專(zhuān)利名稱(chēng)：一種TiNi合金表面制備金剛石涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于TiNi合金表面沉積金剛石薄膜的方法，具體涉及一種采用雙層輝光離子滲金屬方法和化學(xué)氣相沉積方法相結(jié)合在TiNi合金表面制備金剛石涂層的方法。
背景技術(shù)：
TiNi合金是一種綜合性能優(yōu)良的形狀記憶合金，越來(lái)越多地被應(yīng)用于醫(yī)療器械行業(yè)，作為植入體材料制作血管支架或牙科及骨科器具。但是，TiNi合金在醫(yī)療應(yīng)用中存在以下兩個(gè)問(wèn)題，一是作為植入體，特別是牙科及骨科器具，需要長(zhǎng)期服役，在人體環(huán)境中耐磨性不足，由此產(chǎn)生的過(guò)度磨損會(huì)帶來(lái)患者的痛苦甚至發(fā)生病變；另外一方面，TiNi合金中含有較高Ni元素，長(zhǎng)期使用過(guò)程中Ni離子析出進(jìn)入人體會(huì)造成傷害。因此如何對(duì)TiNi合金進(jìn)行表面防護(hù)處理，以提高其摩擦學(xué)性能，同時(shí)阻止或減緩Ni離子的析出，成為制約其應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素。金剛石具有極高的硬度和很低的摩擦系數(shù)，此外膨脹系數(shù)低，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，是很理想的耐磨材料。金剛石薄膜的沉積技術(shù)經(jīng)多年發(fā)展已經(jīng)很成熟，應(yīng)用范圍也很廣泛。但是在TiNi合金表面沉積金剛石薄膜的工作極為有限，究其原因主要有兩方面，一是TiNi合金硬度較低，在軟基體上直接沉積超硬薄膜，基體無(wú)法對(duì)膜材提供有效支撐，膜基結(jié)合強(qiáng)度不足；二是TiNi合金中的Ni元素是石墨化元素，阻礙金剛石的成膜生長(zhǎng)，因此在TiNi上沉積金剛石薄膜難度很大，往往形成類(lèi)金剛石薄膜或碳沉積。因此，如何克服TiNi合金由于Ni含量較高無(wú)法生長(zhǎng)金剛石的問(wèn)題，以達(dá)到制得金剛石薄膜與基體有良好的結(jié)合強(qiáng)度的TiNi合金的目的，是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決TiNi合金由于Ni含量較高無(wú)法生長(zhǎng)金剛石的問(wèn)題，而提供了一種TiNi合金表面制備金剛石涂層的方法，以達(dá)到形成的金剛石薄膜能夠與基體有良好的結(jié)合強(qiáng)度，并獲得基體有效的支撐的目的。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種TiNi合金表面制備金剛石涂層的方法，包括以下步驟:
利用雙層輝光離子滲金屬方法在TiNi合金表面滲鑰，然后利用化學(xué)氣相沉積方法進(jìn)行金剛石薄膜沉積，使TiNi合金表面形成金剛石薄膜/滲鑰層復(fù)合涂層。進(jìn)一步地，所述的利用雙層輝光離子滲金屬方法在TiNi合金表面滲鑰是首先將TiNi合金置入雙層輝光離子滲金屬爐，濺射靶材選用鑰板，靶材和TiNi合金采用豎直懸掛設(shè)置，間距為20mm，工作氣體為高純氬氣；濺射完成后，對(duì)TiNi合金表面進(jìn)行基材濺射清理，工藝參數(shù)為:工作氣壓20±5Pa，基材工作電壓400 700V，清理時(shí)間0.5h ;最后對(duì)TiNi合金表面進(jìn)行滲鑰，工藝參數(shù)為:工作氣壓40 土 5Pa，濺射靶電壓600 800V，基材工作電壓250 450V，試樣溫度900 950°C，保溫時(shí)間2 3h，得到表面滲鑰的TiNi合金基材；
