一种基于离子束技术提高抛光光学玻璃的金刚石砂轮棒寿命的方法及设备与流程

本发明涉及射线束材料表面改性技术领域，特别涉及一种提高抛光手机屏幕的砂轮棒寿命的砂轮棒表面沉积超厚超硬以及摩擦系数高以及韧性好的(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜的方法。

背景技术：

光学玻璃属于低断裂韧性的硬脆材料，在加工过程中极易产生表面微裂纹、亚表层损伤等缺陷，故加工难度大，特别是在满足精度的前提下难以保证高效性。对于大批量的较大口径光学元件，在规定的时间内满足大批量的元件全表面面形精度的加工要求，对国家光学工业基础提出了极大挑战。第一步加工工序是使用固着磨料的砂轮对工件进行精密磨削，确保在较高的材料去除率下，实现较小的表面粗糙度和低水平的亚表层损伤，以减少后续的抛光时间。目前，光学玻璃的延展性磨削加工大多是采用粗加工，半精加工，精密/超精密加工的工序来实现。其中精密磨削主要采用细磨粒金刚石砂轮(树脂基和金属基)进行，但存在砂轮磨损严重、修整频繁、加工效率低等缺点。若能用大磨粒金刚石砂轮进行精密磨削，将大大降低砂轮磨损率，提高加工效率，并减少加工成本。树脂基金刚石砂轮结合剂主要是耐热性树脂粉末，经过一定的成型制备工艺，获得具有一定规格、形状的金刚石磨具。世界范围内的科研工作者对树脂结合剂金刚石磨具进行了大量的研究，归纳起来主要有：1)提高结合剂材料的耐热性；2)磨料表面镀覆处理研究；3)制备工艺研究。树脂结合剂的金刚石砂轮棒典型特点是：砂轮棒金刚石磨料钝化以后，容易脱落；不需要经常性的检修；加工精度高；对工件保护性好；磨削比较高：由于树脂结合剂金刚石磨具的这些优点和特点，使其在材料研磨、切削等加工领域占有重要的市场地位。

但树脂结合剂及其磨具也存在以下一些缺点：磨具耐热能力较差，不适合超高速磨削；结合剂和磨粒之间属于物理键合，结合强度差，抗外力冲击易损坏；使用寿命不长，加工成本略高。

新材料技术是我国乃至全世界都非常重视的研究领域之一，从我国″863″计划设立起就是其中的一个重要的研究领域，而材料表面改性技术是新材料研究的一个重要的方向。通过合适的表面改性处理，可以显著提高材料表面的多种性能，例如材料表面的光洁度、硬度、抗磨损、抗氧化、抗沙尘侵蚀以及耐温等性能，从而显著提高材料的使用寿命和工作效率，实现节约原材料、降低能源消耗等目的。

氮铝钛、氮铝锆以及碳氮铝钛等膜层的化学稳定性好，抗腐蚀和抗氧化性能优良，不易与被切削的金属发生反应，具有韧性好，热硬性高，能承受一定的弹性形变压力，非常适宜高速切削；有实验表明氮化涂层刀刃具比未涂刀刃具寿命提高4倍，极大地提高了涂层刀刃具的利用率。后来，随着气相沉积技术的发展，采用物理沉积方法沉积氮化钛涂层，极大地改善了涂层与基体的结合力，使它一举在工程上应用成功，可以说带来了一场涂层革命。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的之一是结合氮铝钛、氮铝锆以及碳氮铝钛膜层的超高硬度、超强韧性，同时利用金属真空蒸汽离子源(MEVVA)以及磁过滤真空弧沉积系统(FCVA)提出一种全新的在抛光光学玻璃的砂轮棒上沉积超厚超硬以及摩擦系数高以及韧性好的(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜的方法，能够制备得到改善金刚石的抗氧化、抗破损性能，同时提高金刚石砂轮棒磨削效率以及寿命的涂层。

