专利名称：一种纳米晶复合涂层的制备方法
技术领域：
本 发明涉及一种抗磨损能力的硬质涂层的制备方法，具体涉及一种含有高温(800-1000摄氏度)自润滑性能的纳米晶复合涂层的制备方法。
背景技术：
随着工业水平的不断发展，零部件的服役环境随之发生较大变化，这对零部件表面的红硬性和抗氧化性能等的要求越来越高，传统的单一涂层(TiN或CrN等)很难满足工业要求，超硬涂层的出现被认为是解决以上难题的有效办法。超硬涂层是指维氏硬度MOGPa，表现出良好的抗磨损能力的硬质涂层。金刚石、类金刚石、C-BN和B-C-N超硬涂层属于本质特征的硬度涂层。金刚石涂层是新型涂层材料，具有超高的硬度(70-90GPa)。化学气相沉积是金刚石涂层的常用制备方法，用涂覆金刚石涂层的刀具加工复合材料，其寿命是普通刀具的50-80倍，但在高温服役环境下，涂层易与氧反应，涂层和基体之间也容易发生扩散，因而，金刚石涂层不适于在高温服役环境下应用。类金刚石(DLC)涂层是具有高硬度和良好自润滑特性的硬质涂层，结构上由Sp2和Sp3杂化形成亚稳态结构，Sp2结构代表涂层很多类似石墨的特性，而Sp3结构代表涂层很多类似于金刚石的特性。在制备上，类金刚石(DLC)涂层的沉积温度低，表面质量好，工艺也相对成熟，目前已应用到很多领域，如抗磨损涂层、磁盘保护膜等。但类金刚石涂层的热稳定性差，高温下易发生石墨化转变，造成涂层剥落失效，不适于高温下应用。c-BN是人工合成的超硬涂层材料，硬度仅次于金刚石，具有良好的抗氧化特性，并展现出广阔的应用前景。一些研究者利用N和B原子取代C原子，合成了立方结构的B-C-N超硬涂层，该涂层兼具金刚石和c-BN的性能，如超高硬度和良好高温性能等，计算结果表明，其模量高达445GPa，B-C-N涂层应用中的主要问题是合成工艺条件复杂，当前仍处于实验室研究阶段，距离大规模工业应用还有很大的距离。纳米晶复合涂层是根据Stan.Veprek教授等人提出的纳米晶/非晶设计理念而提出的，基于该理念制备的TiSiN涂层具有典型的n-TiN/a-Si3N4纳米晶复合结构。与金刚石、类金刚石、c-BN和纳米晶多层膜等超硬涂层相比，纳米晶复合涂层(如TiSiN或TiAlSiN)不但表现出超高的硬度，同时还具有良好的热稳定性、高温抗氧化性和优良的抗磨损能力，室温长时间时效处理后仍保持着稳定的力学性能。纳米晶复合涂层的制备方法主要包括:等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)、磁控溅射和多弧离子镀等，都可以用来制备纳米晶复合涂层，上述制备方法制备的纳米晶复合涂层随然具有超高的硬度和良好的高温性能，但同时也伴随着相对较高的摩擦系数。已有研究表明，低摩擦系数能有效地降低刀具切削过程中接触点的温度，减轻了刀具以及工件的热载，因此，超硬、自润滑的纳米晶复合涂层已经成为刀具涂层的一个重要的发展方向
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种具有超高的硬度、良好的热稳定性、高温抗氧化性和优良的抗磨损能力，同时含有高温自润滑性能的纳米晶复合涂层的制备方法。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是:一种纳米晶复合涂层的制备方法，通等离子体浸没离子注入与沉积法制备纳米晶复合涂层，其具体步骤为:I)真空室内抽真空至压力< lX10_2Pa ；2)采用阴极弧等离子体装置，通过Ti阴极和SiAl阴极对等离子体装置的阳极进行阴极弧放电产生T1、S1、Al等离子体，再通过约束磁场引入真空室；Ti阴极的脉冲放电电流为60-140A，脉冲持续时间为l-4ms，频率为l_500Hz ；SiAl阴极的脉冲放电电流为60-140A，脉冲持续时间为l-4ms，频率与钛阴极的放电频率相同；3)真空室内通入N2和C2H2, N2流量为10-50标况毫升每分(sccm)，C2H2流量为10-50标况毫升每分(sccm),气压调整至0.1-1Pa ；4)通过偏压(脉冲偏压或直流偏压)吸引T1、S1、Al离子，与吸附在试件表面的氮、碳和氢的分子及原子反应，合成得到具有高温(800-1000°C)自润滑性能的纳米晶复合涂层；可控多元阴极弧等离子体形成装置的靶台施加脉冲或直流偏压吸引T1、S1、Al离子，偏压幅值为l_50kV，脉冲持续时间100±5us，脉冲频率100±5Hz。步骤2)中所述阴极弧等离子体装置为:可控多元阴极弧等离子体形成装置，该装置为专利ZL200810136989.3公开技术方案。所述Ti阴极中Ti纯度为99.9fft.% ;所述SiAl阴极中，所述SiAl阴极中Si含量为 70 ± IWt.%。所述的N2纯度彡99.99fft.% ;所述的C2H2纯度彡99.99fft.%。
本发明有益效果:本发明通过调整不同阴极的主弧脉冲持续时间及气体流量比率来制备具有自润滑性能的纳米晶复合涂层，在获得超硬TiAlSiN涂层的基础上，在纳米晶复合涂层中引入自润滑结构，从而实现其在高温下的自润滑性能。
图1为纳米晶涂层涂层Raman测试结果；图2为纳米晶涂层的TEM测试结果；图3为纳米晶涂层的摩擦曲线；图4为纳米晶涂层不同温度条件下纳米晶涂层的摩擦曲线；图5为纳米晶涂层硬度测试结果；图6为C2纳米晶涂层硬度随应用温度变化图。
具体实施例方式以下实施例是对本发明进行更为详尽的描述，但不对本发明产生任何限制。实施例1I)真空室内抽真空至压力< lX10_2Pa ；2)Ti阴极的脉冲放电电流为120A，脉冲持续试件为3ms，频率为100Hz ；SiAl阴极的脉冲放电电流为120A，脉冲持续时间为2ms ;频率为IOOHz ；3)真空室内通入NjPC2H2, N2流量为40sccm，C2H2流量为lOsccm，控制气压为0.3Pa ；4)靶台施加脉冲或直流偏压吸引T1、S1、Al离子，偏压幅值为20kV，脉冲持续时间lOOus，脉冲频率IOOHz ;脉冲偏压或直流偏压吸引T1、S1、Al离子，与吸附在试件表面的氮、碳和氢的分子及原子反应，合成得到具有高温(800-1000°C)自润滑性能的纳米晶复合涂层，标记为Cl。实施例2I)真空室内抽真空至压力< 5X10_2Pa ；2)Ti阴极的脉冲放电电流为120A，脉冲持续试件为3ms，频率为IOOHz ；SiAl阴极的脉冲放电电流为120A，脉冲持续时间为2ms，频率为IOOHz ；3)真空室内通入NjPC2H2, N2流量为25sccm，C2H2流量为25sccm，控制气压为0.3Pa;4)靶台施加脉冲或直流偏压吸引T1、S1、Al离子，偏压幅值为20kV，脉冲持续时间lOOus，脉冲频率IOOHz ;脉冲偏压或直流偏压吸引T1、S1、Al离子，与吸附在试件表面的氮、碳和氢的分子及原子反应，合成得到具有高温(800-1000°C)自润滑性能的纳米晶复合涂层，标记为C2。实施例3I)真空室内抽真空至压力< 5X10_2Pa ；2)Ti阴极的脉冲放电电流为120A，脉冲持续试件为3ms，频率为IOOHz ；SiAl阴极的脉冲放电电流为120A，脉冲持续时间为2ms，频率为IOOHz ；3)真空室内通入NjPC2H2, N2流量为lOsccm，C2H2流量为40sccm，控制气压为0.3Pa;4)靶台施加脉冲或直流偏压吸引T1、S1、Al离子，偏压幅值为20kV，脉冲持续时间lOOus，脉冲频率IOOHz ;脉冲偏压或直流偏压吸引T1、S1、Al离子，与吸附在试件表面的氮、碳和氢的分子及原子反应，合成得到具有高温(800-1000°C)自润滑性能的纳米晶复合涂层，标记为C3。制备结果分析图1所示为制备涂层Raman光谱的测试结果。