一种TiAlTaN/WS自润滑复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术一种TiAlTaN/WS自润滑复合涂层及其制备方法，具体属于自润滑复合涂层技术领域。所述涂层包括Ti金属层，TiAlTaN层，TiAlTaN/WS复合层；所述Ti金属层覆于基体表面，所述TiAlTaN层覆于Ti金属层表面，所述TiAlTaN/WS复合层覆于TiAlTaN层表面，所述TiAlTaN/WS复合层主体为TiAlTaN连续层，若干WS以柱状形式均匀嵌入TiAlTaN连续层中。本发明专利技术所制得的涂层在原有硬度基础上，有效降低其摩擦系数，有效降低切削磨损，本发明专利技术方法容易实施，成本低，可用于轴承等零件的表面，还可应用于多方面需要自润滑涂层的领域，易于工厂的大规模生产。

A TiAlTaN/WS Self-lubricating Composite Coating and Its Preparation Method

The invention relates to a TiAlTaN/WS self-lubricating composite coating and a preparation method thereof, in particular to the technical field of self-lubricating composite coating. The coating comprises a Ti metal layer, a TiAlTaN layer and a TiAlTaN/WS composite layer; the TiAlTaN layer is coated on the surface of the substrate, the TiAlTaN layer is coated on the surface of the TiAlTaN layer, the TiAlTaN/WS composite layer is coated on the surface of the TiAlTaN layer, the main body of the TiAlTaN/WS composite layer is a TiAlTaN continuous layer, and several WS are uniformly embedded in the TiAlTaN continuous layer in a columnar form. On the basis of the original hardness, the coating prepared by the invention can effectively reduce its friction coefficient and cutting wear. The method is easy to implement and has low cost, and can be used on the surface of parts such as bearings, as well as in areas requiring self-lubricating coatings in many aspects, and is easy for large-scale production in factories.

【技术实现步骤摘要】
一种TiAlTaN/WS自润滑复合涂层及其制备方法
本专利技术属于自润滑复合涂层
，涉及一种TiAlTaN/WS自润滑复合涂层及其制备方法。
技术介绍
随着科学技术的不断发展，对齿轮轴承等零部件的要求越来越高。环保无污染、耐磨、低摩擦系数、自修复的自润滑涂层材料在电子、生物、通讯、航空航天、核能及军工等高科技领域应用越来越广泛。自润滑涂层可在保证基体材料优异的力学性能的基础上具备自润滑及耐磨损的性能。常见润滑涂层有二硫化钼、石墨、氮化硼、硫化钨等，但是单层单组分的材料并不能够满足多种苛刻的环境条件，也不能同时满足低摩擦系数和降低磨损速率的要求。近年来，复合结构以及多层结构的设计多被应用于涂层制备领域，研究者制备并研究了一系列的复合及多层自润滑涂层的结构及性能，但目前应用较多的为多层结构涂层，是由硬质涂层与软涂层的交替沉积制备的，关于复合结构的涂层研究较少。交替沉积的多层自润滑涂层，虽降低了摩擦系数，但硬度大幅降低，缺失了原有硬质涂层的性能。