CN113061844B - 一种超硬耐高温Ta-C涂层的制备工艺 - Google Patents

一种超硬耐高温Ta-C涂层的制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超硬耐高温Ta‑C涂层的制备工艺，包括将工件置于真空腔室内，对真空腔室进行抽气处理，抽气处理后对真空腔室、纯离子镀膜源、工件中的一者或几者进行除杂处理，除杂处理后，采用溅射镀膜在工件表面依次制备种子层、金属过渡层、Ta‑C过渡层、Ta‑C交替层和Ta‑C主功能层，所述的种子层为Ni、Cr、NiCr、NiAl中的一者；金属过渡层为Ti、TiSi、TiAl、TiCr中的一者；制备Ta‑C过渡层时，工件连接的偏压值为T1的偏压；制备Ta‑C交替层时，工件交替连接偏压值为T2、T3的偏压，制备Ta‑C主功能层时，工件连接偏压值为T4的偏压，其中T1＞T2＞T3＞T4。本发明提供的上述方案，其制备的膜层性能优异，膜层超硬且耐高温。

Description

一种超硬耐高温Ta-C涂层的制备工艺
技术领域
本发明涉及溅射镀膜领域，具体涉及一种超硬耐高温Ta-C涂层的制备工艺。
背景技术
四面体非晶碳(Tetrahedral Amorphous Carbon，ta-C)膜属于无氢类金刚石(Diamond Like Carbon，DLC)涂层的一种，它不仅具有高硬度、高热导率和低摩擦系数，还具有极好的耐蚀性、光学透过性及生物相容性，是机械、电子、汽车、航空、医学、光学等领域的理想材料。实际使用过程中发现，和金属氮化物和金属氧化物涂层相比，Ta-C膜层存在与某些材料的硬度偏低、高温稳定性差、结合力差、内应力大、颗粒粗大等问题:
(1)硬度偏低。传统PVD技术制备的三元、四元金属氮化物涂层硬度通常可以达到HV3000-4000，而目前现有的成熟技术制备的Ta-C涂层硬度基本稳定在HV2500-3000，一般而言，在涂层结合力达标的情况下，涂层的硬度和耐磨性能成正比，对于一些特殊情况下的使用，现有成熟技术制备的Ta-C涂层很难达到HV4500-5500的超硬要求。
(2)高温稳定性较差。含氢的DLC膜比无氢DLC膜热稳定性更差，sp3键含量低的DLC膜比sp3键含量高的膜热稳定性更差。在空气中，传统工艺制备的Ta-C膜在300℃就开始石墨化，高质量的Ta-C膜在400-550℃长期工作。
(3)与某些特定材料基体的结合力差。例如DLC膜在硫化锌上的结合力非常差，在玻璃和塑料、树脂上的结合力也不够好，其原因是DLC膜和基体之间晶格结构及物理性能如热膨胀系数、弹性模量等的不兼容性。
(4)内应力大。DLC的主要成分为碳，金刚石成分越高、膜层的内应力越大，镀有DLC涂层的工具在加工硬质材料的时候，巨大的内应力会导致涂层崩裂而提前失效。
(5)颗粒粗大。传统PVD技术制备的Ta-C膜表面较为粗糙，通过调整磁场/靶面冷却/降低放电电流等方法可以一定程度改善颗粒度问题，但仍然有较多问题存在。
对于以上问题，研发人员通过改变DLC涂层的制备工艺，如使用弯管磁过滤/镀膜工艺参数的调整/掺杂Si，Ti，Cr，Al，N等元素来提高性能，并有较大突破，使DLC的应用领域得到拓展。
发明内容
本发明的目的是提供一种超硬耐高温Ta-C涂层的制备工艺，其至少可以改善上述一种问题。
一种超硬耐高温Ta-C涂层的制备工艺，其特征在于，包括如下操作：
将工件置于真空腔室内，对真空腔室进行抽气处理，抽气处理后对真空腔室、纯离子镀膜源、工件中的一者或几者进行除杂处理，除杂处理后，采用溅射镀膜在工件表面依次制备种子层、金属过渡层、Ta-C过渡层、Ta-C交替层和Ta-C主功能层，所述的种子层为Ni、Cr、NiCr、NiAl中的一者；金属过渡层为Ti、TiSi、TiAl、TiCr中的一者；制备Ta-C过渡层时，工件连接的偏压值为T1的偏压；制备Ta-C交替层时，工件交替连接偏压值为T2、T3的偏压，制备Ta-C主功能层时，工件连接偏压值为T4的偏压，其中T1＞T2＞T3＞T4。
进一步的方案为，T1为3000-5000V，T2为2800V，T3为300V，T4为10-280V。
