一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层及其制备方法

1.本发明属于物理气相沉积技术领域，特别是涉及一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层及其制备方法。


背景技术：

2.随着国家海洋强国战略推进，船舶、直升机和深海管道等在海洋环境下的磨蚀问题日益凸显，亟需提高其紧固连接件等关键零部件耐磨蚀性能。30crmnsia、35crmoa等合金结构钢是目前普遍使用的高强度连接材料，但其在高湿度和强风浪的海洋环境下易被腐蚀和磨损，使用寿命短，无法满足长时间服役要求。因此，目前十分迫切的需要一种长效耐磨蚀防护涂层对海洋装备的关键零部件进行保护，以提升装备安全性和可靠度。
3.类金刚石(diamond-like carbon，dlc)涂层具有高硬度、低摩擦系数、耐磨损和耐腐蚀等优异的性能，是提高海洋工程装备零部件摩擦学性能和耐腐蚀性能的优选材料。但是，dlc涂层存在着亲水性、韧性差、内应力大和膜基结合强度不足的缺陷，限制了其优异耐磨和耐蚀性能的发挥。
4.cr掺杂在dlc薄膜中与c键形成crc相，通过cr掺杂可获得优异的摩擦学性能，si掺杂在dlc薄膜中形成si-h和si-c键，课有效降低涂层内应力，并降摩擦系数。本发明优选cr作为过渡层，采用cr和si元素掺杂以及多层复合结构来提高dlc涂层耐磨耐蚀综合性能，设计了由cr过渡层，cr-dlc和si-dlc交替多层涂层组成的防护涂层，增强了涂层韧性并降低涂层内应力，同时具备优异的耐磨蚀性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层及其制备方法，以解决传统dlc涂层存在的易磨蚀、韧性差、内应力大和膜基结合强度不足的缺陷，克服单层及单元素掺杂的不足，满足零件耐磨蚀要求。
6.本发明的技术方案是：
7.一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层及其制备方法，具体包括以下步骤：
8.步骤一：对基体表面进行预处理；
9.步骤二：基体表面氩离子清洗和靶材预溅射；
10.步骤三：采用磁控溅射法，以cr靶，并通入氩气，在基体表面制备cr过渡层；
11.步骤四：采用非平衡多靶磁控溅射法，以cr靶和石墨靶，并通入氩气，在表面进一步制备cr-dlc层；
12.步骤五：采用非平衡多靶磁控溅射法，以si靶和石墨靶，并通入氩气，在cr-dlc层上制备si-dlc层；
13.步骤六：重复步骤四和步骤五的操作得到cr-dlc和si-dlc多层交替的涂层。
14.所述的一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层的制备方法，其所述步骤一中对基体表面进行预处理，依次用400#、800#、1400#砂纸打磨，随后依次采用w1.5和w0.5金刚石研磨膏进
行抛光。将抛光后的基体在丙酮和无水乙醇中超声清洗5～10min，随后使用干燥氩气吹干。
15.所述的一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层的制备方法，其所述步骤二中对基体表面氩离子清洗和靶材预溅射，将基体放置于真空腔中进行氩离子清洗，开启阳极源，平均电流0.1～0.2a，基体偏压-250～-400v，氩气的流量30～60sccm，工作气压保持在0.5pa～1.0pa，清洗时间2～5min。最后进行靶材预溅射，平均电流0.1～0.2a，持续时间1～2min。
16.所述的一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层的制备方法，其所述步骤三中对于cr过渡层的制备，氩气的流量30～60sccm，工作气压保持在0.5pa～1.0pa，基体偏压-50～-250v，靶为纯度99.95％的cr靶，靶平均电流0.2～0.3a，沉积时间5～10min。
17.所述的一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层的制备方法，其所述步骤四中对于cr-dlc层的制备，氩气的流量60～90sccm，工作气压保持在0.5pa～1.0pa，基体偏压-50～-250v，石墨靶纯度99.999％，靶平均电流0.4～0.6a，cr靶纯度99.95％，靶平均电流0.1～0.2a、沉积时间20～60min。
