CN104962859A - WS2/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，采用离子束辅助沉积方法在基材的表面形成WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜，包括基材的预处理；生成固体润滑薄膜，将所述基材放入真空室内并抽真空；分别采用低能离子源和高能离子源交替对所述基材进行表面改性，以在所述基材的表面生成WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜，所述WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的膜层中W:S为1:0.8；将表面生成WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜后的所述基材放入丙酮溶液中清洗后烘干，并将烘干后的所述基材真空密封封存。

Description

WS2/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法

技术领域

本发明涉及一种固体润滑薄膜的制造，特别是一种利用离子束辅助沉积技术制造减摩WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法。

背景技术

WS₂润滑薄膜是国内外固体润滑领域的主要研究方向，它具有很低的摩擦系数，较高的抗极压性能，抗氧化性能比MoS₂更好，适用于高温、高压、高真空、高负荷、高转速、高辐射、强腐蚀、超低温等苛刻条件。美国率先将其应用到航天飞机、战斗机、军用机械的链条传动等军事领域，同时也将其应用在计算机的硬盘驱动轴承，超高真空系统中的转动、滑动等部件上。

但是WS₂薄膜存在不能应用于潮湿环境的缺陷。WS₂晶体边缘的不饱和悬挂键化学活性较高，在潮湿、富氧环境中摩擦易粘合到金属表面并被氧化，导致摩擦性能下降。为解决这一问题，赖德明等就WS₂/Ag复合薄膜摩擦学性能进行研究。该实验将直流磁控溅射方法沉积的WS₂/Ag复合薄膜和在相同试验条件下用纯WS₂靶制备的WS₂薄膜进行比较。试验结果表明，在潮湿空气中WS₂/Ag纳米复合薄膜的耐磨损性能比单一WS₂薄膜更优异，在不同试验环境下WS₂/Ag纳米复合薄膜的摩擦曲线比WS₂薄膜更稳定。但是，该试验中WS₂/Ag纳米复合薄膜在真空环境下摩擦系数高于单一WS₂薄膜，达到了0.08，且Ag含量升高时，会生成岛状的单相Ag，降低膜层致密性、结合力，增加膜层粗糙度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用离子束辅助沉积技术(Ionbeam assisted deposition,简称IBAD)制备减摩WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的方法，用于解决现有技术中该类薄膜在潮湿环境下摩擦系数上升、单一WS₂薄膜易氧化失效的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其中，采用离子束辅助沉积方法在基材的表面形成WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜，包括如下步骤：

S100、基材的预处理，对待加工的基材进行预处理，去除附着在所述基材表面的油脂、锈点和杂质；

S200、生成固体润滑薄膜，进一步包括：

S201、将所述基材放入真空室内，所述真空室与离子束辅助沉积装置连接，将所述真空室抽真空；

S202、分别采用低能离子源和高能离子源交替对所述基材进行表面改性，以在所述基材的表面生成WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜，所述离子束辅助沉积装置的气源采用Ar气，所述离子束辅助沉积装置的非平衡磁控溅射采用WS₂靶，所述离子束辅助沉积装置的离子反冲注入的离子源采用的Ag靶；

其中，所述WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的膜层中W:S为1:0.8，有WS₂物相存在，Ag含量随所述膜层的深度呈现周期性波动，在靠近每次沉积的WS₂层上端附近受注入层影响出现Ag浓度峰，随后Ag浓度下降至1％-5％，在到达下一层WS₂时，又出现一Ag浓度峰，依次循环；

S300、基材的封存，将表面生成WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜后的所述基材放入丙酮溶液中清洗后烘干，并将烘干后的所述基材真空密封封存。

上述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其中，将所述真空室抽真空至3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa。

上述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其中，在所述步骤S202中，所述气源采用纯度为99.99％的Ar气，所述非平衡磁控溅射采用纯度为95％-99％的WS₂靶，所述离子反冲注入的离子源采用纯度为99.8％的Ag靶。

上述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其中，所述步骤S202进一步包括：

S2021、低能离子源加工，采用所述低能离子源对所述基材表面进行清洗，所述真空室通入Ar气使其工作气压为5Pa-10Pa，所述低能离子源的负偏压至-400V--1000V，进行辉光发电，清洗所述基材表面；

S2022、高能离子源加工，交替进行溅射沉积和离子反冲注入，通过溅射沉积WS₂层2，再利用高能Ag离子束轰击WS₂层2，通过控制每层WS₂层2中Ag的浓度和注入深度，实现WS₂/Ag膜层体系中的梯度功能变化。

