真空電弧離子鍍又叫多弧離子鍍，是在真空蒸鍍和真空濺射基礎上發展起來、最新、最先進的表面工程技術之一[1]。其基本原理[2]是將鍍膜材料制作為陰極靶，冷場致弧光放電在靶面產生高速運動的陰極弧斑，直徑不大于100μm但電流密度高達10?~10?A/m2[3]，瞬間把靶面金屬元素電離為離子并濺射出來，然后在負偏壓的作用下直接沉積在基體表面或與N?、O?、C?H?等氣體反應生成化合物沉積在基體表面形成薄膜[4]。其工藝特點如下:

(1)以陰極靶材作蒸發源，無熔池。且一弧多用，既是蒸發源和離化源，又是加熱源和離子濺射清洗的離子源，與其他物理氣相沉積設備相比結構簡單、成本低。

(2)靶材安裝靈活，可以根據實際需求任意設置于鍍膜室適當位置，每個靶材即可單獨工作也可聯合工作，鍍膜效率高、繞鍍性好，并可簡化基體轉動機構。

(3)金屬離化率高達80%以上，鍍膜致密，均勻，附著力、性能優異。

(4)真空度高，不引入有毒氣體，也不會生成有害廢氣和廢物，與電鍍、化學鍍等傳統鍍膜工藝相比無污染無公害[5]。

隨著新興戰略產業的崛起，高端制造業的發展，對節能環保、可持續發展的高性能鍍膜技術需求旺盛。據市場研究機構QYResearch統計，2022年全球電弧離子鍍膜機市場規模約45億美元，預計到2027年將以每年8.3%的復合增長率增長至67億美元;2022年國內市場規模約120億元，預計到2027年將以每年9.8%的復合增長率增長至200億元。本文從大顆粒缺陷控制，智能化、大型化真空電弧離子鍍設備，復合強化處理技術和復合膜層結構設計等方面總結了最新研究進展，有望推動真空電弧離子鍍在更多行業中得到更廣泛的應用。

1、鍍膜大顆粒缺陷控制技術

自身存在的“大顆粒”缺陷是限制電弧離子鍍應用和膜層性能提升的關鍵技術瓶頸[6]。其產生過程和CrN鍍層表面大顆粒經IPP軟件處理后的典型SEM照片如圖1所示。靶材經弧斑瞬時高溫作用，內部和外表面產生壓力差，向外發射金屬原子蒸汽，大部分成分在高溫等離子體作用下被電離，部分未能完全電離的成分以零點幾微米到幾十微米[7]的熔融態大顆粒形式存在，并以100~800m/s速度飛向基材，沉積在薄膜中導致各種缺陷進而影響應用性能。目前主要從源頭減少或消除大顆粒的產生、向基體飛行過程中過濾大顆粒等方面出發改善大顆粒污染問題。

1.1 基于大顆粒產生機制的缺陷控制技術

陰極電弧蒸發源是電弧離子鍍技術制備高質量鍍層的核心技術，降低弧斑在某一點的停留時間，降低局部熱量，可從源頭上抑制大顆粒的產生。

1.1.1 新型電弧源

脈沖技術是改善多弧離子鍍層質量，研制新電弧源的重要方向[10]。相對于常規直流電弧源，第一個優點是電弧放電是脈沖式、間斷的，一般只有10~5×10?3s[11]，可充分導走放電產生的熱量;其瞬時能量大，弧根數目更多，半徑更大，受熱更均勻，如圖2(b)所示[12]，避免出現局部微小熔化而產生熔滴影響膜層質量。第二個優點是基底不需要加負偏壓，因而不會產生基底負偏壓放電。聶軍偉等[13]發明了一種等離子體射流觸發脈沖陰極弧源，利用脈沖等離子體產生炬產生的脈沖射流為陰極電弧靶點火，結合陰極弧靶上脈沖電壓和功率調節，控制陰極弧能量，抑制電弧等離子體中含有的大顆粒缺陷，同時利用陰極弧靶和脈沖等離子體炬移動或轉動，來實現陰極靶的均勻燒蝕和高均勻性膜層鍍制。Frolova等[14]在討論電源電路的設計、工作原理、特點以及等離子體源的主要參數與真空電弧脈沖參數關系的基礎上，設計了超音速等離子體流的脈沖電弧源，真空電弧電流振幅為25kA時，產生的等離子體密度為3×101?cm?3。趙棟才等[15-16]發明了瞬時電流高達上萬安培的多級觸發脈沖電弧源，并室溫條件下制備了摻氮Ta-C鍍層，摩擦系數0.14~0.15，綜合性能優異。步天龍等[17]通過脈沖電弧離子鍍在不銹鋼鋼基底上沉積了結合力強的納米氧化鋅壓電鍍層，為新型永久薄膜壓力傳感器在高壓及超高壓智能套管壓力監測領域的應用提供了科學參考及依據。

