一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜及其制备方法论文和设计-徐照英

全文摘要

本发明提供一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜及其制备方法，该多层薄膜从钛合金表面向外依次为氮化钛薄膜层、碳化钛薄膜层、氮化钛薄膜层、碳化钛薄膜层以及掺铝的类金刚石薄膜层；该制备方法为先对钛合金基体进行清洗以及抽真空，溅射沉积氮化钛薄膜层，再溅射沉积碳化钛薄膜层，然后分别重复沉积氮化钛薄膜层与碳化钛薄膜层一次，再制备一层掺铝的类金刚石薄膜层，最后进行溅射后处理。与现有技术相比，本发明制备多层薄膜成品率高、方便、快捷、高效，其制备而成的薄膜与基体、薄膜与薄膜之间结合力大、内应力小，具有很好的耐摩擦磨损性能，可适用于航空航天、地质钻探等高强度作业领域。

主设计要求

1.一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜，其特征在于，它是由五层薄膜层构成；从钛合金表面向外依次为氮化钛薄膜层、碳化钛薄膜层、氮化钛薄膜层、碳化钛薄膜层以及掺铝的类金刚石薄膜层。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜，其特征在于：所述氮化钛薄膜层厚度为150nm-250nm；所述碳化钛薄膜层厚度为150nm-250nm；所述掺铝的类金刚石薄膜层厚度为150nm-250nm；所述纳米多层薄膜的总厚度大于等于1000nm。

3.根据权利要求1或2所述适用于钛合金表面的纳米多层薄膜的制备方法，是在钛合金基体上制备纳米多层薄膜，其特征在于：对钛合金基体进行清洗以及抽真空，溅射沉积氮化钛薄膜层，再溅射沉积碳化钛薄膜层，然后分别重复沉积氮化钛薄膜层与碳化钛薄膜层一次，再制备一层掺铝的类金刚石薄膜层，最后进行溅射后处理。

4.根据权利要求3所述的一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜的制备方法，其特征在于：所述制备方法采用电子回旋共振和两套对靶中频磁控溅射系统、一套环形靶直流磁控溅射系统组成的系统；具体包括机械泵（2）和分子泵（1），ECR微波系统（4），对靶中频磁控溅射系统，环形靶直流磁控溅射系统，霍尔离子源系统（3），真空室（15）和加热装置（10），衬底偏压系统（5），前级阀（14）、进气阀（12）与放气阀（13）以及真空测量系统（6）；其中，所述环形靶直流磁控溅射的环形靶放置在真空室（15）内，所述环形靶分为三层，从外到里依次为高纯金属钛（81）、绝缘层（82）、高纯石墨层（83），所述环形靶与样品台（11）放置在真空室（15）中心线上；所述环形靶的高纯金属钛（81）以及高纯石墨层（83）分别与环形靶直流磁控溅射装置（9）连接。

5.根据权利要求4所述的一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜的制备方法，其特征在于：在溅射清洗之前还对钛合金基体材料预处理，所述预处理为用丙酮超声波清洗15min，然后侵入丙酮中漂洗2min，再用吹风机吹干马上放进真空室的样品台上。

6.根据权利要求5所述的一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜的制备方法，其特征在于：所述对钛合金基体进行清洗以及抽真空具体为抽真空至5x设计说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米薄膜材料技术领域，尤其涉及一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜及其制备方法。

背景技术

钛合金是一种新式结构材料，目前在各领域有广泛的应用，但其硬度低、摩擦系数高、耐磨性差等缺点限制了其应用。因此，对钛合金进行表面改性，制备功能性多层薄膜，使其达到更广泛的应用。

类金刚石碳薄膜（DLC）具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系数等优异性能，但在实际应用中却常存在薄膜与基体的界面结合强度较差、薄膜与基体之间存在很大的内应力等问题，从而发生分层、剥落和失效等。而将金属Al引入到类金刚石碳膜中可以有效地减小薄膜内部应力，同时增加薄膜的韧性以及与基体的结合力，同时硬度仍能保持一个较高值。若直接在钛合金表面制备掺铝的类金刚石薄膜，虽然能一定程度上能改善膜基体的结合力、减小内部应力，但结合力与内部应力仍不能满足航空航天、地质钻探等高强度作业领域。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜，其具有高硬度、高耐磨性，能适用于航空航天、地质钻探等高强度作业环境。

本发明的第二目的在于提供一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜的制备方法，该方法制备出的多层薄膜克服上述现有技术的不足，进一步提高了膜基体的结合力、减小其内部应力，使得制备出的纳米多层薄膜摩擦系数小、耐磨性能优异且薄膜与基体结合力优异。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜，其特征在于，它是由五层薄膜层构成；从钛合金表面向外依次为氮化钛薄膜层、碳化钛薄膜层、氮化钛薄膜层、碳化钛薄膜层以及掺铝的类金刚石薄膜层。