上述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其中，所述步骤S2022进一步包括：

S20221、采用MEVVA金属离子源进行离子反冲注入，离子反冲注入时，所述基材在靶前停留时间为1min～10min，离子源电压为10kV～80kV；

S20222、采用非平衡磁控溅射制备WS₂膜层，溅射沉积时，基体在靶前停留时间为1min～40min，溅射电压为600V～900V，溅射电流为1A～2A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa；

S20223、依次重复步骤S20221及步骤S20222二到四十次。

上述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其中，所述步骤S100包括：

S101、去除所述基材的表面油脂，用金属除脂溶剂去除该基材的表面油脂后，将该基材放入无污染的四氯乙烯溶剂中浸泡20～30分钟，取出后用宣纸吸净残留的四氯乙烯溶剂，再用脱脂棉擦拭该基材的表面，最后用干净的绸布擦拭。

上述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其中，所述步骤S100还包括：

S102、去除锈点，用金属除锈清洗剂浸泡清洗该基材10～20分钟，取出后擦拭干净，以使其表面无微锈点。

上述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其中，所述步骤S100还包括：

S103、去除杂质，将该基材放入丙酮溶剂中，超声清洗20～40分钟后取出，使用干净绸布擦干。

上述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其中，所述步骤S100还包括：

S104、超声清洗，将该基材放入去离子水中，超声清洗20～40分钟后取出，使用干净绸布擦拭，并放置于真空烘箱中烘干2～4小时。

本发明的技术效果在于：

本发明在气相沉积的同时，利用离子束进行轰击混合以改善薄膜性能，WS₂/Ag复合薄膜摩擦系数较低，耐磨性能优良，可应用于潮湿环境下的精密零件。现有研究结果中WS₂在空气中的摩擦系数普遍为0.05～0.25。赖德明等的试验中，WS₂薄膜在真空中的摩擦系数为0.06，WS₂/Ag复合薄膜在真空中的摩擦系数到达了0.08，而本发明制备的WS₂/Ag复合薄膜在潮湿空气中以100g载荷、500转/min进行测试，磨擦系数为0.05，耐磨寿命可达15h。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的制造方法流程图；

图2为本发明一实施例的WS₂/Ag膜层示意图；

图3为本发明一实施例的WS₂/Ag膜层截面图；

图4为本发明一实施例的WS₂/Ag膜层表面图；

图5为本发明一实施例的WS₂/Ag膜层摩擦磨损曲线；

图6为本发明一实施例的制造装置结构俯视图。

其中，附图标记

1  基材

2  WS₂层

3  注Ag层

S100-S300  步骤

10  真空室

20  低能离子源

30  磁控溅射源

40  金属离子源

θ   夹角

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1，图1为本发明的制造方法流程图。本发明的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，采用离子束辅助沉积方法在基材1的表面形成WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜，包括如下步骤：

步骤S100、基材1的预处理，对待加工的基材1进行预处理，去除附着在所述基材1表面的油脂、锈点和杂质，包括：

步骤S101、去除所述基材1的表面油脂，用金属除脂溶剂(例如氢氧化钠、碳酸钠、十水磷酸钠、硅酸钠、洗涤剂、缓蚀剂、溶剂水等)去除该基材1的表面油脂后，将该基材1放入无污染的四氯乙烯溶剂中浸泡20～30分钟，取出后用宣纸吸净残留的四氯乙烯溶剂，再用脱脂棉擦拭该基材1的表面，最后用干净的绸布擦拭；

步骤S102、去除锈点，用金属除锈清洗剂(例如金属脱脂剂：氢氧化钠、碳酸钠、十水磷酸钠、硅酸钠、洗涤剂、缓蚀剂、溶剂水等)浸泡清洗该基材10～20分钟，取出后擦拭干净，以使其表面无微锈点；

步骤S103、去除杂质，将该基材1放入丙酮溶剂中，超声清洗20～40分钟后取出，使用干净绸布擦干；擦干时，在该基材1的光滑表面上沿同一方向进行擦拭，保证该基材1表面没有水渍和杂质残留；该基材1的特殊部位(工作面)重点擦拭，该基材1的其他部位(非工作面)保证基材表面没有水渍和杂质残留。同时，不使用已经被污染、浸湿的绸布对该基材1进行擦拭；

