本發(fā)明屬于高溫腐蝕與自潤滑領(lǐng)域，具體涉及一種高溫抗氧化寬溫域自潤滑仿生納米晶涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代工業(yè)中，機(jī)械設(shè)備面臨著各種復(fù)雜的工況，摩擦和磨損一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、汽車關(guān)鍵部件等核心機(jī)械部件在極端工作環(huán)境下面臨的關(guān)鍵問題，其中高溫、低溫以及頻繁的溫度變化對(duì)材料的耐磨性能提出了極高的要求，材料表面防護(hù)涂層應(yīng)用廣泛。為提高效率和延長部件的使用壽命，提高涂層的機(jī)械性能以及寬溫域摩擦磨損性能至關(guān)重要。

2、近年來，仿生學(xué)在材料科學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛，仿生多層結(jié)構(gòu)涂層因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。這種涂層通過模仿自然界中生物體的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計(jì)出具有層次分明、性能互補(bǔ)的多層結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況的適應(yīng)性。例如，貝殼具有的多級(jí)微觀層狀有序結(jié)構(gòu)使其兼具優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，這為仿生多層耐磨涂層的設(shè)計(jì)提供了靈感。目前，寬溫域的耐磨防護(hù)涂層主要通過制備多相復(fù)合涂層、引入高熵合金和高熵陶瓷、構(gòu)建多層結(jié)構(gòu)和納米復(fù)合結(jié)構(gòu)等方式實(shí)現(xiàn)其減磨性能。例如，中國專利cn201811495707.9公開了采用多弧離子鍍技術(shù)沉積多種潤滑相復(fù)配的mesicn-ag寬溫域耐磨潤滑涂層。高溫下通過形成max硬質(zhì)納米金屬化合物相提供潤滑性能、中低溫借助軟質(zhì)金屬ag相提供潤滑性能。此類涂層雖在既定實(shí)驗(yàn)溫度表現(xiàn)優(yōu)異，但也存在著潤滑相的溫度依賴性與穩(wěn)定性、制備工藝復(fù)雜性、結(jié)合強(qiáng)度和耐久性及環(huán)境適應(yīng)性等問題。中國專利cn118932272a高熵合金和高熵陶瓷：高熵合金如crfenial0.3ti0.3和高熵陶瓷如(hfmonbtati)c被用于制備寬溫域耐磨涂層。這些材料具有高的硬度、力學(xué)性能和寬溫域耐磨損性能。如中國專利cn202010310966.0采用磁控濺射法制備了寬溫域自潤滑mon/vn多層硬質(zhì)涂層，通過高溫摩擦過程中發(fā)生氧化反應(yīng)生成易剪切相v2o5和moo3，降低摩擦系數(shù)。cn202210985117.4通過設(shè)計(jì)ti/ta/cr/nb為過渡層，vain與ag交替疊層制備了一種寬溫域低摩擦復(fù)合涂層，其在低溫依靠表面ag層的潤滑作用，在中溫ag層表面形成氧化物潤滑相，在650℃高溫摩擦誘導(dǎo)生成層狀agvo3和ag3vo4潤滑相，降低摩擦系數(shù)。涂層在25～650℃的寬溫域內(nèi)摩擦系數(shù)為0.13~0.51。而中國專利cn111349881a通過在不銹鋼表面先后噴涂nicraly金屬粘結(jié)層和alcocrfeni基復(fù)合涂層制備了alcocrfeni-ag-caf2/baf2復(fù)合涂層，其室溫下摩擦系數(shù)為0.45～0.55，800℃摩擦系數(shù)為0.19～0.40。室溫下磨損量為2.4～20.1×10-5mm3/nm，800℃磨損量為3.5～7.9×10-5mm3/nm。綜上所述，現(xiàn)有復(fù)合涂層體系在寬溫域（室溫~800℃）耐磨性能方面取得了一定進(jìn)展，但其實(shí)際應(yīng)用仍面臨技術(shù)瓶頸。例如，復(fù)合涂層在各溫域性能不均衡，涂層在高溫區(qū)間（≥600℃）可依托原位氧化膜實(shí)現(xiàn)低摩擦系數(shù)（＜0.25），但在中溫段（200~500℃）因潤滑相失效導(dǎo)致摩擦系數(shù)波動(dòng)顯著（0.3~0.6），磨損率也呈現(xiàn)差異化，難以滿足連續(xù)變溫工況下的穩(wěn)定性需求。其次，為實(shí)現(xiàn)梯度過渡與多功能協(xié)同，現(xiàn)有研究往往需通過物理氣相沉積、熱噴涂等多種工藝協(xié)同，依次制備粘結(jié)層、熱障層及自潤滑功能層，導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度不足且生產(chǎn)成本激增，制約其規(guī)模化生產(chǎn)。因此，寬溫域耐磨涂層的研究仍需進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝和材料組成，以提高涂層的穩(wěn)定性和一致性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種高溫抗氧化寬溫域自潤滑仿生納米晶涂層及其制備方法，本發(fā)明基于氧元素?fù)诫s和復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)差異，通過涂層的成分與結(jié)構(gòu)調(diào)控，摩擦?xí)r誘導(dǎo)形成具有抗氧化和自潤滑作用的摩擦產(chǎn)物，解決現(xiàn)有技術(shù)中表面防護(hù)涂層的強(qiáng)度、硬度與斷裂韌性、摩擦磨損性能與抗氧化性能難以協(xié)調(diào)的關(guān)鍵問題，可應(yīng)用于大氣環(huán)境下的寬溫域相對(duì)運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)零部件的生產(chǎn)。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種高溫抗氧化寬溫域自潤滑仿生納米晶涂層，該涂層采用高功率脈沖磁控濺射技術(shù)，以鎳基或者鈷基高溫合金為靶材，在沉積過程中隔層交替摻入氧氣制備而成，所制備涂層具有仿貝殼多層結(jié)構(gòu)，由致密的納米尺寸柱狀晶粒組成，其中摻氧層與非摻氧層交替排列，所述靶材成分按質(zhì)量百分比為：14~20?%?cr，4~10?%?al或al與ti的任意組合，2~12?%ta或ta、mo、w、nb中任意一種或多種的組合，65~75%?ni或ni與co的任意組合。

