薄膜多层结构、包括所述结构的部件及其沉积方法技术

本发明专利技术涉及一种具有低磨损率和低摩擦系数的耐腐蚀薄膜多层结构，其包括：１～１０００段，每一段包括基于碳、硅和氢的２～１００层（Ａ，Ｂ）；以及任选地，功能表面层（ＦＳＬ）。本发明专利技术还涉及一种包括所述薄膜多层结构的部件和其沉积方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种具有低磨损率和低摩擦系数的耐腐蚀薄膜多层结 构，涉及一种包括所述结构的部件，还涉及其沉积方法。几十年来，具有低磨损率的硬质膜，特别是那些具有低磨损率和低 摩擦系数的硬质膜，为诸如切削工具、机械零件、轧机构件和齿轮等许 多热机应用领域带来了相当大的益处。例如，在诸如应用于航空航天业 的钛合金等金属合金上制作这种膜目前越来越受到关注。通常使用PVD(物理气相沉积)法生成薄膜。特别是当薄膜将要受到 摩擦磨损时，薄膜可以基于氮化物和/或碳化物，例如TiN、 TiCN、 TiCrN、 CrC或TiAlN，并在钛基的基材上通过PVD法制作，或者可以是金刚合 金碳型或DLC (类金刚石碳)型，即由氢化或非氢化的无定形碳构成的类 型，其通过PACVD (等离子体辅助化学气相沉积)法制作。术语DLC覆盖了各种轻度或高度氢化的材料。这些材料通常用于需 要高硬度和高弹性模量(例如，分别为15-30 GPa禾Q 200-280 GPa)的应用 中。在使用条件下，可提供低摩擦系数Oi)和10义1(T7 mm^N.m"的有限 磨损率。摩擦系数小于0.2，尤其是对于钢、铝合金和钛合金。对于后两 种合金，如此低的摩擦系数是异乎寻常的。由于DLC涂层具有高弹性模 量，使其比具有相同硬度的氮化物型材料具有更高的耐磨性，因为DLC 涂层的主要特征之一是耐磨性，所以在工程领域中对这种涂层的需求越 来越大。然而，其缺点是耐腐蚀性有限。(i) 在干燥介质中，DLC在温度高于400°C时被氧化，致使其在高 于约400。C时分解(石墨化)；以及(ii) 在潮湿介质中，生长缺陷引起孔蚀。此外，DLC受到高应变，因此在被涂件和上层之间需要匹配应变或弹性模量分布的复合亚层。这些具有达到几微米的不同厚度的调节层或 亚层的存在，使得难于预测与膜对基材的粘附相关的机械性能、载荷下 的机械强度、各种叠置材料的物理化学相互作用以及整个组件的耐热性。 这些多层系统在关于优化涂层性能以达到预期功能方面又引发了附加程 度的难度。专利申请FR 2 736 361记载了一种含有碳、硅和氢的薄膜，氢元素 含量小于30%， C/Si比大约为1.4 3.3。这种薄膜通过PACVD法制作， 并具有低摩擦系数。然而，现有技术中的涂层在金属基材上不能满足涂层在摩擦方面的 工业要求(如现有技术中所述，限制磨损和摩擦)。因此需要一种涂层，其同时具有-摩擦性能，例如对于处在腐蚀环境和/或高温下的金属表面，在干燥(即没有另外加润滑剂)时的低磨损率和低摩擦系数；-粘合性能，例如在金属基材上涂层的高机械强度；以及-涂层的耐高温性，例如在高于400°C时不会改变涂层的摩擦性能 和对基材的粘合性。本申请人惊奇地发现， 一种特殊的多层结构能提供这样的综合性能， 所述多层结构将基于硅、碳和氢的厚度为5 nm~5 pm且具有不同摩擦性 能的几层联合起来，至少两层形成一段，每段重复n次，其中n为1 1000。因此，本专利技术的一个主题是一种具有低磨损率和低摩擦系数的耐腐 蚀薄膜多层结构，其包括 1-1000段，优选1 500段，每一段包括基于碳、硅和氢的2~100 层，优选2 10层；以及 任选地，功能表面层。在本专利技术中，表述"低摩擦系数"被理解为指摩擦系数^小于0.2，例如-在使用转动摩擦计进行摩擦测试的条件下，在法向载荷为3N、行进距离为100 m、位移速度为0.02m/s时，在干燥下运行，即没有另外加 润滑剂，在实验室环境温度为25°C下，使用由100C6钢制成的直径6 mm 的对置金属球体；以及-在往复摩擦测试条件下，伴随往复运动，在法向载荷为3N、行进 距离为20m、位移速度为0.00017 m/s时，在干燥下运行，即没有另外加 润滑剂，在实验室环境温度为25°C下，使用由100C6钢制成的直径6 mm 的对置金属球体。