CN110318020A

CN110318020A - 高温自润滑Mo-V-N复合涂层、其制备方法及应用

Info

Publication number: CN110318020A
Application number: CN201910738272.4A
Authority: CN
Inventors: 蒲吉斌; 王文哲; 王立平; 蔡召兵; 王海新
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2019-08-12
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2019-10-11
Anticipated expiration: 2039-08-12
Also published as: CN110318020B

Abstract

本发明揭示了一种高温自润滑Mo‑V‑N复合涂层、其制备方法及应用。所述复合涂层由MoN和VN相组成，其中V的原子百分含量为4～22％。与现有技术相比，本发明提供的高温自润滑Mo‑V‑N复合涂层在高温环境下具有长寿命和良好自润滑性能，并还可保持足够硬度，可用于高温环境下的基体防护，同时其制备工艺简单可控，具有广阔应用前景。

Description

高温自润滑Mo-V-N复合涂层、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种耐磨硬质涂层，具体涉及一种高温自润滑Mo-V-N复合涂层、其制备方法及应用，属于表面处理技术领域。

背景技术

在高温环境下，金属部件极易发生变形，导致部件摩擦表面发生远高于地面环境运行时的粘着磨损，严重降低了空间装备的可靠性和服役寿命。传统上，金属机械部件的润滑主要采用润滑油和其他液体润滑剂。但是，在高温环境中，润滑油脂易挥发，无法发挥润滑作用。硬质涂层具有高硬度和良好的耐磨性，是解决上述问题的主要技术手段。大多数硬质涂层的制备主要通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、热喷涂和冷喷涂等技术实现，如MoN、WN等氮化物涂层材料，能够实现在高温环境中的耐磨作用。但是，单一相的氮化物(如MoN、VN等)由于较低的硬度(<15Gpa)导致涂层的磨损率较大。

另一方面，由于航空发动机工作环境条件的特殊性，一些零部件需要具有优异的低摩擦系数和耐磨性能。例如，发动机中的齿轮和榫头等零部件需要长期在高温环境中服役，因此要求这些零件具有适应高温环境下可靠的服役性能。但目前尚鲜有硬质涂层能使前述发动零部件的高温服役性能满足需求。

因此，开发高温自润滑耐高温长寿命固体润滑薄膜具有重要意义，是实现高温环境下服役装备的可靠性和长寿命的关键，例如可以解决发动机零部件在飞行过程中由于高温环境所导致的固体润滑问题。这也是本领域长期以来渴望解决的难题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高温自润滑Mo-V-N复合涂层、其制备方法及应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种高温自润滑Mo-V-N复合涂层，其由MoN和VN相混合组成，其中V的原子百分含量为4～22％。

进一步的，所述复合涂层的硬度高于15Gpa，弹性模量高于20Gpa，在室温下的摩擦系数为0.39～0.41，在700℃的高温摩擦系数为0.27～0.35。

本发明实施例还提供了一种制备所述高温自润滑Mo-V-N复合涂层的方法，其包括：采用磁控溅射技术，选用Mo靶和V靶，以高纯氮气作为工作气体，在经预处理后的基体表面沉积所述Mo-V-N复合涂层。

在一些实施方案中，所述的制备方法还包括：先在经预处理后的基体表面沉积Mo过渡层，之后再沉积所述复合涂层。

进一步的，所述基体的材质包括高温金属材料。

本发明实施例还提供了一种装置，包括覆设在基体上的涂层，所述涂层包括前述的任一种高温自润滑Mo-V-N复合涂层。

与现有技术相比，本发明提供的高温自润滑Mo-V-N复合涂层在高温环境下具有长寿命和良好自润滑性能，并还可保持足够硬度，可用于高温环境下的基体防护，同时其制备工艺简单可控，只需在磁控溅射过程中控制Mo靶电流不变，通过调控V靶电流控制所述复合涂层中的Mo和V原子百分比含量，即可调控所述复合涂层的高温自润滑性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1的Mo-V-N复合涂层的硬度和弹性模量测试图。

