CN114703454B - 宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层及其制备方法。所述复合涂层包括粘结层、梯度层和耐磨自润滑面层，所述粘结层为Cr层，所述梯度层包括CrN层、CrVN层和CrVN/Ag层，所述耐磨自润滑面层包括氮化物陶瓷相和Ag相，所述氮化物陶瓷相包括VN和CrN。本发明采用磁控溅射技术制备出CrVN/Ag复合涂层，该复合涂层不仅具有致密的内部结构且具有较高的结合强度，VN和CrN在高温摩擦过程中通过摩擦化学反应生成氧化钒、氧化铬以及钒酸银等高温固体润滑剂，具有优异的低摩擦高抗摩性能，有效改善零部件在宽温域(RT‑750℃)区间内的润滑抗磨问题，延长材料在宽温域服役条件下的使用寿命。

Description

宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐磨润滑涂层，特别涉及一种宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层及其制备方法与应用，属于闭合场非平衡磁控溅射技术及涂层润滑技术领域。
背景技术
随着航空航天事业和现代工业的蓬勃发展，各种热动力机械和设备的传动部件面临的使役工况(高温、氧化、辐射、高速粒子冲刷等)愈加严苛。例如，超高音速飞行器和空间运载系统运行过程中经历高温、原子氧、强辐射等极端环境；高推比航空发动机运动部件长时处于高温、高载、高速等苛刻工况；高速切削刀具工作温度愈来愈高。材料在极端环境下的摩擦与磨损是制约机械装备低能耗、长寿命稳定运行的共性关键问题之一。随着我国航空航天、海洋和核能装备向“更高(临近空间)、更深(深蓝)、更安全”方向发展，机械传动部件面临的高温摩擦学问题更为复杂。传统的应用于高温摩擦学领域的材料主要为金属基材料，但当服役温度超过700℃时，其性能急剧下降，将难以满足未来空天及核工业等领域的使用需求。因此，开发新型宽温域(25～750℃)、高耐磨、自润滑材料势在必行。
三元Cr-Me-N薄膜因结合了CrN和MeN(例如MoN、VN和NbN)的优点从而具有更好的机械性能和热稳定性能，其相应金属氧化物(如MoO3、V2O5、Cr2O3、TiO2等)具有良好的耐高温性能，同时在较高的温度下具有较低的剪切强度，因此三元Cr-Me-N薄膜可作为高温润滑耐磨防护涂层的固体润滑剂。但是三元Cr-Me-N薄膜的低温润滑性能不佳，摩擦系数偏高。Ag具有切削强度较低以及物理化学稳定性优良等特点，将其掺杂至三元Cr-Me-N薄膜中作为润滑剂来可改善薄膜在宽温域下的摩擦磨损性能。特别地，以上金属氧化物与银发生反应可进一步形成高温润滑剂(例如钼酸银、钒酸银、铌酸银等)，从而进一步提高薄膜的高温自润滑性能。因此，迫切需要运用摩擦学的相关理论和知识，调控三元Cr-Me-N/Ag薄膜的成分与结构，使其与高温润滑氧化物充分发挥协同润滑作用，以满足航空航天发动机零部件宽温域润滑抗磨等问题，以其延长指尖片与密封座等关键零部件的使役寿命。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层及其制备方法，基于过渡金属氧化物高温润滑理论与离子势理论优化CrN基高温润滑耐磨复合涂层，解决高温润滑失效对关键机械部件造成的损害，通过摩擦化学反应使其在摩擦表面原位生成氧化铬、氧化钒、钒酸银等高温润滑剂，从而提升关键机械部件在宽温域(25-750℃)工况下的摩擦学性能。
为实现上述发明目的，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耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层，其包括依次形成的粘结层、梯度层和耐磨自润滑面层，所述粘结层包括Cr层，所述梯度层依次包括CrN层、CrVN层和CrVN/Ag层，所述耐磨自润滑面层包括氮化物陶瓷相和Ag相，所述氮化物陶瓷相包括VN和CrN。
在一些实施例中，所述耐磨自润滑面层由90at％～95at％的氮化物陶瓷相及Ag相组成。
