[发明专利]一种具高硬并且在中高温低摩擦的MoNbN-Ag涂层及制备方法与应用

说明书

本发明涉及了一种具有高硬且在中高温低摩擦的MoNbN‑Ag保护涂层，可以应用于切削工具及发动机运动部件，由钼、铌、氮、银四种元素构成，按照各成分的原子百分数含量统计，钼的含量为39.4～40.0％，铌的含量为19.5～20.5％，氮的含量为38.2～39.2％，银的含量为2.9～0.3％。Ag掺杂入立方结构MoNbN的晶格间隙中，形成四元固溶体，不含任何相分离结构。该材料具有高的硬度，优秀的韧性以及并且中高温(500‑800℃)下良好的摩擦学性能。在如此广泛的温度范围内优异的润滑将使所制备的MoNbN‑Ag涂层可以用于具有挑战性的条件下的航空航天发动机、燃气轮机、涡轮增压器等工业机械领域。

技术领域

本发明涉及的是一种高硬并且在中高温低摩擦的MoNbN-Ag硬质涂层材料，及其制备方法与应用，属于工程材料技术领域。通过掺杂少量Ag进入到钼铌氮(MoNbN)晶格间隙，实现固溶强化，增强MoNbN力学性能，同时引入润滑相钼酸银，铌酸银，改善MoNbN在中高温的摩擦学性能。

背景技术

随着航空技术竞争的日益激烈和蓬勃发展，航空发动机作为航空工业“皇冠上的明珠”，对其技术及性能的要求更是不断提高。因为航空航天发动机其运动部件常处在高温环境，所以需要材料在高温下有着可靠的摩擦学性能。高温润滑(500-1000℃)对于摩擦学界来说是一个相当大的挑战。近些年来在缺少润滑的条件下，发动机其运动部件的损伤失效主要是由高温磨损造成的。高温环境不仅对材料的力学性能，摩擦学性能有很高的要求，同时也对材料抗氧化性能有着一定的需求。因此仅有少数具有润滑能力的材料是能被视作高于400℃时使用的候选材料，如PbO、MoO₃、Nb₂O₅、V₂O₅等等。

因为Mo₂N有着优越的力学性能(硬度在20-30GPa范围，高于TiN),并且摩擦时易产生层状结构(Magne'li相)的润滑相氧化物(MoO_x)。氮化钼(Mo₂N)涂层已经被广泛研究证明了作为耐腐蚀和耐磨材料的可能性。近几年来在Mo₂N基材料的设计中加入了软金属元素(Cu,Ag,Co等)，以生产纳米复合涂层。研究发现与它们的组成相相比，这些材料通常表现出优异的力学和摩擦学性能。软金属能改善的Mo₂N的断裂韧性和增强在高温下的自润滑潜力(产生具有薄层晶体结构且具有弱的晶面间键的润滑相)。其中Mo₂N/Ag涂层由于其优秀的摩擦学性能而备受关注。复合材料中的Ag在中高温域(≥300℃)中将扩散至材料表面优先润滑，并减少磨损率。随着温度进一步升高，摩擦产生的润滑相钼酸银将维持住低的摩擦系数。

但由于Mo₂N有着高的电子浓度，使得d-t_2g轨道在剪切时的重叠和相长干涉，导致剪切变形期间的能量减少和立方结构力学不稳定性。并且Mo₂N/Ag材料中Ag是以析出状态存，Ag是软质相，在外力作用下容易移动，所以Mo₂N/Ag硬度低于Mo₂N。此外，在高温下，Ag通过微孔洞在材料表面析出会导致材料内部结构塌陷，磨损率增加，而且产生的摩擦产物钼酸银在700℃分解失效。因此研究在保留Mo₂N/Ag的低摩擦系数的同时如何提升材料的力学性能、改善磨损率和扩展工作温度范围是十分有必要的。