种子层的厚度为0.1-0.8微米，金属过渡层的厚度为0.05-0.5微米，Ta-C过渡层的厚度为0.05-0.2微米，Ta-C交替层的厚度为0.5-1微米，Ta-C主功能层的厚度为0.5-1.5微米。
除杂处理包括向真空腔体内充入Ar进行加热处理，对纯离子镀膜源进行预热处理以及对工件进行离子源清洗处理。
具体的方案为：
制备种子层时，保持真空腔室温度80～250℃，本底真空抽至1×10-3Pa以下，从溅射靶进气口充入80-800sccmAr，真空度保持在2×10-1Pa-2×100Pa，开启溅射电源和偏压电源，溅射功率：1-6KW，工件偏压：20-800V，工件偏流：0.1-2A，种子层镀膜时间：1000-8000s。
制备金属过渡层时，关闭种子层溅射镀膜电源，保持真空腔室温度80-250℃，真空抽至1×10-3Pa以下，从溅射靶进气口充入80-800sccmAr，真空度保持在2×10-1Pa-2×100Pa，开启溅射电源和偏压电源，溅射功率：3-7KW，工件偏压：20-300V，工件偏流：0.1-1A，金属过渡层镀膜时间：500-5000s。
制备Ta-C过渡层时，关闭Ar充气阀及流量计开关，关闭加热器，打开磁过滤弯管的挡板，当气压低于3×10-4Pa且温度低于100℃时，开启PIC弧电源，设置弧电流45-80A，过滤器电流5-40A，阳极电流5-30A，工件偏压3000-5000V，工件偏流0.2-0.8A，时间500-2000s。
制备Ta-C交替层时，设置弧电流90-250A，过滤器电流5-40A，阳极电流5-30A，工件偏压2800V和300V交替，每5s交替一次，工件偏流0.1-0.4A，开始纯离子镀膜源制备Ta-C交替层，时间5000-10000s。
制备Ta-C主功能层时，设置弧电流100-300A，过滤器电流5-40A，阳极电流5-30A，工件偏压10-280V，工件偏流0.1-0.4A，时间5000-15000s。
向真空腔体内充入Ar进行加热处理为：
向真空腔室充入0-550sccmAr，气压2×10-2-3×100Pa，开启真空腔室加热器、磁过滤电源，加热温度设置100-350℃，时间0.5-5h；
对纯离子镀膜源进行预热处理为：
关闭Ar充气阀及流量计开关，保持加热100-350℃，当气压低于1×10-2Pa时，关闭磁过滤弯管的挡板使PIC镀膜C等离子体光束不进入腔室造成产品的污染，开启PIC弧电源，设置弧电流50-300A，过滤器电流2-40A，阳极电流5-30A，开始纯离子镀膜源的预热程序，时间100-5000s；
对工件进行离子源清洗处理为：
将真空腔室的加热温度调整至90-300℃，当本底真空抽至3×10-3Pa以下，从离子源进气口充入20-400sccmAr，真空度保持在5×10-2Pa-1×100Pa，开启离子源电源和偏压电源，离子源电压：400-5000V，离子源电流：0.1-1A，工件偏压：20-3500V，工件偏流：0.1-2.2A，离子清洗时间：0.5-8h。
本发明提供的上述方案，其制备的膜层性能优异，膜层超硬且耐高温。
附图说明
图1为本发明的操作流程图；
图2为本发明镀层的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
实施例1
如图1所示：
1)泵组对真空腔室进行抽气
将表面清洗后的工件装夹在专有夹具上，工件进真空腔室后开启旋片泵、罗茨泵将真空抽50Pa以下，开启分子泵将气压抽至2×10-2Pa。
2)真空腔室加热
向真空室充入0sccmAr，气压2×10-2Pa，开启真空腔室加热器、磁过滤电源，加热温度设置100℃，时间5h。
作用：真空腔室加热器主要是对腔室内壁、衬板、转架、工件上附着的水蒸气等气体分子进行脱附，磁过滤电源产生的热量可以对磁过滤弯管内壁及波纹管衬套进行烘烤除气。通过向真空腔室充入Ar的作用主要有：其一、脱附的气体分子在抽气泵组和Ar的气体带动下可以迅速被排出；其二、在加热条件下，Ar为惰性气体，在Ar的氛围下可以防止水蒸气等气体分子在工件上附着。
3)纯离子镀膜源(PIC)的预热
