CN101787512A - 一种多元金属元素掺杂类金刚石膜的制备方法 - Google Patents

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王成彪
岳�文
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一种多元金属元素掺杂类金刚石膜的制备方法，特征是首先利用超声波清洗技术去除基体表面污染层，利用离子源产生的惰性气体离子束对基体表面进行离子束轰击清洗，然后在高工件负偏压下利用阴极电弧源产生的金属离子对基体表面进行金属离子轰击清洗，再利用阴极电弧沉积或离子束辅助磁控溅射制备梯度过渡层，最后在过渡层上利用离子束沉积+镶嵌复合靶磁控溅射合成多元金属元素掺杂DLC膜，离子束沉积通过向离子源中通入含碳气体实现，采用镶嵌复合靶掺杂多元金属，嵌镶复合靶的主体材料为Ti、Cr、W、Zr、Nb、Ta中的任何一种，镶嵌块材料为一种或多种除主体材料之外的其他金属。

Description

一种多元金属元素掺杂类金刚石膜的制备方法
所属技术领域：
本发明专利涉及一种新型的类金刚石(DLC)膜的制备技术，属于高性能DLC膜材料的复合制备技术。
背景技术：
类金刚石膜具有高硬度、高弹性模量、优异的摩擦磨损性能、化学稳定性及生物相容性，具有非常广泛的应用前景。但内应力大、膜/基结合力差、热稳定性差、脆性大等限制了DLC膜在苛刻服役条件下的应用。
沉积DLC膜前先制备Ti/TiN/TiCN/TiC、Ti/TiC、CrN/CrCN/CrC等过渡层可克服膜/基界面处结构、性能差异大的问题，缓解DLC膜的内应力和提高DLC膜的膜/基结合力。掺杂W、Ti、Cr、Zr、Cu等多种金属元素形成以非晶碳膜为基体的多元复相结构，可显著改善DLC膜的综合性能；但掺杂单一金属也存在一些问题，如掺杂钨会增大DLC膜的摩擦系数，掺杂钛导致DLC膜脆性增大；为了进一步改善DLC膜的性能，需要通过DLC膜的多种金属元素掺杂实现不同金属掺杂元素的优势互补，但目前还没有开发出适合工业化批量生产的DLC膜多元掺杂技术。
开发新型的多元掺杂DLC膜及其过渡层沉积技术，制备出具有优化梯度过渡层的多种金属元素掺杂的DLC膜对DLC膜在苛刻服役条件下的应用具有重要意义。
发明内容：
为了克服目前DLC膜制备技术和掺杂方案存在的不足，本发明专利提出了一种新型的DLC膜复合沉积技术，其特征在于：所述方法将离子束沉积、磁控溅射、镶嵌复合靶结合起来，制备多种金属元素掺杂的DLC膜，该方法依次包括以下步骤：
(1)首先利用超声波清洗技术去除基体表面污染层；
(2)利用离子源产生的惰性气体离子束对基体表面进行离子束刻蚀清洗；
(3)在高工件负偏压下利用阴极电弧源产生的金属离子对基体表面进行金属离子刻蚀清洗；
(4)利用阴极电弧离子镀或离子束增强磁控溅射制备梯度过渡层；
(5)在制备的梯度过渡层上利用离子束沉积+镶嵌复合靶磁控溅射合成多种金属元素掺杂的DLC膜。
在上述制备方法中，步骤(2)的离子源可采用阳极层离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。
在上述制备方法中，步骤(2)向离子源中通入氩气、氦气、氖气、氪气、氢气中的任何一种气体或几种气体的混合气体。
在上述制备方法中，步骤(3)的阴极电弧源可采用圆形阴极电弧源、矩形平面阴极电弧源、柱状阴极电弧源中的任何一种阴极电弧源。
在上述制备方法中，步骤(3)的阴极电弧源靶材为Ti、Cr、Zr、W、Co中的任何一种金属。
在上述制备方法中，步骤(3)的工件偏压可采用直流偏压、脉冲偏压中的任何一种工件偏压形式，工件偏压的范围为-400V～-2000V。
在上述制备方法中，步骤(3)向真空室内通入氩气、氦气、氖气、氪气、氢气中的任何一种气体或几种气体的混合气体，真空室压强范围为5×10-3Pa～5Pa。
在上述制备方法中，步骤(4)阴极电弧离子镀的阴极电弧源可为圆形阴极电弧源、矩形平面阴极电弧源或柱状阴极电弧源中的任何一种阴极电弧源。
在上述制备方法中，步骤(4)阴极电弧离子镀的阴极电弧源靶材为Ti、Cr、Zr、W、Nb的任何一种金属。
在上述制备方法中，步骤(4)阴极电弧离子镀的工件偏压可采用直流偏压、脉冲偏压中的任何一种工件偏压形式。
在上述制备方法中，步骤(4)阴极电弧离子镀的工件偏压的范围为-50V～-500V。
