[发明专利]磁控溅射沉积碳钢表面非晶钽涂层的方法

说明书

本发明公开了一种碳钢表面非晶钽涂层的磁控溅射沉积方法，其步骤为：将样品进行砂纸机械打磨和抛光处理，并超声清洗；将样品固定在超高真空磁控溅射设备溅射平台上，将靶材放入磁控溅射腔室内，关闭溅射室，抽真空达到一定的本底真空度；采用直流磁控溅射方法制备非晶钽涂层，工艺参数为：靶基距80mm，工作气体溅射高纯氩气，工作气压0.2±0.02Pa，钽靶溅射功率40W~100W,溅射时间为1.5~2.5h。该沉积方法能提供一种未辅助加热基体、可控性好的非晶钽涂层。

技术领域

本发明涉及材料表面改性技术领域，是提供一种磁控溅射沉积碳钢表面非晶钽涂层的方法。

背景技术

自20世纪60年代以来，钽涂层已经吸引了相当大的关注，由于其具有高延展性、低热膨胀系数、高耐腐蚀性、高熔点（2996℃），在电子学，X射线光学，机械系统及生物医学方面存在着潜在的应用财富。此外，钽运用于各种摩擦学和耐腐蚀方面，用以代替电沉积铬涂层所带来的六价铬的致癌性和环境危险。在基体表面沉积钽涂层时，通常存在三种形式的钽：α相钽稳定且有韧性，延展性好，努氏硬度为300~400，具有低电阻值（13.5 μΩcm^-1）；β相是亚稳相，质地脆，努氏硬度>900，电阻率比体心立方的α相高一个数量级，第三种非晶钽相目前报道不多，但是仍有在Si基体上直流溅射60nm非晶钽的报道，且非晶钽的硬度要高于纳米晶钽。另外，非晶钽电阻率值较大，可达到7.0×10⁷Ωcm，可用于钽制电容器和耐磨耐蚀器件、并己成功地应用于化纤行业的喷丝头。

钽涂层可通过磁控溅射、离子液体沉积、化学气相沉积、熔融盐沉积等方法制备，后两者处理中需要高温加热基体，会影响基体性能。之前文献采用先低温离子渗氮后再熔盐阳极化的方法制备非晶钽涂层，制备出的钽涂层不纯，有钽的氧化物，氮化物掺杂。

发明内容

针对现有技术制备非晶相钽条件严苛，表面粗糙度大大增加，表面硬度和电阻率均受到限制，本发明的目的是提供一种未辅助加热基体，可控性好的碳钢表面非晶钽涂层的磁控溅射沉积方法。该方法通过调整溅射功率工艺参数，制备出的非晶钽涂层具有结合强度高，硬度高，涂层表面平整均匀等优点。

本发明的技术方案如下：

一种磁控溅射沉积碳钢表面非晶钽涂层的方法，具体步骤如下：

步骤1，将中碳钢基底进行砂纸机械打磨和抛光处理，并超声清洗；

步骤2，将基底固定在超高真空磁控溅射设备溅射平台上，将钽靶材放入磁控溅射腔室内，关闭溅射室，抽真空达到一定的本底真空度；

步骤3，采用直流磁控溅射方法制备非晶钽涂层。

更进一步地，步骤1中，所述中碳钢采用45#钢，打磨和抛光处理至镜面光泽，表面粗糙度为0.01~0.04μm。

更进一步地，步骤2中，靶材与基片表面距离固定为80mm，抽真空达到5.5×10^-3的本底真空度。

更进一步地，步骤3中，采用Ar作为惰性气体，预溅射功率为20~30 W，最终溅射功率值40 W~100 W，溅射时间1.5~2.5h。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）本发明采用磁控溅射制备钽涂层技术，由于溅射出来的粒子能量为几十电子伏特，所以制备的膜层与基体结合力较好，成膜较致密。同时，溅射速率高，基底升温小，沉积更为均匀。

（2）本发明采用直流磁控溅射技术，并在未辅助基体加热情况下，制备出了稳定的非晶钽涂层，涂层厚度达到2μm以上；

（2）非晶钽涂层硬度在8~11GPa，与文献中报道一致，优于45钢基体(2.36~2.82 GPa)，且优于传统的镀铬层6.7 GPa。

附图说明