[发明专利]一种TiAlSiN-DLC复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合薄膜制备技术领域，具体涉及一种TiAlSiN-DLC复合薄膜及其制备方法。

背景技术

工程机械零件在服役过程中往往要经受高速干摩擦及高温磨损等苛刻的工况，金属基体材料表面服役性能不足导致的工件表面快速磨损、失效，是造成工件服役寿命短的主要原因。材料表面改性技术能够在金属基体材料表面形成一层具有高硬度、高耐磨性的保护膜，该保护膜相对于金属基体材料具有更高的硬度及耐磨性，可显著提高工件的服役性能。例如，在高速钢刀具表面沉积硬度为20GPa～24GPa的TiN硬质薄膜后，刀具的使用寿命可以提高2～3倍。另外，在TiN硬质薄膜的基础上通过添加Al、Cr合金元素形成TiAlN、TiAlCrN等三元、四元硬质薄膜，使得工件的工作温度提高到800℃以上，满足其抗氧化性能的要求。在TiAlN膜层中掺杂10％左右的Si元素能够得到组织更致密、硬度达到42GPa以上的超硬薄膜。然而，这些膜层的干摩擦系数却高达0.5～0.9，起不到应有的耐磨减摩作用。

降低薄膜材料摩擦系数的一种有效方法是在膜层中形成具有润滑特性的C膜。类金刚石C(以下简称DLC)硬质薄膜以其较高的硬度、极好的耐磨性和固态润滑性被广泛应用于耐磨减摩领域。DLC膜在摩擦升温过程中的石墨化能够在摩擦表面形成一层摩擦转移C膜，该摩擦转移膜具有良好的自润滑减摩性能，能够显著提高膜层的耐磨减摩性能。然而石墨化转变会造成大量C从DLC膜表面的游离，最终导致DLC从金属基体材料表面剥离，丧失其作为保护膜的功用。因此，单一的DLC薄膜并不能满足材料表面高温耐磨减摩性能的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种TiAlSiN-DLC复合薄膜。该复合薄膜实现了金属基体与膜层、膜层内部之间成分及微结构的平滑过渡，无明显物理界面，实现了TiAlSiN层与DLC层之间的“无界面”结合，保证了复合薄膜兼具良好的抗高温氧化性能及自润滑耐磨减摩性能，有望大大延长工件在高温、高速干摩擦磨损的复杂工况下的服役寿命。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种TiAlSiN-DLC复合薄膜，其特征在于，包括附着于金属基体表面的TiAlSiN层，附着于TiAlSiN层上的C掺杂的TiAlSiN层，和附着于C掺杂的TiAlSiN层上的DLC层；所述TiAlSiN层的厚度为0.8μm～2μm，所述C掺杂的TiAlSiN层的厚度为0.3μm～1μm，所述DLC层的厚度为1μm～2.5μm。

另外，本发明还提供了TiAlSiN-DLC复合薄膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、金属基体表面的活化：将金属基体置于安装有等离子体增强源的磁控溅射设备的真空室内，采用Ti溅射靶源对金属基体表面进行活化；所述Ti溅射靶源的溅射功率为1kW～10kW；

步骤二、TiAlSiN层的制备：利用氩气将真空室的真空度调节至1×10^-1Pa～1Pa，调节负偏压为100V～300V并开启等离子体增强源，维持Ti溅射靶源的溅射功率不变，沉积5min～10min后向真空室内通入体积流量为8sccm～20sccm的氮气，沉积8min～15min，然后依次开启Al溅射靶源和Si溅射靶源，接着将氮气体积流量增加至80sccm～120sccm并维持真空室的真空度为1×10^-1Pa～1Pa，沉积30min～100min后得到TiAlSiN层；所述Al溅射靶源的溅射功率为3kW～15kW，所述Si溅射靶源的溅射功率为3kW～15kW；

步骤三、C掺杂的TiAlSiN层的制备：维持Ti溅射靶源、Al溅射靶源和Si溅射靶源的溅射功率均不变，并维持氮气流量不变，开启C溅射靶源并将C溅射靶源的溅射功率调整至5kW～15kW，沉积5min～20min后得到C掺杂的TiAlSiN层；

步骤四、DLC层的制备：依次关闭Ti溅射靶源、Al溅射靶源、Si溅射靶源和氮气，维持C溅射靶源的溅射功率不变，并维持真空室内的真空度为1×10^-1Pa～1Pa，负偏压为100V～300V，沉积30min～120min后得到TiAlSiN-DLC复合薄膜。