[发明专利]多层耐高温Ti/Zr共掺杂类金刚石涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种多层耐高温Ti/Zr共掺杂类金刚石涂层及其制备方法，涂层的结构为：粘结层、中间过渡层、表面涂层，其中粘结层为金属TiZr，中间过渡层为(Ti、Zr)C，表面涂层为(Ti、Zr)/DLC；其制备方法为采用磁过滤阴极真空弧沉积技术，依次在预处理后的基体表面沉积粘结层、成分梯度变化的中间过渡层和表面涂层；本发明通过多元素共掺杂技术、多层涂层技术和磁过滤阴极真空电弧沉积技术制备的多层耐高温Ti/Zr共掺杂类金刚石涂层具有低内应力、高硬度、优异的膜基结合强度、耐高温性能及耐摩擦性能，增加了类金刚石涂层的使用寿命，拓宽了其应用领域。

技术领域

本发明属于涂层沉积技术领域，特别是涉及一种多层耐高温Ti/Zr共掺杂类金刚石涂层及其制备方法。

背景技术

类金刚石(Diamond-like Carbon,DLC)涂层具有高硬度、高弹性模量、低摩擦系数、良好的抗蚀性和化学惰性等优异性能，作为润滑涂层和耐磨材料在航空航天领域具有非常广阔的应用前景。

然而，研究发现类金刚石涂层存在内应力高、耐高温性差的缺点：一方面，DLC膜在生长过程产生的内应力以及膜基不匹配造成的应力，导致DLC膜容易产生裂纹(破裂)，膜基结合力差，限制了DLC涂层的厚度和使用寿命；另一方面，当温度高于400℃以上时DLC涂层结构恶化，摩擦学性能极差；因此，有效地控制或减小DLC涂层中的内应力，提高DLC涂层的耐高温性能和膜基结合力，同时保持DLC涂层优异的机械性能和耐磨损性能是实现DLC涂层在航空航天等领域应用所需解决的关键问题。

目前，为了降低DLC薄膜内应力、提高耐高温性能，元素掺杂和多层涂层技术得到了广泛的应用研究；然而，对于金属元素掺杂DLC涂层的研究是以单一金属元素掺杂为主，这在一定程度能够对DLC涂层的内应力和热稳定性进行改善，但仍不能满足在航空航天等领域特殊环境下的使用需求(抗耐磨、耐高温、耐热蚀等)；因此，本发明主要采用Ti、Zr双金属元素掺杂和多层涂层技术制备出一种多层耐高温Ti/Zr共掺杂类金刚石涂层，具有优异的膜基结合强度、良好的耐高温性和耐摩擦性，使其能够满足航空航天等领域的使用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多层耐高温Ti/Zr共掺杂类金刚石涂层及其制备方法，以解决类金刚石涂层内应力高、膜基结合强度低、热稳定性差的问题，克服单一元素掺杂存在的不足，保证类金刚石涂层能够在特殊工况条件下保持良好的耐磨性和使用寿命，满足其实际应用要求。

本发明所采用的技术方案是，一种多层耐高温Ti/Zr共掺杂类金刚石涂层，该涂层附着在基体上，由里之外包括有粘结层、中间过渡层和表面涂层；

粘结层中Ti原子数百分含量为75～83at.％，Zr的原子数百分含量为17～25at.％；中间过渡层中Ti原子数百分含量为20～25at.％，Zr的原子数百分含量为5～15at.％，C原子数百分含量为65～75at.％；表面涂层中Ti原子数百分含量为2～20at.％，Zr的原子数百分含量为1～10at.％，C原子数百分含量为70～97at.％。

进一步的，粘结层为TiZr，中间过渡层为(Ti，Zr)C，表面涂层为(Ti，Zr)/DLC，基体为纯金属或金属合金基体的任何一种。

进一步的，多层耐高温Ti/Zr共掺杂类金刚石涂层的总厚度为0.5～30μm，优选为2～30μm；

其中粘结层的厚度为0.1～2μm，优选为0.4～2μm；

其中中间过渡层的厚度为0.1～5μm，优选为0.6～5μm；

其中表面涂层的厚度为0.3～23μm，优选为1～23μm。

进一步的，采用真空镀膜技术、多元素共掺杂技术和多层涂层技术来制备多层耐高温Ti/Zr共掺杂类金刚石涂层，其中真空镀膜技术选择物理气相沉积技术(PVD)中的磁过滤阴极真空电弧沉积技术(FCVA)。