CN101876075A - 表面结构化复合涂层制备方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种表面结构化复合涂层制备方法及其装置，属于表面工程的薄膜涂层。用于表面结构化复合涂层制备方法的专用装置是紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置包括脉冲激光模块、精密扫描模块和环境调控模块，脉冲激光模块、精密扫描模块和环境调控模块顺序连接；本发明按照如下的步骤实现：前期准备、表面结构化处理、复合涂层沉积和后处理。优点：本发明构思新颖，加工方便、效率高，采用一个激光光源同时实现材料表面的结构化处理和复合涂层的沉积，工艺简单、易于控制；应用范围广，可以对任何材料进行精密的表面结构化处理，同时可以诱导多种气体的化学反应，高效的进行复合涂层沉积。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面工程的薄膜涂层，特别是一种表面结构化复合涂层制备方法及其装置。
背景技术
随着科学技术及人类社会的发展，摩擦学材料的服役条件越来越极端化、复杂化，这对材料的耐磨性、减摩性等提出了越来越高的要求。在传统摩擦学材料的基础上，通过表面工程技术研发，表面减摩耐磨涂层为优化机械系统摩擦学性能、解决材料磨损提供了一条有效、也是极具生命力的方案和途径。
薄膜涂层是表面工程独立于材料学、热处理、电镀、热喷涂等，成为独立技术领域的关键性标志。在现阶段，薄膜涂层的制备方法主要有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体化学气相沉积(PCVD)、离子束辅助沉积(IBAD)及离子注入等；从薄膜涂层材料来看，基本上还是软、硬两大类。但是，传统薄膜涂层具有许多无法克服的缺点，如类金刚石涂层中存在很大的内应力，降低了和基体之间的结合强度；石墨涂层具有优良的减摩性能，但是石墨的硬度低、耐磨损性能差；涂层不能协调硬度和韧性之间的矛盾。因此，在薄膜涂层领域，在组分上由单一组分向三组分或四组分发展，同时还寻求新的涂层材料，甚至包括含油的涂层。薄膜涂层的加工方法在原来的PVD、CVD和IBAD基础上向混合过程、低温化和大尺度化方向发展，表面结构化即制备具有预定表面几何结构形貌的涂层也是薄膜涂层未来重点的加工方法。迄今为止，尚未见表面结构化复合涂层方面的专利和研究论文报道。
发明内容
本发明的目的是要提供一种：能够协调薄膜涂层硬度和韧性的表面结构化复合涂层制备方法及其装置。
为实现上述目的，本发明制备方法包括前期准备、表面结构化处理、复合涂层沉积和后处理，其步骤如下：
前期准备：首先准备好进行表面结构化复合涂层制备的样品、反应气体及建立紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，准备建立紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置所需的三大模块组件，三大模块组件即脉冲激光模块、精密扫描模块、环境调控模块，按照脉冲激光模块、精密扫描模块、环境调控模块依次连接；反应气体采用WF6/C6H6、SiH4/NH3或Si2H6/O2组合，纯度不小于99.9％；背景气体采用SF6或N2，纯度不小于99％；
表面结构化处理：样品台在计算机的控制下进行旋转，计算机能够控制激光焦点在样品表面按照程序设定的轨迹扫描，实现可控的图案化处理；进行表面结构化处理时，调节激光能量密度在1J/cm2以上，设定X-Y振镜的扫描速度在5～500mm/s之间、样品台的旋转速度0.1～100转/秒之间，先把反应室抽真空，真空度10-3Pa以上，然后再充入表面结构化过程中需要的背景气体，背景气体为刻蚀气体即SF6或N2，通过计算机程序控制激光焦点在样品表面的扫描路径，对样品进行表面结构化加工，激光焦点直径在20～200μm之间；
复合涂层沉积：控制激光的能量密度调节样品表面的温度和反应气体的化学反应速度，从而调控涂层的沉积速度；反应气体由一路或者多路的不同气体同时输入或者分阶段输入，实现对样品的不同成分、不同梯度的复合涂层沉积；在复合涂层沉积时，调节激光的能量密度于0.05～0.4J/cm2之间，充入沉积涂层或复合涂层的反应气体，反应气体为WF6/C6H6、SiH4/NH3或Si2H6/O2组合，通过计算机控制样品台的旋转，转速小于10转/秒，实现在表面结构化处理后的样品表面进行复合涂层的沉积；
