[发明专利]一种成分可调的TiSiCN膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硬质涂层技术领域，尤其涉及一种硬度高、耐磨损性好、且成分可调的TiSiCN纳米复合膜的制备方法。

背景技术

在实际生产中，硬质涂层常被用来改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效提高材料表面的硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅延长涂层产品的使用寿命。根据成分的差异，硬质涂层可分为Ti基涂层、Cr基涂层和C基涂层三大类，其中，Ti基涂层如TiC、TiN膜作为传统防护薄膜在表面工程领域得到了广泛的研究与应用。

然而，近年来随着航空航天、精密机械和微电子等高新技术产业的发展，对在真空、高低温交变、高速、高负载、特殊介质等苛刻工况条件下使用的硬质涂层提出了更高的要求，传统的Ti基涂层因摩擦系数较高、热稳定性较差等因素已逐渐被性能更优的纳米复合膜涂层所代替。所谓纳米复合膜涂层是一种典型的用纳米结构进行强化的超硬涂层，该涂层具有由界面相包裹基体相所形成的三维网状结构，最常见TiSiN纳米复合膜是在TiN中加入Si元素得到的，其抗高温氧化性较单涂层TiN明显提高，但依然有待于改善TiSiN膜的摩擦系数。

新近的研究表明，通过在TiSiN纳米复合膜中掺杂C元素，有利于使涂层具有较低的摩擦系数，同时还能全面提高涂层的硬度和弹性模量，这是因为，碳元素的添加可使涂层纳米复合结构的界面相进一步合金化，增加了涂层中相之间的弹性模量差，也使得涂层中交变应力场增强，并且涂层中的晶化界面相SiN与其包裹的纳米晶TiN呈共格外延生长，阻碍了TiN纳米晶粒沿晶界的滑移，抑制了TiSiN纳米复合膜的微观变形，从而达到全面提高硬度和弹性模量的效果。例如中国专利文献CN102650043A公开了一种TiSiCN纳米复合润滑薄膜的制备方法，该方法采用中频磁控溅射技术，以CH₄和N₂为反应气体溅射TiSi复合靶，通过调节复合靶中Ti和Si原子比、CH₄和N₂气体的比例、脉冲偏压制得了0.6～1.5μm厚的TiSiCN薄膜。再如，中国专利文献CN104087898A公开了一种利用多靶磁控溅射仪制备的TiSiCN纳米复合涂层，该涂层是由TiSiC复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而得。由此可以看出，现有技术在制备TiSiCN纳米复合涂层时均是采用TiSi或TiSiC等复合靶，上述复合靶材不仅生产难度大且价格昂贵，更重要的是，采用具有固定原子比例的复合靶材所制得的TiSiCN膜中的Ti、Si、C、N各元素的含量也是唯一确定的，也就是说，一种靶材只能生产一种TiSiCN膜，这就使得膜中的各元素含量在TiSiCN膜的生产过程中不可调，由此限制了TiSiCN膜的生产效率，同时也增大了TiSiCN膜的生产成本。

综上可知，如何对现有的TiSiCN膜的制备工艺进行改进以有效降低生产成本、提高生产效率、并能一举获得成分可调的TiSiCN膜，这已成为本领域亟待解决的一个技术难题。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有的TiSiCN膜的制备工艺所存在的生产成本高且效率低的缺陷，进而提供一种可大幅降低生产成本、提高生产效率、并能在膜生产过程中调整各元素用量从而获得成分可调的TiSiCN膜的制备方法。

为此，本发明实现上述目的的技术方案为：

一种成分可调的TiSiCN膜的制备方法，所述方法采用氮气和有机硅为反应气体溅射Ti靶，从而在基体的内表面形成TiSiCN膜；

所述有机硅为仅由碳、氢、硅元素组成的化合物；

所述基体的材质为金属或合金。

所述有机硅为四甲基硅烷、三甲基硅烷、二甲基硅烷、甲基硅烷、乙基硅烷中的一种或多种。

通过将所述Ti靶放置在所述基体内部的中心线上而实现在所述基体的内表面上成膜。

所述Ti靶的形状为圆柱形。

所述方法具体为：

将所述基体置于真空环境中，采用反应磁控溅射技术制得所述TiSiCN膜；所述反应磁控溅射技术的工艺参数控制如下：

有机硅的气流量为60～80sccm；

氮气的气流量为10～20sccm；

氩气的气流量为20～30sccm；

射频溅射频率为430～470W、时间为5～10h；

沉积气压不超过0.2Pa；

基体温度为320～380℃。

优选地，所述反应磁控溅射技术的工艺参数控制如下：

有机硅的气流量为65sccm；

氮气的气流量为18sccm；