CN101748370A - 用于水润滑的织构化类金刚石复合薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水润滑的织构化类金刚石复合薄膜的制备方法。本发明采用激光表面微造型技术，能够在工件表面获得微织构形貌造型，然后通过磁控溅射沉积技术对工件进行等离子体清洗后，通过镀制钛过渡层，掺杂钛的类金刚石薄膜，能够在工件表面获得薄膜。薄膜大大提高了常规类金刚石薄膜在水润滑条件下的稳定性和减摩抗磨性能，摩擦系数降低高达40％，耐磨性提高1～3倍。适用用水环境下的机械密封环、推力轴承以及其他机械传动摩擦副的表面防护与强化，延长使用寿命。

Description

用于水润滑的织构化类金刚石复合薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于水润滑的织构化类金刚石复合薄膜的制备方法。

背景技术

各种船舶、舰艇、水中兵器、核电水冷却系统、水泵、水轮机的水润滑轴承、动密封及其他传动摩擦副都会涉及到水润滑的问题。水润滑具有无污染、使用成本低、易维护保养的特点，成为最具发展潜力的润滑介质。但由于水具有粘度低、气蚀性强、润滑性差等缺点，以及水润滑摩擦副存在易腐蚀、磨损大等问题，很大程度上限制了其使用范围。因此，寻求在水润滑条件下具有良好耐磨、耐腐蚀性能的摩擦副材料成为发展水润滑技术的关键问题之一。

在发展水润滑摩擦副方面，表面织构(Surface Texturing)是一种有效的处理手段，常见的表面织构可以用激光、刻蚀、机械加工等方法在表面得到点状凹坑、条纹等织构图形。织构化表面可以起到产生流体动压效应以增加承载能力、作为储油器给接触表面提供润滑剂以防止咬合、捕捉磨粒而减少犁沟形成3方面的作用，从而显著提高水润滑摩擦副寿命和可靠性。而激光表面微造型技术以其加工速度快，对环境无污染以及优良的对微孔的形状和尺寸的控制能力被认为是表面织构领域较好方法。

两一方面，摩擦副表面薄膜/涂层技术逐渐成为改善水润滑性能的重要方法。其中碳基固体润滑薄膜如类金刚石薄膜在水中显示优异的减摩抗磨和耐蚀性能而受到普遍关注[周飞等，碳基薄膜水润滑性能的研究进展，润滑与密封，2006(7)：185-195]。水润滑金属以及陶瓷摩擦副表面固体润滑碳膜将会使摩擦副在低速和频繁起停等边界润滑和近-干摩擦下拥有可靠的摩擦，从而满足水润滑机械的寿命要求。

因此，将表面织构化处理与碳基固体润滑薄膜技术结合形成表面多尺度织构化复合薄膜，可以弥补甚至消除两类手段各自的局限性，实现两种优化技术的协同水润滑效应，发展水环境下优异的摩擦副材料。然而目前这方面的技术开发仍未见相关专利报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于水润滑的织构化类金刚石复合薄膜的制备方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

本发明采用激光表面微造型技术，能够在工件表面获得微织构形貌造型，然后通过磁控溅射沉积技术对工件进行等离子体清洗后，通过镀制钛过渡层，掺杂钛的类金刚石薄膜，能够在工件表面获得织构化类金刚石复合薄膜。

一种用于水润滑的织构化类金刚石复合薄膜的制备方法，其特征在于该方法依次按照下列步骤实现：

A、激光表面微造型：

对不锈钢、钛合金或碳化硅陶瓷工件进行抛光、除油以及清洗预处理，然后采用Nd-YAG固体激光器，波长1064nm，脉宽4ns左右，调节激光总能量为3W、将激光脉冲次数控制在1～5次、光斑直径为20μm、扫描速率2～6mm/s，在工件表面形成微造型表面；

B、磁控溅射沉积织构化钛掺杂类金刚石薄膜：

将得到的微造型表面进行清洗及活化处理，采用磁控溅射沉积系统在样品表面依次沉积钛过渡层和掺钛类金刚石复合薄膜；沉积过程中，真空室的放电气压为0.8～1.2Pa，氩气气氛，阴极为高纯钛靶和碳靶，钛靶的工作电流维持在0.5～0.8A，石墨靶的工作电流维持在1.0～1.5A，基底所加偏压为-300～-600V，沉积时间为100～200分钟，最后得到织构化类金刚石复合薄膜。

