本发明涉及一种复合厚膜及其镀膜方法，尤其是一种基于类金刚石薄膜的复合厚膜及其镀膜方法。
背景技术：
类金刚石薄膜是一种含有大量sp3键的亚稳态非晶碳薄膜，碳原子间主要以sp3和sp2杂化键结合，性能接近于金刚石，类金刚石具有和金刚石几乎一样的特性，由于具有高硬度和高弹性模量，低摩擦因数，耐磨损以及良好的真空摩擦学特性，很适合于作为耐磨涂层，因而通过气相沉积工艺获得的类金刚石薄膜在众多有耐磨、硬度要求的零件上得到广泛应用。
常规的类金刚石薄膜制备往往采用单一的电弧技术、磁控溅射技术或者离子束辅助沉积技术，而单一的技术在制备类金钢石涂层时存在一定缺陷，主要表现制备的类金刚石涂层的厚度仅能在2~4μm之间。
然而，无论是在什么样的零件上使用，一般来说，在满足零件尺寸要求的前提下，整个涂层的厚度，尤其是其中类金刚石薄膜的厚度往往是越厚越好，这样零件的耐磨性和硬度会相应提高，然而采用单一工艺制备时，一旦整个涂层的厚度增加，尤其是其中类金刚石薄膜的厚度增加，就会导致整个涂层内应力增大，影响涂层和基材的结合力，导致涂层易与基材剥离，这就对涂层的使用寿命和效率产生影响，因此，涂层厚度与膜基结合力的矛盾的调和成为亟待解决的问题。
同时，随着涂层以及类金刚石薄膜厚度的增加，涂层表面产生的缺陷增多，涂层表面的粗糙度增加，摩擦系数也会增大。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种基于类金刚石薄膜的复合厚膜及其镀膜方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
基于类金刚石薄膜的复合厚膜，包括由基材表面向外依次形成的金属底层、过渡层及类金刚石层，所述过渡层是采用磁控溅射和增强型阴极电弧技术同时工作形成的两种膜层交错堆叠的混合物层，所述类金刚石层的厚度在1~10μm之间。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的复合厚膜，其中：所述金属底层是cr层、ti层或ni层中的一种，并通过磁控溅射技术生成，其厚度在0.2~1μm之间。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的复合厚膜，其中：所述过渡层的厚度在1~10μm之间。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的复合厚膜，其中：所述过渡层中的两种膜层是c层和cr层或wc层或ti层。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的复合厚膜，其中：所述类金刚石层为无氢类金刚石层，并通过增强型阴极电弧技术生成。
基于类金刚石薄膜的复合厚膜的镀膜方法，包括如下步骤：
s1，将基材清洗后放入真空腔内，进行等离子体清洗；
s2，在0.5~3.0pa的工艺真空度下，以cr、ti或ni为靶材，在经过清洗的基材表面磁控溅射一层金属底层；
s3，在0.5~3.0pa的工艺真空度下，同时开启cr、wc或ti靶材的磁控溅射溅射电源以及c靶材的电弧电源，并通过控制两个靶材的电源功率配比为2:1-4:1之间，在金属底层表面形成包含两种交错堆叠的膜层的过渡层；
s4，以石墨靶材为碳源，采用增强型阴极电弧技术在过渡层上形成1~10μm的类金刚石层。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的复合厚膜的镀膜方法，其中：所述s1步骤包括如下过程：
s11，将基材放入碱性溶液中超声波震荡清洗；
s12，将经过s11步骤的基材在过滤纯水中超声波震荡清洗；
s13，将经过s12步骤的基材在烘干箱中完成烘干；
