本发明属于金属材料表面改性技术领域，涉及一种电弧离子镀沉积高质量精密涂层的设备和方法。
背景技术：
基于法拉第电解定律的湿法电镀作为表面工程技术领域的主流技术，已经有着近190年的历史，2个世纪以来，电镀技术在人类文明的进步历程中发挥了非常重要的作用。然而，近几十年来电镀所带来的环境污染危害问题越来越为人们所发现，包括严重的水污染、大气污染和土地污染，以及已经证实的对人类的致癌风险等。如何采用新型的绿色镀膜技术来取代高污染的电镀技术，是摆在广大表面工程技术科技工作者面前的最为紧迫的问题。电弧离子镀是上世纪八十年代才产生的表面涂层制备新技术，是离化率最高的离子镀形式，具有沉积速度快，膜基结合力强，涂层致密度高，化合反应充分等优点，在工模具表面沉积制备碳、氮化合物及多元复合硬质涂层等领域有着广泛的应用，因其没有三废排放、涂层制备在真空环境下的干法下进行，是绿色镀膜技术的典型代表，因而被认为是最有可能替代电镀的技术形式。但是经过十几年的努力，迄今在这方面仍然没有取得突破性的进展。从理论上看，电弧离子镀具备了用来制备装饰涂层的大部分条件，从实际发展状况来看，有些技术革新已经大幅度地提升了涂层的质量，如ZL200610045720.5等发明专利，通过设置增强过滤的线圈磁场和使用脉冲偏压来抑制中性粒子团簇，在涂层精密程度上已经有了很大的提升，但仍然存在几方面的不足：一是采用传统的等离子体溅射清洗方式，并不能使基体表面充分激活达到化学活化的程度，导致涂层与基体的结合强度远低于基材强度；二是用电弧离子镀沉积的涂层一般为微米量级厚度，目前不可避免地存在针孔和疏松，会导致腐蚀性介质穿过针孔而直接接触工件基体，从而造成溃疡性腐蚀，这在洁具、灯具、钟表、汽车零配件等装饰性涂层中主要体现在盐雾及其他介质腐蚀测试达不到实验标准要求；三是用于表面涂层的涂层材料多单独选用电镀材料，如铬、镍及其合金，或者是各种刀具上使用的化合物陶瓷涂层材料，并不能满足在海洋环境或者更加苛刻环境下的耐蚀性能要求。
技术实现要素：
本发明的目的就是提供一种在电弧离子镀中既能大幅度过滤减少大颗粒的尺度和数量，又能有效地消除涂层中的疏松和针孔等缺陷，既能提高涂层致密程度，又能提高涂层结合力和表面质量的电弧离子镀制备高质量精密涂层的设备和方法。
本发明的技术构思是，在设备方面，在原有增强磁过滤电弧离子镀基础上，经过大量的理论和实验研究，再同时设置并使用大面积气体离子源和热丝等离子体增强放电装置来提高设备功能；在涂层结构和材料方面，再在工件基体与表面精密涂层之间增加一层在海洋或洗漱等腐蚀环境下耐腐蚀的特殊的防护层，防护层材料依据配位场耐蚀合金设计理论并进行实验验证来确定。其中尤为关键的是，该中间防护层和最表面精密涂层应用附带有大面积气体离子源和热丝等离子体增强放电的磁过滤电弧离子镀方法来制备，其中应用热丝可发射大量电子以促进等离子体的离化率，会大大提高膜/基界面的“缝合”能力；应用大面积气体离子源，使惰性气体能够获得电激发离化而形成专门的载能束流，可对各层之间的界面进行离子刻蚀清洗，会大大消除针孔缺陷数量并提高涂层整体致密程度；应用电磁过滤系统会大大减少中性粒子团簇尺寸和数量，消除大颗粒对涂层质量的影响。离子源、热丝放电增强和磁过滤系统的同时使用，以及涂层中间层耐蚀防护功能的科学设计，都将使本发明在电弧离子镀技术替代电镀技术的过程中解决现存的所有问题。
本发明的技术方案：
