[发明专利]表面结构化复合涂层制备方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面工程的薄膜涂层，特别是一种表面结构化复合涂层制备方法及其装置。

背景技术

随着科学技术及人类社会的发展，摩擦学材料的服役条件越来越极端化、复杂化，这对材料的耐磨性、减摩性等提出了越来越高的要求。在传统摩擦学材料的基础上，通过表面工程技术研发，表面减摩耐磨涂层为优化机械系统摩擦学性能、解决材料磨损提供了一条有效、也是极具生命力的方案和途径。

薄膜涂层是表面工程独立于材料学、热处理、电镀、热喷涂等，成为独立技术领域的关键性标志。在现阶段，薄膜涂层的制备方法主要有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体化学气相沉积(PCVD)、离子束辅助沉积(IBAD)及离子注入等；从薄膜涂层材料来看，基本上还是软、硬两大类。但是，传统薄膜涂层具有许多无法克服的缺点，如类金刚石涂层中存在很大的内应力，降低了和基体之间的结合强度；石墨涂层具有优良的减摩性能，但是石墨的硬度低、耐磨损性能差；涂层不能协调硬度和韧性之间的矛盾。因此，在薄膜涂层领域，在组分上由单一组分向三组分或四组分发展，同时还寻求新的涂层材料，甚至包括含油的涂层。薄膜涂层的加工方法在原来的PVD、CVD和IBAD基础上向混合过程、低温化和大尺度化方向发展，表面结构化即制备具有预定表面几何结构形貌的涂层也是薄膜涂层未来重点的加工方法。迄今为止，尚未见表面结构化复合涂层方面的专利和研究论文报道。

发明内容

本发明的目的是要提供一种：能够协调薄膜涂层硬度和韧性的表面结构化复合涂层制备方法及其装置。

为实现上述目的，本发明制备方法包括前期准备、表面结构化处理、复合涂层沉积和后处理，其步骤如下：

前期准备：首先准备好进行表面结构化复合涂层制备的样品、反应气体及建立紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，准备建立紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置所需的三大模块组件，三大模块组件即脉冲激光模块、精密扫描模块、环境调控模块，按照脉冲激光模块、精密扫描模块、环境调控模块依次连接；反应气体采用WF₆/C₆H₆、SiH₄/NH₃或Si₂H₆/O₂组合，纯度不小于99.9％；背景气体采用SF₆或N₂，纯度不小于99％；

表面结构化处理：样品台在计算机的控制下进行旋转，计算机能够控制激光焦点在样品表面按照程序设定的轨迹扫描，实现可控的图案化处理；进行表面结构化处理时，调节激光能量密度在1J/cm²以上，设定X-Y振镜的扫描速度在5～500mm/s之间、样品台的旋转速度0.1～100转/秒之间，先把反应室抽真空，真空度10^-3Pa以上，然后再充入表面结构化过程中需要的背景气体，背景气体为刻蚀气体即SF₆或N₂，通过计算机程序控制激光焦点在样品表面的扫描路径，对样品进行表面结构化加工，激光焦点直径在20～200μm之间；

复合涂层沉积：控制激光的能量密度调节样品表面的温度和反应气体的化学反应速度，从而调控涂层的沉积速度；反应气体由一路或者多路的不同气体同时输入或者分阶段输入，实现对样品的不同成分、不同梯度的复合涂层沉积；在复合涂层沉积时，调节激光的能量密度于0.05～0.4J/cm²之间，充入沉积涂层或复合涂层的反应气体，反应气体为WF₆/C₆H₆、SiH₄/NH₃或Si₂H₆/O₂组合，通过计算机控制样品台的旋转，转速小于10转/秒，实现在表面结构化处理后的样品表面进行复合涂层的沉积；

后处理：关闭反应气体，充入氮气，关闭紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，取出样品，自然干燥或在80～100℃下烘干30min。

本发明制备方法的专用装置包括紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置，紫外脉冲激光多功能表面处理系统装置包括脉冲激光模块、精密扫描模块和环境调控模块，脉冲激光模块、精密扫描模块和环境调控模块顺序连接。

所述的脉冲激光模块包括控制器和脉冲激光器，控制器和脉冲激光器顺序连接。