CN104213076A

CN104213076A - Pvd与hipims制备超硬dlc涂层方法及设备

Info

Publication number: CN104213076A
Application number: CN201410425466.6A
Authority: CN
Inventors: 慕恩慈沃迪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2014-12-17

Abstract

本发明公开了PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法及设备，采用多层膜复合技术，利用PVD过程与HIPIMS方法，通过阴极与阳极偏压调节和乙炔气体流量控制，设计一种工业化的制备类金刚石涂层设备，实现工件表面的超硬度类金刚石涂层设备，并使涂层具有超高硬度，高耐摩擦性能，高耐磨损性能和高自润滑性能；本发明涂层工艺简单，复合涂层条件精确可控，成膜质量高，性能稳定，产品成品率高，成本低廉；具有超高硬度和优异的自润滑抗摩擦磨损性能；本发明涂层设备设置有四套规模化涂层单元，生产质量稳定可靠、可应用于大批量生产，有利于降低生产成本，实现产业化。

Description

PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法及设备

技术领域

本发明涉及一种类金刚石涂层制备技术设备领域，特别涉及PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法及设备。

背景技术

采用表面PVD（物理气相沉积Physical Vapor Deposition）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。

常用的PVD 沉积方法有多弧离子镀、过滤阴极弧、磁控溅射、离子束DLC，其中多弧离子镀具有薄膜附着力强，绕射性好、膜材广泛、膜层质量好等优点；磁控溅射具有成膜速率快、膜的粘附性好等优点，所以多弧离子镀和磁控溅射是较常用的PVD 沉积方法。

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。薄膜的主要成分是碳，因为碳能以三种不同的杂化方式sp3、sp2 和sp1 存在, 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。它们中的C 都是以sp3、sp2 和sp1 的键合方式而存在，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。

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（high power impuls magnetron sputter），简称HIPIMS与PVD技术存在的不足是：1、难以实现大批量、大面积、质优的DLC 膜的实际应用，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（1μm 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。，为了解决这一问题，本发明采用多层膜复合技术。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法及设备，针对现有技术中的缺陷，采用多层膜复合技术，利用PVD过程与HIPIMS方法，设计一种工业化的制备类金刚石涂层方法与设备，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。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备，包括设备框架、设备操控屏、涂层单元、中井通道、阳极、涂层室门、直流伺服电机、行星工件架、卫星支架、工件台、真空腔室、真空接口、冷却水接口、气体进口、气体出口、工件基体、加热器、HIPIMS、非平衡磁控阴极、磁性隔栅、非磁性隔栅、保护罩、永磁体、电磁线圈、高纯石墨靶、直流脉冲器、刻蚀抛面、磁场阵列、阳极电源、阴极电源、偏压电源、基体电源、刻蚀植入电源、电气柜、电源柜、温度传感器、真空表，其特征在于：

所述高功率脉冲磁控溅射靶，简称为HIPIMS；所述非平衡磁控阴极（Unbalance magnetron），简称为UBM；所述PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备，简称涂层设备，由设备框架、涂层单元、控制***、真空***、冷却***、供气***、驱动***、监测***组成；所述设备框架为矩形不锈钢结构，由不锈钢方通焊接构成；所述设备框架上部固定设置有四个涂层单元，所述涂层单元为八棱柱形密封腔体，由不锈钢板焊接构成；所述四个涂层单元通过八棱柱形的一个侧面装配构成四棱柱形的中井通道，所述四个涂层单元立式并列设置；所述涂层单元对应于所述设备框架四角方向上设置有涂层室门，以便于装入或者取出工件以及设备部件的检修更换，所述涂层室门与真空腔室通过铰接方式侧向开合；所述控制***包括设备操控屏、电气柜、电源柜，所述设备框架前方操作台上设置有设备操控屏，所述设备操控屏是所述涂层设备的控制中心，配置有控制、调节、监测的***软件，通过触摸屏窗口进行集中操控；所述操作台下方设置有电气柜，所述设备框架下方设置有电源柜；所述真空***包括真空接口、真空阀门、涡轮分子泵、罗茨泵以及旋转式机械泵组成，所述真空接口与所述中井通道顶部密封固定连接，所述中井通道与所述四个涂层单元的真空腔室设置有真空阀门，所述真空阀门由控制***独立控制，实现涂层单元各个真空腔室的真空控制与调节；所述真空接口由涂层设备后上方引出，并通过真空管道与所述涡轮分子泵、罗茨泵以及旋转式机械泵连通；所述冷却***包括冷却水接口、冷却管道、冷水机组，所述冷却水接口设置于所述涂层设备的后下方，所述冷却水接口与所述真空腔室的夹层相通，并对所述真空腔室起冷却作用，同时通过冷却管道为HIPIMS和UBM提供冷却水源，所述冷却水接口与所述冷水机组通过管道连接；所述供气***包括气体进口、气体出口、气动调节阀门、气源、流量计。所述气体进口和气体出口分别设置在所述涂层单元的底部，为所述真空腔室提供气体，所述气体进口和气体出口通过气体管道与所述气源连通，所述气体管道上设置有气动调节阀门和流量计；所述驱动***包括直流伺服电机和机械传动装置，所述直流伺服电机通过所述机械传动装置与卫星工件架机械连接，所述直流伺服电机固定设置在所述设备框架的二侧，所述涂层单元底部独立设置有驱动***；所述监测***包括温度传感器、真空表、流量计，所述温度传感器和真空表设置于所述涂层单元的顶部；所述控制***与涂层单元、真空***、冷却***、供气***、驱动***、监测***电气连接，并通过所述控制***对所述涂层设备整体运行进行控制与调节。

所述涂层单元设置有四个，所述涂层单元设置有八棱柱形状的真空腔室，所述真空腔室为多层不锈钢焊接构成，其夹层内设置有冷却水，并与所述冷却水接口连通；所述真空腔室的一个侧面上设置有涂层室门，所述真空腔室底部中心设置有卫星工件架，所述卫星工件架在所述直流伺服电机驱动下，围绕着中轴做旋转运动；所述卫星工件架上设置有底盘，所述底盘为圆形，所述底盘上方沿圆周设置有多个卫星支架，所述卫星支架与所述底盘通过卫星齿轮转动齿接，所述卫星工件架旋转的同时，位于所述底盘上的卫星支架同时做绕行旋转运动；所述卫星支架上设置有工件台，所述工件台上固定装配有多个工件基体；所述工件台与所述工件基体随着所述卫星支架一起做旋转运行，所述工件基体通过所述卫星支架和卫星工件架与所述基体电源电连接，所述基体电源负极与所述工件基体连接，所述基体电源正极与所述真空腔室连接，所述真空腔室与地线连接；所述卫星工件架还与刻蚀植入电源连接，所述刻蚀植入电源与所述基体电源并联与所述卫星工件架上。