一种电弧离子镀沉积高质量精密涂层的设备，包括真空室1、真空系统2、工装台3、阴极弧源4、偏压电源6、阴极弧源电源15、送气控制器16、真空计量系统17、热丝18、热丝电源19、气体离子源20、气体离子源电源21、加热器22和加热器电源23；真空系统2、送气控制器16、真空计量系统17、热丝18、气体离子源20和加热器22与真空室1连接，载物台3与真空室1转动连接，偏压电源6与载物台3的转轴连接，阴极弧源电源15与阴极弧源4连接，阴极弧源4与真空室1连接，热丝电源19与热丝18连接，气体离子源电源21与气体离子源20连接，加热器电源23与加热器22连接；其中，阴极弧源4是由一级磁场线圈8、一级线圈支撑圆筒9、二级磁场线圈10、二级线圈支撑圆筒11和金属阴极靶7构成的双电磁场结构，一级线圈支撑圆筒9与二级线圈支撑圆筒11连接，二级线圈支撑圆筒11与真空室1上的弧源法兰12连接，与金属阴极靶循环水管13连接的金属阴极靶7固定在与一级线圈支撑圆筒9连接的后封法兰14上。
所述的一级线圈支撑圆筒9的内径为Φ120-250mm，长度为40-100mm，一级线圈8的缠绕密度为8-30匝/mm，线圈铜线直径为0.5-2mm。
所述的二级线圈支撑圆筒11的内径为Φ150-300mm，长度为100-200mm，二级线圈10缠绕密度为10-25匝/mm，线圈铜线直径为0.5-1.5mm。
所述的气体离子源20是环状狭缝式束流发射结构离子源，狭缝的宽度为1-3mm，环状狭缝的周长为200-1500mm。
所述的热丝18是直径为0.6-1.2mm的长度为200-1000mm的钨丝。
所述的加热器22是直径为20-30mm的长度为30-800mm的带有铠装的加热管。
所述的阴极弧源4共有1-26个。
一种电弧离子镀制备高质量精密涂层的方法，采用有热丝增强放电并辅以气体离子源增强溅射刻蚀的磁过滤电弧离子镀设备，在工件基材表面沉积耐腐蚀过渡层及表面精密涂层的制备方法，步骤如下：
(1)在电弧离子镀设备真空室一侧安装加热装置，另一侧安装气体离子源装置，在真空室内壁安装加热器，在多个阴极靶位上分别相间隔安装A类靶材和B类靶材，A类靶材为碳靶，B类靶材为合金靶；
(2)将工件基材经超声清洗并烘干处理后，安放于电弧离子镀真空室的工装台上，关闭舱门后由真空系统将真空室真空抽到5×10-3Pa以上，启动加热装置使工件基材加热到200℃～350℃，之后充入氩气，氩气分压为0.4Pa～1.0Pa，加偏压为500V～1000V，引发辉光等离子体，再启动热丝装置进行等离子体放电增强，通入热丝的电流为3A～30A，热丝两端的电压为10V～50V，热丝偏压电源的偏压为10V～50V，进行工件基材表面等离子体增强的溅射清洗，时间为5min～30min；到时后停止热丝装置工作，降低氩气分压为0.1Pa～0.4Pa，启动气体离子源装置，调整离子束电流为1A～3A，进行工件基材表面离子溅射刻蚀和活化处理，时间为5min～20min；
(3)到时后停止气体离子源装置工作，调整氩气分压为0.5Pa～2Pa，降低偏压为50V～200V，向B类靶材阴极弧源的一级磁场线圈中通入电流1.0A～5A、二级磁场线圈通入电流0.5A～3A，启动B类靶材电弧获得金属等离子体，电弧电流调整为40A～120A，进行耐腐蚀过渡层的沉积制备，时间为30min～180min；
(4)到时后停止B类靶材电弧，再降低氩气分压为0.1Pa～0.4Pa，启动气体离子源装置，调整离子束电流为1A～3A，提高偏压为500V～1000V，进行耐腐蚀过渡层表面的离子溅射缺陷去除处理，时间为5min～20min；
(5)到时后停止气体离子源装置工作，调整氩气分压为0.5Pa～2Pa，降低偏压为50V～200V，向A类靶材阴极弧源的一级磁场线圈中通入电流1.0A～5A、二级磁场线圈通入电流0.5A～3A，启动A类靶材电弧，电弧电流为60A～100A，再启动B类靶材电弧，电弧电流调整为0A～120A，送入反应气体氮气，氮气分压为0.4～1.0Pa，进行表面高性能精密涂层的沉积制备，时间为10min～90min；
