CN107513690A - 一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于真空镀膜技术领域，提供了一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层及其制备方法。所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层涂覆在基底上，包括在所述基底上沉积的金属过渡层，在所述金属过渡层上依次交替沉积的立方氮化硼涂层和类金刚石涂层，所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的最外层为类金刚石涂层。本发明提供的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，不仅涂层应力小，而且涂层韧性好，具有较长的使用寿命和较好的耐磨性。

Description

一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于真空镀膜技术领域，尤其涉及一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层及其制备方法。
背景技术
类金刚石(DLC)是一种含有sp2和sp3键合特征的非晶碳材料，具有高硬度、低摩擦、良好的导热及生物相容性能，在刀具、模具、零部件以及生物医疗器件等领域有着广泛的应用前景。但是由于残余应力高，导致使用类金刚石制备的涂层易剥落，膜基结合强度低，且韧性较差，极大限制了类金刚石涂层的工业应用。为了解决类金刚石涂层的残余应力问题，研究人员采取了多种技术手段，如：热退火、掺杂、加脉冲偏压、多层复合结构设计等，其中多层复合结构是通过两种具有不同弹性模量的材料交替沉积形成，由于层界面的增加使得涂层单层厚度降低，可以减小涂层的弯曲应力；此外，层界面对裂纹具有偏转和钝化作用，可以提高涂层的整体韧性。
目前，有关类金刚石复合涂层的工作报道多是含金属掺杂的类金刚石，类金刚石的多层结构涂层少有报道，现有专利公开了一种类金刚石复合二硫化钼纳米多层薄膜及其制备方法，具体公开了采用双靶磁控溅射技术在不锈钢基底上交替沉积类金刚石层和二硫化钼层，最终获得类金刚石复合二硫化钼纳米多层薄膜，制备方法如下：对不锈钢基底进行超声清洗预处理，然后置于MFD800型双靶磁控溅射气相沉积系统的真空腔中，依次进行以下步骤：(a)预抽真空至5x10-4Pa，偏压为-500～-1000V，对不锈钢基底进行20～30min的氩等离子体溅射活化处理；(b)单层类金刚石碳薄膜沉积，采用直流电源控制石墨靶，靶电流为1.0～1.4A，沉积压强0.8Pa，基底偏压-200～-400V，沉积时间1～15min；(c)单层二硫化钼润滑层沉积，采用射频电源控制二硫化钼靶，功率为200～600W,沉积时间为1～10min；(d)重复(b)和(c)步骤，交替沉积类金刚石层和二硫化钼层，直到所需厚度或层数，最终在不锈钢基底表面获得类金刚石复合二硫化钼纳米多层薄膜。这种双靶磁控溅射方法制备类金刚石和二硫化钼复合涂层的技术，虽然能够一定程度减小类金刚石的残余应力，增加涂层的韧性，但是一方面，二硫化钼容易被氧化，导致得到的涂层使用寿命短，且摩擦系数对环境依赖大；另一方面，二硫化钼与类金刚石结合力弱。此外，采用双靶磁控溅射方法，磁控溅射等离子体集中在环形磁场区域，靶材利用率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，旨在解决现有类金刚石涂层存在的残余应力大、韧性低、使用寿命短、耐磨性差的问题。
本发明的另一目的在于提供一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备方法。
本发明是这样实现的，一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层涂覆在基底上，包括在所述基底上沉积的金属过渡层，在所述金属过渡层上依次交替沉积的立方氮化硼涂层和类金刚石涂层，所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的最外层为类金刚石涂层。
相应的，一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
提供一基底，对所述基底进行表面清洁处理；
在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中通入氩气，流量为50～400sccm，调节真空室压强为0.2～1.3Pa，开启过渡金属电弧靶，调节靶电流为80～200A，基底偏压100～300V，在所述基底表面沉积过渡金属层；
