CN111041439A - 具有梯度结构的固体自润滑膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有梯度结构的固体自润滑膜，属于固体润滑膜技术领域，自润滑膜的溅射靶材为混合有Ag和Ta的二硫化钨，自润滑膜包含多层密度不同的功能层。开启磁控溅射镀膜和离子束辅助源，对金属基板表面进行磁控溅射辅助沉积，关闭磁控溅射，开启离子束轰击源，对靶材进行离子束轰击，形成一层功能层；经多次辅助沉积和离子轰击交替后，以磁控辅助沉积结束，形成固体自润滑膜；在交替过程中，离子束辅助源的能量均相同，离子束轰击源的离子束能量均不相同。本发明通过调整负压、溅射电压、溅射电流、离子束源能量等参数控制膜生长，优化薄膜结构，沉积速率高，制备时间短，表面不存在大颗粒，膜层致密，耐磨，摩擦系数低，耐腐蚀、抗潮解。

Description

具有梯度结构的固体自润滑膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及固体自润滑膜技术领域，具体涉及一种具有多层成分密度不同的功能层的梯度结构的固体自润滑膜。

背景技术

航天航空、核工程和军用装备制造等高技术领域面临高速、高低温、重载荷等苛刻工作条件，这就要求润滑材料在变温条件下具有连续、稳定的摩擦系数和可靠的耐磨性及高强度、抗氧化、抗腐蚀等性能。传统的润滑技术(润滑油和润滑脂)无法满足上述要求。因此，新型自润滑材料是航天航空等高技术领域中相关动力传输系统的稳定可靠运行的重要保障之一。

近年来，对MoS₂薄膜中添加元素和化合物进行了深入的研究，研究表明,添加金属元素如Ag、Au、Ti、Ni、Al、Cr、Pb、Ta等,非金属元素以及化合物如C0、PbO、Sb₂O₃、PTEE等制备复合膜或多层膜,与纯MoS₂薄膜相比可以提高其抗湿性、抗氧化性、耐磨性等性能。

对于WS₂薄膜，S.Watanabe采用多靶联合射频溅射制备了WS₂/MoS₂纳米多层膜,由于WS₂/MoS₂纳米多层膜的超点阵特性得到明显的改善,使得薄膜晶体在纳米数量级的层间表面线位错的能量提高,从而导致剪切模量上升,薄膜硬度提高。所以复合薄膜的摩擦学性能要明显优于单一成分的和单层纳米薄膜,尤其是在潮湿空气中摩擦学性能得到了极大提高。A.Nossa等对反应溅射沉积Ti/W-S-C和Ti/W-S-N复合薄膜进行了研究。掺杂C和N使得复合薄膜的硬度提高可达10倍以上,同时W-S-C薄膜与未掺杂薄膜相比,在高载荷滑动摩擦时磨损系数降低达1个数量级左右。

传统镀膜方法如真空蒸镀、离子镀、磁控溅射镀膜等，采用离子镀会在工件表面沉积大量大颗粒(5-10μm)导致膜层表面粗糙度较大，内部包裹的颗粒易导致膜层剥离失效，使得膜层的耐磨性能受到影响，也不能完全满足长寿命固体润滑设备仪器的需要。

目前现有的二硫化钨制备方法主要为磁控溅射法，其原理为通过离化氩气产生氩离子轰击二硫化钨靶材，溅射出二硫化钨粒子在基片上沉积，形成二硫化钨薄膜。但是利用磁控溅射法制备二硫化钨固体润滑膜存在生产效率低，成本高的问题，并且磁控溅射制备二硫化钨膜层是类似石墨的层片状结构、硬度低、滑动过程中易转移或磨损。申请号为201310576275.5的中国发明专利，公开了一种离子束磁控溅射复合镀膜的装置，该装置仅利用磁控溅射和离子束辅助沉积技术结合镀膜，但并未在镀膜过程中通过调整束能能量密度来制备薄膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种融合Ag和Ta元素的具有梯度结构的固体自润滑膜及其制备方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供一种具有梯度结构的固体自润滑膜，所述自润滑膜的溅射靶材为混合有银元素和钽元素的二硫化钨，所述自润滑膜包含多层成分密度不同的功能层；所述溅射靶材各成分含量为：银元素含量5％～10％，钽元素含量5％～10％，二硫化钨含量80％～90％。