4、進(jìn)一步的，所述的一種高溫抗氧化寬溫域自潤滑仿生納米晶涂層，優(yōu)選的，磁控濺射靶材選自nicralta、cocralta、nicocralta、nicocraltita。

5、進(jìn)一步的，所述的一種高溫抗氧化寬溫域自潤滑仿生納米晶涂層，摻入氧氣可采用氮?dú)獯妗?/p>

6、進(jìn)一步的，所述的一種高溫抗氧化寬溫域自潤滑仿生納米晶涂層，可適用于304l不銹鋼、316l不銹鋼、鈦合金、耐熱鋼或其他高溫合金基材涂層總厚度為15~45?μm。

7、進(jìn)一步的，所述的一種高溫抗氧化寬溫域自潤滑仿生納米晶涂層，該復(fù)合材料的性能指標(biāo)為：涂層與基體結(jié)合力測(cè)試載荷≥?80?n無破裂剝落；室溫~800℃，往復(fù)摩擦系數(shù)≤?0.23，磨損率≤?5×10-5?mm3/nm，800℃高溫氧化速率≤0.10?g/(m2.h)。

8、上述的一種高溫抗氧化寬溫域自潤滑仿生納米晶涂層的制備方法，包括以下制備步驟：

9、（1）靶材清洗：所用靶材安裝后濺射清洗30~40min，去除靶表面氧化層及污染物；

10、（2）工件預(yù)處理：將工件表面用sic砂紙進(jìn)行打磨，再用拋光膏進(jìn)行拋光，最后用丙酮和酒精的混合液超聲清洗后備用；

11、（3）濺射準(zhǔn)備：將腔室抽真空至3~7×10-2pa后，設(shè)定加熱溫度200~250℃，再連續(xù)抽至5×10-3pa以下；

12、（2）涂層濺射沉積：達(dá)到該真空度后，先通入氬氣，打開高功率脈沖電源開關(guān)，設(shè)置電源功率2~4?kw，調(diào)整轉(zhuǎn)架使樣品以均勻的速率旋轉(zhuǎn)；整個(gè)濺射過程分壓保持0.3?pa，非摻氧層與摻氧層交替沉積，摻氧層通入氧氣1~4?sccm，層次結(jié)構(gòu)重復(fù)直至所需厚度，總濺射時(shí)間6~25?h。

13、進(jìn)一步的，上述的一種高溫抗氧化寬溫域自潤滑仿生納米晶涂層的制備方法，優(yōu)選的，非摻氧層與摻氧層交替沉積的方式為，第一層為非摻氧層，第二層為摻氧層；后續(xù)奇數(shù)層為非摻氧層，偶數(shù)層為摻氧層。

