一种金镍碳复合导电润滑涂层材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种金镍碳复合导电润滑涂层材料及其制备方法，主要用于微波滑动电接触器件，属于高电流电接触领域和导电润滑材料领域。

背景技术：

微波滑动电接触属于高真空下的滑动部件，面临苛刻条件下的摩擦、磨损。对于连续滑动的电接触，须基于电性能和摩擦磨损性能进行评估。要求具有足够低的接触电阻，而摩擦学方面的摩擦和磨损特性又对其可靠性和寿命产生重要影响。在托卡马克聚变实验装置上，微波滑动电接触作为重要离子回旋加热器件被广泛应用。作为高电流负载的电接触部件，其在运行过程中部件因欧姆损耗温度会逐渐升高而引发一系列工程损耗和失效状况，从而限制微波滑动电接触功能和寿命。因此，为了防止发生结构材料烧熔导致部件失效，需要导电性和热传导优良的材料，工程上一般采用贵金属涂层来改善电接触性能，降低接触损耗。

为了提高涂层的使用寿命，需要开发高导电、高耐磨、高热稳定以及涂层与基材间扩散不显著的高性能涂层材料。由于具有良好的可焊性及较低的接触电阻，金涂层已在电接触涂层领域被广泛使用。但是其具有的低维氏硬度特性导致纯金涂层的耐摩擦性能不佳，这严重限制了纯金涂层在滑动电接触领域的使用。因此工程上，常采用合金或者复合固体导电润滑涂层材料来满足多种工况和性能需求。

技术实现要素：

本发明旨在解决传统电接触涂层在高电流高真空下的剧烈磨损问题，提供一种高电流金镍碳复合导电润滑涂层材料及其制备方法。

本发明金镍碳复合导电润滑涂层材料，依次包括铜铬锆合金基材、镍过渡层、金镍碳复合涂层。其中镍过渡层的厚度为0.9~1.2μm；金镍碳复合涂层的厚度为3.9~4.3μm，且金镍碳复合涂层中，镍的质量百分比为2.15%-2.53%，碳的质量百分比为4.41%~5.51%。

本发明金镍碳复合导电润滑涂层材料的制备方法，通过物理气相沉积法，先在铜铬锆合金基材上沉积一层镍过渡层；然后同时溅射金靶、镍靶和碳靶，在镍过渡层上沉积一层金镍碳复合涂层，最终在铜铬锆基材上得到兼具高导电性能与润滑特性的复合层导电润滑涂层材料。

上述镍靶纯度为99.995%，金靶纯度为99.99%，碳靶纯度为99.999%。

上述沉积镍过渡层的过程中，氩气气体流量为19~21sccm，氩等离子体工作气压为6.5~8.5×10^-1pa，沉积温度为120~160℃，沉积时间为55~65min，镍靶功率为320~370w，镍过渡层厚度为0.9~1.2μm。

上述沉积金镍碳复合涂层过程中，氩气气体流量为20sccm，氩等离子体工作气压为6.5~8.5×10^-1pa，沉积温度为120~160℃，金靶功率为120~150w，镍靶功率为35~45w，碳靶功率为100~400w，沉积时间为60~70min；金镍碳复合涂层厚度为3.9~4.3μm。

在物理气相沉积涂层前，先用氩等离子体刻蚀铜铬锆合金基材5~15分钟，使用偏压-500~-600v去除基底表面自然氧化层。

本发明制备的复合导电润滑涂层材料，与现有技术相比具有以下优点：

1、通过选择与铜铬锆基材具有更好相容性及结合力的金属镍作为导电金基涂层与基材之间的过渡层，解决了金基涂层与基材的结合力以及各组分之间在热扩散和组分相容匹配性等理化性能方面的问题；

2、通过在纯金涂层中添加镍硬质合金元素提高了涂层整体硬度，同时通过掺杂固体润滑碳材料提高了涂层的整体耐磨性；

3、通过控制碳靶功率为来调控复合涂层中引入的固体润滑碳的含量来控制合金涂层电阻率的变化；

4、所需设备和工艺简单、成本可控，可批量化生产。

附图说明

图1为本发明所述金镍碳多层复合导电润滑涂层材料的结构示意图。

图2为本发明实施例1~4所述金镍碳复合导电润滑涂层材料的元素含量。

图3为本发明实施例1~4所述金镍碳复合导电润滑涂层材料的摩擦系数曲线。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明复合导电润滑涂层的制备和性能做进一步说明。

