本发明专利技术公开了一种碳钛复合涂层，由依次沉积在基体上的纯钛底层、碳-钛过渡层和纳米多层复合顶层构成，所述的纳米多层复合顶层由碳-钛复合纳米层和碳纳米层交替沉积而成，所述的碳-钛复合纳米层与碳-钛过渡层接触，所述的碳-钛复合纳米层由TiC晶粒和非晶碳构成，所述的碳纳米层由非晶碳构成，具有高硬度、低应力、较大厚度、低摩擦系数及优异耐磨性等优点，可应用在轴承、陀螺仪、齿轮和金属切削工具等表面，也可应用于生物医学中，如人工髋关节表面等，可大大提高材料的使用寿命。本发明专利技术还公开了一种碳钛复合涂层的制备方法，采用闭合场非平衡磁控溅射法，碳钛复合涂层与基体结合良好，同时便于连续化工业生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及耐磨性涂层领域，具体涉及。
技术介绍
非晶碳涂层具有较高的硬度、良好的化学稳定性、低摩擦系数及高耐磨性能，因此被广泛应用于轴承、陀螺仪、齿轮和金属切削工具中，以提高材料的机械性能及抗磨性，延长其使用寿命。但由于非晶碳涂层中含有很高的内应力(通常达到IOGPa以上)，使非晶碳涂层与基体的结合强度降低，非晶碳涂层生长的厚度也受到限制，且在使用过程中容易剥落，这在很大程度上限制了非晶·碳涂层在高载荷下的摩擦学应用。为了降低非晶碳涂层中的内应力，一方面，可将非晶碳涂层制备成梯度层结构，梯度层结构是通过成分与结构的梯度变化来消除基体与非晶碳涂层之间的宏观界面，有效改善基体与非晶碳涂层之间的热膨胀和晶格的差异性，从而降低非晶碳涂层的内应力。另一方面，可以通过加入金属元素，如金属T1、Cr、Ta、W等，以形成合金碳涂层，这种方法也用可来降低涂层的内应力，提高涂层的韧性，对于生物医用材料的应用来说，应选用具有良好的生物相容性的Ti元素。但是在通常情况下，材料的硬度和韧性是此消彼长的关系，复合涂层一般情况下其硬度和耐磨性能会有所限制，如复合涂层的硬度提升了，其耐磨性能就会下降，无法实现两者兼顾，从而限制涂层的应用。公开号为CN101444985A的中国专利技术专利申请公开了一种非晶碳涂层及其制备方法和用途，该非晶碳涂层由打底层、中间过渡层和顶层三层构成，所述打底层为T1、Cr金属层，中间过渡层为T1、Cr和非晶碳的混合层，顶层为掺杂有少量T1、Cr的非晶碳涂层，其中，过渡层中的Cr元素的含量从打底层到顶层方向呈递减的趋势，C元素呈逐渐增加的趋势，而Ti元素的含量基本保持稳定。虽然该技术方案通过成分梯度的复合膜层来提高非晶碳涂层与基体的界面结合力，并使其保持较好的硬度和摩擦性能，但是从其实施例2的表4可见，硬度最高为15.3GPa，摩擦因素0.1 0.21，磨损率为1.23 8.88 X 10_8，其硬度以及摩擦磨损性能均不理想，有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术提供了一种耐磨性能优异、硬度高、与基体结合强度高的碳钛复合涂层。一种碳钛复合涂层，由依次沉积在基体上的纯钛底层、碳-钛过渡层和纳米多层复合顶层构成，所述的纳米多层复合顶层由碳-钛复合纳米层和碳纳米层交替沉积而成，所述的碳-钛复合纳米层与碳-钛过渡层接触，所述的碳-钛复合纳米层由TiC晶粒和非晶碳构成，所述的碳纳米层由非晶碳构成。本专利技术中，依次沉积在基体上的纯钛底层和碳-钛过渡层能够显著改善本专利技术碳钛复合涂层与基体的界面结合力以及负荷承重能力。