專利名稱:一種碳鈦復(fù)合涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及耐磨性涂層領(lǐng)域,具體涉及一種碳鈦復(fù)合涂層及其制備方法。
背景技術(shù):
非晶碳涂層具有較高的硬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、低摩擦系數(shù)及高耐磨性能,因此被廣泛應(yīng)用于軸承、陀螺儀、齒輪和金屬切削工具中,以提高材料的機械性能及抗磨性,延長其使用壽命。但由于非晶碳涂層中含有很高的內(nèi)應(yīng)力(通常達到IOGPa以上),使非晶碳涂層與基體的結(jié)合強度降低,非晶碳涂層生長的厚度也受到限制,且在使用過程中容易剝落,這在很大程度上限制了非晶·碳涂層在高載荷下的摩擦學(xué)應(yīng)用。為了降低非晶碳涂層中的內(nèi)應(yīng)力,一方面,可將非晶碳涂層制備成梯度層結(jié)構(gòu),梯度層結(jié)構(gòu)是通過成分與結(jié)構(gòu)的梯度變化來消除基體與非晶碳涂層之間的宏觀界面,有效改善基體與非晶碳涂層之間的熱膨脹和晶格的差異性,從而降低非晶碳涂層的內(nèi)應(yīng)力。另一方面,可以通過加入金屬元素,如金屬T1、Cr、Ta、W等,以形成合金碳涂層,這種方法也用可來降低涂層的內(nèi)應(yīng)力,提高涂層的韌性,對于生物醫(yī)用材料的應(yīng)用來說,應(yīng)選用具有良好的生物相容性的Ti元素。但是在通常情況下,材料的硬度和韌性是此消彼長的關(guān)系,復(fù)合涂層一般情況下其硬度和耐磨性能會有所限制,如復(fù)合涂層的硬度提升了,其耐磨性能就會下降,無法實現(xiàn)兩者兼顧,從而限制涂層的應(yīng)用。公開號為CN101444985A的中國發(fā)明專利申請公開了一種非晶碳涂層及其制備方法和用途,該非晶碳涂層由打底層、中間過渡層和頂層三層構(gòu)成,所述打底層為T1、Cr金屬層,中間過渡層為T1、Cr和非晶碳的混合層,頂層為摻雜有少量T1、Cr的非晶碳涂層,其中,過渡層中的Cr元素的含量從打底層到頂層方向呈遞減的趨勢,C元素呈逐漸增加的趨勢,而Ti元素的含量基本保持穩(wěn)定。雖然該技術(shù)方案通過成分梯度的復(fù)合膜層來提高非晶碳涂層與基體的界面結(jié)合力,并使其保持較好的硬度和摩擦性能,但是從其實施例2的表4可見,硬度最高為15.3GPa,摩擦因素0.1 0.21,磨損率為1.23 8.88 X 10_8,其硬度以及摩擦磨損性能均不理想,有待進一步提高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種耐磨性能優(yōu)異、硬度高、與基體結(jié)合強度高的碳鈦復(fù)合涂層。一種碳鈦復(fù)合涂層,由依次沉積在基體上的純鈦底層、碳-鈦過渡層和納米多層復(fù)合頂層構(gòu)成,所述的納米多層復(fù)合頂層由碳-鈦復(fù)合納米層和碳納米層交替沉積而成,所述的碳-鈦復(fù)合納米層與碳-鈦過渡層接觸,所述的碳-鈦復(fù)合納米層由TiC晶粒和非晶碳構(gòu)成,所述的碳納米層由非晶碳構(gòu)成。本發(fā)明中,依次沉積在基體上的純鈦底層和碳-鈦過渡層能夠顯著改善本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層與基體的界面結(jié)合力以及負荷承重能力。所述的納米多層復(fù)合頂層的結(jié)構(gòu)進一步降低了本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的內(nèi)應(yīng)力,進一步提高了本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層與基體的結(jié)合強度,由碳納米層和碳-鈦復(fù)合納米層交替沉積而成的納米多層復(fù)合頂層使本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層具有高硬度和優(yōu)異的耐磨性能,另外,碳-鈦復(fù)合納米層能夠大大改善本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的韌性。作為優(yōu)選,所述的碳-鈦復(fù)合納米層由原子百分含量20% 60%的TiC晶粒和原子百分含量40% 80%的非晶碳構(gòu)成。