CN113718252A - Tc4材料表面镀制类金刚石保护层的方法、tc4材料及其应用 - Google Patents

Tc4材料表面镀制类金刚石保护层的方法、tc4材料及其应用 Download PDF

Info

Publication number
CN113718252A
CN113718252A CN202111029715.6A CN202111029715A CN113718252A CN 113718252 A CN113718252 A CN 113718252A CN 202111029715 A CN202111029715 A CN 202111029715A CN 113718252 A CN113718252 A CN 113718252A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
plating
diamond
controlling
protective layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111029715.6A
Other languages
English (en)
Inventor
龙丹
林勇刚
王立利
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Techmart Shenzhen Ltd
Original Assignee
Techmart Shenzhen Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Techmart Shenzhen Ltd filed Critical Techmart Shenzhen Ltd
Priority to CN202111029715.6A priority Critical patent/CN113718252A/zh
Publication of CN113718252A publication Critical patent/CN113718252A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/322—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer only coatings of metal elements only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/16—Extraterrestrial cars
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021—Cleaning or etching treatments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021—Cleaning or etching treatments
    • C23C14/022—Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0664—Carbonitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/343—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one DLC or an amorphous carbon based layer, the layer being doped or not
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/36—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including layers graded in composition or physical properties

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本申请具体公开了一种TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法、TC4材料及其应用。TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法，包括：通过阴极电弧离子镀在TC4材料表面依次镀制Ti层、TiN层以及TiCN层；通过化学气相沉积在TiCN层上镀制类金刚石层。TC4材料，其表面采用上述TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法镀制有类金刚石保护层。月球车机械臂，其材质为上述TC4材料。本申请通过在TC4材料上镀制类金刚石保护层，使TC4材料具有良好的耐磨性、润滑性、耐腐蚀性和耐高温性。本申请镀制的具有Ti‑TiN‑TiCN三层结构的过渡层，能更有效地提升TC4材料和类金刚石层之间的结合性，从而有助于类金刚石层更好的发挥作用，进而提升了镀制有类金刚石保护层的TC4材料的性能。

Description

TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法、TC4材料及其应用
技术领域
本申请涉及类金刚石层的领域，更具体地说，它涉及一种TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法、TC4材料及其应用。
背景技术
TC4材料（即Ti-6Al-4V钛合金）是一种双相合金，具有良好的组织稳定性、韧性及塑性，能较好地被热压加工，能通过淬火和时效而被强化。同时该材料具有较小的高温变形性和较高的高温强度，可在400-500℃的温度下长期工作；TC4材料的热稳定性仅次于与α钛合金。
由于TC4材料具有上述良好的性能，故可应用于航空、生物医疗、石油化工以及汽车零部件等领域。同样，TC4材料也可以应用于航天领域；然而由于航天器需要经历各种苛刻的环境，要求TC4材料能具有更好的耐磨性、润滑性、耐高温性以及耐腐蚀性；而实践中，纯TC4材料的表现往往不理想。如“嫦娥五号”月球车的机械臂，如单纯采用TC4材料作为材质，机械臂的工作性无法达到最理想的状态。
