超硬纳米复合涂层的制备PVD设备、方法及层结构技术

本发明专利技术提供超硬纳米复合涂层的制备PVD设备、方法及层结构。本发明专利技术提供了超硬纳米复合涂层的制备PVD设备，其通过总供电线路供电，复合PVD设备包括：一个壳体、一个工件架、一个离子源、一个分子泵、一个阴极电弧金属镀膜模块、一个阴极磁控溅射金属镀膜模块、一个阴极电弧石墨镀膜模块、一个阴极磁控溅射石墨镀膜模块。该PVD设备在一个真空镀膜室内集成多个磁控阴极、电弧阴极以及离子源，实现多种镀膜工艺集成，从而可以开发多种膜层复合的新型涂层材料。本发明专利技术中的超硬纳米复合涂层的制备方法，可制备多层过渡层，以及多层不同硬度的金刚石膜层复合制备超硬类金刚石涂层，硬度高、耐热性好。本发明专利技术中还提供了超硬纳米复合涂层的层结构。

【技术实现步骤摘要】
超硬纳米复合涂层的制备PVD设备、方法及层结构
本专利技术涉及金属表面处理及材料领域域。本专利技术具体涉及超硬纳米复合涂层的制备PVD设备、方法及结构。
技术介绍
类金刚石薄膜是一种碳材料，部分碳原子以金刚石结构的sp3键结合，另一部分碳-碳原子之间以石墨结构的sp2化学键结合，其兼具金刚石与石墨的优良性能。类金刚石薄膜最先于1971年在研究中被发现，经过数十年的发展，目前已经达到半工业化水平，在工业各领域包括航空航天、精密机械、微电子机械装置、磁盘存储器、汽车零部件、光学器材和生物医学等获得了产业化应用，可以大幅提高零部件寿命，节约零部件摩擦磨损所导致的能源与资源消耗。类金刚石薄膜的进一步大规模工业化应用，尚需解决两方面关键问题：一方面由于类金刚石与金属、玻璃、塑料等基材之间的物理常数存在较大失配，膜基结合力有待进一步提高；另一方面是类金刚石薄膜高硬度与内应力的矛盾，因为常温下亚稳态的sp3键只能在内应力较大时形成，要制备高硬度类金刚石膜，需要高sp3键成分，就不得不面对内应力大的难题，这也是现有类金刚石薄膜产品的硬度仍远低于理论值的根本原因。近年来，研究人员尝试多种方法制备梯度复合结构的类金刚石薄膜，通过设计一层或多层过渡层提高膜基结合力，并降低薄膜内部应力。现有技术所获得的类金刚石复合涂层，其硬度值在25-40GPa之间，仍未达到超硬涂层所要求的硬度级别(>40GPa)。同时，用于制备硬质功能涂层的真空物理气相沉积(PVD)设备，依据镀膜工艺原理主要分为两类：阴极电弧离子镀和磁控溅射。电弧离子镀的优势在于离化率高、沉积速率快、膜基结合力高，但电弧放电熔化靶材，容易产生液滴飞溅，进而在膜层中产生大颗粒，另外电弧镀膜的致密度不高。磁控溅射镀膜的优势在于膜层均匀平整、致密度高，但沉积速率较慢、离化率低，膜基结合力不高。对于制备超高硬度(>40GPa)的多层纳米复合涂层，单一电弧或磁控溅射工艺已很难满足要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种超硬纳米复合涂层的制备PVD设备具体为在一个真空镀膜室内集成多个磁控阴极、电弧阴极以及离子源，实现多种镀膜工艺集成，从而可以开发多种膜层复合的新型涂层材料。本专利技术的目的是提供一种超硬纳米复合涂层的制备方法，可制备多层过渡层，以及多层不同硬度的金刚石膜层复合制备超硬类金刚石涂层，硬度高、耐热性好。本专利技术的目的是提供一种超硬纳米复合涂层的层结构，其硬度高、耐热性好。本专利技术提供了超硬纳米复合涂层的制备PVD设备，其通过总供电线路供电，复合PVD设备包括：一个壳体、一个工件架、一个离子源、一个分子泵、一个阴极电弧金属镀膜模块、一个阴极磁控溅射金属镀膜模块、一个阴极电弧石墨镀膜模块、一个阴极磁控溅射石墨镀膜模块。壳体具有一个反应腔室。工件架沿一个回转轴线可转动的连接于壳体且位于反应腔室内。工件架与总供电线路的地线连接。离子源设置于反应腔室内且具有一个离子源供气口、一个输出束流口和一个能够控制离子源启动的离子源启动端。分子泵具有一个抽气口及一个泵控制端。抽气口连通反应腔室。阴极电弧金属镀膜模块，其包括一个电弧金属靶及一个第一金属弧靶高压供电回路。第一金属弧靶高压供电回路的负极与电弧金属靶电连接。电弧金属靶设置于反应腔室且朝向工件架。阴极磁控溅射金属镀膜模块，其包括一个溅射金属靶及一个第一金属溅射高压供电回路。第一金属溅射高压供电回路的负极与溅射金属靶电连接。溅射金属靶设置于反应腔室且朝向工件架。阴极电弧石墨镀膜模块，其包括一个电弧石墨靶及一个第一石墨弧靶高压供电回路。第一石墨弧靶高压供电回路的负极与电弧石墨靶电连接。电弧石墨靶设置于反应腔室且朝向工件架。阴极磁控溅射石墨镀膜模块，其包括一个溅射石墨靶及一个第一石墨溅射高压供电回路。第一石墨溅射高压供电回路的负极与溅射石墨靶电连接。溅射石墨靶设置于反应腔室且朝向工件架。