进一步来讲，制备得到改善金刚石的抗氧化、抗磨损性能，同时提高金刚石砂轮棒磨削效率以及寿命的涂层方法包括：在所述金刚石砂轮表面利用高能金属离子束进行表面清洗得到金属清洗层；在金属清洗层表面制备金属″钉扎层″；在所述金属″钉扎层″上进行第一层(ZrAl)1-xNx膜沉积；在第一层膜表面沉积第二层TiAl合金膜层，形成释放应力金属层；在所第二层述释放应力层上沉积第三层AlTiCN膜层；在所述第三层膜层表面进行第四层(AlTi)1-xNx膜层沉积。

在一些实施例中，所述金刚石砂轮棒高能大束流金属离子束清洗形成清洗层包括：利用磁过滤金属阴极真空弧系统(FCVA)，向所述基材层溅射的元素为Ti，Al，TiAl合金等；其中，负压在400-1000V，清洗的金属束流强度为300-1000mA，清洗时间2-5min。

在一些实施例中，所述清洗层注入形成″钉扎层″包括：利用金属真空蒸汽离子源(MEVVA)，向所述基材层注入Ti或者Ni，；其中，Ti或者Ni的注入电压为4～12kV，束流强度为1～10mA，注入剂量为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm²，注入深度为70～120nm。

在一些实施例中，所述″钉扎层″表面沉积第一层(ZrAl)1-xNx包括：利用磁过滤金属阴极真空弧系统(FCVA)，沉积所述(ZrAl)1-xNx膜，采用的靶材为ZrAl阴极，起弧电流90～120A，弯管磁场2.0～4.0A，负压-200～600V，占空比为20～100％，氮气进气量为其中t时间为20-60s。

在一些实施例中，所述基材第一层膜表面沉积第二层TiAl膜包括：利用磁过滤金属阴极真空弧系统(FCVA)，沉积所述TiAl膜，采用的靶材为TiAl阴极，起弧电流90～120A，弯管磁场2.0～4.0A，负压-200～600V，占空比为20～100％，时间为20-60s。

在一些实施例中，所述基材第二层膜表面沉积第三层AlTiCN膜包括：利用磁过滤金属阴极真空弧系统(FCVA)，沉积所述AlTiCN膜，采用的靶材为TiAl阴极，起弧电流90～120A，弯管磁场2.0～4.0A，负压-200～600V，占空比为20～100％，乙炔进气量在30-50sccm，氮气的进气量在20-30sccm，时间为20-60s。

在一些实施例中，所述基材第三层膜表面沉积第四层(AlTi)1-xNx膜包括：利用磁过滤金属阴极真空弧系统(FCVA)，沉积所述(AlTi)1-xNx膜，采用的靶材为TiAl阴极，起弧电流90～120A，弯管磁场2.0～4.0A，负压-200～600V，占空比为20～100％，氮气的进气量为其中t时间为20-60s。

在一些实施例中，所述重复沉积(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜包括：利用磁过滤阴极真空弧(FCVA)系统，重复第一层至第四层工艺，磁过滤沉积得到所述(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜，直至膜层厚度为10～30微米，重复周期10-100次。

相应的，本发明实施例在金刚石砂轮棒表面沉积(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜的制备设备包括：注入装置，用于形成″钉扎层″，提高膜基结合力；沉积装置，用于在所述金属″钉扎层″上进行合金膜层以及合金氮化物沉积。

在一些实施例中，所述沉积装置包括：

第一沉积装置，用于利用所述磁过滤阴极真空弧FCVA系统，在所述金刚石基底上磁过滤沉积出金属清洗膜层；其中，所述金属膜层元素为Ti，Ni，TiAl合金等，厚度为10～500nm；

第二沉积装置，用于利用磁过滤阴极真空弧FCVA系统，在所述″钉扎层″上磁过滤沉积出第一层(ZrAl)1-xNx膜膜层，厚度为10～500nm；

第三沉积装置，用于利用磁过滤阴极真空弧FCVA系统，在第一层之上磁过滤沉积得到第二层应力释放膜层，膜层元素为Ti，Al或TiAl合金；其中，所述第二层膜的厚度为10～500nm。

第四沉积装置，用于利用磁过滤阴极真空弧FCVA系统，在第二层之上磁过滤沉积得到第三层AlTiCN膜层，膜层元素为TiAl合金，C和N；其中，所述第三层膜的厚度为10～500nm。