在相关技术中，通过在TC4材料表面镀制光滑细腻的类金刚石（DLC）层，来提高材料的润滑性、耐磨性以及耐温耐腐蚀性。由于类金刚石层和TC4材料成分和性质相差较大，会出现结合性不佳的问题，从而限制了类金刚石层作用的发挥；故相关技术中，还会在类金刚石层和TC4材料之间镀制单层的TiN层或TiC层作为过渡层以减小界面间化学、物理性质的突变，提高类金刚石层和TC4材料之间的结合性，从而更好地发挥类金刚石层的作用。然而，随着对航天材料性能要求的不断提高，要求镀制了类金刚石层的TC4材料具有更理想的性能，从而对金刚石层和TC4材料之间的结合性也提出了更高的要求。
发明内容
为了提高类金刚石层和TC4材料之间的结合性，从而更好地发挥类金刚石层的作用，使TC4材料具有理想的耐磨性、润滑性、耐高温性以及耐腐蚀性，本申请提供一种TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法、TC4材料及其应用。
第一方面，提供了一种TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法，采用如下的技术方案：
TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法，包括：
通过阴极电弧离子镀在TC4材料表面依次镀制Ti层、TiN层以及TiCN层；
通过化学气相沉积在所述TiCN层上镀制类金刚石层。
通过采用上述技术方案，在TC4材料和类金刚石层之间镀制了Ti-TiN-TiCN三层结构的过渡层。在三层中，相比于TiN层、TiCN层以及类金刚石层，Ti层的成分性能与TC4材料更加接近，故两者间的连接性更好；类似的，相比于TC4材料、Ti层以及TiN层，TiCN层的性能更加接近于类金刚石层，故两者间的连接性更好；TiN层处于Ti层和TiCN层中间，在成分性能上能够起到一个过渡的作用。因此，Ti-TiN-TiCN的三层结构可以形成一个合理的梯度结构，相比于单层结构的过渡层，可以更加有效地减少TC4材料和类金刚石保护层之间各界面间物理、化学性能的突变，这样可以降低类金刚石层和TC4材料之间的应力，从而有利于类金刚石层和TC4材料之间结合性的提高，能更好地发挥类金刚石层的作用，进而有利于提升镀制了类金刚石层的TC4材料的耐磨性、润滑性、耐高温性以及耐腐蚀性。
可选的，在所述TC4材料表面依次镀制Ti层、TiN层以及TiCN层的方法为：
先通过阴极电弧离子镀在所述TC4材料表面镀制所述Ti层；采用氩气为工作气体，采用钛靶为靶材，并控制靶材电流为20-30A；控制工作压力为0.25-0.45Pa，工作温度为150-250℃；控制基材负偏压为80-120V，占空比为45-55%；
之后通过阴极电弧离子镀在所述Ti层上镀制所述TiN层，采用氩气为工作气体，采用氮气为反应气体，并控制所述氮气的流量为150-250sccm；采用钛靶为靶材，并控制靶材电流为20-30A；控制工作压力为0.25-0.45Pa，工作温度为150-250℃；控制基材负偏压为80-120V，占空比为45-55%；
之后通过阴极电弧离子镀在所述TiN层上镀制所述TiCN层，采用氩气为工作气体，采用氮气和乙炔为反应气体，并控制所述氮气的流量为150-250sccm，所述乙炔的流量为30-50sccm；采用钛靶为靶材，并控制靶材电流为20-30A；控制工作压力为0.25-0.45Pa，工作温度为150-250℃；控制基材负偏压为80-120V，占空比为45-55%。
通过采用上述技术方案，能够顺利地在TC4材料表面镀制Ti-TiN-TiCN三层结构的过渡层，以提高类金刚石层和TC4材料之间的结合性。
可选的，在所述TC4材料表面镀制所述Ti层的时间为1-8min，在所述Ti层上镀制所述TiN层的时间为12-24min，在所述TiN层上镀制所述TiCN层的时间为30-72min。
通过采用上述技术方案，对镀制时间进行了优化，有利于获得成型更好的过渡层，对于提高类金刚石层和TC4材料之间的结合性，进而获得性能更理想的TC4材料具有积极的意义。
可选的，在镀制所述Ti层时，氩气流量控制在50-150sccm；在镀制所述TiN层时，氩气流量控制在50-150sccm；在镀制所述TiCN层时，氩气流量控制在50-150sccm。
可选的，在所述TiCN层上镀制所述类金刚石层时：采用乙炔为反应气体，并控制所述乙炔的流量为250-350sccm；控制基材负偏压为700-900V；控制工作压力为1.6-2.5Pa，工作温度为150-250℃。
通过采用上述技术方案，可以获得性能理想的类金刚石层。其中，提高乙炔的通入流量可以获得更多可供反应的碳，使类金刚石层成型更好，从而有利于类金刚石保护层具有更好的性能；同时，适量提升基材负偏压有利于增强离子的轰击效果，对于所得类金刚石层的规整度有积极的意义；但是基材负偏压过高会导致类金刚石由于过强的离子冲击而出现缺陷，进而导致类金刚石层性能的下降。
可选的，在所述TiCN层上镀制所述类金刚石层的时间控制为15-30min。
可选的，在所述TC4材料上镀制所述Ti层前，先对所述TC4材料所处环境抽真空，之后对所述TC4材料表面进行氩离子轰击，控制氩气流量为100-200sccm，基材负偏压为750-850V，工作压力为0.05-0.2Pa；之后对经氩离子轰击的所述TC4材料表面进行钛离子轰击，采用氩气为工作气体，钛靶为靶材，控制基材负偏压为750-850V，工作压力为0.05-0.2Pa。
通过采用上述技术方案，对TC4材料表面进行氩离子轰击和钛离子轰击能够去除TC4材料表面的杂质和污物，并使材料表面活化，对于提高类金刚石保护层和TC4材料之间的结合力具有积极的意义。
可选的，在对所述TC4材料进行氩离子轰击和钛离子轰击前，对所述TC4材料进行超声波清洗，控制超声波频率为20-60kHz，清洗时间为3-8min。
通过采用上述技术方案，有利于去除TC4材料表面的油污及抛光蜡，从而有利于提高类金刚石保护层和TC4材料之间的结合性。
第二方面，提供了一种TC4材料，采用如下的技术方案：
TC4材料，其表面采用上述TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法镀制有类金刚石保护层。
通过采用上述技术方案，赋予了TC4材料更高的硬度、更小的摩擦系数，并使TC4材料耐磨性、润滑性、耐高温性以及耐腐蚀性均得到了提升，可以很好地应用于月球车等航天器中，也适用于汽车零件等领域。
第三方面，提供了一种月球车机械臂，采用如下的技术方案：
月球车机械臂，其材质为上述TC4材料。
通过采用上述技术方案，使月球车机械臂具有了良好的耐磨性、润滑性、耐高温性以及耐腐蚀性，提高了月球车机械臂的工作性，延长了其使用寿命，保证了月球车即便在恶劣的环境（如极端气温）下也能顺利工作。
综上所述，本申请至少具有以下有益技术效果之一：