所述的纳米多层复合顶层的结构进一步降低了本专利技术碳钛复合涂层的内应力，进一步提高了本专利技术碳钛复合涂层与基体的结合强度，由碳纳米层和碳-钛复合纳米层交替沉积而成的纳米多层复合顶层使本专利技术碳钛复合涂层具有高硬度和优异的耐磨性能，另外，碳-钛复合纳米层能够大大改善本专利技术碳钛复合涂层的韧性。作为优选，所述的碳-钛复合纳米层由原子百分含量20% 60%的TiC晶粒和原子百分含量40% 80%的非晶碳构成。其中，原子百分含量20% 60%是指TiC晶粒中Ti原子数和C原子数之原子百分含量总和，即原子百分含量20% 60%的TiC晶粒由原子百分含量10% 30%Ti原子和原子百分含量10% 30%的C原子构成。所述的碳-钛复合纳米层包含原子百分含量20% 60%的TiC晶粒，可以显著提高本专利技术碳钛复合涂层的硬度和耐磨性能，同时，能够大大改善本专利技术碳钛复合涂层的韧性。进一步优选，所述的TiC晶粒中Ti原子的原子百分含量和C原子的原子百分含量相等。作为优选，所述的TiC晶粒的粒径为3 10nm，均匀分布在所述的碳-钛复合纳米层中，能够大大提高本专利技术碳钛复合涂层的韧性。作为优选，所述的纳米多层复合顶层中，相邻的一层碳纳米层和一层碳-钛复合纳米层构成一个双层周期层，每个双层周期层的厚度为20 60nm，即调制周期为20 60nm,其中，每个碳纳米层的厚度为10 30nm,每个碳-钛复合纳米层的厚度为10 30nm。上述厚度的碳纳米层和碳-钛复合纳米层以及双层周期层，使得本专利技术碳钛复合涂层与基体具有很好的结合力，同时，进一步改善了本专利技术碳钛复合涂层的韧性，使得本专利技术碳钛复合涂层具有优异的硬度和耐磨性能。进一步优选，所述的碳纳米层的厚度与碳-钛复合纳米层的厚度相等。为了进一步提高本发 明碳钛复合涂层的结合力，作为优选，所述的碳-钛过渡层由碳和钛组成，其中，所述碳-钛过渡层中碳含量从碳-钛过渡层靠近纯钛底层的一侧至碳-钛过渡层靠近纳米多层复合顶层的一侧由O逐渐增加，所述碳-钛过渡层中钛含量从碳-钛过渡层靠近纯钛底层的一侧至碳-钛过渡层靠近纳米多层复合顶层的一侧由100%逐渐减小，所述碳-钛过渡层靠近纳米多层复合顶层一侧的碳含量和钛含量分别与所述纳米多层复合顶层的碳-钛复合纳米层中碳含量和钛含量对应相等，为方便理解，该含量可视为原子百分比含量。上述碳-钛过渡层中，碳含量和钛含量呈均匀梯度分布，能够显著降低本专利技术碳钛复合涂层的内应力，进一步提高本专利技术碳钛复合涂层与基体的界面结合力。作为优选，所述的纯钛底层的厚度为150nm 250nm，所述的碳-钛过渡层的厚度为400nm 500nm,所述的纳米多层复合顶层的厚度为1.85 2.85 μ m。上述厚度形成的本专利技术碳钛复合涂层，具有高硬度、低应力、较大厚度、低摩擦系数及优异耐磨性等优点。本专利技术还提供了一种碳钛复合涂层的制备方法，采用闭合场非平衡磁控溅射法，碳钛复合涂层与基体结合良好，同时便于连续化工业生产。一种碳钛复合涂层的制备方法，包括以下步骤:I)将基体置放于旋转工作台上，在旋转工作台的外围放有两个碳靶和一个钛靶，将腔体预抽真空，通入氩气，进行预溅射；2)用3 5A的钛靶电流、-100 -200V的偏压在基体上沉积纯钛底层，氩气流量控制在20 30sccm,沉积时间为5 IOmin ；3)钛靶电流从3 5A逐渐减少至0.5 1A，两个碳靶电流从OA逐渐增至2.5 3.5A,IS气流量由20 30sccm逐渐增至40 45sccm,沉积时间为I 1.5h,形成碳-钛过渡层；4)钛靶电流保持为0.5 1A，两个碳靶中停止一个碳靶工作，剩余碳靶电流保持为2.5 3.5A，氩气流量保持在40 45SCCm，先用钛靶和碳靶共同溅射沉积10 60s，再用碳靶单独溅射沉积50 240s，依次交替沉积，步骤4)总沉积时间为3.0 4.5h，偏压保持为-50 -150V，形成纳米多层复合顶层，得到碳钛复合涂层。