CN115821206A - 一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层及其制法与应用 - Google Patents
一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层及其制法与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115821206A CN115821206A CN202211572430.1A CN202211572430A CN115821206A CN 115821206 A CN115821206 A CN 115821206A CN 202211572430 A CN202211572430 A CN 202211572430A CN 115821206 A CN115821206 A CN 115821206A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- carbon
- based composite
- composite coating
- ultra
- 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
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 99
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 95
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 72
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 65
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 42
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 40
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 34
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims abstract description 8
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 49
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 37
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 31
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 27
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 21
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 14
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 10
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 8
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 7
- 238000003475 lamination Methods 0.000 claims description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- 229910001256 stainless steel alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 20
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 20
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 137
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 15
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 13
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 11
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 10
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 10
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 230000001603 reducing effect Effects 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 4
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 4
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 4
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 229910000619 316 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005536 corrosion prevention Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000009668 long-life test Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000011112 process operation Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 231100000241 scar Toxicity 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明公开了一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层及其制法与应用。所述超厚碳基复合涂层包括依次形成于基体表面的过渡层和交替层叠层，其中，所述交替层叠层由异质结构层和非晶碳层交替层叠形成，所述异质结构层包括MeC层、MeN层、MeCN层中的任意一种或两种以上的组合，Me选自Cr、Ti或W；所述超厚碳基复合涂层的最外层为非晶碳层。本发明制备的异质多层结构的超厚碳基复合涂层除了具有优异的力学性能、摩擦磨损性能外，还具有很好的耐腐蚀防护性能，能够应用于海洋环境中具有长寿命和防腐要求的运动部件上。
Description
技术领域
本发明属于材料表面防护领域，具体一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层及其制法与应用。
背景技术
由于海洋环境具有高盐、高温、高湿的特点，在海洋环境中服役的各种金属结构和工程设备容易遭受化学腐蚀、电化学腐蚀、空泡腐蚀和海洋生物腐蚀。金属材料在海洋环境中的防腐一直是研究人员关注的焦点和研究热点，对材料表面进行保护已成为提高海洋环境服役材料使用寿命的主要手段。
物理气相沉积方法制备的碳基涂层因其具有优异的摩擦学性能和化学惰性受到大量的关注。有人制备了掺杂硅的碳基涂层，由于其致密的涂层结构防止氯离子攻击，具有较好的耐腐蚀性。一些研究人员认为，掺杂剂通过在表面形成惰性氧化物化合物，改变了碳基涂层的钝化行为，从而提高了耐腐蚀性。但涂层沉积过程中因为内应力的存在使得这些涂层厚度较薄，一般在2～5μm左右，致使其优异的减摩耐磨特性难以长时间服役，且承载能力也受到较大的制约。同时，传统的非晶碳基薄膜界面结构单一，其单层或双层结构的结合力也比较低，在高剪切应力作用下难以维持低磨损率，而且简单的单层双层结构难以有效避免涂层内部的贯穿孔隙，导致氯离子能够轻松的穿透涂层接触基体，不能很好的起到耐腐蚀的作用，从而使得涂层的服役寿命大大降低。超厚涂层因制备难度大、沉积效率低等原因而导致研究较少。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层及其制法与应用，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层，其包括依次形成基体表面的过渡层和交替层叠层，其中，所述交替层叠层由异质结构层和非晶碳层交替层叠形成，所述异质结构层包括MeC层、MeN层、MeCN层中的任意一种或两种以上的组合，Me选自Cr、Ti或W；所述超厚碳基复合涂层的最外层为非晶碳层。
本发明实施例还提供了前述的异质多层结构的超厚碳基复合涂层的制备方法，其包括：
提供基体；
采用磁控溅射技术在所述基体表面沉积形成过渡层；
以及，采用磁控溅射技术、离子源辅助化学气相沉积技术在所述过渡层表面沉积交替层叠层，直至形成所述异质多层结构的超厚碳基复合涂层。
本发明实施例还提供了前述的异质多层结构的超厚碳基复合涂层于海洋环境下金属运动部件表面防护领域中的用途。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的异质多层结构的超厚碳基复合涂层通过异质结构层与非晶碳层的交替沉积，有效降低了涂层的内应力，使涂层厚度可以达到10微米以上，且超厚的多层结构能够有效避免涂层内部的贯穿孔隙，有效阻挡氯离子穿透涂层进入基体，很好的起到耐腐蚀的作用，从而大大增加涂层的服役寿命；
(2)本发明制备的异质多层结构的超厚碳基复合涂层除了具有优异的力学性能、摩擦磨损性能外，还具有很好的耐腐蚀防护性能，能够应用于海洋环境中具有长寿命和防腐要求的运动部件上。
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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施方案中异质多层结构的超厚碳基复合涂层的结构示意图；
图2是本发明实施例1中的超厚碳基复合涂层的截面结构及形貌SEM图；
图3是本发明实施例1中的超厚碳基复合涂层的长寿命摩擦曲线图；
图4是本发明实施例1中的超厚碳基复合涂层在长寿命摩擦后的磨损形貌曲线图；
