本發(fā)明提高特殊環(huán)境下機(jī)械設(shè)備等關(guān)鍵部件抗酸性、堿性腐蝕以及抗摩擦磨損的的表面改性涂層。本發(fā)明涉及的是一種多種納米晶混合的類金剛石涂層及其制備方法。具體技術(shù)是基于離子束技術(shù)的金屬真空蒸汽離子源以及磁過濾沉積系統(tǒng)。

技術(shù)背景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及各種極端條件的出現(xiàn)，如鹽霧環(huán)境、酸性環(huán)境或者堿性環(huán)境，現(xiàn)有設(shè)備的關(guān)鍵部件的本體材料已不能滿足長(zhǎng)壽命要求。在特殊環(huán)境下關(guān)鍵部件將受到環(huán)境氣氛的腐蝕以及摩擦帶來(lái)的磨損，關(guān)鍵部件的損耗將降低工作效率、工作精度、穩(wěn)定性和可靠性，這對(duì)于整體設(shè)備來(lái)說(shuō)是最致命的。材料表面改性是提高本體材料耐磨最為有效的關(guān)鍵技術(shù)之一。材料表面改性基本不改變本體材料的力學(xué)、電學(xué)性能，也基本不改變材料本身的尺寸精度，同時(shí)能夠大幅提高本體材料的表面致密性、表面硬度、降低摩擦損耗，能夠大幅減小材料成本，提高關(guān)鍵部件的使用壽命，從而顯著提高材料的使用壽命和工作效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)約原材料、降低能源消耗等目的。眾所周知，類金剛石涂層具有很好的物理、化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)具有硬度高和摩擦系數(shù)低的性能特點(diǎn)，是一種性能優(yōu)異的抗磨耐腐蝕薄膜材料，吸引著許多薄膜材料研究工作者，成為世界各國(guó)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)薄膜材料之一。碳基涂層如四面體類金剛石(ta-diamond-likecarbon，簡(jiǎn)稱ta-dlc)薄膜是以碳為基本元素構(gòu)成的一種非晶材料。類金剛石薄膜(dlc)它在結(jié)構(gòu)上屬于非晶亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的無(wú)定形碳，是由sp3雜化和sp2雜化碳組成：薄膜中sp3結(jié)構(gòu)決定了類金剛石薄膜具有諸多類似于金剛石的優(yōu)良特性，而sp2結(jié)構(gòu)決定了類金剛石薄膜又具有很多石墨的特性，國(guó)際上將硬度超過金剛石硬度20％的絕緣硬質(zhì)無(wú)定形碳膜稱為類金剛石膜。在制備工藝方面，類金剛石薄膜(dlc)沉積溫度較低，沉積面積大，膜面光滑平整，工藝相對(duì)成熟。在實(shí)際應(yīng)用方面，由于dlc薄膜在真空條件下和低溫下均具有良好的潤(rùn)滑耐磨性能，因此可有效解決某些特殊工況下活動(dòng)零部件表面潤(rùn)滑等的技術(shù)難題。

眾所周知，碳膜的耐磨性能隨著環(huán)境的變化而發(fā)生較大變化，如磁過濾沉積制備的四面體類金剛石涂層(ta-c)在高濕環(huán)境下摩擦系數(shù)一般可低至0.04，但隨著濕度的降低當(dāng)降到20％或一下摩擦系數(shù)迅速增至0.7左右，耐磨性能迅速下降，耐腐蝕性也隨之變差；再如化學(xué)氣相沉積制備的含氫類金剛石涂層(a-h:c)在真空或者干燥氣氛下摩擦系數(shù)可低至0.03，但隨著濕度的增加摩擦系數(shù)也迅速增加，耐磨性和耐腐蝕性也大打折扣?，F(xiàn)公知的抗磨涂層采用物理或化學(xué)氣相沉積技術(shù)抗摩擦性能良好，但防腐蝕性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求?，F(xiàn)尚沒有基于物理氣相沉積技術(shù)提出在抗磨和防腐蝕效果皆能滿足工業(yè)需求的涂層。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明基于離子束技術(shù)利用磁過濾沉積(fcva)以及金屬離子源(mevva)系統(tǒng)制備了多種納米晶混合的類金剛石涂層。綜合碳、超硬碳化物相、過渡金屬hf在高濕環(huán)境下的高耐磨性和高耐腐蝕能力，以及這種互嵌結(jié)構(gòu)高致密性，制備的涂層能夠很好的兼顧耐磨性和耐腐蝕性。

進(jìn)一步來(lái)講，該多相共混超潤(rùn)滑固體潤(rùn)滑涂層方法包括：

在基材表面通過氣體離子轟擊形成表面強(qiáng)化，提高表面密度；

在基材表面制備金屬″釘扎層″；

在所述″釘扎層″上進(jìn)行合金過渡層沉積，形成釋放應(yīng)力層；

在所述釋放應(yīng)力層上沉積多種納米晶混合的類金剛石涂層。

在一些實(shí)施例中，所述基材表面強(qiáng)化過程包括：利用霍爾氣體離子源，對(duì)所述基材進(jìn)行氣體轟擊，采用的氣體為n2，霍爾源工作電壓為300-2000v，束流強(qiáng)度為100～900ma，轟擊環(huán)境溫度500-900℃，轟擊時(shí)間30-120min。

