技术领域
[0001] 本
发明涉及材料表面
真空镀膜技术领域，尤其是涉及一种基体表面高硬度低磨损的MoS2复合薄膜的制备方法。
背景技术
[0002] MoS2薄膜是一种性能优异的固体润滑材料，由于其具有承载能
力强、
摩擦系数低等优点而广泛用于真空环境及航空航天领域。
[0003] 目前，MoS2薄膜一般采用传统的
磁控溅射技术制备，但是通过该技术制得的MoS2薄膜往往结构疏松、硬度低，在潮湿大气环境中容易被
水气、
氧侵蚀导致润滑失效，因而限制了其在多种摩擦环境中的应用。为此，学术界和工业界主要采用金属共沉积的方法改善MoS2溅射薄膜在大气环境下的摩擦磨损性能。但是，在传统的磁控溅射技术中，金属大多数以
原子状态存在，金属离化率较低（一般小于1%），导致膜基结合力较差，薄膜的致密性及耐湿性不强，因此在多变大气及不同摩擦环境下仍然存在减摩润滑失效的问题。
发明内容
[0004] 本发明的技术目的是针对上述利用传统磁控溅射技术制备MoS2薄膜所存在的薄膜往往结构疏松、硬度低等不足，提供一种制备MoS2薄膜的新方法，利用该方法能够制得具有强膜基结合力、高硬度，并且在多种摩擦环境中具有低的摩擦系数和磨损率的MoS2薄膜。
[0005] 为了实现上述技术目的，本
发明人采用高功率脉冲磁控溅射（High Power Impulse Magnetron Sputtering，HIPIMS）技术，通过大量实验反复探索，优化了工艺条件，从而能够制得上述强膜基结合力、高硬度，并且在多种摩擦环境中具有低的摩擦系数和磨损率的MoS2薄膜。
[0006] 该技术方案具体为：一种基体表面高硬度低磨损的MoS2复合薄膜的制备方法，将清洗后的基体放入高功率脉冲磁控溅射
真空镀膜设备腔内，抽真空后首先利用HIPIMS沉积金属Ti过渡层，然后利用HIPIMS沉积TiN过渡层，最后利用HIPIMS共沉积Ti与MoS2复合薄膜层（Ti/MoS2），具体步骤与参数如下：
[0007] 步骤1：当镀膜腔室压力小于3×10-5Torr时，向腔体内通入一定量氩气，使腔内气压为5mTorr～20mTorr，向基体施加300V～1000V负
偏压，对样品进行
刻蚀；
[0008] 步骤2：向镀膜腔内通入一定量氩气，使腔内气压为1mTorr～5mTorr，利用HIPIMS沉积金属Ti打底层，Ti靶溅射参数设定为：直流
电流优选1A～5A，脉冲
频率优选100Hz～300Hz，脉冲宽度优选100μs～300μs，脉冲
电压优选500V～1000V；同时向基体上施加50V～300V负偏压，沉积厚度为50nm～200nm；
[0009] 步骤3：向镀膜腔内通入一定配比的氩气和氮气气体，使腔内气压为1mTorr～5mTorr，保持氮气气体分压为0.3mTorr～1.0mTorr，利用HIPIMS沉积TiN过渡层，Ti靶溅射参数设定为：直流电流优选1A～5A，脉冲频率优选100Hz～300Hz，脉冲宽度优选
100μs～300μs，脉冲电压优选500V～1000V，同时向基体上施加50V～300V负偏压，沉积厚度为50nm～200nm；
[0010] 步骤4：向镀膜腔体内通入一定量氩气，使腔内气压为1mTorr～5mTorr，利用HIPIMS共溅射Ti靶、MoS2靶沉积Ti/MoS2复合薄膜，Ti靶参数设定为：直流电流优选1A～2A，脉冲频率优选100Hz～300Hz，脉冲宽度优选100μs～300μs，脉冲电压优选500V～
1000V；MoS2靶参数设定为：直流电流优选1A～2A，脉冲频率优选100Hz～300Hz，脉冲宽度优选100μs～300μs，脉冲电压优选500V～1000V，同时向基体上施加50V～300V负偏压，沉积厚度为0.5μm～5μm；
[0011] 步骤5：停止镀膜，关闭气体，继续抽真空直至腔体的
温度小于35℃以下取出样品。
[0012] 所述的基体材料不限，包括不锈
钢、
高速钢等钢材类和硬质
合金等金属类材料。
[0013] 所述的步骤1中，作为优选，刻蚀深度为10nm～100nm。
[0014] 所述的Ti/MoS2复合薄膜层中，Ti的原子百分含量为10%～15%。
[0015] 综上所述，本发明采用
高功率脉冲磁控溅射技术，结合优化的工艺条件，在基体表面依次制备金属Ti打底层、TiN过渡层，以及Ti/MoS2复合薄膜，与