图2是实施例1的Mo-V-N复合涂层在室温环境下的摩擦系数曲线图。

图3是实施例1的Mo-V-N复合涂层在700℃环境下的摩擦系数曲线。

图4是实施例1的Mo-V-N复合涂层在室温环境下的磨损率测试图。

图5是实施例1的Mo-V-N复合涂层在700℃环境下的磨损率测试图。

具体实施方式

通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。

本发明实施例的一个方面提供的一种高温自润滑Mo-V-N复合涂层由MoN和VN相混合组成。

进一步的，在所述复合涂层中，V的原子百分含量为0～100％，优选为4～22％。其中，通过调控V的原子百分含量可以调控所述复合涂层的硬度和高温自润滑性能。

进一步的，所述复合涂层内MoN相与VN相以多晶形式存在，两者的原子百分含量之比为2.63～16.57。

本发明实施例中，通过采用MoN和VN构成复合涂层，其中VN在MoN硬质涂层中的引入一方面保证了涂层的高硬度(高于10Gpa，特别是高于15Gpa)，实现了MoN硬质涂层的耐磨性，另一方面提高了涂层的高温自润滑性能，例如，与MoN涂层相比，V含量优选的Mo-V-N复合涂层在700℃的条件下，摩擦系数比常温下低至少35％，尤其是低40％以上。

本发明实施例中，在所述复合涂层内的Mo原子百分比含量为52％、V的原子百分含量为22％时，所述复合涂层的高温摩擦学性能尤佳。

本发明实施例提供的前述复合涂层在保证硬度的同时具有良好高温自润滑性能，可用于高温环境下的基体防护。

本发明实施例的一个方面提供的一种制备所述高温自润滑Mo-V-N复合涂层的方法包括：采用磁控溅射技术，选用Mo靶和V靶，以高纯氮气作为工作气体，在经预处理后的基体表面沉积所述Mo-V-N复合涂层。

进一步的，所述的制备方法还可包括：先在经预处理后的基体表面沉积Mo过渡层，之后再沉积所述复合涂层。其中，籍由所述Mo过渡层与Mo-V-N复合涂层的复合，可以提高复合涂层与基体之间的结合力。

在一些实施方式中，沉积Mo过渡层的条件可以被设置为：Mo靶电流为3A-6A，V靶电流为0A，偏压为-50V--80V。

在一些较为具体的实施方案中，所述的制备方法包括：采用磁控溅射技术，分别选用两块Mo靶和V靶，以高纯氮气作为工作气体，在清洗后的基体表面沉积该Mo-V-N复合涂层，控制Mo靶电流不变，通过调控V靶电流控制所述复合涂层中的Mo和V原子百分比含量，进而调控所述复合涂层的高温自润滑性能。

进一步的，所述的预处理可以包括：对基体表面进行离子刻蚀。

作为一种实现方式，所述的预处理还可以包括：清洗除去基体表面的油污、水分等杂质成分，清洗方法不限，例如可以包括超声清洗；进而，在清洗完成之后，可以用流动的氮气吹干基体表面。