本发明所述的织构化类金刚石复合薄膜为纳米金属钛或纳米碳化钛镶嵌在非晶碳网络中的复合结构，其中纳米金属钛和碳化钛晶粒尺寸为3～5nm，钛的质量分数为5％～30％。

本发明织构化类金刚石复合薄膜，它是以激光表面微造型和磁控溅射沉积技术相结合而制备的硬质含钛类金刚石复合薄膜，薄膜属于无氢类金刚石薄膜材料，薄膜表面是以凹坑、平行条纹、正交网格等微织构形貌存在。薄膜表面微坑及凹槽等织构间距尺寸在40～600μm范围内，深度在1～8μm范围内。

我们采用透射电子显微镜(TEM)分析薄膜微观结构。用扫描电子显微镜(SEM)和非接触三维形貌仪考察薄膜表面微观形貌。利用纳米硬度计测量薄膜的纳米硬度。利用栓-盘往复式摩擦试验机考察薄膜在水润滑条件下的摩擦磨损性能，薄膜试样固定在下盘上，对偶为直径为5mm的钢栓。分析测试结果表明，利用本发明得到的薄膜具有综合的优异性能：薄膜具有高硬度，硬度在22GPa以上；具有良好的水润滑性能，在水环境下摩擦系数不超过0.05。

本发明方法充分利用了织构化表面形貌的织构润滑效应以及无氢类金刚石薄膜在水中优异的摩擦学性能，制备的织构化类金刚石复合薄膜大大提高了常规类金刚石薄膜在水润滑条件下的稳定性和减摩抗磨性能，摩擦系数降低高达40％，耐磨性提高1～3倍。本发明薄膜材料表面具有微坑、凹槽，非常适用用水环境下的机械密封环、推力轴承以及其他机械传动摩擦副的表面防护与强化，并且在低转速和频繁起停等边界润滑和近-干摩擦条件下拥有较长的使用寿命和可靠性。

具体实施方式

以下结合具体的实施例，对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1：

凹坑型织构化类金刚石复合薄膜的制备，处理样品是尺寸为30mm×50mm的不锈钢片、Ti6Al4V钛合金片以及SiC陶瓷片。依次按照以下步骤进行：

(1)激光表面凹坑微造型：首先将样品进行抛光、除油以及清洗预处理，然后采用Nd-YAG固体激光器(波长1064nm，脉宽4ns左右)，通过调节激光能量(激光总能量为3W)，控制激光脉冲频率在10KHz，脉冲作用次数为4次，扫描速率5mm/s，光斑直径为20μm，在样品表面加工出凹坑型织构。最后在不锈钢表面获得凹坑的直径为50μm，深1μm，中心间距60μm；钛合金表面获得凹坑直径为40μm，深8μm；SiC陶瓷表面获得凹坑直径为50μm，深1μm。激光加工完之后进行常规清洗。

(2)磁控溅射沉积织构化钛掺杂类金刚石薄膜：将清洗过的织构化样品固定在磁控溅射沉积设备真空室的工件转盘上并抽真空；通入氩气，维持真空度稳定在1.0Pa，依次对样品和靶材进行等离子体清洗，清洗样品时基底偏压为-1000V清洗10分钟；然后以钛为靶材利用磁控溅射沉积钛过渡层，钛靶工作电流2.0A，样品偏压为-500V，沉积时间为10分钟；最后沉积掺钛类金刚石复合薄膜，阴极为高纯钛靶和碳靶，钛靶的工作电流0.6A，石墨靶的工作电流1.2A，基底所加偏压为-300V，沉积时间为120分钟，最后得到厚度为1.5μm的凹坑型织构化含钛类金刚石复合薄膜。

