钛合金件内外双靶材磁控溅射镀铝设备改进研发
摘要：院真空离子镀铝过程无三废即废水、废气、废渣产生，已成为广泛研究的热点。本文分析了真空离子磁控溅射镀铝设备原理结构和设计流程，引入闭合磁场非平衡磁控溅射技术思路，对比直流单靶材磁控溅射和内外双靶材磁控溅射中的电磁场分布和等离子体分布，将 2 个直流内单圆柱靶改制为 4 个磁极相对的内外双圆柱靶结构，构建内靶磁场和外靶磁场相反的闭合磁场，研发满足涂层综合性能要求且适于批量生产的镀铝设备，助推国内新型装备高质量发展和清洁节能生产。
0 引言
钛合金零件具有结构重量轻、比强度高、抗蚀性强、耐高低温、抗疲劳等特点，对飞行器减重增速效果明显，广泛应用于航空航天装备。但钛合金钝态电位较高，在不进行表面特殊处理的情况下，易与电极电位较负的铝合金、钢质机体等接触件产生电偶腐蚀与“咬死”，不易装卸，同时会使钛合金零件析氢导致氢脆，造成飞行器结构破坏。航空航天工业上，采用传统电镀镉的方法防止钛合金零件与接触件间产生电偶腐蚀与“咬死”，但电镀镉工艺易引起钛合金氢脆、镉脆和镉的环境污染，已逐步被真空离子镀铝工艺取代。真空镀铝具有比电镀镉更好的防腐蚀性能和环境友好优点，已成为表面处理技术研究热点，但其设备高昂、薄膜致密均匀性不足、生产效率低且成本高，已成为其推广应用之瓶颈。
1 真空离子磁控溅射镀铝设备国内外研究现状与本文研究目标内容
离子气相沉积技术复杂，设备研制难度较大，目前多由德国、瑞士等公司进行设备制造和工艺开发。巴尔查斯涂层是国际最大的真空镀铝涂层公司，其设备和技术不外泄，其设备价格昂贵，达 400耀500 万美元。
国内早在 1980 年大连理工大学材料系陈宝清教授等人就立项开展“离子镀替代电镀技术研究及专用设备的研制”，先后完成钢铁件离子镀覆铝、镀钛、镀铬，黄铜件离子镀不锈钢以及黄铜件、铝合金、锌基合金的离子镀中间层合金等研究，然而，对钛合金件离子镀覆铝技术及装备的研究至今多停留在高校实验室或研究院，产业化进展缓慢，这严重限制了钛合金零件的产能规模和应用范围。为满足国内新型装备对钛合金零件的迫切需求，本文就某航天企业现有直流内单圆柱靶真空离子磁控溅射镀铝设备存在的镀铝膜厚薄不均、成本高且效率低等批产瓶颈问题，引入闭合磁场非平衡磁控溅射技术，采用直流内外双圆柱靶技术对现有批产设备进行改制。
2 真空离子磁控溅射镀铝技术原理
磁控溅射镀铝是在真空中利用荷能离子轰击靶材，靶材原子被轰击出来后经输运沉积在工件表面成膜。由于在阴极靶材中放置磁钢，辉光放电两极之间引入电磁场，运动电子在磁场中受洛仑兹力作用其运动轨迹不再是近似直线穿过放电区域，而是以摆线和螺旋线的复合形式在靶
周围作圆周运动。电子运动路径大大延长且被电磁场束缚在近靶材周围的等离子区域内，与工作气体分子碰撞次数增加，等离子体密度增大，磁控溅射速率得到很大提高，且可在较低的溅射电压和气压下工作，降低薄膜污染倾向，同时，提高了入射到衬底表面的原子的能量，在很大程度上改善了薄膜质量。此外，电子经多次碰撞到达工件时，已变成低能电子，不会使工件过热。因此磁控溅射法攻克了二级溅射速率低和电子使镀件温度升高的难点，获得了迅速发展和广泛应用。
3 真空离子磁控溅射镀铝设备原理结构与存在的问题
3.1 真空离子磁控溅射镀铝设备原理结构
真空离子磁控溅射镀铝设备原理:
真空系统抽气→充氩气→辉光清洗→大功率磁控溅射镀铝→高离化率和等离子体密度→脉冲负偏压增加定向运动→沉积薄膜。
真空离子磁控溅射镀铝设备总体结构采用单室立式圆柱形结构,设备组成包括:
①真空腔室。由真空炉体、带观察窗的真空室门、加热器、工件架、门锁锁紧机构、磁控靶、光栅阀等组成。②真空系统。包括高真空阀、罗茨泵、扩散泵+冷阱、预抽机械泵、维持机械泵、不锈钢真空管道和阀门等。③电控系统。包括主控柜、循环冷却水柜、偏压与中频电源柜、直流电源等。④其它要件。包括水路冷却系统、槽子、温控系统及必要的工装等。
