鈦合金是一種重要的工程結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、醫(yī)療器械、輕工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于其表面易氧化，附著力差，難以加工等特點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用。為了解決這些問題，研發(fā)技術(shù)部門開展了大量的研究工作。其中，利用磁控濺射技術(shù)進(jìn)行表面處理是一種有效的方法。在磁控濺射過程中，通過高能離子轟擊靶材，使其表面產(chǎn)生電子和離子，然后在真空條件下沉積在基材表面，形成鍍層。

然而，現(xiàn)有的鈦合金件內(nèi)外雙靶材磁控濺射鍍鋁設(shè)備存在一些問題。例如，鍍層質(zhì)量不穩(wěn)定，容易剝落；鍍層厚薄不均勻；設(shè)備效率低下等。為了改進(jìn)這些問題，本文提出了一種新的鈦合金件內(nèi)外雙靶材磁控濺射鍍鋁設(shè)備，并對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 真空離子磁控濺射鍍鋁技術(shù)原理

磁控濺射鍍鋁是一種在真空環(huán)境下通過利用荷能離子轟擊靶材，使得靶材原子被濺射出來并沉積在工件表面成膜的技術(shù)。該技術(shù)采用輝光放電，在陰極靶材中放置了磁鋼，從而引入了電磁場。由此產(chǎn)生的洛倫茲力使運(yùn)動電子在磁場中做擺線和螺旋線的復(fù)合形式圓周運(yùn)動，從而大大延長了電子運(yùn)動路徑并增加了與工作氣體分子碰撞的次數(shù)。這樣可以提高等離子體密度，加快磁控濺射速率并降低了對薄膜的污染傾向。

采用磁控濺射法，其電子經(jīng)多次碰撞到達(dá)工件表面時(shí)已變成低能電子，不會使工件過熱。此外，它還能提高工件表面原子的能量，從而改善了薄膜質(zhì)量。因此，磁控濺射法攻克了二級濺射速率低和電子使鍍件溫度升高的難點(diǎn)，迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。

2 真空離子磁控濺射鍍鋁設(shè)備原理結(jié)構(gòu)與存在的問題

2.1 真空離子磁控濺射鍍鋁設(shè)備原理結(jié)構(gòu)

真空離子磁控濺射鍍鋁設(shè)備的原理是將空氣與雜質(zhì)從真空腔室中抽走，然后通過充入氬氣，進(jìn)行輝光清洗。接著，利用大功率的磁控濺射技術(shù)，將靶材表面的原子濺射出來并沉積在基材表面上形成膜。

具體過程為：在加熱器的作用下，工作氣體氬被加速并撞擊靶材，使其表面產(chǎn)生高能離子和電子。然后，在真空條件下，這些離子和電子沉積在基材表面上形成鍍層。同時(shí)，由于使用大功率磁控濺射技術(shù)，等離子體密度和離化率也得到了很大提高，從而使得薄膜質(zhì)量更佳。

此外，通過脈沖負(fù)偏壓的作用，可以增加原子的定向運(yùn)動，從而進(jìn)一步提高了薄膜質(zhì)量。最后，將經(jīng)過處理的工件放置在工件架上，進(jìn)行薄膜沉積。

總體結(jié)構(gòu)方面，真空離子磁控濺射鍍鋁設(shè)備采用單室立式圓柱形結(jié)構(gòu)，設(shè)備組成包括真空腔室、真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)以及其它要件。真空系統(tǒng)包括高真空閥、羅茨泵、擴(kuò)散泵+冷阱、預(yù)抽機(jī)械泵、維持機(jī)械泵、不銹鋼真空管道和閥門等。而電控系統(tǒng)則包括主控柜、循環(huán)冷卻水柜、偏壓與中頻電源柜、直流電源等。此外，為了保證設(shè)備的正常運(yùn)行，還需要采用水路冷卻系統(tǒng)、槽子、溫控系統(tǒng)以及必要的工裝等。

2.2 單靶材直流磁控濺射鍍鋁結(jié)構(gòu)存在的問題

單靶材真空離子磁控濺射鍍鋁技術(shù)設(shè)備相較于傳統(tǒng)的表面處理方法具有更少的環(huán)境污染和更高的涂層質(zhì)量，

然而，由于采用單靶材結(jié)構(gòu)，在直流磁控濺射過程中，等離子體被電磁場束縛在靠近靶材周圍的等離子區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致工件內(nèi)側(cè)的等離子體密度大于外側(cè)，從而造成以下不足：

⑴首先，批次產(chǎn)品的質(zhì)量一致性差。工件內(nèi)側(cè)的鍍層厚度比外側(cè)厚，容易出現(xiàn)涂層堆積現(xiàn)象。

⑵其次，設(shè)備效率低，靶材利用率低，成本高。由于工件外側(cè)受到的等離子體轟擊少，因此達(dá)到鍍鋁厚度所需時(shí)間延長，靶材消耗增加。此外，部分不閉合的磁力線向遠(yuǎn)離靶材的空間擴(kuò)展，部分靶材粒子濺射到真空室腔壁，造成靶材浪費(fèi)。

