真空電弧離子鍍又叫多弧離子鍍，是在真空蒸鍍和真空濺射基礎(chǔ)上發(fā)展起來、最新、最先進(jìn)的表面工程技術(shù)之一[1]。其基本原理[2]是將鍍膜材料制作為陰極靶，冷場(chǎng)致弧光放電在靶面產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的陰極弧斑，直徑不大于100μm但電流密度高達(dá)10?~10?A/m2[3]，瞬間把靶面金屬元素電離為離子并濺射出來，然后在負(fù)偏壓的作用下直接沉積在基體表面或與N?、O?、C?H?等氣體反應(yīng)生成化合物沉積在基體表面形成薄膜[4]。其工藝特點(diǎn)如下:

(1)以陰極靶材作蒸發(fā)源，無熔池。且一弧多用，既是蒸發(fā)源和離化源，又是加熱源和離子濺射清洗的離子源，與其他物理氣相沉積設(shè)備相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。

(2)靶材安裝靈活，可以根據(jù)實(shí)際需求任意設(shè)置于鍍膜室適當(dāng)位置，每個(gè)靶材即可單獨(dú)工作也可聯(lián)合工作，鍍膜效率高、繞鍍性好，并可簡(jiǎn)化基體轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

(3)金屬離化率高達(dá)80%以上，鍍膜致密，均勻，附著力、性能優(yōu)異。

(4)真空度高，不引入有毒氣體，也不會(huì)生成有害廢氣和廢物，與電鍍、化學(xué)鍍等傳統(tǒng)鍍膜工藝相比無污染無公害[5]。

隨著新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的崛起，高端制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的高性能鍍膜技術(shù)需求旺盛。據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)QYResearch統(tǒng)計(jì)，2022年全球電弧離子鍍膜機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約45億美元，預(yù)計(jì)到2027年將以每年8.3%的復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)至67億美元;2022年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模約120億元，預(yù)計(jì)到2027年將以每年9.8%的復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)至200億元。本文從大顆粒缺陷控制，智能化、大型化真空電弧離子鍍?cè)O(shè)備，復(fù)合強(qiáng)化處理技術(shù)和復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面總結(jié)了最新研究進(jìn)展，有望推動(dòng)真空電弧離子鍍?cè)诟嘈袠I(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。

1、鍍膜大顆粒缺陷控制技術(shù)

自身存在的“大顆粒”缺陷是限制電弧離子鍍應(yīng)用和膜層性能提升的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸[6]。其產(chǎn)生過程和CrN鍍層表面大顆粒經(jīng)IPP軟件處理后的典型SEM照片如圖1所示。靶材經(jīng)弧斑瞬時(shí)高溫作用，內(nèi)部和外表面產(chǎn)生壓力差，向外發(fā)射金屬原子蒸汽，大部分成分在高溫等離子體作用下被電離，部分未能完全電離的成分以零點(diǎn)幾微米到幾十微米[7]的熔融態(tài)大顆粒形式存在，并以100~800m/s速度飛向基材，沉積在薄膜中導(dǎo)致各種缺陷進(jìn)而影響應(yīng)用性能。目前主要從源頭減少或消除大顆粒的產(chǎn)生、向基體飛行過程中過濾大顆粒等方面出發(fā)改善大顆粒污染問題。

1.1 基于大顆粒產(chǎn)生機(jī)制的缺陷控制技術(shù)

陰極電弧蒸發(fā)源是電弧離子鍍技術(shù)制備高質(zhì)量鍍層的核心技術(shù)，降低弧斑在某一點(diǎn)的停留時(shí)間，降低局部熱量，可從源頭上抑制大顆粒的產(chǎn)生。

1.1.1 新型電弧源

脈沖技術(shù)是改善多弧離子鍍層質(zhì)量，研制新電弧源的重要方向[10]。相對(duì)于常規(guī)直流電弧源，第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電弧放電是脈沖式、間斷的，一般只有10~5×10?3s[11]，可充分導(dǎo)走放電產(chǎn)生的熱量;其瞬時(shí)能量大，弧根數(shù)目更多，半徑更大，受熱更均勻，如圖2(b)所示[12]，避免出現(xiàn)局部微小熔化而產(chǎn)生熔滴影響膜層質(zhì)量。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是基底不需要加負(fù)偏壓，因而不會(huì)產(chǎn)生基底負(fù)偏壓放電。聶軍偉等[13]發(fā)明了一種等離子體射流觸發(fā)脈沖陰極弧源，利用脈沖等離子體產(chǎn)生炬產(chǎn)生的脈沖射流為陰極電弧靶點(diǎn)火，結(jié)合陰極弧靶上脈沖電壓和功率調(diào)節(jié)，控制陰極弧能量，抑制電弧等離子體中含有的大顆粒缺陷，同時(shí)利用陰極弧靶和脈沖等離子體炬移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)陰極靶的均勻燒蝕和高均勻性膜層鍍制。Frolova等[14]在討論電源電路的設(shè)計(jì)、工作原理、特點(diǎn)以及等離子體源的主要參數(shù)與真空電弧脈沖參數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了超音速等離子體流的脈沖電弧源，真空電弧電流振幅為25kA時(shí)，產(chǎn)生的等離子體密度為3×101?cm?3。趙棟才等[15-16]發(fā)明了瞬時(shí)電流高達(dá)上萬安培的多級(jí)觸發(fā)脈沖電弧源，并室溫條件下制備了摻氮Ta-C鍍層，摩擦系數(shù)0.14~0.15，綜合性能優(yōu)異。步天龍等[17]通過脈沖電弧離子鍍?cè)诓讳P鋼鋼基底上沉積了結(jié)合力強(qiáng)的納米氧化鋅壓電鍍層，為新型永久薄膜壓力傳感器在高壓及超高壓智能套管壓力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了科學(xué)參考及依據(jù)。

