[发明专利]一种高效磁过滤等离子体沉积制备DLC厚膜方法

说明书

一种厚度超过30微米金属碳化(Metal Carbide)镶嵌的类金刚石(Diamond‑like Carbon)MC/DLC膜制备的方法，属于硬质耐磨涂层制备领域，具体涉及一种磁过滤等离子体沉积法制备MC/DLC厚膜技术，其中MC/DLC厚膜结构包括离子注入钉扎层、金属过渡层以及MC/DLC膜。本发明的目的是结合离子注入技术、磁过滤技术和阴极弧沉积技术制备的MC/DLC具有较高的结合力，并通过控制沉积过程中的弧流强度、弯管磁场强度以及含碳气体进气量，优化MC/DLC厚膜的厚度、硬度和耐磨擦磨损性，制备优质的MC/DLC厚膜。本发明所使用的磁过滤等离子体沉积设备是拥有自主知识产权的，设备操作简单，工艺成熟，可实现批量成产，适合所有刀具轴承等工业零件中高硬耐磨涂层沉积应用。

技术领域

本发明属于硬质耐磨涂层领域，具体涉及一种高效磁过滤等离子体沉积超厚MC/DLC膜的制备方法。

技术背景

类金刚石膜(Diamond-like carbon，DLC)是一种非晶态碳膜，有着与金刚石高度结构和性能，但与金刚石不同的是，DLC结构中C原子之间的共价键包含两种杂化方式SP3杂化和SP2杂化，并以SP3为主体混合SP2形成的远程无序的立体网络结构。该膜最先是由德国学者Aisenberg利用碳离子束增强沉积技术制备的具有与金刚石特征相似的非晶态碳膜，并定义为DLC。与金刚石相似，DLC不仅具有非常高强度、硬度和耐摩擦磨损性能，它的化学稳定性及生物相容性等也体现出优越的性能。因此DLC被广泛应用于机械、电子与微电子、生物医学及航空航天等各个领域，尤其在军工领域DLC涂层发挥着及其重要的作用。

目前，DLC制备技术很多，大体分为化学气相沉积和物理气相沉积，具体有PECVD法、溅射法、离子镀、激光脉冲沉积和真空电弧沉积等。这些技术对制备低于20微米DLC膜已非常成熟，但制备厚度高于30微米的DLC膜上述技术则难以实现。如化学气相沉积的DLC很容易制备DLC厚膜,但硬度普遍偏软。普通的物理气相沉积制备的DLC硬度高，但难以制备厚膜。主要原因是DLC的硬度、厚度和结合力三项技术指标之间存在着相互冲突，比如高硬度是由膜内高内应力产生，DLC厚膜在如此高的内应力下容易崩裂。

针对上述情况，本发明介绍一种高效磁过滤等离子体沉积制备DLC厚膜方法，利用金属离子源(如Ti、Zr、Cr等)产生的等离子体，在磁场的作用下激发含碳气体离子体化，形成金属离子碳化物镶嵌的DLC结构。充分优化DLC硬度和厚度两者之间的关系，并通过离子注入技术提高膜与基材的结合力，制备厚度高于30微米、硬度高于2500HV其具有较好的结合力的DLC厚膜。由于金属离子束流及磁场的可控性，可大幅提高含碳气体离化率，本发明能够高效地沉积DLC厚膜。

发明内容

本发明的目的是介绍一种高效磁过滤等离子体沉积DCL厚膜方法。与传统等离子体制备DLC技术不同，本发明中DCL膜形成过程包括等离子体形成过程和DLC膜形成过程，其中等离子体形成过程又包含金属等离子体形成过程及C等离子体形成过程。所述金属等离子体形成是利用金属离子弧源(Ti、Zr、Cr等)做阴极靶材，在真空环境下，通过触发器在阴极靶材表面产生自持弧光放电，使阴极靶材料蒸发；所述含碳气体等离子体形成是利用铜绕线金属弯管提供弯曲磁场，将所述金属等离子体引出，含碳气体在金属等离子体束流的激发下被离化，形成C等离子体。所述DLC膜形成过程是在基材设置一定的负偏压，在负偏压作用下，金属等离子体和C等离子体在基材表面发生复合反应形成金属碳化物镶嵌结构的DLC膜。

膜层是通过金属过渡层与金属碳化物/DLC膜按调制周期沉积而成，调制周期2～8，其中金属过渡层沉积时间2～6分钟，金属碳化物/DLC沉积时间20～40分钟，金属碳化物/DLC厚膜厚度30～55μm。