CN114686832A - 一种制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法 - Google Patents

一种制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，包括以下步骤：将预处理后的基体烘干，放置于磁控溅射与过滤阴极电弧复合的多激发源等离子体镀膜装置的旋转样品台上；将真空室抽真空并通入氩气，采用离子源对基体表面进行溅射清洗；分别以高纯金属硅和铝作为射频和直流脉冲磁控溅射的溅射靶材，高纯钛和石墨片作为直流磁过滤和脉冲阴极电弧的蒸发靶材，通过调节金属靶溅射功率、石墨靶脉冲频率和脉冲数制备TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜。本发明制备的TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜元素含量可调、调制周期易控，具有高硬度、高结合强度、低摩擦系数和良好耐磨性能。

Description

一种制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法
技术领域
本发明涉及一种制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，属于材料表面改性技术领域。
背景技术
TiAlN薄膜具有硬度高、抗氧化温度高、摩擦系数低、耐磨性良好等优异特性，可广泛用于机械零部件、工（模）具等摩擦磨损部件的防护层。然而，TiAlN涂层在使用过程中常因高的内应力和膜-基热应力使薄膜开裂并在服役过程中剥落失效，严重影响其使用寿命和效率，涂层的韧性成为影响其使用性能的主要因素。强碳化合物的存在使多层复合膜的碳掺杂在界面处易形成过渡结构固溶体，提高层间结合力，因而通过调控碳掺杂可在复合薄膜中获得纳米晶相和非晶相，层间可相对滑动，缓解膜层和界面应力，并且可通过剪切应变吸收薄膜沉积时的能量，降低残余应力，从而提高韧性。
多层复合薄膜的结构和性能均与界面间多层膜不同材料结构、性能等匹配程度有关，即碳、氮基化合物的相容性以及多层结构调制周期的相互作用决定了相组成和分布情况，进而影响薄膜的各项性能。通过设计TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜结构，借助纳米多层涂层可将不同性质的材料组合在一起形成一种具有全新性能的涂层，形成可控分布的纳米晶/非晶相和软/硬梯度层界面等非均质结构，可制备低应力、高强韧的多层复合涂层薄膜。中国发明专利“一种基体表面的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层及其制备方法”（CN201010594825.2）中，通过高功率脉冲磁控溅射技术交替沉积TiAlN/TiAlCN纳米多层膜，虽然涂层具有高硬度、低内应力以及高韧性，但涂层可掺入的碳含量较低（0.1％～5％），并不具有明显的纳米晶-非晶多相复合结构特性，涂层可调控性能受到明显限制。中国发明专利“一种耐磨减摩碳掺杂TiAlN纳米多层硬质薄膜及制备方法”（CN201910764978.8）中，通过在基材表面沉积TiAl底层和TiAlN过渡层，然后沉积TiAlN/TiAlCN纳米多层涂层和TiAlCN表面涂覆层，预期制备出具有合适调制周期和调制比的多层涂层，以提高材料表面的耐高温，耐磨损性能和摩擦学性能，但该涂层包含底层、过渡层、功能层和涂覆层，结构复杂，制备工艺繁琐，很难准确获得优化的调制周期和调制比。另外，有研究人员采用直流和高功率脉冲磁控溅射对靶沉积制备了TiAlN和TiAlCN多层涂层（Surface &Coatings Technology，Vol 406，2021，126664），虽然该方法能够制备调制周期可控的多层涂层，但直流磁控溅射制备TiAlN薄膜时容易发生靶中毒问题，影响涂层调制比控制。
发明内容
本发明旨在提供一种制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，通过化学成键能力及碳基非晶相形成规律设计薄膜结构，从而得到具有高硬度、低摩擦系数、良好结合力和耐磨性的多层复合薄膜。
