專利名稱：：一種用于氣浮軸承的復(fù)合涂層制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及硬質(zhì)耐磨涂層的制備，特別涉及用于氣浮軸承表面改性的低摩擦、高耐磨、耐蝕性復(fù)合涂層的制備。
背景技術(shù)：
：動(dòng)壓氣浮軸承轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦系數(shù)越小越有利于馬達(dá)啟動(dòng)，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，定子與轉(zhuǎn)子可能發(fā)生碰撞甚至出現(xiàn)瞬間熔化抱死故障。起停瞬間的接觸摩擦對(duì)氣浮軸承的壽命有著顯著的影響。單一材料的動(dòng)壓氣浮軸承已經(jīng)不能滿足目前的需求，軸承材料的表面改性技術(shù)是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前對(duì)于氣浮軸承的研究主要集中在結(jié)構(gòu)、基體材料及附屬部件的設(shè)計(jì)，例如，廣州市大族高精電機(jī)有限公司的湯秀清公開了一種氣浮電主軸的下空氣軸承的專利(CN200993163)，軸體外周的中部以上設(shè)有上環(huán)形密封圈，以及中部以下設(shè)有下環(huán)形密封圈，上環(huán)形密封圈與下環(huán)形密封圈之間的軸體內(nèi)設(shè)有冷卻水循環(huán)槽。它能保持主軸在較低的溫度下工作，保持工作精度，安全性好。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所的楊金福等人公開了一種內(nèi)流道自潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)的動(dòng)壓氣浮軸承(101413540)的專利，在軸承體內(nèi)表面開設(shè)增壓流道槽結(jié)構(gòu)，采用橡膠圈、金屬橡膠及彈性復(fù)合材料減振措施的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該發(fā)明的軸承能夠提高氣浮軸承承載穩(wěn)定性與可靠性，進(jìn)一步拓寬了氣浮軸承應(yīng)用的范圍等。通過(guò)以上的研究?jī)?nèi)容可知，對(duì)氣浮軸承的研究還主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，對(duì)氣浮軸承表面改性，提高耐磨、耐高溫等性能的涂層技術(shù)還沒有被應(yīng)用到氣浮軸承。真空鍍膜是保證表面粗糙度和精度的一種高效的鍍膜方法，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)中。真空鍍膜涂層由于與基體材料性質(zhì)不同，它們的熱膨脹系數(shù)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，彈性模量和硬度存在很大差異，涂層在鍍制后會(huì)存在很大的的內(nèi)應(yīng)力，如不進(jìn)行有效調(diào)整和控制可能造成器件的失效。與此相對(duì)應(yīng)，有些設(shè)備裝備后需要長(zhǎng)期保存，為確保有效使用要求具備很高的可靠性，防止關(guān)鍵時(shí)刻器件失效的事故，迫使我們不得不對(duì)涂層的可靠性開展深入的研究，根據(jù)研究結(jié)果制備出高可靠性、耐摩擦磨損涂層。通過(guò)一層或多層的中間層系統(tǒng)作用于硬質(zhì)鍍層材料和基體材料之間改善它們的適應(yīng)性，緩解化學(xué)鍵、熱膨脹系數(shù)等性能的差別，這就是多層膜的主導(dǎo)思想。