实施例2：

条纹型织构化类金刚石复合薄膜的制备，处理样品是尺寸为30mm×50mm的不锈钢片、Ti6Al4V钛合金片以及SiC陶瓷片。依次按照以下步骤进行：

(1)激光表面条纹微造型：首先将样品进行抛光、除油以及清洗预处理，然后采用Nd-YAG固体激光器(波长1064nm，脉宽4ns左右)，通过调节激光能量(激光总能量为3W)，控制激光脉冲频率在10KHz，脉冲作用次数为1次，扫描速率3mm/s，光斑直径为20μm，在样品表面加工出条纹型织构。最后在不锈钢表面获得的条纹宽度为40μm，深2μm，中心间距80μm；钛合金表面获得的条纹宽度为30μm，深3～4μm；SiC陶瓷表面获得的条纹宽度为50μm，深1.5μm。激光加工完之后进行常规清洗。

(2)磁控溅射沉积织构化钛掺杂类金刚石薄膜：将清洗过的织构化样品固定在磁控溅射沉积设备真空室的工件转盘上并抽真空；通入氩气，维持真空度稳定在1.0Pa，依次对样品和靶材进行等离子体清洗，清洗样品时基底偏压为-1000V清洗10分钟；然后以钛为靶材利用磁控溅射沉积钛过渡层，钛靶工作电流2.0A，样品偏压为-500V，沉积时间为10分钟；最后沉积掺钛类金刚石复合薄膜，阴极为高纯钛靶和碳靶，钛靶的工作电流0.6A，石墨靶的工作电流1.2A，基底所加偏压为-300V，沉积时间为150分钟，最后得到厚度为2μm的条纹型织构化含钛类金刚石复合薄膜。

实施例3：

正交网格型织构化类金刚石复合薄膜的制备，处理样品是尺寸为30mm×50mm的不锈钢片。依次按照以下步骤进行：

(1)激光表面正交网格微造型：首先将样品进行抛光、除油以及清洗预处理，然后采用Nd：YAG固体激光器(波长1064nm，脉宽4ns左右)，通过调节激光能量(激光总能量为3W)，控制激光脉冲频率在10KHz，脉冲作用次数为1次，扫描速率5mm/s，光斑直径为20μm，在样品表面加工出正交网格型织构，织构单元为由间距为120μm的横向条纹与间距为120μm的纵向条纹组成的正交网格。激光加工完之后进行常规方法清洗。。

(2)磁控溅射沉积织构化钛掺杂类金刚石薄膜：将清洗过的织构化样品固定在磁控溅射沉积设备真空室的工件转盘上并抽真空；通入氩气，维持真空度稳定在1.0Pa，依次对样品和靶材进行等离子体清洗，清洗样品时基底偏压为-1000V清洗10分钟；然后以钛为靶材利用磁控溅射沉积钛过渡层，钛靶工作电流2.0A，样品偏压为-500V，沉积时间为10分钟；最后沉积掺钛类金刚石复合薄膜，阴极为高纯钛靶和碳靶，钛靶的工作电流0.6A，石墨靶的工作电流1.2A，基底所加偏压为-300V，沉积时间为200分钟，最后得到厚度为3μm的正交网格型织构化含钛类金刚石复合薄膜。

Claims (1)

1.一种用于水润滑的织构化类金刚石复合薄膜的制备方法，其特征在于该方法依次按照下列步骤实现：

A、激光表面微造型：

对不锈钢、钛合金或碳化硅陶瓷工件进行抛光、除油以及清洗预处理，然后采用Nd-YAG固体激光器，波长1064nm，脉宽4ns左右，调节激光总能量为3W、将激光脉冲次数控制在1～5次、光斑直径为20μm、扫描速率2～6mm/s，在工件表面形成微造型表面；

B、磁控溅射沉积织构化钛掺杂类金刚石薄膜：

将得到的微造型表面进行清洗及活化处理，采用磁控溅射沉积系统在样品表面依次沉积钛过渡层和掺钛类金刚石复合薄膜；沉积过程中，真空室的放电气压为0.8～1.2Pa，氩气气氛，阴极为高纯钛靶和碳靶，钛靶的工作电流维持在0.5～0.8A，石墨靶的工作电流维持在1.0～1.5A，基底所加偏压为-300～-600V，沉积时间为100～200分钟，最后得到织构化类金刚石复合薄膜。