專利名稱：一種多元金屬元素摻雜類金剛石膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種新型的類金剛石(DLC)膜的制備技術(shù)，屬于高性能DLC膜材料的復(fù)合制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
類金剛石膜具有高硬度、高彈性模量、優(yōu)異的摩擦磨損性能、化學穩(wěn)定性及生物相容性，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。但內(nèi)應(yīng)力大、膜/基結(jié)合力差、熱穩(wěn)定性差、脆性大等限制了 DLC膜在苛刻服役條件下的應(yīng)用。 沉積DLC膜前先制備Ti/TiN/TiCN/TiC、 Ti/TiC、 CrN/CrCN/CrC等過渡層可克服膜/基界面處結(jié)構(gòu)、性能差異大的問題，緩解DLC膜的內(nèi)應(yīng)力和提高DLC膜的膜/基結(jié)合力。摻雜W、Ti、Cr、Zr、Cu等多種金屬元素形成以非晶碳膜為基體的多元復(fù)相結(jié)構(gòu)，可顯著改善DLC膜的綜合性能；但摻雜單一金屬也存在一些問題，如摻雜鎢會增大DLC膜的摩擦系數(shù)，摻雜鈦導致DLC膜脆性增大；為了進一步改善DLC膜的性能，需要通過DLC膜的多種金屬元素摻雜實現(xiàn)不同金屬摻雜元素的優(yōu)勢互補，但目前還沒有開發(fā)出適合工業(yè)化批量生產(chǎn)的DLC膜多元摻雜技術(shù)。 開發(fā)新型的多元摻雜DLC膜及其過渡層沉積技術(shù)，制備出具有優(yōu)化梯度過渡層的多種金屬元素摻雜的DLC膜對DLC膜在苛刻服役條件下的應(yīng)用具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前DLC膜制備技術(shù)和摻雜方案存在的不足，本發(fā)明專利提出了 一種新型的DLC膜復(fù)合沉積技術(shù)，其特征在于所述方法將離子束沉積、磁控濺射、鑲嵌復(fù)合靶結(jié)合起來，制備多種金屬元素摻雜的DLC膜，該方法依次包括以下步驟
(1)首先利用超聲波清洗技術(shù)去除基體表面污染層； (2)利用離子源產(chǎn)生的惰性氣體離子束對基體表面進行離子束刻蝕清洗； (3)在高工件負偏壓下利用陰極電弧源產(chǎn)生的金屬離子對基體表面進行金屬離子
刻蝕清洗； (4)利用陰極電弧離子鍍或離子束增強磁控濺射制備梯度過渡層； (5)在制備的梯度過渡層上利用離子束沉積+鑲嵌復(fù)合靶磁控濺射合成多種金屬
元素摻雜的DLC膜。 在上述制備方法中，步驟(2)的離子源可采用陽極層離子源、霍爾離子源、射頻感應(yīng)耦合離子源、電子回旋共振離子源中的任何一種離子源。 在上述制備方法中，步驟(2)向離子源中通入氬氣、氦氣、氖氣、氪氣、氫氣中的任何一種氣體或幾種氣體的混合氣體。 在上述制備方法中，步驟(3)的陰極電弧源可采用圓形陰極電弧源、矩形平面陰極電弧源、柱狀陰極電弧源中的任何一種陰極電弧源。 在上述制備方法中，步驟(3)的陰極電弧源耙材為Ti、Cr、Zr、W、Co中的任何一種金屬。 在上述制備方法中，步驟(3)的工件偏壓可采用直流偏壓、脈沖偏壓中的任何一 種工件偏壓形式，工件偏壓的范圍為-400V _2000V。 在上述制備方法中，步驟(3)向真空室內(nèi)通入氬氣、氦氣、氖氣、氪氣、氫氣中的任