所述真空腔室的顶部中心设置有阳极，所述阳极为圆柱体，所述阳极与阳极电源电连接，所述阳极电源正极与所述阳极连接，所述阳极电源负极与所述真空腔室电连接；所述真空腔室侧面上部设置有真空口，所述真空腔室内部靠近侧面设置有一个HIPIMS，所述真空腔室内部靠近侧面对称设置有四个UBM，在所述二个UBM之间的一个侧面上还设置有一组加热器，在所述加热器相对称的侧面上设置有备用离子源接口；所述UBM与阴极电源电连接，所述阴极电源负极与所述UBM电连接，所述阴极电源正极与所述真空腔室连接；所述HIPIMS与直流脉冲器和偏压电源电连接。

所述非平衡磁控阴极（UBM）由磁极相互交错设定的永磁体构成，所述永磁体沿直线排布，形成磁场阵列，所述磁场阵列外部设置有保护罩，所述磁场阵列外部同心绕制有电磁线圈，所述UBM前方设置有非磁性隔栅，所述磁场阵列前方设置有高纯石墨靶，所述高纯石墨靶与所述磁场阵列之间设置有冷却水；所述磁场阵列后部设置有驱动机构，所述驱动机构可受控前后移动磁场阵列，从而对高纯石墨靶进行电弧刻蚀，并产生等离子体，进而形成等离子云。

所述相邻UBM中的磁场阵列，其永磁体的排布也是交替方式，这样一个磁场阵列中的最外侧永磁体为N极时，相邻的UBM中的永磁体就是S极，因此在所述互相对称设置的四个UBM内侧就通过磁力线形成了闭合磁场，整体磁场中的永磁体均按照交替方式排列，所述产生的闭合磁场将约束所述等离子体，使所述的等离子体始终被约束在所述的闭合磁场之内。

PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备所制备的DLC涂层特性是：

涂层厚度为1微米—6微米；

维氏硬度40GPa—80GPa；

对钢的干式摩擦系数＜0.1；

氢含量范围为7%—11%；

金刚石与石墨波段比D/G＞0.6。

所述高功率脉冲磁控溅射靶（HIPIMS）的阴极靶位置设置在两个非平衡磁控溅阴极靶之间, 不用考虑所述UBM靶的对称性，比如二个或四个对称阴极UBM结构放置1个HIPIMS靶；而六个或八个对称阴极结构UBM结构放置2个HIPIMS靶。

PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法，简称涂层方法，对应标注号为PS-1至PS-8。

1、成形：对工件基体材料进行适当的机械加工成形；

2、清洗：水、有机溶剂、酸碱以及超声处理，干燥；

3、装仓：将工件基体装配到涂层单元中，并密封涂层室门；

4、起动涂层设备：初始化参数设置，真空***起动，冷却***起动，驱动***起动，加热器加热；（PS-1）

5、工件预处理：通过备用离子源，对靶材表面进行离子轰击清洗；（PS-2）

6、工件基体清洗：通入氩气，对工件基体表面进行轰击清洗；（PS-3）

7、渗透层制备：关闭离子源，启动HIPIMS，使用WC阴极靶，设置偏压为-1200伏特，溅射时间为5—10分钟；（PS-4）

8、过渡层A制备：通过HIPIMS，使用WC阴极靶，设置偏压为-75伏特，溅射时间为5—10分钟，形成WC过渡层A；（PS-5）

9、过渡层B制备：开启UBM，调节磁场阵列，通过高纯石墨阴极的离子化，同时继续使用HIPIMS进行溅射，形成UBM-HIPUMS共同作用，磁控溅射与物理沉积共同形成WC过渡层B；（PS-6）

10、DLC涂层制备：关闭HIPIMS，继续运行UBM，设置偏压为-75伏特，控制电流密度为10W/cm² ;控制乙炔气体流量为30sccm;制得超硬类金刚石涂层；（PS-7）

11、自润滑层制备：设置偏压为-75伏特，电流密度为10W/cm²；控制乙炔流量为160sccm；制得软质DLC涂层。（PS-8）

12、关闭涂层设备：关闭UBM，关闭真空***，关闭供气***，关闭加热器，关闭冷却***，关闭驱动***；

13、出仓：开起涂层室门，将制备好涂层的工件取出真空腔室。

一种PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层的结构是：DLC-1至DLC-6是所述涂层的六个结构层，按照所述DLC涂层从涂层表面到工件基体的顺序，其结构依次为：DLC-1表面自润滑层；DLC-2超硬DLC涂层；DLC-3过渡层B；DLC-4过渡层A；DLC-5渗透层；DLC-6工件基体；所述工件基体为高速钢、不锈钢、硬质合金、金属陶瓷中的任意一种。

本发明的技术特征如下：

1、如上所述涂层设备和涂层方法制备的类金刚石薄膜涂层是在10 ^-3至10^–2mbar的真空环境里，在几乎不参与反应的氩气气氛环境中，通过HIPIMS和UBM，对高纯度石墨靶材进行磁控溅射所沉积形成的。

2、为了使DLC类金刚石薄膜涂层的硬度达到维氏硬度40-80 Gpa,参与反应的气体，如乙炔，供给到真空腔室内的流量范围为2%—8%；氩气气体供给流量范围为92%—98%。

3、所述涂层单元中非平衡磁控阴极设置为偶数个；所述UBM的数量范围为2—12个UBM，所述UBM以相对称的排布方式装配在所述真空腔室内，各个UBM的电源采用独立可控制的、功率损耗不到10W/cm2的直流电源，各个UBM设置有独立的可前后移动的磁场阵列驱动机构。

4、所述工件基体最大承受温度为200°C，所述工件基体施加负偏压, 所述负偏压的电压的范围为负50伏特—负150伏特。

5、所述磁场阵列的极化是从每个邻近阴极交替变化，磁铁的外环磁力线，例如N极是由邻近S极跑出从而形成所述闭合磁场, 因此，所述闭合磁场可抑制放电电流朝向接地的真空腔室壁流动。

6、所述涂层单元中心设置的阳极主要用来导引由非平衡磁控阴极连续产生的等离子体朝向真空腔室中心方向流动，这样旋转的工件就被充分环绕的等离子体所涂覆，中心位置的所述阳极施加的偏压至少可吸引到真空腔室内所有UBM所产生的等离子体总和的80—90%。

7、所施加在所述阳极上的电压范围控制在+50伏特—+100伏特，这样能够100%达到所有UBM电流量的总和。

8、所述电磁线圈用来缭绕在非平衡磁控阴极的***，所述电磁线圈缠绕的匝数由通过单个UBM直流电流的电量确定，工艺标准为在UBM上产生的磁通量达到100高斯；对未曾使用与侵蚀过的靶材施加电流从零开始, 电流的连续增加用来减少在靶材的刻蚀抛面内的水平磁通量，这样保证UBM磁通量稳定在一个恒定的值，始终类似于未使用过的靶材表面一样；通过维持放电电压在恒电流模式下来控制与调节UBM可以实现上述工况。

9、由于涂层硬度大于40Gpa的DLC碳基类金刚石涂层都存在较大的内应力, 这种内应力对于涂层沉积的结合力产生强有力的挑战；因此，对于工件涂层前的预处理是必需的, 所述的工件预处理过程中，工件表面将设置有负800伏特—负1200伏特的直流电压，用于对离子源进行离化，便于预处理的所述离子源有Cr, Ti, Nb, Ta, W or WC。

