CN112481591B - 自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层及其制法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层及其制法与应用。所述功能防护涂层包括依次形成于金属基体表面的金属M过渡层和多层功能层，所述多层功能层包括交替层叠设置的Ag层和复合材料层，且所述多层功能层的最外层为复合材料层，所述复合材料层包括非晶碳相以及硬质纳米金属化合物相，所述硬质纳米金属化合物相均匀分布于非晶碳相中，所述硬质纳米金属化合物相包含M元素和C元素，其中，M选自Ta和/或V。本发明制备的自适应高低温循环低摩擦多层涂层具有低摩擦系数、耐磨耐腐蚀等优异性能，且制备工艺简单可控，成本低廉，在航空发动机的篦齿密封和刷式密封件、深海高压零部件等金属表面防护方面具有潜在的应用前景。

Description

自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层及其制法与应用
技术领域
本发明属于表面防护技术领域，具体涉及一种自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层及其制法与应用。
背景技术
航空发动机是航空机器的动力枢纽，更是航空航天设备的心脏。我国在航空发动机方面投入了大量的研究，但是与发达国家的技术有着较大得差距。性能、寿命和工作可靠性是航空发动机的关键指标，现代航空发动机中存在大量的运动部件，而磨损是造成部件性能和可靠性下降并影响其寿命的重要原因。发动机的许多运动部件工作在高温状态下，高温会引发表面氧化，而氧化会导致部件耐磨性能下降，进而加剧摩擦副的磨损，而磨损反过来也会加剧材料表面的氧化，这种机械化学耦合作用会严重影响航空发动机的可靠性及寿命，利用表面防护技术对密封件的防护至关重要。目前不论是材料体系，亦或是一些润滑机理，高低温循环低摩擦都较难实现。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层及其制法与应用，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自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，其包括依次形成于金属基体表面的金属M过渡层和多层功能层(Ag/MC@a-C多层功能层)，所述多层功能层包括交替层叠设置的Ag层和复合材料层(MC@a-C层)，且所述多层功能层的最外层为复合材料层(MC@a-C层)，所述复合材料层(MC@a-C层)包括非晶碳相以及硬质纳米金属化合物相，所述硬质纳米金属化合物相均匀分布于非晶碳相中，所述硬质纳米金属化合物相包含M元素和C元素，其中，M选自Ta和/或V。
本发明实施例还提供了前述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的制备方法，其包括：
提供金属基体，
采用磁控溅射技术，在所述金属基体表面依次沉积金属M过渡层和Ag/MC@a-C多层功能层，直至形成所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，其中，M选自Ta和/或V。
本发明实施例还提供了前述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层于金属基体表面防护领域的用途。
本发明实施例还提供了一种装置，包括金属基体，所述金属基体表面还设置有前述的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用磁控溅射技术制备的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，将硬质纳米金属化合物相(简称硬质相)均匀分布在非晶碳相中，通过调整M靶材功率调配涂层中硬质相与非晶碳相之间的合理配比，使得涂层具有良好的强韧性配比；随着外部环境发生变化，涂层能适应环境并做出一定的调整；在深海高压摩擦环境下，在表面层能提供较高的摩擦学性能之外，过渡层在应力诱导下发生相变，增强韧性；在高温摩擦环境下，Ag会自发扩散至表面，通过高温摩擦化学反应原位形成MOx(亚化学计量物)和双金属氧化物MxAgyOn，Ag、MOx、MxAgyOn协同润滑；多层结构Ag在表面不断被摩擦损耗的过程中，可以通过自扩散不断往表面填充，降摩减磨，即自适应自组装核壳状宽温域低摩擦；在高低温循环交变情况下，Ag扩散至表面自组装成仿生核壳包覆结构(非晶碳相C包裹Ag)，将部分C保留下来，在高低温循环交变作用时，软质相Ag和C可以继续发挥作用；
(2)本发明提供的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层具有低摩擦系数、耐磨耐腐蚀等优异性能，且制备工艺简单可控，成本低，在航空发动机的篦齿密封和刷式密封件、深海高压摩擦等金属表面防护方面具有潜在的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请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是本发明实施例1中制备的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的宽温域摩擦系数图；