在一些實(shí)施例中，所述基材注入形成″釘扎層″包括：利用金屬真空蒸汽離子源(mevva)，向所述基材層注入合金，采用的靶材為tialhfni合金靶材，靶材成分ti(20-80％)，al(30-50％)，hf(1-10％)，ni(10-20％)；其中，合金元素的注入電壓為4～12kv，束流強(qiáng)度為1～10ma，注入劑量為1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm²，注入深度為70～120nm。

在一些實(shí)施例中，在所述金屬″釘扎層″上進(jìn)行合金沉積包括：利用所述磁過濾真空弧沉積(fcva)系統(tǒng)，在所述金屬″釘扎層″上，磁過濾沉積出合金應(yīng)力釋放層；其中，所述釋放層的合金元素為ti、al、hf、ni合金厚度為10～500nm。

在一些實(shí)施例中，在所述基材應(yīng)力釋放層表面制備多種納米晶混合的類金剛石涂層：利用磁過濾陰極真空弧(fcva)系統(tǒng)，在應(yīng)力釋放層表面沉積多種納米晶混合的類金剛石涂層，磁過濾沉積同時(shí)通乙炔氣體得到多種納米晶混合的類金剛石涂層；其中，所述多種納米晶混合的類金剛石涂層厚度為1～10μm，乙炔進(jìn)氣量在100～250sccm。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明各實(shí)施例具有以下優(yōu)勢(shì)：

1、本發(fā)明實(shí)施例提出的多種納米晶混合的類金剛石涂層，通過對(duì)基材進(jìn)行大面積大劑量的氣體離子源轟擊有很多方面的效果：1)提高表面致密度；2)能夠活化基材表面；3)氣體進(jìn)入亞表面形成化學(xué)鍵提高表面強(qiáng)度。在應(yīng)用霍爾離子源的同時(shí)還進(jìn)行了高能量的金屬元素注入，使基材亞表面原子與注入金屬形成金屬-基材原子混合的″釘扎層″結(jié)構(gòu)，這樣的雙強(qiáng)化效果使得后續(xù)磁過濾沉積出的結(jié)構(gòu)性涂層的結(jié)合力都非常好，從而使其抗剝離強(qiáng)度得以增強(qiáng)；

2、相比磁控濺射、電子束蒸發(fā)等pvd沉積方法，磁過濾電弧沉積設(shè)備原子離化率非常高，大約在90％以上。這樣，由于原子離化率高，可使等離子體密度增加，成膜時(shí)大顆粒減少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性、膜基結(jié)合力等；

3、磁過濾設(shè)備的高離化率非常有利于納米晶的形成與調(diào)控，如tic，hf，ti等納米晶的大小等，這是其他公知技術(shù)如磁控濺射、化學(xué)氣相沉積的瓶頸；

4、由于過渡金屬hf和al同時(shí)作為靶材：1)hf和al能夠大大降低成膜形成的內(nèi)應(yīng)力，提高涂層與基底的結(jié)合力；2)成膜時(shí)進(jìn)一步提高涂層的致密性，同時(shí)能促進(jìn)等離子體中氣體的電離度增加成膜速率；3)能夠進(jìn)一步促進(jìn)納米晶的形成，提高其成核效率；

5、公知理論知道膜層晶界越多越容易發(fā)生基底的侵蝕，但本發(fā)明中存在著大量晶界，但涂層的抗酸和堿腐蝕性非常好。

需要說(shuō)明的是，對(duì)于前述的方法實(shí)施例，為了簡(jiǎn)單描述，故將其都表述為一系列的動(dòng)作組合，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知悉，本發(fā)明并不受所描述的動(dòng)作順序的限制，因?yàn)橐罁?jù)本發(fā)明，某些步驟可以采用其他順序或者同時(shí)進(jìn)行。其次，本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該知悉，說(shuō)明書中所描述的實(shí)施例均屬于優(yōu)選實(shí)施例，所涉及的動(dòng)作并不一定是本發(fā)明所必需的。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明實(shí)施例的更多特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)將在之后的具體實(shí)施方式予以說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本發(fā)明實(shí)施例一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。

在附圖中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的多種納米晶混合的類金剛石涂層流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的多種納米晶混合的類金剛石涂層結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的fcva沉積和mevva注入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為四面體dlc(ta-c)，含氫dlc(a-h:c)以及多種納米晶混合dlc在65％濃硝酸中那腐蝕性能對(duì)比