與單層膜相比，多層膜在表面應(yīng)力、裂紋強(qiáng)度、表面韌性和殘余應(yīng)力等方面都顯示出優(yōu)越的性能。多層膜可以緩沖薄膜與基體之間物理性能的不匹配，改善膜基結(jié)合力、防止單層膜中柱狀晶和粗大晶粒的生長(zhǎng)，細(xì)化晶粒，提高塑性變形能力多層膜間的界面對(duì)位錯(cuò)滑移具有阻礙作用，增大了膜層的強(qiáng)度，防止裂紋的形成和擴(kuò)展以及抗沖擊能力等。類金剛石薄膜(DLC)結(jié)構(gòu)和成分的多樣性使得其機(jī)械性能的范圍很廣，其楊氏模量從幾十到幾百GPa都有。增加氫的含量可以同時(shí)減小硬度和楊氏模量。換言之，增加sp3的比例可以提高硬度和彈性模量，大多數(shù)DLC薄膜都比金屬材料硬度高，特別是比鋼高。DLC薄膜中sp3鍵、sp2鍵的含量是非常重要的參數(shù)。薄膜的性質(zhì)受這兩種鍵含量的影響較大。根據(jù)兩相結(jié)構(gòu)模型理論，DLC膜中的sp3鍵影響著DLC膜的機(jī)械性能，sp2鍵控制著DLC膜的電學(xué)和光學(xué)性能。sp3鍵的含量越多，薄膜的性能越接近于金剛石。沉積方法和工藝對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)有著重要的影響，從而影響薄膜的性能。DLC膜具有高的內(nèi)應(yīng)力，通常是壓應(yīng)力，應(yīng)力值在-0.5-12.5GPa。高的內(nèi)應(yīng)力的存在限制了DLC膜的厚度和附著力。DLC膜在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生較高的內(nèi)應(yīng)力以及膜基的物理性質(zhì)不匹配造成的應(yīng)力，使DLC膜與基體(特別是金屬材料)的附著力差，限制了DLC膜的應(yīng)用；DLC膜的熱穩(wěn)定性差，當(dāng)溫度高于250°C時(shí)易于發(fā)生石墨化，限制了其使用范圍。其中膜基附著性能的問題是DLC膜實(shí)用化所面臨的急待解決的關(guān)鍵問題，膜基附著性能主要取決于膜基的附著力和薄膜的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力過(guò)大時(shí)，膜基界面無(wú)法承受過(guò)大內(nèi)應(yīng)力所帶來(lái)的影響，往往會(huì)造成薄膜脫離基體。為了解決這個(gè)問題，國(guó)外進(jìn)行了不少探索，一些研究的重點(diǎn)在于增加膜基的附著力，而有些研究則著重于減小薄膜的內(nèi)應(yīng)力。摻雜法是最簡(jiǎn)單而有效的降低薄膜內(nèi)應(yīng)力的方法，研究發(fā)現(xiàn)，在制備類金剛石薄膜過(guò)程中適量摻雜一定量的硼、硅、氮或者金屬元素，膜層的內(nèi)應(yīng)力會(huì)隨著摻入原子的量成正比下降。由于摻雜制備類金剛石薄膜降低內(nèi)應(yīng)力機(jī)理的研究并不完善，不同的摻雜元素對(duì)類金剛石薄膜性能的不同影響研究得不系統(tǒng)，而且摻雜制備類金剛石薄膜降低的內(nèi)應(yīng)力是通過(guò)犧牲一部分硬度來(lái)獲得的。因此，如何在使得到的類金剛石薄膜性能較高的情況下，降低它的內(nèi)應(yīng)力是研究工作的重點(diǎn)。但是國(guó)內(nèi)這方面研究進(jìn)行的較少，更缺乏實(shí)用化方面的研究。AlTiN薄膜是繼TiN薄膜后硬質(zhì)薄膜研究的新進(jìn)展，該薄膜具有硬度高、抗高溫氧化性強(qiáng)、內(nèi)應(yīng)力低和高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用與高速干式切削刀具表面涂層中。由于Al元素的引入，使得AlTiN薄膜具備了許多優(yōu)于TiN薄膜的特性，如薄膜硬度的提高、抗高溫氧化性能、抗腐蝕性、優(yōu)良的切割性能等。