⑶最后，鋁涂層的形成過程容易混入雜質(zhì)，影響鋁涂層的純度和結(jié)合力，不利于厚鋁涂層的制備。

3 真空離子磁控濺射鍍鋁設(shè)備改制及其先進(jìn)性

3.1 設(shè)備改制技術(shù)思路及靶分析設(shè)計(jì)流程

針對單靶材真空離子磁控濺射鍍鋁技術(shù)設(shè)備的不足，為了解決涂層厚度不均和靶材利用率低等問題，通過查閱文獻(xiàn)資料，我們采用內(nèi)外雙靶材對靶閉合磁場技術(shù)進(jìn)行改制。具體設(shè)計(jì)思路是，在內(nèi)外靶中心的位置形成均勻的高密度等離子體，從而保證工件涂層的均勻性和致密度。

⑴首先，我們給出了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并計(jì)算其中電磁場分布。根據(jù)內(nèi)外雙靶材組成的閉合磁場結(jié)構(gòu)，我們確定了內(nèi)、外靶之間的磁場相反的設(shè)置方式。然后，通過計(jì)算電磁場的分布情況來確定內(nèi)、外靶材的功率和其他參數(shù)，以確保均勻的等離子體分布。

⑵其次，我們對等離子體分布進(jìn)行了預(yù)測和模擬，并對濺射和沉積過程進(jìn)行了研究。通過模擬，我們可以確定內(nèi)外靶材間的等離子體分布，從而在涂層制備中進(jìn)行更好的控制。同時(shí)，我們也能夠精確計(jì)算薄膜的厚度和均勻性，以評估新結(jié)構(gòu)的效果。

⑶最后，我們根據(jù)模擬結(jié)果確定靶面刻蝕輪廓和膜厚均勻性等，來評估設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。通過這個過程，我們能夠驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)的可行性，并做出必要的改進(jìn)。因此，我們相信采用內(nèi)外雙靶材對靶閉合磁場技術(shù)進(jìn)行改制，可以顯著提高涂層質(zhì)量和靶材利用率。

3.2 非平衡磁控濺射靶優(yōu)化方案及先進(jìn)性

為了解決單靶材結(jié)構(gòu)的不足，我們采用內(nèi)外雙靶材對靶閉合磁場技術(shù)進(jìn)行改制，具體操作是在工件外側(cè)增加兩個與內(nèi)靶磁極相對的外靶材結(jié)構(gòu)。內(nèi)、外靶磁場相反，構(gòu)成閉合磁場，使工件浸沒在高密度等離子體中，從而大幅提高靶材利用率、涂層均勻性、致密度和沉積效率，有利于沉積厚鋁涂層和保證批產(chǎn)質(zhì)量一致性。這種優(yōu)化方案技術(shù)先進(jìn)性主要有以下幾個方面：

首先，通過內(nèi)外對靶閉合磁場技術(shù)，可以使工件浸沒在高密度的等離子體中，從而提高涂層的均勻性和致密度，并大幅提高靶材利用率和沉積效率。因此，這種方案有助于沉積厚鋁涂層和保證批產(chǎn)質(zhì)量一致性。

⑴其次，該方案可以克服單靶材結(jié)構(gòu)周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布不均問題，從而解決工件鍍層分布不均的現(xiàn)象。比如，靠近靶材的一側(cè)膜層厚度要比遠(yuǎn)離靶材的工件側(cè)厚，這個問題通過內(nèi)外對靶閉合磁場技術(shù)可以得以解決。

⑵最后，使用內(nèi)外雙靶結(jié)構(gòu)可以突破傳統(tǒng)的單靶材結(jié)構(gòu)，并且避免使用復(fù)雜的三維旋轉(zhuǎn)技術(shù)，從而大大簡化了夾具設(shè)計(jì)制造的難度。因此，這種方案具有很高的技術(shù)含量和先進(jìn)性。

綜上所述，內(nèi)外對靶閉合磁場技術(shù)是一種非常有前途和優(yōu)越性的改進(jìn)方案，可以顯著提高涂層質(zhì)量、致密度和工作效率，從而滿足工業(yè)和科研的需求。

3.3 設(shè)備達(dá)到的性能

該設(shè)備的極限真空度為 4.8×10^-4Pa，且在鍍鋁時(shí)工件表面溫度將保持在小于 200℃ 的范圍內(nèi)。此外，它還適用于多種材質(zhì)，包括鈦合金、高溫合金和不銹鋼。最大裝爐量大約為 3000 件（以 M4×12 為標(biāo)準(zhǔn)）。

4 結(jié)論

本文對鈦合金件內(nèi)外雙靶材磁控濺射鍍鋁設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)研發(fā)，旨在解決現(xiàn)有設(shè)備存在的問題。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的設(shè)備可以更有效地實(shí)現(xiàn)鈦合金件的鍍鋁處理，提高鍍層的質(zhì)量和穩(wěn)定性。該設(shè)備為提高鈦合金材料的應(yīng)用性能提供了一種新的方法。未來，我們將進(jìn)一步調(diào)整和改進(jìn)設(shè)備，以適應(yīng)不同領(lǐng)域的需求。