專利名稱：表面結(jié)構(gòu)化復(fù)合涂層制備裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種表面工程的薄膜涂層，特別是一種表面結(jié)構(gòu)化復(fù)合涂層制備 方法及其裝置。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)及人類社會(huì)的發(fā)展，摩擦學(xué)材料的服役條件越來越極端化、復(fù)雜化， 這對材料的耐磨性、減摩性等提出了越來越高的要求。在傳統(tǒng)摩擦學(xué)材料的基礎(chǔ)上，通過表 面工程技術(shù)研發(fā)，表面減摩耐磨涂層為優(yōu)化機(jī)械系統(tǒng)摩擦學(xué)性能、解決材料磨損提供了一 條有效、也是極具生命力的方案和途徑。薄膜涂層是表面工程獨(dú)立于材料學(xué)、熱處理、電鍍、熱噴涂等，成為獨(dú)立技術(shù)領(lǐng)域 的關(guān)鍵性標(biāo)志。在現(xiàn)階段，薄膜涂層的制備方法主要有物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積 (CVD)、等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)、離子束輔助沉積(IBAD)及離子注入等；從薄膜涂層 材料來看，基本上還是軟、硬兩大類。但是，傳統(tǒng)薄膜涂層具有許多無法克服的缺點(diǎn)，如類金 剛石涂層中存在很大的內(nèi)應(yīng)力，降低了和基體之間的結(jié)合強(qiáng)度；石墨涂層具有優(yōu)良的減摩 性能，但是石墨的硬度低、耐磨損性能差；涂層不能協(xié)調(diào)硬度和韌性之間的矛盾。因此，在薄 膜涂層領(lǐng)域，在組分上由單一組分向三組分或四組分發(fā)展，同時(shí)還尋求新的涂層材料，甚至 包括含油的涂層。薄膜涂層的加工方法在原來的PVD、CVD和IBAD基礎(chǔ)上向混合過程、低溫 化和大尺度化方向發(fā)展，表面結(jié)構(gòu)化即制備具有預(yù)定表面幾何結(jié)構(gòu)形貌的涂層也是薄膜涂 層未來重點(diǎn)的加工方法。迄今為止，尚未見表面結(jié)構(gòu)化復(fù)合涂層方面的專利和研究論文報(bào) 道。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠協(xié)調(diào)薄膜涂層硬度和韌性的表面結(jié)構(gòu)化復(fù)合 涂層制備裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的表面結(jié)構(gòu)化復(fù)合涂層制備裝置，包括紫外脈沖激 光多功能表面處理系統(tǒng)裝置，紫外脈沖激光多功能表面處理系統(tǒng)裝置包括脈沖激光模塊、 精密掃描模塊和環(huán)境調(diào)控模塊，脈沖激光模塊、精密掃描模塊和環(huán)境調(diào)控模塊順序連接。所述的脈沖激光模塊包括控制器和脈沖激光器，控制器和脈沖激光器順序連接； 所述的精密掃描模塊包括反射鏡、擴(kuò)束鏡、X-Y振鏡和聚焦鏡，反射鏡、擴(kuò)束鏡、X-Y振鏡和 聚焦鏡順序連接，X-Y振鏡與計(jì)算機(jī)連接；所述的環(huán)境調(diào)控模塊包括透光玻璃、樣品、可旋 轉(zhuǎn)樣品臺、反應(yīng)室、步進(jìn)電機(jī)、計(jì)算機(jī)、氣瓶和真空泵，在反應(yīng)室的一側(cè)有一裝置有透光玻 璃的孔，在反應(yīng)室內(nèi)有可旋轉(zhuǎn)樣品臺，可旋轉(zhuǎn)樣品臺上端穿出反應(yīng)室與步進(jìn)電機(jī)連接，在可 旋轉(zhuǎn)樣品臺上連接有樣品，在反應(yīng)室外有氣瓶和真空泵，氣瓶和真空泵與反應(yīng)室連接，步進(jìn) 電機(jī)與計(jì)算機(jī)的輸出端連接。