電弧等離子體，減少大顆粒的產生[18]，如圖2(c)所示[19]。Zhang等[20]探討了真空電弧陰極斑點運動中微黑子分裂特性，微黑子的連續自分裂特性在間歇性微爆發射機制下不穩定，會周期性分裂合并，通過調節沉積參數可以相對提高微黑子分裂的穩定性，但無法改變直流電弧下周期性發生相對集中放電現象的本質，為分裂弧源的研發提供理論基礎。Lang等[21]開展了脈沖陰極真空電弧微點分裂特性研究，發現疊加在直流電弧放電上的強脈沖電流可以促進電弧斑點分裂，脈沖峰值處的微斑分裂呈現出多級環形膨脹現象，其膨脹半徑隨著峰值電流的增加而增加，電弧源磁場橫向分量的增加使微點分裂模式逐漸從環形膨脹變為弧形膨脹，脈沖頻率的增加導致小孢子分裂的范圍逐漸減小。

分裂弧是最新開發的新弧源，將原來較大的弧斑分裂為數個細小弧斑，在靶材表面產生更均勻的電弧等離子體，減少大顆粒的產生[18]，如圖2(c)所示[19]。Zhang等[20探討了真空電弧陰極斑點運動中微黑子分裂特性，微黑子的連續自分裂特性在間歇性微爆發射機制下不穩定，會周期性分裂合并，通調節沉積參數可以相對提高微黑子分裂的穩定性，但無法改變直流電弧下周期性發生相對集中放現象的本質，為分裂弧源的研發提供理論基礎。ang等[21]開展了脈沖陰極真空電弧微點分裂特性究，發現疊加在直流電弧放電上的強脈沖電流可促進電弧斑點分裂，脈沖峰值處的微斑分裂呈現出多級環形膨脹現象，其膨脹半徑隨著峰值電流的加而增加，電弧源磁場橫向分量的增加使微點分裂模式逐漸從環形膨脹變為弧形膨脹，脈沖頻率的增加導致小孢子分裂的范圍逐漸減小。

1.1.2 弧斑運動控制技術

弧斑運動控制電弧放電，其運動軌跡嚴重影響大顆粒缺陷的產生[22]。為了快速、精確調控靶材表面弧斑，有效減少大顆粒的產生，提高靶材的利用率和鍍膜的穩定性，國內外對弧斑的運動特性開展了大量研究[23-24]，提出了“半經驗流體動力學模型”、“電荷受力漂移模型”和“半經驗模型”[25]等諸多弧斑形成及運動理論。并自20世紀80年代伴隨著磁控電弧蒸發離子鍍技術的誕生而開發了眾多磁場控制弧斑運動技術[26]。磁體源由永磁體發展為電磁線圈，磁場由橫向、軸向和尖角等單一靜態磁場發展為控弧效果更優異的復合磁場、動態磁場和復合動態磁場[27]。

復合磁場控弧技術將電磁場與永磁場機械結合，弧斑在橫向磁場下做反安培力加速運動的同時，運動范圍被軸向磁場約束，在靶面范圍內做旋轉往復運動。其中軸對稱復合磁場是發展比較成熟、得到廣泛應用的控弧技術。劉野等[28]開發了永磁體或碳素鋼與電磁線圈共同對弧靶表面磁場產生作用的新型復合磁場結構，調整極為方便，產生的磁場形狀較好，可以有效提高靶材燒蝕效率，改善成膜質量。喬宏[29]設計、模擬、優化了“電磁+永磁”形式復合軸對稱磁場，探討了復合磁場對弧斑運動、大顆粒產生、靶材利用率的影響。Cho等[30]發明了由圍繞電弧靶的陽極和下方環形永磁體組成的中心凹陷磁場，在沒有電磁鐵等多個附加裝置的情況下限制電弧向靶材中心運動。

