一种VN/Ag宽温域润滑复合薄膜的制备方法与流程

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。

技术实现要素：

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：

所用设备为脉冲激光沉积系统，该系统主要包括激光器和薄膜真空沉积室，将拼装好的vn/ag复合靶置于真空室内的靶台上，并在样品台上放置处理好的待沉积镍基合金基底，设定vn/ag复合靶与待沉积镍基合金基底表面间距d＝55mm；当真空室本底真空p＝1～6×10^-4pa时，利用氩气等离子体焰清洗vn/ag复合靶和待沉积镍基合金基底30～40min；清洗结束后打开温度控制电源，设定待沉积镍基合金基底温度为200～250℃；当真空度p＝2～6×10^-5pa时，通入高纯n2，设定n2流量为90ml/min，当真空室压强p＝0.45pa时开启激光器，设定激光能量e＝350mj(激光能量密度约为5.7j/cm²)，脉冲频率f＝10hz，脉冲数为20000-40000个，通过激光烧蚀复合靶使vn、ag成分溅射在待沉积镍基合金基底上，从而获得vn/ag宽温域润滑复合薄膜。

进一步，所述vn/ag宽温域润滑复合薄膜厚度为1～2μm。

进一步，所述步骤(3)沉积过程中，vn/ag复合靶与待沉积镍基合金基底以15～25rpm的速度匀速旋转。

进一步，所述步骤(3)中通入的高纯n2的纯度为99.999％。

与现有技术相比，本发明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，实现了室温至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，起到了有效的减磨润滑作用。

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。

附图说明

图1为本发明的vn/ag复合靶拼装示意图。

图2为实施例3制得的vn/ag宽温域润滑复合薄膜的表面形貌图。

图3为实施例3制得的vn/ag薄膜高分辨透射电镜照片和选区衍射图。

图4为本发明的vn/ag润滑复合薄膜在室温-900℃范围内的摩擦系数曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例的一种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inconel718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10min，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(例如本实施例圆心角为45度)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按照图1方式拼装成vn/ag复合靶，拼装好的vn/ag复合靶如图1所示；

(3)vn/ag宽温域润滑复合薄膜的制备：

采用脉冲激光沉积系统，该系统主要包括激光器和薄膜真空沉积室，其中激光器为krf准分子激光器，型号为compexpro205，λ＝248nm，τ＝25ns，真空室为pld-450a型号真空沉积系统，将拼装好的vn/ag复合靶置于真空室内的靶台上，并在样品台上放置处理好的待沉积inconel718合金基底，设定vn/ag复合靶与待沉积inconel718合金基底表面间距d＝55mm；当真空室本底真空p＝1×10^-4pa时，利用氩气等离子体焰清洗vn/ag复合靶和待沉积镍基合金基底30min；清洗结束后打开温度控制电源，设定待沉积镍基合金基底温度为200℃；当真空度p＝2×10^-5pa时，通入纯度为99.999％的高纯n2，设定n2流量为90ml/min，当真空室压强p＝0.45pa时开启krf准分子激光器，设定激光能量e＝350mj(激光能量密度约为5.7j/cm²)，脉冲频率f＝10hz，脉冲数为20000个(复合薄膜的沉积厚度与脉冲数成正比)，通过激光烧蚀复合靶使vn、ag成分溅射在待沉积inconel718合金基底上，从而获得vn/ag宽温域润滑复合薄膜。

本实施例中，经脉冲激光沉积得到的vn/ag宽温域润滑复合薄膜厚度为1μm。

需要说明的是，在vn/ag宽温域润滑复合薄膜的制备过程中，为了避免靶材表面出现烧蚀坑，并尽可能保证成膜的均匀性，使vn/ag复合靶沉积在待沉积inconel718合金基底上中，vn/ag复合靶与待沉积inconel718合金基底以25rpm的速度匀速旋转。

实施例2

本实施例的一种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inconel718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(例如本实施例圆心角为30度)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；然后取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按照图1方式拼装成vn/ag复合靶；

(3)vn/ag宽温域润滑复合薄膜的制备：

采用脉冲激光沉积系统，该系统主要包括激光器和薄膜真空沉积室，其中激光器为krf准分子激光器，型号为compexpro205，λ＝248nm，τ＝25ns，真空室为pld-450a型号真空沉积系统，将拼装好的vn/ag复合靶置于真空室内的靶台上，并在样品台上放置处理好的待沉积inconel718合金基底，设定vn/ag复合靶与待沉积inconel718合金基底表面间距d＝55mm；当真空室本底真空p＝6×10^-4pa时，利用氩气等离子体焰清洗vn/ag复合靶和待沉积镍基合金基底40min；清洗结束后打开温度控制电源，设定待沉积镍基合金基底温度为250℃；当真空度p＝6×10^-5pa时，通入纯度为99.999％的高纯n2，设定n2流量为90ml/min，当真空室压强p＝0.45pa时开启krf准分子激光器，设定激光能量e＝350mj(激光能量密度约为5.7j/cm²)，脉冲频率f＝10hz，脉冲数为40000个，通过激光烧蚀复合靶使vn、ag成分溅射在待沉积inconel718合金基底上，从而获得vn/ag宽温域润滑复合薄膜。

