專利名稱：：一種非平衡磁控濺射稀土多元類石墨復(fù)合膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于薄膜材料及現(xiàn)代表面工程技術(shù)的物理氣相沉積
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種非平衡磁控濺射稀土多元類石墨復(fù)合膜，本發(fā)明還涉及該稀土多元類石墨復(fù)合膜的制備方法。
背景技術(shù)：
：典型的新型固體潤滑復(fù)合膜有MOST、Graphit-ic、WC-DLC-WS2、Dymon-iC和WC/a-C納米復(fù)合膜，特別是環(huán)境適應(yīng)性好的類石墨復(fù)合膜有非常廣闊的應(yīng)用前景。Teer公司制備的Graphit-ic類石墨復(fù)合膜，通過復(fù)合一定含量Cr元素調(diào)節(jié)類石墨膜的塑韌性，減小內(nèi)應(yīng)力，改善復(fù)合膜承載能力和耐磨性，已取得了良好的效果。由于類石墨復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性較差，復(fù)合膜溫度超過32(TC就已出現(xiàn)明顯的氧化，嚴(yán)重制約了類石墨復(fù)合膜的在刀具、模具和機(jī)械傳動的應(yīng)用。另外，為了提高類石墨復(fù)合膜與金屬基體的相容性，需要用金屬過渡層和梯度涂層進(jìn)行界面處理，提高類石墨復(fù)合膜的基膜結(jié)合力，但Cr過渡層為柱狀晶，晶界之間存在孔隙，部分孔隙與類石墨復(fù)合膜的組織缺陷相連，往往貫穿整個膜層直達(dá)基體，這樣復(fù)合膜本身便不能起到完全隔離基體與腐蝕介質(zhì)的作用，影響了固體潤滑膜的電化學(xué)腐蝕性能。在復(fù)合膜中加入微量稀土元素和過渡簇金屬，能提高復(fù)合膜的綜合性能，特別是熱穩(wěn)定性、抗蝕性和耐磨性，因此稀土多元改性技術(shù)將是新型固體潤滑復(fù)合膜的一個重要發(fā)展方向。如何將稀土元素引入復(fù)合膜中是實(shí)現(xiàn)稀土改性的一個關(guān)鍵技術(shù)。中科院沈陽金屬研究所和廣東工業(yè)大學(xué)的研究人員曾在冶煉鈦合金靶時加入Ce、Y，制備了Ti/Ce和Ti/Y的鈦合金靶，使稀土元素的陰極靶在電弧離子鍍的放電過程中，通過等離子體將稀土弓1入到TiN涂層中，取得了良好的改性效果。但是稀土合金靶材的冶煉成本大，稀土成份相對固定，稀土在合金中的固溶度很低，稀土含量調(diào)節(jié)范圍小，難以達(dá)到對非金屬潤滑膜的涂層改性作用；專利文本《離子鍍稀土改性涂層中稀土的加入方法》(申請?zhí)?00610123304.2，公開號CN1966761，公開日2007.05.23)將稀土鹵化物制備成有機(jī)稀土添加劑，通過負(fù)壓吸入離子鍍真空室，通過氮基混合氣體流量控制調(diào)節(jié)稀土含量的方法，將稀土元素引入離子鍍硬質(zhì)涂層，也取得了良好的效果。但是由于同時引入了有機(jī)溶劑和氯離子，對磁控濺射固體潤滑復(fù)合膜的性能有嚴(yán)重的負(fù)面效果。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種非平衡磁控濺射稀土多元類石墨復(fù)合膜，解決了現(xiàn)有的非平衡5磁控濺射固體潤滑復(fù)合膜熱穩(wěn)定性和抗電化學(xué)腐蝕性差的問題。本發(fā)明的另一目的是提供上述非平衡磁控濺射稀土多元類石墨復(fù)合膜的制備方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種非平衡磁控濺射稀土多元類石墨復(fù)合膜，由依次復(fù)合的等離子滲金屬層、Cr/RE過渡層、C/Cr-RE梯度層及C/Cr-RE多元復(fù)合層組成，其中的Cr/RE過渡層按照質(zhì)量百分比其組成為RE:0.1%1%，余量為Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%;其中的C/Cr-RE多元復(fù)合層按照質(zhì)量百分比其組成為Cr:3%15%，RE:0.3%10%，過渡簇金屬元素0.3%10%，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，一種制備非平衡磁控濺射稀土多元類石墨復(fù)合膜的方法，按照以下步驟實(shí)施，步驟l:確定稀土多元類石墨復(fù)合膜成分，其中，Cr/RE過渡層按照質(zhì)量百分比其組成為:RE:0.1%1%，余