图2是本发明实施例2中制备的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的FIB截面图；
图3a-3b是本发明实施例2中制备的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的拉曼图；
图4是本发明实施例2中制备的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的XRD图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要综合Ta等金属的优异力学性能和高温抗氧化和摩擦学性能、Ag的抑菌抗贴附性能及高温摩擦学性能、PVD涂层技术和非晶碳相的良好减磨润滑作用，利用磁控溅射技术制备硬质纳米复合涂层对航空发动机的篦齿密封和刷式密封件、深海高压下零部件进行防护。
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
本发明实施例的一个方面提供了一种自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，其包括依次形成于金属基体表面的金属M过渡层和多层功能层(Ag/MC@a-C多层功能层)，所述多层功能层包括交替层叠设置的Ag层和复合材料层(MC@a-C层)，且所述多层功能层的最外层为复合材料层(MC@a-C层)，所述复合材料层(MC@a-C层)包括非晶碳相以及硬质纳米金属化合物相，所述硬质纳米金属化合物相均匀分布于非晶碳相中，所述硬质纳米金属化合物相包含M元素和C元素，其中，M选自Ta和/或V(在高温下易形成高离子势亚化学计量氧化物)。
进一步的，所述Ag层和MC@a-C层交替层叠的周期为60～300次。
进一步的，所述MC@a-C层与Ag层的厚度比为15～20:1。
进一步的，所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的厚度为2～5μm。
进一步的，所述金属M过渡层的厚度为20～100nm。
进一步的，所述MC@a-C层的厚度为10～900nm。
进一步的，所述Ag层的厚度为1～10nm。
进一步的，所述MC@a-C层中硬质纳米金属化合物相的径向尺寸为2～10nm。
进一步的，所述MC@a-C层中硬质纳米金属化合物相与非晶碳相的面积比为0.6～1:1。
进一步的，所述硬质纳米金属化合物相包括金属碳化物MC，其中，M选自Ta和/或V。
进一步的，所述MC@a-C层中M与碳的原子比为1:2.5～1:4.2。
进一步的，所述功能防护涂层中碳元素的含量为40～60wt％。
进一步的，所述功能防护涂层与氧化铝对磨时，室温下的摩擦系数为0.1～0.3，400℃下的摩擦系数为0.2～0.3，650℃下的摩擦系数为0.2～0.3。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的制备方法，其包括：
提供金属基体，
采用磁控溅射技术，在所述金属基体表面依次沉积金属M过渡层和Ag/MC@a-C多层功能层，直至形成所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，其中，M选自Ta和/或V。
在一些较为具体的实施方案中，沉积形成所述金属M过渡层的方法具体包括：将金属基体置于反应腔体中，采用磁控溅射技术，以金属M靶为靶材，以保护性气体为工作气体，对金属基体施加偏压，从而在金属基体表面沉积形成所述金属M过渡层，其中，金属M靶的靶功率为9W～40W，工作温度为200℃～300℃，偏压为-60V～-100V，保护性气体流量为30sccm～90sccm，保护性气体压强为0.1～0.7Pa，沉积时间为2～10min。
在一些较为具体的实施方案中，沉积形成所述Ag层的方法具体包括：采用磁控溅射技术，以Ag靶为靶材，以保护性气体为工作气体，对金属基体施加偏压，从而沉积形成所述Ag层，其中，Ag靶的靶功率为10W～20W，工作温度为200℃～300℃，偏压为-60V～-100V，保护性气体流量为30sccm～90sccm，保护性气体压强为0.1～0.7Pa，金属基体下方的转盘转速为10～20rpm，单层的Ag层沉积时间为1～5min。
在一些较为具体的实施方案中，沉积形成所述MC@a-C层的方法具体包括：采用磁控溅射技术，以石墨靶和金属M靶为靶材，以保护性气体为工作气体，对金属基体施加偏压，从而沉积形成所述MC@a-C层，其中，金属M靶的靶功率为9W～40W，石墨靶的功率为80～120W，工作温度为200℃～300℃，偏压为-60V～-100V，保护性气体流量为30sccm～90sccm，保护性气体压强为0.1～0.7Pa，金属基体下方的转盘转速为10～20rpm，单层的MC@a-C层沉积时间为2～8min。
进一步的，所述Ag/MC@a-C多层功能层包括交替层叠设置的Ag层和MC@a-C层。
进一步的，所述Ag/MC@a-C多层功能层的总沉积时间为1.5～5h。