优选的，所述固体自润滑膜的厚度为50-200nm。

另一方面，本发明提供一种具有梯度结构的固体自润滑膜制备方法，对混合有银元素和钽元素的二硫化钨靶材，采用磁控溅射+离子束辅助沉积-离子束轰击方式对金属基板表面进行改性，制得所述固体自润滑膜，包括：

步骤S110：对金属基板进行预处理，去除表面的油脂、锈点和杂质；

步骤S120：将预处理后的金属基板放入真空室内，对金属基板表面进行真空离子清洗；

步骤S130：开启磁控溅射和离子束辅助源，对金属基板表面进行磁控溅射辅助沉积一定时间；

关闭磁控溅射，开启离子束轰击源，对靶材进行离子束轰击一定时间后，在基材表面形成一层功能层；

经多次磁控溅射辅助沉积和离子束轰击交替后，以磁控溅射辅助沉积结束，在金属基板表面形成所述具有梯度结构的固体自润滑膜；其中，离子束辅助源将始终开启，离子束辅助源的离子束能量保持不变，每一次离子束轰击时，离子束能量均不同。

优选的，步骤S130中，经3次辅助沉积和离子束轰击交替，形成了具有3层功能层的所述固体自润滑膜；其中，

开启磁控溅射和离子束辅助源，所述离子束辅助源的离子束能量为50eV-300eV，对金属基板表面进行磁控溅射辅助沉积，辅助沉积一定时间后，关闭磁控溅射，开启离子束轰击源，调整离子束轰击源离子束能量至1500eV-2200eV，对靶材表面进行离子轰击，轰击一定时间后，在基材上形成第一层功能层；

关闭离子束轰击源，开启磁控溅射，辅助沉积一定时间后，关闭磁控溅射，再次开启离子束轰击源，调整离子束轰击源的离子束能量为900eV-1500eV，轰击一定时间后，形成第二层功能层；

关闭离子束轰击源，开启磁控溅射，辅助沉积一定时间后，关闭磁控溅射，再次开启离子束轰击源，调整离子束轰击源的离子束能量为400eV-900eV，轰击一定时间后，形成第三层功能层；

最后，关闭离子束轰击源，开启磁控溅射镀膜，辅助沉积一定时间后，同时关闭磁控溅射和离子束辅助源。

优选的，所述步骤S110中，采用金属除脂溶剂擦拭去除该金属基板表面油脂，采用四氯乙烯试剂浸泡10～20min去除表面残余油脂杂质，采用金属清洗剂在所述超声清洗机中超声清洗10～20min，去除表面有机物残留，然后放置于所述烘干箱中烘干10～20min。

优选的，在步骤S120中，真空室抽真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa，真空室通入的氩气纯度为99.99％，工作气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa，离子束辅助源的电压为500V～1000V，放电电流为10-20mA，轰击时间为20～30min，辉光发电，并同时对金属基板表层加热，对金属基板表面进行真空离子清洗。

优选的，磁控溅射的溅射电压为400V～500V，溅射电流为1A～2A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa，脉冲负偏压为-80V～-100V。

优选的，在交替沉积过程中，离子束轰击源放电电流为10-30mA，电压为10kV-30kV，离子束轰击源电压从30kV降至10kV，降幅为每次10kV；离子束辅助源的电压为500V～1000V，放电电流为10-20mA。

优选的，所述磁控溅射沉积的时间为10-15min，所述离子束轰击的时间为5-10min。

优选的，所述方法还包括：将表面生成了所述固体自润滑膜的金属基板清洗后烘干并真空密封封存；包括，将所述金属基板放入酒精溶液中在超声清洗机中超声清洗5～10min，然后放置于烘干箱中烘干10～20min，烘干后用真空封装机真空密封封存。