有益效果由于采用了上述方案，在樣品表面制備了具有表面結(jié)構(gòu)化的復(fù)合涂層， 光滑的復(fù)合涂層能夠?qū)崿F(xiàn)減摩抗磨，而復(fù)合涂層的表面結(jié)構(gòu)化將更進(jìn)一步的提高其摩擦學(xué)特性。首先是結(jié)構(gòu)可控。通過調(diào)節(jié)激光的能量密度、X-Y振鏡的掃描速度和樣品臺的旋轉(zhuǎn)速 度、真空度、背景氣體等條件，可以在材料表面制備具有不同深度、不同線寬的陣列微結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)的存在可以有效改善滑動(dòng)表面的摩擦學(xué)性能。在干摩擦條件下，微結(jié)構(gòu)能儲(chǔ)存摩擦 磨損過程中產(chǎn)生的磨屑或微顆粒，從而降低摩擦并減小磨損。而在潤滑介質(zhì)條件下，滑動(dòng)表 面上分布的微結(jié)構(gòu)能形成動(dòng)壓潤滑膜，具有良好的減摩抗磨效應(yīng)。陣列微結(jié)構(gòu)的參數(shù)不同， 對摩擦學(xué)性能的影響程度也不同，因此可控的陣列微結(jié)構(gòu)可以有效調(diào)整樣品表面的減摩抗 磨性能。通過調(diào)節(jié)復(fù)合涂層沉積過程中的反應(yīng)氣體輸入的比例、順序等，可以有效的制備梯 度、成分可控的復(fù)合涂層，從而減少涂層內(nèi)應(yīng)力，有效抑制摩擦裂紋的擴(kuò)展和蔓延，提高涂 層的強(qiáng)度和抗塑性變形性能。另外，激光化學(xué)氣相沉積時(shí)加熱非常局域化，可以在尺寸范圍 很小的一個(gè)精確區(qū)域產(chǎn)生局域沉積；可以達(dá)到很高的反應(yīng)溫度，來自基片以外的污染很??； 該方法沉積速度比傳統(tǒng)化學(xué)氣相沉積高出幾個(gè)數(shù)量級。材料表面結(jié)構(gòu)化處理與復(fù)合涂層相 耦合，從而形成具有特定表面結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層。這可以使結(jié)構(gòu)化表面的優(yōu)異性能和復(fù)合涂 層的優(yōu)異性能相疊加和協(xié)同作用，更進(jìn)一步的提高材料表面的減摩抗磨性能。同時(shí)，可以使 復(fù)合涂層與基體的結(jié)合力增加，有效抑制摩擦過程中涂層的脫落。其構(gòu)思新穎，加工方便、 效率高，采用一個(gè)激光光源可同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料表面的結(jié)構(gòu)化處理和復(fù)合涂層的沉積，結(jié)構(gòu)簡 單、易于控制，單次掃描即可，無需對制備的樣品進(jìn)行復(fù)雜的后處理工藝；應(yīng)用范圍廣、紫外 脈沖激光具有光子能量大、波長短的特點(diǎn)，可以對任何材料進(jìn)行精密的表面結(jié)構(gòu)化處理，同 時(shí)可以誘導(dǎo)多種氣體的化學(xué)反應(yīng)，高效的進(jìn)行復(fù)合涂層沉積。
圖1是本實(shí)用新型紫外脈沖激光多功能表面處理系統(tǒng)裝置方案圖。圖2是本實(shí)用新型紫外脈沖激光多功能表面處理系統(tǒng)裝置示意圖。圖中，1-1、脈沖激光模塊；1-2、精密掃描模塊；1-3、環(huán)境調(diào)控模塊；1控制器，2脈 沖激光器，3反射鏡，4擴(kuò)束鏡，5X-Y振鏡，6聚焦鏡，7透光玻璃，8樣品，9可旋轉(zhuǎn)樣品臺，10 反應(yīng)室，11步進(jìn)電機(jī)，12計(jì)算機(jī)，13氣瓶，14真空泵。