一种制备纳米多层硬质涂层的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制备纳米多层硬质涂层的装置和方法，更具体地说是一种通过控制蒸发电子束在不同坩祸之间的周期跳跃实现空心阴极电子束激活电子束物理气相沉积制备具有纳米多层结构硬质涂层的方法及其实现装置。
【背景技术】
[0002]随着金属切削技术向着高精度、高速度、干切削方向的发展，对硬质涂层的防护性能提出了更苛刻的要求；在压气机叶片、叶轮、模具等存在严重侵蚀作用的场合，传统的金属氮化物涂层如TiN、CrN、TiAlN等已无法适应于恶劣的服役环境。
[0003]纳米多层结构硬质涂层由于存在界面效应，既具有高硬度又具有良好的韧性，在硬质涂层领域有着巨大的发展潜力。目前，制备纳米多层硬质涂层的方法主要有磁控溅射和电弧离子镀。但这两种方法具有各自的优缺点。
[0004]磁控溅射方法制备的涂层具有表面光滑、无液滴缺陷等优点，但由于涂层沉积过程中离化率较低，导致涂层膜基结合力差，涂层致密度和硬度均较低。
[0005]公开号为【CN102653857A】的专利通过磁场设计实现了非平衡磁控溅射，在一定程度上提高了磁控溅射过程的等离子体密度和空间分布，改善了膜层质量；公开号为【CN102027563A】的专利则通过采用脉冲放电方式实现了高能脉冲磁控溅射(HIPMS)，较高的离子体密度可获得性能优异的硬质薄膜，但由于存在溅射粒子的反向轰击，该过程的沉积速率极低。公开号为【CN104152857A】的专利提出了一种制备高硬度、高弹性模量的TiAlZrN/CrN纳米多层涂层及其制备方法，可通过反应磁控溅射实现在基体上交替沉积纳米量级TiAlZrN层和CrN层，涂层总厚度约为2.4?5.8 μ m，但仍无法克服磁控溅射方法沉积速率低的缺点。
[0006]电弧离子镀过程具有较高等离子体密度(>50% )，所制备的涂层膜基结合力好，硬度和致密度均较高。但在涂层过程中靶材表面的冷阴极弧会激活出大量的宏观液滴，导致涂层表面粗糙。部分液滴贯穿整个涂层，降低涂层的抗腐蚀性能。公开号为【CN201158702Y】的专利通过弧源磁场设计，提高了冷阴极弧的运动速度，优化了冷阴极弧的运动轨迹，可降低宏观液滴的产生数量，但仍然无法消除涂层表面的液滴。在具有纳米多层结构的硬质涂层中，宏观液滴往往会贯穿多个纳米亚层，降低纳米多层涂层的性能。
[0007]采用磁控溅射和电弧离子镀制备纳米多层结构涂层均通过工件的旋转(公转和自转)。因此，在沉积速率一定的条件下，多层结构的调制周期仅取决于工件的旋转速度。由于要保证工件旋转的平稳性，旋转速度不能过高，因此对于厚度较大的纳米结构涂层，生产速率将受到严重限制。
[0008]采用等离子体激活电子束物理气相沉积制备硬质涂层可兼具高沉积速率和高离化率的优点。文献“Zhou D, Peng H, Zhu L, et al.Microstructure, hardness andcorros1n behav1ur of Ti/TiN multilayer coatings produced by plasma activatedEB-PVD[J].Surface and Coatings Technology, 2014，258:102-107.，，中米用热阴极弧激活方式实现了纳米多层Ti/TiN涂层的沉积，涂层结构致密，具有良好的抗磨损抗腐蚀性能，但该方法通过控制气体的通断实现不同成分涂层的交替沉积，只能制备金属/金属氮化物交替结构的纳米涂层，适用范围较窄；公开号为【CN103409722A】的专利中，采用空心阴极电子束激活金属蒸气并与气体作用实现反应沉积，通过控制不同的蒸发材料，可实现单层或双层结构硬质涂层，该方法只提供了实现空心阴极激活引入等离子体的方法，未能提供制备纳米多层结构涂层的解决方案。