关闭Ar充气阀及流量计开关，保持加热100℃，当气压低于1×10-2Pa时，关闭磁过滤弯管的挡板使PIC镀膜C等离子体光束不进入腔室造成产品的污染。开启PIC弧电源，设置弧电流50A，过滤器电流2A，阳极电流5A，开始纯离子镀膜源(PIC)的预热程序，时间5000s。
作用：C靶在空气中极容易吸附空气中的水分子和其他气体分子，而这些气体分子在镀膜过程中放气造成Ta-C膜层的纯度受到影响，对膜层的硬度和耐磨性能影响很大。PIC预热时靶材表面温度瞬间升高至几千度，利用PIC预热程序可以将靶材的杂气去除，另外，靶材等离子体光束本身带有能量，可以对过滤弯管内壁进行加热，在过滤电源和阳极电源的辅助加热下将过滤弯管的杂气分子烘烤脱附，气体分子从过滤挡板的狭缝中进入真空腔室内，被真空泵组抽走。
4)阳极层离子源对工件的离子清洗
将腔室的加热温度调整至90℃，当本底真空抽至3×10-3Pa以下，从离子源进气口充入20sccmAr，真空度保持在5×10-2Pa，开启离子源电源和偏压电源，离子源电压：400V，离子源电流：0.1A，工件偏压：20V，工件偏流：0.1A，离子清洗时间：8h。
作用：使用超声波清洗只能去除工件表面的宏观污染物，对于微观的氧化层和污染物只有通过离子轰击的方法去除，从而获得超洁净的产品表面，为后续的膜基结合力奠定基础。阳极层离子源去除微观污渍的原理如下：通过在阳极层离子源的正负极板之间施加电压，Ar气通过阳极层离子源的狭缝时被电离产生辉光放电，Ar的等离子体从离子源的狭缝中射出，在工件负偏压的作用下，Ar等离子体中带正电的离子轰击工件表面，对产品表面进行刻蚀清洗，达到去除微观污染物的效果。
5)溅射镀膜制备种子层
根据工件的材质和使用环境的不同，选取不同的种子层，主要有Ni、Cr、NiCr、NiAl等。具体参数如下：设置腔室温度80℃，本底真空抽至1×10-3Pa以下，从溅射靶进气口充入80sccmAr，真空度保持在2×10-1Pa，开启溅射电源和偏压电源，溅射功率：1KW，工件偏压：20V，工件偏流：0.1A，种子层镀膜时间：8000s，涂层厚度0.3微米。
作用：种子层是根据不同的基材和不同的使用环境进行选择的，一般而言，Ni/NiCr涂层具有较好的耐腐蚀性能，含Si的涂层耐高温性能更好。
6)溅射镀膜制备金属过渡层
为了进一步提高Ta-C层和种子层之间的结合强度，通常会在种子层镀膜之后用溅射法增加一层金属过渡层，主要的材料有Ti/TiSi/TiAl/TiCr。镀膜过程具体参数如下：关闭种子层溅射镀膜电源，保持腔室温度80℃，真空抽至1×10-3Pa以下，从溅射靶进气口充入80sccmAr，真空度保持在2×10-1Pa，开启溅射电源和偏压电源，溅射功率：3KW，工件偏压：20V，工件偏流：0.1A，金属过渡层镀膜时间：500s，涂层厚度0.05微米。
作用：提高Ta-C层和种子层之间的结合强度。
7)纯离子镀膜源制备Ta-C过渡层
关闭Ar充气阀及流量计开关，关闭加热器，打开磁过滤弯管的挡板，当气压低于3×10-4Pa且温度低于100℃时，开启PIC弧电源，设置弧电流45A，过滤器电流5A，阳极电流5A，工件偏压3000V，工件偏流0.2A，C的等离子体光束经过磁过滤弯管，不带电的大颗粒及液滴不会受到过滤磁场的约束，直接撞击到弯管内壁，只有带电粒子可以通过弯管，在扫描线圈的作用下在工件表面均匀沉积，从而开始纯离子镀膜源(PIC)制备Ta-C过渡层，时间500s，涂层厚度0.05微米。
作用：PIC弧源的小电流制备出的过渡层颗粒细小，与Ta-C交替层和金属过渡层之间起到缓冲的效果。
8)纯离子镀膜源制备Ta-C交替层
保持上述状态不变，设置弧电流90A，过滤器电流5A，阳极电流5A，工件偏压2800V/300V交替，每5s交替一次，即2800V工作5s后300V工作5s，而后重复进行。工件偏流0.1-0.4A，开始纯离子镀膜源(PIC)制备Ta-C交替层，时间5000s，涂层厚度0.5微米。
作用：交替的电压沉积的膜层呈层片状结构，可以有效释放膜层的内应力，提高结合力，有助于提高膜层耐高温性能。
9)纯离子镀膜源制备Ta-C主功能层