本实施例中，经脉冲激光沉积得到的vn/ag宽温域润滑复合薄膜厚度为2μm。

需要说明的是，在vn/ag宽温域润滑复合薄膜的制备过程中，为了避免靶材表面出现烧蚀坑，并尽可能保证成膜的均匀性，使vn/ag复合靶沉积在待沉积inconel718合金基底上中，vn/ag复合靶与待沉积inconel718合金基底以15rpm的速度匀速旋转。

实施例3

本实施例的一种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inconel718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16min，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(例如本实施例圆心角为60度)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按照图1方式拼装成vn/ag复合靶；

(3)vn/ag宽温域润滑复合薄膜的制备：

采用脉冲激光沉积系统，该系统主要包括激光器和薄膜真空沉积室，其中激光器为krf准分子激光器，型号为compexpro205，λ＝248nm，τ＝25ns，真空室为pld-450a型号真空沉积系统，将拼装好的vn/ag复合靶置于真空室内的靶台上，并在样品台上放置处理好的待沉积inconel718合金基底，设定vn/ag复合靶与待沉积inconel718合金基底表面间距d＝55mm；当真空室本底真空p＝4×10^-4pa时，利用氩气等离子体焰清洗vn/ag复合靶和待沉积镍基合金基底35min；清洗结束后打开温度控制电源，设定待沉积镍基合金基底温度为220℃；当真空度p＝5×10^-5pa时，通入纯度为99.999％的高纯n2，设定n2流量为90ml/min，当真空室压强p＝0.45pa时开启krf准分子激光器，设定激光能量e＝350mj(激光能量密度约为5.7j/cm²)，脉冲频率f＝10hz，脉冲数为32000个，通过激光烧蚀复合靶使vn、ag成分溅射在待沉积inconel718合金基底上，从而获得vn/ag宽温域润滑复合薄膜。

本实施例中，经脉冲激光沉积得到的vn/ag宽温域润滑复合薄膜厚度为1.6μm。

需要说明的是，在vn/ag宽温域润滑复合薄膜的制备过程中，为了避免靶材表面出现烧蚀坑，并尽可能保证成膜的均匀性，使vn/ag复合靶沉积在待沉积inconel718合金基底上中，vn/ag复合靶与待沉积inconel718合金基底以20rpm的速度匀速旋转。

如图2所示，为本发明制得的vn/ag宽温域润滑复合薄膜的表面形貌图，从图2中可以看出，该vn/ag宽温域润滑复合薄膜形成了纳米ag颗粒均匀镶嵌于致密vn基体的纳米结构；进一步，如图3为实施例3制得的vn/ag薄膜高分辨透射电镜照片和选区衍射图，图3更进一步证明了该vn/ag宽温域润滑复合薄膜形成了纳米ag颗粒均匀镶嵌于致密vn基体的纳米结构；如图3所示，通过对vn/ag薄膜的高分辨透射电镜照片(hrtem)和选区衍射(saed)可知，纳米尺寸的ag颗粒均匀分布在vn基体中，通过测算出来的晶面间距0.2401nm,0.2182nm,0.1538nm,0.1296nm,0.2326nm,0.2076nm和0.1459nm分别对应fcc-vn(pdfcardno.73-2038)：(111),(200),(220),(311)和fcc-ag(pdfcardno.87-0717)：(111),(200),(220)。

本发明的原理是：针对单束脉冲激光沉积系统，通过多个靶材切割与拼装绑定工艺“一步”制备出符合化学计量比的vn/ag宽温域润滑复合薄膜，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，实现了室温至900℃范围的连续润滑。

按照上述制备vn/ag宽温域润滑复合薄膜的方法，在宽温域下机械零部件上制备vn/ag宽温域润滑复合薄膜，经实际测试得：vn/ag宽温域润滑复合薄膜的组织均匀致密，其在室温-900℃范围内的摩擦系数保持在0.08-0.3之间，起到了有效的减磨润滑作用。vn/ag宽温域润滑复合薄膜在室温至900℃范围内的摩擦系数以及磨损率如下表1所示。

vn/ag宽温域润滑复合薄膜在室温-900℃范围内的摩擦系数以及磨损率

图4为vn/ag润滑复合薄膜在室温-900℃范围内的摩擦系数曲线图。从图4中可知复合薄膜在整个摩擦过程中的摩擦系数曲线较为平稳，随着试验温度的升高，摩擦系数逐渐降低。结合磨损后的表面形貌以及xrd、raman分析可知，当试验温度从室温(rt)上升至300℃时ag在摩擦热的作用下不断向薄膜表面迁析并形成润滑膜，起到良好的减摩润滑作用；当温度上升至500℃时，薄膜中的vn、ag开始氧化生成v2o5、v6o11、v6o13和ago等一系列氧化物，尤其钒的氧化物居多，同时发现有少量的钒酸银(ag3vo4、agvo3)生成；薄膜在700℃和900℃时的磨痕表面存在大量针状及片状结构物质，由此说明层状原子结构的钒酸银(ag3vo4、agvo3)在高温摩擦过程中起到关键的润滑作用。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。