进一步的，所述Ag层和MC@a-C层交替层叠沉积。
进一步的，所述保护性气体包括惰性气体，优选为氩气。
进一步的，所述M靶的靶材纯度为99.99at％。
进一步的，所述Ag靶的靶材纯度为99.9at％。
进一步的，所述金属基体的材质包括钛合金或硅，且不限于此。
进一步的，在沉积形成所述MC@a-C层的过程中，至少通过控制M靶的靶材功率，实现对Ag/MC@a-C层中相组分的调控。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法包括：先对金属基体表面进行预处理，之后对M靶和Ag靶进行溅射清洗，以及对预处理后的金属基体进行离子刻蚀处理，然后采用磁控溅射技术在金属基体表面沉积所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层。
进一步的，所述预处理包括对金属基体表面清理处理和/或喷砂处理；尤其优选的，所述表面清理处理包括以砂纸对所述金属基体表面进行打磨处理，之后进行超声清洗。
进一步的，所述溅射清洗包括采用挡板对反应腔体进行阻隔。
更进一步的，所述溅射清洗的时间为5～10min。
更进一步的，所述溅射清洗的工作气体为惰性气体，优选为氩气。
在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法包括：将预处理后的金属基体置于反应腔体中，抽真空至4×10-5～9×10-5Pa，并将反应腔体温度升至200～300℃。
在一些更为具体的实施方案中，所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的制备方法包括：
采用磁控溅射技术，沉积主要层时，以M靶和Ag靶为靶材，以保护性气体、烃类气体为工作气体，对金属基体施加负偏压；沉积交替层时，对银靶施加一定的靶功率，工作气体为保护性气体，与之前的涂层交替，沉积形成所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，其中，M选自Ta和/或V。
进一步的，所述制备方法包括：将金属基体如零部件置于真空镀膜设备腔体中，采用磁控溅射技术在所述零部件上沉积所述多层涂层。
进一步的，所述磁控溅射技术采用的工艺条件包括：反应腔体内真空度为1×10-5～9×10-5Pa，施加于所述M靶(Φ60*3mm)上的靶功率为9～40W，施加于所述Ag靶上的靶功率为10～20W，石墨靶的功率为80～120W，沉积偏压为-60V～-100V，反应腔体的温度为200℃～300℃，保护性气体初始流量为30sccm～90sccm，范围在0.1～0.7Pa，烃类气体流量为30sccm～70sccm，转盘转速为10rpm～20rpm，MC@a-C层的沉积时间为2～8min，Ag层的沉积时间为1～5min，转速为10～20rpm。
进一步的，所述制备方法包括：在沉积形成所述多层涂层的过程中，至少通过控制保护性气体与烃类气体的流量、转盘转速及沉积时间。
作为优选，所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的制备步骤包括：
(1)对待镀的零部件表面进行预处理；
(2)将预处理后的零部件放入腔体，抽真空，真空度到(4～9)×10-5Pa，同时进行加热，加热温度为200～300℃，高纯Ar为惰性保护及工作气体；
(3)靶材溅射和零部件刻蚀，溅射清洗靶材5～10min，对零部件进行离子刻蚀15～25min；
(4)制备沉积多层涂层，采用金属靶(纯度99.9at.％)，气体高纯惰性气体以及烃类气体，通过调控涂层中硬质相与非晶相的合理配比，实现自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层良好的强韧性配比。
本发明中，所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层包括依次形成于金属基体表面的金属M过渡层和Ag/MC@a-C多层功能层，所述Ag/MC@a-C多层功能层包括交替层叠的Ag层和MC@a-C层，所述MC@a-C层包括非晶碳相以及硬质纳米金属化合物相，所述硬质纳米金属化合物相的球形形状因子较大，呈无板条状，均匀的交错分布于非晶碳相中，Ag层和MC@a-C层由于超晶格效应，会带来巨大的韧性和硬度(30～42Gpa)的提升，Ag层与MC@a-C层的界面会阻碍位错的运动，从而带来硬度的提升，非晶碳相与硬质纳米金属化合物相的界面有效阻碍裂纹萌生和扩展，较薄的Ag层作为软金属Ag层，在受外力变形时可以作为缓冲层有效提升涂层韧性；另一方面，Ag靶在溅射时，Ag层作为一个Ag储备库，在一定沉积温度下Ag必须通过MC@a-C层扩散至表面，主要层中也会有少量Ag较为均匀地分布在MC@a-C层，这样在摩擦时Ag能表面快速做出反应，随着摩擦的不断进行，Ag不断补充，这种结构设计和沉积条件有利于Ag在摩擦时快速做出反应和Ag储备库的缓慢释放，此外，涂层的导热性能也会有显著提升。低温时，最外层中的非晶碳相为主要润滑相，一方面硬质陶瓷相作为硬质耐磨相提升耐磨性，另一方面涂层超高的强韧性配比在与摩擦副对偶摩擦时，能有效抵抗外来应力而产生的形变，实现良好的耐磨减摩。随着温度的升高，碳化物被氧化，根据Gibbs–Thomson方程和Ostwald熟化理论，Ag会自扩散至表面形成纳米团簇，并且通过摩擦化学反应原位形成AgMO3，这几种物质在涂层表面协同降摩减磨。Ag催化非晶碳相在其周围形成润滑效果更好的石墨结构，在Ag团簇周围形成核壳状结构，将非晶碳相作为润滑相保存下来，在下周次高低温循环摩擦时具有更低的摩擦系数。
