一种通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法技术

本发明专利技术涉及真空镀膜涂层制备领域，具体涉及一种通过调制强流脉冲电弧制备ta‑C涂层的方法，包括以下步骤：（1）形成基础层：通过调制电磁驱动的电弧放电沉积金属层或金属与C和/或N的化合物，即为基础层；（2）形成ta‑C层：通过调制强流脉冲电弧形成无氢四面体非晶碳层的类金刚石涂层，即为ta‑C层。调制线圈与电弧离子镀阴极上的磁体相互作用，可有效驱动石墨靶材弧斑，从而实现石墨靶全靶面运动，提升靶材利用率；脉冲强流可改善靶面的瞬间磁场强度，提升弧斑运动速度，同时较小的稳弧电流及瞬间强流可有效减少大颗粒的产生，从而在基材表面制备高硬耐磨的高SP3含量的类金刚石涂层。

【技术实现步骤摘要】
一种通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法
本专利技术涉及真空镀膜涂层制备领域，具体涉及一种通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法。
技术介绍
石墨与金刚石是两种结构性能都有显著差异的同素异形体，其中石墨质软摩擦系数低，是一种常见的耐磨材料，金刚石是自然界最为坚硬的物质，其应用也较为广泛。石墨含量众多，金刚石较为稀少，因而人民在不断的尝试将石墨变成金刚石。现在材料技术中，将石墨制备为纯正的金刚石的技术成本高昂，人民倾向于制备介于石墨与金刚石之间的既有石墨低摩又有类似于金刚石硬度的新型材料，其被统称为类金刚石。类金刚石其可以分为含氢类金刚石与非氢类金刚石，其中含氢类金刚石制备方法较多，例如：物理气相沉积技术（PVD）中的离子束沉积（IBD）、磁控溅射、电弧离子镀、脉冲激光沉积等，化学气相沉积技术（CVD）中的热丝化学气相沉积、等离子化学增强气相沉积（PECVD）；而非氢类金刚石也被称为无氢四面体非晶碳（ta-C），其较为成功的制作方法主要是HIPIMS+OSC（高功率脉冲磁控溅射+振荡器）、Laser-Arc（激光弧沉积）以及FCVA（磁过滤阴极真空电弧）。其中，HIPIMS+OSC是利用适当的脉冲频率在每一个脉冲产生是会被放大至很高值的震荡，从而产生高度电离的等离子体，从而有利于高能碳粒子流的产生，以期形成富有高含量的SP3的四面体非晶碳膜；磁过滤阴极电弧是通过利用较长的（直道或弯道）等离子体通道及套装在上面的电磁线圈来实现弧光放电中的碳离子流，降低石墨靶弧光放电中的大颗粒，从而在一定偏压下形成四面体非晶碳膜；激光弧技术主要是通过利用高能激光辐照石墨靶材表面，并利用一定的（过滤）跑道来祛除大颗粒，实现较为纯净的碳离子流沉积在待镀基体表面。HIPIMS+OSC、Laser-Arc及FCVA技术虽然能够获得SP3含量极高的ta-C涂层，但是其沉积速率极慢，而且装备成本高昂，主要应用于高精工模具表面处理，不能得到广泛的技术应用。对于无氢四面体非晶碳膜部分使用现有的电弧离子镀阴极弧源进行制备，其基本过程是采用小圆靶（60mm直径以下）直接进行弧光放电，放电过程中的碳离子与大颗粒同时沉积在待镀基材上，其生成的为具有一定SP3含量的ta-C层，石墨靶放电过程中存在放电弧斑汇聚，移动速度慢，刻蚀坑较深，因而其沉积过程中的大颗粒极多，涂层质量较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法。本专利技术所采取的技术方案如下：一种通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，包括以下步骤：（1）形成基础层：通过调制电磁驱动的电弧放电沉积金属层或金属与C和/或N的化合物，即为基础层；（2）形成ta-C层：通过调制强流脉冲电弧形成无氢四面体非晶碳层的类金刚石涂层，即为ta-C层；所述调制电磁驱动的电弧为在具有多级磁体所形成的永磁场与电磁之间相互作用所形成的耦合磁场中进行弧光放电；所述调制强流脉冲电弧为利用可远程调节的具有较大周期并可实现线性调控的矩形波线圈电流驱动石墨电弧放电，同时在石墨靶上将施加以一定基值电流作为稳弧电流并周期性施加瞬间强电流的脉冲弧电源放电；所述基础层设置在待镀基体上，所述ta-C层设置在基础层上。