1、本申请通过在TC4材料上镀制类金刚石保护层，使TC4材料具有理想的硬度、极低的摩擦系数和很小的磨损率，表现出很好的耐磨性和润滑性；同时TC4材料还具有良好的耐腐蚀性和耐高温性；并且TC4材料和类金刚石保护层之间具有很高的结合力。故而，该TC4材料能很好地应用于月球车等航天器中，也非常适合作为汽车零部件的材质。
2、本申请在TC4材料和类金刚石层之间镀制了具有Ti-TiN-TiCN三层结构的过渡层，通过Ti-TiN-TiCN的三层结构形成一个合理的性能梯度，能更有效地减少TC4材料和类金刚石层之间各个界面间物理和化学性能的突变，提升了TC4材料和类金刚石层之间的结合性，从而有助于类金刚石层更好的发挥作用，进而提升了镀制有类金刚石保护层的TC4材料的性能。
3、本申请在镀制Ti层之前对TC4材料表面进行氩离子轰击和钛离子轰击，能够去除TC4材料表面的杂质和污物，并能活化材料表面，从而提高了TC4材料和类金刚石层之间的结合性。
4、本申请对TC4材料进行超声波预处理以去除材料表面的油污及抛光蜡，对提高类金刚石保护层和TC4材料之间的结合力具有积极意义。
具体实施方式
由于单层TN层或TC层性能单一，故将它们作为过渡层镀制在TC4材料和类金刚石层之间，尽管可以减少两者之间界面间物理、化学性能的突变，但是减少突变的效果还有可以提高之处。镀制Ti-TiN-TiCN层，利用三者在成分和性能上的渐变，可以形成一个合理的梯度结构，能更加有效地减少TC4材料和类金刚石层间界面间物理、化学性能的突变，从而能更好地提高TC4材料和类金刚石层之间的结合性，进而有利于类金刚石层更好的发挥作用，使镀制了类金刚石保护层的TC4材料具有更理想的耐磨性、润滑性、耐高温性以及耐腐蚀性。本申请就是在此基础上得出的。
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例1
本申请实施例公开了一种TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法，包括以下步骤：
S10、将作为基材的TC4材料试件通过夹具固定在工作腔中；对工作腔抽真空，待工作腔中的压力达到4Pa时开启加热丝（具体为钨丝）进行加热，控制加热速率为1.5℃/min；待工作腔中工作温度达到200℃后保持温度，同时继续抽真空至工作腔中的压力为0.005Pa；抽真空的目的在于去除工作腔内不必要的气氛。
S20、向工作腔中通入氩气，并控制其流量为100sccm；待工作腔内的工作压力达到0.35Pa时，打开钛靶电源和负偏压电源，并控制钛靶的电流为25A，基材负偏压为100V、占空比为50%。通过阴极电弧离子镀的方式在TC4材料表面镀制Ti层，控制镀制时间为1min。
S30、保持工作腔内各参数（氩气的流量、钛靶电流、基材负偏压、占空比、工作温度以及工作压力）不变，向工作腔中通入氮气，并控制其流量为200sccm；通过阴极电弧离子镀的方式在Ti层上镀制TiN层，控制镀制时间为12min。
S40、保持工作腔内各参数不变，向工作腔中通入乙炔，并控制其流量为40sccm，使乙炔在工作腔中的分压为0.006Pa；通过阴极电弧离子镀的方式在TiN层上镀制TiCN层，控制镀制时间为30min。通过S20、S30以及S40的实施，在TC4材料表面镀制了Ti-TiN-TiCN三层结构的过渡层。
S50、关闭钛靶电源，停止氮气和氩气的通入，并保持工作腔内工作温度为200℃；向工作腔中加大乙炔的通入流量到250sccm，待工作腔内的工作压力达到2.0Pa时，调整基材负偏压到700V，占空比到80%；通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方式在TiCN层上镀制类金刚石层，控制镀制时间为20min。
S60、关闭加热丝和负偏压电源，停止乙炔的通入；待工作腔温度降至100℃以下后通入大气，取出工件，得到表面镀制了类金刚石保护层的TC4材料。
本申请实施例还公开了一种TC4材料，其表面通过上述方法镀制有类金刚石保护层，该保护层由TC4材料表面向外依次包括Ti层、TiN层、TiCN层以及类金刚石层。通过类金刚石保护层的镀制使TC4材料具有更好的耐磨性、润滑性、耐高温性以及耐腐蚀性。
本申请实施例还公开了一种月球车机械臂，其由表面镀制有类金刚石保护层的TC4材料制成。该月球车机械臂具有良好的耐磨性、润滑性、耐高温性以及耐腐蚀性，保证了机械臂在月球上能顺利地采集样品，为月球车顺利完成工作提供了必要的条件。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：在TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法中增加了氩离子轰击和钛离子轰击的步骤。
具体包括以下步骤：
S10、将作为基材的TC4材料试件通过夹具固定在工作腔中；对工作腔抽真空，待工作腔中的压力达到4Pa时开启加热丝（具体为钨丝）进行加热，控制加热速率为1.5℃/min；待工作腔中工作温度达到200℃后保持温度，同时继续抽真空至工作腔中的压力为0.005Pa。
S11、向工作腔中通入氩气，并控制其流量为150sccm；待工作腔内的工作压力达到0.1Pa时，打开负偏压电源，并控制基材负偏压为800V、占空比为60%，对TC4材料表面进行氩离子轰击30min；之后打开钛靶电源，控制其电流为40A，并保持基材负偏压为800V、占空比为60%，对TC4材料表面进行钛离子轰击3min。通过上述离子轰击，可以去除TC4材料表面的杂质和污物，并使材料表面活化，以提高类金刚石保护层和TC4材料的结合性。
S20、关闭钛靶电源和负偏压电源，停止氩气的通入，对工作腔抽真空；待工作腔中的压力达到0.005Pa后再向工作腔中通入氩气，并控制其流量为100sccm；待工作腔内的工作压力达到0.35Pa时，打开钛靶电源和负偏压电源，并控制钛靶的电流为25A，基材负偏压为100V、占空比为50%。通过阴极电弧离子镀的方式在TC4材料表面镀制Ti层，控制镀制时间为1min。
S30、保持工作腔内各参数不变，向工作腔中通入氮气，并控制其流量为200sccm；通过阴极电弧离子镀的方式在Ti层上镀制TiN层，控制镀制时间为12min。
S40、保持工作腔内各参数不变，向工作腔中通入乙炔，并控制其流量为40sccm，使乙炔在工作腔中的分压为0.006Pa；通过阴极电弧离子镀的方式在TiN层上镀制TiCN层，控制镀制时间为30min。
S50、关闭钛靶电源，停止氮气和氩气的通入，并保持工作腔内工作温度为200℃；向工作腔中加大乙炔的通入流量到250sccm，待工作腔内的工作压力达到2.0Pa时，调整基材负偏压到700V，占空比到80%；通过等离子体增强化学气相沉积的方式在TiCN层上镀制类金刚石层，控制镀制时间为20min。
