弧穩(wěn)定性的影響展開分析討論。

　　2.1、磁場對電弧穩(wěn)定性的影響

　　圖1A 和圖1B 顯示了在不同磁場作用下的電弧的位置變化情況。在其它參數(shù)相同的情況下，改變磁場，可以有效控制弧斑在靶面上的位置。當(dāng)磁場強(qiáng)度過大時(shí)，強(qiáng)磁場能夠?qū)⒒“叩奈恢脧?qiáng)行約束在偏向或背離引弧針的方向。

　　實(shí)驗(yàn)過程中觀察到，當(dāng)電弧弧斑粗糙、電弧在與靶面垂直方向上有較大跳動(dòng)量且弧斑成堆團(tuán)狀時(shí)，將出現(xiàn)滅弧現(xiàn)象或其它故障。但如果磁場調(diào)試得當(dāng)，則可以消除上述現(xiàn)象，從而使電弧長時(shí)間穩(wěn)定工作。此外，由于磁場對帶電粒子的作用，磁場能夠改善陰極靶材的工作特性，還能提高極間的電弧電壓，從而使得陰極靶釋放出的原子與離子數(shù)目及粒子束通量密度也隨之增加，從而改善靶材的沉積率。

　　2.2、陰極表面污染對電弧穩(wěn)定性的影響

　　陰極靶材表面有污染時(shí)，靶表面的電子發(fā)射更為容易。實(shí)驗(yàn)過程中，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下(工作氣壓，真空度，引弧電壓等)，表面清潔的靶面引弧相對困難，而表面有污染的冷陰極則引弧容易。一般情況下，靶表面污染物自身成分復(fù)雜，而某些元素比較容易發(fā)射電子；另一方面受污染的表面其電子的逸出功降低，在相同實(shí)驗(yàn)條件下有利于電子逸出。初始電弧更容易發(fā)生在有污染的地方，直到表面雜質(zhì)被完全蒸發(fā)，才開始正常的靶材蒸發(fā)。所以在靶的裝配過程中，應(yīng)保證在清潔的狀態(tài)下進(jìn)行，使靶面，特別是非蒸發(fā)面(如側(cè)面、陰極座、屏蔽件等)不受污染或少受污染，防止在非蒸發(fā)表面產(chǎn)生電子發(fā)射，從而提高蒸發(fā)源工作的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1 磁場對電弧位置的影響

3、結(jié)論

　　提高電弧穩(wěn)定性對于利用電弧離子鍍方法制備較高質(zhì)量的涂層至關(guān)重要。合理的磁場布局、帶凹面的陰極靶材形狀、增加靶材表面面積及電弧電流均有利于提高電弧的穩(wěn)定性。真空電弧的穩(wěn)定性還與工作氣體的種類、壓力以及靶材表面的溫度有關(guān)。此外，保持靶面清潔也有利于提高電弧穩(wěn)定性。

　　電弧離子鍍設(shè)備中關(guān)鍵部件是陰極電弧源，電弧源的工作性能是評(píng)價(jià)一臺(tái)電弧離子鍍設(shè)備性能高低的關(guān)鍵指標(biāo)。如何進(jìn)一步提高電弧源的工作穩(wěn)定性仍需開展更深入的研究。