本发明实施例还提供了前述的宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层的制备方法，其包括：
提供基底；
采用磁控溅射技术在所述基底表面依次沉积形成粘结层、梯度层和耐磨自润滑面层，制得所述宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1)本发明提供的宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层包括粘结层、梯度层和耐磨自润滑面层，Cr粘结层可为面层和金属基体件提供良好的结合强度，梯度层能够很好的与粘结层以及耐磨自润滑面层适配从而提高结合力与降低内应力，自润滑CrVN/Ag面层可有效增强关键零部件的高温稳定性与宽温域(25℃-750℃)条件下的摩擦学性能。自润滑CrVN/Ag面层较基材在室温下摩擦系数降低9.0％，在750℃下摩擦系数降低了31.0％。与基材相比，CrVN/Ag面层室温下磨损率降低了一个数量级，在750℃下磨损率降低了29.6％；
2)本发明通过结合了CrN和VN的优点从而使复合涂层具有更好的机械性能和热稳定性能，采用的磁控溅射方法简单有效，有助于薄膜成分分布更加均匀，制备的复合涂层力学性能显著，氮化物均匀分布在涂层内部，内部结构致密，其薄膜内部的结合较好。V元素的掺杂是由于V在高温摩擦过程中被氧化生成具有优异润滑效果的氧化钒。同时，软金属Ag以及相应摩擦产物钒酸银分别可以降低复合薄膜在常温下与高温下的摩擦系数。另外，CrVN/Ag复合涂层在高温摩擦过程中通过摩擦化学反应在摩擦表面原位生成氧化铬、氧化钒和钒酸银等高温固体润滑剂，高温润滑效果突出，同时其抗磨性能优异，有望改善零部件高温润滑抗磨等问题，以其延长材料在高温服役条件下的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅作为本文发明的一些实施例，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附图。
图1a1和图1a2是对比例1中制备的CrVN复合涂层的表面与截面形貌图；
图1b1和图1b2是本发明实施例1中制备的宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层的表面与截面形貌图；
图2是本发明实施例1和对比例1所获涂层的硬度和弹性模量结果对比图；
图3是本发明对比例1和实施例1所获涂层的划痕声信号以及划痕形貌图；
图4a、图4b和图4c分别是本发明实施例1和对比例1所获涂层在室温、150℃和750℃的摩擦曲线图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，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。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层，其包括依次形成的粘结层、梯度层和耐磨自润滑面层，所述粘结层包括Cr层，所述梯度层依次包括CrN层、CrVN层和CrVN/Ag层，所述耐磨自润滑面层包括氮化物陶瓷相和Ag相，所述氮化物陶瓷相包括VN和CrN。
在一些优选方案中，所述宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层包括粘结层、梯度层和耐磨自润滑面层，所述粘结层由Cr层组成，所述梯度层由CrN层、CrVN层和CrVN/Ag层依次组成，所述耐磨自润滑面层由90at％-95at％的氮化物陶瓷相及Ag组成，所述氮化物陶瓷相为VN和CrN。
在一些优选方案中，所述宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层中Cr、V、N与Ag的原子比为(49.6～51.6)∶(6.0～7.0)∶(39.5～40.5)∶(0.7～0.9)。