图5是本发明实施例1中的超厚碳基复合涂层在1个月盐雾试验后的宏观形貌图。
图6是本发明对比例2中只沉积一层异质结构层(CrCN层)和非晶碳层(DLC层)的涂层经过10天的盐雾腐蚀后表面宏观照片；
图7是本发明对比例3中不同异质结构层的摩擦系数曲线图；
图8是本发明对比例4中有Cr过渡层的涂层和无Cr过渡层的涂层划痕结合力形貌图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
本发明实施例的一个方面提供了一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层包括依次形成基体表面的过渡层和交替层叠层，其中，所述交替层叠层由异质结构层和非晶碳层交替层叠形成，所述异质结构层包括MeC层、MeN层、MeCN层中的任意一种或两种以上的组合，Me选自Cr、Ti或W；所述超厚碳基复合涂层的最外层为非晶碳层。
具体地，本发明中异质结构层主要是一些碳化物或氮化物陶瓷相，这些柱状晶结构的超硬层不仅能够很好的为非晶碳层提供支撑，而且可以有效阻断非晶碳层累计产生的内应力，使整个复合涂层的厚度可以达到10μm以上。非晶碳层结构致密，能够填充弥补柱状晶结构的异质结构层的孔隙，使整个涂层结构更加致密均匀，更好的起到阻隔外界水分和盐分的作用，从而提高整个涂层体系的盐雾腐蚀性能和苛刻环境的耐久性。
在一些较为具体的实施方案中，本发明中异质多层结构的超厚碳基复合涂层的结构示意图如图1所示。
在一些较为具体的实施方案中，所述超厚碳基复合涂层的厚度在10μm以上。
在一些较为具体的实施方案中，所述过渡层的厚度为0.2～1μm。
在一些较为具体的实施方案中，所述异质结构层的厚度为0.2～1.5μm。
在一些较为具体的实施方案中，所述非晶碳层的厚度为0.5～3μm。
在一些较为具体的实施方案中，所述交替层叠层包含2个以上交替层叠周期层，其中每一交替层叠周期层包含一异质结构层和一非晶碳层。
在一些较为具体的实施方案中，所述过渡层包括Cr层、Ti层、V层、Mo层中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
进一步地，所述过渡层为Cr层。
在一些较为具体的实施方案中，所述Me选自Cr。
在一些较为具体的实施方案中，所述异质结构层包括CrCN层、CrN层、CrC层、WC层中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
在一些较为具体的实施方案中，所述非晶碳层包括类金刚石碳基涂层。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的异质多层结构的超厚碳基复合涂层的制备方法，其包括：
提供基体；
采用磁控溅射技术在所述基体表面沉积形成过渡层；
以及，采用磁控溅射技术、离子源辅助化学气相沉积技术在所述过渡层表面沉积交替层叠层，直至形成所述异质多层结构的超厚碳基复合涂层。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法具体包括：
将基体放入反应腔体中，以惰性气体为工作气氛，以Cr靶作为靶材，采用磁控溅射技术在所述基体表面沉积形成过渡层，其中，偏压为0～-100V，靶功率为2～8kw，沉积温度为120～250℃，沉积时间为10～60min，惰性气体的流量为100～300sccm。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法具体包括：
在所述过渡层沉积完成后，在惰性气体气氛中，以Cr靶作为靶材，以N2和/或碳源气体为工作气体，采用磁控溅射技术，在所述过渡层表面形成异质结构层，其中，偏压为0～-100V，沉积温度为120～250℃，沉积时间为30～90min，N2的流量为0～1200sccm，碳源气体的流量为0～300sccm；
以石墨靶为靶材或者以碳源气体为工作气体，采用磁控溅射技术和/或离子源辅助化学气相沉积技术在所述异质结构层表面沉积形成非晶碳层，其中，石墨靶的功率为3～6Kw，沉积温度为120～250℃，沉积时间为40～120min，碳源气体的流量为50～500sccm；当采用离子源辅助化学气相沉积技术时，偏压为-600～-800V；当采用磁控溅射技术或者磁控溅射技术与离子源辅助化学气相沉积技术二者结合时，偏压为0～-100V。
以及，使所述异质结构层和非晶碳层交替层叠，直至形成所述交替层叠层。
进一步地，所述碳源气体包括C2H2和/或CH4，且不限于此。
进一步地，所述异质结构层和非晶碳层交替层叠的次数在2次以上。
进一步地，所述惰性气体气氛包括Ar气氛，且不限于此。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法还包括：先将反应腔体抽真空至真空度小于3×10-3Pa，之后对基体进行刻蚀处理。
进一步地，先抽真空至真空优于3×10-3Pa，打开离子源，加热灯丝至40～60A，通入保护性气体Ar流量30～150sccm，在-100V～-400V的偏压下对基体进行刻蚀清洗，刻蚀时间为20～60min。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法还包括：所述制备方法还包括：先对基体表面进行预处理。
进一步地，所述预处理包括除油除水处理。
进一步地，先对基体进行抛光处理和超声波清洗去除油污、灰尘等并用干燥的氮气吹干。