继续通入氩气，调节真空室内的压强为0.4～1.0Pa，调节立方氮化硼或六方氮化硼电弧靶的靶电压为15～25V，靶电流降为10～30A，基底偏压30～200V，沉积立方氮化硼涂层；
向真空室中通入乙炔，调节质量流量计使真空室内的压强为0.5～1.0Pa，离子源电压为50～100V，基底偏压50～200V，在所述立方氮化硼涂层上沉积类金刚石涂层；
按照上述方法依次交替沉积立方氮化硼涂层与类金刚石涂层，得到最外层为类金刚石涂层的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层。
本发明提供的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，充分缓解了类金刚石膜层本身的内应力，同时也有效地增加了涂层与基底材料之间的结合力，提高了涂层的整体韧性，延长了使用寿命并具有较好的耐磨性。
本发明提供的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备方法，通过在同一个设备上采用离子源和电弧离子镀相结合的复合沉积、并周期性改变沉积工艺制备类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，不仅工艺简单方便，易于操作；更重要的是，本发明所述方法制备得到的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，充分缓解了类金刚石膜层本身的内应力，同时也有效地增加了涂层与基材之间的结合力，提高了涂层的整体韧性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备工艺流程图；
图3是本发明实施例提供的制备类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的离子源/电弧离子镀复合镀膜设备结构图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
结合图1，本发明实施例提供了一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层涂覆在基底10上，包括在所述基底10上沉积的金属过渡层20，在所述金属过渡层20上依次交替沉积的立方氮化硼涂层30和类金刚石涂层40，所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的最外层为类金刚石涂层40。
本发明实施例中，一方面，采用类金刚石作为类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的原料，相比于金刚石(硬度过高，残余应力相对较高；且自润滑性差，韧性不好)，所述类金刚石具有更好的韧性和自润滑性，其残余应力也相对较低，适合本发明实施例类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的形成，并能赋予该复合涂层较好的性能。另一方面，立方氮化硼(cBN)是一种立方结构的氮化硼，其在硬度和热导率方面仅次于金刚石，同时具有优于金刚石的热稳定性、化学稳定性和抗氧化性，且其稳定性受环境影响相对较小，与类金刚石的结合能力较强。因此，本发明实施例采用所述立方氮化硼作为类金刚石的复合涂层材料，在保证复合涂层整体硬度的前提下，可以提高使用寿命和与类金刚石的结合能力，进而通过多层结构设计，实现类金刚石涂层应力的降低和类金刚石韧性的增加。
具体的，本发明实施例采用依次交替沉积的立方氮化硼涂层30和类金刚石涂层40来形成类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，即在所述金属过渡层20上先沉积一层立方氮化硼涂层30，然后在所述立方氮化硼涂层30上沉积一层类金刚石涂层40，然后依次周期性交替沉积立方氮化硼涂层30和类金刚石涂层40。与单独沉积一层立方氮化硼涂层和类金刚石涂层比较，由于本发明实施例中层界面增加，使得所述立方氮化硼涂层30和类金刚石涂层40的沉积厚度很薄，因此可以有利于应力的均匀释放，从而得到性能均匀的复合涂层；此外，层界面对裂纹具有偏转和钝化作用，可以提高复合涂层的整体韧性。