保持上述状态不变，设置弧电流100A，过滤器电流5A，阳极电流5A，工件偏压280V，工件偏流0.1A，开始纯离子镀膜源(PIC)制备Ta-C主功能层，时间5000s，涂层厚度0.5微米。
作用：低偏压可以提高Ta-C膜层中的SP3键含量，从而提高膜层的硬度。
实施例2
如图1所示：
1)泵组对真空腔室进行抽气
将表面清洗后的工件装夹在专有夹具上，工件进真空腔室后开启旋片泵、罗茨泵将真空抽50Pa以下，开启分子泵将气压抽至2×10-2Pa。
2)真空腔室加热
向真空室充入550sccmAr，气压3×100Pa，开启真空腔室加热器、磁过滤电源，加热温度设置150℃，时间4h。
作用：真空腔室加热器主要是对腔室内壁、衬板、转架、工件上附着的水蒸气等气体分子进行脱附，磁过滤电源产生的热量可以对磁过滤弯管内壁及波纹管衬套进行烘烤除气。通过向真空腔室充入Ar的作用主要有：其一、脱附的气体分子在抽气泵组和Ar的气体带动下可以迅速被排出；其二、在加热条件下，Ar为惰性气体，在Ar的氛围下可以防止水蒸气等气体分子在工件上附着。
3)纯离子镀膜源(PIC)的预热
关闭Ar充气阀及流量计开关，保持加热150℃，当气压低于1×10-2Pa时，关闭磁过滤弯管的挡板使PIC镀膜C等离子体光束不进入腔室造成产品的污染。开启PIC弧电源，设置弧电流100A，过滤器电流10A，阳极电流10A，开始纯离子镀膜源(PIC)的预热程序，时间2000s。
作用：C靶在空气中极容易吸附空气中的水分子和其他气体分子，而这些气体分子在镀膜过程中放气造成Ta-C膜层的纯度受到影响，对膜层的硬度和耐磨性能影响很大。PIC预热时靶材表面温度瞬间升高至几千度，利用PIC预热程序可以将靶材的杂气去除，另外，靶材等离子体光束本身带有能量，可以对过滤弯管内壁进行加热，在过滤电源和阳极电源的辅助加热下将过滤弯管的杂气分子烘烤脱附，气体分子从过滤挡板的狭缝中进入真空腔室内，被真空泵组抽走。
4)阳极层离子源对工件的离子清洗
将腔室的加热温度调整至150℃，当本底真空抽至3×10-3Pa以下，从离子源进气口充入100sccmAr，真空度保持在2.5×10-1Pa，开启离子源电源和偏压电源，离子源电压：1000V，离子源电流：0.5A，工件偏压：1000V，工件偏流：0.8A，离子清洗时间：4h。
作用：使用超声波清洗只能去除工件表面的宏观污染物，对于微观的氧化层和污染物只有通过离子轰击的方法去除，从而获得超洁净的产品表面，为后续的膜基结合力奠定基础。阳极层离子源去除微观污渍的原理如下：通过在阳极层离子源的正负极板之间施加电压，Ar气通过阳极层离子源的狭缝时被电离产生辉光放电，Ar的等离子体从离子源的狭缝中射出，在工件负偏压的作用下，Ar等离子体中带正电的离子轰击工件表面，对产品表面进行刻蚀清洗，达到去除微观污染物的效果。
5)溅射镀膜制备种子层
根据工件的材质和使用环境的不同，选取不同的种子层，主要有Ni、Cr、NiCr、NiAl等。具体参数如下：设置腔室温度150℃，本底真空抽至1×10-3Pa以下，从溅射靶进气口充入200sccmAr，真空度保持在5×10-1Pa，开启溅射电源和偏压电源，溅射功率：2KW，工件偏压：200V，工件偏流：0.5A，种子层镀膜时间：4000s，涂层厚度0.5微米。
作用：种子层是根据不同的基材和不同的使用环境进行选择的，一般而言，Ni/NiCr涂层具有较好的耐腐蚀性能，含Si的涂层耐高温性能更好。
6)溅射镀膜制备金属过渡层
为了进一步提高Ta-C层和种子层之间的结合强度，通常会在种子层镀膜之后用溅射法增加一层金属过渡层，主要的材料有Ti/TiSi/TiAl/TiCr。镀膜过程具体参数如下：关闭种子层溅射镀膜电源，保持腔室温度150℃，真空抽至1×10-3Pa以下，从溅射靶进气口充入200sccmAr，真空度保持在5×10-1Pa，开启溅射电源和偏压电源，溅射功率：4KW，工件偏压：100V，工件偏流：0.4A，金属过渡层镀膜时间：1000s，涂层厚度0.2微米。
作用：提高Ta-C层和种子层之间的结合强度。
7)纯离子镀膜源制备Ta-C过渡层