本发明在多激发源等离子体制备多层复合薄膜的基础上，一方面，考虑到钛、铝原子的溅射产额及其与碳原子的化学成键能力差异，通过优化金属靶溅射功率和石墨靶脉冲频率等工艺参数，可以有效地调控沉积过程中产生的等离子体组分和含量，进而得到钛铝含量可调以及碳基非晶相可控的复合薄膜；另一方面，在TiAlN薄膜的制备过程中，通过改变沉积时间和石墨阴极靶脉冲数，可以实时调控组成层调制比和调制周期，从而实现高质量TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的制备，对于提高TiAlN基多层复合薄膜的使用性能和推广具有重要意义。
本发明提供了一种制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，将预处理后的基体烘干，放置于磁控溅射与过滤阴极电弧复合的多激发源等离子体镀膜装置的旋转样品台上；将真空室抽真空并通入氩气，采用离子源对基体表面进行溅射清洗；分别以高纯金属硅和铝作为射频和直流脉冲磁控溅射的溅射靶材，高纯钛和石墨片作为直流磁过滤和脉冲阴极电弧的蒸发靶材，通入氩气和氮气（氩气从溅射清洗时开始通入，氮气从沉积薄膜时开始通入），根据化学成键能力及碳基非晶相形成规律设计薄膜结构，通过调节金属靶溅射功率、石墨靶脉冲频率和脉冲数制备TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜。
本发明提供了一种制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，包括以下步骤：
(1) 基体预处理：首先将单面抛光基体用肥皂水清洗并用去离子水冲洗，然后依次放入丙酮溶液和无水乙醇溶液中分别进行超声清洗15 min，除去表面污染物，再放入金刚石微粉悬浮液中超声清洗提高膜基结合强度，然后将基体冲洗干净吹干待用；
(2) 将预处理后的基体固定在多激发源真空镀膜装置的旋转样品台上，高纯硅靶和铝靶分别安装在射频和直流脉冲磁控溅射的靶体上，高纯钛和石墨靶安装在直流磁过滤和脉冲阴极电弧的蒸发阴极上，调节基体到溅射靶和脉冲阴极靶之间的距离；
(3) 采用真空泵组对真空室抽真空，使真空度达到1×10−4~5×10−4 Pa；通过氩气进口通入氩气到真空室内，氩气的流量由氩气流量计控制，使真空室气压稳定在5×10−2~8×10−2 Pa；开启样品台电机，采用离子源对基体表面进行溅射清洗，清洗时间为5~15 min，氩离子的能量为2~4 keV、束流密度为15~25 A/m2，然后冷却至室温；
(4) 关闭离子源，对样品施加负偏压，调节挡板阀和氩气流量，使真空室气压稳定在0.3~1Pa，开启射频电源，调节功率为150~300 W，在旋转的基体表面沉积硅过渡层；
(5) 关闭射频溅射电源，开启磁过滤直流阴极电弧源和直流脉冲磁控溅射电源，直流阴极电弧源放电电压为50~90 V，通入氮气到真空室内，调节挡板阀、氩气和氮气流量，使真空室气压稳定在0.3~1 Pa，调节负偏压和直流脉冲溅射功率在制备有硅过渡层的基体表面制备TiAlN薄膜，沉积时间10~90 min；
(6) TiAlN薄膜沉积完毕后，开启脉冲阴极电弧源，调节阴极电压在300~350 V，真空室气压稳定在0.5~1.5 Pa，调节石墨靶脉冲频率和脉冲数制备TiAlCN复合薄膜；
(7) 石墨靶脉冲放电结束后，重复步骤（5）和（6）依次交替沉积TiAlN和TiAlCN复合薄膜，进而制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜。
上述制备方法中，所述步骤（1）中，金刚石微粉的目数为5000~30000，超声清洗时间0.5 ~5 min。
上述制备方法中，所述步骤（2）中，调节基体到溅射靶材的距离为8~15 cm，基体到脉冲阴极蒸发靶的距离为5~12 cm。
上述制备方法中，所述步骤(4)中，负偏压为-350 ~-100 V，硅过渡层沉积时间为0.5~2 h。
上述制备方法中，所述步骤(5)中，氩气流量为20~80 sccm，氮气流量为5~30sccm，负偏压为-350 ~-100 V，直流脉冲溅射功率为80~240 W。
