鈦合金是一種重要的工程結構材料，在航空、航天、醫療器械、輕工業等領域得到廣泛應用。然而，由于其表面易氧化，附著力差，難以加工等特點，限制了其進一步開發和應用。為了解決這些問題，研發技術部門開展了大量的研究工作。其中，利用磁控濺射技術進行表面處理是一種有效的方法。在磁控濺射過程中，通過高能離子轟擊靶材，使其表面產生電子和離子，然后在真空條件下沉積在基材表面，形成鍍層。

然而，現有的鈦合金件內外雙靶材磁控濺射鍍鋁設備存在一些問題。例如，鍍層質量不穩定，容易剝落；鍍層厚薄不均勻；設備效率低下等。為了改進這些問題，本文提出了一種新的鈦合金件內外雙靶材磁控濺射鍍鋁設備，并對其進行了實驗驗證。

1 真空離子磁控濺射鍍鋁技術原理

磁控濺射鍍鋁是一種在真空環境下通過利用荷能離子轟擊靶材，使得靶材原子被濺射出來并沉積在工件表面成膜的技術。該技術采用輝光放電，在陰極靶材中放置了磁鋼，從而引入了電磁場。由此產生的洛倫茲力使運動電子在磁場中做擺線和螺旋線的復合形式圓周運動，從而大大延長了電子運動路徑并增加了與工作氣體分子碰撞的次數。這樣可以提高等離子體密度，加快磁控濺射速率并降低了對薄膜的污染傾向。

采用磁控濺射法，其電子經多次碰撞到達工件表面時已變成低能電子，不會使工件過熱。此外，它還能提高工件表面原子的能量，從而改善了薄膜質量。因此，磁控濺射法攻克了二級濺射速率低和電子使鍍件溫度升高的難點，迅速發展并得到廣泛應用。

2 真空離子磁控濺射鍍鋁設備原理結構與存在的問題

2.1 真空離子磁控濺射鍍鋁設備原理結構

真空離子磁控濺射鍍鋁設備的原理是將空氣與雜質從真空腔室中抽走，然后通過充入氬氣，進行輝光清洗。接著，利用大功率的磁控濺射技術，將靶材表面的原子濺射出來并沉積在基材表面上形成膜。

具體過程為：在加熱器的作用下，工作氣體氬被加速并撞擊靶材，使其表面產生高能離子和電子。然后，在真空條件下，這些離子和電子沉積在基材表面上形成鍍層。同時，由于使用大功率磁控濺射技術，等離子體密度和離化率也得到了很大提高，從而使得薄膜質量更佳。

此外，通過脈沖負偏壓的作用，可以增加原子的定向運動，從而進一步提高了薄膜質量。最后，將經過處理的工件放置在工件架上，進行薄膜沉積。

總體結構方面，真空離子磁控濺射鍍鋁設備采用單室立式圓柱形結構，設備組成包括真空腔室、真空系統、電控系統以及其它要件。真空系統包括高真空閥、羅茨泵、擴散泵+冷阱、預抽機械泵、維持機械泵、不銹鋼真空管道和閥門等。而電控系統則包括主控柜、循環冷卻水柜、偏壓與中頻電源柜、直流電源等。此外，為了保證設備的正常運行，還需要采用水路冷卻系統、槽子、溫控系統以及必要的工裝等。

2.2 單靶材直流磁控濺射鍍鋁結構存在的問題

單靶材真空離子磁控濺射鍍鋁技術設備相較于傳統的表面處理方法具有更少的環境污染和更高的涂層質量，

然而，由于采用單靶材結構，在直流磁控濺射過程中，等離子體被電磁場束縛在靠近靶材周圍的等離子區域內，導致工件內側的等離子體密度大于外側，從而造成以下不足：

⑴首先，批次產品的質量一致性差。工件內側的鍍層厚度比外側厚，容易出現涂層堆積現象。

⑵其次，設備效率低，靶材利用率低，成本高。由于工件外側受到的等離子體轟擊少，因此達到鍍鋁厚度所需時間延長，靶材消耗增加。此外，部分不閉合的磁力線向遠離靶材的空間擴展，部分靶材粒子濺射到真空室腔壁，造成靶材浪費。