所述的利用化學(xué)氣相沉積方法進(jìn)行金剛石薄膜沉積，是將上述表面滲鑰的TiNi合金基材置于反應(yīng)室，反應(yīng)氣體為CH4與H2，其中CH4體積含量為0.5% 1.5%，氣體壓力7 9KPa，沉積溫度700 900°C，沉積時(shí)間I 5h，即得成品。所述的氬氣的純度彡99.999%。雙層輝光離子滲金屬及其滲金屬爐是一種表面合金化的技術(shù)和設(shè)備，可以在金屬基材上形成金屬靶材元素的滲層，由于滲層中靶材元素的濃度由基體至表面逐漸增大，呈梯度分布，因此，表面滲層與基體之間有很好的結(jié)合強(qiáng)度。該技術(shù)具有無(wú)公害、可處理大批量及大面積工件、滲層厚度和成分范圍均很寬等諸多優(yōu)點(diǎn)?；瘜W(xué)氣相沉積金剛石薄膜采用甲烷/氫氣混合氣氛在材料表面制備金剛石薄膜是成熟的技術(shù)，可通過(guò)控制沉積溫度，氣體流量，氣體壓力，氣體配比等參數(shù)有效控制薄膜的生長(zhǎng)速度及薄膜組織結(jié)構(gòu)等。本發(fā)明首先在TiNi合金表面通過(guò) 雙層輝光離子滲金屬技術(shù)制備滲鑰層，然后用化學(xué)氣相沉積方法進(jìn)行金剛石薄膜的沉積。形成的滲鑰層含量由表及里梯度下降，依次由鑰沉積層及擴(kuò)散層構(gòu)成，如圖1、2所示，鑰是適合金剛石薄膜生長(zhǎng)的基體材料，通過(guò)滲鑰層的制備，可形成有利于金剛石形成生長(zhǎng)的前驅(qū)體，阻斷基體中Ni元素與反應(yīng)氣氛的接觸，從而在TiNi合金表面成功生長(zhǎng)金剛石薄膜，金剛石薄膜Raman光譜分析圖如圖3所示。除此之外，滲鑰層有效強(qiáng)化了 TiNi合金表面，并可有足夠的厚度，強(qiáng)度和硬度自表面向基體梯度過(guò)渡，使得基體能夠?qū)饎偸∧ぬ峁┯行У闹巍１景l(fā)明上述技術(shù)方案中，采用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)和化學(xué)氣相沉積技術(shù)相結(jié)合的方法，在TiNi合金表面滲鑰及沉積金剛石薄膜，使TiNi表面成功生長(zhǎng)出具有微納米結(jié)構(gòu)的金剛石薄膜/滲鑰層復(fù)合涂層。經(jīng)⑶S分析檢測(cè)，作為前驅(qū)體的滲鑰層，最外側(cè)是約10 μ m的Mo沉積層，在10 μ m-20 μ m之間得到Ti富集的合金層。繼續(xù)往基體內(nèi)部延伸時(shí)，Ti和Mo原子百分比逐漸減少，Ni原子百分比增加，在50 μ m以后Mo原子含量幾乎為零，直至最后到達(dá)基體穩(wěn)定成分。由于滲鑰處理形成了近于純鑰的表面，在滲鑰層基礎(chǔ)上生長(zhǎng)的金剛石薄膜致密均勻。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)將雙層輝光離子滲金屬技術(shù)和化學(xué)氣相沉積鍍技術(shù)有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步拓寬了金剛石薄膜制備技術(shù)的領(lǐng)域；
(2)具有工藝重復(fù)性好，質(zhì)量易控，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可廣泛用于TiNi合金的表面改性處理，使之應(yīng)用范圍及水平得到有效提升；
(3)所制得的成品性能良好，金剛石薄膜能夠與基體有良好的結(jié)合強(qiáng)度，并獲得基體有效的支撐。


圖1是本發(fā)明的滲鑰層成分分布曲線；
圖2是本發(fā)明的金剛石薄膜表面形貌與未滲鑰處理對(duì)比圖，圖中(a)滲鑰后沉積金剛石薄膜形貌，(b)未滲鑰形成的C沉積；
圖3是本發(fā)明的金剛石薄膜Raman光譜分析。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，使所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解和實(shí)現(xiàn)，其所述有益效果也能夠通過(guò)具體的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)。實(shí)施例1