由于所述立方氮化硼与所述过渡金属的结合力较好，而所述类金刚石具有更高的硬度、且摩擦系数低，耐磨性均较好，因此，本发明实施例中，所述立方氮化硼涂层30沉积在所述金属过渡层20上，而所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的最外层为类金刚石涂层40，从而保证了所述复合涂层的性能。
更具体的，本发明实施例中，所述基底10为硬质基底，包括但不限于碳素钢、不锈钢、高速钢、硬质合金、陶瓷中的一种。
为了提高所述基底10与所述立方氮化硼涂层30之间的结合强度，所述立方氮化硼涂层30和所述基底10之间设置有金属过渡层20，所述金属过渡层20作为缓冲层沉积在所述基底10的表面。作为优选实施例，所述金属过渡层由过渡金属制备而成，其中，所述过渡金属为Cr、Ti、Ni、Zr、W中的至少一种。本发明实施例中，所述金属过渡层20的厚度不易过厚或过薄，若厚度过厚，则容易影响后续沉积的所述立方氮化硼涂层30和类金刚石涂层40的性能；若厚度过薄，则难以达到提高所述基底10与所述立方氮化硼涂层30之间的结合强度的作用。作为优选实施例，所述过渡金属层的厚度为100～500nm。
所述立方氮化硼涂层30作为所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的功能层，具有优异的热稳定性、化学稳定性和抗氧化性，且其稳定性受环境影响相对较小；此外，所述立方氮化硼涂层30与所述类金刚石涂层40具有很好的结合力，与所述类金刚石涂层40交替沉积，能有效释放残余应力。采用所述立方氮化硼涂层30，能够提高复合涂层的结合力，同时提高所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的使用寿命和整体韧性，并有效降低复合涂层的残余应力。本发明实施例所述立方氮化硼涂层30的厚度不易过厚或过薄，当所述立方氮化硼涂层30过厚时，应力增大，所述立方氮化硼涂层30与所述类金刚石涂层40不能较好地结合，不利于残余应力逐步均匀的释放，从而导致得到的产品性能不均匀如力学性能；当所述立方氮化硼涂层30过薄时，不能有效实现上述效果。因此，作为优选实施例，所述立方氮化硼涂层30的厚度为0.5～2μm。
本发明实施例中，基于同样的道理，当所述类金刚石涂层40过厚时，所述立方氮化硼涂层30与所述类金刚石涂层40不能较好地结合，不利于残余应力逐步均匀的释放，从而导致得到的产品性能不均匀如力学性能；当所述类金刚石涂层40过薄时，不能有效实现类金刚石的效果。因此，作为优选实施例，所述的类金刚石涂层40的厚度为0.5～2μm。
本发明实施例中，所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的整体厚度，对形成的产品性能影响较大。具体的，所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层过薄时，在生产实践中较容易消耗殆尽；所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层过厚时，会降低复合涂层的锋利度。作为优选实施例，所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的厚度为1.5-30μm。
本发明实施例提供的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，充分缓解了类金刚石膜层本身的内应力，同时也有效地增加了涂层与基底材料之间的结合力，提高了涂层的整体韧性，延长了使用寿命并具有较好的耐磨性。
本发明实施例所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层可以通过下述方法制备获得。
相应地，结合图2、图3，本发明实施例还提供了一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备方法，包括以下步骤，其工艺流程图如图2所示：
S01.提供一基底，对所述基底进行表面清洁处理；
S02.在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中通入氩气，流量为50～400sccm，调节真空室压强为0.2～1.3Pa，开启过渡金属电弧靶，调节靶电流为80～200A，基底偏压100～300V，在所述基底表面沉积过渡金属层；
S03.继续通入氩气，调节真空室内的压强为0.4～1.0Pa，调节立方氮化硼或六方氮化硼电弧靶的靶电压为15～25V，靶电流降为10～30A，基底偏压30～200V，沉积立方氮化硼涂层；
S04.向真空室中通入乙炔，调节质量流量计使真空室内的压强为0.5～1.0Pa，离子源电压为50～100V，基底偏压50～200V，在所述立方氮化硼涂层上沉积类金刚石涂层；
