CN108977759B - 一种散裂靶靶球表面金属等离子体浸没离子注入与沉积复合强化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粉末冶金技术领域，更具体地公开了一种散裂靶靶球表面金属等离子体浸没离子注入与沉积复合强化处理方法，所述强化处理方法包括散裂靶靶球的预处理，TiSiN、TiAlN、TiAlSiN、TiAlSiN/h‑BN离子注入与沉积等步骤。本发明解决了粉末冶金技术制备的非金属间化合物形态的散裂靶钨铁镍靶球磨损率高，薄膜与基体之间残余应力大、膜基结合力差和单一膜层承载能力差等问题，有效抑制了薄膜表面剥落，并能够制备出一种高膜基结合力，高硬度、摩擦系数低、耐磨损能力强的梯度功能复合薄膜。

Description

一种散裂靶靶球表面金属等离子体浸没离子注入与沉积复合 强化处理方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，更具体地涉及一种散裂靶靶球表面金属等离子体浸没离子注入与沉积复合强化处理方法。

背景技术

从2011年中科院近代物理研究所提出在散裂反应过程中，通过小尺寸颗粒靶代替块状靶或液态靶在强质子轰击靶球时产生高额中子，为反应堆提供中子源。这种设计的优点是可以通过小尺寸靶球的流通过程迅速将散裂反应产生的热量进行外部释放，并且有效提高散裂反应的中子产额。在散裂靶系统中，由于存在散裂反应，会产生大量的放射性射线，诸如α射线，β射线及γ射线。因此，在散裂靶系统服役过程中，为保证散裂反应的持续稳定运行，要求散裂靶靶球在循环滚动摩擦过程中要对靶球的磨损率进行严格控制。但是靶球的设计及服役环境根据整体规划又存在一些难题，如散裂系统中散裂靶靶球的装载量为100吨，意味着靶球在运动过程中要承受较高的载荷和冲击；此外，散裂靶靶球的提升部分设计的方案是电磁提拉系统，要求散裂靶靶球必须具备良好的磁性，因此靶球内部必须含有适量的磁性元素，如Ni，Fe。同时为了提高散裂反应的中子产额，靶球内部还需要含有较高含量的W（W的含量为95%）。而W和Ni，Fe的熔点差异极大，通过普通的铸造工艺无法形成稳定的金属间化合物，因此，目前散裂靶靶球的制备是通过粉末冶金技术制备，通过前期的实验测试发现该靶球在施加5N载荷，滑动速度为2.8m/min条件下磨损率高达2%。显然，在实际工况条件下，其磨损率更高。另外，在散裂反应过程中，靶球需要承受急速热冲击，通过相关的理论模拟计算发现在几秒之内靶球能够迅速的从室温提高到1000℃，虽然热冲击时间较短，但是对于粉末冶金靶球而言，高载荷和强热冲击会在后续散裂靶靶球的滚动过程中致使靶球变形、皴裂甚至靶球颗粒之间的黏连。导致靶球在散裂装置中的滚动环境恶化，加剧了靶球的磨损。更为严重的是靶球之间的黏连所形成的大颗粒容易在流通至散热器内部时堵塞颗粒流通，引起重大事故的发生。

为降低靶球磨损率，通过表面改性技术对靶球进行处理是最为常用的方法。但是针对靶球是通过粉末冶金技术制备，W、Ni、Fe颗粒在高温加热和压力挤压过程中最后形成W单质和FeNi合金形式存在，并非形成结构均匀的金属间化合物，因此靶球内部颗粒之间的结合力很低，普通的镀膜技术（诸如磁控溅射镀膜、真空蒸镀镀膜）等虽然可以得到均匀的、厚的膜层，但由于在成膜初期，等离子体由于能量低，对靶球表面的轰击强度低，因此薄膜与基体之间由于缺乏弱的离子轰击而形成明显的界面层，膜基结合力不够牢固，膜层易剥落，对于CiADS系统中的散裂靶循环系统中的散裂靶靶颗粒而言，上述技术无法满足实际应用的要求。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种散裂靶靶球表面金属等离子体浸没离子注入与沉积复合强化处理方法。