【发明内容】
[0009]本发明提出了一种在真空环境下实现空心阴极电子束激活电子束物理气相沉积制备纳米多层硬质涂层的方法，更具体地说是在空心阴极电子束激活电子束物理气相沉积的条件下，通过控制蒸发电子束在不同蒸发材料坩祸之间的周期性跳跃，从而实现制备具有纳米多层结构的硬质涂层。
[0010]本发明所述的纳米多层硬质涂层为MeX/Me’X交替结构，其中Me和Me’可以是T1、Cr、Zr、Al、S1、V、B、Hf、Nb、Mo或稀土元素或其组合。原则上，只要能被电子束蒸发的单质金属和合金化合物均可以作为Me或Me’ ；X可以为O、N、C或其组合。本发明制备的纳米多层硬质涂层可以沉积在不锈钢、高速钢、硬质合金或钛合金等多种金属基体表面，可用于刀具模具或航空发动机压气机叶片等对硬度、抗冲蚀、耐腐蚀性能有较高要求的场合。
[0011]所述的纳米多层硬质涂层的制备方法为:通过至少两个蒸发坩祸，两个坩祸中分别放置不同的蒸发靶材(金属单质或化合物)，通过程序控制电子枪发射电子束在两个坩祸间跳跃实现不同涂层材料的周期性蒸发，形成金属蒸气。金属蒸气与空心阴极电子枪发射出的低压大电流电子束中的电子相互碰撞发生电离，产生高密度等离子体，所述高密度等离子体与导入的反应气体发生反应并在基板负偏压的作用下形成涂层。
[0012]实现上述涂层制备过程的装置应包括:1)真空腔体；2)至少两个蒸发坩祸，置于真空腔体内部，两个坩祸内分别放置不同的蒸发靶材；3) —支可高速偏转的电子枪，用于轰击两个i甘祸，实现涂层材料(蒸发革El材)的蒸发，形成金属蒸气；4)至少一支空心阴极电子枪，用于产生低压大电流电子束，与金属蒸气发生作用形成高密度等离子体；5)辅助阳极，用于接收低压大电流电子束，实现电流回路。
[0013]所述的真空腔体与真空系统连接实现真空腔体的真空环境。所述的反应气体由质量流量控制器控制流量。
[0014]电子束在不同靶材上停留的时间可以根据需要进行调节:通过调节电子束的跳跃周期和在不同靶材上的停留时间可以灵活控制纳米多层硬质涂层的调制周期(相邻两层MeX和Me’X厚度之和)和层厚比(MeX层和Me’X层的厚度比)，进而获得具有不同性能的纳米多层结构硬质涂层。
[0015]电子束跳跃扫描过程中停留在每个坩祸的时间通常大于0.1so以两个蒸发坩祸为例，电子束的跳跃周期应大于0.2s。当电子束跳跃周期过低时，不同坩祸产生的金属蒸气将发生混合，无法形成纳米结构多层涂层。
[0016]基板在坩祸上方旋转，在基板上施加的负偏压可提高沉积粒子的能量，基板偏压通常为直流或脉冲方式。
[0017]基板旋转周期应小于电子束跳跃周期，或基板旋转周期大于电子束跳跃周期但非电子束跳跃周期的整数倍，否则将无法形成纳米多层结构涂层。
[0018]根据需要可对基板进行预热，预热方式可为电子束扫描预热或红外辐射预热，预热温度通常不超过873K。
[0019]根据需要，使用前可先对基板进行Ar离子和金属离子表面清洗，提高涂层结合力。
[0020]本发明的优点在于:
[0021]本发明所述的涂层制备方法具有沉积速度快、涂层致密无液滴、可灵活控制调制周期和层厚比等优点