18.所述的一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层的制备方法，其所述步骤五中对于si-dlc层的制备，氩气的流量60～90sccm，工作气压保持在0.5pa～1.0pa，基体偏压-50～-250v，石墨靶纯度99.999％，靶平均电流0.4～0.6a，si靶纯度99.999％，靶平均电流0.1～0.2a，沉积时间20～60min。
19.所述的一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层的制备方法，其所述一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层包括cr过渡层，cr-dlc和si-dlc交替多层涂层，最外层为si-dlc层。
20.所述的一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层的制备方法，其所述cr过渡层厚度为200nm～400nm，cr-dlc和si-dlc多层交替涂层的总厚度为0.8～4.8μm，其中每层cr-dlc厚400nm～1200nm，每层si-dlc厚400nm～1200nm。
21.本发明的有益效果：
22.改变制备cr-dlc层时cr靶工艺参数、制备si-dlc层时si靶的工艺参数，可制备不同性能的掺杂dlc涂层。
23.本发明提供的耐蚀多元掺杂类金刚石涂层有调制比和调制周期可调节的多层结构，具备优异的耐磨蚀性能。
24.本发明所述的cr过渡层和cr-dlc和si-dlc多层交替涂层制备方法，也可以使用过滤阴极真空电弧法进行制备。
附图说明
25.图1为制备一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层的流程图。
26.图2为一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层的结构示意图。
27.图3为一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层的表面形貌图。
28.图4为实施例1耐蚀多元掺杂类金刚石涂层截面sem图。
29.图5为实施例2耐蚀多元掺杂类金刚石涂层截面sem图。
30.图6为实施例3耐蚀多元掺杂类金刚石涂层截面sem图。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
32.实施例一。
33.如图1-3所示。
34.一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层，由以下步骤制备所得：
35.步骤一：对基体表面进行预处理，依次用400#、800#、1400#砂纸打磨，随后依次采用w1.5和w0.5金刚石研磨膏进行抛光。将抛光后的基体在丙酮和无水乙醇中超声清洗5min，随后使用干燥氩气吹干。
36.步骤二：对基体表面氩离子清洗和靶材预溅射，将基体放置于真空腔中进行氩离子清洗，开启阳极源，平均电流0.1a，基体偏压-250v，氩气的流量30sccm，工作气压保持在0.5pa，清洗时间2min。最后进行靶材预溅射，平均电流0.1a，持续时间1min。
37.步骤三：采用磁控溅射法，使用99.95％纯度的cr靶，并通入氩气，氩气流量30sccm，工作气压保持在0.5pa，基体偏压-50v，靶平均电流0.2a，在表面沉积cr过渡层，沉积时间5min。
38.步骤四：采用非平衡多靶磁控溅射法，使用99.95％纯度的cr靶和99.999％纯度的石墨靶，并通入氩气，氩气的流量60sccm，工作气压保持在0.5pa，基体偏压-50v，石墨靶平均电流0.4a，cr靶平均电流0.1a，在表面进一步沉积cr-dlc层，沉积时间20min。
39.步骤五：采用非平衡多靶磁控溅射法，使用99.999％纯度的si靶和99.999％纯度的石墨靶，并通入氩气，氩气的流量60sccm，工作气压保持在0.5pa，基体偏压-50v，石墨靶平均电流0.4a，si靶平均电流0.1a，在cr-dlc层上制备si-dlc层，沉积时间20min。
40.步骤六：重复步骤四和步骤五的操作零次得到cr-dlc和si-dlc多层交替的涂层。