一種TiNi合金表面制備金剛石涂層的方法，包括以下步驟:
一.雙層輝光離子滲金屬技術(shù)滲鑰
(1)清理TiNi合金表面:將TiNi合金去掉表面毛刺，保證表面較好的光潔度，最后進(jìn)行清洗、干燥；
(2)裝爐:將TiNi合金基材放置于雙層輝光離子滲金屬爐中，使用鑰板做濺射靶材，靶材和基材均采用豎直懸掛式放置，間距為20mm，濺射氣體為高純氬氣；
(3 )抽真空并清洗:開(kāi)啟機(jī)械泵，達(dá)到本底真空度時(shí),開(kāi)啟基材電源(陰極電源),進(jìn)行基材的濺射清理，具體參數(shù)為:工作氣壓20Pa，基材工作電壓400V，清理時(shí)間0.5h ；
(4)升溫:開(kāi)啟濺射靶電源(源極電源)，工作氣壓調(diào)至45Pa，調(diào)節(jié)濺射靶電壓至700V，基材工作電壓250V，試樣溫度達(dá)900 910°C后，進(jìn)入保溫階段；
(5)保溫:保溫2h后，關(guān)閉濺射靶電源和基材電源，0.5h后關(guān)閉氬氣，待溫度降到室溫后出爐；
二.化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜
(1)裝爐:將預(yù)先進(jìn)行了滲鑰處理的TiNi合金樣品放置于反應(yīng)室內(nèi)； (2)抽真空升溫:開(kāi)啟真空泵，達(dá)到本底真空度后，將反應(yīng)室溫度升至700 750°C；
(3)沉積金剛石薄膜:通入反應(yīng)氣體CH4與H2,CH4體積含量控制在0.5%，氣體壓力7KPa，沉積時(shí)間lh，沉積完畢隨爐冷卻。實(shí)施例2
一種TiNi合金表面制備金剛石涂層的方法，包括以下步驟:
一.雙層輝光離子滲金屬技術(shù)滲鑰
(1)清理TiNi合金表面:將TiNi合金經(jīng)過(guò)360#水砂紙打磨，去掉表面毛刺并保證較好的表面平整度，然后依次用不同標(biāo)號(hào)的水砂紙和金相砂紙打磨，最后在拋光布上拋光，保證表面較好的光潔度，最后進(jìn)行清洗、干燥；
(2)裝爐:將TiNi合金放置于雙層輝光離子滲金屬爐中，使用純度為99.995%的鑰板做濺射靶材，靶材和基材均采用豎直懸掛式放置，間距為20mm，濺射氣體為高純氬氣；
(3 )抽真空并清洗:開(kāi)啟機(jī)械泵，達(dá)到本底真空度時(shí),開(kāi)啟基材電源(陰極電源),進(jìn)行基材的濺射清理，具體參數(shù)為:工作氣壓15Pa，基材工作電壓450V，清理時(shí)間0.5h ；
(4)升溫:開(kāi)啟濺射靶電源(源極電源)，工作氣壓調(diào)至42Pa，調(diào)節(jié)濺射靶電壓至600V，基材工作電壓300V，試樣溫度達(dá)910 920°C后，進(jìn)入保溫階段；
(5)保溫:保溫2.5h后，關(guān)閉濺射靶電源和基材電源，0.5h后關(guān)閉氬氣，待溫度降到室溫后出爐；
二.化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜
(1)裝爐:將預(yù)先進(jìn)行了滲鑰處理的TiNi合金樣品放置于反應(yīng)室內(nèi)；
(2)抽真空升溫:開(kāi)啟真空泵，達(dá)到本底真空度后，將反應(yīng)室溫度升至850 900°C；
(3)沉積金剛石薄膜:通入反應(yīng)氣體CH4與H2,CH4體積含量控制在1.5%，氣體壓力8KPa，沉積時(shí)間2h，沉積完畢隨爐冷卻。實(shí)施例3一種TiNi合金表面制備金剛石涂層的方法，包括以下步驟:
一.雙層輝光離子滲金屬技術(shù)滲鑰
(1)清理TiNi合金表面:將TiNi合金經(jīng)過(guò)360#水砂紙打磨，去掉表面毛刺并保證較好的表面平整度，然后依次用不同標(biāo)號(hào)的水砂紙和金相砂紙打磨，最后在拋光布上拋光，保證表面較好的光潔度，最后進(jìn)行清洗、干燥；
