摩擦学表面工程
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KMARC高真空电弧离子镀
真空电弧离子镀膜技术在车辆零部件上的应用包括： （1）在轴类零件的表面镀制硬质耐磨膜，降低表面磨损， 延长零件使用寿命，还可降低零件运动时产生的噪声，减 少环境污染。 （2）在发动机零件上镀制耐磨耐蚀膜，在活塞顶部、活塞 环、汽缸套等直接与燃气接触的发动机零件上镀制一层耐 磨损、耐气蚀、隔热的复合膜，可以使这些零件在高温下 工作，降低其冷却要求，可以使大部分热量通过排出的气 体带走，大大提高发动机的有效系数和经济性。 （3）在发动机曲轴衬套等运动零件上镀制润滑膜层。
随着离子镀氮化钛超硬耐磨镀层工艺逐渐完善和镀膜 质量的提高多弧离子镀在冶金、机械加工、高温防护、装 饰材料等众多行业得到广泛的实际应用。 应用于钻头、丝锥、拉刀等各种模具, 使其寿命提高 三倍以上；应用于表带、表壳、眼镜架、牌匾、字号、餐 具和建筑五金等, 使其光彩夺目, 耐磨耐蚀。颜色从金黄 到淡金色, 并可达到枪黑色, 提高产品的艺术价值和使用 价值。在电子、轻工、化工、机械等领域有着广泛的应用 前景。
图6 电弧过滤器的系统示意图 a-直管；b-直管和弯曲束；d-环形；e-圆顶型
真空电弧离子镀薄膜的组织结构、力学性能受多种工 艺参数的影响，主要包括：沉积温度、基体偏压、靶电流、 离子轰击、氮气分压等。
1、操作前的准备 ① 检查基础设备及电源、冷水源； ② 检查真空室体、控制柜和偏压电源均要妥善接地； ③ 清洗真空室及工件卡具，按需要安装好工件 2、真空获得 ① 关好真空室门，关好门窗，将全部阀门关好； ② 接通电源，开气泵、水泵、维持泵扩散泵预热； ③ 扩散泵进入状态后，开机械泵、钟罩阀、旁通阀对真空 室抽气。
大颗粒会轻微带电，但是质量和电荷之比与电子和 离子相比是很大的，因此，大颗粒由于它们的惯性所以沿 着直的轨迹运动。如果等离子体(电子和离子)从阴极表面 出来后不沿直线引导，大颗粒将与等离子体分离，如果没 有其他问题，通过磁过滤将大颗粒完全去除将可以完成。 但是，还有一些问题会影响大颗粒的去除，这些问题是： 大颗粒从壁的反弹，等离子体在过滤器中的大量失去，以 及由于等离子体一粒子的交互作用所造成的纳米粒子的输 运(“等离子体风”)。
1) 施加磁控可以加快弧斑的运动速度, 从而减少熔滴尺寸, 细化氮化钛涂层组织。 2) 在选定的氮分压条件范围内, 氮化钛的组织、晶体结构、 硬度、色泽没有明显差异。 3) 沉积氮化钛时的基板温度和等离子体场条件, 对形成氮 化钛涂层的硬度、色泽有明显影响。 4) 在大弧源真空电弧离子镀膜机中沉积氮化钛涂层, 无论 弧源是否施加磁控,改变氮分压及工件温度和是否施加工 件偏压, 其涂层的晶体结构基本一致, 均呈现了( 1 1 1 ) 晶面的择优取向, ( 1 1 1) 峰很强, 其他晶面均很低。
技术特点：
金属阴极蒸发器不融化，可以任意安放使涂层均匀，基板 转动机构简化。 外加磁场可以改善电弧放电；使电弧细碎；旋转速度加快； 细化膜层微粒；对带电粒子产生加速作用。 金属离化率高，有利于涂层的均匀性和提高附着力，是实 现离子镀膜的最佳工艺。 一弧多用，既是蒸发源，又是加热源、预轰击净化源和离 化源。 设备结构简单，可以拼装，适于镀各种形状的零件，包括 细长杆，如拉刀等。 但会降低零件表面的光洁度。
