[发明专利]一种复合梯度结构改性层的制备方法和产品

说明书

本发明提供了一种复合梯度结构改性层的制备方法和产品，具体为离子注入调控沉积的梯度结构固体润滑膜制备方法和应用轴承等产品，用于解决现有固体润滑耐磨性差和无抗接触疲劳性能的问题，该方法采用离子清洗、离子注入和离子束辅助沉积在材料的表面制备新型复合梯度结构固体润滑改性层，改性的表面基本不存在大颗粒，膜层致密，优于现有技术的单纯注入或者Ag固体润滑膜。

技术领域

本发明涉及金属材料加工技术领域，尤其涉及一种利用离子注入和辅助沉积技术制备 具有固体自润滑功能的复合梯度结构改性层的制备方法和利用该制备方法制备的产品。

背景技术

滚动轴承和齿轮等是传动系统的基础零部件，也是传动部件中的核心部件。特别是真 空、射线、高速、高温、超低温、高负载和复杂工况条件下，轴承等基础零部件由于工作面的磨损或者疲劳早期失效而导致整个产品失效，带来较大的资源浪费。表面改性技术是提高此类基础产品表面性能的方法之一，特别是在航空航天等高速重载条件下的轴承，需要较好的固体润滑性能，同时还需要较高的抗磨损和抗疲劳性能，比如超低温下的大推力火箭液氢涡轮泵轴承。单一的改性层已经远远满足不了快速发展的航空航天轴承性能需要。

传统的镀膜技术中，磁控溅射是一种广泛应用的薄膜沉积技术，以溅射率高、基片温 升低、膜基结合力不强、装置性能稳定、操作控制方便、可实现大面积镀膜等优点，在机械、电子、能源、信息等方面得到广泛关注，并且被成功地应用于薄膜沉积和表面覆盖层 制备。但是，由于溅射时离化率低，膜层致密度不够，薄膜沉积速率也较低，薄膜与基材 结合力不够，膜层性能不能满足在高负载和极端工况下的使用需求。

离子束辅助沉积镀膜(Ion Beam Assisted Deposition)简称IBAD，是上世纪80年代中 期发展起来的一种新兴镀膜技术，它是在传统溅射镀膜技术的基础上，同时用一束离子束 对基片施以某离子轰击或者注入以加速夯实沉积的膜层。利用离子束辅助沉积技术调控沉 积中的薄膜，改善薄膜性能，是开发新膜层体系和新材料的方法之一。这是因为外来离子 对凝聚的粒子的动量传递，使得凝聚粒子的能量和稳定性增加，从而导致很高的堆积密 度，改善膜层的结构和性能，而且还可以控制温度，实现在室温条件下的所谓“冷镀”，这使得生产过程中零件的镀膜也成为可能。金杰等对比了磁控溅射与离子束辅助沉积技术对Ag膜性能的影响，发现IBAD技术可细化薄膜沉积的晶粒度，并在基层与银膜之间制备 一层过渡层，大大提高了膜层与基材的结合力，进而提高了耐磨性。郭毓锋等人采用离子 束辅助沉积技术制备了WS₂-Ti-Ag复合薄膜，发现薄膜是非晶态薄膜，并且随着法向载荷 的增加，复合薄膜的摩擦因数减小，摩擦状态越稳定，耐磨寿命越短。

离子注入是将离子源产生的离子经加速后高速射向材料表面，当离子进入表面，将与 固体中的原子进行级联碰撞，在基材内部形成长程效应，这些撞击原子再与其它原子碰 撞，后者再继续下去，在基材表面一定深度内形成位错、空位和超饱和固溶的强化区。且研究表明，采用惰性气体Ar离子注入可在材料表面形成尺寸分散很小的纳米空腔埋层。离子注入技术是精密及超精密金属等零件的强化技术，这种技术可以有效地加工和改善材料次表层性能，并且形成长程梯度结构，增加材料在高负载等工况下的耐磨和抗疲劳性能。例如，离子注入可以通过注入氮离子和铬离子增加钢的附着和耐腐蚀性。研究发现，高剂量N植入目标金属可以提高涂层的机械性能，如耐磨损、疲劳强度和硬度，但同时可能引 起韧性的降低。

离子注入是滚动轴承中常用的提高耐磨和抗接触疲劳性能的方法，但离子注入层在超 高低温情况下耐磨性能不足。固体润滑材料常用的MoS₂、WS₂、石墨、和软金属等材料，根据不同的使用温度和应用范围，这些材料得到较多的应用，但这些固体润滑膜层具有较低的硬度，润滑性能好，但抗疲劳性能不足。