在一些较为具体的实施方案中，所述基体的材质包括不锈钢和/或钛合金；具体包括9Cr18、GCr15、8Cr4Mo4V、316、304、2Cr13等不锈钢和TC4等钛合金基材。
在一些更为具体的实施方案中，所述异质多层结构的超厚碳基复合涂层的制备方法具体包括：
(1)以Cr靶为靶材，对基体施加负偏压，在基体上溅射过渡层；
(2)以Cr靶或WC靶为靶材，在Ar气氛围中，通过引入N2和/或C2H2气体，在过渡层上沉积WC/CrN/CrC/CrCN中的一种或多种作为异质结构层；
(3)以石墨靶为靶材或者以C2H2为工作气体，采用磁控溅射技术和/或离子源辅助化学气相沉积技术在所述异质结构层表面沉积形成类金刚石薄膜；
(4)重复步骤(2)和(3)直至达到需要的涂层厚度。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的异质多层结构的超厚碳基复合涂层于苛刻环境下金属运动部件表面防护领域中的用途。
例如，海洋环境下金属运动部件表面防护领域中的用途。
例如，所述苛刻环境为高温(300～400℃)、高湿热、高盐雾、高速、高载、高压等环境。
作为优选方案，所述纳米复合涂层优选为海洋环境中机械部件表面耐摩擦或耐腐蚀领域中的用途。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。
实施例1
本实施例中，在316不锈钢样品表面制备上述异质多层结构的超厚碳基涂层，具体工艺步骤为：
(1)样品前处理
将样品先后在丙酮和无水乙醇中各超声清洗15分钟以上，然后取出并用干燥氮气吹干；
(2)离子刻蚀清洗
将步骤(1)处理后的样品装入磁控溅射腔体，抽真空至真空优于3×10-3Pa；打开离子源，加热灯丝至40A，通入高纯氩气60sccm，基体施加负偏压，在-200V的偏压下对基体进行刻蚀清洗，去除表面附着的灰尘等杂质，刻蚀时间为30min；
(3)沉积Cr过渡层
以金属Cr为靶材(纯度≥99.9％)，离子刻蚀完成后打开Cr靶溅射过渡层，控制Ar气流量为150sccm，偏压为-50V，靶功率为6Kw，溅射时间为30min，厚度为0.5μm；
(4)沉积CrCN层
控制C2H2流量为100sccm，Ar气流量为0sccm，N2气流量为1000sccm，偏压和Cr靶功率不变，溅射时间为60min，CrCN涂层厚度约1.4μm；
(5)沉积DLC层
逐渐减小Cr靶功率至0，逐渐减小N2气流量至0，同时增大C2H2流量至300sccm，增加转架偏压至-650V，通过高偏压电离C2H2气体形成DLC涂层，沉积时间为60min，涂层厚度为2.3μm。
(6)沉积多层结构
交替步骤(4)和(5)4次，形成异质多层结构的超厚碳基复合涂层，涂层总厚度约15μm。镀膜完成后，随炉冷却至室温然后复压取出。图2是本发明实施例1中异质多层结构的超厚碳基涂层的截面形貌。
采用CSM摩擦磨损试验机对该涂层的摩擦磨损性能进行长寿命的测试评价。具体方法为：采用涂层样块和摩擦副进行旋转方式摩擦试验，旋转半径10mm，载荷5N，摩擦副为
的9Cr18钢球，经过80万转试验。摩擦系数随转数的变化曲线如图3所示，60万转以前摩擦系数约0.06，之后摩擦系数逐渐升高至0.13。摩擦后的磨损轮廓如图4所示，磨痕深度约为1.5μm左右，计算磨损率为8.9×10-7mm3/Nm。将带有涂层的样块放入循环盐雾腐蚀设备进行中性盐雾腐蚀试验，环境为5％NaCl溶液，温度为35℃，试验后样品表面宏观状态图5所示。结果表明涂层样品有优异的长寿命摩擦磨损性能，并在1个月盐雾试验后依然未出现锈斑，具有很好的抗腐蚀性能。
实施例2
本实施例中，在8Cr4Mo4V轴承钢表面制备上述异质多层结构的超厚碳基涂层，具体工艺步骤为：
(1)样品前处理同实施例1；
(2)离子刻蚀清洗
将步骤(1)处理后的样品装入磁控溅射腔体，抽真空至真空优于3×10-3Pa；打开离子源，加热灯丝至50A，通入高纯氩气80sccm，基体施加负偏压，在-200V的偏压下对基体进行刻蚀清洗，去除表面附着的灰尘等杂质，刻蚀时间为20min；
(3)沉积Cr过渡层
以金属Cr为靶材(纯度≥99.9％)，离子刻蚀完成后打开Cr靶溅射过渡层，控制Ar气流量为100sccm，偏压为-100V，靶功率为4Kw，溅射时间为40min，厚度约为0.6μm；
(4)沉积CrN层
控制Ar气流量为0，N2气流量为800sccm，偏压和Cr靶功率不变，溅射时间为50min，CrN层厚度约为1.0μm；
(5)沉积DLC层
逐渐减小Cr靶功率至0，逐渐减小N2气流量至0，同时增大C2H2流量至280sccm，增加转架偏压至-600V，通过高偏压电离C2H2气体形成DLC涂层，沉积时间为50min，涂层厚度约为1.8μm。
(6)沉积多层结构
交替过程(4)和(5)8次，形成异质多层结构的超厚碳基复合涂层，涂层总厚度约23μm。镀膜完成后，随炉冷却至室温然后复压取出。
实施例3
本实施例中，在TC4钛合金表面制备上述异质多层结构的超厚碳基涂层，具体工艺步骤为：
(1)样品前处理同实施例1；
(2)离子刻蚀清洗
将步骤(1)处理后的样品装入磁控溅射腔体，抽真空至真空优于3×10-3Pa；打开离子源，加热灯丝至60A，通入高纯氩气150sccm，基体施加负偏压，在-300V的偏压下对基体进行刻蚀清洗，去除表面附着的灰尘等杂质，刻蚀时间为40min；
(3)沉积Cr过渡层
以金属Cr为靶材(纯度≥99.9％)，离子刻蚀完成后打开Cr靶溅射过渡层，控制Ar气流量为150sccm，偏压为0V，靶功率为8Kw，溅射时间为15min，厚度约为0.8μm；