電弧等離子體，減少大顆粒的產(chǎn)生[18]，如圖2(c)所示[19]。Zhang等[20]探討了真空電弧陰極斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)中微黑子分裂特性，微黑子的連續(xù)自分裂特性在間歇性微爆發(fā)射機(jī)制下不穩(wěn)定，會(huì)周期性分裂合并，通過調(diào)節(jié)沉積參數(shù)可以相對(duì)提高微黑子分裂的穩(wěn)定性，但無法改變直流電弧下周期性發(fā)生相對(duì)集中放電現(xiàn)象的本質(zhì)，為分裂弧源的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。Lang等[21]開展了脈沖陰極真空電弧微點(diǎn)分裂特性研究，發(fā)現(xiàn)疊加在直流電弧放電上的強(qiáng)脈沖電流可以促進(jìn)電弧斑點(diǎn)分裂，脈沖峰值處的微斑分裂呈現(xiàn)出多級(jí)環(huán)形膨脹現(xiàn)象，其膨脹半徑隨著峰值電流的增加而增加，電弧源磁場(chǎng)橫向分量的增加使微點(diǎn)分裂模式逐漸從環(huán)形膨脹變?yōu)榛⌒闻蛎洠}沖頻率的增加導(dǎo)致小孢子分裂的范圍逐漸減小。

分裂弧是最新開發(fā)的新弧源，將原來較大的弧斑分裂為數(shù)個(gè)細(xì)小弧斑，在靶材表面產(chǎn)生更均勻的電弧等離子體，減少大顆粒的產(chǎn)生[18]，如圖2(c)所示[19]。Zhang等[20探討了真空電弧陰極斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)中微黑子分裂特性，微黑子的連續(xù)自分裂特性在間歇性微爆發(fā)射機(jī)制下不穩(wěn)定，會(huì)周期性分裂合并，通調(diào)節(jié)沉積參數(shù)可以相對(duì)提高微黑子分裂的穩(wěn)定性，但無法改變直流電弧下周期性發(fā)生相對(duì)集中放現(xiàn)象的本質(zhì)，為分裂弧源的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。ang等[21]開展了脈沖陰極真空電弧微點(diǎn)分裂特性究，發(fā)現(xiàn)疊加在直流電弧放電上的強(qiáng)脈沖電流可促進(jìn)電弧斑點(diǎn)分裂，脈沖峰值處的微斑分裂呈現(xiàn)出多級(jí)環(huán)形膨脹現(xiàn)象，其膨脹半徑隨著峰值電流的加而增加，電弧源磁場(chǎng)橫向分量的增加使微點(diǎn)分裂模式逐漸從環(huán)形膨脹變?yōu)榛⌒闻蛎洠}沖頻率的增加導(dǎo)致小孢子分裂的范圍逐漸減小。

1.1.2 弧斑運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

弧斑運(yùn)動(dòng)控制電弧放電，其運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)重影響大顆粒缺陷的產(chǎn)生[22]。為了快速、精確調(diào)控靶材表面弧斑，有效減少大顆粒的產(chǎn)生，提高靶材的利用率和鍍膜的穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外對(duì)弧斑的運(yùn)動(dòng)特性開展了大量研究[23-24]，提出了“半經(jīng)驗(yàn)流體動(dòng)力學(xué)模型”、“電荷受力漂移模型”和“半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀盵25]等諸多弧斑形成及運(yùn)動(dòng)理論。并自20世紀(jì)80年代伴隨著磁控電弧蒸發(fā)離子鍍技術(shù)的誕生而開發(fā)了眾多磁場(chǎng)控制弧斑運(yùn)動(dòng)技術(shù)[26]。磁體源由永磁體發(fā)展為電磁線圈，磁場(chǎng)由橫向、軸向和尖角等單一靜態(tài)磁場(chǎng)發(fā)展為控弧效果更優(yōu)異的復(fù)合磁場(chǎng)、動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)和復(fù)合動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)[27]。

