CN102644076A

CN102644076A - 用于宽温域自适应的润滑涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN102644076A
Application number: CN2012101322484A
Authority: CN
Inventors: 张旭海; 蒋建清; 曾宇乔; 董岩; 涂益友; 谈荣升
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-04-28
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2012-08-22

Abstract

本发明公开了一种用于宽温域自适应润滑涂层及其制备方法，涂层由设于基体上的中间层和设于中间层上的自适应润滑涂层组成；所述的自适应润滑涂层的厚度为0.5-200微米，所述的自适应润滑涂层为低温润滑单元涂层和高温润滑单元涂层相互交错呈棋盘状排列而成的纳微结构，所述的低温润滑单元涂层和高温润滑单元涂层面积比为0.25-0.8，所述的低温润滑单元涂层为TiAlCN相/非晶碳相复合，所述的高温润滑单元涂层为Ag单相/VN相复合；所述的中间层是厚度为50nm-200nm的Ti或Cr。涂层单元格中存贮不同温度下使用的润滑剂，随温度变化，相应润滑剂释放到摩擦表面，另一种润滑剂被封存在单元格中或涂层亚表面。

Description

用于宽温域自适应的润滑涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及机械部件表面一种可在宽温域自适应的润滑涂层及其制备方法，尤其涉及一种用于交变温度场环境下自适应的润滑涂层。

背景技术

在低温(＜300℃)润滑中，常使用石墨为润滑剂。因为石墨具有层状结构，层与层之间为范德华力结合，分子能沿这些平面轻易滑移，剪切力小；已有研究表明非晶碳涂层在摩擦过程中，磨损面将形成石墨而提供良好的润滑。而中温(300℃-500℃)润滑中，软金属Ag因具有低剪切应力具有良好的润滑作用。低剪切层状AgVO氧化物可在更高温度下提供润滑。但是，这些润滑材料单独应用宽温域会出现各自问题：石墨在中高温条件下将氧化失效；低温条件下，Ag摩擦系数大，在高温条件下，Ag层由于强度不够导致耐磨性差；AgVO氧化物在低温条件下摩擦系数偏大。因此，只有通过合理的成分设计和结构设计，利用这三种材料的优点，将涂层表面自动适应宽温域中的某一温度，才能制备出宽温域自适应润滑涂层。

一般高温涂层制备过程是将各种温度段适用的润滑材料和起支撑作用的硬质相按随机方式混合沉积，属于“一次制备”而成。但是，多种成分/物相共同沉积往往受动力学和热力学的共同作用，微观结构设计和控制十分复杂。更重要的是，涂层的力学和润滑性之间很难相互平衡：润滑相多，涂层力学性能变差，而润滑相少，涂层润滑性能不能满足要求。

发明内容

本发明提供一种用于宽温域自适应润滑涂层及其制备方法，能够在宽温域条件下提供自适应润滑的涂层。

本发明的技术方案：一种用于宽温域自适应润滑涂层，，涂层由设于基体上的中间层和设于中间层上的自适应润滑涂层组成；所述的自适应润滑涂层的厚度为0.5-200微米，所述的自适应润滑涂层为低温润滑单元涂层和高温润滑单元涂层相互交错呈棋盘状排列而成的纳微结构，所述的低温润滑单元涂层和高温润滑单元涂层面积比为0.25-0.8，所述的低温润滑单元涂层为TiAlCN相/非晶碳相复合，所述的高温润滑单元涂层为Ag单相/VN相复合；所述的中间层是厚度为50nm-200nm的Ti或Cr。

