CN112063975B - 一种通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及真空镀膜涂层制备领域，具体涉及一种通过调制强流脉冲电弧制备ta‑C涂层的方法，包括以下步骤：（1）形成基础层：通过调制电磁驱动的电弧放电沉积金属层或金属与C和/或N的化合物，即为基础层；（2）形成ta‑C层：通过调制强流脉冲电弧形成无氢四面体非晶碳层的类金刚石涂层，即为ta‑C层。调制线圈与电弧离子镀阴极上的磁体相互作用，可有效驱动石墨靶材弧斑，从而实现石墨靶全靶面运动，提升靶材利用率；脉冲强流可改善靶面的瞬间磁场强度，提升弧斑运动速度，同时较小的稳弧电流及瞬间强流可有效减少大颗粒的产生，从而在基材表面制备高硬耐磨的高SP3含量的类金刚石涂层。
Description
技术领域
本发明涉及真空镀膜涂层制备领域，具体涉及一种通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法。
背景技术
石墨与金刚石是两种结构性能都有显著差异的同素异形体，其中石墨质软摩擦系数低，是一种常见的耐磨材料，金刚石是自然界最为坚硬的物质，其应用也较为广泛。石墨含量众多，金刚石较为稀少，因而人民在不断的尝试将石墨变成金刚石。现在材料技术中，将石墨制备为纯正的金刚石的技术成本高昂，人民倾向于制备介于石墨与金刚石之间的既有石墨低摩又有类似于金刚石硬度的新型材料，其被统称为类金刚石。
类金刚石其可以分为含氢类金刚石与非氢类金刚石，其中含氢类金刚石制备方法较多，例如：物理气相沉积技术（PVD）中的离子束沉积（IBD）、磁控溅射、电弧离子镀、脉冲激光沉积等，化学气相沉积技术（CVD）中的热丝化学气相沉积、等离子化学增强气相沉积（PECVD）；而非氢类金刚石也被称为无氢四面体非晶碳（ta-C），其较为成功的制作方法主要是HIPIMS+OSC（高功率脉冲磁控溅射+振荡器）、Laser-Arc（激光弧沉积）以及FCVA（磁过滤阴极真空电弧）。其中，HIPIMS+OSC是利用适当的脉冲频率在每一个脉冲产生是会被放大至很高值的震荡，从而产生高度电离的等离子体，从而有利于高能碳粒子流的产生，以期形成富有高含量的SP3的四面体非晶碳膜；磁过滤阴极电弧是通过利用较长的（直道或弯道）等离子体通道及套装在上面的电磁线圈来实现弧光放电中的碳离子流，降低石墨靶弧光放电中的大颗粒，从而在一定偏压下形成四面体非晶碳膜；激光弧技术主要是通过利用高能激光辐照石墨靶材表面，并利用一定的（过滤）跑道来祛除大颗粒，实现较为纯净的碳离子流沉积在待镀基体表面。
HIPIMS+OSC、Laser-Arc及FCVA技术虽然能够获得SP3含量极高的ta-C涂层，但是其沉积速率极慢，而且装备成本高昂，主要应用于高精工模具表面处理，不能得到广泛的技术应用。
对于无氢四面体非晶碳膜部分使用现有的电弧离子镀阴极弧源进行制备，其基本过程是采用小圆靶（60mm直径以下）直接进行弧光放电，放电过程中的碳离子与大颗粒同时沉积在待镀基材上，其生成的为具有一定SP3含量的ta-C层，石墨靶放电过程中存在放电弧斑汇聚，移动速度慢，刻蚀坑较深，因而其沉积过程中的大颗粒极多，涂层质量较差。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法。
本发明所采取的技术方案如下：一种通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，包括以下步骤：
（1）形成基础层：通过调制电磁驱动的电弧放电沉积金属层或金属与C和/或N的化合物，即为基础层；
（2）形成ta-C层：通过调制强流脉冲电弧形成无氢四面体非晶碳层的类金刚石涂层，即为ta-C层；
所述调制电磁驱动的电弧为在具有多级磁体所形成的永磁场与电磁之间相互作用所形成的耦合磁场中进行弧光放电；
