CN103448341A - 用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜及其制备方法 - Google Patents

用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜，包括阻挡层和耐腐蚀润滑层，空间活动部件的金属润滑面上依次采用离子注入与沉积工艺制备氮化钛膜作为阻挡层，采用离子注入与磁控溅射复合工艺制备二硫化钼/镍铬合金复合膜作为耐腐蚀润滑层。还提供相应的制备方法。本发明耐盐雾腐蚀自润滑薄膜的质量损失小于60g/m2，适用于空间活动部件润滑膜的耐海洋环境腐蚀。

Description

用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及空间活动部件，具体地，涉及一种用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜、以及耐盐雾腐蚀自润滑薄膜的制备方法。
背景技术
二硫化钼作为固体润滑剂，由于具有低摩擦、高耐磨和承载力大等优异的真空摩擦学性能，被欧美、俄罗斯等航天强国广泛地应用于解决空间环境下机械的润滑问题。二硫化钼本身的化学性质相当稳定，可耐大多数酸并且耐辐射，但是，在海洋环境下，二硫化钼膜层与金属基体界面容易发生丝状腐蚀，生成酸性产物，导致膜层从基体表面剥落。随着海南发射基地的建成，如何提高二硫化钼润滑膜的耐盐雾腐蚀性能以满足空间飞行器固体润滑镀膜件在海洋盐雾环境下装调和试验的要求，成为了固体润滑领域的研究热点。
国内外的研究主要集中于二硫化钼润滑性能研究，而对于海洋环境下二硫化钼固体润滑膜的耐盐雾腐蚀性能研究较少。目前，通常采用添加无机或有机抗腐蚀添加剂和复合膜技术来改善二硫化钼固体润滑膜的耐腐蚀性，如采用热喷涂法或者电沉积法等制备二硫化钼/金属或二硫化钼/金属氧化物等复合涂层。上述这些方法制备的复合涂层组织疏松，孔隙率高，这些孔隙在水或腐蚀介质中提供优先浸蚀位置，氯离子更容易渗入涂层下对金属基体造成微电池腐蚀，而酸性腐蚀头部不断在膜下延伸产生的，导致二硫化钼膜层从金属基体表面剥落。
发明内容
本发明所要解决的问题在于克服现有技术的不足而提供一种耐盐雾腐蚀性能好的自润滑薄膜，并提出该耐盐雾腐蚀自润滑薄膜的制备方法。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
根据本发明的一个方面，提供一种用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜，包括阻挡层和耐腐蚀润滑层，空间活动部件的金属润滑面上依次采用离子注入与沉积工艺制备氮化钛膜作为阻挡层，采用离子注入与磁控溅射复合工艺制备二硫化钼/镍铬合金复合膜作为耐腐蚀润滑层。
优选地，阻挡层的膜厚为0.5um~10um。
优选地，耐腐蚀润滑层的膜厚为0.5um~10um。
优选地，空间活动部件的材质为如下任一种金属或任多种金属组成的合金：
-铝；
-钛；
-镁；
-不锈钢。
根据本发明的另一个方面，还提供根据本发明提供的所述用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）：制备阻挡层，具体地，将空间活动部件固定在多功能离子注入与磁控溅射设备真空室中的转台上，开启真空获得设备，当真空室内本底真空达到1×10-3Pa~5×10-3Pa时，充入氮气至工作气压为3×10-1Pa~9×10-1Pa；待气压稳定后依次开启高压电源和钛阴极的金属源电源，在金属润滑面上制备得到膜厚为0.5um~10um的阻挡层；
步骤（2）：制备耐腐蚀润滑层，具体地，重新开启真空获得设备，当本底真空达到1×10-3Pa~5×10-3Pa时，向真空室内充入氩气至工作气压为5×10-1Pa~0Pa；待气压稳定后依次开启高压电源、镍铬合金阴极的金属源电源和二硫化钼靶的射频电源，在阻挡层上制备得到膜厚为0.5um~10um的耐腐蚀润滑层。
优选地，高压电源的电压为100V~20KV。
优选地，在金属润滑面上制备膜厚为0.5um~10um的阻挡层。
优选地，在阻挡层上制备膜厚为0.5um~10um的耐腐蚀润滑层。
优选地，空间活动部件的材质为如下任一种金属或任多种金属组成的合金：
-铝；
-钛；
-镁；
-不锈钢。