s14，将经过s13步骤的基材放入真空腔后，开始将真空腔抽真空，达到5×10-3pa的真空度后，开启加热器加热保持100℃，然后通入氩气，并继续抽真空，保持工艺真空度为0.5~3.0pa，开启阳极层离子束，电压为1000v~2000v,开启偏压电源，偏压电源设定在800v~2000v，对基材进行30~90min的等离子体清洗。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的复合厚膜的镀膜方法，其中：在s2步骤中，所述cr、ti或ni靶材的磁控溅射电源的功率控制在1~4kw之间，且工件上施加-30v~-1000v的负偏压，沉积时间为3~50min，形成的金属底层的厚度在0.2μm~1μm之间。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的复合厚膜的镀膜方法，其中：在s3步骤中，所述cr、wc或ti靶材的磁控溅射电源功率2~4kw；所述c靶材的电弧电源功率为1~2kw。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的复合厚膜的镀膜方法，其中：在s3步骤中，所述采用磁控溅射和增强型阴极电弧技术同时沉积的时间为60~200min，形成的过渡层的厚度在1~10μm之间。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的复合厚膜的镀膜方法，其中：在s4步骤中，所述石墨靶材的电弧电源的功率为800~2000w，沉积时间为60~200min。
本发明技术方案的优点主要体现在：
本发明设计精巧，结构简单，通过使过渡层采用两种膜层交替堆叠的结构，充分发挥磁控溅射膜层的内应力小以及增强型阴极电弧膜层的硬度大的优点，实现过渡层硬度大和内应力小的有效结合，而硬度大和应力小都有助于实现类金刚石层厚度的增加，最终形成的复合厚膜的厚度达到20μm以上，并且可以有效缓冲厚膜功能层带来的巨大应力，从而保障复合厚膜与基材的结合力，同时能够有效降低复合厚膜的表面缺陷。
本发明的镀膜方法，过程简单，控制便利，使用两种不同镀膜方法同时工作并按照一定的电源功率匹配来有效的控制过渡层的结构来实现硬度大和应力小的有效结合，该方法获得的复合厚膜的附着性优于传统类金刚石薄膜，同时，采用增强型阴极电弧的方法的沉积速率快，可以有效提高镀膜效率，通过多种pvd技术的融合及工艺参数的设置，提供了一种工艺稳定性高、效果好的类金刚石厚膜的加工方法。
本发明将多种镀膜方法结合，克服了磁控溅射和增强型阴极电弧技术同时工作时相互间产生的污染，整个过程无污染，绿色环保。
附图说明
图1是本发明的薄膜结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了基于类金刚石薄膜的复合厚膜，包括由基材4表面向外依次形成的金属底层1、过渡层2及类金刚石层3，其中，所述金属底层1是cr层、ti层或ni层中的一种，并通过磁控溅射技术生成，其厚度在0.2~1μm之间，金属cr、ti或ni有利于增强整个复合厚膜与基材的结合力。
所述过渡层2是采用磁控溅射和增强型阴极电弧技术同时工作形成的两种膜层交错堆叠的混合物层，所述两种膜层是c层和cr层或wc层或ti层，它们形成的所述过渡层2的厚度在1~10μm之间。
并且，由于当dlc涂层用于水环境时，有氢dlc中的氢元素受水环境影响，进而影响到复合厚膜的性能，因此，所述类金刚石层3优选为无氢类金刚石层，并通过增强型阴极电弧技术生成，所述类金刚石层3的厚度在1~10μm之间。
所以，最终得到的基于类金刚石薄膜的复合厚膜的总厚度能够达到20μm，相对于常规的类金刚石薄膜，本发明的厚度实现了大幅度的增长，同时，本发明的复合厚膜与基材的结合力良好，达到120n以上，实现了复合厚膜的厚度增加和膜基结合力提高的有效统一。
本发明进一步揭示了一种上述的基于类金刚石薄膜的复合厚膜的镀膜方法，包括如下步骤：
s1，将基材清洗后放入真空腔内，进行等离子体清洗；
其具体又包括如下步骤：
s11，将基材放入碱性溶液中超声波震荡清洗；
