一种高硬度自润滑多层薄膜及制备方法 |
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| 申请号 | CN202111558886.8 | 申请日 | 2021-12-20 | 公开(公告)号 | CN114438459A | 公开(公告)日 | 2022-05-06 |
| 申请人 | 重庆文理学院; | 发明人 | 徐照英; 邓川宁; | ||||
| 摘要 | 一种高硬度自润滑多层 薄膜 ，由基体表面向外依次为TiC层、TiCN层为连续过渡层、TiAlN层和CuTiSiC层复合形成的高硬度耐磨层，耐磨层表面覆有Mo/CaF2/BaF2/C复合自润滑层，以及最表面的玻璃涂层，所述玻璃涂层是由玻璃粉与去离子 水 配制成的料浆 旋涂 形成，玻璃粉按照重量比重由SiO2、Na2O、CaO和NaSiO3组成。本 发明 制备的高硬度自润滑多层薄膜在不同的 温度 环境下具有高硬度、低摩擦因数和极低的磨损率，室温硬度达到45GPa，700℃高温下硬度达到41GPa，700℃下磨损30000周次，摩擦因数为0.14，耐摩 稳定性 优异，摩擦磨损速率低至3.3×10‑7m3/N.m，体现出了优异的自润滑抗摩擦磨损性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高硬度自润滑多层薄膜，其特征在于：由基体表面向外依次为TiC层、TiCN层为连续过渡层、TiAlN层和CuTiSiC层复合形成的高硬度耐磨层，耐磨层表面覆有Mo/CaF2/BaF2/C复合自润滑层，以及最表面的玻璃涂层，所述玻璃涂层是由玻璃粉与去离子水配制成的料浆旋涂形成，玻璃粉按照重量比重由SiO2、Na2O、CaO和NaSiO3组成。 |
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| 说明书全文 | 一种高硬度自润滑多层薄膜及制备方法技术领域[0001] 本发明涉及高温耐磨损涂层技术领域，具体涉及一种高硬度自润滑多层薄膜及其制备方法。 背景技术[0002] 作为装备制造业的关键零部件的钢铁基材料，如M2、M35高速钢或不锈钢等，任何一种传动或转动都涉及摩擦，而摩擦特性、特别是润滑特性不仅决定了零部件、设备的服役时间，更重要的是将影响装备的整体性能和运行质量。鉴于现代高技术装备使用条件越来越复杂，对于高温润滑涂层的要求越来越高，且对高可靠性及长寿命等方面的要求日益苛刻，急需研究新型高硬度与自润滑同时存在的耐磨薄膜来满足其服役条件下的环境适应性和稳定性，延长关键零部件的使用寿命。 [0003] 目前高硬度自润滑涂层是高技术装备发展面临的关键技术难题，以各类高性能航空发动机等为代表的高温机械，在实际应用中，均要求实现从室温至高温的连续运转。通过表面改性，在保证表面涂层硬度的前提下，经济的获得低摩擦、润滑效果良好的结构薄膜材料，提升材料、零部件表面的摩擦学性能，更好的提升装备的整体使用性能和服役时间。在众多的镀膜技术中，磁过滤阴极真空多弧源离子镀由于成膜速率高，沉积温度低，绕射性好，能镀制复杂形状工件等优点而成为首选的离子镀技术。但是靶材之间成分离化率的差异，出现成分离析，涂层上容易出现较大液滴，导致涂层结合力变差、且涂层的性能也受到影响，且涂层容易形成柱状晶结构，导致涂层力学性能下降。 发明内容[0004] 本发明目的在于提供一种高硬度自润滑多层薄膜。 [0005] 本发明另一目的是提供上述高硬度自润滑多层薄膜的制备方法。 [0006] 本发明目的通过如下技术方案实现： [0007] 一种高硬度自润滑多层薄膜，其特征在于：由基体表面向外依次为TiC层、TiCN层为连续过渡层、TiAlN层和CuTiSiC层复合形成的高硬度耐磨层，耐磨层表面覆有Mo/CaF2/BaF2/C复合自润滑层，以及最表面的玻璃涂层，所述玻璃涂层是由玻璃粉与去离子水配制成的料浆旋涂形成，玻璃粉按照重量比重由SiO2、Na2O、CaO和NaSiO3组成。 [0008] 进一步，上述玻璃粉各组分按照质量比重为60～75％SiO2、15～20％Na2O、5～12％CaO和5～12％NaSiO3组成。 [0009] 进一步，上述TiC层厚度为100～150nm，TiCN层厚度为100～150nm，所述TiAlN层厚度为300～400nm，所述CuTiSiC层厚度为500～600nm；所述Mo/CaF2/BaF2/C复合层厚度为1～2μm，玻璃涂层厚度为1～2μm。 [0010] 上述高硬度自润滑多层薄膜的制备方法，其特征在于：采用磁过滤阴极真空弧源多弧离子镀在热处理以后的金属基体表面依次制备TiC、TiCN的连续过渡层，TiAlN层和CuTiSiC层，然后采用将Mo粉、BaF2粉、CaF2粉和C粉混合制备成复合粉末，通过等离子喷涂制备出Mo/CaF2/BaF2/C自润滑层，最后旋涂一层玻璃涂层。 [0011] 在高温摩擦环境中，由于CuTiSiC膜层表面的Mo/CaF2/BaF2/C自润滑层中生成碳化钼，增强了Cu在膜层中的润湿性，Cu作为第二相引入膜层中，增强了膜层的塑性，提高膜层的硬度，且在磨损过程中，Cu氧化生成Cu2O，随温度升高降低了膜层与摩擦副之间的粘合，将黏着磨损转化为磨粒磨损，且其本身就是一种自润滑组分，进一步维持膜层中有效组分的持续减磨作用，而Cu的加入还进一步通过键合固定了TiSiC，防止在剪切力作用下，TiSiC颗粒脱落造成更大的磨粒磨损。 [0012] 进一步，上述复合粉末是按照质量比例关系Mo:BaF2:CaF2:C＝1.5～2:3:1.5:8将Mo粉、BaF2粉、CaF2粉和C粉混合，加入聚乙烯醇混合搅拌成混合溶液，在350～380℃下对混合溶液进行焙烧，然后升温至950～1000℃持续烧结1.5～2h，将烧结后形成的块体进行破碎、研磨和过筛，得粒径在10～100nm的复合粉末。 [0013] 在制备自润滑层过程中，很难兼顾不同温度下均能保持优异的性能，本发明制备的Mo/CaF2/BaF2/C自润滑层中，CaF2/BaF2共晶在高温下产生自润滑作用，C在低温下形成自润滑，从而实现低温‑高温不同温度下的自润滑。由于添加了钼，在高温下生成碳化钼，在膜层起到了弥散强化作用，提高了Mo/CaF2/BaF2/C自润滑层与相邻膜层之间粘结力以及自身硬度，从而提高了膜层的抗粘着磨损能力，此外碳化钼作为硬质颗粒，起到了自润滑作用，在摩擦过程中产生强化相，在膜层表面形成保护膜，阻断了摩擦面的直接接触，从而降低了摩擦系数，改善了润滑状态；碳化钼的生成，提高了CuTiSiC层中Cu的润湿性，进一步增强了膜层之间的结合能力。 [0014] 进一步优化，所述玻璃涂层是将制备复合自润滑涂层的金属基体加热至220～280℃并保温30～40min，保持该温度下，将玻璃粉料浆以4000rpm速率在上述涂层表面旋涂30～40s，制备得玻璃涂层。 [0015] 进一步，所述玻璃粉料浆是将上述SiO2、Na2O、CaO和NaSiO3混合后进行球磨，球磨过程中以无水乙醇作为助磨剂；然后将混合均匀后的粉末加热熔化形成玻璃熔体；再将玻璃熔体进行水淬急冷得到玻璃颗粒或玻璃晶须，使用行星球磨机对玻璃颗粒或玻璃晶须进行行星式球磨，得到玻璃粉；最后将玻璃粉与去离子水均匀混合，得到玻璃粉末料浆。 [0016] 进一步，所述加热熔化是先以8～10℃/min的升温速率升温至600℃，再以4～6℃/min的升温速率升温至1000℃，然后保温至熔体均匀澄清透明化。 [0017] 通过分段加热熔化，有效确保不同熔点的玻璃配料氧化物能够充分处于熔融状态，从而保证玻璃配料氧化物的均匀混合，确保制得的玻璃粉末料浆的均匀性。 [0018] 优选的，所述行星球磨的转速为220～250r/min，行星式球磨时玻璃颗粒或玻璃晶须、助磨剂以及磨球的质量比为3:1:3。 [0019] 所述行星球磨机采用QM‑WX04型卧式行星球磨机。 [0020] 优选的，所述玻璃粉和去离子水的质量比为1:1～1.5。 [0021] 在制备过程中，由于采用等离子喷涂技术制备的自润滑涂层，存在等离子喷涂带来的固有缺点：涂层中存在较大的孔隙率，孔隙会造成涂层各处的性能不均匀，以及涂层机械性能下降，使用寿命缩短。本发明在Mo/CaF2/BaF2/C膜层表面旋涂一层高纯度的石英玻璃涂层，通过调节玻璃粉体中各组分的组成，调节流动态的玻璃体在不同温度下的软化程度，实现密封等离子喷涂层中的孔洞，提高自润滑层的致密度，且在高温环境下使用时，玻璃涂层随温度升高软化后，随自润滑层的结构变化而变化，使用过程中一直保持其高致密度，其次玻璃涂层中的SiO2增强了涂层的耐磨性能。若涂层中SiO2粒度不适合，在高速摩擦下，易发生移动或者脱落，导致涂层变形，丧失其封孔作用，且增大了摩擦损耗，因为，本发明中制备的玻璃涂层中SiO2颗粒尺寸较大，更容易稳定深入嵌入自润滑膜层中，且通过Mo/CaF2/BaF2/C膜层表面的孔洞进一步夹持锚定，形成稳定的约束，在摩擦过程中阻碍SiO2颗粒移动，SiO2在高压摩擦环境中原位破碎成更小的颗粒，增强膜层的摩擦稳定性，提高膜层的耐磨性。 [0022] 进一步，上述金属基体为M2、M35高速钢或不锈钢中的一种，为保证基底与涂层之间具有更优异的结合力，对基体进行热处理，具体是在1000℃下淬火，然后在500～550℃下进行依次升温的三次回火，提高了基体的硬度，镀层和基体之间的金属键合力增大。 [0023] 最具体的，一种高硬度自润滑多层薄膜的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行： [0024] S1、基体热处理 [0025] M2、M35高速钢或不锈钢中的一种作为基体，在1000～1300℃下淬火，然后在550～600℃下进行依次升温的三次回火，每次回火时间为1～2h； [0026] S2、基体清洗 [0027] 分别依次用200#、600#、800#、1000#、1500#水砂纸打磨，最后使用粒径为0.1μm的金刚石抛光剂在抛光机上进行抛光处理，抛光至镜面，然后依次在乙醇水溶液、碱处理液、酸处理液、高纯水、丙酮中各超声清洗10min，然后晾干，备用，其中碱处理液是K3(Fe(CN)6)和KOH质量比1:1的混合液碱，混合碱溶液酸处理液是HF、HNO3和HAC摩尔比为1:1:1形成的混合酸； [0028] S3、多弧离子镀 [0029] 阴极弧源采用Ti为靶材，弧电流为80～100A，弧电压为30～50V，负电压为200V，沉积温度为450℃，乙炔通入量为20～30sccm，在基体表面制备厚度为100～150nm的TiC过渡层；然后调整乙炔通入量为10～15sccm，氮气通入量为15～20sccm，制备厚度为100～150nm的TiCN连续过渡层；阴极弧源采用Ti和Al质量比为1:1混合作为靶材，氮气通入量为35～45sccm，镀膜制备厚度为300～400nm的TiAlN薄膜；以高纯硅和由Ti和Cu质量比为1:1组成‑3 