一种深长孔管道内壁用超厚碳基润滑涂层的沉积方法与流程

本发明涉及高端制造业管道零部件表面防护技术领域，尤其涉及一种深长孔管道内壁用超厚碳基润滑涂层的沉积方法。

背景技术：

深长孔径管道零件是航空航天、海洋工程、军事工业等高端制造业发展中不可或缺的典型零件，管道零部件的使用寿命与其内表面涂层材料的强度、耐磨性、防腐性密切相关。碳基润滑材料由于具有高硬度、低摩擦、高耐磨、良好的耐蚀性以及生物相容性等特点，非常适合作为管道零部件内部的防护涂层，在机械、航空航天、海洋工程和生物医学等多个领域具有广阔的应用前景。

目前，碳基润滑涂层的制备主要采用真空等离子体气相沉积技术，如等离子增强化学气相沉积、磁控溅射等方法。然而，现有等离子体沉积技术在制备管道内壁用碳基润滑涂层方面尚有不足。首先，现有真空等离子体气相沉积技术制备的碳基薄膜的厚度通常在1~3微米之间，当沉积厚度大于3微米时，涂层内部的应力会不断增大，导致涂层脱落，无法起到润滑防护作用。同时现有镀膜技术的沉积速率较慢，在制备厚度大于10微米的超厚碳基润滑涂层方面十分困难。其次，由于深孔屏蔽效应，传统等离子体气相沉积技术难以在管道零件的内表面均匀成膜，尤其是长径比大于5:1的深长孔管道内壁大面积均匀镀膜一直是真空镀膜行业中亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简单、所得涂层性能优良的深长孔管道内壁用超厚碳基润滑涂层的沉积方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种深长孔管道内壁用超厚碳基润滑涂层的沉积方法，包括以下步骤：

⑴清洗基材：

用无水乙醇和丙酮溶液分别超声清洗深长孔管道样件各10min，再用氮气吹干，然后以所述深长孔管道样件为真空室，将其两端连接到设备抽气系统，进行抽真空；

⑵基材表面预溅射清洗：

当真空度优于3pa时，室温下通入氢气，控制管道内部压强为3~10pa，在所述深长孔管道样件上加脉冲直流电源，在-300~-2000v的条件下用氢气等离子体对所述深长孔管道样件进行预溅射清洗5~60min；

然后关闭所述氢气，再通入氩气，调节管道内部压强为3~10pa，在所述深长孔管道样件上加脉冲直流电源，在-300~-2000v的条件下用氩气等离子体对所述深长孔管道样件进行预溅射清洗5~30min；

⑶涂层沉积：

清洗完成后，在管道中通入硅烷（sih4）分压占比为2~30%的硅烷-氩气混合气体，调节管道的压强为10~20pa，在管道上施加-100~-1000v脉冲直流负偏压的条件下沉积2~30min，即得si过渡层；

保持所述氩气和所述硅烷的流量不变，再将乙炔气体通入管道中，流量控制在80~150sccm，总压强控制在8~15pa，在-100~-1000v脉冲直流负偏压的条件下沉积3~20min，即得sic过渡层；

关闭所述氩气和所述硅烷，仅向所述深长孔管道样件内保持通入乙炔气体，总压强控制在8~15pa，在-100~-1000v脉冲直流负偏压的条件下沉积20~120min，即得碳基润滑涂层。

所述步骤⑴中深长孔管道样件的内径最小为10mm，长径比最高为20：1。

所述步骤⑶中的沉积速率均为0.4~0.5μm/min。

所述步骤⑶中碳基润滑涂层在大气环境下的最低摩擦系数为0.01。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用空心阴极等离子体浸没镀膜技术，以管道样件本身为真空腔体，在深长孔管道内壁表面（长径比高达20:1）实现了高效均匀沉积的目的，有效解决深长孔管道内壁大面积均匀镀膜的技术难题。

2、本发明所得到的碳基润滑涂层在大气环境下的最低摩擦系数在0.01，平均摩擦系数在0.1左右，实现了较低摩擦，而且持续时间较长，抗磨损性能良好。

采用csm摩擦磨损实验机，对实施例1所制备的碳基涂层进行摩擦系数测试，样品与对偶材料（直径为6.0mm的不锈钢球）的接触方式为球盘接触式，运动方式为旋转式，旋转半径为3mm。滑动线速率为10.0cm/s,加载3.0n。摩擦行程控制在500m，其摩擦曲线见图5，可见其平均摩擦系数约为0.1左右，最低摩擦系数为0.04左右。同样，对实施例2所制备的碳基涂层进行摩擦系数测试，摩擦曲线如图6（a）所示，涂层平均摩擦系数可低至0.1左右，最低摩擦系数为0.01左右。经500m摩擦测试后，涂层磨痕三维轮廓如图6（b），磨痕最大深度仅为280nm，相比于涂层自身厚度（18微米）磨损量十分微小。