何一種氣體或幾種氣體的混合氣體，真空室壓強范圍為5X 10—3Pa 5Pa。 在上述制備方法中，步驟(4)陰極電弧離子鍍的陰極電弧源可為圓形陰極電弧
源、矩形平面陰極電弧源或柱狀陰極電弧源中的任何一種陰極電弧源。 在上述制備方法中，步驟(4)陰極電弧離子鍍的陰極電弧源靶材為Ti、Cr、Zr、W、
Nb的任何一種金屬。 在上述制備方法中，步驟(4)陰極電弧離子鍍的工件偏壓可采用直流偏壓、脈沖 偏壓中的任何一種工件偏壓形式。 在上述制備方法中，步驟(4)陰極電弧離子鍍的工件偏壓的范圍為-50V -500V。
在上述制備方法中，在步驟(4)陰極電弧離子鍍過程中，依次向真空室內(nèi)通入 氬氣、氬氣/氮氣混合氣、氮氣、氮氣/含碳氣體混合氣、含碳氣體，真空室壓強范圍為 5X10—3Pa 5Pa 在上述制備方法中，步驟(4)離子束增強磁控濺射采用的磁控濺射靶可采用直流 磁控濺射耙、中頻磁控濺射耙、射頻磁控濺射耙中的任何一種磁控濺射耙。
在上述制備方法中，步驟(4)離子束增強磁控濺射采用的磁控濺射靶材為Ti、Cr、 Zr、W、Nb的任何一種金屬。 在上述制備方法中，步驟(4)離子束增強磁控濺射采用的離子源可采用陽極層離 子源、霍爾離子源、射頻感應(yīng)耦合離子源、電子回旋共振離子源中的任何一種離子源。
在上述制備方法中，步驟(4)離子束增強磁控濺射采用的離子束組成為氬離子、 氬/氮混合離子、氬/碳混合離子或氬/氮/碳混合離子，不同離子的比例根據(jù)需要控制。
在上述制備方法中，步驟(4)離子束增強磁控濺射采用的離子束的離子能量為 50eV 500eV。 在上述制備方法中，步驟(4)所述的過渡層包括Ti/TiN/TiCN/TiC、Cr/CrN/CrCN/ CrC、 Zr/ZrN/ZrCN/ZrC、 W/WC、 Nb/翻/NbC等梯度過渡層。 在上述制備方法中，步驟(5)采用的磁控濺射耙可采用直流磁控濺射耙、中頻磁 控濺射耙、射頻磁控濺射耙中的任何一種磁控濺射耙。 在上述制備方法中，步驟(5)所述的鑲嵌復(fù)合靶由主體材料和鑲嵌塊材料組成； 主體材料為Ti、 Cr、 W、 Zr、 Nb、 Ta等金屬元素的任何一種金屬材料，鑲嵌塊材料為一種或多 種除主體材料之外的其他金屬。 在上述制備方法中，步驟(5)采用的離子源可采用陽極層離子源、霍爾離子源、射 頻感應(yīng)耦合離子源、電子回旋共振離子源中的任何一種離子源。 在上述制備方法中，步驟(5)中通入離子源的氣體可采用甲烷、乙炔、乙烯、乙醇、 丙酮等含碳氣體的任何一種氣體。 在上述制備方法中，整個鍍膜過程可省略步驟(2)、步驟(3)的一個或兩個工序。
本發(fā)明專利的優(yōu)點是充分發(fā)揮離子束刻蝕、陰極電弧沉積/離子束輔助沉積、離 子束沉積、鑲嵌復(fù)合靶、磁控濺射的優(yōu)點，在梯度過渡層上合成多元摻雜的DLC膜，實現(xiàn)多種摻雜元素的優(yōu)勢互補，顯著改善DLC膜的綜合性能；摻雜元素種類和含量可通過更換鑲 嵌復(fù)合靶主體材料和鑲嵌塊材料、改變鑲嵌塊面積百分比和不同濺射靶的功率來調(diào)整。
