航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层以及结合到航天器运动部件表面的方法
航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层以及结合到航天器运动部件表面的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属零部件表面保护材料技术领域，具体涉及一种航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层，并且还涉及将该掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法。
【背景技术】
[0002]前述的类金刚石膜层即为类金刚石薄膜，通常被人们称为DLC (英文缩写)薄膜，它是一种性质近似于金刚石的具有硬度高、耐磨性能优异等特点的基体增强保护层。
[0003]前述的航天器运动部件的典型的例子如作为传动装置的结构体系的轴承、涡轮蜗杆、谐波减速器和齿轮等等。在轴承和齿轮之类的运动部件的表面结合具有优异硬度的膜层如由氮化物材料担当的硬质耐磨膜层在一定程度上可以提高轴承和齿轮的耐磨损能力而藉以延长使用寿命并且保障运动的可靠性和稳定性，但是由于氮化物类材料并不具有润滑性能，因而其效果并不能达到业界之预期。在真空环境下具有极致的耐磨减摩性能的硬质材料长期以来受到人们的关注，并且期望应用于航天器的运动部件，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
【发明内容】
[0004]本发明的任务在于提供一种既具有理想的润滑性能又具有优异的耐磨损性能而藉以显著增进运动部件的表面综合性能并提高运动的可靠性与稳定性以及延长使用寿命的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层。
[0005]本发明的另任务在于提供一种将掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，该方法工艺步骤简练，工艺参数易控并且能保障所述运动部件的表面综合性能的全面体现。
[0006]本发明的任务是这样来完成的，一种航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层，包括在使用状态下结合到航天器运动部件基体的表面的基底层、结合于基底层的表面的梯度过渡层和结合于梯度过渡层的表面的类金刚石镀膜层，特征在于:所述的基底层为钛层，所述的梯度过渡层为钛和硅梯度过渡层，所述的类金刚石镀膜层为掺硅类金刚石膜层。
[0007]在本发明的一个具体的实施例中，所述的钛层的厚度小于所述的钛和硅梯度过渡层的厚度，而钛和硅梯度过渡层的厚度小于所述掺硅类金刚石膜层的厚度。
[0008]在本发明的另一个具体的实施例中，所述钛层的厚度为0.08-0.12 μm ;所述的钛和硅梯度过渡层的厚度为0.3-0.5 μπι ;所述的掺硅类金刚石膜层的厚度为1-5 μm。
[0009]本发明的任务是这样来完成的，一种航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，包括以下步骤:
A)清洗，先后采用不同的清洗介质并且利用超声波清洗装置对航天器运动部件基体I的表面依次进行超声波清洗，得到清洁基体； B)加热并抽真空，将由步骤A)得到的清洁基体引入真空溅射镀膜机中并且在加热状态下抽真空，控制加热的温度和控制抽真空的真空度；
C)再次清洗，向由步骤B)中所述的真空溅射镀膜机中引入氩气并开启等离子体源对处于抽真空状态的所述清洁基体表面进行轰击清洗，控制等离子体源的电流和电压以及控制轰击清洗的时间，得到轰击清洗基体；
D)沉积基底层，向步骤C)所述的真空溅射镀膜机中通入氩气并在真空度处于KT1Pa的状态下开启溅射钛钯，在所述轰击清洗基体表面沉积钛层，并且控制沉积钛层的工艺参数，得到表面结合有以钛层为基底层的航天器运动部件基体；
E)沉积梯度过渡层，向步骤D)所述真空溅射镀膜机中引入氩气，并且控制氩气的流量，同时开启磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶，对由步骤D)所述的钛层的表面沉积钛和硅梯度过渡层，并且控制磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的工艺参数，得到在表面依次结合有钛层以及钛和硅梯度过渡层的航天器运动部件基体；
F)沉积类金刚石镀膜层，开启硅靶，在步骤E)所述的钛和硅梯度过渡层的表面形成掺硅类金刚石膜层，并且在开启硅靶的同时向步骤E)所述的真空溅射镀膜机中引入氩气和乙炔气体，控制氩气和乙炔气体的流量以及控制掺硅类金刚石膜层形成于所述钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数，得到在表面依次结合有由钛层充当的基底层、由钛和硅梯度过渡层充当的梯度过渡层和由掺硅类金刚石膜层充当的类金刚石镀膜层的航天器运动部件基体。
[0010]在本发明的又一个具体的实施例中，步骤A)中所述的不同的清洗介质依次为石油醚、丙酮以及无水乙醇，所述的不同清洗介质的超声波清洗的时间各为4-6min。