本发明中，自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层由于M金属过渡层的存在，在外力诱导作用下发生相变，涂层的韧性提升；通过合理调配涂层中C/M的原子比，将比值控制在3～4，可以将摩擦系数控制在0.1～0.3，这种在外力诱导作用下发生相变的自适应低摩擦涂层为深海高压环境下摩擦的表面防护提供可能；此外，M金属过渡层作为金属基体与涂层之间的过渡层，还有基于一个考虑，在高温环境下，可以阻隔Ag往金属基体处扩散，在涂层内部的Ag可以最大程度的有效利用起来；同时本发明的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，在低温下，无定型碳膜中的sp2杂化碳发挥润滑作用，sp3杂化碳提供硬质支撑，在摩擦系数为0.05～0.3的情况下，可以保证其耐磨性。随着温度不断升高，涂层内部Ag自发往表面扩散，通过摩擦化学反应原位形成MOx(亚化学计量物)和双金属氧化物MxAgyOn，在Ag、MOx、MxAgyOn协同润滑作用下，有望实现摩擦系数在0.2～0.3。温度继续升高，Ag扩散至表面自组装成仿生核壳包覆结构(非晶碳C包裹Ag)，将部分C保留下来，在高低温循环交变作用时，软质相Ag和C可以继续发挥作用；另一方面，多层结构Ag在表面不断被摩擦损耗的过程中，可以通过自扩散不断往表面填充，降摩减磨，即自适应自组装核壳状宽温域低摩擦。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层于金属基体表面防护领域的用途。
进一步的，所述金属基体包括涡扇发动机压气机的篦齿或涡扇发动机压气机的刷式密封件。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种装置，包括金属基体，所述金属基体表面设置有前述的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层。
本发明采用磁控溅射技术制备所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，将硬质相均匀分布在非晶碳相中，通过调整M靶材功率调配涂层中硬质相与非晶碳相之间的合理配比，使得涂层具有良好的强韧性配比；本发明提供的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层具有低摩擦系数、耐磨耐腐蚀等优异性能，且制备工艺简单可控，成本低，在航空发动机的篦齿密封和刷式密封件、深海高压零部件等金属表面防护方面具有潜在的应用前景。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。
实施例1
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，用石油醚清洗表面油污，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min；
(2)将清洗好的试样装镀膜设备真空腔体，抽真空至4×10-5Pa，并将腔体加热至270℃；
(3)对靶材进行溅射清洗5min；
(4)制备沉积自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层：
采用磁控溅射技术，以金属Ta靶为靶材，以氩气工作气体，对基体施加偏压，从而在基体表面沉积形成所述金属Ta过渡层，其中，金属Ta靶的靶功率为9W，工作温度为270℃，氩气流量为50sccm，沉积时间为4min；
采用磁控溅射技术，以Ag靶为靶材，以氩气为工作气体，对基体施加偏压，从而沉积形成所述Ag层，其中，Ag靶的靶功率为15W，工作温度为270℃，氩气流量为50sccm，基体下方的转盘转速为20rpm，沉积时间为2min；
采用磁控溅射技术，以石墨靶和金属Ta靶为靶材，以氩气为工作气体，对基体施加偏压，从而沉积形成所述TaC@a-C层，其中，金属Ta靶的靶功率为9W，石墨靶的功率为80W，工作温度为270℃，氩气流量为50sccm，基体下方的转盘转速为2～5rpm，沉积时间为3min；
重复上述沉积Ag层和TaC@a-C层的步骤100次，制得自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层。
性能表征：图1为本实施例制备的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的宽温域摩擦系数。
实施例2
(1)对待镀的硅试样表面进行机械磨抛处理，用石油醚清洗表面油污，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min；
(2)将清洗好的试样装镀膜设备真空腔体，抽真空至7×10-5Pa，并将腔体加热至200℃；