圖5為四面體dlc(ta-c)，含氫dlc(a-h:c)以及多種納米晶混合dlc在不同空氣濕度下摩擦系數(shù)的變化對(duì)比

圖6四面體dlc(ta-c)，含氫dlc(a-h:c)以及多種納米晶混合dlc在不同氯化鈉含量鹽霧環(huán)境下的摩擦系數(shù)對(duì)比

附圖標(biāo)記說(shuō)明

200基底

210合金釘扎層

220合金應(yīng)力釋放層

230多種納米晶共混dlc

300fcva合金陰極

301陽(yáng)極筒

302磁過濾彎管

303工件臺(tái)及負(fù)壓負(fù)端

304金屬真空蒸汽離子源陰極

305氣體離子源端口

方法實(shí)施例

本實(shí)施例中，在關(guān)鍵部件基底層上制備多種納米晶混合dlc涂層，參照?qǐng)D1，其示出了本實(shí)施例固體潤(rùn)滑膜制備方法，該制備方法包括以下步驟：

s100：利用霍爾氣體離子源，對(duì)基底層進(jìn)行大面積轟擊，形成表面強(qiáng)化層。

s200：利用金屬蒸汽真空弧(mevva)離子源，向基底層注入合金元素，形成合金″釘扎層″。

其中，本步驟為金屬離子注入形成″釘扎層″，利用高能合金離子注入基底，能夠形成合金和基底材料的混合層，提高其表面后續(xù)涂層與基底的結(jié)合力。

需要指出的是，s200中，第一金屬元素為tialhfni合金。作為一種可選實(shí)施方式，合金元素的注入電壓為4～15kv，束流強(qiáng)度為1～15ma(含端值)，注入劑量為1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm²(含端值)，注入深度為70～120nm(合端值)。

s300：利用磁過濾陰極真空弧(fcva)系統(tǒng)，在基底″釘扎層″表面，磁過濾沉積得到第一層合金涂層內(nèi)應(yīng)力釋放層。

本步驟中，可選的是，合金涂層為tialhfni，且厚度為10～500nm。

s400：利用磁過濾陰極真空弧(fcva)系統(tǒng)，沉積得到多種納米晶混合dlc涂層。

本步驟中，利用磁過濾陰極真空弧(fcva)系統(tǒng)和金屬真空蒸汽離子源系統(tǒng)，磁過濾沉積得到多種納米晶混合dlc涂層的總厚度為1～10微米。

合金″釘扎層″，合金應(yīng)力釋放層以及多種納米晶混合dlc涂層，構(gòu)成了涂層的主體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)涂層利用霍爾氣體離子源以及金屬離子注入系統(tǒng)形成了合金混合″釘扎層″，使后續(xù)沉積涂層與基底材料有著非常好的結(jié)合強(qiáng)度；同時(shí)結(jié)合了合金涂層的高彈性模量以及強(qiáng)韌性的特點(diǎn)，使其作為應(yīng)力釋放層時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

性能檢測(cè)

1)耐酸性能測(cè)試

四面體dlc(ta-c)，含氫dlc(a-h:c)以及多種納米晶混合dlc分別浸泡在濃度為65％的濃硝酸中，浸泡時(shí)間總計(jì)18小時(shí)如圖4。結(jié)果顯示多種納米晶混合dlc在浸泡18小時(shí)之后沒有任何明顯的腐蝕，抗腐蝕性能非常優(yōu)良。然而四面體dlc(ta-c)和含氫dlc(a-h:c)在浸泡6小時(shí)后表面明顯出現(xiàn)腐蝕坑，抗腐蝕性能相對(duì)較差。

2)不同濕度下摩擦學(xué)性能分析：

四面體dlc(ta-c)，含氫dlc(a-h:c)以及多種納米晶混合dlc三種涂層分別在不同相對(duì)濕度(20％，40％、60％、80％)下測(cè)試了涂層的摩擦系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：ta-c和多種納米晶混合dlc在相對(duì)濕度為80％條件下摩擦系數(shù)最低為0.06如圖5。相反地，含氫dlc(a-h:c)在低相對(duì)濕度和高真空度下摩擦系數(shù)最小為0.03，隨著濕度的增加摩擦系數(shù)迅速增加。本方法制備的多種納米晶混合dlc涂層在高濕、低濕情況下都能較好的保持低摩擦系數(shù)能夠自適應(yīng)環(huán)境的變化。

3)不同氯化鈉濃度鹽霧試驗(yàn)?zāi)蜏匦詼y(cè)試

分別用了七種不同氯化鈉濃度測(cè)試三種涂層的耐鹽霧能力，發(fā)現(xiàn)ta-c和a-h:c三種涂層耐鹽霧性能都有限，出現(xiàn)了明顯的摩擦系數(shù)的升高；然而，多種納米晶混合dlc涂層在氯化鈉濃度變化從10g/l到70g/l沒有明顯的摩擦系數(shù)的變化。綜合試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，多種納米晶混合dlc涂層能夠很好的兼顧抗酸、堿腐蝕以及抗磨損性能。