具体采用的技术方案为：一种散裂靶靶球表面金属等离子体浸没离子注入与沉积复合强化处理方法，所述强化处理方法包括以下步骤：

（1）散裂靶靶球在乙醇溶液中进行超声清洗；

（2）将散裂靶靶球放置真空靶台上，抽真空并启动溅射清洗设备对散裂靶靶球进行氩离子溅射清洗；

（3）对散裂靶靶球进行钛离子注入，钛等离子体由纯度为99.99%的铸态钛阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，钛离子注入工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，主弧电压为40-80V，主弧脉冲宽度为200-500μs，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，处理时间为0.5-1h；

（4）对步骤（3）中处理过的散裂靶靶球进行TiSiN离子注入与沉积：Ti，Si等离子体由TiSi阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，N离子通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiSiN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，主弧电压为40-80V，主弧脉宽为3-5ms，处理时间为1.0-2.0h；

（5）对步骤（4）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlN离子注入与沉积：Ti，Al等离子体由TiAl阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，N离子通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiAlN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，主弧电压为40-80V，主弧脉宽为3-5ms，处理时间为1.0-2.0h；

（6）对步骤（5）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlSiN离子注入与沉积：Ti，Al，Si等离子体由上述TiSi阴极和TiAl阴极通过真空腔室两侧的磁过滤脉冲阴极弧源分别产生并引入到腔室内部，N离子通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiAlSiN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，主弧电压为40-80V，主弧脉宽为3-5ms，处理时间为2.0-5.0h；

（7）对步骤（6）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlSiN/h-BN离子注入与沉积：Ti，Al，Si等离子体由上述TiSi阴极和TiAl阴极通过真空腔室两侧的磁过滤脉冲阴极弧源分别产生并引入到腔室内部，N离子通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W，h-BN是通过真空腔室侧壁的磁控溅射设备提供等离子体，TiAlSiN/h-BN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，主弧电压为40-80V，主弧脉宽为3-5ms，处理时间为1.0-2.0h。

所述步骤（3）中钛离子注入过程中，对散裂靶靶球所施加的高压脉冲宽度大于主弧放电脉冲宽度，偏压脉冲较主弧脉冲延时100-500μs。

所述步骤（4）中Si在TiSi阴极中的质量百分比在3wt.%-10 wt.%之间。

所述步骤（5）中Al在TiAl阴极中的质量百分比在5wt.%-25 wt.%之间。

对步骤（7）中处理过的散裂靶靶球进行h-BN/DLC复合薄膜注入层制备：DLC膜由真空腔室通入C₂H₂通过溅射设备离化产生，溅射功率为300W；h-BN薄膜通过磁控溅射溅射h-BN靶材产生，其溅射平均电流为1A，溅射功率为600W；h-BN/DLC复合薄膜注入镀膜过程中真空腔室的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25 kV，偏压脉冲宽度为80 ~120μs，偏压脉冲频率为75-90Hz，处理时间为0.5-1h。

本发明对钨镍铁靶球表面首先进行钛离子注入，依靠Ti离子的活性在靶球表面形成钛离子注入层，通过后续离子注入与沉积过程中所释放的热量加速Ti离子的扩散，对后续靶球与薄膜的膜基结合力起到良好的铺垫作用；而后分别制备了TiSiN纳米复合结构注入与沉积膜层，TiAlN纳米复合结构注入与沉积膜层，TiAlSiN纳米复合结构注入与沉积膜层，TiAlSiN/h-BN纳米复合结构注入与沉积膜层。这种沉积层具有很强的承载能力和极低的摩擦系数，使经过强化处理的散裂靶靶球在高速重载的情况下仍具有良好的耐磨损性能，同时也提高了散裂靶靶球表面及亚表面的硬度和承载能力。

附图说明

图1是以6mm镀膜小球作为摩擦副在316L不锈钢基体表面进行的室温摩擦系数对比图；

图2是对316L不锈钢基体与散裂靶靶球镀膜前后的三维轮廓磨痕测试曲线图。

图中：1：镀膜前；2：镀膜后。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提供一种散裂靶靶球表面金属等离子体浸没离子注入与沉积复合强化处理方法，所述强化处理方法包括以下步骤：

（1）散裂靶靶球在乙醇溶液中进行超声清洗；

（2）将散裂靶靶球放置真空靶台上，抽真空并启动溅射清洗设备对散裂靶靶球进行氩离子溅射清洗；

（3）对散裂靶靶球进行钛离子注入，钛等离子体由纯度为99.99%的铸态钛阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，钛离子注入工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，主弧电压为40-80V，主弧脉冲宽度为200-500μs，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，处理时间为0.5-1h；

