高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層。該涂層由類金剛石、第一摻雜元素Al或Cu以及第二摻雜元素Cr或W組成，并且，在該多元復(fù)合類金剛石涂層中，第一摻雜元素、第二摻雜元素的原子百分含量分別為1.56％～4.69％。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該共摻雜的類金剛石涂層兼具高硬度與低應(yīng)力，同時(shí)還具有低的摩擦系數(shù)和磨損率、良好韌性和耐蝕性，以及高膜基結(jié)合力，因此是一種綜合性能良好的多功能涂層。
【專利說(shuō)明】高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料表面鍍膜【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種高硬度、低應(yīng)力多元復(fù)合類金剛石涂層及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]類金剛石(DLC)涂層具有高硬度、低摩擦系數(shù)、良好的耐蝕性、光學(xué)透過(guò)性和生物相容性等諸多優(yōu)異的性能，因此是近年來(lái)廣泛研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用的具有廣闊產(chǎn)業(yè)化前景的一種新型碳基功能材料。尤其是其具有高硬度和低摩擦系數(shù)，在工、模具表面改性和微電子機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用更顯突出。
[0003]在DLC涂層的制備過(guò)程中，為了提高涂層的硬度，往往采用高能粒子連續(xù)轟擊以提聞sp3碳鍵含量。但是，與此同時(shí)往往伴隨廣生聞的殘余應(yīng)力。聞殘余應(yīng)力的存在易造成膜基結(jié)合力下降，出現(xiàn)涂層開(kāi)裂、剝落和失效，降低其使用壽命。該現(xiàn)象在金屬襯底表面更顯突出，并且限制了厚膜的生長(zhǎng)，因此是目前制約DLC涂層廣泛應(yīng)用的主要瓶頸。
[0004]在DLC涂層中摻雜金屬元素已被證實(shí)是降低DLC涂層殘余應(yīng)力的有效方法，該方法操作簡(jiǎn)單，而且在改善DLC涂層的摩擦學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等性能方面也有積極作用。
[0005]然而，目前雖然對(duì)金屬摻雜的DLC涂層進(jìn)行了廣泛研究，但是大多數(shù)屬于單一元素?fù)诫s，摻雜后的DLC涂層往往只能滿足單一性能要求。例如，在DLC涂層中摻雜Cr、W等中強(qiáng)碳化物形成相元素后，相比純DLC涂層，涂層能夠維持較高硬度；在DLC涂層中摻雜Al、Cu等非碳化物形成相的軟質(zhì)元素后，相比純DLC涂層，涂層中的殘余應(yīng)力可大幅降低。但是，單一摻雜金屬元素后DLC涂層在某一性能提高的同時(shí)卻存在其他性能惡化的問(wèn)題，例如在DLC涂層中摻雜Al有利于降低涂層殘余應(yīng)力，Al摻雜含量為0.68at.%時(shí)，應(yīng)力降幅高達(dá)43%，并且隨Al含量繼續(xù)增加應(yīng)力進(jìn)一步單調(diào)下降，但是與此同時(shí)卻伴隨著硬度的大幅降低。
[0006]可見(jiàn)，由于滿足單一性能需求的DLC涂層材料很難滿足實(shí)際應(yīng)用中復(fù)雜、多變、苛刻工況條件下的耐磨、高硬、低應(yīng)力等綜合性能要求，迫切需要研究和發(fā)展具有高硬度、低應(yīng)力、低摩擦、高可靠性、長(zhǎng)壽命、良好環(huán)境適應(yīng)性等綜合性能優(yōu)異的DLC涂層材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的技術(shù)目的是針對(duì)上述現(xiàn)有DLC涂層材料的不足，提供一種兼具高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層，同時(shí)，該涂層材料具有低的摩擦系數(shù)和磨損率、良好韌性和耐蝕性，以及高膜基結(jié)合力。
