脉冲工艺在薄膜制备中的应用

本文综述了国内外脉冲工艺在电弧离子镀和磁控溅射中的应用.脉冲工艺为电弧离子镀净化大颗粒、增强膜基结合力、改善组织形貌、降低沉积温度等起到了重要作用.电弧或溅射离子镀高的离化率为脉冲工艺提供了最好的应用条件.最后,对脉冲工艺在薄膜制备中的应用前景进行了展望.     

脉冲电弧源的发射特性建模

脉冲电弧源是脉冲电弧离子镀方法制备薄膜的重要部件，其发射特性是影响薄膜均匀性的重要因素，本文从理论出发，建立脉冲电弧源发射特性的数学模型，编程计算得到理论的均匀性曲线，与实际的沉积薄膜厚度的均匀性对比，结果表明：脉冲电弧源的蒸发特性可以等效于多个面源的叠加，每一个面源发射的离子密度空间分布符合余弦定律。     

电弧离子镀中不同偏压模式对TiN薄膜形貌的黄美东

用扫描电子显微镜观察了电弧离子镀中各种不同偏压模式：不加偏压、加不同直流偏压和加幅值相同但占突比不同的脉冲偏压情况下获得的TiN薄膜的表面形貌,结果表明,脉冲偏压可以大大减小膜表面的大颗粒尺寸和数量,显著改善表面形貌。     

脉冲偏压对电弧离子镀深管内壁沉积TiN薄膜的影响

用电弧离子镀设备,分别采用直流偏压和脉冲偏压的沉积工艺,在一端封口的50 mm×200 mm×5 mm的不锈钢深管内壁上沉积TiN薄膜,对薄膜的厚度、表面形貌、相结构、硬度和磨损性能等随管子深度的变化进行了对比测试.结果表明,两种工艺下薄膜的厚度、硬度以及耐磨性能都随管子的深度而下降,但与直流偏压相比,脉冲偏压能够提高薄膜厚度和硬度,减少大颗粒的尺寸和数量,提高耐磨性能;按照硬度不低于20 GPa的标准划分,脉冲偏压使镀膜深度提高了40%,即从直流偏压的50 mm提高到70 mm.     

脉冲真空放电离子密度的测量

由于采用脉冲放电沉积技术能够克服连续电弧离子镀沉积时产生的液滴及负偏压放电的缺点，特别是它在镀制类金刚石薄膜中显示出来的独特性能：不含氢和硬度高，使其在薄膜沉积技术中越来越受到广大研究者的重视。为了更深入地研究薄膜的沉积工艺和薄膜性能之间的关系，迫切需要对脉冲真空放电等离子体的微观参数进行深入透彻的研究，如离子密度及其空间分布等。本文介绍了测量脉冲真空电弧离子源离子密度的方法，并采用该方法测量了脉冲真空电弧离子源离子密度及其空间分布，分析和研究了影响离子空间分布的各种参数。     

脉冲真空电弧离子源工艺参数对薄膜厚度分布的影响

薄膜厚度的均匀性是影响沉积方法应用的一个重要的因素，利用脉冲真空电弧离子镀技术在Si基片上沉积山类金刚石薄膜，采用轮廓仪对膜的厚度进行了测量，研究服不同工艺参数对薄膜均匀性的影响。实验结果表明：脉冲离子源阴极和基片的距离，主回路工作电压以及沉积频率对薄膜均匀性有不同程度的影响。根据分析结果，找出最佳工艺参数，通过比较两种离子源的结果表明，离子源结构对其镀膜均匀性有较大的影响。     

电弧离子镀的旋转横向磁场弧源设计

电弧离子镀工艺中电弧蒸发产生的大颗粒污染严重影响了所沉积涂层的性能.为了从源头上解决大颗粒难题,本文提出了一种新的旋转横向磁场的设计思路,通过频率和强度可调且覆盖整个靶面的旋转横向磁场控制弧斑的运动.通过有限元模拟磁场的分布,对旋转横向磁场控制的电弧离子镀弧源进行了优化设计.并根据方案制作了旋转磁场发生装置及其电源,使该弧源的旋转磁场具有多模式可调频调幅的功能,用以改善弧斑的放电形式,提高靶材刻蚀均匀性和靶材利用率,减少靶材大颗粒的发射,用以制备高质量的薄膜以及功能薄膜,以拓展电弧离子镀的应用范围.     

电弧离子镀与磁控溅射复合技术制备Ti/TiN/TiAlN复合涂层的组织结构与力学性能

采用磁控溅射和电弧离子镀技术,在高速钢基体上制备了Ti/TiN/TiAlN复合涂层。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、微米划痕仪等方法研究了镀覆条件对复合涂层的形貌、组织结构和力学性能的影响。结果表明,离子镀镀覆的过渡层对磁控溅射涂层的显微组织和力学性能有重要影响。例如,新开发的AIP+MS技术制备的复合膜比AIP或MS技术制备的薄膜具有更高的硬度、更好的耐磨性能、更光滑的表面和更强的膜基结合力(大于30N)。由于电弧离子镀TiN过渡层表面的"大颗粒"在磁控溅射沉积TiAlN薄膜时也会结晶长大,组织形貌与膜上的TiAlN相似,提高了其与周围薄膜的结合,电弧离子镀TiN过渡层表面的"大颗粒"负面效应大大弱化。     