步骤S104、超声清洗，将该基材1放入去离子水中，超声清洗20～40分钟后取出，使用干净绸布擦拭，并放置于真空烘箱中烘干2～4小时。

步骤S200、生成WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜，进一步包括：

步骤S201、将所述基材1放入真空室10内的试样台上，所述真空室10与离子束辅助沉积装置连接，使真空室10的试样台沿自身轴线匀速缓慢旋转，将所述真空室10抽真空至3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa，并开启所述离子束辅助沉积装置的机械泵、分子泵和循环水系统；

步骤S202、分别采用低能离子源20和高能离子源交替对所述基材1进行表面改性，以在所述基材1的表面生成WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜，通过控制每层WS₂中Ag的浓度和注入深度，实现WS₂/Ag膜层体系中的梯度功能变化。所述离子束辅助沉积装置的气源采用纯度为99.99％的Ar气，所述离子束辅助沉积装置的非平衡磁控溅射采用纯度为95％-99％的WS₂靶，所述离子束辅助沉积装置的离子反冲注入的离子源采用纯度为99.8％的Ag靶；

其中，所述WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的膜层中W:S为1:0.8，具有WS₂物相存在，Ag含量随所述膜层的深度呈现周期性波动，在靠近每次沉积的WS₂层2上端附近受注入层影响出现Ag浓度峰，随后Ag浓度下降至1％-5％，在到达下一层WS₂时，又出现一Ag浓度峰，依次循环；表面处理后的工件表面呈灰色，膜层均匀致密，没有出现岛状银颗粒夹杂现象。在进行Ag离子反冲注入时，Ag离子的能量直接影响注入层的深度，能量越高，注入的深度越大，注入的时间越长，Ag离子浓度越大。因此通过调整Ag离子能量可以使WS₂层2中的Ag呈现浓度的梯度分布。由于Ag不会受到潮湿空气潮解影响，因此WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的膜层中的Ag含量越高，在潮湿空气中润滑效果所受到的影响越小，从而通过调整Ag浓度和注入深度实现对摩擦体系中的梯度功能变化。

所述步骤S202进一步包括：

步骤S2021、低能离子源20加工，采用所述低能离子源20对所述基材1表面进行清洗，所述真空室10通入Ar气使其工作气压为5Pa-10Pa，所述低能离子源20的负偏压至-400V--1000V，进行辉光发电，清洗所述基材1表面；

步骤S2022、高能离子源加工，交替进行溅射沉积和离子反冲注入，通过溅射沉积WS₂层2，再利用高能Ag离子束轰击WS₂层2，通过控制每层WS₂层2中Ag的浓度和注入深度，实现WS₂/Ag膜层体系中的梯度功能变化。该步骤S2022进一步包括：

步骤S20221、采用非平衡磁控溅射制备WS₂层2，溅射沉积时，基体在靶前停留时间为1min～40min，溅射电压为600V～900V，溅射电流为1A～2A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa；

步骤S20222、采用MEVVA金属离子源40进行离子反冲注入形成注Ag层3，离子反冲注入时，所述基材1在靶前停留时间为1min～10min，离子源电压为10kV～80kV；

步骤S20223、依次重复步骤S20221及步骤S20222二到四十次。

步骤S300、基材1的封存，将表面生成WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜后的所述基材1放入丙酮溶液中清洗后烘干，并将烘干后的所述基材1真空密封封存。

参见图6，图6为本发明一实施例的制造装置结构俯视图。本发明还提供了一种WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造装置。包括真空室10和与该真空室10连接的低能离子源20，磁控溅射源30和金属离子源40。其中，低能离子源20和磁控溅射源30的轴线均位于该真空室10的中心线上，金属离子源40的轴线与该真空室10的中心线的夹角θ优选为120度。本实施例中，其中低能离子源20与真空室10的中垂线呈90°设置，金属离子源40与真空室10的中垂线呈60°角设置。具体地，真空室10还包括工作台，基材位于工作台上。工作台具有旋转装置，旋转装置使工作台能够带动基材自转。真空室10的侧壁包括左侧壁、右侧壁和后侧壁，金属离子源40连接于左侧壁，低能离子源20连接于右侧壁，磁控溅射源30连接于后侧壁。金属离子源40与左侧壁接口的中心线，低能离子源20与右侧壁接口的中心线，磁控溅射源30与后侧壁接口的中心线，处于同一水平面上。同时，真空室10还具有氩气入口与氩气源相连接，用于向真空室10内通入氩气。