本发明有益效果：通过调整负压、溅射电压、溅射电流、离子束源能量等参数控制薄膜的生长，以交替复合方法优化薄膜结构，形成新型梯度结构固体自润滑薄膜提高薄膜性能，沉积速率高，制备时间短，薄膜表面基本不存在大颗粒，膜膜层致密，耐磨性能好，摩擦系数低，耐腐蚀、抗潮解。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例所述的具有梯度结构的固体自润滑膜结构图。

图2为本发明实施例所述的具有梯度结构的固体自润滑膜截面扫描电镜图。

图3为本发明实施例所述的具有梯度结构的固体自润滑膜摩擦磨损曲线示意图。

图4为本发明实施例所述的具有梯度结构的固体自润滑膜制备装置主视结构图。

图5为本发明实施例所述的具有梯度结构的固体自润滑膜制备装置俯视结构图。

图6为本发明实施例所述的具有梯度结构的固体自润滑膜制备方法流程图。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

单一的固体润滑剂在使用时还存在很多自身缺陷，例如，易被氧化、分解，与基体润湿性差，在基体表面不易形成连续完整的润滑膜等。并且大多数固体润滑剂的加入会使材料磨损率上升。由此，可通过向纯膜中掺杂元素的方式来提高膜的润滑特性。

如图1所示，本发明实施例1提供一种梯度结构的固体自润滑膜，该润滑膜具有3层成分密度不同的功能层，本发明实施例1所述的具有梯度结构的固体自润滑膜，是指该固体自润滑膜有多层成分密度不同的功能层。

所述自润滑膜的溅射靶材为混合有银元素和钽元素的二硫化钨，各成分含量为：银元素含量5％～10％，钽元素含量5％～10％，二硫化钨含量80％～90％。

所述固体自润滑膜的厚度为50-200nm，优选的，所述固体自润滑膜的厚度可以为80nm。

难熔金属Ta具有优异的物化学性能，其密度为16.6g/cm，熔点2996℃，这使得在冷却结晶过程中，钽起一定的异相成核作用，有利于提高结晶度，使晶粒变细，从而提高材料的强度(尤其使压缩强度)和硬度；化学性质稳定，抗腐蚀性能极强，与HCL、浓HNO₃、王水均不反应，亦可抵抗盐的腐蚀；与W在元素周期表处于相邻位置，物理性质相似，能很好的与W形成置换固溶强化，且与Ag的相容性好，能弥补自润滑材料带来的力学性能的损失，有效的提高其耐磨损性能；且WS₂、TaS₂均为层状结构，其超低润滑的特性即为其层间滑移带来的。

金属银，剪切强度较低，能够发生晶间滑移，在辐射、真空、高低温和重载等条件下具有良好的润滑效果，Ag的熔点比较低，表面能比较小，在薄膜生长过程中，容易扩散，可作为表面活化剂辅助材料的生长；同时Ag固溶在WS₂中，也能提高膜层转移能力，形成高效转移膜；且在离子束辅助沉积的作用下，Ag、Ta固溶在WS₂晶粒边界或枝晶表面处，形成阻止氧深入的致密结构，从而提高膜层耐腐蚀能力和抗潮解能力。

本发明实施例1中，固体自润滑膜进行了掺杂元素的添加，弥补了自润滑涂层力学性能差的缺点。

同时，为了改善固体润滑剂与基体材料之间的润湿性，增强基体与固体润滑剂之间的结合力，并改善表面质量，采用离子束辅助沉积(Ion Beam Assisted Deposition,IBAD)技术，IBAD除具有离子镀的优点外，可在更严格的控制条件下连续生长任意厚度的膜层，能更显著地改善膜层地结晶性、取向性，增加膜层的附着强度，提高膜层的致密性，并能在室温或近室温下合成具有理想化学计量比的化合物膜层(包括常温常压无法获得的新型膜层)。离子束单独轰击靶材可以对靶材进行择优溅射，达到沉积膜层成分含量的改变，即磁控溅射与离子束辅助交替沉积可将膜层的润滑层和承载层逐层排列，呈梯度分布，不同层面分别扮演着承载功能或润滑功能、协同强化，以适应苛刻环境下的耐磨要求。