量為Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%;C/Cr-RE多元復(fù)合層按照質(zhì)量百分比其組成為Cr:3%15%，RE:0.3%10%，過渡簇金屬元素0.3%10%，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%;步驟2:計(jì)算高純鉻耙及高純碳耙上鑲嵌的高純稀土鑲塊數(shù)量，以及高純碳耙上鑲嵌的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量(a)計(jì)算高純鉻靶及高純碳靶上鑲嵌的高純稀土鑲塊數(shù)量A=a*e*y*S!/Sn=Si/S2式中，A:步驟l中確定的稀土元素RE在Cr/RE過渡層中的含量或稀土元素RE在C/Cr-RE多元復(fù)合層中的含量；a:稀土元素與碳或鉻靶材元素濺射系數(shù)之比；e:稀土元素與碳或鉻靶材元素密度之比；Y:稀土鑲塊中稀土元素的含量；S1:刻蝕區(qū)稀土鑲塊的總面積；S2:單個稀土鑲塊的端面面積；S:耙材刻蝕區(qū)總面積；n:靶材鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量；把稀土元素在Cr/RE過渡層中的含量A、稀土元素與高純鉻靶元素濺射系數(shù)之比a、稀土元素與鉻密度之比e、稀土鑲塊中稀土元素的含量y、刻蝕區(qū)稀土鑲塊的總面積Sh單個稀土鑲塊的端面面積S2、靶材刻蝕區(qū)總面積S代入上述公式中，得到高純鉻靶上鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量n;把稀土元素在C/Cr-RE多元復(fù)合層中的含量A、稀土元素與高純碳靶元素濺射系數(shù)之比a、稀土元素與碳密度之比e、稀土鑲塊中稀土元素的含量y、刻蝕區(qū)稀土鑲塊的總面積Sh單個稀土鑲塊的端面面積S2、靶材刻蝕區(qū)總面積S代入上述公式中，得到高純碳靶上鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量n;(b)計(jì)算高純碳靶上鑲嵌的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量C=eH*S3/Sn產(chǎn)S3/S4式中，C:步驟l中確定的過渡簇金屬元素在C/Cr-RE多元復(fù)合層中的含量；e:過渡簇金屬元素與碳元素濺射系數(shù)之比；S:過渡簇金屬元素與碳元素密度之比；入過渡簇金屬鑲塊中過渡簇金屬元素的含量；S3:刻蝕區(qū)過渡簇金屬鑲塊的總面積；S4:單個過渡簇金屬鑲塊的端面面積；S:耙材刻蝕區(qū)總面積；n1:靶材鑲嵌的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量；把過渡簇金屬元素在Cr/RE多元復(fù)合層中的含量C、過渡簇金屬元素與高純碳靶元素濺射系數(shù)之比e、過渡簇金屬元素與碳密度之比S、過渡簇金屬鑲塊中過渡簇金屬元素的含量入、刻蝕區(qū)過渡簇金屬鑲塊的總面積S3、單個過渡簇金屬鑲塊的端面面積S4、靶材刻蝕區(qū)總面積S代入上述公式中，得到高純碳靶上鑲嵌的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量m;步驟3:在非平衡磁控濺射高純鉻耙和高純碳耙上沿磁控管加工一定數(shù)量和規(guī)格的鑲塊安裝孔，分別制備和高純鉻靶、高純碳靶相同材質(zhì)的高純鉻鑲塊和高純碳鑲塊，并使高純鉻鑲塊和高純碳鑲塊的規(guī)格相同，同時制備純度在3N以上的高純稀土鑲塊和過渡簇金屬鑲塊；步驟4:根據(jù)步驟2計(jì)算得到的高純鉻靶上鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量，在步驟3得到的高純鉻靶上的鑲塊安裝孔內(nèi)鑲嵌稀土鑲塊，多余的鑲塊安裝孔內(nèi)鑲嵌步驟3得到的與高純鉻靶同材質(zhì)的高純鉻鑲塊；根據(jù)步驟2計(jì)算得到的高純碳靶上鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量，在步驟3得到的高純碳靶上的鑲塊安裝孔內(nèi)鑲嵌稀土鑲塊，根據(jù)步驟2計(jì)算得到的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量，在步驟3得到的高純碳靶上的鑲塊安裝孔內(nèi)鑲嵌過渡簇金屬鑲塊，多余的鑲塊安裝孔內(nèi)鑲嵌步驟3得到的與高純碳靶同材質(zhì)的高純碳鑲