一种降低气动杆动/静摩擦系数的自润滑复合涂层及其制备方法
本发明涉及表面处理，尤其涉及一种降低气动杆动/静摩擦系数的自润滑复合涂层及其制备方法。
背景技术：
1、真空系统是航空发动机高空关键组件、机载精密设备等关键装置的核心组成部分，其运行可靠性直接决定航空装备的安全性。真空阀门作为真空系统中气体控制与隔离的核心部件，承担着推进剂控制、舱体泄压、系统隔离等关键任务，气动杆作为真空波纹管截止阀的核心直线运动部件，广泛应用于各类航空真空阀门中。气动杆安装在阀门气缸内部，利用压缩空气为动力源带动真空阀门进行开、关动作。气动杆在动作过程中受到压力与侧向阀门、密封件产生相对的运动，在大气和真空环境受到交变载荷的摩擦带来的表面磨损，因此要求真空阀门中的气动杆启动阶段摩擦力小，同时具备一定的耐磨性能。
2、随着真空机械生产制造、修复领域的快速发展，涉及到真空阀门部件表面强化技术层面的问题需亟待解决。传统的气动杆表面强化处理技术如渗碳、渗氮、碳氮共渗、电镀、激光表面强化、热喷涂等已不能满足其兼具大气/真空环境中的低摩擦与耐磨损的性能要求。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种降低气动杆动/静摩擦系数的自润滑复合涂层及其制备方法。本发明提供的自润滑复合涂层能有效降低气动杆在大气环境和真空环境中多次启动阶段摩擦力，提高气动杆的可靠性和服役寿命。
2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
3、本发明提供了一种降低气动杆动/静摩擦系数的自润滑复合涂层，包括附着于气动杆表面依次层叠的合金结合层、梯度过渡层、高熵碳化物层、碳化物过渡层和软质润滑层；所述合金结合层与气动杆表面直接接触；
4、所述合金结合层的组成为mocu合金，其中cu原子含量为15.8~18.8 at.%；
5、所述梯度过渡层的组成为mo或ti的氮化物，由内向外，n原子从40~45 at.%逐步减小至5 at.%以内；
6、所述高熵碳化物层的组成为zrmoticusic，涂层中c原子含量为5~15 at.%，zr、mo、ti、cu、si原子含量独立地在20 at.%以内且大于0；
7、所述碳化物过渡层的组成为moc或tic，由内向外，涂层中c原子含量从5~15 at.%逐步升高至40 at.%以上；
8、所述软质润滑层的组成为类聚合物碳，涂层中h原子含量为30~75 at.%，余量为c。
9、优选的，所述合金结合层的厚度为0.1~0.3 μm。
10、优选的，所述梯度过渡层的厚度为0.1~0.3 μm。
11、优选的，所述高熵碳化物层的厚度为1.5~2.0 μm。
12、优选的，所述碳化物过渡层的厚度为0.1~0.3 μm。
13、优选的，所述软质润滑层的厚度为0.2~0.3 μm，硬度≤5 gpa，大气中静摩擦系数＜0.1，真空中静摩擦系数＜0.1。
14、本发明提供了上述方案所述降低气动杆动/静摩擦系数的自润滑复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
15、利用磁控溅射在气动杆表面依次沉积合金结合层、梯度过渡层、高熵碳化物层、碳化物过渡层和软质润滑层，得到降低气动杆动/静摩擦系数的自润滑复合涂层。
16、优选的，所述合金结合层的沉积条件包括：ar气流量25~40 sccm，负偏压-80~ -120 v，mo靶电流3.0 a，cu靶电流1.5 a，沉积时间300~500s；
17、所述梯度过渡层的沉积条件包括：当组成为mon时，控制mo靶电流从3a线性减小到1 a，n2气流量从260 ccm线性减小到0 sccm，偏压-400v，沉积300~500s；当组成为tin时，控制ti靶电流从3 a线性减小到1 a，n2气流量从260 ccm线性减小到0 sccm，沉积时间300~500s。
18、优选的，所述高熵碳化物层的沉积条件包括：ar气流量28 sccm，负偏压-110 v，mo靶电流1.0 a，cu靶电流1.2 a，c靶电流1.0 a，zrtisi三元合金靶电流1.5 a，沉积时间2~4h；
19、以质量百分含量计，所述zrtisi三元合金靶中zr含量为40~50%，ti含量为30~40%，si含量为10~30%。
20、优选的，所述碳化物过渡层的沉积条件包括：当组成为moc时，ar气流量28 sccm，负偏压-110 v，mo靶电流从1.0a线性减小到0 a，c靶电流从1.0a线性增加至3.0 a，沉积300~500s；当组成为tic时，ar气流量28 sccm，负偏压-110 v，ti靶电流从1.0a线性减小到0 a，c靶电流从1.0a线性增加至3.0 a，沉积300~500s。