所述的TiAlCN相中，Ti和Al原子比为1∶0.5-1.25，C在TiAlCN中原子百分含量为10％-70％。

在所述的TiAlCN相中添加Si、Nb、Cr元素中至少一种元素，添加量为5％-30％。

在Ag/VN复合相中Ag原子含量为5％-60％。

所述的高温复合润滑单元涂层高度略低于低温复合润滑单元涂层。

一种实现所述的用于宽温域自适应润滑涂层的制备方法，步骤为：

第一步，清洁前处理：先对机械零件的待处理表面进行洁净处理；再将机械零件的待处理表面置于真空气相沉积系统中利用溅射刻蚀法清洁表面；

第二步，气相沉积法制备中间层：然后采用气相沉积法沉积厚度为50nm-200nm的Ti或Cr中间层于洁净表面；

第三步，制备高温润滑单元涂层或是低温润滑单元涂层中的一种：再接着采用气相沉积法制备高温润滑单元涂层或是低温润滑单元涂层中的一种于中间层的表面，厚度为0.5-200微米；然后，将机械零件取出，紧密包覆网状掩模；再将机械部件放入真空腔体，利用等离子体刻蚀涂层表面，刻蚀出相应孔洞，孔洞深度为0.5-200微米；

第四步，制备得到用于宽温域自适应润滑涂层：利用气相沉积法将和第三步对应的高温润滑单元涂层或是低温润滑单元涂层填充入相应的孔洞中；取出机械零件，去除网状掩模，即获得用于宽温域自适应润滑涂层。

所述的网状掩模由不锈钢或钛制成，孔隙率为5-50％。

有益效果：

(1)自润滑涂层必须选择合适的成分和物相复合构成，目前现有的自适应润滑涂层没有采用TiAlCN/a-C/Ag/VN这类材料体系，而该体系是涂层自适性润滑性能实现的物质基础。

(2)自润滑涂层必须设计出合适的微结构，本发明设计出两种单元格按棋盘式结构交替排列，单元格中存贮不同温度下使用的润滑剂，随温度变化，相应润滑剂释放到摩擦表面，另一种润滑剂被封存在单元格中或涂层亚表面.这种结构设计尤其可用于交变温度场下的宽温域自适应润滑。

(3)本发明所述沉积方式，不仅可以应用于宏观机械表面，也适用于微机械等微小机械表面，尤其可适合于航空/航天部件、内燃机关键部件、密封部件及模具/刀具等尖端领域。

附图说明

图1为室温-500℃交变温度条件下本发明的宽温域自适应的润滑涂层的摩擦系数自适应变化图。

图2为本发明的宽温域自适应的润滑涂层横截面结构示意图。

其中1为基体，2为低温复合润滑涂层，3为高温复合润滑涂层。

具体实施方式

本发明所述的用于宽温域自适应润滑涂层的制备方法，步骤是：

第一步，清洁处理：先按常规对机械零件的待处理表面进行洁净处理；再将机械零件的待处理表面置于真空气相沉积系统中利用溅射刻蚀法清洁表面，使表面足够清洁；

第二步，气相沉积法制备中间层：采用气相沉积法在机械零件表面沉积50nm-200nm厚度的Ti或Cr作为中间层；

第三步，制备高温润滑单元涂层或是低温润滑单元涂层中的一种：再沉积TiAlCN涂层(或Ag/VN)涂层于中间层表面，厚度为0.5-200um；将机械零件取出，紧密包覆网状掩模，所述的网状掩模的孔隙率为5-50％；再将机械零件放入真空腔体，利用等离子体刻蚀涂层表面，刻蚀出相应孔洞，其深度为0.5-200um；

第四步，制备得到用于宽温域自适应润滑涂层：利用气相沉积法将和第三步对应的Ag/VN涂层(或TiAlCN涂层)填充入相应的孔洞中；取出机械零件，去除网状掩模，即获得相应涂层。