塊；步驟5:濺射基體金屬表面，真空度E-3E-4Pa，偏壓5001000V，工裝旋轉(zhuǎn)速度:210r/min，鍍膜前用靜態(tài)反沖技術(shù)通過等離子濺射注入在基體金屬表面得到1050nm等離子滲金屬層；步驟6:逐漸調(diào)高Cr/RE耙的濺射電流為2.06.0A，調(diào)節(jié)時間為510分鐘，在步驟5得到的等離子滲金屬層上得到O.20.5um的Cr/RE過渡層；步驟7:逐漸提高C/RE耙的濺射電流為2.08.0A，降低Cr/RE耙的濺射電流為0.150.6A，調(diào)節(jié)時間為510分鐘，在步驟6得到的Cr/RE過渡層上得到0.20.5um的C/Cr-RE梯度層；步驟8:控制濺射電流參數(shù)，C/RE耙的濺射電流為2.08.0A，Cr/RE耙的濺射電流為0.150.6A，偏壓50100V，保持時間60480分鐘，在步驟7得到的C/Cr-RE梯度層上得到1.03.Oum的C/Cr-RE多元復(fù)合層。本發(fā)明的有益效果是，(1)非平衡磁控濺射稀土和過渡簇金屬的多元元素引入方法，實(shí)現(xiàn)了固體潤滑復(fù)合膜的稀土改性，適合于MoS2、金剛石、DLC、類石墨等相關(guān)固體潤滑納米復(fù)合膜磁控濺射制備技術(shù)。該稀土改性方法操作簡單，可以根據(jù)工況要求和性能特點(diǎn)靈活的設(shè)計(jì)復(fù)合膜的成份，稀土和過渡簇金屬元素含量可以在比較寬泛的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。(2)稀土多元石墨復(fù)合膜的熱穩(wěn)定性提高30%以上，基膜結(jié)合力提高20%以上，同時復(fù)合膜的抗電化學(xué)腐蝕能力和耐磨性也有明顯提高，對類石墨復(fù)合膜在刀、模具和機(jī)械傳動方面的應(yīng)用有非常積極的推動作用。圖l為本發(fā)明非平衡磁控濺射稀土多元類石墨復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明采用的非平衡磁控濺射靶的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明采用的非平衡磁控濺射靶的工作示意圖。圖中，l.基體金屬，2.等離子滲金屬層，3.Cr/RE過渡層，4.C/Cr-RE梯度層，5.C/Cr-RE多元復(fù)合層，6.平面濺射靶，7.磁控管，8.鑲塊安裝孔。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。8本發(fā)明的一種非平衡磁控濺射稀土多元類石墨復(fù)合膜，由依次復(fù)合的等離子滲金屬層2、Cr/RE過渡層3、C/Cr-RE梯度層4及C/Cr-RE多元復(fù)合層5組成，其中的Cr/RE過渡層3按照質(zhì)量百分比其組成為RE:0.1%1%，余量為Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%;其中的C/Cr-RE多元復(fù)合層5按照質(zhì)量百分比其組成為Cr:3%15%，RE:0.3%10%，過渡簇金屬元素0.3%10%，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%，其中的過渡簇金屬元素選用Zr、Ta或Nb中的一種或兩種以上的混合物。等離子滲金屬層2、C/Cr-RE梯度層4是本領(lǐng)域人員采用常規(guī)方法制備得到的類石墨復(fù)合膜中所通用的膜層。本發(fā)明制備非平衡磁控濺射稀土多元類石墨復(fù)合膜的方法，具體按照以下步驟實(shí)施步驟l:確定稀土多元類石墨復(fù)合膜成分，其中，Cr/RE過渡層3按照質(zhì)量百分比其組成為RE:0.1%1%，余量為Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%;C/Cr-RE多元復(fù)合層5按照質(zhì)量百分比其組成為Cr:3%15%，RE:0.3%10%，過渡簇金屬元素0.3%10%，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%，其中的過渡簇金屬元素選用Zr、Ta或Nb中的一種或兩種以上的混合物。步驟2:計(jì)算高純鉻耙及高純碳耙上鑲嵌的高純稀土鑲塊數(shù)量，以及高純碳耙上鑲嵌的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量(a)計(jì)算高純鉻靶及高純碳靶上鑲嵌的高純稀土鑲塊數(shù)量A二a、Ys!