5)提高放电电离度 在维持一定的放电电压时， 提高真空度， 降低残余 气体压强可明显地减少残余气体的碰撞，电荷交换与离子 复合等损失，减少发散角以及提高约束和传输能力也是很 有效的方法。对于一定的沉积速率，提高电离度就意味着 降低放电功率，也就是减少阴极熔池深度及熔融金属含量， 从而减少液滴发射。
4.2提高液滴过滤效果和等离子体传输效率
磁过滤的原则：
在轴向磁场中，电子的运动注定是沿着磁力线方向的， 它们沿着磁力线方向螺旋前进，直到受到其他粒子的碰撞。 如果磁场是弯曲的。正如在一个弯曲的螺线管内部的磁场， 电子会沿着曲率运动。这样的电子可认为是磁化的，相反， 离子通常不被磁化，因为它们的旋转半径比电子要大得多， 比过滤器的特征尺寸也要大。但是，离子也会被迫沿着磁 力线方向运动，由于电子和离子间存在的电场，当离子被 电子推出去时电场就会存在。因此，等离子体宏观上是电 中性的，等离子体沿着磁力线方向的输运是磁的(电子)和 电的(离子)复合机制。
图1 施加与不施加磁场的X 射线衍射峰曲线 (a )A S T M 卡片标准衍射峰( b) 不加磁场时的衍射峰(c ) 加磁场时的衍射峰
2、氮化钛涂层组织形貌 采用金相显微镜观察,对比了弧源施加磁场与否的氮 化钛涂层表面组织形貌见图2 。 由照片可知, 施加磁控后,涂层中的熔滴尺寸减小, 而且粗大熔滴的数量减少。
TiN膜层缺陷-液滴
图5 不同镀膜方式的TiN与Ti膜的表面形貌
4.1减少液滴的产生
降低放电功率密度， 提高弧斑运动速度， 降低高电 荷态含量， 提高电离度， 以及加强冷却措施等方法可有 效地减少液滴的产生。 1）降低高电荷态离子含量 高电荷态离子动能比单电荷态离子动能高，它们传 给阴极液面的能量和作用力大，所以它们产生液滴的能力 比单电荷态离子大。采取低于第二电离电位的放电电压， 就可以适当地减少高电荷态离子含量，从而减少液滴的产 生。
存在的问题：
液滴的污染 严重降低薄膜的性能，严重限制其发展和应用范围 阴极斑点跑偏 诱发放电过程的不稳定，导致杂质气体的产生 负偏压 放电引起膜层损坏
真空电弧离子镀中液滴发射现象是普遍存在的，其 尺寸和数量受弧斑的尺寸及运动等多种因素的影响。液滴 的尺寸通常为微米量级，有时可达到几十微米。 由于液滴是熔融的阴极材料熔滴，其化学组成与阴 极靶材是相同的。对于单组分阴极材料，液滴的数量以及 尺寸一般随靶材熔点的增高而减少；对于多元合金阴极材 料，情况要复杂得多。
真空电弧离子镀是采用阴极电弧蒸发源的一种离子 镀技术 ，其应用面广，实用性强。 阴极靶可以安装在镀膜室壁的任一面上，靶的形状 可以根据需要调整。真空电弧离子镀膜层的均匀性得以充 分保证，而不受沉积速率的影响。
真空电弧离子镀的基 本组成包括：真空镀 膜室、阴极弧源、基 片、负偏压电源、真 空系统等，如图1所 示。
表4 A、B工艺TIN涂层的厚度、硬度和色泽 由表4可知, A 工艺的TIN厚度薄, 硬度低, 呈棕红色； B 工艺的TIN涂层较厚、色泽金黄。此结果表明, 基板偏压 对钛、氮离子的吸引而提高沉积速率；较高的基板TIN涂 层；反之, 基板温度低时, 使氮、钛离子不能充分反应,获 得的氮化钛硬度低, 色泽棕红。
阴极弧源所产生的金属等离子体自动维持阴极和镀膜室之间的 弧光放电。微小弧斑在阴极靶面迅速徘徊。弧斑的电流密度很大，达 到105-107A／cm2，电压为20 V左右。由于微弧能量密度非常大，弧斑 发射金属蒸气流的速度可以达到108m／s。阴极靶本身既是蒸发源， 又是离化源。外加磁场可以改变阴极弧斑在阴极靶面的移动速度，并 使弧斑均匀、细化，以达到阴极靶面的均匀烧蚀，延长靶的使用寿命。 磁场对阴极弧斑运动的制约作用如图2所示。