在上述制备方法中，在步骤(4)阴极电弧离子镀过程中，依次向真空室内通入氩气、氩气/氮气混合气、氮气、氮气/含碳气体混合气、含碳气体，真空室压强范围为5×10-3Pa～5Pa
在上述制备方法中，步骤(4)离子束增强磁控溅射采用的磁控溅射靶可采用直流磁控溅射靶、中频磁控溅射靶、射频磁控溅射靶中的任何一种磁控溅射靶。
在上述制备方法中，步骤(4)离子束增强磁控溅射采用的磁控溅射靶材为Ti、Cr、Zr、W、Nb的任何一种金属。
在上述制备方法中，步骤(4)离子束增强磁控溅射采用的离子源可采用阳极层离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。
在上述制备方法中，步骤(4)离子束增强磁控溅射采用的离子束组成为氩离子、氩/氮混合离子、氩/碳混合离子或氩/氮/碳混合离子，不同离子的比例根据需要控制。
在上述制备方法中，步骤(4)离子束增强磁控溅射采用的离子束的离子能量为50eV～500eV。
在上述制备方法中，步骤(4)所述的过渡层包括Ti/TiN/TiCN/TiC、Cr/CrN/CrCN/CrC、Zr/ZrN/ZrCN/ZrC、W/WC、Nb/NbN/NbC等梯度过渡层。
在上述制备方法中，步骤(5)采用的磁控溅射靶可采用直流磁控溅射靶、中频磁控溅射靶、射频磁控溅射靶中的任何一种磁控溅射靶。
在上述制备方法中，步骤(5)所述的镶嵌复合靶由主体材料和镶嵌块材料组成；主体材料为Ti、Cr、W、Zr、Nb、Ta等金属元素的任何一种金属材料，镶嵌块材料为一种或多种除主体材料之外的其他金属。
在上述制备方法中，步骤(5)采用的离子源可采用阳极层离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。
在上述制备方法中，步骤(5)中通入离子源的气体可采用甲烷、乙炔、乙烯、乙醇、丙酮等含碳气体的任何一种气体。
在上述制备方法中，整个镀膜过程可省略步骤(2)、步骤(3)的一个或两个工序。
本发明专利的优点是充分发挥离子束刻蚀、阴极电弧沉积/离子束辅助沉积、离子束沉积、镶嵌复合靶、磁控溅射的优点，在梯度过渡层上合成多元掺杂的DLC膜，实现多种掺杂元素的优势互补，显著改善DLC膜的综合性能；掺杂元素种类和含量可通过更换镶嵌复合靶主体材料和镶嵌块材料、改变镶嵌块面积百分比和不同溅射靶的功率来调整。
实施方式：
下面结合具体实施例对本发明专利作进一步详细描述，但不作为对本发明专利的限定。
实施例1
首先利用超声波清洗技术去除硬质合金刀具表面污染层；利用阳极层离子源产生的氩离子束轰击清洗刀具表面；然后在-1000V的直流负偏压下利用圆形阴极电弧源产生的钛离子对刀具表面进行离子轰击清洗；再利用阴极电弧沉积制备Ti/TiN/TiCN/TiC梯度过渡层，阴极电弧靶材料为Ti，先后向真空室内通入氩气、氩气/氮气混合气、氮气、氮气/甲烷混合气、甲烷，工件负偏压为-100～-800V；最后利用离子束沉积+镶嵌复合靶磁控溅射合成同时掺杂Ti、Cu的DLC膜，离子源采用阳极层离子源，通入阳极层离子源的气体包括氩气和甲烷，磁控溅射靶采用直流磁控溅射靶，镶嵌复合靶的主体材料为Ti，镶嵌块材料为Cu。
实施例2
首先利用超声波清洗技术去除高速钢模具表面污染层；利用阳极层离子源产生的氩离子束轰击清洗模具表面；然后在-1000V的直流负偏压下利用圆形阴极电弧源产生的铬离子对基体表面进行离子轰击清洗；再利用阴极电弧沉积制备Cr/CrN/CrCN/CrC梯度过渡层，阴极电弧靶材料为Cr，先后向真空室内通入氩气、氩气/氮气混合气、氮气、氮气/甲烷混合气、甲烷，工件负偏压为-100～-800V；最后利用离子束沉积+镶嵌复合靶磁控溅射合成同时掺杂Cr、Ag的DLC膜，离子源采用阳极层离子源，通入阳极层离子源的气体包括氩气和甲烷，磁控溅射靶采用直流磁控溅射靶，镶嵌复合靶的主体材料为Cr，镶嵌块材料为Ag。
实施例3
首先利用超声波清洗技术去除轴承表面污染层；然后利用样阳极层离子源产生的氩/氢混合离子束轰击清洗轴承表面；再利用阳极层离子源辅助中频磁控溅射沉积制备W/WC梯度过渡层，磁控溅射靶材料为W，通入阳极层离子源的气体包括氩气、氩气/乙炔混合气，离子束的离子能量为-100～-2000eV；最后利用离子束沉积+镶嵌复合靶中频磁控溅射合成同时掺杂W、Ti、Au的DLC膜，离子源采用阳极层离子源，通入阳极层离子源的气体包括氩气和乙炔，磁控溅射靶采用中频磁控溅射靶，镶嵌复合靶的主体材料为W，镶嵌块材料为Ti和Au。