基体放置状态与脉冲偏压幅值对大颗粒形貌和分布的影响

利用电弧离子镀方法制备了TiN薄膜,研究了脉冲偏压幅值和试样放置状态对Ti大颗粒形貌和分布规律的影响。采用扫描电子显微镜观察了薄膜的表面形貌,利用Image J科学图像软件对Ti大颗粒的数目和尺寸进行了分析。结果表明:在不施加脉冲偏压时,随着试样表面与靶表面放置方向从平行到垂直,大颗粒数目迅速由4964降低到3032,所占薄膜的面积比从12.1%减少到4.7%;而在相同的放置方向下,发现静止状态下的薄膜表面大颗粒数目较少,尺寸也较小,而转动状态下大颗粒形貌差别较大,尺寸和所占的面积比较大。随着脉冲偏压幅值的增加,在各个放置状态下大颗粒都出现了先减小后增加的趋势,当幅值在-400 V时,薄膜表面大颗粒所占的面积比都达到最小值。     

过滤电弧抑制薄膜中颗粒机理的实验分析

讨论利用直线型过滤电弧制备TiAlN薄膜中,过滤磁场作用于弧斑、靶中毒现象,电子和离子的回流和叠加偏压等因素影响作用的大小进行了实验分析.结果表明,磁场对弧斑分裂和弧斑运动速度的综合作用最为显著是由于直线型过滤电弧形成的瓶颈磁场造成的电子和离子的回流,以及直流叠加脉冲偏压形成的放电空间的等离子体磁撞,分解和离化的所起的共同作用的结果.这对于控制电弧离子镀沉积薄膜中的颗粒尺寸和颗粒密度,指定合理的工艺参数有一定的指导作用.     

脉冲MIG焊熔滴过渡光谱信息的研究

采用焊接电弧光谱检测装置,对脉冲MIG焊熔滴过渡的光谱信息进行了研究,结果表明,电弧光谱信息可以很好地反映脉冲MIG焊的熔滴过渡;发现了多种熔滴过渡的光谱信息模式,这些模式可反映1峰0基、1峰1基等各种形式的熔滴过渡,特别是可以对脉冲峰值期间的多滴喷射过渡作出清晰的反映;信号波形的脉动幅值大,脉宽较宽,抗干扰能力强,容易识别,信号品质优越。这些结果为脉冲MIG焊熔滴过渡的光谱实时控制奠定了良好基础,为脉冲MIG焊的控制开辟了一条新途径。     

电火花堆焊技术的研究与应用现状

电火花堆焊是先进的表面工程技术之一。概述了其基本理论和工艺,综述了电火花堆焊技术的研究现状,重点介绍了该技术在表面修复领域的广泛应用,旨在进一步扩展该技术的应用空间,为电火花堆焊技术在国内的发展和应用提供借鉴。     

Properties of super-hard carbon films deposited by pulsed arc process

The pulsed vacuum arc discharge (pulsed arc) is the most efficient PVD-technology for the deposition of super-hard carbon films on tools and machinery parts. Using the pulsed arc discharge a stable evaporation process of carbon and an efficient deposition of hydrogen-free ta-C type films is possible. In this paper, important properties of such ta-C films and their process conditions are explained. The films were characterized by hardness measurements using nanoindentation, friction and wear properties using oscillating sliding tests, and structural analysis using Raman spectroscopy.     

液相电沉积金刚石薄膜的研究进展

评述了液相沉积(类)金刚石薄膜的研究现状,介绍了液相合成(类)金刚石薄膜的装置、液态源及薄膜的性能,分析了如何更好地提高(类)金刚石薄膜质量,并在此基础上提出了一种可能制备出高质量金刚石薄膜的脉冲电弧放电沉积装置.     

脉冲真空电弧离子镀在不锈钢上沉积类金刚石薄膜的研究

利用脉冲真空电弧离子镀技术在3Cr13不锈钢上制备了类金刚石(DLC)薄膜,通过Raman光谱分析了膜的结构特征,采用摩擦磨损试验机测试了薄膜在不同载荷下的摩擦系数,运用划痕仪研究了膜基的结合强度.结果表明:所镀制的薄膜具有典型类金刚石结构特征,膜中ID/IG为1.33;摩擦系数随着载荷的增大而减小,载荷为5 N,转速120 r/min时的摩擦系数为0.12;Ti过渡层的引入显著地提高了膜基结合力.     

脉冲偏压电弧离子镀制备C_(1-x-y)N_xZr_y超硬复合薄膜

用脉冲偏压电弧离子镀方法在保持石墨靶弧流恒定的条件下,通过同步改变锆靶弧流与氮流量,在硬质合金基体上制备了一系列不同成分的C1-x-yNxZry复合薄膜.随着锆靶弧流与N流量增加,薄膜中Zr与N含量都呈线性增加,同时C含量快速减少.Raman光谱显示所制备的薄膜具有DLC特征,而XRD结果显示薄膜中还存在有明显的ZrN晶体相,说明本实验所制备的薄膜属于在DLC非晶基体上匹配有ZrN晶体相的碳基复合薄膜.随Zr与N含量增加,薄膜硬度先增大后降低,当x=0.19,y=0.28时薄膜具有最高硬度值,为43.6GPa,达到了超硬薄膜的硬度值.     

脉冲电弧沉积类金刚石薄膜的厚度建模

从理论和实验出发,分析脉冲电弧源的放电机理,讨论了脉冲电弧源发散特性,得到影响膜厚空间分布的主要因素,建立膜厚空间分布和主要因素之间的数学模型,结果表明和实验数据吻合.