表3 两种镀Ti N 涂层的工艺条件 由表3可知, B 工艺试样, 在沉积TIN之前,工件的温度 较A 工艺的试样高,与回火试样进行对比,前者相当40 0 ℃ 左右, 后者在20 0 ℃ 以下。在沉积TI N工序, B 工艺试样 一直施加2 0 V偏压，对钛离子、氮离子提供加速能量。 故在TI N形成过程中，工件温度不断上升； 而A 工艺试 样则一直处于低温条件。
由于阴极弧斑的能流密度非常大，在阴极的表面上形成微小熔池，这 些微小熔池导致阴极靶材的剧烈蒸发。热发射和场致发射共同导致电 子发射，而且电子被阴极表面的强电场加速，以极高的速度飞离阴极 表面，电子与中性原子碰撞，并使之离化，这个区域称为离化区。由 于电子比重离子轻得多，所以电子飞离离化区的速度要比重离子高得 多，这样在离化区就出现正的空间电荷云。
3、工件进行预处理：抛光（除锈）、清洗并烘干 4、镀膜 ① 离子溅射清洗与轰击预热 ② 加热、镀膜 5、关机
1、试样制备 试样经磨光、抛光、清洗后安装在工件转架上。 2、操作过程 制备前预真空,启动工件转架、烘烤加热工件,再对工件进 行10 ～ 20min 的等离子体(Ar + )轰击以便清洗去油并 将其加热至500 ℃。 样品制备完成后, 对TiN 膜在700 ℃ 下进行0. 5 h 的大 气退火。 试样在真空室内冷却至80 ℃ 充气,取出工件。
图2 TiN涂层表面组织的金相照片
a未加磁控 b施加磁控
3、氮化钛涂层硬度分析
由表1可知，涂层硬度均在1831HV以上，未加磁 控的试样都比较薄，硬度偏低。数据表明，工件架上 中下部位涂层的厚度是均匀的。
4、氮化钛图层的厚度
由表2可知，随氮分压增高，涂层厚度增加。
5、氮化钛涂层组织形貌 对涂层断口组织形貌的扫描电镜照片观察可知, 不同 氮分压时, 得到的涂层组织均是细密的柱状晶组织。除了 涂层厚度随气压的降低而减薄外, 未观察到明显差异。
离子到达基片的能量主要由基板负偏压供给；通过对弧源 电流的调整来改变离子流密度。 由于等离子体中离子的较高能量，易于使已沉积的松散粒 子被溅射下来，从而造成膜层的高致密度。 真空电弧离子镀膜层与基体的结合牢固，高能粒子导致膜 层与其片之间以原子键结合，并于界面处建立一互扩散层， 同时还能减少或消除膜层与其体界面之间的孔隙缺陷。因 此使镀层具有良好的附着性。
2）提高弧斑的运动速度 提高约束磁场强度和降低残余气体压力，可减少弧 斑运动阻力， 提高弧斑运动速度， 降低斑在靶材上的停 留时间可以减少液滴的产生。 3)加强阴极冷却措施 扩大阴极冷却面积和提高冷却剂流速等措施可明显加 强阴极冷却，从而减少液滴发射 4)降低放电功率密度 放电功率密度大小直接影响液滴的产生，降低放电功 率密度可有效地减少液滴的产生。
1-阴极弧源（靶材）； 2、3-进气口；4-真 空系统；5-基片（试 样）；6-偏压电源
图1 多弧离子镀结构示意图
真空电弧离子镀的基本原理：
阴极是在低气压下的电弧放电阴极源，阴极靶材在与阳极短路 时引发电弧形成真空电弧放电，在靶表面形成高速无规则运动的电弧 斑点，使靶材直接由固态蒸发并离化产生高能粒子，这些粒子在工件 偏压的作用下沉积在工件表面形成所需的涂层，当真空室内通入反应 气体则可生成化合物膜。
