一種新型超潤滑固體涂層制備方法與流程

本發明為軸承、機械設備等關鍵部件的表面改性涂層制備。本發明涉及的是一種多相混合的滋潤滑固體膜層及其制備方法。具體是基于離子束技術通過金屬真空蒸汽離子源以及磁過濾沉積系統制備多相共混的固體滋潤滑膜層。

技術背景

隨著科學技術的發展以及各種極端條件的出現，現有的設備關鍵部件的本體材料已不能滿足長壽命要求，特別是涉及摩擦磨損的關鍵部件。這些關鍵部件主要是依靠摩擦副來實現能量的傳遞，同時摩擦副傳遞能量的過程也必然導致該部件的損耗，這些不斷積累的損耗將降低工作效率、工作精度、穩定性和可靠性，這對于整體設備來說是最致命的。材料表面改性是提高本體材料耐磨最為有效的關鍵技術之一。材料表面改性基本不改變本體材料的力學、電學性能，也基本不改變材料本身的尺寸精度，同時能夠大幅提高本體材料的表面硬度，降低摩擦損耗，能夠大幅減小材料成本，提高關鍵部件的使用壽命。能，從而顯著提高材料的使用壽命和工作效率，實現節約原材料、降低能源消耗等目的。由于碳基薄膜具有硬度高和摩擦系數低的性能特點，是一種性能優異的耐磨損薄膜材料，吸引著許多薄膜材料研究工作者，成為世界各國爭相研究的熱點薄膜材料之一。碳基涂層如四面體類金剛石(ta-diamond-likecarbon，簡稱ta-dlc)薄膜是以碳為基本元素構成的一種非晶材料。類金剛石薄膜(dlc)它在結構上屬于非晶亞穩態結構的無定形碳，是由sp3雜化和sp2雜化碳組成：薄膜中sp3結構決定了類金剛石薄膜具有諸多類似于金剛石的優良特性，而sp2結構決定了類金剛石薄膜又具有很多石墨的特性，國際上將硬度超過金剛石硬度20％的絕緣硬質無定形碳膜稱為類金剛石膜。在制備工藝方面，類金剛石薄膜(dlc)沉積溫度較低，沉積面積大，膜面光滑平整，工藝相對成熟。在實際應用方面，由于dlc薄膜在真空條件下和低溫下均具有良好的潤滑耐磨性能，因此可有效解決某些特殊工況下活動零部件表面潤滑等的技術難題。

眾所周知，碳膜的耐磨性能隨著環境的變化而發生較大變化，如磁過濾沉積制備的四面體類金剛石膜層(ta-c)在高濕環境下摩擦系數一般可低至0.04，但隨著濕度的降低當降到20％或一下摩擦系數迅速增至0.7左右，耐磨性能迅速下降；再如化學氣相沉積制備的含氫類金剛石膜層(a-h：c)在真空或者干燥氣氛下摩擦系數可低至0.03，但隨著濕度的增加摩擦系數也迅速增加，耐磨性也大打折扣。在實際工況下設備的關鍵部件可能會承受高濕、高溫、真空等不同環境對膜層在各種環境下耐磨性提出了更高的要求。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明基于離子束技術利用磁過濾沉積(fcva)以及金屬離子源(mevva)系統制備了tic-mos2-tis2-ni-(a：h-c)多相共混的膜層。綜合超硬相tic在高溫高濕環境下的高耐磨性，二硫化物和含氫類金剛石膜層在高真空、低濕環境下的超低摩擦系數來自主適應環境的變化。

本發明實施例的目的之一是結合tic的高硬度、高韌性以及mos2，dlc膜層的超低摩擦系數，同時利用金屬真空蒸汽離子源(mevva)以及磁過濾真空弧沉積系統(fcva)，從而提出一種全新的多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層。

進一步來講，該多相共混超潤滑固體潤滑膜層方法包括：在所述基材表面制備金屬″釘扎層″；在所述″釘扎層″上進行合金過渡層沉積，形成釋放應力層；在所述釋放應力層上沉積多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層。

在一些實施例中，所述基材注入形成″釘扎層″包括：利用金屬真空蒸汽離子源(mevva)，向所述基材層注入合金，采用的靶材為為timoni合金靶材，靶材成分ti(20-80％)，mo(30-50％)，ni(20-40％)，；其中，合金元素的注入電壓為4～12kv，束流強度為1～10ma，注入劑量為1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm²，注入深度為70～120nm。

在一些實施例中，在所述金屬″釘扎層″上進行合金沉積包括：利用所述磁過濾真空弧沉積(fcva)系統，在所述金屬″釘扎層″上，磁過濾沉積出合金應力釋放層；其中，所述釋放層的合金元素為ti、mo、ni合金，厚度為10～500nm。

在一些實施例中，在所述基材應力釋放層表面制備多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層：利用磁過濾陰極真空弧(fcva)系統，金屬真空蒸汽離子源系統同時工作，在應力釋放層表面沉積多相共混的超潤滑固體潤滑膜層，離子束注入和磁過濾沉積同時通乙炔和硫化氫氣體得到共混潤滑膜層；其中，所述固體潤滑膜層厚度為1～10μm，乙炔進氣量在100～250sccm，硫化氫進氣量為30-80sccm。

相對于現有技術，本發明各實施例具有以下優勢：

1、本發明實施例提出的多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層，通過對基材進行高能量的金屬元素注入，使基材亞表面原子與注入金屬形成金屬-基材原子混合的″釘扎層″結構，這樣形成的″釘扎層″結構與基底層乃至后續磁過濾沉積出的結構性膜層的結合力都非常好，從而使其抗剝離強度得以增強；