如图1所示，该固体自润滑膜包括三层功能层，最上面一层功能层为高能轰击层，离子束轰击时的离子束能量为1500eV-2200eV，中间一层功能层为中能轰击层，该层离子束轰击时的离子束能量为900eV-1500eV，最底层功能层为低能轰击层，离子束轰击时的离子束能量为400eV-900eV。

以上梯度结构由沉积过程中调控离子束辅助沉积系统的束能密度来实现，离子束沉积过程中加以几十到上千电子伏动能的离子束辅助沉积，原理是用携带能量(几十到近千电子伏)的离子碰撞蒸发原子或分子，经过动量交换，使沉积原子或分子获得较大迁移动量的一种沉积方式。能量密度不同所形成的薄膜结构的微观结构也不同，低能轰击形成细晶，中能轰击形成微晶，高能轰击形成非晶，整体形成组成成分密度梯度功能薄膜，赋予薄膜更强的物理化学特性。需要说明的是，IBAD技术采用的辅助离子源轰击能量通常在15keV以下，属于低能离子源。超过此能量，有离子注入的效果，考虑到Ta、W是高熔点物质，在本发明实施例1中稍微提高了轰击能量。在薄膜沉积过程中，不同能量载能离子轰击能改变沉积膜的成分和结构，本发明实施例1中，所提到的高能、中能、低能是在属于0-22keV范围内划分的能量范围。

实施例2

本发明实施例2提供了一种具有多层成分密度不同的梯度结构的固体自润滑膜，对混合有银元素和钽元素的二硫化钨靶材，采用磁控溅射和离子束辅助沉积进行金属基板表面改性，制得所述固体自润滑膜。

具有梯度结构的固体自润滑膜的具体制备方法如下：

步骤S110：对金属基板进行预处理，去除表面的油脂、锈点和杂质；

步骤S120：将预处理后的金属基板放入真空室内，对金属基板表面进行真空离子清洗。

如图4、图5所示，所述真空室连接磁控溅射源和离子束源，本装置电源采用德国霍廷格电子有限公司生产的离子源专用级高压电源，使离子束能量调节范围可从高能至低能。

步骤S130：开启磁控溅射镀膜和离子束辅助源，对金属基板表面进行磁控溅射+离子束辅助沉积，辅助沉积一定时间后，关闭磁控溅射镀膜，开启离子束轰击源，对靶材进行离子束轰击，一定时间后，形成一层功能层；经多次磁控溅射加离子束辅助沉积与离子束轰击加离子束辅助沉积交替后，以磁控溅射加离子束辅助沉积结束，在金属基板表面形成所述具有梯度结构的固体自润滑膜；其中，在辅助沉积时，离子束能量均相同，每一次离子束轰击时，离子束能量均不相同。

经上述步骤制备完所述固体自润滑膜后，将金属基板表面生成的所述固体自润滑膜的金属基板清洗后烘干并真空密封封存；包括，将所述金属基板放入酒精溶液中在超声清洗机中超声清洗5～10分钟，然后放置于烘干箱中烘干10～20分钟，烘干后用真空封装机真空密封封存。

步骤S130中，经3次磁控辅助沉积-轰击辅助沉积交替沉积，形成了具有3层功能层的所述固体自润滑膜；其中，

开启磁控溅射镀膜和离子束辅助源，此为低能离子源，能量为50eV-300eV，对金属基板表面进行磁控溅射+离子束辅助沉积，辅助沉积一定时间后，关闭磁控溅射镀膜，开启离子束轰击源，调整离子束能量至1500eV-2200eV，对靶材进行离子束轰击，同时离子束辅助沉积，轰击一定时间后，形成第一层功能层；

关闭离子束轰击源，开启磁控溅射镀膜，磁控辅助沉积一定时间后，关闭磁控溅射镀膜，开启离子束轰击源，调整离子束能量为900eV-1500eV，轰击辅助沉积一定时间后，形成第二层功能层；

关闭离子束轰击源，开启磁控溅射镀膜，磁控辅助沉积一定时间后，关闭磁控溅射镀膜，开启离子束轰击源，调整离子束能量为400eV-900eV，轰击辅助沉积一定时间后，形成第三层功能层；