[0008]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為:一種高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層，其特征在于:位于基體表面，由類金剛石、第一摻雜元素以及第二摻雜元素組成，所述的第一摻雜元素為Al元素或Cu元素，第二摻雜元素為Cr元素或W元素；并且，在所述的多元復(fù)合類金剛石涂層中，第一摻雜元素的原子百分比含量為優(yōu)選為1.56%?4.69%,第二摻雜兀素的原子百分比含量?jī)?yōu)選為1.56%?4.69%。
[0009]綜上所述，本發(fā)明同時(shí)在類金剛石涂層中摻雜兩種金屬元素，形成多元復(fù)合類金剛石涂層，同時(shí)，本發(fā)明人經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)反復(fù)探索后發(fā)現(xiàn):
[0010](I)該兩種金屬元素的摻雜須保持為微量摻雜，即在多元復(fù)合類金剛石涂層中，總摻雜元素的原子百分含量須控制在9.38%范圍之內(nèi)，這是因?yàn)槲⒘繐诫s方能不破壞涂層中硬的碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使涂層保持良好機(jī)械性能；
[0011](2) 一種摻雜元素為Al元素或Cu元素，以誘導(dǎo)涂層體系石墨化轉(zhuǎn)變，從而降低摩擦系數(shù)，起到減磨潤(rùn)滑作用；
[0012](3)另一種摻雜元素為Cr元素或W元素，這是因?yàn)樵陬惤饎偸繉又袚诫sCr元素或W元素一方面能夠維持涂層具有較高硬度，另一方面相對(duì)于其他摻雜金屬元素(如T1、Si等)，Cr或W元素與C原子結(jié)合時(shí)形成了弱的非鍵特征，同時(shí)通過(guò)與Al或Cu摻雜元素的協(xié)同作用，能夠使涂層中的畸變結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分弛豫，從而降低涂層中的殘余應(yīng)力；尤其是在該多元復(fù)合類金剛石涂層中，當(dāng)控制Cr元素或W元素的原子百分比含量為1.56%?4.69%,Al元素或Cu元素的原子百分比含量為1.56%?4.69%時(shí)，能夠在極大降低涂層殘余應(yīng)力的同時(shí)保持硬度受到較小影響，從而使復(fù)合涂層的硬度與殘余應(yīng)力達(dá)到最佳平衡；
[0013](4)該多元復(fù)合類金剛石涂層的適用基體范圍較廣，包括硬質(zhì)合金、各類鋼材、鋁合金、鎂合金等；對(duì)于某些特殊基體，Cr或W元素與基體間具有較好的金屬界面匹配性，因而可顯著提高涂層在基體表面的附著力，例如對(duì)于鎂合金基體而言，Cr或W元素一方面與鎂合金基體間具有較好的金屬界面匹配性，可顯著提高涂層在基體表面的附著力，同時(shí)Al與鎂之間的腐蝕電位相對(duì)較小，能大幅增強(qiáng)鎂合金的抗腐蝕能力。
[0014]因此，該多元復(fù)合類金剛石涂層兼具高硬度與低應(yīng)力，同時(shí)還具有高膜基結(jié)合力、低的摩擦系數(shù)和磨損率、良好的韌性和耐蝕性等，其涂層厚度為0.3?4μ m ;硬度值為20?30GPa、應(yīng)力值為0.06?0.25GPa ;同時(shí)，其與鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)在0.1以下，是一種綜合性能良好的多功能涂層。
[0015]本發(fā)明還提供了一種上述高硬度、低應(yīng)力多元復(fù)合類金剛石涂層的制備方法，該方法結(jié)合線性離子束沉積技術(shù)與磁控濺射沉積技術(shù)，采用離子束復(fù)合磁控濺射鍍膜設(shè)備，該設(shè)備包括真空室、線性離子源、磁控濺射源和工件托架，具體包括以下步驟:
[0016]步驟1、清洗基底
[0017]將基底置于真空室的工件托架上，開(kāi)啟線性離子源，向線性離子源通入氬氣清洗基底；
[0018]步驟2、在基底表面沉積金屬多元復(fù)合類金剛石涂層:
[0019]同時(shí)開(kāi)啟線性離子源和磁控濺射源，磁控濺射源為第一摻雜金屬與第二摻雜金屬的復(fù)合靶，向線性離子源通入CH4或C2H2碳?xì)錃怏w，向磁控濺射源通入氬氣，通過(guò)改變磁控濺射源電流和功率，控制沉積涂層中的金屬元素的原子百分比含量；
[0020]步驟3、真空室溫度降至室溫，取出基體，該基體表面即為所述多元復(fù)合類金剛石涂層。
[0021]所述的步驟I中，真空室氣壓優(yōu)選調(diào)整至2.7 X 10?.