所述调制强流脉冲电弧为利用可远程调节的具有较大周期并可实现线性调控的矩形波线圈电流驱动石墨电弧放电，同时在石墨靶上将施加以一定基值电流作为稳弧电流并周期性施加瞬间强电流的脉冲弧电源放电；
所述基础层设置在待镀基体上，所述ta-C层设置在基础层上。
电磁线圈电流为线性调制电流，其具体是指为频率为0.01-50HZ，电压为±40v，占空比1-80%，每组电压的变化周期为1-30min的可实现输出电压远程线性周期性调节；电磁线圈上的线性调制电流为短期多组线性输出变化，长期周期有序的方波电流，其中短期多组变化的线性输出其每个周期变化内的组数不少于1组，其将根据放电靶材进行独立设定。
脉冲弧电源是具有一定基值作为稳弧电流，并可周期性输出瞬间强流的弧电源，其具体参数为：20-100A基值电流可调、100-1500A的峰值电流可调，频率1-1kHZ，占空比1-50%。
用于制备ta-C涂层的电弧离子镀装置，包括弧光电子流激发的等离子体清洗装置、一组金属靶、两组石墨靶，所述石墨靶采用调制强流脉冲电弧。
在形成基础层前先对待镀基体通过弧光电子流激发的等离子体清洗装置清洗，具体设置如下：对镀膜机的真空室抽真空，其中腔体温度控制在200-500℃，待到达5E-3pa以下的真空度，通入Ar或Ar+H2混合气，真空度控制在1-10pa，弧光电子激发的等离子体清洗装置中的弧电流为70-120A，待镀基体表面施加40-300V负偏压，清洗时间为10-100min，随后关闭弧光电子激发的等离子体清洗装置。
步骤（1）中，形成基础层的具体设置如下：开启金属弧靶，其工艺气体为反应气与氩气的混合气体或纯氩气，气压为0.1-5pa，弧靶弧电流60-150A，弧源上加载的电磁线圈的调制参数为：线圈频率为0.01-50Hz，线圈电压-40V-+40V设置, 线圈电压及组数可根据靶材刻蚀情况进行微调,为待镀基体表面施加40-200V的负偏压，沉积厚度1-10um，随后关闭金属靶。
形成的基础层为利用工艺气体与金属靶直接沉积的纯金属或单一化合物；所述化合物的反应气为氮气、氮气碳氢气体混合气或碳氢气体；金属靶以纯金属、两种金属所组成的合金为主；金属为一元金属或二元金属。
化合物的沉积过程中氩气占反应气与氩气混合气的总比例为10%-50%。
步骤（2）中，形成ta-C层的具体设置如下：开启两组石墨靶，其工艺气体为氩气，气压为0.01-2pa，脉冲弧电源参数为：基值电流20-50A，瞬间强流为100-1500A，频率为1-1kHz，占空比1%-50%；调制线圈参数为：线圈频率为0.01-1Hz，占空比30%-70%，线圈电压为周期性线性调节，线圈电压共3组，每组周期为1-30min，-18V~-6v/-10V~+1v/-5V~-+5v，线圈电压及组数可根据靶材刻蚀情况进行微调，沉积厚度为1-20um。
瞬间强流采用线性增加的模式，即以较低的瞬间强流起始，在一定的时间内升至参数设定值，随后以稳定的瞬间强流继续涂层，直至涂层结束。
本发明的有益效果如下：在具有多级磁体所形成的永磁场与电磁之间相互作用所形成的耦合磁场提升阴极靶材表面弧斑的运动速度，减少了大颗粒的迸射，同时也极大地提升了反应气体的离化效果，可不采用多层金属、金属氮化物、金属碳氮化物、金属碳化物等通过反应气体的不断梯度来获得的基础层，可直接采用单一的金属层或化合物（氮化物或碳氮化物或碳化物）直接作为基础层，其具有良好的结合力，可起到很好的过渡作用。
采用具有较大周期的可实现线性调节的可程序控制调节的矩形波输出，其将与多级磁体所形成的永磁场相互作用，可在靶面形成较为平缓的水平分量磁场，可以有效的增加弧光放电过程中的电子的运动行程，提升等离子体的浓度及强度；此外采用大周期可线性调节的线圈电流，可以有效的实现石墨靶靶面的弧斑的运动位置改变，即通过线圈磁场的控制，控制弧斑可以实现从内到外的运动。