本发明采用离子反冲注入和非平衡磁控溅射交替进行的方式制备WS₂/Ag复合薄膜。首先利用氩离子在溅射沉积前轰击基材1表面，去除基材1表面吸附的气体和杂质，同时对基材1表面加热，起到改善膜层结合的作用；离子轰击清洗完成后开始交替进行溅射沉积和离子反冲注入，通过溅射沉积WS₂薄膜，再利用高能Ag离子束轰击WS₂膜层2。一方面高能Ag离子束轰击可以在向WS₂膜中注入Ag的同时将膜表面结合力较差的部分溅射掉，另一方面Ag离子轰击将有效改善膜层致密性，使膜层排列更加紧密，膜—基结合强度得到提高，耐磨性能得到提高。由于Ag离子通过离子注入的方式掺杂入WS₂膜层2中，因此Ag在WS₂中可打破固溶度对Ag含量的限制，当Ag含量超过固溶度时也不会在WS₂膜层2中析出Ag单相。通过控制每层WS₂中Ag的浓度和注入深度，实现WS₂/Ag膜层体系中的梯度功能变化：最外层控制Ag含量在较低的水平，目的是使工件在磨损初期能够依靠WS₂良好的转移性，使WS₂迅速覆盖摩擦副表面，起到润滑效果；从次外层开始，膜层中Ag的含量逐渐增加——初期WS₂转移膜已经在摩擦副表面生成，因此次表层主要针对WS₂在潮湿空气中易氧化失效的问题。由于Ag也属于固体润滑材料，且在潮湿空气中也能正常使用，故在次表层中加大Ag的含量，使该层WS₂/Ag能够满足在潮湿空气中的润滑要求。本发明除可进行WS₂/Ag复合梯度固体润滑层的制备外，还可添加其他合金元素，如Ti、Ta、Pb等。添加的其他元素可替换Ag元素，与Ag元素的作用相近。添加的其他元素也可与Ag元素同时使用，添加方式与Ag元素相同。

实施例1

将基材1放到真空室10的试样台上，对真空室10抽真空至真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa后，充入纯度99.99％的氩气。使用低能离子源20对基材1表面进行清洗后，采用离子轰击和磁控溅射交替进行的方式制备WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜，先进行离子反冲注入，再溅射沉积，依次循环40次。

离子反冲注入可采用MEVVA金属离子源，离子源采用纯度为99.8％的银靶。离子反冲注入时，基体在靶前停留时间为4min，离子源电压为45kV。

非平衡磁控溅射采用WS₂靶。溅射沉积时，基体在靶前停留时间为90s，溅射电压为700V～900V，溅射电流为1A～2A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa。

实施例2

将基材1放到真空室10的试样台上，对真空室10抽真空至真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa后，充入纯度99.99％的氩气。使用低能离子源20对基材1表面进行清洗后，采用离子反冲注入和磁控溅射交替进行的方式制备WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜，先进行离子反冲注入，再溅射沉积，依次循环6次。

离子反冲注入采用MEVVA金属离子源40，离子源采用纯度为99.8％的银靶。离子反冲注入时，基体在靶前停留时间为3min，离子源电压为依次降低。第一次离子反冲注入的Ag离子源电压为60～80kV，第二次Ag离子源电压为50～60kV，第三次Ag离子源电压为40～50kV，第四次Ag离子源电压为30～35kV，第五次Ag离子源电压为20kV，第六次Ag离子源电压为10kV。

非平衡磁控溅射采用WS₂靶。溅射沉积时，基体在靶前停留时间为1min，溅射电压为700V～900V，溅射电流为1A～2A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa。

实施例3

将基材1放到真空室10的试样台上，对真空室10抽真空至真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa后，充入纯度99.99％的氩气。使用低能离子源20对基材1表面进行清洗后，采用离子反冲注入和磁控溅射交替进行的方式制备WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜，先进行离子反冲注入，再溅射沉积，依次循环5次。

离子反冲注入采用MEVVA金属离子源40，离子源采用纯度为99.8％的银靶。离子反冲注入时，离子源电压为55kV，离子源电流为15mA，基材1在靶前停留时间依次降低。第一次离子反冲注入时间为3～10min，第二次注入时间为3～8min，第三次注入时间为2～6min，第四次注入时间为2～5min，第五次注入时间为1～3min。

非平衡磁控溅射采用WS₂靶。溅射沉积时，基体在靶前停留时间为10min，溅射电压为700V～900V，溅射电流为1A～2A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa。