(2)裝爐:將TiNi合金放置于雙層輝光離子滲金屬爐中，使用純度為99.995%的鑰板做濺射靶材，靶材和基材均采用豎直懸掛式放置，間距為20mm，濺射氣體為高純氬氣；
(3 )抽真空并清洗:開(kāi)啟機(jī)械泵，達(dá)到本底真空度時(shí),開(kāi)啟基材電源(陰極電源),進(jìn)行基材的濺射清理，具體參數(shù)為:工作氣壓18Pa，基材工作電壓700V，清理時(shí)間0.5h ；
(4)升溫:開(kāi)啟濺射靶電源(源極電源)，工作氣壓調(diào)至40Pa，調(diào)節(jié)濺射靶電壓至650V，基材工作電壓350V，試樣溫度達(dá)920 930°C后，進(jìn)入保溫階段；
(5)保溫:保溫3h后，關(guān)閉濺射靶電源和基材電源，0.5h后關(guān)閉氬氣，待溫度降到室溫后出爐；
二.化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜
(1)裝爐:將預(yù)先進(jìn)行了滲鑰處理的TiNi合金樣品放置于反應(yīng)室內(nèi)；
(2)抽真空升溫:開(kāi)啟真空泵，達(dá)到本底真空度后，將反應(yīng)室溫度升至750 800°C；
(3)沉積金剛石薄膜:通入 反應(yīng)氣體CH4與H2,CH4體積含量控制在1%，氣體壓力9KPa，沉積時(shí)間3h，沉積完畢隨爐冷卻。實(shí)施例4
一種TiNi合金表面制備金剛石涂層的方法，包括以下步驟:
一.雙層輝光離子滲金屬技術(shù)滲鑰
(1)清理TiNi合金表面:將TiNi合金經(jīng)過(guò)360#水砂紙打磨，去掉表面毛刺并保證較好的表面平整度，然后依次用不同標(biāo)號(hào)的水砂紙和金相砂紙打磨，最后在拋光布上拋光，保證表面較好的光潔度，最后進(jìn)行清洗、干燥；
(2)裝爐:將TiNi合金放置于雙層輝光離子滲金屬爐中，使用純度為99.995%的鑰板做濺射靶材，靶材和基材均采用豎直懸掛式放置，間距為20mm，濺射氣體為高純氬氣；
(3 )抽真空并清洗:開(kāi)啟機(jī)械泵，達(dá)到本底真空度時(shí),開(kāi)啟基材電源(陰極電源),進(jìn)行基材的濺射清理，具體參數(shù)為:工作氣壓25Pa，基材工作電壓600V，清理時(shí)間0.5h ；
(4)升溫:開(kāi)啟濺射靶電源(源極電源)，工作氣壓調(diào)至35Pa，調(diào)節(jié)濺射靶電壓至800V，基材工作電壓450V，試樣溫度達(dá)930 940°C后，進(jìn)入保溫階段；
(5)保溫:保溫2h后，關(guān)閉濺射靶電源和基材電源，0.5h后關(guān)閉氬氣，待溫度降到室溫后出爐；
二.化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜
(1)裝爐:將預(yù)先進(jìn)行了滲鑰處理的TiNi合金樣品放置于反應(yīng)室內(nèi)；
(2)抽真空升溫:開(kāi)啟真空泵，達(dá)到本底真空度后，將反應(yīng)室溫度升至800 850°C；
(3)沉積金剛石薄膜:通入反應(yīng)氣體CH4與H2,CH4體積含量控制在0.8%，氣體壓力
7.5KPa，沉積時(shí)間4h，沉積完畢隨爐冷卻。實(shí)施例5
一種TiNi合金表面制備金剛石涂層的方法，包括以下步驟:一.雙層輝光離子滲金屬技術(shù)滲鑰
(1)清理TiNi合金表面:將TiNi合金經(jīng)過(guò)360#水砂紙打磨，去掉表面毛刺并保證較好的表面平整度，然后依次用不同標(biāo)號(hào)的水砂紙和金相砂紙打磨，最后在拋光布上拋光，保證表面較好的光潔度，最后進(jìn)行清洗、干燥；
(2)裝爐:將TiNi合金放置于雙層輝光離子滲金屬爐中，使用純度為99.995%的鑰板做濺射靶材，靶材和基材均采用豎直懸掛式放置，間距為20mm，濺射氣體為高純氬氣；
(3 )抽真空并清洗:開(kāi)啟機(jī)械泵，達(dá)到本底真空度時(shí),開(kāi)啟基材電源(陰極電源),進(jìn)行基材的濺射清理，具體參數(shù)為:工作氣壓22Pa，基材工作電壓500V，清理時(shí)間0.5h ；