3、本发明所得到的碳基润滑涂层沉积速率高，为0.4~0.5μm/min，远远高于现有其它碳膜制备技术。且通过合理的设计涂层结构，所得涂层的典型厚度在10~60μm之间，属于超厚碳基润滑涂层，耐磨性能优异。

4、本发明所得到的碳基润滑涂层结构致密，表面光滑，附着性强，内应力小，结合力优良（大于30n）。

采用划痕试验仪对实施例1所制备的碳基涂层的膜基结合力进行测试，结果如图7所示。从图中可以看出，涂层在接近40n时才开始出现了严重的剥落现象，因此，本发明制备的涂层的结合力大于30n，具有良好的膜基结合强度。

5、本发明碳基润滑涂层的制备在室温下实施，基材无需任何额外的加热过程，操作简单，所制备的涂层在航空航天、海洋化工、机械工程等领域有良好的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明制备管道内壁涂层时的示意图。

图2为本发明实施例1所制备的管道内壁碳基涂层实物图（a）及截面sem像（b）。

图3为本发明实施例1所制备的碳基涂层的线扫描能谱结果。

图4为本发明实施例2所制备的管道内壁碳基涂层的sem像。

图5为本发明实施例1所制备的碳基涂层的摩擦系数曲线。

图6为本发明实施例2所制备的碳基涂层的摩擦系数曲线（a）和磨痕三维轮廓（b）。

图7为本发明实施例1所制备的碳基涂层的划痕试验结果。

具体实施方式

实施例1一种深长孔管道内壁用超厚碳基润滑涂层的沉积方法，包括以下步骤：

⑴清洗基材：

用无水乙醇和丙酮溶液分别超声清洗深长孔管道样件各10min，再用氮气吹干，然后以深长孔管道样件为真空室，将其两端连接到设备抽气系统，进行抽真空（如图1所示）。

⑵基材表面预溅射清洗：

当真空度优于3pa时即可开始镀膜工作。室温下通入氢气，控制管道内部压强为5pa，在深长孔管道样件上加脉冲直流电源，在-2000v的条件下用氢气等离子体对深长孔管道样件进行预溅射清洗5min；

然后关闭氢气，再通入氩气，调节管道内部压强为3pa，在深长孔管道样件上加脉冲直流电源，在-2000v的条件下用氩气等离子体对深长孔管道样件进行预溅射清洗5min，以去除表面的氧化层和其它杂质。

⑶涂层沉积：

清洗完成后，在管道中通入硅烷（sih4）分压占比为2%的硅烷-氩气混合气体，调节管道的压强为10pa，在管道上施加-1000v脉冲直流负偏压的条件下沉积30min，即得si过渡层。

保持氩气和硅烷的流量不变，再将乙炔气体通入管道中，流量控制在150sccm，总压强控制在15pa，在-1000v脉冲直流负偏压的条件下沉积20min，即得sic过渡层。

关闭氩气和硅烷，仅向深长孔管道样件内保持通入乙炔气体，总压强控制在8pa，在-1000v脉冲直流负偏压的条件下沉积20min，即得厚度为10微米的碳基润滑涂层。

所制备的管道内壁碳基涂层的实物图如图2（a）所示，采用扫描电镜观察所制备的深长孔管道内壁超厚碳基润滑涂层的厚度，如图2（b）所示。能谱分析结果表明，涂层表层主要为纯碳涂层，靠近基体处为si过渡层，如图3所示。

实施例2一种深长孔管道内壁用超厚碳基润滑涂层的沉积方法，包括以下步骤：

⑴清洗基材：

用无水乙醇和丙酮溶液分别超声清洗深长孔管道样件各10min，再用氮气吹干，然后以深长孔管道样件为真空室，将其两端连接到设备抽气系统，进行抽真空（如图1所示）。

⑵基材表面预溅射清洗：

当真空度优于3pa时即可开始镀膜工作。室温下通入氢气，控制管道内部压强为5pa，在深长孔管道样件上加脉冲直流电源，在-300v的条件下用氢气等离子体对深长孔管道样件进行预溅射清洗60min；