41.所得一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层截面sem图如图4所示，其中cr过渡层厚度为200nm，cr-dlc和si-dlc多层交替涂层的总厚度为0.8μm，其中每层cr-dlc厚400nm，每层si-dlc厚400nm。
42.实施例二。
43.如图1-3所示。
44.一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层，由以下步骤制备所得：
45.步骤一：对基体表面进行预处理，依次用400#、800#、1400#砂纸打磨，随后依次采用w1.5和w0.5金刚石研磨膏进行抛光。将抛光后的基体在丙酮和无水乙醇中超声清洗10min，随后使用干燥氩气吹干。
46.步骤二：对基体表面氩离子清洗和靶材预溅射，将基体放置于真空腔中进行氩离子清洗，开启阳极源，平均电流0.2a，基体偏压-400v，氩气的流量60sccm，工作气压保持在1.0pa，清洗时间5min。最后进行靶材预溅射，平均电流0.2a，持续时间2min。
47.步骤三：采用磁控溅射法，使用99.95％纯度的cr靶，并通入氩气，氩气流量60sccm，工作气压保持在1.0pa，基体偏压-250v，靶平均电流0.3a，在表面沉积cr过渡层，沉积时间10min。
48.步骤四：采用非平衡多靶磁控溅射法，使用99.95％纯度的cr靶和99.999％纯度的石墨靶，并通入氩气，氩气的流量90sccm，工作气压保持在1.0pa，基体偏压-250v，石墨靶平均电流0.6a，cr靶平均电流0.2a，在表面进一步沉积cr-dlc层，沉积时间60min。
49.步骤五：采用非平衡多靶磁控溅射法，使用99.999％纯度的si靶和99.999％纯度的石墨靶，并通入氩气，氩气的流量90sccm，工作气压保持在1.0pa，基体偏压-250v，石墨靶
平均电流0.6a，si靶平均电流0.2a，在cr-dlc层上制备si-dlc层，沉积时间60min。
50.步骤六：重复步骤四和步骤五的操作一次得到cr-dlc和si-dlc多层交替的涂层。
51.所得一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层截面sem图如图5所示，其中cr过渡层厚度为400nm，cr-dlc和si-dlc多层交替涂层的总厚度为4.8μm，其中每层cr-dlc厚1200nm，每层si-dlc厚1200nm。
52.实施例三。
53.如图1-3所示。
54.一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层，由以下步骤制备所得：
55.步骤一：对基体表面进行预处理，依次用400#、800#、1400#砂纸打磨，随后依次采用w1.5和w0.5金刚石研磨膏进行抛光。将抛光后的基体在丙酮和无水乙醇中超声清洗8min，随后使用干燥氩气吹干。
56.步骤二：对基体表面氩离子清洗和靶材预溅射，将基体放置于真空腔中进行氩离子清洗，开启阳极源，平均电流0.15a，基体偏压-350v，氩气的流量45sccm，工作气压保持在0.8pa，清洗时间4min。最后进行靶材预溅射，平均电流0.15a，持续时间2min。
57.步骤三：采用磁控溅射法，使用99.95％纯度的cr靶，并通入氩气，氩气流量45sccm，工作气压保持在0.8pa，基体偏压-150v，靶平均电流0.25a，在表面沉积cr过渡层，沉积时间8min。
58.步骤四：采用非平衡多靶磁控溅射法，使用99.95％纯度的cr靶和99.999％纯度的石墨靶，并通入氩气，氩气的流量75sccm，工作气压保持在0.8pa，基体偏压-150v，石墨靶平均电流0.5a，cr靶平均电流0.15a，在表面进一步沉积cr-dlc层，沉积时间40min。
59.步骤五：采用非平衡多靶磁控溅射法，使用99.999％纯度的si靶和99.999％纯度的石墨靶，并通入氩气，氩气的流量75sccm，工作气压保持在0.8pa，基体偏压-150v，石墨靶平均电流0.5a，si靶平均电流0.15a，在cr-dlc层上制备si-dlc层，沉积时间40min。
60.步骤六：重复步骤四和步骤五的操作二次得到cr-dlc和si-dlc多层交替的涂层。