(4)升溫:開(kāi)啟濺射靶電源(源極電源)，工作氣壓調(diào)至38Pa，調(diào)節(jié)濺射靶電壓至750V，基材工作電壓400V，試樣溫度達(dá)940 950°C后，進(jìn)入保溫階段；
(5)保溫:保溫3h后，關(guān)閉濺射靶電源和基材電源，0.5h后關(guān)閉氬氣，待溫度降到室溫后出爐；
二.化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜
(1)裝爐:將預(yù)先進(jìn)行了滲鑰處理的TiNi合金樣品放置于反應(yīng)室內(nèi)； (2)抽真空升溫:開(kāi)啟真空泵，達(dá)到本底真空度后，將反應(yīng)室溫度升至850 900°C；
(3)沉積金剛石薄膜:通入反應(yīng)氣體CH4與H2,CH4體積含量控制在1.2%，氣體壓力
8.5KPa，沉積時(shí)間5h，沉積完畢隨爐冷卻。
權(quán)利要求
1.一種TiNi合金表面制備金剛石涂層的方法，其特征在于，包括以下步驟: 利用雙層輝光離子滲金屬方法在TiNi合金表面滲鑰，然后利用化學(xué)氣相沉積方法進(jìn)行金剛石薄膜沉積，使TiNi合金表面形成金剛石薄膜/滲鑰層復(fù)合涂層，即得成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiNi合金表面制備金剛石涂層的方法，其特征在于: 所述的利用雙層輝光離子滲金屬方法在TiNi合金表面滲鑰是首先將TiNi合金置入雙層輝光離子滲金屬爐，濺射靶材選用鑰板，靶材和TiNi合金采用豎直懸掛設(shè)置，間距為20mm，工作氣體為高純氬氣；濺射完成后，對(duì)TiNi合金表面進(jìn)行基材濺射清理，工藝參數(shù)為:工作氣壓20±5Pa，基材工作電壓400 700V，清理時(shí)間0.5h ;最后對(duì)TiNi合金表面進(jìn)行滲鑰，工藝參數(shù) 為:工作氣壓40±5Pa，濺射靶電壓600 800V，基材工作電壓250 450V，試樣溫度900 950°C，保溫時(shí)間2 3h，得到表面滲鑰的TiNi合金基材； 所述的利用化學(xué)氣相沉積方法進(jìn)行金剛石薄膜沉積，是將上述表面滲鑰的TiNi合金基材置于反應(yīng)室，反應(yīng)氣體為CH4與H2，其中CH4體積含量為0.5% 1.5%，氣體壓力7 9KPa，沉積溫度700 900°C，沉積時(shí)間I 5h，即得成品。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種TiNi合金表面制備金剛石涂層的方法，其特征在于:所述的氬氣的純度彡99.999%。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種TiNi合金表面制備金剛石涂層的方法，屬于TiNi合金表面沉積金剛石薄膜的方法，解決TiNi合金由于Ni含量較高無(wú)法生長(zhǎng)金剛石的問(wèn)題。包括以下步驟利用雙層輝光離子滲金屬方法在TiNi合金表面滲鉬，然后利用化學(xué)氣相沉積方法進(jìn)行金剛石薄膜沉積，使TiNi合金表面形成金剛石薄膜/滲鉬層復(fù)合涂層。本發(fā)明將雙層輝光離子滲金屬技術(shù)和化學(xué)氣相沉積鍍技術(shù)有機(jī)結(jié)合，工藝重復(fù)性好，質(zhì)量易控，操作簡(jiǎn)單，所制得的成品性能良好，金剛石薄膜能夠與基體有良好的結(jié)合強(qiáng)度，并獲得基體有效的支撐。
文檔編號(hào)C23C16/27GK103147063SQ20131005560
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月21日
發(fā)明者賀志勇, 王振霞, 于盛旺, 申艷艷, 趙遠(yuǎn)濤, 寧來(lái)元, 金騰 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)