(6)到时后进行停止钛钽合金靶和碳靶电弧工作、卸偏压、停止供气、停止加热，经充分炉冷后即可取出已经表面改性处理好的金属双极板。
所述的A类靶材为铬靶、镍靶、钛靶、锆靶或316L不锈钢靶。
所述的B类靶材为钛钯合金靶，其中钯的质量百分含量为0.1％～1.0％。
所述的B类靶材是钛钼镍合金靶，其中钼的质量百分含量为0.2％～35.0％，镍的质量百分含量为0.0％～1.2％，其余含量为钛。
所述的工件基材是金属洁具制品，金属钟表制品，金属汽车配件制品，金属灯具制品及海洋环境下使用的五金结构件。
本发明的有益效果是在工件基材上沉积制备了经过耐蚀合金配位场理论特殊设计的、厚度为0.3μm-3.0μm的B类合金纳米晶中间耐腐蚀过渡层，和厚度为0.1μm－1μm的表面高性能精密涂层，其中过渡层与基材之间，以及最表面精密涂层与过渡层之间，因采用了等离子体增强并辅以气体离子束流进行溅射刻蚀进行预处理，其连接均是材料在界面处的多元互扩散准焊接冶金连接，如此表面层材料致密度高且缺陷少，大大提高了工件基材的表面综合性能，摩擦系数小于0.2，耐蚀性提高3个数量级以上，满足盐雾和其他腐蚀性介质耐蚀实验72小时测试标准要求。
附图说明
图1是本发明的一种电弧离子镀制备高质量精密涂层的设备结构示意图。
图中：1真空室；2真空系统；3工装台；4阴极弧源；5工件基材；
6脉冲偏压电源；7金属阴极靶；8一级磁场线圈；
9一级磁场线圈支撑圆筒；10二级磁场线圈；11二级磁场线圈支撑圆筒；
12弧源法兰；13金属阴极靶循环水管；14后封法兰；15阴极弧源电源；
16送气控制器；17真空计量系统；18热丝；19热丝电源；20气体离子源；
21气体离子源电源；22加热器；23加热器电源。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
(1)在电弧离子镀设备的真空室1的弧源法兰12上安装8个二级电磁场过滤结构的阴极弧源4，其中，一级线圈支撑圆筒9的内径为Φ150mm，长度为80mm，一级线圈8的缠绕密度为10匝/mm，线圈铜线直径为0.8mm；二级线圈支撑圆筒11内径为Φ160mm，长度为200mm，二级线圈10缠绕密度为20匝/mm，线圈铜线直径为1.0mm；此外，还将狭缝宽度为1.3mm周长为500mm的气体离子源20及其电源21安装于真空室1上；将直径为1.0mm长度为200mm的热丝18及其电源19安装于真空室上；将直径为25mm的长度为300mm加热器22及其电源23安装在真空室上；最后在8个金属阴极靶7中有4个安装为纯碳靶，还有4个与纯碳靶相间隔地安装钛含量为98.4at％的钛钽合金靶；
(2)将黄铜水龙头制品工件基材经超声清洗并烘干处理后，安放于电弧离子镀真空室的工装台上，关闭舱门后由真空系统将真空室真空抽到5×10-3Pa，启动加热器使工件基材加热到300℃，之后充入氩气，氩气分压为0.8Pa，加偏压为800V，引发辉光等离子体，再启动热丝装置进行等离子体放电增强，通入热丝的电流为10A，热丝两端的电压为20V，热丝偏压电源的偏压为30V，进行基材表面等离子体增强的溅射清洗，时间为10min；到时后停止热丝装置工作，降低氩气分压为0.2Pa，启动气体离子源装置，调整离子束电流为2A，进行基材表面离子溅射刻蚀和活化处理，时间为10min；
(3)停止离子源装置工作，调整氩气分压为1Pa，降低偏压为200V，向钛钽合金靶材阴极弧源的一级磁场线圈中通入电流1.5A、二级磁场线圈通入电流1.0A，启动钛钽合金靶电弧获得金属等离子体，合金靶电弧电流调整为90A，进行耐腐蚀过渡层2的沉积制备，时间为40min；
(4)停止钛钽合金靶电弧，再降低氩气分压为0.2Pa，启动气体离子源装置，调整离子束电流为2A，提高偏压为800V，进行耐腐蚀过渡层表面的离子溅射缺陷去除处理，时间为10min；
