多元復(fù)合涂層的制備裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及復(fù)合涂層制備的【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種多元復(fù)合涂層的制備裝置，該裝置包括：多個(gè)弧源，用于對(duì)多種靶材分別起弧對(duì)應(yīng)產(chǎn)生多種等離子體，并使多種等離子體運(yùn)動(dòng)；磁場(chǎng)管道，用于通過磁場(chǎng)約束并均勻混合多種等離子體，并使其同時(shí)到達(dá)待加工基體的表面，該磁場(chǎng)管道的一端與對(duì)應(yīng)的弧源連通；真空腔室，與磁場(chǎng)管道另一端連通，且待加工基體設(shè)置于真空腔室內(nèi)，多種等離子體進(jìn)入真空腔室內(nèi)在偏壓作用下撞擊待加工基體表面形成多元復(fù)合涂層。本實(shí)用新型通過采用磁場(chǎng)混合技術(shù)，將多個(gè)純金屬靶材產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行均勻混合，并將這些等離子體加速撞擊待加工基體表面形成多元合金涂層，實(shí)現(xiàn)了在低成本下制備性能穩(wěn)定、成分均勻的涂層的目的。
【專利說明】多元復(fù)合涂層的制備裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及復(fù)合涂層制備的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及多元復(fù)合涂層的制備裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代機(jī)加工中，主要刀具材料是高速鋼和硬質(zhì)合金，占刀具總量的97%? 98 %，其中，涂層高速鋼和涂層硬質(zhì)合金的刀具所占比例逐年增加，未涂層刀具所占比例逐 年下降，所以涂層刀具是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外機(jī)加工主要發(fā)展的刀具之一，具有很大的發(fā)展前景。
[0003] TiN、TiC和Al2O3是使用最早的硬涂層材料，后來結(jié)合TiC和TiN兩種材料優(yōu)點(diǎn)， 發(fā)展成TiCN涂層；然后又引入Al、Cr等金屬元素，開發(fā)出AlTiN、AlCrN等二元合金涂層， 并成功在市場(chǎng)上大批量使用；但隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)涂層的要求也越高，一元或者 二元合金涂層已經(jīng)不能滿足刀具要求，需要獲得強(qiáng)度硬度更高、紅硬性更好、耐氧化性更強(qiáng) 的涂層。因此，在二元合金涂層的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步添加金屬元素或者非金屬元素，制備三元 或者四元的復(fù)合涂層，可以顯著提升涂層的性能。
[0004] 涂層行業(yè)采用純金屬靶材、鑲嵌靶材和合金靶材制備涂層。其中，合金靶材的制造 成本很高，鑲嵌靶材成本較高，而純金屬靶材的制造成本最低。而多元復(fù)合涂層一般采用合 金靶材或者鑲嵌靶材制備。合金靶材采用熔煉法或者粉末冶金的辦法制備，這兩種辦法均 有不足之處，冶金法在熔煉的過程中容易產(chǎn)生成分偏析、氣泡等缺陷，使得這類合金靶材的 成分不均勻，且有雜質(zhì)，而粉末冶金法制備的靶材是先將不同元素的金屬粉末進(jìn)行配比，然 后采用球磨機(jī)這些粉末混合均勻，并經(jīng)過壓制燒結(jié)，形成合金靶材，靶材內(nèi)部容易存在粉末 偏聚、分布不均以及孔洞、不致密等缺陷。
[0005] 合金靶材采用多種元素組成，不同元素的熔點(diǎn)不一致，當(dāng)合金靶材起弧后，熔點(diǎn)低 的靶材容易熔化，形成液滴，不僅很難制備出與靶材成分比例一致的涂層產(chǎn)品，也因?yàn)橐旱?的產(chǎn)生而降低刀具的表面光潔度；另外合金靶材的制造成本高，特別是三元或者四元合金 靶材,靶材成本顯著增加,涂層企業(yè)難以承受。
