CN101613855A - 一种非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜，由依次复合的等离子渗金属层、Cr/RE过渡层、C/Cr－RE梯度层及C/Cr－RE复合层组成；其中，Cr/RE过渡层按照质量百分比其组成为：RE：0.1％～1％，余量为Cr，各组分的质量百分比之和为100％；C/Cr－RE复合层按照质量百分比其组成为：Cr：3％～20％，RE：0.3％～10％，余量为C，各组分的质量百分比之和为100％。本发明制备非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜的方法，首先确定稀土类石墨复合膜成分，计算高纯铬靶和高纯碳靶上安装的稀土镶块的数量，在高纯铬靶和高纯碳靶上加工镶块安装孔，制备高纯铬镶块、高纯碳镶块和高纯稀土镶块，并进行安装，磁控溅射得到复合膜。本发明非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜，解决了现有的非平衡磁控溅射固体润滑复合膜热稳定性和抗电化学腐蚀性差的问题。

Description

一种非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜及其制备方法
技术领域
本发明属于薄膜材料及现代表面工程技术的物理气相沉积技术领域，具体涉及一种非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜，本发明还涉及该类石墨复合膜的制备方法。
背景技术
典型的新型固体润滑复合膜有MOST、Graphit-ic、WC-DLC-WS2、Dymon-iC和WC/a-C纳米复合膜，特别是环境适应性好的类石墨复合膜有非常广阔的应用前景。Teer公司制备的Graphit-ic类石墨复合膜，通过复合一定含量Cr元素调节类石墨膜的塑韧性，减小内应力，改善复合膜承载能力和耐磨性，已取得了良好的效果。
由于类石墨复合膜的热稳定性较差，复合膜温度超过320℃就已出现明显的氧化，严重制约了类石墨复合膜的在刀具、模具和机械传动的应用。另外，为了提高类石墨复合膜与金属基体的相容性，需要用金属过渡层和梯度涂层进行界面处理，提高类石墨复合膜的基膜结合力，但Cr过渡层为柱状晶，晶界之间存在孔隙，部分孔隙与类石墨复合膜的组织缺陷相连，往往贯穿整个膜层直达基体，这样复合膜本身便不能起到完全隔离基体与腐蚀介质的作用，影响了固体润滑膜的电化学腐蚀性能。
在复合膜中加入微量稀土元素，能提高复合膜的综合性能，特别是热稳定性、抗蚀性和耐磨性，因此稀土改性技术将是新型固体润滑复合膜的一个重要发展方向。如何将稀土元素引入复合膜中是实现稀土改性的一个关键技术。中科院沈阳金属研究所和广东工业大学的研究人员曾在冶炼钛合金靶时加入Ce、Y，制备了Ti/Ce和Ti/Y的钛合金靶，使稀土元素的阴极靶在电弧离子镀的放电过程中，通过等离子体将稀土引入到TiN涂层中，取得了良好的改性效果。但是稀土合金靶材的冶炼成本大，稀土成份相对固定，稀土在合金中的固溶度很低，稀土含量调节范围小，难以达到对非金属润滑膜的涂层改性作用；专利文本《离子镀稀土改性涂层中稀土的加入方法》(申请号：200610123304.2，公开号：CN1966761，公开日：2007.05.23)将稀土卤化物制备成有机稀土添加剂，通过负压吸入离子镀真空室，通过氮基混合气体流量控制调节稀土含量的方法，将稀土元素引入离子镀硬质涂层，也取得了良好的效果。但是由于同时引入了有机溶剂和氯离子，对磁控溅射固体润滑复合膜的性能有严重的负面效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜，解决了现有的非平衡磁控溅射固体润滑复合膜热稳定性和抗电化学腐蚀性差的问题。
