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

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

【技术实现步骤摘要】
TC4材料表面镀制类金刚石保护层的方法、TC4材料及其应用


[0001]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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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%。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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℃。
[0014]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。
[0015]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。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
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250℃；控制基材负偏压为80
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120V，占空比为45
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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
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50sccm；采用钛靶为靶材，并控制靶材电流为20
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30A；控制工作压力为0.25
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0.45Pa，工作温度为150
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250℃；控制基材负偏压为80
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120V，占空比为45
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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
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8min，在所述Ti层上镀制所述TiN层的时间为12
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24min，在所述TiN层上镀制所述TiCN层的时间为30
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【专利技术属性】
技术研发人员：龙丹，林勇刚，王立利，
申请(专利权)人：科汇纳米技术深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：