实施例1

物理气相沉积设备：一台商业磁控溅射设备，由3个独立可控磁控靶溅射源组成，并分别在其上安装镍靶、金靶和碳靶。镍靶的纯度为99.995%，金靶的纯度为99.99%，碳靶的纯度为99.999%，三种靶直径均为75mm。在沉积涂层前，先用偏压-500v的氩等离子体刻蚀铜铬锆合金基材10分钟去除基底表面自然氧化层。

物理气相沉积工艺：首先使用350w直流电源溅射镍靶，在铜铬锆基材上沉积一层镍过渡层（厚度为1μm），然后同时分别在金靶、镍靶和碳靶上施加140w、40w的直流电源以及100w的射频电源，在镍过渡层上沉积一层金镍碳复合涂层，沉积过程中氩等离子体工作气压均为7.5×10^-1pa。最终，在铜铬锆基材上得到金镍碳复合导电润滑涂层材料（涂层结构见图1）。该复合涂层材料中，金镍碳复合涂层厚度为4μm，且金镍碳复合涂层中，镍质量百分比为2.15%，碳质量百分比为4.41%，金质量百分比为93.22%，铜质量百分比为0.22%。

导电润滑涂层材料的性能：在rts-9双电测四探针测试仪上，采用四探针测试法来测试涂层材料的电阻率。摩擦磨损实验采用真空摩擦磨损试验机进行评价，对偶球为直径3mm的gcr15钢球，载荷为2n，滑动线速度为8.4cm/s，摩擦半径为3mm，总计6000转，室温环境，真空度约3×10^-3pa。摩擦系数和磨损率为3次试验平均值。结果：电阻率：90×10^-7ω·cm；磨损率：8.75×10^-6mm³/(nm)（见图3）。

实施例2

物理气相沉积设备：同实施例1；

物理气相沉积工艺：首先使用350w直流电源溅射镍靶，在铜铬锆合金基材上先沉积一层镍过渡层（厚度为1μm），然后同时分别在金靶、镍靶和碳靶上施加140w、40w的直流电源以及200w的射频电源，在镍过渡层上沉积一层金镍碳复合涂层。沉积过程中氩等离子体工作气压均为7.5×10^-1pa。最终在铜铬锆基材上得到金镍碳复合导电润滑涂层材料（涂层结构见图1）。该复合涂层材料中，金镍碳复合涂层厚度为4μm，且金镍碳复合涂层中，镍质量百分比为2.5%，碳质量百分比为5.51%，金质量百分比为92.87%，铜质量百分比为0.27%。

导电润滑涂层材料的性能：电阻率：82×10^-7ω·cm；磨损率：207.6×10^-6mm³/(nm)（见图3）。

实施例3

物理气相沉积设备：同实施例1；

物理气相沉积工艺：首先使用350w直流电源溅射镍靶，在铜铬锆基材上沉积一层镍过渡层（厚度为1μm），然后同时分别在金靶、镍靶和碳靶上施加140w、40w的直流电源以及300w的射频电源，在镍过渡层上沉积一层金镍碳复合涂层，沉积过程中氩等离子体工作气压均为7.5×10^-1pa。最终在铜铬锆基材上得到金镍碳复合导电润滑涂层材料（涂层结构见图1）。该复合涂层材料中，金镍碳复合涂层厚度为4μm，且金镍碳复合涂层中，镍质量百分比为2.51%，碳质量百分比为5.51%，金质量百分比为91.68%，铜质量百分比为0.27%。

导电润滑涂层材料的性能：电阻率：86×10^-7ω·cm；磨损率：38.4×10^-6mm³/(nm)（见图3）。

实施例4

物理气相沉积设备：同实施例1；

物理气相沉积工艺：首先使用350w直流电源溅射镍靶，在铜铬锆基材上沉积一层镍过渡层（厚度为1μm），然后同时分别在金靶、镍靶和碳靶上施加140w、40w的直流电源以及400w的射频电源，在镍过渡层上沉积一层金镍碳复合涂层，沉积过程中氩等离子体工作气压均为7.5×10^-1pa。最终在铜铬锆基材上得到金镍碳复合导电润滑涂层材料（涂层结构见图1）。该复合涂层材料中，金镍碳复合涂层厚度为4μm，且金镍碳复合涂层中，镍质量百分比为2.41%，碳质量百分比为5.28%，金质量百分比为92.18%，铜质量百分比为0.13%。

导电润滑涂层材料的性能：电阻率：86×10^-7ω·cm；磨损率：12.7×10^-6mm³/(nm)（见图3）。