CN112030121A

CN112030121A - 宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜、其制备方法及应用

Info

Publication number: CN112030121A
Application number: CN201910476391.7A
Authority: CN
Inventors: 蒲吉斌; 钱建国; 王立平; 王海新; 蔡召兵; 毛春龙; 陈善俊; 毛金根
Original assignee: Jiangsu Jinshengyuan Special Valve Co ltd; Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Jiangsu Jinshengyuan Special Valve Co ltd; Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2039-06-03
Also published as: CN112030121B

Abstract

本发明公开了一种宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜、其制备方法及应用。所述复合薄膜包括依次形成在基体上的Mo过渡层以及MoN与C共掺层，所述共掺层由非晶碳相及多晶纳米晶相组成，所述多晶纳米晶相包括MoN、Mo₂N和MoC。所述复合薄膜内C原子含量为10.36at.％～23.4at.％。本发明的所述复合薄膜具有良好的膜基结合力、较大的硬度及弹性模量，在保证常温摩擦系数较低的同时具有高温下自润滑特性，在宽温域的摩擦工况下具有很好的应用价值，例如可以应用于在高温条件下工作的装置或工件。同时，本发明提供的制备所述复合薄膜的工艺易于实施，可控性好，利于规模化生产。

Description

宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种减摩耐磨涂层，具体涉及一种宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜及其制备方法，所述复合薄膜可用于宽温域环境下服役的基体表面，属于基体表面处理技术领域。

背景技术

随着航空航天技术的快速发展，从室温到高温具有自适应低摩擦性能的薄膜成为国内外航空发动机固体润滑材料领域的研究热点。然而，对于宽温域环境下的摩擦，单一润滑相润滑材料(例如：MoS₂、DLC等)难以同时满足从室温到高温的低摩擦系数和低磨损率，导致部件在宽温域环境下摩擦系数不稳定，磨损率较高等问题，严重降低了高温部件的可靠性和服役寿命；此外，氮化物作为一种硬质基础相，具有高硬度、高耐磨性及热稳定性强等特性被广泛应用于各种工况下，但是，在常温摩擦条件下，摩擦系数依然相对较高。作为高温摩擦部件，较低的摩擦系数及磨损率能够显著提高部件的使役寿命和运行稳定性。因此，开展宽温域环境下低摩擦磨损的复合薄膜研究具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜，其在宽温域环境下具有长寿命、良好的减摩耐磨性能，以克服现有技术的不足。

本发明的另一目的在于提供一种制备所述宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜的方法。

本发明的又一目的在于提供一种所述宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜的用途。

为实现前述发明目的，本发明采用了如下技术方案。

本发明实施例提供了一种宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜，其包括依次形成在基体上的Mo过渡层以及MoCN层，所述MoCN层由非晶碳相及多晶纳米晶相组成，其中非晶碳相的含量为10.6at.％～18.7at.％，所述多晶纳米晶相包括24.6at.％～26.2at.％MoN、38.2at.％～42.6at.％Mo₂N和18.5at.％～20.6at.％MoC，且所述多晶纳米晶相的晶粒大小为5.8～12.6nm。

进一步的，所述复合薄膜含有10.36at.％～23.4at.％的C原子。

本发明实施例还提供了一种宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜的制备方法，其包括：采用磁控溅射技术在基体上依次沉积Mo过渡层以及MoCN层，形成所述复合薄膜。

进一步的，所述的制备方法具体包括：将基体置入镀膜设备中，并设置Mo靶溅射电流为5～5.2A、偏压为70～100V、工作气压为0.1-1.0Pa、转架转速为3～5rpm、沉积时间为600～800s，从而在基体沉积Mo过渡层，之后通入反应气体N₂，且使N₂流量保持在60～65sccm，Ar流量保持在30～35sccm，C靶电流为1A～2.5A、偏压为70～100V，沉积时间18000～20000s，在Mo过渡层上沉积形成MoCN层，获得所述复合薄膜。

进一步的，前述基体的材料不限，其可以是耐高温的金属材料，例如不锈钢、高温合金等。本发明实施例还提供了一种装置，包括所述的宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜。

