離子輔助沉積TiN相增強Ag固體潤滑膜的製備方法
2023-07-06 11:52:01
離子輔助沉積TiN相增強Ag固體潤滑膜的製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種離子輔助沉積TiN相增強Ag固體潤滑膜的製備方法，用於解決現有方法製備的防護層抗微動疲勞性能差的技術問題。技術方案是將經過處理的鈦合金TC4微動疲勞試樣放入離子輔助磁控濺射設備中，抽真空後通入氬氣，清洗鈦合金TC4微動疲勞試樣表面；開啟Ag靶和Ti靶電源，製備TiN相增強Ag固體潤滑膜。由於TiN相增強Ag固體潤滑膜層的作用，提高了鈦合金TC4的抗微動疲勞性能。經測試，鈦合金TC4的微動疲勞壽命為基材的1.50鈦合金TC4的2.51倍。鈦合金TC4微動疲勞過程中的摩擦係數，摩擦係數數值為0.14～0.40，說明本發明方法製備的TiN相增強Ag固體潤滑膜層具有顯著的減摩潤滑效果。
【專利說明】離子輔助沉積TIN相増強Ag固體潤滑膜的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種抗微動疲勞的方法，特別是涉及一種離子輔助沉積TiN相增強Ag固體潤滑膜的製備方法。
【背景技術】
[0002]鈦合金具有比強度高、熱穩定性好、耐腐蝕性能優異等特點，因而廣泛應用於航空、航天、生物醫學以及其他工業領域。然而，鈦合金硬度低、耐磨性能差，對微動疲勞(Fretting Fatigue, FF)損傷十分敏感，從而限制了鈦合金在FF服役環境下的應用。由於解決FF損傷中碰到的抗磨與抗疲勞的措施常常是矛盾的，因而在鈦合金FF控制方面多數嘗試工作並未取得理想的結果[衛中山，王珉，左敦穩，李亮.鈦合金的微動疲勞及其防護.材料科學與工程學報，2003，2，293-297]。例如氮化鈦(TiN)硬質鍍層有良好的抗磨性能，但是由於這類硬質鍍層的韌性低，不利於其FF性能的改善；金屬銀(Ag)固體潤滑鍍層有較好的減摩作用，能提高其FF抗力，然而這類膜層的硬度低，耐久性較差，在提高鈦合金抗FF性能方面仍不能令人滿意。因此，開發新型固體潤滑複合膜層改善鈦合金抗微動疲勞性能的表面防護技術，是目前發展高可靠性、長壽命航空發動機裝置中迫切需要解決的技術難題。
【發明內容】
[0003]為了克服現有方法製備的防護層抗微動疲勞性能差的不足，本發明提供一種離子輔助沉積TiN相增強Ag固體潤滑膜的製備方法。該方法將經過處理的鈦合金TC4微動疲勞試樣放入離子輔助磁控濺射設備中，抽真空後通入氬氣，轟擊清洗鈦合金TC4微動疲勞試樣表面；同時開啟Ag靶和Ti靶電源，製備TiN相增強Ag固體潤滑膜。本發明方法製備的TiN相增強Ag固體潤滑膜層可以提高鈦合金TC4的抗微動疲勞性能。
[0004]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:一種離子輔助沉積TiN相增強Ag固體潤滑膜的製備方法，其特點是採用以下步驟:
[0005]步驟一、將經過機械加工的鈦合金TC4微動疲勞試樣利用砂紙打磨至規定的尺寸及表面粗糙度，並用丙酮、酒精清洗乾淨，吹風乾燥後備用；
[0006]步驟二、將經過步驟一處理的鈦合金TC4微動疲勞試樣放入離子輔助磁控濺射設備中，保持試樣與靶材的距離為100mm，抽真空至極限真空度10_5;
[0007]步驟三、通入流量為180SCCm的氬氣，使得真空爐的氣壓保持在1.5 X ΙΟ—1，採用轟擊能量500V、束流80mmA的Ar+離子進行轟擊清洗鈦合金TC4微動疲勞試樣表面15min ；
[0008]步驟四、製備TiN相增強Ag固體潤滑膜時氬氣流量為180SCCm，氮氣流量為130sccm，總氣壓為 2.3 X KT1Pa0