復(fù)合磁場(chǎng)控弧技術(shù)將電磁場(chǎng)與永磁場(chǎng)機(jī)械結(jié)合，弧斑在橫向磁場(chǎng)下做反安培力加速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)范圍被軸向磁場(chǎng)約束，在靶面范圍內(nèi)做旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其中軸對(duì)稱復(fù)合磁場(chǎng)是發(fā)展比較成熟、得到廣泛應(yīng)用的控弧技術(shù)。劉野等[28]開發(fā)了永磁體或碳素鋼與電磁線圈共同對(duì)弧靶表面磁場(chǎng)產(chǎn)生作用的新型復(fù)合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，調(diào)整極為方便，產(chǎn)生的磁場(chǎng)形狀較好，可以有效提高靶材燒蝕效率，改善成膜質(zhì)量。喬宏[29]設(shè)計(jì)、模擬、優(yōu)化了“電磁+永磁”形式復(fù)合軸對(duì)稱磁場(chǎng)，探討了復(fù)合磁場(chǎng)對(duì)弧斑運(yùn)動(dòng)、大顆粒產(chǎn)生、靶材利用率的影響。Cho等[30]發(fā)明了由圍繞電弧靶的陽(yáng)極和下方環(huán)形永磁體組成的中心凹陷磁場(chǎng)，在沒有電磁鐵等多個(gè)附加裝置的情況下限制電弧向靶材中心運(yùn)動(dòng)。

動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)控弧技術(shù)通過動(dòng)態(tài)地變換磁場(chǎng)在靶面的局域性分布，擴(kuò)大磁場(chǎng)橫向分量的面積，擴(kuò)大弧斑運(yùn)動(dòng)區(qū)域，有效去除大顆粒，提高靶材利用率，可以分為機(jī)械式和電磁式[31]。潘家敬等[32]發(fā)明了一種磁場(chǎng)輔助陰極電弧離子鍍蒸發(fā)源裝置，通過極靴和永磁體的縱向旋轉(zhuǎn)、整個(gè)裝置的橫向旋轉(zhuǎn)使得電弧在靶面均勻分布，加速弧斑移動(dòng)速度，減少液滴或大顆粒的形成，細(xì)化弧斑，細(xì)化膜層組織，最終提高膜層質(zhì)量。周敏等[33]公開了一種弧源磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方法，在靶材一側(cè)沿寬度方向依次間隔設(shè)置多個(gè)電磁線圈，依時(shí)序控制不同電磁線圈的電流通斷，使產(chǎn)生的磁場(chǎng)相對(duì)于靶材寬度方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)選定為導(dǎo)通狀態(tài)的電磁線圈施加周期性正負(fù)脈沖變化的電流，使弧斑具有垂直于靶材寬度范圍內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，提高靶材利用率。Wang等[34]通過施加掃描徑向磁場(chǎng)把弧斑運(yùn)動(dòng)限制在表面的螺旋軌道上，更大的移動(dòng)面積和更快的移動(dòng)速度降低了陰極表面溫度，減少了大顆粒的發(fā)射。

復(fù)合動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)控弧技術(shù)是對(duì)不同形式磁場(chǎng)獨(dú)立分析結(jié)果的復(fù)合運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)盡可能擴(kuò)大弧斑刻蝕面積的同時(shí)限制弧斑運(yùn)動(dòng)范圍的理想磁場(chǎng)。Okazaki等[35]發(fā)明了一種由輔助永磁體配合安裝在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的環(huán)形永磁體產(chǎn)生控弧磁場(chǎng)的技術(shù)，開啟旋轉(zhuǎn)平臺(tái)后可產(chǎn)生繞靶材中心轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)形運(yùn)動(dòng)弧斑，均勻刻蝕整個(gè)靶面。朗文昌等[36]在分析了不同波形勵(lì)磁電流條件下磁場(chǎng)對(duì)弧斑運(yùn)動(dòng)影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種由反極性動(dòng)態(tài)聚焦導(dǎo)引磁場(chǎng)與軸對(duì)稱發(fā)散磁場(chǎng)或者拱形磁場(chǎng)疊加而成的多模式交變耦合動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，反極性聚焦導(dǎo)引磁場(chǎng)把弧斑約束在靶材中心，軸對(duì)稱發(fā)散磁場(chǎng)推動(dòng)弧斑向外擴(kuò)展，軸對(duì)稱拱形磁場(chǎng)將弧斑約束在固定的軌道，可以動(dòng)態(tài)的控制弧斑運(yùn)動(dòng)，改善弧斑放電狀態(tài)，減少大顆粒發(fā)射，其電弧離子鍍弧源裝置及15Hz正弦模式下弧斑的放電形態(tài)如圖3所示。蔣釗等[37]公開了一種磁路可控式真空陰極電弧離子源，磁軛由具有頂面的圓筒形磁軛A和圓環(huán)形磁軛B組成，磁軛B裝在磁軛A內(nèi)部，且兩者接觸，磁軛A與電弧離子源殼體之間為自由公差配合，可沿電弧離子源殼體滑動(dòng)，通過調(diào)整磁軛位置可以調(diào)節(jié)陰極靶面的磁場(chǎng)強(qiáng)度，同步優(yōu)化陰極靶面的磁場(chǎng)位形分布。Jun等[38]發(fā)明了一種線性致動(dòng)器用于前后線性移動(dòng)設(shè)置在電弧源后表面上的磁場(chǎng)產(chǎn)生設(shè)備，保持靶材表面的磁場(chǎng)恒定，實(shí)現(xiàn)弧斑運(yùn)動(dòng)速度和靶材蒸發(fā)率恒定。

