CN104711513A - 一种固体润滑膜层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体润滑膜层及其制备方法。本发明的固体润滑膜层从内到外依次包括位于基件上的TiN过渡层、TiNC过渡层、TiC过渡层和钨掺杂类金刚石层。其制备方法采用全方位离子注入与沉积技术，其工艺简单，沉积过程易于控制，工艺稳定性好。该方法直接将待处理工件浸泡在等离子体中，然后在工件上施加负高压脉冲电压来实现工件表面的离子注入与沉积强化处理，其克服了传统束线离子注入和沉积的直射性限制，同时由于高能离子的轰击而使得所沉积的膜层具有优异的致密性和结合力，因此特别适用于航天航空用精密复杂零部件的表面润滑和强化处理，可满足探测器活动部件面对复杂环境下的长寿命、高可靠性的应用需求。

Description

一种固体润滑膜层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种固体润滑膜层及其制备方法，具体而言，本发明涉及一种探测器用固体润滑膜层及其制备方法。

 

背景技术

随着我国航天航空技术的日趋成熟以及探测任务的发展，对固体润滑提出了新的更高的要求。由于机械组件和摩擦元件能否顺畅工作是任务的成功与否的关键，因此，研发和选择正确的润滑技术至关重要。

月球和火星表面通常存在低环境温度、广泛的每日温度波动（热循环）、太阳辐射、宇宙辐射、大量的灰尘、火星表面的沙尘暴、大风以及二氧化碳气氛等潜在威胁，液体润滑在此时已难以奏效，必须采用固体润滑。此外，空间结构材料大部分是铝合金、钛合金等轻质材料，这些材料自身的硬度不高，当其作为活动部件时，除了必要的润滑处理外还需要进行表面强化来提高材料的硬度以增强活动部件的抗磨损性能。然而，常用的MoS₂基固体润滑膜层主要是针对减摩，防冷焊等润滑要求，由于MoS₂溅射膜层自身硬度较低，耐磨损性能不高，不太适用于高承载传动类活动部件的表面改性。

因此在探测器面对复杂环境下的长寿命、高可靠性的应用需求增加、亟需提高活动部件的抗磨损性能的背景下，必须开发一种在真空环境下具有减摩和耐磨性能的硬质涂层材料。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于探测器的活动部件的固体润滑膜层的制造方法，用以提高探测器使用的可靠性和稳定性。

本发明的固体润滑膜层的特征在于，其从内到外依次包括位于基件上的TiN过渡层、TiNC过渡层、TiC过渡层和钨掺杂类金刚石层。

本发明的固体润滑膜层的制备方法的特征在于，其包括以下步骤：

（1）预处理：选取基件，并对基件表面进行表面抛光和有机无机清洗；

（2）溅射清洗：采用等离子体轰击清洗，向真空室内通入氩气，开启等离子体对基件表面以及真空腔室进行脉冲轰击清洗；

（3）制备TiN过渡层：溅射清洗完成后，关闭氩气气阀，向真空室通入氮气，开启磁过滤钛脉冲电弧离子源，通过施加工件上的负高压脉冲电压的作用，使金属离子加速冲向基件并与氮气发生反应形成TiN注入并沉积在基件表面；

（4）制备TiNC过渡层：向真空室通入乙炔和氮气，两种气体的流量比控制为1:1~3，开启磁过滤钛脉冲电弧离子源，在工件表面沉积TiNC膜层；

（5）制备TiC过渡层：关闭氮气气阀，继续向真空室通入乙炔气体，开启磁过滤钛脉冲电弧离子源，在工件表面沉积TiC膜层；

（6）制备钨掺杂类金刚石层：采用碳化钨作为阴极，开启磁过滤碳化钨脉冲高压电弧离子源，以乙炔为工作气体，制备钨掺杂类金刚石（W-C:H膜）层，通过控制阴极弧电流及乙炔气体气压和流量来调节膜层中的钨掺杂量；

其中，步骤（2）至步骤（6）在真空内进行。

在本发明的固体润滑膜层的制备方法中，优选的是，步骤（2）至步骤（6）的真空室的本底真空度为5.0×10^-3Pa。

在本发明的固体润滑膜层的制备方法中，基件优选钛合金基件。

在本发明的固体润滑膜层的制备方法中，优选的是，在步骤（3）至步骤（5）中，工作气压为5.0×10^-2~3.0×10^-1Pa、注入偏压为20~25kV、处理时间共为3~4h。

在本发明的固体润滑膜层的制备方法中，优选的是，在步骤（6）中，以纯度为99.99%的碳化钨作为阴极的磁过滤阴极弧源产生含钨等离子体，工作气压为5.0×10^-2~3.0×10^-1Pa，注入偏压为20~25kV，处理时间为1~4h。

本发明的固体润滑膜层通过合理的过渡层结构设计，实现了类金刚石碳膜和基体材料热物理特性、力学性能、成分、结构等的梯度过渡，有效增强了膜基结合强度；并且通过掺杂钨来进一步提高类金刚石膜层的硬度以及改善膜层的内应力，在维持低摩擦系数的同时明显改善了膜层的抗磨损性能。

