[发明专利]一种VN/Ag宽温域润滑复合薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种VN/Ag宽温域润滑复合薄膜的制备方法，针对单束脉冲激光沉积系统，通过靶材拼装工艺“一步”制备出符合化学计量比的VN/Ag复合薄膜；本发明所制备的复合薄膜具有均匀致密的微观结构，尺寸10‑20nm的Ag颗粒均匀镶嵌在VN基体中，利用Ag作为低、中温润滑相，利用高温摩擦化学反应产物氧化钒、钒酸银作为中、高温润滑相，实现了室温‑900℃范围的连续润滑，其在室温至900℃范围内的摩擦系数保持在0.08‑0.3之间，起到了有效的减摩润滑作用。本发明制备了具有连续可靠润滑性的复合薄膜，制备工艺简单，可广泛应用于宽温域下机械零部件的的抗磨减摩。

技术领域

本发明涉及表面涂层技术领域，特别是一种VN/Ag宽温域润滑复合薄膜的制备方法。

背景技术

随着现代金属热加工、航空航天、核能等工业迅速发展，许多机械部件要求在超高温、高速和特殊介质等苛刻条件下工作，如汽车燃气涡轮发动机工作温度为260℃～1100℃，其主轴温度可达650℃以上；绝热柴油发动机轴承衬垫的工作温度达600℃～1000℃；先进航空发动机的燃气进口温度已达到1370℃。某些工况下，在TiN硬质薄膜的基础上通过添加Al、Cr合金元素形成TiAlN、TiAlCrN等三元、四元硬质薄膜，使得工件的工作温度提高到800℃以上，满足其抗氧化性能的要求。在TiAlN膜层中掺杂10％左右的Si元素能够得到组织更致密、硬度达到42GPa以上的超硬薄膜。然而，这些膜层的干摩擦系数却高达0.5～0.9，严重的摩擦磨损在一定程度上降低了其工作寿命。在这些极端苛刻工况条件下，相关运动部件的润滑和耐磨问题已成为影响整个系统可靠性和寿命乃至决定整个系统设计成败的技术关键。因此，特殊工况下的润滑和磨损成为了摩擦学领域研究的热点和难点问题。

随着摩擦学理论的深入研究与薄膜制备技术的不断革新，固体润滑薄膜材料的研究已成为材料科学研究领域的重要组成部分。众所周知，任何一种材料的摩擦学性能都不是固定不变的，而是与载荷、滑动速度、对偶材料、环境温度、大气湿度、真空度等因素密切相关。对于任一种单成分薄膜材料也都有一个服役极限温度，当环境温度一旦超过此极限，薄膜就会很快磨损失效，比如，MoS₂薄膜在大气中室温下的摩擦系数仅为0.05，而当温度超过350℃时却发生氧化而失去润滑特性，Ag薄膜在大气中室温下的摩擦系数为0.15，在500℃下却高达0.24，无机含氧盐类、氟化物及氧化物薄膜在高温下具有良好的润滑性，但在低中温下却有很高的摩擦系数。针对从低温到高温或温度交变环境下的润滑问题，无论何种固体润滑剂都无法独自满足这种工况要求。因此，开发制备新型宽温域润滑复合薄膜来满足现代工业的需求显得尤为重要，意义深远。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种VN/Ag宽温域润滑复合薄膜的制备方法，从而制备得到在宽温域(室温-900℃)内具有连续可靠润滑性能的VN/Ag复合薄膜。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种VN/Ag宽温域润滑复合薄膜的制备方法，采用单束脉冲激光沉积技术以VN/Ag复合靶为靶材在待沉积基底上制备VN/Ag宽温域润滑复合薄膜，具体步骤如下：

(1)待沉积基底处理：

首先，去除待沉积镍基合金基底表面附着的杂质后，分别在丙酮和无水乙醇中超声清洗10～20min，氮气吹干，真空保存；

(2)VN/Ag复合靶：

分别取纯度为99.99％的VN靶、Ag靶，用金刚石石线切割机分别将VN靶、Ag靶进行等分切割，得到若干圆心角相同的VN靶扇形段、Ag靶扇形段，然后将VN靶扇形段、Ag靶扇形段分别置于体积比为1:1的丙酮和无水乙醇的混合溶液中超声清洗10min，然后用氮气吹干；取VN靶扇形段、Ag靶扇形段交替放置在与VN靶、Ag靶尺寸相同的靶托上拼装成VN/Ag复合靶；

(3)VN/Ag宽温域润滑复合薄膜的制备：