1.2 基于大顆粒帶電特性的缺陷控制技術(shù)

磁過濾技術(shù)是目前控制大顆粒缺陷最有效的方法，基本原理[39]是利用等離子體與大顆粒具有不同荷質(zhì)比，在運(yùn)輸過程中通過電磁場(chǎng)來控制等離子體空間分布和運(yùn)動(dòng)方向，通過“屏障”(擋板或彎管壁)到達(dá)基體，而沿直線運(yùn)動(dòng)的大顆粒被阻擋，從而實(shí)現(xiàn)過濾大顆粒的目的，理論上效率可達(dá)100%，如圖4所示。

兼顧大顆粒過濾效果和離子傳輸效率的新型裝置一直是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。馬震宇等[41]發(fā)明一種角度為90°的多彎管磁過濾裝置，彎管上依次設(shè)置由聚焦線圈、引導(dǎo)線圈、引出線圈，可通過控制線圈電流有效過濾雜質(zhì)和大顆粒。黃杰等[42]設(shè)計(jì)了“Y”型三通管磁過濾裝置，由2個(gè)支線管和1個(gè)干線管組成，實(shí)現(xiàn)了多元復(fù)合膜層的組分調(diào)控。Kim[43]設(shè)計(jì)了帶有電極觸發(fā)控制器的磁場(chǎng)過濾裝置和電弧源，當(dāng)電弧靶蒸發(fā)產(chǎn)生的管道電流小于規(guī)定值時(shí)，電弧源和磁場(chǎng)過濾裝置系統(tǒng)將啟動(dòng)，達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的效果。郎文昌等[44]通過設(shè)置旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生裝置，在過濾管道出口端內(nèi)腔區(qū)域形成可調(diào)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，引導(dǎo)離子束以不同的偏轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度離開過濾管道進(jìn)入真空鍍膜室腔，大大增大了鍍膜面積和均勻性。趙棟才等[45]公開了一種線圈電磁擠壓式磁過濾裝置，由安裝在偏轉(zhuǎn)室與真空室連接處兩側(cè)的第一、第二偏轉(zhuǎn)線圈構(gòu)件和電弧陰極外部的聚焦線圈組成，第一、第二偏轉(zhuǎn)線圈構(gòu)件形成的磁場(chǎng)方向相反，N極均指向偏轉(zhuǎn)室，且與聚焦線圈形成的磁場(chǎng)方向垂直，等離子體通過時(shí)，受到磁力擠壓完成從電弧源陰極至真空室的偏轉(zhuǎn)，過濾掉大顆粒。

2、真空電弧離子鍍?cè)O(shè)備

隨著工業(yè)4.0概念的普及和實(shí)施，越來越多的企業(yè)開始追求生產(chǎn)過程的自動(dòng)化和智能化，以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量。智能化、大型化的真空電弧離子鍍?cè)O(shè)備成為研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 智能化電弧離子鍍?cè)O(shè)備

(1)控制系統(tǒng)的智能化

從手動(dòng)單回路控制系統(tǒng)，逐漸發(fā)展到PLC可編程過程控制系統(tǒng)，再到智能一體化控制系統(tǒng)。PLC可編程過程控制系統(tǒng)是目前市場(chǎng)上真空電弧離子鍍?cè)O(shè)備廣泛應(yīng)用的控制方式，一般由上位機(jī)和下位機(jī)組成。

上位機(jī)主要采用工業(yè)PC，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)配置、運(yùn)行過程監(jiān)控、系統(tǒng)管理和運(yùn)行日志等;下位機(jī)通常采用PLC，實(shí)現(xiàn)工藝流程的控制等功能。智能一體化控制系統(tǒng)一般應(yīng)用于高端設(shè)備，由一體化觸摸屏計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器以及網(wǎng)絡(luò)接口組成。機(jī)內(nèi)儲(chǔ)存若干種典型的鍍膜工藝及配套的過程參數(shù)控制軟件，施鍍過程中，系統(tǒng)根據(jù)輸入的工藝參數(shù)，自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的過程參數(shù)控制軟件進(jìn)行智能一體化控制，系統(tǒng)可靠性高，控制效果好。