Claims (10)

1.一种制备多元金属元素掺杂类金刚石(DLC)膜的方法，其特征在于：所述方法将离子束沉积、磁控溅射、镶嵌复合靶结合起来合成多元金属元素掺杂DLC膜，所述方法包括以下步骤：
(1)首先利用超声波清洗技术去除基体表面污染层；
(2)利用离子源产生的惰性气体离子束对基体表面进行离子束刻蚀清洗；
(3)在高工件负偏压下利用阴极电弧源产生的金属离子对基体表面进行金属离子刻蚀清洗；
(4)利用阴极电弧离子镀或离子束增强磁控溅射制备梯度过渡层；
(5)在制备的过渡层上利用离子束沉积+镶嵌复合靶磁控溅射合成多元金属元素掺杂DLC膜。
2.按照权利要求1所述的制备多元金属元素掺杂DLC膜的方法，其特征在于：步骤(2)的离子源可采用阳极层离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源，向离子源中通入氩气、氦气、氖气、氪气、氢气中的任何一种气体或几种气体的混合气体。
3.按照权利要求1所述的制备多元金属元素掺杂DLC膜的方法，其特征在于：步骤(3)的阴极电弧源可采用圆形阴极电弧源、矩形平面阴极电弧源、柱状阴极电弧源中的任何一种阴极电弧源；阴极电弧源靶材为Ti、Cr、Zr、W、Co中的任何一种金属；工件偏压可采用直流偏压、脉冲偏压中的任何一种工件偏压形式；工件偏压的范围为-400V～-2000V；向真空室内通入氩气、氦气、氖气、氪气、氢气中的任何一种气体或几种气体的混合气体，真空室压强范围为5×10-3Pa～5Pa。
4.按照权利要求1所述的制备多元金属元素掺杂DLC膜的方法，其特征在于：步骤(4)阴极电弧离子镀的阴极电弧源可为圆形阴极电弧源、矩形平面阴极电弧源或柱状阴极电弧源中的任何一种阴极电弧源；阴极电弧源靶材为Ti、Cr、Zr、W、Nb的任何一种金属；工件偏压可采用直流偏压、脉冲偏压中的任何一种工件偏压形式，工件负偏压的范围为-50V～-500V；在阴极电弧离子镀沉积过渡层的过程中，先后向真空室内通入氩气、氩气/氮气混合气、氮气、氮气/含碳气体混合气、含碳气体，真空室压强范围为5×10-3Pa～5Pa。
5.按照权利要求1所述的制备多元金属元素掺杂DLC膜的方法，其特征在于：步骤(4)离子束增强磁控溅射的磁控溅射靶可采用直流磁控溅射靶、中频磁控溅射靶、射频磁控溅射靶中的任何一种磁控溅射靶，溅射靶材为Ti、Cr、Zr、W、Nb的任何一种金属；离子源可采用阳极层离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源；离子束组成为氩离子、氩/氮混合离子、氩/碳混合离子或氩/氮/碳混合离子，不同离子的比例根据需要控制，离子束的离子能量为50eV～500eV。
6.按照权利要求1所述的制备多元金属元素掺杂DLC膜的方法，其特征在于：步骤(4)所述的过渡层包括Ti/TiN/TiCN/TiC、Cr/CrN/CrCN/CrC、Zr/ZrN/ZrCN/ZrC、W/WC、Nb/NbN/NbC等梯度过渡层。
7.按照权利要求1所述的制备多元金属元素掺杂DLC膜的方法，其特征在于：步骤(5)采用的磁控溅射靶可采用直流磁控溅射靶、中频磁控溅射靶、射频磁控溅射靶中的任何一种磁控溅射靶。
8.按照权利要求1所述的制备多元金属元素掺杂DLC膜的方法，其特征在于：步骤(5)所述的镶嵌复合靶由主体材料和镶嵌块材料组成；主体材料为Ti、Cr、W、Zr、Nb、Ta等金属元素中的任何一种，镶嵌块材料为一种或多种除主体材料之外的的其他金属。
9.按照权利要求1所述的制备多元金属元素掺杂DLC膜的方法，其特征在于：步骤(5)采用的离子源可采用阳极层离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。
10.按照权利要求1所述的制备多元金属元素掺杂DLC膜的方法，其特征在于：步骤(5)中通入离子源的气体可采用甲烷、乙炔、乙烯、乙醇、丙酮等含碳气体的任何一种气体。
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