其中,原子百分含量20% 60%是指TiC晶粒中Ti原子數(shù)和C原子數(shù)之原子百分含量總和,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原子構(gòu)成。所述的碳-鈦復(fù)合納米層包含原子百分含量20% 60%的TiC晶粒,可以顯著提高本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的硬度和耐磨性能,同時,能夠大大改善本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的韌性。進一步優(yōu)選,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。作為優(yōu)選,所述的TiC晶粒的粒徑為3 10nm,均勻分布在所述的碳-鈦復(fù)合納米層中,能夠大大提高本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的韌性。作為優(yōu)選,所述的納米多層復(fù)合頂層中,相鄰的一層碳納米層和一層碳-鈦復(fù)合納米層構(gòu)成一個雙層周期層,每個雙層周期層的厚度為20 60nm,即調(diào)制周期為20 60nm,其中,每個碳納米層的厚度為10 30nm,每個碳-鈦復(fù)合納米層的厚度為10 30nm。上述厚度的碳納米層和碳-鈦復(fù)合納米層以及雙層周期層,使得本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層與基體具有很好的結(jié)合力,同時,進一步改善了本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的韌性,使得本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層具有優(yōu)異的硬度和耐磨性能。進一步優(yōu)選,所述的碳納米層的厚度與碳-鈦復(fù)合納米層的厚度相等。為了進一步提高本發(fā) 明碳鈦復(fù)合涂層的結(jié)合力,作為優(yōu)選,所述的碳-鈦過渡層由碳和鈦組成,其中,所述碳-鈦過渡層中碳含量從碳-鈦過渡層靠近純鈦底層的一側(cè)至碳-鈦過渡層靠近納米多層復(fù)合頂層的一側(cè)由O逐漸增加,所述碳-鈦過渡層中鈦含量從碳-鈦過渡層靠近純鈦底層的一側(cè)至碳-鈦過渡層靠近納米多層復(fù)合頂層的一側(cè)由100%逐漸減小,所述碳-鈦過渡層靠近納米多層復(fù)合頂層一側(cè)的碳含量和鈦含量分別與所述納米多層復(fù)合頂層的碳-鈦復(fù)合納米層中碳含量和鈦含量對應(yīng)相等,為方便理解,該含量可視為原子百分比含量。上述碳-鈦過渡層中,碳含量和鈦含量呈均勻梯度分布,能夠顯著降低本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的內(nèi)應(yīng)力,進一步提高本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層與基體的界面結(jié)合力。作為優(yōu)選,所述的純鈦底層的厚度為150nm 250nm,所述的碳-鈦過渡層的厚度為400nm 500nm,所述的納米多層復(fù)合頂層的厚度為1.85 2.85 μ m。上述厚度形成的本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層,具有高硬度、低應(yīng)力、較大厚度、低摩擦系數(shù)及優(yōu)異耐磨性等優(yōu)點。本發(fā)明還提供了一種碳鈦復(fù)合涂層的制備方法,采用閉合場非平衡磁控濺射法,碳鈦復(fù)合涂層與基體結(jié)合良好,同時便于連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)。一種碳鈦復(fù)合涂層的制備方法,包括以下步驟:I)將基體置放于旋轉(zhuǎn)工作臺上,在旋轉(zhuǎn)工作臺的外圍放有兩個碳靶和一個鈦靶,將腔體預(yù)抽真空,通入氬氣,進行預(yù)濺射;2)用3 5A的鈦靶電流、-100 -200V的偏壓在基體上沉積純鈦底層,氬氣流量控制在20 30sccm,沉積時間為5 IOmin ;3)鈦靶電流從3 5A逐漸減少至0.5 1A,兩個碳靶電流從OA逐漸增至2.5
3.5A,IS氣流量由20 30sccm逐漸增至40 45sccm,沉積時間為I 1.5h,形成碳-鈦過渡層;