关闭Ar充气阀及流量计开关，关闭加热器，打开磁过滤弯管的挡板，当气压低于3×10-4Pa且温度低于100℃时，开启PIC弧电源，设置弧电流50A，过滤器电流10A，阳极电流10A，工件偏压3500V，工件偏流0.4A，C的等离子体光束经过磁过滤弯管，不带电的大颗粒及液滴不会受到过滤磁场的约束，直接撞击到弯管内壁，只有带电粒子可以通过弯管，在扫描线圈的作用下在工件表面均匀沉积，从而开始纯离子镀膜源(PIC)制备Ta-C过渡层，时间1000s，涂层厚度0.1微米。
作用：PIC弧源的小电流制备出的过渡层颗粒细小，与Ta-C交替层和金属过渡层之间起到缓冲的效果。
8)纯离子镀膜源制备Ta-C交替层
保持上述状态不变，设置弧电流120A，过滤器电流10A，阳极电流10A，工件偏压2800V/300V交替，每5s交替一次，即2800V工作5s后300V工作5s，而后重复进行。工件偏流0.1-0.4A，开始纯离子镀膜源(PIC)制备Ta-C交替层，时间10000s，涂层厚度0.9微米。
作用：交替的电压沉积的膜层呈层片状结构，可以有效释放膜层的内应力，提高结合力，有助于提高膜层耐高温性能。
9)纯离子镀膜源制备Ta-C主功能层
保持上述状态不变，设置弧电流150A，过滤器电流10A，阳极电流10A，工件偏压200V，工件偏流0.2A，开始纯离子镀膜源(PIC)制备Ta-C主功能层，时间10000s，涂层厚度1.0微米。
作用：低偏压可以提高Ta-C膜层中的SP3键含量，从而提高膜层的硬度。
实施例3
如图1所示：
1)泵组对真空腔室进行抽气
将表面清洗后的工件装夹在专有夹具上，工件进真空腔室后开启旋片泵、罗茨泵将真空抽50Pa以下，开启分子泵将气压抽至2×10-2Pa。
2)真空腔室加热
向真空室充入200sccmAr，气压1×100Pa，开启真空腔室加热器、磁过滤电源，加热温度设置200℃，时间1.5h。
作用：真空腔室加热器主要是对腔室内壁、衬板、转架、工件上附着的水蒸气等气体分子进行脱附，磁过滤电源产生的热量可以对磁过滤弯管内壁及波纹管衬套进行烘烤除气。通过向真空腔室充入Ar的作用主要有：其一、脱附的气体分子在抽气泵组和Ar的气体带动下可以迅速被排出；其二、在加热条件下，Ar为惰性气体，在Ar的氛围下可以防止水蒸气等气体分子在工件上附着。
3)纯离子镀膜源(PIC)的预热
关闭Ar充气阀及流量计开关，保持加热200℃，当气压低于1×10-2Pa时，关闭磁过滤弯管的挡板使PIC镀膜C等离子体光束不进入腔室造成产品的污染。开启PIC弧电源，设置弧电流200A，过滤器电流20A，阳极电流15A，开始纯离子镀膜源(PIC)的预热程序，时间1000s。
作用：C靶在空气中极容易吸附空气中的水分子和其他气体分子，而这些气体分子在镀膜过程中放气造成Ta-C膜层的纯度受到影响，对膜层的硬度和耐磨性能影响很大。PIC预热时靶材表面温度瞬间升高至几千度，利用PIC预热程序可以将靶材的杂气去除，另外，靶材等离子体光束本身带有能量，可以对过滤弯管内壁进行加热，在过滤电源和阳极电源的辅助加热下将过滤弯管的杂气分子烘烤脱附，气体分子从过滤挡板的狭缝中进入真空腔室内，被真空泵组抽走。
4)阳极层离子源对工件的离子清洗
将腔室的加热温度调整至200℃，当本底真空抽至3×10-3Pa以下，从离子源进气口充入200sccmAr，真空度保持在5×10-1Pa，开启离子源电源和偏压电源，离子源电压：2500V，离子源电流：1.5A，工件偏压：2000V，工件偏流：1.2A，离子清洗时间：2h。
作用：使用超声波清洗只能去除工件表面的宏观污染物，对于微观的氧化层和污染物只有通过离子轰击的方法去除，从而获得超洁净的产品表面，为后续的膜基结合力奠定基础。阳极层离子源去除微观污渍的原理如下：通过在阳极层离子源的正负极板之间施加电压，Ar气通过阳极层离子源的狭缝时被电离产生辉光放电，Ar的等离子体从离子源的狭缝中射出，在工件负偏压的作用下，Ar等离子体中带正电的离子轰击工件表面，对产品表面进行刻蚀清洗，达到去除微观污染物的效果。
5)溅射镀膜制备种子层