[0006] 鑲嵌靶材是將塊狀的純金屬靶材鑲嵌在另一純金屬靶材中，通過控制鑲嵌比例來 控制涂層成分，雖然該辦法的制造成本相對(duì)較低，但是由于各種元素沒有均勻混合，制備的 涂層成分不均勻，也困擾著該技術(shù)的運(yùn)用。由于鑲嵌靶材激發(fā)后，等離子體中各元素的含量 與弧斑的運(yùn)動(dòng)位置相關(guān)，而弧斑運(yùn)動(dòng)位置與靶材的成分、形貌以及磁場(chǎng)相關(guān)，受多種因素的 影響，弧斑的運(yùn)動(dòng)軌跡很難控制，因而采用鑲嵌靶材制備的涂層，其成分存在波動(dòng)。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0007] 本實(shí)用新型的目的在于提供多元復(fù)合涂層的制備裝置，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中，采 用合金靶材和鑲嵌靶材制備多元復(fù)合涂層存在涂層成分不均勻、性能不穩(wěn)定，且生產(chǎn)成本 較高的問題。
[0008] 本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的，多元復(fù)合涂層的制備裝置，包括：多個(gè)弧源，用于對(duì)多 種靶材分別起弧對(duì)應(yīng)產(chǎn)生多種等離子體，并使多種所述等離子體運(yùn)動(dòng)；磁場(chǎng)管道，用于通過 磁場(chǎng)約束并均勻混合多種所述等離子體，并使其同時(shí)到達(dá)待加工基體的表面，該磁場(chǎng)管道 的一端與對(duì)應(yīng)的弧源連通；真空腔室，與磁場(chǎng)管道另一端連通，且所述待加工基體設(shè)置于所 述真空腔室內(nèi)，多種所述等離子體進(jìn)入真空腔室內(nèi)在偏壓作用下撞擊所述待加工基體表面 形成多元復(fù)合涂層。
[0009] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述真空腔室為球形的腔體結(jié)構(gòu)，多個(gè)所述弧源分布于所述真 空腔室外壁上并與其連通。
[0010] 優(yōu)選地，多個(gè)所述弧源的中心線相交形成有夾角，且相鄰的兩個(gè)所述弧源的中心 線所形成的夾角大于0°且小于90°。
[0011] 優(yōu)選地，所述靶材為純金屬靶材，且各個(gè)所述弧源上對(duì)應(yīng)安裝有不同元素的純金 屬靶材。
[0012] 進(jìn)一步地，所述磁場(chǎng)管道的外壁纏繞有磁感應(yīng)線圈，磁感應(yīng)線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，所 述磁場(chǎng)約束并均勻混合所述等離子體并使其同時(shí)到達(dá)待加工基體表面。
[0013] 優(yōu)選地，所述待加工基體為刀具。
[0014] 本實(shí)用新型提出的多元復(fù)合涂層的制備裝置，通過采用磁場(chǎng)混合技術(shù)，將多個(gè)純 金屬靶材產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行均勻混合，并將這些等離子體加速撞擊待加工基體表面形成 多元合金涂層，實(shí)現(xiàn)了在低成本下制備性能穩(wěn)定、成分均勻的涂層的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中多元復(fù)合涂層的制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施 例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋 本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0017] 以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0018] 如圖1所示，為本實(shí)用新型提出的較佳實(shí)施例。本實(shí)施例中，待加工基體以刀具為 例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，當(dāng)然，在其他實(shí)施例中，待加工基體也可以為其 他需要進(jìn)行涂層制備的構(gòu)件。