综上所述，需要开发并制备一种具备自润滑能力的复合涂层，使其既能保证涂层的力学性能，又能降低摩擦系数。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决零件表面在摩擦过程当中由于摩擦系数过大引起的摩擦损失高、局部温度过热等问题，提供了一种TiAlTaN/WS自润滑复合涂层及其制备方法。本专利技术所制备的TiAlTaN/WS复合涂层通过不同孔径尺寸的掩膜板进行软涂层直径的控制，以达到保证涂层的力学性能的同时降低涂层的摩擦系数，达到自润滑的效果，降低摩擦损耗。一种TiAlTaN/WS自润滑复合涂层，所述涂层包括Ti金属层，TiAlTaN层，TiAlTaN/WS复合层；所述Ti金属层覆于基体表面，所述TiAlTaN层覆于Ti金属层表面，所述TiAlTaN/WS复合层覆于TiAlTaN层表面，所述TiAlTaN/WS复合层主体为TiAlTaN连续层，若干WS以柱状形式均匀嵌入TiAlTaN连续层中。进一步地，所述Ti金属层为纯Ti金属层，作为与基底接触的过渡层，底层TiAlTaN层为硬质涂层，TiAlTaN/WS复合层作为顶层，底层的TiAlTaN层与顶层TiAlTaN/WS复合层中的TiAlTaN成分相同。优选地，所述WS柱的直径尺寸为25μm～100μm。进一步地，所述WS柱的直径尺寸为25μm、50μm、75μm或100μm。进一步地，所述WS柱的直径尺寸为50μm～100μm。进一步地，所述TiAlTaN/WS复合层，同一TiAlTaN/WS复合层中，若干WS柱的直径相同，均匀嵌入TiAlTaN/WS复合层中；不同的TiAlTaN/WS复合层，由于掩膜板的孔径不同，WS柱的直径不相同，但不同的TiAlTaN/WS复合层沉积时间相同。本专利技术的另一目的为上述TiAlTaN/WS自润滑复合涂层的制备方法，所述方法在磁控溅射装置中进行，包括下述工艺步骤，采用Ti靶材在基体上沉积制备Ti金属层；通入N2，采用TiAl合金靶和Ta靶沉积制备TiAlTaN层；采用WS靶在掩膜板上沉积制备WS柱，去除掩膜板后进行TiAlTaN沉积，形成TiAlTaN/WS复合涂层，通过改变掩膜板中孔径的直径尺寸，制备不同直径WS的TiAlTaN/WS复合涂层。进一步地，所述N2为高纯度的N2。优选地，所述方法包括下述工艺步骤：①基体经预处理后，使用磁控溅射装置进行沉积；②采用纯度为99.99％的Ti靶材，沉积制得Ti金属层；所述沉积条件为真空室的真空度优于3×10-3Pa，基片温度为300℃～500℃，负偏压为50V～150V，占空比为20％～80％；③采用纯度为99.9％的TiAl合金靶材与99.95％的Ta靶，共同沉积制得TiAlTaN层，沉积条件为调至真空度优于3×10-3Pa，通入高纯N2气，基片温度为300℃～500℃，负偏压为50V～150V，占空比为20％～80％；④关闭N2，调整Ar气压强为0.8Pa，采用纯度为99.95％的WS靶材，在掩膜板上沉积得WS柱，基片温度为50℃，占空比为20％～80％，负偏压为50V～150V，通过对掩膜板孔径尺寸的更改调整WS柱的直径；去除掩膜板，重复步骤③的操作后得TiAlTaN/WS复合层，降温冷却。优选地，所述TiAl合金靶材成分按原子质量比，钛为50at.％，铝为50at.％。优选地，所述掩膜板的孔间距为500μm，孔径为25μm～100μm。进一步地，所述掩膜板的孔径为25μm、50μm、75μm或100μm。进一步地，所述掩膜板的孔径为50μm～100μm。优选地，所述基体的预处理是将基体进行抛光处理、超声清洗，用Ar气去除表面残留液体；所述抛光处理是用金刚石砂轮片逐级打磨，用粒度为2.5μm的金刚石抛光膏将基体抛光至镜面状态，用丙酮和酒精分别对抛光后的基体进行超声处理15min和10min。优选地，所述Ti金属层，TiAlTaN层，TiAlTaN/WS复合层根据所需厚度选择沉积时间。优选地，所述Ti金属层沉积时间为5min，所述TiAlTaN层沉积时间为60min，所述TiAlTaN/WS复合层中WS沉积时间为150min，所述TiAlTaN/WS复合层中TiAlTaN层沉积时间为60min。进一步地，所述Ti金属层的沉积时间为5min，TiAlTaN层的沉积时间为60min，WS柱的沉积时间为150min，因为WS的沉积速率慢，所以沉积的时间长，得到的结果是TiAlTaN/WS复合层中的TiAlTaN厚度与WS厚度相同，即沉积60min的TiAlTaN层与沉积150min的WS层厚度相同。