/S(1)fS工/S2(2)式中，A:步驟l中確定的稀土元素RE在Cr/RE過渡層3中的含量或稀土元素RE在C/Cr-RE多元復(fù)合層5中的含量(wt%);a:稀土元素與(碳或鉻)靶材元素濺射系數(shù)之比；e:稀土元素與(碳或鉻)靶材元素密度之比；Y:稀土鑲塊中稀土元素的含量(Wt%);S1:刻蝕區(qū)稀土鑲塊的總面積；S2:單個稀土鑲塊的端面面積；S:耙材刻蝕區(qū)總面積；n:靶材鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量。把稀土元素在Cr/RE過渡層3中的含量A、稀土元素與高純鉻靶元素濺射系數(shù)之比a、稀土元素與鉻密度之比e、稀土鑲塊中稀土元素的含量y、刻蝕區(qū)稀土鑲塊的總面積Sh單個稀土鑲塊的端面面積S2、靶材刻蝕區(qū)總面積S代入公式1及公式2中，得到高純鉻靶上鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量n;把稀土元素在C/Cr-RE多元復(fù)合層5中的含量A、稀土元素與高純碳靶元素濺射系數(shù)之比a、稀土元素與碳密度之比e、稀土鑲塊中稀土元素的含量y、刻蝕區(qū)稀土鑲塊的總面積Sh單個稀土鑲塊的端面面積S2、靶材刻蝕區(qū)總面積S代入公式1及公式2中，得到高純碳靶上鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量n;(b)計(jì)算高純碳靶上鑲嵌的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量C=e*S*X*S3/S(3)ni=S3/S4(4)式中，C:步驟1中確定的過渡簇金屬元素在C/Cr-RE多元復(fù)合層5中的含量(wt%);e:過渡簇金屬元素與碳元素濺射系數(shù)之比；S:過渡簇金屬元素與碳元素密度之比；入過渡簇金屬鑲塊中過渡簇金屬元素的含量(wt%);S3:刻蝕區(qū)過渡簇金屬鑲塊的總面積；S4:單個過渡簇金屬鑲塊的端面面積；S:耙材刻蝕區(qū)總面積；n1:靶材鑲嵌的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量。把過渡簇金屬元素在Cr/RE多元復(fù)合層5中的含量C、過渡簇金屬元素與高純碳靶元素濺射系數(shù)之比e、過渡簇金屬元素與碳密度之比S、過渡簇金屬鑲塊中過渡簇金屬元素的含量入、刻蝕區(qū)過渡簇金屬鑲塊的總面積S3、單個過渡簇金屬鑲塊的端面面積S4、靶材刻蝕區(qū)總面積S代入公式3及公式4中，得到高純碳靶上鑲嵌的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量m;步驟4:根據(jù)步驟2計(jì)算得到的高純鉻靶上鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量，在步驟3得到的高純鉻靶上的鑲塊安裝孔8內(nèi)鑲嵌稀土鑲塊，多余的鑲塊安裝孔8內(nèi)鑲嵌步驟3得到的與高純鉻靶同材質(zhì)的高純鉻鑲塊；根據(jù)步驟2計(jì)算得到的高純碳靶上鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量，在步驟3得到的高純碳靶上的鑲塊安裝孔8內(nèi)鑲嵌稀土鑲塊，根據(jù)步驟2計(jì)算得到的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量，在步驟3得到的高純碳靶上的鑲塊安裝孔8內(nèi)鑲嵌過渡簇金屬鑲塊，多余的鑲塊安裝孔8內(nèi)鑲嵌步驟3得到的與高純碳靶同材質(zhì)的高純碳鑲塊；步驟5:非平衡閉合磁控濺射鍍膜設(shè)備的鉻靶和碳靶的分布見圖3，兩個鉻靶和兩個碳靶對稱分布，首先濺射基體金屬l表面，真空度E-3E-4Pa，偏壓5001000V，工裝旋轉(zhuǎn)200速度210r/min，鍍膜前用靜態(tài)反沖技術(shù)通過等離子濺射注入在基體金屬1表面得到1050nm等離子滲金屬層2;步驟6:逐漸調(diào)高Cr/RE耙的濺射電流為2.06.0A，調(diào)節(jié)時間為510分鐘，在步驟5得到的等離子滲金屬層2上制備得到0.20.5um的Cr/RE過渡層3;步驟7:逐漸提高C/RE耙的濺射電流為2.08.0A，降低Cr/RE耙的濺射電流為0.150.6A，調(diào)節(jié)時間為510分鐘，在步驟6得到的Cr/RE過渡層3上制備得到0.20.5um的C/Cr-RE梯度層4;步驟8:控制濺射電流參數(shù)，C/RE耙的濺射電流為2.08.0A，Cr/RE耙的濺射電流為0.150.6A，偏壓50100V，保持時間60480分鐘，在步驟7得到的C/Cr-RE梯度層4上制備得到l.03.Oum的C/Cr-RE多元復(fù)合層5。