S05.按照S03、S04所述方法依次交替沉积立方氮化硼涂层与类金刚石涂层，得到最外层为类金刚石涂层的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层。
具体的，上述步骤S01中，所述表面清洁处理包括表面预处理、辉光清洗、离子刻蚀清洗中的至少一种。为了更好的提高所述基底表面的清洁度提高后续沉积的各功能层在所述基底上的附着力，进而利于所述基底与后续涂层的结合，作为优选实施例，所述表面清洁处理依次包括表面预处理、辉光清洗、离子刻蚀清洗。
作为一个具体优选实施例，所述表面预处理的方法为：
先将所述基底依次放入蒸馏水、有机酮溶液、无水醇溶液中进行超声清洗处理，用干燥惰性气体将所述基底表面吹干，再将所述基底放入干燥箱中80～150℃烘干；其中，所述蒸馏水超声处理可以去除残留在所述基底表面的水溶性污渍，包括氧化物、部分有机物等；进一步的，采用有机酮溶液超声处理，可以除去残留在所述基底上的大部分有机物，所述有机酮更优选为丙酮；更进一步地，采用无水醇溶液超声处理，可以去除残余的氧化物和有机物，从而实现更佳的清洁效果。为了获得较好的清洁效果，所述蒸馏水超声处理、有机酮溶液超声处理、无水醇溶液超声处理的时间分别优选为10-20min。为了防止基底表面钝化，在所述前处理的上述各项超声清洗完成后，还包括将所述基底采用惰性气体吹干，在惰性气体的保护下防止其表面被氧化钝化等，所述惰性气体包括但不限于氮气。进一步将所述基底放入干燥箱中80～150℃烘干，可以进一步干燥肉眼不可见的水份，且为了避免所述基底受到影响，干燥温度不易过高。
将烘干后的所述基底固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中的转架上，所述在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备如图3所示，对真空室进行抽真空处理，当真空室压强抽到5.0×10-3Pa以后，打开加热电源对真空室进行加热烘烤，加热温度为100～500℃，加热过程中开启转架系统，使所述基底进行公自传。具体的，抽真空处理的操作方法为：关闭真空室门，打开水冷机将离子源、多弧靶、分子泵、真空腔室的水路接通，打开空压机和复合镀膜机总电源，然后开启机械泵和旁抽阀以及分子泵，使分子泵进入爬升状态；当分子泵达到全速以后，关闭旁抽阀，打开粗抽阀，对真空室进行粗抽；当真空室内压强达到10Pa以下后，再次打开旁抽阀；当真空室压强达到3Pa以下后，关闭粗抽阀，开启高阀对真空室抽高真空。对真空室进行加热烘烤，可以将所述基底和真空室内的水份进行烘干，从而保证了后续涂层的性能。为了避免所述基底受到影响，干燥温度不易过高。将所述基底进行公自传，可以使所述基底受热均匀。
进一步的，将经过表面清洁处理后的所述基底表面进行离子轰击清洗。所述离子轰击清洗采用活性的等离子体或者粒子轰击所述基底表面，使污染物脱离表面最终被真空泵吸走；且清洗之后使所述基底的表面在原子级范围内变得更加“粗糙”，改变表面的粘接特性，进一步提升与涂层的粘结性。所述离子轰击清洗包括辉光清洗和离子刻蚀清洗。
作为另一个具体优选实施例，本发明实施例当真空度达到3.0×10-3Pa时，开始进行辉光清洗，以便面杂质或氧分子对制备带来的不利影响。所述辉光处理的方法为：
将所述基底固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中的转架上，向真空室内通入氩气或氢气，当通入氩气时，氩气流量300～500sccm，工作压强为1.0～1.7Pa，基底偏压-500～-800V，对所述基底进行辉光清洗，清洗时间10～30min；当通入氢气时，氢气流量200～400sccm，工作压强为0.8～1.5Pa，基底偏压-500～-800V，对所述基底进行辉光清洗，清洗时间10～30min。
具体的，本发明实施例所述气体流量、工作压强、基底偏压对沉积的涂层有较大影响，若低于上述参数，不能实现较好的清洗效果；若参数太高，则会导致过度刻蚀，使所述基底表面太过粗糙。
所述离子刻蚀清洗是用氩气或氢气等在离子源中离化成等离子体，对所述基底进行离子轰击清洗的方法。作为再一个具体优选实施例，所述离子刻蚀清洗的方法为：
将所述基底固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中的转架上，开启离子源对所述进行离子轰击清洗，其中，离子源电压为50～90V，气体流量70～500sccm，工作压强0.5～1.7Pa，基底偏压为100～800V；清洗时间10～30min。
