[发明专利]一种超强韧碳基表面防护涂层及其制备方法

摘要

本发明公开了一种超强韧碳基表面防护涂层，该涂层是由碳元素、碳化物形成金属元素、弱碳化物形成金属元素组成，涂层中，碳元素以无定形形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离；在制备时，通过在碳基涂层中同时引入碳化物金属元素和弱碳化物金属元素，可在提高涂层硬度、降低应力的同时，增强涂层的柔韧性和附着力，改善涂层抗摩擦磨损性能和热稳定性能，使得涂层更适用于更苛刻的应用环境，实现更佳的表面防护效果。

主权项

一种超强韧碳基涂层，其特征在于：该涂层由碳元素、碳化物形成金属元素、弱碳化物形成金属元素组成，涂层中，碳化物形成金属元素的原子百分比含量为5~20%、弱碳化物形成金属元素的原子百分比含量为5~20%，余量为碳元素；涂层中，碳元素以无定形碳形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，其粒径大小为5~10nm，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，其粒径大小为5~10nm；碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离，颗粒之间平均间距为10~20nm；所述碳化物形成金属元素为钛或铬或钨；所述弱碳化物形成金属元素为铜或钴或镍；所述的超强韧碳基涂层的制备，采用离子束复合磁控溅射镀膜机进行，所述离子束复合磁控溅射镀膜机由一个真空室、两个磁控溅射源、一个离子源和能同时旋转的工件支架组成，工件支架安装在真空室内部，所述两个磁控溅射源均能装载不同的金属靶材，所述碳基涂层制备的具体步骤如下：（1）离子束刻蚀：将基体置于真空室的工件支架上，真空室抽真空至真空度5.0×10‑3Pa以下，开启离子源，向离子源通入50~100sccm氩气，设置离子源功率0.6~0.8kW，设置工件支架偏压500~800V，工作时间为30分钟；（2）沉积超强韧碳基涂层：同时开启离子源、两个磁控溅射源，两个磁控溅射源分别装载不同的、纯度大于99.99%的单质金属靶材；同时向真空室通入气态烃和氩气，控制真空室整体气压0.8~2Pa；设置离子源功率为0.8~1kW，磁控溅射功率1~2kW；将基体的偏压设置为100~300V，沉积时间为2~3小时；（3）关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，在基体表面形成的涂层即为所述超强韧碳基涂层；其中，步骤（2）所述单质金属靶材为：单质钛靶或单质铬靶或单质钨靶或单质铜靶或单质钴靶或单质镍靶；所述气态烃为乙炔或甲烷气体；所述步骤（2）中，两个磁控溅射源分别装载不同的、纯度大于99.99%的单质金属靶材的方式是：一个磁控溅射源装载纯度大于99.99%的单质钛靶或纯度大于99.99%的单质铬靶或纯度大于99.99%的单质钨靶，另一个磁控溅射源装载纯度大于99.99%的单质铜靶或纯度大于99.99%的单质钴靶或纯度大于99.99%的单质镍靶；所述气态烃与氩气的体积比例为1~4：9~6。