CN111962020A - 一种新型ta-c涂层工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型ta‑c涂层工艺，属于ta‑c涂层技术领域，包括以下步骤：S1：清洗等离子清洗基体表面杂质；S2：在已加温的真空炉腔内进行氩离子轰击以清除基体表面杂质；S3：基体表面放置于靶座的永磁场与电磁场叠加的靶材磁场内通过Cr打底；S4：采用HiPIMS磁控电源负偏压，矩形靶做的永磁场与电磁的叠加，很大程度够上增加Ar的离化率；S5：形成的ta‑c涂层与基片的热膨胀系数有差异改变，与基片原子相互扩散可以有效提高粘着力形成ta‑c功能层。靶座的永磁场与电磁场叠加的靶材磁场，提高靶材的溅射效率，也提高了生产效率HiPIMS磁控溅射技术，保证了膜层良好的附着力和膜层的致密性，表面光洁度。

Description

一种新型ta-c涂层工艺
技术领域
本发明涉及属于ta-c涂层技术领域，特别涉及一种新型ta-c涂层工艺。
背景技术
Ta-C涂层是一种四面体非晶碳涂层，无氢碳元素涂层，其sp3与sp2键的比值较高。与其他DLC涂层相比，ta-C膜层具有更高的硬度和抗温性能，并可显著降低摩擦系数。在汽车和航空航天工业中，塑料(包括碳纤维增强塑料CFRP)的应用也在日益增长，在切削这些材料时，刀具的磨损机理完全不同于切削合金钢，切削这些材料的主要挑战之一在于保持切削刃锋利和减小积屑瘤，因为切削这些材料的刀具刃口半径很小，需要刀具涂层厚度也尽可能小。所有这些挑战可通过刀具涂覆性能优异的ta-C涂层并专用于切削非铁金属和塑料来应对。Ta-C涂层的切削刃对铝几乎没有亲和力。ta-C涂层硬度较高，远小于1μm的涂层厚度通常足够用于钻头和立铣刀这样的切削工具。在航天航空业钻削钛和CFRP叠层材料的首次试验表明，ta-C涂层延长了刀具寿命，并显著改善了钻孔质量。由于ta-C涂层的最高工作温度为500℃左右，切削时需施加冷却液。
Ta-C涂层的制备方法主要是磁过滤阴极电弧，磁过滤阴极电弧的弧靶通过一个1/4圆周连接到真空腔体闭上，圆周外侧缠绕线圈。当线圈通电即产生磁场，电弧放电产生的离子在磁场中做圆周运动。电弧放电产生的大颗粒，因半径较小落在圆周壁上，小颗粒得以通过。该方法可以过滤掉大颗粒，因此涂层较光滑致密，磁过滤阴极电弧制备ta-c最大的缺点是沉积速率慢，腔室不能做很大。原因是磁过滤技术过滤掉了很大部分的颗粒较大的粒子，剩下的小颗粒粒子数量少，导致了ta-c沉积速率极低。同时，磁过滤通过1/4圆周连接在腔体壁上，需要占用较大的腔体壁面积，不能布置较多的靶，同时磁过滤后剩下的带电离子方向性强，发散小，涂覆的面积有限，这些都限制了磁过滤阴极电弧设备腔室体积，这两点都导致了ta-c涂层的生产效率和成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型ta-c涂层工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型ta-c涂层工艺，包括以下步骤：
S1：清洗等离子清洗基体表面杂质；
S2：在已加温的真空炉腔内进行氩离子轰击以清除基体表面杂质，真空炉腔中温度为160-190℃，氩离子轰击频率为10-13Hz；
S3：基体表面放置于靶座的永磁场与电磁场叠加的靶材磁场内，提供磁场磁控溅射技术来沉积并通过Cr打底；
S4：采用HiPIMS磁控电源负偏压，矩形靶做的永磁场与电磁的叠加，很大程度够上增加Ar的离化率；
S5：形成的ta-c涂层与基片的热膨胀系数有差异改变，与基片原子相互扩散可以有效提高粘着力形成ta-c功能层。
进一步地，清洗基体通过用异丙醇蒸汽清洗，随后用乙醇、丙酮浸泡基片后快速烘干，以去除表面油污。
进一步地，真空炉腔的真空须控制在1.6*104Pa以上，真空炉腔中温度为160-190℃去除基片表面水分，提高膜与基片的结合力。
进一步地，预溅射是通过离子轰击以除去靶材表面氧化膜，氩气电离后形成的正离子在正交的磁场和电场的作用下，高速轰击靶材，使溅射出的靶材粒子到达基片表面沉积成膜
进一步地，针对S4中，靶座的永磁场与电磁场叠加的靶材磁场，放电弧放电产生的离子在磁场中做圆周运动，过滤掉大颗粒，配合靶座的永磁场在高密度的等离子区域内让阴极的功率保持在较低水平上，靶材冷却时间长。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种新型ta-c涂层工艺，采用了HiPIMS磁控溅射技术来沉积ta-c。先用Cr打底，然后大功率直接磁控溅射C靶,并小功率磁控溅射Cr掺杂Cr。这个工艺，改变功率参数条件让温度值维持在60度左右，同时电源高功率溅射C靶，碳靶会有大颗粒溅射出来，HiPIMS磁控电源为脉冲电源，即在一个工作周期范围内，一部分时间是工作，剩下的部分时间是不工作的，且可以调节，能够解决这个问题，保证靶材得温度可控，矩形靶做的永磁场与电磁的叠加，很大程度够上增加Ar的离化率，提高HiPIMS的溅射效率，确保功率在合适范围内，靶座的永磁场与电磁场叠加的靶材磁场，可以提高靶材的溅射效率，同时可以保证靶材温度可控，靶座的永磁场与电磁场叠加的靶材磁场，可以提高靶材的溅射效率，也提高了生产效率HiPIMS磁控溅射技术，保证了膜层良好的附着力和膜层的致密性，表面光洁度。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，一种新型ta-c涂层工艺，包括以下步骤：