优选地，所述步骤④中降温冷却为随炉降温至80℃以下，取出基体，冷却至常温。本专利技术所述的“磁控溅射装置”为现有技术公开的具有多靶共溅射功能的磁控溅射装置，可通过商业购得。本专利技术的一种TiAlTaN/WS自润滑复合涂层及其制备方法，与现有的技术相比，有益效果是：1、本专利技术提供了一种具有低摩擦系数的自润滑复合涂层以及其制备方法；本专利技术所制得的涂层可以在保证原有硬质涂层的硬度基础上，有效降低其摩擦系数，使工件在摩擦过程当中减少摩擦损失，节约成本。2、本专利技术的一种TiAlTaN/WS自润滑复合涂层及其制备方法，制备TiAlTaN层与WS柱的厚度可以通过调控沉积时间来进行改变，WS柱的直径大小可通过掩膜板的孔径尺寸进行更改，操作控制方便，易于实现不同WS含量复合涂层的制备。3、本专利技术的一种TiAlTaN/WS自润滑复合涂层及其制备方法，在制备时在与基体接触的位置进行了过渡层的沉积，并在底层沉积了TiAlTaN硬质涂层。通过这种方法制得的涂层，可以保证在顶层涂层磨损时，底层涂层可以达到保护基体的作用，可以在保证硬度的同时降低摩擦系数，并达到保护基底不受磨损的作用。4、本专利技术的一种TiAlTaN/WS自润滑复合涂层及其制备方法，容易实施，且成本低，效果好，不仅可用于轴承等零件的接触表面，还可应用于多方面需要自润滑涂层的领域，应用领域广阔，易于工厂的大规模生产。附图说明图1为TiAlTaN/WS自润滑复合涂层生长结构示意图，附图标记如下：1为基体，2为纯Ti金属层，3为TiAlTaN涂层，4为WS柱，5为TiAlTaN/WS复合涂层；图2为不同直径WS嵌入TiAlTaN涂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TiAlTaN/WS自润滑复合涂层，其特征在于，所述涂层包括Ti金属层，TiAlTaN层，TiAlTaN/WS复合层；所述Ti金属层覆于基体表面，所述TiAlTaN层覆于Ti金属层表面，所述TiAlTaN/WS复合层覆于TiAlTaN层表面，所述TiAlTaN/WS复合层主体为TiAlTaN连续层，若干WS以柱状形式均匀嵌入TiAlTaN连续层中。

【技术特征摘要】
1.一种TiAlTaN/WS自润滑复合涂层，其特征在于，所述涂层包括Ti金属层，TiAlTaN层，TiAlTaN/WS复合层；所述Ti金属层覆于基体表面，所述TiAlTaN层覆于Ti金属层表面，所述TiAlTaN/WS复合层覆于TiAlTaN层表面，所述TiAlTaN/WS复合层主体为TiAlTaN连续层，若干WS以柱状形式均匀嵌入TiAlTaN连续层中。2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述WS柱的直径尺寸为25μm～100μm。3.权利要求1所述的TiAlTaN/WS自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，所述方法在磁控溅射装置中进行，包括下述工艺步骤，采用Ti靶材在基体上沉积制备Ti金属层；通入N2，采用TiAl合金靶和Ta靶沉积制备TiAlTaN层；采用WS靶在掩膜板上沉积制备WS柱，去除掩膜板后进行TiAlTaN沉积，形成TiAlTaN/WS复合涂层，通过改变掩膜板中孔径的直径尺寸，制备不同直径WS的TiAlTaN/WS复合涂层。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法包括下述工艺步骤：①基体经预处理后，使用磁控溅射装置进行沉积；②采用纯度为99.99％的Ti靶材，沉积制得Ti金属层；所述沉积条件为真空室的真空度优于3×10-3Pa，基片温度为300℃～500℃，负偏压为50V～150V，占空比为20％～80％；③采用纯度为99.9％的TiAl合金靶材与99.95％的Ta靶，共同沉积制得TiAlTaN层，沉积条件为调至真空度优于3×10-3Pa，通入高纯N2，基片温度为300...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国建，吕汶璋，王强，王凯，周尧尧，江陈杰，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21