一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层及其制备方法

本发明涉及轴承表面防护领域，尤其涉及一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层及其制备方法。

背景技术：

随着航空发动机朝着大推重比、高可靠性、高耐久性、低耗油率、低成本等方向的发展，对于服役在航空发动机中的运动部件，如主轴、轴承、压气机叶片、铰链和齿轮，其面临着变载、变速、断油等复杂恶劣的工况，在运转过程中，其零部件之间的接触表面极易被破坏，从而导致运动部件发生失效。

在过去几十年，硬质耐磨固体自润滑涂层在机械部件上的应用日趋成熟，已成为改善机械运动部件服役性能的重要途径。但多数研究中所选用元素单一，不能充分发挥多种元素协同作用的效果。近年来，高熵合金由于其优越的结构性能已成为广泛研究的热点。高的混合熵使得合金倾向于形成多元素固溶体结构，从而具备一系列优异的性能，如高强度、高耐磨性和抗氧化性等优点。因此，研究人员将高熵合金的概念引入到涂层的制备过程中，提出高熵合金涂层的设计理念。最近，又有研究人员提出在高熵合金涂层中添加氮元素，行成高熵氮化物涂层。由于氮元素的添加使高熵氮化物涂层相比一般的高熵合金涂层表现出更优异的耐磨损性能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种在航空润滑油环境中具有高耐磨性的航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该高熵氮化物涂层的制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层，其特征在于：该高熵氮化物涂层为(craltinbv)nx，x=0.3~0.5；其所含元素按原子百分数计：cr为15~30at.%,al为5~15at.%,ti为3~10at.%,nb为5~10at.%,v为5~15at.%,n为30~50at.%。

如上所述的一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层的制备方法，其特征在于：该高熵氮化物涂层在室温下采用磁控溅射技术和多元靶技术制得，具体步骤如下：

⑴用无水乙醇和丙酮分别超声清洗钢块样品15min，将样品吹干后再放入真空室中，进行抽真空；

⑵当真空度低于3×10^-3pa时开始进行镀膜工作；通入氩气，制备过程中氩气含量固定为18sccm，其真空室内部压强为0.24pa，在样件上加脉冲偏压电源，在-450v的偏压下用氩气等离子体对样品进行预溅射清洗20~30min；

⑶保持腔室压力不变，连续调整偏压为-60~-120v，在单一cr靶上加直流电源，调节电流为4.5a的条件下沉积cr过渡层，沉积时间为5~15min；

⑷氩气流量保持不变，通入18~48sccm不同流量的n2，调节腔室压力分别为0.3~0.8pa，在偏压-36v下，调节cr-nb-ti-al-v多元靶的电流为4.5a，沉积时间为14000s，即得(craltinbv)nx高熵氮化物涂层。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用磁控溅射技术以及多元靶技术，能够成功制备出含有五种元素的高熵氮化物涂层，并通过调控镀膜工艺参数，得到最佳n2流量下的高熵氮化物涂层，从而使其能够在航空润滑油环境中大大提高钢基体的耐磨损性能。

2、本发明采用磁控溅射技术和多元靶技术在室温下制备，基材无需任何额外的加热过程。

3、本发明所制备的(craltinbv)nx高熵氮化物涂层厚度在0.8~1.13μm，呈现出不同致密性的柱状晶结构，表面较为光滑（粗糙度<5nm）；其具有较高的硬度，硬度（h）和杨氏模量（e）分别为8~17gpa和179~276gpa。

【粗糙度测试实验】

采用nanowizard4原子力显微镜，对实施例1~4所制备的一系列(craltinbv)nx高熵氮化物涂层进行表面原子力显微镜测试，扫描范围10×10μm，结果如图2所示。原子力显微镜能够以纳米级分辨率获得涂层表面形貌颗粒尺寸及表面粗糙度信息，图2a中氮气流量为18sccm时制备的涂层表面颗粒尺寸相对较小，随n2流量的增加，颗粒尺寸先增大后减小，在38sccmn2流量下达到最大（图2c），但当n2流量继续增加到48sccm时（图2d），颗粒表面出现异常增大的突出颗粒。图3为原子力显微镜测试给出的相应条件下涂层的表面粗糙度结果。由图可知，随n2流量的增加，涂层表面的粗糙度先增大后减小，在38sccmn2流量下取得极大值。

