本發(fā)明涉及新材料和現(xiàn)代表面技術(shù)領(lǐng)域。尤其涉及一種等離子體化學(xué)氣相沉積與磁控濺射或離子鍍復(fù)合的鍍覆方法。
背景技術(shù)：
等離子體化學(xué)氣相沉積（pcvd）或稱等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（pecvd），是除熱能外還借助外部所加電場的激勵或激發(fā)作用引起氣體放電，使氣體成為等離子體狀態(tài)，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，從而在基材表面形成薄膜的一類化學(xué)氣相沉積技術(shù)。pcvd法可使基材溫度降低很多，避免基材因高溫而引起的變形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，并且有利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，使通常難于發(fā)生的反應(yīng)變?yōu)榭赡埽瑥亩_發(fā)出各種組成比的新材料。pvcd的最重要應(yīng)用，除沉積氮化硅、氧化硅、硅的氮氧化物一類的絕緣薄膜外，還用來制備金剛石薄膜、類金剛石碳膜等高性能薄膜以及一些重要的納米材料，在電子、機(jī)械、光學(xué)、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域中取得廣泛的應(yīng)用。
pvcd法除了按加給反應(yīng)室電力的方式可分為直流法、射頻法和微波法三種外，還有同時(shí)加電場和磁場的方法，為在磁場使用下增加電子壽命，有效維持放電，有時(shí)需在特別低壓條件下進(jìn)行放電。近十多年發(fā)展起來的線性離子源（lis）技術(shù)是一種可以形成等離子體化學(xué)氣相沉積的新方法，并且還有刻蝕、清洗、輔助沉積等功能。
磁控濺射技術(shù)具有沉積速率高、濺射過程中基材溫升低以及操作單純、工藝重復(fù)性好、鍍膜種類多樣、膜層質(zhì)量高、容易實(shí)現(xiàn)精確控制和自動化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，故自20世紀(jì)八十年代起開始廣泛用于各類薄膜的制備和工藝生產(chǎn)。近四十年來，磁控濺射技術(shù)不斷改進(jìn)和完善，開發(fā)出中頻電源的孿生靶磁控濺射、非對稱脈沖濺射、非平衡磁控濺射等新技術(shù)，從而進(jìn)一步拓展了磁控濺射的應(yīng)用領(lǐng)域，并且成為許多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。
離子鍍技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種等離子體增強(qiáng)的物理氣相沉積，鍍層致密，結(jié)合牢固，可在工件較低溫度下得到良好的鍍層，繞鍍性也較好。常用的方法有陰極電弧離子鍍、熱電子增強(qiáng)電子束離子鍍、空心陰極放電離子鍍。其中陰極電弧離子鍍是把真空弧光放電用于蒸發(fā)源的離子鍍技術(shù)，它的電弧形式是在冷陰極表面上形成陰極電弧斑點(diǎn)，又稱為多弧離子鍍，具有結(jié)構(gòu)簡單、可以拼裝、離化率高、入射能量大、可鍍基材多等優(yōu)點(diǎn)，從而獲得廣泛的應(yīng)用，較為突出的應(yīng)用是制備硬質(zhì)薄膜。
附著力是鍍層能否使用的基本參數(shù)之一。鍍層成分不當(dāng)，鍍層與基材的熱膨脹系數(shù)差異較大，鍍覆工藝不合理，以及鍍前基材預(yù)處理不良等因素，都使附著力顯著降低，以至鍍層出現(xiàn)剝落等現(xiàn)象而不能使用。因此，如何保證或提高鍍層附著力，是鍍膜技術(shù)中一個非常重要的問題。提高附著力的方法較多，在鍍層與基材間難以結(jié)合的情況下，可通過與鍍層、基材都能良好結(jié)合的“中間過渡層”來提高鍍層的附著力。磁控濺射和離子鍍可以鍍覆各種純金屬、合金和化合物膜層，因而它經(jīng)常被用來制備較為理想的中間過渡層。
綜合運(yùn)用兩種或更多種表面技術(shù)的復(fù)合表面技術(shù)是表面技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。隨著材料要求的不斷提高，單一的表面技術(shù)因有一定的局限性而往往不能滿足需要。多年來人們已開發(fā)出一些復(fù)合表面技術(shù)，多種表面技術(shù)的優(yōu)化組合取得了突出的效果，并且發(fā)現(xiàn)了一些重要的規(guī)律。復(fù)合表面技術(shù)還有另一層含義，就是指用于制備高性能復(fù)合膜層的現(xiàn)代表面技術(shù)，其既能保留原組成材料的主要特性，又通過復(fù)合效應(yīng)獲得原組分所不具備的優(yōu)越性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決上述技術(shù)問題，從而提供一種等離子體化學(xué)氣相沉積與磁控濺射或離子鍍復(fù)合的鍍覆方法。