（4）对步骤（3）中处理过的散裂靶靶球进行TiSiN离子注入与沉积：Ti，Si等离子体由TiSi阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiSiN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，主弧电压为40-80V，主弧脉宽为3-5ms，处理时间为1.0-2.0h；

（5）对步骤（4）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlN离子注入与沉积：Ti，Al等离子体由TiAl阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiAlN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，主弧电压为40-80V，主弧脉宽为3-5ms，处理时间为1.0-2.0h；

（6）对步骤（5）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlSiN离子注入与沉积：Ti，Al，Si等离子体由上述TiSi阴极和TiAl阴极通过真空腔室两侧的磁过滤脉冲阴极弧源分别产生并引入到腔室内部，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiAlSiN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，主弧电压为40-80V，主弧脉宽为3-5ms，处理时间为2.0-5.0h；

（7）对步骤（6）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlSiN/h-BN离子注入与沉积：Ti，Al，Si等离子体由上述TiSi阴极和TiAl阴极通过真空腔室两侧的磁过滤脉冲阴极弧源分别产生并引入到腔室内部，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W，h-BN是通过真空腔室侧壁的磁控溅射设备提供等离子体，TiAlSiN/h-BN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，主弧电压为40-80V，主弧脉宽为3-5ms，处理时间为1.0-2.0h。

所述步骤（3）中钛离子注入过程中，对散裂靶靶球所施加的高压脉冲宽度大于主弧放电脉冲宽度，偏压脉冲较主弧脉冲延时100-500μs。在此过程为纯注入过程，以实现膜层与基体的高结合强度。

所述步骤（4）中Si在TiSi阴极中的质量百分比在3wt.%-10 wt.%之间，以实现膜层的高韧性，提高膜层的抗磨损性能。

所述步骤（5）中Al在TiAl阴极中的质量百分比在5wt.%-25 wt.%之间，TiAl阴极电离出的Al离子可以有效提高抗高温氧化性能，同时还会提升膜层的纳米硬度。

对步骤（7）中处理过的散裂靶靶球进行h-BN/DLC复合薄膜注入层制备：DLC膜由真空腔室通入C₂H₂通过溅射设备离化产生，溅射功率为300W；h-BN薄膜通过磁控溅射溅射h-BN靶材产生，其溅射平均电流为1A，溅射功率为600W；h-BN/DLC复合薄膜注入镀膜过程中真空腔室的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25 kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率为75-90Hz，处理时间为0.5-1h。

本发明中多功能梯度纳米复合薄膜由于在最外层形成了具有润滑效果的h-BN/DLC注入层，因此散裂靶靶球在重载条件下的摩擦系数得到了大幅降低，其磨损寿命比散裂靶靶球未镀膜而直接在316L不锈钢表面直接进行摩擦磨损效果相比提高10倍以上（球盘磨损试验的试验条件：对磨球为镀膜的散裂靶靶球，对磨件材料为316L不锈钢，载荷为500g，转速300r/min）。

本发明中符号h-BN为六方氮化硼，符号DLC为类金刚石薄膜。

Ti离子纯注入过程主要是利用Ti的表面活性高，扩散能力强，在离子注入过程中可以渗入到靶球内层通过进入FeNi合金和W原子晶格内部通过进入原子间隙或原子置换的方式提高界面强度，此外，Ti离子的注入以梯度成分结构方式有效提高了界面层与TiSiN膜层的结合强度。

TiSiN薄膜中因为含有少量的Si原子，可以有效改善膜层的韧性，对较高载荷作用下的力学冲击起到一定的缓震作用效果；在TiAlN薄膜中，Al原子的添加一方面提高了膜层的抗高温氧化性能，另外Al原子半径小，更容易形成间隙固溶体，在TiAlN薄膜中，TiN和AlN纳米晶的存在对薄膜的硬度提高起到重要作用。在TiSiN和TiAlN薄膜的制备完成后，薄膜的强韧性和硬度得到了适量的提高，在此基础上进行TiAlSiN高硬纳米复合薄膜的制备就可以有效缓解薄膜内部的应力，制备出膜基结合强度高、高韧性、抗高温的TiAlSiN纳米复合薄膜。为了在摩擦过程中降低薄膜与摩擦副之间的摩擦系数，在TiAlSiN膜层制备完成后进行磁控溅射-离子注入与沉积复合工艺制备TiAlSiN/h-BN复合薄膜，通过h-BN固体润滑相的合成实现固体润滑的效果。最后，考虑到靶球服役是在无氧He气冷却环境，因此最外层的设计是通过离子注入和磁控溅射的复合工艺进行DLC高硬、低摩擦系数的h-BN/DLC复合薄膜的制备，该膜层由于DLC的存在，进一步降低了摩擦系数，同时其润滑层的服役寿命得到进一步提高。