4)鈦靶電流保持為0.5 1A,兩個碳靶中停止一個碳靶工作,剩余碳靶電流保持為2.5 3.5A,氬氣流量保持在40 45SCCm,先用鈦靶和碳靶共同濺射沉積10 60s,再用碳靶單獨濺射沉積50 240s,依次交替沉積,步驟4)總沉積時間為3.0 4.5h,偏壓保持為-50 -150V,形成納米多層復(fù)合頂層,得到碳鈦復(fù)合涂層。步驟I)中,作為優(yōu)選,兩個碳靶以旋轉(zhuǎn)工作臺為中心對稱放置,鈦靶位于兩個碳靶的連線的中垂線上,碳靶與基體的距離和鈦靶與基體的距離相等,為5 15cm,旋轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)速為3 5rpm (轉(zhuǎn)/分鐘)。上述的設(shè)置有利于純鈦底層、碳-鈦過渡層以及納米多層復(fù)合頂層的沉積,得到摩擦系數(shù)小、耐磨性能優(yōu)異且與基體結(jié)合力好的碳鈦復(fù)合涂層。將腔體預(yù)抽真空至10_4 10_3Pa,通入氬氣,氬氣流量控制在25 45sccm,在-450 -550V的偏壓以及0.2 0.5A的鈦靶電流和0.2 0.5A的碳靶電流下預(yù)濺射20 30min, —方面清除基體表面氧化物等雜質(zhì),有利于提聞基體與本發(fā)明碳欽復(fù)合涂層的結(jié)合力,另一方面去除靶材表面成分,以達到所需元素成分,并且防止靶材中毒。作為優(yōu)選,所述的碳靶為石墨靶,有利于濺射沉積非晶碳。步驟2)中,氬氣流量控制在25 30sccm,為了保證提供足夠的氬離子,最大限度減少對靶原子的碰撞,工作氣壓由氬氣流量控制,其值為0.2 0.3Pa,有利于純鈦底層的沉積。步驟3)中,鈦靶電流從3 5A逐漸減少至0.5 1A,兩個碳靶電流從OA逐漸增至2.5 3.5A,使得鈦元素含量逐漸減少,碳元素含量逐漸增加,呈均勻梯度分布,碳-鈦過渡層靠近納米多層復(fù)合頂層一側(cè)的碳含量和鈦含量與所述納米多層復(fù)合頂層的碳-鈦復(fù)合納米層中碳含量和鈦含量對應(yīng)相等。IS氣流量由20 30sccm逐漸增至40 45sccm,保證提供足夠的氬離子,減少對靶原子的碰撞以及提高工作氣壓,形成碳-鈦過渡層。步驟4)中,旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)到一定位置后停下,用鈦靶和碳靶共同濺射沉積10 60s,然后再旋轉(zhuǎn)到一定的位置停下,再用碳靶單獨濺射沉積50 240s,依次交替沉積,從而得到由碳納米層和碳-鈦復(fù)合納米層交替沉積而成的納米多層復(fù)合頂層。各層的厚度可由濺射時間來控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明中,依次沉積在基體上的純鈦底層和碳-鈦過渡層能夠顯著改善本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層與基體的界面結(jié)合力以及負荷承重能力。所述的納米多層復(fù)合頂層的結(jié)構(gòu)進一步降低了本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的內(nèi)應(yīng)力,進一步提高了本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層與基體的結(jié)合強度,由碳納米層和碳-鈦復(fù)合納米層交替沉積而成的納米多層復(fù)合頂層使本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層具有高硬度和優(yōu)異的耐磨性能,另外,碳-鈦復(fù)合納米層大大改善了本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的朝性。本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層在Hanks模擬體液中具有優(yōu)異的減摩與耐磨性能、高負荷承重能力和良好的生物相容性,可應(yīng)用在軸承、陀螺儀、齒輪和金屬切削工具等表面,也可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中,如人工髖關(guān)節(jié)表面等,可大大提高材料的使用壽命。本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的制備方法,采用閉合場非平衡磁控濺射法,碳鈦復(fù)合涂層與基體結(jié)合良好,同時便于連續(xù)化工 業(yè)生產(chǎn),有利于工業(yè)化推廣應(yīng)用。
