[发明专利]一种非晶碳复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及耐磨性涂层领域，具体涉及一种非晶碳复合涂层及其制备方法。

背景技术

医用Ti6Al4V合金由于其良好的生物相容性，弹性模量最接近人体骨骼，是人工髋关节的最佳材料选择。然而，随着该医用Ti6Al4V合金的广泛应用，人工髋关节的并发症日益显露出来，由于其较低的硬度和较差的耐磨性能，导致人工髋关节在摩擦磨损过程中产生大量的磨屑，进入人体引发并发症，并且引起关节头与臼间匹配变差，容易松动，大大降低人工髋关节的使用寿命。因此，提高钛合金材料（如医用Ti6Al4V合金）的摩擦学性能是减少人工髋关节摩擦磨损、提高其寿命的重要手段。

沉积耐磨性涂层，对材料表面进行改性是改善材料性能的常用方法。非晶碳涂层因其具有较高的硬度、良好的化学稳定性、耐磨性能、生物相容性而被广泛应用于摩擦、生物等各种领域。但由于非晶碳涂层与钛合金基体两者材料的物理性能上存在巨大差异，非晶碳涂层与基体的界面结合强度差，非晶碳涂层与基体之间存在很大的内应力，限制了非晶碳涂层的生长厚度（其沉积厚度一般小于0.5μm），降低了耐磨薄膜材料的使用寿命。

为了提高非晶碳涂层与基体的界面结合强度，可以通过在基体与非晶碳涂层之间设计合适的成分梯度过渡层。同时，加入金属元素Ti、Cr、W、Ta等，形成碳化物镶嵌于基体上的非晶碳涂层，以进一步降低内应力，Ti元素具有良好的生物相容性，是最佳选择。但是非晶碳涂层与基体良好的结合力是牺牲其硬度及耐磨性能为代价，为了最大限度消除这一不利因素，非晶碳涂层采用成分梯度的复合膜层，在保证低内应力的前提下，获得最优硬度及其摩擦性能。

公开号为CN 101444985A的中国发明专利申请公开了一种非晶碳涂层及其制备方法和用途，该非晶碳涂层由打底层、中间过渡层和顶层三层构成，所述打底层为Ti、Cr金属层，中间过渡层为Ti、Cr和非晶碳的混合层，顶层为掺杂有少量Ti、Cr的非晶碳涂层，其中，过渡层中的Cr元素的含量从打底层到顶层方向呈递减的趋势，C元素呈逐渐增加的趋势，而Ti元素的含量基本保持稳定。虽然该技术方案通过成分梯度的复合膜层来提高非晶碳涂层与基体的界面结合力，并使其保持较好的硬度和摩擦性能，但是从其实施例2的表4可见，硬度最高为15.3GPa，摩擦因素0.1~0.21，磨损率为1.23~8.88×10^-8，其硬度以及摩擦磨损性能均不理想，有待进一步提高。

发明内容

本发明提供了一种摩擦系数小、耐磨性能优异、且与基体结合力好的非晶碳复合涂层。

一种非晶碳复合涂层，由依次沉积在基体上的纯钛底层、碳-钛过渡层和含钛非晶碳顶层构成，所述含钛非晶碳顶层由原子百分比含量90%～95%非晶碳和5%～10%钛组成，非晶碳有sp2和sp3两种形式，所述含钛非晶碳顶层中sp3形式的非晶碳原子百分比含量从含钛非晶碳顶层靠近碳-钛过渡层的一侧到另一侧由20%～30%逐渐增加到40%～50%。

本发明中，所述含钛非晶碳顶层中非晶碳有sp2和sp3两种形式，并且，所述含钛非晶碳顶层中sp3形式的非晶碳原子百分比含量和sp2形式的非晶碳原子百分比含量从含钛非晶碳顶层靠近碳-钛过渡层的一侧到另一侧呈梯度变化，sp3逐渐增加，sp2逐渐减少，以使含钛非晶碳顶层由软质层逐渐向硬质层过渡，从而使得本发明非晶碳复合涂层摩擦系数小，耐磨性能优异。纯钛底层和碳-钛过渡层可以提高本发明非晶碳复合涂层与基体的结合力。

作为优选，所述含钛非晶碳顶层中垂直于该含钛非晶碳顶层厚度方向的各截面成分相同，均由原子百分比含量90%～95%非晶碳和5%～10%钛组成。每个截面中，原子百分比含量90%～95%非晶碳由sp2形式的非晶碳和sp3形式的非晶碳组成，所述含钛非晶碳顶层中sp3形式的非晶碳原子百分比含量从含钛非晶碳顶层靠近碳-钛过渡层的一侧到另一侧由20%～30%逐渐增加到40%～50%，则所述含钛非晶碳顶层中sp2形式的非晶碳原子百分比含量从含钛非晶碳顶层靠近碳-钛过渡层的一侧到另一侧逐渐减少，呈均匀梯度分布，有利于提高本发明非晶碳复合涂层的耐磨性能。