多弧离子镀原理
多弧离子镀
离子镀膜
真空离子镀膜于1963年由D.M.Mattox提出，并开始实验。1971年Chamber等发表电子束离子镀技术，1972年B报告了反应蒸发镀（ARE）技术，并制作了TIN及TIC超硬膜。同年，MOLEY和SMITH将空心阴极技术应用于镀膜。20世纪八十年代，国内又相继出现了多弧离子镀及电弧放电高真空离子镀，至此离子镀达到工业应用水平。
离子镀膜原理及种类：
离子镀是真空室中，利用气体放电或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质粒子轰击作用的同时，将蒸发物或反应物沉积在基片上。离子镀把辉光放电现象、等离子体技术和真空蒸发三者有机结合起来，不仅能明显地改进了膜质量，而且还扩大了薄膜的应用范围。其优点是薄膜附着力强，绕射性好，膜材广泛等。D.M.首次提出离子镀原理，起工作过程是：
先将真空室抽至4×10（-3）帕以上的真空度，再接通高压电源，在蒸发源与基片之间建立一个低压气体放电的低温等离子区。基片电极接上5KV直流负高压，从而形成辉光放电阴极。辉光放电去产生的惰性气体离子进入阴极暗区被电场加速并轰击基片表面，对其进行清洗。然后计入镀膜过程，加热使镀料气化，起原子进入等离子区，与惰性气体离子及电子发生碰撞，少部分产生离化。离化后的例子及气体离子以较高能量轰击镀层表面，致使膜层质量得到改善。
离子镀种类很多，蒸发远加热方式有电阻加热、电子束加热、等离子电子束加热、高频感应加热等
然而多弧离子镀与一般的离子镀有着很大的区别。多弧离子镀采用的是弧光放电，而并不是传统离子镀的辉光放电进行沉积。简单的说，多弧离子镀的原理就是把阴极靶作为蒸发源，通过靶与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发，从而在空间中形成等离子体，对基体进行沉积。
多弧离子镀铝靶金相分析和研究
《铝加工》 ２０１３年第１期总第２１０期 技术工程
多弧离子镀铝靶金相分析和研究
罗松’，魏晓伟’。郑丽’，任光豪
（１．西华大学材料科学与工程学院，四川成都６１００３９；２．贵州航天新力铸锻有限公司。贵州遵义５６３０００）
摘要：采用简便易行的蚀坑法辨别废旧镀膜铝靶的表面织构组分；选用适合浸蚀剂显示铝靶试样的宏观组织；使用电解抛
光的方法制备金相试样，观察铝靶试样显微组织。由此推断铝靶在服役期间内部结构发生的变化。结果表明，铝靶在服役
中，经历多次再结晶过程。铝靶表面织构组分和一般纯铝再结晶织构组分不太一致。
关键字：铝靶；织构；再结晶；电解抛光；蚀坑法
中图分类号：ＴＧ１ １３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—４８９８（２０１３）０１—００５２—０４
ｄｏｉ：１ ０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００５—４８９８．２０１ ３．０１．１ ３
０前言
多弧离子镀是物理气相沉积方法之一 。靶材
作阴极，工作时在其表面形成多个阴极放电电弧
斑点，故称之多弧。这些微小弧斑电流密度很
大，能使靶材升温，局部达到熔化温度形成微小
熔池，从而气化蒸发，形成金属等离子体，金属
离子最终沉积在欲镀工件上 。靶材在工作中被电
弧烧蚀、加热并蒸发出离子物质，质量削减，在这
样的情况下，靶材内部结构势必也会发生变化。
靶材材料一般用铸造或粉末冶金的方法制
备。服役前，靶材经锻造、轧制、机械加工等方
法成形，并经必要的再结晶退火处理控制晶粒尺
寸 。本文通过金相方法分析废靶，探寻靶材在服
役后内部结构发生的变化。
１买验
１．１材料
要得知内部微观结构的变化，需用废旧的靶
材作为对象分析。实验所用靶材为铝靶，纯度 ９９．９０％，圆形，直径１００ ｍｍ，靶材制备工艺为铸
造并锻轧成形，新靶重０．６５ ｋｇ，废靶重０．４７ ｋｇ，新
靶位表面为平面，旧靶向内凹陷。沿径向切取小块
试样，经磨平、机械抛光，待作金相检测及分析。
真空阴极多弧离子镀不同厚度四面体非晶碳薄膜的结构和性能
真空阴极多弧离子镀不同厚度四面体非晶碳薄膜的结构和性能
李玉婷;代明江;李洪;林松盛;石倩;韦春贝;苏一凡;郭朝乾
【摘 要】以真空阴极多弧离子镀技术在P(100)型单晶抛光硅衬底和YG6硬质合金上制备了四面体非晶碳(ta-C)薄膜.用扫描电镜(SEM)测量薄膜厚度,并观察其表面及断面形貌;用X射线衍射仪(XRD)分析薄膜的相组成;用拉曼光谱标定薄膜中的sp3键和sp2键;用轮廓仪测量薄膜的表面粗糙度;用划痕法和压痕法测试了膜/基结合强度.在0.5～1.5μm的厚度范围内,随着ta-C薄膜厚度增加,薄膜的sp3键含量逐渐降低,表面碳颗粒数量及尺寸逐渐增加,与YG6基体的结合强度不断降低.0.5μm厚的ta-C薄膜具有最小的表面粗糙度(0.17μm),最高的结合强度(剥离时的临界载荷为61 N,压痕等级为HF2),表现出最优的综合力学性能.
