真空陰極電弧離子鍍(Cathode Vacuum Arc Ion Plating，CVAIP)，也叫真空電弧沉積(Vacuum Arc Deposition，VAD)或者電弧離子鍍(Arc Ion Plating，AIP)等， 是在電弧放電技術(shù)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的一種鍍膜技術(shù)，電弧在真空環(huán)境中在靶面進(jìn)行放電產(chǎn)生等離子體，然后離子以一定的能量沉積到工件表面形成膜層，屬于物理氣相沉積(PVD)方法的一種。美國(guó)的Multi-Arc公司和Vac-Tec公司最早將該技術(shù)投入使用。電磁復(fù)合場(chǎng)的引入實(shí)現(xiàn)了對(duì)陰極斑點(diǎn)的可控，更是加快了真空陰極電弧離子鍍的發(fā)展，使其成為涂層制備領(lǐng)域的主要方法之一。
真空陰極電弧離子鍍具有離子能量高、離化率高、離子繞射性好、膜層致密、 膜基結(jié)合力高等一系列優(yōu)點(diǎn)。陰極電弧離子源可以廣泛應(yīng)用于各種離子注入設(shè)備，如金屬離子源全方位離子注入(Me PIII)；離子能量高則使得電弧離子鍍膜層的膜基結(jié)合力優(yōu)于其它 PVD 工藝(如磁控濺射、蒸鍍等)。因此真空陰極弧成為制備一系列膜層的重要方法，例如類金剛石硬質(zhì)膜層、復(fù)合成分硬質(zhì)膜層、金屬化合物膜 層、多層納米結(jié)構(gòu)膜層等。
1、真空陰極電弧離子鍍?cè)?nbsp;
真空電弧是指從負(fù)電極上由于其特有的電子發(fā)射機(jī)理能通過大電流的自持放電現(xiàn)象。陰極電弧是真空電弧的一種，之所以被稱為陰極弧，是因?yàn)榉烹娺^程中陰極材料不斷被消耗，陰極材料放電形成大量離子。真空條件下電弧引燃后，由于收縮區(qū)的作用，在觸發(fā)電極離開的瞬間，導(dǎo)電的有效面積迅速縮小，局部電流密度迅速升高，導(dǎo)致陰極靶面局部區(qū)域溫度迅速升高，陰極材料內(nèi)部的自由電子能量增大，從而克服表面勢(shì)壘逸出陰極表面，形成“熱電子發(fā)射”；電弧產(chǎn)生之后，陰極表面區(qū)域?qū)a(chǎn)生大量的工作氣體離子和靶材離子，使得陰極表面附近氣壓增高，分子自由程縮短，在靶材表面形成等離子體正空間電荷層，該電荷層距陰極表面的距離很短(1μm)，將產(chǎn)生極強(qiáng)的電場(chǎng)(109~1010V/m)，在這個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)作用下，陰極表面將 發(fā)生“場(chǎng)致電子發(fā)射”，因此真空陰極電弧是熱—場(chǎng)致電子發(fā)射機(jī)制。
目前人們提出了許多模型來解釋陰極弧斑的放電機(jī)理，被廣泛使用的一種模型如圖1所示，電弧通過短路引燃后，陰極弧斑迅速在陰極靶材表面產(chǎn)生，陰極材料離化形成的大量離子在距弧斑很短的距離內(nèi)堆積形成正離子云，產(chǎn)生極強(qiáng)的電場(chǎng)，在陰陽極之間形成自持弧光放電。在放電過程中，電弧放電的大電流集中于陰極材料表面，將產(chǎn)生多個(gè)直徑數(shù)微米的陰極弧斑。每個(gè)陰極斑點(diǎn)尺寸與陰極材料有關(guān)，大約在5~10μm，流經(jīng)的電流 20~40A。由于弧斑面積很小，所以陰極斑點(diǎn)處電流密度可以達(dá)到105～108A/m2，該電流密度會(huì)導(dǎo)致弧斑區(qū)的功率密度很大(可達(dá)1013W/m2的數(shù)量級(jí))，弧斑微小區(qū)域的靶材固相材料在如此大的功率密度作用下將發(fā)生氣化并幾乎全部電離。真空陰極電弧的電弧電流正比于陰極弧斑的數(shù)量，即電弧電流的增加只是增加了陰極弧斑的數(shù)量，流經(jīng)弧斑的電流并沒有改變。
陰極靶發(fā)射的電流密度 Je(A/cm2)為:
?? =BE2e?C/B
其中E為電場(chǎng)強(qiáng)度；B和C為與陰極材料相關(guān)的系數(shù)。
圖1 真空弧光放電的陰極輝點(diǎn)示意圖
（1）被吸引到陰極表面的金屬離子形成空間電荷層，由此產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，使陰極表面上功函數(shù)小的點(diǎn)(晶界或微裂紋)開始發(fā)射電子，見圖1 (a)；
（2）個(gè)別發(fā)射電子密度高的點(diǎn)，電流密度高。焦耳熱使其溫度上升又產(chǎn)生了熱電子，進(jìn)一步增加了發(fā)射電子，這種正反饋?zhàn)饔檬闺娏骶植考校妶D1 (b)；
（3）由于電流局部集中產(chǎn)生的焦耳熱使陰極材料局部地、爆發(fā)性地等離子化而發(fā)射電子和離子，然后留下放電痕，這時(shí)也放出熔融的陰極材料粒子，見圖 1 (c)；