(3)对靶材进行溅射清洗5min；
(4)制备沉积自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层：
采用磁控溅射技术，以金属Ta靶为靶材，以氩气工作气体，对基体施加偏压，从而在基体表面沉积形成所述金属Ta过渡层，其中，金属Ta靶的靶功率为24W，工作温度为200℃，氩气流量为50sccm，沉积时间为3min；
采用磁控溅射技术，以Ag靶为靶材，以氩气为工作气体，对基体施加偏压，从而沉积形成所述Ag层，其中，Ag靶的靶功率为15W，工作温度为200℃，氩气流量为50sccm，基体下方的转盘转速为20rpm，沉积时间为3min；
采用磁控溅射技术，以石墨靶和金属Ta靶为靶材，以氩气为工作气体，对基体施加偏压，从而沉积形成所述TaC@a-C层，其中，金属Ta靶的靶功率为24W，石墨靶的功率为120W，工作温度为200℃，氩气流量为50sccm，基体下方的转盘转速为20rpm，沉积时间为3min；
重复上述沉积Ag层和MC@a-C层的步骤120次，制得自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层。
性能表征：图2是本实施例制备的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的FIB截面图，图3a-3b是本实施例中制备的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的拉曼图，图4是本实施例中制备的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的XRD图。
实施例3
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，用石油醚清洗表面油污，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min；
(2)将清洗好的试样装镀膜设备真空腔体，抽真空至6×10-5Pa，并将腔体加热至300℃；
(3)对靶材进行溅射清洗5min；
(4)制备沉积自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层：
采用磁控溅射技术，以金属Ta靶为靶材，以氩气工作气体，对基体施加偏压，从而在基体表面沉积形成所述金属Ta过渡层，其中，金属Ta靶的靶功率为24W，工作温度为300℃，氩气流量为50sccm，沉积时间为4min；
采用磁控溅射技术，以Ag靶为靶材，以氩气为工作气体，对基体施加偏压，从而沉积形成所述Ag层，其中，Ag靶的靶功率为10W，工作温度为300℃，氩气流量为50sccm，基体下方的转盘转速为10rpm，沉积时间为3min；
采用磁控溅射技术，以石墨靶和金属Ta靶为靶材，以氩气为工作气体，对基体施加偏压，从而沉积形成所述TaC@a-C层，其中，金属Ta靶的靶功率为24W，石墨靶的功率为100W，工作温度为300℃，氩气流量为50sccm，基体下方的转盘转速为15rpm，沉积时间为4min；
重复上述沉积Ag层和MC@a-C层的步骤140次，制得自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层。
实施例4
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，用石油醚清洗表面油污，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min；
(2)将清洗好的试样装镀膜设备真空腔体，抽真空至5×10-5Pa，并将腔体加热至250℃；
(3)对靶材进行溅射清洗5min；
(4)制备沉积自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层：
采用磁控溅射技术，以金属Ta靶为靶材，以氩气工作气体，对基体施加偏压，从而在基体表面沉积形成所述金属Ta过渡层，其中，金属Ta靶的靶功率为24W，工作温度为250℃，氩气流量为50sccm，沉积时间为3min；
采用磁控溅射技术，以Ag靶为靶材，以氩气为工作气体，对基体施加偏压，从而沉积形成所述Ag层，其中，Ag靶的靶功率为10W，工作温度为250℃，氩气流量为50sccm，基体下方的转盘转速为20rpm，沉积时间为4min；
采用磁控溅射技术，以石墨靶和金属Ta靶为靶材，以氩气工作气体，对基体施加偏压，从而沉积形成所述TaC@a-C层，其中，金属Ta靶的靶功率为24W，石墨靶的功率为120W工作温度为250℃，氩气流量为50sccm，基体下方的转盘转速为20rpm，沉积时间为5min；
重复上述沉积Ag层和MC@a-C层的步骤180次，制得自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层。
实施例5
(1)对待镀的钛合金试样表面进行机械磨抛处理，用石油醚清洗表面油污，再分别用丙酮和酒精进行超声清洗2次，超声时间各15min；
(2)将清洗好的试样装镀膜设备真空腔体，抽真空至5×10-5Pa，并将腔体加热至250℃；