根据工件的材质和使用环境的不同，选取不同的种子层，主要有Ni、Cr、NiCr、NiAl等。具体参数如下：设置腔室温度200℃，本底真空抽至1×10-3Pa以下，从溅射靶进气口充入400sccmAr，真空度保持在1×10-0Pa，开启溅射电源和偏压电源，溅射功率：4KW，工件偏压：400V，工件偏流：0.8A，种子层镀膜时间：2000s，涂层厚度0.6微米。
作用：种子层是根据不同的基材和不同的使用环境进行选择的，一般而言，Ni/NiCr涂层具有较好的耐腐蚀性能，含Si的涂层耐高温性能更好。
6)溅射镀膜制备金属过渡层
为了进一步提高Ta-C层和种子层之间的结合强度，通常会在种子层镀膜之后用溅射法增加一层金属过渡层，主要的材料有Ti/TiSi/TiAl/TiCr。镀膜过程具体参数如下：关闭种子层溅射镀膜电源，保持腔室温度200℃，真空抽至1×10-3Pa以下，从溅射靶进气口充入400sccmAr，真空度保持在1×100Pa，开启溅射电源和偏压电源，溅射功率：6KW，工件偏压：200V，工件偏流：0.7A，金属过渡层镀膜时间：1000s，涂层厚度0.3微米。
作用：提高Ta-C层和种子层之间的结合强度。
7)纯离子镀膜源制备Ta-C过渡层
关闭Ar充气阀及流量计开关，关闭加热器，打开磁过滤弯管的挡板，当气压低于3×10-4Pa且温度低于100℃时，开启PIC弧电源，设置弧电流65A，过滤器电流20A，阳极电流20A，工件偏压4000V，工件偏流0.6A，C的等离子体光束经过磁过滤弯管，不带电的大颗粒及液滴不会受到过滤磁场的约束，直接撞击到弯管内壁，只有带电粒子可以通过弯管，在扫描线圈的作用下在工件表面均匀沉积，从而开始纯离子镀膜源(PIC)制备Ta-C过渡层，时间1000s，涂层厚度0.2微米。
作用：PIC弧源的小电流制备出的过渡层颗粒细小，与Ta-C交替层和金属过渡层之间起到缓冲的效果。
8)纯离子镀膜源制备Ta-C交替层
保持上述状态不变，设置弧电流180A，过滤器电流20A，阳极电流20A，工件偏压2800V/300V交替，每5s交替一次，即2800V工作5s后300V工作5s，而后重复进行。工件偏流0.1-0.4A，开始纯离子镀膜源(PIC)制备Ta-C交替层，时间5000s，涂层厚度0.8微米。
作用：交替的电压沉积的膜层呈层片状结构，可以有效释放膜层的内应力，提高结合力，有助于提高膜层耐高温性能。
9)纯离子镀膜源制备Ta-C主功能层
保持上述状态不变，设置弧电流200A，过滤器电流20A，阳极电流20A，工件偏压100V，工件偏流0.3A，开始纯离子镀膜源(PIC)制备Ta-C主功能层，时间15000s，涂层厚度1.5微米。
作用：低偏压可以提高Ta-C膜层中的SP3键含量，从而提高膜层的硬度。
实施例4
如图1所示：
1)泵组对真空腔室进行抽气
将表面清洗后的工件装夹在专有夹具上，工件进真空腔室后开启旋片泵、罗茨泵将真空抽50Pa以下，开启分子泵将气压抽至2×10-2Pa。
2)真空腔室加热
向真空室充入100sccmAr，气压5×10-1Pa，开启真空腔室加热器、磁过滤电源，加热温度设置350℃，时间0.5h。
作用：真空腔室加热器主要是对腔室内壁、衬板、转架、工件上附着的水蒸气等气体分子进行脱附，磁过滤电源产生的热量可以对磁过滤弯管内壁及波纹管衬套进行烘烤除气。通过向真空腔室充入Ar的作用主要有：其一、脱附的气体分子在抽气泵组和Ar的气体带动下可以迅速被排出；其二、在加热条件下，Ar为惰性气体，在Ar的氛围下可以防止水蒸气等气体分子在工件上附着。
3)纯离子镀膜源(PIC)的预热
关闭Ar充气阀及流量计开关，保持加热300℃，当气压低于1×10-2Pa时，关闭磁过滤弯管的挡板使PIC镀膜C等离子体光束不进入腔室造成产品的污染。开启PIC弧电源，设置弧电流300A，过滤器电流40A，阳极电流30A，开始纯离子镀膜源(PIC)的预热程序，时间100s。
作用：C靶在空气中极容易吸附空气中的水分子和其他气体分子，而这些气体分子在镀膜过程中放气造成Ta-C膜层的纯度受到影响，对膜层的硬度和耐磨性能影响很大。PIC预热时靶材表面温度瞬间升高至几千度，利用PIC预热程序可以将靶材的杂气去除，另外，靶材等离子体光束本身带有能量，可以对过滤弯管内壁进行加热，在过滤电源和阳极电源的辅助加热下将过滤弯管的杂气分子烘烤脱附，气体分子从过滤挡板的狭缝中进入真空腔室内，被真空泵组抽走。