最后，关闭离子束轰击源，开启磁控溅射镀膜，磁控辅助沉积一定时间后，同时关闭磁控溅射镀膜和离子束辅助源。

所述步骤S110中，采用金属除脂溶剂擦拭去除该金属基板表面油脂，采用四氯乙烯试剂浸泡10～20min去除表面残余油脂杂质，采用金属清洗剂在所述超声清洗机中超声清洗10～20min，去除表面有机物残留，然后放置于所述烘干箱中烘干10～20min。

所述步骤S120中，将真空室抽真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa，真空室通入的氩气纯度为99.99％，工作气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa，开启灯丝离子源离子轰击的电压为500V～1000V，轰击时间为20～30min，辉光发电，并同时对金属基板表层加热，对金属基板表面进行真空离子清洗。

溅射电压为400V～500V，溅射电流为1A～2A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^{- 1}Pa，脉冲负偏压为-80V～-100V。

灯丝离子束轰击源放电电流为10-30mA，电压为10kV-30kV，在交替沉积过程中，电压从30kV降至10kV，降幅为每次10kV。灯丝离子辅助源放电电流为10-20mA，电压为500-1000V。

所述辅助沉积的沉积时间为10-15min，所述离子束轰击时间为5-10min。

本发明实施例2中，采用磁控溅射+离子源辅助沉积-离子源轰击复合镀膜方式，通过离子束能量调控技术在材料表面制备WS₂+Ag+Ta新型梯度结构固体自润滑薄膜，沉积速率高，制备时间短，薄膜表面基本不存在大颗粒，膜膜层致密，且耐磨性能好，摩擦系数低，还具有耐腐蚀、抗潮解性能，优于现有技术的二硫化钨固体润滑膜。通过调整负压、溅射电压、溅射电流、离子束源能量等参数控制薄膜的生长，以交替复合方法优化薄膜结构，形成新型梯度结构固体自润滑薄膜提高薄膜性能。本实施例制备的新型梯度结构固体润滑薄膜以100g载荷、500rpm转速室温条件下进行测试，其固体润滑耐磨寿命可达20h，摩擦系数为0.09～0.1，润滑性能良好，显著降低工件表面摩擦系数，并且保持了良好的耐磨损、耐腐蚀、膜层转移能力和抗潮解性能。

实施例3

本发明实施例3提供一种具有梯度结构的固体自润滑膜的制备方法，采用磁控溅射和离子束辅助沉积方法在金属基板材料的表面复合制备出新型结构具有梯度过渡的复合结构固体自润滑膜，可以解决目前现有的二硫化钨制备方法(磁控溅射法)，存在生产效率低，成本高的问题，解决磁控溅射制备二硫化钨膜层是类似石墨的层片状结构、硬度低、滑动过程中易转移或磨损问题，以及离子镀会在工件表面沉积大量大颗粒易导致膜层剥离失效，使得膜层的耐磨性能受到影响，也不能完全满足长寿命固体润滑设备仪器的需要问题。

并且掺杂体系镶嵌的具有梯度结构的复合膜层体系中，掺杂Ag和Ta的WS₂抗磨、抗腐蚀固体润滑膜体系，具有在保持固体润滑性能的同时具有增强，耐磨和抗腐蚀性能，可以满足高真空、高转速、高辐射等耦合工况下的零件的固体润滑实际使用需要。而且随着沿海使用的航空航天部件需要具有固体润滑和耐磨损性能，使用在海洋环境还需要耐腐蚀性能和较高的抗潮解能力。

如图6所示，本发明实施例3所述的制备方法包括如下流程步骤：

步骤W100：对基材进行预处理，去除附着在所述基材表面的油脂、锈点和杂质；

步骤W100中，采用金属除脂溶剂擦拭去除该金属材料的表面油脂，采用四氯乙烯试剂浸泡10～20min去除该金属材料的表面残余油脂杂质，采用金属清洗剂在所述超声清洗机中超声清洗10～20min，去除金属材料表面有机物残留，然后放置于所述烘干箱中烘干10～20min。