(3)对靶材进行溅射清洗5min；
(4)制备沉积自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层：
采用磁控溅射技术，以金属Ta靶为靶材，以氩气工作气体，对基体施加偏压，从而在基体表面沉积形成所述金属Ta过渡层，其中，金属Ta靶的靶功率为24W，工作温度为250℃，氩气流量为50sccm，沉积时间为3min；
采用磁控溅射技术，以Ag靶为靶材，以氩气为工作气体，对基体施加偏压，从而沉积形成所述Ag层，其中，Ag靶的靶功率为10W，工作温度为250℃，氩气流量为50sccm，基体下方的转盘转速为20rpm，沉积时间为1.5min；
采用磁控溅射技术，以石墨靶和金属Ta靶为靶材，以氩气为工作气体，对基体施加偏压，从而沉积形成所述TaC@a-C层，其中，金属Ta靶的靶功率为24W，石墨靶的功率为120W工作温度为250℃，氩气流量为50sccm，基体下方的转盘转速为20rpm，沉积时间为3min；
重复上述沉积Ag层和MC@a-C层的步骤150次，制得自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层。
对比例1
本对比例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：本对比例省略了沉积金属Ta过渡层、Ag层的操作，而只沉积TaC@a-C层。
通过对比发现，在基体表面只溅射制备TaC@a-C层时，涂层的厚度在400～500nm，与自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层比较起来，膜基结合力少了5N左右，650℃的高温摩擦系数大0.4左右。
对比例2
本对比例与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于：本对比例省略了沉积Ag层的操作，而沉积了金属Ta过渡层、TaC@a-C层。
通过对比发现，在基体表面溅射制备金属Ta过渡层、TaC@a-C层时，与自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层比较起来，650℃时摩擦系数大0.4左右。
综上所述，本发明提供的自适应高低温循环低摩擦多层涂层具有低摩擦系数、耐磨耐腐蚀等优异性能，且制备工艺简单可控，成本低，在航空发动机的篦齿密封和刷式密封件、深海高压摩擦等金属表面防护方面具有潜在的应用前景。
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，并均获得了较为理想的结果。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。
应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。
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。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (22)

1.一种自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，其特征在于包括依次形成于金属基体表面的金属M过渡层和多层功能层，所述多层功能层包括交替层叠设置的Ag层和复合材料层，且所述多层功能层的最外层为复合材料层，所述复合材料层包括非晶碳相以及硬质纳米金属化合物相，所述硬质纳米金属化合物相均匀分布于非晶碳相中，所述硬质纳米金属化合物相包含M元素和C元素，其中，M选自Ta和/或V；所述Ag层和复合材料层交替层叠的周期为60~300次；所述复合材料层中硬质纳米金属化合物相的径向尺寸为2~10nm；所述复合材料层中硬质纳米金属化合物相与非晶碳相的面积比为0.6~1:1；所述硬质纳米金属化合物相为金属碳化物MC；所述复合材料层中M与碳的原子比为1:2.5~1:4.2；所述功能防护涂层在室温下的摩擦系数为0.1~0.3，400℃下的摩擦系数为0.2~0.3，650℃下的摩擦系数为0.2~0.3。
2.根据权利要求1所述的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，其特征在于：所述复合材料层与Ag层的厚度比为15~20:1。
3.根据权利要求1所述的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，其特征在于：所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的厚度为2~5μm。
4.根据权利要求1所述的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，其特征在于：所述金属M过渡层的厚度为20~100nm。
5.根据权利要求1所述的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，其特征在于：所述复合材料层的厚度为10~900nm。