楊素霞等[46]通過PLC和LabVIEW軟件協(xié)同設(shè)計(jì)了操作系統(tǒng)為WindowsXP，數(shù)據(jù)庫(kù)為SQLServer的智能化控制系統(tǒng)，具有操作方便，控制精度高，可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，很好的降低了能耗和污染。康豪[47]選擇基于C/S模型的上下位機(jī)硬件控制結(jié)構(gòu)和基于Lab Windows/CVI的軟件開發(fā)環(huán)境，采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)方法，開發(fā)了真控鍍膜設(shè)備控制系統(tǒng)，為了技術(shù)人員和運(yùn)行人員進(jìn)行高質(zhì)量薄膜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了極大的便利。李敬[48]采用PLC、終端、GUI和網(wǎng)絡(luò)等編程技術(shù)編寫了相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)了過程控制、PT的顯示與通信、上位機(jī)的UI界面與流程監(jiān)控和上位機(jī)與PLC的Fins通信等功能，打造一套真空離子鍍膜設(shè)備的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，大大提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，為工業(yè)界計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

(2)鍍層厚度等在線監(jiān)控技術(shù)的精確化

由較早使用的觸針法、天平法等機(jī)械方法發(fā)展為光譜、超聲波、脈沖激光等眾多類型，監(jiān)控精度普遍提高到約為0.025%，最優(yōu)可達(dá)0.01%左右[49]。Mahmudur等[50]通過探討脈沖激光加熱鋁基材表面產(chǎn)生的超聲波在垂直于薄膜表面的傳播時(shí)間與厚度的關(guān)系，開發(fā)了薄膜厚度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。Dong等[51]采用引入鎖相放大器電流和單膜反射系數(shù)的貴族算法研制了一套紅外光學(xué)膜厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅外薄膜的精確監(jiān)控。杜昕等[52]基于光的干涉以及光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)理論,采用光電極值法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，研發(fā)一種應(yīng)用于真空鍍膜設(shè)備的覆蓋可見光-紅外波段的寬光譜光學(xué)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，誤差小于0.01%，進(jìn)一步提升了控制精度以及鍍膜效率。馮森等[53]利用視覺相機(jī)對(duì)脈沖電弧離子源亮度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整鍍膜過程，提升鍍膜工藝穩(wěn)定性和精度。

(3)部件運(yùn)行的自動(dòng)化程度越來越高

自動(dòng)上料、自動(dòng)輸送裝置已成必備部件[54]，為了滿足特殊需求，電弧源的自動(dòng)化移動(dòng)方案也越來越多。王娜等[55]發(fā)明了一種新型內(nèi)表面電弧離子鍍的制備方法，通過陰極弧源電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)控制弧斑上下勻速螺旋運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有助于提高鉬、銥等超高溫防護(hù)涂層的服役穩(wěn)定性和可靠性。秦工等[56]為了適應(yīng)不同厚度規(guī)格材料的施鍍需求，發(fā)明一種自動(dòng)調(diào)整離子束濺射角和入射角的離子鍍裝置及方法，豎推桿驅(qū)動(dòng)濺射座調(diào)整高度，斜推桿驅(qū)動(dòng)濺射片的傾角發(fā)生變化，轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。

2.2 大型化電弧離子鍍?cè)O(shè)備

為應(yīng)對(duì)資源短缺、氣候變化等全球性挑戰(zhàn)，縮短生產(chǎn)周期，節(jié)能降耗是必然選擇，能滿足大尺寸工件或大裝爐量小尺寸工件的大型真空電弧離子鍍?cè)O(shè)備和技術(shù)成為發(fā)展趨勢(shì)。

如蘇爾壽公司開發(fā)了最大裝載重量達(dá)2700kg，最大裝載長(zhǎng)度達(dá)4000mm，最大裝載直徑達(dá)1600mm的PVD裝置。賈工普等[57]為了滿足6m長(zhǎng)不銹鋼管的鍍膜需求，采用行星輪系實(shí)現(xiàn)工件的軸向移動(dòng)，采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，成功研制了中國(guó)第一臺(tái)大型臥式真空離子鍍膜機(jī)。李國(guó)軍等[58]針對(duì)不銹鋼飾板的鍍膜需求研發(fā)了大直徑的立式電弧鍍膜機(jī)，直徑由1.8m增大至3.8m，同時(shí)為了節(jié)約能耗、提高工作效率，在不增加電弧源數(shù)目的基礎(chǔ)上優(yōu)化了其分布,設(shè)計(jì)了爐底、爐頂進(jìn)氣壓頭相互補(bǔ)償?shù)墓夥桨浮O博宇等[59]發(fā)明了一種用于超長(zhǎng)葉片多弧離子鍍膜的組合工裝和方法，操作簡(jiǎn)便、生產(chǎn)效率高,能實(shí)現(xiàn)緣板和葉冠局部防護(hù),用于多弧離子鍍膜機(jī)進(jìn)行熱障鍍層涂覆。Cho[60]為提高長(zhǎng)管件表面施鍍時(shí)靶材利用效率，發(fā)明一種專用大型電弧離子鍍系統(tǒng)。

