多弧离子镀DLC涂层的结构与力学性能文献综述

1、多弧离子镀DLC涂层的结构与力学性能文献综述1.1多弧离子镀概述1.1.1多弧离子镀概念多弧离子镀与一般的离子镀相比有很大区别。多弧离子镀采用弧光放电，而不 是传统离子镀的辉光放电以进行沉积。简单说，多弧离子镀的原理就是将阴极靶作 蒸发源，通过靶与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发，从而在空间中形成等离 子体，对基体进行沉积。离子镀技术是结合了蒸发与溅射技术而发展的一种PVD技术。它对产品， 特别是刃具之类的工具表面起着装饰和提高寿命的作用。多弧离子镀最早起源于 苏联，美国于1980年由Multi-arc公司引进，是上世纪80年代兴起的高新 表面处理技术，Multi-arc公司推广并使之实用化

2、，它的发明使薄膜技术进入了 一个崭新的阶段。在随后的几十年的时间里，该技术有了突飞猛进的发展。至今 欧美国家仍然大力发展多弧离子镀膜技术。11.1.2多弧离子镀的基本结构多弧离子镀的基本组成包括真空镀膜室，阴极弧源，基片，负偏压电源，真空 系统等。阴极弧源是多弧离子镀的核心，它所产生的金属等离子体自动维持阴极和 镀膜室之间的弧光放电。微小狐班在阴极靶面迅速徘徊，狐班的电流密度很大，电 压为20V左右。由于微弧能量密度非常大，狐班发射金属蒸汽流的速度可达到 的8次方m/s.阴极靶本身既是蒸发源，又是离化源。外加磁场可以改变阴极狐班在 靶面的移动速度，并使狐班均匀，细化，以达到阴极靶面的均匀烧蚀，

3、延长靶的使 用寿命。E在靶面前方附近形成的金属等离子体，有电子，正离子，液滴和中性金属蒸汽 原子组成，由于金属蒸汽原子仅占很小部分（低于百分之二），因而在基片上沉积 的粒子束流中几乎全部由粒子和液滴组成。为了解释这种高度离化的过程，已建立了一种稳态的蒸发离化模型。该模型认 为，由于阴极狐班的能流密度非常大，在阴极的表面上形成微小熔池，这些微小熔 池导致阴极靶材的剧烈蒸发。热发射和场至发射共同导致电子发射，而且电子被阴 极表面的强电场加速，以极高的速度飞离阴极表面，在大约一个均匀自由程之后， 电子与中性原子碰撞，并使之离化，这个区域称之为离化区。在这一区域内，高度 的热等离子体被形成了。由于电子

4、比离子轻得多，所以电子飞离离化区的速度要比 重离子高得多，这样在离化区就出现正的空间电荷云。离化区域的空间电荷，是导致加速区电场的主要原因，该电场一方面使电子加 速离开阴极表面，另一方面也使得离子回归阴极表面，该回归的离子流可能导致阴 极表面温度在一定程度上的增加。此外，回归的离子流对熔池表面的冲击作用可能 是液滴喷溅的原因，这可以与一杯水在表面收到冲击时产生的喷溅现象相类比。按 照这种解释，在阴极表面附近只有离子和液滴向外空间发射，即在基片上只能接收 到离子和液滴，而无中心原子。1.1.3多弧离子镀工艺参数多弧离子镀所要确定的工艺参数有工作电流、反应气体压强、基体负偏压和基 体沉积温度 工作

5、电流靶源电流与弧斑的数目成正比关系随着电弧电流的增加阴极斑点的数目增加， 而且大电流工作可以使阴极靶源的蒸发速率提高，沉积速率增大。试验研究发现， 在一定的膜层厚度范围内及一定的工艺下，弧电流与膜层厚度呈正比关系，同时硬 度也随着弧电流的增加而增加。但是对于一定的靶材，增加弧电流，意味着靶材整 体温度的升高，相应的液滴的产生会随之增多，而且液滴的尺寸也会增大，在沉积 的过程中会形成大颗粒，大大降低了薄膜的各种性能。因此，工业应用时，用于装 饰镀工作电流小些，而镀制刀具时电流稍微大些。反应气体压强反应气体分压的大小直接影响薄膜的化学成分、组织结构及性能，是镀膜工艺 中较为重要的参数之一。对于Ti