上述制备方法中，所述步骤(6)中，脉冲阴极电弧源的脉冲频率为3~20 Hz，负偏压为-600 ~-200 V，脉冲数为500~3000。
上述制备方法中，所述步骤(7)中，TiAlN和TiAlCN多层复合薄膜的交替沉积次数为5~20次。
上述制备方法中，所述步骤(3) 和 (4)中溅射清洗和过渡层沉积时样品台的转速为5~15 r/min，所述步骤(5) ~(6)中TiAlN薄膜和TiAlCN薄膜沉积时样品台转速为2~8 r/min。
本发明的有益效果：
(1) 本发明通过在TiAlN制备过程中实时调节石墨靶脉冲频率和脉冲数制备TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜，使得掺入的碳原子与钛、铝元素易于形成扩散结合界面和化学键合界面，降低界面应力，提高膜基结合强度；
(2) 本发明制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜，可在薄膜界面区域内形成可控分布的碳基非晶相/纳米相和软/硬层界面结构，使薄膜具有高硬度、低摩擦系数和良好耐磨性能；
(3) 本发明采用多激发源复合等离子体技术制备TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜，工艺操作性强，可以在很大范围内调控薄膜多层结构和性能，对于提高其应用性能和推广具有重大意义。
附图说明
图1为本发明制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的结构示意图；
图2为实施例1制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的截面扫描电镜照片；
图3为实施例2制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的截面扫描电镜照片；
图4为实施例3制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的截面扫描电镜照片；
图5为本发明实施例1制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的摩擦系数曲线；
图6为本发明实施例2制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的摩擦系数曲线；
图7为本发明实施例3制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的摩擦系数曲线；
图8为本发明实施例1制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的摩擦力曲线；
图9为本发明实施例1制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的划痕光学照片；
图10为本发明实施例2制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的摩擦力曲线；
图11为本发明实施例2制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的划痕光学照片；
图12为本发明实施例3制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的摩擦力曲线；
图13为本发明实施例3制备的减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的划痕光学照片。
图中：1、基体；2、硅过渡层；3、TiAlN薄膜；4、TiAlCN薄膜。
具体实施方式
本发明提供了一种制备TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，包括以下步骤：
(1) 基体预处理：首先将单面抛光基体用肥皂水清洗并用去离子水冲洗，然后依次放入丙酮溶液和无水乙醇溶液中分别进行超声清洗15 min，除去表面污染物，再放入金刚石微粉悬浮液中超声清洗提高膜基结合强度，然后将基体冲洗干净吹干待用。所述步骤（1）中，金刚石微粉的目数为5000~30000，超声清洗时间0.5 ~5 min。