具体的，首先采用金属除脂溶剂去金属基体材料上油脂，使其表面不能有油脂，然后将基体材料放入无污染的四氯乙烯中浸泡10～20分钟后取出，再用宣纸吸净残留溶剂后，最后用干净的丝绸进行擦拭；然后接着将经过上述处理过的基体材料放入金属清洗剂中，使用超声清洗机中超声清洗10～20分钟后取出使用干净绸布擦干，擦干时，在材料的光滑表面上沿同一方向进行擦拭，保证其表面没有水渍和杂质残留，同时不使用已经被污染、浸湿的绸布对试件进行擦拭；然后放置于所述烘干箱中烘干10～20分钟。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对采用的金属除脂溶剂和金属清洗剂的具体类型进行选择，例如金属除脂溶剂可以采用市售普通金属除油脂溶剂，成分包括硅酸钠、碳酸钠、氢氧化钠、溶剂水等；清洗用的四氯乙烯为市售普通有机溶剂，也可用其他有机溶剂代替；金属清洗剂可以为是由非离子表面活性剂、有机碱和纯水混合组成的一种环保金属清洗剂。

步骤W200：将预处理后基材放入镀膜装置真空室内，采用灯丝离子源低能离子轰击对基材表面进行真空离子清洗；

该步骤中，是将真空室抽真空，在真空度为3.0×10-4Pa～1.8×10-3Pa条件下，采用灯丝离子源低能离子轰击对基材表面进行真空离子清洗，表面固体润滑膜制备装置气源采用纯度为99.99％的Ar气，真空室通入Ar气使其工作气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa，灯丝离子源低能离子辅助的电压为500V～1000V，进行辉光发电，清洗所述基材表面；

具体的，采用离子源低能离子轰击对基材表面进行真空离子清洗基材表层，并对基材表层加热，轰击处理时间为20～30min。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对负偏压的具体条件进行选择。在实施例3中，灯丝离子源低能离子轰击的负偏压-200V，离子清洗加热效果较好。

步骤W300：对复合Ag+Ta的WS₂靶材，使用磁控溅射+离子束辅助沉积-离子束轰击+离子束辅助沉积方式对金属基材材料表面进行固体润滑膜层复合沉积改性；

该步骤中，使用表面固体润滑膜制备装置对材料表面进行固体润滑膜层复合沉积改性，使用复合Ag+Ta的WS₂靶材，开启磁控溅射和离子辅助源，辅助沉积时间10min～15min；关闭磁控溅射，开启离子束轰击源，调整离子束能量对靶材进行轰击，轰击时间5～10min，多次交替，以磁控溅射+离子束辅助沉积为结束。在本发明实施例3中，交替次数的不同，可以得到具有不同层数功能层且性能优异的新型结构固体润滑膜。

具体的，磁控溅射镀膜的溅射电压为400V～500V，溅射电流为1A～2A，通入纯度为99.99％的Ar气，溅射气压为0.5×10-1Pa～2.0×10-1Pa，脉冲负偏压-80V～-100V。复合Ag+Ta的WS₂靶材中Ag含量5％～10％，Ta含量5％～10％，WS2含量80％～90％。磁控溅射镀膜装置的磁控溅射靶直径为150mm。开启灯丝离子束轰击源，放电电流为10-30mA，电压为10kV-30kV。开启灯丝离子辅助源，放电电流为10-20mA，电压为500-1000V。

在本发明实施例3中，在交替过程中，电压从30kV降至10kV，降幅为每次5kV，交替三次，高能轰击离子束能量为1500eV-2200eV，中能轰击离子束能量为900eV-1500eV，低能轰击离子束能量为400eV-900eV。

需要说明的是，表面固体润滑膜制备装置对材料表面进行固体润滑膜层复合沉积改性交替次数不受限制，本领域技术人员可以根据实际需要对负偏压的具体条件进行选择。

步骤W400：最终在材料表面制备得到复合强化的新型结构固体润滑膜，将材料清洗后烘干并真空密封封存。

在步骤中，将材料清洗后烘干并真空密封封存，是将表面生成新型结构固体润滑膜后的所述金属材料放入酒精溶液中超声清洗机中超声清洗5～10分钟，取出使用干净绸布擦干，然后放置于所述烘干箱中烘干10～20分钟，并将烘干后的上述金属材料用所述真空封装机真空密封封存。