的混合物分别作为靶材，并通入乙炔，调节真空度为4×10 Pa，在多弧离子镀膜机中沉积厚度为500～600nm的CuTiSiC薄膜层； [0030] S4等离子喷涂 [0031] 按照质量比例关系Mo:BaF2:CaF2:C＝1.5～2:3:1.5:8将Mo粉、BaF2粉、CaF2粉和C粉混合，加入聚乙烯醇混合搅拌成混合溶液，在350～380℃下对混合溶液进行焙烧，然后升温至950～1000℃持续烧结1.5～2h，将烧结后形成的块体进行破碎、研磨和过筛，得粒径在10～100nm的复合粉末，将步骤S3制备得到的材料放入等离子喷涂设备中，通过等离子喷涂制备厚度为1～2μm的Mo/BaF2/CaF2/C复合涂层，其中功率为35kW，偏压为30V；喷涂距离为 70mm，粉末送给率为5g/min，氩气流量为45L/min，氢气流量为7L/min； [0032] S5旋涂玻璃涂层 [0033] 按照质量比重将60～75％SiO2、15～20％Na2O、5～12％CaO和5～12％NaSiO3混合，以无水乙醇作为助磨剂进行球磨，然后将混合均匀后的粉末以8～10℃/min的升温速率升温至600℃；再以4～6℃/min的升温速率升温至1000℃，然后保温0.5～1h，形成玻璃熔体；将玻璃熔体进行水淬急冷得到玻璃颗粒或玻璃晶须，再进行行星式球磨，得到玻璃粉；最后将玻璃粉与去离子水按照质量比为1:1～1.5均匀混合得到玻璃粉末料浆，行星球磨的转速为220～250r/min，行星式球磨时玻璃颗粒或玻璃晶须、助磨剂以及磨球的质量比为3:1:3； [0034] 将S4制备了复合自润滑涂层的基体加热至220～280℃并保温30～40min，在该温度下将制备好的玻璃粉料浆以4000rpm速率在上述涂层表面旋涂30～40s，制备厚度为1～2μm的玻璃涂层。 [0035] 单一涂层时，由于基体与涂层热膨胀系数的差异较大，导致热应力大。为此，采用复合涂层与梯度过渡有利于缓和内应力，增加界面结合力。由于TiC跟基体的结合较好，且膨胀系数也较接近，故作为过渡层，同时采用了TiCN的连续过渡，在涂层体系中可起支撑负荷和粘结作用，提高膜基结合力。利用多弧离子镀制得高硬度薄膜，等离子喷涂制备自润滑膜层，最后通过最外层的玻璃涂层，致密化自润滑膜层，且在摩擦过程中玻璃涂层进一步增强了膜层的耐磨性能。最终制得的薄膜不仅提高了薄膜硬度和弹性模量，使涂层在高温环境下可借助摩擦物理或摩擦化学过程，改善薄膜在不同温度下的自润滑性能，提升材料、零部件表面的摩擦学性能，更好的提升装备的整体使用性能和服役时间。 [0036] 本发明具有如下技术效果： [0037] 本发明制备的高硬度自润滑多层薄膜在不同的温度环境下具有高硬度、低摩擦因数和极低的磨损率，室温硬度达到45GPa，700℃高温下硬度达到41GPa，700℃下磨损30000‑7 3周次，摩擦因数为0.14，摩擦稳定性优异，摩擦磨损速率低至1.22×10 m/N.m，体现出了优异的自润滑抗摩擦磨损性能。 附图说明 [0038] 图1：本发明制备的高硬度自润滑多层薄膜的表面扫描电镜图。 [0039] 图2：本发明制备的高硬度自润滑多层薄膜的结合力压痕图。 [0040] 图3：本发明制备的高硬度自润滑多层薄膜的高温摩擦系数曲线图。 [0041] 图4：本发明制备的高硬度自润滑多层薄膜的磨痕形貌图。 