后处理：关闭反应气体，充入氮气，关闭紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，取出样品，自然干燥或在80～100℃下烘干30min。
本发明制备方法的专用装置包括紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置包括脉冲激光模块、精密扫描模块和环境调控模块，脉冲激光模块、精密扫描模块和环境调控模块顺序连接。
所述的脉冲激光模块包括控制器和脉冲激光器，控制器和脉冲激光器顺序连接。
所述的精密扫描模块包括反射镜、扩束镜、X-Y振镜和聚焦镜，反射镜、扩束镜、X-Y振镜和聚焦镜顺序连接，X-Y振镜与计算机连接。
所述的环境调控模块包括透光玻璃、样品、可旋转样品台、反应室、步进电机、计算机、气瓶和真空泵，在反应室的一侧有一装置有透光玻璃的孔，在反应室内有可旋转样品台，可旋转样品台上端穿出反应室与步进电机连接，在可旋转样品台上连接有样品，在反应室外有气瓶和真空泵，气瓶和真空泵与反应室连接，步进电机与计算机的输出端连接。
有益效果，由于采用了上述方案，在样品表面制备了具有表面结构化的复合涂层，光滑的复合涂层能够实现减摩抗磨，而复合涂层的表面结构化将更进一步的提高其摩擦学特性。首先是结构可控。通过调节激光的能量密度、X-Y振镜的扫描速度和样品台的旋转速度、真空度、背景气体等条件，可以在材料表面制备具有不同深度、不同线宽的阵列微结构，该结构的存在可以有效改善滑动表面的摩擦学性能。在干摩擦条件下，微结构能储存摩擦磨损过程中产生的磨屑或微颗粒，从而降低摩擦并减小磨损。而在润滑介质条件下，滑动表面上分布的微结构能形成动压润滑膜，具有良好的减摩抗磨效应。阵列微结构的参数不同，对摩擦学性能的影响程度也不同，因此可控的阵列微结构可以有效调整样品表面的减摩抗磨性能。
其次是复合涂层的梯度、成分可控。通过调节复合涂层沉积过程中的反应气体输入的比例、顺序等，可以有效的制备梯度、成分可控的复合涂层，从而减少涂层内应力，有效抑制摩擦裂纹的扩展和蔓延，提高涂层的强度和抗塑性变形性能。另外，激光化学气相沉积时加热非常局域化，可以在尺寸范围很小的一个精确区域产生局域沉积；可以达到很高的反应温度，来自基片以外的污染很小；该方法沉积速度比传统化学气相沉积高出几个数量级。
再者是协同作用。材料表面结构化处理与复合涂层相耦合，从而形成具有特定表面结构的复合涂层。这可以使结构化表面的优异性能和复合涂层的优异性能相叠加和协同作用，更进一步的提高材料表面的减摩抗磨性能。同时，可以使复合涂层与基体的结合力增加，有效抑制摩擦过程中涂层的脱落。
能够协调薄膜涂层硬度和韧性，达到了本发明的目的。
优点：本发明构思新颖，加工方便、效率高，采用一个激光光源同时实现材料表面的结构化处理和复合涂层的沉积，工艺简单、易于控制，单次扫描即可，无需对制备的样品进行复杂的后处理工艺；应用范围广、紫外脉冲激光具有光子能量大、波长短的特点，可以对任何材料进行精密的表面结构化处理，同时可以诱导多种气体的化学反应，高效的进行复合涂层沉积。
附图说明
图1是本发明紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置方案图。
图2是本发明紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置示意图。
图3是本发明样品表面结构化复合涂层制备过程原理图。
图中，1-1、脉冲激光模块；1-2、精密扫描模块；1-3、环境调控模块；1控制器，2脉冲激光器，3反射镜，4扩束镜，5X-Y振镜，6聚焦镜，7透光玻璃，8样品，9可旋转样品台，10反应室，11步进电机，12计算机，13气瓶，14真空泵。
具体实施方式
实施例1：用于表面结构化复合涂层制备方法的专用装置是紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置包括脉冲激光模块1-1、精密扫描模块1-2和环境调控模块2-3，脉冲激光模块1-1、精密扫描模块1-2和环境调控模块1-3顺序连接。
