一种空间多层润滑膜及其制备方法与流程

本发明涉及表面工程领域，具体涉及一种空间多层润滑膜及其制备方法。

背景技术：

1、齿轮传动副、轴、导杆等活动零部件是空间各类传动机构和驱动机构的主要支撑活动部件，随着对空间齿轮的工作性能要求进一步提高，齿轮承受的交变载荷和冲击载荷在不断增加，所受应力更加复杂，导致对齿轮材料的强度、寿命和可靠性等方面提出了更高的挑战。往往要求齿轮高转速、高承载和长寿命，在对重量和尺寸限制要求较高时，表面处理是一种理想的选择。

2、离子渗氮虽能提升齿轮表面硬度和增强心部韧性，但在重载工况下，单纯依靠渗氮方式已不能满足其疲劳强度、低摩擦磨损和高承载的要求，原因在于渗氮层在多重应力作用下容易发生早期破坏。单一mos2固体润滑薄膜虽具有优异的空间润滑性能，但不适应高接触应力摩擦副的应用。表面织构化可改变摩擦副的接触状态，是提高承载力和减小磨损行之有效的方法。但在一些重载复杂工况条件下，上述三种方法中的其中一种或两种的组合已不能满足使用需求。

3、申请号为cn201711395150.7的专利报道了一种激光微织构表面真空等离子自润滑涂层的制备方法，该方法结合激光刻蚀微织构和真空等离子喷涂自润滑涂层，加工出的正弦曲线微织构深度在50～70μm，结合层和自润滑涂层厚度在70～120μm，但考虑到空间活动零部件装配精度和寿命的要求，该方法难以适应空间精密活动零部件。

4、申请号为cn200810189022.1的专利报道了一种用于水润滑的织构化类金刚石复合薄膜的制备方法，但考虑到空间是真空环境，该方法并不适用于空间润滑。

5、申请号为cn201010196546.0和cn201710695375.8的专利分别报道了二硫化钼基润滑耐磨复合薄膜的制备方法和一种星用二硫化钼基复合润滑膜的制备方法，这两种方法制备的薄膜在空间轻载工况下具有明显优势，但在重载工况下，薄膜寿命相对较短。

6、如何在一些重载复杂工况条件下实现空间高承载、长寿命润滑，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中空间润滑技术难以满足重载复杂工况的缺陷，从而提供一种空间多层润滑膜及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种空间多层润滑膜，包括在金属基体表面形成的渗氮层，所述渗氮层的表面形成有微织构，所述微织构上依次设置有cr结合层和复合固体润滑膜，所述复合固体润滑膜包括依次设置在所述cr结合层表面的cr/mos2梯度中间层和cr/mos2固体润滑层。

4、进一步地，所述金属基体为cf170基体。

5、进一步地，金属基体表面形成的渗氮层深度为70～90μm，硬度hv0.05为780。

6、进一步地，所述微织构为圆型凹坑阵列，所述圆形凹坑的直径为25～50μm，相邻凹坑间距100～300μm，凹坑深度为6～10μm。

7、进一步地，所述cr结合层的厚度为100～200nm；所述ct/mos2梯度中间层厚度为100～200nm；所述cr/mos2固体润滑层厚度为800～1200nm。

8、进一步地，所述cr/mos2梯度中间层中，在远离所述cr结合层的方向上，cr含量从100at％逐渐减少至8～12at％，mos2含量从0at％同步逐渐增加到88～92at％；所述cr/mos2固体润滑层中，cr含量为8～12at％，mos2含量为88～92at％。

9、第二方面，本发明提供所述的空间多层润滑膜的制备方法，包括以下步骤：

10、(1)对金属基体表面进行等离子体渗氮处理，形成渗氮层；

11、(2)在所述渗氮金层表面刻蚀微织构；

12、(3)在所述微织构表面制备cr结合层；

13、(4)在所述cr结合层表面制备复合固体润滑膜，即依次制备cr/mos2梯度中间层和cr/mos2固体润滑层。

14、进一步地，步骤(1)中，渗氮温度460～500℃，nh3气压220～280pa，渗氮时间8～12h。

15、进一步地，步骤(2)中，采用飞秒脉冲nd：yag激光器，激光波长1028nm，束斑直径为10～30μm，扫描速度为500～800mm/s，脉冲宽度为300～500fs。

16、进一步地，步骤(3)中，氩气气压为0.3～0.6pa，基体施加-50v～-100v的直流偏压，采用磁控溅射法制备所述cr结合层，cr靶功率为4.0～6.0kw，沉积时间为5～8min。

17、进一步地，步骤(4)中，氩气气压为0.5～1.0pa，基体施加-50～-100v的直流偏压，采用多靶磁控溅射法制备所述cr/mos2梯度中间层和cr/mos2固体润滑层，制备所述cr/mos2梯度中间层时，在8～12min内，cr靶功率从4.0～6.0kw逐渐降低至0.6～1.0kw，mos2靶功率从0kw逐渐升高至1.5～2.0kw；然后以制备所述cr/mos2梯度中间层时cr靶和mos2靶的最终功率制备cr/mos2固体润滑层，沉积时间为60～90min。

