[发明专利]使用类金刚石母体在内表面生成金刚石样碳镀层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳基镀层在物品表面的沉积，特别但非排他性地涉及此种镀层在金属表面(如管道或类似物的内表面)的沉积。

本发明总的涉及用等离子体增强化学气相沉积法进行金刚石样碳(DLC)的沉积，还涉及用类金刚石在内表面上形成DLC基镀层的方法。该方法可调整摩擦性能与机械性能(如硬度、弹性模量、耐磨性和摩擦系数)以及光学性能(如折射率)。此外，所得镀层均匀，具有高耐腐蚀性。通过控制压力、类金刚石母体的种类和偏置电压，这种新方法可防止类金刚石母体在与基材撞击时完全解体。类金刚石在较高压力下保持sp³键，可生成高sp³含量的膜。这样使沉积速率比未使用类金刚石母体可能达到的更快。

背景技术

在某些行业，工业管道和其他元件(如阀门和泵)的腐蚀是个主要问题。特别是石油工业，面临着严重的腐蚀性环境：高温和高压下的腐蚀性气体与液体，如H₂S(硫化氢)。此外，这些条件还会形成严重的磨损与侵蚀环境。解决这些问题的方法之一是在较低级别的基体材料上镀以具有理想的高抗腐蚀性和耐磨损性的高品质镀层材料。这些性能通常见于金属、陶瓷特别是金刚石样碳镀层中。

昂贵的特种合金如哈司特镍基合金和铬镍铁合金(两者均为亨廷顿合金公司的联邦注册商标)常被用于化工行业的排气管上。这些合金具有高温强度和耐腐蚀性。同样，如果在暴露于腐蚀性环境中的内表面上施以适当的表面镀层，则可使用较廉的基体材料。

现有的形成金刚石样碳的镀层方法包括化学气相沉积(CVD)法和物理气相沉积(PVD)法。DLC的许多理想性能取决于碳中金刚石键(sp³)与石墨键(sp²)的数量比。通过扩大sp³/sp²的比率，可以得到金刚石的许多优异性能，如高硬度、低摩擦系数、低磨损、高弹性模量、化学惰性等。

基于DLC的复合镀层也已被证明具有理想的性能。例如，在使用一种低模量材料之后使用一种高硬度材料的多层膜(如WC/C)已被证明可增加耐磨性。类似地还可使用所谓的“纳米复合材料”。纳米复合材料通过将材料混合而非层叠而形成，从而使得硬度极高的材料(如TiN)的纳米级晶体嵌入非晶DLC基体中。纳米复合材料还可涉及两种或多种不同的非晶基体，如Dorfman等人的美国专利5,786,068中描述的C-H基体和独立的金属-金属基体。在现有技术中，这些类型膜的生产以PVD或PVD/PECVD混合方法进行，仅使用PECVD技术所得的结果并不理想。

在使用管道、阀门、泵或管路运送腐蚀性物质的领域，例如油/石油化学工业，接触腐蚀性材料的内表面必须镀膜。对于极低压技术(压力低于或接近分子流域)如PVD，则仅限于镀制直径大且长度短(长宽比大)的管路的内表面。采用PVD技术，可通过以氩等离子体溅射石墨靶制得DLC。可通过加入背景气体氢以反应溅射制得a-C:H DLC(非晶含氢DLC)。sp³含量极高的DLC被称为四面体碳(ta-C)，因其高度的离子化(-100％)，可通过阴极电弧激发石墨靶制得。然而，由于PVD技术是一种视线工艺，在镀制内表面(特别是直径小于6英寸)时并不实用。