圖1為實現(xiàn)本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的制備方法的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)示意圖;圖3為實施例1制備的碳鈦復(fù)合涂層的截面的掃描電子顯微鏡照片;圖4為實施例1制備的碳鈦復(fù)合涂層采用壓坑法所形成的壓坑形貌;圖5為實施例1制備的碳鈦復(fù)合涂層采用劃痕法所形成的劃痕形貌。
具體實施例方式如圖1所示,為實現(xiàn)本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的制備方法的裝置,包括旋轉(zhuǎn)工作臺以及設(shè)置在旋轉(zhuǎn)工作臺四周的四個靶,旋轉(zhuǎn)工作臺水平方向設(shè)置,旋轉(zhuǎn)工作臺包括樣品臺11以及安裝在樣品臺11上的樣品架12,樣品臺11能夠以豎直方向為軸心旋轉(zhuǎn),樣品臺11的轉(zhuǎn)速也稱為公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速,安裝在樣品臺11上的樣品架12也能夠以豎直方向為軸心自旋轉(zhuǎn),樣品架12的轉(zhuǎn)速也稱為自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速,沿樣品臺11的徑向方向設(shè)置有擋板13,以樣品架12為起始端沿樣品臺11逆時針方向,擋板13設(shè)置在樣品架12的后面,使得樣品架12處于石墨靶7位置時候,擋板13將鈦靶8上濺射出來的鈦原子阻擋,無法沉積到樣品架12上的基體上,而石墨靶7能夠順利將濺射出來的碳原子沉積到樣品架12上的基體上,當樣品架12沿樣品臺11逆時針方向運動處于鈦靶8位置時候,擋板13未能起到阻擋作用,石墨靶7和鈦靶8濺射出來的原子就能共同濺射到基體上,通過擋板13實現(xiàn)所謂的石墨靶7的單獨濺射以及石墨靶7和鈦靶8的共同濺射。四個靶中有兩個為石墨靶(碳靶的一種),有兩個為鈦靶,石墨靶7和石墨靶9以旋轉(zhuǎn)工作臺為中心對稱設(shè)置,鈦靶8和鈦靶10以旋轉(zhuǎn)工作臺為中心對稱設(shè)置,四個靶中相鄰兩個靶之間與旋轉(zhuǎn)工作臺中心形成的夾角為90°,樣品架12用于置放基體,四個祀的祀向朝向基體。如圖2所示,為本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層,由依次沉積在基體6上的純鈦底層1、碳-鈦過渡層2和納米多層復(fù)合 頂層3構(gòu)成,納米多層復(fù)合頂層3由碳-鈦復(fù)合納米層4和碳納米層5交替沉積而成,碳-鈦復(fù)合納米層4與碳-鈦過渡層2接觸,碳-鈦復(fù)合納米層4由TiC晶粒和非晶碳構(gòu)成,碳納米層5由非晶碳構(gòu)成。碳-鈦復(fù)合納米層4由原子百分含量20% 60%的TiC晶粒和原子百分含量40% 80%的非晶碳構(gòu)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原子構(gòu)成,TiC晶粒的粒徑為3 10nm。納米多層復(fù)合頂層3中,相鄰的一層碳納米層5和一層碳-鈦復(fù)合納米層4構(gòu)成一個雙層周期層,每個雙層周期層的厚度為20 60nm,即調(diào)制周期為20 60nm,其中,每個碳納米層5的厚度為10 30nm,每個碳-鈦復(fù)合納米層4的厚度為10 30nm。碳-鈦過渡層2中碳含量從碳-鈦過渡層2靠近純鈦底層I的一側(cè)至碳-鈦過渡層2靠近納米多層復(fù)合頂層3的一側(cè)由O逐漸增加,碳-鈦過渡層2中鈦含量從碳-鈦過渡層2靠近純鈦底層I的一側(cè)至碳-鈦過渡層2靠近納米多層復(fù)合頂層3的一側(cè)由100%逐漸減小,碳-鈦過渡層2靠近納米多層復(fù)合頂層3 —側(cè)的碳含量和鈦含量分別與納米多層復(fù)合頂層3的碳-鈦復(fù)合納米層4中碳含量和鈦含量對應(yīng)相等,為方便理解,該含量視為原子百分比含量。純鈦底層I的厚度為150nm 250nm,碳-鈦過渡層2的厚度為400nm 500nm,納米多層復(fù)合頂層3的厚度為1.85 2.85 μ m。
實施例1采用閉合場非平衡磁控濺射制備本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層,采用具體實施方式
