CN109338287B - 一种织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：1)、基材的预处理；2)、溅射沉积Ta过渡层；3)、表面织构化处理：4)、溅射沉积Ag润滑相，得到织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层。本发明的织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层的制备方法的激光织构化处理过程中，Ta涂层的热影响区小，化学性质稳定，孔边缘粗糙度低，低的粗糙度有助于润滑膜的铺展与润滑寿命的延长。Ta作为过渡层改善了基体与Ag润滑膜之间的结合能力，可起到优异的承载效果；织构微孔可在摩擦过程中存储银磨屑颗粒，延长表面润滑膜寿命；微孔的深度远大于Ta过渡层的厚度，这种贯穿过渡层的孔，可有效消除孔加工中的应力。

Description

一种织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于固体润滑薄膜制备技术领域，涉及一种织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层及其制备方法。

背景技术

银是一种典型的固体润滑材料，通过膜内的低剪切提供润滑，用于关键零部件表面摩擦学改性。在真空、高温、高载荷等苛刻摩擦条件下，银作为固体润滑涂层在高温具有较高的磨损率；此外，银膜与钢基体表面间的结合性能欠佳，并在摩擦过程中钢基体易被氧化生成硬质氧化铁磨粒，引起的银润滑膜的损伤。

近年来，涂层表面织构化技术用于改善接触界面的摩擦学性能，织构阵列可作为润滑材料的储池，还可起到捕捉磨屑作用。先前有在织构化活塞环外表面进行化学镀银的报道，但直接织构化处理后的表面质量较差，微织构周围存在向上凸起的热影响区，较大的表面粗糙度不利于后续润滑膜的沉积与粘附。涂层表面织构化会由于激光产生热应力导致涂层裂纹、剥落，对亚稳定的涂层还会产生相变等影响。考虑上述两方面因素，需要在钢基体与Ag涂层之间沉积合适的过渡层。

有相关研究报道将Cr、Ni作为Ag涂层与钢基体间的过渡层，发现相对于无过渡层织构化钢上的Ag涂层，织构化Cr或Ni过渡层上Ag涂层的摩擦系数更低且更稳定，其磨损率降低一个数量级。钽具有高熔点，优异的延展性与耐腐蚀性，在电子、生物医学、枪管防护等众多领域有着广泛的应用。钽中间层一定程度上改善Ag薄膜与钢基体的结合性能，防止钢表面氧化物磨粒的形成；在Ta硬质层上进行织构加工，由于钽的耐高温特性，其表面热影响区的范围较小，表面粗糙度低。

因此，针对上述问题提出一种织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层及其制备方法。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层及其制备方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：

1）、基材的预处理：利用砂纸打磨去除表面锈层和氧化层，抛光成镜面，清洗并烘干，得到预处理的基材；

2）、溅射沉积Ta过渡层：采用第一直流磁控溅射方法，在步骤1）得到的预处理的基材表面溅射一层Ta作为过渡层；

3）、表面织构化处理：用Nd:YAG脉冲激光器对步骤2中的Ta过渡层刻蚀微孔，得到织构化的Ta过渡层；

4）、溅射沉积Ag润滑相：采用第二直流磁控溅射方法，在步骤3）得到的织构化的Ta过渡层表面溅射Ag作为润滑剂，得到织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层。

更进一步的，步骤1）中所述基材为45钢。

更进一步的，步骤2）中第一直流磁控溅射方法采用以下工艺参数：背底真空度低于5.5*10^-3Pa，靶基距为60mm，工作气压为0.1-0.4Pa，氩气流量为40-60sccm，溅射功率为40-70W，溅射时间为1-2h。

更进一步的，步骤2）中Ta过渡层的厚度为500nm-2μm。

更进一步的，步骤3）中Nd:YAG脉冲激光器的波长为1064nm，脉冲能量为30μJ/脉冲，脉冲宽度为450ns～500ns，频率范围为1～100Hz。

更进一步的，步骤3）中微孔直径为200um，所述微孔以等边三角形排列。

更进一步的，步骤3）中织构密度为2-8%。

更进一步的，步骤4）中第二直流磁控溅射方法采用以下工艺参数：背底真空度低于5.5*10^-3Pa，靶基距为60mm，工作气压为0.1-0.4Pa，氩气流量为40-60sccm，溅射功率为50-70W，溅射时间为30-60min。

更进一步的，步骤4）中Ag润滑层的厚度为10μm。

更进一步的，步骤1）中利用砂纸打磨去除表面锈层和氧化层为利用180#、400 #、600 #和800#砂纸逐级打磨去除表面锈层和氧化层。

本发明的织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层的制备方法具有以下有益效果：

本发明的织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层的制备方法的激光织构化处理过程中，Ta涂层的热影响区小，化学性质稳定，孔边缘粗糙度低，低的粗糙度有助于润滑膜的铺展与润滑寿命的延长。Ta作为过渡层改善了基体与Ag润滑膜之间的结合能力，可起到优异的承载效果；织构微孔可在摩擦过程中存储银磨屑颗粒，延长表面润滑膜寿命；微孔的深度远大于Ta过渡层的厚度，这种贯穿过渡层的孔，可有效消除孔加工中的应力。