较之现有技术，本发明提供的宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜具有较高的硬度及弹性模量，在保证常温摩擦系数较低的同时具有高温下自润滑特性，可用于宽温域的摩擦工况下，具有很好的应用价值，同时，本发明提供的所述复合薄膜的制备工艺易于实施，可控性好，利于规模化生产。

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示出了本发明实施例1制得的一种MoCN复合薄膜截面的透射高分辨照片。

图2A-图2D示出了本发明实施例1制得的多种MoCN复合薄膜的截面形貌。

图3示出了本发明实施例1制得的多种MoCN复合薄膜的常温大气环境下的摩擦系数和磨损率。

图4示出了本发明实施例1制得的多种MoCN复合薄膜的硬度及弹性模量。

图5示出了本发明实施例1制得的MoCN-1A复合薄膜高温下的摩擦系数曲线。

具体实施方式

本发明实施例的一个方面提供的一种宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜包括依次形成在基体上的Mo过渡层以及MoCN层，所述MoCN层由非晶碳相及多晶纳米晶相组成，所述多晶纳米晶相包括MoN、Mo₂N和MoC。

进一步的，所述MoCN层中非晶碳相的含量为10.6at.％～18.7at.％。

进一步的，所述多晶纳米晶相包括24.6at.％～26.2at.％MoN、38.2at.％～42.6at.％Mo₂N和18.5at.％～20.6at.％MoC。

进一步的，所述多晶纳米晶相的晶粒大小为5.8～12.6nm。

本发明实施例的所述MoCN复合薄膜利用C在常温下的低摩擦特性，同时利用氮化钼基能够在高温下形成具有润滑效果的钼氧化物的特性，在宽温域内具有显著提升的摩擦学性能，而且掺杂的C与氮化钼基这两者协同作用，还可使薄膜形貌更致密、表面粗糙度值更低、硬度值更高，以及从其它多个方面改善薄膜的力学性能，进一步增强薄膜耐磨性。进一步的，所述复合薄膜含有10.36at.％～23.4at.％的C原子，例如可以为10.36at.％,13.36at.％,15.92at.％或23.4at.％，进一步优选为10.36～12.48at.％。

进一步的，所述Mo过渡层的厚度为130～150nm。

进一步的，所述MoCN层的厚度为2.98～3.04μm。

进一步的，所述基体的材料包括但不限于316不锈钢、718合金等高温部件材料。

进一步的，所述复合薄膜在常温大气环境下的摩擦系数为0.23～0.26，在500℃～700℃环境下的摩擦系数为0.38～0.44。

进一步的，所述复合薄膜的最大硬度值为28.9±4.24GPa。

本发明实施例的另一个方面提供的一种制备所述宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜的方法包括：采用磁控溅射技术在基体上依次沉积Mo过渡层以及MoCN层，形成所述复合薄膜。进一步的，所述的制备方法具体包括：将基体置入镀膜设备中，并设置Mo靶溅射电流为5～5.2A、偏压为70～100V、工作气压为0.1-1.0Pa、转架转速为3～5rpm、沉积时间为600～800s，从而在基体沉积Mo过渡层，之后通入反应气体N₂，且使N₂流量保持在60～65sccm，Ar流量保持在30～35sccm，C靶电流为1A～2.5A、偏压为70～100V，沉积时间18000～20000s，在Mo过渡层上沉积形成MoCN层，获得所述复合薄膜。

进一步的，所述的制备方法还可包括：依次对基体表面进行清洗、等离子刻蚀处理，之后在所述基体上依次沉积Mo过渡层以及MoCN层。

进一步的，所述等离子体刻蚀是在气压小于或等于3×10^-5Pa的真空环境中进行的。

进一步的，所述磁控溅射技术为非平衡磁控溅射技术。

在本发明的一些较为具体的实施方案中，一种制备所述宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜的方法包括：采用非平衡磁控溅射技术，选用Mo靶和C靶，以高纯N₂作为反应气体，高纯Ar作为溅射气体，在清洗后的基体表面沉积MoCN复合薄膜。其中采用的具体沉积过程为：

(1)Mo靶溅射电流为5～5.2A，偏压70～100V，Ar流量稳定在30～35sccm，转架转速为3～5rpm，沉积时间为600～800s，在基体表面沉积Mo过渡层；