本发明的另一目的是提供一种上述非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜，由依次复合的等离子渗金属层、Cr/RE过渡层、C/Cr-RE梯度层及C/Cr-RE复合层组成，
其中的Cr/RE过渡层按照质量百分比其组成为：RE：0.1％～1％，余量为Cr，各组分的质量百分比之和为100％；
其中的C/Cr-RE复合层按照质量百分比其组成为：Cr：3％～20％，RE：0.3％～10％，余量为C，各组分的质量百分比之和为100％。
本发明所采用的另一技术方案是，一种制备非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜的方法，其特征在于，按照以下步骤实施，
步骤1：确定稀土类石墨复合膜成分，其中，Cr/RE过渡层按照质量百分比其组成为：RE：0.1％～1％，余量为Cr，各组分的质量百分比之和为100％；C/Cr-RE复合层按照质量百分比其组成为：Cr：3％～20％，RE：0.3％～10％，余量为C，各组分的质量百分比之和为100％；
步骤2：计算高纯铬靶及高纯碳靶上镶嵌的高纯稀土镶块数量，
A＝α*β*γ*S1/S
n＝S1/S2
式中，
A：步骤1中确定的稀土元素RE在Cr/RE过渡层中的含量或稀土元素RE在C/Cr-RE复合层中的含量；
α：稀土元素与碳或铬靶材元素溅射系数之比；
β：稀土元素与碳或铬靶材元素密度之比；
γ：稀土镶块中稀土元素的含量；
S1：刻蚀区稀土镶块的总面积；
S2：单个稀土镶块的端面面积；
S：靶材刻蚀区总面积；
n：靶材镶嵌的稀土镶块数量；
把稀土元素在Cr/RE过渡层中的含量A、稀土元素与高纯铬靶元素溅射系数之比α、稀土元素与铬密度之比β、稀土镶块中稀土元素的含量γ、刻蚀区稀土镶块的总面积S1、单个稀土镶块的端面面积S2、靶材刻蚀区总面积S代入上述公式中，得到高纯铬靶上镶嵌的稀土镶块数量n；
把稀土元素在C/Cr-RE复合层中的含量A、稀土元素与高纯碳靶元素溅射系数之比α、稀土元素与碳密度之比β、稀土镶块中稀土元素的含量γ、刻蚀区稀土镶块的总面积S1、单个稀土镶块的端面面积S2、靶材刻蚀区总面积S代入上述公式中，得到高纯碳靶上镶嵌的稀土镶块数量n；
步骤3：在非平衡磁控溅射高纯铬靶和高纯碳靶上沿磁控管加工一定数量和规格的镶块安装孔，分别制备和高纯铬靶、高纯碳靶相同材质的高纯铬镶块和高纯碳镶块，并使高纯铬镶块和高纯碳镶块的规格相同，同时制备纯度在3N以上的高纯稀土镶块；
步骤4：根据步骤2计算得到的高纯铬靶上镶嵌的稀土镶块数量，在步骤3得到的高纯铬靶上的镶块安装孔内镶嵌稀土镶块，多余的镶块安装孔内镶嵌步骤3得到的与高纯铬靶同材质的高纯铬镶块；根据步骤2计算得到的高纯碳靶上镶嵌的稀土镶块数量，在步骤3得到的高纯碳靶上的镶块安装孔内镶嵌稀土镶块，多余的镶块安装孔内镶嵌步骤3得到的与高纯碳靶同质的高纯碳镶块；
步骤5：溅射基体金属表面，真空度：E-3～E-4Pa，偏压：500～1000V，工装旋转速度：2～10r/min，镀膜前用静态反冲技术通过等离子溅射注入在基体金属表面得到10～50nm等离子渗金属层；
步骤6：逐渐调高Cr/RE溅射靶的溅射电流为2.0～6.0A，调节时间为5～10分钟，在步骤5得到的等离子渗金属层上制备得到0.2～0.5um的Cr/RE过渡层；