(4)沉积CrC层
控制C2H2流量为200sccm，Ar气流量为300sccm，偏压和Cr靶功率不变，溅射时间为30min，CrC层厚度约为0.8μm；
(5)沉积DLC层
逐渐减小Cr靶功率至0，同时增大C2H2流量至450sccm，增加转架偏压至-800V，通过高偏压电离C2H2气体形成DLC涂层，沉积时间为40min，涂层厚度为1.4μm。
(6)沉积多层结构
交替过程(4)和(5)10次，形成异质多层结构的超厚碳基复合涂层，涂层总厚度约22μm。镀膜完成后，随炉冷却至室温然后复压取出。
实施例4
本实施例中，在TC4钛合金表面制备上述异质多层结构的超厚碳基涂层，具体工艺步骤为：
(1)样品前处理同实施例1；
(2)离子刻蚀清洗
将步骤(1)处理后的样品装入磁控溅射腔体，抽真空至真空优于3×10-3Pa；打开离子源，加热灯丝至60A，通入高纯氩气30sccm，基体施加负偏压，在-400V的偏压下对基体进行刻蚀清洗，去除表面附着的灰尘等杂质，刻蚀时间为60min；
(3)沉积Ti过渡层
以金属Ti为靶材(纯度≥99.9％)，离子刻蚀完成后打开Ti靶溅射过渡层，控制Ar气流量为150sccm，偏压为-50V，靶功率为2Kw，溅射时间为60min，厚度约为0.3μm；
(4)沉积WC层
控制C2H2流量为50sccm，Ar气流量为200sccm，WC靶材(纯度≥99.9％)功率为4Kw，偏压-100V，溅射时间为90min，WC层厚度约为1.5μm；
(5)沉积DLC层
逐渐减小WC靶功率至0，同时增大石墨靶(纯度≥99.9％)功率至5Kw，同时增大C2H2流量至80sccm，保持转架偏压为-100V，通过磁控溅射石墨靶材和电离C2H2气体共同作用形成DLC涂层，沉积时间为60min，涂层厚度为2.8μm。
(6)沉积多层结构
交替过程(4)和(5)6次，形成异质多层结构的超厚碳基复合涂层，涂层总厚度约26μm。镀膜完成后，随炉冷却至室温然后复压取出。
对比例1
方法同实施例1，不同之处在于没有沉积异质结构层(CrCN层)；制备的涂层因没有异质结构层，单独的非晶碳层因应力不断积累而导致内应力过大，涂层厚度一般5～6μm后发生剥落。
对比例2
方法同实施例1，不同之处在于：只沉积一层异质结构层(CrCN层)和非晶碳层(DLC层)；只有一层异质结构层和非晶碳层的涂层因厚度有限(约2～5μm)，在运动部件的长期摩擦磨损工况下依然会磨穿失效，无法长寿命的工作。而且有限的厚度不能很好的起到对Cl-1的隔离作用，所以盐雾腐蚀性能较差，达不到苛刻环境长寿命工作的应用效果。只沉积一层异质结构层(CrCN层)和非晶碳层(DLC层)的涂层经过10天的盐雾腐蚀后表面宏观照片图如图6所示，从图中可以看出图中已经出现明显的腐蚀坑。
对比例3
方法同前述实施例1，不同之处在于没有沉积非晶碳层(DLC层)；没有沉积非晶碳层只有异质结构层的涂层摩擦系数一般在0.3～0.7之间，起不到减摩的效果，而且这些异质结构层基本上是柱状晶结构，存在很多物理孔隙，使得涂层的耐腐蚀性能差，无法满足盐雾腐蚀环境的使用，不同异质结构层的摩擦系数曲线如图7所示。
对比例4
方法同实施例1，不同之处在于没有沉积Cr过渡层。过渡层主要起到对基体和涂层的连接过渡作用，没有过渡层的涂层与基体结合力差，在部件运动过程中极易发生剥落，剥落后形成的硬质颗粒进一步加剧运动部件的磨损，涂层不仅起不到应有的保护作用，反而导致运动部件的失效加速，带有过渡层的涂层和没有Cr过渡层的涂层划痕结合力如图8所示。
综上所述，本发明提供的一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层通过异质多层结构的设计，能够快速制备超厚的碳基涂层，同时涂层具有长时间的优异摩擦学性能和良好的耐腐蚀性能。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层，其特征在于包括依次形成于基体表面的过渡层和交替层叠层，其中，所述交替层叠层由异质结构层和非晶碳层交替层叠形成，所述异质结构层包括MeC层、MeN层、MeCN层中的任意一种或两种以上的组合，Me选自Cr、Ti或W；所述超厚碳基复合涂层的最外层为非晶碳层。
2.根据权利要求1所述的超厚碳基复合涂层，其特征在于：所述超厚碳基复合涂层的厚度在10μm以上；
和/或，所述过渡层的厚度为0.2～1μm；和/或，所述异质结构层的厚度为0.2～1.5μm；和/或，所述非晶碳层的厚度为0.5～3μm；
和/或，所述交替层叠层包含2个以上交替层叠周期层，其中每一交替层叠周期层包含一异质结构层和一非晶碳层。
3.根据权利要求1所述的超厚碳基复合涂层，其特征在于：所述过渡层包括Cr层、Ti层、V层、Mo层中的任意一种或两种以上的组合，优选为Cr层；
和/或，所述Me选自Cr；
和/或，所述非晶碳层包括类金刚石碳基涂层。
4.权利要求1-3中任一项所述的异质多层结构的超厚碳基复合涂层的制备方法，其特征在于包括：
提供基体；
采用磁控溅射技术在所述基体表面沉积形成过渡层；
以及，采用磁控溅射技术、离子源辅助化学气相沉积技术在所述过渡层表面沉积交替层叠层，直至形成所述异质多层结构的超厚碳基复合涂层。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于具体包括：
