[发明专利]宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层及其制备方法。所述复合涂层包括粘结层、梯度层和耐磨自润滑面层，所述粘结层为Cr层，所述梯度层包括CrN层、CrVN层和CrVN/Ag层，所述耐磨自润滑面层包括氮化物陶瓷相和Ag相，所述氮化物陶瓷相包括VN和CrN。本发明采用磁控溅射技术制备出CrVN/Ag复合涂层，该复合涂层不仅具有致密的内部结构且具有较高的结合强度，VN和CrN在高温摩擦过程中通过摩擦化学反应生成氧化钒、氧化铬以及钒酸银等高温固体润滑剂，具有优异的低摩擦高抗摩性能，有效改善零部件在宽温域(RT‑750℃)区间内的润滑抗磨问题，延长材料在宽温域服役条件下的使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种耐磨润滑涂层，特别涉及一种宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层及其制备方法与应用，属于闭合场非平衡磁控溅射技术及涂层润滑技术领域。

背景技术

随着航空航天事业和现代工业的蓬勃发展，各种热动力机械和设备的传动部件面临的使役工况(高温、氧化、辐射、高速粒子冲刷等)愈加严苛。例如，超高音速飞行器和空间运载系统运行过程中经历高温、原子氧、强辐射等极端环境；高推比航空发动机运动部件长时处于高温、高载、高速等苛刻工况；高速切削刀具工作温度愈来愈高。材料在极端环境下的摩擦与磨损是制约机械装备低能耗、长寿命稳定运行的共性关键问题之一。随着我国航空航天、海洋和核能装备向“更高(临近空间)、更深(深蓝)、更安全”方向发展，机械传动部件面临的高温摩擦学问题更为复杂。传统的应用于高温摩擦学领域的材料主要为金属基材料，但当服役温度超过700℃时，其性能急剧下降，将难以满足未来空天及核工业等领域的使用需求。因此，开发新型宽温域(25～750℃)、高耐磨、自润滑材料势在必行。

三元Cr-Me-N薄膜因结合了CrN和MeN(例如MoN、VN和NbN)的优点从而具有更好的机械性能和热稳定性能，其相应金属氧化物(如MoO₃、V₂O₅、Cr₂O₃、TiO₂等)具有良好的耐高温性能，同时在较高的温度下具有较低的剪切强度，因此三元Cr-Me-N薄膜可作为高温润滑耐磨防护涂层的固体润滑剂。但是三元Cr-Me-N薄膜的低温润滑性能不佳，摩擦系数偏高。Ag具有切削强度较低以及物理化学稳定性优良等特点，将其掺杂至三元Cr-Me-N薄膜中作为润滑剂来可改善薄膜在宽温域下的摩擦磨损性能。特别地，以上金属氧化物与银发生反应可进一步形成高温润滑剂(例如钼酸银、钒酸银、铌酸银等)，从而进一步提高薄膜的高温自润滑性能。因此，迫切需要运用摩擦学的相关理论和知识，调控三元Cr-Me-N/Ag薄膜的成分与结构，使其与高温润滑氧化物充分发挥协同润滑作用，以满足航空航天发动机零部件宽温域润滑抗磨等问题，以其延长指尖片与密封座等关键零部件的使役寿命。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层及其制备方法，基于过渡金属氧化物高温润滑理论与离子势理论优化CrN基高温润滑耐磨复合涂层，解决高温润滑失效对关键机械部件造成的损害，通过摩擦化学反应使其在摩擦表面原位生成氧化铬、氧化钒、钒酸银等高温润滑剂，从而提升关键机械部件在宽温域(25-750℃)工况下的摩擦学性能。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明实施例提供了一种宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层，其包括依次形成的粘结层、梯度层和耐磨自润滑面层，所述粘结层包括Cr层，所述梯度层依次包括CrN层、CrVN层和CrVN/Ag层，所述耐磨自润滑面层包括氮化物陶瓷相和Ag相，所述氮化物陶瓷相包括VN和CrN。

在一些实施例中，所述耐磨自润滑面层由90at％～95at％的氮化物陶瓷相及Ag相组成。

本发明实施例还提供了前述的宽温域耐磨自润滑CrVN/Ag复合涂层的制备方法，其包括：

提供基底；