本发明专利技术公开了一种致密氮化物陶瓷涂层及其制备方法，按先对机械零件的待处理表面进行清洁；再通过反应沉积法制备氮化物涂层，反应沉积法制备氮化物涂层的过程中，偏压在高偏压和低偏压之间交替变化。所述的氮化物陶瓷涂层的具有1700Hv-2600Hv的较高的硬度和0.1GPa-1GPa的较低的应力，晶粒比例为0-0.5，晶粒尺寸约在10nm-200nm。本发明专利技术的涂层沉积工艺简单、沉积速率高，应力低。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及表面处理技术，特别涉及一种致密氮化物涂层的制备方法，尤其涉及耐腐蚀和扩散阻挡应用的氮化物涂层。
技术介绍
由于具有良好硬度、化学惰性、生物兼容性和阻碍原子扩散性能，过渡金属氮化物涂层在摩擦学、生物医疗、耐腐蚀和电子行业获得大量应用。但是过渡金属氮化物在生长过程中易发生(111)择优取向，晶粒的(111)面沿着涂层法线方向快速生长，导致酥松的柱状晶产生，这将不利于涂层硬度、耐腐蚀性和扩散阻挡性能的提高。目前通常采用不同方法抑制柱状晶的生长添加其它元素是一种有效方法，但是第三种成分的添加可能会改变涂层的原有性质，而且多源共沉积或采用合金沉积源必须使用特制的合金靶材或多靶共沉 积，这都会明显提高工艺复杂性从而增加成本；提高沉积粒子能量也是常用办法，通过增加涂层组织缺陷，促进形核，细化晶粒，从而提高涂层致密程度，但是该方法往往带来较大的应力，不利于涂层结合性能，且该方法会降低涂层沉积速率，降低生产效率。因此获得高沉积速率低应力致密氮化物陶瓷涂层在工业生产和实际应用中十分重要。
技术实现思路
本专利技术提供，可以兼顾高沉积速率和低应力。本专利技术的技术方案为一种致密氮化物陶瓷涂层的制备方法，按先对机械零件的待处理表面进行清洁；再通过反应沉积法制备氮化物涂层，反应沉积法制备氮化物涂层的过程中，偏压在高偏压和低偏压之间交替变化。所述的高偏压为(T -80V中的任一，低偏压为-80 V -150V中的任一；每个偏压的反应时间为I分钟-10分钟。更优选的方案是在制备氮化物涂层前先采用气相沉积法沉积50 nm-200 nm厚度的Ti或Cr中间层于表面； 基于所述的致密氮化物陶瓷涂层的制备方法得到的致密氮化物陶瓷涂层，所述的氮化物陶瓷涂层的具有1700Hv-2600Hv的较高的硬度和0. I GPa -IGPa的较低的应力，晶粒比例为0-0. 5，晶粒尺寸约在10 nm-200nm。有益效果 (I)沉积工艺简单如通过添加其他元素提高涂层致密性，必须使用特制的合金靶材或多靶共沉积，这将使工艺流程复杂化，成本上升；而该工艺只对沉积过程中偏压进行周期性调节，不需要其他复杂工艺，易于改善原有工艺，提高涂层质量。(2)高沉积速率恒定高偏压沉积，由于反溅射效应，高能粒子轰击涂层表面导致部分沉积粒子脱离涂层，涂层沉积速率降低；而本专利技术减少了高偏压沉积时间，有利于涂层速率的提高，从而提高工作效率，降低工作成本。(3)低应力恒定高偏压沉积过程，高能粒子轰击涂层，导致大量缺陷的产生，应力明显增加。当应力增加一定程度，涂层将剥离失效，即使未剥离，涂层的结合性能明显下降，其应用承载范围降低。为了避免剥离，涂层厚度就必须减小，这也就不利于其耐磨、防腐和扩散阻挡性能。而采用本专利技术的方法由于减少了高偏压沉积过程，所以可以兼顾厚度和应力。(4) 可适合于精密部件、模具/刀具和医疗器械表面强化和微电子芯片中扩散阻挡层。具体实施例方式 先采用常规方法对待处理表面进行洁净处理；将待处理表面置于真空气相沉积系统中利用反溅射法清洁表面，经过这两步处理后表面足够清洁，这样才能更好的保证涂层质量；再通过反应沉积技术沉积氮化物涂层。沉积过程中，真空沉积参数-偏压-在两个数值间周期性变化，促进沉积粒子在氮化物涂层表面均匀铺展，提高涂层致密度。偏压交变参数取值在(T -80V和-80 V -150V两个区间中各任取一个值；交变周期为I分钟-10分钟。沉积至所需厚度，真空条件下冷却，然后通入干燥氮气，打开真空腔，即获得致密氮化物涂层。所述的氮化物陶瓷涂层的硬度为1700Hv-2600Hv，应力为0. IGPa-IGPa0择优取向有和两种方向构成，比例可以自主调节，晶粒比例为0-0. 