现有技术相比，具有如下优点：
[0016] （1）采用高功率脉冲磁控溅射技术
[0017] 高功率脉冲磁控溅射技术是一种新型的磁控溅射技术，该技术利用较高的脉冲
峰值功率和较低的脉冲占空比能够形成高
密度等离子体，可以获得高溅射速率和高离化率（～50%）。本发明采用高功率脉冲磁控溅射技术在基体表面依次沉积金属Ti打底层、TiN过渡层，以及Ti/MoS2复合薄膜，有效增强了各层的溅射速率，提高了离化率，从而增强了基体表面复合薄膜的结构致密度。
[0018] （2）结合优化的工艺参数
[0019] 通过大量实验证实，采用高功率脉冲磁控溅射技术，并且选用本发明中的工艺参数制备MoS2复合薄膜时，能够制得膜基结合力、高硬度，并且在多种摩擦环境中具有低的摩擦系数和磨损率的MoS2复合薄膜，具体性能如下：
[0020] （a）硬度高，膜层致密性强
[0021] 利用本发明制得的MoS2复合薄膜其纳米硬度均达到11GPa～13GPa，即11GPa以上，与现有文献公开报道的利用传统磁控溅射制得的MoS2薄膜的纳米硬度5GPa～7GPa相比，其硬度提高了近1倍；
[0022] （b）膜基结合力强
[0023] 利用本发明制得的MoS2复合薄膜在高速钢、硬质合金、
不锈钢等基体上的临界
载荷（LC）值均达到60N以上，与现有文献公开报道的利用传统磁控溅射技术制得的MoS2复合薄膜的临界载荷为20N～30N相比，其膜基结合力提高了1倍左右，因此更加有利于获得优异的摩擦性能；
[0024] （c）摩擦系数、磨损率低，环境适应性强
[0025] 利用本发明制得的MoS2复合薄膜在
相对湿度为30%、50%、70%的室温空气，N2气氛和液压油环境中，均具有很低的摩擦系数0.04～0.055，即0.055以下，以及微小的磨损率-7 3 -1 -110 mmN m ，表现出优异的多环境摩擦适应性，克服了利用传统磁控溅射技术制得的MoS2复合薄膜对环境的敏感性。
[0026] 因此，本发明提供了一种在基体表面，包括不锈钢、高速钢等钢材类以及硬质合金等金属类机械部件表面制备高性能MoS2复合薄膜的方法，该薄膜具有膜基结合力强、硬度高、低磨损等优点，对基体起到有效减摩防护作用，具有良好的应用前景。
附图说明
[0027] 图1是本发明中高功率脉冲磁控溅射真空镀膜设备腔体的俯视图；
[0028] 图2是本发明
实施例1中采用高功率脉冲磁控溅射制备的MoS2复合薄膜的纳米硬度测量结果图；
[0029] 图3是本发明实施例1中采用高功率脉冲磁控溅射制备的MoS2复合薄膜的结合力测量结果图；
[0030] 图4是本发明实施例1中采用高功率脉冲磁控溅射制备的MoS2复合薄膜在多种摩擦环境中的测试结果图。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0032] 图1是本发明中所使用的高功率脉冲磁控溅射真空镀膜设备腔体的俯视图，其中的附图标记为：Ti靶
位置1，MoS2靶位置2，可自转的夹具位置3，可公转的大盘中
心轴位置4。
[0033] 实施例1：
[0034] 本实施例中，以高速钢为基体，在基体表面采用高功率脉冲磁控溅射技术依次沉积金属Ti打底层、TiN过渡层，以及Ti/MoS2复合薄膜，具体过程如下。
[0035] 将基体用丙
酮、酒精水分别超声清洗15分钟，吹干，置于高功率脉冲磁控溅射真-5空镀膜设备腔体内，抽真空使腔体真空度低于3.0×10 Torr后进行如下步骤：
[0036] （1）往腔体内通入流量为100sccm氩气，开启真空
挡板，使腔体内气压保持在8.0mTorr，基体上施加-500V的脉冲负偏压，氩气辉
光刻蚀30分钟；
[0037] （2）基体架置于Ti靶位置前方的夹具位置，开启自转，往镀膜腔体内通入流量为40sccm的氩气，使腔体内气压保持在1.8mTorr，基体负偏压为-100V，利用高功率脉冲磁控溅射技术制备Ti金属底层，脉冲恒定电流为2A，脉冲恒定电压为600V，脉冲频率为250Hz，脉宽为250微秒，沉积厚度为100nm；