【期刊名称】《电镀与涂饰》
【年(卷),期】2018(037)016
【总页数】6页(P716-721)
【关键词】真空阴极多弧离子镀;硬质合金;四面体非晶碳;薄膜;形貌;粗糙度;拉曼光谱;结合强度
【作 者】李玉婷;代明江;李洪;林松盛;石倩;韦春贝;苏一凡;郭朝乾
【作者单位】广东工业大学材料与能源学院,广东广州 510006;广东省新材料研究所,现代材料表面工程技术国家工程实验室,广东省现代表面工程技术重点实验室,广东广州 510651;广东工业大学材料与能源学院,广东广州 510006;广东省新材料研究所,现代材料表面工程技术国家工程实验室,广东省现代表面工程技术重点实验室,广东广州 510651;广东省新材料研究所,现代材料表面工程技术国家工程实验室,广东省现代表面工程技术重点实验室,广东广州 510651;广东省新材料研究所,现代材料表面工程技术国家工程实验室,广东省现代表面工程技术重点实验室,广东广州
510651;广东省新材料研究所,现代材料表面工程技术国家工程实验室,广东省现代表面工程技术重点实验室,广东广州 510651;广东省新材料研究所,现代材料表面工程技术国家工程实验室,广东省现代表面工程技术重点实验室,广东广州 510651;广东省新材料研究所,现代材料表面工程技术国家工程实验室,广东省现代表面工程技术重点实验室,广东广州 510651;广东省新材料研究所,现代材料表面工程技术国家工程实验室,广东省现代表面工程技术重点实验室,广东广州 510651
多弧离子镀在海洋船舶装备材料上的应用
第２１卷第２期 ２０１２年６月 淮海工学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕａｉｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．２１ Ｊｏｎ． ＮＯ．２ ２Ｏ１２
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－６６８５．２０１２．０２．００４
多弧离子镀在海洋船舶装备材料上的应用
张会霞 ，冯光光。
（ｉ．淮海工学院机械工程学院，江苏连云港２２２００５； ２．江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏镇江２１２００３）
摘要：离子镀膜技术作为一项正在发展的表面镀膜技术，具有良好的耐摩擦、磨损性能。多孤离
子镀是最先进的镀膜技术之一，通过阐述分析多弧离子镀的原理、技术优点，研究其应用领域，探求
多弧离子镀在海洋船舶材料中的应用，并对该技术进行展望。
关键词：多弧离子镀；海洋；船舶装备材料
中图分类号：ＴＧ１７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—６６８５（２０１２）０２—００１２—０３
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ－。ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ
Ｍａｒｉｎｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｔｅｒｉａｌ
ＺＨＡＮＧ Ｈｕｉ—ｘｉａ ，ＦＥＮＧ Ｇｕａｎｇ—ｇｕａｎｇ。
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｉｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ ２２２００５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎ４ｇ．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅ￣ｉａｎｇ ２１２００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｃｒｏｃ—
论述物理气相沉积和化学气相沉积的优缺点
论述物理气相沉积和化学气相沉积的优缺点
物理气相沉积技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。 物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。
真空蒸镀基本原理是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后沉积在基体表面上，蒸发的方法常用电阻加热，高频感应加热，电子柬、激光束、离子束高能轰击镀料，使蒸发成气相，然后沉积在基体表面，历史上，真空蒸镀是PVD法中使用最早的技术。