[0019] 本實(shí)用新型提出了一種多元復(fù)合涂層的制備裝置，該裝置包括：弧源1、磁場(chǎng)管道 2和真空腔室3,其中，
[0020] 弧源1，用于對(duì)靶材起弧產(chǎn)生等離子體，并使等離子體運(yùn)動(dòng)，具體地，在弧源1中安 裝有靶材，當(dāng)弧源1起弧后，靶材產(chǎn)生大量的等離子體，且使這些等離子體運(yùn)動(dòng)，本實(shí)施例 中，設(shè)置有多個(gè)弧源1，對(duì)應(yīng)地安裝有多種靶材；
[0021] 磁場(chǎng)管道2,用于通過磁場(chǎng)約束并均勻混合多種等離子體，并使其同時(shí)到達(dá)待加工 基體的表面，該磁場(chǎng)管道2的一端與對(duì)應(yīng)的弧源1連通，具體地，磁場(chǎng)管道2通電后可以產(chǎn) 生磁場(chǎng)，弧源1產(chǎn)生的等離子體進(jìn)入磁場(chǎng)管道2內(nèi)，這些等離子體受到磁場(chǎng)的約束，在磁場(chǎng) 內(nèi)繞著磁力線運(yùn)動(dòng)，這樣，多個(gè)弧源1中產(chǎn)生的多種等離子體就在磁場(chǎng)管道2內(nèi)，在磁場(chǎng)的 作用下均勻地混合；
[0022] 真空腔室3,與磁場(chǎng)管道2的另一端連通，這樣，弧源1經(jīng)過磁場(chǎng)管道2與真空腔 室3形成連通，另外，且刀具基體安裝在該真空腔室3內(nèi)，當(dāng)多個(gè)弧源1對(duì)各個(gè)靶材分別起 弧產(chǎn)生的多種等離子體在磁場(chǎng)管道2內(nèi)混合均勻并運(yùn)動(dòng)進(jìn)入真空腔室3內(nèi)，在偏壓的作用 下，這些等離子體撞擊刀具基體的表面，從而沉積形成多元涂層。
[0023] 在本實(shí)施例中，上述真空腔室3優(yōu)選為球形的腔體結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際情況和需 求，在其他實(shí)施例中，真空腔室3也可以為其他的形狀。多個(gè)上述弧源1均勻分布在球形的 真空腔室3的外壁上，并且與其連通，使得弧源1起弧產(chǎn)生的等離子體能夠進(jìn)入真空腔室3 的腔內(nèi)。本實(shí)施例將真空腔室3優(yōu)選為球形，使得進(jìn)入真空腔室3腔內(nèi)的等離子體進(jìn)一步 均勻地撞擊刀具基體的表面。
[0024] 進(jìn)一步地，上述的多個(gè)弧源1均勻分布在真空腔室3外壁上，這些弧源1的中心線 相交形成有夾角，相鄰的兩個(gè)弧源1的中心線之間夾角相等，且相鄰的兩個(gè)弧源1的中心線 所形成的夾角大于0°且小于90°。在本實(shí)施例中，真空腔室3的右側(cè)外壁上均勻間隔設(shè) 置有兩個(gè)弧源，左側(cè)外壁上均勻間隔設(shè)置有三個(gè)弧源，這三個(gè)弧源依序?yàn)榈谝换≡?1、第二 弧源12和第三弧源13,第一弧源11和第二弧源12的中心線的夾角為α，第二弧源12和 第三弧源13的中心線的夾角為β，此處，0〈α〈90°，0〈β〈90°，本實(shí)施例α和β優(yōu)選為 45°，當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際情況，在其他實(shí)施例中，α和β的大小可以根據(jù)實(shí)際需求在其范圍內(nèi) 進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)涂層成分的需求，可以增加更多的弧源，從而實(shí)現(xiàn)三元 或者四元等多元復(fù)合涂層的制備。
[0025] 另外，上述弧源1上安裝有靶材，此處，靶材優(yōu)選為純金屬靶材，多個(gè)弧源1分別安 裝有不同元素的純金屬靶材，當(dāng)這些弧源1同時(shí)工作時(shí)，將同時(shí)產(chǎn)生多種元素的等離子體， 這些等離子體受到磁場(chǎng)管道2中磁場(chǎng)的約束并混合均勻，在磁場(chǎng)內(nèi)繞著磁力線運(yùn)動(dòng)到真空 腔室3內(nèi)部的刀具基體上。在本實(shí)施例中，靶材優(yōu)選為純金屬靶材，相對(duì)于涂層行業(yè)中采用 的鑲嵌靶材和合金靶材，此處優(yōu)選的純金屬靶材的制造成本最低，有效降低了涂層制備的 成本。