然后关闭氢气，再通入氩气，调节管道内部压强为3pa，在深长孔管道样件上加脉冲直流电源，在-300v的条件下用氩气等离子体对深长孔管道样件进行预溅射清洗30min，以去除表面的氧化层和其它杂质。

⑶涂层沉积：

清洗完成后，在管道中通入硅烷（sih4）分压占比为30%的硅烷-氩气混合气体，调节管道的压强为20pa，在管道上施加-100v脉冲直流负偏压的条件下沉积2min，即得si过渡层。

保持氩气和硅烷的流量不变，再将乙炔气体通入管道中，流量控制在80sccm，总压强控制在8pa，在-100v脉冲直流负偏压的条件下沉积3min，即得sic过渡层。

关闭氩气和硅烷，仅向深长孔管道样件内保持通入乙炔气体，总压强控制在15pa，在-100v脉冲直流负偏压的条件下沉积40min，即得碳基润滑涂层。

利用场发射扫描电子显微镜对薄膜断面观察发现，薄膜均匀、致密，和基材结合良好，涂层厚度约为18微米，如图4所示。

实施例3一种深长孔管道内壁用超厚碳基润滑涂层的沉积方法，包括以下步骤：

⑴清洗基材：

用无水乙醇和丙酮溶液分别超声清洗深长孔管道样件各10min，再用氮气吹干，然后以深长孔管道样件为真空室，将其两端连接到设备抽气系统，进行抽真空（如图1所示）。

⑵基材表面预溅射清洗：

当真空度优于3pa时即可开始镀膜工作。室温下通入氢气，控制管道内部压强为3pa，在深长孔管道样件上加脉冲直流电源，在-1000v的条件下用氢气等离子体对深长孔管道样件进行预溅射清洗40min；

然后关闭氢气，再通入氩气，调节管道内部压强为10pa，在深长孔管道样件上加脉冲直流电源，在-1000v的条件下用氩气等离子体对深长孔管道样件进行预溅射清洗20min，以去除表面的氧化层和其它杂质。

⑶涂层沉积：

清洗完成后，在管道中通入硅烷（sih4）分压占比为20%的硅烷-氩气混合气体，调节管道的压强为15pa，在管道上施加-800v脉冲直流负偏压的条件下沉积20min，即得si过渡层。

保持氩气和硅烷的流量不变，再将乙炔气体通入管道中，流量控制在120sccm，总压强控制在12pa，在-800v脉冲直流负偏压的条件下沉积15min，即得sic过渡层。

关闭氩气和硅烷，仅向深长孔管道样件内保持通入乙炔气体，总压强控制在12pa，在-800v脉冲直流负偏压的条件下沉积120min，即得厚度为60微米的碳基润滑涂层。

实施例4一种深长孔管道内壁用超厚碳基润滑涂层的沉积方法，包括以下步骤：

⑴清洗基材：

用无水乙醇和丙酮溶液分别超声清洗深长孔管道样件各10min，再用氮气吹干，然后以深长孔管道样件为真空室，将其两端连接到设备抽气系统，进行抽真空（如图1所示）。

⑵基材表面预溅射清洗：

当真空度优于3pa时即可开始镀膜工作。室温下通入氢气，控制管道内部压强为10pa，在深长孔管道样件上加脉冲直流电源，在-500v的条件下用氢气等离子体对深长孔管道样件进行预溅射清洗20min；

然后关闭氢气，再通入氩气，调节管道内部压强为5pa，在深长孔管道样件上加脉冲直流电源，在-500v的条件下用氩气等离子体对深长孔管道样件进行预溅射清洗10min，以去除表面的氧化层和其它杂质。

⑶涂层沉积：

清洗完成后，在管道中通入硅烷（sih4）分压占比为10%的硅烷-氩气混合气体，调节管道的压强为10pa，在管道上施加-500v脉冲直流负偏压的条件下沉积10min，即得si过渡层。

保持氩气和硅烷的流量不变，再将乙炔气体通入管道中，流量控制在100sccm，总压强控制在10pa，在-500v脉冲直流负偏压的条件下沉积10min，即得sic过渡层。

关闭氩气和硅烷，仅向深长孔管道样件内保持通入乙炔气体，总压强控制在10pa，在-500v脉冲直流负偏压的条件下沉积80min，即得厚度为40微米的碳基润滑涂层。

上述实施例1~4中，深长孔管道样件的内径最小为10mm，长径比最高为20：1。整个沉积过程中沉积速率均为0.4~0.5μm/min。所得的碳基润滑涂层在大气环境下的最低摩擦系数为0.01。