實(shí)施例l確定復(fù)合膜成分，其中，Cr/RE過渡層3按照質(zhì)量百分比其組成為Ce:0.1%，Cr:99.9%，C/Cr-RE多元復(fù)合層5按照質(zhì)量百分比其組成為，Cr:3%，Ce:0.3%，Zr:0.3%，C:96.4%。計(jì)算高純鉻靶上鑲嵌的稀土Ce鑲塊數(shù)量，已知S二650cm2，aCe/Cr=0.51，eCe/Cr=0.95，yCe=99.9%，A=0.1%，由公式(1)得S尸l.34cm2，當(dāng)鑲塊直徑為①lOmm時，S2=0.785cm2，由公式(2)得m=S!/S2=1.7，取整為2塊Ce鑲塊；計(jì)算高純碳靶上鑲嵌的稀土Ce鑲塊數(shù)量，已知S二650cm2，aCe/C=5，PCe/C=2.99，yCe=99.9%，A=0.3%，由公式(1)得SfO.13cm2，當(dāng)鑲塊直徑為①4mm時Sf0.126cm2，由公式(2)得n2二S工/Sfl.03，取整為l塊Ce鑲塊；計(jì)算高純碳靶上鑲嵌的金屬Zr鑲塊數(shù)量，已知S二650cm2，eZr/C=5.42，SZr/Cr=2.88，入Zr=99.9%，C=0.3%，由公式(3)得SfO.125cm2，當(dāng)鑲塊直徑為①4mm時，S4=0.126cm2，由公式(4)n3=S3/S4=0.99，取整為l塊Zr鑲塊；在一塊高純鉻靶上沿磁控管加工6個①10mm鑲嵌孔，在兩塊高純碳靶上沿磁控管分別加工6個①4mm鑲嵌孔，制備純度在3N以上的Ce鑲塊和Zr鑲塊；分別制備與鉻耙、碳耙相同材質(zhì)和規(guī)格的高純鉻鑲塊和高純碳鑲塊。在高純鉻耙上鑲嵌2塊高純Ce稀土，其余孔鑲嵌與鉻耙同質(zhì)的高純鉻鑲塊；在高純碳耙上鑲嵌l塊Ce高純稀土和l塊Zr鑲塊，其余的孔鑲嵌與碳靶同質(zhì)的高純碳鑲塊。首先濺射清洗零件表面，真空度E-3Pa，偏壓500V，工裝旋轉(zhuǎn)速度2r/min。先用靜態(tài)反沖技術(shù)通過等離子濺射強(qiáng)注入10nm的等離子滲金屬層；逐漸調(diào)高Cr/RE靶的濺射電流至2.0A，濺射時間5分鐘，制備得到0.2um的Cr/RE過渡層；再逐漸提高C/RE靶的濺射電流至2.0A，降低Cr/RE靶的濺射電流至O.15A，濺射時間為5分鐘，制備得到0.2um的C/Cr-RE梯度涂層；最后控制C/RE靶的濺射電流為2.0A，Cr/RE靶的濺射電流為0.15A，偏壓50V，時間60分鐘，制備得到1.0um的C/Cr-RE多元復(fù)合層。實(shí)施例2確定復(fù)合膜成分，其中，Cr/RE過渡層3按照質(zhì)量百分比其組成為Ce:0.5%，Cr:99.5%，C/Cr-Ce多元復(fù)合層5按照質(zhì)量百分比其組成為Cr:15%，Ce:5%，Ta:5%，C:75%。計(jì)算高純鉻靶上鑲嵌的稀土Ce鑲塊數(shù)量，已知S二650cm2，aCe/Cr=0.51，PCe/Cr=0.95，yCe=99.9%，A=0.5%，由公式(1)得Sf6.72cm2，當(dāng)鑲塊直徑為①17mm時，S2=2.27cm2，由公式(2)得m二S工/Sf2.96，取整為3塊Ce鑲塊；計(jì)算高純碳靶上鑲嵌的稀土Ce鑲塊數(shù)量，已知S二650cm2，aCe/C=5，PCe/C=2.99，yCe=99.9%，A=5%，由公式(1)得S1=2.18cm2，當(dāng)鑲塊直徑為①8mm時，S2=0.50cm2，由公式(2)得112二S工/Sf4.36，取整為4塊Ce鑲塊；計(jì)算高純碳靶上鑲嵌的金屬Zr鑲塊數(shù)量，已知S二650cm2，入Ta=99.9%，eTa/C=5.42，STa/Cr=2.88，A=5%，由公式(3)得S3=2.08cm2，當(dāng)鑲塊直徑為①8mm時，S4=0.50cm2，由公式(4)得113=S3/S4=4.16，取整為4塊Ta鑲塊；在一塊高純鉻靶上沿磁控管加工6個①17mm鑲嵌孔，在兩塊高純碳靶上沿磁控管分別加工8個①8mm鑲嵌孔，制備純度在3N以上的Ce鑲塊和Zr鑲塊，制備與鉻耙、碳耙相同材質(zhì)和規(guī)格的高純C鑲塊和高純Cr鑲塊。在高純鉻耙上鑲嵌3塊①17mmCe高純稀土鑲塊，其余孔鑲嵌與鉻耙同質(zhì)的高純鉻鑲塊；在高純碳靶上鑲嵌4塊①8mmCe高純稀土鑲塊，在高純碳靶上鑲嵌4塊①8mmTa金屬鑲塊，多余的孔鑲嵌與碳靶同質(zhì)的高純碳。首先濺射清洗零件表面，真空度E-4Pa，偏壓700V，工裝旋轉(zhuǎn)速度5r/min。