2、相比磁控濺射、電子束蒸發等pvd沉積方法，磁過濾電弧沉積設備原子離化率非常高，大約在90％以上。這樣，由于原子離化率高，可使等離子體密度增加，成膜時大顆粒減少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性、膜基結合力等；

3、磁過濾設備的高離化率非常有利于納米晶的形成與調控，如tic，ni，ti納米晶的大小等，這是磁控濺射、化學氣相沉積的瓶頸；

4、由于離子注入和磁過濾沉積同時工作：1)能夠大大降低成膜形成的內應力，提高膜層與基底的結合力；2)能夠進一步提高真空室氣體的離化率，增加成膜速率；3)能夠進一步促進納米晶的形成，提高其成核效率。

需要說明的是，對于前述的方法實施例，為了簡單描述，故將其都表述為一系列的動作組合，但是本領域技術人員應該知悉，本發明并不受所描述的動作順序的限制，因為依據本發明，某些步驟可以采用其他順序或者同時進行。其次，本領域技術人員也應該知悉，說明書中所描述的實施例均屬于優選實施例，所涉及的動作并不一定是本發明所必需的。

以上所述僅為本發明的實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。

本發明實施例的更多特點和優勢將在之后的具體實施方式予以說明。

附圖說明

構成本發明實施例一部分的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1為本發明實施例提供的多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層方法的流程示意圖；

圖2為本發明實施例提供的多相共混固體潤滑膜層結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的fcva沉積和mevva注入系統的結構示意圖；

附圖標記說明

200a：h-c無定形相

201tic納米晶相

202ni/ti納米晶相

203mos2無定形相

300fcva合金陰極

301磁過濾彎管

302工件臺及負壓負端

303金屬真空蒸汽離子源陰極

304進氣端口

方法實施例

本實施例中，在關鍵部件基底層上制備多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層，參照圖1，其示出了本實施例固體潤滑膜制備方法，該制備方法包括以下步驟：

s100：利用金屬蒸汽真空弧(mevva)離子源，向基底層注入合金元素，形成金屬″釘扎層″。

其中，本步驟為金屬離子注入形成″釘扎層″，利用高能金屬離子注入基底，能夠形成金屬和基底材料的混合層，提高其表面后續膜層與基底的結合力。

需要指出的是，s100中，第一金屬元素為timoni合金。作為一種可選實施方式，合金元素的注入電壓為4～15kv，束流強度為1～15ma(含端值)，注入劑量為1×10¹⁵～1×10¹⁷/cm²(含端值)，注入深度為70～120nm(含端值)。

s200：利用磁過濾陰極真空弧(fcva)系統，在基底″釘扎層″表面，磁過濾沉積得到第一層合金膜層內應力釋放層。

本步驟中，可選的是，合金膜層為timoni，且厚度為10～500nm。

s300：同時利用磁過濾陰極真空弧(fcva)系統和金屬真空蒸汽離子源系統，沉積得到多相共混的具有″變色龍″特性的超潤滑固體潤滑膜層。

本步驟中，同時利用磁過濾陰極真空弧(fcva)系統和金屬真空蒸汽離子源系統，磁過濾沉積得到固體潤滑膜層的總厚度為1～10微米。

合金″釘扎層″，合金應力釋放層以及固體潤滑層，構成了膜層的主體結構，該結構膜層利用金屬離子注入系統形成了合金混合″釘扎層″，使后續沉積膜層與基底材料有著非常好的結合強度；同時結合了合金膜層的高彈性模量以及強韌性的特點，使其作為應力釋放層時具有明顯的優勢。

性能檢測

1)摩擦學性能分析：

分別利用磁過濾沉積(fcva)、磁控濺射和等離子體增強化學氣相沉積制備了四面體類金剛石膜層(ta-c)、mos2和a-h：c膜層；同時也利用本專利方法制備了多相共混的固體潤滑膜層。這些膜層分別在不同相對濕度(10％，30％、50％、80％)，不同真空度(10^-3pa，100pa，10⁵pa)下測試了膜層的摩擦系數，結果發現：ta-c在相對濕度為80％是摩擦系數最低，且磨損量最小為10^-9mm³/(nm)，但在高真空度10^-3pa以及低相對濕度下摩擦系數最大。相反地，mos2和a-h：c在低相對濕度和高真空度下摩擦系數和磨損量最小，隨著濕度的增加摩擦系數迅速增加。本方法制備的多相共混的固體潤滑膜層在高濕、高真空、低濕情況下都能較好的保持低摩擦系數和低磨損量，能夠自適應環境的變化。

2)硬度測試分析

分別用納米硬度測試了四種不同方法制備膜層的硬度，結果發現：ta-c硬度最高為75gpa，a-h：c和mos2膜層硬度最低為12gpa左右，多相共混的固體潤滑膜層硬度為25gpa。在多種軟相(a-h：c和mos2)相混情況下還能保持高硬度是該方法的獨到之處。

3)耐溫性測試

分別用高低溫循環(-200-600℃)測試了四種不同方法制備膜層的耐溫性能，發現ta-c，a-h：c和mos2三種膜層耐高溫性能都有限，出現了明顯的石墨化以及硬度的降低；然而，多相共混的固體潤滑膜層沒有明顯的硬度降低。