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的實(shí)施例作進(jìn)一步的描述圖1所示，本實(shí)用新型的表面結(jié)構(gòu)化復(fù)合涂層制備裝置主要包括三大部分脈沖 激光模塊1-1、精密掃描模塊1-2、環(huán)境調(diào)控模塊2-3，脈沖激光模塊1-1、精密掃描模塊1-2 和環(huán)境調(diào)控模塊1-3順序連接。激光能量密度可以采用控制器在零和最大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào) 節(jié)。由脈沖激光器輸出的激光束經(jīng)精密掃描模塊聚焦到反應(yīng)室內(nèi)的樣品表面，該模塊由全 反鏡、擴(kuò)束鏡、X-Y振鏡、聚焦鏡依次連接而成。反應(yīng)室內(nèi)的真空度由真空泵(機(jī)械泵和分 子泵)來完成?？尚D(zhuǎn)樣品臺、步進(jìn)電機(jī)、計(jì)算機(jī)依次連接，通過計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)來驅(qū) 動(dòng)樣品臺的旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)圓柱零件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖2所示，脈沖激光模塊包括控制器1和脈沖激光器2，控制器1和脈沖激光器2 順序連接，脈沖激光模塊為市售產(chǎn)品；精密掃描模塊包括反射鏡3、擴(kuò)束鏡4、X-Y振鏡5和 聚焦鏡6，反射鏡3、擴(kuò)束鏡4、X-Y振鏡5和聚焦鏡6順序連接，X-Y振鏡5與環(huán)境調(diào)控模塊 1-3的計(jì)算機(jī)12連接；環(huán)境調(diào)控模塊包括透光玻璃7、樣品8、可旋轉(zhuǎn)樣品臺9、反應(yīng)室10、步進(jìn)電機(jī)11、計(jì)算機(jī)12、氣瓶13和真空泵14，計(jì)算機(jī)12的配置CPU為奔騰三以上、內(nèi)存512M 以上；在反應(yīng)室10的一側(cè)有一裝置有透光玻璃7的孔，在反應(yīng)室10內(nèi)有可旋轉(zhuǎn)樣品臺9， 可旋轉(zhuǎn)樣品臺9上端穿出反應(yīng)室與步進(jìn)電機(jī)11連接，在可旋轉(zhuǎn)樣品臺9上連接有樣品8， 在反應(yīng)室10外有氣瓶13和真空泵14，氣瓶13和真空泵14與反應(yīng)室10連接，步進(jìn)電機(jī)11 與計(jì)算機(jī)12的輸出端連接。 工作原理及過程首先，建立多功能表面處理系統(tǒng)裝置，打開脈沖激光器2，采用 控制器1調(diào)節(jié)激光的能量密度。激光束經(jīng)反射鏡3進(jìn)行一次反射，然后傳輸?shù)綌U(kuò)束鏡4，通 過調(diào)節(jié)擴(kuò)束鏡中兩個(gè)鏡片的距離可以將激光束直徑調(diào)節(jié)至合適的大小。擴(kuò)束后的激光束經(jīng) X-Y振鏡5后入射到聚焦鏡6上，經(jīng)過反應(yīng)室10的透明窗口 7聚焦到樣品8上。激光焦點(diǎn) 在樣品上運(yùn)行的軌跡通過計(jì)算機(jī)12對X-Y振鏡進(jìn)行控制，聚焦鏡可以控制焦點(diǎn)的大小。樣 品8固定在可以旋轉(zhuǎn)的樣品臺9上，以實(shí)現(xiàn)對圓柱形樣品表面的處理。樣品臺的旋轉(zhuǎn)是通 過計(jì)算機(jī)12控制步進(jìn)電機(jī)11來驅(qū)動(dòng)的。通過選擇相應(yīng)的氣瓶13和調(diào)節(jié)真空泵14來控制 反應(yīng)室內(nèi)的背景氣體和真空度。最后，通過調(diào)節(jié)激光的能量密度、X-Y振鏡的掃描速度和樣 品臺的旋轉(zhuǎn)速度、真空度、背景氣體來實(shí)現(xiàn)表面結(jié)構(gòu)化處理。表面處理化之后，通過選擇合 適的氣瓶13來控制反應(yīng)室10內(nèi)的反應(yīng)氣體成分、流量和比例，調(diào)節(jié)激光的能量密度至復(fù)合 涂層沉積所需值，然后通過計(jì)算機(jī)控制的X-Y振鏡的掃描速度和樣品臺的旋轉(zhuǎn)速度來實(shí)現(xiàn) 復(fù)合涂層的可控沉積。