将基体放入反应腔体中，以惰性气体为工作气氛，以Cr靶作为靶材，采用磁控溅射技术在所述基体表面沉积形成过渡层，其中，偏压为0～-100V，靶功率为2～8kw，沉积温度为120～250℃，沉积时间为10～60min，惰性气体的流量为100～300sccm。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于具体包括：
在所述过渡层沉积完成后，在惰性气体气氛中，以Cr靶作为靶材，以N2和/或碳源气体为工作气体，采用磁控溅射技术，在所述过渡层表面形成异质结构层，其中，偏压为0～-100V，沉积温度为120～250℃，沉积时间为30～90min，N2的流量为0～1200sccm，碳源气体的流量为0～300sccm；
以石墨靶为靶材或者以碳源气体为工作气体，采用磁控溅射技术和/或离子源辅助化学气相沉积技术在所述异质结构层表面沉积形成非晶碳层，其中，石墨靶的功率为3～6Kw，沉积温度为120～250℃，沉积时间为40～120min，碳源气体的流量为50～500sccm；当采用离子源辅助化学气相沉积技术时，偏压为-600～-800V；当采用磁控溅射技术或者磁控溅射技术与离子源辅助化学气相沉积技术二者结合时，偏压为0～-100V；
以及，使所述异质结构层和非晶碳层交替层叠，直至形成所述交替层叠层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述碳源气体包括C2H2和/或CH4；
和/或，所述异质结构层和非晶碳层交替层叠的次数在2次以上；
和/或，所述惰性气体气氛包括Ar气氛。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于还包括：先将反应腔体抽真空至真空度小于3×10-3Pa，之后对基体进行刻蚀处理；
和/或，所述制备方法还包括：先对基体表面进行预处理；优选的，所述预处理包括除油除水处理。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述基体的材质包括不锈钢和/或钛合金。
10.权利要求1-3中任一项所述的异质多层结构的超厚碳基复合涂层于苛刻环境下金属运动部件表面防护领域中的用途。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211572430.1A CN115821206A (zh) | 2022-12-08 | 2022-12-08 | 一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层及其制法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211572430.1A CN115821206A (zh) | 2022-12-08 | 2022-12-08 | 一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层及其制法与应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115821206A true CN115821206A (zh) | 2023-03-21 |
Family
ID=85544626
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211572430.1A Pending CN115821206A (zh) | 2022-12-08 | 2022-12-08 | 一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层及其制法与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115821206A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1172521A (zh) * | 1995-12-07 | 1998-02-04 | 运载器有限公司 | 具有低润滑敏感度的旋转式压缩机 |
| US20010031346A1 (en) * | 2000-03-23 | 2001-10-18 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Diamond-like carbon hard multilayer film and component excellent in wear resistance and sliding performance |
| CN104694893A (zh) * | 2013-12-04 | 2015-06-10 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 碳基减摩耐磨涂层及其制备方法 |
| CN108070857A (zh) * | 2018-02-06 | 2018-05-25 | 苏州涂冠镀膜科技有限公司 | 超厚dlc涂层 |
| CN111850470A (zh) * | 2020-08-04 | 2020-10-30 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种超滑性能金属/含氢碳复合薄膜及其制备方法 |
| CN113215537A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-08-06 | 合肥波林新材料股份有限公司 | 一种连杆用防护涂层的制备方法及其应用 |
