[发明专利]一种提高硬质涂层与基材结合力的装置及工艺

说明书

本发明的提高物理气相沉积硬质涂层与基材结合力的装置和工艺，在原有物理气相沉积装置基础上，该装置由嵌入真空室腔壁的柱状弧源或平面弧源和置于其前面距离、位置可调的挡板，以及相应的独立供电电源组成。通过调整弧源、挡板、悬挂基材转架及真空室壁之间的电位，实现对弧源发射的等离子体及其所离化工作气体离子的分离、运动的有效控制，实现电子轰击加热、气体离子或弧源金属离子刻蚀清洗及金属离子注入，之后接续硬质涂层的物理气相沉积，本装置及工艺能够使基材表面清洗更加彻底，调控基材表面粗糙度，活化基材表面，有效提高了刀具、模具、机械关键零部件和锁具等产品表面硬质防护涂层与基体的结合力。

技术领域

本发明涉及金属等基材表面防护、改性技术领域，尤其涉及真空镀膜技术领域。

背景技术

物理气相沉积(PVD)是原子或分子从气相中沉积到基体表面，包括蒸镀、溅射沉积、离子镀、脉冲激光沉积和扩散涂覆等工艺。切削刀具、模具、耐磨损零件等经物理气相沉积硬质涂层后，有效提高了其表面硬度、复合韧性、耐磨损性和化学稳定性能等，大幅度提高了工件的使用寿命。

硬质涂层与基体材料良好的结合是保证其使役性能的关键。但是，由于硬质涂层与基体材料的结构（晶格常数）、硬度以及热膨胀性能存在较大差异，二者之间往往存在较大的应力，导致结合性能较差，进而影响硬质涂层对基材的防护。基体的表面状态对附着力的影响很大。即使试样经过打磨、抛光、用酒精、丙酮清洗，但表面仍有一层污染层，将使所沉积硬质涂层不能和基体直接接触，扩散附着也不可能，从而附着性能极差。解决的方法是除对基片进行常规的前处理（机械研磨、抛光以及清洗）外，可以通过沉积硬质涂层之前真空室内对基材前处理、加热以及沉积过渡层来提高硬质涂层与基材的结合性能。

真空室内基材前处理是物理气相沉积技术中一个重要步骤，传统（常规采用）方法一般包括辉光放电清洗和弧光放电清洗两个过程。高能离子轰击基体表面可排除表面吸附的气体及有机物，同时还能在一定程度上增加表面的微观粗糙度，使沉积层的附着力增加。辉光放电是在低压气体如氩气或其他惰性气体通过100V到几千伏电流时形成的一种等离子体过程。通过控制电位差，实现等离子体（一般是惰性气体正离子）对基材的清洗。但是，传统辉光放电产生的离子能量较低，导致清洗效果不够理想，同时容易出现择优在尖端燃烧现象（即被称为天线效应）。此外，采用传统的辉光放电清理基材表面时的均匀性较差；弧光放电是通过电弧源发射金属离子，在偏压的作用下轰击基材，从而实现对其进行清洗的目标。弧光放电存在两个突出问题：一方面，由于电弧的高温蒸发，电弧源发射的等离子体中除了主要包含金属离子和电子外，同时还含有大量的金属靶液滴，即大颗粒，这将严重影响基材清洗质量并恶化后续沉积层包括结合力等性能。另一方面，在偏压的作用下，电弧源发射的金属离子的能量远高于惰性气体（工作气体）电离离子能量，不容易控制其对基材轰击的清洗效果，一些时候甚至给基材带来损伤。

此外，基体的温度也是影响物理气相沉积硬质涂层质量和使用性能的主要参数之一，其数值的高低影响硬质涂层的内应力和与基体的结合强度。合适（一般是较高的）温度有利于沉积向基体内扩散以及获得较高的沉积速率。常规对基材加热的方法是在真空室内安装加热体，以红外辐射的形式对基材进行加热升温。这一方法的问题在于加热效率较低，同时加热体占据真空室一定的空间，降低了真空室内的空间利用率。

最后，由于预沉积的硬质涂层与基材存在着晶格常数、硬度和热膨胀性能等的明显差别，导致二者之间出现较大的应力并显著降低了结合性能。由此，目前依旧难于获得厚度较大的硬质涂层。为了提高薄膜的附着性能，可以在硬质涂层与基体之间加入一种另外的材料如靶材金属层（性能在两者之间），通过中间过渡层来提高涂层与基体的结合力。但中间过渡层与基材依旧存在界面，导致对结合力的提高有限。

发明内容

为了解决现有硬质涂层与基体材料结合技术存在的问题，本发明提供了一种提高物理气相沉积硬质涂层与基材结合力的装置及工艺。