先用靜態(tài)反沖技術(shù)通過等離子濺射強(qiáng)注入30nm的Cr/RE等離子滲金屬層；逐漸調(diào)高Cr/RE靶的濺射電流至4.0A，調(diào)節(jié)時間為8分鐘，制備得到O.35um的Cr/RE過渡層；再逐漸提高C/RE靶的濺射電流至5.0A，降低Cr/RE靶的濺射電流至0.40A，調(diào)節(jié)時間為8分鐘，制備得到O.35um的C/Cr-RE梯度層；最后控制C/RE靶的濺射電流為5.0A，Cr/RE靶的濺射電流為O.35A，偏壓75V，保持時間240分鐘，制備得到2.0um的C/Cr-RE多元復(fù)合層。實(shí)施例3確定復(fù)合膜成分，其中，Cr/RE過渡層3按照質(zhì)量百分比其組成為Ce:1%，Cr:99%，C/Cr-Ce多元復(fù)合層5按照質(zhì)量百分比其組成為Cr:10%，Ce:10%，Zr:10%，C:70%。計(jì)算高純鉻靶上鑲嵌的稀土Ce鑲塊數(shù)量，已知S二650cm2，yCe=99.9%，aCe/Cr=0.51，Pce/cr=0.95，A=0.5%，由公式(1)都!=13.43cm2，當(dāng)鑲塊直徑為①17mm時，S2=2.27cm2，由公式(2)得m二Si/Sf5.92，取整為6塊Ce鑲塊；計(jì)算高純碳靶上鑲嵌的稀土Ce鑲塊數(shù)量，已知S二650cm2，yCe=99.9%，aCe/C=5，PCe/C=2.99，A=10%，由公式(1)得Sf4.35cm2，當(dāng)鑲塊直徑為①8mm時，S2=0.50cm2，由公式(2)得112=S^S2=8.70，取整為8塊Ce鑲塊；計(jì)算高純碳靶上鑲嵌的金屬Zr鑲塊數(shù)量，已知S二650cm2，入Zr=99.9%，eZr/C=5.42，SZr/Cr=2.88，A=5%，由公式(3)得S^4.17cm2，當(dāng)鑲塊直徑為①8mm時，S4=0.50cm2，由公式(4)得113=S3/S4=8.34，取整為8塊Zr金屬鑲塊；在一塊高純鉻靶上沿磁控管加6個①17mm鑲嵌孔，在兩塊高純碳靶上沿磁控管分別加工8個①8mm鑲嵌孔，制備純度在3N以上的Ce鑲塊和Zr鑲塊，制備與鉻耙、碳耙相同材質(zhì)和規(guī)格的高純C鑲塊和高純Cr鑲塊。在高純碳靶上鑲嵌6塊①17mmCe高純稀土鑲塊，在高純碳靶上分別鑲嵌8塊①8mmZr金屬鑲塊和8塊①8mmCe稀土鑲塊。首先濺射清洗零件表面，真空度E-4Pa，偏壓1000V，工裝旋轉(zhuǎn)速度10r/min。先用靜態(tài)反沖技術(shù)通過等離子濺射注入50nm的Cr/RE等離子滲金屬層；逐漸調(diào)高Cr/RE靶的濺射電流至6.0A，調(diào)節(jié)時間為10分鐘，制備得到O.5um的Cr/RE過渡層；再逐漸提高C/RE多元靶的濺射電流至8.0A，降低Cr/RE濺射靶的濺射電流至0.6A，調(diào)節(jié)時間為IO分鐘，制備得到O.50um的C/Cr-RE梯度層；最后控制C/RE靶的濺射電流為8.0A，Cr/RE靶的濺射電流為0.6A，偏壓100V，時間480分鐘，制備得到3.0um的C/Cr-RE多元復(fù)合層。表l是實(shí)施例l、實(shí)施例2和實(shí)施例3制備的稀土多元類石墨復(fù)合膜和常規(guī)方法制備的類石墨復(fù)合膜的性能對比表，<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>備注1.采闬變載劃痕法檢測臨界基膜結(jié)合力，最大載荷100N，行程10mm;2.耐磨試驗(yàn)使用P0D銷盤磨損儀載荷60N，線速度0.2m/s，干摩擦。從表l可以看出，本發(fā)明方法制備出的稀土多元類石墨復(fù)合膜，其臨界基膜結(jié)合力和熱穩(wěn)定性比常規(guī)方法制備的類石墨復(fù)合膜高，而且其摩擦系數(shù)比常規(guī)方法制備的類石墨復(fù)合膜低。在鍍膜前期的濺射清洗和過渡層沉積初期，有一定的稀土注入金屬基體，固溶稀土主要富集于晶界或其它晶體缺陷(如位錯、空位等)處，引起晶界的物理、化學(xué)環(huán)境或界面能量的改變，導(dǎo)致改性層組織與性能的變化。稀土元素活性較高，在膜-基界面附近富集，參與成膜并發(fā)生界面反應(yīng)，減緩了界面處應(yīng)力分布梯度，有助于膜-基結(jié)合強(qiáng)度的顯著提高。在含稀土的改性層中，稀土的添加改變了合金氧化過程的擴(kuò)散動力學(xué)，對金屬陽離子的向外擴(kuò)散起了抑制作用，相對而言促進(jìn)了陰離子02—向內(nèi)傳輸，改變了氧化膜的形成和生長機(jī)理，生成致密并與涂層本身有很強(qiáng)黏附力的保護(hù)性氧化膜，從而使合金的抗氧化能力大大提高。