[0038] （3）基体架保持自转，往镀膜腔体内通入流量为40sccm的氩气，10sccm的氮气气体，保持氩气分压为1.6mTorr，氮气气体分压为0.4mTorr；基体负偏压保持-100V，利用高功率脉冲磁控溅射技术制备TiN过渡层，脉冲频率为250Hz，脉宽为250微秒，脉冲恒定电流2A，脉冲电压为600V，沉积厚度为100nm；
[0039] （4）往镀膜腔体内通入流量为50sccm的氩气，保持氩气压强为2.0mTorr～2.5mTorr，基体负偏压保持-100V不变；利用高功率脉冲磁控溅射Ti靶，脉冲恒定电流为
1A，脉冲恒定电压为600V，脉冲频率为250Hz，脉宽为250微秒，同时利用高功率脉冲磁控溅射MoS2靶，脉冲恒定电流为1A，脉冲恒定电压为600V，脉冲频率为250Hz，脉宽为250微秒，沉积厚度为1μm；
[0040] （5）停止镀膜，关闭气体，继续抽真空直至腔体的温度小于35℃以下取出样品。
[0041] 对上述制得的MoS2复合薄膜进行如下性能测试：
[0042] （1）采用
纳米压痕仪测量MoS2复合薄膜的纳米硬度。
[0043] （2）采用划痕测试系统测定MoS2复合薄膜与基体的界面结合强度。
[0044] （3）采用球-盘式摩擦磨损试验机评价MoS2复合薄膜的摩擦磨损性能。摩擦测试分别在相对湿度为30%、50%、70%的室温空气，N2气氛和液压油环境中进行。
[0045] 测试结果为：如图2所示，上述制得的MoS2复合薄膜的纳米硬度为12GPa；如图3所示，膜基结合力，即临界载荷（LC）值为63N；如图4所示，在相对湿度为30%、50%、70%的室温空气，N2气氛和液压油环境中，均具有很低的摩擦系数0.04～0.05，以及微小的磨损率-7 3 -1 -110 mmN m ，。
[0046] 对比实施例1：
[0047] 本实施例是实施例1的对比实施例。
[0048] 本实施例中，基体与实施例1中的基体完全相同。同样，该基体表面采用高功率脉冲磁控溅射技术依次沉积金属Ti打底层、TiN过渡层，以及Ti/MoS2复合薄膜，具体过程与实施例1中的过程基本相同。
[0049] 即，将基体用丙酮、酒精水分别超声清洗15分钟，吹干，置于高功率脉冲磁控溅射-5真空镀膜设备腔体内，抽真空使腔体真空度低于3.0×10 Torr后进行步骤（1）-（5），其中步骤（1）-（3）及（5）与实施例1中的步骤（1）-（3）及（5）完全相同，所不同的是步骤（4）中的具体工艺参数如下：
[0050] （4）往镀膜腔体内通入流量为50sccm的氩气，保持氩气压强为2.0mTorr～2.5mTorr，基体负偏压保持-100V不变；利用高功率脉冲磁控溅射Ti靶，脉冲恒定电流为
0.5A，脉冲恒定电压为600V，脉冲频率为250Hz，脉宽为250微秒，同时利用高功率脉冲磁控溅射MoS2靶，脉冲恒定电流为1A，脉冲恒定电压为600V，脉冲频率为250Hz，脉宽为250微秒，沉积厚度为1μm。
[0051] 对上述制得的MoS2复合薄膜进行性能测试，测试方法与条件与实施例1完全相同。测试结果显示，上述制得的MoS2复合薄膜的纳米硬度为5.2GPa；膜基结合力为21N；在相对湿度为30%、50%、70%的室温空气，N2气氛和液压油环境中摩擦系数为0.1，均不及实施例1的纳米硬度、膜基结合力与低摩擦系数的测试结果。
[0052] 实施例2：
[0053] 本实施例中，以硬质合金为基体，在基体表面采用高功率脉冲磁控溅射技术依次沉积金属Ti打底层、TiN过渡层，以及Ti/MoS2复合薄膜，具体过程如下。
[0054] 将基体用丙酮、酒精水分别超声清洗15分钟，吹干，置于高功率脉冲磁控溅射真-5空镀膜设备腔体内，抽真空使腔体真空度低于3.0×10 Torr后进行如下步骤：
[0055] （1）往腔体内通入流量为100sccm氩气，开启真空挡板，使腔体内气压保持在10.0mTorr，基体上施加-500V的脉冲负偏压，氩气辉光刻蚀30分钟；
[0056] （2）基体架置于Ti靶前方的夹具位置，开启自转，往镀膜腔体内通入流量为40sccm的氩气，使腔体内气压保持在1.8mTorr，基体负偏压为-300V，利用高功率脉冲磁控溅射技术制备Ti金属底层，脉冲恒定电流为2A，脉冲恒定电压为600V，脉冲频率为100Hz，脉宽为200微秒，沉积厚度100nm；