AlTiN薄膜的顯微硬度有明顯的提高是由于AlTiN薄膜的晶粒尺寸更為細(xì)小，Al原子取代了部分TiN晶格中的Ti原子造成晶格畸變引起的。在高溫情況下，由于固溶在TiN晶格中Al的原子與氧原子相互作用在薄膜表面形成氧化膜，對(duì)薄膜進(jìn)行保護(hù)，提高薄膜的高溫穩(wěn)定性，所以AlTiN薄膜的高溫硬度要明顯高于TiN薄膜。其使用溫度高達(dá)800°C以上，膜層也不會(huì)發(fā)生任何剝落，而TiN涂層的抗高溫氧化溫度只可達(dá)600°C左右。AlTiN薄膜由于Al原子的加入可以有效地降低薄膜地殘余應(yīng)力，由于與硬質(zhì)合金膨脹系數(shù)差異較小，所以在硬質(zhì)合金表面鍍制的AlTiN表面，通過(guò)工藝優(yōu)化可以獲得很低的內(nèi)應(yīng)力，從而降低薄膜應(yīng)力釋放造成薄膜開裂失效的幾率，提高薄膜的可靠性。綜上所述，單一材料的動(dòng)壓氣浮軸承已經(jīng)不能滿足目前的需求，用于軸承材料的表面改性技術(shù)的涂層研究顯得尤為重要，而單層涂層由于某一性能的缺陷從而限制其在工業(yè)中的推廣，因而研究具有優(yōu)良綜合性能的多層復(fù)合涂層顯得日益重要。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明主要采用Ti/AlTiN/Ti:DLC高硬度、高耐磨復(fù)合膜解決動(dòng)壓氣浮軸承轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦問題及在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，定子與轉(zhuǎn)子可能發(fā)生碰撞甚至出現(xiàn)瞬間熔化抱死故障。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的制備方法如下采用中頻反應(yīng)磁控濺射系統(tǒng)沉積復(fù)合涂層，靶材為純度99.9%的Ti和Al/Ti的原子質(zhì)量比為6733的AlTi合金靶材，氮?dú)?、氬氣純?gt;99.9%，鋼瓶?jī)?nèi)氣壓大于IOMPa；真空室本底壓強(qiáng)小于3X10_4Pa，冷卻水出口溫度低于25°C，回水溫度低于40°C，工件架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在0-20轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，步驟如下1)鍍工件清洗與工件裝卡分別用洗滌劑、去離子水、丙酮、無(wú)水乙醇對(duì)被鍍工件進(jìn)行超聲波清洗和脫水處理，每次清洗時(shí)間為10-20min，功率密度40-60W/件，干燥后轉(zhuǎn)載到工架上待鍍；打開機(jī)械泵、分子泵抽真空到壓強(qiáng)低于3X10_4Pa后，向真空室內(nèi)輸入氬氣20-30sCCm，使真空室內(nèi)的壓強(qiáng)為lPa，打開偏壓、射頻電源，調(diào)節(jié)匹配器，真空室內(nèi)發(fā)生輝光放電，增大入射功率，直到偏壓值大于500V，對(duì)工件表面進(jìn)行等離子體刻蝕清洗，持續(xù)時(shí)間5-15分鐘；2)鈦金屬粘接層鍍制減少氬氣饋入量，使真空室氣壓降低至4XICT1Pa,打開工件架旋轉(zhuǎn)開關(guān)，使工件架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速率為lOrpm，啟動(dòng)工件加熱裝置，將工件加熱至300°C，打開工件偏壓電源，將工件射頻偏壓增至200-600V，打開鈦靶射頻電源，向?yàn)R射陰極施加小功率射頻信號(hào)，調(diào)節(jié)匹配器，使磁控濺射陰極起輝，逐漸加大入射功率至200-400W