動態磁場控弧技術通過動態地變換磁場在靶面的局域性分布，擴大磁場橫向分量的面積，擴大弧斑運動區域，有效去除大顆粒，提高靶材利用率，可以分為機械式和電磁式[31]。潘家敬等[32]發明了一種磁場輔助陰極電弧離子鍍蒸發源裝置，通過極靴和永磁體的縱向旋轉、整個裝置的橫向旋轉使得電弧在靶面均勻分布，加速弧斑移動速度，減少液滴或大顆粒的形成，細化弧斑，細化膜層組織，最終提高膜層質量。周敏等[33]公開了一種弧源磁場的動態調節方法，在靶材一側沿寬度方向依次間隔設置多個電磁線圈，依時序控制不同電磁線圈的電流通斷，使產生的磁場相對于靶材寬度方向往復運動，同時對選定為導通狀態的電磁線圈施加周期性正負脈沖變化的電流，使弧斑具有垂直于靶材寬度范圍內的往復運動，提高靶材利用率。Wang等[34]通過施加掃描徑向磁場把弧斑運動限制在表面的螺旋軌道上，更大的移動面積和更快的移動速度降低了陰極表面溫度，減少了大顆粒的發射。

復合動態磁場控弧技術是對不同形式磁場獨立分析結果的復合運用，以實現盡可能擴大弧斑刻蝕面積的同時限制弧斑運動范圍的理想磁場。Okazaki等[35]發明了一種由輔助永磁體配合安裝在旋轉平臺上的環形永磁體產生控弧磁場的技術，開啟旋轉平臺后可產生繞靶材中心轉動的環形運動弧斑，均勻刻蝕整個靶面。朗文昌等[36]在分析了不同波形勵磁電流條件下磁場對弧斑運動影響的基礎上，設計了一種由反極性動態聚焦導引磁場與軸對稱發散磁場或者拱形磁場疊加而成的多模式交變耦合動態磁場，反極性聚焦導引磁場把弧斑約束在靶材中心，軸對稱發散磁場推動弧斑向外擴展，軸對稱拱形磁場將弧斑約束在固定的軌道，可以動態的控制弧斑運動，改善弧斑放電狀態，減少大顆粒發射，其電弧離子鍍弧源裝置及15Hz正弦模式下弧斑的放電形態如圖3所示。蔣釗等[37]公開了一種磁路可控式真空陰極電弧離子源，磁軛由具有頂面的圓筒形磁軛A和圓環形磁軛B組成，磁軛B裝在磁軛A內部，且兩者接觸，磁軛A與電弧離子源殼體之間為自由公差配合，可沿電弧離子源殼體滑動，通過調整磁軛位置可以調節陰極靶面的磁場強度，同步優化陰極靶面的磁場位形分布。Jun等[38]發明了一種線性致動器用于前后線性移動設置在電弧源后表面上的磁場產生設備，保持靶材表面的磁場恒定，實現弧斑運動速度和靶材蒸發率恒定。

1.2 基于大顆粒帶電特性的缺陷控制技術

磁過濾技術是目前控制大顆粒缺陷最有效的方法，基本原理[39]是利用等離子體與大顆粒具有不同荷質比，在運輸過程中通過電磁場來控制等離子體空間分布和運動方向，通過“屏障”(擋板或彎管壁)到達基體，而沿直線運動的大顆粒被阻擋，從而實現過濾大顆粒的目的，理論上效率可達100%，如圖4所示。

兼顧大顆粒過濾效果和離子傳輸效率的新型裝置一直是研究人員關注的焦點。馬震宇等[41]發明一種角度為90°的多彎管磁過濾裝置，彎管上依次設置由聚焦線圈、引導線圈、引出線圈，可通過控制線圈電流有效過濾雜質和大顆粒。黃杰等[42]設計了“Y”型三通管磁過濾裝置，由2個支線管和1個干線管組成，實現了多元復合膜層的組分調控。Kim[43]設計了帶有電極觸發控制器的磁場過濾裝置和電弧源，當電弧靶蒸發產生的管道電流小于規定值時，電弧源和磁場過濾裝置系統將啟動，達到長時間穩定運行的效果。郎文昌等[44]通過設置旋轉磁場發生裝置，在過濾管道出口端內腔區域形成可調旋轉磁場，引導離子束以不同的偏轉角度和旋轉速度離開過濾管道進入真空鍍膜室腔，大大增大了鍍膜面積和均勻性。趙棟才等[45]公開了一種線圈電磁擠壓式磁過濾裝置，由安裝在偏轉室與真空室連接處兩側的第一、第二偏轉線圈構件和電弧陰極外部的聚焦線圈組成，第一、第二偏轉線圈構件形成的磁場方向相反，N極均指向偏轉室，且與聚焦線圈形成的磁場方向垂直，等離子體通過時，受到磁力擠壓完成從電弧源陰極至真空室的偏轉，過濾掉大顆粒。