10、继第9项所描述，通过利用50μsec至150 μsec脉冲波长和脉冲电流密度大于2A/cm²的高功率脉冲磁控溅射靶（HIPIMS）放电来产生等离子体，所述等离子体对工件表面刻蚀并植入到所述工件基体表面以下，其植入深度达到25nm的富集表面层。

11、由所述工件基体材料与植入的原子所述形成的渗透层，通常会构成一新型的中间过渡层，当工件基体上的负偏置电压逐步减少时，沉积速率将逐步增加；所述偏置电压与沉积速率这两者将在中间过渡层达到厚度为0.2-2um时终止，当然这个中间过渡层的厚度取决于最终涂层的总厚度。

12、所述高功率脉冲磁控溅射靶（HIPIMS）需要一个特殊的阴极, 此阴极靶材的尺寸取决于如下几个方面：高功率脉冲磁控溅射靶（HIPIMS）的可用总容量，脉冲电流密度超过2A/cm², 实际应用中，高功率脉冲磁控溅射靶（HIPIMS）阴极靶材大都采用较小的尺寸。

13、当进行高功率脉冲磁控溅射靶（HIPIMS）的刻蚀/离子植入工艺时，真空腔室内的UBM靶设置有可调节的非磁性钢隔栅保护起来以防止被污染；另外，高功率脉冲磁控溅射靶（HIPIMS）靶设置有磁性隔栅以及磁性的钢保护罩来保护。

14、为了达到DLC涂层薄膜的表面摩擦系数到小于0.1(干摩擦), 所述DLC涂层的顶层，在几乎不参与反应的气体份围环境下，沉积有一层碳层，即自润滑涂层；所述自润滑涂层的沉积条件是：乙炔气体的供给流量占氩气供给流量的30%—50%；所述自润滑涂层硬度为15GPa—20GPa、所述自润滑涂层摩擦系数在0.05—0.07，所述自润滑涂层厚度一般控制在0.2—1.0μm之间。

本发明工艺过程说明：所述PS-1至PS-8是涂层工艺的8个过程。

在这项发明中，磁控工艺不但用来离化(汽化)材料，还用来产生包含碳离子的等离子体. 像W,Ti等的金属以及广泛应用的WC(碳化钨，硬质合金)，在一个充混氩气和乙炔或者甲烷的混合气体中被溅射，以便进行碳涂层薄膜沉积，初始选择(C₂H₂ 和CH₄) 反应气体进行碳沉积会导致靶材大量中毒，且在靶材上的功率耗散主要用来对混合气体进行离化。同时靶材的溅射率会大幅缩减，因此，DLC涂层的生长含有碳，金属元素还含有氢。工业化生产的的涂层中的金属含量范围平均8%至12%，氢含量为15%和25%之间。虽然实验室条件下实现静态非移动基材上沉积的碳薄膜的硬度达40 GPa，现有技术中，如果基材是处于三维的旋转的状态下，碳薄膜的硬度只能达到15GPa至20 GPa；如果将基体装配在间歇式多阴极的真空室，并安装在一个旋转的固定架上，碳薄膜的硬度会提高。如果基材是以三维旋转的方式安装在多阴极的真空腔室中进行涂层，这样硬度数值会进一步提升；在这种情况下，基材周期性的通过各个靶材，基材被暴露在非均匀等离子体中，紧接着潜入高密度的等离子体区域，进而冲入等离子体阴影区域。另一个缺点是高的氢含量，会降低碳膜的硬度, 进而摩擦系数也会受到轻微地影响，另外一项很重要的问题是，目前使用的碳基类金刚石涂层DLC技术的粘附问题，碳基涂层的沉积都面临相当高的机械内应力, 因此，本发明优化了HIPIMS技术来对工件基体表面进行的预处理, 从而增强与保障碳基类金刚薄膜在生成过程中的结合力问题。

目前为止现有技术所知道与使用的技术中，本发明所描述的是一种最新的可以避免如上所概述的碳基类金刚石涂层缺陷沉积方法，这项技术使碳基类金刚石涂层具备如下特性: 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。碳基类金刚石涂层DLC正因为具有这些超常特性，才被称为“超硬”碳基碳类金刚石DLC涂层。

很显然，如上所述的单项特性已经在现有相关期刊有所报道，然而，截止目前为止，还没有哪一种众所周知的工业化规模化涂层沉积方法可以使得潜在的用户可以用一种工艺配方来制备碳基类金刚石涂层的所有这些特性。

如上所描述的涂层是在一个多极溅射靶的涂层设备中沉积的，真空腔的真空度最高可达到10^-5 mbar以下的范围内；采用的阴极是线性磁控管阴极，某些靶材其表面磁场强度可达到250-300高斯。

所述UBM阴极的磁场是通过在两个相近靶材表面产生比较强磁场的方式来极化的；另一方面，两个相对UBM的磁性极化是在相反的方向, 允许磁场磁力线与两个磁场阵列相接触. 这种布置只有在小型的真空腔室, 例如实验腔体起作用. 但对于大型腔室(例如配置4个UBM)的大型真空腔室或是6，8个UBM配置的腔室，当应用多靶配置或是偶数阴极时将更有利于建立一个密闭的磁场空间，并通过密闭的磁场空间来约束离子体；实际应用中，多元的UBM配置有可移动的隔栅，不仅是防止特殊情况下多种散乱靶材料相互污染, 而且可以产生氩离子来对还没有进行涂层的工件进行涂层前的清洗处理。所述中心位置的阳极是非常必要的，通过设置所述的阳极会在阴极前面形成等离子体云，这些等离子体云穿透三维旋转的工件被拉向中心阳极，即腔体中心方向；这些三维旋转的工件被长期受氩离子轰击的等离子体云所环绕，有利于所述涂层的制备。

所述非平衡磁控阴极，其主体是由适合的铜材机加工而成，冷水通道被放置在线性磁阵列的内与外之间；***与阴极同心的一个电磁线圈的配置是用来产生与外磁阵列磁极平行的磁场，对于由永磁体的典型配置建立的磁场在借助于线圈电磁场而形成闭合回路的效果会被加强；另外UBM的一个的重要特征是所形成的磁场阵列可以进行前后往复运动, 这一特征也同时弥补由于典型的磁控靶表面的侵蚀引起的磁场强度增加的缺陷。用来生长超硬DLC的靶材是由高纯度的石墨并卡装在所述UBM阴极体上实现的。磁控溅射过程是由直流电源10 W/cm²产生溅射，电压范围在-500伏特时发起，溅射电源采用恒流控制，这样，通过移动相应磁场阵列使溅射电压可以保持恒定，工件基体施加负偏压范围在-50伏特到-200伏特主要取决于被镀基体允许的温度数据。