S60、关闭加热丝和负偏压电源，停止乙炔的通入；待工作腔温度降至100℃以下后通入大气，取出工件，得到表面镀制了类金刚石保护层的TC4材料。
实施例3
本实施例与实施例2的不同之处在于：在TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法中增加了超声波清洗的步骤。
具体包括以下步骤：
S01、将作为基材的TC4材料试件置于超声波清洗机中进行5min的超声波清洗，以去除TC4材料表面的油污及抛光蜡；控制超声频率为40kHz。
S10、将TC4材料试件通过夹具固定在工作腔中；对工作腔抽真空，待工作腔中的压力达到4Pa时开启加热丝（具体为钨丝）进行加热，控制加热速率为1.5℃/min；待工作腔中工作温度达到200℃后保持温度，同时继续抽真空至工作腔中的压力为0.005Pa。
S11、向工作腔中通入氩气，并控制其流量为150sccm；待工作腔内的工作压力达到0.1Pa时，打开负偏压电源，并控制基材负偏压为800V、占空比为60%，对TC4材料表面进行氩离子轰击30min；之后打开钛靶电源，控制其电流为40A，并保持基材负偏压为800V、占空比为60%，对TC4材料表面进行钛离子轰击3min。
S20、关闭钛靶电源和负偏压电源，停止氩气的通入，对工作腔抽真空；待工作腔中的压力达到0.005Pa后再向工作腔中通入氩气，并控制其流量为100sccm；待工作腔内的工作压力达到0.35Pa时，打开钛靶电源和负偏压电源，并控制钛靶的电流为25A，基材负偏压为100V、占空比为50%。通过阴极电弧离子镀的方式在TC4材料表面镀制Ti层，控制镀制时间为1min。
S30、保持工作腔内各参数不变，向工作腔中通入氮气，并控制其流量为200sccm；通过阴极电弧离子镀的方式在Ti层上镀制TiN层，控制镀制时间为12min。
S40、保持工作腔内各参数不变，向工作腔中通入乙炔，并控制其流量为40sccm，使乙炔在工作腔中的分压为0.006Pa；通过阴极电弧离子镀的方式在TiN层上镀制TiCN层，控制镀制时间为30min。
S50、关闭钛靶电源，停止氮气和氩气的通入，并保持工作腔内工作温度为200℃；向工作腔中加大乙炔的通入流量到250sccm，待工作腔内的工作压力达到2.0Pa时，调整基材负偏压到700V，占空比到80%；通过等离子体增强化学气相沉积的方式在TiCN层上镀制类金刚石层，控制镀制时间为20min。
S60、关闭加热丝和负偏压电源，停止乙炔的通入；待工作腔温度降至100℃以下后通入大气，取出工件，得到表面镀制了类金刚石保护层的TC4材料。
实施例4-11
实施例4-11与实施例3的不同之处在于：在TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法中，镀制Ti层、TiN层以及TiCN层的时间不同，具体见表1。
表1 实施例3-11中镀制Ti层、TiN层以及TiCN层的时间
项目 镀制Ti层的时间/min 镀制TiN层的时间/min 镀制TiCN层的时间/min
实施例3 1 12 30
实施例4 3 12 30
实施例5 5 12 30
实施例6 8 12 30
实施例7 3 12 36
实施例8 3 12 48
实施例9 3.75 15 45
实施例10 5 20 60
实施例11 6 24 72
实施例12
本实施例与实施例10基本相同，不同之处在于：在TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法的S50中，控制乙炔的通入流量为280sccm。
实施例13
本实施例与实施例10基本相同，不同之处在于：在TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法的S50中，控制乙炔的通入流量为300sccm。
实施例14
本实施例与实施例10基本相同，不同之处在于：在TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法的S50中，控制乙炔的通入流量为350sccm。
实施例15
本实施例与实施例13基本相同，不同之处在于：在TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法的S50中，控制基材负偏压为800V。
实施例16
本实施例与实施例13基本相同，不同之处在于：在TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法的S50中，控制基材负偏压为900V。
实施例17
本实施例与实施例15基本相同，不同之处在于：在TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法中，除S60外各步骤中均有部分控制参数发生变化。
具体包括以下步骤：
S01、将作为基材的TC4材料试件置于超声波清洗机中进行3min的超声波清洗；控制超声频率为60kHz。
S10、将TC4材料试件通过夹具固定在工作腔中；对工作腔抽真空，待工作腔中的压力达到4Pa时开启加热丝（具体为钨丝）进行加热，控制加热速率为2℃/min；待工作腔中工作温度达到150℃后保持温度，同时继续抽真空至工作腔中的压力为0.005Pa。
S11、向工作腔中通入氩气，并控制其流量为100sccm；待工作腔内的工作压力达到0.05Pa时，打开负偏压电源，并控制基材负偏压为750V、占空比为60%，对TC4材料表面进行氩离子轰击40min；之后打开钛靶电源，控制其电流为40A，并保持基材负偏压为750V、占空比为60%，对TC4材料表面进行钛离子轰击4min。
S20、关闭钛靶电源和负偏压电源，停止氩气的通入，对工作腔抽真空；待工作腔中的压力达到0.005Pa后再向工作腔中通入氩气，并控制其流量为50sccm；待工作腔内的工作压力达到0.25Pa时，打开钛靶电源和负偏压电源，并控制钛靶的电流为20A，基材负偏压为80V、占空比为45%。通过阴极电弧离子镀的方式在TC4材料表面镀制Ti层，控制镀制时间为6min。
S30、保持工作腔内各参数不变，向工作腔中通入氮气，并控制其流量为150sccm；通过阴极电弧离子镀的方式在Ti层上镀制TiN层，控制镀制时间为24min。
S40、保持工作腔内各参数不变，向工作腔中通入乙炔，并控制其流量为30sccm，使乙炔在工作腔中的分压为0.006Pa；通过阴极电弧离子镀的方式在TiN层上镀制TiCN层，控制镀制时间为72min。
S50、关闭钛靶电源，停止氮气和氩气的通入，并保持工作腔内工作温度为150℃；向工作腔中加大乙炔的通入流量到300sccm，待工作腔内的工作压力达到1.6Pa时，调整基材负偏压到800V，占空比到80%；通过等离子体增强化学气相沉积的方式在TiCN层上镀制类金刚石层，控制镀制时间为30min。