从图1中可以看出:合成的涂层中具有典型的类金刚石结构，采用高斯拟合将曲线分为G峰(D峰(1550CHT1)。随着含碳量增加，ID/IG比值基本保持稳定。图2所示为制备涂层的透射电镜(TEM)测试结果。电子衍射证实TiCN (111)、(200)和(220)结构存在于制备的涂层中(图2 (a)、图2 (c)和图2(e))。高分辨透射电镜(HRTEM)像证实涂层具有典型的纳米晶复合结构，非晶结构主要为DLC，晶态结构主要为TiCN;此外，随着含碳量的增加，DLC含量增加，纳米晶粒尺寸降低，相邻晶粒的界面的宽度增加。图3所示为纳米晶涂层的摩擦曲线。当涂层的含碳量低时，纳米晶涂层具有较高的摩擦系数，同时也表现出一定的自润滑能力，随着含碳增加，涂层摩擦系数逐渐降低，表现出良好的自润滑特性。
图4所示为不同温度条件下纳米晶涂层的摩擦曲线。纳米晶涂层的摩擦曲线随着温度的变化无明显变化，说明制备的纳米晶图层在高温状态下仍能保持高的摩擦磨损性能图5所示为纳米晶涂层硬度测试结果。当涂层的含碳量低时，涂层具有超高的硬度50GPa，随着含碳增加，TiAlSiCN涂层硬度逐渐降低。图6所示为C2纳米晶涂层的硬度随温度测试结果。当涂层随温度升高，硬度无明显下降，当温度升高至800°C时，硬度仍在35Gpa以上。
权利要求
1.一种纳米晶复合涂层的制备方法，通过等离子体浸没离子注入与沉积法制备纳米晶复合涂层，其具体步骤为: 1)真空室内抽真空至压力<lX10_2Pa; 2)通过Ti阴极和SiAl阴极的阴极弧放电产生T1、S1、Al等离子体；Ti阴极的脉冲放电电流为60-140A，脉冲持续时间为l-4ms，频率为l_500Hz ；SiAl阴极的脉冲放电电流为60-140A，脉冲持续时间为l-4ms，频率为l_500Hz ； 3)真空室内通入N2和C2H2,N2流量为10-50sccm，C2H2流量为10_50sccm，气压调整至0.1-1Pa ； 4)通过偏压吸引T1、S1、Al离子，与吸附在试件表面的氮、碳和氢的气体分子及原子发生反应，合成得到纳米晶复合涂层；所述偏压幅值为l_50kV，脉冲持续时间100±5us，脉冲频率 100±5Hz。
2.根据权利要求1所述的一种纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于:所述Ti阴极中Ti的纯度彡99.9fft.%。
3.根据权利要求1所述的一种纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于:所述SiAl阴极中Si含量为70 ± IWt.%。
4.根据权利要求1所述的一种纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于:所述的N2纯度彡99.99fft.% ; 所述的C2H2纯度彡99.99fft.%。
全文摘要
本发明公开了一种纳米晶复合涂层的制备方法，通过等离子体浸没离子注入与沉积法制备纳米晶复合涂层，其具体步骤为1)真空室抽真空；2)Ti阴极和SiAl阴极通过电弧放电产生Ti、Si、Al等离子体；3)真空室内通N2和C2H2；4)偏压吸引Ti、Si、Al离子，与吸附在试件表面的N2和C2H2气体分子反应，合成得到纳米晶复合涂层。本发明通过调整不同阴极的主弧脉冲持续时间及气体流量比率来制备具有自润滑性能的纳米晶复合涂层，在获得超硬TiAlSiN涂层的基础上，在纳米晶复合涂层中引入自润滑结构，从而实现其在高温下的自润滑性能。
文档编号C23C14/06GK103074589SQ201310036558
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月31日 优先权日2013年1月31日
发明者王浪平, 王宇航, 王翔, 余忠 申请人:苏州格科特真空镀膜技术有限公司