同样的，本发明实施例所述离子源电压、气体流量、工作压强、基底偏压对沉积的涂层有较大影响，若低于上述参数，不能实现较好的清洗效果；若参数太高，则会导致过度轰击，使所述基底表面太过粗糙。所述气体更优选为氩气或氢气。
上述步骤S02中，通入氩气可以形成惰性环境，从而防止其他气体与所述靶材发生化学反应、进而影响沉积效果。进一步的，所述气体流量、真空室压强、靶电流和基底偏压有严格的限定，不易过高或过低，当上述参数过高时，沉积的所述过渡金属层膜厚降低，则不能有效实现其功能；当上述参数过低时，不利于所述过渡金属层的沉积。为了获得性能、厚度合适的所述过渡金属层，沉积时间优选为2-10min。本发明实施例优选的氩气，能够提供一个安全的沉积环境，且有效防止沉积材料的氧化。
上述步骤S03中，继续通入氩气可以形成惰性环境，从而防止其他气体与所述靶材发生化学反应、进而影响沉积效果。进一步的，所述氮化硼电弧靶可以采用立方氮化硼电弧靶或六方氮化硼(hBN)电弧靶，本发明实施例更优选使用六方氮化硼电弧靶，从而得到更加致密、均匀、性能优异的立方氮化硼涂层。更进一步地，所述真空室压强、靶电压、靶电流和基底偏压对沉积得到的立方氮化硼涂层的性能影响较大，当所述真空室压强、靶电压、靶电流和基底偏压过高时，会导致所述立方氮化硼的微观结构发生变化，具体的，且得到的膜层距间隙大、疏松，不致密，形成其他氮化硼结构、而非立方氮化硼结构；若参数过低，则沉积的所述立方氮化硼涂层厚度降低，则不能有效实现其功能。为了获得性能、厚度合适的所述立方氮化硼涂层，沉积时间优选为20-100min。本发明实施例优选的氩气，能够提供一个安全的沉积环境，且有效防止沉积材料的氧化。
上述步骤S04中，本发明实施例不采用甲烷而仅采用乙炔作为沉积类金刚石涂层的工作气体，可以防止由于甲烷作为工作气体时，沉积涂层含氢量过大而导致的结构改变、力学性能差的问题。所述真空室压强、离子源电压和基底偏压对沉积得到的类金刚石涂层的性能影响较大，当上述参数过高时，会导致无法获得类金刚石涂层。若参数过低，则沉积的所述类金刚石涂层厚度降低，则不能有效实现其功能。为了获得性能、厚度合适的所述类金刚石涂层，沉积时间优选为20-100min。
上述步骤S05中，按照S03、S04所述方法依次交替沉积立方氮化硼涂层与类金刚石涂层，即可以得到最外层为类金刚石涂层的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层。
涂层沉积结束后，关闭离子源电源以及偏压电源，然后关闭气体质量流量计和气瓶主阀和减压阀；设置降温程序，待温度降到100℃以下后，关闭高阀，打开放气阀，待真空室内压强与外界气压一致时，打开真空室门，然后将样品取出。
本发明实施例提供的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备方法，通过在同一个设备上采用离子源和电弧离子镀相结合的复合沉积、并周期性改变沉积工艺制备类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，不仅工艺简单方便、易于操作、成本低廉，适于产业化应用；更重要的是，本发明实施例所述方法制备得到的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，充分缓解了类金刚石膜层本身的内应力，同时也有效地增加了涂层与基材之间的结合力，提高了涂层的整体韧性。
下面结合具体实施例进行说明。
实施例1
一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
S11.提供304ss基底，将所述304ss基底依次进行下述处理：
(1)预处理：首先将304ss样品放入蒸馏水中超声清洗5～20min，再将样品放入丙酮溶液中超声清洗10～20min，之后再将样品放入无水乙醇溶液中超声清洗10～20min，然后用干燥氮气将衬底表面吹干，最后再将样品放入鼓风干燥箱中80～150℃烘干；并将烘干后的样片，固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中的转架上；关闭真空室门，打开水冷机将离子源、多弧靶、分子泵、真空腔室的水路接通，打开空压机和复合镀膜机总电源，然后开启机械泵和旁抽阀以及分子泵，使分子泵进入爬升状态；当分子泵达到全速以后，关闭旁抽阀，打开粗抽阀，对真空室进行粗抽；当真空室内压强达到10Pa以下后，再次打开旁抽阀；当真空室压强达到3Pa以下后，关闭粗抽阀，开启高阀对真空室抽高真空。当真空室压强抽到5.0×10-3Pa以后，打开加热电源对真空室进行加热烘烤，加热温度为100～500℃，加热过程中开启转架系统，使样品进行公自传；当真空度达到3.0×10-3Pa时，开始进行辉光清洗；