，鍍制鈦金屬粘接層5-10分鐘，其厚度在100-200nm；3)鍍制AlTiN支撐層關(guān)閉鈦靶驅(qū)動(dòng)電源，打開鋁鈦靶中頻驅(qū)動(dòng)電源，電流為1.OA,占空比為60%，鍍制AlTiN支撐層30-60分鐘；4)鍍制金屬鈦摻雜的抗摩擦磨損DLC層關(guān)閉鋁鈦靶驅(qū)動(dòng)電源和氮?dú)鈿怏w質(zhì)量流量計(jì)；關(guān)閉工件加熱裝置，當(dāng)工件溫度下降至200°C以下時(shí)，向真空室內(nèi)饋入乙炔氣體，至10-20sCCm，開鈦靶射頻電源，逐漸加大入射功率至100-200W，鍍制金屬鈦摻雜的抗摩擦磨損DLC層；關(guān)閉射頻電源，待真空室溫度降低至100°C以下，打開真空室，取出工件。涂層的晶體結(jié)構(gòu)采用D/Max-RB轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀分析，涂層的硬度、表面形貌通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)，采用Triboindenter納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量。磨損性能采用UMT摩擦磨損測(cè)試系統(tǒng)的削盤實(shí)驗(yàn)。圖1(a)為實(shí)施例1的截面形貌圖1(b)為實(shí)施例2的截面形貌圖1(c)為實(shí)施例3的截面形貌圖2(a)為實(shí)施例1的表面形貌圖2(b)為實(shí)施例2的表面形貌圖2(C)為實(shí)施例3的表面形貌表1為實(shí)施例的硬度、彈性模量圖3為實(shí)施例摩擦系數(shù)的變化圖4為實(shí)施例薄膜和基體的結(jié)合強(qiáng)度表1實(shí)施例樣品的硬度、彈性模量<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>具體實(shí)施例方式實(shí)施例1采用中頻反應(yīng)磁控濺射系統(tǒng)沉積Ti/AlTiN/Ti:DLC高硬度、高耐磨復(fù)合膜，靶材為純度99.9%的Ti和AlTi合金靶材(AlTi=6733(atm%))，氮?dú)?、氬氣純?gt;99.9%，鋼瓶?jī)?nèi)氣壓大于IOMPa；真空室本底壓強(qiáng)小于3X10_4Pa，冷卻水出口溫度低于250C，回水溫度低于40。C，工件架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在0-20轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。待鍍工件清洗與工件裝卡分別用洗滌劑、去離子水、丙酮、無(wú)水乙醇對(duì)被鍍工件進(jìn)行超聲波清洗和脫水處理，每次清洗時(shí)間為10-20min，功率密度40W/件。干燥后轉(zhuǎn)載到工架上待鍍。打開機(jī)械泵、分子泵抽真空到壓強(qiáng)低于3X10_4Pa后，向真空室內(nèi)輸入氬氣20sCCm，使真空室內(nèi)的壓強(qiáng)為IPa0打開偏壓、射頻電源，調(diào)節(jié)匹配器，真空室內(nèi)發(fā)生輝光放電，增大入射功率，直到偏壓值大于500V，對(duì)工件表面進(jìn)行等離子體刻蝕清洗，持續(xù)時(shí)間5分鐘。鈦金屬粘接層鍍制減少氬氣饋入量，使真空室氣壓降低至4XKT1Pa,打開工件架旋轉(zhuǎn)開關(guān)，使工件架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速率為lOrpm，啟動(dòng)工件加熱裝置，將工件加熱至300°C，打開工件偏壓電源，將工件射頻偏壓增至350V，打開鈦靶電源，向?yàn)R射陰極施加小功率射頻信號(hào)，調(diào)節(jié)匹配器，使磁控濺射陰極起輝，逐漸加大入射功率至200W，鍍制鈦金屬粘接層5-10分鐘，其厚度在100-200nm。