⑶最后，鋁涂層的形成過程容易混入雜質，影響鋁涂層的純度和結合力，不利于厚鋁涂層的制備。

3 真空離子磁控濺射鍍鋁設備改制及其先進性

3.1 設備改制技術思路及靶分析設計流程

針對單靶材真空離子磁控濺射鍍鋁技術設備的不足，為了解決涂層厚度不均和靶材利用率低等問題，通過查閱文獻資料，我們采用內外雙靶材對靶閉合磁場技術進行改制。具體設計思路是，在內外靶中心的位置形成均勻的高密度等離子體，從而保證工件涂層的均勻性和致密度。

⑴首先，我們給出了設計結構，并計算其中電磁場分布。根據內外雙靶材組成的閉合磁場結構，我們確定了內、外靶之間的磁場相反的設置方式。然后，通過計算電磁場的分布情況來確定內、外靶材的功率和其他參數，以確保均勻的等離子體分布。

⑵其次，我們對等離子體分布進行了預測和模擬，并對濺射和沉積過程進行了研究。通過模擬，我們可以確定內外靶材間的等離子體分布，從而在涂層制備中進行更好的控制。同時，我們也能夠精確計算薄膜的厚度和均勻性，以評估新結構的效果。

⑶最后，我們根據模擬結果確定靶面刻蝕輪廓和膜厚均勻性等，來評估設計結構的合理性。通過這個過程，我們能夠驗證新結構的可行性，并做出必要的改進。因此，我們相信采用內外雙靶材對靶閉合磁場技術進行改制，可以顯著提高涂層質量和靶材利用率。

3.2 非平衡磁控濺射靶優化方案及先進性

為了解決單靶材結構的不足，我們采用內外雙靶材對靶閉合磁場技術進行改制，具體操作是在工件外側增加兩個與內靶磁極相對的外靶材結構。內、外靶磁場相反，構成閉合磁場，使工件浸沒在高密度等離子體中，從而大幅提高靶材利用率、涂層均勻性、致密度和沉積效率，有利于沉積厚鋁涂層和保證批產質量一致性。這種優化方案技術先進性主要有以下幾個方面：

首先，通過內外對靶閉合磁場技術，可以使工件浸沒在高密度的等離子體中，從而提高涂層的均勻性和致密度，并大幅提高靶材利用率和沉積效率。因此，這種方案有助于沉積厚鋁涂層和保證批產質量一致性。

⑴其次，該方案可以克服單靶材結構周圍的磁感應強度分布不均問題，從而解決工件鍍層分布不均的現象。比如，靠近靶材的一側膜層厚度要比遠離靶材的工件側厚，這個問題通過內外對靶閉合磁場技術可以得以解決。

⑵最后，使用內外雙靶結構可以突破傳統的單靶材結構，并且避免使用復雜的三維旋轉技術，從而大大簡化了夾具設計制造的難度。因此，這種方案具有很高的技術含量和先進性。

綜上所述，內外對靶閉合磁場技術是一種非常有前途和優越性的改進方案，可以顯著提高涂層質量、致密度和工作效率，從而滿足工業和科研的需求。

3.3 設備達到的性能

該設備的極限真空度為 4.8×10^-4Pa，且在鍍鋁時工件表面溫度將保持在小于 200℃ 的范圍內。此外，它還適用于多種材質，包括鈦合金、高溫合金和不銹鋼。最大裝爐量大約為 3000 件（以 M4×12 為標準）。

4 結論

本文對鈦合金件內外雙靶材磁控濺射鍍鋁設備進行了改進研發，旨在解決現有設備存在的問題。通過實驗驗證，我們發現，改進后的設備可以更有效地實現鈦合金件的鍍鋁處理，提高鍍層的質量和穩定性。該設備為提高鈦合金材料的應用性能提供了一種新的方法。未來，我們將進一步調整和改進設備，以適應不同領域的需求。