实施例4

将基材1放到真空室10的试样台上，抽真空至3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa后，充入纯度99.99％的氩气。使用低能离子源20对基材1表面进行清洗后，采用离子轰击和磁控溅射交替进行的方式制备WS₂/Ag复合薄膜，先进行溅射沉积，再用高能离子束反冲注入，依次循环4次。

离子反冲注入采用MEVVA金属离子源40，离子源采用纯度为99.8％的银靶。离子反冲注入时，基体在靶前停留时间为3min～5min，离子源电压为50kV。

非平衡磁控溅射采用WS₂靶。溅射沉积时，基材1在靶前停留时间为15min，溅射电流为1A～2A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa，溅射电压依次降低，第一次溅射时溅射电压为750V，第二次溅射时溅射电压为700V，第三次溅射时溅射电压为650V，第四次溅射时溅射电压为600V。

实施例5

将基材1放到真空室10试样台上，对真空室10抽真空至真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa后，充入99.99％氩气。使用低能离子源20对基材表面进行清洗后，采用离子轰击和磁控溅射交替进行的方式制备WS₂/Ag复合薄膜，先进行离子反冲注入，再溅射沉积，依次循环3次。

离子反冲注入采用MEVVA金属离子源40，离子源采用纯度为99.8％的银靶。离子反冲注入时，基材1在靶前停留时间为2min～3min，离子源电压为60kV。

非平衡磁控溅射采用WS₂靶。溅射沉积时，溅射电压为700V～900V，溅射电流为1A～2A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa，基材1在靶前停留时间依次降低，第一次停留时间为30min，第二次停留时间为20min，第三次停留时间为10min。

实施例6

将基材1放到真空室10的试样台上，对真空室10抽真空至真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa后，充入99.99％氩气。使用低能离子源20对基材1表面进行清洗后，采用离子轰击和磁控溅射交替进行的方式制备WS₂/Ag复合薄膜，先进行溅射沉积，再用高能Ag离子束反冲注入，依次循环3次。

非平衡磁控溅射采用WS₂靶溅射沉积时，基材1在靶前停留时间为20min，溅射电压为700V～900V，溅射电流为1A～2A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa。

离子反冲注入采用MEVVA金属离子源40，离子源采用纯度为99.8％的银靶。第一次离子反冲注入时离子源电压为40kV，注入5min；第二次离子反冲注入时离子源电压为25kV，注入4min；第三次离子反冲注入时离子源电压为10kV，注入3min。

实施例7

将基材1放到真空室10的试样台上，对真空室10抽真空至真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa后，充入99.99％氩气。使用低能离子源20对基材1表面进行清洗后，采用离子轰击和磁控溅射交替进行的方式制备WS₂/Ag复合薄膜，先进行溅射沉积，再用高能离子束反冲注入，依次循环2次。

离子反冲注入采用MEVVA金属离子源40，离子源采用纯度为99.8％的银靶。离子反冲注入时，基材1在靶前停留时间为3min，离子源电压为40kV。

非平衡磁控溅射采用WS₂靶。溅射沉积时，溅射电流为1A～2A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa，第一次溅射电压为800V，沉积20min；第二次溅射电压为600V，沉积40min。

实施例8

将基材1放到真空室10的试样台上，对真空室10抽真空至真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa后，充入纯度99.99％的氩气。使用低能离子源20对基材1表面进行清洗后，采用离子反冲注入和磁控溅射交替进行的方式制备WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜，先进行离子反冲注入，再溅射沉积，依次循环3次。

离子反冲注入采用MEVVA金属离子源40，离子源采用纯度为99.8％的银靶。离子反冲注入时，离子源气压为1.5×10^-2Pa。第一次离子反冲注入时基材1在靶前停留时间为5min～10min，离子源电压为60kV；第二次离子反冲注入时基体在靶前停留时间为3min～8min，离子源电压为35kV；第三次离子反冲注入时基体在靶前停留时间为1min～3min，离子源电压为10kV。

非平衡磁控溅射采用WS₂靶。溅射沉积时，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa，溅射电流为1A～2A。第一次溅射时溅射电压为800V，基材1在靶前停留时间为15min，第二次溅射时溅射电压为700V，基材1在靶前停留时间为20min，第三次溅射时溅射电压为600V，基体在靶前停留时间为25min。

参见图2-4，图2为本发明一实施例的WS₂/Ag膜层示意图，图3为本发明一实施例的WS₂/Ag膜层截面图，图4为本发明一实施例的WS₂/Ag膜层表面图。从图中可以看出，经离子束辅助沉积制备的WS₂/Ag薄膜均匀致密，未观察到膜层中有Ag单相析出。基材1表面无颗粒或杂质，光洁度较好。