本涂层选择合适的成分、物相并通过合理的工艺制备出一定的微纳结构，将提高润滑涂层宽温域条件下的自适应性。通过本发明的制备工艺，涂层横截面将如图2结构，分别沉积两种不同的材料，一种单元格内的涂层材料为TiAlCN/a-C复合相，一种单元格内为Ag/VN复合相，两种单元格交替排列。低温(＜300℃)条件下，TiAlCN/a-C相单元格表层的a-C相将通过摩擦转移到涂层表面提供润滑，中温(300℃-500℃)条件下，Ag/VN单元格表层的Ag将转移到涂层表面提供润滑，部分Ag可能和VN在氧气条件下生成AgVO，该相也起到润滑效果；高温条件(＞500℃)下，涂层表面主要由AgVO提供润滑；中高温摩擦条件下，TiAlCN/a-C单元格表面由于Al会快速扩散至表面形成致密氧化膜，a-C将封存在单元格中，同时表面覆盖的Ag或AgVO层也阻碍了氧相涂层内部的扩散，近一步保护阻碍了a-C相不受损失。当温度降低，AgVO或Ag相由于膨胀收缩及摩擦系数增大等原因，通过磨损转移到凹陷的Ag/VN单元格表面，TiAlCN/a-C单元格表面通过磨损使a-C再暴露涂层表面，发挥润滑作用。按如此机制涂层实现宽温域条件下的自适应润滑作用。

实施例1

一种用于机械零件表面的宽温域自适应润滑涂层：涂层由设于基体上的中间层和设于中间层上的自适应润滑涂层组成；所述的自适应润滑涂层的厚度为0.5-200微米，所述的自适应润滑涂层为低温润滑单元涂层和高温润滑单元涂层相互交错呈棋盘状排列而成的纳微结构，所述的低温润滑单元涂层为TiAlCN相/非晶碳相复合，所述的高温润滑单元涂层为Ag单相/VN相复合；所述的中间层是厚度为50nm-200nm的Ti或Cr。TiAlCN相中，Ti和Al原子比为1∶1.1，C在TiAlCN中百分含量为16％，Ag含量在Ag/VN复合相中含量为30％。

制备方法为：对Si基微机械器件表面进行常规的标准CRA法清洗，HF酸漂洗，氮气吹干，放置在真空室中；通入Ar气在0.5Pa，使待处理的机械零件处于800V的负偏压状态，负偏压引发等离子体产生，离子轰击待处理表面进一步清洁表面5-20分钟；通过常规的磁控溅射源沉积Ti或Cr中间层于处理表面，靶材溅射功率密度为2W/cm²，中间层厚度为50nm；再通过溅射法沉积TiAlCN涂层，溅射功率密度可为2，厚度为3微米；将机械部件取出，紧密包覆网状材料，孔隙率为25％；再将机械部件放入真空腔体，利用等离子体刻蚀涂层表面，刻蚀出相应孔洞，其深度为2微米；在孔洞处填充沉积Ag/VN，沉积厚度为1微米；取出机械部件，去除网状材料，即获相应涂层。

实施例2

一种用于机械零件表面的宽温域自适应润滑涂层：涂层由设于基体上的中间层和设于中间层上的自适应润滑涂层组成；所述的自适应润滑涂层的厚度为0.5-200微米，所述的自适应润滑涂层为低温润滑单元涂层和高温润滑单元涂层相互交错呈棋盘状排列而成的纳微结构，所述的低温润滑单元涂层为TiAlCN相/非晶碳相复合，所述的高温润滑单元涂层为Ag单相/VN相复合；所述的中间层是厚度为50nm-200nm的Ti或Cr。TiAlCN相中，Ti和Al原子比为1∶1，C在TiAlCN中百分含量为26％，Ag含量在Ag/VN复合相中含量为40％。TiAlCN相添加Si，含量为0.5％。

