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磁控溅射高温固体自润滑涂层的研究与进展

时间:2020-02-04 19:21:14  来源:  作者:

 高温固体自润滑涂层因在高温下具有优良的力学和摩擦学性能而成为表面工程摩擦学的关键技术之一。随着技术的发展,高温固体自润滑材料开始应用于航空领域,如发动机部件和配合部件等。其中,在航空紧固件上涂敷高温固体润滑涂层可以有效解决高温烧结、卡死、抱死现象。目前广泛使用的传统固体润滑剂MoS2WS2Ag等在高温下会发生氧化失效,类金刚石薄膜(DLC)的内应力大且热稳定性差,限制了其在300℃以上高温环境中的应用。新型材料体系的高温固体自润滑涂层制备和研究成为解决上述问题的突破口。润滑涂层主要分为本征润滑涂层和自润滑涂层,本身具有润滑性能的涂层称为本征润滑涂层,包括石墨、MoS2、六方BN、软金属(如AgPbSn)、金属氟化物等,这类单组分涂层在高温或潮湿环境下通常由于氧化而失去润滑性能。与本征润滑涂层不同,高温固体自润滑涂层主要通过涂层组分在高温下向表面扩散,并发生原位氧化反应生成氧化物润滑相来达到自润滑效果。高温固体自润滑涂层一般包括基体相、润滑相和增强相。磁控溅射的基本原理是电子在电场作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞,电离出大量的Ar+和电子,电子飞向基片,Ar+在电场的作用下加速轰击靶材,溅射出大量的靶材原子,呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。非平衡磁场、多靶磁场耦合、孪生磁控靶、脉冲溅射、中频交流溅射电源等新技术的出现,使磁控溅射技术广泛应用于多元复合膜、超晶格薄膜的制备。目前制备高温固体自润滑涂层的磁控溅射工艺主要有非平衡磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射、高功率复合脉冲磁控溅射、离子束辅助磁控溅射和等离子强化磁控溅射等。近年来磁控溅射制备高温固体自润滑涂层的技术快速发展,不同的材料、工艺方法及工艺参数对于高温固体自润滑涂层的微观结构、力学性能、摩擦学性能及抗氧化性能的影响也有所不同。(1)材料体系方面,VMoW等过渡金属元素在高温下生成自润滑Magnéli相,由于其特殊的晶体结构使得其可以在600℃以上温度条件下起到很好的润滑效果,从而得到广泛关注和研究,但目前鲜有其在更高温度下(1000℃以上)润滑效果的研究;不同元素和组分的复配对该类高温固体自润滑涂层的力学、摩擦学等性能的影响还有待进一步研究。(2)磁控溅射工艺方面,国外相关研究通综合使用新型磁控溅射技术,可以克服不同工艺的缺点,提高涂层沉积效率、改善膜基结合、提高涂层综合性能等;而国内研究对于磁控溅射工艺制备高温固体自润滑涂层的研究更多在于优化工艺参数上,对于先进工艺方法的结合使用仍需发展。(3)涂层结构设计上,目前国内高温固体自润滑涂层的结构研究多集中于纳米多层膜的调制周期对涂层性能的影响上,而自润滑相存在高温下快速流失会使得涂层失去润滑效果从而导致使用寿命降低的问题,国内外都缺乏通过智能涂层设计减少润滑相流失和延长使用寿命的相关研究。


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