實施方式 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明專利作進一步詳細描述，但不作為對本發(fā)明專利的 限定。 實施例1 首先利用超聲波清洗技術(shù)去除硬質(zhì)合金刀具表面污染層；利用陽極層離子源產(chǎn)生 的氬離子束轟擊清洗刀具表面；然后在-1000V的直流負偏壓下利用圓形陰極電弧源產(chǎn)生 的鈦離子對刀具表面進行離子轟擊清洗；再利用陰極電弧沉積制備Ti/TiN/TiCN/TiC梯度 過渡層，陰極電弧靶材料為Ti ，先后向真空室內(nèi)通入氬氣、氬氣/氮氣混合氣、氮氣、氮氣/ 甲烷混合氣、甲烷，工件負偏壓為-100 -800V ;最后利用離子束沉積+鑲嵌復(fù)合靶磁控濺 射合成同時摻雜Ti、Cu的DLC膜，離子源采用陽極層離子源，通入陽極層離子源的氣體包括 氬氣和甲烷，磁控濺射靶采用直流磁控濺射靶，鑲嵌復(fù)合靶的主體材料為Ti，鑲嵌塊材料為 Cu。 實施例2 首先利用超聲波清洗技術(shù)去除高速鋼模具表面污染層；利用陽極層離子源產(chǎn)生的 氬離子束轟擊清洗模具表面；然后在-1000V的直流負偏壓下利用圓形陰極電弧源產(chǎn)生的 鉻離子對基體表面進行離子轟擊清洗；再利用陰極電弧沉積制備Cr/CrN/CrCN/CrC梯度過 渡層，陰極電弧靶材料為Cr，先后向真空室內(nèi)通入氬氣、氬氣/氮氣混合氣、氮氣、氮氣/甲 烷混合氣、甲烷，工件負偏壓為-100 -800V ;最后利用離子束沉積+鑲嵌復(fù)合靶磁控濺射 合成同時摻雜Cr、Ag的DLC膜，離子源采用陽極層離子源，通入陽極層離子源的氣體包括 氬氣和甲烷，磁控濺射靶采用直流磁控濺射靶，鑲嵌復(fù)合靶的主體材料為Cr，鑲嵌塊材料為 Ag。 實施例3 首先利用超聲波清洗技術(shù)去除軸承表面污染層；然后利用樣陽極層離子源產(chǎn)生的 氬/氫混合離子束轟擊清洗軸承表面；再利用陽極層離子源輔助中頻磁控濺射沉積制備W/ WC梯度過渡層，磁控濺射靶材料為W，通入陽極層離子源的氣體包括氬氣、氬氣/乙炔混合 氣，離子束的離子能量為-100 -2000eV ;最后利用離子束沉積+鑲嵌復(fù)合靶中頻磁控濺 射合成同時摻雜W、Ti、Au的DLC膜，離子源采用陽極層離子源，通入陽極層離子源的氣體包 括氬氣和乙炔，磁控濺射靶采用中頻磁控濺射靶，鑲嵌復(fù)合靶的主體材料為W，鑲嵌塊材料 為Ti禾口 Au。
權(quán)利要求
一種制備多元金屬元素摻雜類金剛石(DLC)膜的方法，其特征在于所述方法將離子束沉積、磁控濺射、鑲嵌復(fù)合靶結(jié)合起來合成多元金屬元素摻雜DLC膜，所述方法包括以下步驟(1)首先利用超聲波清洗技術(shù)去除基體表面污染層；(2)利用離子源產(chǎn)生的惰性氣體離子束對基體表面進行離子束刻蝕清洗；(3)在高工件負偏壓下利用陰極電弧源產(chǎn)生的金屬離子對基體表面進行金屬離子刻蝕清洗；(4)利用陰極電弧離子鍍或離子束增強磁控濺射制備梯度過渡層；(5)在制備的過渡層上利用離子束沉積+鑲嵌復(fù)合靶磁控濺射合成多元金屬元素摻雜DLC膜。
2. 按照權(quán)利要求1所述的制備多元金屬元素摻雜DLC膜的方法，其特征在于步驟(2)的離子源可采用陽極層離子源、霍爾離子源、射頻感應(yīng)耦合離子源、電子回旋共振離子源中的任何一種離子源，向離子源中通入氬氣、氦氣、氖氣、氪氣、氫氣中的任何一種氣體或幾種氣體的混合氣體。
3. 按照權(quán)利要求1所述的制備多元金屬元素摻雜DLC膜的方法，其特征在于步驟(3)的陰極電弧源可采用圓形陰極電弧源、矩形平面陰極電弧源、柱狀陰極電弧源中的任何一種陰極電弧源；陰極電弧源靶材為Ti、Cr、Zr、W、Co中的任何一種金屬；工件偏壓可采用直流偏壓、脈沖偏壓中的任何一種工件偏壓形式；工件偏壓的范圍為-400V -2000V ;向真空室內(nèi)通入氬氣、氦氣、氖氣、氪氣、氫氣中的任何一種氣體或幾種氣體的混合氣體，真空室壓強范圍為5X10—3Pa 5Pa。
