一种NiCrFeMoNbAg高熵合金宽温域润滑薄膜材料及其制备方法

一种nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及润滑材料技术领域，具体涉及一种nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料及其制备方法。


背景技术：

2.工业界对高温环境及温度交变环境下的固体润滑材料有着巨大的需求。银是一种广泛应用的重要摩擦学材料，由于其具有优异的延展性、低剪切力、热化学稳定性(尤其是高温抗氧化性)以及较高的高温扩散系数而被用作运动机构的涂层材料以提供常温/高温润滑功能。
3.在实际应用中，往往采用银与较硬金属形成非均匀合金来优化纯银与基底的结合强度及涂层的承载能力。然而，高温环境能够极大促进涂层中的银向表层的扩散，从而导致润滑涂层的快速失效，减少涂层寿命。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料及其制备方法，本发明提供的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料在室温～600℃下具有优异的润滑性能，使用寿命较长。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料，包括依次设置在基材表面的inconel-718合金过渡层和nicrfemonbag高熵合金层。
7.优选地，所述inconel-718合金过渡层的厚度为200～250nm；所述nicrfemonbag高熵合金层的厚度为800～1200nm。
8.优选地，按原子百分比计，所述nicrfemonbag高熵合金层中各元素含量为：镍20～30％，铬10～15％，铁8～15％，钼10～20％，铌10～20％，银20～30％，铝和铜总含量《0.4％。
9.本发明提供了上述技术方案所述nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：
10.以inconel-718合金靶作为磁控溅射靶，采用磁控溅射技术在基材表面制备inconel-718合金过渡层；
11.以inconel-718合金靶、monb靶和ag靶作为磁控溅射靶，采用磁控溅射技术在所述inconel-718合金过渡层表面制备nicrfemonbag高熵合金层，得到nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料。
12.优选地，在制备所述inconel-718合金过渡层前，还包括：对基材依次进行预加热和表面清洗。
13.优选地，所述预加热的温度为100～300℃。
14.优选地，所述表面清洗包括：调节腔室气压至3～5pa，施加-400～-500v偏压，利用高能氩离子对基材进行表面清洗。
15.优选地，制备所述inconel-718合金过渡层时，采用直流电源溅射inconel-718合金靶，所述直流电源的功率为100～200w；采用偏压电源在基材施加-50～-200v偏压。
16.优选地，制备所述nicrfemonbag高熵合金层时，采用直流电源同时溅射inconel-718合金靶、monb靶和ag靶，所述inconel-718合金靶、monb靶和银靶对应的直流电源功率分别为150～200w、100～200w和30～60w；采用偏压电源在基材施加-50～-200v偏压。
17.优选地，在制备所述nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料过程中，基材保持旋转，旋转的速率为5～15r/min。
18.本发明提供了一种nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料，包括依次设置在基材表面的inconel-718合金过渡层和nicrfemonbag高熵合金层。本发明以inconel-718合金作为过渡层，缓解了基材与nicrfemonbag高熵合金层之间由于晶格失配和热失配产生的张应力，从而优化了润滑薄膜与基材在高温下的结合力，提高了薄膜的高温承载能力和抗磨损性能；同时，相对于传统的铬、钛过渡层而言，inconel-718合金过渡层减少了靶头数量，降低了对设备的要求，提高了不同磁控溅射设备制备该薄膜的工艺适配度。本发明以nicrfemonbag高熵合金层作为润滑层，提高了薄膜的承载力，减少摩擦降低磨损，同时抑制了ag及其它元素的高温扩散，保证了薄膜成分及结构的高温稳定性。
19.本发明还提供了上述技术方案所述nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料的制备方法，本发明使用易购置的inconel-718合金靶为nicrfemonbag高熵合金层提供ni、cr、fe及部分mo、nb元素，简化了靶材制备过程，降低了润滑薄膜材料的生产成本；本发明提供的制备方法简单易行、润滑薄膜材料厚度可控，工艺复现性良好，具有良好的工艺可靠性及批量化生产的可行性。
附图说明
20.图1为本发明实施例1～2制备的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料的晶体结构图；
21.图2为本发明实施例1制备的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料的表、断面形貌图；
22.图3为本发明实施例1～2制备的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料的膜-基结合力及与纯银膜的对比图；
23.图4为本发明实施例1～2制备的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料在25～600℃下的平均摩擦系数及与纯银膜的对比图；
24.图5为本发明实施例1～2制备的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料在25～600℃下的磨损率及与纯银膜的对比图；