4)阳极层离子源对工件的离子清洗
将腔室的加热温度调整至300℃，当本底真空抽至3×10-3Pa以下，从离子源进气口充入400sccmAr，真空度保持在1×100Pa，开启离子源电源和偏压电源，离子源电压：5000V，离子源电流：3A，工件偏压：3500V，工件偏流：2.2A，离子清洗时间：0.5h。
作用：使用超声波清洗只能去除工件表面的宏观污染物，对于微观的氧化层和污染物只有通过离子轰击的方法去除，从而获得超洁净的产品表面，为后续的膜基结合力奠定基础。阳极层离子源去除微观污渍的原理如下：通过在阳极层离子源的正负极板之间施加电压，Ar气通过阳极层离子源的狭缝时被电离产生辉光放电，Ar的等离子体从离子源的狭缝中射出，在工件负偏压的作用下，Ar等离子体中带正电的离子轰击工件表面，对产品表面进行刻蚀清洗，达到去除微观污染物的效果。
5)溅射镀膜制备种子层
根据工件的材质和使用环境的不同，选取不同的种子层，主要有Ni、Cr、NiCr、NiAl等。具体参数如下：设置腔室温度250℃，本底真空抽至1×10-3Pa以下，从溅射靶进气口充入800sccmAr，真空度保持在2×100Pa，开启溅射电源和偏压电源，溅射功率：6KW，工件偏压：800V，工件偏流：2A，种子层镀膜时间：6000s，涂层厚度0.8微米。
作用：种子层是根据不同的基材和不同的使用环境进行选择的，一般而言，Ni/NiCr涂层具有较好的耐腐蚀性能，含Si的涂层耐高温性能更好。
6)溅射镀膜制备金属过渡层
为了进一步提高Ta-C层和种子层之间的结合强度，通常会在种子层镀膜之后用溅射法增加一层金属过渡层，主要的材料有Ti/TiSi/TiAl/TiCr。镀膜过程具体参数如下：关闭种子层溅射镀膜电源，保持腔室温度250℃，真空抽至1×10-3Pa以下，从溅射靶进气口充入800sccmAr，真空度保持在2×100Pa，开启溅射电源和偏压电源，溅射功率：7KW，工件偏压：300V，工件偏流：1A，金属过渡层镀膜时间：2000s，涂层厚度1微米。
作用：提高Ta-C层和种子层之间的结合强度。
7)纯离子镀膜源制备Ta-C过渡层
关闭Ar充气阀及流量计开关，关闭加热器，打开磁过滤弯管的挡板，当气压低于3×10-4Pa且温度低于100℃时，开启PIC弧电源，设置弧电流80A，过滤器电流40A，阳极电流30A，工件偏压5000V，工件偏流0.8A，C的等离子体光束经过磁过滤弯管，不带电的大颗粒及液滴不会受到过滤磁场的约束，直接撞击到弯管内壁，只有带电粒子可以通过弯管，在扫描线圈的作用下在工件表面均匀沉积，从而开始纯离子镀膜源(PIC)制备Ta-C过渡层，时间1000s，涂层厚度0.1微米。
作用：PIC弧源的小电流制备出的过渡层颗粒细小，与Ta-C交替层和金属过渡层之间起到缓冲的效果。
8)纯离子镀膜源制备Ta-C交替层
保持上述状态不变，设置弧电流250A，过滤器电流40A，阳极电流30A，工件偏压2800V/300V交替，每5s交替一次，即2800V工作5s后300V工作5s，而后重复进行。工件偏流0.1-0.4A，开始纯离子镀膜源(PIC)制备Ta-C交替层，时间10000s，涂层厚度1.0微米。
作用：交替的电压沉积的膜层呈层片状结构，可以有效释放膜层的内应力，提高结合力，有助于提高膜层耐高温性能。
9)纯离子镀膜源制备Ta-C主功能层
保持上述状态不变，设置弧电流300A，过滤器电流40A，阳极电流30A，工件偏压10V，工件偏流0.4A，开始纯离子镀膜源(PIC)制备Ta-C主功能层，时间10000s，涂层厚度1.0微米。
作用：低偏压可以提高Ta-C膜层中的SP3键含量，从而提高膜层的硬度。
实施例5
实施例1～4制取的产品的膜层结构如图2所示，对实施例3、4制备产品(分别记为产品A和产品B)以及普通DLC工艺制备的产品的性能进行检测，检测方法和检测结果如下表所示：
Figure BDA0002984665670000101
Figure BDA0002984665670000111
Figure BDA0002984665670000121