所述的脉冲激光模块包括控制器1和脉冲激光器2，控制器1和脉冲激光器2顺序连接，脉冲激光模块为市售产品。
所述的精密扫描模块包括反射镜3、扩束镜4、X-Y振镜5和聚焦镜6，反射镜3、扩束镜4、X-Y振镜5和聚焦镜6顺序连接，X-Y振镜5与环境调控模块1-3的计算机12连接。
所述的环境调控模块包括透光玻璃7、样品8、可旋转样品台9、反应室10、步进电机11、计算机12、气瓶13和真空泵14，计算机12的配置CPU为奔腾三以上、内存512M以上；在反应室10的一侧有一装置有透光玻璃7的孔，在反应室10内有可旋转样品台9，可旋转样品台9上端穿出反应室与步进电机11连接，在可旋转样品台9上连接有样品8，在反应室10外有气瓶13和真空泵14，气瓶13和真空泵14与反应室10连接，步进电机11与计算机12的输出端连接。
本发明按照如下的步骤实现：前期准备、表面结构化处理、复合涂层沉积和后处理；
1、前期准备：首先准备好进行表面结构化复合涂层制备的样品、反应气体及建立紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，准备建立紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置所需的三大模块组件，三大模块组件即脉冲激光模块、精密扫描模块、环境调控模块，按照脉冲激光模块、精密扫描模块、环境调控模块依次连接；反应气体采用WF6/C6H6组合，纯度不小于99.9％；背景气体采用SF6，纯度不小于99％；
2、表面结构化处理：样品台在计算机的控制下可以旋转，目的是针对圆柱形样品的外表面处理来设计的；计算机可以控制激光焦点在样品表面按照程序设定的轨迹扫描，从而实现可控的图案化处理；激光的能量密度和X-Y振镜的扫描速度对表面加工结构的深度、宽度有很大影响，真空度和背景气体对结构化处理的质量有影响。进行表面结构化处理时，调节激光能量密度在10J/cm2，设定X-Y振镜的扫描速度在500mm/s、样品台的旋转速度1转/秒，先把反应室抽真空，真空度10-5Pa以上，然后再充入表面结构化过程中需要的背景气体，背景气体为刻蚀气体即SF6，通过计算机程序控制激光焦点在样品表面的扫描路径，从而进行表面结构化加工，激光焦点直径在120μm。
通过调节激光能量密度、X-Y振镜扫描速度和样品台旋转速度可以改变加工的深度和宽度，而计算机程序的改变可以进行任意图形的加工；
3、复合涂层沉积：激光的能量密度可以调节样品表面的温度和反应气体的化学反应速度，从而调控涂层的沉积速度；反应气体由一路输入气体，对样品实现不同成分、不同梯度的复合涂层沉积；在复合涂层沉积时，调节激光的能量密度于0.1J/cm2，充入沉积涂层或复合涂层的反应气体，反应气体为WF6/C6H6组合，通过计算机控制样品台的旋转，转速为5转/秒，实现在表面结构化处理后的样品表面进行复合涂层的沉积；
4、后处理：关闭反应气体，充入氮气，关闭紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，取出样品，自然干燥或在90℃下烘干30min。
图1中，该装置主要包括三大部分：脉冲激光模块、精密扫描模块、环境调控模块。激光能量密度可以采用控制器在零和最大范围内连续调节。由脉冲激光器输出的激光束经精密扫描模块聚焦到反应室内的样品表面，该模块由全反镜、扩束镜、X-Y振镜、聚焦镜依次连接而成。反应室内的真空度由真空泵(机械泵和分子泵)来完成。可旋转样品台、步进电机、计算机依次连接，通过计算机控制步进电机来驱动样品台的旋转，从而实现圆柱零件的旋转运动。
图2中，首先，建立多功能表面处理系统装置，打开脉冲激光器2，采用控制器1调节激光的能量密度。激光束经反射镜3进行一次反射，然后传输到扩束镜4，通过调节扩束镜中两个镜片的距离可以将激光束直径调节至合适的大小。扩束后的激光束经X-Y振镜5后入射到聚焦镜6上，经过反应室10的透明窗口7聚焦到样品8上。激光焦点在样品上运行的轨迹通过计算机12对X-Y振镜进行控制，聚焦镜可以控制焦点的大小。样品8固定在可以旋转的样品台9上，以实现对圆柱形样品表面的处理。样品台的旋转是通过计算机12控制步进电机11来驱动的。通过选择相应的气瓶13和调节真空泵14来控制反应室内的背景气体和真空度。最后，通过调节激光的能量密度、X-Y振镜的扫描速度和样品台的旋转速度、真空度、背景气体来实现表面结构化处理。表面处理化之后，通过选择合适的气瓶13来控制反应室10内的反应气体成分、流量和比例，调节激光的能量密度至复合涂层沉积所需值，然后通过计算机控制的X-Y振镜的扫描速度和样品台的旋转速度来实现复合涂层的可控沉积。
