[發(fā)明專利]超厚類金剛石涂層的超高速制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110274370.0
• 申請(qǐng)日: 2011-09-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102994967A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王立平;蒲吉斌;張廣安;楊會(huì)生;薛群基
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): C23C14/48
• 分類號(hào): C23C14/48;C23C16/44;C23C14/06;C23C16/27
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司 62002
• 代理人: 方曉佳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超厚類金剛石涂層的超高速制備方法，具體是利用等離子體浸沒(méi)離子注入和高密度等離子體化學(xué)氣相沉積相結(jié)合的一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高速沉積超厚類金剛石涂層。

背景技術(shù)

類金剛石涂層以其高硬度、超低摩擦系數(shù)、高抗磨性和耐腐蝕性等特點(diǎn)，在機(jī)械、電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。然而，迄今國(guó)內(nèi)已公知的氣相沉積類金剛石涂層都具有很小的厚度(＜3微米)，中國(guó)專利CN?101298656A公開(kāi)了一種利用磁過(guò)濾陰極真空弧沉積方法沉積類金剛石薄膜的方法，這種專利方法可以得到非常高硬度的類金剛石薄膜，然而，薄膜厚度一般為1微米，最厚時(shí)也僅有3微米。中國(guó)專利CN?1727410A采用了一種利用PVD依次沉積過(guò)渡金屬層，納米過(guò)渡金屬和類金剛石混合層，過(guò)渡金屬摻雜的納米復(fù)合類金剛石涂層的方法，然而這種納米復(fù)合類金剛石涂層的厚度一般在500～3000nm。這些較薄的類金剛石涂層雖然具有優(yōu)異的摩擦防腐性能，但不足的耐久壽命使這些類金剛石涂層尚不能滿足在一些極端惡劣環(huán)境中對(duì)涂覆部件的長(zhǎng)期有效防護(hù)。超厚(＞8微米)類金剛石涂層具有更高的抗侵蝕和抗磨損耐久性，這使其在油田管道、采油系統(tǒng)(抽油泵桿和泵筒等)、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件、傳動(dòng)齒輪、軸承、模具、切削刀具、無(wú)油潤(rùn)滑系統(tǒng)等工程機(jī)械領(lǐng)域具有更大的應(yīng)用價(jià)值。

目前，困擾研究者制備超厚類金剛石涂層的主要瓶頸是：①類金剛石涂層與不銹鋼、鋁合金、鈦合金、銅和陶瓷等試樣基底表面的結(jié)合力較差，在磨損或腐蝕工況下極易脫落和失效；②各種制備方法獲得的類金剛石涂層普遍具有較高的內(nèi)應(yīng)力(有時(shí)高達(dá)10GPa)，當(dāng)涂層達(dá)到一定厚度時(shí)，大的壓應(yīng)力使涂層易于發(fā)生開(kāi)裂剝落，限制了類金剛石涂層的沉積厚度；③普遍采用的真空等離子體類金剛石涂層制備方法(如磁控濺射、多弧離子鍍、磁過(guò)濾等)中，較低的沉積速率(＜20nm/min)很難高效的沉積超厚類金剛石涂層。中國(guó)專利CN?1796592A提供的類金剛石鍍膜方法中沉積速率僅有1微米/小時(shí)。中國(guó)專利CN?1727410A提供的納米復(fù)合類金剛石涂層的制備方法中，1微米厚的薄膜鍍制時(shí)間長(zhǎng)達(dá)120min。為此，為了進(jìn)一步擴(kuò)展類金剛石作為功能防護(hù)涂層的應(yīng)用范圍，亟需發(fā)展一種超厚類金剛石涂層的超高速沉積技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決由于膜基結(jié)合差和較大內(nèi)應(yīng)力而無(wú)法在高沉積速率下獲得超厚類金剛石涂層的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種超厚類金剛石涂層的超高速制備方法，該方法能夠在較低的真空度下在各類基質(zhì)上超高速、均勻沉積超厚類金剛石涂層。

本發(fā)明采用等離子體浸沒(méi)離子注入和高密度等離子體化學(xué)氣相沉積相結(jié)合的一體化技術(shù)，及周期改變摻雜硅含量的交替沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高速沉積類金剛石涂層。

本發(fā)明的制備方法包括下列步驟：

A)將經(jīng)過(guò)超聲清洗后的試樣置于等離子體浸沒(méi)離子注入和高密度等離子體化學(xué)氣相沉積相結(jié)合的一體化裝備的真空腔中，利用氬等離子體對(duì)施加負(fù)脈沖偏壓的試樣基底表面去氧化物清洗和活化，改善界面狀態(tài)，增強(qiáng)類金剛石涂層與試樣基底的結(jié)合力；本發(fā)明所述的試樣為不銹鋼、鋁合金、鈦合金、銅或陶瓷；

所述等離子體浸沒(méi)離子注入和高密度等離子體化學(xué)氣相沉積一體化裝備的關(guān)鍵部件由高壓直流脈沖電源(5～40KV)、低壓直流脈沖電源(～2KV)、機(jī)械泵、分子泵、干泵、特氣柜、真空室、蜂窩孔氣源板和同電位載樣臺(tái)構(gòu)成，機(jī)械泵和分子泵連接在一路抽真空管道上，干泵連接在另一路抽真空管道上，高壓直流脈沖電源和低壓直流脈沖電源的陰極通過(guò)一個(gè)切換開(kāi)關(guān)連接至蜂窩孔氣源板和同電位載樣臺(tái)上，他們的陰極連接至真空腔體上，工作氣體通過(guò)管路通入蜂窩孔氣源板內(nèi)，待鍍膜試樣放置在同電位載樣臺(tái)上，在氣源板內(nèi)混合均勻的工作氣體從各蜂窩孔吹出離化，在電場(chǎng)作用下朝同電位載樣臺(tái)運(yùn)動(dòng)，在試樣上高速沉積超厚類金剛石涂層；

所述試樣基底表面去氧化物清洗和活化的真空室本底真空為2×10^-1Pa，負(fù)脈沖偏壓為4～6KV，脈沖頻率為1～2KHz，占空比為20％～40％，穩(wěn)定輝光放電真空度為1～2Pa，清洗活化時(shí)間為10～30min；

B)通入硅烷或氮?dú)怏w，利用高壓直流脈沖電源產(chǎn)生高能等離子體，對(duì)施加負(fù)脈沖偏壓的試樣基底表面注入硅或氮元素，改善類金剛石涂層與試樣基底的界面匹配，提高膜基結(jié)合強(qiáng)度；

所述負(fù)脈沖偏壓為20～30KV，脈沖頻率為1～2KHz，占空比為20％～40％，氬氣/硅烷或氬氣/氮?dú)饣旌媳壤秊?∶1～2∶1，工作氣氛的輝光放電真空度為2～3Pa，注入時(shí)間為15～30min；