调制线圈与电弧离子镀阴极上的磁体相互作用，可有效驱动石墨靶材弧斑，从而实现石墨靶全靶面运动，提升靶材利用率；脉冲强流可改善靶面的瞬间磁场强度，提升弧斑运动速度，同时较小的稳弧电流及瞬间强流可有效减少大颗粒的产生，从而在基材表面制备高硬耐磨的高SP3含量的类金刚石涂层。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明所制备的ta-C涂层结构示意图；
图2为本发明中制备ta-C涂层的装备示意图；
图3为本发明所采用的新型阴极弧源结构设计意图；
图4为本发明所采用的调制电磁驱动的电弧技术磁场模拟示意图；
图5为本发明所采用的弧光电子激发等离子体清洗装置的示意图；
图6为本发明所采用的灯丝清洗装置示意图；
图7为脉冲弧电流输出示意图；
图8为调制线圈电流输出示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
一种通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，包括以下步骤：
（1）形成基础层：通过调制电磁驱动的电弧放电沉积金属层或金属与C和/或N的化合物，形成基础层；
（2）形成ta-C层：通过调制强流脉冲电弧形成无氢四面体非晶碳层的类金刚石涂层，即为ta-C层；
所述调制电磁驱动的电弧为在具有多级磁体所形成的永磁场与电磁之间相互作用所形成的耦合磁场中进行弧光放电；
所述调制强流脉冲电弧为利用可远程调节的具有较大周期并可实现线性调控的矩形波线圈电流驱动石墨电弧放电，同时在石墨靶上将施加以一定基值电流作为稳弧电流并周期性施加瞬间强电流的脉冲弧电源放电；
所述基础层设置在待镀基体上，所述ta-C层设置在基础层上。
电磁线圈电流为线性调制电流，其具体是指为频率为0.01-50HZ，电压为±40v，占空比0-80%，每组电压的变化周期为1-30min的可实现输出电压远程线性周期性调节；电磁线圈上的线性调制电流为短期多组线性输出变化，长期周期有序的方波电流，其中短期多组变化的线性输出其每个周期变化内的组数不少于1组，其将根据放电靶材进行独立设定。
脉冲弧电源是具有一定基值作为稳弧电流，并可周期性输出瞬间强流的弧电源，其具体参数为：20-100A基值电流可调、100-1500A的峰值电流可调，频率1-1kHZ，占空比1-50%。脉冲弧是指以一定的基值电流作为稳弧电流，峰值电流为脉冲强流，可以在靶面上瞬间施加强电流，强流的施加一方面增大了靶面的磁场强度，从而造成靶面上弧斑的分叉，形成劈裂弧，减少了大颗粒的产生，另一方面瞬间强流的叠加，可以大大降低稳弧基值电流的大小（直流电源稳弧电流45A以上，脉冲弧电流20A也可以正常工作），从而可以降低大颗粒的产生，同时强流的叠加，可以提升弧光放电过程中的等离子体强度，提高阴极的离化率。
用于制备ta-C涂层的电弧离子镀装置，包括弧光电子流激发的等离子体清洗装置、一组金属靶、两组石墨靶，所述石墨靶采用调制强流脉冲电弧。
在形成基础层前先对待镀基体通过弧光电子流激发的等离子体清洗装置清洗，具体设置如下：对镀膜机的真空室抽真空，其中腔体温度控制在200-500℃，待到达5E-3pa以下的真空度，通入Ar或Ar+H2混合气，真空度控制在1-10pa，弧光电子激发的等离子体清洗装置中的弧电流为70-120A，待镀基体表面施加40-300V负偏压，清洗时间为10-100min，随后关闭弧光电子激发的等离子体清洗装置。
离子清洗装置还包括离子源清洗装置、灯丝清洗装置。其中离子源清洗装置的清洗工艺为：待达到真空度及温度要求后，通入Ar或Ar+H2混合气，真空度控制在1-10pa，待镀基体上施加30-300V偏压，阳极层离子源恒流模式，电流3-10A，清洗10-120min；灯丝清洗装置包括灯丝源及阳极，其清洗工艺为：待达到真空度及温度要求后，通入Ar或Ar+H2混合气，真空度控制在1-10pa，灯丝电流100-300A，灯丝阳极恒流模式50A，待镀基体上施加30-300V偏压，清洗10-80min。