图3中，图(a)为待处理的表面光滑的样品；图(b)为经表面结构化处理后的具有特定结构的样品；图(c)为经过复合涂层沉积后得到的具有表面结构的复合涂层。
实施例2：本发明按照如下的步骤实现：前期准备、表面结构化处理、复合涂层沉积和后处理；
1、前期准备：首先准备好进行表面结构化复合涂层制备的样品、反应气体及建立紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，准备建立紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置所需的三大模块组件，三大模块组件即脉冲激光模块、精密扫描模块、环境调控模块，按照脉冲激光模块、精密扫描模块、环境调控模块依次连接；反应气体采用SiH4/NH3组合，纯度不小于99.9％；背景气体采用N2，纯度不小于99％；
2、表面结构化处理：样品台在计算机的控制下可以旋转，目的是针对圆柱形样品的外表面处理来设计的；计算机可以控制激光焦点在样品表面按照程序设定的轨迹扫描，从而实现可控的图案化处理；激光的能量密度和X-Y振镜的扫描速度对表面加工结构的深度、宽度有很大影响，真空度和背景气体对结构化处理的质量有影响。进行表面结构化处理时，调节激光能量密度在1J/cm2，设定X-Y振镜的扫描速度在200mm/s、样品台的旋转速度10转/秒，先把反应室抽真空，真空度10-3Pa，然后再充入表面结构化过程中需要的背景气体，背景气体为刻蚀气体即N2，通过计算机程序控制激光焦点在样品表面的扫描路径，从而进行表面结构化加工，激光焦点直径在20μm。
通过调节激光能量密度、X-Y振镜扫描速度和样品台旋转速度可以改变加工的深度和宽度，而计算机程序的改变可以进行任意图形的加工；
3、复合涂层沉积：激光的能量密度可以调节样品表面的温度和反应气体的化学反应速度，从而调控涂层的沉积速度；反应气体由多路相同气体分阶段输入，可以实现不同成分、不同梯度的复合涂层沉积；在复合涂层沉积时，调节激光的能量密度于0.05J/cm2，充入沉积涂层或复合涂层的反应气体，反应气体为SiH4/NH3组合，通过计算机控制样品台的旋转，转速为1转/秒，实现在表面结构化处理后的样品表面进行复合涂层的沉积；
4、后处理：关闭反应气体，充入氮气，关闭紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，取出样品，自然干燥或在80℃下烘干30min。
其它与实施例1同。
实施例3：本发明按照如下的步骤实现：前期准备、表面结构化处理、复合涂层沉积和后处理；
1、前期准备：首先准备好进行表面结构化复合涂层制备的样品、反应气体及建立紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，准备建立紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置所需的三大模块组件，三大模块组件即脉冲激光模块、精密扫描模块、环境调控模块，按照脉冲激光模块、精密扫描模块、环境调控模块依次连接；反应气体采用Si2H6/O2组合，二种气体的纯度均不小于99.9％；背景气体采用SF6和N2的混合气体，二种气体的纯度均不小于99％；
2、表面结构化处理：样品台在计算机的控制下可以旋转，目的是针对圆柱形样品的外表面处理来设计的；计算机可以控制激光焦点在样品表面按照程序设定的轨迹扫描，从而实现可控的图案化处理；激光的能量密度和X-Y振镜的扫描速度对表面加工结构的深度、宽度有很大影响，真空度和背景气体对结构化处理的质量有影响。进行表面结构化处理时，调节激光能量密度在100J/cm2，设定X-Y振镜的扫描速度在5mm/s、样品台的旋转速度100转/秒，先把反应室抽真空，真空度10-6Pa以上，然后再充入表面结构化过程中需要的背景气体，背景气体为刻蚀气体即SF6和N2的混合气体，通过计算机程序控制激光焦点在样品表面的扫描路径，从而进行表面结构化加工，激光焦点直径在200μm。