61.所得一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层截面sem图如图6所示，其中cr过渡层厚度为320nm，cr-dlc和si-dlc多层交替涂层的总厚度为4.8μm，其中每层cr-dlc厚800nm，每层si-dlc厚800nm。

技术特征：
1.一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对基体表面进行预处理；(2)基体表面氩离子清洗和靶材预溅射；(3)采用磁控溅射法，以cr靶，并通入氩气，在基体表面制备cr过渡层；(4)采用非平衡多靶磁控溅射法，以cr靶和石墨靶，并通入氩气，在表面进一步制备cr-dlc层；(5)采用非平衡多靶磁控溅射法，以si靶和石墨靶，并通入氩气，在cr-dlc层上制备si-dlc层；(6)重复(4)和(5)的操作得到cr-dlc和si-dlc多层交替的涂层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)对基体表面进行预处理，依次用400#、800#、1400#砂纸打磨，随后依次采用w1.5和w0.5金刚石研磨膏进行抛光。将抛光后的基体在丙酮和无水乙醇中超声清洗5～10min，随后使用干燥氩气吹干。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)基体表面氩离子清洗和靶材预溅射，将基体放置于真空腔中进行氩离子清洗，开启阳极源，平均电流0.1～0.2a，基体偏压-250～-400v，氩气的流量30～60sccm，工作气压保持在0.5pa～1.0pa，清洗时间2～5min。最后进行靶材预溅射，平均电流0.1～0.2a，持续时间1～2min。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)对于cr过渡层的制备，氩气的流量30～60sccm，工作气压保持在0.5pa～1.0pa，基体偏压-50～-250v，靶为纯度99.95％的cr靶，靶平均电流0.2～0.3a，沉积时间5～10min。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)对于cr-dlc层的制备，氩气的流量60～90sccm，工作气压保持在0.5pa～1.0pa，基体偏压-50～-250v，石墨靶纯度99.999％，靶平均电流0.4～0.6a，cr靶纯度99.95％，靶平均电流0.1～0.2a，沉积时间20～60min。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)对于si-dlc层的制备，氩气的流量60～90sccm，工作气压保持在0.5pa～1.0pa，基体偏压-50～-250v，石墨靶纯度99.999％，靶平均电流0.4～0.6a，si靶纯度99.999％，靶平均电流0.1～0.2a，沉积时间20～60min。7.一种权利要求1所述的制备方法制备所得的一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层，其特征在于，它包括cr过渡层，cr-dlc和si-dlc交替多层涂层。8.根据权利要求7所述，该耐蚀多元掺杂类金刚石涂层，其特征在于最外层为si-dlc层。9.根据权利要求7所述，该耐蚀多元掺杂类金刚石涂层，其特征在于，cr过渡层厚度为200nm～400nm，cr-dlc和si-dlc多层交替涂层的总厚度为0.8～4.8μm，其中每层cr-dlc厚400nm～1200nm，每层si-dlc厚400nm～1200nm。

技术总结
一种耐蚀多元掺杂类金刚石涂层，它由Cr过渡层、掺杂铬的类金刚石层(Cr-DLC层)和掺杂硅元素的类金刚石层(Si-DLC层)构成。其制备方法包括：(1)基体预处理；(2)基体表面氩离子清洗和靶材预溅射；(3)采用磁控溅射法制备Cr过渡层；(4)采用非平衡多靶磁控溅射法制备Cr-DLC层；(5)采用非平衡多靶磁控溅射法在Cr-DLC层上沉积Si-DLC层；(6)重复(4)和(5)的操作得到Cr-DLC和Si-DLC多层交替的涂层。本发明的耐蚀多元掺杂类金刚石涂层具有高耐磨蚀性能。多元掺杂类金刚石涂层具有高耐磨蚀性能。多元掺杂类金刚石涂层具有高耐磨蚀性能。


技术研发人员：马震宇 周潜 李润涵 娄陈旭坤 舒磊 施仙庆 葛旺 徐锋
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/10/6