第五沉积装置，用于利用磁过滤阴极真空弧FCVA系统，在第三层之上磁过滤沉积得到第四层(TiAl)1-xNx膜层，膜层元素为TiAl合金和N；其中，所述第四层膜的厚度为10～500nm。

在一些实施例中，所述注入装置包括：注入装置，用于利用金属蒸汽离子源(MEVVA)，对所述基底层进行金属离子注入形成所述″钉扎层″；其中，Ti或者Ni的注入电压为4～15kV，束流强度为1～10mA，注入剂量为1×10¹⁵～1×10¹⁶/cm²，注入深度为70～120nm；

相对于现有技术，本发明各实施例具有以下优势：

1、本发明实施例提出在金刚石砂轮棒表面沉积(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜的制备方法和设备，通过对金刚石砂轮棒进行高能量的金属元素注入，使基材亚表面原子与注入金属形成金属-基材原子混合的″钉扎层″结构，这样形成的″钉扎层″结构与基底层乃至后续磁过滤沉积出的结构性膜层的结合力都非常好，从而使其抗剥离强度得以增强；

2、相比磁控溅射、电镀沉积、电子束蒸发等沉积方法，磁过滤电弧沉积设备原子离化率非常高，大约在90％以上。这样，由于原子离化率高，可使等离子体密度增加，成膜时大颗粒减少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性、膜基结合力等；

3、本发明实施例还提出一种全新(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜层复合工艺，这种复合结构提供了气量的正弦调制以及三种膜层的周期调制，同时结合了(AlTi)1-xNx、AlTiCN以及(ZrAl)1-xNx三种膜层本身的高韧性，高强度以及高温下稳定性好的特性；

4、此外，本发明实施例还提出一种沉积设备，该沉积设备设置有上述任一技术方案所述。

需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必需的。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明实施例的更多特点和优势将在之后的具体实施方式予以说明。

附图说明

构成本发明实施例一部分的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的在金刚石砂轮棒上沉积(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合结构膜层方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的复合膜结构示意图；

图3为本发明实施例提供的FCVA沉积和MEVVA注入系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜表面SEM图；

图5为本发明实施例提供的(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜层的摩擦系数；

图6-1，6-2为本发明实施例提供的抛光光学玻璃的金刚石砂轮棒表面沉积

(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜与未处理时抛光手机屏幕寿命对比测试结果；

图7为本发明实施例提供的(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜层的显微硬度值；

附图标记说明

200 金刚石砂轮棒基底

210 金属″钉扎层″

220 金属清洗层

230 第一层(ZrAl)1-xNx膜

240 第二层应力释放层TiAl膜

250 第三层AlTiCN膜

260 第四层(AlTi)1-xNx

300 FCVA中TiAl阴极

310 导管

320 磁场

330 FCVA中ZrAl阴极

340 工件台

350 负压

360 进气口

370 MEVVA阴极

380 高压引出电极

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图，对本发明的各优选实施例作进一步说明：

方法实施例

随着中国电子行业及相关光学行业的迅速发展，对于大批量的较大口径光学元件，在规定的时间内满足大批量的元件全表面面形精度的加工要求越来越高，制备出高寿命、高稳定性以及高精度的抛光光学玻璃的金刚石砂轮棒显得非常重要。这里，提供一种可以在特殊环境下使用的表面沉积超厚超硬以及摩擦系数高以及韧性好的(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜的金刚石砂轮棒方法。

需要说明的是，本实施例中，在基底层上制备(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜，选用的基底层为树脂基砂轮棒，参照图1，其示出了本实施例(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