[0009]步驟五、同時開啟Ag靶和Ti靶電源，通過控制Ag靶電源400W?800W和Ti靶材電源800W來調節複合膜中成分，偏壓-150V，輔助離子源轟擊電源1000V，製備的膜層總厚度控制在4 μ m。
[0010]步驟六、鈦合金TC4微動疲勞試樣隨爐冷卻至室溫。
[0011]本發明的有益效果是:該方法將經過處理的鈦合金TC4微動疲勞試樣放入離子輔助磁控濺射設備中，抽真空後通入氬氣，轟擊清洗鈦合金TC4微動疲勞試樣表面；同時開啟Ag靶和Ti靶電源，製備TiN相增強Ag固體潤滑膜。本發明方法製備的TiN相增強Ag固體潤滑膜層提高了鈦合金TC4的抗微動疲勞性能。經測試，鈦合金TC4的微動疲勞壽命為基材的1.50鈦合金TC4的2.51倍。鈦合金TC4微動疲勞過程中的摩擦係數，摩擦係數數值為0.14?0.40，說明本發明方法製備的TiN相增強Ag固體潤滑膜層具有顯著的減摩潤滑效果。
[0012]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作詳細說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明方法所採用的微動疲勞試樣尺寸示意圖；
[0014]圖2為採用本發明方法所獲得的TiN相增強Ag固體潤滑膜的微動疲勞壽命，圖中r為疲勞壽命比，BM為基材；
[0015]圖3為採用本發明方法所獲得的不同表面狀態下的摩擦係數隨微動循環周次的變化曲線。
【具體實施方式】
[0016]以下實施例參照圖1-3。
[0017]實施例1:製備TiN相增強Ag固體潤滑膜Ag60% -TiMO % (Ag60)，待處理的微動疲勞試樣的材料為TC4鈦合金，試樣尺寸按照附圖1機械加工，具體操作步驟為:
[0018]①將機械加工好的鈦合金TC4微動疲勞試樣利用砂紙打磨至規定的尺寸及表面粗糙度，放入丙酮、酒精超聲波清洗，並用冷風吹乾備用；②將清洗乾淨的試樣放入離子輔助磁控濺射設備中，保持鈦合金TC4微動疲勞試樣與靶材的距離為100mm，抽真空至極限真空度10_5;③通入流量為180SCCm的氬氣，使得真空爐的氣壓保持在1.5ΧΚΓ1，採用轟擊能量500V、束流80mmA的Ar+離子進行轟擊清洗試樣表面約15min ;④製備TiN相增強Ag固體潤滑膜(Ag60)時氬氣流量為180sccm，氮氣流量為130sccm，總氣壓為2.SXlOla。⑤同時開啟Ag靶和Ti靶電源，通過控制Ag靶電源為400W和Ti靶材電源為800W來調節複合膜中成分，偏壓-150V，輔助離子源轟擊電源1000V，製備的膜層總厚度控制在4 μ m左右。⑥鈦合金TC4微動疲勞試樣隨爐冷卻至室溫，冷卻後將鈦合金TC4微動疲勞試樣取出。
[0019]測試Ag60複合膜層鈦合金TC4微動疲勞試樣的疲勞壽命，其微動疲勞壽命為基材的2.51倍。
[0020]測試Ag60複合膜層鈦合金TC4微動疲勞試樣的微動過程中的摩擦係數，摩擦係數數值結果為0.18?0.22，Ag60複合膜層具有顯著的減摩潤滑效果。
[0021]實施例2:製備TiN相增強Ag固體潤滑膜Ag80% -TiN20% (Ag80)，待處理的微動疲勞試樣的材料為TC4鈦合金，試樣按圖1加工，具體操作步驟為:
[0022]①將機械加工好的鈦合金TC4微動疲勞試樣利用砂紙打磨至規定的尺寸及表面粗糙度，放入丙酮、酒精超聲波清洗，並用冷風吹乾備用將清洗乾淨的鈦合金TC4微動疲勞試樣放入離子輔助磁控濺射設備中，保持試樣與靶材的距離為100mm，抽真空至極限真空度10_5;③通入流量為180SCCm的氬氣，使得真空爐的氣壓保持在1.5ΧΚΓ1，採用轟擊能量500V、束流80mmA的Ar+離子進行轟擊清洗試樣表面約15min ;④製備TiN相增強Ag固體潤滑膜(Ag80)時氬氣流量為180sccm，氮氣流量為130sccm，總氣壓為2.SXlOla。⑤同時開啟Ag靶和Ti靶電源，通過控制Ag靶電源為600W和Ti靶材電源為800W來調節複合膜中成分，偏壓-150V，輔助離子源轟擊電源1000V，製備的膜層總厚度控制在4 μ m左右。⑥鈦合金TC4微動疲勞試樣隨爐冷卻至室溫，冷卻後將鈦合金TC4微動疲勞試樣取出。
[0023]測試Ag80複合膜層鈦合金TC4微動疲勞試樣的疲勞壽命，其微動疲勞壽命為基材的2.36倍。
[0024]測試Ag80複合膜層鈦合金TC4微動疲勞試樣的微動過程中的摩擦係數，摩擦係數數值結果為0.24?0.40，AgSO複合膜層具有顯著的減摩潤滑效果。
[0025]實施例3:製備TiN相增強Ag固體潤滑膜Ag90% -TiNlO % (Ag90)，待處理的微動疲勞試樣的材料為TC4鈦合金，試樣按圖1加工，具體操作步驟為:
[0026]①將機械加工好的鈦合金TC4微動疲勞試樣利用砂紙打磨至規定的尺寸及表面粗糙度，放入丙酮、酒精超聲波清洗，並用冷風吹乾備用將清洗乾淨的鈦合金TC4微動疲勞試樣放入離子輔助磁控濺射設備中，保持試樣與靶材的距離為100mm，抽真空至極限真空度10_5;③通入流量為180SCCm的氬氣，使得真空爐的氣壓保持在1.5ΧΚΓ1，採用轟擊能量500V、束流80mmA的Ar+離子進行轟擊清洗試樣表面約15min ;④製備TiN相增強Ag固體潤滑膜(Ag90)時氬氣流量為180sccm，氮氣流量為130sccm，總氣壓為2.SXlOla。⑤同時開啟Ag靶和Ti靶電源，通過控制Ag靶電源為800W和Ti靶材電源為800W來調節複合膜中成分，偏壓-150V，輔助離子源轟擊電源1000V，製備的膜層總厚度控制在4 μ m左右。⑥鈦合金TC4微動疲勞試樣隨爐冷卻至室溫，冷卻後將鈦合金TC4微動疲勞試樣取出。
[0027]測試Ag90複合膜層鈦合金TC4微動疲勞試樣的疲勞壽命，其微動疲勞壽命為基材的1.50倍。
[0028]測試Ag90複合膜層鈦合金TC4微動疲勞試樣的微動過程中的摩擦係數，摩擦係數數值結果為0.14?0.37，Ag90複合膜層具有顯著的減摩潤滑效果。
【權利要求】
1.一種離子輔助沉積相增強仏固體潤滑膜的製備方法，其特徵在於包括以下步驟: 步驟一、將經過機械加工的鈦合金104微動疲勞試樣利用砂紙打磨至規定的尺寸及表面粗糙度，並用丙酮、酒精清洗乾淨，吹風乾燥後備用； 步驟二、將經過步驟一處理的鈦合金扣4微動疲勞試樣放入離子輔助磁控濺射設備中，保持試樣與靶材的距離為100臟，抽真空至極限真空度10—5； 步驟三、通入流量為1808(^111的氬氣，使得真空爐的氣壓保持在1.5X 10—\採用轟擊能量50(^、束流80—的紅+離子進行轟擊清洗鈦合金扣4微動疲勞試樣表面15-11 ； 步驟四、製備相增強固體潤滑膜時氬氣流量為1808⑶III，氮氣流量為1308⑶III，總氣壓為2.3X10^8 ； 步驟五、同時開啟仏靶和II靶電源，通過控制仏靶電源4001?8001和II靶材電源8001來調節複合膜中成分，偏壓-1507，輔助離子源轟擊電源10007，製備的膜層總厚度控制在4 VIII ； 步驟六、鈦合金扣4微動疲勞試樣隨爐冷卻至室溫。
【文檔編號】C23C14/16GK104498885SQ201410730008
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月1日 優先權日:2014年12月1日
【發明者】杜東興, 劉道新, 張曉化, 項定根, 潘峰 申請人:西北工業大學