本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案如下：
一種等離子體化學(xué)氣相沉積與磁控濺射或離子鍍復(fù)合的鍍覆方法，采用類金剛石碳膜的雙系統(tǒng)鍍覆裝置進(jìn)行鍍覆；所述類金剛石碳膜的雙系統(tǒng)鍍覆裝置具有真空室，真空室中安置有線性離子源、中頻磁控濺射孿生靶和陰極電弧離子鍍蒸發(fā)離化源三大部件；其中線性離子源與中頻磁控濺射孿生靶復(fù)合，構(gòu)成了鍍覆含氫類金剛石碳膜的系統(tǒng)；陰極電弧離子鍍與中頻磁控濺射孿生靶復(fù)合，構(gòu)成了鍍覆不含氫類金剛石碳膜的系統(tǒng)；該裝置除上述三個主要部件外，同時(shí)配備有抽氣、加熱、充氣、控制部件。
作為優(yōu)選，在同一真空室內(nèi)，用磁控濺射或離子鍍技術(shù)制備合適的中間過渡層，然后用線性離子源進(jìn)行等離子體化學(xué)氣相沉積法制備高性能類金剛石碳膜。
作為優(yōu)選，以yt15硬質(zhì)合金為基材，工藝流程依次為工件的預(yù)處理、鍍膜前的準(zhǔn)備工作、抽真空、加熱和轟擊清洗、制備中間過渡層、鍍覆類金剛石碳膜、冷卻和工件取出。
作為優(yōu)選，對于yt15等硬質(zhì)合金的基材，用中頻鉻孿生靶磁控濺射制備的鉻/氮化鉻復(fù)合膜是在硬質(zhì)合金基體上鍍覆類金剛石碳膜的一種合適的中間過渡層。
作為優(yōu)選，在工件形狀較為復(fù)雜、要求縮短沉積時(shí)間以及采用磁控濺射方法不易制備合適的中間過渡層情況下，采用離子鍍技術(shù)制備中間過渡層；具體為采用陰極電弧離子鍍技術(shù)，通過加強(qiáng)的冷卻、施加脈沖電流以及顆粒與等離子體分離的方法來抑制顆粒的發(fā)射。
一種等離子體化學(xué)氣相沉積與磁控濺射或離子鍍復(fù)合的鍍覆方法，即在同一真空室內(nèi)安置了線性離子源、中頻磁控濺射孿生靶和陰極電弧離子鍍蒸發(fā)離化源（多弧靶）三類部件，其中線性離子源用于等離子體化學(xué)氣相沉積，而磁控濺射和陰極電弧離子鍍用來制備合適的中間過渡層。這項(xiàng)復(fù)合表面技術(shù)的一個重要用途，就是用來制備優(yōu)質(zhì)類金剛石碳膜。該膜因具有優(yōu)異的性能而具有很大的使用價(jià)值，但其硬度很高，表面光滑，此外還有一些特殊的結(jié)構(gòu)和性能，故許多金屬、陶瓷等基材難以與它結(jié)合，并且在沉積過程中隨厚度增加內(nèi)應(yīng)力將顯著增大，達(dá)到一定數(shù)值后便會自行脫落。因此，在制備類金剛石碳膜時(shí)，正確設(shè)計(jì)或合理選擇中間過渡層，并且采用磁控濺射或離子鍍技術(shù)鍍覆中間過渡層，就顯得十分重要。在制備合適的中間過渡層后，可用線性離子源（lis）鍍覆dlc膜。圖1為lis裝置的示意圖：在陰極與陽極之間施加電壓，使反應(yīng)氣體或惰性氣體發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生由電子和離子構(gòu)成的等離子體。其中電子的運(yùn)動受到正交電場和磁場的束縛，局限在一定區(qū)域呈旋輪漂移運(yùn)動，增大了電子與氣體原子的碰撞幾率，從而提高氣體的離化率；而離子在陰極與陽極電勢差以及交叉電磁場所形成霍爾電流的共同作用下，從陰極的開口處束引出，直接沉積到基材表面，形成所需要的薄膜。雖然它的鍍膜原理類似磁控濺射的輝光放電和帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動，但其若直接在基材表面沉積成膜，實(shí)質(zhì)上是一種等離子體化學(xué)氣相沉積。
附圖說明
圖1為線性離子源（lis）結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，11-離子束，12-磁力線，13-等離子體，21-陰極，22-陽極，23-永久磁鐵，24-銅背板，25-氣體輸送管，26-水循環(huán)。
具體實(shí)施方式
以yt15硬質(zhì)合金刀具鍍覆含氫dlc的工藝為例，說明一種等離子體化學(xué)氣相沉積與中頻孿生靶磁控濺射復(fù)合表面技術(shù)的具體實(shí)施方式和效果。
yt15表示含tic15%，其他為wc和co的鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金。