进一步，所述氮化钛薄膜层厚度为190nm-250nm；所述碳化钛薄膜层厚度为190nm-250nm；所述掺铝的类金刚石薄膜层厚度为190nm-250nm；所述纳米多层薄膜的总厚度大于等于1000nm。

按本发明合理的结构层设计，有效提高了各层薄膜之间以及薄膜与钛合金基体间的结合力强度。发明人在研究过程中发现，碳化钛层与掺铝的类金刚石薄膜层由于碳原子可相互紧密结合，使得膜层与膜层之间具有较低的应力，但碳化钛层、掺铝的类金刚石薄膜层与钛合金基体材料都存在具有较大内应力、结合力不强、无法适用于高强度作业环境的问题；本发明结构有效地解决了前述技术难题，提高了所制备多层薄膜的薄膜与基体、薄膜与薄膜之间的结合力，使得薄膜硬度高、同时又具有较高耐摩擦磨损性能；能适用于航空航天、地质钻探等高强度作业领域。

一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜的制备方法，是在钛合金基体上制备纳米多层薄膜，其特征在于：对钛合金基体进行清洗以及抽真空，溅射沉积氮化钛薄膜层，再溅射沉积碳化钛薄膜层，然后分别重复沉积氮化钛薄膜层与碳化钛薄膜层一次，再制备一层掺铝的类金刚石薄膜层，最后进行溅射后处理。

进一步，上述制备方法采用电子回旋共振(ECR)和两套对靶中频磁控溅射系统、一套环形靶直流磁控溅射装系统组成的系统；具体包括机械泵和分子泵，ECR微波系统，对靶中频磁控溅射系统，环形靶直流磁控溅射系统，霍尔离子源系统，真空室和加热装置，衬底偏压系统，前级阀、进气阀与放气阀以及真空测量系统；其中，所述环形靶直流磁控溅射的环形靶放置在真空室内，所述环形靶分为三层，从外到里依次为高纯金属钛、绝缘层、高纯石墨层，所述环形靶与样品台放置在真空室中心线上；所述环形靶的高纯金属钛以及高纯石墨层分别与环形靶直流磁控溅射装置连接。

上述机械泵和分子泵用于对真空室进行抽真空的操作；ECR微波系统产生微波电离气体，如氮气、氩气等；对靶中频磁控溅射系统通过脉冲电源作用于导电性不好的金属或者陶瓷靶材；环形靶直流磁控溅射系统用于导电性好的金属靶材；霍尔离子源系统用于基体的清洗及活化，也可以进行辅助沉积；加热装置对温度进行调控；衬底偏压系统加强溅射离子对基体材料的轰击；前级阀、进气阀用于向真空室注入气体；放气阀用于向真空室外放出气体；真空测量系统用于对真空室内的气压进行测量。

进一步，上述真空室内还放置有可升降的样品台、对靶中频磁控溅射系统的两个对靶，所述对靶中频磁控溅射系统的两个对靶以样品台与环形靶连线为中心线对称、分别连接对靶中频磁控溅射装置A与对靶中频磁控溅射装置B；所述加热装置与样品台底部相连；所述分子泵与机械泵组成的进气管路系统与真空室相连，其中前级阀处于分子泵与机械泵之间，进气阀处于管路系统与真空室之间，所述放气阀通过另一管路与真空室连接，真空室上另有一第三管道，用于通入氮气、氩气等气体；所述ECR微波系统、霍尔离子源系统、衬底偏压系统、真空测量系统分别与真空室相连。

发明人在制备过程中发现，采用现有技术的制备系统，将ECR与磁控溅射装置进行连接，在制备过程中需要频繁切换直流磁控溅射与中频磁控溅射，影响制备效率；同时在制备过程中需要对靶材进行更换，会导致真空室内的气压发生变化，从而影响制备进度与制备效果。采用本发明的系统组合，保证了制备过程方便、高效、快捷，同时也显著提高了多层薄膜制备的成品率。

进一步，在溅射清洗之前还对钛合金基体材料预处理，所述预处理为用丙酮超声波清洗15min，然后侵入丙酮中漂洗2min，再用吹风机吹干马上放进真空室的样品台上。

进一步，上述对钛合金基体进行清洗以及抽真空具体为抽真空至5x设计图

一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜及其制备方法论文和设计

一种适用于钛合金表面的纳米多层薄膜及其制备方法论文和设计-徐照英

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