[0022]所述的步驟I中，作為優(yōu)選，向線性離子源通入30?50sccm氬氣。
[0023]所述的步驟I中，作為優(yōu)選，線性離子源工作電流為0.2A，工作功率為260?400W。
[0024]所述的步驟I中，作為優(yōu)選，同時(shí)將基底負(fù)偏壓設(shè)為100?300V。
[0025]所述的步驟2中，作為優(yōu)選，復(fù)合靶中元素純度均大于或等于99.99%。
[0026]所述的步驟2中，作為優(yōu)選，復(fù)合靶中，第一摻雜金屬與第二摻雜金屬元素的原子含量比為1:3?3:1。
[0027]所述的步驟2中，作為優(yōu)選，向線性離子源通入CH4或C2H2碳?xì)錃怏w流量為30sccmo
[0028]所述的步驟2中，作為優(yōu)選，線性離子源的工作電流為0.2?1A，工作功率為250 ?320W。
[0029]所述的步驟2中，作為優(yōu)選，向磁控派射源通入IS氣流量為50sccm。
[0030]所述的步驟2中，作為優(yōu)選，磁控濺射靶功率為0.95?1.5KW，工作電流為2.5?3A。
[0031]所述的步驟2中，作為優(yōu)選，同時(shí)將基底負(fù)偏壓設(shè)為50?100V。
[0032]所述的步驟2中，作為優(yōu)選，工作氣壓保持在0.46Pa，沉積時(shí)間為I?2小時(shí)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1是實(shí)施例1以及對(duì)比實(shí)施例1-3中制得的Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層樣品中的殘余應(yīng)力和模量比較圖；
[0034]圖2是實(shí)施例1以及對(duì)比實(shí)施例4-5中制得的Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層樣品中的殘余應(yīng)力和模量比較圖；
[0035]圖3是實(shí)施例2以及對(duì)比實(shí)施例6-7中制得的W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層樣品中的殘余應(yīng)力和模量比較圖；
[0036]圖4是實(shí)施例3以及對(duì)比實(shí)施例8-9中制得的Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層樣品中的殘余應(yīng)力和模量比較圖。

【具體實(shí)施方式】
[0037]以下結(jié)合附圖、實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，需要指出的是，以下所述實(shí)施例旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
[0038]實(shí)施例1:
[0039]本實(shí)施例1中，Si基體表面的涂層為多元復(fù)合類金剛石涂層。該多元復(fù)合類金剛石涂層由類金剛石、第一摻雜元素Al以及第二摻雜元素為Cr元素組成，簡(jiǎn)稱Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層；并且，在所述的多元復(fù)合類金剛石涂層中，Al元素的原子百分含量為4.69%, Cr兀素的原子百分含量為1.56%。
[0040]采用線性離子束復(fù)合磁控濺射鍍膜設(shè)備制備上述Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層，該離子束復(fù)合磁控濺射鍍膜設(shè)備包括真空室、線性離子源、磁控濺射源和工件托架，具體包括以下步驟:
[0041]步驟1、清洗Si基體:
[0042]將Si基體置于真空室的工件托架上，將真空室氣壓調(diào)整到2.7 X 10?,開(kāi)啟線性離子源，向線性離子源通入40SCCm氬氣，線性離子源工作電流為0.2A，工作功率為260W，同時(shí)將基底負(fù)偏壓設(shè)為100V，工作時(shí)間為10分鐘；
[0043]步驟2、在Si基體表面沉積Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層:
[0044]同時(shí)開(kāi)啟線性離子源和磁控濺射源，磁控濺射源為Cr、Al復(fù)合靶，其中Cr、Al兩種金屬元素含量比例為1:3，且純度均3 99.99%,向線性離子源通入CH4，氣體流量為30SCCm，線性離子源的工作電流為0.2A，工作功率為250W ;向磁控濺射源通入氬氣，氣體流量為50SCCm，磁控濺射靶功率為1350W，工作電流為2.8A，同時(shí)將基底負(fù)偏壓設(shè)為50V，工作氣壓保持在0.46Pa，沉積時(shí)間為I小時(shí)；
[0045]步驟3、待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)腔體，取出Si基體，該Si基體表面即為所述Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層。