-
2022
- 2022-12-08 CN CN202211572430.1A patent/CN115821206A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1172521A (zh) * | 1995-12-07 | 1998-02-04 | 运载器有限公司 | 具有低润滑敏感度的旋转式压缩机 |
| US20010031346A1 (en) * | 2000-03-23 | 2001-10-18 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Diamond-like carbon hard multilayer film and component excellent in wear resistance and sliding performance |
| CN104694893A (zh) * | 2013-12-04 | 2015-06-10 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 碳基减摩耐磨涂层及其制备方法 |
| CN108070857A (zh) * | 2018-02-06 | 2018-05-25 | 苏州涂冠镀膜科技有限公司 | 超厚dlc涂层 |
| CN111850470A (zh) * | 2020-08-04 | 2020-10-30 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种超滑性能金属/含氢碳复合薄膜及其制备方法 |
| CN113215537A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-08-06 | 合肥波林新材料股份有限公司 | 一种连杆用防护涂层的制备方法及其应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100506527C (zh) | 金属碳化物/类金刚石(MeC/DLC)纳米多层膜材料及其制备方法 | |
| CN1859985A (zh) | 金刚石涂层制品及其制造方法 | |
| CN102383092A (zh) | 涂层、具有该涂层的被覆件及该被覆件的制备方法 | |
| TW201300578A (zh) | 殼體及其製備方法 | |
| 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 | |
| CN107513690B (zh) | 一种类金刚石/立方氮化硼多层复合涂层及其制备方法 | |
| CN113046703B (zh) | 一种高硬度纳米复合涂层及其制备方法与应用 | |
| CN109023264B (zh) | 一种高硬TiCN纳米复合薄膜及其制备方法、模具 | |
| Zhao et al. | Effect of the bias-graded increment on the tribological and electrochemical corrosion properties of DLC films | |
| CN109722637A (zh) | 润滑涂层及其制备方法 | |
| CN115821206A (zh) | 一种异质多层结构的超厚碳基复合涂层及其制法与应用 | |
| CN113512710A (zh) | 一种45钢表面CrN-Cr梯度涂层及其制备方法与应用 | |
| CN110438421A (zh) | 一种铝合金材料及铝合金固溶处理+pvd涂层同步强化方法 | |
| CN111979543B (zh) | 一种基于摩擦诱导催化形成自润滑非晶碳膜的涂层材料及其制备方法 | |
| CN112481591B (zh) | 自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层及其制法与应用 | |
| CN114774857A (zh) | 一种TiAlCrN微纳米涂层及其制备方法 | |
| CN102409302A (zh) | 涂层、具有该涂层的被覆件及该被覆件的制备方法 | |
| CN112941463A (zh) | 一种钛合金表面纳米多层氧氮化物耐蚀防护涂层及其制备方法和应用 | |
| CN117778949A (zh) | CrN/CrAlN/TiAlN纳米多层及其制备方法 | |
| CN115125486B (zh) | 一种含有多层结构的高强韧纳米复合涂层及其制备方法 | |
| CN112342505B (zh) | 一种耐磨耐高温复合涂层及其制备方法 | |
| JP2007100138A (ja) | 硬質皮膜被覆部材およびその製造方法 | |
| US8388815B2 (en) | Coated article and method of making the same | |
| CN115961259A (zh) | 一种强韧耐蚀max相多层复合涂层及其制备方法与应用 | |
| TWI477637B (zh) | 具有硬質塗層的被覆件及其製備方法 |
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 |