在一些优选方案中，所述粘结层的厚度为0.2～0.4μm，所述梯度层的厚度为0.3～0.5μm，所述耐磨自润滑面层的厚度为2.5～4.5μm。
在一些优选方案中，所述宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层的表面硬度为13.2～17.4GPa，弹性模量为225.9～275.2GPa，结合强度不小于30.0N，宽温域(室温RT到750℃)摩擦系数为0.78～0.26，磨损率为1.36×10-5～2.02×10-6mm3N-1m-1。
作为本发明技术方案的另一个方面，其所涉及的系前述宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层的制备方法，其包括∶
提供基底；
采用磁控溅射技术在所述基底表面依次沉积形成粘结层、梯度层和耐磨自润滑面层，制得所述宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层。
进一步地，所述制备方法还包括：在基体表面依次沉积形成粘结层、梯度层和耐磨自润滑面层之前，先对基体进行清洗和Ar+刻蚀处理。
在一些实施方案中，所述宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层的制备方法包括以下步骤：
(1)依次用石油醚、无水丙酮和无水酒精清洗基底材料，随后用干燥氮气将其吹干后送入真空沉积腔体中并采用Ar+轰击刻蚀基底表面；
(2)打开Cr靶电源，将Cr溅射在经过清洗的基底表面，在基底表面沉积金属Cr相粘结层(亦可称为过渡层)；
(3)通入N2，打开Cr靶、V靶及Ag靶材的电源，采用磁控溅射沉积方法将靶材溅射在粘结层表面，得到CrN→CrVN→CrVN/Ag梯度层。具体的，通入N2，在Cr粘结层上沉积CrN层；打开V靶电源进一步沉积成分梯度过渡CrVN层；最后打开Ag靶电源制备成分梯度过渡CrVN/Ag层；最终获得CrN→CrVN→CrVN/Ag梯度层。
(4)持续通入N2，同时打开Cr靶、V靶及Ag靶材的电源并设定相应参数，调控Cr靶、V靶及Ag靶的电流，采用闭合场非平衡磁控溅射沉积方法将各靶材溅射至梯度层表面，最终得到宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层。
在一些实施方案中，所述基底的材质为镍基高温金属。
在一些实施方案中，步骤(1)中，所述Ar+刻蚀处理采用的工艺参数条件包括：抽真空至2.8～3.2Pa，Ar气与氮气的流量比为2∶2.5～3.5，偏电压为-470～-500V，占空比为45％～55％，时间为25min～35min。
在一些实施方案中，步骤(2)具体包括：采用磁控溅射技术，以Cr靶为靶材，对基体施加负偏压，对Cr靶施加靶电流，从而在基体表面沉积形成作为过渡层的粘结层，以提高薄膜结合力；其中，沉积Cr粘结层采用的沉积时间为10～12min，施加于Cr靶上的靶电流为3～4A，Cr粘结层的厚度为0.2～0.4μm。
在一些实施方案中，步骤(3)具体包括：
以Cr靶为靶材，以保护性气体和氮气为工作气体，对Cr靶施加靶电流，从而在粘结层表面沉积形成CrN层，其中，施加于Cr靶上的靶电流为3～4A；
以Cr靶和V靶为靶材，以保护性气体和氮气为工作气体，对Cr靶和V靶施加靶电流，从而在CrN层表面沉积形成CrVN层，制得所述梯度层；其中，保持Cr靶上的靶电流不变，施加于V靶上的靶电流为0～2A；以及，
以Cr靶、V靶和Ag靶为靶材，以保护性气体和氮气为工作气体，对Cr靶、V靶和Ag靶施加靶电流，从而在CrVN层表面沉积形成CrVN/Ag层，其中，保持Cr靶和V靶上的靶电流不变，施加于Ag靶上的靶电流为0～0.5A；所述梯度层的厚度为0.3～0.5μm。
进一步地，保护性气体与氮气的流量比为2∶2.5～3.5。
进一步地，步骤(3)中，Ar和N2流量分别为16sccm和24sccm，Cr靶电流由3A逐渐升至4A制备CrN梯度层；随后打开V靶电源，V靶电流由0A逐渐升至2A制备CrVN梯度层；最后打开Ag靶，使其电流由0A逐渐升至0.5A制备CrVN/Ag梯度层，总的成分梯度层厚度约为0.3-0.5μm。