步骤（1）中，形成基础层的具体设置如下：开启金属弧靶，其工艺气体为反应气与氩气的混合气体或纯氩气，气压为0.1-5pa，弧靶弧电流60-150A，弧源上加载的电磁线圈的调制参数为：线圈频率为1-50Hz，线圈电压-40V-+40V设置, 线圈电压及组数可根据靶材刻蚀情况进行微调,为待镀基体表面施加40-200V的负偏压，沉积厚度1-10um，随后关闭金属靶。
形成的基础层为利用工艺气体与金属靶直接沉积的纯金属或单一化合物；所述化合物的反应气为氮气、氮气碳氢气体混合气或碳氢气体；金属靶以纯金属、两种金属所组成的合金为主；金属为一元金属或二元金属。
金属靶为Ti、Cr、Zr及AlCr、AlTi或TiCr，优选为金属Cr。
化合物的沉积过程中氩气占反应气与氩气混合气的总比例为10%-50%。
步骤（2）中，形成ta-C层的具体设置如下：开启两组石墨靶，其工艺气体为氩气，气压为0.01-2pa，脉冲弧电源参数为：基值电流20-50A，瞬间强流为100-1500A，频率为1-100Hz，占空比1%-50%；调制线圈参数为：线圈频率为0.01-1Hz，占空比30%-70%，线圈电压为周期性线性调节，线圈电压共3组，每组周期为2-30min，-18V~-6v/-10V~+1v/-5V~-+5v，线圈电压及组数可根据靶材刻蚀情况进行微调，沉积厚度为1-20um。
瞬间强流采用线性增加的模式，即以较低的瞬间强流起始，在一定的时间内升至参数设定值，随后以稳定的瞬间强流继续涂层，直至涂层结束。
参见图1所示：利用脉冲弧技术制备的ta-C涂层包括：待镀产品作为基体8、利用电弧离子镀技术制备的单一化合物层（仅包含一种化学物成分的涂层）：一元氮化物、二元氮化物、一元碳化物、一元碳氮化物、二元碳化物、二元碳氮化物或纯金属层作为基础层的基础层9、利用脉冲弧技术制备的含有无氢四面体非晶碳层涂层的ta-C层10。
参见图2所示：本发明所采用的用于制备ta-C涂层的电弧离子镀装置包括四组弧源，其中1列为金属靶，其为作为弧光激发等离子体装置的弧电源，弧源前设置有悬浮于腔体的阳极；2列、4列为石墨靶，沉积ta-C层的弧源；3列为金属靶，沉积基础层；装配在1列前的阳极5为弧光激发等离子体装置中的悬浮电位的阳极7，屏蔽板6为具有悬浮电位的弧光激发等离子体装置中的屏蔽板。
参见图3、图4所示：本发明中采用新型的阴极弧源作为金属及石墨放电中的阴极弧源，其中阴极11上设有第一磁极14和第二磁极15，第一磁极14与第二磁极15所形成的具有多组磁极所产生的磁场，一方面可以形成振荡变化（电磁线圈的作用），另一方面可以增强靶材表面的水平分量的磁场强度，提升靶面放电过程中电子（弧斑）的运动速度，减少大颗粒，另一方面采用带有悬浮电位的锥形屏蔽罩可16有效的将放电过程中回归电路中阳极的电子进一步约束，提升了放电过程中的靶材离化率及反应气体的离化率，实现强电子流对工艺气体的离化。
阴极11背面固定有线圈13，线圈13上接入线性调制电流。
同时屏蔽罩16周边采用水冷阳极12的设计，可极大地降低屏蔽罩16以及阳极12的表面温度，可有效减低电子回路的阻抗，提升放电稳定性。
实施例一利用脉冲弧技术制备ta-C涂层
说明：本实施例是以一元氮化物CrN作为基础层，并在此基础上沉积ta-C层。
本发明中所使用的涂层设备是以常规工业应用的设备尺寸：直径D=1m，高度H=1m的设备，进行涂层制备的，采用常规的八面体结构进行设备描述，设备上装配有四列弧，每列弧有3个阴极弧源。
参见图2所示：第一列装配有3个Ti靶，第二列、第四列装配有3个石墨靶，第四列装配有Cr靶。
