一种电子束物理气相沉积装置及工件涂层制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子束物理气相沉积技术领域，尤其涉及一种电子束物理气相沉积装置及工件涂层制备方法。
【背景技术】
[0002]电子束物理气相沉积(ElectronBean-Physical Vapor Deposit1n，简称EB_PVD)设备可以应用于发动机叶片热障涂层的制备，以及发动机叶片的修复和表面处理，还可以应用于微电子与光学涂层的制备、多层或叠层材料等新材料制备、零件修复、难加工材料的近净成形等制造领域。由于其在高质量热障涂层制备上具有的独特优势，目前已经在各国广泛应用。
[0003]为了满足高性能发动机研制和生产的需要，采用相转变温度更高或无相变、热稳定性更好的新型热障涂层材料是发动机叶片热障涂层的必然发展趋势。目前已经开始使用和在研的新型热障涂层均为多元复杂体系材料，由于成分复杂，各组分的饱和蒸气压差别较大，容易导致电子束蒸发的蒸气的成分与设计成分偏差较大、沉积涂层成分偏析严重、涂层性能和寿命下降等问题。
[0004]为了提高发动机叶片涂层的性能，现有技术对在多源状态下如何获得厚度、组分比较均匀的涂层进行了论述，其中多源是指多个电子束蒸发源，每一个电子束蒸发源包括一把电子枪和坩祸及其配套装置，要实现多组分高性能薄膜沉积，只能是多个电子束源同时工作，实时检测每个蒸发源的蒸发速率，并将其作为闭环反馈控制量实时调整相应电子束源的输出功率，这就要求实现多源蒸发至少需要三套电子束蒸发源，如果包括加热电子束源，至少需要四套电子束源。四套或更多电子束源如果采用现有的乌克兰多电子枪共用一个电源的模式，闭环反馈调整每个蒸发源的蒸发速率的方法几乎无法实现;如果采用一枪一电源模式，虽然可以实现多源蒸发物理气相沉积的效果，但是整个系统控制将会十分复杂，且多个电源将使设备成本大幅提高。
【发明内容】
[0005]本发明的实施例提供一种电子束物理气相沉积装置及工件涂层制备方法，以解决当前多套电子束源共用一个电源的模式，闭环反馈调整每个蒸发源的蒸发速率难以实现的问题;同时能够简化系统，降低设备成本。
[0006]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种电子束物理气相沉积装置，包括:第一高压电源、第二高压电源、第一电子枪、第二电子枪、主真空室、辅助真空室以及控制系统电路；
[0008]所述第一高压电源与所述第一电子枪连接，所述第二高压电源与所述第二电子枪连接；
[0009]所述第一电子枪的电子束发射端和第二电子枪的电子束发射端分别与所述主真空室的上端连接；
[0010]在所述主真空室内设置有与第二电子枪相对应的第一靶材、第二靶材和第三靶材；
[0011]在所述主真空室与所述辅助真空室之间设置有阀门；在所述阀门开启时，所述主真空室与所述辅助真空室联通；
[0012]在所述辅助真空室内设置有用于将待处理工件传送到主真空室内的工件旋转工作台；在所述待处理工件被传送入主真空室内时，所述待处理工件对应于所述第一电子枪；
[0013]所述控制系统电路分别连接所述第一电子枪、第二电子枪、主真空室、阀门、辅助真空室和所述工件旋转工作台。
[0014]具体的，所述第一电子枪包括第一枪体、第一灯丝、第一阳极、第一聚焦线圈、第一偏转线圈、第二偏转线圈；
[0015]所述第一灯丝设置于所述第一枪体的上部;所述第一灯丝的两端通过第一电缆与所述第一高压电源连接;所述第一灯丝、第一阳极、第一聚焦线圈、第一偏转线圈、第二偏转线圈从上至下依次沿所述第一枪体的中轴线安装;所述第一阳极接地;所述第一偏转线圈和第二偏转线圈均包括磁芯方向相互垂直的X向线圈和Y向线圈;所述第一枪体的下端通过过渡法兰与所述主真空室相连；
[0016]所述第一偏转线圈、第二偏转线圈设置于所述第一枪体内部;或者所述第一偏转线圈、第二偏转线圈外挂于所述第一枪体下端，且位于所述主真空室与第一枪体连接处的电子束流出束口的下端。
[0017]具体的，所述第二电子枪包括第二枪体、第二灯丝、第二阳极、第二聚焦线圈、第三偏转线圈、第四偏转线圈；