[0026] 本實(shí)施例中，上述磁場(chǎng)管道2用于產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過該磁場(chǎng)約束并均勻混合多種等 離子體，具體地，在磁場(chǎng)管道2的外壁纏繞有磁感應(yīng)線圈21，當(dāng)磁感應(yīng)線圈21通電后就會(huì)產(chǎn) 生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，相應(yīng)地，該磁場(chǎng)磁力線穿過磁場(chǎng)管道2內(nèi)部，這樣，上述混合均勻的多種等 離子體就會(huì)在該磁場(chǎng)內(nèi)繞著磁力線運(yùn)動(dòng)而進(jìn)入真空腔室3內(nèi)部，同時(shí)，這些等離子體在偏 壓的作用下，獲得了足夠的能量而撞擊刀具基體的表面，在刀具基體表面吸附形核和生長(zhǎng)， 從而形成多元合金的涂層，該涂層成分均勻，性能穩(wěn)定。
[0027] 另外，上述多元復(fù)合涂層的制備裝置還可以調(diào)節(jié)各個(gè)弧源1的弧電流，通過調(diào)節(jié) 弧電流控制各個(gè)弧源1上所產(chǎn)生的等離子體的數(shù)量，從而控制所制備的涂層中各元素的含 量和涂層的晶體結(jié)構(gòu)。
[0028] 本實(shí)施例中，上述多元復(fù)合涂層的制備裝置的基本工作方式為：
[0029] 上述第一弧源11、第二弧源12和第三弧源13同時(shí)起弧后，同時(shí)產(chǎn)生大量的等離子 體，這些等離子體獲得一定的動(dòng)能，并做無序的運(yùn)動(dòng)，接著，這些等離子體進(jìn)入三個(gè)弧源下 端連接的磁場(chǎng)管道2內(nèi)，該磁場(chǎng)管道2上纏繞著大量的磁感應(yīng)線圈21，通電后產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁 場(chǎng)，帶電等離子體運(yùn)動(dòng)到該位置時(shí)，將被磁場(chǎng)均勻混合并約束著向前運(yùn)動(dòng)，使得這三種等離 子體同時(shí)到達(dá)刀具基體表面時(shí)，形成含有三種合金元素的三元復(fù)合涂層；
[0030] 在該裝置的右側(cè)外壁上均勻間隔設(shè)置有兩個(gè)弧源，分別是第四弧源14和第五弧 源15,同樣地，這兩個(gè)弧源產(chǎn)生的等離子體，在磁場(chǎng)管道2中磁場(chǎng)的約束下，同時(shí)到達(dá)刀具 基體時(shí)，也可以形成含有二種金屬元素的二元復(fù)合涂層。
[0031] 采用上述多元復(fù)合涂層的制備裝置對(duì)刀具進(jìn)行涂層制備，具有以下特點(diǎn)：
[0032] 1)上述的制備裝置中，在弧源1中安裝純金屬靶材，相對(duì)于涂層行業(yè)中通常采用 的鑲嵌靶材和合金靶材，此處優(yōu)選的純金屬靶材制造成本最低，有效降低了對(duì)刀具進(jìn)行涂 層制備的生產(chǎn)成本；
[0033] 2)上述的制備裝置中，設(shè)置有磁場(chǎng)管道2,該磁場(chǎng)管道2外壁纏繞有磁感應(yīng)線圈 21，通電后，磁場(chǎng)管道2內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過磁場(chǎng)將多個(gè)純金屬靶材產(chǎn)生的多種等離子體進(jìn) 行約束混合，使得多種等離子體的混合更加均勻化，保證了所形成的涂層性能穩(wěn)定、成分均 勻。
[0034] 本實(shí)用新型中，上述多元復(fù)合涂層的制備包括如下步驟：
[0035] 100)將刀具基體進(jìn)行超聲波清洗，去除刀具基體表面的污染物，如粉塵、油污等；
[0036] 200)采用上述多元復(fù)合涂層的制備裝置對(duì)刀具基體進(jìn)行濺射清洗，去除吸附在刀 具基體表面的微量雜質(zhì)，提升涂層與基體的結(jié)合力；
