[发明专利]一种宽温域自润滑Si、WC组元掺杂的非晶碳基薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种宽温域自润滑Si、WC组元掺杂的非晶碳基薄膜及其制备方法，属于涂层材料技术领域。本发明采用多靶闭合场非平衡溅射系统实现宽温域自润滑多组元掺杂非晶碳基薄膜的制备，依次包括基体表面处理、在基体表面沉积Cr粘结层和梯度过渡层(Cr→Cr/a‑C→Si/WC/a‑C)、在梯度过渡层(Cr→Cr/a‑C→Si/WC/a‑C)表面沉积Si、WC组元共同掺杂的非晶碳目标层(Si/WC/a‑C)。该非晶碳基薄膜在大气环境25‑500℃宽温域条件下具有优良的自润滑性能，有效提高了非晶碳基薄膜的高温润滑性能，显著拓展了其润滑适用温域，为其应用于大气宽温域或高温苛刻工况的润滑提供了有力的技术支撑。

技术领域

本发明属于涂层材料技术领域，具体涉及一种宽温域自润滑Si、WC组元掺杂的非晶碳基薄膜及其制备方法。

背景技术

非晶碳(amorphous carbon,a-C)是兼具高硬度和优异摩擦学性能的固体润滑材料，具有优良的应用前景，目前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，非晶碳膜的热稳定性较差，摩擦学性能对环境温度的变化十分敏感。大量研究表明，在大气环境温度在300℃时，非晶碳基薄膜的结构发生明显石墨化，导致其力学性能、摩擦学性能退化。此外，通常当大气温度高于150℃时，非晶碳基薄膜往往表现出较高的摩擦和磨损。因此，提高非晶碳基薄膜的热稳定性、降低其温度敏感度，以拓展其润滑适用的温域一直是世界范围的研究热点。

研究表明，硅(Si)元素的掺杂能够有效提高a-C基薄膜的结构热稳定性以及高温摩擦学性能。Zhang T.等提出Si元素可能优先取代sp²杂化键的碳原子点位形成sp³ Si-C键，不仅有利于提高薄膜的力学性能，而且有效地抑制非晶碳基薄膜的高温石墨化，从而大幅提升非晶碳基薄膜的热稳定性。Hatada R.等报道Si掺杂的非晶碳基薄膜(Si/a-C)在大气环境300℃条件下，经过168h的长时间退火处理，仍表现出与原始薄膜相似的力学性能和低摩擦性能。Jantschner O.团队研究表明，在大气环境245～450℃条件下，非晶碳基薄膜(Si/a-C)表现出优异的低摩擦性能，然而当温度高于450℃时，非晶碳基薄膜(Si/a-C)表面发生氧化而导致其摩擦系数升高，在500℃时，其摩擦系数高于0.5。综上所述，Si组元掺杂的非晶碳基薄膜(Si/a-C)具有优良的热稳定性，而且在大气中温域(200-350℃)工况下通常表现出良好的润滑性能，但在400℃以上其润滑性能发生退化。

含钨(W)元素的非晶碳基薄膜(a-C)能够在400-500℃高温条件下，形成富含钨氧化物的润滑膜，实现较低的摩擦和磨损。Gharam A.等提出，大气高温环境中W-DLC薄膜与铝合金配副对磨，表现出低摩擦系数(0.12～0.18)。A.Banerji等研究大气环境中W-DLC基薄膜与钛合金配副对磨的摩擦行为，发现在400～500℃其表现出良好的低摩擦行为，摩擦系数约为0.07～0.08，但在100～300℃时，其摩擦系数约为0.46～0.54。

综上所示，目前如何实现适用于大气宽温域(室温至500℃)自润滑的非晶碳基薄膜仍然是一个艰巨的挑战。

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适用于大气室温至500℃宽温域的一种宽温域自润滑Si、WC组元掺杂的非晶碳基薄膜及其制备方法，提高非晶碳基薄膜热稳定性和宽温域润滑性能，以满足大气、宽温域或高温等苛刻工况的润滑需求。

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自润滑Si、WC组元掺杂的非晶碳基薄膜，该非晶碳基薄膜是由Cr粘结层、梯度过渡层和Si、WC组元共同掺杂的非晶碳目标层组成的具有纳米晶非晶的复合结构；其中：

梯度过渡层由Cr粘结过渡层、Cr掺杂非晶碳过渡层和Si、WC共同掺杂非晶碳过渡层构成。