溅射镀膜基本原理是充氩(Ar)气的真空条件下，使氩气进行辉光放电，这时氩(Ar)原子电离成氩离子(Ar+)，氩离子在电场力的作用下，加速轰击以镀料制作的阴极靶材，靶材会被溅射出来而沉积到工件表面。如果采用直流辉光放电，称直流(Qc)溅射，射频(RF)辉光放电引起的称射频溅射。磁控(M)辉光放电引起的称磁控溅射。 电弧等离子体镀膜基本原理是在真空条件下，用引弧针引弧，使真空金壁(阳极)和镀材(阴极)之间进行弧光放电，阴极表面快速移动着多个阴极弧斑，不断迅速蒸发甚至“异华”镀料，使之电离成以镀料为主要成分的电弧等离子体，并能迅速将镀料沉积于基体。因为有多弧斑，所以也称多弧蒸发离化过程。
离子镀基本原理是在真空条件下，采用某种等离子体电离技术，使镀料原子部分电离成离子，同时产生许多高能量的中性原子，在被镀基体上加负偏压。这样在深度负偏压的作用下，离子沉积于基体表面形成薄膜。
物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：
(1)镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅射，也就是通过镀料的气化源。
(2)镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种反应。
物理气相沉淀和化学气相沉积法
液相制备纳米材料的原理、方法和形成机理
液相法实在液体状态下通过化学反应制取纳米材料方法的总称，又称为湿化学法或溶液法。现在，有各种各样的制备方法，文献中无公认一致的分类方法，相反还有些凌乱。为清晰醒目，特点明显，便于理解。这里将液相材料的纳米制备方法分为：沉淀法、溶胶-凝胶（sol-gel）法、水热法、化学还原法、化学热分解法、微乳胶法、声化学法、电化学法和水中放电法等9中。本章就沉淀法、溶胶-凝胶（sol-gel）法加以讨论。
沉淀法
沉淀法是在金属盐溶液中加入沉淀剂，进行化学反应，生成难容性的反应物，在溶液中沉淀下来，或将沉淀物加热干燥和煅烧，使之分解得到所需要的纳米材料的方法。沉淀法又主要分为共沉淀（CP），分布沉淀（SP），均匀沉淀（HP）等几种。下面对这几种沉淀法做一简要分析。
含1种或多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全沉淀的方法称共沉淀法。（包括:单项共沉淀发和混合共沉淀法）下图给出共沉淀法的典型工艺流程。
沉淀物为单一化合物或单相固溶体时，称为单相共沉淀，亦称化合物沉淀法。其原理为溶液中的金属离子是以具有与配比组成相等的化学计量化合物形式沉淀的，因而，当沉淀颗粒的金属元素之比就是产物化合物的金属元素之比时，沉淀物具有在原子尺度上的组成均匀性。但是，对于由二种以上金属元素组成的化合物，当金属元素之比按倍比法则，是简单的整数比时，保证组成均匀性是可以的。然而当要定量的加入微量成分时，保证组成均匀性常常很困难，靠化合物沉淀法来分散微量成分，达到原子尺度上的均匀性。如果是形成固溶体的系统是有限的，固溶体沉淀物的组成与配比组成一般是不一样的，则能利用形成固溶体的情况是相当有限的。要得到产物微粒，还必须注重溶液的组成控制和沉淀组成的管理。为方便理解其原理以利用草酸盐进行化合物沉淀的合成为例。反应装置如图：
图 利用草酸盐进行化合物沉淀的合成装置
实验原理：在Ba、Ti的硝酸盐溶液中加入草酸沉淀剂后，形成了单相化合物BaTiO3（C2H4）2•4H2O沉淀；BaTiO3（C2H4）•4H2O沉淀由于煅烧，分解形成BaTiO3微粉。
H13_钢表面多弧离子镀CrAlN_涂层的显微硬度及耐磨性影响
第20卷 第11期 装 备 环 境 工 程 2023年11月 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING ·115·
收稿日期：2023-08-03；修订日期：2023-11-01
Received：2023-08-03；Revised：2023-11-01 引文格式：袁嵩, 王帅, 方略, 等. H13钢表面多弧离子镀CrAlN涂层的显微硬度及耐磨性影响[J]. 装备环境工程, 2023, 20(11): 115-120. YUAN Song, WANG Shuai, FANG Lue, et al. Effect on the Microhardness and Wear Resistance of Multi Arc Ion Plating CrAlN Coating on H13 Steel[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(11): 115-120.