步骤一：清洗等离子清洗基体表面杂质，清洗基体通过用异丙醇蒸汽清洗，随后用乙醇、丙酮浸泡基片后快速烘干，以去除表面油污；
步骤二：在已加温的真空炉腔内进行氩离子轰击以清除基体表面杂质，真空炉腔中温度为160-190℃，真空炉腔的真空须控制在1.6*104Pa以上，真空炉腔中温度为160-190℃去除基片表面水分，提高膜与基片的结合力，氩离子轰击频率为10-13Hz；
步骤三：基体表面放置于靶座的永磁场与电磁场叠加的靶材磁场内，提供磁场磁控溅射技术来沉积并通过Cr打底，预溅射是通过离子轰击以除去靶材表面氧化膜，氩气电离后形成的正离子在正交的磁场和电场的作用下，高速轰击靶材，使溅射出的靶材粒子到达基片表面沉积成膜；
步骤四：采用HiPIMS磁控电源负偏压，矩形靶做的永磁场与电磁的叠加，很大程度够上增加Ar的离化率，针对S4中，靶座的永磁场与电磁场叠加的靶材磁场，放电弧放电产生的离子在磁场中做圆周运动，过滤掉大颗粒，配合靶座的永磁场在高密度的等离子区域内让阴极的功率保持在较低水平上，靶材冷却时间长；
步骤五：形成的ta-c涂层与基片的热膨胀系数有差异改变，与基片原子相互扩散可以有效提高粘着力形成ta-c功能层。
表1为磁过滤阴极电弧工艺的ta-c涂层特性
膜层厚度 2nm～1μm 镀层结构 sp3≥80％
表面平整度 0.2nm 膜的纯度 99.12％C
沉积温度 <80℃ 沉积速度 2nm/s
光学带隙 2.6eV 摩擦系数 ≤0.08
表2为HiPIMS磁控溅射技术
膜层厚度 2nm～1μm 镀层结构 sp3≥80％
表面平整度 0.17nm 膜的纯度 99.99％C
沉积温度 <80℃ 沉积速度 1nm/s
光学带隙 2.6eV 摩擦系数 ≤0.08
设备采用了矩形靶的HiPIMS磁控溅射技术，炉壁的空间可以安装多组矩形靶，生产容量和效率同弯管磁过滤技术相比，都很多大提升；靶座的永磁场与电磁场叠加的靶材磁场，可以提高靶材的溅射效率，也提高了生产效率HiPIMS磁控溅射技术，保证了膜层良好的附着力和膜层的致密性，表面光洁度。
本发明中的ta-c涂层设备，采用了HiPIMS磁控溅射技术来沉积ta-c。先用Cr打底，然后大功率直接磁控溅射C靶,并小功率磁控溅射Cr掺杂Cr。这个工艺，改变功率参数条件让温度值维持在60度左右，同时电源高功率溅射C靶，碳靶会有大颗粒溅射出来，HiPIMS磁控电源为脉冲电源，即在一个工作周期范围内，一部分时间是工作，剩下的部分时间是不工作的，且可以调节，能够解决这个问题，保证靶材得温度可控，矩形靶做的永磁场与电磁的叠加，很大程度够上增加Ar的离化率，提高HiPIMS的溅射效率，确保功率在合适范围内，靶座的永磁场与电磁场叠加的靶材磁场，可以提高靶材的溅射效率，同时可以保证靶材温度可控，靶座的永磁场与电磁场叠加的靶材磁场，可以提高靶材的溅射效率，也提高了生产效率HiPIMS磁控溅射技术，保证了膜层良好的附着力和膜层的致密性，表面光洁度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型ta-c涂层工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：清洗等离子清洗基体表面杂质；
S2：在已加温的真空炉腔内进行氩离子轰击以清除基体表面杂质，真空炉腔中温度为160-190℃，氩离子轰击频率为10-13Hz；
S3：基体表面放置于靶座的永磁场与电磁场叠加的靶材磁场内，提供磁场磁控溅射技术来沉积并通过Cr打底；
S4：采用HiPIMS磁控电源负偏压，矩形靶做的永磁场与电磁的叠加，很大程度够上增加Ar的离化率；
S5：形成的ta-c涂层与基片的热膨胀系数有差异改变，与基片原子相互扩散可以有效提高粘着力形成ta-c功能层。
2.如权利要求1所述的一种新型ta-c涂层工艺，其特征在于，针对S1中，清洗基体通过用异丙醇蒸汽清洗，随后用乙醇、丙酮浸泡基片后快速烘干，以去除表面油污。
3.如权利要求1所述的一种新型ta-c涂层工艺，其特征在于，针对S2中，真空炉腔的真空须控制在1.6*104Pa以上，真空炉腔中温度为160-190℃去除基片表面水分，提高膜与基片的结合力。
4.如权利要求1所述的一种新型ta-c涂层工艺，其特征在于，针对S3中，预溅射通过离子轰击以除去靶材表面氧化膜，氩气电离后形成的正离子在正交的磁场和电场的作用下，高速轰击靶材，使溅射出的靶材粒子到达基片表面沉积成膜。
5.如权利要求1所述的一种新型ta-c涂层工艺，其特征在于，针对S4中，靶座的永磁场与电磁场叠加的靶材磁场，放电弧放电产生的离子在磁场中做圆周运动，过滤掉大颗粒，配合靶座的永磁场在高密度的等离子区域内让阴极的功率保持在较低水平上，靶材冷却时间长。
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