(2)辉光清洗：打开氩气瓶主阀，减压阀、离子源阀、弧阀和靶阀以及质量流量计向真空室内通入氩气，氩气流量300～500sccm,工作压强为1.0～1.7Pa,基底偏压-500～-800V，对基底进行辉光清洗，清洗时间10～30min；
(3)离子刻蚀清洗：辉光清洗结束后，开启离子源对样品进行离子轰击清洗，离子源电压为50～90V，氩气流量70～500sccm,工作压强0.5～1.7Pa,基底偏压为100～800V；清洗时间10～30min；
S12.金属过渡层的沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入氩气，流量为50～400sccm,调节真空室压强为0.2～1.3Pa，开启过渡金属电弧靶，靶电流为80～200A，基底偏压100～300V进行金属过渡层的沉积，沉积时间2～10min；
S13.立方氮化硼层的沉积：金属过渡层沉积结束后，通入氩气，调节质量流量计使真空室内的压强为0.4～1.0Pa，调节hBN电弧靶的靶电压为15～25V，靶电流降为10～30A，基底偏压30～200V，进行cBN的沉积，沉积时间20～100min；
S14.类金刚石层的沉积：立方氮化硼层沉积结束后打开乙炔气瓶的主阀，然后打开减压阀和质量流量计向真空室中通入乙炔，调节质量流量计使真空室内的压强为0.5～1.0Pa,离子源电压为50～100V,基底偏压50～200V，进行DLC的沉积，沉积时间为20～100min；
S15.依次重复步骤S13和步骤S14制备出立方氮化硼与类金刚石的多层复合结构涂层，其中最外层沉积的是类金刚石涂层；
涂层沉积结束后，关闭离子源电源以及偏压电源，然后关闭气体质量流量计和气瓶主阀和减压阀；设置降温程序，待温度降到100℃以下后，关闭高阀，打开放气阀，待真空室内压强与外界气压一致时，打开真空室门，然后将样品取出。
实施例2
一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
S21.提供YG6硬质合金基底，将所述YG6硬质合金基底依次进行下述处理：
(1)预处理：首先将YG6硬质合金样品放入蒸馏水中超声清洗5～20min，再将样品放入丙酮溶液中超声清洗10～20min，之后再将样品放入无水乙醇溶液中超声清洗10～20min，然后用干燥氮气将衬底表面吹干，最后再将样品放入鼓风干燥箱中80～150℃烘干；并将烘干后的样片，固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备(如图3所示)中的转架上；关闭真空室门，打开水冷机将离子源、多弧靶、分子泵、真空腔室的水路接通，打开空压机和复合镀膜机总电源，然后开启机械泵和旁抽阀以及分子泵，使分子泵进入爬升状态；当分子泵达到全速以后，关闭旁抽阀，打开粗抽阀，对真空室进行粗抽；当真空室内压强达到10Pa以下后，再次打开旁抽阀；当真空室压强达到3Pa以下后，关闭粗抽阀，开启高阀对真空室抽高真空。当真空室压强抽到5.0×10-3Pa以后，打开加热电源对真空室进行加热烘烤，加热温度为100～500℃，加热过程中开启转架系统，使样品进行公自传；当真空度达到3.0×10-3Pa时，开始进行辉光清洗；
(2)辉光清洗：打开氩气瓶主阀，减压阀、离子源阀、弧阀和靶阀以及质量流量计向真空室内通入氩气，氩气流量300～500sccm,工作压强为1.0～1.7Pa,基底偏压-500～-800V，对基底进行辉光清洗，清洗时间10～30min；
(3)离子刻蚀清洗：辉光清洗结束后，开启离子源对样品进行离子轰击清洗，离子源电压为50～90V，氩气流量70～500sccm,工作压强0.5～1.7Pa,基底偏压为100～800V；清洗时间10～30min；
S22.金属过渡层的沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入氩气，流量为50～400sccm,调节真空室压强为0.2～1.3Pa，开启过渡金属电弧靶，靶电流为80～200A，基底偏压100～300V进行金属过渡层的沉积，沉积时间2～10min；
S23.立方氮化硼层的沉积：金属过渡层沉积结束后，通入氩气，调节质量流量计使真空室内的压强为0.4～1.0Pa，调节hBN电弧靶的靶电压为15～25V，靶电流降为10～30A，基底偏压30～200V，进行cBN的沉积，沉积时间20～100min；