[0011]在本发明的再一个具体的实施例中，步骤B)中所述的控制加热温度是将加热温度控制为90-100 °C ;所述的控制抽真空的真空度是将抽真空的真空度控制为2X10_3-5X10_4Pa。
[0012]在本发明的还有一个具体的实施例中，步骤C)中所述的氩气的引入流量为200-300sccm ;所述的控制等离子体源的电流是将等离子体源的电流控制为28-32A ;所述的控制等离子体源的电压是将等离子体源的电压控制为-450?-550V ;所述的控制轰击清洗的时间是将轰击清洗的时间控制为25-35min。
[0013]在本发明的更而一个具体的实施例中，步骤D)中所述的控制沉积钛层的工艺参数是指:溅射钛靶的功率控制在4KW、非平衡线圈的电流控制为2A、电压处于-50V的偏压状态和派射钛革E的时间控制为lOmin。
[0014]在本发明的进而一个具体的实施例中，步骤E)中所述的控制氩气的流量是将氩气的流量控制为lOOsccm，所述的控制磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的工艺参数是指:非平衡线圈电流控制为3A，工件台偏压控制为-50V，钛靶初始功率控制为4KW并且衰减速率为200W/min，硅靶增加速率控制为100W/min，最终功率控制为2KW/min，磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的时间为28-32min。
[0015]在本发明的又更而一个具体的实施例中，步骤F)中所述的控制氩气和乙炔气体的流量是将氩气和乙炔气体的流量分别控制为200SCCm和lOOsccm ;所述的控制硅掺杂金刚石膜层形成于钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数是指:非平衡线圈电流控制为2A，工件台偏压控制为-100V，沉积时间控制为120min。
[0016]本发明提供的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层的结构由使用状态下依次结合到航天器运动部件基体的表面的由钛层充当的基底层、由钛和硅梯度过渡层充当的梯度过渡层以及由掺硅类金刚石膜层充当的类金刚石镀膜层构成，由于在真空环境下的摩擦系数仅为0.01-0.2，因而具有良好的润滑性，由于硬度(HV)可达到2000-2500并且与航天器运动部件基体的表面的附着力大于400mN，因而具有优异的耐磨性，能够保障航天器运动部件基体的表面结合性能并提高运动的可靠性、稳定性和显著延长服役寿命；提供的方法具有工艺步骤简练、工艺参数易控并且能保障航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层的所述技术效果得以全面体现。
【附图说明】
[0017]图1为本发明航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合于航天器运动部件基体的表面的示意图。
【具体实施方式】
[0018]请参见图1，在图1中示出了航天器运动部件基体1，示出了以航天器运动部件基体I为载体即在使用状态下依次结合于航天器运动部件基体I的表面的基底层2、结合于基底层2的表面的梯度过 渡层3和结合于梯度过渡层3外的类金刚石镀膜层4。这里所提及的航天器运动部件基体I并非限于例举的如轴承、涡轮蜗杆、谐波减速器和齿轮，等等。
[0019]作为本发明提供的技术方案的技术要点:前述的基底层2为厚度0.08-0.12 μπι的钛层；前述的梯度过渡层3为厚度0.3-0.5 μπι的钛和硅梯度过渡层；前述的类金刚石镀膜层4为厚度1-5 μπι的掺硅类金刚石膜层。
[0020]实施例1:
Α)清洗，先后采用石油醚、丙酮以及无水乙醇并且利用超声波清洗装置对航天器运动部件基体I的范畴的轴承的表面(轴承内、外圈及滚珠的表面)依次进行超声波清洗，具体是:先用石油醚清洗5min，再依次用丙酮和无水乙醇各清洗5min，得到清洁基体；
B)加热并抽真空，将由步骤A)得到的清洁基体引入真空溅射镀膜机中并且在90°C下抽真空至2 X KT3Pa ；
C)再次清洗，向由步骤B)中所述的真空溅射镀膜机中引入氩气并开启等离子体源对处于抽真空状态的清洁基体表面进行轰击清洗，其中:氩气的流量为250sccm，等离子体源的电流为28A，等离子体源的电压为-500V，轰击清洗的时间为30min，得到轰击清洗基体；
D)沉积基底层2，向步骤C)所述的真空溅射镀膜机中通入氩气并在真空度处于KT1Pa的状态下开启溅射钛靶，在由步骤C)得到的轰击清洗基体表面沉积厚度为0.1 μ m钛层，本步骤中沉积钛层的工艺参数控制为:溅射钛靶的功率控制为4KW、非平衡线圈的电流控制为2A、电压处于-50V的偏压状态以及溅射钛靶的时间为lOmin，得到表面结合有以钛层为基底层2的航天器运动部件基体1，即得到表面结合有以钛层为基底层2的轴承(包括内、夕卜圆和滚珠);
