[发明专利]空间宽温域环境下高结合力固体润滑膜层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种空间宽温域环境下高结合力固体润滑膜及其制备方法，采用离子注入与沉积结合磁控溅射技术在钛合金、铝合金、不锈钢、轴承钢基底上沉积由结合层(Ti)、过渡层(TiN/TiCN)和功能层(TiN/MoS₂‑Ag)依次构成的纳米晶复合涂层。所制备纳米晶复合涂层可在‑150℃～300℃空间宽温域环境下可靠服役，且附着力强、摩擦系数低，可以大幅度提高空间飞行器运动部件的寿命，并提高其可靠性。此外本发明的制备方法具有离化率高、膜层设备结构简单、可批量化处理等特点，易于实现工业生产，具有良好的应用前景。

鞠鹏飞、吴超、宋晓航、沙春生、李忠建、周宏

技术领域：

本发明涉及材料表面真空镀膜技术领域，特别涉及一种空间宽温域环境下高结合力固体润滑膜层及其制备方法。

背景技术：

随着我国航天事业的不断发展，对深空领域的探测需求也越来越迫切。空间探测器在深空环境中将会同时处于几种环境的作用下，其性能将会比发生比单因素环境更加严重的退化。因此，开展针对特殊空间环境下特种膜层设计与制备技术研究，突破深空探测器运动机构耐磨性能，解决空间运动机构长寿命可靠性问题，已经成为型号研制的当务之急。

常用的MoS₂基空间固体润滑膜层主要是针对减摩，防冷焊等润滑要求，由于MoS₂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；且在宽温域的环境中，在高温条件下MoS₂很容易失去润滑性能。温度自适应膜层能够随着外界温度的变化而自动调节表面组成和结构以降低摩擦的复合材料。自适应原理是：当薄膜暴露在交变的温度和磨损中，基体内的非晶和纳米晶填充物在摩擦接触区域就会转变成光滑的润滑相态，使得固体润滑膜层在极端高低温环境下具有良好的摩擦学性能。

发明内容：

本发明的目的是提供一种空间宽温域环境下高结合力固体润滑膜层及其制备方法，所制备纳米晶复合膜层可在-150℃～300℃空间宽温域环境下可靠服役，且附着力强、摩擦系数低，可以大幅度提高空间飞行器运动部件的寿命，并提高其可靠性。

本发明的空间宽温域环境下高结合力固体润滑膜层,包括基体和在基体表面沉积的涂层,所述在基体表面沉积的膜层包括Ti结合层、TiN/TiCN过渡层，TiN、MoS₂-Ag交替排列的功能层；最外层为MoS₂-Ag层。

所述基体材料为钛合金、铝合金、不锈钢、轴承钢等。

所述在基体表面沉积的涂层为典型的纳米晶/非晶结构，镀层的硬度为15～22GPa，其温度适应性范围在-150℃至300℃。

所述结合层、过渡层、功能层的厚度可根据具体要求确定。

TiN/MoS₂-Ag交替沉积的次数可根据具体要求确定。

MoS₂-Ag中Ag元素百分含量也可根据需要调整。

本发明的另一技术方案在于，提供了上述空间宽温域环境下高结合力固体润滑膜层的制备方法，是利用离子注入与沉积技术结合磁控溅射技术进行镀制的，制备方法如下步骤：

1)溅射清洗：被镀制样件经表面抛光、丙酮超声清洗、乙醇超声清洗并烘干后放入镀膜设备内可旋转的靶台上，利用抽真系统抽真空至5.0×10^-3Pa，通入Ar，启动射频对样件进行Ar等离子体溅射清洗；

2)镀结合层：通入Ar，利用靶台两边对称分布两个磁过滤阴极弧蒸发装置，将Ti阴极靶材蒸发、离化体并引入真空室形成金属等离子，经靶台下方脉冲高压电源为样件提供负脉冲高压的作用，金属等离子体被加速沉积在样件上，形成Ti结合层；