S60、关闭加热丝和负偏压电源，停止乙炔的通入；待工作腔温度降至100℃以下后通入大气，取出工件，得到表面镀制了类金刚石保护层的TC4材料。
实施例18
本实施例与实施例15基本相同，不同之处在于：TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法中，除S60外各步骤中均有部分控制参数发生变化。
具体包括以下步骤：
S01、将作为基材的TC4材料试件置于超声波清洗机中进行8min的超声波清洗；控制超声频率为20kHz。
S10、将TC4材料试件通过夹具固定在工作腔中；对工作腔抽真空，待工作腔中的压力达到4Pa时开启加热丝（具体为钨丝）进行加热，控制加热速率为3℃/min；待工作腔中工作温度达到250℃后保持温度，同时继续抽真空至工作腔中的压力为0.005Pa。
S11、向工作腔中通入氩气，并控制其流量为200sccm；待工作腔内的工作压力达到0.2Pa时，打开负偏压电源，并控制基材负偏压为850V、占空比为60%，对TC4材料表面进行氩离子轰击20min；之后打开钛靶电源，控制其电流为40A，并保持基材负偏压为850V、占空比为60%，对TC4材料表面进行钛离子轰击2min。
S20、关闭钛靶电源和负偏压电源，停止氩气的通入，对工作腔抽真空；待工作腔中的压力达到0.005Pa后再向工作腔中通入氩气，并控制其流量为150sccm；待工作腔内的工作压力达到0.45Pa时，打开钛靶电源和负偏压电源，并控制钛靶的电流为30A，基材负偏压为120V、占空比为55%。通过阴极电弧离子镀的方式在TC4材料表面镀制Ti层，控制镀制时间为3min。
S30、保持工作腔内各参数不变，向工作腔中通入氮气，并控制其流量为250sccm；通过阴极电弧离子镀的方式在Ti层上镀制TiN层，控制镀制时间为12min。
S40、保持工作腔内各参数不变，向工作腔中通入乙炔，并控制其流量为50sccm，使乙炔在工作腔中的分压为0.007Pa；通过阴极电弧离子镀的方式在TiN层上镀制TiCN层，控制镀制时间为36min。
S50、关闭钛靶电源，停止氮气和氩气的通入，并保持工作腔内工作温度为250℃；向工作腔中加大乙炔的通入流量到300sccm，待工作腔内的工作压力达到2.5Pa时，调整基材负偏压到800V，占空比到80%；通过等离子体增强化学气相沉积的方式在TiCN层上镀制类金刚石层，控制镀制时间为15min。
S60、关闭加热丝和负偏压电源，停止乙炔的通入；待工作腔温度降至100℃以下后通入大气，取出工件，得到表面镀制了类金刚石保护层的TC4材料。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同；不同之处在于：在TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法中不含S20和S40，即不镀制Ti层和TiCN层。
具体如下：
S10、将作为基材的TC4材料试件通过夹具固定在工作腔中；对工作腔抽真空，待工作腔中的压力达到4Pa时开启加热丝（具体为钨丝）进行加热，控制加热速率为1.5℃/min；待工作腔中工作温度达到200℃后保持温度，同时继续抽真空至工作腔中的压力为0.005Pa。
S30、向工作腔中通入氩气和氮气，并控制氩气流量为100sccm，氮气流量为200sccm；待工作腔内的工作压力达到0.35Pa时，打开钛靶电源和负偏压电源，并控制钛靶的电流为25A，基材负偏压为100V、占空比为50%。通过阴极电弧离子镀的方式在TC4材料表面镀制TiN层，控制镀制时间为43min。
S50、关闭钛靶电源，停止氮气和氩气的通入，并保持工作腔内工作温度为200℃；向工作腔中通入乙炔，并控制其流量为250sccm，待工作腔内的工作压力达到2.0Pa时，调整基材负偏压到700V，占空比到80%；通过等离子体增强化学气相沉积的方式在TiN层上镀制类金刚石层，控制镀制时间为20min。
S60、关闭加热丝和负偏压电源，停止乙炔的通入；待工作腔温度降至100℃以下后通入大气，取出工件，得到表面镀制了类金刚石保护层的TC4材料。
对比例2
本对比例与实施例1基本相同；不同之处在于：在TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法中不含S20，即不镀制Ti层。
具体如下：
S10、将作为基材的TC4材料试件通过夹具固定在工作腔中；对工作腔抽真空，待工作腔中的压力达到4Pa时开启加热丝（具体为钨丝）进行加热，控制加热速率为1.5℃/min；待工作腔中工作温度达到200℃后保持温度，同时继续抽真空至工作腔中的压力为0.005Pa。
S30、向工作腔中通入氩气和氮气，并控制氩气流量为100sccm，氮气流量为200sccm；待工作腔内的工作压力达到0.35Pa时，打开钛靶电源和负偏压电源，并控制钛靶的电流为25A，基材负偏压为100V、占空比为50%。通过阴极电弧离子镀的方式在TC4材料表面镀制TiN层，控制镀制时间为12.3min。
S40、保持工作腔内各参数不变，向工作腔中通入乙炔，并控制其流量为40sccm，使乙炔在工作腔中的分压为0.006Pa；通过阴极电弧离子镀的方式在TiN层上镀制TiCN层，控制镀制时间为30.7min。
S50、关闭钛靶电源，停止氮气和氩气的通入，并保持工作腔内工作温度为200℃；向工作腔中加大乙炔的通入流量到250sccm，待工作腔内的工作压力达到2.0Pa时，调整基材负偏压到700V，占空比到80%；通过等离子体增强化学气相沉积的方式在TiCN层上镀制类金刚石层，控制镀制时间为20min。
S60、关闭加热丝和负偏压电源，停止乙炔的通入；待工作腔温度降至100℃以下后通入大气，取出工件，得到表面镀制了类金刚石保护层的TC4材料。
对比例3
本对比例与实施例1基本相同；不同之处在于：在TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法中不含S40，即不镀制TiCN层。
具体如下：
S10、将作为基材的TC4材料试件通过夹具固定在工作腔中；对工作腔抽真空，待工作腔中的压力达到4Pa时开启加热丝（具体为钨丝）进行加热，控制加热速率为1.5℃/min；待工作腔中工作温度达到200℃后保持温度，同时继续抽真空至工作腔中的压力为0.005Pa。
S20、向工作腔中通入氩气，并控制其流量为100sccm；待工作腔内的工作压力达到0.35Pa时，打开钛靶电源和负偏压电源，并控制钛靶的电流为25A，基材负偏压为100V、占空比为50%。通过阴极电弧离子镀的方式在TC4材料表面镀制Ti层，控制镀制时间为3.3min。