图4 阴极靶表面离化区域示意图
离化区域的空间电荷，是导致加速区强电场的主要原因， 该电场一方面使电子加速离开阴极表面，另一方面也使得 离子回归阴极表面，该回归的离子流可能导致阴极表面温 度在一定程度上的增加。此外，回归的离子流对熔池表面 的冲击作用可能是液滴喷溅的原因，在阴极表面附近只有 离子和液滴向外空间发射，即在基片上只能接收到离子和 液滴，而无中性原子。
不加磁场
磁场过小
磁场过大
磁场适中
图2 磁场对阴极弧斑运动的制约作用示意图
在靶面前方附近形 成的金属等离子体， 由电子、正离子、 液滴和中性金属蒸 气原子所组成，如 图3所示。 由于金属蒸气原子 仅占很小部分(低 于2％)，因而在基 片上沉积的粒子束 流中几乎全部由离 子和液滴组成。
图3 阴极电弧产物组成示意图
1、施加磁场对氮化钛涂层质量的影响
氮化钛涂层相结构采用X 射线衍射仪测定了对弧源施加磁 场与不加磁场时, 氮化钛涂层的相结构。 由图1 可知,与标准峰相比, 无论施加磁场与否, 氮化钛涂 层的结构均发生了( 1 1 1)晶面的择优取向, 二者结构基本 相同, 说明磁场对氮化钛涂层的晶体结构没有影响。
真空电弧离子镀膜技术在航空业上的应用包括： （1）用于修复速率陀螺的马达轴承，进行轴承外圆表面 的增厚处理。 （2）提高航天用球轴承表面的耐磨性。 （3）镀制热障膜层。 （4）用于涡轮叶片镀NiCrAlY涂层和压气机叶片镀TiN涂 层等工艺。
真空离子镀膜机
真空电弧离子镀膜技术在冲孔冲模上的应用： 真空电弧离子镀入射粒子能量高，在高能量的离子轰 击下，可使膜的致密度高，强度和耐久性好。冲孔冲头经 过真空电弧离子镀TiN涂层处理后，其使用寿命比原冲头 可提高5倍，可显著降低冲模的制造费用。
KMARC高真空电弧离子镀
真空电弧离子镀膜技术在车辆零部件上的应用包括： （1）在轴类零件的表面镀制硬质耐磨膜，降低表面磨损， 延长零件使用寿命，还可降低零件运动时产生的噪声，减 少环境污染。 （2）在发动机零件上镀制耐磨耐蚀膜，在活塞顶部、活塞 环、汽缸套等直接与燃气接触的发动机零件上镀制一层耐 磨损、耐气蚀、隔热的复合膜，可以使这些零件在高温下 工作，降低其冷却要求，可以使大部分热量通过排出的气 体带走，大大提高发动机的有效系数和经济性。 （3）在发动机曲轴衬套等运动零件上镀制润滑膜层。
随着离子镀氮化钛超硬耐磨镀层工艺逐渐完善和镀膜 质量的提高多弧离子镀在冶金、机械加工、高温防护、装 饰材料等众多行业得到广泛的实际应用。 应用于钻头、丝锥、拉刀等各种模具, 使其寿命提高 三倍以上；应用于表带、表壳、眼镜架、牌匾、字号、餐 具和建筑五金等, 使其光彩夺目, 耐磨耐蚀。颜色从金黄 到淡金色, 并可达到枪黑色, 提高产品的艺术价值和使用 价值。在电子、轻工、化工、机械等领域有着广泛的应用 前景。
图6 电弧过滤器的系统示意图 a-直管；b-直管和弯曲束；d-环形；e-圆顶型
真空电弧离子镀薄膜的组织结构、力学性能受多种工 艺参数的影响，主要包括：沉积温度、基体偏压、靶电流、 离子轰击、氮气分压等。
1、操作前的准备 ① 检查基础设备及电源、冷水源； ② 检查真空室体、控制柜和偏压电源均要妥善接地； ③ 清洗真空室及工件卡具，按需要安装好工件 2、真空获得 ① 关好真空室门，关好门窗，将全部阀门关好； ② 接通电源，开气泵、水泵、维持泵扩散泵预热； ③ 扩散泵进入状态后，开机械泵、钟罩阀、旁通阀对真空 室抽气。