本发明采用了金属-气体等离子体浸没离子注入与沉积，直接将散裂靶靶球浸泡在等离子体中，然后在靶台表面通过旋转的方式通过网孔带动靶球均匀旋转，实现了靶球表面镀膜的均匀性，通过施加主弧脉冲和偏压脉冲实现了靶球表面的离子注入与沉积强化处理，通过多阴极、多种离子源离化技术手段相结合的方法克服了传统单一离子注入与沉积技术的离子流密度低、成分工艺简单的不足，又通过多层功能薄膜结构及离子注入与沉积脉冲占空比的的设计制备了具有优异致密性和高结合力的多层功能梯度薄膜。本发明解决了散裂装置中粉末冶金技术制备的钨镍铁小尺寸散裂靶靶球磨损率高的问题，同时该方法同样适用于形状复杂的金属零部件，在表面强化领域具有广泛的应用前景。

实施例1

一种散裂靶靶球表面金属等离子体浸没离子注入与沉积复合强化处理方法，所述强化处理方法包括以下步骤：

（1）散裂靶靶球在纯度99.9%的乙醇溶液中重复进行超声清洗2次；

（2）将散裂靶靶球放置真空靶台上，抽真空并启动溅射清洗设备进行氩离子溅射清洗，氩气气体流量控制在15sccm，工作气压为1.0×10^-1 Pa，偏压幅值为2 kV，偏压脉冲宽度为80 μs，脉冲频率为75 Hz，射频功率200 W，处理时间为40 min；

（3）对散裂靶靶球进行钛离子纯注入，钛等离子体由纯度为99.99%的铸态钛作为阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，钛离子注入工作气压为3.0×10^-1 Pa，主弧电压为40V，主弧脉冲宽度为200μs，偏压幅值为15 kV，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75 Hz，处理时间为0.5h；

（4）对步骤（3）中处理过的散裂靶靶球进行TiSiN离子注入与沉积：Ti，Si等离子体由TiSi阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiSiN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1 Pa，偏压幅值为15 kV，偏压脉冲宽度为80 μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75 Hz，主弧电压为40V，主弧脉宽为3ms，处理时间为1.0 h；

（5）对步骤（4）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlN离子注入与沉积：Ti，Al等离子体由TiAl阴极，通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiAlN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1 Pa，偏压幅值为15kV，偏压脉冲宽度为80μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75 Hz，主弧电压为40V，主弧脉宽为3ms，处理时间为1.0 h；

（6）对步骤（5）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlSiN离子注入与沉积：Ti，Al，Si等离子体由上述TiSi阴极和TiAl阴极通过真空腔室两侧的磁过滤脉冲阴极弧源分别产生并引入到腔室内部，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiAlSiN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1 Pa，偏压幅值为15 kV，偏压脉冲宽度为80μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75Hz，主弧电压为40V，主弧脉宽为3 ms，处理时间为1.0 h；

（7）对步骤（6）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlSiN/h-BN离子注入与沉积：Ti，Al，Si等离子体由上述TiSi阴极和TiAl阴极通过真空腔室两侧的磁过滤脉冲阴极弧源分别产生并引入到腔室内部，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W，h-BN则通过真空腔室侧壁的磁控溅射设备提供等离子体，TiAlSiN/h-BN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1 Pa，偏压幅值为15kV，偏压脉冲宽度为80μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75 Hz，主弧电压为40V，主弧脉宽为3 ms，处理时间为1.0 h。

所述步骤（3）中钛离子注入过程中，对散裂靶靶球所施加的高压脉冲宽度大于主弧放电脉冲宽度，偏压脉冲较主弧脉冲延时100 μs。

所述步骤（4）中Si在TiSi阴极中的质量百分比在3wt.%之间。

所述步骤（5）中Al在TiAl阴极中的质量百分比在5wt.%之间。

进一步的，对步骤（7）中处理过的散裂靶靶球进行h-BN/DLC复合薄膜注入层制备：DLC膜由真空腔室通入C₂H₂通过溅射设备离化产生，溅射功率为300W；h-BN薄膜通过磁控溅射溅射h-BN靶材产生，其溅射平均电流为1A，溅射功率为600W；h-BN/DLC复合薄膜注入镀膜过程中真空腔室的工作气压为3.0×10^-1 Pa，偏压幅值为15kV，偏压脉冲宽度为80 μs，偏压脉冲频率为75Hz，处理时间为0.5 h。

