[發明專利]一種浸沒注入原位表面梯度重構耐磨類金剛石涂層改性工藝方法

有效

• 申請號: 202010145330.5
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN113355644B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 劉波;張娜;林黎蔚
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C23C14/48
• 分類號: C23C14/48;C23C14/02;C23C14/58
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本發明公開了一種基于浸沒注入原位表面梯度重構耐磨類金剛石涂層改性工藝方法，該工藝包括清洗類金剛石涂層表面、惰性氣體離子浸沒注入、去應力處理等步驟，惰性氣體離子選用He⁺、Ne⁺、Ar⁺。通過惰性氣體離子浸沒注入類金剛石涂層引入原位缺陷使涂層中部分碳原子雜化方式由金剛石（sp³）結構轉變為石墨（sp²）結構，通過微調控沿涂層厚度方向石墨成分的梯度分布，在保證涂層強度和韌性前提下進一步增強涂層的潤滑性能。改性后涂層的表面粗糙度減小，干摩擦系數低至0.1?0.2。采用該改性工藝方法可進一步提高類金剛石涂層及整體機械設備部件的耐磨性能及使役壽命，且可用于復雜外形結構工件的表面改性，并具有高效率、低成本、無污染等突出特點。

技術領域

本發明屬于類金剛石涂層表面改性技術領域，具體涉及一種浸沒注入原位表面梯度重構耐磨類金剛石涂層改性工藝方法。

背景技術

在汽車工業、航空航天、模具加工等存在大量機械接觸的工業制造領域中，機械設備零部件表面面臨長期的摩擦磨損而易于造成部件失效，進而影響設備的正常運行，甚至大幅度降低生產效率和設備壽命。據統計，目前全世界有1/3的能源以各種形式消耗于摩擦上，大約有80%的機械設備零部件因持續磨擦而損壞，經濟損失占工業化國家 GDP 的 5% -7%，見文獻[鄭泉水，歐陽穩根，馬明，張首沫，趙治華，董華來，林立.科技導報34（2016）12-26]。鑒于此，各種針對零部件表面強化技術應運而生，其中表面涂層技術是應用最廣泛且發展最迅速的技術之一 [劉一奇. 不銹鋼表面氮化/DLC涂層復合改性研究.大連理工大學2017]。在眾多硬質涂層材料中，類金剛石是一類具有高硬度、低摩擦、耐磨損等特性的高機械性能材料，適用于許多苛刻工作環境，所以類金剛石是用于零部件表面涂層改性的首選材料，見文獻[劉一奇，韓克昌，林國強，石昌侖，盧國英，李曉勇.真空科學與技術學報37（2017）100-105]。

類金剛石是一類主要由sp³雜化和sp²雜化碳原子構成的亞穩態非晶材料，sp³、sp²結構共存決定類金剛石同時具有金剛石、石墨的優良性質。面對科技社會的快速發展與工業上的實際需求，尤其是需要在高速、高溫、高壓、重載等嚴苛條件下工作的零部件，這對類金剛石的性能提出更高的要求。因此對類金剛石進行表面強化，著力提高其耐磨性能和使役壽命，對于縮減人工及材料成本、節約能源等方面具有很高的社會價值和經濟價值。在此背景下，類金剛石表面改性技術成為越來越受關注的技術。類金剛石的摩擦性能受諸多因素影響，如sp³/sp²鍵比、表面粗糙度等。改變類金剛石的sp³/sp²鍵比可調整其鍵角與鍵長畸變，促使非晶碳網絡結構重整；改變表面粗糙度可影響摩擦副相對運動的阻力，進而改變摩擦系數大小。因此通過一系列方法技術調控類金剛石表面粗糙度及sp³/sp²鍵比可在一定程度上改善類金剛石摩擦磨損性能。目前，類金剛石改性技術主要集中于調控制備工藝參數和元素摻雜兩方面，如Kumar等人采用等離子體輔助化學氣相沉積法制備類金剛石薄膜研究偏壓對其摩擦磨損性能時發現隨著基底偏壓升高，類金剛石薄膜表面粗糙度減小導致其摩擦系數隨之減小，且在-300 V偏壓時可以實現低摩擦低磨損 [H.A. Esquivel-Puentes，T.S. Fisher，G. Capote，J.J. Olaya. Surface and Coatings Technology 350（2018）603-620]；Han等人采用離子束增強沉積技術制備類金剛石薄膜發現CH₄/H₂氣體流量由9 sccm減至3 sccm，拉曼光譜測試的D、G峰強比值I_D/I_G增大即sp²/sp³比例增大，且薄膜中sp²結構含量增多是造成類金剛石摩擦系數減小的主因[B.B Han, D.Y. Ju, S. SATO，H.J. Zhao. Sci China Tech Sci 62（2019）1939-1947]。盡管調控制備工藝在一定程度上可改善類金剛石材料摩擦性能，但往往調控工藝參數的實施過程相對復雜繁瑣，不利于降低大規模工業化生產的成本。另外，研究者們在元素摻雜調控類金剛石性能方面也開展了較為深入的探究，如Miao等人制備鉻渡層/類金剛石復合結構并進行鉻摻雜，過渡層與摻雜層協同作用有效降低薄膜表面粗糙度，使類金剛石的耐磨性能顯著提升[Y.P. Miao, X.H.Jiang, D.G. Piliptsou, Y.Z. Zhuang, A.V. Rogachev, A.S. Rudenkov, A.Balmakou. Applied Surface Science 379（2016）424-432]。張書姣等人發現親碳非金屬Si與弱碳金屬 Ag共摻雜的類金剛石具有特殊的雙納米結構，從而促進sp²結構增多使涂層耐磨性能及結構韌性提升，但Si-C鍵形成削弱碳網絡的剛性而降低了類金剛石涂層的力學性能[張書姣，吳艷霞，朱麗楠，唐賓，劉穎.表面技術 47（2018）193-198]。Luo等人發現Cu摻雜的類金剛石薄膜具有較低的薄膜內應力及良好的摩擦性能，但納米晶態Cu金屬團簇與非晶碳基質間易發生界面滑移，過量摻雜將降低薄膜的機械強度[J.Y. Luo, D.E.SUN,S.Zhang. Nanoscience and Nanotechnology Letters 9（2017）438-445]。盡管元素摻雜可有效改善膜基結合強度、韌性，但在引入外部雜質的同時也可能影響材料本身性質及性能。低能惰性氣體離子注入技術不僅能避免離子與材料發生成鍵反應，且可有效改善材料的力學及摩擦磨損等綜合性能，具有低成本和大面積可控操作等優點[R. Hobbs, C.S. KIM,A. Agarwal, Y. Yang.Nanotechnology 31（2019）4]。