14、進(jìn)一步的，上述的一種高溫抗氧化寬溫域自潤滑仿生納米晶涂層的制備方法，優(yōu)選的，調(diào)整轉(zhuǎn)架使樣品以20~25?rpm均勻的速率旋轉(zhuǎn)。

15、進(jìn)一步的，上述的一種高溫抗氧化寬溫域自潤滑仿生納米晶涂層的制備方法，優(yōu)選的，濺射過程中，采用單脈沖模式，調(diào)整脈沖頻率160~300?hz、脈沖寬度150~200?us。

16、本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是：

17、鎳基或鈷基高溫合金靶材成分在高功率脈沖磁控濺射沉積過程中摻入適量氧氣后，可以形成具有納米尺寸柱狀晶粒的含氧層，并使晶粒尺寸細(xì)化和減少晶粒內(nèi)部取向分布，使摻氧層的強(qiáng)度得到提高。借助此特點(diǎn)構(gòu)建軟層與硬層交替沉積的仿貝殼結(jié)構(gòu)涂層，其最外層為摻氧層，提高涂層表面強(qiáng)度，最內(nèi)層為金屬層，保證涂層與基體良好的結(jié)合強(qiáng)度，涂層氧梯度由內(nèi)向外逐層提高，提高涂層整體的力學(xué)性能的協(xié)調(diào)性。在摩擦過程中，摻氧后的仿貝殼結(jié)構(gòu)涂層的強(qiáng)度提高，使涂層不易在剪切力作用下變形，涂層本身的耐磨性得到提高。高強(qiáng)韌性的涂層對(duì)表面摩擦層提供良好的支撐作用，且摩擦產(chǎn)生的應(yīng)力可在下方金屬軟層得到釋放，減少摩擦層開裂剝落。納米晶粒在摩擦力作用下傾轉(zhuǎn)降低摩擦系數(shù)；氧元素的添加加快涂層表面富co或ni氧化物的生成并提高其生成量，低剪切模量、低熔點(diǎn)的氧化物在往復(fù)運(yùn)動(dòng)和摩擦熱作用下被壓實(shí)燒結(jié)，形成致密且表面平整的納米晶氧化物潤滑層。下層納米尺寸柱狀晶的晶界可以為涂層內(nèi)部co或ni元素向表面擴(kuò)散提供大量的快速通道，使其及時(shí)得到補(bǔ)充。致密的潤滑層進(jìn)一步降低下方氧分壓，促進(jìn)al和cr的選擇性氧化，在下方從而生成連續(xù)的al2o3或cr2o3層，起到阻礙氧的向內(nèi)擴(kuò)散和合金元素向外擴(kuò)散的作用，不僅能提高合金的抗氧化性，緩解氧化磨損，還能抑制潤滑層的過度增厚，避免潤滑層因內(nèi)應(yīng)力過大而導(dǎo)致的開裂。ta元素與al、cr元素協(xié)同形成復(fù)合氧化物，顯著提高氧化膜的粘附性與抗剝落能力，并通過抑制晶界遷移，減緩高溫下納米晶涂層的晶粒粗化，維持涂層的細(xì)晶強(qiáng)化優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，al2o3或cr2o3層也可以增強(qiáng)潤滑層與合金的結(jié)合力，防止?jié)櫥瑢釉诩羟辛ψ饔孟碌膭兟?。仿貝殼結(jié)構(gòu)的良好強(qiáng)韌性、納米仿生結(jié)構(gòu)以及表面生成的氧化物潤滑層共同起到減摩降磨的作用，防止涂層在初期發(fā)生嚴(yán)重磨損，也提高了涂層在高溫下的長期服役的性能。綜上所述，該仿生結(jié)構(gòu)涂層兼具高強(qiáng)韌性、高結(jié)合強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)和低磨損率的優(yōu)良綜合性能。

18、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是：

19、（1）本發(fā)明制備的仿生涂層，制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，配方中原料易獲得；

20、（2）本發(fā)明制備的仿生涂層具有較高的表面硬度與結(jié)合強(qiáng)度，力學(xué)性能優(yōu)異；

21、（3）本發(fā)明制備的仿生涂層在常溫~800℃寬溫域獲得了優(yōu)良的摩擦學(xué)性能，能夠長時(shí)間提供良好的耐磨防護(hù)效果；

22、（4）本發(fā)明制備的仿生涂層具有良好的可應(yīng)用性，磁控濺射技術(shù)的高淹沒性適用于復(fù)雜部件表面的涂層沉積。