先对陶瓷活塞环的待处理表面进行洁净处理，该洁净处理包括进行常规的脱脂、除油、除灰和除绝缘层等；放置在真空室中，通入Ar气在0.1，使待处理的机械零件处于1000V负偏压状态，负偏压引发等离子体产生，离子轰击待处理表面进一步清洁表面5-20分钟；通过阴极弧蒸发法沉积Ti或Cr中间层于处理表面，蒸发靶功率密度为5W/cm²，中间层厚度为100nm；再通过阴极弧蒸发沉积TiAlCN涂层，溅射功率密度可为5W/cm²，厚度为9微米；将机械部件取出，紧密包覆网状材料，孔隙率为50％；再将机械部件放入真空腔体，利用等离子体刻蚀涂层表面，刻蚀出相应孔洞，其深度为7微米；在孔洞处阴极弧蒸发填充沉积Ag/VN，沉积厚度为4微米；取出机械部件，去除网状材料，即获相应涂层。

实施例3

一种用于机械零件表面的宽温域自适应润滑涂层：涂层由设于基体上的中间层和设于中间层上的自适应润滑涂层组成；所述的自适应润滑涂层的厚度为0.5-200微米，所述的自适应润滑涂层为低温润滑单元涂层和高温润滑单元涂层相互交错呈棋盘状排列而成的纳微结构，所述的低温润滑单元涂层为TiAlCN相/非晶碳相复合，所述的高温润滑单元涂层为Ag单相/VN相复合；所述的中间层是厚度为50nm-200nm的Ti或Cr。TiAlCN相中，Ti和Al原子比为1∶1.1，C在TiAlCN中百分含量为16％，Ag含量在Ag/VN复合相中含量为5％-60％(本实施例可为30％和40％)。TiAlCN相添加Nb、Cr元素，含量为1％和1.5％。

先对Ni基高温合金机械零件的待处理表面进行洁净处理，该洁净处理包括进行常规的脱脂、除油、除灰和除绝缘层等，通过超音速喷涂沉积Ti或Cr中间层于处理表面，中间层厚度为200nm；再通过等离子体喷涂沉积TiAlCN涂层，压力为0.4-0.5MPa，燃烧温度为2700-3000，焰流速1500m/s以上，粒子速度400-800m/s，厚度为100微米；将机械部件紧密包覆网状掩模，孔隙率为40％；再将机械部件放入真空腔体，利用等离子体刻蚀涂层表面，刻蚀出相应孔洞，其深度为50微米；取出机械部件，利用超音速喷涂在孔洞处填充沉积Ag/VN，沉积厚度为45微米；去除机械部件掩模，即获相应涂层。

Claims

1.一种用于宽温域自适应润滑涂层，其特征在于，涂层由设于基体上的中间层和设于中间层上的自适应润滑涂层组成；所述的自适应润滑涂层的厚度为0.5-200微米，所述的自适应润滑涂层为低温润滑单元涂层和高温润滑单元涂层相互交错呈棋盘状排列而成的纳微结构，所述的低温润滑单元涂层和高温润滑单元涂层面积比为0.25-0.8，所述的低温润滑单元涂层为TiAlCN相/非晶碳相复合，所述的高温润滑单元涂层为Ag单相/VN相复合；所述的中间层是厚度为50nm-200nm的Ti或Cr。

2.如权利要求1所述的用于宽温域自适应润滑涂层，其特征在于，所述的TiAlCN相中，Ti和Al原子比为1∶0.5-1.25，C在TiAlCN中原子百分含量为10％-70％。

3.如权利要求1或2所述的用于宽温域自适应润滑涂层，其特征在于，在所述的TiAlCN相中添加Si、Nb、Cr元素中至少一种元素，添加量为5％-30％。

4.如权利要求1所述的用于宽温域自适应润滑涂层，其特征在于，在Ag/VN复合相中Ag原子含量为5％-60％。

5.如权利要求1所述的用于宽温域自适应润滑涂层，其特征在于，所述的高温复合润滑单元涂层高度略低于低温复合润滑单元涂层。

6.一种实现权利要求1、2、4、5中任一所述的用于宽温域自适应润滑涂层的制备方法，其特征在于，步骤为：

7.如权利要求6所述的实现宽温域自适应润滑涂层的制备方法，其特征在于，所述的网状掩模由不锈钢或钛制成，孔隙率为5-50％。