步骤7：步骤逐渐提高C/RE靶的溅射电流为2.0～8.0A，降低Cr/RE溅射靶的溅射电流为0.15～0.6A，调节时间为5～10分钟，在步骤6得到的Cr/RE过渡层上制备得到0.2～0.5um的C/Cr-RE梯度层；
步骤8：控制溅射电流参数，C/RE靶的溅射电流为2.0～8.0A，Cr/RE溅射靶的溅射电流为0.15～0.6A，偏压：50～100V，保持时间：60～480分钟，在步骤7得到的C/Cr-RE梯度层上制备得到1.0～3.0um的C/Cr-RE复合层。
本发明一种非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜及其制备方法的有益效果是，
(1)非平衡磁控溅射稀土元素引入方法，实现了固体润滑复合膜的稀土改性，适合于MoS2、金刚石、DLC、类石墨等相关固体润滑纳米复合膜磁控溅射制备技术。该稀土改性方法操作简单，可以根据工况要求和性能特点灵活的设计复合膜的成份，稀土元素含量可以在比较宽泛的范围内调节。
(2)稀土类石墨复合膜的热稳定性提高了25％以上，基膜结合力提高20％以上，同时复合膜的抗电化学腐蚀能力和耐磨性也有明显提高，对类石墨复合膜在刀、模具和机械传动方面的应用有非常积极的推动作用。
附图说明
图1为本发明非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜的结构示意图；
图2为本发明采用的非平衡磁控溅射靶的结构示意图；
图3为本发明采用的非平衡磁控溅射靶的工作示意图。
图中，1.基体金属，2.等离子渗金属层，3.Cr/RE过渡层，4.C/Cr-RE梯度层，5.C/Cr-RE复合层，6.平面溅射靶，7.磁控管，8.镶块安装孔。
具体实施方式
本发明的一种非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜，由依次复合的等离子渗金属层2、Cr/RE过渡层3、C/Cr-RE梯度层4及C/Cr-RE复合层5组成，其中的Cr/RE过渡层3按照质量百分比其组成为：RE：0.1％～1％，余量为Cr，各组分的质量百分比之和为100％；其中的C/Cr-RE复合层5按照质量百分比其组成为：Cr：3％～20％，RE：0.3％～10％，余量为C，各组分的质量百分比之和为100％。等离子渗金属层2、C/Cr-RE梯度层4是本领域人员采用常规方法制备得到的类石墨复合膜中所通用的膜层。
本发明制备非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：确定稀土类石墨复合膜成分，其中，Cr/RE过渡层3按照质量百分比其组成为：RE：0.1％～1％，余量为Cr，各组分的质量百分比之和为100％；C/Cr-RE复合层5按照质量百分比其组成为：Cr：3％～20％，RE：0.3％～10％，余量为C，各组分的质量百分比之和为100％；
步骤2：计算高纯铬靶及高纯碳靶上镶嵌的高纯稀土镶块数量，
A＝α*β*γ*S1/S                    (1)
n＝S1/S2                            (2)
式中，
A：步骤1中确定的稀土元素RE在Cr/RE过渡层3中的含量(wt％)或稀土元素RE在C/Cr-RE复合层5中的含量(wt％)；
α：稀土元素与(碳或铬)靶材元素溅射系数之比；
β：稀土元素与(碳或铬)靶材元素密度之比；
γ：稀土镶块中稀土元素的含量；
S1：刻蚀区稀土镶块的总面积；
S2：单个稀土镶块的端面面积；