本发明的固体润滑膜层的制备方法采用全方位离子注入与沉积技术，其工艺简单，沉积过程易于控制，工艺稳定性好。该方法直接将待处理工件浸泡在等离子体中，然后在工件上施加主弧脉冲和偏压脉冲来实现工件表面的离子注入与沉积强化处理，其克服了传统束线离子注入和沉积的直射性限制，同时由于高能离子的轰击而使得所沉积的膜层具有优异的致密性和结合力，因此特别适用于航天航空用精密复杂零部件的表面润滑和强化处理，可满足探测器活动部件面对复杂环境下的长寿命、高可靠性的应用需求。

附图说明

图1为本发明的TiN/TiNC/TiC/W-C:H多层复合薄膜结构示意图。

1为TiN过渡层；2为TiNC过渡层；3为TiC过渡层；4为钨掺杂类金刚石层；5为基件。

图2为本发明所用的全方位离子注入与沉积设备的工作原理图。

6为负高压脉冲电源系统；7为抽真空系统；8为脉冲阴极弧源；9为磁过滤系统；10为含金属等离子体；11为工作气体等离子体；12为工件；13为载物台；14为工作气体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行说明。

本发明的固体润滑膜层采用如图1所示的全方位离子注入与沉积设备对基件例如空间探测器活动部件进行表面强化及润滑处理，制备所制备固体润滑膜层。

图2为本发明所用全方位离子注入与沉积设备工作原理图，具体工作原理为：图2中所示脉冲阴极弧源8所产生金属等离子体经磁过滤系统9的进一步筛选形成的含金属等离子体10，该金属等离子体进入真空室后与真空室内的工作气体等离子体11相互作用，并在负高压脉冲电源系统6施加在工件12上的脉冲负高压的电场作用下加速飞向工件，最终注入并沉积上工件上形成所需的膜层。

如图1所示，本发明的固体润滑膜层包括4层材料结构，从内到外依次为位于基件5上的TiN过渡层1、TiNC过渡层2、TiC过渡层3和钨掺杂类金刚石层4。其中，前三层TiN/TiNC/TiC为过渡层，增强耐磨层和基件的表面结合力，最后一层抗磨层为钨掺杂类金刚石层。相对于月球和火星表面的高粉尘环境，类金刚石这样的硬质膜层要比质地较软的MoS₂膜层更为有效。

这样的TiN/TiNC/TiC/W-C:H的结构，为一种多层复合耐磨涂层，其通过合理的过渡层结构设计，实现了类金刚石碳膜和基体材料热物理特性、力学性能、成分、结构等的梯度过渡，有效增强了膜基结合强度；并且通过掺杂钨来进一步提高类金刚石膜层的硬度以及改善膜层的内应力，在维持低摩擦系数的同时明显改善了膜层的抗磨损性能。

本发明的固体润滑膜层的制备方法按以下步骤进行：

（1）预处理：选取作为基件（以下有时称为工件）的预镀膜工件5，并对工件表面进行表面抛光和有机无机清洗；该基件优选为钛合金基件。

（2）溅射清洗：采用等离子体轰击清洗，向真空室内通入氩气，开启等离子体对基件表面以及真空腔室进行脉冲轰击清洗。通过该工序，能够以去除工件表面和真空腔室表面的附着污染物，工件在溅射清洗后会形成干净而粗糙的表面，有利于有序的镀膜过程；

（3）制备TiN过渡层1：溅射清洗完成后，关闭氩气气阀，向真空室通入氮气，开启磁过滤钛脉冲电弧离子源8，通过施加工件上的负高压脉冲电压6的作用，使金属离子10加速冲向工件并与氮气发生反应形成TiN注入并沉积在工件表面；

（4）制备TiNC过渡层2：向真空室通入乙炔和氮气，两种气体的流量比控制为1:1~3，开启磁过滤钛脉冲电弧离子源8，在工件表面沉积TiNC膜层；

（5）制备TiC过渡层3：关闭氮气气阀，继续向真空室通入乙炔气体，开启磁过滤钛脉冲电弧离子源8，在工件表面沉积TiC膜层；

在步骤（2）至步骤（5）中，优选的是，工作气压为5.0×10^-2~3.0×10^-1Pa，注入偏压为20~25kV，处理时间共为3~4h。

（6）制备钨掺杂类金刚石层：采用碳化钨作为阴极，开启磁过滤碳化钨脉冲电弧离子源8，以乙炔为工作气体11，制备钨掺杂类金刚石（W-C:H膜）层，通过控制阴极弧电流及乙炔气体气压和流量来调节膜层中的钨掺杂量；如此制备的钨掺杂类金刚石层为高硬度的抗磨层。其中，优选的是，以纯度为99.99%的碳化钨作为阴极的磁过滤阴极弧源产生含钨等离子体，工作气压为5.0×10^-2~3.0×10^-1Pa，注入偏压为20~25kV，处理时间为1~4h。并且其通过控制阴极弧电流及乙炔气体气压和流量来调节膜层中的钨掺杂量；