(2) 将预处理后的基体固定在多激发源真空镀膜装置的旋转样品台上，高纯硅靶和铝靶分别安装在射频和直流脉冲磁控溅射的靶体上，高纯钛和石墨靶安装在直流磁过滤和脉冲阴极电弧的蒸发阴极上，调节基体到溅射靶和脉冲阴极靶之间的距离。所述步骤（2）中，基体到溅射靶和脉冲阴极靶之间的距离分别为8~15 cm和5~12 cm。
(3) 采用真空泵组对真空室抽真空，使真空度达到1×10−4~5×10−4 Pa；通过氩气进口通入氩气到真空室内，氩气的流量由氩气流量计控制，使真空室气压稳定在5×10−2~8×10−2 Pa；开启样品台电机，采用离子源对基体表面进行溅射清洗，样品台的转速为2~8 r/min，清洗时间为5~15 min，氩离子的能量为2~4 keV、束流密度为15~25 A/m2，然后冷却至室温。
(4) 关闭离子源，对样品施加负偏压，调节挡板阀和氩气流量，使真空室气压稳定在0.3~1Pa，开启射频电源，调节功率为150~300 W，在旋转的基体表面沉积硅过渡层。所述步骤（4）中，负偏压为-350 ~-100 V，硅过渡层沉积时间为0.5~2 h。
(5) 关闭射频溅射电源，开启磁过滤直流阴极电弧源和直流脉冲磁控溅射电源，直流阴极电弧源放电电压为50~90 V，通入氮气到真空室内，调节挡板阀、氩气和氮气流量，使真空室气压稳定在0.3~1 Pa，调节负偏压和直流脉冲溅射功率在制备有硅过渡层的基体表面制备TiAlN薄膜，沉积时间10~90 min。所述步骤(5)中，氩气流量为20~80 sccm，氮气流量为5~30 sccm，负偏压为-350 ~-100 V，直流脉冲溅射功率为80~240 W。
(6) TiAlN薄膜沉积完毕后，开启脉冲阴极电弧源，调节阴极电压在300~350 V，真空室气压稳定在0.5~1.5 Pa，调节石墨靶脉冲频率和脉冲数制备TiAlCN复合薄膜。所述步骤(6)中，脉冲阴极电弧源的脉冲频率为3~20 Hz，负偏压为-600 ~-200 V，脉冲数为500~3000。
(7) 石墨靶脉冲放电结束后，重复步骤（5）和（6）依次交替沉积TiAlN和TiAlCN复合薄膜，进而制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜。交替沉积次数为5~20次，所述步骤(7)中，TiAlN和TiAlCN多层复合薄膜的交替沉积次数为5~20次。
上述制备方法中，所述步骤（3）和（4）中溅射清洗和过渡层沉积时样品台的转速为5~15 r/min，所述步骤(5) ~ (7)中TiAlN和TiAlCN复合薄膜沉积时样品台转速为2~8 r/min。
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
(1) 基体预处理：首先将单晶硅基体和单面抛光304不锈钢基体用肥皂水清洗并用去离子水冲洗，然后依次放入丙酮溶液和无水乙醇溶液中分别进行超声清洗15 min，除去表面污染物，再放入5000目金刚石微粉悬浮液中超声清洗0.5 min提高膜基结合强度，然后将基体冲洗干净吹干待用。
(2) 将预处理后的基体固定在多激发源真空镀膜装置的旋转样品台上，高纯硅靶和铝靶分别安装在射频和直流脉冲磁控溅射的靶体上，高纯钛和石墨靶安装在直流磁过滤和脉冲阴极电弧的蒸发阴极上，调节基体到溅射靶和脉冲阴极靶之间的距离分别为8 cm和10 cm。
(3) 采用真空泵组对真空室抽真空，使真空度达到1×10−4~5×10−4 Pa；通过氩气进口通入氩气到真空室内，氩气的流量由氩气流量计控制，使真空室气压稳定在0.6 Pa；开启样品台电机，采用离子源对基体表面进行溅射清洗，样品台的转速为6 r/min，清洗时间为15 min，氩离子的能量为2~4 keV、束流密度为15~25 A/m2，然后冷却至室温。
(4) 关闭离子源，对样品施加负偏压，负偏压为-100 V，调节挡板阀和氩气流量，使真空室气压稳定在0.6 Pa，开启射频电源，调节功率为150 W，在旋转的基体表面沉积硅过渡层，沉积时间为1 h。