相对于现有技术，本发明的有益效果：（1）本发明耐盐雾腐蚀自润滑薄膜在ZY6050型盐雾试验箱内进行中性盐雾试验。实验结果显示，当盐溶液浓度为1%，盐液PH值为6.5~7.2，温度为35±3℃时，试验96小时后，耐盐雾腐蚀自润滑薄膜的质量损失小于60g/m2。（2）采用氮化钛膜作为阻挡层，既可以避免水或其他腐蚀介质通过耐腐蚀润滑层中的孔隙深入膜层下腐蚀金属基体，又可以与金属界面在弹性模量、热膨胀系数、化学和结构上匹配，降低了耐腐蚀润滑层和金属基体界面区的应力，提高了膜基结合力，延长了膜层寿命。（3）金属镍本身较韧而抗磨，且耐高温抗氧化，添加至二硫化钼膜层中，可以提高膜层的致密性和硬度。（4）金属铬是硬度高，耐磨性好，添加至二硫化钼/镍复合镀层中，既可以提高膜层的耐磨性，又可以使镍的组织结构从软质的晶向变成硬质的晶向，从而提高复合膜层的耐腐蚀性能、耐磨性和抗氧化性能。（5）采用离子注入与磁控溅射复合工艺制备耐腐蚀润滑层，膜层均匀致密、缺陷少、工艺简单、避免了电沉积铬时电解液有毒的问题，绿色环保。
附图说明
图1是根据本发明提供的制备耐盐雾腐蚀自润滑薄膜的方法中多功能离子注入与磁控溅射设备的结构示意图。
其中：1为二硫化钼靶的射频电源，2为真空室，3为镍铬合金阴极，4为第一金属源电源，5为真空获得系统，6为高压电源，7为氩气气瓶，8为氩气充气阀，9为氮气气瓶，10为氮气充气阀，11为第二金属源电源，12为钛阴极，13为磁控溅射靶基座，14为二硫化钼靶，15为耐腐蚀润滑层，16为阻挡层，17为空间活动部件，18为转台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
如图1所示，根据本发明的优选实施例提供的用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜，包括阻挡层16和耐腐蚀润滑层15，空间活动部件17的金属润滑面上依次采用离子注入与沉积工艺制备膜厚为0.5um~10um的氮化钛膜作为阻挡层16，采用离子注入与磁控溅射复合工艺制备膜厚为0.5um~10um的二硫化钼/镍铬合金复合膜作为耐腐蚀润滑层15。在一个优选例中，所述阻挡层的膜厚为0.5um、0.7um、或者10um，所述耐腐蚀润滑层的膜厚为0.5um、0.8um、或者10um。
本实施例中，空间活动部件17的材质为铝、钛、镁、不锈钢，或前述任何二种或二种以上金属组成的合金。
本实施例提供的用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜的制备方法的具体步骤如下：
（1）阻挡层16的制备
将空间活动部件17固定在多功能离子注入与磁控溅射设备真空室2中的转台18上，开启真空获得设备5，当真空室2内本底真空达到1×10-3Pa~5×10-3Pa时，充入氮气至工作气压为3×10-1Pa~9×10-1Pa；待气压稳定后依次开启高压电源6和钛阴极12的第二金属源电源11，在金属润滑面上制备膜厚为0.5um~10um的阻挡层16。
（2）耐腐蚀润滑层15的制备
重新开启真空获得设备5，当本底真空达到1×10-3Pa~5×10-3Pa时，向真空室2内充入氩气至工作气压为5×10-1Pa~0Pa；待气压稳定后依次开启高压电源6、镍铬合金阴极3的第一金属源电源4和二硫化钼靶14的射频电源1，在阻挡层16表面制备膜厚为0.5um~10um的耐腐蚀润滑层15。
在一个优选例中，所述阻挡层的膜厚为0.5um、0.7um、或者10um，所述耐腐蚀润滑层的膜厚为0.5um、0.8um、或者10um，高压电源6的电压为100V、1KV、或者20KV。
试验例
空间活动部件17的材料采用TC4，表面粗糙度Ra小于0.5um，具体制备方法如下：
（1）阻挡层16的制备
将空间活动部件17固定在多功能离子注入与磁控溅射设备真空室2中的转台18上，开启真空获得设备5，当真空室2内本底真空达到1×10-3Pa~5×10-3Pa时，充入氮气至工作气压为3×10-1Pa~9×10-1Pa；待气压稳定后依次开启高压电源6和钛阴极12的第二金属源电源11，在金属润滑面上制备膜厚为0.5um~10um的阻挡层16；
（2）耐腐蚀润滑层15的制备
重新开启真空获得设备5，当本底真空达到1×10-3Pa~5×10-3Pa时，向真空室2内充入氩气至工作气压为5×10-1Pa~0Pa；待气压稳定后依次开启高压电源6、镍铬合金阴极3的第一金属源电源4和二硫化钼靶14的射频电源1，在阻挡层16表面制备膜厚为0.5um～10um的耐腐蚀润滑层15。
将本试验例制得的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜在ZY6050型盐雾试验箱内进行中性盐雾试验。实验结果显示，当盐溶液浓度为1%，盐液PH值为6.5~7.2，温度为35±3℃时，试验96小时后，耐盐雾腐蚀自润滑薄膜的质量损失小于60g/m2。