附图说明

图1为实施例1中织构化凹坑的三维形貌图；

图2为实施例1中织构化凹坑的示意图；

图3为实施例1中Ta涂层截面SEM图；

图4为实施例1中Ta涂层表面织构化阵列三维形貌图；

图5为实施例1中复合涂层截面SEM图；

图6为复合涂层截面示意图；

图7为实施例2中复合涂层600℃摩擦系数曲线图；

图8为实施例2中复合涂层600℃磨痕三维形貌；

图9为实施例2中600℃磨痕拉曼图谱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，基材的预处理：经180#、400 #、600 #、800#砂纸逐级打磨去除表面锈层和氧化层，抛光成镜面，溅射前用丙酮、酒精对基材先后进行超声清洗各15min，烘干即得；步骤1中，基材为45钢。

步骤2，溅射沉积Ta过渡层：采用直流磁控溅射方法，在预处理的基材表面溅射一层Ta作为过渡层，所述直流磁控溅射方法的具体工艺参数为：背底真空度低于5.5*10^-3Pa，靶基距为60mm，工作气压为0.1-0.4Pa，氩气流量为40-60sccm，溅射功率为40-70W，控制溅射时间为1-2h；优选的，Ta过渡层的厚度为500nm-2μm；

步骤3，表面织构化处理：用波长为1064nm、脉冲能量为30μJ/脉冲、脉冲宽度为450ns～500ns、频率范围为1-100Hz的Nd:YAG脉冲激光器对步骤2中的Ta过渡层刻蚀规则微孔，微孔直径为200um，以等边三角形阵列排列，织构密度为2-8%；

步骤4，溅射沉积Ag润滑相：采用直流磁控溅射方法，在织构化Ta过渡层表面溅射Ag作为润滑剂，所述直流磁控溅射方法的具体工艺参数为：背底真空度低于5.5*10^-3Pa，靶基距为60mm，工作气压为0.1-0.4Pa，氩气流量为40-60sccm，溅射功率为50-70W，控制溅射时间为30-60min。优选的，Ag润滑层的厚度为10μm。

其中，直流磁控溅射方法现有技术，其原理是：在磁控溅射中，由于运动电子在磁场中受到洛仑兹力，它们的运动轨迹会发生弯曲甚至产生螺旋运动，其运动路径变长，因而增加了与工作气体分子碰撞的次数，使等离子体密度增大，从而磁控溅射速率得到很大的提高，而且可以在较低的溅射电压和气压下工作，降低薄膜污染的倾向；另一方面也提高了入射到衬底表面的原子的能量，因而可以在很大程度上改善薄膜的质量。同时，经过多次碰撞而丧失能量的电子到达阳极时，已变成低能电子，从而不会使基片过热。因此磁控溅射法具有“高速”、“低温”的优点。该方法的缺点是不能制备绝缘体膜，而且磁控电极中采用的不均匀磁场会使靶材产生显著的不均匀刻蚀，导致靶材利用率低，一般仅为20%-30%。

本发明结合织构化处理技术与软/硬复合涂层，得到润滑性能优异的织构化Ag/Ta复合涂层，在中低温，甚至中高温温区都能保持低的摩擦系数，是一种自适应性固体润滑涂层。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）在各类织构微造型中，选取摩擦性能最优的球形凹坑，并对凹坑深径比进行优化。

（2）激光织构化处理过程中，Ta涂层的热影响区小，化学性质稳定，孔边缘粗糙度低，低的粗糙度有助于润滑膜的铺展与润滑寿命的延长。

（3）Ta作为过渡层改善了基体与Ag润滑膜之间的结合能力，可起到优异的承载效果；织构微孔可在摩擦过程中存储银磨屑颗粒，延长表面润滑膜寿命；微孔的深度远大于Ta过渡层的厚度，这种贯穿过渡层的孔，可有效消除孔加工中的应力。

实施例1：

（1）基材的预处理：取直径为45mm，厚度为1.5mm的45钢圆盘，采用180#、400 #、600#、800#砂纸逐级打磨去除表面锈层和氧化层，后用W3.5和W1的金刚石研磨膏进行抛光。将抛光完的基材放入小烧杯中，加入无水乙醇超声波清洗15min，并将其烘干。

（2）制备Ta过渡层：采用直流磁控溅射方法，在预处理的基材表面溅射一层Ta作为过渡层，使用的Ta靶纯度为99.95%，所述直流磁控溅射方法的具体工艺参数为：靶基距60cm，背底真空度低于5.5*10^-3Pa，工作气压为0.2Pa，氩气流量为40sccm，溅射功率为70W，控制溅射时间为2h；

（3）表面织构化处理：用波长为1064nm、脉冲能量为30μJ/脉冲、脉冲宽度为450ns～500ns、频率范围为1-100Hz的Nd:YAG脉冲激光器对步骤2中的Ta过渡层刻蚀规则微孔，以等边三角形阵列排列，织构密度为8%；

