[发明专利]微纳织构化氮化钛固体润滑膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微纳织构化氮化钛固体润滑膜的制备方法，属于金属材料及构件表面改性与加工、摩擦磨损防护技术领域。

背景技术

一直以来，摩擦磨损是降低设备运行效率、造成能源资源消耗和产生环境污染的主要因素之一，世界各国均致力于新型减摩抗磨材料、表面改性技术及润滑技术的开发。表面改性技术因成本低、见效快、操作便捷而备受青睐。除利用各种表面涂覆技术在材料表面制备硬质涂层来提高材料的磨损抗力外，还可在材料表面设计制备固体润滑层来有效降低摩擦磨损。相对于传统的油脂润滑，固体润滑层可在高温、高负荷、超低温、超高真空、强氧化还原、强辐射等特殊环境条件下有效的实现润滑，并在机械、电子及航空航天设备等领域获得广泛应用。

TiN(氮化钛)陶瓷薄膜因其优异的减摩、抗胶合、抗擦伤和耐腐蚀性能，在机械设备及刀具的磨损防护方面具有广阔的应用前景。目前，关于TiN薄膜的制备及其腐蚀、摩擦学等特性研究已有较多的报道。

目前的物理或化学的方法制备的TiN膜层概况起来主要存在如下不足：沉积温度高、基体损伤大、绕镀性差、薄膜残余应力高、薄膜与基体结合强度低、易剥落、制备效率低、成本高、仅适用与尺寸小、结构简单且表面平整度高的工件、无法大批量生产。同时，作为摩擦润滑层时，对润滑工况具有一定的选择性。通常在干摩擦的条件下润滑抗磨性能优异，而在水基或油脂润滑条件时其功效则大大下降，使TiN薄膜的应用领域具有很大的局限性。

人工织构技术作为近年来摩擦学领域的创新前沿方向之一，引起了研究者的广泛重视。该技术是利用机械、化学、电子学或光学等技术对摩擦表面进行微造型设计进而改善其摩擦学性能。目前，国内外关于织构的优化设计及其摩擦学的研究已有较多的报道，但关于织构与固体润滑膜的复合效应还有待深入。若将TiN固体薄膜优异的高温重载摩擦学特性与微纳织构的动压润滑、微存储和机械捕捉效应相结合，将有望实现TiN薄膜使用寿命的显著延长和适用范围的大大拓展，但关于该设计思想的研究还鲜见报道。发明专利“一种具有TiN涂层的多孔膜及其制备方法”(CN102719691B)和“一种多孔氮化钛纳米阵列薄膜及其制备方法”(CN102534630B)分别报道了一种氮等离子扫描法和液相化学合成法制备多孔结构TiN，这两种多孔TiN在污水处理、催化剂载体、医疗领域具有一定的应用前景，但工艺难以控制、制备效率低，难以满足工程构件尤其是耐磨件表面的防护需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种降低氮化钛薄膜的制备条件，提高其制备效率和质量，实现其与基体的冶金结合，薄膜与基体无明显的结合界面，呈完全冶金结合，结合强度高，并实现其对润滑工况的普适性，满足多种复杂工况下机械设备的润滑和抗磨防护需求的微纳织构化氮化钛固体润滑膜的制备方法；进一步地，本发明提供一种提高Ti、N原子的反应活性，增加TiN形核质点；同时，在基体的极表面引入急剧的塑性变形和缺陷，为氮原子的渗入和扩散提供通道，提高渗氮效率，细化TiN晶粒尺寸的微纳织构化氮化钛固体润滑膜的制备方法；更进一步地，本发明提供一种提高氮原子向基体表面的传递，减少离子溅射对基体表面形成的损伤，同时减少基体表面其它元素的污染的微纳织构化氮化钛固体润滑膜的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

微纳织构化氮化钛固体润滑膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S01，基体的前处理：选用纯钛或钛合金为基材，然后进行表面预处理，表面预处理包括去除氧化膜、金相打磨、抛光和清洗；清洗完后表面烘干备用；

S02，表面织构化加工：采用超音速微粒轰击设备对基体表面进行织构化加工，轰击微粒为SiO₂球形粒子，直径为0.5～1mm；载气为高纯氩气，纯度为99.9％；轰击速度由气体压力调节，气体压力为0.5～2.0MPa；轰击时间为1～30min；表面织构化加工后，经超声波清洗并干燥后备用，得清洗好的织构化基片，清洗时间为30min，介质为丙酮；