[發明專利]摻雜類金剛石涂層的多離子束濺射沉積技術

無效

• 申請號: 201010132905.6
• 申請日: 2010-03-24
• 公開（公告）號: CN101787518A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發明（設計）人: 付志強;王成彪;岳文;彭志堅;于翔
• 申請（專利權）人: 中國地質大學(北京)
• 主分類號: C23C14/34
• 分類號: C23C14/34;C23C14/06;C23C14/02
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所屬技術領域：

本發明專利涉及一種制備摻雜類金剛石(DLC)涂層的多離子束濺射沉積技術，屬于高性能DLC涂層材料的復合制備技術。

背景技術：

類金剛石涂層具有高硬度、高彈性模量、優異的摩擦磨損性能、化學穩定性及生物相容性，具有非常廣泛的應用前景。但內應力大、膜/基結合力差、熱穩定性差、脆性大等限制了DLC涂層在苛刻服役條件下的應用。

采用過渡層可克服膜/基界面處結構、性能差異大的問題，緩解DLC膜的內應力和提高DLC涂層的膜/基結合力。通過在DLC涂層中摻雜W、Ti、Cr、Zr、Cu、Si、F等元素，形成以非晶碳膜為基體的多元復相結構，可顯著改善DLC膜的綜合性能；但摻雜單一元素也存在一些問題，如摻雜鎢會增大DLC涂層的摩擦系數，摻雜鈦導致DLC涂層脆性增大，摻雜F導致DLC涂層的熱穩定性變差；為了進一步改善DLC涂層的性能，需要通過DLC涂層的多種元素摻雜實現不同摻雜元素的優勢互補，但目前還沒有開發出適合工業化批量生產的DLC涂層多元摻雜技術。

多離子束濺射沉積技術的工藝參數可以嚴格控制，制備的DLC膜力學性能優異，是一種合成高性能DLC涂層的理想方法，但目前還沒有利用該方法合成多元摻雜DLC涂層的文獻報道。

開發新型的多元摻雜DLC涂層及其過渡層的多離子束濺射沉積技術，制備出具有優化梯度分布的過渡層的高性能多元摻雜DLC涂層對DLC涂層在苛刻服役條件下的應用具有重要意義。

發明內容：

為了克服目前DLC涂層制備技術和摻雜方案存在的不足，本發明專利提出了一種新型的DLC涂層多離子束濺射沉積技術，其特征在于：所述方法將離子束濺射沉積、離子束輔助沉積、離子束刻蝕清洗結合起來，制備多元摻雜DLC涂層，該方法依次包括以下步驟：

(1)首先利用超聲波清洗技術去除工件表面污染層；

(2)利用離子源產生的氬離子束對工件表面進行離子束刻蝕清洗，獲得原子級的清潔表面；

(3)利用離子束輔助沉積方法制備梯度過渡層；

(4)利用多離子束濺射+低能離子束輔助沉積方法制備多元摻雜DLC膜。

在上述制備方法中，步驟(2)的離子源可采用考夫曼離子源、射頻感應耦合離子源、電子回旋共振離子源中的任何一種離子源。

在上述制備方法中，步驟(2)向離子源中通入氬氣。

在上述制備方法中，步驟(3)在濺射離子源從金屬靶材上濺射的金屬粒子沉積在工件表面的同時，利用輔助沉積離子源發射的氣體離子束持續轟擊沉積膜層表面，形成梯度過渡層。

在上述制備方法中，步驟(3)的濺射離子源采用考夫曼離子源；金屬靶材可以為Ti、Cr、Zr、W、Nb中的任何一種金屬；濺射離子源發射的離子束能量為300-4000eV，束流為10-200mA。

在上述制備方法中，步驟(3)的輔助沉積離子源可以采用考夫曼離子源、射頻感應耦合離子源、電子回旋共振離子源中的任何一種離子源；先后向濺射離子源中通入氬氣、氬氣/氮氣混合氣、氬氣/氮氣/含碳氣體混合氣、氬氣/含碳氣體混合氣；輔助沉積離子源發射的離子束能量為50-1000eV，束流為10-200mA。

在上述制備方法中，步驟(3)制備的梯度過渡層包括Ti/TiN/TiCN/TiC、Cr/CrN/CrCN/CrC、Zr/ZrN/ZrCN/ZrC、W/WC、Nb/NbN/NbC等梯度過渡層。

在上述制備方法中，步驟(4)利用一個或幾個濺射離子源從石墨靶上濺射碳粒子，利用一個或幾個濺射離子源從金屬靶材上濺射金屬粒子，同時利用輔助沉積離子源發射的氣體離子持續轟擊沉積膜層表面，調控摻雜DLC涂層微觀結構和實現多元摻雜。

在上述制備方法中，步驟(4)濺射石墨靶的濺射離子源采用考夫曼離子源，濺射離子源發射的離子束能量為300-4000eV，束流為10-200mA。

在上述制備方法中，步驟(4)濺射金屬靶的濺射離子源采用考夫曼離子源，金屬靶材可以為金屬靶、合金靶或金屬鑲嵌靶，濺射離子源發射的離子束能量為300-4000eV，束流為10-200mA。

在上述制備方法中，步驟(4)輔助沉積離子源可以采用考夫曼離子源、射頻感應耦合離子源、電子回旋共振離子源中的任何一種離子源，除了向輔助沉積離子源中通入氬氣或氬氣/氫氣混合氣外，還至少向輔助沉積離子源中通入甲烷、乙炔、氮氣、硫化氫、二硫化碳、硅烷、四氟化碳等氣體中的一種氣體，輔助沉積離子源的離子束能量為50-500eV，束流為10-200mA。