21、所述软质润滑层的沉积条件包括：ar气流量28 sccm，负偏压-110 v，c靶电流3.0a，氢气流量480 sccm，沉积1500~1800s。
22、本发明提供了一种降低气动杆动/静摩擦系数的自润滑复合涂层，该涂层可有效降低气动杆的动/静摩擦系数。在摩擦过程中，涂层中的氢原子通过强共价键与碳原子紧密结合（指的是软质润滑层中的氢原子和碳原子），有效终止了碳表面的悬键，大幅减少了表面活性位点的数量，进而降低了涂层与对磨材料之间的黏着作用。当氢原子与碳表面悬键配对时，电荷密度会向氢原子核方向偏移，使得氢质子更贴近表面。这种电荷分布的变化在滑动界面间形成了双极结构，产生了排斥力而非传统的吸引力，从而显著降低了摩擦。本发明在气动杆表面实现了自润滑与耐磨功能的复合涂层一体化，使气动杆的使用寿命得到了显著提升，延长幅度高达2至3倍。具体的，本发明的多层复合涂层通过“硬质承载-韧性过渡-润滑减摩”的梯度设计形成“硬-韧-软”复合结构，其中高熵碳化物层提供硬质抗磨损支撑，梯度过渡层与碳化物过渡层通过应力分散和裂纹偏转机制抑制裂纹向基体扩展，软质润滑层则通过动态补充润滑剂实现自适应润滑，在真空和大气工况下维持低摩擦状态，最终实现抗磨损与抗疲劳性能的协同提升。
23、实施例的结果显示，本发明提供的自润滑复合涂层能够降低气动杆在真空、大气气氛中的静摩擦系数，以及两种环境交替变化过程中的摩擦学性能，满足气动杆在多种环境中启动过程中的润滑效果及多环境适应性。
24、由基体表面依次沉积的合金结合层、梯度过渡层、高熵碳化物层、碳化物过渡层、软质润滑层的设计，为气动杆表面自润滑与耐磨复合涂层提供了良好的支撑和界面结合，克服了气动阀表面受交变载荷的冲击带来的各种磨损，能够满足气动杆表面的机械性能、耐磨损、抗冲击性能的要求，有效提高气动杆的可靠性和服役寿命。
25、本发明通过在气动杆表面沉积自润滑与耐磨复合涂层，降低了其更换频率，节省了气动杆的制造成本与更换成本，节约了大量人力物力，同时保障了设备系统的稳定性，确保了安全生产。
26、本发明提供的降低气动杆动/静摩擦系数的自润滑复合涂层，兼顾润滑、耐磨损和多环境适应性的需求。
1.一种降低气动杆动/静摩擦系数的自润滑复合涂层，其特征在于，包括附着于气动杆表面依次层叠的合金结合层、梯度过渡层、高熵碳化物层、碳化物过渡层和软质润滑层；所述合金结合层与气动杆表面直接接触；
2.根据权利要求1所述的自润滑复合涂层，其特征在于，所述合金结合层的厚度为0.1~0.3 μm。
3.根据权利要求1所述的自润滑复合涂层，其特征在于，所述梯度过渡层的厚度为0.1~0.3 μm。
4.根据权利要求1所述的自润滑复合涂层，其特征在于，所述高熵碳化物层的厚度为1.5~2.0 μm。
5.根据权利要求1所述的自润滑复合涂层，其特征在于，所述碳化物过渡层的厚度为0.1~0.3 μm。
6.根据权利要求1所述的自润滑复合涂层，其特征在于，所述软质润滑层的厚度为0.2~0.3 μm，硬度≤5 gpa，大气中静摩擦系数＜0.1，真空中静摩擦系数＜0.1。
7.权利要求1~6任一项所述降低气动杆动/静摩擦系数的自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述合金结合层的沉积条件包括：ar气流量25~40 sccm，负偏压-80~ -120 v，mo靶电流3.0 a，cu靶电流1.5 a，沉积时间300~500s；
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述高熵碳化物层的沉积条件包括：ar气流量28 sccm，负偏压-110 v，mo靶电流1.0 a，cu靶电流1.2 a，c靶电流1.0 a，zrtisi三元合金靶电流1.5 a，沉积时间2~4h；
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述碳化物过渡层的沉积条件包括：当组成为moc时，ar气流量28 sccm，负偏压-110 v，mo靶电流从1.0a线性减小到0 a，c靶电流从1.0a线性增加至3.0 a，沉积300~500s；当组成为tic时，ar气流量28 sccm，负偏压-110v，ti靶电流从1.0a线性减小到0 a，c靶电流从1.0a线性增加至3.0 a，沉积300~500s。