作为一种实现方式，所述的预处理还可以包括：在沉积Mo过渡层、Mo-V-N复合涂层之前对磁控溅射腔体抽真空至真空度低于3.0×10–5Pa。

作为一种实现方式，所述的预处理还可以包括：在沉积Mo过渡层、Mo-V-N复合涂层之前利用辉光放电原理刻蚀清洗基底表面，以除去基体表面的氧化层或污染物。

进一步的，在所述的制备方法中，沉积形成所述Mo-V-N复合涂层所需的条件包括：设置Mo靶电流为3A-6A，V靶电流为1A-4A，偏压为-50V--80V。

本发明实施例的另一个方面还提供了一种装置，包括覆设在基体上的涂层，所述涂层包括前述的任一种高温自润滑Mo-V-N复合涂层。

进一步的，所述涂层包括依次在基体上的Mo过渡层和高温自润滑Mo-V-N复合涂层。

进一步的，前述基体的材质包括高温合金，例如718高温合金钢或GH4169合金钢等，且不限于此。

所述的装置可以是飞机零部件等，例如航空发动机及其零部件，但不限于此。

以下将结合若干实施例对本发明的技术方案作更为具体的解释说明。

实施例1：本实施例中，基体材料为718高温合金钢。采用磁控溅射技术，在基体表面制备Mo-V-N复合涂层，主要包括如下步骤：

(1)对基体表面进行机械磨抛处理，分别用石油醚、丙酮和酒精进行超声清洗3次，然后用流动的氮气吹干。

(2)将清洗处理后的基体放入磁控溅射腔体，抽真空至真空度为3.0×10^–5Pa；然后，溅射清洗靶材2min，对基体样品进行离子刻蚀20min。

(3)溅射Mo靶(纯度为99.99at.％)10min，在基体表面沉积Mo过渡层。过渡层的沉积参数为：Mo靶电流为5A，V靶电流为0A，偏压为-70V。

(4)制备沉积Mo-V-N复合涂层。

在磁控溅射腔体中充入高纯氮气(纯度为99.99at.％)，流量设定为30sccm，采用Mo靶(纯度为99.99at.％)与V靶(纯度为99.99at.％)，Mo靶电流为5A，调控V靶电流分别为0A、1A、4A及5A，在基体表面沉积Mo-V-N复合涂层，沉积时间为2h，制得4组不同V含量Mo-V-N复合涂层样品，具体参数如表1所示。

表1：V靶电流分别为0A、1A、4A及5A时Mo-V-N复合涂层样品的参数表

从表1可以看出，S1涂层样品为MoN涂层，S2、S3涂层样品为Mo-V-N涂层。S4涂层样品为VN涂层。

图1为制得的Mo-V-N复合涂层样品的硬度和弹性模量图，钒含量为22at.％时，Mo-V-N涂层的硬度为19Gpa左右。

图2和图3是本实施例1中制得的Mo-V-N复合涂层在室温环境和在700℃环境下的摩擦系数曲线图。从图2中可以看出来，室温下四种不同涂层的摩擦系数相差不大，都稳定在0.4左右。从图3中可以看出来，钒含量为22at.％的复合涂层在700℃环境下的摩擦系数较低，稳定在0.27左右。

图4和图5是本实施例中制得的Mo-V-N复合涂层在室温环境和在700℃环境下的磨损率图。从图4中可以看出来，室温下Mo-V-N复合涂层的磨损率相差不大，钒含量为22at.％时，Mo-V-N复合涂层的磨损率最低。从图5中可以看出来，当温度升高到700℃时，钒含量为22at.％的Mo-V-N复合涂层的磨损率最低。

此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，例如，将沉积Mo过渡层的条件设置为：Mo靶电流为3A，V靶电流为0A，偏压为-50V；将沉积形成Mo-V-N复合涂层的条件设置为：设置Mo靶电流为6A，V靶电流为1A，偏压为-50V。或者，将沉积Mo过渡层的条件设置为：Mo靶电流为6A，V靶电流为0A，偏压为-80V；将沉积形成Mo-V-N复合涂层的条件设置为：设置Mo靶电流为3A，V靶电流为4A，偏压为-80V。这些试验均获得了较为理想的结果。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims

1.一种高温自润滑Mo-V-N复合涂层，其特征在于：所述复合涂层由MoN和VN相混合组成，其中V的原子百分含量为4～22％。

2.如权利要求1所述的高温自润滑Mo-V-N复合涂层，其特征在于：所述复合涂层内MoN相与VN相以多晶形式存在，两者的原子百分含量之比为2.63～16.57。

3.如权利要求2所述的高温自润滑Mo-V-N复合涂层，其特征在于：所述复合涂层的硬度高于15Gpa，弹性模量高于20Gpa，在室温下的摩擦系数为0.39～0.41，在700℃的高温摩擦系数为0.27～0.35。

4.如权利要求1-3中任一项所述高温自润滑Mo-V-N复合涂层的制备方法，其特征在于包括：采用磁控溅射技术，选用Mo靶和V靶，以高纯氮气作为工作气体，在经预处理后的基体表面沉积所述Mo-V-N复合涂层。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于包括：先在经预处理后的基体表面沉积Mo过渡层，之后再沉积所述复合涂层；其中沉积Mo过渡层的条件设置为：Mo靶电流为3A-6A，V靶电流为0A，偏压为-50V--80V。

6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述的预处理包括：对基体表面进行离子刻蚀。

7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，沉积形成所述Mo-V-N复合涂层所需的条件包括：设置Mo靶电流为3A-6A，V靶电流为1A～4A，偏压为-50V--80V。

8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述基体的材质包括718高温合金钢或GH4169合金钢。

9.一种装置，包括覆设在基体上的涂层，其特征在于：所述涂层包括权利要求1-3中任一项所述的高温自润滑Mo-V-N复合涂层。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述涂层包括依次在基体上的Mo过渡层和高温自润滑Mo-V-N复合涂层。