關(guān)閉鈦靶電源，打開鋁鈦靶中頻驅(qū)動(dòng)電源，電流為1.OA,占空比為60%，鍍制AlTiN支撐層30-60分鐘。關(guān)閉鋁鈦靶驅(qū)動(dòng)電源和氮?dú)鈿怏w質(zhì)量流量計(jì)。關(guān)閉工件加熱裝置，當(dāng)工件溫度下降至200°C以下時(shí)，向真空室內(nèi)饋入乙炔氣體，至lOsccm，打開鈦靶電源，逐漸加大入射功率至100W，鍍制金屬鈦摻雜的抗摩擦磨損DLC層。關(guān)閉射頻電源，待真空室溫度降低至IOO0C以下，打開真空室，取出工件，鍍膜過(guò)程結(jié)束。圖1(a)是實(shí)施例1鍍膜工件的斷口形貌，用以分析薄膜的厚度、組織結(jié)構(gòu)和表面粗糙度等信息?？梢钥闯鼋饘僬辰訉覶i與工件基體的結(jié)合致密，界面間不存在空洞等缺陷。依次Ti、AlTiN與DLC層之間結(jié)合都非常的緊密，且DLC薄膜均勻、致密且表面粗糙度都很小。金屬粘接層的厚度為100nm，AlTiN支撐層的厚度為lum，TiDLC潤(rùn)滑層的厚度為2.3um。AlTiN層呈現(xiàn)明顯的柱狀結(jié)構(gòu)，其柱狀結(jié)構(gòu)等效直徑在2050nm之間。圖2(a)給出實(shí)施例1的表面形貌，由圖可以看出薄膜表面均勻致密，沒有明顯的缺陷。表1給出實(shí)施例樣品的硬度、彈性模量，由表可知，實(shí)施例1的硬度、模量分別為28.9，233.SGPa0如圖3給出實(shí)施例的摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化，薄膜摩擦過(guò)程中，摩擦系數(shù)由高變低，當(dāng)摩擦進(jìn)行到一段時(shí)間后，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。DLC薄膜穩(wěn)定的摩擦系數(shù)基本保持在0.100.12之間。根據(jù)劃痕處應(yīng)力狀態(tài)的分析，可由臨界載荷較高的薄膜，判斷出其附著力較好。圖4給出實(shí)施例1的薄膜和集體的結(jié)合強(qiáng)度約為41N。實(shí)施例2采用中頻反應(yīng)磁控濺射系統(tǒng)沉積Ti/AlTiN/Ti:DLC高硬度、高耐磨復(fù)合膜，靶材為純度99.9%的Ti和AlTi合金靶材(AlTi=6733(atm%))，氮?dú)?、氬氣純?gt;99.9%，鋼瓶?jī)?nèi)氣壓大于IOMPa；真空室本底壓強(qiáng)小于3X10_4Pa，冷卻水出口溫度低于25°C，回水溫度低于40°C，工件架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在0-20轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。待鍍工件清洗與工件裝卡分別用洗滌劑、去離子水、丙酮、無(wú)水乙醇對(duì)被鍍工件進(jìn)行超聲波清洗和脫水處理，每次清洗時(shí)間為10-20min，功率密度50W/件。干燥后轉(zhuǎn)載到工架上待鍍。打開機(jī)械泵、分子泵抽真空到壓強(qiáng)低于3XICT4Pa后，向真空室內(nèi)輸入氬氣25sCCm，使真空室內(nèi)的壓強(qiáng)為lPa。打開偏壓、射頻電源，調(diào)節(jié)匹配器，真空室內(nèi)發(fā)生輝光放電，增大入射功率，直到偏壓值大于500V，對(duì)工件表面進(jìn)行等離子體刻蝕清洗，持續(xù)時(shí)間5-15分鐘。