4、本发明高熵氮化物涂层主要应用于轴承的表面防护领域，配合润滑油进行固液复合润滑，能够显著提高运动部件的耐磨性和使用寿命，从而表现出优异的摩擦学性能。

【摩擦磨损实验】

采用csm摩擦试验机对所述实施例1-4所制备的(craltinbv)nx高熵氮化物涂层进行摩擦学性能测试，所用摩擦对偶球为直径6mm的9cr18钢球，法向载荷为20n，旋转速度为300r/min，线速度为6.28cm/s。与4050#航空油复合润滑摩擦系数结果如附图4所示。由图中可以看出，该涂层在4050#航空润滑油中的摩擦系数为0.096~0.115。

采用surftestsj-210粗糙度仪对所述实施例1-4所制备的(craltinbv)nx高熵氮化物涂层进行磨损率测试，磨损率结果如附图5所示。由图中可以看出，在氮气流量为38sccm下的涂层磨损率最小，为1.8×10⁻⁷mm³/(n∙m)，比未涂层钢基体在4050#航空油中的磨损率（5.68×10⁻⁶mm³/(n∙m)）减少一个数量级，表明该高熵氮化物在航空润滑油环境中能够明显提高基体的耐磨损性能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明制备的(craltinbv)nx高熵氮化物涂层的截面sem像。

图2为本发明制备的(craltinbv)nx高熵氮化物涂层的原子力照片。

图3为本发明制备的(craltinbv)nx高熵氮化物涂层的粗糙度曲线。

图4为本发明制备的(craltinbv)nx高熵氮化物涂层的摩擦系数。

图5为本发明制备的(craltinbv)nx高熵氮化物涂层的磨损率结果。

具体实施方式

一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层，该高熵氮化物涂层为(craltinbv)nx，x=0.3~0.5；其所含元素按原子百分数计：cr为15~30at.%,al为5~15at.%,ti为3~10at.%,nb为5~10at.%,v为5~15at.%,n为30~50at.%。

该高熵氮化物涂层在室温下采用磁控溅射技术和多元靶技术制得，具体步骤如下：

⑴用无水乙醇和丙酮分别超声清洗钢块样品15min，将样品吹干后再放入真空室中，进行抽真空；

⑵当真空度低于3×10^-3pa时开始进行镀膜工作；通入氩气，制备过程中氩气含量固定为18sccm，其真空室内部压强为0.24pa，在样件上加脉冲偏压电源，在-450v的偏压下用氩气等离子体对样品进行预溅射清洗20~30min；

⑶保持腔室压力不变，连续调整偏压为-60~-120v，在单一cr靶上加直流电源，调节电流为4.5a的条件下沉积cr过渡层，沉积时间为5~15min；

⑷氩气流量保持不变，通入18~48sccm不同流量的n2，调节腔室压力分别为0.3~0.8pa，在偏压-36v下，调节cr-nb-ti-al-v多元靶的电流为4.5a，沉积时间为14000s，即得(craltinbv)nx高熵氮化物涂层。

本发明的原理是利用磁控溅射技术和多元靶技术，选用多元靶材（cr-nb-ti-al-v）和纯金属靶材（cr）作为沉积源，同时，溅射沉积时保持固定氩气（ar）流量为18sccm，通过改变不同氮气（n2）流量（18-48sccm），制备出不同结构的(craltinbv)nx高熵氮化物涂层，涂层的致密性与颗粒大小均能影响其机械性能，进而可以获得具备最优摩擦学性能的高熵氮化物涂层。

实施例1一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层，该高熵氮化物涂层为(craltinbv)nx，x=0.3；其所含元素按原子百分数计：cr为30at.%,al为15at.%,ti为3at.%,nb为7at.%,v为15at.%,n为30at.%。

其制备方法：

⑴用无水乙醇和丙酮分别超声清洗钢块样品15min，将样品吹干后再放入真空室中，进行抽真空；

⑵当真空度低于3×10^-3pa时开始进行镀膜工作；通入氩气，制备过程中氩气含量固定为18sccm，其真空室内部压强为0.24pa，在样件上加脉冲偏压电源，在-450v的偏压下用氩气等离子体对样品进行预溅射清洗20~30min，以清除表面的氧化层和其它杂质；

⑶保持腔室压力（0.24pa）不变，连续调整偏压为-60~-120v，在单一cr靶上加直流电源，调节电流为4.5a的条件下沉积cr过渡层，沉积时间为5~15min；

