CN105755443A

CN105755443A - 一种提高航天继电器中推动杆部件寿命的方法和设备

Info

Publication number: CN105755443A
Application number: CN201610105819.3A
Authority: CN
Inventors: 廖斌; 欧阳晓平; 罗军; 张旭; 吴先映; 王宇东
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: CN105755443B

Abstract

本发明公开了一种提高密封继电器推动杆部件寿命的方法及设备，该方法是利用低能离子束技术在推动杆部件其中推动球表明沉积超硬耐磨且绝缘性能好的膜层，制备该膜方法包括：采用金属真空蒸汽离子源方法(MEVVA)，在玻璃表面注入一层能提高膜基结合力的金属“钉扎层”；在所述的金属“钉扎层”之上，采用磁过滤阴极真空弧沉积方法(FCVA)沉积得到用于释放内应力的第一层金属薄膜过渡层；在所述的第一层过渡层之上，采用磁过滤阴极真空弧(FCVA)沉积方法沉积得到超硬耐磨的DLC层，膜总厚度为0.1-5微米。通过实施本发明，在密封继电器推动杆部件沉积超硬DLC膜能够明显提高密封继电器推动杆部件中推动球的寿命。

Description

一种提高航天继电器中推动杆部件寿命的方法和设备

技术领域

本发明涉及射线束材料表面改性技术领域，特别涉及一种在密封继电器推动杆部件寿命方法和设备.

背景技术

近年来，密封继电器广泛应用于航空、航天领域，随着航天、航空产业的快速发展，密封继电器也朝着小型、超小型、大功率、高可靠的方向发展。其中，密封继电器的触点切换功能是通过推动杆部件推动簧片实现的.因此，推动杆部件是密封继电器的重要组成部分。推动杆部件由玻璃球和推动杆两部分组成。其中，玻璃球一般由DM305、DM308以及7052玻璃粉烧结而成，推动杆材料一般选用4J29可伐合金。这是由于具有铁磁性的可伐合金在居里点温度以下时体积膨胀，从而具有较低的膨胀系数，在0～400℃和上述玻璃的膨胀系数相近，能够进行匹配封接。我国空间技术开始高速发展，北斗卫星导航系统已进入密集发射组网阶段，载人航天工程正向空间站对接和建立永久空间站迈进，嫦娥探月二期、三期工程也开始启动，这对在轨航天器及其内部的元器件提出了更高的寿命要求.以拟建立的永久空间站为例，提出的在轨时间要求为25年，对其内部的航天继电器寿命要求为30年。推动杆部件上中的玻璃推动球由于其抗耐磨能力差，是影响密封继电器工作寿命最主要的原因；

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的之一是结合DLC高硬度、高绝缘性以及DLC膜层的超低摩擦系数，同时利用金属真空蒸汽离子源(MEVVA)以及磁过滤真空弧沉积系统(FCVA)提出一种全新的在航空继电器推动杆部件玻璃推动球表面沉积DLC膜方法和设备，能够明显提高推动杆部件的抗磨损能力从而大幅提高的工作寿命.

进一步来讲，该DLC膜方法包括；在所述基材表面制备金属″钉扎层″；在所述金属″钉扎层″上进行金属过渡层沉积，形成释放应力金属层；在所述释放应力层上沉积第二层DLC膜层.

在一些实施例中所述基材注入形成″钉扎层″包括利用金属真空蒸汽离子源(MEVVA)，向所述基材层注入Ti或者Ni，；其中，Ti或者Ni的注入电压为4～20kV，束流强度为1～10mA，注入剂量为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm²，注入深度为70～220nm。

在一些实施例中，在所述金属″钉扎层″上进行金属沉积包括：利用所述90度磁过滤真空弧沉积(FCVA)系统，在所述金属″钉扎层″上，磁过滤沉积出金属/应力释放层；其中，所述金属应力释放层的金属元素为Ti或者Ni，厚度为10～500nm。

在一些实施例中，在所述第一层金属应力释放层表面沉积第二层DLC膜层，该方法包括：利用180度磁过滤阴极真空弧(FCVA)系统，在第一层金属层表面，磁过滤沉积总厚度在0.1-5微米的DLC.