H13钢表面多弧离子镀CrAlN涂层的
显微硬度及耐磨性影响
袁嵩1，王帅2，方略2，张永伟2，李晓燚2，周志明3,4
（1.海装驻西安地区第二军事代表室，西安 710025；2.重庆长安工业集团有限责任公司，重庆 400023；
3.重庆理工大学 材料科学与工程学院，重庆 400054；4.重庆合创纳米科技有限公司，重庆 400707）
摘要：目的 提高H13热作模具钢表面的显微硬度及耐磨性。方法 通过多弧离子镀技术，分别对未经热处
理的H13钢、淬火H13钢以及氮化H13钢的表面进行多弧离子镀沉积CrAlN涂层，并分别对这3种基体上
的CrAlN涂层的显微硬度和摩擦磨损性能进行研究。结果 涂层表面均较为平整，且出现了白色小颗粒。经
过淬火和氮化处理后，H13钢CrAlN涂层的显微硬度达到3 300HV以上，达到基体的14倍多。与基体的摩
擦系数相比，淬火和氮化处理后，H13钢的摩擦系数比基体低，镀膜后的摩擦系数比基体高。氮化H13钢
电弧离子镀不同色泽TiN薄膜的工艺研究
・３２・ Ｍａｙ．２０１３ Ｐｌａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．５ Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．２４２ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８４９．２０１３．０５．００９ 电弧离子镀不同色泽ＴｉＮ薄膜的工艺研究 刘 野， 黄关东， 路少怀， 吴功航， 李洪玉 （天津师范大学物理与电子信息学院，天津３００３８７） 摘要：采用电弧离子镀的方法，在硅片上制备ＴｉＮ仿金装饰膜层，主要研究氮气分压和基体偏压两 个工艺参数对ＴｉＮ薄膜色泽的影响。结果表明，氮气压强对ＴｉＮ薄膜的色泽有明显的影响和控制 作用。随着氮气分压的增大，薄膜的色泽由浅黄色向红棕色变化。实验发现，基体偏压对膜层的色 泽也有一定的影响，当氮气分压一定时，施加偏压所得ＴｉＮ薄膜比不施加的颜色更浅。可见，通过 调节基体偏压和氮气流量，可以获得所需颜色的ＴｉＮ薄膜。 关键词：多弧离子镀；ＴｉＮ薄膜；色泽；氮气分压；基体偏压 中图分类号：ＴＱ１５３．２ 文献标识码：Ａ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｌｏｒｆｕｌ ＴｉＮ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ｂｙ Ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ ＬＩＵ Ｙｅ，ＨＵＡＮＧ Ｍｅｉ—ｄｏｎｇ，ＬＵ Ｓｈａｏ－ｈｕａｉ，ＷＵ Ｇｏｎｇ－ｈａｎｇ，ＬＩ Ｈｏｎｇ—ｙｕ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８７， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｉＮ ｆｉｌｍｓ，ｉｄｅａｌ ｃａｎｄｉｄａｔｅｓ ｆｏｒ ｄｅｃｏｒａｔｉｏｎ，ｗｅｒｅ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ ｂｙ ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ． Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐａｒｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｂｉａｓ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｎ ｃｏｌｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｒｅｓｕｈｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｈａｄ ｏｂｖｉｏｕｓ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｌｍｓ ｃｏｌｏｒ ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ｃｈａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ ｐａｌｅ ｙｅｌｌｏｗ ｔｏ ｒｅｄｄｉｓｈ ｂｒｏｗｎ ｗｉｔｈ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐａｒｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｂｉａｓ ｖｏｌｔａｇｅ ａｌｓｏ ｈａｄ ｃｅｒｔａｉｎ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｌｏｕｒ ｏｆ ｆｉｌｍｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ＴｉＮ ｆｉｌｍ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｗｉｔｈｏｕｔ ｂｉａｓ ｖｏｌｔａｇｅ，ＴｉＮ ｆｉｌｍ ｆａｂ— ｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｂｉａｓ ｖｏｌａｔｇｅ ｈａｄ ａ ｌｉｇｈｔ ｃｏｌｏｒ ｕｎｄｅｒ ｓａｍｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｓｏ ＴｉＮ ｆｉｌｍ ｗｉｔｈ ｐｒｅ— ｓｃｒｉｂｅｄ ｃｏｌｏｒ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐａｒｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｃｅｒｔａｉｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｂｉａｓ ｖｏｌａｔｇｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ—ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ；ＴｉＮ ｆｉｌｍ；ｃｏｌｏｒ；ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐａｒｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｂｉａｓ ｖｏｌｔａｇｅ 引 言 电弧离子镀具有从阴极直接产生等离子体、入 射粒子能量高、膜的致密度高、强度和耐久性好、离 化率高及沉积速度快等特点…。随着人们对电弧 离子镀技术的研究逐渐深入，该技术飞速的发展并 在众多行业有着广泛的应用，如冶金、机械加工、装 饰材料及高温防护等。 ＴｉＮ薄膜具有高硬度、高熔点、高热稳定性、耐 腐蚀性及良好的导热性能 。Ｊ。有严格化学剂量比 的ＴｉＮ薄膜呈金黄色，常用作仿金装饰镀层，在仿金 首饰、灯具、钟表及工艺品等方面ＴｉＮ薄膜有很好的 应用价值，加之其在硬度、耐磨性等方面表现出的 优良性能，使得ＴｉＮ薄膜在仿金装饰镀层中越来越 受到人们的重视。近年来对ＴｉＮ薄膜的色泽研究有 了很大的进展，例如用多弧离子镀的方法制备的 收稿Ｅｔ期：２０１２．０６—２１ 修回日期：２０１２—０８．０５ 基金项目：天津师范大学学术创新推进计划资助（５２）（０９０３８）
基于粒子群优化的多弧离子镀膜温度控制模糊系统
第２５卷第５期 ２０１１年９月 湖南工业大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．２５ ＮＯ．５ Ｓｅｐ．２０１１
基于粒子群优化的多弧离子镀膜
‘温度控制模糊系统
胡志超，凌云
（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲４１２００８）
摘 要：分析了多孤离子镀膜层沉积过程的特点，提出一种基于粒子群优化的ＰＩＤ插值自适应控制与模 糊控制相结合的自适应控制算法，并用ＭＡＴＬＡＢ仿真软件对控制算法进行仿真。结果表明，该控制方案简
单、有效，能满足多孤离子镀膜温度控制要求。 关键词：多弧离子镀膜；粒子群优化；模糊控制 中图分类号：ＴＰ２７３￣．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－９８３３（２０１ １）０５－００７４－０６
Ｔｈｅ Ｍｕｌｔｉ—Ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｕｚｚｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ
ｔｈｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｗａｒｍ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
Ｈｕ Ｚｈｉｃｈａｏ，Ｌｉｎｇ Ｙｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｈｕｎａｎ ４１２００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｎｅｗ ｆｕｚｚｙ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｗａｒｍ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ＰＩＤ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ ＭＡＴＬＡＢ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ－ａｒＣ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ；ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｗａｒｍ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ
物理气相沉积（PVD）技术物理气相沉积（PVD）技术
真空度介绍
1atm=760torr=760mmHg=1.1325*105Pa(N/m2)
=1.01325Bar=14.7Psi(lb/m2)
粗略真空(rough vacuum):气压从<760torr-1troo
中度真空(medium vacuum):气压从1torr-10-3torr
高真空(high vaccum):气压从10-3torr-10-7torr
超高真空(ultra-high vaccum):气压<10-7torr
真空邦浦
(一) 定义:
凡能将一特定空间内之气体去除,以减低气体分子数目,造成某种程度之真空状态之机件,
统称为真空邦浦.