(5) 关闭射频溅射电源，开启磁过滤直流阴极电弧源和直流脉冲磁控溅射电源，直流阴极电弧源放电电压为90 V，通入氮气到真空室内，调节挡板阀、氩气和氮气流量，氩气流量为45 sccm，氮气流量为15 sccm，使真空室气压稳定在0.6 Pa，调节负偏压和直流脉冲溅射功率在制备有硅过渡层的基体表面制备TiAlN薄膜，负偏压为-150 V，直流脉冲溅射功率为100 W，沉积时间30 min，样品台的转速调为3 r/min。
(6) TiAlN薄膜沉积完毕后，开启脉冲阴极电弧源，调节阴极电压在350 V，真空室气压稳定在0.6 Pa，调节石墨靶脉冲频率和脉冲数制备TiAlCN复合薄膜，脉冲阴极电弧源的脉冲频率为3 Hz，脉冲数为600，负偏压为-300 V。
(7) 石墨靶脉冲放电结束后，重复步骤（5）和（6）依次交替沉积TiAlN和TiAlCN薄膜，交替沉积次数为5次，制备得到减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜。
实施例2：
(1) 基体预处理：首先将单晶硅和单面抛光304不锈钢基体用肥皂水清洗并用去离子水冲洗，然后依次放入丙酮溶液和无水乙醇溶液中分别进行超声清洗15 min，除去表面污染物，再放入8000目金刚石微粉悬浮液中超声清洗2 min提高膜基结合强度，然后将基体冲洗干净吹干待用。
(2) 将预处理后的基体固定在多激发源真空镀膜装置的旋转样品台上，高纯硅靶和铝靶分别安装在射频和直流脉冲磁控溅射的靶体上，高纯钛和石墨靶安装在直流磁过滤和脉冲阴极电弧的蒸发阴极上，调节基体到溅射靶和脉冲阴极靶之间的距离分别为8 cm和5 cm。
(3) 采用真空泵组对真空室抽真空，使真空度达到1×10−4~5×10−4 Pa；通过氩气进口通入氩气到真空室内，氩气的流量由氩气流量计控制，使真空室气压稳定在0.6 Pa；开启样品台电机，采用离子源对基体表面进行溅射清洗，样品台的转速为6 r/min，清洗时间为15 min，氩离子的能量为2~4 keV、束流密度为15~25 A/m2，然后冷却至室温。
(4) 关闭离子源，对样品施加负偏压，负偏压为-200 V，调节挡板阀和氩气流量，使真空室气压稳定在0.6 Pa，开启射频电源，调节功率为120 W，在旋转的基体表面沉积硅过渡层，沉积时间为1.5 h。
(5) 关闭射频溅射电源，开启磁过滤直流阴极电弧源和直流脉冲磁控溅射电源，直流阴极电弧源放电电压为60 V，通入氮气到真空室内，调节挡板阀、氩气和氮气流量，氩气流量为30 sccm，氮气流量为15 sccm，使真空室气压稳定在0.6 Pa，调节负偏压和直流脉冲溅射功率在制备有硅过渡层的基体表面制备TiAlN薄膜，负偏压为-200 V，直流脉冲溅射功率为100 W，沉积时间60 min，样品台的转速调为5 r/min；
(6) TiAlN薄膜沉积一定厚度后，开启脉冲阴极电弧源，调节阴极电压在350 V，真空室气压稳定在0.6 Pa，调节石墨靶脉冲频率和脉冲数制备TiAlCN复合薄膜，脉冲阴极电弧源的脉冲频率为5 Hz，脉冲数为1000，负偏压为-200 V；
(7) 石墨靶脉冲放电结束后，重复步骤（5）和（6）依次交替沉积TiAlN和TiAlCN复合薄膜，交替沉积次数为5次，进而制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜。
实施例3：
(1) 基体预处理：首先将单晶硅和单面抛光304不锈钢基体用肥皂水清洗并用去离子水冲洗，然后依次放入丙酮溶液和无水乙醇溶液中分别进行超声清洗15 min，除去表面污染物，再放入10000目金刚石微粉悬浮液中超声清洗5 min提高膜基结合强度，然后将基体冲洗干净吹干待用。
(2) 将预处理后的基体固定在多激发源真空镀膜装置的旋转样品台上，高纯硅靶和铝靶分别安装在射频和直流脉冲磁控溅射的靶体上，高纯钛和石墨靶安装在直流磁过滤和脉冲阴极电弧的蒸发阴极上，调节基体到溅射靶和脉冲阴极靶之间的距离分别为10 cm和5 cm。
(3) 采用真空泵组对真空室抽真空，使真空度达到1×10−4~5×10−4 Pa；通过氩气进口通入氩气到真空室内，氩气的流量由氩气流量计控制，使真空室气压稳定在0.6 Pa；开启样品台电机，采用离子源对基体表面进行溅射清洗，样品台的转速为3 r/min，清洗时间为15 min，氩离子的能量为2~4 keV、束流密度为15~25 A/m2，然后冷却至室温。
(4) 关闭离子源，对样品施加负偏压，负偏压为-300 V，调节挡板阀和氩气流量，使真空室气压稳定在0.6 Pa，开启射频电源，调节功率为150 W，在旋转的基体表面沉积硅过渡层，沉积时间为1.5 h。
(5) 关闭射频溅射电源，开启磁过滤直流阴极电弧源和直流脉冲磁控溅射电源，直流阴极电弧源放电电压为90 V，通入氮气到真空室内，调节挡板阀、氩气和氮气流量，氩气流量为60 sccm，氮气流量为15 sccm，使真空室气压稳定在0.6 Pa，调节负偏压和直流脉冲溅射功率在制备有硅过渡层的基体表面制备TiAlN薄膜，负偏压为-300 V，直流脉冲溅射功率为100 W，沉积时间90 min，样品台的转速调为2 r/min。
(6) TiAlN薄膜沉积完毕后，开启脉冲阴极电弧源，调节阴极电压在350 V，真空室气压稳定在0.6 Pa，调节石墨靶脉冲频率和脉冲数制备TiAlCN复合薄膜，脉冲阴极电弧源的脉冲频率为3 Hz，脉冲数为1500，负偏压为-100 V。
(7) 石墨靶脉冲放电结束后，重复步骤（5）和（6）依次交替沉积TiAlN和TiAlCN复合薄膜，交替沉积次数为5次，进而制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜。
图2~图4分别示出了实施例1、2、3所制备的TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的截面扫描电镜照片。从图中可以看出，基体与缓冲层、缓冲层与TiAlN层以及TiAlN/TiAlCN复合薄膜之间界面轮廓清晰，薄膜厚度和层数明确可见，并且沉积的TiAlN梯度层为致密的柱状晶生长结构，而TiAlCN梯度层表现为致密的非晶结构，与设计的预期结果一致。
图5~图7分别给出了实施例1、2、3所制备的TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的摩擦系数曲线。表1列出了实施例1、2、3所制备的TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的力学性能和摩擦磨损测试结果。可以得到，复合薄膜具有相对较高的硬度和弹性模量，薄膜的抗磨损系数和抗塑性变形指数较稳定。结果表明，三种多层复合薄膜具有较低的平均摩擦系数，分别为0.16、0.11和0.15，均低于304不锈钢基体（0.35~0.5）和TiAlN单层膜（~0.25），相比之下，实施例3具有相对较低的磨损率和摩擦系数。
表1
Figure 924694DEST_PATH_IMAGE002
图8~图13分别为实施例1、2、3所制备的TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的摩擦力曲线和划痕光学照片。根据摩擦力斜率变化和划痕光学照片综合评定临界载荷，从图中看出，摩擦后期划痕较前一阶段的划痕变宽变亮，结合划痕长度判断，临界载荷分别为35N、30N和37N，比TiAlN单层薄膜（~17N）具有较高的划痕临界载荷，表明多层复合薄膜与基体具有高结合强度。
本发明通过设计多层结构，改变碳基非晶相和纳米晶相的相对含量和厚度，能够有效调控TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的组成和结构，进而影响其力学和摩擦磨损性能，实现基体材料表面改性处理。
最后应说明的是，上述各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解：制备方法上实际可采用的方案很多，凡依照本发明的权利要求所做的等同修改或替换，其相应技术方案的本质均属于本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：将预处理后的基体烘干，放置于磁控溅射与过滤阴极电弧复合的多激发源等离子体镀膜装置的旋转样品台上；将真空室抽真空并通入氩气，采用离子源对基体表面进行溅射清洗；分别以高纯硅和铝片作为射频和直流脉冲磁控溅射的溅射靶材，高纯钛和石墨片作为直流磁过滤和脉冲阴极电弧的蒸发靶材，通入氩气、氮气，根据化学成键能力及碳基非晶相形成规律设计薄膜结构，通过调节金属靶溅射功率、石墨靶脉冲频率和脉冲数，从而在基体表面制备减摩耐磨的TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1) 基体预处理：首先将单面抛光基体用肥皂水清洗并用去离子水冲洗，然后依次放入丙酮溶液和无水乙醇溶液中分别进行超声清洗15 min，除去表面污染物，再放入金刚石微粉悬浮液中超声清洗提高膜基结合强度，然后将基体冲洗干净吹干待用；
