一种pvd与hipims工业化制备超硬dlc碳涂层方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超硬DLC碳涂层技术设备领域，特别涉及一种PVD与HIP頂S工业化制备超硬DLC碳涂层方法及装置。
【背景技术】
[0002]采用表面PVD (物理气相沉积Physical Vapor Deposit1n)涂层能大幅度地改善和提高工件的表面性能，如硬度、耐磨性、抗摩擦性、耐腐蚀性等，提高工件型腔表面抗擦伤、抗咬合等特殊性能。PVD涂层已经成为绝大多数工件提高寿命和效率不可缺少的手段并被广泛应用于各领域，已经取得了良好的效果。PVD进行涂层时必须考虑工件材料、热处理、被加工材料、成型方式等不同情况，否则会影响涂层性能，造成资源浪费，所以研究各类钢工件表面PVD涂层方法与处理工艺显得尤为重要。
[0003]类金刚石膜涂层(Diamond-like Carbon),简称DLC涂层；类金刚石(DLC)薄膜是一种含有一定量金刚石键(sp2和sp3)的非晶碳的亚稳类的薄膜，所以碳可以形成不同晶体的和无序的结构。DLC碳膜可以被掺杂不同的元素得到掺杂的DLC(N-DLC)薄膜，因而有诸多与金刚石膜相似的性能。类金刚石(DLC)膜具有许多与金刚石相似或相近的优良性能，如硬度高、弹性模量高、摩擦系数低、生物相溶性好、声学性能好、电学性能佳等。DLC薄膜发展到今天，已经为越来越多的研究者和工业界所熟知和关注，在工业各领域都有极大的应用前景。目前DLC薄膜已经在航空航天、精密机械、微电子机械装置、磁盘存储器、汽车零部件、光学器材和生物医学等多个领域有广泛的应用，是具有重要应用前景的高性能的无机非金属薄膜材料。
[0004]美国已经将类金刚石薄膜材料作为21世纪的战略材料之一，业界类金刚石膜的研究、开发、制备及应用正向深度和广度推进，类金刚石制备的方法很多:如离子束辅助沉积、磁控溅射、真空阴极电弧沉积、等离子体增强化学气相沉积、离子注入法等；但不同的制备方法，DLC膜的成分、结构和性能有很大的差别，现有技术中高功率脉冲磁控溅射靶(highpower impuls magnetron sputter),简称HIPIMS与PVD技术存在的不足是:1、难以实现工业化质优的DLC膜的制备与应用，大多数沉积设备或装置属于实验室原型设备，制备成本高；还无法工业化大批量生产，产业化程度低；2、制备的DLC涂层质量不稳定，涂层附着力差，膜层厚度极其微薄(I P m左右)，无法满足高运动付，高频率摩擦的狭窄工件表面涂层DLC的质量要求；3、简单DLC涂层在硬度、摩擦性能、磨损性能方面兼容性能不佳。
【发明内容】
[0005]为了解决如上现有碳薄膜DLC涂层沉积中的系列问题，本发明提供了一种PVD与HIPIMS工业化制备超硬DLC碳涂层方法及装置，针对现有技术中的缺陷，本发明采用高能量离子植入技术增加涂层在工件表面的结合力，离子植入工件表面以下28纳米深度，采用多层不同硬度的碳膜进行复合生长从而得到光滑与表面摩擦性能优异的碳薄膜DLC涂层；实现工件表面的超硬度类金刚石涂层设备，并使涂层具有高附着力，超高硬度，高耐摩擦性能，高耐磨损性能和高自润滑性能。
[0006]本发明所呈现的是一种目前为止所知道与使用的技术中可以避免如上所概述的碳基类金刚石涂层缺陷沉积方法.所述碳基类金刚石涂层具备如下特征:碳基薄膜涂层的维氏硬度40-80GPa，摩擦系数〈0.1，氢含量7-11%，D/G>0.6 ;所述碳基类金刚石涂层正因为具有这些超常特性，才援引出“超硬”碳基类金刚石DLC涂层的概念。
[0007]为达到上述目的，本发明的技术方案如下:一种PVD与HIP頂S工业化制备超硬DLC碳涂层装置，简称涂层装置，包括涂层室、真空腔体、操作控制器、前仓门、后仓门、非平衡磁控阴极、高功率脉冲磁控阴极、靶材挡板、工件基体、中心阳极、真空机械泵、分子泵、冷热水控制箱、功能气体分配箱、阴极靶材隔栅、腔体加热器、三维旋转架、靶材A电源柜、靶材B电源柜、靶材C电源柜、靶材D电源柜、HIPIMS电源柜、偏压电源柜、控制系统弱电柜、阳极电源、上下料运输车、运输车轨道、HIP頂S磁过滤器，其特征在于:
[0008]所述高功率脉冲磁控阴极(high power impuls magnetron sputter),简称为HIPIMS ;所述非平衡磁控阴极，简称为UBM ;所述涂层装置，由涂层室、操作控制器、真空机械泵、分子泵、冷热水控制箱、功能气体分配箱、腔体加热器、三维旋转架、电源系统、上下料装置组成；所述涂层室焊接固定在设备框架上，所述设备框架为矩形不锈钢方通焊接结构，所述涂层室包括真空腔体、前仓门、后仓门；所述真空腔体为八面体不锈钢筒形双层结构，所述前仓门和后仓门分别设置于所述真空腔体的前面和后面，所述前仓门和后仓门的截面为三折板式，所述前、后仓门跨度占用所述八面体的三个相邻面，所述前仓门通过铰链固定连接于所述真空腔体的右侧面下边缘上，所述后仓门通过铰链固定连接于所述真空腔体的右侧面上边缘上，所述前仓门和所述后仓门均向右侧开门设置，并与所述真空腔体密封连接；所述真空腔体的顶部中心设置有中心阳极，所述真空腔体的底面设置有三维旋转架，所述三维旋转架上设置有工件基体，所述真空腔体内部设置有四个UBM，所述四个UBM分别装配在所述真空腔体内八面体的左上面、左下面、右上面、右下面位置，所述UBM靠近内侧面设置，所述UBM前方设置有阴极靶材隔栅；所述真空腔体左侧面外面设置有HIP頂S，所述HIPIMS与所述真空腔体之间设置有HIP頂S磁过滤器；所述真空腔体内部上侧面和下侧面，各设置有一组腔体加热器；所述真空腔体右侧面设置有真空接口，所述真空接口通过管道与真空机械泵、分子泵连通，所述真空腔体的双层结构通过管道与冷热水控制箱连通，所述真空腔体底面开设有气体接口，所述气体接口与功能气体分配箱连通；所述电源系统包括靶材A电源柜、靶材B电源柜、靶材C电源柜、靶材D电源柜、HIPIMS电源柜、偏压电源柜、控制系统弱电柜、阳极电源；所述电源系统与所述操作控制器电气连接，所述操作控制器与所述四个UBM、HIP頂S、真空机械泵、分子泵、冷热水控制箱、功能气体分配箱、腔体加热器、三维旋转架驱动电机电气连接；所述前仓门外侧设置有上下料装置，所述上下料装置由上下料运输车和运输车轨道构成。
[0009]所述电源系统集成为一体式电源柜，所述电源柜上方设置为操作控制器。
[0010]所述三维旋转架由所述真空腔体底下的电机驱动，所述三维旋转架与所述电机密封轴连接；所述三维旋转架上设置有多个卫星旋转支架，所述卫星支架与所述三维旋转架通过齿轮齿接，所述卫星旋转支架随着三维旋转架同步转动，所述卫星支架上设置有多层工件基体。
[0011]所述UBM由多块永磁体并列装配而成，所述永磁体的磁极交替方式排列，所述永磁体外侧绕制的线圈绕组，所述各个UBM与所述HIP頂S的磁力线，在所述真空腔体内部构成闭合磁场。
[0012]所述UBM和所述HIP頂S内设置有冷却通道，所述冷却通道与所述冷热水控制箱连通。
[0013]所述功能气体分配箱与氮气、氩气、乙炔气源通过管道连通，所述功能气体分配箱内设置有调节阀门和流量计。
[0014]一种PVD与HIP頂S制备超硬DLC涂层方法，简称涂层方法:
[0015]1、启动涂层设备:初始化参数设置；
[0016]2、抽真空，开启机械真空泵、分子泵；开始腔体加热器加热；
[0017]3、靶材清洗，对靶材表面进行离子轰击清洗；
[0018]4、短时间氩离子轰击，通入氩气，对工件基体表面进行轰击清洗；
[0019]5、脉冲磁控溅射，启动HIP頂S的WC阴极靶，设置偏压为-800伏特，溅射时间为5—1分钟；
[0020]6、脉冲磁控溅射制备WC中间层，通过HIP頂S的WC阴极靶，对工件基体表面涂层制备WC中间层；
[0021]7、UBM与HIP頂S磁控溅射，制备WC中间层，偏压-175伏特，时间5—10分钟；
[0022]8、非平衡磁控溅射，制备C-DLC涂层，设置偏压为_150伏特，控制电流密度为1W/cm2 ;控制乙炔气体流量为30sccm—160sccm ；
[0023]9、非平衡磁控溅射，制备软质涂层，设置偏压为-