通过本发明所述方法可获得表面镀有多层功能梯度纳米复合薄膜的散裂靶靶球；其中步骤（2）至步骤（8）在真空室内进行，真空室本底真空度1.0×10^-4-4.0×10^-3Pa。本发明的多层梯度膜由内到外依次由钛离子注入层、TiSiN纳米复合薄膜离子注入与沉积层、TiAlN纳米复合薄膜注入与沉积层、TiAlSiN纳米复合薄膜注入与沉积层、TiAlSiN/h-BN纳米复合薄膜注入与沉积层和h-BN/DLC纳米复合薄膜注入层组成。

实施例2

一种散裂靶靶球表面金属等离子体浸没离子注入与沉积复合强化处理方法，所述强化处理方法包括以下步骤：

（1）散裂靶靶球在纯度99.9%的乙醇溶液中重复进行超声清洗2次；

（2）将散裂靶靶球放置真空靶台上，抽真空并启动溅射清洗设备进行氩离子溅射清洗，氩气气体流量控制在30sccm，工作气压为6.0×10^-1 Pa，偏压幅值为3 kV，偏压脉冲宽度为120 μs，脉冲频率为90 Hz，射频功率400 W，处理时间为50 min；

（3）对散裂靶靶球进行钛离子纯注入，钛等离子体由纯度为99.99%的铸态钛作为阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，钛离子注入工作气压为6.0×10^-1 Pa，主弧电压为80V，主弧脉冲宽度为500μs，偏压幅值为25 kV，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为90 Hz，处理时间为1h；

（4）对步骤（3）中处理过的散裂靶靶球进行TiSiN离子注入与沉积：Ti，Si等离子体由TiSi阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiSiN薄膜制备过程中的工作气压为6.0×10^-1 Pa，偏压幅值为25 kV，偏压脉冲宽度为120 μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为90 Hz，主弧电压为80V，主弧脉宽为5ms，处理时间为2.0 h；

（5）对步骤（4）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlN离子注入与沉积：Ti，Al等离子体由TiAl阴极，通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiAlN薄膜制备过程中的工作气压为6.0×10^-1 Pa，偏压幅值为25kV，偏压脉冲宽度为120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为90 Hz，主弧电压为80V，主弧脉宽为5ms，处理时间为2.0 h；

（6）对步骤（5）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlSiN离子注入与沉积：Ti，Al，Si等离子体由上述TiSi阴极和TiAl阴极通过真空腔室两侧的磁过滤脉冲阴极弧源分别产生并引入到腔室内部，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiAlSiN薄膜制备过程中的工作气压为6.0×10^-1 Pa，偏压幅值为25 kV，偏压脉冲宽度为120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为90Hz，主弧电压为80V，主弧脉宽为5 ms，处理时间为5.0 h；

（7）对步骤（6）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlSiN/h-BN离子注入与沉积：Ti，Al，Si等离子体由上述TiSi阴极和TiAl阴极通过真空腔室两侧的磁过滤脉冲阴极弧源分别产生并引入到腔室内部，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W，h-BN则通过真空腔室侧壁的磁控溅射设备提供等离子体，TiAlSiN/h-BN薄膜制备过程中的工作气压为6.0×10^-1 Pa，偏压幅值为25kV，偏压脉冲宽度为120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为90 Hz，主弧电压为80V，主弧脉宽为5ms，处理时间为2.0 h。

所述步骤（3）中钛离子注入过程中，对散裂靶靶球所施加的高压脉冲宽度大于主弧放电脉冲宽度，偏压脉冲较主弧脉冲延时500 μs。

所述步骤（4）中Si在TiSi阴极中的质量百分比在10wt.%之间。

所述步骤（5）中Al在TiAl阴极中的质量百分比在25wt.%之间。

进一步的，对步骤（7）中处理过的散裂靶靶球进行h-BN/DLC复合薄膜注入层制备：DLC膜由真空腔室通入C₂H₂通过溅射设备离化产生，溅射功率为300W；h-BN薄膜通过磁控溅射溅射h-BN靶材产生，其溅射平均电流为1A，溅射功率为600W；h-BN/DLC复合薄膜注入镀膜过程中真空腔室的工作气压为6.0×10^-1 Pa，偏压幅值为25kV，偏压脉冲宽度为120 μs，偏压脉冲频率为90Hz，处理时间为1 h。