3、復(fù)合鍍膜技術(shù)研究

隨著真空電弧離子鍍技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣，功能要求越來越多，質(zhì)量要求越來越高，傳統(tǒng)的真空電弧離子鍍制備的單層多元鍍層越來越不能滿足要求。因此，規(guī)避單一沉積技術(shù)固有缺陷的復(fù)合沉積技術(shù)，功能梯度多層和納米結(jié)構(gòu)等高性能復(fù)合鍍層成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

3.1 基于真空電弧離子鍍的復(fù)合沉積技術(shù)

電弧離子鍍/磁控濺射復(fù)合沉積技術(shù)是目前關(guān)注最廣泛、可商業(yè)化應(yīng)用的復(fù)合沉積技術(shù)，拓寬了硬質(zhì)鍍層成分與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可能性。Vetter等[61]開發(fā)了電弧離子鍍與高功率脈沖磁控濺射復(fù)合沉積技術(shù)，基于高功率脈沖磁控濺射的脈沖寬度、脈沖波形以及電流密度均可獨(dú)立調(diào)節(jié)，該技術(shù)具有豐富的工藝可拓展性。Li等[62]為增強(qiáng)膜基結(jié)合力，采用磁控濺射和多弧離子鍍相結(jié)合的方法制備了FeCrAlTiSi高熵合金非晶態(tài)鍍層，在3.5wt.%NaCl水溶液中腐蝕電流密度相對(duì)于316L不銹鋼提高了約60倍。Hae等[63]在用于柔性鈣鈦太陽(yáng)能電池(FPSC)的無色聚酰亞胺(CPI)基板上，采用直流磁控濺射(DMS)和電弧離子鍍制備了高性能的柔性SITO/AITO電極，比傳統(tǒng)的AITO/SITO電極表現(xiàn)出更優(yōu)異的機(jī)械柔性和耐用性，更高的功率轉(zhuǎn)換效率。武晨陽(yáng)等[64]針對(duì)火炮身管內(nèi)膛磨損嚴(yán)重的問題，采用磁控濺射/多弧離子鍍復(fù)合處理工藝，制備了TiAlYN鍍層，膜基結(jié)合力最大為54N，摩擦因數(shù)最小為0.4，為火炮身管耐磨延壽提供了理論及實(shí)踐基礎(chǔ)。張權(quán)等[65]開發(fā)了電弧離子鍍/磁控濺射復(fù)合沉積技術(shù)，制備出高硬度、高結(jié)合力以及內(nèi)應(yīng)力可控的AlTiN復(fù)合鍍層以及AlTiN/AlCrN復(fù)合鍍層，在難加工材料的高速干式切削中表現(xiàn)出顯著的抗磨損優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量電弧離子鍍與其他表面處理技術(shù)的復(fù)合強(qiáng)化處理技術(shù)。Xie等[66]采用強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB)對(duì)電弧離子鍍NiCoCrAl鍍層進(jìn)行了改性處理，在1373K溫度下表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗氧化性能，更高的熱穩(wěn)定性。劉耿明等[67]為提高Zr合金包殼表面鍍層的抗高溫氧化性，采用多弧離子鍍加激光微熔(LMM)的復(fù)合技術(shù)在Zr合金包殼表面制備Mo/NiCr鍍層，出現(xiàn)出非平衡凝固組織特征，空隙率減少。Ramirez-reyna等[68]在4140鋼表面進(jìn)行氮化處理后制備AlCrN、FexN和AlCrN/FexN鍍層，鍍層失效模式由黏結(jié)變?yōu)閮?nèi)聚，F(xiàn)exN鍍層降低了基體與AlCrN鍍層間的性能差異，提高了基體與鍍層間的結(jié)合力，表現(xiàn)出更佳的耐磨性。祝繩健[69]探討了YG8硬質(zhì)合金表面納米化處理對(duì)多弧離子鍍TiAlN膜層的影響，在納米化處理表面制備的TiAlN膜層厚度更大、硬度增加了約24.3%，結(jié)合力增加了約35.23%。