S24.类金刚石层的沉积：立方氮化硼层沉积结束后打开乙炔气瓶的主阀，然后打开减压阀和质量流量计向真空室中通入乙炔，调节质量流量计使真空室内的压强为0.5～1.0Pa,离子源电压为50～100V,基底偏压50～200V，进行DLC的沉积，沉积时间为20～100min；
S25.依次重复步骤S23和步骤S24制备出立方氮化硼与类金刚石的多层复合结构涂层，其中最外层沉积的是类金刚石涂层；
涂层沉积结束后，关闭离子源电源以及偏压电源，然后关闭气体质量流量计和气瓶主阀和减压阀；设置降温程序，待温度降到100℃以下后，关闭高阀，打开放气阀，待真空室内压强与外界气压一致时，打开真空室门，然后将样品取出。
实施例3
一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
S31.提供W18Cr4V高速钢基底，将所述W18Cr4V高速钢基底依次进行下述处理：
(1)预处理：首先将W18Cr4V高速钢样品放入蒸馏水中超声清洗5～20min，再将样品放入丙酮溶液中超声清洗10～20min，之后再将样品放入无水乙醇溶液中超声清洗10～20min，然后用干燥氮气将衬底表面吹干，最后再将样品放入鼓风干燥箱中80～150℃烘干；并将烘干后的样片，固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备(如图3所示)中的转架上；关闭真空室门，打开水冷机将离子源、多弧靶、分子泵、真空腔室的水路接通，打开空压机和复合镀膜机总电源，然后开启机械泵和旁抽阀以及分子泵，使分子泵进入爬升状态；当分子泵达到全速以后，关闭旁抽阀，打开粗抽阀，对真空室进行粗抽；当真空室内压强达到10Pa以下后，再次打开旁抽阀；当真空室压强达到3Pa以下后，关闭粗抽阀，开启高阀对真空室抽高真空。当真空室压强抽到5.0×10-3Pa以后，打开加热电源对真空室进行加热烘烤，加热温度为100～500℃，加热过程中开启转架系统，使样品进行公自传；当真空度达到3.0×10-3Pa时，开始进行辉光清洗；
(2)辉光清洗：打开氩气瓶主阀，减压阀、离子源阀、弧阀和靶阀以及质量流量计向真空室内通入氩气，氩气流量300～500sccm,工作压强为1.0～1.7Pa,基底偏压-500～-800V，对基底进行辉光清洗，清洗时间10～30min；
(3)离子刻蚀清洗：辉光清洗结束后，开启离子源对样品进行离子轰击清洗，离子源电压为50～90V，氩气流量70～500sccm,工作压强0.5～1.7Pa,基底偏压为100～800V；清洗时间10～30min；
S32.金属过渡层的沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入氩气，流量为50～400sccm,调节真空室压强为0.2～1.3Pa，开启过渡金属电弧靶，靶电流为80～200A，基底偏压100～300V进行金属过渡层的沉积，沉积时间2～10min；
S33.立方氮化硼层的沉积：金属过渡层沉积结束后，通入氩气，调节质量流量计使真空室内的压强为0.4～1.0Pa，调节hBN电弧靶的靶电压为15～25V，靶电流降为10～30A，基底偏压30～200V，进行cBN的沉积，沉积时间20～100min；
S34.类金刚石层的沉积：立方氮化硼层沉积结束后打开乙炔气瓶的主阀，然后打开减压阀和质量流量计向真空室中通入乙炔，调节质量流量计使真空室内的压强为0.5～1.0Pa,离子源电压为50～100V,基底偏压50～200V，进行DLC的沉积，沉积时间为20～100min；
S35.依次重复步骤S34和步骤S35制备出立方氮化硼与类金刚石的多层复合结构涂层，其中最外层沉积的是类金刚石涂层；
涂层沉积结束后，关闭离子源电源以及偏压电源，然后关闭气体质量流量计和气瓶主阀和减压阀；设置降温程序，待温度降到100℃以下后，关闭高阀，打开放气阀，待真空室内压强与外界气压一致时，打开真空室门，然后将样品取出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，其特征在于，所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层涂覆在基底上，包括在所述基底上沉积的金属过渡层，在所述金属过渡层上依次交替沉积的立方氮化硼涂层和类金刚石涂层，所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的最外层为类金刚石涂层。
2.如权利要求1所述的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，其特征在于，所述金属过渡层由过渡金属制备而成，其中，所述过渡金属为Cr、Ti、Ni、Zr、W中的至少一种。