所述阳极效果，当把中心阳极的电压增加越大，那么流向中心阳极电流与基体的电流也相应增大；在阳极电压-50伏特时的特殊溅射配置中，电流流向阴极总数也可以达到要求，这意味着，几乎没有电流流向的真空腔室壁；当继续增加阳极电压时将进一步的增加二次电子的形成和工件基体电流被提高到更高的值, 甚至增强离子轰击工件基体到几兆Acm^-2。

实际的生产经验要求更多的关注于超硬DLC涂层的结合力问题. 如大家所熟知的: 氩离子(磁控溅射刻蚀)不能提供充分的结合力，这样的步骤仅能简单地移除基体表面的氧化层；显著的效果已经在多离子, 如施加加速电压范围在-1000伏特到-1200伏特的范围内的金属离子Ti，Cr，Nb，W和WC分子与惰性氩（压力5*10^-4到1*10^-3mbar）轰击基体上取得了理想的效果。

如图5所示，是涂层单元的截面示意图，每个涂层单元设置了5个阴极靶，其中一个HIPIMS靶和四个UBM靶，真空腔室加热后，真空***才起动，其目的是为了减少脱气量；所述5 个确定位置的磁控阴极前的可移动隔栅使用氩离子对石墨靶进行几分钟的清洗，即对靶材本身进行清洗，使之免于受大气的污染；这一步骤执行后，紧跟的是氩离子溅射蚀刻，大约需要10分钟；高功率脉冲磁控溅射靶（HIPIMS）的预处理是用配备的备用WC靶材HIPIMS阴极在纯氩气中溅射来实现的, 同时保持基体偏压在-1200伏特，时间为6分钟至10分钟；后续按照阶梯式降低工件基体的偏压,逐渐达到-75伏特,所述HIPIMS的蚀刻与植入工艺逐步转换为薄膜沉积生长工艺, 这样即在工件基体上生成了所述的过渡层A与过渡层B。进一步随着涂层的增长，发生交叠沉积的方式，逐渐减少HIPIMS溅射率，同时逐渐增加UBM碳靶的溅射率，最终沉积成所希望的超硬DLC涂层, 碳膜沉积的最后阶段是通过增加氩气的流量，间接减少乙炔气体的流量，然后逐渐降低并控制恒定的乙炔气体流量，完成自润滑涂层的制备，通过控制氩气与乙炔气体的流量，获得所期望的最低摩擦值的涂层时，结束整个涂层工序流程。

通过上述技术方案，本发明技术方案的有益效果是：采用多层膜复合技术，利用PVD过程与HIPIMS方法，设计一种工业化的制备类金刚石涂层方法与设备，实现工件表面的超硬度类金刚石涂层设备，并使涂层具有超高硬度，高耐摩擦性能，高耐磨损性能和高自润滑性能；本发明涂层工艺简单，复合涂层条件精确可控，成膜质量高，性能稳定，产品成品率高，成本低廉；具有超高硬度和优异的自润滑抗摩擦磨损性能；本发明涂层设备设置有四套规模化涂层单元，生产质量稳定可靠、可应用于大批量生产，有利于降低生产成本，实现产业化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所公开的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备俯视图示意图；

图2为本发明实施例所公开的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备A—A面示意图；

图3为本发明实施例所公开的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备B—B面示意图；

图4为本发明实施例所公开的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备原理示意图；

图5为本发明实施例所公开的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备涂层单元示意图；

图6为本发明实施例所公开的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备非平衡磁控阴极示意图；

图7为本发明实施例所公开的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法及设备涂层结构示意图；

图8为本发明实施例所公开的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法及设备涂层工艺流程示意图；

图9为本发明实施例所公开的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法及设备阳极效果图；

图10为本发明实施例所公开的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法及设备维氏硬度与乙炔流量关系图；

图11为本发明实施例所公开的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法及设备维氏硬度与氢含量关系图；

图12为本发明实施例所公开的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法及设备乙炔流量对拉曼光谱分析图，其中图12a,图12b和图12c是不同乙炔流量下的位曼位移及特征峰波段比图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1．设备框架 2．设备操控屏 3．涂层单元 4．中井通道

5．阳极 6．涂层室门 7．直流伺服电机 8．行星工件架

9．卫星支架 10．工件台 11．真空腔室 12．真空接口

13．冷却水接口 14．气体进口 15．气体出口 16．工件基体

17．加热器 18．磁力线 19．闭合磁场 20．HIPIMS

21．非平衡磁控阴极 22．磁性隔栅 23．非磁性隔栅 24．保护罩

25．永磁体 26．电磁线圈 27．高纯石墨靶 28．直流脉冲器

29．冷却水 30．等离子云 31．刻蚀抛面 32．磁场阵列

33．阳极电源 34．阴极电源 35．偏压电源 36．基体电源

37．刻蚀植入电源 38．电气柜 39．电源柜 40．温度传感器

41．真空表。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1至图6，本发明提供了PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法及设备，包括设备框架1、设备操控屏2、涂层单元3、中井通道4、阳极5、涂层室门6、直流伺服电机7、行星工件架8、卫星支架9、工件台10、真空腔室11、真空接口12、冷却水接口13、气体进口14、气体出口15、工件基体16、加热器17、磁力线18、闭合磁场19、HIPIMS20、非平衡磁控阴极21、磁性隔栅22、非磁性隔栅23、保护罩24、永磁体25、电磁线圈26、高纯石墨靶27、直流脉冲器28、冷却水29、等离子云30、刻蚀抛面31、磁场阵列32、阳极电源33、阴极电源34、偏压电源35、基体电源36、刻蚀植入电源37、电气柜38、电源柜39、温度传感器40、真空表41。

所述PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备，简称涂层设备，由设备框架1、涂层单元3、控制***、真空***、冷却***、供气***、驱动***、监测***组成；所述设备框架1为矩形不锈钢结构，由不锈钢方通焊接构成；所述设备框架1上部固定设置有四个涂层单元3，所述涂层单元3为八棱柱形密封腔体，由不锈钢板焊接构成；所述四个涂层单元3通过八棱柱形的一个侧面装配构成四棱柱形的中井通道4，所述四个涂层单元3立式并列设置；所述涂层单元3对应于所述设备框架1四角方向上设置有涂层室门6，以便于装入或者取出工件以及设备部件的检修更换，所述涂层室门6与真空腔室11通过铰接方式侧向开合；所述控制***包括设备操控屏2、电气柜38、电源柜39，所述设备框架1前方操作台上设置有设备操控屏2，所述设备操控屏2是所述涂层设备的控制中心，配置有控制、调节、监测的***软件，通过触摸屏窗口进行集中操控；所述操作台下方设置有电气柜38，所述设备框架下方设置有电源柜39；所述真空***包括真空接口12、真空阀门、涡轮分子泵、罗茨泵以及旋转式机械泵组成，所述真空接口12与所述中井通道4顶部密封固定连接，所述中井通道4与所述四个涂层单元3的真空腔室11设置有真空阀门，所述真空阀门由控制***独立控制，实现涂层单元3各个真空腔室11的真空控制与调节；所述真空接口12由涂层设备后上方引出，并通过真空管道与所述涡轮分子泵、罗茨泵以及旋转式机械泵连通；所述冷却***包括冷却水接口13、冷却管道、冷水机组，所述冷却水接口13设置于所述涂层设备的后下方，所述冷却水接口13与所述真空腔室11的夹层相通，并对所述真空腔室11起冷却作用，同时通过冷却管道为HIPIMS20和UBM21提供冷却水源，所述冷却水接口13与所述冷水机组通过管道连接；所述供气***包括气体进口14、气体出口15、气动调节阀门、气源、流量计。所述气体进口14和气体出口15分别设置在所述涂层单元3的底部，为所述真空腔室11提供气体，所述气体进口14和气体出口15通过气体管道与所述气源连通，所述气体管道上设置有气动调节阀门和流量计；所述驱动***包括直流伺服电机7和机械传动装置，所述直流伺服电机7通过所述机械传动装置与卫星工件架8机械连接，所述直流伺服电机7固定设置在所述设备框架1的二侧，所述涂层单元3底部独立设置有驱动***；所述监测***包括温度传感器40、真空表41、流量计，所述温度传感器40和真空表41设置于所述涂层单元3的顶部；所述控制***与涂层单元3、真空***、冷却***、供气***、驱动***、监测***电气连接，并通过所述控制***对所述涂层设备整体运行进行控制与调节。