参见图5所示：弧光电子激发等离子清洗装置是通过将电弧离子镀弧电源的正极加载在独立于整个真空腔室的悬浮电位的阳极上，弧电源的负极加载在阴极弧源上，阴极弧源靶材前设置有一个面积为靶材表面2倍左右的距离靶材70-200mm的圆形屏蔽板，屏蔽板电位悬浮。利用引弧装置诱发阴极弧源产生弧光放电，此时阴极弧电源正极加载在阳极上，放电过程中的电子将通过阳极回流到阴极弧电源上。在电子向阳极运动的过程中，大束流的电子将激发大量的等离子体，等离子体受转架上的偏压作用可轰击转架上转载的刀具，从而实现刀具的清洗、刻蚀、活化。
相较于常规大气辉光放电（偏流1A以下）、离子源放电（偏流2-4A）来说弧光激发等离子体偏流可达到6-10A，虽然弧光放电的清洗偏流可达到10A，但其清洗过程中需要很大的偏压400-800V，同时清洗源为金属离子，其能量较大，容易造成刀具表面粗化及刃口钝化，而弧光激发等离子体的清洗源为惰性气体离子，在较低的偏压300v以下就可以实现很高的清洗效果。
参见表一，本实施例的主要工艺参数如下：
1. 抽取真空，加热至350℃，转速设置为2转/min
2. 抽入氩气300、氢气300，调节节流阀控制气压为3Pa，偏压设置为40v，开启Ti靶，弧电流100A，偏压从40线性升至80V(10min),随后以80V刻蚀清洗10min。
3. 随后关闭氢气，氩气设置为450，调节节流阀控制气压为3Pa，偏压线性升至200v（10min），保持弧电流不变，200v清洗30min，关闭弧靶。
4. 随后开启3列Cr靶，通入氩气100、氮气300，调节节流阀控制气压为1.2Pa，弧电流120A, 弧源上加载的电磁线圈的调制参数为：线圈频率为5hz，线圈电压共1组，-12V-+5V,偏压设置为40V,沉积60min，随后关闭弧靶。
5. 关闭加热、将腔体进行冷却，冷却至100℃。
6.通入氩气130，调节节流阀控制气压为0.4Pa，开启脉冲弧电源，基值电流为30A，峰值电流150A，频率5hz，占空比12%，沉积氧化铝涂层10min，随后峰值电流进行线性增加至300A（时间为30min），以峰值电流300A沉积30min；其中调制线圈参数为：线圈频率为0.03Hz，占空比40%，线圈电压为周期性线性调节，线圈电压共3组，每组周期为5min，-18V~-6v/-10V~+1v/-5V~-+5v。
实施例二、利用脉冲弧技术制备ta-C涂层
说明：本实施例是以二元氮化物AlCrN作为基础层，并在此基础上沉积ta-C层。
本发明中所使用的涂层设备是以常规工业应用的设备尺寸：直径D=1m，高度H=1m的设备，进行涂层制备的，采用常规的八面体结构进行设备描述，设备上装配有四列弧，每列弧有3个阴极弧源。
参见图2所示：第一列位置处将装配有离子源（未画出），第二列、第四类装配有3个石墨靶，第四列装配有AlCr靶。
参见表二所述，本实施例的主要工艺参数如下：
1. 抽取真空，加热至300℃，转速设置为2转/min
2. 抽入氩气400、氢气200，调节节流阀控制气压为4Pa，偏压设置为40v，阳极层离子源恒流模式，电流5A，偏压从40线性升至80V(10min),随后以80V刻蚀清洗10min。
3. 随后关闭氢气，氩气设置为550，调节节流阀控制气压为4Pa，偏压线性升至200v（10min），保持离子源电流不变，200v清洗30min，关闭离子源。
4. 随后开启3列AlCr靶，通入氩气100、氮气800，调节节流阀控制气压为3Pa，弧电流120A, 弧源上加载的电磁线圈的调制参数为：线圈频率为5hz，线圈电压共1组，-10V-+2V,偏压设置为40V,沉积60min，随后关闭弧靶。
5. 关闭加热、将腔体进行冷却，冷却至80℃。