S100：利用磁过滤阴极真空弧系统(FCVA)，对砂轮棒进行大束流金属表面清洗，形成金属清洗层。

其中，本步骤为金属清洗层，利用高能大束流金属离子束轰击基底，能够形成金属和基底材料的伪扩散层，提高其表面后续膜层与基底的结合力。

需要指出的是，S100中，清洗金属元素可采用Ti，Al，TiAl合金等。作为一种可选实施方式，清洗的金属束流强度为300-1000mA，清洗时间2-5min。

S200：利用金属蒸汽真空弧(MEVVA)离子源，向基底层注入第一金属元素，形成金属″钉扎层″。

其中，本步骤为金属离子注入形成″钉扎层″，利用高能金属离子注入基底，能够形成金属和基底材料的混合层，提高其表面后续膜层与基底的结合力。

需要指出的是，S200中，第一金属元素可采用Ti或者Ni。作为一种可选实施方式，第一金属元素的注入电压为4～15kV，束流强度为1～15mA(含端值)，注入剂量为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm²(含端值)，注入深度为70～120nm(含端值)。

S300：利用磁过滤阴极真空弧(FCVA)系统，在基底″钉扎层″表面，磁过滤沉积得到第一层(ZrAl)1-xNx。

本步骤中氮气的进气量为正弦调制为，其中t时间为20-60s，(ZrAl)1-xNx膜，沉积时间为20-60s。

S400：利用磁过滤阴极真空弧(FCVA)系统，在(ZrAl)1-xNx膜表面，磁过滤沉积得到第二层金属内应力释放层。

本步骤中，可选的是，第二层金属膜层可为TiAl膜层，且沉积时间在20-60s。

S500：用磁过滤阴极真空弧(FCVA)系统，在第二层金属内应力释放层表面，磁过滤沉积得到第三层AlTiCN膜层。

本步骤中，可选的是，乙炔进气量在30-50sccm，氮气的进气量在20-30sccm，时间为20-60s。

S600：用磁过滤阴极真空弧(FCVA)系统，在第三层AlTiCN膜层表面，磁过滤沉积得到第四层(AlTi)1-xNx膜层。

本步骤中氮气的进气量为正弦调制为，其中t时间为20-60s，(ZrAl)1-xNx膜，沉积时间为20-60s。

S700：用磁过滤阴极真空弧(FCVA)系统，重复第一层至第四层工艺，磁过滤沉积得到(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜。

本步骤中，可选的是，重复周期10～100次，膜层的总厚度为10～30微米。

这样，上述通过磁过滤大束流金属离子束清洗制备金属清洗层、金属真空蒸汽离子源(MEVVA)系统注入的Ti和Ni中的一种元素在基底上制备金属″钉扎层″、磁过滤真空弧沉积系统(FCVA)沉积的正弦调制(ZrAl)1-xNx膜层，磁过滤真空弧沉积系统(FCVA)沉积的TiAl合金元素的应力释放层，磁过滤真空弧沉积系统(FCVA)沉积的AlTiCN层，以及磁过滤真空弧沉积系统(FCVA)沉积的正弦调制(AlTi)1-xNx层，构成了纳米复合膜层的主体结构，重复一至四层沉积工艺制备出了10-30微米的(AlTi)1-xNx/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜，该结构膜层利用金属清洗形成的伪扩散层、金属离子注入系统形成了金属混合″钉扎层″，使后续沉积膜层与基底材料有着非常好的结合强度；同时结合了AlTiCN、(AlTi)1-xNx、(ZrAl)1-xNx膜层的超强抗氧化性以及高硬度及超强韧性的特点，使其作为光学玻璃金刚石砂轮棒表面涂层时具有明显的优势。

设备实施例

为实现上述金属″钉扎层″的制备方法，基于上述各实施例，本实施例提出一种金属″钉扎层″的制备设备，该制备设备包括如下装置：注入装置。

其中，注入装置如图3右部分，利用MEVVA离子源，向所述基底层注入第一金属元素，对所述基底层进行金属掺杂注入。

需要说明的是，MEVVA离子源主要由等离子体产生区和离子束引出区组成，等离子体产生区也就是金属蒸汽真空弧放电区。MEVVA离子注入就是采用MEVVA离子源产生的载能离子束轰击材料表面，对工件表面进行离子注入，从而改变材料表面的物理、化学性能的过程，使得薄膜与工件基体能够牢固地结合。

需要指出的是，上述各实施例中，沉积装置可采用如图3左半部分及下半部分所示的FCVA沉积系统该FCVA离子源沉积系统包括：FCVA阴极300、330，等离子体导管310、磁场320、抽真空接口330、样品工件台340、负压端子350以及进气口360。