实施例3

一种散裂靶靶球表面金属等离子体浸没离子注入与沉积复合强化处理方法，所述强化处理方法包括以下步骤：

（1）散裂靶靶球在纯度99.9%的乙醇溶液中重复进行超声清洗2次；

（2）将散裂靶靶球放置真空靶台上，抽真空并启动溅射清洗设备进行氩离子溅射清洗，氩气气体流量控制在25sccm，工作气压为3.0×10^-1 Pa，偏压幅值为2.5 kV，偏压脉冲宽度为100 μs，脉冲频率为80 Hz，射频功率300 W，处理时间为45 min；

（3）对散裂靶靶球进行钛离子纯注入，钛等离子体由纯度为99.99%的铸态钛作为阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，钛离子注入工作气压为4.5×10^-1 Pa，主弧电压为60V，主弧脉冲宽度为350μs，偏压幅值为20 kV，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为80 Hz，处理时间为0.7h；

（4）对步骤（3）中处理过的散裂靶靶球进行TiSiN离子注入与沉积：Ti，Si等离子体由TiSi阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiSiN薄膜制备过程中的工作气压为4.5×10^-1 Pa，偏压幅值为20 kV，偏压脉冲宽度为100 μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为80 Hz，主弧电压为60V，主弧脉宽为4ms，处理时间为1.5 h；

（5）对步骤（4）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlN离子注入与沉积：Ti，Al等离子体由TiAl阴极，通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiAlN薄膜制备过程中的工作气压为4.5×10^-1 Pa，偏压幅值为20kV，偏压脉冲宽度为100μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为80 Hz，主弧电压为60V，主弧脉宽为4ms，处理时间为1.5 h；

（6）对步骤（5）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlSiN离子注入与沉积：Ti，Al，Si等离子体由上述TiSi阴极和TiAl阴极通过真空腔室两侧的磁过滤脉冲阴极弧源分别产生并引入到腔室内部，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiAlSiN薄膜制备过程中的工作气压为4.5×10^-1 Pa，偏压幅值为20 kV，偏压脉冲宽度为100μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为80Hz，主弧电压为60V，主弧脉宽为4 ms，处理时间为3.5 h；

（7）对步骤（6）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlSiN/h-BN离子注入与沉积：Ti，Al，Si等离子体由上述TiSi阴极和TiAl阴极通过真空腔室两侧的磁过滤脉冲阴极弧源分别产生并引入到腔室内部，N离子则是通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W，h-BN则通过真空腔室侧壁的磁控溅射设备提供等离子体，TiAlSiN/h-BN薄膜制备过程中的工作气压为4.5×10^-1 Pa，偏压幅值为20kV，偏压脉冲宽度为100μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为80Hz，主弧电压为60V，主弧脉宽为4ms，处理时间为1.5h。

所述步骤（3）中钛离子注入过程中，对散裂靶靶球所施加的高压脉冲宽度大于主弧放电脉冲宽度，偏压脉冲较主弧脉冲延时300 μs。

所述步骤（4）中Si在TiSi阴极中的质量百分比在7wt.%之间。

所述步骤（5）中Al在TiAl阴极中的质量百分比在15wt.%之间。

进一步的，对步骤（7）中处理过的散裂靶靶球进行h-BN/DLC复合薄膜注入层制备：DLC膜由真空腔室通入C₂H₂通过溅射设备离化产生，溅射功率为300W；h-BN薄膜通过磁控溅射溅射h-BN靶材产生，其溅射平均电流为1A，溅射功率为600W；h-BN/DLC复合薄膜注入镀膜过程中真空腔室的工作气压为4.5×10^-1 Pa，偏压幅值为20kV，偏压脉冲宽度为100 μs，偏压脉冲频率为80Hz，处理时间为1 h。