5，晶粒尺寸约在10 nm-200nm。在制备氮化物涂层前还可以采用气相沉积法沉积50 nm-200 nmTi或Cr中间层于处理表面，根据实际情况可以省略该步骤。因为中间层主要用来增加涂层结合性，所以在有些行业比如微电子行业就不需要。实施例I 一种用于致密集成电路扩散阻挡层TiN的制备方法集成电路前端薄膜沉积工艺完成后，直接沉积TiN扩散阻挡层。工作气压0.1-2 Pa,氮气分压为0.016 Pa-O. 25 Pa，其他气体为氩气，Ti靶溅射功率密度为2-7 W/cm2，偏压交变参数取值在-50 V和-125V;交变周期为I分钟，TiN涂层沉积厚度约为100 nm。实施例2 一种用于致密人工关节表面强化层TiN的制备方法先对人工关节的待处理表面进行洁净处理，该洁净处理包括进行脱脂、除油、除灰、除绝缘层和采用真空气相沉积中反溅射法清洁表面。放置在真空室中；通入Ar气在0. 1-lOPa，使待处理的机械零件处于0-1000V的负偏压状态，负偏压引发等离子体产生，离子轰击待处理表面进一步清洁表面5-20分钟即完成反溅射法清洁；通过磁控溅射源沉积Ti或Cr中间层于处理表面，靶材溅射功率密度为2-7 W/cm2，中间层厚度为50 nm-200 nm ;再通过溅射法沉积TiN涂层，氮气分压为0. IPa，溅射功率密度可为2、5、7 W/cm2，偏压交变参数取值在为-75V和-150V ;交变周期为2分钟或5分钟，厚度为3、5、7、9微米。实施例3 一种用于致密注塑模具强化层CrN的制备方法先对模具的待处理表面进行初级洁净处理，该洁净处理包括进行脱脂、除油、除灰和除绝缘层等。再作进一步清洁放置在真空室中；通入Ar气在0. 1-lOPa，使待处理的机械零件处于0-1000V负偏压状态，负偏压引发等离子体产生，离子轰击待处理表面进一步清洁表面5-20分钟。通过磁控溅射源沉积Ti或Cr中间层于处理表面，靶材溅射功率密度为2-7 W/cm2，中间层厚度为50 nm-200 nm ;再通过溅射法沉积CrN涂层，氮气分压为0. 2 Pa，溅射功率密度可为2、5、7 W/cm2，偏压交变参数取值在-80V和-150V ;交变周期为I分钟或3分钟，厚度为3、5、7、9微米。该CrN涂层硬度为(1700Hv-2600Hv)，较低的应力(0. I GPa -lGPa)，择优取向有、和两种 方向构成，相应晶粒比例为0-0. 5，晶粒尺寸约在10 nm-200nm。权利要求1.一种致密氮化物陶瓷涂层的制备方法，先对机械零件的待处理表面进行清洁；再通过反应沉积法制备氮化物涂层，其特征在于，反应沉积法制备氮化物涂层的过程中，偏压在高偏压和低偏压之间交替变化。2.如权利要求I所述的致密氮化物陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述的高偏压为(Γ -80V中的任一，低偏压为-80 V -150V中任一；每个偏压的反应时间为I分钟_10分钟。3.如权利要求I或2所述的致密氮化物陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，在制备氮化物涂层前先采用气相沉积法沉积50 nm-200 nm厚度的Ti或Cr中间层于表面。4.基于权利要求I或2所述的致密氮化物陶瓷涂层的制备方法得到的致密氮化物陶瓷涂层，其特征在于，所述的氮化物陶瓷涂层的硬度为1700Hv-2600Hv，应力为O. IGPa-IGPa,晶粒比例为0-0. 5，晶粒尺寸在10 nm-200nm。全文摘要本专利技术公开了，按先对机械零件的待处理表面进行清洁；再通过反应沉积法制备氮化物涂本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张旭海，李晓雪，蒋建清，谈荣生，谈舒泳，吴湘君，张娟，方峰，周雪峰，曾宇乔，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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