6、AlN薄膜的沉积来说，试验证明提高氮分压，有明显细化和减少颗粒的效 果。气压过低，反应不完全。气压过大，溅射增强，反而不能形成表面质量较好和 厚度达到要求的膜层，所以应选取合适的反应气体压强。基体负偏压在多弧离子镀过程中，镀膜真空室内为等离子体气氛所填充，等离子体中含有 大量的离子、电子及中性粒子。当基体被施加负偏压时，等离子体中的离子将受到 负偏压电场的作用而加速飞向基体。到达基体表面时，离子轰击基体，并将从电场 中获得的能量传递给基体，导致基体温度升高。所以基体负偏压在离子镀中有举足 轻重的作用，调整基体负偏压可以调整沉积离子的能量，以控制薄膜质量。薄膜硬 度随基体负偏压的增大先增后减。镀

7、前预先轰击时，高的负偏压在给基体加热的同 时高能量离子的溅射作用也有利于清除工件表面吸附的气体和污染物沉积期间， 负偏压又为离子提供能量使膜层与基底紧密结合。基体温度基体温度的高低可以影响到基体对气体杂质的吸附、基体的硬度、渗透层的深 度、膜层硬度及附着力等。根据吉布斯的吸附原理可知温度越高，基体对气体杂质 的吸附越少。若基体的温度过低，则膜层的结合力会降低，而且薄膜硬度也会降低。多弧离子镀成膜温度一般较低，在镀制刀具时，为使膜层与基体结合牢固，提高膜 层质量，需在镀前将基体加热到一定温度，镀制高速钢刀具一般为。C左右。1.1.4涂层PVD技术增强型磁控阴极孤：阴极孤技术是在真空条件下，通过低

8、电压和高电流 将靶材离化成离子状态，从而完成薄膜材料的沉积。增强型磁控阴极孤利用 电磁场的共同作用，将靶材表面的电孤加以有效地控制，使材料的离化率更 高，薄膜性能更加优异。过滤阴极孤：过滤阴极电孤（FCA ）配有高效的电磁过滤系统，可将离子 源产生的等离子体中的宏观粒子、离子团过滤干净，经过磁过滤后沉积粒子 的离化率为100%，并且可以过滤掉大颗粒，因此制备的薄膜非常致密和平 整光滑，具有抗腐蚀性能好，与机体的结合力很强。磁控溅射：在真空环境下，通过电压和磁场的共同作用，以被离化的惰 性气体离子对靶材进行轰击，致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出并 沉积在基件上形成薄膜。根据使用的电离电源的

9、不同，导体和非导体材料均 可作为靶材被溅射。离子束DLC :碳氢气体在离子源中被离化成等离子体，在电磁场的共同作 用下，离子源释放出碳离子。离子束能量通过调整加在等离子体上的电压来 控制。碳氢离子束被引到基片上，沉积速度与离子电流密度成正比。星孤涂 层的离子束源采用高电压，因而离子能量更大，使得薄膜与基片结合力很好； 离子电流更大，使得DLC膜的沉积速度更快。离子束技术的主要优点在于可沉 积超薄及多层结构，工艺控制精度可达几个埃，并可将工艺过程中的颗料污 染所带来的缺陷降至最小。1.2 DLC概述1.2.1 DLC 概念“DLC”是英文“DIAMON-LIKE CARBON” 一次的缩写DLC

