CN102776481A - 硬质薄膜与基体间梯度过渡层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硬质薄膜与基体间梯度过渡层的制备方法。本方法采用溅射与射频或微波化学气相沉积法相结合的方法制备梯度过渡层，使用的沉积设备包括一个或两个及以上的石墨靶和一个或两个及以上的金属靶；采用射频或直流溅射电源；金属靶材为铬、钛、铜、铝、锰、钨、钼、铁、硅、锌、镁、锡、镍、钴、铟、锗和镓中的一种纯金属或含有其中一种或者多种元素的合金；溅射气体为氩气或氦气；基体上通过样品台接有射频或微波电源，在进行溅射或反应溅射的同时，在基体上施加射频或微波功率。调节金属靶的溅射电源，使其电流和电压逐渐减小，或调节石墨靶的溅射或微波电源，使其功率逐渐加大，从而获得所需的梯度过渡层。本方法制备的梯度过渡层可增强膜基结合力与薄膜致密度，显著提高薄膜的承载能力。

Description

硬质薄膜与基体间梯度过渡层的制备方法

技术领域

本发明专利涉及金属基体上具有膜基结合力强、高承载、低摩擦磨损特性硬质薄膜与基体间梯度过渡层的制备方法，引入本梯度过渡层所制备的硬质薄膜可广泛用于各种金属材料的表面保护和润滑方面。

背景技术

硬质薄膜如非晶碳基薄膜（类金刚石膜）等在水或空气中具有低摩擦、低磨损和优异的耐腐蚀性，是理想的表面保护自润滑材料。然而，由于一般硬质薄膜与金属材料的结合力较低，薄膜的内应力高、缺乏韧性等特点，摩擦过程中易产生微裂纹，同时缺乏对薄膜沉积方法和工艺的系统研究，沉积过程中膜内易产生微纳米空隙或缺陷等原因，在摩擦过程中易发生局部剥落，从而引起润滑失效，缺乏足够的承载能力，难以满足润滑系统对长寿命的要求，有必要探索一种可有效提高膜基结合力、所得薄膜致密的沉积方法。

从近年来国内外的研究成果来看，引入梯度过渡层可提高膜基结合力，从而提高薄膜的承载力。然而，目前所用梯度过渡层的沉积方法主要为溅射和反应溅射法，沉积成膜的粒子主要为中性原子，沉积速率低，所得薄膜致密性差，特别是等离子体弱，不利于化合物即过渡层的沉积。同时，由于溅射靶带有负的自偏压，会引起离子化的反应性成分沉积在靶材表面，导致靶中毒及溅射率的降低。

发明内容

为了提高硬质薄膜的承载力，本发明提供一种改进的硬质薄膜与基体间梯度过渡层的制备方法，该方法制备的梯度过渡层可增强膜基结合力与薄膜致密度，显著提高薄膜的承载能力。

为达到上述目的，本发明的构思是：一方面选用金属为基体，以金属靶为金属源、石墨靶或同时导入其它反应性气体为反应性成分源，引入薄膜侧以碳为主、基体侧以金属为主、中间呈渐进变化的化合物层、与薄膜和基体均有较强结合力的梯度过渡层，缓和从薄膜到基体之间在组成和力学特性上的突然变化，从而增强膜基结合力，提高薄膜与基体界面对外应力的承载能力；另一方面采用溅射、反应溅射与射频或微波气相化学沉积或微波化学气相沉积相结合的多功率源进行沉积梯度过渡层。在金属靶、碳靶或其它气体反应性成分源与基体的相对位置适当，用溅射或反应溅射进行沉积的同时，施加射频或微波功率。不仅可以使反应性成分主要沉积在基体表面，防止靶中毒的发生，而且也会使基体周围的中性粒子，包括源于溅射的靶材成分和反应性成分进一步等离子体化，从而提高薄膜的均匀度和致密度。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

这种硬质薄膜与基体间梯度过渡层的制备方法，采用溅射、反应溅射与射频或微波化学气相沉积法相结合的技术制备梯度过渡层，使用的沉积设备至少包括一个或两个及以上的石墨靶和一个或两个及以上的金属靶，即至少包括一个金属靶和一个石墨靶；采用射频或直流溅射电源；金属靶材为铬、钛、铜、铝、锰、钨、钼、铁、硅、锌、镁、锡、镍、钴、铟、锗和镓中的一种纯金属或含有其中多种元素的合金，采用两个或以上金属靶时，可采用相同或不同的靶材；溅射气体为氩气或氦气；基体上通过样品台接有射频或微波电源，在进行溅射或反应溅射的同时，在基体上施加射频或微波功率。在操作过程中，调节金属靶的溅射电源，使其电流和电压逐渐减小，同时调节石墨靶的溅射电源，使其功率逐渐加大，从而获得所需的梯度过渡层。

在上述制备方法中，沉积金属层或化合物层时，基体上施加有射频或微波功率；梯度过渡层之上的硬质薄膜层制备方法是沉积梯度过渡层时的溅射与射频化学气相沉积或微波化学气相沉积相结合的多功率源方法，或者是其它任何常用的薄膜沉积方法。在沉积金属层或化合物层时基体上射频或微波功率的施加方式是连续施加方式，或者是间断或部分施加方式。在沉积化合物层时可导入的反应气体包括室温下饱和蒸汽压在0.1Pa以上的有机化合物，含有氮、硅、硼、磷、硫、卤素、氧元素的化合物以及氮气中的一种或两种及以上。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：

