[发明专利]Ti-TiC-石墨复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钛基复合材料领域，具体涉及Ti-TiC-石墨复合材料的制备方法。

背景技术

在现代机械加工工业中，钛基复合材料能有效的提高表面硬度、复合韧性、耐磨损性和抗高温化学稳定性能，从而大幅度地提高涂层产品的使用寿命，应用越来越广泛。钛基复合材料与钛相比在具有低价位优势的同时，兼具钛材的优异性能，实现部分代钛甚至全部代钛的目的，复合材料领域内的重要研究方向之一。在各种钛基复合材料中，TiC因其具有较好的综合性能，并且硬度比TiN更高而成为主要选择之一。还有研究表明，TiC具有比TiN和TiCN薄膜更低的摩擦系数和表面粗糙度，甚至硬度比TiCN更高，所以，TiC不仅是一种性能很好的单一涂层，而且在制备多层膜时，若将其作为涂层的最外层，能使多层膜的性能更好。

通过多年的研究，科研人员已经探索和发展了一些有效的技术来在石墨基体上制备TiC材料。如化学气相沉积、物理气相沉积、激光束蒸发源蒸镀、高频感应加热式蒸发源镀和电阻式加热蒸发镀钛膜等方法。上述方法通过不同方式为石墨表面复合TiC提供了可能：

如CN1818131公开了一种在复杂形状刀具上制备金刚石薄膜的化学气相沉积方法。在制备过程是在热丝CVD(化学气相沉积)沉积金刚石薄膜的基础上，采用螺旋形热丝结构进行复杂形状刀具金刚石涂层的沉积，将复杂形状刀具竖直放入螺旋形热丝结构的内部，其轴心和螺旋形热丝结构的中心相重合，在沉积过程中，复杂形状刀具自身通过设备工作台绕其轴心旋转，采用螺旋形热丝结构保证了复杂形状刀具各部分与热丝之间的距离均匀，使复杂形状刀具周围的碳源基团浓度均匀相等，从而保证涂层的均匀性，同时衬底自身的旋转也有效地增强衬底表面薄膜的均匀性。本发明能够有效保证复杂形状刀具表面金刚石薄膜的均匀性，同时形核速率高，生长速率快，沉积后的金刚石薄膜均匀而且质量良好。但由于CVD方法沉积温度高，限制了可以镀膜的基体材料种类。而且由于采用氯化物作为原料，沉积过程中氯会进入基材，造成基材的晶间腐蚀使基体材料变脆，而且氯化物对设备的腐蚀比较严重。所以人们就考虑采用物理气相沉积(PVD)方法来制备TiC薄膜。

专利CN102002668A公开了一种多晶硅薄膜低温物理气相沉积装置及其方法。该方法属于半导体材料技术领域。这种沉积装置及其方法通过样品准备、样品制备前处理、沉积、后处理、样品取出等步骤能够生成主晶向为(111)、晶粒直径为数十纳米、多晶硅部分比例超过80％的低温多晶硅薄膜。利用物理气相沉积方法，代替现有等离子体增强化学气相沉积技术，不使用SiH气体前提下，直接沉积出多晶硅薄膜。由于成本低廉的基板(普通玻璃)的熔点较低，可在相对低的温度(小于300℃)条件下，在普通玻璃基板上直接沉积多晶硅薄膜，避免了以往使用基板成本高的缺点，极大地提高了竞争力。但由于TiC的高熔点，本方法制备TiC存在极大难度。

专利CN101497989则公开了一种靠激光加热来实现蒸发源蒸发的真空镀膜设备。该设备主要由激光器、钟罩式双塑水冷外壳、真空系统、电控系统、蒸发源坩埚等组成。其设备制备TiC的原理是在新型高真空状态下，用高功率激光束，聚焦照射到蒸镀材料的表面，使镀膜材料的蒸发源的温度达到沸点，从而来达到蒸膜的目的。但激光器功率一般较小，实现大规模沉积的效果不佳。

而CN101597745公开了一种TiC/DLC多层薄膜的沉积方法。即采用磁过滤钛电弧源沉积TiC层；采用脉冲石墨电弧源沉积DLC(类金刚石薄膜)层；采用磁过滤钛电弧源和脉冲石墨电弧源共同沉积TiC层，通过调节脉冲石墨电弧源的脉冲频率来控制TiC层中的Ti含量。采用电弧离子镀技术沉积的TiC/DLC多层薄膜内应力小于类金刚石单层薄膜的内应力，同时保持了类金刚石薄膜高硬度和低摩擦系数的性能特点，沉积的TiC/DLC多层膜总厚度可以达到2μm，且具有优异的耐磨损性能。