[0046]通過(guò)測(cè)試分析得到上述制得的Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層中，摻雜金屬元素的總原子百分含量為6.25%,其中Cr、Al金屬兀素的原子百分含量分別為1.56%>4.69%;該Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層的殘余應(yīng)力僅為0.21GPa,如圖1所示；該Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層的體模量為258GPa。
[0047]對(duì)比實(shí)施例1:
[0048]本實(shí)施例是上述實(shí)施例1的一個(gè)對(duì)比實(shí)施例。
[0049]本實(shí)施例中，Si基體表面的涂層為單一元素?fù)诫s的類金剛石涂層。該單一元素?fù)诫s的類金剛石涂層由類金剛石以及摻雜元素Cr組成，簡(jiǎn)稱單一 Cr摻雜類金剛石涂層；并且，在所述的單一 Cr摻雜類金剛石涂層中，Cr元素的原子百分含量為1.56%。
[0050]上述單一 Cr摻雜類金剛石涂層的制備方法與實(shí)施例1基本相同，所不同的是，步驟2中，在Si基底表面沉積單一 Cr摻雜類金剛石涂層，磁控濺射源為單質(zhì)Cr靶，其它工藝步驟均與實(shí)施例1相同。
[0051 ] 通過(guò)測(cè)試分析，上述制得的單一 Cr摻雜的類金剛石涂層中，摻雜Cr元素的原子百分含量為1.56% ;該Cr摻雜的類金剛石涂層的殘余應(yīng)力為0.91GPa，如圖1所示；該Cr摻雜的類金剛石涂層的模量為254GPa。
[0052]對(duì)比實(shí)施例2:
[0053]本實(shí)施例是上述實(shí)施例1的另一個(gè)對(duì)比實(shí)施例。
[0054]本實(shí)施例中，Si基體表面的涂層為單一元素?fù)诫s的類金剛石涂層。該單一元素?fù)诫s的類金剛石涂層由類金剛石以及摻雜元素Al組成，簡(jiǎn)稱單一 Al摻雜類金剛石涂層；并且，在所述的單一 Al摻雜類金剛石涂層中，Al元素的原子百分含量為4.69%。
[0055]上述單一 Al摻雜類金剛石涂層的制備方法與實(shí)施例1基本相同，所不同的是，步驟2中，在Si基底表面沉積單一 Al摻雜類金剛石涂層，磁控濺射源為單質(zhì)Al靶，其它工藝步驟均與實(shí)施例1相同。
[0056]通過(guò)測(cè)試分析，上述制得的單一Al摻雜的類金剛石涂層中，摻雜Al金屬的原子百分含量為4.69%;該Al摻雜的類金剛石涂層的殘余應(yīng)力為0.76GPa，如圖1所示。該Al摻雜的類金剛石涂層的模量為247GPa。
[0057]對(duì)比實(shí)施例3:
[0058]本實(shí)施例是上述實(shí)施例1的另一個(gè)對(duì)比實(shí)施例。
[0059]本實(shí)施例中，Si基體表面的涂層為多元復(fù)合類金剛石涂層。該多元復(fù)合類金剛石涂層由類金剛石、第一摻雜元素Al以及第二摻雜元素為Ti元素組成，簡(jiǎn)稱Ti/Al多元復(fù)合類金剛石涂層；并且，在所述的多元復(fù)合類金剛石涂層中，Al元素的原子百分含量為4.69%, Ti兀素的原子百分含量為1.56%。
[0060]上述Ti/Al多元復(fù)合類金剛石涂層的制備方法與實(shí)施例1基本相同，所不同的是，步驟2中，在Si基底表面沉積Ti/Al多元復(fù)合類金剛石涂層，磁控濺射源為T1、Al復(fù)合靶，其它工藝步驟均與實(shí)施例1相同。
[0061]通過(guò)測(cè)試分析，上述制得的Ti/Al多元復(fù)合類金剛石涂層中，摻雜金屬元素的總原子百分含量為6.25%,其中T1、Al兀素的原子百分含量分別為1.56%>4.69% ;該Ti/Al多元復(fù)合類金剛石涂層的殘余應(yīng)力為0.94GPa，如圖1所示。該Ti/Al多元復(fù)合類金剛石涂層的模量為248GPa。
[0062]對(duì)比實(shí)施例4:
[0063]本實(shí)施例是上述實(shí)施例1的另一個(gè)對(duì)比實(shí)施例。
[0064]本實(shí)施例中，Si基體表面的涂層為多元復(fù)合類金剛石涂層。該多元復(fù)合類金剛石涂層由類金剛石、第一摻雜元素Al以及第二摻雜元素為Cr元素組成，簡(jiǎn)稱Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層；并且，在所述的多元復(fù)合類金剛石涂層中，Al元素的原子百分含量為6.25%, Cr兀素的原子百分含量為1.56%。
[0065]上述Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層的制備方法與實(shí)施例1基本相同，所不同的是，步驟2中，在Si基底表面沉積Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層，磁控濺射源為Cr、Al復(fù)合靶，其中Cr、Al兩種金屬元素含量比例為1:4，其它工藝步驟均與實(shí)施例1相同。