[0018]所述第二灯丝设置于所述第二枪体的上部;所述第二灯丝的两端通过第二电缆与所述第二高压电源连接;所述第二灯丝、第二阳极、第二聚焦线圈、第三偏转线圈、第四偏转线圈从上至下依次沿所述第二枪体的中轴线安装;所述第二阳极接地;所述第三偏转线圈和第四偏转线圈均包括磁芯方向相互垂直的X向线圈和Y向线圈;所述第二枪体的下端通过过渡法兰与所述主真空室相连；
[0019]所述第三偏转线圈、第四偏转线圈设置于所述第二枪体内部;或者所述第三偏转线圈、第四偏转线圈外挂于所述第二枪体下端，且位于所述主真空室与第二枪体连接处的电子束流出束口的下端。
[0020]具体的，所述控制系统电路包括第一偏转扫描电路、第二偏转扫描电路、第一聚焦电路、第三偏转扫描电路、第四偏转扫描电路、第二聚焦电路、主真空室真空控制电路、辅助真空室真空控制电路、阀门控制电路、工件旋转工作台运动伺服系统电路；
[0021]所述第一偏转扫描电路与所述第一偏转线圈的X向线圈和Y向线圈分别连接；
[0022]所述第二偏转扫描电路与所述第二偏转线圈的X向线圈和Y向线圈分别连接；
[0023]所述第一聚焦电路与所述第一聚焦线圈连接；
[0024]所述第三偏转扫描电路与所述第三偏转线圈的X向线圈和Y向线圈分别连接；
[0025]所述第四偏转扫描电路与所述第四偏转线圈的X向线圈和Y向线圈分别连接；
[0026]所述第二聚焦电路与所述第二聚焦线圈连接；
[0027]所述主真空室真空控制电路与所述主真空室连接；
[0028]所述辅助真空室真空控制电路与所述辅助真空室连接；
[0029]所述阀门控制电路与所述阀门连接；
[0030]工件旋转工作台运动伺服系统电路与所述工件旋转工作台连接。
[0031]此外，在所述主真空室内还设置有用于遮挡金属蒸气的蒸气遮挡板。
[0032]一种工件涂层制备方法，应用于上述的电子束物理气相沉积装置;所述方法包括:
[0033]控制第二高压电源供电，以控制第二电子枪输出第二电子束流；
[0034]向第三偏转线圈和第四偏转线圈输出扫描波形，以控制所述第二电子束流以一预设轨迹分别扫描主真空室内的第一靶材、第二靶材和第三靶材，产生金属蒸气；
[0035]控制金属蒸气挡板将所述金属蒸气挡于主真空室下部；
[0036]控制阀门开启，并控制工件旋转工作台将待处理工件从辅助真空室传送到所述主真空室内；
[0037]控制第一高压电源供电，以控制第一电子枪输出第一电子束流照射所述待处理工件；
[0038]控制所述金属蒸气挡板撤出，使得所述金属蒸气与所述待处理工件接触，以制备待处理工件的涂层。
[0039]具体的，在控制第二高压电源供电，以控制第二电子枪输出第二电子束流之前，包括:
[0040]控制主真空室达到预先设置的真空度。
[0041]具体的，所述控制第二高压电源供电，以控制第二电子枪输出第二电子束流，包括:
[0042]控制第二聚焦线圈的聚焦电流以及所述第二电子束流，以使得所述第二电子束流达到预先设置的第一束流强度。
[0043]具体的，所述向第三偏转线圈和第四偏转线圈输出扫描波形，以控制所述第二电子束流以一预设轨迹分别扫描主真空室内的第一靶材、第二靶材和第三靶材，产生金属蒸气，包括:
[0044]向第三偏转线圈的X向线圈输入预设频率的三阶波形，以使得所述第三偏转线圈的X向线圈在第一时间段内的电流为Ιχ?，在第二时间段内的电流为0，在第二时间段内的电流为-1xl，使得第二电子束流以一预设轨迹在第一时间段内扫描所述第一靶材，在第二时间段内扫描所述第二靶材，在第三时间段内扫描所述第三靶材，并持续一预先设置的驻留时间，以加热各靶材，产生金属蒸气；
[0045]将所述第二电子束流从第一束流强度降低到预先设置的第二束流强度。
[0046]进一步的，所述向第三偏转线圈和第四偏转线圈输出扫描波形，以控制所述第二电子束流以一预设轨迹分别扫描主真空室内的第一靶材、第二靶材和第三靶材，产生金属蒸气，还包括:
[0047]若所述第二电子束流的扫描轨迹需要改变，则向第四偏转线圈的X向线圈和Y向线圈分别输入预设频率的电流波形。
[0048]具体的，所述控制第一高压电源供电，以控制第一电子枪输出第一电子束流照射所述待处理工件，包括:
[0049]控制第一高压电源供电，以控制第一电子枪输出第一电子束流照射所述待处理工件，以对待处理工件进行加热，直至待处理工件的温度达到预先设置的第一温度阈值;所述第一电子束流为预先设置的加热工艺束流强度。
[0050]具体的，所述控制所述金属蒸气挡板撤出，使得所述金属蒸气与所述待处理工件接触