鈦金屬粘接層鍍制減少氬氣饋入量，使真空室氣壓降低至4XIO-1Pa,打開工件架旋轉(zhuǎn)開關(guān)，使工件架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速率為lOrpm，啟動(dòng)工件加熱裝置，將工件加熱至300°C，打開工件偏壓電源，將工件射頻偏壓增至450V，打開鈦靶射頻電源，向?yàn)R射陰極施加小功率射頻信號(hào)，調(diào)節(jié)匹配器，使磁控濺射陰極起輝，逐漸加大入射功率至300W，鍍制鈦金屬粘接層5-10分鐘，其厚度在100-200nm。關(guān)閉鈦靶驅(qū)動(dòng)電源，打開鋁鈦靶中頻驅(qū)動(dòng)電源，電流為1.OA,占空比為60%，鍍制AlTiN支撐層30-60分鐘。關(guān)閉鋁鈦靶驅(qū)動(dòng)電源和氮?dú)鈿怏w質(zhì)量流量計(jì)。關(guān)閉工件加熱裝置，當(dāng)工件溫度下降至200°C以下時(shí)，向真空室內(nèi)饋入乙炔氣體，至10-20sCCm，開鈦靶射頻電源，逐漸加大入射功率至150W，鍍制金屬鈦摻雜的抗摩擦磨損DLC層。關(guān)閉射頻電源，待真空室溫度降低至100°C以下，打開真空室，取出工件，鍍膜過(guò)程結(jié)束。圖1(b)是實(shí)施例1鍍膜工件的斷口形貌，用以分析薄膜的厚度、組織結(jié)構(gòu)和表面粗糙度等信息?？梢钥闯鼋饘僬辰訉覶i與工件基體的結(jié)合致密，界面間不存在空洞等缺陷。依次Ti、AlTiN與DLC層之間結(jié)合都非常的緊密，且DLC薄膜均勻、致密且表面粗糙度都很小。金屬粘接層的厚度為200nm，AlTiN支撐層的厚度為lum，TiDLC潤(rùn)滑層的厚度為2.lum。AlTiN層呈現(xiàn)明顯的柱狀結(jié)構(gòu)，其柱狀結(jié)構(gòu)等效直徑在2050nm之間。圖2(b)給出實(shí)施例2的表面形貌，由圖可以看出薄膜表面均勻致密，沒有明顯的缺陷。表2給出實(shí)施例樣品的硬度、彈性模量，由表可知，實(shí)施例2的硬度、模量分別為30.1，241.2GPa。如圖3給出實(shí)施例的摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化，薄膜摩擦過(guò)程中，摩擦系數(shù)由高變低，當(dāng)摩擦進(jìn)行到一段時(shí)間后，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。DLC薄膜穩(wěn)定的摩擦系數(shù)基本保持在0.100.12之間。根據(jù)劃痕處應(yīng)力狀態(tài)的分析，可由臨界載荷較高的薄膜，判斷出其附著力較好。圖4給出實(shí)施例2的薄膜和集體的結(jié)合強(qiáng)度約為38N。實(shí)施例3采用中頻反應(yīng)磁控濺射系統(tǒng)沉積Ti/AlTiN/Ti:DLC高硬度、高耐磨復(fù)合膜，靶材為純度99.9%的Ti和AlTi合金靶材(AlTi=6733(atm%))，氮?dú)?、氬氣純?gt;99.9%，鋼瓶?jī)?nèi)氣壓大于IOMPa；真空室本底壓強(qiáng)小于3X10_4Pa，冷卻水出口溫度低于25°C，回水溫度低于40°C，工件架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在0-20轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。待鍍工件清洗與工件裝卡分別用洗滌劑、去離子水、丙酮、無(wú)水乙醇對(duì)被鍍工件進(jìn)行超聲波清洗和脫水處理，每次清洗時(shí)間為10-20min，功率密度40-60W/件。干燥后轉(zhuǎn)載到工架上待鍍。打開機(jī)械泵、分子泵抽真空到壓強(qiáng)低于3X10_4Pa后，向真空室內(nèi)輸入氬氣30sCCm，使真空室內(nèi)的壓強(qiáng)為lPa。打開偏壓、射頻電源，調(diào)節(jié)匹配器，真空室內(nèi)發(fā)生輝光放電，增大入射功率，直到偏壓值大于500V，對(duì)工件表面進(jìn)行等離子體刻蝕清洗，持續(xù)時(shí)間5-15分鐘。