一种低摩擦长寿命的超晶格复合涂层及其制备方法与用途技术

本发明专利技术公开了一种低摩擦长寿命的超晶格复合涂层及其制备方法与用途。所述超晶格复合涂层包括：依次形成于基体表面的钛过渡层、TiN

【技术实现步骤摘要】
一种低摩擦长寿命的超晶格复合涂层及其制备方法与用途


[0001]本专利技术属于空间机构表面固体润滑涂层
，具体涉及一种低摩擦长寿命的超晶格复合涂层及其制备方法与用途。

技术介绍

[0002]空间机构金属摩擦副在高真空环境下存在严重的冷焊、高摩擦磨损问题，固体润滑涂层是防止空间机构摩擦副冷焊，提供润滑和延长其工作寿命的关键材料。有研究表明相当比例航天器的运动部件失效都与空间润滑有关，空间润滑涂层的提前失效有可能会给空间机构带来极其严重的影响，甚至导致整个系统瘫痪。因此，为了确保空间机构实现其功能，并实现高可靠性超长寿命服役，高性能的空间固体润滑是必不可少的关键技术之一。目前使用比较广泛的是二硫化钼涂层材料，得益于其层间以很弱的范德瓦尔斯键结合，层与层之间易于滑动，呈现出良好的润滑性能。但是，随着长寿命低轨航天器、深空探测器的发展，现役二硫化钼基固体润滑涂层将无法保障空间机构高可靠超长寿命工作。
[0003]迄今国内外通过不同的制备技术已经研制出了各种类型的二硫化钼涂层，而工艺技术和方法对其性能的影响非常大。非平衡磁控溅射是一种能够通过工艺参数精确控制涂层成分、结构和厚度的绿色低温沉积技术，通过设计磁场分布和过渡层匹配能够获得高致密度和结合力的二硫化钼涂层，已经成为空间关键机构摩擦副固体润滑涂层的主要制备技术。但是，传统溅射二硫化钼涂层通常为(001)晶面取向或非晶结构，涂层硬度低，承载能力差。并且，其柱状结构极易在运输、贮存等过程中受到潮湿空气中水和氧的侵蚀，使得涂层润滑性能劣化和氧化失效。因此，如何获得高硬度、高承载以及超低摩擦超长寿命的新型二硫化钼基润滑涂层是新一代长寿命空间机构亟待解决的重要问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种低摩擦长寿命的超晶格复合涂层及其制备方法与用途，以克服现有技术的不足。
[0005]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种低摩擦长寿命的超晶格复合涂层，其包括：依次形成于基体表面的钛过渡层、TiN
x
承载层、TiN
x
/MoS2梯度过渡层、MoS2/Me梯度过渡层及MoS2/Me超晶格层；其中，x为0.5~1，Me包括Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mo、Zn、Cd中的任意一种或两种以上的组合；并且，沿逐渐远离所述基体的方向上，所述TiN
x
/MoS2梯度过渡层中MoS2的含量呈升高趋势，所述MoS2/Me梯度过渡层中MoS2的含量呈降低趋势；所述MoS2/Me超晶格层包括交替层叠的MoS2层和Me层；所述MoS2/Me超晶格层中的MoS2层以MoS2（002）面平行取向生长。
[0006]本专利技术实施例还提供了前述的低摩擦长寿命的超晶格复合涂层的制备方法，其包括：采用非平衡磁控溅射技术在基体表面依次沉积钛过渡层、TiN
x
承载层、TiN
x
/MoS2梯度过渡层、MoS2/Me梯度过渡层及MoS2/Me超晶格层，获得所述低摩擦长寿命的超晶格复合涂层。
[0007]本专利技术实施例还提供了述的低摩擦长寿命的超晶格复合涂层在空间机构表面防护领域中的用途。
[0008]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：（1）本专利技术采用Ar和N2反应溅射的非平衡磁控溅射技术，通过Ti和氮气等离子体反应，制备TiN
x
承载层和TiN
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/MoS2梯度过渡层，提供的涂层具有强结合（大于15 N）和高硬度（大于7 GPa）的优异的力学学能，能够适用于高冲击环境部件表面防护；并可大幅提高涂层的耐磨性，有利于提高空间机构的服役寿命；（2）本专利技术采用多靶交替沉积的非平衡磁控溅射技术，通过非晶金属相和二硫化钼交替沉积设计，制备MoS2/Me超晶格涂层，提供的涂层具有二硫化钼（0002）晶面择优取向的特性，可极大的降低涂层的摩擦系数和磨损率，真空环境摩擦系数低至0.005~0.02，磨擦寿命超过4
×
106转，有利于提高空间机构的效率、可靠性和服役寿命。
附图说明
[0009]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0010]图1是本专利技术实施例3制得的TiN
x
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MoS2/Zn
‑
3涂层的断面SEM图；图2是本专利技术实施例3制得的TiN
x
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MoS2/Zn
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3涂层的硬度和弹性模量测试图；图3是本专利技术实施例3制得的TiN
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MoS2/Zn
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3涂层的结合力形貌和力曲线图；图4是本专利技术实施例3制得的TiN
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MoS2/Zn
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3涂层在真空环境下的摩擦曲线图；图5是本专利技术实施例3制得的TiN
x
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MoS2/Zn