s12，将经过s11步骤清洗的基材在过滤纯水中超声波震荡清洗；
s13，将经过s12步骤清洗的基材在烘干箱中完成烘干；
s14，将经过s13步骤的基材放入真空腔后，开始将真空腔抽真空，达到5×10-3pa的真空度后，开启加热器加热达到100℃，然后通入纯度为99.999%的高纯氩气，控制氩气的通入流量为10~70sccm,并继续抽真空，保持工艺真空度为0.5~3.0pa，接着，开启阳极层离子束，电压为1000v~2000v,开启偏压电源，偏压电源设定在800v~2000v，对基材进行30~90min的等离子体清洗。
s2，在0.5~3.0pa的工艺真空度下，以cr、ti或ni为靶材，在经过清洗的基材表面磁控溅射一层金属底层1，在磁控溅射过程中，所述cr、ti或ni靶材的磁控溅射电源的功率控制在1~4kw之间，且工件上施加-30v~-1000v的负偏压，沉积时间为3~50min，从而在基材4上形成厚度在0.2μm~1μm之间的金属底层1。
s3，在真空度抽到5.0×10-3pa时，向真空腔内通入纯度为99.999%的高纯氩气，并控制氩气的通入流量为20~120sccm，并在0.5~3.0pa的工艺真空度下，同时开启cr、wc或ti靶材的磁控溅射溅射电源以及c靶材的电弧电源，并控制磁控溅射溅射电源以及c靶材的电弧电源的功率配比为2:1-4:1，具体来来说，控制所述cr、wc或ti靶材的磁控溅射电源功率为2~4kw；所述c靶材的电弧电源功率为1~2kw，控制所述采用磁控溅射和增强型阴极电弧技术同时沉积的时间为60~200min，从而在金属底层1表面形成厚度在1~10μm之间的上述过渡层2。
经发明人研究发现，将磁控溅射和增强型阴极电弧技术相结合后，所得到的基于类金刚石薄膜的复合厚膜的附着性提高，这是由于磁控溅射和增强型阴极电弧的结合使得膜层在制备过程中呈现多层叠加的结构，其中，磁控溅射制备的膜层（软质膜层）硬度相对较低，约18gpa左右，内应力较小，而增强型阴极电弧制备的膜层（硬质膜层）的硬度较高，在25gpa以上，但存在较大的内应力，但两者交替堆叠后有效的结合了两种膜层的优点，实现了复合厚膜的高硬度和低内应力。
详细来说，是由于过渡层2在生长过程中长成柱状晶结构，柱状晶生长过程中会出现大颗粒之类的缺陷从而导致更大的内应力，通过软质膜层、硬质膜层交错堆叠，能够打断柱状晶的纵向生长，减少晶粒之间的缺陷或空位，进而减小柱状晶自身缺陷产生的内应力。
另一方面，这种软质膜层和硬质膜层的结合使得过渡层2还使得硬质膜层的内应力得到释放，这是由于软质膜层的韧性较好，能产生较大的形变，硬质膜层沉积在上面时，硬质膜层内部的应力通过与软质膜层的结合而得到释放，从而起到进一步降低整个过渡层2内应力的目的。
而过渡层的硬度提高，有利于在其上沉积更后的类金刚石层，同时过渡层的内应力降低，使得整个复合厚膜内部的应力降低，进而提高整个复合厚膜与基材的附着性；同时，由于整个复合厚膜的内部应力降低，使得复合厚膜在生长过程中不会沿某一方向生长，有效降低膜层的表面缺陷。
另外发明人还发现：磁控溅射和增强型阴极电弧技术同时工作时的污染主要表现为两列靶同时工作，由于功率上的差异会使其中一种靶材表面出现另外一种靶材元素，导致两种元素的比例出现异常，针对此种情况，发明人进一步研究发现：通过对两种靶材的电源功率进行调整，使功率配比控制在2:1-4:1范围内，两种材料的比例可以控制在这个范围内，制备涂层结构导致的性能不发生影响。
并且，如果它们的功率配比大于4:1，获得的复合厚膜的硬度会降低；如果它们的功率配比小于2:1，获得的复合厚膜的内应力较大，导致复合厚膜与基材的附着力下降。
s4，以石墨靶材为碳源，采用增强型阴极电弧技术在过渡层2上形成1~10μm的类金刚石层3，在沉积过程中，控制所述石墨靶材的电弧电源的功率为800~2000w，沉积时间为60~200min。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。