稀土的活性元素效應(yīng)(REE)也降低氧化膜生長速度，改善氧化膜的抗剝落性，促進(jìn)氧化膜選擇性氧化。微量稀土的添加可以使復(fù)合膜組織細(xì)化且致密，使固體潤滑膜的表面形貌缺陷減少，提高涂層的致密度，這是改善熱穩(wěn)定性的重要原因之一。在稀土改性多元類石墨復(fù)合層中復(fù)合一定含量的Zr、Nb、Ti等高熔點(diǎn)難熔金屬，在碳復(fù)合層彌散分布這些高熔點(diǎn)金屬的碳化物，可以進(jìn)一步提高類石墨復(fù)合膜的抗高溫氧化能力。權(quán)利要求1.一種非平衡磁控濺射稀土多元類石墨復(fù)合膜，其特征在于，由依次復(fù)合的等離子滲金屬層(2)、Cr/RE過渡層(3)、C/Cr-RE梯度層(4)及C/Cr-RE多元復(fù)合層(5)組成，其中的Cr/RE過渡層(3)按照質(zhì)量百分比其組成為RE0.1％～1％，余量為Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100％；其中的C/Cr-RE多元復(fù)合層(5)按照質(zhì)量百分比其組成為Cr3％～15％，RE0.3％～10％，過渡簇金屬元素0.3％～10％，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100％。2.按照權(quán)利要求l所述的復(fù)合膜，其特征在于，所述的過渡簇金屬元素選用Zr、Ta或Nb中的一種或兩種以上的混合物。3.一種制備權(quán)利要求l所述的非平衡磁控濺射稀土多元類石墨復(fù)合膜的方法，其特征在于，按照以下步驟實(shí)施，步驟l:確定稀土多元類石墨復(fù)合膜成分，其中，Cr/RE過渡層(3)按照質(zhì)量百分比其組成為RE:0.1%1%，余量為Cr，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%;C/Cr-RE多元復(fù)合層(5)按照質(zhì)量百分比其組成為Cr:3%15%，RE:0.3%10%，過渡簇金屬元素0.3%10%，余量為C，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%;步驟2:計(jì)算高純鉻耙及高純碳耙上鑲嵌的高純稀土鑲塊數(shù)量，以及高純碳耙上鑲嵌的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量(a)計(jì)算高純鉻靶及高純碳靶上鑲嵌的高純稀土鑲塊數(shù)量A=a*6*"Sl/Sn=Sl/S2式中，A:步驟l中確定的稀土元素RE在Cr/RE過渡層(3)中的含量或稀土元素RE在C/Cr-RE多元復(fù)合層(5)中的含量；a:稀土元素與碳或鉻靶材元素濺射系數(shù)之比；e:稀土元素與碳或鉻靶材元素密度之比；Y:稀土鑲塊中稀土元素的含量；S1:刻蝕區(qū)稀土鑲塊的總面積；S2:單個稀土鑲塊的端面面積；S:耙材刻蝕區(qū)總面積；n:靶材鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量；把稀土元素在Cr/RE過渡層(3)中的含量A、稀土元素與高純鉻靶元素濺射系數(shù)之比a、稀土元素與鉻密度之比e、稀土鑲塊中稀土元素的含量y、刻蝕區(qū)稀土鑲塊的總面積S1、單個稀土鑲塊的端面面積S2、靶材刻蝕區(qū)總面積S代入上述公式中，得到高純鉻靶上鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量n;把稀土元素在C/Cr-RE多元復(fù)合層(5)中的含量A、稀土元素與高純碳靶元素濺射系數(shù)之比a、稀土元素與碳密度之比e、稀土鑲塊中稀土元素的含量y、刻蝕區(qū)稀土鑲塊的總面積S1、單個稀土鑲塊的端面面積S2、靶材刻蝕區(qū)總面積S代入上述公式中，得到高純碳靶上鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量n;(b)計(jì)算高純碳靶上鑲嵌的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中，C:步驟1中確定的過渡簇金屬元素在C/Cr-RE多元復(fù)合層(5)中的含量；e:過渡簇金屬元素與碳元素濺射系數(shù)之比；S:過渡簇金屬元素與碳元素密度之比；入過渡簇金屬鑲塊中過渡簇金屬元素的含量；S3:刻蝕區(qū)過渡簇金屬鑲塊的總面積；S4:單個過渡簇金屬鑲塊的端面面積；S:耙材刻蝕區(qū)