3.2 基于真空電弧離子鍍復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 功能梯度多層鍍層

功能梯度多層鍍層是借鑒梯度材料的概念，施鍍過程中通過逐步改變鍍層生長(zhǎng)方向元素成分含量，或者逐漸過渡到另一種化合物制備的具有化學(xué)組分梯度、晶粒尺寸梯度或硬度梯度等其中一種或幾種的鍍層[70-71]。鍍層兩側(cè)具備不同的性能，有效減少了鍍層由于晶格常數(shù)不同導(dǎo)致熱脹系數(shù)差異帶來的熱內(nèi)應(yīng)力，具有比其中任何單一鍍層更優(yōu)越的結(jié)合力、綜合應(yīng)用性能和使用壽命。Musa等[72]研究了沉積在AISIA8工具鋼上AlTiCrN單層鍍層、AlTiN/AlTiCrN雙層鍍層和AlTiN/AlTiN/AlTiCrN這3層鍍層的摩擦學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)3層鍍層基于更高硬度、抗斷裂性、更好黏附強(qiáng)度和更低表面粗糙度的協(xié)同效應(yīng)，磨損率分別比兩層和單層鍍層降低了15%和29%。楊通晗等[73]采用真空陰極電弧離子鍍技術(shù)在W6Mo5Cr4V2高速鋼表面分別沉積周期數(shù)為6、10和14的Ti/TiN/Zr/ZrN多層膜，發(fā)現(xiàn)隨周期數(shù)增加，Ti/TiN/Zr/ZrN多層膜的硬度、彈性模量和韌性增大，耐磨性和耐蝕性變好。Wang等[74]采用有限元方法對(duì)比了電弧離子鍍制備的Cr/CrAlN和梯度Cr/CrN/Cr/CrAlN鍍層，結(jié)果表明梯度鍍層具有更少的表面顆粒，更高的結(jié)合強(qiáng)度和更好的縱向、橫向應(yīng)力耗散能力。林嵩[75]創(chuàng)新的提出了成分-結(jié)構(gòu)尺度-彈塑性能的梯度設(shè)計(jì)理念，采用多弧離子鍍技術(shù)制備了具有自潤(rùn)滑性能的梯度納米TiSiCN鍍層，梯度結(jié)構(gòu)有效減少了普通TiSiCN鍍層缺陷，提高了H/E與H3/E2值，提升了韌性。孫日等[76]利用電弧離子鍍技術(shù)在DZ125合金表面分別沉積NiCrAlY/NiAl/Al鍍層、NiCrAlY/Pt/NiAl/Al鍍層，再經(jīng)真空擴(kuò)散退火處理形成成分漸變的梯度鍍層結(jié)構(gòu)，通過對(duì)比2種鍍層體系在900℃不同混合鹽中的熱腐蝕行為發(fā)現(xiàn)Pt層抑制了Cr、O元素的外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散，顯著提升了NiCrAlY涂層在混合鹽中的抗熱腐蝕能力。

3.2.2 納米結(jié)構(gòu)鍍層

納米結(jié)構(gòu)鍍層是指核心材料為納米級(jí)顆粒組成的鍍層。當(dāng)材料尺寸小于100nm，尤其在10nm左右會(huì)產(chǎn)生小尺寸、界面、宏觀量子和比表面等眾多奇異效應(yīng)，大大提升材料性能，因此相對(duì)于普通鍍層，納米結(jié)構(gòu)鍍層表現(xiàn)出更優(yōu)異的硬度、韌性、耐磨檫性能和耐腐蝕性能等[77]。并根據(jù)結(jié)構(gòu)和制硬機(jī)理的不同分為納米多層鍍層和納米復(fù)合鍍層。

納米多層鍍層是指兩種或幾種納米級(jí)的不同材料鍍層周期性交替生長(zhǎng)而成的多層鍍層，如圖5(a)所示。調(diào)制層形成的共格界面增大了界面間的位錯(cuò)密度，有效阻礙了位錯(cuò)穿過界面?zhèn)鬟f，相互交替的不同成分和結(jié)構(gòu)有效減小了膜層中的孔洞，大量界面多層結(jié)構(gòu)有效阻礙了微裂紋等缺陷在膜層內(nèi)部的移動(dòng)，因此相對(duì)于單一組份鍍層，納米多層鍍層硬度更大、耐蝕性、韌性、摩擦磨損性能更優(yōu)。Cheng等[78]以Ti/TiN納米多層鍍層為模型系統(tǒng)，研究了異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)對(duì)彈性、塑性變形和磨損行為的影響，表明大多數(shù)層厚為10~80nm納米的多層膜的硬度、模量與層厚成反比，與界面梯度無關(guān)，層厚恒定時(shí)，磨損率與界面梯度厚度成反比，證明控制納米級(jí)界面結(jié)構(gòu)是增強(qiáng)磨損的有效方法。Liu等[79]采用電弧離子鍍技術(shù)制備了納米級(jí)單層TiAlSiN、AlCrN和多層TiAlSiN/AlCrN鍍層，發(fā)現(xiàn)多層TiAlSiN/AlCrN鍍層的彈性模量、納米硬度等性能介于兩種單層鍍層之間，符合“混合定律”，同時(shí)由于多層鍍層的界面效應(yīng)，多層TiAlSiN/AlCrN鍍層的殘余應(yīng)力最小，500和800℃時(shí)的耐磨性能均最優(yōu)。趙升升等[80]采用電弧離子鍍技術(shù)制備了不同調(diào)制周期的ZrN/TiCuN納米多層鍍層，發(fā)現(xiàn)界面處存在大量共格結(jié)構(gòu)，且連續(xù)貫穿幾個(gè)相鄰鍍層，隨著調(diào)制周期減小，共格結(jié)構(gòu)的界面增加，納米單層厚度變薄，硬度提高，在調(diào)制周期最小時(shí)硬度達(dá)到最大值3.15×10? MPa。