S：靶材刻蚀区总面积；
n：靶材镶嵌的稀土镶块数量。
把稀土元素Cr/RE过渡层3中的含量A、稀土元素与高纯铬靶元素溅射系数之比α、稀土元素与铬密度之比β、稀土镶块中稀土元素的含量γ、刻蚀区稀土镶块的总面积S1、单个稀土镶块的端面面积S2、靶材刻蚀区总面积S代入公式1及公式2中，得到高纯铬靶上镶嵌的稀土镶块数量n；
把稀土元素在C/Cr-RE复合层5中的含量A、稀土元素与高纯碳靶元素溅射系数之比α、稀土元素与碳密度之比β、稀土镶块中稀土元素的含量γ、刻蚀区稀土镶块的总面积S1、单个稀土镶块的端面面积S2、靶材刻蚀区总面积S代入公式1及公式2中，得到高纯碳靶上镶嵌的稀土镶块数量n；
步骤3：在非平衡磁控溅射高纯铬靶和高纯碳靶上沿磁控管7加工一定数量和规格的镶块安装孔，如图2所示，制备和高纯铬靶、高纯碳靶相同材质和规格的高纯铬镶块和高纯碳镶块，同时制备纯度在3N以上高纯稀土镶块；
步骤4：根据步骤2计算得到的高纯铬靶上镶嵌的稀土镶块数量，在步骤3得到的高纯铬靶上的镶块安装孔8内镶嵌稀土镶块，多余的镶块安装孔8内镶嵌步骤3得到的与高纯铬靶同质的高纯铬镶块；根据步骤2计算得到的高纯碳靶上镶嵌的稀土镶块数量，在步骤3得到的高纯碳靶上的镶块安装孔8内镶嵌稀土镶块，多余的镶块安装孔8内镶嵌步骤3得到的与高纯碳靶同质的高纯碳镶块；
步骤5：非平衡闭合磁控溅射镀膜设备的铬靶和碳靶的分布见图3，两个铬靶和两个碳靶对称分布，首先溅射基体金属1表面，真空度：E-3～E-4Pa，偏压：500～1000V，工装旋转速度：2～10r/min，镀膜前用静态反冲技术通过等离子溅射注入在基体金属1表面得到10～50nm等离子渗金属层2；
步骤6：逐渐调高Cr/RE靶的溅射电流为2.0～6.0A，调节时间为5～10分钟，在步骤5得到的等离子渗金属层2上制备得到0.2～0.5um的Cr/RE过渡层3；
步骤7：逐渐提高C/RE靶的溅射电流为2.0～8.0A、降低Cr/RE靶的溅射电流为0.15～0.6A，调节时间为5～10分钟，在步骤6得到的Cr/RE过渡层3上制备得到0.2～0.5um的C/Cr-RE梯度层4；
步骤8：控制溅射电流参数，C/RE靶的溅射电流为2.0～8.0A，Cr/RE靶的溅射电流为0.15～0.6A，偏压：50～100V，保持时间：60～480分钟，在步骤7得到的C/Cr-RE梯度层4上制备得到1.0～3.0um的C/Cr-RE复合层5。
实施例1
确定复合膜成分，其中，Cr/RE过渡层3按照质量百分比其组成为：Y：0.1％，Cr：99.9％；C/Cr-RE复合层5按照质量百分比其组成为，Cr：3％，Y：0.3％，C：96.7％。
计算高纯铬靶上镶嵌的稀土Y镶块数量，已知S＝650cm2，γY＝99.9％，αY/Cr＝0.58，βY/Cr＝0.63，A＝0.1％，由公式(1)得S1＝1.78cm2，当镶块直径为Φ10mm时，S2＝0.785cm2，由公式(2)得n1＝S1/S2＝2.27，取整为2块Y镶块；
计算高纯碳靶上镶嵌的稀土Y镶块数量，已知S＝650cm2，αY/Cr＝5.67，βY/C＝1.97，γY＝99.9％，A＝0.3％，由公式(1)得S1＝0.175cm2，当镶块直径为Φ5mm时，S2＝0.20cm2，由公式(2)得n2＝S1/S2＝0.875，取整为1块Y镶块；
在一块高纯铬靶上沿磁控管加工6个Φ10mm镶嵌孔，在两块高纯碳靶上沿磁控管分别加工6个Φ5mm镶嵌孔，制备纯度在3N以上的Y镶块；分别制备与铬靶、碳靶相同材质和规格的高纯铬镶块和高纯碳镶块。