表面处理后的工件表面膜厚均匀、膜层致密，薄膜与基体结合良好，掺杂Ag和Ta的WS₂抗磨、抗腐蚀固体润滑膜体系膜层中复合梯度均匀清晰，未出现明显岛状颗粒，表面光洁度保持较好。如图2所示，为固体自润滑膜的表面扫描电镜示意图。其中，图2(a)为放大100倍电镜扫描图，图2(b)为放大500倍电镜扫描图。

如图3所示，为本发明实施例3的金属材料生成新型结构固体润滑薄膜后的摩擦磨损曲线图。对表面处理后的基材进行表面检测，以100g载荷、500rpm转速室温条件下进行测试，其固体润滑耐磨寿命可达20h，摩擦系数为0.09～0.1，摩擦磨损曲线基本保持稳定、波动较小。

实施例4

本发明实施例4提供一种制备具有多层成分密度不同的梯度结构的固体自润滑膜，具体如下：

首先采用金属除脂溶剂去金属基体材料上油脂，使其表面不能有油脂，然后将基体材料放入无污染的四氯乙烯中浸泡15分钟后取出，再用宣纸吸净残留溶剂后，最后用干净的丝绸进行擦拭；然后接着将经过上述处理过的基体材料放入金属清洗剂中，使用超声清洗机中超声清洗15分钟后取出使用干净绸布擦干，擦干时，在材料的光滑表面上沿同一方向进行擦拭，保证其表面没有水渍和杂质残留，同时不使用已经被污染、浸湿的绸布对试件进行擦拭；然后放置于所述烘干箱中烘干10分钟。

将上述前处理过的金属基体材料放到真空室工装台上，将真空室抽真空，在真空度为3.0×10^-4P条件下，采用灯丝离子源低能离子轰击对基材表面进行真空离子清洗，气源采用纯度为99.99％的Ar气，真空室通入Ar气使其工作气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa，灯丝离子源低能离子轰击的负偏压至-500V，进行辉光发电，清洗所述基材表面。

使用固体润滑膜制备装置对金属基板表面进行固体润滑膜层复合沉积改性，使用复合Ag+Ta的WS₂靶材，其中，靶材中Ag含量5％～10％，Ta含量5％～10％，WS₂含量80％～90％。磁控辅助沉积-轰击辅助沉积交替3次，在交替过程中，电压从30kV降至10kV，降幅为每次5kV，高能轰击离子束能量为1500eV-2200eV，中能轰击离子束能量为900eV-1500eV，低能轰击离子束能量为400eV-900eV。以磁控溅射镀膜沉积为结束，最终在材料表面制备得到复合强化的新型结构固体润滑膜。磁控溅射镀膜运行的溅射电压为500V，溅射电流为1A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa，脉冲负偏压-80V～-100V。灯丝离子辅助源，放电电流为10-20mA，电压为500-1000V。开启灯丝离子束轰击源，放电电流为10-30mA，电压为10kV-30kV。将表面生成新型结构固体润滑膜后的所述金属材料放入酒精溶液中超声清洗机中超声清洗10分钟，取出使用干净绸布擦干，然后放置于所述烘干箱中烘干10分钟，并将烘干后的上述金属材料用所述真空封装机真空密封封存。

综上所述，本发明实施例所述的采用磁控溅射和离子束辅助沉积方法在材料的表面复合制备出新型结构具有梯度过渡的复合结构固体自润滑膜，相较于现有的二硫化钨制备方法(磁控溅射法)，生产效率高，运行成本低；相较于磁控溅射制备的类似石墨的层片状结构、硬度低、滑动过程中易转移或磨损的二硫化钨膜层，硬度更高，滑动过程不易磨损；相较于离子镀不会在工件表面沉积大量大颗粒而导致膜层剥离失效，保证了膜层的长久耐磨性，延长了使用寿命。并且掺杂银元素和钽元素的二硫化钨固体润滑膜体系，具有在保持固体润滑性能的同时具有增强，耐磨和抗腐蚀性能，可以满足高真空、高转速、高辐射等耦合工况下的零件的固体润滑实际使用需要。而且随着沿海使用的航空航天部件需要具有固体润滑和耐磨损性能，使用在海洋环境还需要耐腐蚀性能和较高的抗潮解能力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种具有梯度结构的固体自润滑膜，其特征在于：所述自润滑膜的溅射靶材为混合有银元素和钽元素的二硫化钨，所述自润滑膜包含多层成分密度不同的功能层；所述溅射靶材各成分含量为：银元素含量5％～10％，钽元素含量5％～10％，二硫化钨含量80％～90％。

