高硬度、低应力的多元复合类金刚石涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高硬度、低应力的多元复合类金刚石涂层。该涂层由类金刚石、第一掺杂元素Al或Cu以及第二掺杂元素Cr或W组成，并且，在该多元复合类金刚石涂层中，第一掺杂元素、第二掺杂元素的原子百分含量分别为1.56％～4.69％。实验证实，该共掺杂的类金刚石涂层兼具高硬度与低应力，同时还具有低的摩擦系数和磨损率、良好韧性和耐蚀性，以及高膜基结合力，因此是一种综合性能良好的多功能涂层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料表面镀膜
，尤其涉及一种高硬度、低应力多元复合类金刚石涂层及其制备方法。
技术介绍
类金刚石(DLC)涂层具有高硬度、低摩擦系数、良好的耐蚀性、光学透过性和生物相容性等诸多优异的性能，因此是近年来广泛研究和开发应用的具有广阔产业化前景的一种新型碳基功能材料。尤其是其具有高硬度和低摩擦系数，在工、模具表面改性和微电子机械系统等领域的应用更显突出。在DLC涂层的制备过程中，为了提高涂层的硬度，往往采用高能粒子连续轰击以提高sp3碳键含量。但是，与此同时往往伴随产生高的残余应力。高残余应力的存在易造成膜基结合力下降，出现涂层开裂、剥落和失效，降低其使用寿命。该现象在金属衬底表面更显突出，并且限制了厚膜的生长，因此是目前制约DLC涂层广泛应用的主要瓶颈。在DLC涂层中掺杂金属元素已被证实是降低DLC涂层残余应力的有效方法，该方法操作简单，而且在改善DLC涂层的摩擦学、电学、光学等性能方面也有积极作用。然而，目前虽然对金属掺杂的DLC涂层进行了广泛研究，但是大多数属于单一元素掺杂，掺杂后的DLC涂层往往只能满足单一性能要求。例如，在DLC涂层中掺杂Cr、W等中强碳化物形成相元素后，相比纯DLC涂层，涂层能够维持较高硬度；在DLC涂层中掺杂Al、Cu等非碳化物形成相的软质元素后，相比纯DLC涂层，涂层中的残余应力可大幅降低。但是，单一掺杂金属元素后DLC涂层在某一性能提高的同时却存在其他性能恶化的问题，例如在DLC涂层中掺杂Al有利于降低涂层残余应力，Al掺杂含量为0.68at.％时，应力降幅高达43％，并且随Al含量继续增加应力进一步单调下降，但是与此同时却伴随着硬度的大幅降低。可见，由于满足单一性能需求的DLC涂层材料很难满足实际应用中复杂、多变、苛刻工况条件下的耐磨、高硬、低应力等综合性能要求，迫切需要研究和发展具有高硬度、低应力、低摩擦、高可靠性、长寿命、良好环境适应性等综合性能优异的DLC涂层材料。
技术实现思路
本专利技术的技术目的是针对上述现有DLC涂层材料的不足，提供一种兼具高硬度、低应力的多元复合类金刚石涂层，同时，该涂层材料具有低的摩擦系数和磨损率、良好韧性和耐蚀性，以及高膜基结合力。本专利技术实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种高硬度、低应力的多元复合类金刚石涂层，其特征在于：位于基体表面，由类金刚石、第一掺杂元素以及第二掺杂元素组成，所述的第一掺杂元素为Al元素或Cu元素，第二掺杂元素为Cr元素或W元素；并且，在所述的多元复合类金刚石涂层中，第一掺杂元素的原子百分比含量为优选为1.56％～4.69％，第二掺杂元素的原子百分比含量优选为1.56％～4.69％。综上所述，本专利技术同时在类金刚石涂层中掺杂两种金属元素，形成多元复合类金刚石涂层，同时，本专利技术人经过大量实验反复探索后发现：(1)该两种金属元素的掺杂须保持为微量掺杂，即在多元复合类金刚石涂层中，总掺杂元素的原子百分含量须控制在9.38％范围之内，这是因为微量掺杂方能不破坏涂层中硬的碳网络结构，从而使涂层保持良好机械性能；(2)一种掺杂元素为Al元素或Cu元素，以诱导涂层体系石墨化转变，从而降低摩擦系数，起到减磨润滑作用；(3)另一种掺杂元素为Cr元素或W元素，这是因为在类金刚石涂层中掺杂Cr元素或W元素一方面能够维持涂层具有较高硬度，另一方面相对于其他掺杂金属元素(如Ti、Si等)，Cr或W元素与C原子结合时形成了弱的非键特征，同时通过与Al或Cu掺杂元素的协同作用，能够使涂层中的畸变结构进行充分弛豫，从而降低涂层中的残余应力；尤其是在该多元复合类金刚石涂层中，当控制Cr元素或W元素的原子百分比含量为1.56％～4.69％，Al元素或Cu元素的原子百分比含量为1.56％～4.69％时，能够在极大降低涂层残余应力的同时保持硬度受到较小影响，从而使复合涂层的硬度与残余应力达到最佳平衡；(4)该多元复合类金刚石涂层的适用基体范围较广，包括硬质合金、各类钢材、铝合金、镁合金等；对于某些特殊基体，Cr或W元素与基体间具有较好的金属界面匹配性，因而可显著提高涂层在基体表面的附着力，例如对于镁合金基体而言，Cr或W元素一方面与镁合金基体间具有较好的金属界面匹配性，可显著提高涂层在基体表面的附着力，同时Al与镁之间的腐蚀电位相对较小，能大幅增强镁合金的抗腐蚀能力。