双双极脉冲HiPIMS技术能够在管内壁实现铬（Cr）的沉积

《Surface and Coatings Technology》：Double-bipolar-pulse HiPIMS enables Cr deposition on tube inner walls

　　

张向杰|胡天石|田秀波|吴后普|龚春志|耿慧媛

哈尔滨工业大学材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室，中国哈尔滨，150001

摘要

在管状内壁沉积高性能涂层面临着维持高密度等离子体同时将离子输送到深腔内的挑战。高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）能够产生高度电离的等离子体流，但深腔沉积受到等离子体衰减和金属离子回流的限制，这降低了离子的有效性并降低了涂层质量。在这里，我们提出了一种双极脉冲HiPIMS（DBP-HiPIMS）模式，将等离子体生成与定向传输分离。通过使用?/+/?/+脉冲序列（负溅射脉冲后跟随反向偏压提取脉冲），DBP-HiPIMS在提取开始时维持了高密度的等离子体储备，并增强了离子向腔内的传输。在一个模型管中（L/D ≈ 3），与单极HiPIMS相比，DBP-HiPIMS使管尾部的积分基底电荷增加了约42%，并将深腔内的Cr涂层厚度增加了约21%。增强的离子轰击促进了微观结构的致密化，产生了硬度高达9.3 GPa的紧凑Cr涂层。这些结果表明，减轻深腔阴影效应不仅需要静电加速，还需要将提取场与等离子体密度峰值同步，为功能化复杂内部几何形状提供了一种通用的波形工程方法。

引言

细长的管状部件通常直径在几十毫米左右，长径比很高，是先进制造领域中的关键基础设施，包括航空航天燃料系统、核反应堆控制组件和氢气管道[1]、[2]、[3]。这些部件在极端的服务环境下运行，需要具备出色的抗摩擦和磨损能力、高温腐蚀性、辐照损伤以及抗氢渗透性[4]、[5]。因此，在其内表面沉积高性能功能涂层对于确保系统寿命和运行安全至关重要。然而，在这种受限的几何形状内建立均匀、高质量的涂层是一个巨大的挑战。

物理气相沉积（PVD）由于其高质量、多功能性和环境可持续性，已成为首选的表面处理技术[6]、[7]、[8]。对于管内壁涂层而言，等离子体的分布在整个PVD过程中至关重要[9]、[10]、[11]。传统的PVD技术从根本上受到视线传输和深腔效应的限制[12]、[13]。当等离子体传播到长径比较高的管中时，由于几何阴影效应和壁面损失，涂层物种的流量会急剧下降，导致深腔内的沉积速率很低，微观结构完整性受损[14]。

HiPIMS产生的高度电离等离子体流允许通过施加的电场（基底偏压）有效地引导沉积离子的轨迹，使其朝向复杂的几何形状[15]、[16]、[17]。然而，标准HiPIMS在应用于受限体积时存在固有的物理限制。特别是在靶材附近的中性粒子耗尽严重时，会降低局部气体密度，阻碍放电的维持，并减少可用于传输到腔内的等离子体密度。尽管由于动量传递和电离导致管内的气体稀薄可能会减少溅射物种的散射碰撞，从而促进它们的传输[18]，但这种效应并不能弥补靶材附近中性粒子密度过低时等离子体生成的损失[19]。这种机制严重限制了可用于深腔沉积的涂层物种的净流量。

多脉冲HiPIMS（m-HiPIMS）通过将主脉冲细分为子脉冲，有效地缓解了稀薄问题，从而允许间歇性气体补充并稳定放电[20]、[21]、[22]，但它本身并不具备克服壁面损失并将离子传输到管尾所需的轴向动量[23]、[24]、[25]、[26]。另一方面，双极HiPIMS（BP-HiPIMS）引入了正电压反转，通过静电加速离子以实现最大传输距离[27]、[28]。然而，这种加速的效率在很大程度上依赖于反转时刻的瞬时等离子体密度[29]、[30]。在标准双极模式下，如果脉冲关闭期间等离子体密度显著下降，随后的加速阶段将变得无效[31]、[32]。因此，需要一种明确分离并优化等离子体生成（维持高密度）和离子传输（提供定向动量）的方法，但这在深管几何形状中尚未得到探索。

为了缓解这些限制，我们提出了一种双极脉冲HiPIMS（DBP-HiPIMS）模式。DBP-HiPIMS结合了（i）通过减轻稀薄效应来维持高密度等离子体的双脉冲序列，以及（ii）随后的正电压反转，通过静电方式提取和推进离子，从而将等离子体生成与定向传输分离。在这项工作中，我们系统地比较了40毫米直径管中的四种放电模式，以评估它们对等离子体放电动态、轴向离子传输机制以及所得涂层微观结构和性能的影响。我们证明了DBP-HiPIMS模式成功缓解了放电稳定性和传输效率之间的权衡，即使在细长管的深尾区域也能制造出致密且高性能的涂层。

章节摘录

脉冲调制模式和放电机制

DBP-HiPIMS模式的核心设计理念如图1所示的放电机制示意图所示。如图所示，传统HiPIMS受到金属离子回流效应的固有限制，这限制了电离物种的逃逸，导致向深腔内部的传输效率低下。而双极HiPIMS引入了正电压反转，提高了局部等离子体电位，从而增加了基底鞘层上的电位差，增强了

放电动态和轴向等离子体传输机制

图3展示了不同调制策略下的电压和电流变化。对于标准HiPIMS（图3a）和BP-HiPIMS（图3b），观察到了约15 μs的特征点火延迟，这归因于等离子体形成时间滞后。击穿后，放电电流迅速上升，然后衰减，这是气体稀薄和从气体主导的自溅射转变为金属主导的自溅射的标志[37]、[38]。在BP-HiPIMS模式下，脉冲终止立即发生

讨论

DBP-HiPIMS通过缓解电离密度和传输效率之间的权衡，改善了深腔覆盖率。标准双极HiPIMS在这方面往往失败，因为在脉冲关闭期间等离子体密度迅速下降，导致后续加速阶段的离子不足。DBP-HiPIMS通过明确分离等离子体生成和传输来改善这一问题。初始的双脉冲序列减轻了稀薄效应，并维持了高密度的富金属等离子体储备

结论

开发了一种双极脉冲HiPIMS（DBP-HiPIMS）模式，以缓解高长径比管沉积中离子传输的固有限制。通过结合双脉冲预电离和随后的+100 V双极反转，DBP-HiPIMS维持了高密度的富金属等离子体，同时实现了电场辅助的定向离子传输到管内部。这种波形设计使管尾部的积分基底电荷增加了约42%

CRediT作者贡献声明

张向杰：撰写——原始草稿，验证，数据管理，概念化。胡天石：验证，数据管理，概念化。田秀波：撰写——审阅与编辑，监督，资源获取，概念化。吴后普：验证，数据管理，概念化。龚春志：方法学，研究。耿慧媛：撰写——审阅与编辑，监督，资源获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢中国国家自然科学基金（编号：U2241233和编号：12075071）对这项研究的财政支持。