具体实施方式[0042] 下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。 [0043] 实施例1 [0044] 一种高硬度自润滑多层薄膜的制备方法，按如下步骤进行： [0045] S1、基体热处理 [0046] 以1Cr18Ni9Ti不锈钢作为基体，在1000℃下淬火，然后依次在550℃、570℃和590℃下进行回火，每次回火时间为1.5h； [0047] S2、基体清洗 [0048] 分别依次用200#、600#、800#、1000#、1500#水砂纸打磨，最后使用粒径为0.1μm的金刚石抛光剂在抛光机上进行抛光处理，抛光至镜面，然后依次在乙醇水溶液、碱处理液、酸处理液、高纯水、丙酮中各超声清洗10min，然后晾干，备用，其中碱处理液是K3(Fe(CN)6)和KOH质量比1:1的混合液碱，混合碱溶液酸处理液是HF、HNO3和HAC摩尔比为1:1:1形成的混合酸； [0049] S3、多弧离子镀 [0050] 阴极弧源采用Ti为靶材，弧电流为90A，弧电压为40V，负电压为200V，沉积温度为450℃，乙炔通入量为25sccm，在基体表面制备厚度为100nm的TiC过渡层；然后调整乙炔通入量为10～15sccm，氮气通入量为20sccm，制备厚度为150nm的TiCN连续过渡层；阴极弧源采用Ti/Al质量比为1:1混合作为靶材，氮气通入量为40sccm，镀膜制成厚度为300nm的TiAlN薄膜；以高纯硅和由Ti和Cu质量比为1:1组成的混合物分别作为靶材，并通入乙炔，调‑3 节真空度为4×10 Pa，在多弧离子镀膜机中沉积厚度为600nm的CuTiSiC薄膜层； [0051] S4等离子喷涂 [0052] 按照质量比例关系Mo:BaF2:CaF2:C＝2:3:1.5:8将Mo粉、BaF2粉、CaF2粉和C粉混合，加入聚乙烯醇混合搅拌成混合溶液，在360℃下对混合溶液进行焙烧，然后升温至980℃持续烧结1.5h，将烧结后形成的块体进行破碎、研磨和过筛，得粒径在10～100nm的复合粉末，将步骤S3制备得到的材料放入等离子喷涂设备中，通过等离子喷涂技术制备厚度为1μm的Mo/BaF2/CaF2/C复合涂层，其中功率为35kW，偏压为30V；喷涂距离为70mm，粉末送给率为5g/min，氩气流量为45L/min，氢气流量为7L/min； [0053] S5旋涂玻璃涂层 [0054] 按照质量比重将65％SiO2、15％Na2O、10％CaO和10％NaSiO3混合，以无水乙醇作为助磨剂进行球磨，然后将混合均匀后的粉末置于马弗炉中，以9℃/min的升温速率升温至600℃；再以5℃/min的升温速率升温至1000℃，然后保温0.8h，形成玻璃熔体；将玻璃熔体进行水淬急冷得到玻璃颗粒或玻璃晶须，再进行行星式球磨，得到玻璃粉；最后将玻璃粉与去离子水按照质量比为1:1.2均匀混合得到玻璃粉末料浆，行星球磨的转速为240r/min，行星式球磨时玻璃颗粒或玻璃晶须、助磨剂以及磨球的质量比为3:1:3； [0055] 将S4制备了复合自润滑涂层的基体加热至250℃并保温35min，在该温度下将制备好的玻璃粉料浆以4000rpm速率在上述涂层表面旋涂35s，制备厚度为1μm的玻璃涂层。 [0056] 从图1可以看出，本发明制备的高硬度自润滑多层薄膜表面光洁平滑，均匀致密，未出现孔洞和微裂纹，表面薄膜组织致密、光洁度高、质量好。最表面的玻璃涂层随温度升高软化，随时保持自润滑层的致密结构，也通过制备的大粒径SiO2，增强了摩擦稳定性，从而提高薄膜的耐磨性。 [0057] 本发明通过压痕形貌可定性或半定量地评价膜基结合强度。采用维氏压痕法顶角为136°的金刚石锥型压头，压痕实验采5N的载荷进行测试。由图2可以看出，测试后的不锈钢整体观测几乎无裂纹、仅压痕边缘有非常轻微的裂纹，未出现任何薄膜剥落现象，薄膜仍然保持的极为完整，这说明薄膜具有良好韧性和抗塑性变形能力，显示出较好的断裂韧性和优异的膜基结合强度。 [0058] 对比例1 [0059] 与实施例1相比，该方案中，依次制备TiC层、TiCN层为连续过渡层、TiAlN层和TiSiC层复合形成耐磨层，其与步骤与实施例1相同。 [0060] 对比例2 [0061] 与实施例1相比，该方案中，依次制备TiC层、TiCN层为连续过渡层、TiAlN层和CuTiSiC层复合形成耐磨层后，在耐磨层表面覆有CaF2/BaF2/C复合自润滑层，之后不再旋涂玻璃涂层。 [0062] 对比例3 [0063] 与实施例1相比，该方案中，依次制备TiC层、TiCN层为连续过渡层、TiAlN层和CuTiSiC层复合形成耐磨层，耐磨层表面覆有MoCaF2/BaF2/C复合自润滑层，以及最表面的玻璃涂层，所述玻璃涂层中玻璃粉按照重量比重由50％SiO2、20％Al2O3、12％B2O3、10％CaO和8％MgO组成，其与步骤与实施例1相同。 [0064] 显微硬度测试采用DUH‑211S岛津动态超显微硬度计，压头为金刚石显微维氏压头，实验载荷15mN，最大载荷保持时间6sec。采用700℃，恒定高温、摩擦副的载荷为5N，摩擦周次为20000转，对实施例1、对比例1和对比例2进行高温摩擦试验，试验结果下表所示。 [0065] [0066] 本发明制备的CuTiSiC中，Cu的加入，有效提高了膜层的硬度，增加了膜层之间的结合力，且在摩擦过程中，有效起到了自润滑作用，从而提高了薄膜的整体耐磨性能。对比例2中，由于缺少Mo，在摩擦过程中，没有硬质颗粒碳化钼的生成来降低摩擦系数，使得耐磨性较差，且CaF2/BaF2/C复合自润滑层表面没有旋涂玻璃涂层进行封孔，等离子喷涂的复合自润滑层表面存在大量的孔洞，摩擦是存在较大的磨损及高温氧化，膜层的使用寿命也会急速下降。虽然对比例3制备的玻璃涂层对于等离子喷涂制备的自润滑层具有优异的封孔作用，但是，其玻璃涂层中SiO2出现了较明显的脱落，导致耐磨性下降，摩擦磨损速率较大。 [0067] 实施例2 [0068] 一种高硬度自润滑多层薄膜的制备方法，按如下步骤进行： [0069] S1、基体热处理 [0070] 以M2高速钢作为基体，在1000℃下淬火，然后依次在550℃、575℃、600℃下进行回火，每次回火时间为2h； [0071] S2、基体清洗 [0072] 分别依次用200#、600#、800#、1000#、1500#水砂纸打磨，最后使用粒径为0.1μm的金刚石抛光剂在抛光机上进行抛光处理，抛光至镜面，然后依次在乙醇水溶液、碱处理液、酸处理液、高纯水、丙酮中各超声清洗10min，然后晾干，备用，其中碱处理液是K3(Fe(CN)6)和KOH质量比1:1的混合液碱，混合碱溶液酸处理液是HF、HNO3和HAC摩尔比为1:1:1形成的混合酸； [0073] S3、多弧离子镀 [0074] 阴极弧源采用Ti为靶材，弧电流为80A，弧电压为50V，负电压为200V，沉积温度为450℃，乙炔通入量为20sccm，在基体表面制备厚度为120nm的TiC过渡层；然后调整乙炔通入量为10sccm，氮气通入量为20sccm，制备厚度为120nm的TiCN连续过渡层；阴极弧源采用Ti/Al质量比为1:1混合作为靶材，氮气通入量为35sccm，镀膜制成厚度为350nm的TiAlN薄膜；以高纯硅和由Ti和Cu质量比为1:1组成的混合物分别作为靶材，并通入乙炔，调节真空‑3 