[发明专利]一种宽温域纳米复合结构碳基自润滑薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种宽温域纳米复合结构碳基自润滑薄膜及其制备方法，属于涂层材料技术领域。本发明采用多靶非平衡溅射系统实现宽温域纳米复合结构碳基自润滑薄膜的制备，依次包括金属基体表面处理、在基体表面沉积Cr粘结层和WC掺杂的a‑C梯度过渡层、在过渡层表面交替沉积超晶格WC/a‑C纳米多层和a‑C纳米层。该纳米复合结构碳基薄膜在大气环境25‑350℃宽温域条件下具有良好的自润滑性能，有效的提高了非晶碳基润滑膜的适用温域，满足苛刻工况条件下机械部件表面的防护润滑需求。

技术领域

本发明属于涂层材料技术领域，涉及一种宽温域纳米复合结构碳基自润滑薄膜及其制备方法。

背景技术

非晶碳(amorphous carbon,a-C)膜具有良好的化学稳定性、高硬度、低摩擦系数和优异耐磨性能，因此是一种极具潜力的固体润滑材料。目前非晶碳基薄膜已成功应用于机械加工、汽车、航空航天、生物医学等领域。

然而，非晶碳膜的摩擦性能对环境温度的变化十分敏感。通常当温度高于150℃时，其减摩和抗磨性能明显退化；当温度高于300℃时，其会发生严重的石墨化和氧化反应而完全失效。即使是含氢的非晶碳膜(a-C:H)往往也只能在200℃以下的大气环境中保持良好的摩擦性能；当温度高于200℃会加速H的释放，导致其摩擦学性能迅速恶化。实际上在高温、高速、重载、氧化气氛等恶劣环境中，往往越发需要自润滑薄膜的保护，以避免零部件摩擦表面发生严重的摩擦或磨损而导致其过早失效。目前，在大气环境中a-C基薄膜狭窄的适用温度范围已成为进一步扩大其应用的严重障碍，因此研发适用于宽温域的碳基润滑薄膜具有重要的意义。

研究表明，Si、F、Ti、W等元素改性的a-C膜在高温下可获得较好的热稳定性和良好的摩擦学性能。值得注意的是，W的掺入可以有效地改善a-C膜在高温、严重氧化、边界油润滑等苛刻条件下的摩擦性能，表明W掺杂的a-C膜具有巨大的潜力应用潜力和优势。Sanchez-Lopez等人对掺有TiC、TiBC、WC等碳化物颗粒的DLC与AISI 52010钢的摩擦行为进行了研究，发现WC-DLC膜在力学性能和摩擦学性能上达到了最佳的平衡。Banerji等人研究了W-DLC膜在大气环境中对Ti-6Al-4V合金的摩擦学性能，发现W-DLC膜在400～500℃的摩擦系数低(0.07-0.08)；在100～300℃的中间温度下，由于氧化钨转移膜的缺失，W-DLC膜的摩擦系数较高(0.46～0.54)，体积磨损损失较大。此外Bhowmick等人利用富氧环境，实现了W-DLC膜在25～500℃温度范围内稳定的低摩擦系数，但只能在纯氧特殊氛围中实现宽温域润滑性能。然而，实际上多数非晶碳基润滑薄膜是在普通的大气环境中服役，因此亟待需要探索一种新的方法来拓展碳基薄膜在大气条件下的适用温域。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种宽温域纳米复合结构碳基自润滑薄膜及其制备方法，能够降低非晶碳膜对环境温度敏感性，提高非晶碳基润滑膜的适用温域，以适用于大气、宽温域工况的应用需求。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种宽温域纳米复合结构碳基自润滑薄膜，该薄膜具有由超晶格纳米多层WC/a-C和纳米层a-C构成的复合纳米多层结构；其中：

纳米层a-C与超晶格纳米多层WC/a-C的调制比为1：(0.75～1.25)，调制周期为100～200nm；

超晶格纳米多层WC/a-C中WC子层与a-C子层的调制比为1：(0.75～1.25)，调制周期为3～6nm。

优选地，上述宽温域纳米复合结构碳基自润滑薄膜的总厚度为2～4μm。

优选地，纳米层a-C与超晶格纳米多层WC/a-C的调制比为1:1；超晶格纳米多层WC/a-C中WC子层与a-C子层的调制比为1:1。

本发明还公开了上述的宽温域纳米复合结构碳基自润滑薄膜的制备方法，包括以下步骤：