[0066]通過(guò)測(cè)試分析，上述制得的Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層中，摻雜金屬元素的總原子百分含量為7.81%,其中Cr、Al兀素的原子百分含量分別為1.56%>6.25% ;該Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層的殘余應(yīng)力為0.7GPa，如圖2所示。該Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層的模量為250GPa。
[0067]對(duì)比實(shí)施例5:
[0068]本實(shí)施例是上述實(shí)施例1的另一個(gè)對(duì)比實(shí)施例。
[0069]本實(shí)施例中，Si基體表面的涂層為多元復(fù)合類金剛石涂層。該多元復(fù)合類金剛石涂層由類金剛石、第一摻雜元素Al以及第二摻雜元素為Cr元素組成，簡(jiǎn)稱Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層；并且，在所述的多元復(fù)合類金剛石涂層中，Al元素的原子百分含量為1.56%, Cr兀素的原子百分含量為6.25%。
[0070]上述Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層的制備方法與實(shí)施例1基本相同，所不同的是，步驟2中，在Si基底表面沉積Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層，磁控濺射源為Cr、Al復(fù)合靶，其中Cr、Al兩種金屬元素含量比例為4:1，其它工藝步驟均與實(shí)施例1相同。
[0071]通過(guò)測(cè)試分析，上述制得的Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層中，摻雜金屬元素的總原子百分含量為7.81%,其中Cr、Al兀素的原子百分含量分別為6.25%>1.56% ;該Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層的殘余應(yīng)力為0.63GPa，如圖2所示。該Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層的模量為259GPa。
[0072]對(duì)比上述實(shí)施例1、對(duì)比實(shí)施例1-5，可以得到:
[0073](I)相對(duì)于單一摻雜，該Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層不僅具有高硬度，而且具有低應(yīng)力；
[0074](2)在相同的金屬元素含量下，相對(duì)Cr/Al多元復(fù)合類金剛石涂層，Ti/Al多元復(fù)合類金剛石涂層的應(yīng)力反而增大，這是因?yàn)門1-C之間的較強(qiáng)的共價(jià)鍵特征，使得碳結(jié)構(gòu)中的畸變C-C鍵長(zhǎng)不能充分弛豫，從而導(dǎo)致應(yīng)力不降低，反而增大；
[0075](3)在相同的共摻雜元素條件下，當(dāng)Al的摻雜量控制在1.56%?4.69%,Cr的摻雜量控制在1.56%?4.69%時(shí)，涂層綜合性能最好。
[0076]實(shí)施例2:
[0077]本實(shí)施例2中，Si基體表面的涂層為多元復(fù)合類金剛石涂層。該多元復(fù)合類金剛石涂層由類金剛石、第一摻雜元素Al以及第二摻雜元素為W元素組成，簡(jiǎn)稱W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層；并且，在所述的多元復(fù)合類金剛石涂層中，Al元素的原子百分含量為1.56%, W兀素的原子百分含量為1.56%。
[0078]采用線性離子束復(fù)合磁控濺射鍍膜設(shè)備制備上述W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層，該離子束復(fù)合磁控濺射鍍膜設(shè)備包括真空室、線性離子源、磁控濺射源和工件托架，具體包括以下步驟:
[0079]步驟1、清洗Si基體:
[0080]將Si基體置于真空室的工件托架上，將真空室氣壓調(diào)整到2.7 X 10?,開(kāi)啟線性離子源，向線性離子源通入40SCCm氬氣，線性離子源工作電流為0.2A，工作功率為260W，同時(shí)將基底負(fù)偏壓設(shè)為100V，工作時(shí)間為10分鐘；
[0081]步驟2、在Si基體表面沉積W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層:
[0082]同時(shí)開(kāi)啟線性離子源和磁控濺射源，磁控濺射源為W、A1復(fù)合靶，其中W、A1兩種金屬元素含量比例為1:1，且純度均3 99.99%，向線性離子源通入CH4，氣體流量為30SCCm，線性離子源的工作電流為0.2A，工作功率為250W;向磁控濺射源通入氬氣，氣體流量為50SCCm，磁控濺射靶功率為950W，工作電流為2.5A，同時(shí)將基底負(fù)偏壓設(shè)為50V，工作氣壓保持在0.46Pa，沉積時(shí)間為I小時(shí)；
[0083]步驟3、待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)腔體，取出Si基體，該Si基體表面即為所述W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層。
[0084]通過(guò)測(cè)試分析得到上述制得的W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層中，摻雜金屬元素的總原子百分含量為3.13%,其中W、Al金屬兀素的含量分別為1.56%、1.56%;該W/A1多兀復(fù)合類金剛石涂層的殘余應(yīng)力僅為0.lGPa，如圖3所示。該W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層的模量為266GPa。
[0085]對(duì)比實(shí)施例6:
[0086]本實(shí)施例是上述實(shí)施例2的一個(gè)對(duì)比實(shí)施例。
[0087]本實(shí)施例中，Si基體表面的涂層為多元復(fù)合類金剛石涂層。該多元復(fù)合類金剛石涂層由類金剛石、第一摻雜元素Al以及第二摻雜元素為W元素組成，簡(jiǎn)稱W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層；并且，在所述的多元復(fù)合類金剛石涂層中，Al元素的原子百分含量為6.25%,W兀素的原子百分含量為1.56%。
[0088]上述W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層的制備方法與實(shí)施例2基本相同，所不同的是，步驟2中，在Si基底表面沉積W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層，磁控濺射源為W、A1復(fù)合靶，其中W、Al兩種金屬元素含量比例為1:4，其它工藝步驟均與實(shí)施例2相同。
[0089]通過(guò)測(cè)試分析，上述制得的W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層中，摻雜金屬元素的總原子百分含量為7.81%,其中W、A1兀素的原子百分含量分別為1.56%>6.25%;該W/A1多兀復(fù)合類金剛石涂層的殘余應(yīng)力為1.16GPa，如圖3所示。該W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層的模量為248GPa。
[0090]對(duì)比實(shí)施例7:
[0091]本實(shí)施例是上述實(shí)施例2的另一個(gè)對(duì)比實(shí)施例。
[0092]本實(shí)施例中，Si基體表面的涂層為多元復(fù)合類金剛石涂層。該多元復(fù)合類金剛石涂層由類金剛石、第一摻雜元素Al以及第二摻雜元素為W元素組成，簡(jiǎn)稱W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層；并且，在所述的多元復(fù)合類金剛石涂層中，Al元素的原子百分含量為1.56%,W兀素的原子百分含量為6.25%。
[0093]上述W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層的制備方法與實(shí)施例2基本相同，所不同的是，步驟2中，在Si基底表面沉積W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層，磁控濺射源為W、A1復(fù)合靶，其中W、Al兩種金屬元素含量比例為4:1，其它工藝步驟均與實(shí)施例2相同。
[0094]通過(guò)測(cè)試分析，上述制得的W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層中，摻雜金屬元素的總原子百分含量為7.81%,其中W、A1兀素的原子百分含量分別為6.25%>1.56%;該W/A1多兀復(fù)合類金剛石涂層的殘余應(yīng)力為1.17GPa，如圖3所示。該W/A1多元復(fù)合類金剛石涂層的模量為267GPa。
[0095]實(shí)施例3:
[0096]本實(shí)施例2中，Si基體表面的涂層為多元復(fù)合類金剛石涂層。該多元復(fù)合類金剛石涂層由類金剛石、第一摻雜元素Cu以及第二摻雜元素為Cr元素組成，簡(jiǎn)稱Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層；并且，在所述的多元復(fù)合類金剛石涂層中，Cu元素的原子百分含量為1.56%, Cr兀素的原子百分含量為1.56%。