(2)通入反应气体N₂，且N₂流量保持在60～65sccm，Ar流量保持在30～35sccm，C靶电流分别为1A、1.5A、2A、2.5A，偏压为70～100V，沉积时间为18000～20000s，在Mo过渡层上沉积MoCN层。

进一步的，可以首先在清洗后的基体表面进行等离子刻蚀，然后沉积Mo过渡层，最后沉积MoCN层。

进一步，在进行所述等离子刻蚀之前，可以预先将真空室抽至预定真空度，例如3×10^-5Pa以下，再进行等离子刻蚀一段时间，例如30分钟左右，以除去基体表面的氧化层和污染物。

在本发明的前述实施例中，通过调控所述复合薄膜内的C元素含量，从而调控所述复合薄膜的硬度和摩擦磨损性能。

进一步的，所述基体的材质包括但不限于不锈钢、高温合金，例如316不锈钢、718合金TC4等。

本发明实施例的另一个方面提供了一种装置，其包括前述的任一种宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜。

所述的装置可以是多种在高温环境中应用的工件或设备，例如航空发动机中的高温滑动部件，但不限于此。

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。在如下的实施例中，所采用的各类设备及原料均是可以通过市售等途径获取。其中采用的产品性能测试方法如下：

(a)摩擦磨损测试

采用CSM高温摩擦磨损试验机对本发明MoCN复合薄膜在常温大气、高温(500℃、700℃)环境下的摩擦系数和磨损率进行评价，具体实验条件为：采用球—盘旋转滑动方式，摩擦对偶球为直径为6mm的Al₂O₃球，旋转半径为5mm，线速度为10.49cm/s，加载力为2N，摩擦时间为3600s。

(b)力学性能测试

采用MTS NanoIndenter G200纳米压痕仪系统测试本发明MoCN复合薄膜的硬度及弹性模量，具体实验条件为：压入深度为200nm，压入六个点后取平均值。

实施例1：

本实施例中，基体材料为316不锈钢、718合金、单晶Si。采用非平衡磁控溅射技术，在基体表面制备宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜，主要包括如下步骤：

(1)基体表面清洗

对基体进行机械磨抛处理，分别用丙酮和酒精进行超声清洗3次，每次超声15min，最后用氮气吹干。

(2)靶材及腔体清洗

将转架推入磁控溅射真空室中，预抽真空至5×10^-4Pa以下，Mo靶和C靶电流均为0.3A，控制Ar流量W为30sccm，转架转速为3rpm，腔体偏压为400V，洗靶时间为1800s。

(3)磁控溅射沉积Mo过渡层

将步骤(1)处理后的基体安装与转架上并置于磁控溅射真空室中，预抽真空至3×10^-5Pa以下，溅射气体Ar流量稳定在30sccm进行辉光放电，Mo靶的电流为5A，基体偏压为70V，沉积时间600s，转架转速为3～5rpm，制备130nm的Mo过渡层。

(4)磁控溅射沉积MoCN复合薄膜

腔体中充入高纯反应气体N₂(纯度为99.99at.％)，流量设定为65sccm，采用Mo靶(纯度为99.99at.％)与C靶(纯度为99.99at.％)，Mo靶电流为5A，调控C靶电流分别为1A、1.5A、2A及2.5A，在过渡层表面沉积MoCN复合薄膜，沉积时间为18000s，制得4组不同C含量MoCN复合薄膜，样品编号MoCN-1A、MoCN-1.5A、MoCN-2A及MoCN-2.5A。具体参数如表1所示。

表1：C靶电流分别为1A、1.5A、2A及2.5A时MoCN复合薄膜样品的参数表

实施例2该实施例与实施例1基本相同，区别在于：

在步骤(3)中，采用的Mo靶溅射电流为5.2A，偏压为100V，Ar流量稳定在35sccm，转架转速为3～5rpm，沉积时间800s。

实施例3该实施例与实施例1基本相同，区别在于：

在步骤(4)中，采用的N₂流量保持在60sccm，Ar流量保持在30～35sccm，C靶电流分别为2.5A左右，偏压为70～100V，沉积时间20000～20000s。