2.根据权利要求1所述的具有梯度结构的固体自润滑膜，其特征在于：所述固体自润滑膜的厚度为50-200nm。

3.一种具有梯度结构的固体自润滑膜制备方法，其特征在于，包括如下流程步骤：

步骤S110：对金属基板进行预处理，去除表面的油脂、锈点和杂质；

步骤S120：将预处理后的金属基板放入真空室内，对金属基板表面进行真空离子清洗；

步骤S130：开启磁控溅射和离子束辅助源，对金属基板表面进行磁控溅射辅助沉积一定时间；

关闭磁控溅射，开启离子束轰击源，对靶材进行离子束轰击一定时间后，形成一层功能层；

经多次磁控溅射辅助沉积和离子束轰击交替后，以磁控溅射辅助沉积结束，在金属基板表面形成所述具有梯度结构的固体自润滑膜；其中，离子束辅助源始终开启，离子束辅助源的离子束能量保持不变，每一次离子束轰击时，离子束能量均不同。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S130中，经3次辅助沉积和离子束轰击交替，形成了具有3层功能层的所述固体自润滑膜；其中，

开启磁控溅射和离子束辅助源，所述离子束辅助源的离子束能量为50eV-300eV，对金属基板表面进行磁控溅射辅助沉积，辅助沉积一定时间后，关闭磁控溅射，开启离子束轰击源，调整离子束轰击源离子束能量至1500eV-2200eV，对靶材表面进行离子轰击，轰击一定时间后，在金属基板上形成第一层功能层；

关闭离子束轰击源，开启磁控溅射，辅助沉积一定时间后，关闭磁控溅射，再次开启离子束轰击源，调整离子束轰击源的离子束能量为900eV-1500eV，轰击一定时间后，形成第二层功能层；

关闭离子束轰击源，开启磁控溅射，辅助沉积一定时间后，关闭磁控溅射，再次开启离子束轰击源，调整离子束轰击源的离子束能量为400eV-900eV，轰击一定时间后，形成第三层功能层；

最后，关闭离子束轰击源，开启磁控溅射镀膜，辅助沉积一定时间后，同时关闭磁控溅射和离子束辅助源。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S110中，采用金属除脂溶剂擦拭去除该金属基板表面油脂，采用四氯乙烯试剂浸泡10～20min去除表面残余油脂杂质，采用金属清洗剂在所述超声清洗机中超声清洗10～20min，去除表面有机物残留，然后放置于所述烘干箱中烘干10～20min。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤S120中，真空室抽真空度为3.0×10^-4Pa～1.8×10^-3Pa，真空室通入的氩气纯度为99.99％，工作气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^{- 1}Pa，离子束辅助源的电压为500V～1000V，放电电流为10-20mA，轰击时间为20～30min，辉光发电，并同时对金属基板表层加热，对金属基板表面进行真空离子清洗。

7.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，磁控溅射的溅射电压为400V～500V，溅射电流为1A～2A，溅射气压为0.5×10^-1Pa～2.0×10^-1Pa，脉冲负偏压为-80V～-100V。

8.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，在交替沉积过程中，离子束轰击源放电电流为10-30mA，电压为10kV-30kV，离子束轰击源电压从30kV降至10kV，降幅为每次10kV；离子束辅助源的电压为500V～1000V，放电电流为10-20mA。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述磁控溅射沉积的时间为10-15min，所述离子束轰击的时间为5-10min。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将表面生成了所述固体自润滑膜的金属基板清洗后烘干并真空密封封存；包括，将所述金属基板放入酒精溶液中在超声清洗机中超声清洗5～10min，然后放置于烘干箱中烘干10～20min，烘干后用真空封装机真空密封封存。

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