所述涂层单元3设置有四个，所述涂层单元3设置有八棱柱形状的真空腔室11，所述真空腔室11为多层不锈钢焊接构成，其夹层内设置有冷却水，并与所述冷却水接口13连通；所述真空腔室11的一个侧面上设置有涂层室门6，所述真空腔室11底部中心设置有卫星工件架8，所述卫星工件架8在所述直流伺服电机7驱动下，围绕着中轴做旋转运动；所述卫星工件架8上设置有底盘，所述底盘为圆形，所述底盘上方沿圆周设置有多个卫星支架9，所述卫星支架9与所述底盘通过卫星齿轮转动齿接，所述卫星工件架8旋转的同时，位于所述底盘上的卫星支架9同时做绕行旋转运动；所述卫星支架9上设置有工件台10，所述工件台10上固定装配有多个工件基体16；所述工件台10与所述工件基体16随着所述卫星支架9一起做旋转运行，所述工件基体16通过所述卫星支架9和卫星工件架8与所述基体电源36电连接，所述基体电源36负极与所述工件基体16连接，所述基体电源36正极与所述真空腔室11连接，所述真空腔室11与地线连接；所述卫星工件架8还与刻蚀植入电源37连接，所述刻蚀植入电源37与所述基体电源36并联与所述卫星工件架8上。

所述真空腔室11的顶部中心设置有阳极5，所述阳极5为圆柱体，所述阳极5与阳极电源33电连接，所述阳极电源33正极与所述阳极5连接，所述阳极电源33负极与所述真空腔室11电连接；所述真空腔室11侧面上部设置有真空口，所述真空腔室11内部靠近侧面设置有一个HIPIMS20，所述真空腔室11内部靠近侧面对称设置有四个UBM21，在所述二个UBM21之间的一个侧面上还设置有一组加热器17，在所述加热器17相对称的侧面上设置有备用离子源接口；所述UBM21与阴极电源34电连接，所述阴极电源34负极与所述UBM21电连接，所述阴极电源34正极与所述真空腔室11连接；所述HIPIMS20与直流脉冲器28和偏压电源35电连接。

所述非平衡磁控阴极21由磁极相互交错设定的永磁体25构成，所述永磁体25沿直线排布，形成磁场阵列32，所述磁场阵列32外部设置有保护罩24，所述磁场阵列32外部同心绕制有电磁线圈26，所述UBM21前方设置有非磁性隔栅23，所述磁场阵列32前方设置有高纯石墨靶27，所述高纯石墨靶27与所述磁场阵列32之间设置有冷却水29；所述磁场阵列32后部设置有驱动机构，所述驱动机构可受控前后移动磁场阵列32，从而对高纯石墨靶27进行电弧刻蚀，并产生等离子体，进而形成等离子云30。

所述相邻UBM21中的磁场阵列32，其永磁体25的排布也是交替方式，这样一个磁场阵列32中的最外侧永磁体25为N极时，相邻的UBM21中的永磁体25就是S极，因此在所述互相对称设置的四个UBM21内侧就通过磁力线18形成了闭合磁场19，整体磁场中的永磁体25均按照交替方式排列，所述产生的闭合磁场19将约束所述等离子体，使所述的等离子体始终被约束在所述的闭合磁场19之内。

PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法及设备所制备的DLC涂层特性是：

涂层厚度为1微米—6微米；

维氏硬度40GPa—80GPa；

对钢的干式摩擦系数＜0.1；

氢含量范围为7%—11%；

金刚石与石墨波段比D/G＞0.6。

1、成形：对工件基体16材料进行适当的机械加工成形；

2、清洗：水、有机溶剂、酸碱以及超声处理，干燥；

3、装仓：将工件基体16装配到涂层单元3中，并密封涂层室门6；

6、工件基体16清洗：通入氩气，对工件基体16表面进行轰击清洗；（PS-3）

7、渗透层制备：关闭离子源，启动HIPIMS20，使用WC阴极靶，设置偏压为-1200伏特，溅射时间为5—10分钟；（PS-4）

8、过渡层A制备：通过HIPIMS20，使用WC阴极靶，设置偏压为-75伏特，溅射时间为5—10分钟，形成WC过渡层A；（PS-5）

9、过渡层B制备：开启UBM，调节磁场阵列32，通过高纯石墨靶27阴极的离子化，同时继续使用HIPIMS20进行溅射，形成UBM-HIPUMS共同作用，磁控溅射与物理沉积共同形成WC过渡层B；（PS-6）

10、DLC涂层制备：关闭HIPIMS20，继续运行UBM21，设置偏压为-75伏特，控制电流密度为10W/cm² ;控制乙炔气体流量为30sccm;制得超硬类金刚石涂层；（PS-7）

13、出仓：开起涂层室门，将制备好涂层的工件取出真空腔室11。

一种PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层的结构是：如图7所示，DLC-1至DLC-6是所述涂层的六个结构层，按照所述DLC涂层从涂层表面到工件基体的顺序，其结构依次为：DLC-1表面自润滑层；DLC-2超硬DLC涂层；DLC-3过渡层B；DLC-4过渡层A；DLC-5渗透层；DLC-6工件基体；所述工件基体为高速钢、不锈钢、硬质合金、金属陶瓷中的任意一种。

本发明具体特征说明：

供给到真空腔室内的乙炔气体流量范围为： 2%—8%；氩气气体供给流量范围为92%—98%。

所述涂层单元中非平衡磁控阴极21设置为4个UBM21，所述UBM21以相对称的排布方式装配在所述真空腔室11内，各个UBM21的电源采用独立可控制的、功率损耗不到10W/cm2的直流电源，各个UBM21设置有独立的可前后移动的磁场阵列32驱动机构。