6.通入氩气130，调节节流阀控制气压为0.4Pa，开启脉冲弧电源，基值电流为30A，峰值电流150A，频率5hz，占空比12%，沉积氧化铝涂层10min，随后峰值电流进行线性增加至300A（时间为30min），以峰值电流300A沉积30min；其中调制线圈参数为：线圈频率为0.03Hz，占空比40%，线圈电压为周期性线性调节，线圈电压共3组，每组周期为5min，-18V~-6v/-10V~+1v/-5V~-+5v。
实施例三、利用脉冲弧技术制备ta-C涂层
说明：本实施例是以一元碳氮化物TiCN作为基础层，并在此基础上沉积ta-C层。
本发明中所使用的涂层设备是以常规工业应用的设备尺寸：直径D=1m，高度H=1m的设备，进行涂层制备的，采用常规的八面体结构进行设备描述，设备上装配有四列弧，每列弧有3个阴极弧源。
本发明采用灯丝清洗作为待镀基体表面等离子体清洗的清洗源
其ta-C涂层沉积设备的区别是：第一列装配灯丝清洗装置，第二列、第四类装配有3个石墨靶，第四列装配有Ti靶。
参见图4所示：灯丝清洗装置包括灯丝组件及灯丝阳极，其中灯丝上将施加加热电源以及阳极电源的负极，灯丝阳极上加载阳极电源的正极。
本实施例的主要工艺参数变化如下：
本实施例中，清洗装置为灯丝源清洗，其工艺过程为：待达到真空度及温度要求后，通入氩气及氢气的混合气体，氩气300、氢气300，调节节流阀压强控制在2Pa，灯丝电流150A，灯丝阳极恒流模式，阳极电流50A，待镀基体上施加线性偏压30V-100V（10min），随后以100V清洗10min；
随后关闭氢气，通入氩气450，调节节流阀压强控制在2.5Pa，灯丝参数不变，待镀基体上施加线性偏压100V-200V（10min），随后以200V清洗30min。
随后开启3列Ti靶，通入氩气100、氮气100、乙炔100，调节节流阀控制气压为1Pa，弧电流120A, 弧源上加载的电磁线圈的调制参数为：线圈频率为3hz，线圈电压共1组，-16V-+3V,偏压设置为40V,沉积60min，随后关闭弧靶。
实施例四、利用脉冲弧技术制备ta-C涂层
说明：本实施例是以纯金属Cr作为基础层，同时制备一元碳化物的过程中采用脉冲弧电源，在此基础上沉积ta-C层。
本实施例与实施例一的区别主要是基础层的制备，其CrC层的制备工艺如下：
开启3列Cr靶，通入氩气200，调节节流阀控制气压为0.8Pa，弧电流35/560，弧源上加载的电磁线圈的调制参数为：线圈频率为5hz，线圈电压共2组，-14V--3V、-6v-+8v，每组周期为3-6min，频率10Hz，占空比50%,偏压设置为40V,沉积60min，随后关闭弧靶。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (9)
1.一种通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）形成基础层：通过调制电磁驱动的电弧放电沉积金属层或金属与C和/或N的化合物，形成基础层；
（2）形成ta-C层：通过调制强流脉冲电弧形成无氢四面体非晶碳层的类金刚石涂层，即为ta-C层；
所述调制电磁驱动的电弧为在具有多级磁体所形成的永磁场与电磁场之间相互作用所形成的耦合磁场中进行弧光放电；
所述调制强流脉冲电弧为利用可远程调节的具有较大周期并可实现线性调控的矩形波线圈电流驱动石墨靶电弧放电，同时在石墨靶上将施加以一定基值电流作为稳弧电流并周期性施加瞬间强电流的脉冲弧电源放电；所述线圈电流的频率为0.01-1Hz，所述脉冲弧电源是具有一定基值作为稳弧电流，并可周期性输出瞬间强流的弧电源，其具体参数为：20-100A基值电流可调、100-1500A的峰值电流可调；
所述基础层设置在待镀基体上，所述ta-C层设置在基础层上；
瞬间强流采用线性增加的模式，即以较低的瞬间强流起始，在一定的时间内升至参数设定值，随后以稳定的瞬间强流继续涂层，直至涂层结束。