3.2单靶材直流磁控溅射镀铝结构存在的问题
单靶材真空离子磁控溅射镀铝技术设备,在很大程度上解决了传统的表面处理方法环境污染大(如电镀镉)、表面涂层质量差(如喷涂铝)等问题,已初步在某航天公司实现小范围应用。
然而,由于采用如图1所示单靶材结构,在直流磁控溅射过程中,在靶材附近的磁力线保持自身的封闭性,等离子体被电磁场束缚在靠近靶材周围的等离子区域内，靠近靶材的工件内侧的等离子体密度大。从而存在以下不足:
①批次产品质量一致性差。在靠近靶材的工件内侧镀层厚度比外侧厚,且易出现涂层堆积。②设备效率低且靶材利用率低,成本高。工件外侧受到的等离子体轰击少,达到镀铝厚度所需时间延长,靶材消耗增加,且部分不闭合的磁力线向远离靶材的空间扩展,部分靶材粒子溅射到真空室腔壁,造成靶材浪费。③铝涂层形成过程中易混入杂质,影响了铝涂层的纯度和结合力,不利于厚铝涂层制备。
4真空离子磁控溅射镀铝设备改制及其先进性
4.1设备改制技术思路及靶分析设计流程
针对单靶材真空离子磁控溅射镀铝技术设备不足,通过查阅文献资料,根据直流内外对靶双靶闭合场非平衡磁控溅射装置设计思路,采用内外双靶材对靶闭合磁场技术进行改制,内、外靶磁场相反,构成闭合场,在内外靶中心的工件浸没在高密度等离子体中,使涂层的均匀性和致密度得到保证。
靶分析设计流程如图2所示。
首先,给出设计结构,计算其中电磁场分布;其次,确定等离子体分布,进而对溅射和沉积过程进行模拟;最后，根据模拟结果即靶面刻蚀轮廓、膜厚均匀性等确定结构设计的合理性。
4.2非平衡磁控溅射靶优化方案及先进性
靶优化方案技术先进性主要如下:
①内外对靶闭合磁场技术使在内外靶中心的工件浸没在高密度的等离子体中,大幅提高靶材利用率、涂层均匀性、致密度和沉积效率,有利于沉积厚铝涂层和保证批产质量一致性。②克服单靶材结构工件周围的磁感应强度分布不均,从而导致工件镀层分布不均,靠近靶材的工件侧膜层厚度要比远离靶材的工件侧厚之不足。③突破行业没有内外靶结构的常规溅射技术,为了提高表面涂层均匀性，需要采用复杂的三维旋转技术，导致夹具设计制造复杂之难题。
4.3设备达到的性能极限真空度:4.8x10Pa
工件在镀铝时间内表面温度小于200℃适用材质:钛合金、高温合金、不锈钢装炉量:约3000 件(M4x12为准)
5结论与展望
5.1主要结论
本文在查阅大量国内外真空离子镀铝技术的参考文献基础上,针对某企业现有单靶材直流溅射镀铝设备存在的涂层厚薄不均、成本高且生产效率低的问题进行研究，引入了闭合磁场非平衡磁控溅射技术思路(直流内外双圆柱靶)对设备进行改制,本文研究成果及结论如下:
采用先进的内外双靶材柱形旋转靶对现有真空离子镀铝设备进行改制,将2个直流内单圆柱靶改制为2对(4个)磁极相对的内外双靶材结构,内靶磁场和外靶磁场相反,构成闭合磁场,使在内外靶中心的紧固件浸没在高密度的等离子体中,大幅提高靶材利用率、涂层均匀性、致密度和沉积效率,有利于沉积厚铝涂层和保证批生产质量一致性。装炉量约3000件(M4x12为准)。
通过某航天企业批量生产验证,改制后的设备完全满足其高强度钛合金紧固件真空离子磁控溅射镀铝批量生产需要。
5.2研究展望
下一步,拟对内外双靶材直流磁控溅射镀铝设备批生产过程中,影响涂层形貌和性能的主要工艺参数即沉积时间、真空度、频率、靶电流、偏压、占空比、电压值、炉温等开展研究,获得了批量制备铝薄膜最佳工艺参数,拓展钛合金零件的产能规模和应用范围,满足新型航空航天装备研制和批产需求。
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