一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层及其制备方法

摘要

本发明涉及一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层，该高熵氮化物涂层为(CrAlTiNbV)Nx，x=0.3~0.5；其所含元素按原子百分数计：Cr为15~30 at.%,Al为5~15 at.%,Ti为3~10 at.%,Nb为5~10 at.%,V为5~15 at.%,N为30~50 at.%。同时，本发明还公开了该涂层的制备方法。本发明采用磁控溅射技术以及多元靶技术，能够成功制备出含有五种元素的高熵氮化物涂层，并通过调控镀膜工艺参数，得到最佳N2流量下的高熵氮化物涂层，从而使其能够在航空润滑油环境中大大提高钢基体的耐磨损性能。

说明书

技术领域

本发明涉及轴承表面防护领域，尤其涉及一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层及其制备方法。

背景技术

随着航空发动机朝着大推重比、高可靠性、高耐久性、低耗油率、低成本等方向的发展，对于服役在航空发动机中的运动部件，如主轴、轴承、压气机叶片、铰链和齿轮，其面临着变载、变速、断油等复杂恶劣的工况，在运转过程中，其零部件之间的接触表面极易被破坏，从而导致运动部件发生失效。

在过去几十年，硬质耐磨固体自润滑涂层在机械部件上的应用日趋成熟，已成为改善机械运动部件服役性能的重要途径。但多数研究中所选用元素单一，不能充分发挥多种元素协同作用的效果。近年来，高熵合金由于其优越的结构性能已成为广泛研究的热点。高的混合熵使得合金倾向于形成多元素固溶体结构，从而具备一系列优异的性能，如高强度、高耐磨性和抗氧化性等优点。因此，研究人员将高熵合金的概念引入到涂层的制备过程中，提出高熵合金涂层的设计理念。最近，又有研究人员提出在高熵合金涂层中添加氮元素，行成高熵氮化物涂层。由于氮元素的添加使高熵氮化物涂层相比一般的高熵合金涂层表现出更优异的耐磨损性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在航空润滑油环境中具有高耐磨性的航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该高熵氮化物涂层的制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层，其特征在于：该高熵氮化物涂层为(CrAlTiNbV)N

如上所述的一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层的制备方法，其特征在于：该高熵氮化物涂层在室温下采用磁控溅射技术和多元靶技术制得，具体步骤如下：

⑴用无水乙醇和丙酮分别超声清洗钢块样品15 min，将样品吹干后再放入真空室中，进行抽真空；

⑵当真空度低于3×10

⑶保持腔室压力不变，连续调整偏压为 -60~-120 V，在单一Cr靶上加直流电源，调节电流为4.5 A的条件下沉积Cr过渡层，沉积时间为5~15 min；

⑷氩气流量保持不变，通入18~48 sccm不同流量的N

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用磁控溅射技术以及多元靶技术，能够成功制备出含有五种元素的高熵氮化物涂层，并通过调控镀膜工艺参数，得到最佳N

2、本发明采用磁控溅射技术和多元靶技术在室温下制备，基材无需任何额外的加热过程。

3、本发明所制备的(CrAlTiNbV)N

【粗糙度测试实验】

采用NanoWizard 4原子力显微镜，对实施例1~4所制备的一系列(CrAlTiNbV)N

4、本发明高熵氮化物涂层主要应用于轴承的表面防护领域，配合润滑油进行固液复合润滑，能够显著提高运动部件的耐磨性和使用寿命，从而表现出优异的摩擦学性能。

【摩擦磨损实验】

采用CSM摩擦试验机对所述实施例1-4所制备的(CrAlTiNbV)N

采用Surftest SJ-210粗糙度仪对所述实施例1-4所制备的(CrAlTiNbV)N

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明制备的(CrAlTiNbV)N

图2为本发明制备的(CrAlTiNbV)N

图3为本发明制备的(CrAlTiNbV)N

图4为本发明制备的(CrAlTiNbV)N

图5为本发明制备的(CrAlTiNbV)N

具体实施方式

一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层，该高熵氮化物涂层为(CrAlTiNbV)N

该高熵氮化物涂层在室温下采用磁控溅射技术和多元靶技术制得，具体步骤如下：

⑴用无水乙醇和丙酮分别超声清洗钢块样品15 min，将样品吹干后再放入真空室中，进行抽真空；

⑵当真空度低于3×10

⑶保持腔室压力不变，连续调整偏压为 -60~-120 V，在单一Cr靶上加直流电源，调节电流为4.5 A的条件下沉积Cr过渡层，沉积时间为5~15 min；

⑷氩气流量保持不变，通入18~48 sccm不同流量的N

本发明的原理是利用磁控溅射技术和多元靶技术，选用多元靶材（Cr-Nb-Ti-Al-V）和纯金属靶材（Cr）作为沉积源，同时，溅射沉积时保持固定氩气（Ar）流量为18 sccm，通过改变不同氮气（N

实施例1 一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层，该高熵氮化物涂层为(CrAlTiNbV)N

其制备方法：

⑴用无水乙醇和丙酮分别超声清洗钢块样品15 min，将样品吹干后再放入真空室中，进行抽真空；

⑵当真空度低于3×10

⑶保持腔室压力（0.24 Pa）不变，连续调整偏压为 -60~-120 V，在单一Cr靶上加直流电源，调节电流为4.5 A的条件下沉积Cr过渡层，沉积时间为5~15 min；

⑷氩气流量（18 sccm）保持不变，通入18 sccm的N

所制备的(CrAlTiNbV)N

实施例2 一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层，该高熵氮化物涂层为(CrAlTiNbV)N

其制备方法：：

⑴用无水乙醇和丙酮分别超声清洗钢块样品15 min，将样品吹干后再放入真空室中，进行抽真空；

⑵当真空度低于3×10

⑶保持腔室压力（0.24 Pa）不变，连续调整偏压为 -60~-120 V，在单一Cr靶上加直流电源，调节电流为4.5 A的条件下沉积Cr过渡层，沉积时间为5~15 min；

⑷氩气流量（18 sccm）保持不变，通入28 sccm不同流量的N

所制备的(CrAlTiNbV)N

实施例3 一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层，该高熵氮化物涂层为(CrAlTiNbV)N

其制备方法：

⑴用无水乙醇和丙酮分别超声清洗钢块样品15 min，将样品吹干后再放入真空室中，进行抽真空；

⑵当真空度低于3×10

⑶保持腔室压力（0.24 Pa）不变，连续调整偏压为 -60~-120 V，在单一Cr靶上加直流电源，调节电流为4.5 A的条件下沉积Cr过渡层，沉积时间为5~15 min；

⑷氩气流量（18 sccm）保持不变，通入38 sccm不同流量的N

所制备的(CrAlTiNbV)N

实施例4 一种航空轴承表面防护用高熵氮化物涂层，该高熵氮化物涂层为(CrAlTiNbV)N

其制备方法：

⑴用无水乙醇和丙酮分别超声清洗钢块样品15 min，将样品吹干后再放入真空室中，进行抽真空；

⑵当真空度低于3×10

⑶保持腔室压力（0.24 Pa）不变，连续调整偏压为 -60~-120 V，在单一Cr靶上加直流电源，调节电流为4.5 A的条件下沉积Cr过渡层，沉积时间为5~15 min；

⑷氩气流量（18 sccm）保持不变，通入48 sccm不同流量的N

所制备的(CrAlTiNbV)N