鈦金屬粘接層鍍制減少氬氣饋入量，使真空室氣壓降低至4X10-+^打開工件架旋轉(zhuǎn)開關(guān)，使工件架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速率為lOrpm，啟動(dòng)工件加熱裝置，將工件加熱至300°C，打開工件偏壓電源，將工件射頻偏壓增至600V，打開鈦靶射頻電源，向?yàn)R射陰極施加小功率射頻信號(hào)，調(diào)節(jié)匹配器，使磁控濺射陰極起輝，逐漸加大入射功率至400W，鍍制鈦金屬粘接層5-10分鐘，其厚度在100-200nm。關(guān)閉鈦靶驅(qū)動(dòng)電源，打開鋁鈦靶中頻驅(qū)動(dòng)電源，電流為1.OA,占空比為60%，鍍制AlTiN支撐層30-60分鐘。關(guān)閉鋁鈦靶驅(qū)動(dòng)電源和氮?dú)鈿怏w質(zhì)量流量計(jì)。關(guān)閉工件加熱裝置，當(dāng)工件溫度下降至200°C以下時(shí)，向真空室內(nèi)饋入乙炔氣體，至20sCCm，開鈦靶射頻電源，逐漸加大入射功率至200W，鍍制金屬鈦摻雜的抗摩擦磨損DLC層。關(guān)閉射頻電源，待真空室溫度降低至100°C以下，打開真空室，取出工件，鍍膜過(guò)程結(jié)束。圖1(c)是實(shí)施例1鍍膜工件的斷口形貌，用以分析薄膜的厚度、組織結(jié)構(gòu)和表面粗糙度等信息?？梢钥闯鼋饘僬辰訉覶i與工件基體的結(jié)合致密，界面間不存在空洞等缺陷。依次Ti、AlTiN與DLC層之間結(jié)合都非常的緊密，且DLC薄膜均勻、致密且表面粗糙度都很小。金屬粘接層的厚度為150nm，AlTiN支撐層的厚度為4.2um,Ti:DLC潤(rùn)滑層的厚度為1.Sum。AlTiN層呈現(xiàn)明顯的柱狀結(jié)構(gòu)，其柱狀結(jié)構(gòu)等效直徑在2050nm之間。圖2(c)給出實(shí)施例3的表面形貌，由圖可以看出薄膜表面均勻致密，沒有明顯的缺陷。表1給出實(shí)施例樣品的硬度、彈性模量，由表可知，實(shí)施例3的硬度、模量分別為27.6，229.IGPa0如圖3給出實(shí)施例的摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化，薄膜摩擦過(guò)程中，摩擦系數(shù)由高變低，當(dāng)摩擦進(jìn)行到一段時(shí)間后，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。DLC薄膜穩(wěn)定的摩擦系數(shù)基本保持在0.100.12之間。根據(jù)劃痕處應(yīng)力狀態(tài)的分析，可由臨界載荷較高的薄膜，判斷出其附著力較好。圖4給出實(shí)施例3的薄膜和集體的結(jié)合強(qiáng)度約為36N。由以上實(shí)施例我們可以看到，中頻反應(yīng)磁控濺射系統(tǒng)沉積Ti/AlTiN/Ti:DLC高硬度、高耐磨復(fù)合膜具有高硬度、模量，高結(jié)合強(qiáng)度，低摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，其工藝簡(jiǎn)單，成本低。權(quán)利要求一種用于動(dòng)壓氣浮軸承的復(fù)合涂層制備方法，其特征在于，采用中頻反應(yīng)磁控濺射系統(tǒng)沉積復(fù)合涂層，靶材為純度99.9％的Ti和Al/Ti的原子質(zhì)量比為67∶33的AlTi合金靶材，氮?dú)?