25.图6为本发明实施例2制备的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料的表、断面形貌图。
具体实施方式
26.本发明提供了一种nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料，包括依次设置在
基材表面的inconel-718合金过渡层和nicrfemonbag高熵合金层。
27.本发明提供的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料包括设置在基材表面的inconel-718合金过渡层。在本发明中，所述inconel-718合金过渡层中各元素的原子百分比含量优选为：镍50.1％，铬24.5％，铁18.8％，钼2.4％，铌3.5％，铝0.65％，铜0.05％。
28.在本发明中，所述inconel-718合金过渡层的厚度优选为200～250nm。
29.本发明提供的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料包括设置在所述inconel-718合金过渡层表面的nicrfemonbag高熵合金层。在本发明中，按原子百分比计，所述nicrfemonbag高熵合金层中各元素含量优选为：镍20～30％，铬10～15％，铁8～15％，钼10～20％，铌10～20％，银20～30％，铝和铜总含量《0.4％。在本发明的具体实施例中，按原子百分比计，所述nicrfemonbag高熵合金层中各元素含量为：镍22～28％，铬12～14％，铁10～11％，钼11～17％，铌11～17％，银22～25％。在本发明中，所述nicrfemonbag高熵合金层的厚度优选为800～1200nm。
30.在本发明中，所述nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料在室温～600℃条件下摩擦系数优选低于0.4，更优选低于0.32；磨损率优选低于17.5
×
10-5
mm3n-1
m-1
。在本发明中，所述nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料与基材的膜-基结合力优选大于30n，更优选为32～37n。
31.本发明还提供了上述技术方案所述nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：
32.以inconel-718合金靶作为磁控溅射靶，采用磁控溅射技术在基材表面制备inconel-718合金过渡层；
33.以inconel-718合金靶、monb靶和ag靶作为磁控溅射靶，采用磁控溅射技术在所述inconel-718合金过渡层表面制备nicrfemonbag高熵合金层，得到nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料。
34.本发明以inconel-718合金靶作为磁控溅射靶，采用磁控溅射技术在基材表面制备inconel-718合金过渡层。本发明在制备inconel-718合金过渡层前，优选还包括：对基材依次进行预加热和表面清洗。在本发明中，所述预加热的温度优选为100～300℃，更优选为200℃。在本发明中，所述预加热优选在磁控溅射腔室中进行；所述预加热优选在真空条件下进行；所述预加热时磁控溅射腔室的压强优选低于1.5
×
10-3
pa。在本发明中，所述表面清洗优选包括：调节腔室气压至3～5pa，施加-400～-500v偏压，利用高能氩离子对基材进行表面清洗。在本发明中，所述表面清洗的时间优选为5～10min。
35.在本发明中，所述基材优选为耐高温材料，更优选为高温合金，具体优选为w18cr4v钢。本发明在制备nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料过程中，所述基材优选保持旋转；所述旋转的速率优选为5～15r/min。
36.在本发明中，制备所述inconel-718合金过渡层时，优选采用直流电源溅射inconel-718合金靶，所述直流电源的功率优选为100～200w；本发明优选采用偏压电源在基材施加-50～-200v偏压，更优选施加-150v偏压。在本发明中，所述inconel-718合金过渡层优选在氩气气氛中进行制备；氩气的流量优选为40sccm。制备所述inconel-718合金过渡层时，磁控溅射腔室的气压优选为0.6～0.8pa，更优选为0.65～0.7pa。在本发明中，制备inconel-718合金过渡层时，沉积时间优选为15～20min。
37.得到inconel-718合金过渡层后，本发明以inconel-718合金靶、monb靶和ag靶作为磁控溅射靶，采用磁控溅射技术在所述inconel-718合金过渡层表面制备nicrfemonbag高熵合金层，得到nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料。在本发明中，所述monb靶中mo与nb的原子百分比优选为1:1。
38.在本发明中，制备所述nicrfemonbag高熵合金层时，优选采用直流电源同时溅射inconel-718合金靶、monb靶和ag靶，所述inconel-718合金靶、monb靶和银靶对应的直流电源功率分别优选为150～200w、100～200w和30～60w；本发明优选采用偏压电源在基材施加-50～-200v偏压，更优选施加-100v偏压。在本发明中，所述inconel-718合金靶、monb靶和ag靶分别连接独立直流电源。在本发明中，所述银靶的直流电源功率更优选为40～50w。在本发明中，制备nicrfemonbag高熵合金层时，沉积时间优选为40～60min。在本发明中，所述nicrfemonbag高熵合金层优选在氩气气氛中进行制备；氩气的流量优选为40sccm。本发明制备nicrfemonbag高熵合金层时，磁控溅射腔室的气压优选为0.6～0.8pa，更优选为0.65～0.7pa。