相应的，本发明实施例在航空继电器推动杆部件玻璃推动球上沉积DLC膜的制备设备包括：注入装置，用于形成″钉扎层″，提高膜基结合力；沉积装置，用于在所述金属″钉扎层″上进行金属、类金刚石DLC膜层的沉积。

在一些实施例中，所述沉积装置包括：

第一沉积装置，用于利用所述90度磁过滤阴极真空弧FCVA系统，在所述金属″钉扎层″上，磁过滤沉积出金属膜层；其中，所述金属膜层，金属元素为Ti或Ni，厚度为10～500nm；

第二沉积装置，用于利用180度磁过滤阴极真空弧FCVA系统，在所述金属释放层上，磁过滤沉积出类金刚石膜层，厚度在0.1-5微米。

相对于现有技术，本发明各实施例具有以下优势：

1、本发明实施例提出的在航空继电器推动杆部件玻璃推动球表面沉积DLC膜方法和设备，通过对基材进行高能量的金属元素注入，使基材亚表面原子与注入金属形成金属-基材原子混合的″钉扎层″结构，这样形成的″钉扎层″结构与基底层乃至后续磁过滤沉积出的结构性膜层的结合力都非常好，从而使其抗剥离强度得以增强；

2、相比磁控溅射、电子束蒸发等PVD沉积方法，磁过滤电弧沉积设备原子离化率非常高，大约在90％以上。这样，由于原子离化率高，可使等离子体密度增加，成膜时大颗粒减少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性、膜基结合力等；

3、本发明实施例还提出一种新型的结合超硬DLC膜层的高硬度及超低摩擦系数膜来解决航空继电器推动杆部件玻璃推动球不耐磨的关键技术问题；

4、本发明实施例提出一种超硬DLC膜层其相比于玻璃具有更高的表面电阻率；

5、此外，本发明实施例还提出一种沉积设备，该沉积设备设置有上述任一技术方案所述.

需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必需的。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明实施例的更多特点和优势将在之后的具体实施方式予以说明。

附图说明

构成本发明实施例一部分的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定.在附图中：

图1为本发明实施例提供的在航空继电器推动杆部件玻璃推动球表面沉积DLC方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的DLC膜结构示意图；

图3为本发明实施例提供的FCVA沉积和MEVVA注入系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的推动球实物图；

图5为本发明实施例提供的DLC膜表面扫描电镜图；

图6本发明实施例提供的多DLC纳米复合膜与基底60Kg压坑测试膜基结合力结果；

图7本发明实施例提供的DLC膜的摩擦系数；

图8为本发明实施例提供的DLC膜纳米硬度值；

图9为本发明实施例提供的DLC膜层的XPS图谱；

附图标记说明

200叶片基底

210金属″钉扎层″

220金属应力释放层

230超硬DLC层

300FCVA阴极

310导管

320磁场线包

330工件台

340高压引出电极

350MEVVA阴极

360负压接口

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围.

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图，对本发明的各优选实施例作进一步说明：

方法实施例

随着中国航天航空技术的飞速发展应用，对航空航天关键部件的稳定、可靠性方面的要求越来越高，特别是航空继电器的稳定性和可靠性方面，制备出高寿命、高稳定性的航空继电器对我国自主研发的航空飞机、卫星等发展，乃至我们航天航空技术的发展都显得非常重要。这里，提供一种可以在严酷环境下使用的继电器推动杆部件玻璃推动球表面沉积DLC膜的制造方法.

需要说明的是，本实施例中，在基底层上制备DLC膜，选用的基底层为推动杆部件玻璃推动球基底材料，参照图1，其示出了本实施例DLC膜制备方法，该制备方法包括以下步骤：

S100：利用金属蒸汽真空弧(MEVVA)离子源，向基底层主入第一金属元素，形成金属″钉扎层″。

其中，本步骤为金属离子注入形成″钉扎层″，利用高能金属离子注入基底，能够形成金属和基底材料的混合层，提高其表面后续膜层与基底的结合力.

需要指出的是，S100中，第一金属元素可采用Ti或者Ni。作为一种可选实施方式，第一金属元素的注入电压为4～20kV，束流强度为1～10mA(含端值)，注入剂量为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm²(含端值)，注入深度为70～220nm(含端值)。

S200：利用磁过滤阴极真空弧(FCVA)系统，在基底″钉扎层″表面，磁过滤沉积得到第一层金属内应力释放层。

本步骤中，可选的是，第一金属膜层可为Ti膜层或者Ni膜层，且厚度为10～500nm。

S300：用磁过滤阴极真空弧(FCVA)系统，在第一层金属内应力释放层表面，磁过滤沉积得到第二层超硬DLC膜层。

本步骤中，可选的是，膜层的总厚度为0.1～5微米.