_
(二) 分类:
在未介绍各种真空邦浦之结构,原理,功能等特性前,先让我们依照不同性质将真空邦浦
加以分类,以得一概括之认识.
依抽气型态:
______ 排气式:将气体由特定空间内去除并排出至大气.
______ 储气式:欲除去之气体不排至大气,而利用物理或化学作用永久或暂时性吸附在
系统内.
真空邦浦
真空帮浦的分类
机械帮浦(mechanical pump)
回转油垫帮浦(rotary oil-sealed pump)
此种帮浦的简单构造如图所示.
机械帮浦(mechanical pump)
* 工作压力范围:
粗略真空 中度真空
~ 10-2 Torr ~ 10-3 Torr (two stage)
* 抽气速率:转子之转速
约120 ~ 2000 l/min
* 用途:低真空抽气
作为Diffusion Pump,Roots Pump,Turbomolecular Pump之前置邦浦.
冷冻帮浦(cryo pump)
冷冻帮浦低温抽气主体构造如图所示.分为两个不同温度的低温面,第一级 (first stage)温
度为50~80.K,第二级 (second stage )温度为10~20.K,在设计上,为防止辐射热对第二级的
影响,第一级要将第二级完全罩住,且不可透光,同时第一级要有足够的间隙使气体能进
真空多弧离子镀制备Ti(CN)涂层及其性能研究
・ １２ ・ 材料导报Ｂ：研究篇 ２０１３年２月（下）第２７卷第２期 真空多弧离子镀制备Ｔｉ（ＣＮ）涂层及其性能研究 折 洁，张程煜，张贝贝，乔生儒 （西北工业大学超高温复合材料国家重点实验室，西安７１００７２） 摘要 采用真空多弧离子镀技术在Ｘ１２ＣｒＭｏＷＶＮｂＮ１０一卜１耐热钢表面沉积Ｔｉ（ＣＮ）涂层，研究了涂层的组 织和性能，并对涂层的抗热震和抗氧化性进行了研究。结果表明，采用适当的沉积温度、压力及Ｎｚ流量，可以在 Ｘ１２ＣｒＭｏＷＶＮｂＮ１０ １ １耐热铜表面得到以Ｔｉ（ＣＮ）为主的致密涂层，在沉积温度４００℃时，该涂层的最高硬度可达 ２４３８．７ＨＶ０．０２５，涂层在６５０℃以下具有良好的抗氧化性能，在７００℃以下具有良好的抗热震性能。 关键词 多弧离子镀Ｔｉ（ＣＮ）涂层抗氧化性抗热震性 中图分类号：ＴＧ１７４．４ 文献标识码：Ａ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｉ（ＣＮ）Ｃｏａｔｉｎｇ ｂｙ Ｖａｃｕｕｍ Ａｒｃ Ｉｏｎ Ｐｌａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ＳＨＥ Ｊ ｉｅ，ＺＨＡＮＧ Ｃｈｅｎｇｙｕ，ＺＨＡＮＧ Ｂｅｉｂｅｉ，ＱＩＡＯ Ｓｈｅｎｇｒｕ （Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｈｅｒｍｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７２） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｉ（ＣＮ）ｃｏａｔｉｎｇ ｗａｓ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｏｎ Ｘ１２ＣｒＭｏＷＶＮｂＮ１０—１ １ ｈｅａｔ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｓｔｅｅ１ ｂｙ ｖａｃｕｕｍ ｍｕｈｉｃ—ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｈｏｃｋ ａｎｄ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｃｏａｔｉｎｇ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｔ ｗａｓ ｇｏｔ ａ ｄｅｎｓｅ ｃｏａ－ ｔｉｎｇ ｏｆ Ｔｉ（ＣＮ）ｏｎ Ｘ１２ＣｒＭｏＷＶＮｂＮ１０—１一ｌ ｈｅａｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｓｔｅｅｌ ｓｕｒｆａｃｅ。