一种固体润滑膜层及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种固体润滑膜层及其制备方法，具体而言，本发明涉及一种探测器 用固体润滑膜层及其制备方法。
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【背景技术】
[0003] 随着我国航天航空技术的日趋成熟以及探测任务的发展，对固体润滑提出了新的 更高的要求。由于机械组件和摩擦元件能否顺畅工作是任务的成功与否的关键，因此，研发 和选择正确的润滑技术至关重要。
[0004] 月球和火星表面通常存在低环境温度、广泛的每日温度波动(热循环)、太阳辐射、 宇宙辐射、大量的灰尘、火星表面的沙尘暴、大风以及二氧化碳气氛等潜在威胁，液体润滑 在此时已难以奏效，必须采用固体润滑。此外，空间结构材料大部分是铝合金、钛合金等轻 质材料，这些材料自身的硬度不高，当其作为活动部件时，除了必要的润滑处理外还需要进 行表面强化来提高材料的硬度以增强活动部件的抗磨损性能。然而，常用的M〇S2基固体润 滑膜层主要是针对减摩，防冷焊等润滑要求，由于M〇S2溅射膜层自身硬度较低，耐磨损性能 不高，不太适用于高承载传动类活动部件的表面改性。
[0005] 因此在探测器面对复杂环境下的长寿命、高可靠性的应用需求增加、亟需提高活 动部件的抗磨损性能的背景下，必须开发一种在真空环境下具有减摩和耐磨性能的硬质涂 层材料。
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【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种可用于探测器的活动部件的固体润滑膜层的制造方 法，用以提高探测器使用的可靠性和稳定性。
[0008] 本发明的固体润滑膜层的特征在于，其从内到外依次包括位于基件上的TiN过渡 层、TiNC过渡层、TiC过渡层和钨掺杂类金刚石层。
[0009] 本发明的固体润滑膜层的制备方法的特征在于，其包括以下步骤： (1) 预处理：选取基件，并对基件表面进行表面抛光和有机无机清洗； (2) 溅射清洗：采用等离子体轰击清洗，向真空室内通入氩气，开启等离子体对基件表 面以及真空腔室进行脉冲轰击清洗； (3) 制备TiN过渡层：溅射清洗完成后，关闭氩气气阀，向真空室通入氮气，开启磁过滤 钛脉冲电弧离子源，通过施加工件上的负高压脉冲电压的作用，使金属离子加速冲向基件 并与氮气发生反应形成TiN注入并沉积在基件表面； (4) 制备TiNC过渡层：向真空室通入乙炔和氮气，两种气体的流量比控制为1:1~3,开 启磁过滤钛脉冲电弧离子源，在工件表面沉积TiNC膜层； (5) 制备TiC过渡层：关闭氮气气阀，继续向真空室通入乙炔气体，开启磁过滤钛脉冲 电弧离子源，在工件表面沉积TiC膜层； (6)制备钨掺杂类金刚石层：采用碳化钨作为阴极，开启磁过滤碳化钨脉冲高压电弧离 子源，以乙炔为工作气体，制备钨掺杂类金刚石（W-C:H膜）层，通过控制阴极弧电流及乙炔 气体气压和流量来调节膜层中的钨掺杂量； 其中，步骤（2)至步骤（6)在真空内进行。
[0010] 在本发明的固体润滑膜层的制备方法中，优选的是，步骤（2)至步骤（6)的真空室 的本底真空度为5.OXl(T3Pa。
[0011] 在本发明的固体润滑膜层的制备方法中，基件优选钛合金基件。
[0012] 在本发明的固体润滑膜层的制备方法中，优选的是，在步骤（3)至步骤（5)中，工 作气压为5.OX1(T2~3.OXK^Pa、注入偏压为20~25kV、处理时间共为3~4h。
[0013] 在本发明的固体润滑膜层的制备方法中，优选的是，在步骤（6)中，以纯 度为99. 99%的碳化钨作为阴极的磁过滤阴极弧源产生含钨等离子体，工作气压为 5.0XKT2~3.0X10^^，注入偏压为20~25kV，处理时间为1~4h。
[0014] 本发明的固体润滑膜层通过合理的过渡层结构设计，实现了类金刚石碳膜和基体 材料热物理特性、力学性能、成分、结构等的梯度过渡，有效增强了膜基结合强度；并且通过 掺杂钨来进一步提高类金刚石膜层的硬度以及改善膜层的内应力，在维持低摩擦系数的同 时明显改善了膜层的抗磨损性能。
[0015] 本发明的固体润滑膜层的制备方法采用全方位离子注入与沉积技术，其工艺简 单，沉积过程易于控制，工艺稳定性好。该方法直接将待处理工件浸泡在等离子体中，然后 在工件上施加主弧脉冲和偏压脉冲来实现工件表面的离子注入与沉积强化处理，其克服了 传统束线离子注入和沉积的直射性限制，同时由于高能离子的轰击而使得所沉积的膜层具 有优异的致密性和结合力，因此特别适用于航天航空用精密复杂零部件的表面润滑和强化 处理，可满足探测器活动部件面对复杂环境下的长寿命、高可靠性的应用需求。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明的TiN/TiNC/TiC/W-C:H多层复合薄膜结构示意图。
[0017] 1为TiN过渡层；2为TiNC过渡层；3为TiC过渡层；4为钨掺杂类金刚石层；5为 基件。
[0018] 图2为本发明所用的全方位离子注入与沉积设备的工作原理图。
[0019] 6为负_压脉冲电源系统；7为抽真空系统；8为脉冲阴极弧源；9为磁过滤系统； 10为含金属等离子体；11为工作气体等离子体；12为工件；13为载物台；14为工作气体。
【具体实施方式】
[0020] 以下结合附图对本发明进行说明。
[0021] 本发明的固体润滑膜层采用如图1所示的全方位离子注入与沉积设备对基件例 如空间探测器活动部件进行表面强化及润滑处理，制备所制备固体润滑膜层。
[0022] 图2为本发明所用全方位离子注入与沉积设备工作原理图，具体工作原理为：图2 中所示脉冲阴极弧源8所产生金属等离子体经磁过滤系统9的进一步筛选形成的含金属等 离子体10,该金属等离子体进入真空室后与真空室内的工作气体等离子体11相互作用，并 在负高压脉冲电源系统6施加在工件12上的脉冲负高压的电场作用下加速飞向工件，最终 注入并沉积上工件上形成所需的膜层。
[0023] 如图1所示，本发明的固体润滑膜层包括4层材料结构，从内到外依次为位于基 件5上的TiN过渡层l、TiNC过渡层2、TiC过渡层3和钨掺杂类金刚石层4。其中，前三层 TiN/TiNC/TiC为过渡层，增强耐磨层和基件的表面结合力，最后一层抗磨层为钨掺杂类金 刚石层。相对于月球和火星表面的高粉尘环境，类金刚石这样的硬质膜层要比质地较软的 1 〇&膜层更为有效。
[0024] 这样的TiN/TiNC/TiC/W-C:H的结构，为一种多层复合耐磨涂层，其通过合理的过 渡层结构设计，实现了类金刚石碳膜和基体材料热物理特性、力学性能、成分、结构等的梯 度过渡，有效增强了膜基结合强度；并且通过掺杂钨来进一步提高类金刚石膜层的硬度以 及改善膜层的内应力，在维持低摩擦系数的同时明显改善了膜层的抗磨损性能。
[0025] 本发明的固体润滑膜层的制备方法按以下步骤进行： (1)预处理：选取作为基件（以下有时称为工件）的预镀膜工件5,并对工件表面进行表 面抛光和有机无机清洗；