納米復(fù)合結(jié)構(gòu)鍍層是指把凝聚的晶體相或無定型復(fù)合相彌散在傳統(tǒng)的單層鍍層中而形成的結(jié)構(gòu)。從Veprek等[81]提出的晶粒大小為3~10nm的納米晶被1~2nm的非晶層包裹的理想模型，如圖5(b)所示，可看出納米復(fù)合結(jié)構(gòu)鍍層具有較高的共格界面能，不同相之間界面結(jié)合牢固，可以提升鍍層韌性;非晶相對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)具有強(qiáng)效阻礙排斥作用，位錯(cuò)不能穿過非晶相基體，可以極大地提高鍍層的硬度和彈性模量，展現(xiàn)出和傳統(tǒng)鍍層完全不同的優(yōu)異性能。Wang等[82]通過多弧離子鍍技術(shù)制備了含有非晶碳、納米石墨和C60等多種碳微觀結(jié)構(gòu)的一系列納米復(fù)合結(jié)構(gòu)鍍膜，硬度值范圍為(1.833±0.355)×10?MPa至(3.388±0.226)×10?MPa，與Φ3mm的316不銹鋼球在新鮮5W-30油中的摩擦系數(shù)約為0.13，在劣化油中，最高摩擦系數(shù)為0.20，最低為0.11，顯示出超耐磨性。Kim等[83]制備了納米復(fù)合微結(jié)構(gòu)的Ti合金鍍層，由以Ti為主要成分的非晶基質(zhì)和分散在基質(zhì)中TiN納米晶體組成，與基材的附著力高、摩擦阻力低、硬度和彈性模量特性優(yōu)異。Liu等[84]使用電弧離子鍍技術(shù)在304不銹鋼上沉積了具有不同N?分壓的抗菌TiN/Cu納米復(fù)合鍍層，結(jié)果表明鍍層均具有很強(qiáng)的抗菌能力且無細(xì)胞毒性，硬度和耐磨性隨晶粒尺寸的增加而提高。李茂等[85]探討了N?流量和靶基距對(duì)多弧離子鍍沉積AlSiN納米復(fù)合鍍層微觀組織及耐腐蝕性能的影響，結(jié)果表明鍍層在較遠(yuǎn)的靶基距和高氮?dú)饬髁肯聝A向于柱狀晶生長(zhǎng)模式，結(jié)晶度較高，在近距離及低氮?dú)饬髁肯聞t會(huì)獲得晶粒細(xì)小或接近非晶的致密結(jié)構(gòu)，而結(jié)晶方式影響著腐蝕介質(zhì)的滲透與表面氧化膜的形成，在0.15L/min的氮?dú)饬髁浚?80mm的靶基距下制備的AlSiN涂層擁有最佳的抗腐蝕性能，腐蝕電流密度相比于TC4鈦合金基材降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

4、結(jié)論

經(jīng)過一定的發(fā)展，真空電弧離子鍍技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。但伴隨著我國(guó)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型，半導(dǎo)體加工、機(jī)器人、航空航天裝備、先進(jìn)軌道交通設(shè)施、新能源汽車、核電、光伏發(fā)電等行業(yè)快速發(fā)展，涉及到大量特殊性能要求、更高質(zhì)量保證或成本造價(jià)更低的先進(jìn)膜層，因此真空電弧離子鍍等表面技術(shù)必須根據(jù)需求向性能更好、工藝更易、適應(yīng)更強(qiáng)、應(yīng)用更廣方向發(fā)展。同時(shí)，無論是新技術(shù)的研發(fā)，還是鍍層的商業(yè)化推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)與國(guó)外研究機(jī)構(gòu)或鍍層公司相比仍存在差距。尤其是穩(wěn)定可靠復(fù)合沉積設(shè)備研發(fā)，功能梯度多層鍍層、納米鍍層界面生長(zhǎng)機(jī)制、界面結(jié)構(gòu)與性能的相關(guān)性和制備工藝參數(shù)的積累等諸多問題需要關(guān)注與解決。

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（注，原文標(biāo)題：真空電弧離子鍍技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)_陳靜華）

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