（4）發(fā)射的離子中的一部分被吸引回陰極材料表面，形成了空間電荷層，產(chǎn)生了強(qiáng)電場(chǎng)，又使新的功函數(shù)小的點(diǎn)開始發(fā)射電子，見圖1 (d)。
這個(gè)過程反復(fù)地進(jìn)行，弧光輝點(diǎn)在陰極表面上激烈地、無規(guī)則地運(yùn)動(dòng)。弧光輝點(diǎn)通過后，在陰極表面上留下了分散的放電痕。
由于每個(gè)弧斑的壽命只有幾納秒和其快速連續(xù)的發(fā)生，所以給人以電弧連續(xù)運(yùn)動(dòng)的印象，但實(shí)際上，真空陰極弧是一系列的弧斑產(chǎn)生-熄滅-產(chǎn)生事件。陰極弧斑區(qū)可產(chǎn)生 3~6×1026m-3的等離子體密度，只比固態(tài)陰極材料低1~2數(shù)量級(jí)，產(chǎn)生的等離子體以極快的速度擴(kuò)散進(jìn)入真空環(huán)境，擴(kuò)散速度約為1~2×104m/s，而且離子速度與陰極材料的種類及離子的電離態(tài)關(guān)系很小。從陰極表面出來的離子會(huì)帶有一部分能量，大小在20~100eV 之間。其它PVD方法例如磁控濺射產(chǎn)生的離子從陰極表面出來后不會(huì)具有這么高的能量，這是陰極弧沉積的膜層性能比較優(yōu)異的根本原因。陰極弧斑不但會(huì)在靶材表面產(chǎn)生高密度的等離子體，而且還會(huì)噴射出尺寸0.1~10μm的大顆粒，大顆粒會(huì)降低膜層性能。
2、真空陰極弧離子鍍特點(diǎn)及應(yīng)用
真空陰極弧離子鍍的設(shè)備構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，向靶材供電的電源由直流焊機(jī)提供即可，具有以下特點(diǎn):
（1）陰極弧不斷旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生固定熔池，可以于真空室適當(dāng)位置任意設(shè)置，多個(gè)陰極弧源可以同時(shí)設(shè)置利用，提高弧運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，增大真空室內(nèi)等離子體密度，改善膜層厚度均勻性。
（2）陰極材料離化率高，離化率可達(dá)80%以上。離子從陰極表面出來后會(huì)帶有大小在 20~100eV之間的能量，等離子體離化率和平均能量很高，使得等離子體化學(xué)活性很高，容易將工作氣體和反應(yīng)氣體激發(fā)和電離。基體附件等離子體密度大，膜層沉積速率高，利于提高膜基結(jié)合強(qiáng)度和改善膜層性能。
（3）一個(gè)電弧源可以有多種用途，陰極弧既可以用來鍍膜作為蒸發(fā)源和離化源，又可以用作加熱源和爐內(nèi)高壓清洗的離子源。
（4）入射離子能量高，膜層的致密度高，強(qiáng)度和耐磨性好，基體和膜界面有原子擴(kuò)散，因而膜基結(jié)合力高。由于沉積到基體表面的是帶有一定能量的離子，所以這些離子在基體表面有較高的遷移率，能夠消除基體表面的孔洞結(jié)構(gòu)，得到高度均勻致密的無缺陷薄膜。
真空陰極弧離子鍍也有一定缺點(diǎn)，靶材在高電流密度下爆炸離化時(shí)會(huì)產(chǎn)生大顆粒，尺寸在0.1~10μm不等，大顆粒的存在會(huì)降低膜層微觀成分的均勻性，膜 層性能會(huì)因?yàn)榇箢w粒的存在而下降。
近十幾年來，真空陰極弧離子鍍技術(shù)逐漸完善，已廣泛應(yīng)用于裝飾、航天航空、機(jī)械加工等領(lǐng)域，許多系列的膜層都可以采用真空陰極電弧離子鍍方法來沉積，例如金屬薄膜、金屬氧化物膜、合金膜、氮化物膜、非晶硅膜，非晶碳膜等。高速鋼刀具涂層是真空陰極弧成功的應(yīng)用之一，例如經(jīng)過TiN涂層的高速鋼刀具比沒有涂層的高速鋼刀具硬度提高 2~3倍，耐磨性大大提高，服役壽命延長(zhǎng)1~5倍。真空陰極電弧離子鍍膜技術(shù)在鉆頭、齒輪刀具、銑刀等大多數(shù)抗磨損高速鋼刀具中都有大范圍應(yīng)用。在汽車零部件上應(yīng)用也十分廣泛，例如在活塞頂部、活塞環(huán)、汽缸套等直接與燃?xì)饨佑|的發(fā)動(dòng)機(jī)零件上鍍制一層耐氣蝕、耐磨損、隔熱的復(fù)合膜，可以提高這些零部件的抗高溫性能，降低其冷卻要求并且對(duì)降低噪聲有很大幫助。真空陰極電弧離子鍍制備的黑色氮鈦膜層可以用于提高航天用球軸承表面的耐磨性，中國(guó)第一代特殊用途衛(wèi)星測(cè)量照相機(jī)的鏡片托架、鏡筒、支撐框架、焦面框架等件采用的都是鈦合金材料，其表面處理采用的是真空陰極電弧離子鍍黑色氮鈦 膜層。采用真空陰極電弧離子鍍工藝鍍制的NiCrAlY熱障涂層已成功地應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的表面處理，真空陰極電弧離子鍍還被廣泛應(yīng)用于沉積類金剛石膜層，其制備的ta-C膜層硬度最高可達(dá)80GPa，摩擦系數(shù)低于0.1。目前為止，采用真空陰極電弧方法沉積的類金剛石膜層與天然金剛石性能是非常接近的。