18、进一步地，cr靶的纯度为99.99％；mos2靶的纯度为99.99％。

19、本发明技术方案，具有如下优点：

20、本发明将渗氮层、微织构和梯度纳米多层润滑薄膜(cr结合层、cr/mos2梯度中间层和cr/mos2固体润滑层)相结合，渗氮层能提高金属基体的承载力和韧性，微织构能够不仅能降低摩擦磨损，而且能储存二硫化钼磨削，多层结构起到了协同作用，使梯度纳米多层润滑膜性能充分发挥，降低了摩擦系数和磨损率，提高了基体的承载力和韧性，延长了基体的寿命。该技术可应用于空间重载长寿命齿轮、轴和导杆等活动零部件。

21、本发明提供的空间多层润滑膜的制备方法结合了三种表面改性方法：先对金属基体进行离子渗氮，然后在渗氮层飞秒激光刻蚀微织构，最后采用磁控溅射技术在微织构表面制备cr结合层、cr/mos2梯度中间层和cr/mos2固体润滑层。三种表面工程技术有机结合可以弥补各自的局限性，发挥各自优势，不仅降低了磨损量，延长了固体润滑膜的寿命，而且能提高基体承载力和韧性。本发明虽涉及到渗氮、微织构和物理气相沉积三种表面改性方法，但容易实现，方法简单易控，在空间高承载长寿命8活动零部件具有应用前景。

技术特征：

1.一种空间多层润滑膜，其特征在于，包括在金属基体表面形成的渗氮层，所述渗氮层的表面形成有微织构，所述微织构上依次设置有cr结合层和复合固体润滑膜，所述复合固体润滑膜包括依次设置在所述cr结合层表面的cr/mos2梯度中间层和cr/mos2固体润滑层。

2.根据权利要求1所述的空间多层润滑膜，其特征在于，所述金属基体为cf170基体；

3.根据权利要求1所述的空间多层润滑膜，其特征在于，所述微织构为圆型凹坑阵列，所述圆形凹坑的直径为25～50μm，相邻凹坑间距100～300μm，凹坑深度为6～10μm。

4.根据权利要求1所述的空间多层润滑膜，其特征在于，所述cr结合层的厚度为100～200nm；所述cr/mos2梯度中间层厚度为100～200nm；所述cr/mos2固体润滑层厚度为800～1200nm；

5.权利要求1～4任一项所述的空间多层润滑膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的空间多层润滑膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，渗氮温度460～500℃，nh3气压220～280pa，渗氮时间8～12h。

7.根据权利要求5所述的空间多层润滑膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用飞秒脉冲nd：yag激光器，激光波长1028nm，束斑直径为10～30μm，扫描速度为500～800mm/s，脉冲宽度为300～500fs。

8.根据权利要求5所述的空间多层润滑膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，氩气气压为0.3～0.6pa，基体施加-50v～-100v的直流偏压，采用磁控溅射法制备所述cr结合层，cr靶功率为4.0～6.0kw，沉积时间为5～8min。

9.根据权利要求5所述的空间多层润滑膜的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，氩气气压为0.5～1.0pa，基体施加-50～-100v的直流偏压，采用多靶磁控溅射法制备所述cr/mos2梯度中间层和cr/mos2固体润滑层，制备所述cr/mos2梯度中间层时，在8～12min内，cr靶功率从4.0～6.0kw逐渐降低至0.6～1.0kw，mos2靶功率从0kw逐渐升高至1.5～2.0kw；然后以制备所述cr/mos2梯度中间层时cr靶和mos2靶的最终功率制备cr/mos2固体润滑层，沉积时间为60～90min。

10.根据权利要求5所述的空间多层润滑膜的制备方法，其特征在于，cr靶的纯度为99.99％；mos2靶的纯度为99.99％。

技术总结
本发明提供一种空间多层润滑膜及其制备方法，涉及表面工程领域。该空间多层润滑膜包括在金属基体表面形成的渗氮层，所述渗氮层的表面形成有微织构，所述微织构上依次设置有Cr结合层和复合固体润滑膜，所述复合固体润滑膜包括依次设置在所述Cr结合层表面的Cr/MoS<subgt;2</subgt;梯度中间层和Cr/MoS<subgt;2</subgt;固体润滑层。渗氮层能提高金属基体的承载力和韧性，微织构不仅能降低摩擦磨损，而且能储存二硫化钼磨削，多层结构起到了协同作用，使梯度纳米多层润滑膜性能充分发挥，降低了摩擦系数和磨损率，提高了基体的承载力和韧性，延长了基体的寿命。该技术可应用于空间重载长寿命齿轮、轴和导杆等活动零部件。

技术研发人员：冯兴国,周晖,张凯锋,王瑞,汪科良,吴敢,郑玉刚,贵宾华
受保护的技术使用者：兰州空间技术物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25