不同阴极材料对PS-PVD等离子射流的影响

目的探究热阴极材料对先进等离子物理气相沉积(PS-PVD)射流的影响。方法分别采用铈钨、钍钨和镧钨材料制备大功率等离子喷枪阴极,在相同工艺条件下制备涂层,采用光学发射光谱仪(OES)检测无送粉和送粉状态下的等离子射流光谱强度,分别评价射流的能量场分布及稳定性,通过扫描电子显微镜对涂层微观形貌进行观察和分析。结果在无送粉状态下,使用镧钨阴极时射流中的ArⅠ和HeⅠ特征峰强度在400~1000 mm之间最高,在1000 mm后显著降低;使用钍钨阴极时,轴向中心ArⅠ特征峰强度逐渐升至1000 mm处,之后缓慢下降,HeⅠ特征峰强度的下降速度较快;使用铈钨阴极时,从600~1200 mm,ArⅠ特征峰强度衰减得最缓慢,HeⅠ特征峰的强度逐渐提高;射流光谱强度波动幅度从大到小的顺序为铈钨、钍钨、镧钨;在送粉状态下,在强度峰值区域,钍钨阴极激发射流中不同元素的光谱强度最高,镧钨和铈钨阴极激发射流光谱强度接近,在射流轴线上方均为铈钨阴极的射流光谱强度最高;在高浓度气相区内,钍钨阴极所制备涂层以高气相比例沉积为主,枝晶生长发达,铈钨和镧钨阴极制备涂层柱间出现了较多的球形冷凝颗粒。结论镧钨阴极产生的射流在轴向400~1000 mm范围内的能量强度最高,射流稳定性最好,但在1000 mm之后存在较大的轴向和径向(HeⅠ)能量衰减,其最优喷涂距离应大于等于1000 mm;钍钨阴极产生的射流在轴向400~1000 mm区域内的能量强度和稳定性低于镧钨阴极,但大于1000 mm射流能量强度衰减的速度较慢;铈钨阴极产生的射流在轴向600~1200 mm之间的能量强度衰减最小,且轴向和径向均表现出宽域的能量和气相分布特征,但射流稳定性不足。