一种多元合金膜层的沉积装置及运用该装置的沉积工艺的制作方法

本发明涉及等离子镀膜领域，具体涉及一种多元合金膜层的沉积装置及运用该装置的沉积工艺。

背景技术：

高熵合金涂层(high-entropyalloyscoating)，简称heac，是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金涂层。

由于高熵合金可能具有许多理想的性质，因此在材料科学及工程上相当受到重视。

以往的合金涂层中主要的金属成分可能只有一至两种，例如会以铁为基础，再加入一些微量的元素来提升其涂层特性，因此所得的就是以铁为主的合金涂层。

过往的概念中，若合金涂层中加的金属种类越多，会使其材质脆化，但高熵合金涂层和以往的合金涂层不同，有多种金属却不会脆化，是一种新的涂层材料。

现有技术中，申请号为201310129638.0的中国专利申请公开了一种工模具的高熵合金涂层制备工艺，该工艺首先将ni、co、fe、cr、ti以等摩尔比例配置制备nicofecrti高熵合金材料；然后，以所述nicofecrti高熵合金材料和一个单一元素材料为靶材，采用射频磁控溅射法在一个硬质合金基体上溅镀高熵合金氮化物薄膜涂层；最后，将所述高熵合金氮化物薄膜涂层放入一个空气气氛炉中，在所述空气气氛炉中在500至1000摄氏度的范围内对其氧化1小时后，再通入氮气在500至1000摄氏度的范围内对其进行1小时的热处理。

但高熵合金的靶很难制备，特别是多元合金的靶材，因熔点等不同其制备难度较大，成本较高，制备的膜层多元成分很难进行方便调节；

本发明提出一种制备高熵合金膜层的设备及制备工艺，可以用单元或者二元合金作为靶材进行高熵合金膜层的制备；同时合金元素成分比可进行调控。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种多元合金膜层的沉积装置，其包括等离子发生器以及真空腔室，其中，等离子体发生器包括一主管道和多个分支管道，通过该沉积装置能实现采用单元或二元合金作为靶材进行高熵合金膜层的制备，并还能通过对磁场的电流大小的控制对合金元素成分比例进行调控。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种多元合金膜层的沉积装置，包括等离子体发生器以及真空腔室，所述真空腔室内设置沉积工作台，所述等离子体发生器包括一主管道、多个分支管道，多个所述分支管道的前端各连接有一分支阳极筒，后端均与所述主管道连通，所述分支管道外靠分支阳极筒的一端设置有分支引出线圈；

所述分支管道的中心线与所述主管道的中心线成45°～95°的夹角，所述主管道的前端连接有一主阳极筒，后端连接一聚焦管道，在所述主管道外的靠所述主阳极筒的一端设置有主引出线圈，在所述主管道外的靠所述聚焦管道的一端设置有聚焦线圈；

所述聚焦管道的中心线与所述主管道的中心线成90°～150°的夹角，所述聚焦管道远离所述主管道的一端与所述真空腔室连通且正对于所述沉积工作台；

所述主管道、所述聚焦管道内均设置有电压电极；

在所述聚焦管道外设置有混合线圈；

所述主阳极筒、所述分支阳极筒内均设置有引弧组件以及靶材，所述引弧组件产生弧光放电，用于靶材起弧；

所述靶材为一元、二元或三元元素金属靶；

所述分支阳极筒内的起弧电流为所述主阳极筒内的起弧电流1.5～2倍；

所述分支引出线圈、主引出线圈、聚焦线圈以及混合线圈的电流大小可调。

通过这样设置，金属等离子体在主阳极筒和多个分支阳极筒中通过弧光放电形成，形成等离子体后通过主引出线圈、分支引出线圈产生的引出磁场引出至主管道和分支管道中；在电压电极产生的电场和聚焦线圈产生的聚焦磁场的共同作用下，多路等离子体进行有效混合，同时等离子体内电子在电场和磁场的作用下对未电离的金属原子进行电离，提高离化效率和传输效率；

