[发明专利]用于水润滑的织构化类金刚石复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于水润滑的织构化类金刚石复合薄膜的制备方法。

背景技术

各种船舶、舰艇、水中兵器、核电水冷却系统、水泵、水轮机的水润滑轴承、 动密封及其他传动摩擦副都会涉及到水润滑的问题。水润滑具有无污染、使用成 本低、易维护保养的特点，成为最具发展潜力的润滑介质。但由于水具有粘度低、 气蚀性强、润滑性差等缺点，以及水润滑摩擦副存在易腐蚀、磨损大等问题，很 大程度上限制了其使用范围。因此，寻求在水润滑条件下具有良好耐磨、耐腐蚀 性能的摩擦副材料成为发展水润滑技术的关键问题之一。

在发展水润滑摩擦副方面，表面织构(Surface Texturing)是一种有效的处理手 段，常见的表面织构可以用激光、刻蚀、机械加工等方法在表面得到点状凹坑、 条纹等织构图形。织构化表面可以起到产生流体动压效应以增加承载能力、作为 储油器给接触表面提供润滑剂以防止咬合、捕捉磨粒而减少犁沟形成3方面的作 用，从而显著提高水润滑摩擦副寿命和可靠性。而激光表面微造型技术以其加工 速度快，对环境无污染以及优良的对微孔的形状和尺寸的控制能力被认为是表面 织构领域较好方法。

两一方面，摩擦副表面薄膜/涂层技术逐渐成为改善水润滑性能的重要方法。 其中碳基固体润滑薄膜如类金刚石薄膜在水中显示优异的减摩抗磨和耐蚀性能 而受到普遍关注[周飞等，碳基薄膜水润滑性能的研究进展，润滑与密封，2006 (7)：185-195]。水润滑金属以及陶瓷摩擦副表面固体润滑碳膜将会使摩擦副在 低速和频繁起停等边界润滑和近-干摩擦下拥有可靠的摩擦，从而满足水润滑机 械的寿命要求。

因此，将表面织构化处理与碳基固体润滑薄膜技术结合形成表面多尺度织构 化复合薄膜，可以弥补甚至消除两类手段各自的局限性，实现两种优化技术的协 同水润滑效应，发展水环境下优异的摩擦副材料。然而目前这方面的技术开发仍 未见相关专利报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于水润滑的织构化类金刚石复合薄膜的制备 方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

本发明采用激光表面微造型技术，能够在工件表面获得微织构形貌造型，然 后通过磁控溅射沉积技术对工件进行等离子体清洗后，通过镀制钛过渡层，掺杂 钛的类金刚石薄膜，能够在工件表面获得织构化类金刚石复合薄膜。

一种用于水润滑的织构化类金刚石复合薄膜的制备方法，其特征在于该方法 依次按照下列步骤实现：

A、激光表面微造型：

对不锈钢、钛合金或碳化硅陶瓷工件进行抛光、除油以及清洗预处理，然后 采用Nd-YAG固体激光器，波长1064nm，脉宽4ns左右，调节激光总能量为3W、 将激光脉冲次数控制在1～5次、光斑直径为20μm、扫描速率2～6mm/s，在工件表 面形成微造型表面；

B、磁控溅射沉积织构化钛掺杂类金刚石薄膜：

将得到的微造型表面进行清洗及活化处理，采用磁控溅射沉积系统在样品表 面依次沉积钛过渡层和掺钛类金刚石复合薄膜；沉积过程中，真空室的放电气压 为0.8～1.2Pa，氩气气氛，阴极为高纯钛靶和碳靶，钛靶的工作电流维持在0.5～ 0.8A，石墨靶的工作电流维持在1.0～1.5A，基底所加偏压为-300～-600V，沉 积时间为100～200分钟，最后得到织构化类金刚石复合薄膜。

本发明所述的织构化类金刚石复合薄膜为纳米金属钛或纳米碳化钛镶嵌在 非晶碳网络中的复合结构，其中纳米金属钛和碳化钛晶粒尺寸为3～5nm，钛的 质量分数为5％～30％。

本发明织构化类金刚石复合薄膜，它是以激光表面微造型和磁控溅射沉积技 术相结合而制备的硬质含钛类金刚石复合薄膜，薄膜属于无氢类金刚石薄膜材 料，薄膜表面是以凹坑、平行条纹、正交网格等微织构形貌存在。薄膜表面微坑 及凹槽等织构间距尺寸在40～600μm范围内，深度在1～8μm范围内。