所述工件基体16最大承受温度为200°C，所述工件基体16施加负偏压, 所述负偏压的电压的范围为负50伏特—负150伏特。

所施加在所述阳极5上的电压范围控制在+65伏特—+85伏特，这样能够100%达到所有UBM21电流量的总和。

所述电磁线圈26用来缭绕在非平衡磁控阴极21的***，所述电磁线圈26缠绕的匝数由通过单个UBM21直流电流的电量确定，工艺标准为在UBM21上产生的磁通量达到100高斯。

所述的的工件预处理过程中，工件表面将设置有负900伏特—负1000伏特的直流电压，用于对离子源进行离化，便于预处理的所述离子源有Cr, Ti, W or WC中的一种；通过利用80μsec至120 μsec脉冲波长和脉冲电流密度大于2A/cm²的高功率脉冲磁控溅射靶20放电来产生等离子体，所述等离子体对工件表面刻蚀并植入到所述工件基体16表面以下，其植入深度达到25nm的富集表面层。

由所述工件基体16材料与植入的原子所述形成的渗透层，通常会构成一新型的中间过渡层，当工件基体16上的负偏置电压逐步减少时，沉积速率将逐步增加；所述偏置电压与沉积速率这两者将在中间过渡层达到厚度为0.2-2um时终止，当然这个中间过渡层的厚度取决于最终涂层的总厚度。

为了达到DLC涂层薄膜的表面摩擦系数到小于0.1(干摩擦), 所述DLC涂层的顶层，在几乎不参与反应的气体份围环境下，沉积有一层碳层，即自润滑涂层；所述自润滑涂层的沉积条件是：乙炔气体的供给流量占氩气供给流量的30%—50%；所述自润滑涂层硬度为15GPa—20GPa、所述自润滑涂层摩擦系数在0.05—0.07，所述自润滑涂层厚度一般控制在0.2—1.0μm之间。

本发明具体工艺步骤说明：如图8所示，PS-1至PS-8是涂层工艺的8个过程。

在这项发明中，磁控工艺不但用来离化(汽化)材料，还用来产生包含碳离子的等离子体. 像W,Ti等的金属以及广泛应用的WC(碳化合金)，在一个充混氩气和乙炔或者甲烷的混合气体中被溅射，以便进行碳涂层薄膜沉积，初始选择(C₂H₂ and CH₄) 反应气体进行碳沉积会导致靶材大量中毒，且在靶材上的功率耗散主要用来对混合气体进行离化。同时靶材的溅射率会大幅缩减，因此，DLC涂层的生长含有碳，金属元素还含有氢。

所述非平衡磁控阴极21，其主体是由适合的铜材机加工而成，冷水通道被放置在线性磁场阵列32的内与外之间；***与阴极同心的一个电磁线圈26的配置是用来产生与外磁阵列磁极平行的磁场，对于由永磁体25的典型配置建立的磁场在借助于线圈电磁场而形成闭合回路的效果会被加强；另外UBM21的一个的重要特征是所形成的磁场阵列32可以进行前后往复运动, 这一特征也同时弥补由于典型的磁控靶表面的侵蚀引起的磁场强度增加的缺陷。用来生长超硬DLC的靶材是由高纯度的石墨并卡装在所述UBM21阴极体上实现的。磁控溅射过程是由直流电源10 W/cm²产生溅射，电压范围在-500伏特时发起，溅射电源采用恒流控制，这样，通过移动相应磁场阵列32使溅射电压可以保持恒定，工件基体16施加负偏压范围在-80伏特到-180伏特主要取决于被镀基体允许的温度数据。

所述阳极5效果，当把中心阳极的电压增加越大，那么流向中心阳极电流与基体的电流也相应增大；在阳极5电压-50伏特时的特殊溅射配置中，电流流向阴极总数也可以达到要求，这意味着，几乎没有电流流向的真空腔室11壁；当继续增加阳极5电压时将进一步的增加二次电子的形成和工件基体16电流被提高到更高的值, 甚至增强离子轰击工件基体16到几兆Acm^-2。

实际生产经验要求更多关注于超硬DLC涂层结合力问题. 如大家所熟知的: 氩离子(磁控溅射刻蚀)不能提供充分的结合力，这样的步骤仅能简单地移除基体表面的氧化层；显著的效果已经在多离子, 如施加加速电压范围在-1000伏特到-1200伏特的范围内的金属离子Ti，Cr，Nb，W和WC分子与惰性氩（压力5*10^-4到1*10^-3mbar）轰击基体上取得了理想的效果。

图9中，金属离子是由HIPIMS等离子体产生的，因所施加的加速电压影响到金属离子被植入到工件基体16表面下20-26纳米深处，这允许以局部上位的方式沉积金属或金属氮化物或金属碳化物的薄膜，从而在基体工件16表面形成了具有极高的粘附过渡区域沉积，而阴极配有石墨的靶材宽度设计为约200mm的宽度，高功率脉冲磁控溅射靶阴极宽度通常要用更小的宽度，例如采用设计宽度为80mm。另外把HIPIMS20置于一个400到500高斯平行磁场分量磁铁中的话，这样的HIPIMS20阴极利于其发挥作用，HIPIMS20电源用在这里来提供脉冲值为2kV/4kA电压，从而使脉冲平均电流密度高达4A/cm²，这里把HIPIMS20阴极放置于相邻的两个非平衡磁控阴极21之间非常有利其功能发挥。这样，通过交替设置永磁体25磁极而产生了闭合磁场19效应，因为HIPIMS20阴极操作只有在对工件基体16进行表面预处理工艺时才用到，因此在关闭HIPIMS20阴极进行薄膜的沉积过程工艺时，可以通过在HIPIM20阴极前放置一个磁性钢制造的阴极隔栅22尽可能的恢复闭合磁控阴极效应，所有的相应隔栅都需要可靠接地。

图10中，揭示了气体成分对可获得的维氏硬HV的影响. 图中工艺实验中所描述的真空腔室所提供氩气的流量为400sccm，乙炔气体以很微小的量添加。一个明显的发现当乙炔气体流量为约30sccm时，所沉积DLC薄膜的硬度可达50Gpa，因此，反应气体的流量范围远低于氩气体流量，精确的DLC碳薄膜维氏硬度除最大取决于除了乙炔气体流量外, 也受阴极数量，功率耗散以及偏压的影响。

另外一个引人注目的影响特征是关于可以得到最大维氏硬度HV，超硬DLC碳膜的另个一个特征是拥有0.1—0.12的干摩擦系数，另外，薄膜生长工艺过程中，当C₂H₂以160sccm的量注入时，可以生成表面摩擦系数为0.05—0.08的较软的DLC碳薄膜, 这层较软的碳薄膜常用在超硬DLC涂层的表层。

图11中，概述了碳薄膜DLC中来自乙炔分子中的氢H原子含量的影响，SIMS分析揭示了另外一个对碳薄膜维氏HV硬度的最大影响因素，当H原子含量为11%时维氏硬度达50Gpa，并可清晰看出H含量越低，硬度越低; 特别是在H含量为提高时，碳薄膜的维氏硬度出现急速下跌。