權(quán)利要求1.一種表面結(jié)構(gòu)化復(fù)合涂層制備裝置，其特征是它包括紫外脈沖激光多功能表面處 理系統(tǒng)裝置，紫外脈沖激光多功能表面處理系統(tǒng)裝置包括脈沖激光模塊、精密掃描模塊和 環(huán)境調(diào)控模塊，脈沖激光模塊、精密掃描模塊和環(huán)境調(diào)控模塊順序連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面結(jié)構(gòu)化復(fù)合涂層制備裝置，其特征是所述的脈沖激光 模塊包括控制器和脈沖激光器，控制器和脈沖激光器順序連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面結(jié)構(gòu)化復(fù)合涂層制備裝置，其特征是所述的精密掃描 模塊包括反射鏡、擴(kuò)束鏡、X-Y振鏡和聚焦鏡，反射鏡、擴(kuò)束鏡、X-Y振鏡和聚焦鏡順序連接， X-Y振鏡與計(jì)算機(jī)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面結(jié)構(gòu)化復(fù)合涂層制備裝置，其特征是所述的環(huán)境調(diào)控 模塊包括透光玻璃、樣品、可旋轉(zhuǎn)樣品臺、反應(yīng)室、步進(jìn)電機(jī)、計(jì)算機(jī)、氣瓶和真空泵，在反應(yīng) 室的一側(cè)有一裝置有透光玻璃的孔，在反應(yīng)室內(nèi)有可旋轉(zhuǎn)樣品臺，可旋轉(zhuǎn)樣品臺上端穿出 反應(yīng)室與步進(jìn)電機(jī)連接，在可旋轉(zhuǎn)樣品臺上連接有樣品，在反應(yīng)室外有氣瓶和真空泵，氣瓶 和真空泵與反應(yīng)室連接，步進(jìn)電機(jī)與計(jì)算機(jī)的輸出端連接。
專利摘要一種表面結(jié)構(gòu)化復(fù)合涂層制備裝置，適用于表面結(jié)構(gòu)化復(fù)合涂層制備，是一種紫外脈沖激光多功能表面處理系統(tǒng)裝置，它包括紫外脈沖激光多功能表面處理系統(tǒng)裝置，紫外脈沖激光多功能表面處理系統(tǒng)裝置包括脈沖激光模塊、精密掃描模塊和環(huán)境調(diào)控模塊，脈沖激光模塊、精密掃描模塊和環(huán)境調(diào)控模塊順序連接。采用一個(gè)激光光源可同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料表面的結(jié)構(gòu)化處理和復(fù)合涂層的沉積，結(jié)構(gòu)簡單、易于控制，單次掃描即可，無需對制備的樣品進(jìn)行復(fù)雜的后處理工藝；應(yīng)用范圍廣、紫外脈沖激光具有光子能量大、波長短的特點(diǎn)，可以對任何材料進(jìn)行精密的表面結(jié)構(gòu)化處理，同時(shí)可以誘導(dǎo)多種氣體的化學(xué)反應(yīng)，高效的進(jìn)行復(fù)合涂層沉積。
文檔編號C23C16/48GK201833114SQ20102020027
公開日2011年5月18日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者李寶林, 楊海峰, 王慶良, 王延慶, 韓正銅 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)