参见图5，图5为本发明一实施例的WS₂/Ag膜层摩擦磨损曲线。由图可见，磨损初期，由于摩擦副接触面之间尚未完全形成WS₂转移膜，因此摩擦系数较高；随着WS₂逐渐转移到摩擦副接触面上，固体润滑效果逐渐显现，所以摩擦系数逐渐降低至0.03；磨损后期，由于WS₂长期处于滑动磨损，表面逐渐形成氧化产物，使得接触面间转移膜润滑效果有所下降、摩擦系数上升，最终稳定在0.05。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，采用离子束辅助沉积方法在基材的表面形成WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜，包括如下步骤：

S100、基材的预处理，对待加工的基材进行预处理，去除附着在所述基材表面的油脂、锈点和杂质；

S200、生成固体润滑薄膜，进一步包括：

S201、将所述基材放入真空室内，所述真空室与离子束辅助沉积装置连接，将所述真空室抽真空；

S202、分别采用低能离子源和高能离子源交替对所述基材进行表面改性，以在所述基材的表面生成WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜，所述离子束辅助沉积装置的气源采用Ar气，所述离子束辅助沉积装置的非平衡磁控溅射采用WS₂靶，所述离子束辅助沉积装置的离子反冲注入的离子源采用Ag靶；

其中，所述WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的膜层中W:S为1:0.8，具有WS₂物相存在，Ag含量随所述膜层的深度呈现周期性波动，在靠近每次沉积的WS₂层上端附近受注入层影响出现Ag浓度峰，随后Ag浓度下降至1％-5％，在到达下一层WS₂时，又出现一Ag浓度峰，依次循环；

S300、基材的封存，将表面生成WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜后的所述基材放入丙酮溶液中清洗后烘干，并将烘干后的所述基材真空密封封存。

2.如权利要求1所述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，将所述真空室抽真空至3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa。

3.如权利要求1或2所述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，在所述步骤S202中，所述气源采用纯度为99.99％的Ar气，所述非平衡磁控溅射采用纯度为95％-99％的WS₂靶，所述离子反冲注入的离子源采用纯度为99.8％的Ag靶。

4.如权利要求1或2所述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，所述步骤S202进一步包括：

S2021、低能离子源加工，采用所述低能离子源对所述基材表面进行清洗，所述真空室通入Ar气使其工作气压为5Pa-10Pa，所述低能离子源的负偏压至-400V--1000V，进行辉光发电，清洗所述基材表面；

S2022、高能离子源加工，交替进行溅射沉积和离子反冲注入，通过溅射沉积WS₂薄膜，再利用高能Ag离子束轰击WS₂膜层，通过控制每层WS₂中Ag的浓度和注入深度，实现WS₂/Ag膜层体系中的梯度功能变化。

5.如权利要求4所述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，所述步骤S2022进一步包括：

S20221、采用非平衡磁控溅射制备WS₂层，溅射沉积时，基体在靶前停留时间为1min～40min，溅射电压为600V～900V，溅射电流为1A～2A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa；

S20222、采用MEVVA金属离子源进行离子反冲注入生成注Ag层，离子反冲注入时，所述基材在靶前停留时间为1min～10min，离子源电压为10kV～80kV；

S20223、依次重复步骤S20221及步骤S20222二到四十次。

6.如权利要求1、2或5所述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，所述步骤S100包括：

S101、去除所述基材的表面油脂，用金属除脂溶剂去除该基材的表面油脂后，将该基材放入无污染的四氯乙烯溶剂中浸泡20～30分钟，取出后用宣纸吸净残留的四氯乙烯溶剂，再用脱脂棉擦拭该基材的表面，最后用干净的绸布擦拭。

7.如权利要求6所述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，所述步骤S100还包括：

S102、去除锈点，用金属除锈清洗剂浸泡清洗该基材10～20分钟，取出后擦拭干净，以使其表面无微锈点。

8.如权利要求7所述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，所述步骤S100还包括：

S103、去除杂质，将该基材放入丙酮溶剂中，超声清洗20～40分钟后取出，使用干净绸布擦干。

9.如权利要求5所述的WS₂/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，所述步骤S100还包括：

S104、超声清洗，将该基材放入去离子水中，超声清洗20～40分钟后取出，使用干净绸布擦拭，并放置于真空烘箱中烘干2～4小时。