进行散裂靶靶球镀膜与未镀膜的摩擦磨损磨痕形貌对比试验，在散裂靶靶球表面和在由本发明合成（基体为散裂靶靶球）的多层梯度薄膜上进行加载载荷为5N，摩擦滑动速度为2.8 m/min的摩擦磨损实验，实验结果显示未镀膜前靶球的磨损平面直径为982μm，镀膜后靶球磨损平面直径降低至459μm，通过计算其磨损量降低了10倍。通过摩擦曲线图，图1中316L不锈钢与未镀膜散裂靶靶球室温条件下的摩擦系数较高，约为0.6，而镀膜后其摩擦系数得到大幅降低，其摩擦系数减小至0.1左右；图2中可以看出，由于固体润滑薄膜的存在，与316L不锈钢对磨过程中，其磨痕深度得到大幅降低，镀膜前磨痕深度约为18μm，镀膜后磨痕深度减小至2μm左右。

本发明的解决了粉末冶金技术制备的非金属间化合物形态的散裂靶钨镍铁靶球磨损率高，薄膜与基体之间残余应力大、结合力和承载能力差，薄膜易从基体表面剥落等问题，并能够制备出一种膜基结合力高，硬度高、摩擦系数低的抗磨损的功能梯度薄膜。

Claims (1)

1.一种散裂靶靶球表面金属等离子体浸没离子注入与沉积复合强化处理方法，其特征在于，所述强化处理方法包括以下步骤：

（1）散裂靶靶球在乙醇溶液中进行超声清洗；

（2）将散裂靶靶球放置真空靶台上，抽真空并启动溅射清洗设备对散裂靶靶球进行氩离子溅射清洗；

（3）对散裂靶靶球进行钛离子注入，钛等离子体由纯度为99.99%的铸态钛阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，钛离子注入工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，主弧电压为40-80V，主弧脉冲宽度为200-500μs，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，处理时间为0.5-1h；

（4）对步骤（3）中处理过的散裂靶靶球进行TiSiN离子注入与沉积：Ti，Si等离子体由TiSi阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，N离子通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiSiN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，主弧电压为40-80V，主弧脉宽为3-5ms，处理时间为1.0-2.0h；

（5）对步骤（4）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlN离子注入与沉积：Ti，Al等离子体由TiAl阴极通过磁过滤脉冲阴极弧源产生，N离子通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiAlN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，主弧电压为40-80V，主弧脉宽为3-5ms，处理时间为1.0-2.0h；

（6）对步骤（5）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlSiN离子注入与沉积：Ti，Al，Si等离子体由上述TiSi阴极和TiAl阴极通过真空腔室两侧的磁过滤脉冲阴极弧源分别产生并引入到腔室内部，N离子通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W；TiAlSiN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，主弧电压为40-80V，主弧脉宽为3-5ms，处理时间为2.0-5.0h；

（7）对步骤（6）中处理过的散裂靶靶球进行TiAlSiN/h-BN离子注入与沉积：Ti，Al，Si等离子体由上述TiSi阴极和TiAl阴极通过真空腔室两侧的磁过滤脉冲阴极弧源分别产生并引入到腔室内部，N离子通过对通入的N₂进行溅射产生，溅射功率为300W，h-BN是通过真空腔室侧壁的磁控溅射设备提供等离子体，TiAlSiN/h-BN薄膜制备过程中的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率与主弧脉冲频率相同为75-90Hz，主弧电压为40-80V，主弧脉宽为3-5ms，处理时间为1.0-2.0h；所述步骤（3）中钛离子注入过程中，对散裂靶靶球所施加的高压脉冲宽度大于主弧放电脉冲宽度，偏压脉冲较主弧脉冲延时100-500μs；所述步骤（4）中Si在TiSi阴极中的质量百分比在3wt.%-10 wt.%之间；所述步骤（5）中Al在TiAl阴极中的质量百分比在5wt.%-25 wt.%之间；对步骤（7）中处理过的散裂靶靶球进行h-BN/DLC复合薄膜注入层制备：DLC膜由真空腔室通入C₂H₂通过溅射设备离化产生，溅射功率为300W；h-BN薄膜通过磁控溅射溅射h-BN靶材产生，其溅射平均电流为1A，溅射功率为600W；h-BN/DLC复合薄膜注入镀膜过程中真空腔室的工作气压为3.0×10^-1-6.0×10^-1Pa，偏压幅值为15-25 kV，偏压脉冲宽度为80-120μs，偏压脉冲频率为75-90Hz，处理时间为0.5-1h。

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