图12显示了拉曼光谱RAMAN分析分别说明了H含量与乙炔气体流量对碳薄膜硬度的影响。在乙炔“零”流量的情况下，这意味着没有H原子的存在, 可以看到一个强大的D带对应于石墨结构，明显占据主宰地位；G带的强度对应于金刚石结构不太显著，并且D/G比为1.68，为超过1的值；增加乙炔流量到处于更高的维氏硬度HV范围（30sccm）, 可以看到是G带的强度明显增加以及D/G比值低于1即0.77；进一步增加的C₂H₂流量，有利于G峰和D/G值的进一步跌至0.68；然而，碳薄膜的维氏硬度HV却远远低于最大的机械测量值，已经证实有硬度达到50GPa的值。

图5所示，是涂层单元的截面示意图，每个涂层单元设置了5个阴极靶，其中一个HIPIMS靶和四个UBM靶，真空腔室加热后，真空***才起动，其目的是为了减少脱气量；所述5 个确定位置的磁控阴极前的可移动隔栅使用氩离子对石墨靶进行几分钟的清洗，即对靶材本身进行清洗，使之免于受大气的污染；这一步骤执行后，紧跟的是氩离子溅射蚀刻，大约需要10分钟；高功率脉冲磁控溅射靶（HIPIMS）的预处理是用配备的备用WC靶材HIPIMS阴极在纯氩气中溅射来实现的, 同时保持基体偏压在-1200伏特，时间为6分钟至10分钟；后续按照阶梯式降低工件基体的偏压,逐渐达到-75伏特,所述HIPIMS的蚀刻与植入工艺逐步转换为薄膜沉积生长工艺, 这样即在工件基体上生成了所述的过渡层A与过渡层B。进一步随着涂层的增长，发生交叠沉积的方式，逐渐减少HIPIMS溅射率，同时逐渐增加UBM碳靶的溅射率，最终沉积成所希望的超硬DLC涂层, 碳膜沉积的最后阶段是通过增加氩气的流量，间接减少乙炔气体的流量，然后逐渐降低并控制恒定的乙炔气体流量，完成自润滑涂层的制备，通过控制氩气与乙炔气体的流量，获得所期望的最低摩擦值的涂层时，结束整个涂层工序流程。

通过上述具体实施例，本发明的有益效果是：采用多层膜复合技术，利用PVD过程与HIPIMS方法，设计一种工业化的制备类金刚石涂层方法与设备，实现工件表面的超硬度类金刚石涂层设备，并使涂层具有超高硬度，高耐摩擦性能，高耐磨损性能和高自润滑性能；本发明涂层工艺简单，复合涂层条件精确可控，成膜质量高，性能稳定，产品成品率高，成本低廉；具有超高硬度和优异的自润滑抗摩擦磨损性能；本发明涂层设备设置有四套规模化涂层单元，生产质量稳定可靠、可应用于大批量生产，有利于降低生产成本，实现产业化。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备，其特征在于，包括设备框架、设备操控屏、涂层单元、中井通道、阳极、涂层室门、直流伺服电机、行星工件架、卫星支架、工件台、真空腔室、真空接口、冷却水接口、气体进口、气体出口、工件基体、加热器、HIPIMS、非平衡磁控阴极、磁性隔栅、非磁性隔栅、保护罩、永磁体、电磁线圈、高纯石墨靶、直流脉冲器、刻蚀抛面、磁场阵列、阳极电源、阴极电源、偏压电源、基体电源、刻蚀植入电源、电气柜、电源柜、温度传感器、真空表；所述高功率脉冲磁控溅射靶，简称为HIPIMS；所述非平衡磁控阴极，简称为UBM；所述PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备，简称涂层设备，由设备框架、涂层单元、控制***、真空***、冷却***、供气***、驱动***、监测***组成；所述设备框架为矩形不锈钢结构，由不锈钢方通焊接构成；所述设备框架上部固定设置有四个涂层单元，所述涂层单元为八棱柱形密封腔体，由不锈钢板焊接构成；所述四个涂层单元通过八棱柱形的一个侧面装配构成四棱柱形的中井通道，所述四个涂层单元立式并列设置；所述涂层单元对应于所述设备框架四角方向上设置有涂层室门，所述涂层室门与真空腔室通过铰接方式侧向开合；所述控制***包括设备操控屏、电气柜、电源柜，所述设备框架前方操作台上设置有设备操控屏，所述操作台下方设置有电气柜，所述设备框架下方设置有电源柜；所述真空***包括真空接口、真空阀门、涡轮分子泵、罗茨泵以及旋转式机械泵组成，所述真空接口与所述中井通道顶部密封固定连接，所述中井通道与所述四个涂层单元的真空腔室设置有真空阀门，所述真空阀门由控制***独立控制；所述真空接口由涂层设备后上方引出，并通过真空管道与所述涡轮分子泵、罗茨泵以及旋转式机械泵连通；所述冷却***包括冷却水接口、冷却管道、冷水机组，所述冷却水接口设置于所述涂层设备的后下方，所述冷却水接口与所述真空腔室的夹层相通，所述冷却水接口与所述冷水机组通过管道连接；所述供气***包括气体进口、气体出口、气动调节阀门、气源、流量计；所述气体进口和气体出口分别设置在所述涂层单元的底部，所述气体进口和气体出口通过气体管道与所述气源连通，所述气体管道上设置有气动调节阀门和流量计；所述驱动***包括直流伺服电机和机械传动装置，所述直流伺服电机通过所述机械传动装置与卫星工件架机械连接，所述直流伺服电机固定设置在所述设备框架的二侧，所述涂层单元底部独立设置有驱动***；所述监测***包括温度传感器、真空表、流量计，所述温度传感器和真空表设置于所述涂层单元的顶部；所述控制***与涂层单元、真空***、冷却***、供气***、驱动***、监测***电气连接，并通过所述控制***对所述涂层设备整体运行进行控制与调节。

2. 根据权利要求1所述的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备，其特征在于，所述涂层单元设置有四个，所述涂层单元设置有八棱柱形状的真空腔室，所述真空腔室为多层不锈钢焊接构成，其夹层内设置有冷却水，并与所述冷却水接口连通；所述真空腔室的一个侧面上设置有涂层室门，所述真空腔室底部中心设置有卫星工件架，所述卫星工件架上设置有底盘，所述底盘为圆形，所述底盘上方沿圆周设置有多个卫星支架，所述卫星支架与所述底盘通过卫星齿轮转动齿接；所述卫星支架上设置有工件台，所述工件台上固定装配有多个工件基体；所述工件基体通过所述卫星支架和卫星工件架与所述基体电源电连接，所述基体电源负极与所述工件基体连接，所述基体电源正极与所述真空腔室连接，所述真空腔室与地线连接；所述卫星工件架还与刻蚀植入电源连接，所述刻蚀植入电源与所述基体电源并联与所述卫星工件架上。

