改进研发钛合金件内外双靶材磁控溅射镀铝设备

钛合金是一种重要的工程结构材料，在航空、航天、医疗器械、轻工业等领域得到广泛应用。然而，由于其表面易氧化，附着力差，难以加工等特点，限制了其进一步开发和应用。为了解决这些问题，研发技术部门开展了大量的研究工作。其中，利用磁控溅射技术进行表面处理是一种有效的方法。在磁控溅射过程中，通过高能离子轰击靶材，使其表面产生电子和离子，然后在真空条件下沉积在基材表面，形成镀层。

然而，现有的钛合金件内外双靶材磁控溅射镀铝设备存在一些问题。例如，镀层质量不稳定，容易剥落；镀层厚薄不均匀；设备效率低下等。为了改进这些问题，本文提出了一种新的钛合金件内外双靶材磁控溅射镀铝设备，并对其进行了实验验证。

1 真空离子磁控溅射镀铝技术原理

磁控溅射镀铝是一种在真空环境下通过利用荷能离子轰击靶材，使得靶材原子被溅射出来并沉积在工件表面成膜的技术。该技术采用辉光放电，在阴极靶材中放置了磁钢，从而引入了电磁场。由此产生的洛伦兹力使运动电子在磁场中做摆线和螺旋线的复合形式圆周运动，从而大大延长了电子运动路径并增加了与工作气体分子碰撞的次数。这样可以提高等离子体密度，加快磁控溅射速率并降低了对薄膜的污染倾向。

采用磁控溅射法，其电子经多次碰撞到达工件表面时已变成低能电子，不会使工件过热。此外，它还能提高工件表面原子的能量，从而改善了薄膜质量。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，迅速发展并得到广泛应用。

2 真空离子磁控溅射镀铝设备原理结构与存在的问题

2.1 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的原理是将空气与杂质从真空腔室中抽走，然后通过充入氩气，进行辉光清洗。接着，利用大功率的磁控溅射技术，将靶材表面的原子溅射出来并沉积在基材表面上形成膜。

具体过程为：在加热器的作用下，工作气体氩被加速并撞击靶材，使其表面产生高能离子和电子。然后，在真空条件下，这些离子和电子沉积在基材表面上形成镀层。同时，由于使用大功率磁控溅射技术，等离子体密度和离化率也得到了很大提高，从而使得薄膜质量更佳。

此外，通过脉冲负偏压的作用，可以增加原子的定向运动，从而进一步提高了薄膜质量。最后，将经过处理的工件放置在工件架上，进行薄膜沉积。

总体结构方面，真空离子磁控溅射镀铝设备采用单室立式圆柱形结构，设备组成包括真空腔室、真空系统、电控系统以及其它要件。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。而电控系统则包括主控柜、循环冷却水柜、偏压与中频电源柜、直流电源等。此外，为了保证设备的正常运行，还需要采用水路冷却系统、槽子、温控系统以及必要的工装等。

2.2 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相较于传统的表面处理方法具有更少的环境污染和更高的涂层质量，

然而，由于采用单靶材结构，在直流磁控溅射过程中，等离子体被电磁场束缚在靠近靶材周围的等离子区域内，导致工件内侧的等离子体密度大于外侧，从而造成以下不足：

⑴首先，批次产品的质量一致性差。工件内侧的镀层厚度比外侧厚，容易出现涂层堆积现象。

⑵其次，设备效率低，靶材利用率低，成本高。由于工件外侧受到的等离子体轰击少，因此达到镀铝厚度所需时间延长，靶材消耗增加。此外，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。

⑶最后，铝涂层的形成过程容易混入杂质，影响铝涂层的纯度和结合力，不利于厚铝涂层的制备。

3 真空离子磁控溅射镀铝设备改制及其先进性

3.1 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的不足，为了解决涂层厚度不均和靶材利用率低等问题，通过查阅文献资料，我们采用内外双靶材对靶闭合磁场技术进行改制。具体设计思路是，在内外靶中心的位置形成均匀的高密度等离子体，从而保证工件涂层的均匀性和致密度。

⑴首先，我们给出了设计结构，并计算其中电磁场分布。根据内外双靶材组成的闭合磁场结构，我们确定了内、外靶之间的磁场相反的设置方式。然后，通过计算电磁场的分布情况来确定内、外靶材的功率和其他参数，以确保均匀的等离子体分布。

⑵其次，我们对等离子体分布进行了预测和模拟，并对溅射和沉积过程进行了研究。通过模拟，我们可以确定内外靶材间的等离子体分布，从而在涂层制备中进行更好的控制。同时，我们也能够精确计算薄膜的厚度和均匀性，以评估新结构的效果。

⑶最后，我们根据模拟结果确定靶面刻蚀轮廓和膜厚均匀性等，来评估设计结构的合理性。通过这个过程，我们能够验证新结构的可行性，并做出必要的改进。因此，我们相信采用内外双靶材对靶闭合磁场技术进行改制，可以显著提高涂层质量和靶材利用率。

3.2 非平衡磁控溅射靶优化方案及先进性

为了解决单靶材结构的不足，我们采用内外双靶材对靶闭合磁场技术进行改制，具体操作是在工件外侧增加两个与内靶磁极相对的外靶材结构。内、外靶磁场相反，构成闭合磁场，使工件浸没在高密度等离子体中，从而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。这种优化方案技术先进性主要有以下几个方面：

首先，通过内外对靶闭合磁场技术，可以使工件浸没在高密度的等离子体中，从而提高涂层的均匀性和致密度，并大幅提高靶材利用率和沉积效率。因此，这种方案有助于沉积厚铝涂层和保证批产质量一致性。

⑴其次，该方案可以克服单靶材结构周围的磁感应强度分布不均问题，从而解决工件镀层分布不均的现象。比如，靠近靶材的一侧膜层厚度要比远离靶材的工件侧厚，这个问题通过内外对靶闭合磁场技术可以得以解决。

⑵最后，使用内外双靶结构可以突破传统的单靶材结构，并且避免使用复杂的三维旋转技术，从而大大简化了夹具设计制造的难度。因此，这种方案具有很高的技术含量和先进性。

综上所述，内外对靶闭合磁场技术是一种非常有前途和优越性的改进方案，可以显著提高涂层质量、致密度和工作效率，从而满足工业和科研的需求。

3.3 设备达到的性能

该设备的极限真空度为 4.8×10^-4Pa，且在镀铝时工件表面温度将保持在小于 200℃ 的范围内。此外，它还适用于多种材质，包括钛合金、高温合金和不锈钢。最大装炉量大约为 3000 件（以 M4×12 为标准）。

4 结论

本文对钛合金件内外双靶材磁控溅射镀铝设备进行了改进研发，旨在解决现有设备存在的问题。通过实验验证，我们发现，改进后的设备可以更有效地实现钛合金件的镀铝处理，提高镀层的质量和稳定性。该设备为提高钛合金材料的应用性能提供了一种新的方法。未来，我们将进一步调整和改进设备，以适应不同领域的需求。