其中步骤（2）至步骤（6）在真空内进行，真空室本底真空度例如为5.0×10^-3Pa。

实施例

以下结合实施例对本发明进行说明，但本发明不限于下述实施例。

如下制作本发明的固体润滑膜层：

（1）将待处理工件在分析纯级的丙酮和乙醇中依次进行超声清洗，清洗时间为30min；

（2）对放入真空室中的工件进行氩离子溅射清洗，氩气流量为50sccm，工作气压为5.0×10^-1Pa，氩等离子体由射频源产生，射频功率为300W，脉冲偏压为6kV，清洗时间为30min;

（3）沉积TiN过渡层1：钛等离子体由纯度为99.95%的钛靶作为阴极的磁过滤脉冲阴极弧源产生，氮等离子体由真空室中的氮气在钛等离子体的碰撞下产生，工作气压为1.0×10^-1Pa，注入偏压为20kV，处理时间为1h；

（4）沉积TiNC过渡层2: 钛等离子体由纯度为99.95%的钛靶作为阴极的磁过滤脉冲阴极弧源产生，碳、氮等离子体分别由真空室中的氮气、乙炔在钛等离子体的碰撞下产生，工作气压为1.0×10^-1Pa，注入偏压为20kV，处理时间为1h；

（5）沉积TiC过渡层3: 钛等离子体由纯度为99.95%的钛靶作为阴极的磁过滤脉冲阴极弧源产生，碳等离子体由真空室中的乙炔在钛等离子体的碰撞下产生，工作气压为1.0×10^-1Pa，注入偏压为20kV，处理时间为1h；

（6）制备高硬度耐磨涂层W-C:H：以纯度为99.99%的碳化钨作为阴极的磁过滤阴极弧源产生等离子体，以乙炔作为工作气体，工作气压为2.0×10^-1Pa，注入偏压为20kV，处理时间为2h；

经测试，本发明所获得的多层复合结构膜层在高速重载下的摩擦磨损寿命比同等厚度的单层类金刚石膜层提高1~2个数量级，磨损寿命达到10⁶转，大气下摩擦系数0.1，真空中在选定的真空脂配合下，摩擦系数介于0.05~0.1之间磨损寿命高于10⁵转。

本发明所获得的润滑膜层的主要性能指标如表1所示：

表1

Claims (6)

1.一种固体润滑膜层，其特征在于，其从内到外依次包括位于基件上的TiN过渡层、TiNC过渡层、TiC过渡层和钨掺杂类金刚石层。

2.一种固体润滑膜层的制备方法，其特征在于，其为权利要求1所述的固体润滑膜层的制备方法，且其包括以下步骤：

（1）预处理：选取基件，并对基件表面进行表面抛光和有机无机清洗；

（2）溅射清洗：采用等离子体轰击清洗，向真空室内通入氩气，开启等离子体对基件表面以及真空腔室进行脉冲轰击清洗；

（3）制备TiN过渡层：溅射清洗完成后，关闭氩气气阀，向真空室通入氮气，开启磁过滤钛脉冲电弧离子源，通过施加工件上的负高压脉冲电压的作用，使金属离子加速冲向基件并与氮气发生反应形成TiN注入并沉积在基件表面；

（4）制备TiNC过渡层：向真空室通入乙炔和氮气，两种气体的流量比控制为1:1~3，开启磁过滤钛脉冲电弧离子源，在工件表面沉积TiNC膜层；

（5）制备TiC过渡层：关闭氮气气阀，继续向真空室通入乙炔气体，开启磁过滤钛脉冲电弧离子源，在工件表面沉积TiC膜层；

（6）制备钨掺杂类金刚石层：采用碳化钨作为阴极，开启磁过滤碳化钨脉冲高压电弧离子源，以乙炔为工作气体，制备钨掺杂类金刚石层即W-C:H膜层，通过控制阴极弧电流及乙炔气体气压和流量来调节膜层中的钨掺杂量；

其中，步骤（2）至步骤（6）在真空内进行。

3.根据权利要求2所述的固体润滑膜层的制备方法，其中，步骤（2）至步骤（6）中的真空室的本底真空度为5.0×10^-3Pa。

4.根据权利要求2所述的固体润滑膜层的制备方法，其中，所述基件优选钛合金基件。

5.根据权利要求2所述的固体润滑膜层的制备方法，其中，在步骤（3）至步骤（5）中，工作气压为5.0×10^-2~3.0×10^-1Pa，注入偏压为20~25kV，处理时间共为3~4h。

6.根据权利要求2所述的固体润滑膜层的制备方法，其中，在步骤（6）中，以纯度为99.99%的碳化钨作为阴极的磁过滤阴极弧源产生含钨等离子体，工作气压为5.0×10^-2~3.0×10^-1Pa，注入偏压为20~25kV，处理时间为1~4h。