總面積；111:靶材鑲嵌的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量；把過渡簇金屬元素在Cr/RE多元復(fù)合層(5)中的含量C、過渡簇金屬元素與高純碳靶元素濺射系數(shù)之比e、過渡簇金屬元素與碳密度之比S、過渡簇金屬鑲塊中過渡簇金屬元素的含量入、刻蝕區(qū)過渡簇金屬鑲塊的總面積S3、單個過渡簇金屬鑲塊的端面面積S4、靶材刻蝕區(qū)總面積S代入上述公式中，得到高純碳靶上鑲嵌的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量nl;步驟3:在非平衡磁控濺射高純鉻耙和高純碳耙上沿磁控管(7)加工一定數(shù)量和規(guī)格的鑲塊安裝孔(8)，分別制備和高純鉻靶、高純碳靶相同材質(zhì)的高純鉻鑲塊和高純碳鑲塊，并使高純鉻鑲塊和高純碳鑲塊的規(guī)格相同，同時制備純度在3N以上的高純稀土鑲塊和過渡簇金屬鑲塊；步驟4:根據(jù)步驟2計(jì)算得到的高純鉻靶上鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量，在步驟3得到的高純鉻靶上的鑲塊安裝孔(8)內(nèi)鑲嵌稀土鑲塊，多余的鑲塊安裝孔(8)內(nèi)鑲嵌步驟3得到的與高純鉻靶同材質(zhì)的高純鉻鑲塊；根據(jù)步驟2計(jì)算得到的高純碳靶上鑲嵌的稀土鑲塊數(shù)量，在步驟3得到的高純碳靶上的鑲塊安裝孔(8)內(nèi)鑲嵌稀土鑲塊，根據(jù)步驟2計(jì)算得到的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量，在步驟3得到的高純碳靶上的鑲塊安裝孔(8)內(nèi)鑲嵌過渡簇金屬鑲塊，多余的鑲塊安裝孔(8)內(nèi)鑲嵌步驟3得到的與高純碳靶同材質(zhì)的高純碳鑲塊；步驟5:濺射基體金屬(1)表面，真空度E-3E-4Pa，偏壓5001000V，工裝旋轉(zhuǎn)速度210r/min，鍍膜前用靜態(tài)反沖技術(shù)通過等離子濺射注入在基體金屬(1)表面得到1050nm等離子滲金屬層(2);步驟6:逐漸調(diào)高Cr/RE耙的濺射電流為2.06.0A，調(diào)節(jié)時間為510分鐘，在步驟5得到的等離子滲金屬層(2)上得到0.20.5um的Cr/RE過渡層(3);步驟7:逐漸提高C/RE耙的濺射電流為2.08.0A，降低Cr/RE耙的濺射電流為0.150.6A，調(diào)節(jié)時間為510分鐘，在步驟6得到的Cr/RE過渡層(3)上得到O.20.5um的C/Cr-RE梯度層(4);步驟8:控制濺射電流參數(shù)，C/RE耙的濺射電流為2.08.0A，Cr/RE耙的濺射電流為0.150.6A，偏壓50100V，保持時間60480分鐘，在步驟7得到的C/Cr-RE梯度層(4)上得到1.03.0um的C/Cr-RE多元復(fù)合層(5)。4.按照權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述的過渡簇金屬元素選用Zr、Ta或Nb中的一種或兩種以上的混合物。全文摘要本發(fā)明公開的一種非平衡磁控濺射稀土多元類石墨復(fù)合膜，由依次復(fù)合的等離子滲金屬層、Cr/RE過渡層、C/Cr-RE梯度層及C/Cr-RE多元復(fù)合層組成，Cr/RE過渡層按照質(zhì)量百分比其組成為RE0.1％～1％，余量為Cr；C/Cr-RE多元復(fù)合層按照質(zhì)量百分比其組成為Cr3％～15％，RE0.3％～10％，過渡簇金屬元素0.3％～10％，余量為C。制備非平衡磁控濺射稀土多元類石墨復(fù)合膜的方法，首先確定復(fù)合膜成分，計(jì)算高純鉻靶和高純碳靶上安裝的稀土鑲塊的數(shù)量及高純碳靶上鑲嵌的過渡簇金屬鑲塊數(shù)量，制備相應(yīng)的鑲塊并進(jìn)行安裝，磁控濺射得到復(fù)合膜。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的非平衡磁控濺射固體潤滑復(fù)合膜熱穩(wěn)定性和抗電化學(xué)腐蝕性差的問題。文檔編號C23C14/35GK101613854SQ20091030469公開日2009年12月30日申請日期2009年7月23日優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日發(fā)明者源何,孫長濤,張鏡斌,李海軍,王佐平,陳鵬波申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第十二研究所