4. 按照權(quán)利要求1所述的制備多元金屬元素摻雜DLC膜的方法，其特征在于步驟(4)陰極電弧離子鍍的陰極電弧源可為圓形陰極電弧源、矩形平面陰極電弧源或柱狀陰極電弧源中的任何一種陰極電弧源；陰極電弧源靶材為Ti、 Cr、 Zr、 W、 Nb的任何一種金屬；工件偏壓可采用直流偏壓、脈沖偏壓中的任何一種工件偏壓形式，工件負偏壓的范圍為-50V -500V ;在陰極電弧離子鍍沉積過渡層的過程中，先后向真空室內(nèi)通入氬氣、氬氣/氮氣混合氣、氮氣、氮氣/含碳氣體混合氣、含碳氣體，真空室壓強范圍為5X 10—3Pa 5Pa。
5. 按照權(quán)利要求1所述的制備多元金屬元素摻雜DLC膜的方法，其特征在于步驟(4)離子束增強磁控濺射的磁控濺射靶可采用直流磁控濺射靶、中頻磁控濺射靶、射頻磁控濺射耙中的任何一種磁控濺射耙，濺射耙材為Ti、 Cr、 Zr、 W、 Nb的任何一種金屬；離子源可采用陽極層離子源、霍爾離子源、射頻感應(yīng)耦合離子源、電子回旋共振離子源中的任何一種離子源；離子束組成為氬離子、氬/氮混合離子、氬/碳混合離子或氬/氮/碳混合離子，不同離子的比例根據(jù)需要控制，離子束的離子能量為50eV 500eV。
6. 按照權(quán)利要求1所述的制備多元金屬元素摻雜DLC膜的方法，其特征在于步驟(4)所述的過渡層包括Ti/TiN/TiCN/TiC、 Cr/CrN/CrCN/CrC、 Zr/ZrN/ZrCN/ZrC、 W/WC、 Nb/NbN/NbC等梯度過渡層。
7. 按照權(quán)利要求1所述的制備多元金屬元素摻雜DLC膜的方法，其特征在于步驟(5)采用的磁控濺射耙可采用直流磁控濺射耙、中頻磁控濺射耙、射頻磁控濺射耙中的任何一種磁控濺射耙。
8. 按照權(quán)利要求1所述的制備多元金屬元素摻雜DLC膜的方法，其特征在于步驟(5)所述的鑲嵌復(fù)合靶由主體材料和鑲嵌塊材料組成；主體材料為Ti、Cr、W、Zr、Nb、Ta等金屬元素中的任何一種，鑲嵌塊材料為一種或多種除主體材料之外的的其他金屬。
9. 按照權(quán)利要求1所述的制備多元金屬元素摻雜DLC膜的方法，其特征在于步驟(5)采用的離子源可采用陽極層離子源、霍爾離子源、射頻感應(yīng)耦合離子源、電子回旋共振離子源中的任何一種離子源。
10. 按照權(quán)利要求1所述的制備多元金屬元素摻雜DLC膜的方法，其特征在于步驟(5)中通入離子源的氣體可采用甲烷、乙炔、乙烯、乙醇、丙酮等含碳氣體的任何一種氣體。
全文摘要
一種多元金屬元素摻雜類金剛石膜的制備方法，特征是首先利用超聲波清洗技術(shù)去除基體表面污染層，利用離子源產(chǎn)生的惰性氣體離子束對基體表面進行離子束轟擊清洗，然后在高工件負偏壓下利用陰極電弧源產(chǎn)生的金屬離子對基體表面進行金屬離子轟擊清洗，再利用陰極電弧沉積或離子束輔助磁控濺射制備梯度過渡層，最后在過渡層上利用離子束沉積+鑲嵌復(fù)合靶磁控濺射合成多元金屬元素摻雜DLC膜，離子束沉積通過向離子源中通入含碳氣體實現(xiàn)，采用鑲嵌復(fù)合靶摻雜多元金屬，嵌鑲復(fù)合靶的主體材料為Ti、Cr、W、Zr、Nb、Ta中的任何一種，鑲嵌塊材料為一種或多種除主體材料之外的其他金屬。
文檔編號C23C14/35GK101787512SQ20091021754
公開日2010年7月28日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者于翔, 付志強, 岳 文, 彭志堅, 王成彪 申請人:中國地質(zhì)大學(北京)