⑷氩气流量（18sccm）保持不变，通入18sccm的n2，调节腔室压力为0.3pa，在偏压-36v下，调节cr-nb-ti-al-v多元靶的电流为4.5a，沉积时间为14000s，即得(craltinbv)nx高熵氮化物涂层。

所制备的(craltinbv)nx高熵氮化物涂层的截面sem像如附图1(a)所示，涂层的厚度约为0.93μm。

实施例2一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层，该高熵氮化物涂层为(craltinbv)nx，x=0.35；其所含元素按原子百分数计：cr为20at.%,al为15at.%,ti为10at.%,nb为10at.%,v为10at.%,n为35at.%。

其制备方法：：

⑴用无水乙醇和丙酮分别超声清洗钢块样品15min，将样品吹干后再放入真空室中，进行抽真空；

⑵当真空度低于3×10^-3pa时开始进行镀膜工作；通入氩气，制备过程中氩气含量固定为18sccm，其真空室内部压强为0.24pa，在样件上加脉冲偏压电源，在-450v的偏压下用氩气等离子体对样品进行预溅射清洗20~30min，以清除表面的氧化层和其它杂质；

⑶保持腔室压力（0.24pa）不变，连续调整偏压为-60~-120v，在单一cr靶上加直流电源，调节电流为4.5a的条件下沉积cr过渡层，沉积时间为5~15min；

⑷氩气流量（18sccm）保持不变，通入28sccm不同流量的n2，调节腔室压力为0.4pa，在偏压-36v下，调节cr-nb-ti-al-v多元靶的电流为4.5a，沉积时间为14000s，即得(craltinbv)nx高熵氮化物涂层。

所制备的(craltinbv)nx高熵氮化物涂层的截面sem像如附图1(b)所示，涂层的厚度约为0.8μm。

实施例3一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层，该高熵氮化物涂层为(craltinbv)nx，x=0.45；其所含元素按原子百分数计：cr为15at.%,al为10at.%,ti为10at.%,nb为5at.%,v为15at.%,n为45at.%。

其制备方法：

⑴用无水乙醇和丙酮分别超声清洗钢块样品15min，将样品吹干后再放入真空室中，进行抽真空；

⑵当真空度低于3×10^-3pa时开始进行镀膜工作；通入氩气，制备过程中氩气含量固定为18sccm，其真空室内部压强为0.24pa，在样件上加脉冲偏压电源，在-450v的偏压下用氩气等离子体对样品进行预溅射清洗20~30min，以清除表面的氧化层和其它杂质；

⑶保持腔室压力（0.24pa）不变，连续调整偏压为-60~-120v，在单一cr靶上加直流电源，调节电流为4.5a的条件下沉积cr过渡层，沉积时间为5~15min；

⑷氩气流量（18sccm）保持不变，通入38sccm不同流量的n2，调节腔室压力为0.6pa，在偏压-36v下，调节cr-nb-ti-al-v多元靶的电流为4.5a，沉积时间为14000s，即得(craltinbv)nx高熵氮化物涂层。

所制备的(craltinbv)nx高熵氮化物涂层的截面sem像如附图1(c)所示，涂层的厚度约为0.8μm。

实施例4一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层，该高熵氮化物涂层为(craltinbv)nx，x=0.5；其所含元素按原子百分数计：cr为22at.%,al为5at.%,ti为10at.%,nb为8at.%,v为5at.%,n为50at.%。

其制备方法：

⑴用无水乙醇和丙酮分别超声清洗钢块样品15min，将样品吹干后再放入真空室中，进行抽真空；

⑵当真空度低于3×10^-3pa时开始进行镀膜工作；通入氩气，制备过程中氩气含量固定为18sccm，其真空室内部压强为0.24pa，在样件上加脉冲偏压电源，在-450v的偏压下用氩气等离子体对样品进行预溅射清洗20~30min，以清除表面的氧化层和其它杂质；

⑶保持腔室压力（0.24pa）不变，连续调整偏压为-60~-120v，在单一cr靶上加直流电源，调节电流为4.5a的条件下沉积cr过渡层，沉积时间为5~15min；

⑷氩气流量（18sccm）保持不变，通入48sccm不同流量的n2，调节腔室压力为0.8pa，在偏压-36v下，调节cr-nb-ti-al-v多元靶的电流为4.5a，沉积时间为14000s，即得(craltinbv)nx高熵氮化物涂层。

所制备的(craltinbv)nx高熵氮化物涂层的截面sem像如附图1(d)所示，涂层的厚度约为1.13μm。