高度混合和电离的等离子体在混合线圈产生的混合磁场作用下引入至聚焦管道；聚焦管道与主管道中心线交角90°～150°度；

等离子体经过聚焦管道后，弧光放电形成的大颗粒和中性原子同时在聚焦管道内的电压电极产生的电场和混合磁场的混合作用下进行二次混合以及二次原子电离，形成的等离子体引出至真空腔室内的工件台，进行高熵合金的镀膜；

而采用此沉积设备，可采用单元或多元的金属材料作为靶材，降低靶材的制造难度，便于实现高熵多元合金膜层的制备，且还能通过控制分支引出线圈、主引出线圈、聚焦线圈以及混合线圈的电流大小，进而控制各线圈产生的磁场大小，从而调整最终沉积的多元接近膜层的元素所占比例，调整方便。

作为优选，所述靶材为fe、ni、mo、ti、al、cr、si、w、co中任意1种或任意2～3种元素组合的金属靶。

通过这样设置，靶材可选择fe、ni、mo、ti、al、cr、si、w、co中任意1种或任意2～3种元素这组合的金属靶，更具需要增减或调换元素，灵活方便。

作为优选，所述分支管道设置两个。

作为优选，分支管道的分支阳极筒的中心与主管道中心位置相距10～100mm；分支管道长为300～500mm，直径为150～200mm；

主管道长为400～800mm，直径为180～250mm；

聚焦管道的长度为100～300mm。

基于同一发明构思，本申请的第二目的在于提供一种多元合金膜层的沉积工艺，运用权利要求上述的沉积装置，包括以下步骤：

s1：选用fe、ni、mo、ti、al、cr、si、w、co中任意1种或任意2～3种元素组合的金属靶作为靶材，将靶材放置对应的主阳极筒或分支阳极筒中，在沉积工作台上待沉积金属膜的工件；

s2：向分支引出线圈、主引出线圈、聚焦线圈以及电压电极通电；

s3：使主阳极筒、分支阳极筒的引弧组件工作，使靶材起弧放电，产生等离子体。

通过这样设置，由于采用上述的沉积装置，因此具有以上相同的技术效果，即能采用单元或多元的金属材料作为靶材，降低靶材的制造难度，便于实现高熵多元合金膜层的制备，且能调整最终沉积的多元接近膜层的元素所占比例，调整方便。

作为优选，所述分支管道设置两个，其中一所述分支管道内：起弧电流为75～150a，靶材为tial，分支引出线圈的电流为1-20a；

另一所述分支管道内：起弧电流为75～150a，靶材为wco，分支引出线圈的电流为1-20a；

主管道内：起弧电流可为50～150a，靶材为cralsi，主引出线圈的电流为1～20a，聚焦线圈电流为1～10ka，频率为10～50hz。

相对于现有技术，本发明取得了有益的技术效果：

1、提供一种多元合金膜层的沉积装置，能实现采用单元或二元合金作为靶材进行高熵合金膜层的制备，并还能通过对磁场的电流大小的控制对合金元素成分比例进行调控。

2、提供一种基于沉积装置的多元合金膜层的沉积工艺，能采用单元或二元合金作为靶材进行高熵合金膜层的制备，并还能通过对磁场的电流大小的控制对合金元素成分比例进行调控，调整方便。