中實現(xiàn)本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的制備方法的裝置,制備步驟如下:I)選用醫(yī)用Ti6A14V合金作為基體,將基體置放于樣品臺11上的樣品架12上,石墨靶7和石墨靶9工作,鈦靶8工作,鈦靶10不工作,調(diào)整各靶與基體的間距,將間距調(diào)整為IOcm,控制樣品臺11的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為3rpm ;將腔體預(yù)抽真空至4.5X 10 ,隨后通入純氬氣,氬氣流量控制在25sccm,在-500V的偏壓以及0.2A的鈦靶電流和0.2A的石墨靶電流下預(yù)濺射20min ;2)用3A的鈦靶電流、-200V的偏壓在基體上沉積純鈦底層1,氬氣流量控制在25sccm,工作氣壓為0.2Pa,沉積時間為IOmin ;3)將鈦靶電流從3A逐漸減少至1A,兩個碳靶電流從OA逐漸增至3.0A,流量由25sccm逐漸增至45sccm,沉積時間為Ih,形成碳-鈦過渡層2 ;4)關(guān)閉石墨靶9,將鈦靶8電流保持為1A,石墨靶7電流保持為3.0A,氬氣流量保持在45SCCm,先用鈦靶8和石墨靶7共同濺射沉積10s,再用石墨靶7單獨濺射沉積50s,依次交替沉積,步驟4)總沉積時間為4h,偏壓保持為-100V,樣品架12的自轉(zhuǎn)速度為lOrpm,形成納米多層復(fù)合頂層3,得到碳鈦 復(fù)合涂層。實施例1制備的碳鈦復(fù)合涂層的截面的掃描電子顯微鏡照片如圖3所示,碳鈦復(fù)合涂層由依次沉積在基體6上的純鈦底層1、碳-鈦過渡層2和納米多層復(fù)合頂層3構(gòu)成。純鈦底層I的厚度為200nm,碳-鈦過渡層2的厚度為450nm,納米多層復(fù)合頂層3的厚度為2.4 μ m,碳鈦復(fù)合涂層的總厚度為3.05 μ m。納米多層復(fù)合頂層3由碳-鈦復(fù)合納米層4和碳納米層5交替沉積而成,納米多層復(fù)合頂層3中,相鄰的一層碳納米層5和一層碳-鈦復(fù)合納米層4構(gòu)成一個雙層周期層,每個雙層周期層的厚度為20nm,即調(diào)制周期為20nm,其中,每個碳納米層5的厚度為10nm,每個碳-鈦復(fù)合納米層4的厚度為10nm。碳-鈦復(fù)合納米層4與碳-鈦過渡層2接觸。通過能量色散X射線光譜儀(EDX)分析可知,碳-鈦復(fù)合納米層4由TiC晶粒和非晶碳構(gòu)成,碳納米層5由非晶碳構(gòu)成。碳-鈦復(fù)合納米層4由原子百分含量48%的TiC晶粒和原子百分含量52%的非晶碳構(gòu)成,原子百分含量48%的TiC晶粒由原子百分含量24%Ti原子和原子百分含量24%的C原子構(gòu)成,TiC晶粒的粒徑為3 10nm。碳-鈦過渡層2中碳含量從碳-鈦過渡層2靠近純鈦底層I的一側(cè)至碳-鈦過渡層2靠近納米多層復(fù)合頂層3的一側(cè)由O逐漸增加,碳-鈦過渡層2中鈦含量從碳-鈦過渡層2靠近純鈦底層I的一側(cè)至碳-鈦過渡層2靠近納米多層復(fù)合頂層3的一側(cè)由100%逐漸減小,碳-鈦過渡層2靠近納米多層復(fù)合頂層3 —側(cè)的碳含量和鈦含量分別與納米多層復(fù)合頂層3的碳-鈦復(fù)合納米層4中碳含量和鈦含量對應(yīng)相等。實施例2采用閉合場非平衡磁控濺射制備本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層,采用具體實施方式
中實現(xiàn)本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的制備方法的裝置,制備步驟如下:I)選用醫(yī)用Ti6A14V合金作為基體,將基體置放于樣品臺11上的樣品架12上,石墨靶7和石墨靶9工作,鈦靶8工作,鈦靶10不工作,調(diào)整各靶與基體的間距,將間距調(diào)整IOcm,控制樣品臺11的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為3rpm ;