电弧石墨靶、溅射石墨靶、电弧金属靶及溅射金属靶沿反应腔室的内周向均匀设置。在本专利技术超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的另一种实施方式中，溅射金属靶的材料为Ti、Cr、Si与W材料中的一种或多种。电弧金属靶的材料为Ti、Cr、Zr与W一种或多种。在本专利技术超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的又一种实施方式中，反应腔室具有一个腔室高度延伸方向。反应腔室垂直于腔室高度延伸方向的截面为圆形截面。工件架包括：一个旋转轴和一个层架。旋转轴延其轴线可转动的连接于壳体且位于反应腔室内。旋转轴的轴线平行于腔室高度延伸方向。旋转轴延的轴线为回转轴线。层架固定于旋转轴且随旋转轴转动。在本专利技术超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的再一种实施方式中，还包括：一个电机，其输出轴同轴连接旋转轴且能够带动旋转轴绕其轴线转动。在本专利技术超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的再一种实施方式中，还包括：多个气源供气装置。多个气源供气装置其均具有供气管路及供气控制端。供气管路分别与离子源供气口连接。在本专利技术超硬纳米复合涂层的制备PVD设备的再一种实施方式中，还包括：一个控制装置，其具有多个输入端、与多个输入端连接的处理器和与处理器连接的多个输出端。输入端接收启动指令且能够发送到处理器。输出端分别与离子源启动端、气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端连接。处理器根据启动指令，调用预存的启动序列。根据启动序列向输出端发送离子源启动端、气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端的控制信息。启动系列包括多个顺序执行的启动指令。启动指令中包括：离子源启动端、气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端的控制指令。同时本专利技术提供了超硬纳米复合涂层的制备方法，制备方法通过本专利技术中的超硬纳米复合涂层的制备PVD设备。制备超硬纳米复合涂层的制备方法包括：步骤S101，将待加工金属零件放置于工件架上。步骤S102，启动分子泵及阴极电弧金属镀膜模块。第一金属弧靶高压供电回路的弧靶电流为100-150A，离子源的输出束流口连接氩气气源。氩气流量200-300sccm，优选值240sccm。制备0.1um厚度的第一膜层。步骤S103，控制第一金属弧靶高压供电回路的弧靶电流为120-160A，优选值140A。氩气流量100-200sccm。离子源的离子源供气口连接乙炔气源及氮气气源。乙炔气体流量10-20sccm，氮气流量10-30sccm，在第一膜层上制备0.5-1um厚度的第二膜层。步骤S104，启动阴极磁控溅射金属镀膜模块及阴极磁控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.超硬纳米复合涂层的制备PVD设备，其通过总供电线路供电，其特征在于，所述复合PVD设备包括：/n一个壳体，其具有一个反应腔室；/n一个工件架，其沿一个回转轴线可转动的连接于所述壳体且位于所述反应腔室内；所述工件架与所述总供电线路的地线连接；/n一个离子源，其设置于所述反应腔室内且具有一个离子源供气口、一个输出束流口和一个能够控制所述离子源启动的离子源启动端；/n一个分子泵，其具有一个抽气口及一个泵控制端；所述抽气口连通所述反应腔室；/n一个阴极电弧金属镀膜模块，其包括一个电弧金属靶及一个第一金属弧靶高压供电回路；所述第一金属弧靶高压供电回路的负极与所述电弧金属靶电连接；所述电弧金属靶设置于所述反应腔室且朝向所述工件架；以及/n一个阴极磁控溅射金属镀膜模块，其包括一个溅射金属靶及一个第一金属溅射高压供电回路；所述第一金属溅射高压供电回路的负极与所述溅射金属靶电连接；所述溅射金属靶设置于所述反应腔室且朝向所述工件架；/n一个阴极电弧石墨镀膜模块，其包括一个电弧石墨靶及一个第一石墨弧靶高压供电回路；所述第一石墨弧靶高压供电回路的负极与所述电弧石墨靶电连接；所述电弧石墨靶设置于所述反应腔室且朝向所述工件架；以及/n一个阴极磁控溅射石墨镀膜模块，其包括一个溅射石墨靶及一个第一石墨溅射高压供电回路；所述第一石墨溅射高压供电回路的负极与所述溅射石墨靶电连接；所述溅射石墨靶设置于所述反应腔室且朝向所述工件架：/n所述电弧石墨靶、所述溅射石墨靶、电弧金属靶及所述溅射金属靶沿所述反应腔室的内周向均匀设置。/n...