大颗粒会轻微带电，但是质量和电荷之比与电子和 离子相比是很大的，因此，大颗粒由于它们的惯性所以沿 着直的轨迹运动。如果等离子体(电子和离子)从阴极表面 出来后不沿直线引导，大颗粒将与等离子体分离，如果没 有其他问题，通过磁过滤将大颗粒完全去除将可以完成。 但是，还有一些问题会影响大颗粒的去除，这些问题是： 大颗粒从壁的反弹，等离子体在过滤器中的大量失去，以 及由于等离子体一粒子的交互作用所造成的纳米粒子的输 运(“等离子体风”)。
1) 施加磁控可以加快弧斑的运动速度, 从而减少熔滴尺寸, 细化氮化钛涂层组织。 2) 在选定的氮分压条件范围内, 氮化钛的组织、晶体结构、 硬度、色泽没有明显差异。 3) 沉积氮化钛时的基板温度和等离子体场条件, 对形成氮 化钛涂层的硬度、色泽有明显影响。 4) 在大弧源真空电弧离子镀膜机中沉积氮化钛涂层, 无论 弧源是否施加磁控,改变氮分压及工件温度和是否施加工 件偏压, 其涂层的晶体结构基本一致, 均呈现了( 1 1 1 ) 晶面的择优取向, ( 1 1 1) 峰很强, 其他晶面均很低。
技术特点：
金属阴极蒸发器不融化，可以任意安放使涂层均匀，基板 转动机构简化。 外加磁场可以改善电弧放电；使电弧细碎；旋转速度加快； 细化膜层微粒；对带电粒子产生加速作用。 金属离化率高，有利于涂层的均匀性和提高附着力，是实 现离子镀膜的最佳工艺。 一弧多用，既是蒸发源，又是加热源、预轰击净化源和离 化源。 设备结构简单，可以拼装，适于镀各种形状的零件，包括 细长杆，如拉刀等。 但会降低零件表面的光洁度。
5)提高放电电离度 在维持一定的放电电压时， 提高真空度， 降低残余 气体压强可明显地减少残余气体的碰撞，电荷交换与离子 复合等损失，减少发散角以及提高约束和传输能力也是很 有效的方法。对于一定的沉积速率，提高电离度就意味着 降低放电功率，也就是减少阴极熔池深度及熔融金属含量， 从而减少液滴发射。
4.2提高液滴过滤效果和等离子体传输效率
磁过滤的原则：
在轴向磁场中，电子的运动注定是沿着磁力线方向的， 它们沿着磁力线方向螺旋前进，直到受到其他粒子的碰撞。 如果磁场是弯曲的。正如在一个弯曲的螺线管内部的磁场， 电子会沿着曲率运动。这样的电子可认为是磁化的，相反， 离子通常不被磁化，因为它们的旋转半径比电子要大得多， 比过滤器的特征尺寸也要大。但是，离子也会被迫沿着磁 力线方向运动，由于电子和离子间存在的电场，当离子被 电子推出去时电场就会存在。因此，等离子体宏观上是电 中性的，等离子体沿着磁力线方向的输运是磁的(电子)和 电的(离子)复合机制。
图1 施加与不施加磁场的X 射线衍射峰曲线 (a )A S T M 卡片标准衍射峰( b) 不加磁场时的衍射峰(c ) 加磁场时的衍射峰
2、氮化钛涂层组织形貌 采用金相显微镜观察,对比了弧源施加磁场与否的氮 化钛涂层表面组织形貌见图2 。 由照片可知, 施加磁控后,涂层中的熔滴尺寸减小, 而且粗大熔滴的数量减少。
TiN膜层缺陷-液滴
图5 不同镀膜方式的TiN与Ti膜的表面形貌
4.1减少液滴的产生
降低放电功率密度， 提高弧斑运动速度， 降低高电 荷态含量， 提高电离度， 以及加强冷却措施等方法可有 效地减少液滴的产生。 1）降低高电荷态离子含量 高电荷态离子动能比单电荷态离子动能高，它们传 给阴极液面的能量和作用力大，所以它们产生液滴的能力 比单电荷态离子大。采取低于第二电离电位的放电电压， 就可以适当地减少高电荷态离子含量，从而减少液滴的产 生。