因此，该多元复合类金刚石涂层兼具高硬度与低应力，同时还具有高膜基结合力、低的摩擦系数和磨损率、良好的韧性和耐蚀性等，其涂层厚度为0.3～4μm；硬度值为20～30GPa、应力值为0.06～0.25GPa；同时，其与钢球对磨的摩擦系数在0.1以下，是一种综合性能良好的多功能涂层。本专利技术还提供了一种上述高硬度、低应力多元复合类金刚石涂层的制备方法，该方法结合线性离子束沉积技术与磁控溅射沉积技术，采用离子束复合磁控溅射镀膜设备，该设备包括真空室、线性离子源、磁控溅射源和工件托架，具体包括以下步骤：步骤1、清洗基底将基底置于真空室的工件托架上，开启线性离子源，向线性离子源通入氩气清洗基底；步骤2、在基底表面沉积金属多元复合类金刚石涂层：同时开启线性离子源和磁控溅射源，磁控溅射源为第一掺杂金属与第二掺杂金属的复合靶，向线性离子源通入CH4或C2H2碳氢气体，向磁控溅射源通入氩气，通过改变磁控溅射源电流和功率，控制沉积涂层中的金属元素的原子百分比含量；步骤3、真空室温度降至室温，取出基体，该基体表面即为所述多元复合类金刚石涂层。所述的步骤1中，真空室气压优选调整至2.7×10-3Pa。所述的步骤1中，作为优选，向线性离子源通入30～50sccm氩气。所述的步骤1中，作为优选，线性离子源工作电流为0.2A，工作功率为260～400W。所述的步骤1中，作为优选，同时将基底负偏压设为100～300V。所述的步骤2中，作为优选，复合靶中元素纯度均大于或等于99.99％。所述的步骤2中，作为优选，复合靶中，第一掺杂金属与第二掺杂金属元素的原子含量比为1:3～3:1。所述的步骤2中，作为优选，向线性离子源通入CH4或C2H2碳氢气体流量为30sccm。所述的步骤2中，作为优选，线性离子源的工作电流为0.2～1A，工作功率为250～320W。所述的步骤2中，作为优选，向磁控溅射源通入氩气流量为50sccm。所述的步骤2中，作为优选，磁控溅射靶功率为0.95～1.5KW，工作电流为2.5～3A。所述的步骤2中，作为优选本文档来自技高网...

【技术保护点】
高硬度、低应力的多元复合类金刚石涂层，其特征在于：位于基体表面，由类金刚石、第一掺杂元素以及第二掺杂元素组成，所述的第一掺杂元素为Al元素或Cu元素，第二掺杂元素为Cr元素或W元素；并且，在所述的多元复合类金刚石涂层中，第一掺杂元素的原子百分比含量为1.56％～4.69％，第二掺杂元素的原子百分比含量为1.56％～4.69％。

【技术特征摘要】
1.高硬度、低应力的多元复合类金刚石涂层，其特征在于：位于基体表面，由类
金刚石、第一掺杂元素以及第二掺杂元素组成，所述的第一掺杂元素为Al元素或Cu元
素，第二掺杂元素为Cr元素或W元素；并且，在所述的多元复合类金刚石涂层中，第
一掺杂元素的原子百分比含量为1.56％～4.69％，第二掺杂元素的原子百分比含量为
1.56％～4.69％。
2.如权利要求1所述的高硬度、低应力的多元复合类金刚石涂层，其特征在于：
所述的多元复合类金刚石涂层的厚度为0.3～4μm。
3.如权利要求1所述的高硬度、低应力的多元复合类金刚石涂层，其特征在于：
所述的多元复合类金刚石涂层的应力值为0.06～0.25GPa，硬度值为20～30GPa。
4.如权利要求1所述的高硬度、低应力的多元复合类金刚石涂层，其特征在于：
所述的多元复合类金刚石涂层与钢球对磨的摩擦系数在0.1以下。
5.如权利要求1所述的高硬度、低应力的多元复合类金刚石涂层，其特征在于：
所述的基体是硬质合金、各类钢材、铝合金、镁合金。
6.制备如权利要求1至5中任一权利要求所述的高硬度、低应力的多元复合类金
刚石涂层的方法，其特征在于：采用离子束复合磁控溅射镀膜设备，该设备包括真空室、
线性离子源、磁控溅射源和工件托架，具体...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓伟，汪爱英，张栋，柯培玲，许辉，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33