在一些实施方案中，步骤(4)具体包括∶以Cr靶、V靶和Ag靶为靶材，以保护性气体和氮气为工作气体，采用闭合场非平衡磁控溅射沉积方法将各靶材溅射至梯度层表面，最终得到宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层，其中，腔体气压保持在0.5～0.7Pa，样品架转速为4.5～5.5rpm，保护性气体与氮气的流量比为2∶2.5～3.5，基底温度保持在150～200℃，Cr靶电流和Ag靶电流分别为3～4A和0～0.5A，V靶电流为0～2A，溅射距离为90～100mm，所述耐磨自润滑面层的厚度为2.5～4.5μm。
综上，藉由上述技术方案，本发明采用磁控溅射技术制备出CrVN/Ag复合涂层，该复合涂层不仅具有致密的内部结构且具有较高的结合强度，VN和CrN在高温摩擦过程中通过摩擦化学反应生成氧化钒、氧化铬以及钒酸银等高温固体润滑剂，具有优异的低摩擦高抗摩性能，有效改善零部件在宽温域(RT-750℃)区间内的润滑抗磨问题，延长材料在宽温域服役条件下的使用寿命。
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，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的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。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件。
实施例1
(1)靶材与样件的清理
将基底材料依次用石油醚、无水丙酮和无水酒精超声清洗15min，随后用干燥氮气将其吹干后送入沉积腔体；引入真空沉积腔体后，施加偏压-500V对清洗基底表面进行Ar+刻蚀30min以除去样品表面杂质并实现基底表面活化，真空度为3.0Pa，Ar气与氮气的流量比为2∶2.8，占空比为50％。
(2)粘结层的制备
随后打开Cr靶电源，铬靶电流为3A，偏压为-100V，沉积时间为600s，将Cr溅射在经清洗的基底表面，形成Cr相粘结层以提高薄膜结合力，粘结层的厚度为0.2μm。
(3)梯度层的制备
通入N2，打开Cr靶、V靶及Ag靶材的电源，采用磁控溅射沉积方法将靶材溅射在粘结层表面，得到CrN→CrVN→CrVN/Ag梯度层，具体工艺为：通入N2，铬靶电流由3A逐渐升至4A，获得CrN梯度层；进一步打开V靶，电流逐渐由0A升至2A，获得CrVN梯度层；进一步打开Ag靶，电流逐渐由0A升至0.5A，获得CrVN/Ag梯度层，从而最终获得CrN→CrVN→CrVN/Ag梯度层，梯度层的厚度为0.3μm。
(4)耐磨自润滑面层的制备
持续通入N2，样品架转速为5rmp，偏压设为-70V，调控Cr靶、V靶及Ag靶的电流分别为4A、2A与0.5A，沉积时间为7200s，得到宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层。
本实施例所得宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层的性能检测结果如下：涂层的表面硬度为15.4GPa，结合强度为42.5N，宽温域(RT-750℃)摩擦系数为0.78～0.26(球盘式接触，对偶球材质Al2O3，振幅5mm，速度0.01m/s，载荷2N)，磨损率为1.36×10-5～2.02×10- 6mm3N-1m-1。
实施例2
(1)靶材与样件的清理
将基底材料依次用石油醚、无水丙酮和无水酒精超声清洗15min，随后用干燥氮气将其吹干后送入沉积腔体；引入真空沉积腔体后，施加偏压-470V对清洗基底表面进行Ar+刻蚀35min以除去样品表面杂质并实现基底表面活化，真空度为2.8Pa，Ar气与氮气的流量比为2∶2.5，占空比为45％。
(2)粘结层的制备
随后打开Cr靶电源，铬靶电流为3.5A，偏压为-100V，沉积时间为650s，将Cr溅射在经清洗的基底表面，形成Cr相粘结层以提高薄膜结合力，粘结层的厚度为0.3μm。