10、是一种由碳元素构 成、在性质上和钻石类似同时又具有石墨原子组成结构的物质类金刚石薄臆DLC） 是一种非晶态薄膜，由于具有高硬度和高弹性模量，低摩擦因数，耐磨损以及良好 的真空摩擦学特性，很适合于作为耐磨涂层，从而引起了摩擦学界的重视。目前制 备DLC薄膜的方法很多，不同的制备方法所用的碳源以及到达基体表面的离子能量 不同，沉积的DLC膜的结构和性能存在很大差别，摩擦学性能也不相同。常见的制备DLC薄膜的方法有真空蒸发、溅射、等离子体辅助化学气相沉积、 离子注入等。这些方法中传统的真空蒸发镀膜法具有较高的沉积速度生成的薄 膜纯度高但由于热蒸发的原子或分子在基板上能量很低约0 2 eV ）,其表面

11、迁 移率很彳氐导致薄膜与基体结合强度差加上已经沉积的原子对后来飞到的原子会 造成阴影效果 使得真空蒸发镀膜技术的应用受到很大的限制。离子注入法能使材 料的摩擦因数、耐磨性、耐腐蚀性等发生显著变化而且注入层与基体材料之间没 有清晰的界面因而与基体结合牢固表面不存在粘附破裂或剥落。然而离子注 入的注入层太薄仅数百纳米在耐磨工况下应用受到一定限制。为了克服真空蒸发镀膜法结合力差以及离子注入法注入层浅的问，题科研人员 把薄膜蒸发沉积与离子注入技术结合起来研究出了真空蒸发离子束辅助沉积技 术。该技术在用蒸发源电子束）将元素沉积在基片上的同时用离子轰击镀层以 获得比离子注入层更厚、比蒸发镀膜法附着力更大的

12、高性能致密膜层。因此这种方 法有利于增强薄膜的摩擦学性能。本文作者用真空蒸发离子束辅助镀膜的方法制备 了 DLC薄膜，测试了其摩擦学性能 并对DLC薄膜的表面形貌对其摩擦学行为的影 响进行了研究。弹簧钢及Ti6Al4V球表面经真空蒸发离子束辅助镀膜处理后形成了光滑、致密 的DLC薄膜，摩擦学试验结果表明DLC薄膜降低了基体材料的摩擦因数改善了摩 擦学性能。磨损表面的SEM和AFM分析表明,DLC薄膜的表面磨损较轴承钢为轻表 现出轻微的磨损痕迹表明弹簧钢基体经真空蒸发离子束辅助技术处理咸面摩擦 学性能获得显著改善AFM分析还表明Ti6Al4V球表面镀DLC薄膜后，磨痕表面比磨 损前原始表面平整光

13、滑表面粗糙度小其摩擦学性能在摩擦过程中进一步得到改 善。碳素的天然结构有两种，空间立体结构（金刚石）和平面网状结构（石墨）， 而两者共存的结构就淄LC，其实DLC的定义是具有非品质（amorphous）结构的碳素。 所以，DLC的定义非常广泛，只要含有碳元素，而且是非品质结构（没有固定的结构 形态），那么它就是）LC，不管里面还掺杂有其它元素什么的，统统都叫LCO 1.2.2 DLC主要性能 力学性能a.硬度及弹性模量。不同的沉积方法制备的LC膜硬度及弹性模量差异很大， 用磁过滤阴极电弧法可以制备出硬度达到甚至超过金刚石故C膜，广州有色金属 研究院用阴极电弧法制备的DLC膜最高硬度可达50GP

14、a以上，而用离子源结合非平 衡磁控溅射法制备的DLC膜硬度达21GPa。膜层内的成分对膜层的硬度有一定的影 响，Si、N的掺入可以提高DLC膜的硬度DLC膜具有较高的弹性模量，虽低于金 刚石（1100GPa），但明显高于一般金属和陶瓷的弹性模量。b.内应力和结合强度。薄膜的内应力和结合强度是决定薄膜的稳定性和使用寿 命，影响薄膜性能的两个重要因素，内应力高和结合强度低的LC膜容易在应用中 产生裂纹、褶皱，甚至脱落，所以制备的LC膜最好具有适中的压应力和较高的结 合强度。大部分研究表明，直接在基体上沉积的DLC膜的膜/基结合强度一般比较低， 广州有色金属研究院通过采用Ti/TiN/TiCN/Ti