低摩擦系数使得可以设想将所述结构应用于许多工业领域，只要相 互接触的部件连续或间歇地相对运动。在本专利技术中，表达"低磨损率"被理解为指在上述摩擦测试条件下测 得的磨损率小于l(T5 mn^N.m—1，其中在磨擦薄膜之后根据摩损轨迹的轮 廓测定法测量低磨损率。在本专利技术中，表达"耐腐蚀性"被理解为指100小时后达到基材溶解 电位的溶解电位，其中在5MNaCl水溶液中，在pH5.5、温度25°C条件下用饱和甘汞参比电极进行电化学测量。多层结构优选总厚度为10 pm以下，优选为1 6 nm。所述段中的每一层均由碳、硅和氢构成，Si/C原子比特别为0.3~1.5。 氢的比例优选为10 30at。/。(原子百分比)。所述段中每一层的厚度优选为5nm~5 pm，更佳为10 nm~l nm，再 更优选为10nm 500 nm。所述段中每一层彼此独立地具有相同或者不同的特定机械性能，例 如硬度为1~100 Gpa，优选为5 80GPa，杨氏弹性模量为10 600 GPa， 优选为80 400 GPA。通过纳米压痕技术测量得到这些物理性能，其中使 用柏氏(Berkovich)压头，在0.5 mN 200 mN载荷下，使穿透深度为10 nm~1.5 fim。通过抗擦伤性测试测量得到粘合性能。测试条件如下将半径200 pm 的球形洛氏金刚石触针应用于薄膜表面上，并从O到30N逐渐增加法向 载荷，以匀速5mm/min移动距离5mm。良好的粘合对应临界载荷(Lc2)大于15 N，优选大于20 N。在本专利技术中，术语"功能层"被理解为指表现出显著的耐腐蚀性、抗 擦伤性或摩擦性能(例如低摩擦系数和低磨损率)的层。任选的功能表面层赋予不同于其下面的段中各层的那些性能。功能层主要含有碳，即30 100atn/。的碳，优选40 90at。/。的碳。功能 层也可以含有额外元素，如硅、氢、硫、氟、钛或钨，这些额外元素优 选以0 70at%的比例存在，更佳是10~60at% 。后面层的厚度优选不超过3 pm，更特别为1 nm 2 pm。功能表面层也具有机械性能，例如硬度为1 100 GPa，优选为5~80 GPa，杨氏模量为10 600 GPa，优选为80~400 GPa。本专利技术的主题还是一种具有低磨损率和低摩擦系数的耐腐蚀部件，其包括-由在加热到温度低于600。C、优选200 600°C时不受损害的材料制 成的金属基材；-连接层；以及-覆盖所述连接层的表面涂层，所述表面涂层为上述定义的根据本 专利技术的薄膜多层结构。金属基材优选由钛制成或者钛合金(例如TA6V或Til0.2.3)、高速钢 (例如HS18-0-l和HS6-5-2-5)、不锈钢或硬质合金(例如WC+CoK10和 WC+TiC+Ta(Nb)C+CoP 10K10)中的 一种制成。介入基材和表面涂层之间的连接层可以被氮化、渗碳化、碳氮化或 硅化，优选氮化。作为氮化物的例子，当基材是以钛为基础时，特别可 以提及的是氮化钛。所述连接层可以由氩/氢/氮的混合物产生，这也使金属基材表面功能 化，从而特别地促进多层结构与基材的粘合，同时在承受载荷时限制其 变形。表面氮浓度优选为20at%~80at%。连接层的厚度优选为0.1 pm~100 pm，更佳是0.2 |im~10 pm。所述部件具有组合下列性能的优点--涂层具有良好的摩擦性能，也就是说，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有低磨损率和低摩擦系数的耐腐蚀薄膜多层结构，其特征在于，其包括：　.１～１０００段，优选１～５００段，每一段包括基于碳、硅和氢的２～１００层（Ａ，Ｂ），优选２～１０层；以及　.任选地，功能表面层（ＦＳＬ）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦莱里卢卡，米凯尔茹安特，弗朗西斯泰西安迪尔，洛朗特托马斯，
申请(专利权)人：欧洲航空防务航天公司EADS法国，
类型：发明
国别省市：FR[法国]