在高纯铬靶上镶嵌2块Φ10mmY高纯稀土镶块，其余孔镶嵌与铬靶同质的高纯铬镶块；在高纯碳靶上镶嵌1块Φ5mmY高纯稀土镶块，多余的孔镶嵌与碳靶同质的高纯碳镶块。首先溅射清洗零件表面，真空度E-3Pa，偏压500V，工装旋转速度2r/min。先用静态反冲技术通过等离子溅射强注入10nm的等离子渗金属层；逐渐调高Cr/RE溅射靶的溅射电流至2.0A，调节时间为5分钟，制备得到0.2um的Cr/RE过渡层；再逐渐提高C/RE靶的溅射电流至2.0A，降低Cr/RE靶的溅射电流至0.15A，调节时间为5分钟，制备得到0.2um的C/Cr-RE梯度层；最后控制C/RE靶的溅射电流为2.0A，Cr/RE溅射靶的溅射电流为0.15A，偏压50V，保持时间60分钟，制备得到1.0um的C/Cr-RE复合层。
实施例2
确定复合膜成分，其中，Cr/RE过渡层3按照质量百分比其组成为：Y：0.5％，Cr：99.5％；C/Cr-RE多元复合层5按照质量百分比其组成为：Cr：15％，Y：5％，C：80％。
计算高纯铬靶上镶嵌的稀土Y镶块数量，已知S＝650cm2，αY/Cr＝0.58，βY/Cr＝0.63，γY＝99.9％，A＝0.5％，由公式(1)得S1＝8.90cm2，当镶块直径为Φ20mm时，S2＝3.14cm2，由公式(2)得n1＝S1/S2＝2.83，取整为3块Y镶块；
计算高纯碳靶上镶嵌的稀土Y镶块数量，已知S＝650cm2，αY/C＝5.67，βY/C＝1.97，γY＝99.9％，A＝5％，由公式(1)得S1＝2.91cm2，当镶块直径为Φ100mm时，S2＝0.785cm2，由公式(2)得n2＝S1/S2＝0.3.71，取整为4块Y镶块；
在一块高纯铬靶上沿磁控管加工6个Φ20mm镶嵌孔，在两块高纯碳靶上沿磁控管分别加工8个Φ10mm镶嵌孔，制备纯度在3N以上的Y镶块；分别制备与铬靶、碳靶相同材质和规格的高纯铬镶块和高纯碳镶块。
在高纯铬靶上镶嵌3块Φ20mmY高纯稀土，其余孔镶嵌与铬靶同质的高纯铬；在高纯碳靶上镶嵌4块Φ10mmY高纯稀土，多余的孔镶嵌与碳靶同质的高纯碳。首先溅射清洗零件表面，真空度E-3Pa，偏压700V，工装旋转速度5r/min。先用静态反冲技术通过等离子溅射强注入30nm的等离子渗金属层；逐渐调高Cr/RE靶的溅射电流至4.0A，调节时间为8分钟，制备得到0.35um的Cr/RE过渡层；再逐渐提高C/RE靶的溅射电流至5.0A，降低Cr/RE靶的溅射电流至0.40A，调节时间为8分钟，制备得到0.35um的C/Cr-RE梯度层；最后控制C/RE靶的溅射电流为5.0A，Cr/RE靶的溅射电流为0.35A，偏压75V，保持时间240分钟，制备得到2.0um的C/Cr-RE复合层。
实施例3
确定复合膜成分，其中，Cr/RE过渡层3按照质量百分比其组成为：Y：1％，Cr：99％；C/Cr-RE多元复合层5按照质量百分比其组成为：Cr：20％，Y：10％，C：70％。
计算高纯铬靶上镶嵌的稀土Y镶块数量，已知S＝650cm2，αY/Cr＝0.58，βY/Cr＝0.63，γY＝99.9％，A＝1％，由公式(1)得S1＝17.81cm2，当镶块直径为Φ20mm时，S2＝3.14cm2，由公式(2)得n1＝S1/S2＝5.7，取整为6块Y镶块；
计算高纯碳靶上镶嵌的稀土Y镶块数量，已知S＝650cm2，αY/C＝5.67，βY/C＝1.97，γY＝99.9％，A＝5％，由公式(1)得S1＝5.83cm2，当镶块直径为Φ10mm时，S2＝0.785cm2，由公式(2)得n2＝S1/S2＝7.4，取整为8块Y镶块；