、氬氣純度?9.9％，鋼瓶?jī)?nèi)氣壓大于10MPa；真空室本底壓強(qiáng)小于3×10-4Pa，冷卻水出口溫度低于25℃，回水溫度低于40℃，工件架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在0-20轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，步驟如下1)鍍工件清洗與工件裝卡分別用洗滌劑、去離子水、丙酮、無(wú)水乙醇對(duì)被鍍工件進(jìn)行超聲波清洗和脫水處理，每次清洗時(shí)間為10-20min，功率密度40-60W/件，干燥后轉(zhuǎn)載到工架上待鍍；打開機(jī)械泵、分子泵抽真空到壓強(qiáng)低于3×10-4Pa后，向真空室內(nèi)輸入氬氣20-30sccm，使真空室內(nèi)的壓強(qiáng)為1Pa，打開偏壓、射頻電源，調(diào)節(jié)匹配器，真空室內(nèi)發(fā)生輝光放電，增大入射功率，直到偏壓值大于500V，對(duì)工件表面進(jìn)行等離子體刻蝕清洗，持續(xù)時(shí)間5-15分鐘；2)鈦金屬粘接層鍍制減少氬氣流入量，使真空室氣壓降低至4×10-1Pa，打開工件架旋轉(zhuǎn)開關(guān)，使工件架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速率為10rpm，啟動(dòng)工件加熱裝置，將工件加熱至300℃，打開工件偏壓電源，將工件射頻偏壓增至200-600V，打開鈦靶射頻電源，向?yàn)R射陰極施加小功率射頻信號(hào)，調(diào)節(jié)匹配器，使磁控濺射陰極起輝，逐漸加大入射功率至200-400W，鍍制鈦金屬粘接層5-10分鐘，其厚度在100-200nm；3)鍍制AlTiN支撐層關(guān)閉鈦靶驅(qū)動(dòng)電源，打開鋁鈦靶中頻驅(qū)動(dòng)電源，電流為1.0A，占空比為60％，鍍制AlTiN支撐層30-60分鐘；4)鍍制金屬鈦摻雜的抗摩擦磨損DLC層關(guān)閉鋁鈦靶驅(qū)動(dòng)電源和氮?dú)鈿怏w質(zhì)量流量計(jì)；關(guān)閉工件加熱裝置，當(dāng)工件溫度下降至200℃以下時(shí)，向真空室內(nèi)通入乙炔氣體，至10-20sccm，開鈦靶射頻電源，逐漸加大入射功率至100-200W，鍍制金屬鈦摻雜的抗摩擦磨損DLC層；關(guān)閉射頻電源，待真空室溫度降低至100℃以下，打開真空室，取出工件。全文摘要本發(fā)明為一種用于動(dòng)壓氣浮軸承的復(fù)合涂層制備方法，采用中頻反應(yīng)磁控濺射系統(tǒng)沉積Ti/AlTiN/Ti:DLC高硬度、高耐磨復(fù)合膜。動(dòng)壓氣浮軸承轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦系數(shù)越小越有利于馬達(dá)啟動(dòng)，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，定子與轉(zhuǎn)子可能發(fā)生碰撞甚至出現(xiàn)瞬間熔化抱死故障。單一材料的動(dòng)壓氣浮軸承已經(jīng)不能滿足目前的需求，軸承材料的表面改性技術(shù)是限制其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。本發(fā)明制備的涂層在降低了摩擦系數(shù)，提高了耐磨性，同時(shí)解決了涂層的耐腐蝕性及耐磨性。該方法易行，所有原料都比較常見，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。文檔編號(hào)F16C32/06GK101798679SQ20101013888公開日2010年8月11日申請(qǐng)日期2010年3月31日優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日發(fā)明者龐曉露,楊會(huì)生,王燕斌,高克瑋申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)