附图说明

图1是本发明实施例1中多元合金膜层的沉积装置的结构示意简图；

图2是本发明实施例2中实验实施例1制备的高熵合金膜层的元素组成图；

图3是本发明实施例2中实验实施例2制备的高熵合金膜层的元素组成图；

图4是本发明实施例2中实验实施例3制备的高熵合金膜层的元素组成图。

其中，各附图标记所指代的技术特征如下：

101：真空腔室；

102：沉积工作台；

103：等离子体；

104：混合线圈；

105：聚焦线圈；

106：主管道；

107、113：分支引出线圈；

108、114：分支管道；

109、112：分支阳极筒；

110：主阳极筒；

111：主引出线圈；

115：电压电极；

116：聚焦管道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

实施例1

参考图1，本实施例公开了一种多元合金膜层的沉积装置，包括等离子体发生器(图中未标注)以及真空腔室101，真空腔室101内设置沉积工作台102，沉积工作台102可用于放置待覆膜的工件(图中未示出)，等离子体发生器包括一主管道106、多个分支管道108/114，多个分支管道108/114的前端各连接有一分支阳极筒109/112，后端均与主管道106连通，分支管道108/114外靠分支阳极筒109/112的一端设置有分支引出线圈107/113；

分支管道108/114的中心线与主管道106的中心线成45°～95°的夹角，本实施例中，夹角为45°。

主管道106的前端连接有一主阳极筒110，后端连接一聚焦管道116，在主管道106外的靠主阳极筒110的一端设置有主引出线圈111，在主管道106外的靠聚焦管道116的一端设置有聚焦线圈105；

聚焦管道116的中心线与主管道106的中心线成90°～150°的夹角，本实施例中，夹角为135°；

聚焦管道116远离主管道106的一端与真空腔室101连通且正对于沉积工作台102，使由聚焦管道116出来的等离子体103能直接作用于沉积工作台102上的工件，进行覆膜；

主管道106、聚焦管道116内均设置有电压电极115，位于主管道106内的电压电极115沿主管道106的中心线设置，聚焦管道116内的电压电极115沿聚焦管道116的中心线设置；

在聚焦管道116外设置有混合线圈104；

主阳极筒110、分支阳极筒109/112内均设置有引弧组件(图中未示出)以及靶材(图中未示出)，引弧组件产生弧光放电，用于靶材起弧，引弧组件与靶材安装关系以及起弧原理均为现有技术，在此不再赘述；

靶材为一元、二元或三元元素金属靶，优选地，靶材为fe(铁)、ni(镍)、ti(钛)、al(铝)、cr(铬)、si(硅)、w(钨)、co(钴)、mo(钼)等金属中任意1种或任意2～3种元素组合的金属靶，例如，tial、wco、cralsi。

分支阳极筒109/112内的起弧电流为主阳极筒110内的起弧电流1.5～2倍；由此，分支管道与主管道有一定的夹角，分支管道中的离子束会在与主管道中的离子束混合之前有一定的离子损失在分支管道内，因此需将起弧电流加大，增多引出的束流从而平衡损失的部分。

分支引出线圈107/113、主引出线圈111、聚焦线圈105以及混合线圈104的电流大小可调，其调节方式可通过设置外围电路调节。

分支管道108/114设置两个，两个分支管道108/114分别位于主管道106中心线的两侧，并呈对称设置。

分支管道108/114的分支阳极筒109/112的中心与主管道106中心位置相距180～200mm；分支管道108/114长为300～500mm，直径为150～200mm；分支管道长度300mm以上会有一定的颗粒过滤效果，提高涂层致密性；

主管道106长为400～800mm，直径为180～250mm；主管道长度配合分支管道尺寸设计；

聚焦管道116的长度为100～300mm，聚焦管道长度参数选择此区间主要为了使主管道与分支管道的离子束充分混合。

以上参数选择的原理是：管道直径与靶材尺寸、离子束斑尺寸相关；分支阳极筒与主管道中心位置距离与弧头尺寸、分支管道角度相关。

本发明实施例1的使用过程以及原理：

金属等离子体在主阳极筒110和多个分支阳极筒109/112中通过弧光放电形成，形成等离子体后分别通过主引出线圈111、分支引出线圈107/113产生的引出磁场引出至主管道106和分支管道108/114中；在主管道106内的电压电极115产生的电场和聚焦线圈105产生的聚焦磁场的共同作用下，多路等离子体进行有效混合，同时等离子体内电子在电场和磁场的作用下对未电离的金属原子进行电离，提高离化效率和传输效率；