S30、保持工作腔内各参数不变，向工作腔中通入氮气，并控制其流量为200sccm；通过阴极电弧离子镀的方式在Ti层上镀制TiN层，控制镀制时间为39.7min。
S50、关闭钛靶电源，停止氮气和氩气的通入，并保持工作腔内工作温度为200℃；向工作腔中通入乙炔，并控制其流量到250sccm，待工作腔内的工作压力达到2.0Pa时，调整基材负偏压到700V，占空比到80%；通过等离子体增强化学气相沉积的方式在TiN层上镀制类金刚石层，控制镀制时间为20min。
S60、关闭加热丝和负偏压电源，停止乙炔的通入；待工作腔温度降至100℃以下后通入大气，取出工件，得到表面镀制了类金刚石保护层的TC4材料。
性能检测
取实施例1-18以及对比例1-3所得的TC4材料进行性能检测；检测结果列于表2。
1、维氏硬度测试：参考标准GB/T 7997-2014进行检测；其中，检测时温度为25℃，试验力为294.2N，试验力施加时间为6s，试验力保持时间为12s。
2、摩擦系数测试：通过金属环块三体摩擦试验机进行测试。
3、磨损率测试：磨损率通过试件经磨损试验后的重量减少量与试件原始重量的比值百分数来表征；磨损试验参考标准GB/T 34501-2017进行，其中，测试时温度为25℃，载荷为130N，接触面磨料流速为150g/min，试验时间为20min。
4、保护层结合力测试：通过Revetest划痕测试系统进行测试，记录保护层完全剥落时力的大小，即为保护层的结合力；测试速度为3mm/min。
5、耐腐蚀指数测定：耐腐蚀指数通过盐雾试验后试件经磨损试验后的重量剩余量与盐雾试验前试件经磨损试验后的重量剩余量的比值百分数来表征；盐雾试验：参照标准GB/T 10125-1997进行，其中，试验时间为48h，腐蚀液为50g/L的NaCl溶液，pH值为6.5-7.0，测试时温度为37℃。
6、耐热指数测定：耐热指数通过热处理后试件经磨损试验后的重量剩余量与热处理前试件经磨损试验后的重量剩余量的比值百分数来表征；热处理方法：将试件置于350℃的环境中放置5h。
表2 实施例1-18以及对比例1-3所得的TC4材料的性能
项目 Hv 摩擦系数 磨损率/ % 结合力/N 耐腐蚀指数/% 耐热指数/%
实施例1 2201 0.10 1.19 70.3 94.3 93.5
实施例2 2243 0.09 1.03 76.4 94.9 94.2
实施例3 2278 0.08 0.92 80.8 95.3 94.7
实施例4 2311 0.07 0.83 85.6 95.9 95.4
实施例5 2316 0.08 0.81 86.0 96.0 95.6
实施例6 2319 0.07 0.80 86.2 96.1 95.7
实施例7 2340 0.07 0.72 89.5 96.4 96.1
实施例8 2345 0.07 0.70 90.1 96.6 96.3
实施例9 2377 0.07 0.65 94.5 97.1 96.9
实施例10 2410 0.06 0.50 99.8 97.7 97.6
实施例11 2415 0.07 0.47 100.1 97.9 97.8
实施例12 2436 0.06 0.44 100.3 98.4 98.4
实施例13 2462 0.05 0.38 100.6 98.8 98.9
实施例14 2468 0.05 0.35 100.4 98.9 99.0
实施例15 2502 0.04 0.31 100.8 99.4 99.5
实施例16 2486 0.07 0.40 95.6 97.6 97.9
实施例17 2492 0.05 0.33 100.4 99.1 99.3
实施例18 2488 0.05 0.34 100.3 99.0 99.1
对比例1 2001 0.12 1.53 52.6 89.3 88.9
对比例2 2012 0.11 1.31 61.2 91.1 91.0
对比例3 2088 0.11 1.44 57.8 90.5 90.2
参见表2，由实施例1-18的检测结果可知，本申请的实施例所制得的TC4材料均具有良好的维氏硬度（均在2200以上）、极低的摩擦系数（均不高于0.10）以及很小的磨损率（均小于1.20%），表现出良好的润滑性和耐磨性。同时本申请的实施例所制得的TC4材料上镀制的类金刚石保护层的结合力均大于70N，即类金刚石保护层的层间以及保护层与TC4材料之间的结合力均大于70N，表现出类金刚石保护层自身层间以及与TC4材料之间均具有良好的结合性。另外，本申请的实施例所制得的TC4材料的耐腐蚀指数均高于94%，耐温指数均高于93%，即在腐蚀环境下和高温环境下，TC4材料耐磨能力的损失率分别小于6%和7%，表面出镀制了类金刚石保护层的TC4材料具有优秀的耐腐蚀性和耐高温性。
分析实施例1和对比例1-3的检测结果可以发现，实施例1所制得的TC4材料相比于对比例1-3，其硬度和保护层结合力更高，并且耐磨性、润滑性、耐腐蚀性以及耐高温性更好，即表现出更加理想的性能。这是由于实施例1的类金刚石保护层具有Ti-TiN-TiCN三层结构的过渡层；在三层中，Ti层的成分性能相比于TiN层、TiCN层以及类金刚石层而言与TC4材料更加接近，而TiCN层的性能则相对于TC4材料、TiN层以及Ti层而言更加接近于类金刚石层，处于中间的TiN层在成分性能上起到一个过渡的作用。因此，Ti-TiN-TiCN的三层结构形成一个合理的梯度结构，相比于对比例中的单层或双层的过渡层结构，可以更加有效地减少TC4材料和类金刚石保护层之间各界面间物理、化学性能的突变，从而降低了类金刚石层和TC4材料之间的应力，进而在Ti-TiN-TiCN三层结构的连接下，TC4材料和类金刚石层的结合更加牢固，使类金刚石层可以更好地发挥其作用；因此，实施例1所得到的TC4材料的各项性能更为理想。
分析实施例1和实施例2的检测结果可知，由于氩离子轰击和钛离子轰击可以去除TC4材料表面的杂质和污物，并使材料表面活化，从而有利于类金刚石保护层和TC4材料的结合；因此，对TC4材料表面进行氩离子轰击和钛离子轰击，有利于获得性能更加理想的TC4材料。
分析实施例1和实施例3的检测结果可知，进行超声波清洗（实施例3）可以获得性能更加理想的TC4材料；这是由于超声波清洗可以去除TC4材料表面的油污及抛光蜡，从而有利于类金刚石保护层和TC4材料间结合力的提高，进而提升了镀制有类金刚石保护层的TC4材料的性能。
对比实施例3-6的检测结果可以发现：延长Ti层的镀制时间有利于获得性能更加理想的TC4材料；这是由于提升了镀制时间，有利于更多的钛在TC4材料表面沉积，有利于Ti层更好的成型，从而有助于提高所形成的Ti层的性能以及Ti层和TC4材料表面的结合力，进而提升了所得到的TC4材料的性能。但当Ti层的镀制时间延长到一定程度后，TC4材料性能的提升程度变缓。