存在的问题：
液滴的污染 严重降低薄膜的性能，严重限制其发展和应用范围 阴极斑点跑偏 诱发放电过程的不稳定，导致杂质气体的产生 负偏压 放电引起膜层损坏
真空电弧离子镀中液滴发射现象是普遍存在的，其 尺寸和数量受弧斑的尺寸及运动等多种因素的影响。液滴 的尺寸通常为微米量级，有时可达到几十微米。 由于液滴是熔融的阴极材料熔滴，其化学组成与阴 极靶材是相同的。对于单组分阴极材料，液滴的数量以及 尺寸一般随靶材熔点的增高而减少；对于多元合金阴极材 料，情况要复杂得多。
真空电弧离子镀是采用阴极电弧蒸发源的一种离子 镀技术 ，其应用面广，实用性强。 阴极靶可以安装在镀膜室壁的任一面上，靶的形状 可以根据需要调整。真空电弧离子镀膜层的均匀性得以充 分保证，而不受沉积速率的影响。
真空电弧离子镀的基 本组成包括：真空镀 膜室、阴极弧源、基 片、负偏压电源、真 空系统等，如图1所 示。
表4 A、B工艺TIN涂层的厚度、硬度和色泽 由表4可知, A 工艺的TIN厚度薄, 硬度低, 呈棕红色； B 工艺的TIN涂层较厚、色泽金黄。此结果表明, 基板偏压 对钛、氮离子的吸引而提高沉积速率；较高的基板TIN涂 层；反之, 基板温度低时, 使氮、钛离子不能充分反应,获 得的氮化钛硬度低, 色泽棕红。
阴极弧源所产生的金属等离子体自动维持阴极和镀膜室之间的 弧光放电。微小弧斑在阴极靶面迅速徘徊。弧斑的电流密度很大，达 到105-107A／cm2，电压为20 V左右。由于微弧能量密度非常大，弧斑 发射金属蒸气流的速度可以达到108m／s。阴极靶本身既是蒸发源， 又是离化源。外加磁场可以改变阴极弧斑在阴极靶面的移动速度，并 使弧斑均匀、细化，以达到阴极靶面的均匀烧蚀，延长靶的使用寿命。 磁场对阴极弧斑运动的制约作用如图2所示。
表3 两种镀Ti N 涂层的工艺条件 由表3可知, B 工艺试样, 在沉积TIN之前,工件的温度 较A 工艺的试样高,与回火试样进行对比,前者相当40 0 ℃ 左右, 后者在20 0 ℃ 以下。在沉积TI N工序, B 工艺试样 一直施加2 0 V偏压，对钛离子、氮离子提供加速能量。 故在TI N形成过程中，工件温度不断上升； 而A 工艺试 样则一直处于低温条件。
由于阴极弧斑的能流密度非常大，在阴极的表面上形成微小熔池，这 些微小熔池导致阴极靶材的剧烈蒸发。热发射和场致发射共同导致电 子发射，而且电子被阴极表面的强电场加速，以极高的速度飞离阴极 表面，电子与中性原子碰撞，并使之离化，这个区域称为离化区。由 于电子比重离子轻得多，所以电子飞离离化区的速度要比重离子高得 多，这样在离化区就出现正的空间电荷云。
3、工件进行预处理：抛光（除锈）、清洗并烘干 4、镀膜 ① 离子溅射清洗与轰击预热 ② 加热、镀膜 5、关机
1、试样制备 试样经磨光、抛光、清洗后安装在工件转架上。 2、操作过程 制备前预真空,启动工件转架、烘烤加热工件,再对工件进 行10 ～ 20min 的等离子体(Ar + )轰击以便清洗去油并 将其加热至500 ℃。 样品制备完成后, 对TiN 膜在700 ℃ 下进行0. 5 h 的大 气退火。 试样在真空室内冷却至80 ℃ 充气,取出工件。
图2 TiN涂层表面组织的金相照片
a未加磁控 b施加磁控
3、氮化钛涂层硬度分析