对前述实施例1制取的一系列MoCN复合薄膜样品进行测试，可以发现，这些样品在常温大气环境下的摩擦系数稳定保持在0.23～0.26，使用ASTQ型表面轮廓仪测量磨痕截面轮廓，通过对轮廓截面进行积分求得磨痕轮廓积分面积，乘运行步长得到薄膜的磨损率，计算磨损率大约在0.59×10^-7mm³N^-1m^-1，相对于纯的MoN薄膜表现出常温大气下更优异的摩擦学性能；同时，这些样品在高温(500℃、700℃)环境下的摩擦系数稳定保持在0.38～0.44。另外，对这些样品的力学性能进行测试，可以发现不同C原子含量的样品的最大硬度值为28.9±4.24GPa，膜基结合力最大为15N左右。

进一步的，前述样品的一些形貌及性能测试结果还可参阅图2-图5，详情如下：

图1是上述制得的MoCN复合薄膜的截面透射高分辨图，可以看出，掺杂碳以后在复合薄膜中形成了非晶碳区域，另外，通过量取晶面间距可以发现复合薄膜中含有MoN和Mo₂N相。

图2A-图2D是上述制得的多个MoCN复合薄膜的截面形貌，可以看出，这些复合薄膜均呈现出明显的柱状晶结构，且截面致密无孔洞。

图3是上述制得的MoCN复合薄膜在常温大气环境下的摩擦系数及磨损率图。从图3可以看出，随着C原子含量的增加，常温下的摩擦系数及磨损率单调增加，C原子含量为10.36at％时复合薄膜的摩擦系数值及磨损率值最低。

图4是上述制得的MoCN复合薄膜在常温大气环境下的摩擦系数及磨损率图。从图4可以看出，C原子含量为10.36at％时复合薄膜相对与其他C原子含量的复合薄膜拥有较大的硬度和弹性模量值，表现出优异的力学性能。

图5是上述制得的MoCN复合薄膜在常温大气环境下的摩擦系数及磨损率图。从图5可以看出，MoCN-1A复合薄膜在宽温域范围内摩擦系数稳定在0.25-0.44之间，可满足宽温域工况下的摩擦磨损要求。

可以看到，本发明前述实施例制得的宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜均具有良好的力学性能、摩擦磨损性能。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应该理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜，其特征在于包括依次形成在基体上的Mo过渡层以及MoN与C共掺层，所述共掺层由非晶碳相及多晶纳米晶相组成，其中非晶碳相的含量为10.6at.％～18.7at.％，所述多晶纳米晶相包括24.6at.％～26.2at.％MoN、38.2at.％～42.6at.％Mo₂N和18.5at.％～20.6at.％MoC，且所述多晶纳米晶相的晶粒大小为5.8～12.6nm。

2.如权利要求1所述的宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜，其特征在于：所述复合薄膜含有10.36at.％～23.4at.％的C原子；和/或，所述Mo过渡层的厚度为130～150nm；和/或，所述MoCN层的厚度为2.98～3.04um；和/或，所述复合薄膜在常温大气环境下的摩擦系数为0.23～0.26，在500℃～700℃环境下的摩擦系数为0.38～0.44；和/或，所述复合薄膜的最大硬度值为28.9±4.24GPa。

3.如权利要求1所述的宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜，其特征在于：所述复合薄膜含有10.36at.％～12.48at.％的C原子。

4.一种宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜的制备方法，其特征在于包括：采用磁控溅射技术在基体上依次沉积Mo过渡层以及MoCN层，形成所述复合薄膜。

5.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于具体包括：将基体置入镀膜设备中，并设置Mo靶溅射电流为5～5.2A、偏压为70～100V、工作气压为0.1-1.0Pa、转架转速为3～5rpm、沉积时间为600～800s，从而在基体沉积Mo过渡层，之后通入反应气体N₂，且使N₂流量保持在60～65sccm，Ar流量保持在30～35sccm，C靶电流为1A～2.5A、偏压为70～100V，沉积时间为18000～20000s，在Mo过渡层上沉积形成MoCN层，获得所述复合薄膜。

6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于还包括：依次对基体表面进行清洗、等离子刻蚀处理，之后在所述基体上依次沉积Mo过渡层以及MoCN层。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述等离子体刻蚀是在气压小于或等于3×10^-5Pa的真空环境中进行的。

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耐高温的金属材料。

9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射技术为非平衡磁控溅射技术。

10.一种装置，包括权利要求1-3中任一项所述的宽温域减摩耐磨MoCN复合薄膜。