2、真空電弧離子鍍設備

隨著工業4.0概念的普及和實施，越來越多的企業開始追求生產過程的自動化和智能化，以提高生產效率、降低生產成本、保證產品質量。智能化、大型化的真空電弧離子鍍設備成為研究熱點和發展趨勢。

2.1 智能化電弧離子鍍設備

(1)控制系統的智能化

從手動單回路控制系統，逐漸發展到PLC可編程過程控制系統，再到智能一體化控制系統。PLC可編程過程控制系統是目前市場上真空電弧離子鍍設備廣泛應用的控制方式，一般由上位機和下位機組成。

上位機主要采用工業PC，實現工藝參數配置、運行過程監控、系統管理和運行日志等;下位機通常采用PLC，實現工藝流程的控制等功能。智能一體化控制系統一般應用于高端設備，由一體化觸摸屏計算機、可編程邏輯控制器以及網絡接口組成。機內儲存若干種典型的鍍膜工藝及配套的過程參數控制軟件，施鍍過程中，系統根據輸入的工藝參數，自動調用相應的過程參數控制軟件進行智能一體化控制，系統可靠性高，控制效果好。

楊素霞等[46]通過PLC和LabVIEW軟件協同設計了操作系統為WindowsXP，數據庫為SQLServer的智能化控制系統，具有操作方便，控制精度高，可擴展性強等優點，很好的降低了能耗和污染。康豪[47]選擇基于C/S模型的上下位機硬件控制結構和基于Lab Windows/CVI的軟件開發環境，采用模塊化的軟件設計方法，開發了真控鍍膜設備控制系統，為了技術人員和運行人員進行高質量薄膜產品的設計和生產提供了極大的便利。李敬[48]采用PLC、終端、GUI和網絡等編程技術編寫了相關程序，實現了過程控制、PT的顯示與通信、上位機的UI界面與流程監控和上位機與PLC的Fins通信等功能，打造一套真空離子鍍膜設備的計算機監控系統，大大提升了生產效率和產品質量，為工業界計算機監控系統的設計開發提供了寶貴經驗。

(2)鍍層厚度等在線監控技術的精確化

由較早使用的觸針法、天平法等機械方法發展為光譜、超聲波、脈沖激光等眾多類型，監控精度普遍提高到約為0.025%，最優可達0.01%左右[49]。Mahmudur等[50]通過探討脈沖激光加熱鋁基材表面產生的超聲波在垂直于薄膜表面的傳播時間與厚度的關系，開發了薄膜厚度在線監測系統。Dong等[51]采用引入鎖相放大器電流和單膜反射系數的貴族算法研制了一套紅外光學膜厚監測系統，實現了對紅外薄膜的精確監控。杜昕等[52]基于光的干涉以及光學薄膜設計理論,采用光電極值法構建數學模型，研發一種應用于真空鍍膜設備的覆蓋可見光-紅外波段的寬光譜光學膜厚監控系統，誤差小于0.01%，進一步提升了控制精度以及鍍膜效率。馮森等[53]利用視覺相機對脈沖電弧離子源亮度進行實時監測，并根據監測結果自動調整鍍膜過程，提升鍍膜工藝穩定性和精度。

(3)部件運行的自動化程度越來越高

自動上料、自動輸送裝置已成必備部件[54]，為了滿足特殊需求，電弧源的自動化移動方案也越來越多。王娜等[55]發明了一種新型內表面電弧離子鍍的制備方法，通過陰極弧源電磁場控制系統控制弧斑上下勻速螺旋運動，轉動機構帶動工件旋轉運動，有助于提高鉬、銥等超高溫防護涂層的服役穩定性和可靠性。秦工等[56]為了適應不同厚度規格材料的施鍍需求，發明一種自動調整離子束濺射角和入射角的離子鍍裝置及方法，豎推桿驅動濺射座調整高度，斜推桿驅動濺射片的傾角發生變化，轉盤帶動工件旋轉。

