多级磁场和脉冲偏压电场在电弧离子镀中的作用机理研究

In order to solve the problems of low transmission efficiency of plasma and macroparticles defects in conventional arc ion plating technique, a new idea is proposed by this project. This new arc ion plating method combines the merits of straight multistage magnetic fields filter and pulsed bias electric field. The constraints and guiding roles of multistage magnetic fields and electric field’s attraction are used to control the motion features and the transmission efficiency of the plasma in the arc ion plating processing. The transmission efficiency and ion energy of plasma will be enhanced and the macroparticles in films will be inhibited effectively. Finally the dense and uniform films will be deposited rapidly and the low-melting-point metal target materials will be applied in preparation of high quality films. According to the theory of magnetic fields design and electric field regulation, the multistage magnetic fields device will be trial produced and the pulsed bias power will be improved optimally. The numerical model of the multistage magnetic fields and pulse bias electric field on the role of plasma and macroparticles will be established. The results of macroparticles removal effects and the characteristics of plasma transmission will be obtained in the recombination action of electromagnetic fields by experiments. Comparing the results of experiments and numerical simulations, the devices of straight multistage magnetic fields filter and pulse bias power source will be optimally designed. The mechanisms of macroparticles removal and transmission efficiency of the plasma increase will be achieved. By this new arc ion plating method, the high-quality films without macroparticles pollutions will be deposited rapidly with low-melting-point metal target materials. And it will provide a theoretical basis and technological foundation for wide applications of this new arc ion plating method.

针对传统电弧离子镀技术中的大颗粒缺陷和目前磁过滤方法中等离子体传输效率低的问题，本项目提出多级磁场直管磁过滤和脉冲偏压电场复合的电弧离子镀新方法，利用磁场的约束与引导和电场的吸引作用对电弧离子镀中等离子体的运动特征和传输效率进行控制，提升等离子体的传输效率和离子能量，消除电弧离子镀所制备薄膜中的大颗粒问题，快速制备组织致密均匀的薄膜，实现低熔点金属靶材在薄膜制备中的应用。依据磁场设计和电场调整的相关理论，试制多级磁场装置和改进脉冲偏压电源，建立多级磁场和脉冲偏压电场对等离子体与大颗粒作用的数值模型，通过实验研究在电磁场复合作用下大颗粒的去除效果和等离子体的传输特征。根据仿真与实验结果的对比，对多级磁场直管磁过滤装置和脉冲偏压电源进行优化设计，获得大颗粒清除与等离子体传输效率提升的作用机理，实现低熔点金属靶材快速制备无大颗粒污染的优质薄膜，为电弧离子镀新方法的推广应用提供理论依据和技术基础。

本项目首次提出了多级磁场直管磁过滤装置和脉冲偏压复合的电弧离子镀方法，取得了一系列关于新方法的授权发明专利3项，并在国内外学术会议上对相关的研究成果进行了展示，相关的研究成果获得河南省教育厅科技成果一等奖1项。通过改变TiN单层和TiAlN单层的调制周期，在M2高速钢基体上制备了超硬的TiN/TiAlN纳米多层薄膜，来研究结构调制对多层薄膜微观结构和性能的影响，通过改变脉冲偏压幅值、占空比、沉积时间、工作距离和基体放置方向，研究了电弧离子镀技术的典型问题——大颗粒的空间分布规律，为消除和避免大颗粒对薄膜的污染提供了指导，对于实际的工艺生产具有较大的借鉴意义。在纯氮气条件下，制备的TiN/TiAlN多层薄膜主要是NaCl类型的面心立方结构，调制结构对于TiN/TiAlN多层薄膜的生长行为和性能具有重要影响。多层薄膜主要以(111)为择优取向，同时还出现了h-AlN的(1010)晶格取向。随着TiN/TiAlN多层薄膜调制周期的增加，多层薄膜的硬度逐渐增强。通过摩擦磨损试验发现，在多层薄膜与对磨钢球GCr15对磨过程中，主要以对磨钢球的磨损为主，磨屑堆积在薄膜表面处，引起磨痕升高。多层薄膜的膜基结合力基本都在60N以上，最高达到74.1N。通过大颗粒空间传输特征的理论分析，对大颗粒面积和质量之间的对应关系、传输过程中的空间受力和能量变化进行了计算，解释了大颗粒在薄膜表面数目和形貌变化的主要原因。在电弧等离子体中，大颗粒主要受到自身重力、热泳力、电场力和离子拖曳力的共同作用。在传输过程中，大颗粒受到等离子体中离子和电子的碰撞，引起大颗粒的能量变化，使大颗粒在到达基体表面时保持半固态和液态。当大颗粒与基体表面发生碰撞时，大颗粒呈现扁平的椭圆状和长条状形貌。通过采用多级磁场直管磁过滤装置与脉冲偏压复合的方法，可以有望解决大颗粒缺陷对电弧离子镀所制备薄膜的污染问题。