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3涂层在真空环境下的摩擦寿命曲线图。
具体实施方式
[0011]鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，涂层与基体的结合方式、结合形态以及其他物理性质对于涂层的结合强度、力学性能和摩擦学性能至关重要，特别是涂层的耐磨性。其主要是通过钛过渡层、TiN
x
承载层、TiN
x
/MoS2梯度过渡层施加在MoS2/Me润滑涂层与基底之间，这对涂层的结合力、耐承载能力和力学性能均具有显著的影响。超晶格结构引入的界面可促进MoS2（002）面平行取向生长，进一步改善涂层结构致密度，提高涂层的力学性能和摩擦学性能。
[0012]下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0013]具体的，作为本专利技术技术方案的一个方面，其所涉及的一种低摩擦长寿命的超晶格复合涂层包括：依次形成于基体表面的钛过渡层、TiN
x
承载层、TiN
x
/MoS2梯度过渡层、MoS2/Me梯度过渡层及MoS2/Me超晶格层；其中，x为0.5~1，Me包括Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mo、Zn、Cd中的任意一种或两种以上的组合；并且，沿逐渐远离所述基体的方向上，所述TiN
x
/MoS2梯度过渡层中MoS2的含量呈升高趋
势，所述MoS2/Me梯度过渡层中MoS2的含量呈降低趋势；所述MoS2/Me超晶格层包括交替层叠的MoS2层和Me层；所述MoS2/Me超晶格层中的MoS2层以MoS2（002）面平行取向生长。
[0014]在一些优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低摩擦长寿命的超晶格复合涂层，其特征在于，包括：依次形成于基体表面的钛过渡层、TiN
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承载层、TiN
x
/MoS2梯度过渡层、MoS2/Me梯度过渡层及MoS2/Me超晶格层；其中，x为0.5~1，Me包括Ti、Zr、V、Nb、Cr、Mo、Zn、Cd中的任意一种或两种以上的组合；并且，沿逐渐远离所述基体的方向上，所述TiN
x
/MoS2梯度过渡层中MoS2的含量呈升高趋势，所述MoS2/Me梯度过渡层中MoS2的含量呈降低趋势；所述MoS2/Me超晶格层包括交替层叠的MoS2层和Me层；所述MoS2/Me超晶格层中的MoS2层以MoS2（002）面平行取向生长。2.根据权利要求1所述的超晶格复合涂层，其特征在于：所述超晶格复合涂层的硬度在7 GPa以上；和/或，所述超晶格复合涂层与基体的结合力在15 N以上，所述基体的材质包括316L不锈钢、TC4钛合金或单晶硅片；和/或，所述超晶格复合涂层在真空环境中的摩擦系数在0.02以下，磨损寿命在4
×
106转以上。3.根据权利要求1所述的超晶格复合涂层，其特征在于：所述钛过渡层的厚度为50~150 nm；和/或，所述TiN
x
承载层的厚度为150~300 nm；和/或，所述TiN
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/MoS2梯度过渡层的厚度为50~150 nm；和/或，所述MoS2/Me梯度过渡层的厚度为100~300 nm；和/或，所述MoS2/Me超晶格层的厚度为1.5~2.5 μm；和/或，所述超晶格复合涂层的厚度为2.0~3.0 μm；和/或，所述MoS2/Me超晶格层中MoS2与Me的调制比t
MoS2
:t
Me
为5:1
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2:1；和/或，所述MoS2/Me超晶格层的调制周期为Λ=4
‑
20nm。4.根据权利要求1所述的超晶格复合涂层，其特征在于：所述MoS2/Me超晶格层中的金属原子含量为5~15 at%；和/或，所述MoS2/Me超晶格层包含复数个交替叠加周期层，且每一交替叠加周期层包含一MoS2层和一Me层。5.权利要求1
‑
4中任一项所述的低摩擦长寿命的超晶格复合涂层的制备方法，其特征在于，包括：采用非平衡磁控溅射技术在基体表面依次沉积钛过渡层、TiN
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承载层、TiN
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/MoS2梯度过渡层、MoS2/Me梯度过渡层及MoS2/Me超晶格层，获得低摩擦长寿命的超晶格复合涂层。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于具体包括：采用非平衡磁控溅射技术，以钛靶为阴极靶材，以惰性气体为工作气体，对钛靶施加溅射电流，对基体施加负偏压，从而在基体表面沉积得到钛过渡层，其中，溅射电流为3.0~5.0 A，基体偏压为
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100~
‑
150 V，工作气体流量为20~30 sccm，基体温度为50~150
ꢀ°
C，反应腔室压强为0.1~2.0 Pa，沉积时间为300~900 s。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于具体包括：采用非平衡磁控溅射技术，以钛靶为阴极靶材，以惰性气体和N2为工作气体，对钛靶施加溅射电流，对基体施加负偏压，从而在所述钛过渡层的表面沉积得到TiN...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲吉斌，史彦斌，王海新，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：