这样，上述通过金属真空蒸汽离子源(MEVVA)系统注入的Ti和Ni中的一种元素在基底上制备金属″钉扎层″、磁过滤真空弧沉积系统(FCVA)沉积的Ti和Ni中一种或者两种元素构成的应力释放层，磁过滤真空弧沉积系统(FCVA)沉积的DLC绝缘层。该结构膜层利用金属离子注入系统形成了金属混合″钉扎层″，使后续沉积膜层与基底材料有着非常好的结合强度；同时结合了DLC膜层的超低摩擦系数、超高硬度及超高绝缘特性等特点，使其作为玻璃推动球表面涂层在抗磨损、抗冲击时具有明显的优势.

设备实施例

为实现上述DLC的制备方法，基于上述各实施例，本实施例提出一种玻璃推动球表面金属″钉扎层″与DLC的制备设备，该制备设备包括如下装置：1、注入装置

其中，注入装置用于利用MEVVA离子源，向所述基底层注入第一金属元素，对所述基底层进行金属掺杂注入。

需要说明的是，MEVVA离子源主要由等离子体产生区和离子束引出区组成，等离子体产生区也就是金属蒸汽真空弧放电区。MEVVA离子注入就是采用MEVVA离子源产生的载能离子束轰击材料表面，对工件表面进行离子注入，从而改变材料表面的物理、化学性能的过程，使得薄膜与工件基体能够牢固地结合。

2、沉积装置

沉积装置(FCVA)主要用于基底沉积金属应力释放层，类金刚石膜层；

需要说明的是，FCVA主要是利用直流低压弧光放电产生金属或者碳等离子体，通过磁过滤装置引出到基体表面镀膜，通过在基材表面加上负压使得正离子向基体表面加速，使得镀层与工件基体能够进一步的牢固结合。

需要指出的是，上述各实施例中，沉积装置可采用如图3左，右部分所示的FCVA沉

积系统，该FCVA离子源沉积系统包括：180度FCVA阴极300、等离子体导管310、磁场320、样品工件台330，负压端子360、90度FCVA阴极370，。

另外，上述各实施例中，注入装置可采用如图3下半部分所示的MEVVA离子源注入系统，该MEVVA离子源注入系统包括：MEVVA阴极350以及引出电极340。

下面，在结合一实例，在具体实施过程中，对上述的超硬DLC膜的制备方法作进一步说明：

结合附图说明，以MEVVA离子源阴极为Ti和90度磁过滤阴极真空弧阴极为Ti，180度磁过滤阴极真空弧阴极为碳靶为例，详细的介绍本发明一种提高航空继电器推动杆部件寿命的方法，实施步骤如下：

1.金属″钉扎层″210制备：

注入：将基材200固定于样品台330，并转动至注入靶位开始注入。注入离子源为纯度99.9％的纯Ti，注入条件为：真空度1×10^-3～6×10^-3Pa，注入弧压：50～70V，高压：6～10kV，弧流：3～6mA，注入剂量1×10¹⁴～1×10¹⁵Ti/cm²。

2.Ti膜释放应力层220制备：

Ti沉积：转动样品至90度弯管沉积靶位开始沉积。沉积弧源为纯度99％的Ti弧源，沉积条件为：真空度1×10^-3～6×10^-3pa，沉积弧流：100～120A，磁场电流：1.4～2.4A，弧流：80～140mA，负偏压：-100V～-300V，占空比50％～100％，沉积时间3～60秒。

3.DLC超硬层230制备：

DLC膜沉积：在200之上沉积230，转动样品至180度沉积弧源位置，其阴极为纯度99％的碳弧源，沉积条件为：真空度1×10^-3～6×10^-3Pa，沉积弧流：100～120A，磁场电流：2.4～4.5A，弧流：80～140mA，负偏压：-100V～-300V，占空比20％～50％，沉积厚度为0.1-5微米.