由表1可知，涂层硬度均在1831HV以上，未加磁 控的试样都比较薄，硬度偏低。数据表明，工件架上 中下部位涂层的厚度是均匀的。
4、氮化钛图层的厚度
由表2可知，随氮分压增高，涂层厚度增加。
5、氮化钛涂层组织形貌 对涂层断口组织形貌的扫描电镜照片观察可知, 不同 氮分压时, 得到的涂层组织均是细密的柱状晶组织。除了 涂层厚度随气压的降低而减薄外, 未观察到明显差异。
离子到达基片的能量主要由基板负偏压供给；通过对弧源 电流的调整来改变离子流密度。 由于等离子体中离子的较高能量，易于使已沉积的松散粒 子被溅射下来，从而造成膜层的高致密度。 真空电弧离子镀膜层与基体的结合牢固，高能粒子导致膜 层与其片之间以原子键结合，并于界面处建立一互扩散层， 同时还能减少或消除膜层与其体界面之间的孔隙缺陷。因 此使镀层具有良好的附着性。
2）提高弧斑的运动速度 提高约束磁场强度和降低残余气体压力，可减少弧 斑运动阻力， 提高弧斑运动速度， 降低斑在靶材上的停 留时间可以减少液滴的产生。 3)加强阴极冷却措施 扩大阴极冷却面积和提高冷却剂流速等措施可明显加 强阴极冷却，从而减少液滴发射 4)降低放电功率密度 放电功率密度大小直接影响液滴的产生，降低放电功 率密度可有效地减少液滴的产生。
1-阴极弧源（靶材）； 2、3-进气口；4-真 空系统；5-基片（试 样）；6-偏压电源
图1 多弧离子镀结构示意图
真空电弧离子镀的基本原理：
阴极是在低气压下的电弧放电阴极源，阴极靶材在与阳极短路 时引发电弧形成真空电弧放电，在靶表面形成高速无规则运动的电弧 斑点，使靶材直接由固态蒸发并离化产生高能粒子，这些粒子在工件 偏压的作用下沉积在工件表面形成所需的涂层，当真空室内通入反应 气体则可生成化合物膜。
图4 阴极靶表面离化区域示意图
离化区域的空间电荷，是导致加速区强电场的主要原因， 该电场一方面使电子加速离开阴极表面，另一方面也使得 离子回归阴极表面，该回归的离子流可能导致阴极表面温 度在一定程度上的增加。此外，回归的离子流对熔池表面 的冲击作用可能是液滴喷溅的原因，在阴极表面附近只有 离子和液滴向外空间发射，即在基片上只能接收到离子和 液滴，而无中性原子。
不加磁场
磁场过小
磁场过大
磁场适中
图2 磁场对阴极弧斑运动的制约作用示意图
在靶面前方附近形 成的金属等离子体， 由电子、正离子、 液滴和中性金属蒸 气原子所组成，如 图3所示。 由于金属蒸气原子 仅占很小部分(低 于2％)，因而在基 片上沉积的粒子束 流中几乎全部由离 子和液滴组成。
图3 阴极电弧产物组成示意图
1、施加磁场对氮化钛涂层质量的影响
氮化钛涂层相结构采用X 射线衍射仪测定了对弧源施加磁 场与不加磁场时, 氮化钛涂层的相结构。 由图1 可知,与标准峰相比, 无论施加磁场与否, 氮化钛涂 层的结构均发生了( 1 1 1)晶面的择优取向, 二者结构基本 相同, 说明磁场对氮化钛涂层的晶体结构没有影响。
真空电弧离子镀膜技术在航空业上的应用包括： （1）用于修复速率陀螺的马达轴承，进行轴承外圆表面 的增厚处理。 （2）提高航天用球轴承表面的耐磨性。 （3）镀制热障膜层。 （4）用于涡轮叶片镀NiCrAlY涂层和压气机叶片镀TiN涂 层等工艺。
真空离子镀膜机
真空电弧离子镀膜技术在冲孔冲模上的应用： 真空电弧离子镀入射粒子能量高，在高能量的离子轰 击下，可使膜的致密度高，强度和耐久性好。冲孔冲头经 过真空电弧离子镀TiN涂层处理后，其使用寿命比原冲头 可提高5倍，可显著降低冲模的制造费用。