6.根据权利要求1所述的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，其特征在于：所述Ag层的厚度为1~10nm。
7.根据权利要求1所述的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，其特征在于：所述功能防护涂层中碳元素的含量为40~60wt%。
8.如权利要求1-7中任一项所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层的制备方法，其特征在于包括：
提供金属基体，
采用磁控溅射技术，在所述金属基体表面依次沉积金属M过渡层和Ag/MC@a-C多层功能层，直至形成所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层，其中，M选自Ta和/或V。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，沉积形成所述金属M过渡层的方法具体包括：将金属基体置于反应腔体中，采用磁控溅射技术，以金属M靶为靶材，以保护性气体为工作气体，对金属基体施加偏压，从而在金属基体表面沉积形成所述金属M过渡层，其中，金属M靶的靶功率为9W~40W，工作温度为200℃~300℃，偏压为-60V~-100V，保护性气体流量为30sccm~90sccm，保护性气体压强为0.1~0.7Pa，沉积时间为2~10min。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，沉积形成所述Ag层的方法具体包括：采用磁控溅射技术，以Ag靶为靶材，以保护性气体为工作气体，对金属基体施加偏压，从而沉积形成所述Ag层，其中，Ag靶的靶功率为10W~20W，工作温度为200℃~300℃，偏压为-60V~-100V，保护性气体流量为30sccm~90sccm，保护性气体压强为0.1~0.7Pa，金属基体下方的转盘转速为10~20rpm，单层的Ag层沉积时间为1~5min。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，沉积形成所述复合材料层的方法具体包括：采用磁控溅射技术，以石墨靶和金属M靶为靶材，以保护性气体为工作气体，对金属基体施加偏压，从而沉积形成所述复合材料层，其中，金属M靶的靶功率为9W~40W，石墨靶的功率为80~120W，工作温度为200℃~300℃，偏压为-60V~-100V，保护性气体流量为30sccm~90sccm，保护性气体压强为0.1~0.7Pa，金属基体下方的转盘转速为10~20rpm，单层的复合材料层沉积时间为2~8min。
12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述Ag/MC@a-C多层功能层的总沉积时间为1.5~5h。
13.根据权利要求9、10或11所述的制备方法，其特征在于，所述保护性气体为氩气。
14.根据权利要求9或11所述的制备方法，其特征在于，所述M靶的靶材纯度为99.99at%。
15.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述Ag靶的靶材纯度为99.9at%。
16.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述金属基体的材质选自钛合金和/或硅。
17.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于包括：先对金属基体表面进行预处理，之后对M靶和Ag靶进行溅射清洗，以及对预处理后的金属基体进行离子刻蚀处理，然后采用磁控溅射技术在金属基体表面沉积所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层。
18.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于所述预处理包括对金属基体表面清理处理和/或喷砂处理；所述表面清理处理包括以砂纸对所述金属基体表面进行打磨处理，之后进行超声清洗。
19. 根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于所述溅射清洗包括采用挡板对反应腔体进行阻隔；所述溅射清洗的时间为5~10 min；所述溅射清洗的工作气体为惰性气体。
20.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于还包括：将预处理后的金属基体置于反应腔体中，抽真空至4×10-5~9×10-5Pa，并将反应腔体温度升至200~300℃。
21.权利要求1-7中任一项所述自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层于金属基体表面防护领域的用途；所述金属基体选自涡扇发动机压气机的篦齿或涡扇发动机压气机的刷式密封件。
22.一种装置，包括金属基体，其特征在于：所述金属基体表面设置有权利要求1-7中任一项所述的自适应耐高低温循环低摩擦功能防护涂层。
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