[发明专利]在钛金属表面制备高载摩擦学DLC薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能表面薄膜的制备方法，尤其是一种在钛金属表面利用物理气相沉积法形成具有优良摩擦特征的DLC(类金刚石)薄膜的方法，具体地说是一种在钛金属表面制备高载摩擦学DLC薄膜的方法。

背景技术

众所周知，钛金属具有强度高、比重小、抗腐蚀、耐高温、耐低温等许多优良的特性，广泛用于航空航天、武器装备、人体内植入物等许多领域。但其摩擦系数较大、耐磨性能较差，严重地影响着它们的使用性能。

DLC(类金刚石)薄膜以其摩擦低、磨损和腐蚀抗力高、生物医用性能好等许多优良的性能而成为近年来金属表面保护性、功能性薄膜的研究热点。尽管国内外许多研究机构和学者就金属表面保护性、功能性DLC薄膜的研究已取得了很大进展并产生了一批相关专利，但能在高载荷下具有很好摩擦磨损性能的DLC薄膜仍是一个很大的挑战。这一主题的研究对于承载场合如人工髋关节等具有重要的意义。

限制金属表面DLC薄膜在高载荷下仍具有很好摩擦磨损性能的因素是多方面的，如界面结合、薄膜的韧性等。到目前为止，钛金属表面尚未有一种在高载下仍具有很好摩擦学性能的DLC薄膜可供使用。

发明内容

本发明的目的是针对DLC(类金刚石)薄膜在高载荷下的摩擦磨损性能较差的问题，发明一种在钛金属表面制备高载摩擦学DLC薄膜的方法。

本发明的技术方案是：

一种在钛金属表面制备高载摩擦学DLC薄膜的方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，对作为基材的钛金属和靶材的SiC(碳化硅)进行清洗；

其次，利用射频磁控溅射法在基材的表面沉积SiC，形成SiC薄膜中间层；

最后，利用直流磁控溅射法在SiC薄膜中间层上形成类DLC薄膜。

所述的对靶材和基材的清洗时指先用砂纸、抛光的方法除去基材表面污物，然后浸入有机溶剂中用超声波清洗；把靶材和经清洗的基材分别放入主溅射室和进样室进行射频反溅清洗靶材和基材；旁抽两室气压低于20帕后分别对两室抽真空，当主溅射室、进样室气压达到10^-5帕后，停止抽真空，通入氩气，进行射频反溅清洗；主溅射室清洗靶材的基本工艺参数为氩气流量60sccm、起辉气压3～5Pa、功率70W、时间15～20min，进样室射频反溅清洗基材的工艺参数为氩气流量60sccm、起辉气压3～5Pa、功率100W、时间15～20min。

所述的中间层薄膜沉积是指：先用射频反溅清洗SiC靶材和基材后对两室分别抽真空，当进样室气压低于10^-4帕、主溅射室气压低于10^-5帕后，打开阀使进样室与主溅射室相通，将基材从进样室送入主溅射室；送完样品后，关闭阀，对主溅射室抽真空，使气压低于5×10^-5帕后停止抽真空，通入工作气体，调整参数进行磁控溅射，采用磁控溅射技术以射频(RF)方式在基材上沉积形成中间层SiC薄膜。

所述的类金刚石薄膜的沉积是指采用直流(DC)方式在中间层SiC薄膜上沉积具有高载摩擦学性能的类金刚石(DLC)薄膜。

本发明的有益效果：

(1)本发明为钛金属表面提供了一种可工业化生产的在高载荷下也具有很好抗摩擦磨损性能的DLC薄膜的制备方法。

(2)通过利用磁控溅射技术制备薄膜的能量高的特点和钛金属、SiC、DLC之间化学成分相容性的特点，使得膜-膜-基间发生了明显且呈梯度的元素扩散，从而使薄膜和基材的物理及力学性能处于渐近变化状态，导致最终形成了很好的界面结合，大大提高了界面的承载能力。

(3)通过控制磁控溅射制备DLC薄膜的工艺参数，使DLC薄膜具有较高含量的石墨相，保证了DLC薄膜自身具有高的韧性，大大提高了DLC薄膜自身的承载能力。

(4)利用本发明制得的薄膜具有以下好的物理化学性能：sp³/sp²比为0.2～0.24、纳米硬度为6.3～10.5GPa、弹性模量为86.2～109.2GPa，试验实测：当sp³/sp²比为0.2时，在200～500g载荷、氮化硅球(半径为2mm)为对摩件、模拟体液或空气条件下(初始Hertzian接触应力约为685～930MPa)时，磨损速率在10^-6～10^-7mm³/Nm级，摩擦系数约为0.1，且都不出现薄膜的破裂及剥落现象。