[0097]采用線性離子束復(fù)合磁控濺射鍍膜設(shè)備制備上述Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層，該離子束復(fù)合磁控濺射鍍膜設(shè)備包括真空室、線性離子源、磁控濺射源和工件托架，具體包括以下步驟:
[0098]步驟1、清洗Si基體:
[0099]將Si基體置于真空室的工件托架上，將真空室氣壓調(diào)整到2.7 X 10?,開(kāi)啟線性離子源，向線性離子源通入40SCCm氬氣，線性離子源工作電流為0.2A，工作功率為260W，同時(shí)將基底負(fù)偏壓設(shè)為100V，工作時(shí)間為10分鐘；
[0100]步驟2、在Si基體表面沉積Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層:
[0101]同時(shí)開(kāi)啟線性離子源和磁控濺射源，磁控濺射源為Cr、Cu復(fù)合靶，其中Cr、Cu兩種金屬元素含量比例為1:1，且純度均3 99.99%,向線性離子源通入CH4，氣體流量為30SCCm，線性離子源的工作電流為0.2A，工作功率為250W ;向磁控濺射源通入氬氣，氣體流量為50SCCm，磁控濺射靶功率為950W，工作電流為2.5A，同時(shí)將基底負(fù)偏壓設(shè)為50V，工作氣壓保持在0.46Pa，沉積時(shí)間為I小時(shí)；
[0102]步驟3、待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)腔體，取出Si基體，該Si基體表面即為所述Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層。
[0103]通過(guò)測(cè)試分析得到上述制得的Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層中，摻雜金屬元素的總原子百分含量為3.13%，其中W、Al金屬元素的含量分別為1.56%、1.56% ;該Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層的殘余應(yīng)力僅為0.06GPa，如圖4所示。該Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層的模量為267GPa。
[0104]對(duì)比實(shí)施例8:
[0105]本實(shí)施例是上述實(shí)施例3的一個(gè)對(duì)比實(shí)施例。
[0106]本實(shí)施例中，Si基體表面的涂層為多元復(fù)合類金剛石涂層。該多元復(fù)合類金剛石涂層由類金剛石、第一摻雜元素Cu以及第二摻雜元素為Cr元素組成，簡(jiǎn)稱Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層；并且，在所述的多元復(fù)合類金剛石涂層中，Cu元素的原子百分含量為6.25%, Cr兀素的原子百分含量為1.56%。
[0107]上述Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層的制備方法與實(shí)施例3基本相同，所不同的是，步驟2中，在Si基底表面沉積Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層，磁控濺射源為Cr、Cu復(fù)合靶，其中Cr、Cu兩種金屬元素含量比例為1:4，其它工藝步驟均與實(shí)施例3相同。
[0108]通過(guò)測(cè)試分析，上述制得的Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層中，摻雜金屬元素的總原子百分含量為7.81%，其中Cr、Cu元素的原子百分含量分別為1.56%、6.25% ;該Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層的殘余應(yīng)力為0.74GPa，如圖4所示。該Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層的模量為25 IGPa。
[0109]對(duì)比實(shí)施例9:
[0110]本實(shí)施例是上述實(shí)施例3的另一個(gè)對(duì)比實(shí)施例。
[0111]本實(shí)施例中，Si基體表面的涂層為多元復(fù)合類金剛石涂層。該多元復(fù)合類金剛石涂層由類金剛石、第一摻雜元素Cu以及第二摻雜元素為Cr元素組成，簡(jiǎn)稱Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層；并且，在所述的多元復(fù)合類金剛石涂層中，Cu元素的原子百分含量為1.56%, Cr兀素的原子百分含量為6.25%。