15、C中间梯度过渡层的方法提LC膜 与基体的结合强度，在模具钢上沉积DLC膜的结合强度达44N-74N,制备的膜导总 体厚度可达5um。摩擦性能DLC膜不仅具有优异的耐磨性，而且具有很低的摩擦系数，一般低于0.2,是一 种优异的表面抗磨损改性膜DLC的摩擦系数随制备工艺的不同和膜中成分的变化 而变化，其摩擦系数最低可达0.005。掺杂金属元素可能降低其摩擦系数，但加入H 能提高润滑作用，环境也对摩擦系数有一定的影响。但总的来湘LC膜与传统的 硬质薄膜（如上述STiN. TiC、TiAlN等）相比，在摩擦系数方面具有明显优势， 这些传统硬质薄膜的摩擦系数都在）.4以上。国此，DLC膜有可能在许多摩擦

16、学领 域替代这些传统硬膜。广州有色金属研究院制备的掺金1LC膜具有良好的抗摩擦 磨损性能及低达0.13-0.15的摩擦系数。热稳定性由于DLC属亚稳态的材料，热稳定性差是限制LC膜应用的一个重要因素，在 300?C以上退火时即出现7sp3键向sp2键转变，为此，人们进行了大量的工作试 图提高其热稳定性。有研究发现：Si的加入可以明显改善DLC膜的热稳定性，含20 at%Si的DLC膜在740?C退火时才出现sp3键向sp2键转变。同样，金属（如Ti、W、 Cr）的掺入也可提高DLC膜的热稳定性，我们正在对这方面进行研究。 耐腐蚀性纯DLC膜具有优异的耐蚀性，各类酸、碱甚至王水都很难侵蚀它。但掺

17、杂有其 他元素的DLC膜的耐蚀性有所下降，这是由于掺杂的元素首先被侵蚀，从而破坏了 膜的连续性所致。表面状态DLC膜表面一般较光洁，对基材的表面光洁度没有太大的影响，但随着膜厚的 增加，表面光洁度会下降。不同的沉积方法所得到JDLC膜表面光洁度也是不同的， 广州有色金属研究院采用离子源技术沉积的LC膜表面质量明显优于电孤离子镀。DLC膜具有很好的抗粘结性，特别是对有色金属（如铜、铝、锌等），对塑 料、橡胶、陶瓷等也有抗粘结性。1.2.3机械功能领域应用钻头、铣刀DLC膜可以应用于钻头和铣刀上，特别是掺杂金属的LC膜，它不仅具有高的 硬度，还具有低的摩擦系数、抗有色金属粘结。荷兰Sfeuzer公

18、司制备的掺金属 DLC膜层，用于切削高强度铝合金时，能减少表面所谓的切屑瘤6咂）。结果是延 长工具的寿命并使工件材料在切削后表面光滑。特别是在十切削和深孔加工方面， 膜层性能非常好。广州有色金属研究院也进行了在铣刀上镰AlN+DLC膜，在加工 有色金属时明显提高使用寿命及加工质量。光盘模具及其辅助模具光盘模具是生产CD、CDR、DVD的重要工具，为了减少它与母盘（竦盘）的摩擦， 希望模具表面硬且摩擦系数小，目前，国外大多采用LC膜层，大大提高了模具的 寿命和盘片的质量。我们制备的）LC膜层也开始用于该领域，并取得了成功。图 为广州有色金属研究院制备的）LC膜层光盘模具模仁，其寿命已达开闭合00万次 以上（无涂层模具只有50