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (2)

1.一种超硬耐高温Ta-C涂层的制备工艺，其特征在于，包括如下操作：
将工件置于真空腔室内，对真空腔室进行抽气处理，抽气处理后对真空腔室、纯离子镀膜源、工件中的一者或几者进行除杂处理，除杂处理后，采用溅射镀膜在工件表面依次制备种子层、金属过渡层、Ta-C过渡层、Ta-C交替层和Ta-C主功能层，所述的种子层为Ni、Cr、NiCr、NiAl中的一者；金属过渡层为Ti、TiSi、TiAl、TiCr中的一者；制备Ta-C过渡层时，工件连接的偏压值为T1的偏压；制备Ta-C交替层时，工件交替连接偏压值为T2、T3的偏压，制备Ta-C主功能层时，工件连接偏压值为T4的偏压，其中T1＞T2＞T3＞T4；
T1为3000-5000V，T2为2800V，T3为300V，T4为10-280V；
种子层的厚度为0.1-0.8微米，金属过渡层的厚度为0.05-0.5微米，Ta-C过渡层的厚度为0.05-0.2微米，Ta-C交替层的厚度为0.5-1微米，Ta-C主功能层的厚度为0.5-1.5微米；
除杂处理包括向真空腔体内充入Ar进行加热处理，对纯离子镀膜源进行预热处理以及对工件进行离子源清洗处理；
制备种子层时，保持真空腔室温度80～250℃，本底真空抽至1×10-3 Pa以下，从溅射靶进气口充入80-800sccmAr，真空度保持在2×10-1 Pa -2×100 Pa，开启溅射电源和偏压电源，溅射功率：1-6KW，工件偏压：20-800V，工件偏流：0.1-2A，种子层镀膜时间：1000-8000s；
制备金属过渡层时，关闭种子层溅射镀膜电源，保持真空腔室温度80-250℃，真空抽至1×10-3 Pa以下，从溅射靶进气口充入80-800sccmAr，真空度保持在2×10-1 Pa -2×100Pa，开启溅射电源和偏压电源，溅射功率：3-7KW，工件偏压：20-300V，工件偏流：0.1-1A，金属过渡层镀膜时间：500-5000s；
制备Ta-C过渡层时，关闭Ar充气阀及流量计开关，关闭加热器，打开磁过滤弯管的挡板，当气压低于3×10-4Pa且温度低于100℃时，开启PIC弧电源，设置弧电流45-80A，过滤器电流5-40A，阳极电流5-30A，工件偏压3000-5000V，工件偏流0.2-0.8A，时间500-2000s；
制备Ta-C交替层时，设置弧电流90-250A，过滤器电流5-40A，阳极电流5-30A，工件偏压2800V和300V交替，每5s交替一次，工件偏流0.1-0.4A，开始纯离子镀膜源制备Ta-C交替层，时间5000-10000s；
制备Ta-C主功能层时，设置弧电流100-300A，过滤器电流5-40A，阳极电流5-30A，工件偏压10-280V，工件偏流0.1-0.4A，时间5000-15000s。
2.根据权利要求1所述的超硬耐高温Ta-C涂层的制备工艺，其特征在于，
向真空腔体内充入Ar进行加热处理为：
向真空腔室充入0-550sccmAr，气压2×10-2-3×100Pa，开启真空腔室加热器、磁过滤电源，加热温度设置100-350℃，时间0.5-5h；
对纯离子镀膜源进行预热处理为：
关闭Ar充气阀及流量计开关，保持加热100-350℃，当气压低于1×10-2Pa时，关闭磁过滤弯管的挡板使PIC镀膜C等离子体光束不进入腔室造成产品的污染，开启PIC弧电源，设置弧电流50-300A，过滤器电流2-40A，阳极电流5-30A，开始纯离子镀膜源的预热程序，时间100-5000s；
对工件进行离子源清洗处理为：
将真空腔室的加热温度调整至90-300℃，当本底真空抽至3×10-3 Pa以下，从离子源进气口充入20-400sccmAr，真空度保持在5×10-2 Pa -1×100 Pa，开启离子源电源和偏压电源，离子源电压：400-5000V，离子源电流：0.1-1A，工件偏压：20-3500V，工件偏流：0.1-2.2A，离子清洗时间：0.5-8h。
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