(3)梯度层的制备
通入N2，打开Cr靶、V靶及Ag靶材的电源，采用磁控溅射沉积方法将靶材溅射在粘结层表面，得到CrN→CrVN→CrVN/Ag梯度层，具体工艺为：通入N2，铬靶电流由3A逐渐升至4A，获得CrN梯度层；进一步打开V靶，电流逐渐由0A升至2A，获得CrVN梯度层；进一步打开Ag靶，电流逐渐由0A升至0.5A，获得CrVN/Ag梯度层，从而最终获得CrN→CrVN→CrVN/Ag梯度层，梯度层的厚度为0.4μm。
(4)自润滑面层的制备
持续通入N2，样品架转速为4.5rmp，偏压设为-50V，调控Cr靶、V靶及Ag靶的电流分别为4A、2A与0.5A，沉积时间为7200s，得到CrVN/Ag复合涂层。
本实施例所得CrVN/Ag复合涂层的性能检测结果如下：涂层的表面硬度为13.4GPa，结合强度为34.4N，宽温域(RT-750℃)摩擦系数为0.74～0.36(球盘式接触，对偶球材质Al2O3，振幅5mm，速度0.01m/s，载荷2N)，磨损率为5.95×10-5～8.67×10-6mm3N-1m-1。
实施例3
(1)靶材与样件的清理
将基底材料依次用石油醚、无水丙酮和无水酒精超声清洗15min，随后用干燥氮气将其吹干后送入沉积腔体；引入真空沉积腔体后，施加偏压-480V对清洗基底表面进行Ar+刻蚀25min以除去样品表面杂质并实现基底表面活化，真空度为3.2Pa，Ar气与氮气的流量比为2∶3.5，占空比为55％。
(2)粘结层的制备
随后打开Cr靶电源，铬靶电流为4A，偏压为-100V，沉积时间为720s，将Cr溅射在经清洗的基底表面，形成Cr相粘结层以提高薄膜结合力，粘结层的厚度为0.4μm。
(3)梯度层的制备
通入N2，打开Cr靶、V靶及Ag靶材的电源，采用磁控溅射沉积方法将靶材溅射在粘结层表面，得到CrN→CrVN→CrVN/Ag梯度层，具体工艺为：通入N2，铬靶电流由3A逐渐升至4A，获得CrN梯度层；进一步打开V靶，电流逐渐由0A升至2A，获得CrVN梯度层；进一步打开Ag靶，电流逐渐由0A升至0.3A，获得CrVN/Ag梯度层，从而最终获得CrN→CrVN→CrVN/Ag梯度层，梯度层的厚度为0.5μm。
(4)自润滑面层的制备
持续通入N2，样品架转速为5.5rmp，偏压设为-50V，调控Cr靶、V靶及Ag靶的电流分别为4A、2A与0.5A，沉积时间为7200s，得到CrVN/Ag复合涂层。
对比例1
(1)靶材与样件的清理
将基底材料依次用石油醚、无水丙酮和无水酒精超声清洗15min，随后用干燥氮气将其吹干后送入沉积腔体；引入真空沉积腔体后，施加偏压-600V对清洗基底表面进行Ar+刻蚀30min以除去样品表面杂质并实现基底表面活化。
(2)粘结层的制备
随后打开Cr靶电源，铬靶电流为3A，偏压为-100V，沉积时间为600s，将Cr溅射在经清洗的基底表面，形成Cr相粘结层以提高薄膜结合力。
(3)梯度层的制备
通入N2，打开Cr靶和V靶的电源，采用磁控溅射沉积方法将靶材溅射在粘结层表面，得到CrN→CrVN梯度层，具体工艺为：通入N2，铬靶电流由3A逐渐升至4A，获得CrN梯度层；进一步打开V靶，电流逐渐由0A升至2A，获得CrVN梯度层；从而最终获得CrN→CrVN梯度层。
(4)自润滑面层的制备
持续通入N2，样品架转速为5rmp，偏压设为-70V，调控Cr靶、V靶的电流分别为4A与2A，沉积时间为7200s，沉积获得CrVN复合涂层。
本对比例所得CrVN复合涂层的性能检测结果如下：涂层的表面硬度为15.8GPa，结合强度为37.3N，宽温域(RT-750℃)摩擦系数为0.81～0.39(球盘式接触，对偶球材质Al2O3，旋转半径5mm，转速0.15m/s，载荷2N)，磨损率为4.20×10-5～7.91×10-6mm3N-1m-1。
对比例2
(1)靶材与样件的清理
将基底材料依次用石油醚、无水丙酮和无水酒精超声清洗15min，随后用干燥氮气将其吹干后送入沉积腔体；引入真空沉积腔体后，施加偏压-600V对清洗基底表面进行Ar+刻蚀30min以除去样品表面杂质并实现基底表面活化。