步骤I)中，作为优选，两个碳靶以旋转工作台为中心对称放置，钛靶位于两个碳靶的连线的中垂线上，碳靶与基体的距离和钛靶与基体的距离相等，为5 15cm，旋转工作台的转速为3 5rpm (转/分钟)。上述的设置有利于纯钛底层、碳-钛过渡层以及纳米多层复合顶层的沉积，得到摩擦系数小、耐磨性能优异且与基体结合力好的碳钛复合涂层。将腔体预抽真空至10_4 10_3Pa，通入氩气，氩气流量控制在25 45sccm，在-450 -550V的偏压以及0.2 0.5A的钛靶电流和0.2 0.5A的碳靶电流下预溅射20 30min, —方面清除基体表面氧化物等杂质，有利于提闻基体与本专利技术碳钦复合涂层的结合力，另一方面去本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种碳钛复合涂层，其特征在于，由依次沉积在基体上的纯钛底层、碳?钛过渡层和纳米多层复合顶层构成，所述的纳米多层复合顶层由碳?钛复合纳米层和碳纳米层交替沉积而成，所述的碳?钛复合纳米层与碳?钛过渡层接触，所述的碳?钛复合纳米层由TiC晶粒和非晶碳构成，所述的碳纳米层由非晶碳构成。
【技术特征摘要】
1.一种碳钛复合涂层，其特征在于，由依次沉积在基体上的纯钛底层、碳-钛过渡层和纳米多层复合顶层构成，所述的纳米多层复合顶层由碳-钛复合纳米层和碳纳米层交替沉积而成，所述的碳-钛复合纳米层与碳-钛过渡层接触，所述的碳-钛复合纳米层由TiC晶粒和非晶碳构成，所述的碳纳米层由非晶碳构成。2.根据权利要求1所述的碳钛复合涂层，其特征在于，所述的碳-钛复合纳米层由原子百分含量20% 60%的TiC晶粒和原子百分含量40% 80%的非晶碳构成，原子百分含量20% 60%的TiC晶粒由原子百分含量10% 30%Ti原子和原子百分含量10% 30%的C原子构成。3.根据权利要求1或2所述的碳钛复合涂层，其特征在于，所述的TiC晶粒的粒径为3 IOnm04.根据权利要求1所述的碳钛复合涂层，其特征在于，所述的纳米多层复合顶层中，相邻的一层碳纳米层和一层碳-钛复合纳米层构成一个双层周期层，每个双层周期层的厚度为20 60nm，其中，每个碳纳米层的厚度为10 30nm，每个碳-钛复合纳米层的厚度为10 30nm。5.根据权利要求1所述的碳钛复合涂层，其特征在于，所述的碳-钛过渡层由碳和钛组成，其中，所述碳-钛过渡层 中碳含量从碳-钛过渡层靠近纯钛底层的一侧至碳-钛过渡层靠近纳米多层复合顶层的一侧由O逐渐增加，所述碳-钛过渡层中钛含量从碳-钛过渡层靠近纯钛底层的一侧至碳-钛过渡层靠近纳米多层复合顶层的一侧由100%逐渐减小，所述碳-钛过渡层靠近纳米多层复合顶层一侧的碳含量和钛含量分别与所述纳米多层复合顶层的碳-钛复合纳米层中碳含量和钛含量对应相等。6.根据权利要求1所述的碳钛复合涂层，其特征在于，所述的纯钛底层的厚度为150nm 250nm,所述的碳-钛过渡层...
【专利技术属性】
技术研发人员：王秀丽，蔡建宾，谷长栋，涂江平，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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