電弧離子鍍技術中真空電弧的工作穩定性對于制備高質量的涂層至關重要。本研究通過在一系列工藝條件下開展電弧離子鍍鍍膜實驗，研究和分析了電弧離子鍍中磁場、靶面污染物、靶面溫度、靶面尺寸和形貌、維弧電流以及工作氣體種類和壓力對真空電弧穩定性的影響，從而得出了提高電弧穩定性的控制方法。

　　離子鍍技術是在真空蒸鍍和真空濺射的基礎上于20 世紀60 年代初發展起來的新型薄膜制備技術。該技術是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發物質離化，在氣體離子或被蒸發物質離子轟擊作用的同時，把蒸發物質或其反應物蒸鍍在基片上。離子鍍把氣體放電、等離子體技術與真空蒸發鍍膜技術結合在一起，不僅明顯提高了鍍層的各種性能，而且大大地擴充了鍍膜技術的應用范圍。該技術最初由Berghaus 提出，隨后由Mattox推動。電弧離子鍍屬于離子鍍的一種改性方法，是離子鍍技術中的佼佼者，作為離子鍍技術的一種，是在真空環境下采用電弧放電的方法直接蒸發固體陰極靶材金屬，蒸發物在陰極弧光輝點離化產生金屬離子并定向沉積至加載負偏壓的工件上的涂層制備技術。電弧離子鍍最早在20 世紀70 年代由原蘇聯發展起來的，美國在1980 年從原蘇聯引進該技術，并在1981 年有Multi-Arc 公司和Vac-Tec 公司使之實用化，其優異的性能很快席卷全球從20 世紀90 年代至今，電弧離子鍍作為硬質保護涂層的主流生產技術，廣泛應用于工具鍍、裝飾鍍和特殊功能涂層領域。真空技術網(http://smsksx.com/)認為離子鍍是一個十分復雜的過程，一般來說離子鍍包括靶材金屬的蒸發、氣化、電離、離子加速、離子之間的反應、中和以及在基片上成膜和離子轟擊等多個過程。對于電弧離子鍍而言，真空電弧的穩定性對所制備涂層的質量和性能至關重要。

　　本實驗采用定制的多功能真空離子鍍膜機，以在TC4 鈦合金基體表面制備了TiA1N 涂層為背景，觀察不同鍍膜工藝條件下真空電弧的穩定性，探索研究真空電弧穩定性控制方法，從而為得到最佳的TiA1N 涂層制備工藝參數提供理論支撐。

1、實驗方法

　　本實驗采用自制多功能真空離子鍍膜機，靶材為99.99%的鋁靶和工業純鈦靶。基體材料為TC4 合金，其名義成分為Ti-6Al-4V，試樣尺寸為20mm×20mm×2mm。經2000#SiC 砂紙打磨后機械拋光，分別在酒精和丙酮中超聲清洗，吹干后備用。

　　工作氣體為氬氣，反應氣體為氮氣。真空室真空度達到3×10^-3 Pa 后通入氬氣，加載負偏壓-500V~-800V，輝光清洗10min。隨后，開啟鈦離子電弧靶，對試樣進行離子濺射。最后，進行鍍膜實驗。

2、分析與討論

　　為改善真空電弧的不穩定性，不同學者提出了各自的解決辦法，例如采用間隙屏蔽、采用磁場限制陰極斑點的運動、利用限弧環來限制弧斑移離靶面以及采用反饋機構等方法。大量研究結果表明，電弧穩定性與許多因素有關，對其效果最為顯著的是磁場。此外，真空技術網(http://smsksx.com/)認為陰極靶表面的清潔程度、靶表面溫度、靶面幾何形狀和尺寸、電弧電流的大小、環境氣體種類、氣氛壓力等都對陰極電弧的穩定性有著不同程度的影響。本研究結合實驗結果及實驗過程中觀察到的實驗現象，分別就不同因素對電弧穩定性的影響展開分析討論。

　　2.1、磁場對電弧穩定性的影響

　　圖1A 和圖1B 顯示了在不同磁場作用下的電弧的位置變化情況。在其它參數相同的情況下，改變磁場，可以有效控制弧斑在靶面上的位置。當磁場強度過大時，強磁場能夠將弧斑的位置強行約束在偏向或背離引弧針的方向。

　　實驗過程中觀察到，當電弧弧斑粗糙、電弧在與靶面垂直方向上有較大跳動量且弧斑成堆團狀時，將出現滅弧現象或其它故障。但如果磁場調試得當，則可以消除上述現象，從而使電弧長時間穩定工作。此外，由于磁場對帶電粒子的作用，磁場能夠改善陰極靶材的工作特性，還能提高極間的電弧電壓，從而使得陰極靶釋放出的原子與離子數目及粒子束通量密度也隨之增加，從而改善靶材的沉積率。

　　2.2、陰極表面污染對電弧穩定性的影響

　　陰極靶材表面有污染時，靶表面的電子發射更為容易。實驗過程中，在相同的實驗條件下(工作氣壓，真空度，引弧電壓等)，表面清潔的靶面引弧相對困難，而表面有污染的冷陰極則引弧容易。一般情況下，靶表面污染物自身成分復雜，而某些元素比較容易發射電子；另一方面受污染的表面其電子的逸出功降低，在相同實驗條件下有利于電子逸出。初始電弧更容易發生在有污染的地方，直到表面雜質被完全蒸發，才開始正常的靶材蒸發。所以在靶的裝配過程中，應保證在清潔的狀態下進行，使靶面，特別是非蒸發面(如側面、陰極座、屏蔽件等)不受污染或少受污染，防止在非蒸發表面產生電子發射，從而提高蒸發源工作的穩定性和可靠性。

圖1 磁場對電弧位置的影響

3、結論

　　提高電弧穩定性對于利用電弧離子鍍方法制備較高質量的涂層至關重要。合理的磁場布局、帶凹面的陰極靶材形狀、增加靶材表面面積及電弧電流均有利于提高電弧的穩定性。真空電弧的穩定性還與工作氣體的種類、壓力以及靶材表面的溫度有關。此外，保持靶面清潔也有利于提高電弧穩定性。

　　電弧離子鍍設備中關鍵部件是陰極電弧源，電弧源的工作性能是評價一臺電弧離子鍍設備性能高低的關鍵指標。如何進一步提高電弧源的工作穩定性仍需開展更深入的研究。