本发明采用沉积方法制备梯度过渡层可提高硬质薄膜与基体材料的结合力及承载能力，所得薄膜均匀致密。

附图说明

图1是本方法采用的实验设备简图。

图中，1. 金属靶，附有外部可控开关的挡板；2. 直流或射频溅射电源；3. 石墨靶，附有外部可控开关的挡板；4. 直流或射频溅射电源；5. 惰性溅射气体； 6. 反应性气体；7. 金属基体；8. 样品台； 9. 射频或微波电源；10. 真空泵。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1，本硬质薄膜与基体间梯度过渡层的制备，采用溅射、反应溅射与射频或微波化学气相沉积法相结合的沉积方法，使用的沉积设备至少包括一个或两个及以上的石墨靶和一个或两个及以上的金属靶，即至少包括一个金属靶和一个石墨靶；采用射频或直流溅射电源；金属靶材为铬、钛、铜、铝、锰、钨、钼、铁、硅、锌、镁、锡、镍、钴、铟、锗和镓中的一种纯金属或含有其中多种元素的合金，采用两个或以上金属靶时，可采用相同或不同的靶材；溅射气体为氩气或氦气；基体上通过样品台接有射频或微波电源，在进行溅射或反应溅射的同时，在基体上施加射频或微波功率。在操作过程中，调节金属靶的溅射电源,使其电流和电压逐渐减小，同时调节石墨靶的溅射电源，使其功率逐渐加大，从而获得所需的梯度过渡层。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

沉积金属层或化合物层时，基体上施加有射频或微波功率；梯度过渡层之上的硬质薄膜层制备方法是沉积梯度过渡层时的溅射与射频化学气相沉积或微波化学气相沉积相结合的多功率源方法，或者是其它任何常用的薄膜沉积方法。

在沉积金属层或化合物层时基体上射频或微波功率的施加方式是连续施加方式，或者是间断或部分施加方式。

在沉积化合物层时可导入的反应气体包括室温下饱和蒸汽压在0.1Pa以上的有机化合物，含有氮、硅、硼、磷、硫、卤素、氧元素的化合物以及氮气中的一种或两种及以上。

实施例三：

在本实施例为一个具体的梯度过渡层制备方法，参见图1，制备的具体操作步骤如下:

1）将设备抽真空后，导入氩气溅射气体，气流量为20sscm左右。打开射频电源（9），调节电流为0.15A，电压为950V，自偏压420V，以除去基体表面的污染物和氧化物层。

2）10min后，打开溅射电源（2），调节电流为0.3A，电压为430V，以除去金属靶材表面的污染物和氧化物层。

3）5min后，打开金属靶（1）的挡板。

4）5min后，打开溅射电源（4），调节功率为80W，以除去石墨靶（3）表面的污染物。

5）5min后，打开石墨靶（3）的挡板。

6）5min后，调节溅射电源（2）的电流为0.25A，电压为380V；调节溅射电源（4）的功率为100W。

7）5min，调节溅射电源（2）的电流为0.20A，电压为350V；调节溅射电源（4）的功率为120W。

8）5min后，调节溅射电源（2）的电流为0.15A，电压为330V；调节溅射电源（4）的功率为150W。

9）10min后，关闭溅射电源（2）及溅射靶（1）的挡板。

10）60min后，关闭电源（9）和（4）及石墨靶（3）的挡板，停止导入氩气，实验终止。

上述步骤中的第3至第8步为梯度过渡层的制备过程，也可进一步增加或减少一些步骤，或改变气体流量、溅射功率、时间间隔等，或导入其它反应性气体成分，以得到不同组成的梯度过渡层。通过这些步骤也可获得性能优异的硬质陶瓷涂层。

第9步开始为本发明的硬质薄膜的制备，也可以是目前常用方法的任何一种。

Claims (4)

1.一种硬质薄膜与基体间梯度过渡层的制备方法，其特征在于采用溅射、反应溅射与射频或微波化学气相沉积法相结合的沉积方法制备梯度过渡层，使用的沉积设备至少包括一个或两个及以上的石墨靶和一个或两个及以上的金属靶，即至少包括一个金属靶（1）和一个石墨靶（3）；采用射频或直流溅射电源（2、4）；金属靶材为铬、钛、铜、铝、锰、钨、钼、铁、硅、锌、镁、锡、镍、钴、铟、锗和镓中的一种纯金属或含有其中多种元素的合金，采用两个或以上金属靶时，可采用相同或不同的靶材；溅射气体（5）为氩气或氦气；基体（7）上通过样品台（8）接有射频或微波电源（9），在进行溅射或反应溅射的同时，在基体（7）上施加射频或微波功率；在操作过程中，调节金属靶（1）的溅射电源（2）,使其电流和电压逐渐减小，或调节石墨靶（3）的溅射电源（4），使其功率逐渐加大，从而获得所需的梯度过渡层。

2.根据权利要求1所述的硬质薄膜与基体间的梯度过渡层的制备方法，其特征在于，在沉积金属层或化合物层时，基体（7）上施加有射频或微波功率；梯度过渡层之上的硬质薄膜层制备方法是沉积梯度过渡层时的溅射与射频化学气相沉积或微波化学气相沉积相结合的多功率源方法，或者是其它任何常用的薄膜沉积方法。

3.根据权利要求1或2所述的硬质薄膜与基体间梯度过渡层的制备方法，其特征在于，在沉积金属层或化合物层时基体（7）上射频或微波功率的施加方式是连续施加方式，或者是间断或部分施加方式。

4.根据权利要求1、2、3所述的一种梯度过渡层的沉积方法，其特征在于，在沉积化合物层时可导入的反应气体包括室温下饱和蒸汽压在0.1Pa以上的有机化合物，含有氮、硅、硼、磷、硫、卤素、氧元素的化合物以及氮气中的一种或两种及以上。