3.根据权利要求1所述的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备，其特征在于，所述真空腔室的顶部中心设置有阳极，所述阳极为圆柱体，所述阳极与阳极电源电连接，所述阳极电源正极与所述阳极连接，所述阳极电源负极与所述真空腔室电连接；所述真空腔室侧面上部设置有真空口，所述真空腔室内部靠近侧面设置有一个HIPIMS，所述真空腔室内部靠近侧面对称设置有四个UBM，在所述二个UBM之间的一个侧面上还设置有一组加热器，在所述加热器相对称的侧面上设置有备用离子源接口；所述UBM与阴极电源电连接，所述阴极电源负极与所述UBM电连接，所述阴极电源正极与所述真空腔室连接；所述HIPIMS与直流脉冲器和偏压电源电连接。

4.根据权利要求1所述的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备，其特征在于，所述非平衡磁控阴极由磁极相互交错设定的永磁体构成，所述永磁体沿直线排布，形成磁场阵列，所述磁场阵列外部设置有保护罩，所述磁场阵列外部同心绕制有电磁线圈，所述UBM前方设置有非磁性隔栅，所述磁场阵列前方设置有高纯石墨靶，所述磁场阵列后部设置有驱动机构。

5.根据权利要求1所述的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备，其特征在于，所述相邻UBM中的磁场阵列，其永磁体的排布也是交替方式，整体磁场中的永磁体均按照交替方式排列；所述涂层单元中非平衡磁控阴极设置为偶数个；所述UBM的数量范围为2—12个UBM，所述UBM以相对称的排布方式装配在所述真空腔室内，各个UBM的电源采用独立可控制的、功率损耗不到10W/cm2的直流电源，各个UBM设置有独立的可前后移动的磁场阵列驱动机构。

6.根据权利要求1所述的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备，其特征在于，PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备所制备的DLC涂层特性是涂层厚度为1微米—6微米；维氏硬度40GPa—80GPa；对钢的干式摩擦系数＜0.1；氢含量范围为7%—11%；金刚石与石墨波段比D/G＞0.6。

7.根据权利要求1所述的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层设备，其特征在于，所述高功率脉冲磁控溅射靶的阴极靶位置设置在两个非平衡磁控溅阴极靶之间, 不用考虑所述UBM靶的对称性，二个或四个对称阴极UBM结构放置1个HIPIMS靶；而六个或八个对称阴极结构UBM结构放置2个HIPIMS靶。

8.PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法，其特征在于，

8.1成形：对工件基体材料进行适当的机械加工成形；

8.2清洗：水、有机溶剂、酸碱以及超声处理，干燥；

8.3装仓：将工件基体装配到涂层单元中，并密封涂层室门；

8.4起动涂层设备：初始化参数设置，真空***起动，冷却***起动，驱动***起动，加热器加热；

8.5工件预处理：通过备用离子源，对靶材表面进行离子轰击清洗；

8.6工件基体清洗：通入氩气，对工件基体表面进行轰击清洗；

8.7渗透层制备：关闭离子源，启动HIPIMS，使用WC阴极靶，设置偏压为-1200伏特，溅射时间为5—10分钟；

8.8过渡层A制备：通过HIPIMS，使用WC阴极靶，设置偏压为-75伏特，溅射时间为5—10分钟，形成WC过渡层A；

8.9过渡层B制备：开启UBM，调节磁场阵列，通过高纯石墨阴极的离子化，同时继续使用HIPIMS进行溅射，形成UBM-HIPUMS共同作用，磁控溅射与物理沉积共同形成WC过渡层B；

8.10 DLC涂层制备：关闭HIPIMS，继续运行UBM，设置偏压为-75伏特，控制电流密度为10W/cm² ;控制乙炔气体流量为30sccm;制得超硬类金刚石涂层；

8.11 自润滑层制备：设置偏压为-75伏特，电流密度为10W/cm²；控制乙炔流量为160sccm；制得软质DLC涂层；

8.12 关闭涂层设备：关闭UBM，关闭真空***，关闭供气***，关闭加热器，关闭冷却***，关闭驱动***；

8.13 出仓：开起涂层室门，将制备好涂层的工件取出真空腔室。

9.根据权利要求8所述的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法，其特征在于，所述超硬DLC涂层的结构有六个结构层，按照所述DLC涂层从涂层表面到工件基体的顺序，其结构依次为表面自润滑层；超硬DLC涂层；过渡层B；过渡层A；渗透层；工件基体；所述工件基体为高速钢、不锈钢、硬质合金、金属陶瓷中的任意一种。

10.根据权利要求8所述的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法，其特征在于，所述超硬DLC涂层是在10 ^-3至10^–2mbar的真空环境里，在几乎不参与反应的氩气气氛环境中，通过HIPIMS和UBM，对高纯度石墨靶材进行磁控溅射所沉积形成的。

11.根据权利要求8所述的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法，其特征在于，为了使DLC类金刚石薄膜涂层的硬度达到维氏硬度40-80 Gpa, 参与反应的气体，如乙炔，供给到真空腔室内的流量范围为2%—8%；氩气气体供给流量范围为92%—98%；所述自润滑涂层的沉积条件是为乙炔气体的供给流量占氩气供给流量的30%—50%，缓慢方式供气；所述自润滑涂层硬度为15GPa—20GPa、所述自润滑涂层摩擦系数在0.05—0.07，所述自润滑涂层厚度一般控制在0.2—1.0μm之间。

12.根据权利要求8所述的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法，其特征在于，所述工件基体最大承受温度为200°C，所述工件基体施加负偏压, 所述负偏压的电压的范围为负50伏特—负150伏特；所述阳极施加的偏压至少可吸引到真空腔室内所有UBM所产生的等离子体总和的80—90%；所施加在阳极上的电压范围控制在+50伏特—+100伏特，这样能够100%达到所有UBM电流量的总和。

13.根据权利要求8所述的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法，其特征在于，所述电磁线圈用来缭绕在非平衡磁控阴极的***，所述电磁线圈缠绕的匝数由通过单个UBM直流电流的电量确定，工艺标准为在UBM上产生的磁通量达到100高斯；对未曾使用与侵蚀过的靶材施加电流从零开始, 电流的连续增加用来减少在靶材的刻蚀抛面内的水平磁通量，这样保证UBM磁通量稳定在一个恒定的值。

14.根据权利要求8所述的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法，其特征在于，所述的工件预处理过程中，工件表面将设置有负800伏特—负1200伏特的直流电压，用于对离子源进行离化，所述预处理的所述离子源有Cr, Ti, Nb, Ta, W or WC；并通过50μsec至150 μsec脉冲波长和脉冲电流密度大于2A/cm²的高功率脉冲磁控溅射靶（HIPIMS）放电来产生等离子体，所述等离子体对工件表面刻蚀并植入到所述工件基体表面以下，其植入深度达到25nm的富集表面层。

15.根据权利要求8所述的PVD与HIPIMS制备超硬DLC涂层方法，其特征在于，当进行高功率脉冲磁控溅射靶刻蚀/离子植入过程中，制备渗透层工艺时，所述真空腔室内UBM靶设置有可调节的非磁性钢隔栅保护起来以防止被污染；所述高功率脉冲磁控溅射靶设置有磁性隔栅以及磁性的钢保护罩来保护。