ｗｉｔｈ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ Ｎ２ ｆｌｏｗ．Ａｔ ｔｈｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ４００℃。ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｒｏｓｅ ｕｐ ｔｏ ２４３８．７ＨＶＯ．０２５，ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｔ ６５０℃ａｎｄ ｇｏｏｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｈｏｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｔ ７００℃． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍｕｌｔｉ—ａｒｃ ｉｏｎ ｐｌａｔｉｎｇ，Ｔｉ（ＣＮ）ｃｏａｔｉｎｇ，ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅｒｍａｌ ｓｈｏｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ 随着电站汽轮机的大容量化，汽轮机叶片成为燃气汽轮 发动机的关键部件，是把热能转换为机械能的最直接的部 件。在发动机工作过程中，汽轮机叶片的工作环境非常恶 劣，不仅要承受高温（６００￣６５０℃）、高压（２５￣２８ ＭＰａ）、高速 气流的冲击、巨大的离心载荷及振动载荷的复合作用，还要 受到高温燃气的腐蚀，尤其是其抗点蚀性能会迅速下降，使 涡轮叶片的寿命大大缩短，甚至会引起灾难性的破坏ｌ１ ］。 就目前状况而言，仅靠采用先进的冷却技术、发展新型耐高 温合金材料和改进汽轮机叶片的制造工艺是难以在短时间 满足工业需求的，因此，努力提高先进汽轮机叶片的抗点蚀 性能至关重要。通过在叶片表面涂覆一层耐磨损、抗氧化、 耐腐蚀、高强度的涂层可缓解甚至抑制破坏的发生［３］，延长 叶片的使用寿命，同时降低使用高性能材料的昂贵成本。Ｔ－＿ （ＣＮ）涂层是在二元ＴｉＮ和ＴｉＣ涂层的基础上发展起来的一 种新型三元复合涂层，是ＴｉＮ和ＴｉＣ的固溶体，具有两者的 特点和优点。在ＴｉＮ涂层中加入Ｃ，大大提高了涂层的硬度 和模量，同时降低了涂层的摩擦系数，提高了其磨损性能。 Ｔｉ（ＣＮ）广泛用于切削刀具、钻头和模具等领域，刀具寿命提 高３～５倍，切削速度提高２Ｏ ～７Ｏ ，加工精度提高０．５～１ 级，刀具消耗费用降低２０ ～５０ “］。但是Ｃ的加入量对 涂层组分和结构有很大的影响。ＴｉＮ与Ｔｉ（ＣＮ）复合，以 ＴｉＮ作内层形成复合层，可比同样厚度的ＴｉＮ或者Ｔｉ（ＣＮ） 更有效提高其耐磨性，但Ｔｉ（ＣＮ）的抗氧化性不如ＴｉＮ和 ＴｉＣ．。Ｔｉ（ＣＮ）涂层的性能与组分和结构的关系已被广泛研 究［５ Ｊ。鉴于Ｔｉ（ＣＮ）涂层物理化学性能的优越性，其在汽轮 机叶片表面防护的应用方面具有巨大的潜力。 本实验采用真空多弧离子镀技术在Ｘ１２ＣｒＭｏ－ ＷＶＮｂＮ１０一ｌ一１耐热钢表面沉积ｒｒｉ（ＣＮ）涂层，研究了在不同 工艺参数下制备的涂层的表面形貌、物相及硬度，并对 （ＣＮ）涂层的抗热震和抗氧化性进行了测试。 １ 实验 １．１ 涂层制备 实验所用的基体材料为ｘ１２ｃｒＭｏｗＶＮｂＮ１０—１—１耐热 钢，使用ＳＰ一０６０７Ａ型真空镀膜机制备涂层。采用电火花切 割技术将Ｘ１２ＣｒＭｏｗＶＮｂＮ１Ｏ一１—１耐热钢板加工成规格为 ３０ ＩＴｌｍ×１５ ｍｍ×３ ｍｍ的矩形片状试样。镀膜前，依次使 用粒度不等的水砂纸将试样打磨光滑，然后在抛光机上进行 抛光处理至镜面状态。为保证镀膜与基体间的结合强度 ， 将试样先后在纯度均为９９．９９ 的丙酮、乙醇溶液中超声波 ＊国家自然科学基金面上项目（５０７０２０４５）；高等学校博士学科点专项科研基金（２００７０６９９００７） 折洁：女，１９８６年生，硕士生，主要研究ＴｉＣＮ涂层的制备及其对ｘ１２ＧｒＭｏｗＶＮｂＮ１Ｏ一卜１钢蠕变性能的影响