同样的，对比实施例4、7-8的检测结果可以发现：延长TiCN层的镀制时间对于获得性能更加理想的TC4材料具有积极的意义。
对比实施例7、9-11的检测结果可以发现：等比延长Ti层、TiN层和TiCN层的镀制时间，由于可以获得更厚且成型更好的过渡层，从而有利于获得性能更加理想的镀制有类金刚石保护层的TC4材料。当然，镀制时间增加到一定程度后，进一步延长镀制时间，TC4材料性能的提升程度变得有限。
对比实施例10、12-14的检测结果可以发现：在类金刚石层的镀制中，提高乙炔的通入流量由于可以提供更多的可供反应的碳，从而对于提升所形成的类金刚石层的性能具有积极的作用，进而能获得性能更理想的TC4材料。
对比实施例13、15-16的检测结果可以发现：在类金刚石层的镀制中，基材负偏压的增加使所得TC4材料的性能先提升后下降；这是由于基材负偏压的增加，可以加强离子的轰击效果，对于提高所得类金刚石层的规整度有积极的意义，因此可以提升镀制了类金刚石保护层的TC4材料的整体性能。但是，过高的基材负偏压会引起过强的离子冲击，使所得类金刚石层出现缺陷，从而反而降低了类金刚石层的性能，进而使TC4材料的性能下降。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法，其特征在于：包括：
通过阴极电弧离子镀在TC4材料表面依次镀制Ti层、TiN层以及TiCN层；
通过化学气相沉积在所述TiCN层上镀制类金刚石层。
2.根据权利要求1所述的TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法，其特征在于：在所述TC4材料表面依次镀制Ti层、TiN层以及TiCN层的方法为：
先通过阴极电弧离子镀在所述TC4材料表面镀制所述Ti层；采用氩气为工作气体，采用钛靶为靶材，并控制靶材电流为20-30A；控制工作压力为0.25-0.45Pa，工作温度为150-250℃；控制基材负偏压为80-120V，占空比为45-55%；
之后通过阴极电弧离子镀在所述Ti层上镀制所述TiN层，采用氩气为工作气体，采用氮气为反应气体，并控制所述氮气的流量为150-250sccm；采用钛靶为靶材，并控制靶材电流为20-30A；控制工作压力为0.25-0.45Pa，工作温度为150-250℃；控制基材负偏压为80-120V，占空比为45-55%；
之后通过阴极电弧离子镀在所述TiN层上镀制所述TiCN层，采用氩气为工作气体，采用氮气和乙炔为反应气体，并控制所述氮气的流量为150-250sccm，所述乙炔的流量为30-50sccm；采用钛靶为靶材，并控制靶材电流为20-30A；控制工作压力为0.25-0.45Pa，工作温度为150-250℃；控制基材负偏压为80-120V，占空比为45-55%。
3.根据权利要求2所述的TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法，其特征在于：在所述TC4材料表面镀制所述Ti层的时间为1-8min，在所述Ti层上镀制所述TiN层的时间为12-24min，在所述TiN层上镀制所述TiCN层的时间为30-72min。
4.根据权利要求3所述的TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法，其特征在于：在镀制所述Ti层时，氩气流量控制在50-150sccm；在镀制所述TiN层时，氩气流量控制在50-150sccm；在镀制所述TiCN层时，氩气流量控制在50-150sccm。
5.根据权利要求1-4任一所述的TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法，其特征在于：在所述TiCN层上镀制所述类金刚石层时：采用乙炔为反应气体，并控制所述乙炔的流量为250-350sccm；控制基材负偏压为700-900V；控制工作压力为1.6-2.5Pa，工作温度为150-250℃。
6.根据权利要求5所述的TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法，其特征在于：在所述TiCN层上镀制所述类金刚石层的时间控制为15-30min。
7.根据权利要求1-4任一所述的TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法，其特征在于：在所述TC4材料上镀制所述Ti层前，先对所述TC4材料所处环境抽真空，之后对所述TC4材料表面进行氩离子轰击，控制氩气流量为100-200sccm，基材负偏压为750-850V，工作压力为0.05-0.2Pa；之后对经氩离子轰击的所述TC4材料表面进行钛离子轰击，采用氩气为工作气体，钛靶为靶材，控制基材负偏压为750-850V，工作压力为0.05-0.2Pa。
8.根据权利要求7所述的TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法，其特征在于：在对所述TC4材料进行氩离子轰击和钛离子轰击前，对所述TC4材料进行超声波清洗，控制超声波频率为20-60kHz，清洗时间为3-8min。
9. TC4材料，其特征在于：其表面采用权利要求1-8任一所述的TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法镀制有类金刚石保护层。
10.月球车机械臂，其特征在于：其材质为权利要求9所述的TC4材料。
CN202111029715.6A 2021-09-03 2021-09-03 Tc4材料表面镀制类金刚石保护层的方法、tc4材料及其应用 Pending CN113718252A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111029715.6A CN113718252A (zh) 2021-09-03 2021-09-03 Tc4材料表面镀制类金刚石保护层的方法、tc4材料及其应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111029715.6A CN113718252A (zh) 2021-09-03 2021-09-03 Tc4材料表面镀制类金刚石保护层的方法、tc4材料及其应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113718252A true CN113718252A (zh) 2021-11-30

Family

ID=78681369