(2) 将预处理后的基体固定在多激发源真空镀膜装置的旋转样品台上，高纯硅靶和铝靶分别安装在射频和直流脉冲磁控溅射的靶体上，高纯钛和石墨靶安装在直流磁过滤和脉冲阴极电弧的蒸发阴极上，调节基体到溅射靶和脉冲阴极靶之间的距离；
(3) 采用真空泵组对真空室抽真空，使真空度达到1×10−4~5×10−4 Pa；通过氩气进口通入氩气到真空室内，氩气的流量由氩气流量计控制，使真空室气压稳定在5×10−2~8×10−2 Pa；开启样品台电机，采用离子源对基体表面进行溅射清洗，清洗时间为5~15 min，氩离子的能量为2~4 keV、束流密度为15~25 A/m2，然后冷却至室温；
(4) 关闭离子源，对样品施加负偏压，调节挡板阀和氩气流量，使真空室气压稳定在0.3~1Pa，开启射频电源，调节功率为150~300 W，在旋转的基体表面沉积硅过渡层；
(5) 关闭射频溅射电源，开启磁过滤直流阴极电弧源和直流脉冲磁控溅射电源，直流阴极电弧源放电电压为50~90 V，通入氮气到真空室内，调节挡板阀、氩气和氮气流量，使真空室气压稳定在0.3~1 Pa，调节负偏压和直流脉冲溅射功率在制备有硅过渡层的基体表面制备TiAlN薄膜，沉积时间10~90 min；
(6) TiAlN薄膜沉积完毕后，开启脉冲阴极电弧源，调节阴极电压在300~350 V，真空室气压稳定在0.5~1.5 Pa，调节石墨靶脉冲频率和脉冲数制备TiAlCN复合薄膜；
(7) 石墨靶脉冲放电结束后，重复步骤（5）和（6）依次交替沉积TiAlN和TiAlCN复合薄膜，制备得到减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜。
3.根据权利要求2所述的制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，金刚石微粉的目数为5000~30000，超声清洗时间0.5 ~5 min。
4.根据权利要求2所述的制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，调节基体到溅射靶材的距离为8~15 cm，基体到脉冲阴极蒸发靶的距离为5~12 cm。
5.根据权利要求2所述的制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，负偏压为-350 ~-100 V，硅过渡层沉积时间为0.5~2 h。
6.根据权利要求2所述的制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，氩气流量为20~80 sccm，氮气流量为5~30 sccm，负偏压为-350 ~-100V，直流脉冲溅射功率为80~240 W。
7.根据权利要求2所述的制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，脉冲阴极电弧源的脉冲频率为3~20 Hz，负偏压为-600 ~-200 V，脉冲数为500~3000。
8.根据权利要求2所述的制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(7)中，TiAlN和TiAlCN多层复合薄膜的交替沉积次数为5~20次。
9.根据权利要求2所述的制备减摩耐磨TiAlN/TiAlCN多层复合薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(3) 和 (4)中溅射清洗和过渡层沉积时样品台的转速为5~15 r/min，所述步骤(5) ~ (6)中TiAlN薄膜和TiAlCN薄膜沉积时样品台转速为2~8 r/min。
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