2.根据权利要求1所述的通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于：电磁线圈电流为线性调制电流，其具体是指为频率为0.01-50HZ，电压为±40V，占空比0-80%，每组电压的变化周期为1-30min的可实现输出电压远程线性周期性调节；电磁线圈上的线性调制电流为短期多组线性输出变化，长期周期有序的方波电流，其中短期多组变化的线性输出其每个周期变化内的组数不少于1组，其将根据放电靶材进行独立设定。
3.根据权利要求1所述的通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于：脉冲弧电源频率1-1kHz，占空比1-50%。
4.根据权利要求1所述的通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于：用于制备ta-C涂层的电弧离子镀装置，包括弧光电子流激发的等离子体清洗装置、一组金属靶、两组石墨靶，所述石墨靶采用调制强流脉冲电弧。
5.根据权利要求4所述的通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于；在形成基础层前先对待镀基体通过弧光电子流激发的等离子体清洗装置清洗，具体设置如下：对镀膜机的真空室抽真空，其中腔体温度控制在200-500℃，待到达5E-3Pa以下的真空度，通入Ar或Ar+H2混合气，真空度控制在1-10Pa，弧光电子激发的等离子体清洗装置中的弧电流为70-120A，待镀基体表面施加40-300V负偏压，清洗时间为10-100min，随后关闭弧光电子激发的等离子体清洗装置。
6.根据权利要求4所述的通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于：步骤（1）中，形成基础层的具体设置如下：开启金属弧靶，其工艺气体为反应气与氩气的混合气体或纯氩气，气压为0.1-5Pa，弧靶弧电流60-150A，弧源上加载的电磁线圈的调制参数为：线圈频率为0.01-50Hz，线圈电压-40V-+40V设置, 线圈电压及组数可根据靶材刻蚀情况进行微调,为待镀基体表面施加40-200V的负偏压，沉积厚度1-10μm，随后关闭金属靶。
7.根据权利要求6所述的通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于：形成的基础层为利用工艺气体与金属靶直接沉积的纯金属或单一化合物；所述化合物的反应气为氮气、氮气碳氢气体混合气或碳氢气体；金属靶以纯金属、两种金属所组成的合金为主；金属为一元金属或二元金属。
8.根据权利要求7所述的通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于：化合物的沉积过程中氩气占反应气与氩气混合气的总比例为10%-50%。
9.根据权利要求4所述的通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于：步骤（2）中，形成ta-C层的具体设置如下：开启两组石墨靶，其工艺气体为氩气，气压为0.01-2Pa，脉冲弧电源参数为：基值电流20-50A，瞬间强流为100-1500A，频率为1-1kHz，占空比1%-50%；调制线圈参数为：占空比30%-70%，线圈电压为周期性线性调节，线圈电压共3组，每组周期为1-30min，-18V~-6V/-10V~+1V/-5V~-+5V，线圈电压及组数可根据靶材刻蚀情况进行微调，沉积厚度为1-20μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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