电磁线圈电流为线性调制电流，其具体是指为频率为0.01-50HZ，电压为±40v，占空比1-80%，每组电压的变化周期为1-30min的可实现输出电压远程线性周期性调节；电磁线圈上的线性调制电流为短期多组线性输出变化，长期周期有序的方波电流，其中短期多组变化的线性输出其每个周期变化内的组数不少于1组，其将根据放电靶材进行独立设定。脉冲弧电源是具有一定基值作为稳弧电流，并可周期性输出瞬间强流的弧电源，其具体参数为：20-100A基值电流可调、100-1500A的峰值电流可调，频率1-1kHZ，占空比1-50%。用于制备ta-C涂层的电弧离子镀装置，包括弧光电子流激发的等离子体清洗装置、一组金属靶、两组石墨靶，所述石墨靶采用调制强流脉冲电弧。在形成基础层前先对待镀基体通过弧光电子流激发的等离子体清洗装置清洗，具体设置如下：对镀膜机的真空室抽真空，其中腔体温度控制在200-500℃，待到达5E-3pa以下的真空度，通入Ar或Ar+H2混合气，真空度控制在1-10pa，弧光电子激发的等离子体清洗装置中的弧电流为70-120A，待镀基体表面施加40-300V负偏压，清洗时间为10-100min，随后关闭弧光电子激发的等离子体清洗装置。步骤（1）中，形成基础层的具体设置如下：开启金属弧靶，其工艺气体为反应气与氩气的混合气体或纯氩气，气压为0.1-5pa，弧靶弧电流60-150A，弧源上加载的电磁线圈的调制参数为：线圈频率为0.01-50Hz，线圈电压-40V-+40V设置,线圈电压及组数可根据靶材刻蚀情况进行微调,为待镀基体表面施加40-200V的负偏压，沉积厚度1-10um，随后关闭金属靶。形成的基础层为利用工艺气体与金属靶直接沉积的纯金属或单一化合物；所述化合物的反应气为氮气、氮气碳氢气体混合气或碳氢气体；金属靶以纯金属、两种金属所组成的合金为主；金属为一元金属或二元金属。化合物的沉积过程中氩气占反应气与氩气混合气的总比例为10%-50%。步骤（2）中，形成ta-C层的具体设置如下：开启两组石墨靶，其工艺气体为氩气，气压为0.01-2pa，脉冲弧电源参数为：基值电流20-50A，瞬间强流为100-1500A，频率为1-1kHz，占空比1%-50%；调制线圈参数为：线圈频率为0.01-1Hz，占空比30%-70%，线圈电压为周期性线性调节，线圈电压共3组，每组周期为1-30min，-18V~-6v/-10V~+1v/-5V~-+5v，线圈电压及组数可根据靶材刻蚀情况进行微调，沉积厚度为1-20um。瞬间强流采用线性增加的模式，即以较低的瞬间强流起始，在一定的时间内升至参数设定值，随后以稳定的瞬间强流继续涂层，直至涂层结束。本专利技术的有益效果如下：在具有多级磁体所形成的永磁场与电磁之间相互作用所形成的耦合磁场提升阴极靶材表面弧斑的运动速度，减少了大颗粒的迸射，同时也极大地提升了反应气体的离化效果，可不采用多层金属、金属氮化物、金属碳氮化物、金属碳化物等通过反应气体的不断梯度来获得的基础层，可直接采用单一的金属层或化合物（氮化物或碳氮化物或碳化物）直接作为基础层，其具有良好的结合力，可起到很好的过渡作用。采用具有较大周期的可实现线性调节的可程序控制调节的矩形波输出，其将与多级磁体所形成的永磁场相互作用，可在靶面形成较为平缓的水平分量磁场，可以有效的增加弧光放电过程中的电子的运动行程，提升等离子体的浓度及强度；此外采用大周期可线性调节的线圈电流，可以有效的实现石墨靶靶面的弧斑的运动位置改变，即通过线圈磁场的控制，控制弧斑可以实现从内到外的运动。调制线圈与电弧离子镀阴极上的磁体相互作用，可有效驱动石墨靶材弧斑，从而实现石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：/n（1）形成基础层：通过调制电磁驱动的电弧放电沉积金属层或金属与C和/或N的化合物，形成基础层；/n（2）形成ta-C层：通过调制强流脉冲电弧形成无氢四面体非晶碳层的类金刚石涂层，即为ta-C层；/n所述调制电磁驱动的电弧为在具有多级磁体所形成的永磁场与电磁之间相互作用所形成的耦合磁场中进行弧光放电；/n所述调制强流脉冲电弧为利用可远程调节的具有较大周期并可实现线性调控的矩形波线圈电流驱动石墨电弧放电，同时在石墨靶上将施加以一定基值电流作为稳弧电流并周期性施加瞬间强电流的脉冲弧电源放电；/n所述基础层设置在待镀基体上，所述ta-C层设置在基础层上。/n