[0112]上述Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層的制備方法與實(shí)施例3基本相同，所不同的是，步驟2中，在Si基底表面沉積Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層，磁控濺射源為Cr、Cu復(fù)合靶，其中Cr、Cu兩種金屬元素含量比例為4:1，其它工藝步驟均與實(shí)施例3相同。
[0113]通過(guò)測(cè)試分析，上述制得的Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層中，摻雜金屬元素的總原子百分含量為7.81%，其中Cr、Cu元素的原子百分含量分別為6.25%、1.56% ;該Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層的殘余應(yīng)力為0.28GPa，如圖4所示。該Cr/Cu多元復(fù)合類金剛石涂層的模量為262GPa。
[0114]以上所述的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充或類似方式替代等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層，其特征在于:位于基體表面，由類金剛石、第一摻雜元素以及第二摻雜元素組成，所述的第一摻雜元素為Al元素或Cu元素，第二摻雜元素為Cr元素或W元素；并且，在所述的多元復(fù)合類金剛石涂層中，第一摻雜元素的原子百分比含量為1.56%?4.69%,第二慘雜兀素的原子百分比含量為1.56%?4.69%。
2.如權(quán)利要求1所述的高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層，其特征在于:所述的多元復(fù)合類金剛石涂層的厚度為0.3?4 μ m。
3.如權(quán)利要求1所述的高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層，其特征在于:所述的多元復(fù)合類金剛石涂層的應(yīng)力值為0.06?0.25GPa，硬度值為20?30GPa。
4.如權(quán)利要求1所述的高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層，其特征在于:所述的多元復(fù)合類金剛石涂層與鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)在0.1以下。
5.如權(quán)利要求1所述的高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層，其特征在于:所述的基體是硬質(zhì)合金、各類鋼材、鋁合金、鎂合金。
6.制備如權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層的方法，其特征在于:采用離子束復(fù)合磁控濺射鍍膜設(shè)備，該設(shè)備包括真空室、線性離子源、磁控濺射源和工件托架，具體包括以下步驟: 步驟1、將基底置于真空室的工件托架上，開(kāi)啟線性離子源，向線性離子源通入氬氣清洗基底； 步驟2、同時(shí)開(kāi)啟線性離子源和磁控濺射源，磁控濺射源為第一摻雜金屬與第二摻雜金屬的復(fù)合靶，向線性離子源通入CH4或C2H2碳?xì)錃怏w，向磁控濺射源通入氬氣，通過(guò)改變磁控濺射源電流和功率，控制沉積涂層中的金屬元素的原子百分比含量； 步驟3、真空室溫度降至室溫，取出基體，該基體表面即為所述多元復(fù)合類金剛石涂層。
7.如權(quán)利要求6所述的所述的高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層的制備方法，其特征在于:所述的步驟I中，線性離子源工作電流為0.2A，工作功率為260?400W。
8.如權(quán)利要求6所述的所述的高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層的制備方法，其特征在于:所述的步驟2中，線性離子源的工作電流為0.2?1A，工作功率為250?320W。
9.如權(quán)利要求6所述的所述的高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層的制備方法，其特征在于:所述的步驟2中，磁控濺射靶功率為0.95?1.5KW，工作電流為2.5?3A。
10.如權(quán)利要求6所述的所述的高硬度、低應(yīng)力的多元復(fù)合類金剛石涂層的制備方法，其特征在于:所述的步驟2中，同時(shí)將基底負(fù)偏壓設(shè)為50?100V。
【文檔編號(hào)】C23C14/06GK104294230SQ201410528262
【公開(kāi)日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】李曉偉, 汪愛(ài)英, 張棟, 柯培玲, 許輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所