39.本发明制备的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料具有优良的常温/高温润滑性。本发明采用的靶材均为易制备材料，薄膜制备工艺简单易行，所制备薄膜材料成分可控，工艺复现性良好，可批量化生产。
40.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.实施例中采用的基材为w18cr4v钢；氩气纯度》99.999％；镀膜过程中，腔体气压利用涡轮分子泵阀门进行调节。
42.实施例1
43.薄膜制备设备为安装独立三靶的商用磁控溅射镀膜装置，靶头位于设备腔室上方，每个靶配备独立直流电源。inconel-718合金靶、monb靶(按原子百分比，mo：nb＝1:1)及银靶分别安装于三靶之上。将预先清洗干净的基材置于磁控溅射设备腔室样品盘，抽真空并加热基材至200℃；待腔体气压低于1.0
×
10-3
pa后通入氩气(流量40sccm)，调节分子泵插板阀将腔体气压调节至3pa，对基材施加-400v偏压，利用被离化的氩离子对基材表面的轰击而达到清洗基材表面的目的，此过程持续10分钟；调节腔体气压至0.65pa，利用直流电源溅射inconel-718合金靶进行过渡层沉积，直流电源功率为200w，沉积时间为20分钟，此过程基材所施加偏压为-150v；此后保持inconel-718合金靶电源功率200w不变，同时使用直流电源分别激发monb靶及ag靶进行含ag高熵合金层(nicrfemonbag高熵合金层)沉积，其中monb靶的功率为100w，ag靶的功率为40w，此过程基材偏压下调至-100v，沉积时间60分钟，得到nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料。
44.本实施例制备的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料为双层结构，由依次沉积在基材表面的inconel-718合金过渡层和nicrfemonbag高熵合金层组成，其中inconel-718合金过渡层的厚度为250nm，nicrfemonbag高熵合金层的厚度为1200nm。按原子百分比计，nicrfemonbag高熵合金层中各元素含量为：28％ni，14％cr，11％fe，11％mo，11％nb，25％ag。如图1所示，本实施例制备的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料
为面心立方晶体，表、断面形貌如图2所示，由图2可以看出，所制备nicrfemonbag高熵合金层为等轴晶，且晶粒尺寸小于100nm；inconel-718合金过渡层为柱状晶结构。
45.薄膜性能：利用划痕仪测试所制备薄膜材料的膜-基结合力，如图3所示，所述nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料与基材的膜-基结合力为32n。利用ht-3000球-盘高温摩擦磨损试验机对所制备薄膜材料摩擦学性能进行评价，对偶为直径为3毫米的si3n4球，载荷为2n，摩擦半径为5mm，滑动线速度为8.93cm/s，摩擦试验在大气环境进行，环境温度为25～600℃，摩擦总行程为157m，结果如表1～2、图4和图5所示，所制备的薄膜材料在25～600℃环境下平均摩擦系数均低于0.32，磨损率低于17.5
×
10-5
mm3n-1
m-1
，具有优良的润滑性能。
46.实施例2
47.设备、靶材及偏压清洗过程同实施例1。将预先清洗干净的基材置入磁控溅射设备腔室样品盘，抽真空至并加热基材至200℃；待腔体气压低于1.5
×
10-3
pa后通入氩气(流量40sccm)并进行10分钟的偏压清洗过程；而后在腔室气压为0.65pa的环境下进行inconel-718过渡层沉积，电源选择直流电源，电源功率为200w，在基材施加-150v偏压，沉积时间为20分钟；此后保持inconel-718合金靶开启，同时开启monb靶及ag靶(直流电源，功率分别为200w、50w)进行nicrfemonbag高熵合金层沉积，此过程基材偏压调至-100v，沉积时间60分钟，得到nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料。
48.本实施例制备的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料中inconel-718合金过渡层的厚度为250nm，nicrfemonbag高熵合金层的厚度为1200nm。按原子百分比计，nicrfemonbag高熵合金层中各元素含量为：22％ni，12％cr，10％fe，17％mo，17％nb，22％ag。如图1所示，本实施例制备的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料为面心立方晶体，表、断面形貌如图6所示。
49.薄膜性能：如图3所示，所述nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料与基材的膜-基结合力为37n。摩擦学性能评价同实施例1，结果如表1～2、图4和图5所示，所制备薄膜材料在室温～600℃环境下平均摩擦系数均低于0.4，磨损率低于17
×
10-5
mm3n-1
m-1
。
50.对比例1
51.基材及过渡层制备工艺与实施例1相同，以inconel-718为过渡层，在所述inconel-718为过渡层上沉积银膜，银膜厚度为1200nm，记为纯银膜。
52.薄膜性能：如图3所示，所述纯银膜与基材的膜-基结合力为8.5n。摩擦学性能评价同实施例1，结果如表1～2、图4和图5所示。
53.表1实施例1～2和对比例1制备的薄膜的平均摩擦系数
[0054][0055]
表2实施例1～2和对比例1制备的薄膜的磨损率
[0056][0057]
由以上实施例和对比例测试结果可以看出，本发明制备的nicrfemonbag高熵合金宽温域润滑薄膜材料的膜-基结合力、高温阶段摩擦系数及磨损率均优于纯ag膜。
[0058]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。