通过调节激光能量密度、X-Y振镜扫描速度和样品台旋转速度可以改变加工的深度和宽度，而计算机程序的改变可以进行任意图形的加工；
3、复合涂层沉积：激光的能量密度可以调节样品表面的温度和反应气体的化学反应速度，从而调控涂层的沉积速度；反应气体由多路不同气体同时输入，对样品实现不同成分、不同梯度的复合涂层沉积；在复合涂层沉积时，调节激光的能量密度于0.4J/cm2，充入沉积涂层或复合涂层的反应气体，反应气体为Si2H6/O2组合，通过计算机控制样品台的旋转，转速为10转/秒，实现在表面结构化处理后的样品表面进行复合涂层的沉积；
4、后处理：关闭反应气体，充入氮气，关闭紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，取出样品，自然干燥或在100℃下烘干30min。
其它与实施例1同。
Claims (5)
1.一种表面结构化复合涂层制备方法，其特征是：本发明包括前期准备、表面结构化处理、复合涂层沉积和后处理，其中：
前期准备：首先准备好进行表面结构化复合涂层制备的样品、反应气体及建立紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，准备建立紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置所需的三大模块组件，三大模块组件即脉冲激光模块、精密扫描模块、环境调控模块，按照脉冲激光模块、精密扫描模块、环境调控模块依次连接；反应气体采用WF6/C6H6、SiH4/NH3或Si2H6/O2组合，纯度不小于99.9％；背景气体采用SF6或N2，纯度不小于99％；
表面结构化处理：样品台在计算机的控制下进行旋转，计算机能够控制激光焦点在样品表面按照程序设定的轨迹扫描，实现可控的图案化处理；进行表面结构化处理时，调节激光能量密度在1J/cm2以上，设定X-Y振镜的扫描速度在5～500mm/s之间、样品台的旋转速度0.1～100转/秒之间，先把反应室抽真空，真空度10-3Pa以上，然后再充入表面结构化过程中需要的背景气体，背景气体为刻蚀气体即SF6或N2，通过计算机程序控制激光焦点在样品表面的扫描路径，对样品进行表面结构化加工，激光焦点直径在20～200μm之间；
复合涂层沉积：控制激光的能量密度调节样品表面的温度和反应气体的化学反应速度，从而调控涂层的沉积速度；反应气体由一路或者多路的不同气体同时输入或者分阶段输入，实现对样品的不同成分、不同梯度的复合涂层沉积；在复合涂层沉积时，调节激光的能量密度于0.05～0.4J/cm2之间，充入沉积涂层或复合涂层的反应气体，反应气体为WF6/C6H6、SiH4/NH3或Si2H6/O2组合，通过计算机控制样品台的旋转，转速小于10转/秒，实现在表面结构化处理后的样品表面进行复合涂层的沉积；
后处理：关闭反应气体，充入氮气，关闭紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，取出样品，自然干燥或在80～100℃下烘干30min。
2.一种如权利要求1所述方法的表面结构化复合涂层制备装置，其特征是：它包括紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置包括脉冲激光模块、精密扫描模块和环境调控模块，脉冲激光模块、精密扫描模块和环境调控模块顺序连接。
3.根据权利要求2所述的表面结构化复合涂层制备装置，其特征是：所述的脉冲激光模块包括控制器和脉冲激光器，控制器和脉冲激光器顺序连接。
4.根据权利要求2所述的表面结构化复合涂层制备装置，其特征是：所述的精密扫描模块包括反射镜、扩束镜、X-Y振镜和聚焦镜，反射镜、扩束镜、X-Y振镜和聚焦镜顺序连接，X-Y振镜与计算机连接。
5.根据权利要求2所述的表面结构化复合涂层制备装置，其特征是：所述的环境调控模块包括透光玻璃、样品、可旋转样品台、反应室、步进电机、计算机、气瓶和真空泵，在反应室的一侧有一装置有透光玻璃的孔，在反应室内有可旋转样品台，可旋转样品台上端穿出反应室与步进电机连接，在可旋转样品台上连接有样品，在反应室外有气瓶和真空泵，气瓶和真空泵与反应室连接，步进电机与计算机的输出端连接。
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