[0037] 300)采用上述多元復(fù)合涂層的制備裝置對(duì)刀具基體進(jìn)行涂層制備。
[0038] 下面將以TiAlCrN涂層為例對(duì)上述制備方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0039] 本實(shí)施例中，上述步驟100)"將刀具基體進(jìn)行超聲波清洗，去除刀具基體表面的污 染物，如粉塵、油污等"，具體包括：
[0040] 101)，首先在超聲波的作用下，采用金屬清洗劑去除刀具基體上大量的粉塵和油 脂等；102)，然后繼續(xù)在超聲波的作用下，采用有機(jī)溶劑去除刀具基體上殘留的油脂等雜 質(zhì)，如丙酮；103)，最后，采用熱風(fēng)對(duì)刀具基體進(jìn)行吹干，從而獲得干凈清潔的表面，保證了 涂層與刀具基體的結(jié)合力。
[0041] 本實(shí)施例中，上述步驟200) "采用上述多元復(fù)合涂層的制備裝置對(duì)刀具基體進(jìn)行 濺射清洗，去除吸附在刀具基體表面的微量雜質(zhì)，提升涂層與基體的結(jié)合力"。本方案采用 金屬鈦離子對(duì)刀具基體進(jìn)行濺射清洗，具體包括：
[0042] 201)，在第一弧源11上安裝純鈦靶；
[0043] 202)，對(duì)真空腔室3進(jìn)行抽真空；
[0044] 203)，當(dāng)真空腔室3內(nèi)的氣壓小于1.0父10_午&，且溫度達(dá)到3001：時(shí)，單獨(dú)啟動(dòng)第 一弧源11，其余弧源均不工作，并調(diào)節(jié)偏壓為-1000V，將鈦等離子體加速撞擊刀具基體，持 續(xù)時(shí)間20?30分鐘，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具基體的濺射清洗。具體濺射工藝如表1。
[0045] 表1 :濺射清洗工藝
[0046]

【權(quán)利要求】
1. 多元復(fù)合涂層的制備裝置，其特征在于，包括： 多個(gè)弧源,用于對(duì)多種靶材分別起弧對(duì)應(yīng)產(chǎn)生多種等離子體，并使多種所述等離子體 運(yùn)動(dòng)； 磁場(chǎng)管道，用于通過磁場(chǎng)約束并均勻混合多種所述等離子體，并使其同時(shí)到達(dá)待加工 基體的表面，該磁場(chǎng)管道的一端與對(duì)應(yīng)的弧源連通； 真空腔室，與所述磁場(chǎng)管道另一端連通，且所述待加工基體設(shè)置于所述真空腔室內(nèi)，多 種所述等離子體進(jìn)入所述真空腔室內(nèi)在偏壓作用下撞擊所述待加工基體表面形成多元復(fù) 合涂層。
2. 如權(quán)利要求1所述多元復(fù)合涂層的制備裝置，其特征在于，所述真空腔室為球形的 腔體結(jié)構(gòu)，多個(gè)所述弧源分布于所述真空腔室外壁上并與其連通。
3. 如權(quán)利要求2所述多元復(fù)合涂層的制備裝置，其特征在于，多個(gè)所述弧源的中心線 相交形成有夾角，且相鄰的兩個(gè)所述弧源的中心線所形成的夾角大于0°且小于90°。
4. 如權(quán)利要求3所述多元復(fù)合涂層的制備裝置，其特征在于，所述靶材為純金屬靶材， 且各個(gè)所述弧源上對(duì)應(yīng)安裝有不同元素的純金屬靶材。
5. 如權(quán)利要求1所述多元復(fù)合涂層的制備裝置，其特征在于，所述磁場(chǎng)管道的外壁纏 繞有磁感應(yīng)線圈，所述磁感應(yīng)線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)約束并均勻混合所述等離子體 并使其同時(shí)到達(dá)待加工基體表面。
6. 如權(quán)利要求1?5任一項(xiàng)所述多元復(fù)合涂層的制備裝置，其特征在于，所述待加工基 體為刀具。
【文檔編號(hào)】C23C14/35GK204237863SQ201420615208
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】陳成, 張賀勇, 屈建國(guó) 申請(qǐng)人:深圳市金洲精工科技股份有限公司