將腔體預(yù)抽真空至4.5X 10 ,隨后通入純氬氣,氬氣流量控制在25sccm,在-500V的偏壓以及0.2A的鈦靶電流和0.2A的石墨靶電流下預(yù)濺射20min ;2)用3A的鈦靶電流、-200V的偏壓在基體上沉積純鈦底層1,氬氣流量控制在25sccm,工作氣壓為0.2Pa,沉積時間為IOmin ;3)將鈦靶電流從3A逐漸減少至1A,兩個碳靶電流從OA逐漸增至3.0A,流量由25sccm逐漸增至45sccm,沉積時間為Ih,形成碳-鈦過渡層2 ;4)關(guān)閉石墨靶9,將鈦靶8電流保持為1A,石墨靶7電流保持為3.0A,氬氣流量保持在45SCCm,先用鈦靶8和石墨靶7共同濺射沉積30s,再用石墨靶7單獨濺射沉積150s,依次交替沉積,步驟4)總沉積時間為4h,偏壓保持為-100V,樣品架12的自轉(zhuǎn)速度為lOrpm,形成納米多層復(fù)合頂層3,得到碳鈦復(fù)合涂層。根據(jù)實施例2制備的碳鈦復(fù)合涂層的截面的掃描電子顯微鏡照片可知,碳鈦復(fù)合涂層由依次沉積在基體6上的純鈦底層1、碳-鈦過渡層2和納米多層復(fù)合頂層3構(gòu)成。純鈦底層I的厚度為200nm,碳-鈦過渡層2的厚度為450nm,納米多層復(fù)合頂層3的厚度為
2.4 μ m,碳鈦復(fù)合涂層的總厚度為3.05 μ m。納米多層復(fù)合頂層3由碳-鈦復(fù)合納米層4和碳納米層5交替沉積而成,納米多層復(fù)合頂層3中,相鄰的一層碳納米層5和一層碳-鈦復(fù)合納米層4構(gòu)成一個雙層周期層,每個雙層周期層的厚度為30nm,即調(diào)制周期為30nm,其中,每個碳納米層5的厚度為15nm,每個碳-鈦復(fù)合納米層4的厚度為15nm。碳-鈦復(fù)合納米層4與碳-鈦過渡層2接觸。通過能量色散X射線光譜儀(EDX)分析可知,碳-鈦復(fù)合納米層4由TiC晶粒和非晶碳構(gòu)成,碳納米層5由非晶碳構(gòu)成。碳-鈦復(fù)合納米層4由原子百分含量36%的TiC晶粒和原子百分含量64%的非晶碳構(gòu)成,原子百分含量36%的TiC晶粒由原子百分含量18%Ti原子和原子百分含量18%的C原子構(gòu)成,TiC晶粒的粒徑為3 10nm。碳-鈦過渡層2中碳含量從碳-鈦過渡層2靠近純鈦底層I的一側(cè)至碳-鈦過渡層2靠近納米多層復(fù)合頂層3的一側(cè)由O逐漸增加,碳-鈦過渡層2中鈦含量從碳-鈦過渡層2靠近純鈦底層I的一側(cè)至碳-鈦過渡層2靠近納米多層復(fù)合頂層3的一側(cè)由100%逐漸減小,碳-鈦過渡層2靠近納米多層復(fù)合頂層3 —側(cè)的碳含量和鈦含量分別與納米多層復(fù)合頂層3的碳-鈦復(fù)合納米層4中碳含量和鈦含量對應(yīng)相等。實施例3采用閉合場非平衡磁控濺射制備本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層,采用具體實施方式
中實現(xiàn)本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的制備方法的裝置,制備步驟如下:I)選用醫(yī)用Ti6A14V合金作為基體,將基體置放于樣品臺11上的樣品架12上,石墨靶7和石墨靶9工作,鈦靶8工作,鈦靶10不工作,調(diào)整各靶與基體的間距,將間距調(diào)整IOcm,控制樣品臺11的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為3rpm ;將腔體預(yù)抽真空至4.5X 10 ,隨后通入純氬氣,氬氣流量控制在25sccm,在-500V的偏壓以及0.2A的鈦靶電流和0.2A的石墨靶電流下預(yù)濺射20min ;2)用3A的鈦靶電流、-200V的偏壓在基體上沉積純鈦底層1,氬氣流量控制在25sccm,工作氣壓為0.2Pa ,沉積時間為IOmin ;3)將鈦靶電流從3A逐漸減少至1A,兩個碳靶電流從OA逐漸增至3.0A,流量由25sccm逐漸增至45sccm,沉積時間為Ih,形成碳-鈦過渡層2 ;
4)關(guān)閉石墨靶9,將鈦靶8電流保持為1A,石墨靶7電流保持為3.0A,氬氣流量保持在45SCCm,先用鈦靶8和石墨靶7共同濺射沉積60s,再用石墨靶7單獨濺射沉積240s,依次交替沉積,步驟4)總沉積時間為4h,偏壓保持為-100V,樣品架12的自轉(zhuǎn)速度為lOrpm,形成納米多層復(fù)合頂層3,得到碳鈦復(fù)合涂層。根據(jù)實施例3制備的碳鈦復(fù)合涂層的截面的掃描電子顯微鏡照片可知,碳鈦復(fù)合涂層由依次沉積在基體6上的純鈦底層1、碳-鈦過渡層2和納米多層復(fù)合頂層3構(gòu)成。純鈦底層I的厚度為200nm,碳-鈦過渡層2的厚度為450nm,納米多層復(fù)合頂層3的厚度為