2.2 大型化電弧離子鍍設備

為應對資源短缺、氣候變化等全球性挑戰，縮短生產周期，節能降耗是必然選擇，能滿足大尺寸工件或大裝爐量小尺寸工件的大型真空電弧離子鍍設備和技術成為發展趨勢。

如蘇爾壽公司開發了最大裝載重量達2700kg，最大裝載長度達4000mm，最大裝載直徑達1600mm的PVD裝置。賈工普等[57]為了滿足6m長不銹鋼管的鍍膜需求，采用行星輪系實現工件的軸向移動，采用計算機實現自動化控制，成功研制了中國第一臺大型臥式真空離子鍍膜機。李國軍等[58]針對不銹鋼飾板的鍍膜需求研發了大直徑的立式電弧鍍膜機，直徑由1.8m增大至3.8m，同時為了節約能耗、提高工作效率，在不增加電弧源數目的基礎上優化了其分布,設計了爐底、爐頂進氣壓頭相互補償的供氣方案。孫博宇等[59]發明了一種用于超長葉片多弧離子鍍膜的組合工裝和方法，操作簡便、生產效率高,能實現緣板和葉冠局部防護,用于多弧離子鍍膜機進行熱障鍍層涂覆。Cho[60]為提高長管件表面施鍍時靶材利用效率，發明一種專用大型電弧離子鍍系統。

3、復合鍍膜技術研究

隨著真空電弧離子鍍技術應用范圍越來越廣，功能要求越來越多，質量要求越來越高，傳統的真空電弧離子鍍制備的單層多元鍍層越來越不能滿足要求。因此，規避單一沉積技術固有缺陷的復合沉積技術，功能梯度多層和納米結構等高性能復合鍍層成為當前研究熱點。

3.1 基于真空電弧離子鍍的復合沉積技術

電弧離子鍍/磁控濺射復合沉積技術是目前關注最廣泛、可商業化應用的復合沉積技術，拓寬了硬質鍍層成分與結構設計的可能性。Vetter等[61]開發了電弧離子鍍與高功率脈沖磁控濺射復合沉積技術，基于高功率脈沖磁控濺射的脈沖寬度、脈沖波形以及電流密度均可獨立調節，該技術具有豐富的工藝可拓展性。Li等[62]為增強膜基結合力，采用磁控濺射和多弧離子鍍相結合的方法制備了FeCrAlTiSi高熵合金非晶態鍍層，在3.5wt.%NaCl水溶液中腐蝕電流密度相對于316L不銹鋼提高了約60倍。Hae等[63]在用于柔性鈣鈦太陽能電池(FPSC)的無色聚酰亞胺(CPI)基板上，采用直流磁控濺射(DMS)和電弧離子鍍制備了高性能的柔性SITO/AITO電極，比傳統的AITO/SITO電極表現出更優異的機械柔性和耐用性，更高的功率轉換效率。武晨陽等[64]針對火炮身管內膛磨損嚴重的問題，采用磁控濺射/多弧離子鍍復合處理工藝，制備了TiAlYN鍍層，膜基結合力最大為54N，摩擦因數最小為0.4，為火炮身管耐磨延壽提供了理論及實踐基礎。張權等[65]開發了電弧離子鍍/磁控濺射復合沉積技術，制備出高硬度、高結合力以及內應力可控的AlTiN復合鍍層以及AlTiN/AlCrN復合鍍層，在難加工材料的高速干式切削中表現出顯著的抗磨損優勢。