在一块高纯铬靶上沿磁控管加工6个Φ20mm镶嵌孔，在两块高纯碳靶上沿磁控管分别加工8个Φ10mm镶嵌孔，制备纯度在3N以上的Y镶块；分别制备与铬靶、碳靶相同材质和规格的镶块。
在高纯铬靶上镶嵌6块Φ20mmY高纯稀土，在高纯碳靶上镶嵌8块Φ10mm Y高纯稀土。首先溅射清洗零件表面，真空度E-4Pa，偏压1000V，工装旋转速度10r/min。先用静态反冲技术通过等离子溅射注入50nm的等离子渗金属层；逐渐调高Cr/RE靶的溅射电流至6.0A，调节时间为10分钟，制备0.5um的Cr/RE过渡层；再逐渐提高C/RE靶的溅射电流至8.0A，降低Cr/RE溅射靶的溅射电流至0.6A，调节时间为10分钟，制备得到0.50u m的C/Cr-RE梯度层；最后控制C/RE靶的溅射电流为8.0A，Cr/RE靶的溅射电流为0.6A，偏压100V，保持时间480分钟，制备得到3.0um的C/Cr-RE复合层。
表1是实施例1、实施例2和实施例3制备的稀土类石墨复合膜和常规方法制备的类石墨复合膜的性能对比表，
表1稀土类石墨复合膜和类石墨复合膜的性能对比表
  复合膜   临界基膜结合力(划痕法)   开始氧化温度(无保护加热)   摩擦系数   磨损率
  类石墨复合膜   60N   300℃   0.1～0.12   E-16m3/N.m
  实施例1   73N   380℃   0.09～0.10   E-17m3/N.m
  实施例2   77N   395℃   0.085～0.10   E-18m3/N.m
  实施例3   80N   405℃   0.075～0.09   E-18m3/N.m
备注：1.采用变载划痕法检测临界基膜结合力，最大载荷100N，行程10mm；
2.耐磨试验使用POD销盘磨损仪载荷60N，线速度0.2m/s，干摩擦。
从表1可以看出，本发明方法制备出的稀土类石墨复合膜，其临界基膜结合力和热稳定性比常规方法制备的类石墨复合膜高，而且其摩擦系数比常规方法制备的类石墨复合膜低。
在镀膜前期的溅射清洗和过渡层沉积初期，有一定的稀土注入金属基体，固溶稀土主要富集于晶界或其它晶体缺陷(如位错、空位等)处，引起晶界的物理、化学环境或界面能量的改变，导致改性层组织与性能的变化。稀土元素活性较高，在膜-基界面附近富集，参与成膜并发生界面反应，减缓了界面处应力分布梯度，有助于膜-基结合强度的显著提高。
在含稀土的改性层中，稀土的添加改变了合金氧化过程的扩散动力学，对金属阳离子的向外扩散起了抑制作用，相对而言促进了阴离子O2-向内传输，改变了氧化膜的形成和生长机理，生成致密并与涂层本身有很强黏附力的保护性氧化膜，从而使合金的抗氧化能力大大提高。稀土的活性元素效应(REE)也降低氧化膜生长速度，改善氧化膜的抗剥落性，促进氧化膜选择性氧化。微量稀土的添加可以使复合膜组织细化且致密，使固体润滑膜的表面形貌缺陷减少，提高涂层的致密度，这是改善热稳定性的重要原因之一。

Claims (2)

1.一种非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜，其特征在于，由依次复合的等离子渗金属层(2)、Cr/RE过渡层(3)、C/Cr-RE梯度层(4)及C/Cr-RE复合层(5)组成，
其中的Cr/RE过渡层(3)按照质量百分比其组成为：RE：0.1％～1％，余量为Cr，各组分的质量百分比之和为100％；
其中的C/Cr-RE复合层(5)按照质量百分比其组成为：Cr：3％～20％，RE：0.3％～10％，余量为C，各组分的质量百分比之和为100％。