[0057] （3）基体架保持自转，往镀膜腔体内通入流量为40sccm的氩气，10sccm的氮气气体，保持氩气分压为1.6mTorr，氮气气体分压为0.4mTorr；基体负偏压保持-300V，利用高功率脉冲磁控溅射技术制备TiN过渡层，脉冲频率为100Hz，脉宽为200微秒，脉冲恒定电流2A，脉冲电压为600V，沉积厚度100nm；
[0058] （4）往镀膜腔体内通入流量为50sccm的氩气，保持氩气压强为2.0mTorr～2.5mTorr，基体负偏压保持-300V不变；利用高功率脉冲磁控溅射Ti靶，脉冲恒定电流为
1A，脉冲恒定电压为600V，脉冲频率为100Hz，脉宽为200微秒，同时利用高功率脉冲磁控溅射MoS2靶，脉冲恒定电流为1A，脉冲恒定电压为600V，脉冲频率为100Hz，脉宽为200微秒，沉积厚度1μm；
[0059] （5）停止镀膜，关闭气体，继续抽真空直至腔体的温度小于35℃以下取出样品。
[0060] 实施例3：
[0061] 本实施例中，以不锈钢钢为基体，在基体表面采用高功率脉冲磁控溅射技术依次沉积金属Ti打底层、TiN过渡层，以及Ti/MoS2复合薄膜，具体过程如下。
[0062] 将基体用丙酮、酒精水分别超声清洗15分钟，吹干，置于高功率脉冲磁控溅射真-5空镀膜设备腔体内，抽真空使腔体真空度低于3.0×10 Torr后进行如下步骤：
[0063] （1）往腔体内通入流量为100sccm氩气，开启真空挡板，使腔体内气压保持在8.5mTorr，基体上施加-500V的脉冲负偏压，氩气辉光刻蚀30分钟；
[0064] （2）基体架置于Ti靶前方的夹具位置，开启自转，往镀膜腔体内通入流量为40sccm的氩气，使腔体内气压保持在1.8mTorr，基体负偏压为-200V，利用高功率脉冲磁控溅射技术制备Ti金属底层，脉冲恒定电流为2A，脉冲恒定电压为600V，脉冲频率为200Hz，脉宽为200微秒，沉积厚度100nm；
[0065] （3）基体架保持自转，往镀膜腔体内通入流量为40sccm的氩气，10sccm的氮气气体，保持氩气分压为1.6mTorr，氮气气体分压为0.4mTorr。基体负偏压保持-200V，利用高功率脉冲磁控溅射技术制备TiN过渡层，脉冲频率为200Hz，脉宽为200微秒，脉冲恒定电流2A，脉冲电压为600V，沉积厚度100nm；
[0066] （4）往镀膜腔体内通入流量为50sccm的氩气，保持氩气压强为2.0mTorr～2.5mTorr，基体负偏压保持-200V不变。利用高功率脉冲磁控溅射Ti靶，脉冲恒定电流为
1A，脉冲恒定电压为600V，脉冲频率为200Hz，脉宽为200微秒，同时利用高功率脉冲磁控溅射MoS2靶，脉冲恒定电流为1A，脉冲恒定电压为600V，脉冲频率为200Hz，脉宽为200微秒，沉积厚度1.5μm；
[0067] （5）停止镀膜，关闭气体，继续抽真空直至腔体的温度小于35℃以下取出样品。
[0068] 对上述实施例2与3中制得的MoS2复合薄膜进行性能测试，测试方法与条件与实施例1完全相同。
[0069] 测试结果显示：
[0070] （1）类似实施例1的测试结果，上述实施例2与3中制得的MoS2复合薄膜的纳米硬度均达到11～13GPa，与现有文献公开报道的在基体表面利用传统的磁控溅射技术制得的MoS2复合薄膜的纳米硬度为5～7GPa相比，提高了近1倍。
[0071] （2）类似实施例1的测试结果，上述实施例2与3中制得的MoS2复合薄膜在基体上的临界载荷（LC）值达到60N以上，与现有文献公开报道的在基体表面利用传统磁控溅射技术制得的MoS2复合薄膜的临界载荷为20～30N相比，其膜基结合力提高了1倍左右；
[0072] （3）类似实施例1的测试结果，上述实施例2与3中制得的MoS2复合薄膜在相对湿度为30%、50%、70%的室温空气，N2气氛和液压油环境中，均具有很低的摩擦系数0.04～0.05及微小的磨损率10-7mm3N-1m-1，表现出优异的多环境摩擦适应性，克服了传统磁控溅射MoS2复合薄膜对环境的敏感性。
[0073] 以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何
修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