(5)停止离子源装置工作，调整氩气分压为1Pa，降低偏压为200V，向碳靶阴极弧源的一级磁场线圈中通入电流1.2A、二级磁场线圈通入电流0.8A，启动碳靶电弧，碳靶电弧电流为60A，再启动钛钽合金靶电弧，合金靶电弧电流调整为40A，进行表面高性能精密涂层的沉积制备，时间为20min；
(6)停止合金靶和碳靶电弧工作、卸偏压、停止供气、停止加热，经充分炉冷后取出已经表面改性处理好的黄铜水龙头制品工件基材。
如此在工件基材表面沉积合成厚度为1μm的与基材是材料在界面处的多元互扩散准焊接冶金连接的钛钽纳米晶耐腐蚀中间过渡层，和0.5μm的与过渡层也是材料在界面处的多元互扩散准焊接冶金连接的表面高性能精密涂层，使工件基材综合性能大幅度提升，摩擦系数低于0.25，盐雾实验满足72小时测试标准性能要求，可以替代电镀工艺使水龙头工件可以用于各种腐蚀性介质环境中。
实施例2：
(1)在电弧离子镀设备的真空室1的弧源法兰12上安装10个二级电磁场过滤结构的阴极弧源4，其中，一级线圈支撑圆筒9的内径为Φ150mm，长度为50mm，一级线圈8的缠绕密度为10匝/mm，线圈铜线直径为0.8mm；二级线圈支撑圆筒11内径为Φ160mm，长度为100mm，二级线圈10缠绕密度为20匝/mm，线圈铜线直径为1.0mm；此外，还将狭缝宽度为1.3mm周长为500mm的气体离子源20及其电源21安装于真空室1上；将直径为1.0mm长度为300mm的热丝18及其电源19安装于真空室上；将直径为25mm的长度为500mm加热器22及其电源23安装在真空室上；最后在10个金属阴极靶7中有5个安装为纯铬靶，还有5个与纯铬靶相间隔地安装钯含量为0.15wt％的钛钯合金靶；
(2)将表壳表链工件基材经超声清洗并烘干处理后，安放于电弧离子镀真空室的工装台上，关闭舱门后由真空系统将真空室真空抽到5×10-3Pa，启动加热装置使工件基材加热到300℃，之后充入氩气，氩气分压为0.8Pa，加偏压为800V，引发辉光等离子体，再启动热丝装置进行等离子体放电增强，通入热丝的电流为10A，热丝两端的电压为20V，热丝偏压电源的偏压为30V，进行基材表面等离子体增强的溅射清洗，时间为10min；到时后停止热丝装置工作，降低氩气分压为0.2Pa，启动气体离子源装置，调整离子束电流为2A，进行基材表面离子溅射刻蚀和活化处理，时间为10min；
(3)停止离子源装置工作，调整氩气分压为1Pa，降低偏压为200V，向钛钯合金靶材阴极弧源的一级磁场线圈中通入电流1.5A、二级磁场线圈通入电流1.0A，启动钛钯合金靶电弧获得金属等离子体，合金靶电弧电流调整为90A，进行耐腐蚀过渡层2的沉积制备，时间为40min；
(4)停止钛钯合金靶电弧，再降低氩气分压为0.2Pa，启动气体离子源装置，调整离子束电流为2A，提高偏压为800V，进行耐腐蚀过渡层表面的离子溅射缺陷去除处理，时间为10min；
(5)停止离子源装置工作，调整氩气分压为1Pa，降低偏压为200V，向纯铬靶阴极弧源的一级磁场线圈中通入电流1.2A、二级磁场线圈通入电流0.8A，启动纯铬靶电弧，铬靶电弧电流为60A，进行表面精密涂层的沉积制备，时间为40min；
(6)停止合金靶和铬靶电弧工作、卸偏压、停止供气、停止加热，经充分炉冷后取出已经表面改性处理好的表壳表链工件基材。
如此在工件基材表面沉积合成厚度为1μm的与基材是材料在界面处的多元互扩散准焊接冶金连接的钛钯纳米晶耐腐蚀中间过渡层，和0.5μm的与过渡层也是材料在界面处的多元互扩散准焊接冶金连接的铬表面精密涂层，使工件基材综合性能大幅度提升，盐雾实验满足72小时测试标准性能要求，可以替代电镀工艺使钟表五金件可以用于各种介质污染环境中。