（4）溅射沉积Ag润滑相：采用直流磁控溅射方法，在织构化Ta过渡层表面溅射一层Ag作为润滑剂，使用的Ag靶纯度为99.95%，所述直流磁控溅射方法的具体工艺参数为：靶基距60cm，背底真空度低于5.5*10-3Pa，工作气压为0.2Pa，氩气流量为40sccm，溅射功率为65W，控制溅射时间为30min。

本实施例1中织构化凹坑的三维形貌如图1和图2，凹坑直径200μm，深度约为80μm。所制备的Ta过渡层厚度约为2μm（见图3），整体界面结合良好，Ta层与基体间不存在空隙与裂缝，涂层表面较为平整光滑，得到的为机械性能优异的纳米晶α-Ta相。图4为织构化Ta涂层的三维形貌，微孔以等边三角形阵列规整排列，微孔周围的热影响区小，表面粗糙度低，织构化密度为8%。图5和图6为最终制备得到的织构化Ag/Ta复合涂层的截面形貌图，Ag完整地覆盖了Ta过渡层表面，其含量高达96.89%wt，Ag膜厚度约为10μm。织构化复合涂层有效降低了摩擦表面的摩擦系数与磨损率。室温条件下，织构密度为8%的复合涂层使摩擦系数降低20%左右，由0.5降至0.4；600℃时，其摩擦系数降低63%，磨损率降低68%左右。

实施例2：

（1）基材的预处理：同实施例1；

（2）制备Ta过渡层：采用直流磁控溅射方法，在预处理的基材表面溅射一层Ta作为过渡层，使用的Ta靶纯度为99.95%，所述直流磁控溅射方法的具体工艺参数为：靶基距60cm，背底真空度低于5.5*10^-3Pa，工作气压为0.2Pa，氩气流量为40sccm，溅射功率为50W，控制溅射时间为2h；

（3）表面织构化处理：用波长为1064nm、脉冲能量为30μJ/脉冲、脉冲宽度为450ns～500ns、频率范围为1-100Hz的Nd:YAG脉冲激光器对步骤2中的Ta过渡层刻蚀规则微孔，以等边三角形阵列排列，织构密度为6%。

（4）溅射沉积Ag润滑相：同实施例1。

本实施例中Ta的溅射功率为50w，Ta薄膜致密光滑，表面平整，其硬度为9.47 GPa。最终制备的复合涂层在载荷2N，摩擦半径5mm，转速300r/min的摩擦条件下，其600℃的摩擦曲线如图7，平均摩擦系数保持在较低的水平（约为0.2），比45钢基体摩擦系数降低81%，比未织构化试样的摩擦系数降低了75%。经30min摩擦测试后，由磨痕的三维形貌（图8）可知磨痕较浅，其深度仅有3μm，计算得磨损率为54*10^-6mm³N^-1m^-1，磨损寿命增加3倍以上。此时微孔起着捕捉磨粒和存储润滑剂Ag的作用，进而降低磨损，高温下磨痕处发生摩擦化学反应生成Ta₂O₅（如图9），新的润滑相与Ag粒子协同作用，使得摩擦系数降低，延长了涂层的寿命。

Claims (1)

1.一种织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、基材的预处理：利用砂纸打磨去除表面锈层和氧化层，抛光成镜面，清洗并烘干，得到预处理的基材；步骤1）中所述基材为45钢；步骤1）中利用砂纸打磨去除表面锈层和氧化层为利用180#、400 #、600 #和800#砂纸逐级打磨去除表面锈层和氧化层；

2）、溅射沉积Ta过渡层：采用第一直流磁控溅射方法，在步骤1）得到的预处理的基材表面溅射一层Ta作为过渡层；步骤2）中第一直流磁控溅射方法采用以下工艺参数：背底真空度低于5.5×10^-3Pa，靶基距为60mm，工作气压为0.1-0.4Pa，氩气流量为40-60sccm，溅射功率为40-70W，溅射时间为1-2h；步骤2）中Ta过渡层的厚度为500nm-2μm；

3）、表面织构化处理：用Nd:YAG脉冲激光器对步骤2） 中的Ta过渡层刻蚀微孔，得到织构化的Ta过渡层；步骤3）中Nd:YAG脉冲激光器的波长为1064nm，脉冲能量为30μJ/脉冲，脉冲宽度为450ns～500ns，频率范围为1～100Hz；步骤3）中微孔直径为200um，所述微孔以等边三角形排列；步骤3）中织构密度为2-8%；

4）、溅射沉积Ag润滑相：采用第二直流磁控溅射方法，在步骤3）得到的织构化的Ta过渡层表面溅射Ag作为润滑剂，得到织构化Ta/Ag宽温区自润滑涂层；

步骤4）中第二直流磁控溅射方法采用以下工艺参数：背底真空度低于5.5×10^-3Pa，靶基距为60mm，工作气压为0.1-0.4Pa，氩气流量为40-60sccm，溅射功率为50-70W，溅射时间为30-60min；步骤4）中Ag润滑层的厚度为10μm。

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