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111029715.6A Pending CN113718252A (zh) 2021-09-03 2021-09-03 Tc4材料表面镀制类金刚石保护层的方法、tc4材料及其应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113718252A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114045457A (zh) * 2021-10-30 2022-02-15 科汇纳米技术（深圳）有限公司 镀制类金刚石的方法及在汽车零件上的应用

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101081557A (zh) * 2007-06-26 2007-12-05 广州有色金属研究院 金属碳化物/类金刚石(MeC/DLC)纳米多层膜材料及其制备方法
CN102392217A (zh) * 2011-11-23 2012-03-28 西北工业大学 一种叶片表面抗点蚀涂层及其制备方法
CN105385999A (zh) * 2015-11-25 2016-03-09 哈尔滨工业大学 延长镜头模具钢循环使用寿命的方法
CN109023243A (zh) * 2018-09-18 2018-12-18 岭南师范学院 一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层及其制备方法
CN109182984A (zh) * 2018-09-21 2019-01-11 西安浩元航空科技有限公司 一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101081557A (zh) * 2007-06-26 2007-12-05 广州有色金属研究院 金属碳化物/类金刚石(MeC/DLC)纳米多层膜材料及其制备方法
CN102392217A (zh) * 2011-11-23 2012-03-28 西北工业大学 一种叶片表面抗点蚀涂层及其制备方法
CN105385999A (zh) * 2015-11-25 2016-03-09 哈尔滨工业大学 延长镜头模具钢循环使用寿命的方法
CN109023243A (zh) * 2018-09-18 2018-12-18 岭南师范学院 一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层及其制备方法
CN109182984A (zh) * 2018-09-21 2019-01-11 西安浩元航空科技有限公司 一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KWANG-LEONG CHOY ETAL: "Functionally graded diamond-like carbon coatings on metallic substrates", 《MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A》 *
侯翔等: "电弧离子镀TiN 涂层沉积工艺研究", 《装备环境工程》 *
王宇等: "沉积气压对杂化离子镀TiCN薄膜结构和性能的影响", 《中国表面工程》 *
赵佳群等: "梯度过渡层对硬质合金沉积类金刚石膜的耐磨性影响", 《表面技术》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114045457A (zh) * 2021-10-30 2022-02-15 科汇纳米技术（深圳）有限公司 镀制类金刚石的方法及在汽车零件上的应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tyagi et al. A critical review of diamond like carbon coating for wear resistance applications
US9371576B2 (en) Coated tool and methods of making and using the coated tool
CN106244986B (zh) 功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品
WO2017156996A1 (zh) 一种钛合金切削用复合功能刀具涂层及其制备方法
CN106893987B (zh) 一种物理气相沉积Ta-C涂层的制备方法及Ta-C涂层
JP7426386B2 (ja) 厚みのある低応力四面体アモルファスカーボンコーティング
CN109182984B (zh) 一种用于丝锥表面制备TiCN涂层的方法
CN110894605A (zh) 耐腐蚀碳基涂层
CN109097731B (zh) 一种AlCrN/AlCrYN多元多层涂层及其制备方法和应用
CN101712215A (zh) 一种TiCN系列纳米梯度复合多层涂层及其制备方法
CN106521493A (zh) 一种梯度结构类金刚石薄膜及其制备方法
CN113151826B (zh) 一种耐腐蚀镀膜工艺及其制得的耐腐蚀镀膜涂层
JP2015063714A (ja) 非晶質炭素含有皮膜
CN109402564A (zh) 一种AlCrSiN和AlCrSiON双层纳米复合涂层及其制备方法
CN106929799B (zh) 耐高温防护涂层及其制备方法与应用
CN113718252A (zh) Tc4材料表面镀制类金刚石保护层的方法、tc4材料及其应用
JP2020125758A (ja) 内燃機関用のライナー
CN110117774A (zh) 一种tc4钛合金表面涂层及其制备方法和tc4钛合金产品
CN101768724B (zh) 在不锈钢上制备薄膜的方法
JP2007277663A (ja) 摺動材
JP2003247060A (ja) 非晶質炭素被膜の製造方法及び非晶質炭素被覆摺動部品
CN108330432B (zh) 一种钢材表面无氢复合改性层的制备方法
CN113802087A (zh) 汽车传动部件表面镀制类金刚石涂层的方法及汽车传动部件
JP6308298B2 (ja) 被覆工具の製造方法
CN108611590B (zh) 一种Ti合金工件防咬死的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20211130

RJ01 Rejection of invention patent application after publication