3.如权利要求1所述的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，其特征在于，所述类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的厚度为1.5-30μm。
4.如权利要求1-3任一所述的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，其特征在于，所述过渡金属层的厚度为100～500nm；和/或
所述立方氮化硼涂层的厚度为0.5～2μm；和/或
所述的类金刚石涂层的厚度为0.5～2μm。
5.如权利要求1-3任一所述的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层，其特征在于，所述基底为碳素钢、不锈钢、高速钢、硬质合金、陶瓷中的一种。
6.一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
提供一基底，对所述基底进行表面清洁处理；
在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中通入氩气，流量为50～400sccm，调节真空室压强为0.2～1.3Pa，开启过渡金属电弧靶，调节靶电流为80～200A，基底偏压100～300V，在所述基底表面沉积过渡金属层；
继续通入氩气，调节真空室内的压强为0.4～1.0Pa，调节立方氮化硼或六方氮化硼电弧靶的靶电压为15～25V，靶电流降为10～30A，基底偏压30～200V，沉积立方氮化硼涂层；
向真空室中通入乙炔，调节质量流量计使真空室内的压强为0.5～1.0Pa，离子源电压为50～100V，基底偏压50～200V，在所述立方氮化硼涂层上沉积类金刚石涂层；
按照上述方法依次交替沉积立方氮化硼涂层与类金刚石涂层，得到最外层为类金刚石涂层的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层。
7.如权利要求6所述的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备方法，其特征在于，所述表面清洁处理包括表面预处理、辉光清洗、离子刻蚀清洗中的至少一种。
8.如权利要求7所述的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备方法，其特征在于，所述表面清洁处理依次包括表面预处理、辉光清洗、离子刻蚀清洗。
9.如权利要求6或7所述的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备方法，其特征在于，所述表面预处理的方法为：
先将所述基底依次放入蒸馏水、有机酮溶液、无水醇溶液中进行超声清洗处理，用干燥惰性气体将所述基底表面吹干，再将所述基底放入干燥箱中80～150℃烘干；
将烘干后的所述基底固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中的转架上，对真空室进行抽真空处理，当真空室压强抽到5.0×10-3Pa以后，打开加热电源对真空室进行加热烘烤，加热温度为100～500℃，加热过程中开启转架系统，使所述基底进行公自传。
10.如权利要求6或7所述的类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层的制备方法，其特征在于，所述辉光处理的方法为：
将所述基底固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中的转架上，向真空室内通入氩气或氢气，当通入氩气时，氩气流量300～500sccm，工作压强为1.0～1.7Pa，基底偏压-500～-800V，对所述基底进行辉光清洗，清洗时间10～30min；当通入氢气时，氢气流量200～400sccm，工作压强为0.8～1.5Pa，基底偏压-500～-800V，对所述基底进行辉光清洗，清洗时间10～30min；和/或
所述离子刻蚀清洗的方法为：
将所述基底固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中的转架上，开启离子源对所述基底进行离子轰击清洗，其中，离子源电压为50～90V，气体流量70～500sccm，工作压强0.5～1.7Pa，基底偏压为100～800V；清洗时间10～30min。
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