同時，國內外學者開展了大量電弧離子鍍與其他表面處理技術的復合強化處理技術。Xie等[66]采用強流脈沖電子束(HCPEB)對電弧離子鍍NiCoCrAl鍍層進行了改性處理，在1373K溫度下表現出更強的抗氧化性能，更高的熱穩定性。劉耿明等[67]為提高Zr合金包殼表面鍍層的抗高溫氧化性，采用多弧離子鍍加激光微熔(LMM)的復合技術在Zr合金包殼表面制備Mo/NiCr鍍層，出現出非平衡凝固組織特征，空隙率減少。Ramirez-reyna等[68]在4140鋼表面進行氮化處理后制備AlCrN、FexN和AlCrN/FexN鍍層，鍍層失效模式由黏結變為內聚，FexN鍍層降低了基體與AlCrN鍍層間的性能差異，提高了基體與鍍層間的結合力，表現出更佳的耐磨性。祝繩健[69]探討了YG8硬質合金表面納米化處理對多弧離子鍍TiAlN膜層的影響，在納米化處理表面制備的TiAlN膜層厚度更大、硬度增加了約24.3%，結合力增加了約35.23%。

3.2 基于真空電弧離子鍍復合膜層結構設計

3.2.1 功能梯度多層鍍層

功能梯度多層鍍層是借鑒梯度材料的概念，施鍍過程中通過逐步改變鍍層生長方向元素成分含量，或者逐漸過渡到另一種化合物制備的具有化學組分梯度、晶粒尺寸梯度或硬度梯度等其中一種或幾種的鍍層[70-71]。鍍層兩側具備不同的性能，有效減少了鍍層由于晶格常數不同導致熱脹系數差異帶來的熱內應力，具有比其中任何單一鍍層更優越的結合力、綜合應用性能和使用壽命。Musa等[72]研究了沉積在AISIA8工具鋼上AlTiCrN單層鍍層、AlTiN/AlTiCrN雙層鍍層和AlTiN/AlTiN/AlTiCrN這3層鍍層的摩擦學行為，發現3層鍍層基于更高硬度、抗斷裂性、更好黏附強度和更低表面粗糙度的協同效應，磨損率分別比兩層和單層鍍層降低了15%和29%。楊通晗等[73]采用真空陰極電弧離子鍍技術在W6Mo5Cr4V2高速鋼表面分別沉積周期數為6、10和14的Ti/TiN/Zr/ZrN多層膜，發現隨周期數增加，Ti/TiN/Zr/ZrN多層膜的硬度、彈性模量和韌性增大，耐磨性和耐蝕性變好。Wang等[74]采用有限元方法對比了電弧離子鍍制備的Cr/CrAlN和梯度Cr/CrN/Cr/CrAlN鍍層，結果表明梯度鍍層具有更少的表面顆粒，更高的結合強度和更好的縱向、橫向應力耗散能力。林嵩[75]創新的提出了成分-結構尺度-彈塑性能的梯度設計理念，采用多弧離子鍍技術制備了具有自潤滑性能的梯度納米TiSiCN鍍層，梯度結構有效減少了普通TiSiCN鍍層缺陷，提高了H/E與H3/E2值，提升了韌性。孫日等[76]利用電弧離子鍍技術在DZ125合金表面分別沉積NiCrAlY/NiAl/Al鍍層、NiCrAlY/Pt/NiAl/Al鍍層，再經真空擴散退火處理形成成分漸變的梯度鍍層結構，通過對比2種鍍層體系在900℃不同混合鹽中的熱腐蝕行為發現Pt層抑制了Cr、O元素的外擴散和內擴散，顯著提升了NiCrAlY涂層在混合鹽中的抗熱腐蝕能力。

3.2.2 納米結構鍍層

納米結構鍍層是指核心材料為納米級顆粒組成的鍍層。當材料尺寸小于100nm，尤其在10nm左右會產生小尺寸、界面、宏觀量子和比表面等眾多奇異效應，大大提升材料性能，因此相對于普通鍍層，納米結構鍍層表現出更優異的硬度、韌性、耐磨檫性能和耐腐蝕性能等[77]。并根據結構和制硬機理的不同分為納米多層鍍層和納米復合鍍層。