另外，上述各实施例中，注入装置可采用如图3右半部分所示的MEVVA离子源注入系统，该MEVVA离子源注入系统包括：MEVVA阴极370以及引出电极380。

下面，在结合一实例，在具体实施过程中，对上述的金属钉扎层的制备方法作进一步说明：

结合附图说明，以金属真空蒸汽离子源阴极为Ti和磁过滤阴极真空弧阴极为TiAl及ZrAl为例，详细的介绍本发明一种在金刚砂表面沉积超厚超硬以及摩擦系数高以及韧性好的AlTiN/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜方法，实施步骤如下：

1.金属清洗层210制备：

清洗层：将金刚石砂轮棒基材200固定于样品台340，并转动至300TiAl阴极靶位开始清洗。清洗金属元素可采用Ti，Al，TiAl合金等。作为一种可选实施方式，清洗的金属束流强度为300-1000mA，清洗时间2-5min。

2.金属″钉扎层″220制备

注入：将样品台340，并转动至右侧370阴极注入靶位开始注入。注入离子源为纯度99.9％的纯Ti，注入条件为真空度1×10^-3～6×10^-3Pa，注入弧压：50～70V，高压：6～10kV，弧流：3～6mA，注入剂量1×10¹⁵Ti/cm²。

3.第一层(ZrAl)1-xNx膜230制备：

转动样品至下半侧ZrAl阴极沉积靶位开始沉积，沉积弧源为纯度99％的ZrAl弧源。沉积条件为：真空度1×10^-3～6×10^-3Pa，沉积弧流：100～120A，磁场电流：2.4A，负压-200～600V，占空比为20～100％，氮气进气量为其中t时间为20-60s。

4.第二层TiAl膜240制备

转动样品至左半侧TiAl阴极沉积靶位开始沉积，沉积弧源为纯度99％的TiAl弧源。沉积所述TiAl膜，起弧电流90～120A，弯管磁场2.4A，负压-200～600V，占空比为20～100％，时间为20-60s。

5.第三层AlTiCN膜250制备

样品固定在左半侧TiAl阴极沉积靶位，沉积弧源为纯度99％的TiAl弧源。起弧电流90～120A，弯管磁场2.0A，负压-200～600V，占空比为60％，乙炔进气量在30-50sccm，氮气的进气量在20-30sccm，时间为20-60s。

6.第四层AlTiN膜260制备

样品固定在左半侧TiAl阴极沉积靶位，沉积弧源为纯度99％的TiAl弧源。起弧电流90～120A，弯管磁场2.4A，负压-200～600V，占空比为50％，氮气的进气量为其中t时间为20-60s。

7.AlTiN/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜制备：

按照230、240、250以及260膜层制备工艺，重复40次，制备出AlTiN/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜，厚膜范围在15-20微米。

为对AlTiN/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜性能进行说明，这里可参照图4、5以及图6-1，6-2和图7，其分别为本发明在金刚石砂轮棒基底上沉积AlTiN/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜表面扫描电镜图、AlTiN/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜层摩擦磨损测试结果示意图，图6-1，6-2为金刚石砂轮棒未处理以及其表面沉积AlTiN/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜抛光6英寸钢化玻璃寿命对比值，图7为AlTiN/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜显微硬度值。从图5可以清楚的看到，AlTiN/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜层的摩擦系数为0.32，膜层本身摩擦系数高适合玻璃表面抛光。结合图6-1，6-2可知，经离子束处理表面沉积AlTiN/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜金刚石砂轮棒处理6英寸钢化玻璃寿命值提高为原来未处理时砂轮棒寿命的一倍。图7为AlTiN/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜膜的显微硬度值，测试载荷为100g，显微硬度单位为HV，测试AlTiN/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜的显微硬度值为2778HV。总之，相比与基底金刚石砂轮棒经离子束处理表面沉积AlTiN/AlTiCN/TiAl/(ZrAl)1-xNx复合膜在抛光6英寸钢化玻璃时寿命明显提高。