度为4×10 Pa，在多弧离子镀膜机中沉积厚度为550nm的CuTiSiC薄膜层； [0075] S4等离子喷涂 [0076] 按照质量比例关系Mo:BaF2:CaF2:C＝1.5:3:1.5:8将Mo粉、BaF2粉、CaF2粉和C粉混合，加入聚乙烯醇混合搅拌成混合溶液，在380℃下对混合溶液进行焙烧，然后升温至950℃持续烧结1.5h，将烧结后形成的块体进行破碎、研磨和过筛，得粒径在10～100nm的复合粉末，将步骤S3制备得到的材料放入等离子喷涂设备中，通过等离子喷涂技术制备厚度为1.5μm的Mo/BaF2/CaF2/C复合涂层，其中功率为35kW，偏压为30V；喷涂距离为70mm，粉末送给率为5g/min，氩气流量为45L/min，氢气流量为7L/min； [0077] S5旋涂玻璃涂层 [0078] 按照质量比重将75％SiO2、15％Na2O、5％CaO和5％NaSiO3混合，以无水乙醇作为助磨剂进行球磨，然后将混合均匀后的粉末置于马弗炉中，以8℃/min的升温速率升温至600℃；再以4℃/min的升温速率升温至1000℃，然后保温1h，形成玻璃熔体；将玻璃熔体进行水淬急冷得到玻璃颗粒或玻璃晶须，再进行行星式球磨，得到玻璃粉；最后将玻璃粉与去离子水按照质量比为1:1均匀混合得到玻璃粉末料浆，行星球磨的转速为220r/min，行星式球磨时玻璃颗粒或玻璃晶须、助磨剂以及磨球的质量比为3:1:3； [0079] 将S4制备了复合自润滑涂层的基体加热至280℃并保温40min，在该温度下将制备好的玻璃粉料浆以4000rpm速率在上述涂层表面旋涂30s，制备厚度为1.25μm的玻璃涂层。 [0080] 显微硬度测试采用DUH‑211S岛津动态超显微硬度计，压头为金刚石显微维氏压头，实验载荷15mN，最大载荷保持时间6sec，本实施例制备的高硬度自润滑多层薄膜室温硬度达到42.9GPa，将温度升高至700℃再进行测试，硬度达到38.4GPa。采用700℃，恒定高温、摩擦副的载荷为5N，其摩擦因数为0.19，摩擦30000转后，摩擦因数为0.26，仅出现轻微的磨损，磨痕深度较浅且宽度较小，涂层保持完好，涂层在整过摩擦磨损过程中未出现剥落失效‑7 3 ‑1 ‑1的情况，其摩擦磨损速率低至1.34×10 mmN m ，可见，该多层薄膜具有优异的耐磨稳定性。 [0081] 采用本发明制备的多层复合层(即先采用多弧离子镀制备TiC和TiCN连续过渡层，多弧离子镀膜依次制备AlTiN，CuTiSiC薄膜层，等离子喷涂技术制备Mo/BaF2/CaF2/C复合涂层，再旋涂制备玻璃涂层)，钛合金表面制备的多层复合涂层通过最外层的玻璃涂层，致密化自润滑膜层，且在摩擦过程中玻璃涂层在实验中表现出良好的抗磨和耐磨性能。最终制得的薄膜不仅提高了薄膜硬度和弹性模量，使涂层在高温环境下可借助摩擦物理或摩擦化学过程，改善薄膜在不同温度下的自润滑性能，提升材料、零部件表面的摩擦学性能，更好的提升装备的整体使用性能和服役时间。 [0082] 实施例3 [0083] 一种高硬度自润滑多层薄膜的制备方法，按如下步骤进行： [0084] S1、基体热处理 [0085] 以M35高速钢作为基体，在1000℃下淬火，然后依次在560℃、580℃和600℃下进行回火，每次回火时间为1h； [0086] S2、基体清洗 [0087] 分别依次用200#、600#、800#、1000#、1500#水砂纸打磨，最后使用粒径为0.1μm的金刚石抛光剂在抛光机上进行抛光处理，抛光至镜面，然后依次在乙醇水溶液、碱处理液、酸处理液、高纯水、丙酮中各超声清洗10min，然后晾干，备用，其中碱处理液是K3(Fe(CN)6)和KOH质量比1:1的混合液碱，混合碱溶液酸处理液是HF、HNO3和HAC摩尔比为1:1:1形成的混合酸； [0088] S3、多弧离子镀 [0089] 阴极弧源采用Ti为靶材，弧电流为100A，弧电压为30V，负电压为200V，沉积温度为450℃，乙炔通入量为30sccm，在基体表面制备厚度为150nm的TiC过渡层；然后调整乙炔通入量为15sccm，氮气通入量为15sccm，制备厚度为100nm的TiCN连续过渡层；阴极弧源采用Ti/Al质量比为1:1混合作为靶材，氮气通入量为45sccm，镀膜制成厚度为400nm的TiAlN薄膜；以高纯硅和由Ti和Cu质量比为1:1组成的混合物分别作为靶材，并通入乙炔，调节真空‑3 度为4×10 Pa，在多弧离子镀膜机中沉积厚度为500nm的CuTiSiC薄膜层； [0090] S4等离子喷涂 [0091] 按照质量比例关系Mo:BaF2:CaF2:C＝2:3:1.5:8将Mo粉、BaF2粉、CaF2粉和C粉混合，加入聚乙烯醇混合搅拌成混合溶液，在350℃下对混合溶液进行焙烧，然后升温至1000℃持续烧结2h，将烧结后形成的块体进行破碎、研磨和过筛，得粒径在10～100nm的复合粉末，将步骤S3制备得到的材料放入等离子喷涂设备中，通过等离子喷涂技术制备厚度为2μm的Mo/BaF2/CaF2/C复合涂层，其中功率为35kW，偏压为30V；喷涂距离为70mm，粉末送给率为5g/min，氩气流量为45L/min，氢气流量为7L/min； [0092] S5旋涂玻璃涂层 [0093] 按照质量比重将60％SiO2、20％Na2O、8％CaO和12％NaSiO3混合，以无水乙醇作为助磨剂进行球磨，然后将混合均匀后的粉末置于马弗炉中，以10℃/min的升温速率升温至600℃；再以6℃/min的升温速率升温至1000℃，然后保温0.5h，形成玻璃熔体；将玻璃熔体进行水淬急冷得到玻璃颗粒或玻璃晶须，再进行行星式球磨，得到玻璃粉；最后将玻璃粉与去离子水按照质量比为1:1.5均匀混合得到玻璃粉末料浆，行星球磨的转速为250r/min，行星式球磨时玻璃颗粒或玻璃晶须、助磨剂以及磨球的质量比为3:1:3； [0094] 将S4制备了复合自润滑涂层的基体加热至220℃并保温30min，在该温度下将制备好的玻璃粉料浆以4000rpm速率在上述涂层表面旋涂40s，制备厚度为2μm玻璃涂层。 [0095] 显微硬度测试采用DUH‑211S岛津动态超显微硬度计，压头为金刚石显微维氏压头，实验载荷15mN，最大载荷保持时间6sec，本实施例制备的高硬度自润滑多层薄膜室温硬度达到42.6GPa，将温度升高至700℃再进行测试，硬度达到38.7GPa。如图3所示，采用700℃恒定高温、摩擦副的载荷为2N，其实摩擦因数为0.194，摩擦30000转后，摩擦因数为0.186，‑7 3 ‑1 ‑1其摩擦磨损速率低至1.22×10 mm N m ，在室温环境下，其摩擦因数在30000转之后，依然保持在0.15以内，如图4磨痕形貌图所示，仅出现轻微的磨损，磨痕深度较浅且宽度较小，涂层保持完好，涂层在整过摩擦磨损过程中未出现剥落失效的情况，可见，该多层薄膜具有优异的摩擦稳定性。 |
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