工藝流程為：工件的預(yù)處理→鍍膜前的準(zhǔn)備工作→抽真空→加熱和轟擊清洗→制備中間過渡層→鍍覆dlc膜→冷卻和工件取出。
工件的預(yù)處理包括以下四道工序：（1）超聲波清洗，即在配制的金屬清洗液中利用超聲波進(jìn)行脫脂和清洗；（2）酸洗，以中和超聲波清洗時(shí)殘存的堿液和起到活化處理的作用；（3）漂洗，即采用去離子純凈水或蒸餾水除掉殘存雜質(zhì)；（4）烘干，將工件放進(jìn)烘箱進(jìn)行100℃-1h加熱保溫，除盡水分。
鍍膜前的準(zhǔn)備工作包括：（1）檢查水、氣、壓縮空氣有無泄漏處，接通電源，等待電腦開機(jī)，打開程序；（2）打開真空室門，關(guān)閉截流閥，用吸塵器除去室內(nèi)粉塵，做好清潔工作；（3）打開線性離子源擋板，依次清潔兩個線性離子源；（4）設(shè)定旋轉(zhuǎn)頻率，檢測工件架，其與地之間的絕緣必須良好，負(fù)偏壓電源與轉(zhuǎn)架的接觸點(diǎn)必須接觸良好；（5）檢查中頻磁控濺射孿生靶和離子鍍蒸發(fā)離化源，后者引弧針要能恰好碰到陰極表面，并確保蒸發(fā)離子化源安裝正確，絕緣良好；（6）上述工作完成后，將工件（或預(yù)先放置工件的工件架）放入真空室內(nèi)，關(guān)閉擋板（或屏蔽門），擦凈真空室門及其密封圈后關(guān)上真空室門。
在抽氣階段，先粗抽，當(dāng)真空度達(dá)500pa時(shí)開羅茨泵。當(dāng)真空度到達(dá)5pa以下開分子泵且分子泵升速完成時(shí)，關(guān)粗抽閥，開精抽閥，同時(shí)關(guān)羅茨泵，等1分鐘后關(guān)粗抽泵，抽氣要求達(dá)到真空度6×10-3pa。
在粗抽時(shí)就開啟加熱按鈕，加熱至160℃，真空室壁吸附的氣體會釋放出來，通過加熱和不斷的抽氣，使室內(nèi)保持所要求的真空度和溫度。向真空室內(nèi)充入適量的氬氣，清洗線性離子源，然后打開離子源擋板，在離子源陰陽極之間施加電壓，發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生等離子體，再加偏壓，使引出的離子束高速向基材表面轟擊，用時(shí)2分鐘，除去基材表面的雜質(zhì)原子。
加熱和轟擊清洗后，關(guān)閉離子源擋板和離子源電源，真空度控制在5.5×10-1pa左右。開啟中頻電源的按鈕，使裝有構(gòu)成孿生靶的兩個鉻靶通電，按設(shè)定的濺射電流、電壓和濺射時(shí)間制備鉻膜。然后調(diào)節(jié)高純氬氣流量，充入高純氮?dú)?，以一定比例混合兩種氣體，在鍍鉻層表面鍍覆氮化鉻，其濺射電流、電壓和濺射時(shí)間均按要求給以設(shè)定和操作。
在制備鉻/氮化鉻中間過渡層完成后，關(guān)閉氬氣和氮?dú)廨斎?，關(guān)閉中頻電源（鉻孿生靶的屏蔽罩隨之封閉），同時(shí)關(guān)閉偏壓電源。然后，通入適量的高純乙炔氣體，形成一定比例的乙炔與氬氣的混合氣體，開啟線性離子源電源和偏壓電源，各達(dá)到所要求的電壓、電流值，真空度控制在5.5×10-1pa左右，沉積時(shí)間60分鐘。使基材的鉻/氮化鉻中間過渡層表面獲得一定厚度的含氫類金剛石膜。
在鍍膜工序完成后，關(guān)閉加熱器、離子源、偏壓和抽氣系統(tǒng)的電源，工件必須在真空下冷卻，真空室內(nèi)溫度要降到120℃以下才能通入空氣，開門和取出工件。
陰極電弧離子鍍具有繞鍍性好、沉積速度快和鍍膜種類多等特點(diǎn)，因此在工件形狀較為復(fù)雜、要求縮短沉積時(shí)間以及采用磁控濺射方法不易制備合適的中間過渡層等情況下可考慮采用離子鍍技術(shù)進(jìn)行鍍覆。如采用簡便易行的陰極電弧離子鍍技術(shù)，必須通過加強(qiáng)多弧靶的冷卻、施加脈沖電流以及顆粒與等離子體分離的方法來抑制顆粒的發(fā)射。
經(jīng)檢測，采用本發(fā)明的復(fù)合表面技術(shù)，在硬質(zhì)合金基材上制備得到的類金剛石碳膜，具有下列基本性能，（1）d峰強(qiáng)度id與g峰強(qiáng)度ig之比為1.72，雖然yt15硬質(zhì)合金中含有較多的鈷而對sp3鍵的生成不利，但通過鉻/氮化鉻中間過渡層的制備，降低了鈷的影響程度；（2）用臺階儀測得的平均粗糙度在100nm以下，表明其表面較為光滑；（3）用劃痕儀測得的lc2為32~40n，l2（n）是表征薄膜與基材結(jié)合強(qiáng)度的一個指標(biāo)，對應(yīng)于薄膜在加載載荷的作用下裂紋大量擴(kuò)展且薄膜發(fā)生少量剝落時(shí)的載荷；（4）用球坑儀和工具顯微鏡測得平均膜層厚度為1.25μm；（5）用銷盤摩擦磨損儀測定摩擦因數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線，平均摩擦因數(shù)為0.079。