納米多層鍍層是指兩種或幾種納米級的不同材料鍍層周期性交替生長而成的多層鍍層，如圖5(a)所示。調制層形成的共格界面增大了界面間的位錯密度，有效阻礙了位錯穿過界面傳遞，相互交替的不同成分和結構有效減小了膜層中的孔洞，大量界面多層結構有效阻礙了微裂紋等缺陷在膜層內部的移動，因此相對于單一組份鍍層，納米多層鍍層硬度更大、耐蝕性、韌性、摩擦磨損性能更優。Cheng等[78]以Ti/TiN納米多層鍍層為模型系統，研究了異質界面結構對彈性、塑性變形和磨損行為的影響，表明大多數層厚為10~80nm納米的多層膜的硬度、模量與層厚成反比，與界面梯度無關，層厚恒定時，磨損率與界面梯度厚度成反比，證明控制納米級界面結構是增強磨損的有效方法。Liu等[79]采用電弧離子鍍技術制備了納米級單層TiAlSiN、AlCrN和多層TiAlSiN/AlCrN鍍層，發現多層TiAlSiN/AlCrN鍍層的彈性模量、納米硬度等性能介于兩種單層鍍層之間，符合“混合定律”，同時由于多層鍍層的界面效應，多層TiAlSiN/AlCrN鍍層的殘余應力最小，500和800℃時的耐磨性能均最優。趙升升等[80]采用電弧離子鍍技術制備了不同調制周期的ZrN/TiCuN納米多層鍍層，發現界面處存在大量共格結構，且連續貫穿幾個相鄰鍍層，隨著調制周期減小，共格結構的界面增加，納米單層厚度變薄，硬度提高，在調制周期最小時硬度達到最大值3.15×10? MPa。

納米復合結構鍍層是指把凝聚的晶體相或無定型復合相彌散在傳統的單層鍍層中而形成的結構。從Veprek等[81]提出的晶粒大小為3~10nm的納米晶被1~2nm的非晶層包裹的理想模型，如圖5(b)所示，可看出納米復合結構鍍層具有較高的共格界面能，不同相之間界面結合牢固，可以提升鍍層韌性;非晶相對位錯的運動具有強效阻礙排斥作用，位錯不能穿過非晶相基體，可以極大地提高鍍層的硬度和彈性模量，展現出和傳統鍍層完全不同的優異性能。Wang等[82]通過多弧離子鍍技術制備了含有非晶碳、納米石墨和C60等多種碳微觀結構的一系列納米復合結構鍍膜，硬度值范圍為(1.833±0.355)×10?MPa至(3.388±0.226)×10?MPa，與Φ3mm的316不銹鋼球在新鮮5W-30油中的摩擦系數約為0.13，在劣化油中，最高摩擦系數為0.20，最低為0.11，顯示出超耐磨性。Kim等[83]制備了納米復合微結構的Ti合金鍍層，由以Ti為主要成分的非晶基質和分散在基質中TiN納米晶體組成，與基材的附著力高、摩擦阻力低、硬度和彈性模量特性優異。Liu等[84]使用電弧離子鍍技術在304不銹鋼上沉積了具有不同N?分壓的抗菌TiN/Cu納米復合鍍層，結果表明鍍層均具有很強的抗菌能力且無細胞毒性，硬度和耐磨性隨晶粒尺寸的增加而提高。李茂等[85]探討了N?流量和靶基距對多弧離子鍍沉積AlSiN納米復合鍍層微觀組織及耐腐蝕性能的影響，結果表明鍍層在較遠的靶基距和高氮氣流量下傾向于柱狀晶生長模式，結晶度較高，在近距離及低氮氣流量下則會獲得晶粒細小或接近非晶的致密結構，而結晶方式影響著腐蝕介質的滲透與表面氧化膜的形成，在0.15L/min的氮氣流量，180mm的靶基距下制備的AlSiN涂層擁有最佳的抗腐蝕性能，腐蝕電流密度相比于TC4鈦合金基材降低了一個數量級以上。

4、結論

經過一定的發展，真空電弧離子鍍技術取得了巨大的進步，應用領域不斷擴大。但伴隨著我國從制造業大國向制造業強國轉型，半導體加工、機器人、航空航天裝備、先進軌道交通設施、新能源汽車、核電、光伏發電等行業快速發展，涉及到大量特殊性能要求、更高質量保證或成本造價更低的先進膜層，因此真空電弧離子鍍等表面技術必須根據需求向性能更好、工藝更易、適應更強、應用更廣方向發展。同時，無論是新技術的研發，還是鍍層的商業化推廣應用，國內與國外研究機構或鍍層公司相比仍存在差距。尤其是穩定可靠復合沉積設備研發，功能梯度多層鍍層、納米鍍層界面生長機制、界面結構與性能的相關性和制備工藝參數的積累等諸多問題需要關注與解決。

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（注，原文標題：真空電弧離子鍍技術的研究現狀及發展趨勢_陳靜華）

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