高度混合和电离的等离子体在混合线圈104产生的混合磁场作用下引入至聚焦管道116，等离子体经过聚焦管道116后，弧光放电形成的大颗粒和中性原子同时在聚焦管道116内的电压电极115产生的电场和混合磁场的混合作用下进行二次混合以及二次原子电离，形成的等离子体103引出至真空腔室102内的沉积工件台102，进行高熵合金的镀膜；

而采用此沉积设备，可采用单元或多元的金属材料作为靶材，降低靶材的制造难度，便于实现高熵多元合金膜层的制备，且还能通过控制分支引出线圈107/113、主引出线圈111、聚焦线圈105以及混合线圈104的电流大小，进而控制各线圈产生的磁场大小，从而调整最终沉积的多元接近膜层的元素所占比例，调整方便。

实施例2

本实施例公开了一种多元合金膜层的沉积工艺，运用实施例1的沉积装置，包括以下步骤：

s1：选用na、li、ti、al、cr、si、w、co中任意1种或任意2～3种元素组合的金属靶作为靶材，将靶材放置对应的主阳极筒110或分支阳极筒109/112中，在沉积工作台102上待沉积金属膜的工件；

s2：向分支引出线圈107/113、主引出线圈111、聚焦线圈105以及电压电极105通电；

s3：使主阳极筒110、分支阳极筒109/112内的引弧组件工作，使靶材起弧放电，产生等离子体。

第一个分支管道108内：起弧电流为75～150a，靶材为tial，分支引出线圈107的电流为1-20a；

另一分支管道114内：起弧电流为75～150a，靶材为wco，分支引出线圈113的电流为1-20a；

主管道106内：起弧电流可为50～150a，靶材为cralsi，主引出线圈111的电流为1～20a，聚焦线圈105电流为1～10ka，频率为10～50hz。

实验实施例1

第一个分支管道108中：分支阳极筒109内起弧电流为90a，靶材为tial；分支引出线圈107的磁场电流为3a；

第二个分支管道114中：分支阳极筒112内起弧电流为90a，靶材为wco；分支引出线圈的磁场电流为3a；分支管道4磁场电流为5a；

主管道106中：主阳极筒110内起弧电流为60a，靶材为cralsi；主引出线圈111的磁场电流为3a，聚集线圈105的磁场电流为3ka，频率为10hz。

实验实施例2

第一个分支管道108中：分支阳极筒109内起弧电流为100a，靶材为tial；分支引出线圈107的磁场电流为3a；

第二个分支管道114中：分支阳极筒112内起弧电流为90a，靶材为wco；分支引出线圈的磁场电流为3a；分支管道4磁场电流为5a；

主管道106中：主阳极筒110内起弧电流为60a，靶材为cralsi；主引出线圈111的磁场电流为3a，聚集线圈105的磁场电流为3ka，频率为10hz。

实验实施例3

第一个分支管道108中：分支阳极筒109内起弧电流为110a，靶材为tial；分支引出线圈107的磁场电流为3a；

第二个分支管道114中：分支阳极筒112内起弧电流为90a，靶材为wco；分支引出线圈的磁场电流为3a；分支管道4磁场电流为5a；

主管道106中：主阳极筒110内起弧电流为60a，靶材为cralsi；主引出线圈111的磁场电流为3a，聚集线圈105的磁场电流为3ka，频率为10hz。

参考图2～4，显示了各实验实施例制备的高熵合金膜层的元素组成，改变第一分支管道1018内的起弧电流由90到110a，ti的含量明显升高，由21％升至32％；但由90a升高到110a时，ti和al的相对含量变化不大，在等离子体传输过程中ti和al达到饱和，部分发生损失。

因此，通过控制主、分管道电场、磁场可控制不同靶材的不同元素离子束引出量，可控制膜成分各元素组成范围，使成膜元素含量得到控制，非常适合制备高熵合金膜。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。