[发明专利]改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜及其制备方法，薄膜表面图案为凸起高度为0.5mm的宽度0.3mm、长度5mm、沿径向夹角5°的条纹或边长0.6mm、沿径向排列的夹角为10°的正三角形，其制备方法包括如下步骤：(1)采用精铣雕刻机在不锈钢基材表面加工出若干凸起的条纹或正三角形图案；(2)将图案化的基材依次在丙酮、无水乙醇中清洗20分钟，并在干燥箱中烘干；(3)将基材置于多弧离子镀设备中，沉积TiAlN薄膜；(4)沉积过程结束后，待样品冷却至室温，将其取出，获得TiAlN图案薄膜；本发明制备的图案薄膜具有可以减轻粘着，平稳或降低高温摩擦系数，提高材料表面高温耐磨性的功能。

技术领域

本发明属于薄膜材料技术领域，尤其涉及一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜及其制备方法。

背景技术

在工业领域，切削刀具、发动机缸套/活塞环、轴承、燃气轮机燃烧室部件等工具和零部件经常在高温条件下工作，接触表面存在高温摩擦磨损问题。TiAlN薄膜具有硬度高、热稳定性好、抗氧化等优异性质，而经常应用于在高温条件下工作的零部件表面。TiAlN薄膜在高温条件下会生成Al₂O₃、TiO₂氧化物，可以改善薄膜的润滑行为和耐磨性。温度会影响TiAlN薄膜的高温磨损机制，使薄膜磨损机制随温度升高，由磨粒磨损转变为粘着磨损。同时，TiAlN薄膜的高温软化导致薄膜的摩擦系数升高，耐磨性下降，过度氧化也会导致薄膜断裂和剥落。

表面图案由于能容纳磨屑，储存润滑剂，减少接触面积等原因，而能够降低摩擦磨损，并且在高温条件下，也可以表现出良好的摩擦学性能。研究表明表面图案促进表面摩擦产物层的形成，明显提高TC11钛合金在500℃时的耐磨性。微圆坑和微沟槽表面图案提高接触压力和增加表面氧吸附量，促进表面润滑膜的形成，从而降低Al₂O₃/Mo复合材料在800℃时的摩擦系数。沟槽表面图案由于能容纳磨屑和降低摩擦温升，从而降低渗氮不锈钢表面在300℃和500℃时的摩擦系数和磨损量。在切削刀具的实际应用中，表面图案有利于切削区散热，从而减轻后刀面的高温磨损和切削刃损伤。

因此，表面图案TiAlN薄膜综合硬质薄膜和表面图案两方面的优势，可以改善材料表面的高温摩擦学行为。然而，关于图案化TiAlN薄膜的高温摩擦磨损性能研究还未见相关报道。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜及其制备方法，图案薄膜可以减轻粘着，平稳或降低高温摩擦系数，提高高温耐磨性。

为了实现上述目的，本发明提供的一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜，所述图案薄膜表面设有若干均布的凸起的条纹或正三角形，所述条纹的宽度0.1mm-0.5mm、长度2mm-7mm、沿径向夹角3°-6°，所述三角形的边长0.3mm-0.9mm、沿径向排列的夹角为7°-13°。

优选地，所述条纹图案的宽度0.3mm、长度5mm、沿径向夹角5°；

优选地，所述正三角形图案的边长0.6mm、沿径向排列的夹角为10°；

优选地，所述图案的凸起高度为0.5mm；

优选地，一种改善材料表面高温摩擦学行为的图案薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用精铣雕刻机在不锈钢基材表面加工出若干凸起的条纹或正三角形图案；

(2)将图案化的基材依次在丙酮、无水乙醇中清洗20分钟，并在干燥箱中烘干；

(3)将基材置于多弧离子镀设备中，沉积TiAlN薄膜；

(4)沉积过程结束后，待样品冷却至室温，将其取出，获得TiAlN图案薄膜。