2.一种制备权利要求1所述的非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜的方法，其特征在于，按照以下步骤实施，
步骤1：确定稀土类石墨复合膜成分，其中，Cr/RE过渡层(3)按照质量百分比其组成为：RE：0.1％～1％，余量为Cr，各组分的质量百分比之和为100％；C/Cr-RE复合层(5)按照质量百分比其组成为：Cr：3％～20％，RE：0.3％～10％，余量为C，各组分的质量百分比之和为100％；
步骤2：计算高纯铬靶及高纯碳靶上镶嵌的高纯稀土镶块数量，
A＝α*β*γ*S1/S
n＝S1/S2
式中，
A：步骤1中确定的稀土元素RE在Cr/RE过渡层(3)中的含量或稀土元素RE在C/Cr-RE复合层(5)中的含量；
α：稀土元素与碳或铬靶材元素溅射系数之比；
β：稀土元素与碳或铬靶材元素密度之比；
γ：稀土镶块中稀土元素的含量；
S1：刻蚀区稀土镶块的总面积；
S2：单个稀土镶块的端面面积；
S：靶材刻蚀区总面积；
n：靶材镶嵌的稀土镶块数量；
把稀土元素在Cr/RE过渡层(3)中的含量A、稀土元素与高纯铬靶元素溅射系数之比α、稀土元素与铬密度之比β、稀土镶块中稀土元素的含量γ、刻蚀区稀土镶块的总面积S1、单个稀土镶块的端面面积S2、靶材刻蚀区总面积S代入上述公式中，得到高纯铬靶上镶嵌的稀土镶块数量n；
把稀土元素在C/Cr-RE复合层(5)中的含量A、稀土元素与高纯碳靶元素溅射系数之比α、稀土元素与碳密度之比β、稀土镶块中稀土元素的含量γ、刻蚀区稀土镶块的总面积S1、单个稀土镶块的端面面积S2、靶材刻蚀区总面积S代入上述公式中，得到高纯碳靶上镶嵌的稀土镶块数量n；
步骤3：在非平衡磁控溅射高纯铬靶和高纯碳靶上沿磁控管(7)加工一定数量和规格的镶块安装孔(8)，分别制备和高纯铬靶、高纯碳靶相同材质的高纯铬镶块和高纯碳镶块，并使高纯铬镶块和高纯碳镶块的规格相同，同时制备纯度在3N以上的高纯稀土镶块；
步骤4：根据步骤2计算得到的高纯铬靶上镶嵌的稀土镶块数量，在步骤3得到的高纯铬靶上的镶块安装孔(8)内镶嵌稀土镶块，多余的镶块安装孔(8)内镶嵌步骤3得到的与高纯铬靶同材质的高纯铬镶块；根据步骤2计算得到的高纯碳靶上镶嵌的稀土镶块数量，在步骤3得到的高纯碳靶上的镶块安装孔(8)内镶嵌稀土镶块，多余的镶块安装孔(8)内镶嵌步骤3得到的与高纯碳靶同质的高纯碳镶块；
步骤5：溅射基体金属(1)表面，真空度：E-3～E-4Pa，偏压：500～1000V，工装旋转速度：2～10r/min，镀膜前用静态反冲技术通过等离子溅射注入在基体金属(1)表面得到10～50nm等离子渗金属层(2)；
步骤6：逐渐调高Cr/RE溅射靶的溅射电流为2.0～6.0A，调节时间为5～10分钟，在步骤5得到的等离子渗金属层(2)上制备得到0.2～0.5um的Cr/RE过渡层(3)；
步骤7：步骤逐渐提高C/RE靶的溅射电流为2.0～8.0A，降低Cr/RE溅射靶的溅射电流为0.15～0.6A，调节时间为5～10分钟，在步骤6得到的Cr/RE过渡层(3)上制备得到0.2～0.5um的C/Cr-RE梯度层(4)；
步骤8：控制溅射电流参数，C/RE靶的溅射电流为2.0～8.0A，Cr/RE溅射靶的溅射电流为0.15～0.6A，偏压：50～100V，保持时间：60～480分钟，在步骤7得到的C/Cr-RE梯度层(4)上制备得到1.0～3.0um的C/Cr-RE复合层(5)。
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