Claims (9)

1.一种用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜，其特征在于，包括阻挡层和耐腐蚀润滑层，空间活动部件的金属润滑面上依次采用离子注入与沉积工艺制备氮化钛膜作为阻挡层，采用离子注入与磁控溅射复合工艺制备二硫化钼/镍铬合金复合膜作为耐腐蚀润滑层。
2.根据权利要求1所述的用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜，其特征在于，阻挡层的膜厚为0.5um~10um。
3.根据权利要求1所述的用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜，其特征在于，耐腐蚀润滑层的膜厚为0.5um~10um。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜，其特征在于，空间活动部件的材质为如下任一种金属或任多种金属组成的合金：
-铝；
-钛；
-镁；
-不锈钢。
5.权利要求1所述的用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）：制备阻挡层，具体地，将空间活动部件固定在多功能离子注入与磁控溅射设备真空室中的转台上，开启真空获得设备，当真空室内本底真空达到1×10-3Pa~5×10-3Pa时，充入氮气至工作气压为3×10-1Pa~9×10-1Pa；待气压稳定后依次开启高压电源和钛阴极的金属源电源，在金属润滑面上制备得到膜厚为0.5um~10um的阻挡层；
步骤（2）：制备耐腐蚀润滑层，具体地，重新开启真空获得设备，当本底真空达到1×10-3Pa~5×10-3Pa时，向真空室内充入氩气至工作气压为5×10-1Pa～0Pa；待气压稳定后依次开启高压电源、镍铬合金阴极的金属源电源和二硫化钼靶的射频电源，在阻挡层上制备得到膜厚为0.5um~10um的耐腐蚀润滑层。
6.权利要求5所述的用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜，其特征在于，高压电源的电压为100V~20KV。
7.权利要求5所述的用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜，其特征在于，在金属润滑面上制备膜厚为0.5um~10um的阻挡层。
8.权利要求5所述的用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜，其特征在于，在阻挡层上制备膜厚为0.5um~10um的耐腐蚀润滑层。
9.权利要求5所述的用于空间活动部件的耐盐雾腐蚀自润滑薄膜，其特征在于，空间活动部件的材质为如下任一种金属或任多种金属组成的合金：
-铝；
-钛；
-镁；
-不锈钢。
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