【技术特征摘要】
1.一种通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）形成基础层：通过调制电磁驱动的电弧放电沉积金属层或金属与C和/或N的化合物，形成基础层；
（2）形成ta-C层：通过调制强流脉冲电弧形成无氢四面体非晶碳层的类金刚石涂层，即为ta-C层；
所述调制电磁驱动的电弧为在具有多级磁体所形成的永磁场与电磁之间相互作用所形成的耦合磁场中进行弧光放电；
所述调制强流脉冲电弧为利用可远程调节的具有较大周期并可实现线性调控的矩形波线圈电流驱动石墨电弧放电，同时在石墨靶上将施加以一定基值电流作为稳弧电流并周期性施加瞬间强电流的脉冲弧电源放电；
所述基础层设置在待镀基体上，所述ta-C层设置在基础层上。


2.根据权利要求1所述的通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于：电磁线圈电流为线性调制电流，其具体是指为频率为0.01-50HZ，电压为±40v，占空比0-80%，每组电压的变化周期为1-30min的可实现输出电压远程线性周期性调节；电磁线圈上的线性调制电流为短期多组线性输出变化，长期周期有序的方波电流，其中短期多组变化的线性输出其每个周期变化内的组数不少于1组，其将根据放电靶材进行独立设定。


3.根据权利要求1所述的通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于：脉冲弧电源是具有一定基值作为稳弧电流，并可周期性输出瞬间强流的弧电源，其具体参数为：20-100A基值电流可调、100-1500A的峰值电流可调，频率1-1kHz，占空比1-50%。


4.根据权利要求1所述的通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于：用于制备ta-C涂层的电弧离子镀装置，包括弧光电子流激发的等离子体清洗装置、一组金属靶、两组石墨靶，所述石墨靶采用调制强流脉冲电弧。


5.根据权利要求4所述的通过调制强流脉冲电弧制备ta-C涂层的方法，其特征在于；在形成基础层前先对待镀基体通过弧光电子流激发的等离子体清洗装置清洗，具体设置如下：对镀膜机的真空室抽真空，其中腔体温度控制在200-500℃，待到达5E-3pa以下的真空度，通入Ar或Ar+H2混合气，真空...

【专利技术属性】
技术研发人员：郎文昌，黄志宏，陈智杰，
申请(专利权)人：温州职业技术学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33