2.4 μ m,碳鈦復(fù)合涂層的總厚度為3.05 μ m。納米多層復(fù)合頂層3由碳-鈦復(fù)合納米層4和碳納米層5交替沉積而成,納米多層復(fù)合頂層3中,相鄰的一層碳納米層5和一層碳-鈦復(fù)合納米層4構(gòu)成一個雙層周期層,每個雙層周期層的厚度為60nm,即調(diào)制周期為60nm,其中,每個碳納米層5的厚度為30nm,每個碳-鈦復(fù)合納米層4的厚度為30nm。碳-鈦復(fù)合納米層4與碳-鈦過渡層2接觸。通過能量色散X射線光譜儀(EDX)分析可知,碳-鈦復(fù)合納米層4由TiC晶粒和非晶碳構(gòu)成,碳納米層5由非晶碳構(gòu)成。碳-鈦復(fù)合納米層4由原子百分含量24%的TiC晶粒和原子百分含量76%的非晶碳構(gòu)成,原子百分含量24%的TiC晶粒由原子百分含量12%Ti原子和原子百分含量12%的C原子構(gòu)成,TiC晶粒的粒徑為3 10nm。碳-鈦過渡層2中碳含量從碳-鈦過渡層2靠近純鈦底層I的一側(cè)至碳-鈦過渡層2靠近納米多層復(fù)合頂層3的一側(cè)由O逐漸增加,碳-鈦過渡層2中鈦含量從碳-鈦過渡層2靠近純鈦底層I的一側(cè)至碳-鈦過渡層2靠近納米多層復(fù)合頂層3的一側(cè)由100%逐漸減小,碳-鈦過渡層2靠近納米多層復(fù)合頂層3 —側(cè)的碳含量和鈦含量分別與納米多層復(fù)合頂層3的碳-鈦復(fù)合納米層4中碳含量和鈦含量對應(yīng)相等。通過掃描電子顯微鏡觀察實施例1 3制備的碳鈦復(fù)合涂層的截面和表面,發(fā)現(xiàn)碳鈦復(fù)合涂層表面光滑均勻,粗糙度小,三者碳鈦復(fù)合涂層的厚度均為3.05 μ m,均由純鈦底層1、碳-鈦過渡層 2和納米多層復(fù)合頂層3構(gòu)成。采用壓坑法在IOOkg載荷下評價本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層與醫(yī)用Ti6A14V合金截面的縱向結(jié)合力狀況,壓坑周圍沒有裂紋和分層的現(xiàn)象,表明本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的縱向結(jié)合力良好,采用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察壓坑法所形成的壓坑形貌,圖4為實施例1制備的碳鈦復(fù)合涂層采用壓坑法所形成的壓坑形貌。采用劃痕法評價本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層與醫(yī)用Ti6A14V合金界面的橫向結(jié)合狀況,載荷從O連續(xù)加載到80N,劃痕周圍和邊緣沒有開裂和脫落現(xiàn)象,表明碳鈦復(fù)合涂層的橫向結(jié)合力良好,采用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察劃痕法所形成的劃痕形貌,圖5為實施例1制備的碳鈦復(fù)合涂層采用劃痕法所形成的劃痕形貌。以硬度為1500HV的Si3N4陶瓷球為對磨球,在Hanks模擬體液中進行體外摩擦測試評價實施例1 3制備的碳鈦復(fù)合涂層的摩擦磨損性能。表I為本發(fā)明碳鈦復(fù)合涂層的硬度、與醫(yī)用Ti6A14V合金的界面結(jié)合力以及在Hanks模擬體液中所測定的平均滑動摩擦系數(shù)和磨損率。表I
權(quán)利要求
1.一種碳鈦復(fù)合涂層,其特征在于,由依次沉積在基體上的純鈦底層、碳-鈦過渡層和納米多層復(fù)合頂層構(gòu)成,所述的納米多層復(fù)合頂層由碳-鈦復(fù)合納米層和碳納米層交替沉積而成,所述的碳-鈦復(fù)合納米層與碳-鈦過渡層接觸,所述的碳-鈦復(fù)合納米層由TiC晶粒和非晶碳構(gòu)成,所述的碳納米層由非晶碳構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鈦復(fù)合涂層,其特征在于,所述的碳-鈦復(fù)合納米層由原子百分含量20% 60%的TiC晶粒和原子百分含量40% 80%的非晶碳構(gòu)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原子構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳鈦復(fù)合涂層,其特征在于,所述的TiC晶粒的粒徑為3 IOnm0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鈦復(fù)合涂層,其特征在于,所述的納米多層復(fù)合頂層中,相鄰的一層碳納米層和一層碳-鈦復(fù)合納米層構(gòu)成一個雙層周期層,每個雙層周期層的厚度為20 60nm,其中,每個碳納米層的厚度為10 30nm,每個碳-鈦復(fù)合納米層的厚度為10 30nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鈦復(fù)合涂層,其特征在于,所述的碳-鈦過渡層由碳和鈦組成,其中,所述碳-鈦過渡層 中碳含量從碳-鈦過渡層靠近純鈦底層的一側(cè)至碳-鈦過渡層靠近納米多層復(fù)合頂層的一側(cè)由O逐漸增加,所述碳-鈦過渡層中鈦含量從碳-鈦過渡層靠近純鈦底層的一側(cè)至碳-鈦過渡層靠近納米多層復(fù)合頂層的一側(cè)由100%逐漸減小,所述碳-鈦過渡層靠近納米多層復(fù)合頂層一側(cè)的碳含量和鈦含量分別與所述納米多層復(fù)合頂層的碳-鈦復(fù)合納米層中碳含量和鈦含量對應(yīng)相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳鈦復(fù)合涂層,其特征在于,所述的純鈦底層的厚度為150nm 250nm,所述的碳-鈦過渡層的厚度為400nm 500nm,所述的納米多層復(fù)合頂層的厚度為1.85 2.85 μ mo
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6任一項所述的碳鈦復(fù)合涂層的制備方法,其特征在于,包括以下步驟: 1)將基體置放于旋轉(zhuǎn)工作臺上,在旋轉(zhuǎn)工作臺的外圍放有兩個碳靶和一個鈦靶,將腔體預(yù)抽真空,通入氬氣,進行預(yù)濺射; 2)用3 5Α的鈦靶電流、-100 -200V的偏壓在基體上沉積純鈦底層,氬氣流量控制在20 30sccm,沉積時間為5 IOmin ; 3)鈦靶電流從3 5A逐漸減少至0.5 1A,兩個碳靶電流從OA逐漸增至2.5 3.5A,IS氣流量由20 30sccm逐漸增至40 45sccm,沉積時間為I 1.5h,形成碳-鈦過渡層; 4)鈦靶電流保持為0.5 1A,兩個碳靶中停止一個碳靶工作,剩余碳靶電流保持為2.5 3.5A,氬氣流量保持在40 45SCCm,先用鈦靶和碳靶共同濺射沉積10 60s,再用碳靶單獨濺射沉積50 240s,依次交替沉積,總沉積時間為3.0 4.5h,偏壓保持為-50 -150V,形成納米多層復(fù)合頂層,得到碳鈦復(fù)合涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的碳鈦復(fù)合涂層的制備方法,其特征在于,步驟I)中,兩個碳靶以旋轉(zhuǎn)工作臺為中心對稱放置,鈦靶位于兩個碳靶的連線的中垂線上,碳靶與基體的距離和鈦靶與基體的距離相等。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的碳鈦復(fù)合涂層的制備方法,其特征在于,將腔體預(yù)抽真空至1(Γ4 l(T3Pa,通入氬氣,氬氣流量控制在25 45sccm,在-450 -550V的偏壓以及0.2 0.5A的鈦靶電流和0.2 0.5A的碳靶電流下預(yù)濺射20 30min。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的碳鈦復(fù)合涂層的制備方法,其特征在于,所述的碳靶為石墨靶。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳鈦復(fù)合涂層,由依次沉積在基體上的純鈦底層、碳-鈦過渡層和納米多層復(fù)合頂層構(gòu)成,所述的納米多層復(fù)合頂層由碳-鈦復(fù)合納米層和碳納米層交替沉積而成,所述的碳-鈦復(fù)合納米層與碳-鈦過渡層接觸,所述的碳-鈦復(fù)合納米層由TiC晶粒和非晶碳構(gòu)成,所述的碳納米層由非晶碳構(gòu)成,具有高硬度、低應(yīng)力、較大厚度、低摩擦系數(shù)及優(yōu)異耐磨性等優(yōu)點,可應(yīng)用在軸承、陀螺儀、齒輪和金屬切削工具等表面,也可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中,如人工髖關(guān)節(jié)表面等,可大大提高材料的使用壽命。本發(fā)明還公開了一種碳鈦復(fù)合涂層的制備方法,采用閉合場非平衡磁控濺射法,碳鈦復(fù)合涂層與基體結(jié)合良好,同時便于連續(xù)化工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號C23C14/34GK103147040SQ201310078369
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者王秀麗, 蔡建賓, 谷長棟, 涂江平 申請人:浙江大學(xué)