(2)粘结层的制备
随后打开Cr靶电源，铬靶电流为3A，偏压为-100V，沉积时间为600s，将Cr溅射在经清洗的基底表面，形成Cr相粘结层以提高薄膜结合力。
(3)梯度层的制备
通入N2，打开Cr靶、V靶及Ag靶材的电源，采用磁控溅射沉积方法将靶材溅射在粘结层表面，得到CrN→CrVN→CrVN/Ag梯度层，具体工艺为：通入N2，铬靶电流由3A逐渐升至4A，获得CrN梯度层；进一步打开V靶，电流逐渐由0A升至2A，获得CrVN梯度层；进一步打开Ag靶，电流逐渐由0A升至1.5A，获得CrVN/Ag梯度层，从而最终获得CrN→CrVN→CrVN/Ag梯度层。
(4)自润滑面层的制备
持续通入N2，样品架转速为5rmp，偏压设为-40V，调控Cr靶、V靶及Ag靶的电流分别为4A、2A与1.5A，沉积时间为7200s，得到CrVN/Ag复合涂层。
本对比例所得CrVN/Ag复合涂层的性能检测结果如下：涂层的表面硬度为9.8GPa，结合强度为29.6N，宽温域(RT-750℃)摩擦系数为0.67～0.31(球盘式接触，对偶球材质Al2O3，振幅5mm，速度0.01m/s，载荷2N)，磨损率为4.75×10-5～8.06×10-6mm3N-1m-1。
下面结合附图对以上实施例1、对比例1的结果做进一步详细描述：
参见图1a1至图1b2，此处需要结合该些图示对本发明的CrVN/Ag宽温域耐磨自润滑复合涂层的结构进行简单说明。参见图1a1和图1a2是对比例1中制备的CrVN复合涂层的表面与截面形貌图，图1b1和图1b2是实施例1中制备的宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层的表面与截面形貌图，本发明公开的宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层以金属Cr层与CrN→CrVN→CrVN/Ag层分别为粘结层和梯度层实现涂层与基底的良好粘结和过渡，具有高温耐磨自润滑的面层CrVN/Ag提供了宽温域下优异的摩擦学性能。
图2是实施例1和对比例1所获涂层的硬度和弹性模量结果对比图，其中实施例1中的复合涂层可标记为CrVN-Ag-0.5A，对比例1中的复合涂层可标记为CrVN-Ag-1.0A。图3是本发明对比例1和实施例1所获涂层的划痕声信号以及划痕形貌图。图4a、图4b和图4c分别是本发明实施例1和对比例1所获涂层在室温、150℃和750℃的摩擦曲线图。
综上所述，本发明的宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层中Cr粘结层可为面层和金属基体件提供良好的结合强度，梯度层能够很好的与粘结层以及耐磨自润滑面层适配从而提高结合力与降低内应力，自润滑面层可有效增强关键零部件的高温稳定性与宽温域(25℃-750℃)条件下的摩擦学性能。自润滑面层较基材在室温下摩擦系数降低9.0％，在750℃下摩擦系数降低了31.0％。与基材相比，自润滑面层室温下磨损率降低了一个数量级，在750℃下磨损率降低了29.6％。
本发明通过结合了CrN和VN的优点从而使复合薄膜具有更好的机械性能和热稳定性能，采用的磁控溅射方法简单有效，有助于薄膜成分分布更加均匀，制备的复合薄膜力学性能显著，氮化物均匀分布在涂层内部，内部结构致密，其薄膜内部的结合较好。V元素的掺杂是由于V在高温摩擦过程中被氧化生成具有优异润滑效果的氧化钒。同时，软金属Ag以及相应摩擦产物钒酸银分别可以降低复合薄膜在常温下与高温下的摩擦系数。另外，CrVN/Ag复合涂层在高温摩擦过程中通过摩擦化学反应在摩擦表面原位生成氧化铬、氧化钒和钒酸银等高温固体润滑剂，高温润滑效果突出，同时其抗磨性能优异，有望改善零部件高温润滑抗磨等问题，以其延长材料在高温服役条件下的使用寿命。
此外，本案发明人还参照实施例1-3的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样成功制得了具有高温润滑效果，且抗磨性能优异的宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层。