【技术特征摘要】
1.超硬纳米复合涂层的制备PVD设备，其通过总供电线路供电，其特征在于，所述复合PVD设备包括：
一个壳体，其具有一个反应腔室；
一个工件架，其沿一个回转轴线可转动的连接于所述壳体且位于所述反应腔室内；所述工件架与所述总供电线路的地线连接；
一个离子源，其设置于所述反应腔室内且具有一个离子源供气口、一个输出束流口和一个能够控制所述离子源启动的离子源启动端；
一个分子泵，其具有一个抽气口及一个泵控制端；所述抽气口连通所述反应腔室；
一个阴极电弧金属镀膜模块，其包括一个电弧金属靶及一个第一金属弧靶高压供电回路；所述第一金属弧靶高压供电回路的负极与所述电弧金属靶电连接；所述电弧金属靶设置于所述反应腔室且朝向所述工件架；以及
一个阴极磁控溅射金属镀膜模块，其包括一个溅射金属靶及一个第一金属溅射高压供电回路；所述第一金属溅射高压供电回路的负极与所述溅射金属靶电连接；所述溅射金属靶设置于所述反应腔室且朝向所述工件架；
一个阴极电弧石墨镀膜模块，其包括一个电弧石墨靶及一个第一石墨弧靶高压供电回路；所述第一石墨弧靶高压供电回路的负极与所述电弧石墨靶电连接；所述电弧石墨靶设置于所述反应腔室且朝向所述工件架；以及
一个阴极磁控溅射石墨镀膜模块，其包括一个溅射石墨靶及一个第一石墨溅射高压供电回路；所述第一石墨溅射高压供电回路的负极与所述溅射石墨靶电连接；所述溅射石墨靶设置于所述反应腔室且朝向所述工件架：
所述电弧石墨靶、所述溅射石墨靶、电弧金属靶及所述溅射金属靶沿所述反应腔室的内周向均匀设置。


2.根据权利要求1所述的制备PVD设备，其特征在于，所述溅射金属靶的材料为Ti、Cr、Si与W材料中的一种或多种；所述电弧金属靶的材料为Ti、Cr、Zr与W一种或多种。


3.根据权利要求1所述的制备PVD设备，其特征在于，所述反应腔室具有一个腔室高度延伸方向；所述反应腔室垂直于所述腔室高度延伸方向的截面为圆形截面；
所述工件架包括：
一个旋转轴，所述旋转轴延其轴线可转动的连接于所述壳体且位于所述反应腔室内；所述旋转轴的轴线平行于所述腔室高度延伸方向；所述旋转轴延的轴线为所述回转轴线；和
一个层架，其固定于所述旋转轴且随所述旋转轴转动。


4.根据权利要求3所述的制备PVD设备，其特征在于，还包括：
一个电机，其输出轴同轴连接所述旋转轴且能够带动所述旋转轴绕其轴线转动。


5.根据权利要求1所述的制备PVD设备，其特征在于，还包括：
多个气源供气装置，其均具有供气管路及供气控制端；所述供气管路分别与所述离子源供气口连接。


6.根据权利要求5所述的制备PVD设备，其特征在于，还包括：
一个控制装置，其具有多个输入端、与所述多个输入端连接的处理器和与所述处理器连接的多个输出端；
所述输入端接收启动指令且能够发送到所述处理器；
所述输出端分别与所述离子源启动端、所述气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端连接；
所述处理器根据所述启动指令，调用预存的启动序列；根据所述启动序列向所述输出端发送所述离子源启动端、所述气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端的控制信息；
所述启动系列包括多个顺序执行的启动指令；所述启动指令中包括：所述离子源启动端、所述气源供气装置的供气控制端、泵控制端、第一金属弧靶高压供电回路的供电控制端、第一金属溅射高压供电回路的供电控制端、第一石墨弧靶高压供电回路的供电控制端及第一石墨溅射高压供电回路的供电控制端的控制指...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵俊亮，李恒，彭占杰，
申请(专利权)人：南京纳弧新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32