为对DLC膜性能进行说明，这里可参照图4、5、6、7、8以及图9，其分别为继电器推动杆部件玻璃推动球实物图、基底上沉积DLC膜扫描电镜形貌图、DLC膜150Kg洛氏压坑膜基结合力测试形貌图、超硬DLC膜层摩擦磨损测试结果示意图、DLC膜层的纳米硬度值、DLC膜层XPS图谱。图5为DLC膜层的SEM图，图中我们可以看到膜层的厚度在0.3微米左右，膜层非常致密；从图6中我们可以看到，利用洛氏硬度计60Kg把膜层压穿，压坑附近非常平整，没有发现膜层剥落现象，膜基结合力非常好；图7为DLC膜在摩擦磨损设备上(干摩擦，对象为碳化硅圆片，圆片旋转，玻璃球固定)的摩擦系数示意图，由图可知膜层的摩擦系数在0.06左右，结合图8可知，DLC膜层纳米硬度在60Gpa以上，所以摩擦磨损量非常低.图9为DLC膜层的XPS分析谱，从图中可以观察到，sp³键位于在285.4eV左右，sp²位于284.3eV，I(G)/I(D)＝8234/(1853+8234)＝81.6％，sp³含量非常高能到达80％以上，据文献调研sp³含量在70％时DLC膜层的表面电阻率为1.0×10¹⁰Ω·cm，同时DLC膜层的表面电阻率随着sp³的含量的升高而增大。总之，在航空继电器推动杆部件推动球利用低能离子束技术能够得到具有很高的膜基结合力，很小的摩擦系数及磨损量，同时具有非常高的表面电阻率DLC膜层，通过本发明航空继电器推动杆部件推动球工作寿命能够明显的提高。

Claims

1.一种提高航空继电器推动杆部件寿命的方法，其特征在于，包括：

利用低能离子束技术在推动杆部件推动球表面沉积高硬度、高绝缘强度以及低摩擦系数的DLC膜层，该制备膜层的方法包括：

(a)采用金属真空蒸汽离子源(MEVVA)注入方法，在推动球基底表面注入金属元素，形成金属″钉扎层″；

(b)在所述金属″钉扎层″之上，采用磁过滤阴极真空弧(FCVA)方法，沉积得到第一层用于释放内应力的薄膜金属过渡层；

(c)在所述第一层过渡层之上，采用磁过滤阴极真空弧(FCVA)方法，沉积得到DLC膜。

2.根据权利要求1所述的金属″钉扎层″的制备方法，其特征在于：所述基底层为玻璃推动球。

3.根据权利要求2所述的金属″钉扎层″的制备方法，其特征在于：所述第一金属元素为Ti或者Ni，其注入电压为4～20kV，束流强度为1～10mA，注入剂量为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm²，注入深度为70～220nm。

4.根据权利要求1所述的在玻璃推动球上沉积DLC膜的方法，其特征在于：

(a)在沉积所述第一层释放应力过渡层时，采用的靶材为金属阴极，起弧电流90-120A，弯管磁场2.0～4.0A，束流50～200mA，顺序采用负压-800V、-600V、-400V、及-300V进行沉积；

(b)在沉积所述第二层DLC膜时，采用的靶材为碳阴极，起弧电流90～120A，弯管磁场3.0～4.0A，弯管角度为180度，负压-300～-600V，占空比为20～100％。

5.根据权利要求4所述的在玻璃推动球上沉积DLC膜的方法，其特征在于，所述第一层过渡层的厚度为10-500nm，所述第二层DLC膜总厚度在0.1-5μm。

6.根据权利要求1所述的在玻璃推动球上沉积DLC膜的制备设备，其特征在于，包括：

(a)注入装置，配置为利用金属蒸汽真空弧(MEVVA)系统，利用所述MEVVA离子源向所述基底表面注入金属Ti或Ni元素，形成金属″钉扎层″；其中，Ti或者Ni的注入电压为4～20kV，束流强度为1～10mA，注入剂量为1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm²，注入深度为70～220nm。

(b)沉积装置，配置为磁过滤阴极真空弧(FCVA)系统，利用双管180度与单管90度磁过滤沉积方式，所述沉积装置包括：

第一沉积装置，用于利用所述90度弯管FCVA系统，在所述金属″钉扎层″上，磁过滤沉积出第一层金属内应力释放层；其中，所述金属覆盖层的金属元素为Ti或Ni，厚度为10～500nm；

第二沉积装置，用于利用180度双管FCVA系统，在第一层内应力释放层表面，磁过滤沉积得到第二层DLC膜；其中，所述DLC膜层的厚度为0.1～5μm。

7.一种提高航空继电器推动杆部件的寿命的方法，其特征在于，设置有采用权利要求1至6任一项所述的在玻璃推动球上沉积DLC膜的方法而制备的继电器推动杆部件。