应当理解，以上较佳实施例仅用于说明本发明的内容，除此之外，本发明还有其他实施方式，但凡本领域技术人员因本发明所涉及之技术启示，而采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层的制备方法，其特征在于包括：
提供基底；
采用磁控溅射技术，以Cr靶为靶材，对基底施加负偏压，对Cr靶施加靶电流，从而在基底表面沉积形成作为过渡层的粘结层；其中，沉积粘结层采用的沉积时间为10~12 min，施加于Cr靶上的靶电流为3~4A，粘结层的厚度为0.2~0.4 μm；
以Cr靶为靶材，以保护性气体和氮气为工作气体，对Cr靶施加靶电流，从而在粘结层表面沉积形成CrN层，其中，施加于Cr靶上的靶电流为3~4A；
以Cr靶和V靶为靶材，以保护性气体和氮气为工作气体，对Cr靶和V靶施加靶电流，从而在CrN层表面沉积形成CrVN层，其中，保持Cr靶上的靶电流不变，施加于V靶上的靶电流为0~2A；以及，
以Cr靶、V靶和Ag靶为靶材，以保护性气体和氮气为工作气体，对Cr靶、V靶和Ag靶施加靶电流，从而在CrVN层表面沉积形成CrVN/Ag层，制得梯度层；其中，保持Cr靶和V靶上的靶电流不变，施加于Ag靶上的靶电流为0~0.5A；所述梯度层的厚度为0.3~0.5 μm；其中，保护性气体与氮气的流量比为2：2.5~3.5；
以Cr靶、V靶和Ag靶为靶材，以保护性气体和氮气为工作气体，采用闭合场非平衡磁控溅射沉积方法将各靶材溅射至梯度层表面，制得耐磨自润滑面层，最终得到宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层，其中，腔体气压为0.5~0.7Pa，样品架转速为4.5~5.5 rpm，保护性气体与氮气的流量比为2：2.5~3.5，基底温度为150 ~ 200 ℃，Cr靶电流和Ag靶电流分别为3~4 A和0~0.5 A，V靶电流为0~2 A，溅射距离为90~100 mm，所述耐磨自润滑面层的厚度为2.5~4.5μm；
所述宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层包括依次形成的粘结层、梯度层和耐磨自润滑面层，所述粘结层包括Cr层，所述梯度层依次包括CrN层、CrVN层和CrVN/Ag层，所述耐磨自润滑面层包括氮化物陶瓷相和Ag相，所述氮化物陶瓷相包括VN和CrN，所述耐磨自润滑面层由90 at%~95 at%的氮化物陶瓷相及Ag相组成，所述宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层中Cr、V、N与Ag的原子比为（49.6~51.6）:（6.0~7.0）:（39.5~40.5）:（0.7~0.9）；
所述宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层的表面硬度为13.2~17.4 GPa，弹性模量为225.9~275.2 GPa，结合强度不小于30.0N，室温到750 °C的摩擦系数为0.78~0.26，磨损率为1.36×10-5~2.02×10-6mm3N-1m-1。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括：在基底表面依次沉积形成粘结层、梯度层和耐磨自润滑面层之前，先对基底进行清洗和Ar+刻蚀处理，其中，所述Ar+刻蚀处理采用的工艺条件包括：抽真空至2.8~3.2Pa，Ar气与氮气的流量比为2：2.5~3.5，偏电压为-470~-500V，占空比为45%~55%，时间为25min~35min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述基底为镍基高温金属。
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