E)沉积梯度过渡层3，向步骤D)所述真空溅射镀膜机中引入氩气，氩气的流量为lOOsccm,开启磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶，对由步骤D)所述的钛层的表面沉积钛和硅梯度过渡层，具体的工艺参数即磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的具体的工艺参数为:非平衡线圈电流控制为3A，工件台偏压控制为-50V，钛靶初始功率控制为4KW并且衰减速率为200W/min，硅靶增加速率控制为100W/min，硅靶最终功率控制为2KW/min，磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的时间为28min，得到在表面依次结合有钛层以及厚度为0.3 ym钛和硅梯度过渡层的航天器运动部件基体I (轴承)；
F)沉积类金刚石镀膜层4，开启硅靶，在步骤E)所述的钛和硅梯度过渡层2的表面形成由掺硅类金刚石膜层充任的类金刚石镀膜层4，在开启硅靶的同时向步骤E)所述的真空溅射镀膜机中引入氩气和乙炔气体，氩气的流量为200SCCm，乙炔气体的流量为lOOsccm，掺硅类金刚石膜层形成于所述钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数为:非平衡线圈电流控制为2A，工件台偏压控制为-100V，沉积时间控制为120min，掺硅类金刚石膜层的厚度为3 μπι，得到在表面依次结合有由钛层充当的基底层2、由钛和硅梯度过渡层充当的梯度过渡层3以及由掺硅类金刚石膜层充当的类金刚石镀膜层4的航天器运动部件基体I (本实施例为轴承)。
[0021]实施例2:
Α)清洗，先后采用石油醚、丙酮以及无水乙醇并且利用超声波清洗装置对航天器运动部件基体I的范畴的涡轮的表面依次进行超声波清洗，具体是:先用石油醚清洗4min，再依次用丙酮和无水乙醇各清洗4min，得到清洁基体；
B)加热并抽真空，将由步骤A)得到的清洁基体引入真空溅射镀膜机中并且在100°C下抽真空5 X 10 4Pa ；
C)再次清洗，向由步骤B)中所述的真空溅射镀膜机中引入氩气并开启等离子体源对处于抽真空状态的清洁基体表面进行轰击清洗，其中:氩气的流量为200sccm，等离子体源的电流为30A，等离子体源的电压为-550V，轰击清洗的时间为25min，得到轰击清洗基体；
D)沉积基底层2，向步骤C)所述的真空溅射镀膜机中通入氩气并在真空度处于KT1Pa的状态下开启溅射钛靶，在由步骤C)得到的轰击清洗基体表面沉积厚度为0.12 μ m钛层，本步骤中沉积钛层的工艺参数控制为:溅射钛靶的功率控制为4KW、非平衡线圈的电流控制为2A、电压处于-50V的偏压状态以及溅射钛靶的时间为lOmin，得到表面结合有以钛层为基底层2的航天器运动部件基体1，即得到表面结合有以钛层为基底层2的涡轮；
E)沉积梯度过渡层3，向步骤D)所述真空溅射镀膜机中引入氩气，氩气的流量为10sccm,开启磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶，对由步骤D)所述的钛层的表面沉积钛和硅梯度过渡层，具体的工艺参数即磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的具体的工艺参数为:非平衡线圈电流控制为3A，工件台偏压控制为-50V，钛靶初始功率控制为4KW并且衰减速率为200W/min，硅靶增加速率控制为100W/min，硅靶最终功率控制为2KW/min，磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的时间为30min，得到在表面依次结合有钛层以及厚度为0.5 ym钛和硅梯度过渡层的航天器运动部件基体I (涡轮)；
F)沉积类金刚石镀膜层4，开启硅靶，在步骤E)所述的钛和硅梯度过渡层2的表面形成由掺硅类金刚石膜层充任的类金刚石镀膜层4，在开启硅靶的同时向步骤E)所述的真空溅射镀膜机中引入氩气和乙炔气体，氩气的流量为200SCCm，乙炔气体的流量为lOOsccm，掺硅类金刚石膜层形成于所述钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数为:非平衡线圈电流控制为2A，工件台偏压控制为-100V，沉积时间控制为120min，掺硅类金刚石膜层的厚度为5 μπι，得到在表面依次结合有由钛层充当的基底层2、由钛和硅梯度过渡层充当的梯度过渡层3以及由掺硅类金刚石膜层充当的类金刚石镀膜层4的航天器运动部件基体I (本实施例为涡轮)。
[0022]实施例3:
A)清洗，先后采用石油醚、丙酮以及无水乙醇并且利用超声波清洗装置对航天器运动部件基体I的范畴的齿轮的表面依次进行超声波清洗，具体是:先用石油醚清洗6min，再依次用丙酮和无水乙醇各清洗6min，得到清洁基体；
B)加热并抽真空，将由步骤A)得到的清洁基体引入真空溅射镀膜机中并且在90°C下抽真空 3.5 X 10 4Pa ；
C)再次清洗，向由步骤B)中所述的真空溅射镀膜机中引入氩气并开启等离子体源对处于抽真空状态的清洁基体表面进行轰击清洗，其中:氩气的流量为300sccm，等离子体源的电流为32A，等离子体源的电压为-450V，轰击清洗的时间为35min，得到轰击清洗基体；
D)沉积基底层2，向步骤C)所述的真空溅射镀膜机中通入氩气并在真空度处于KT1Pa的状态下开启溅射钛靶，在由步骤C)得到的轰击清洗基体表面沉积厚度为0.08 μ m钛层，本步骤中沉积钛层的工艺参数控制为:溅射钛靶的功率控制为4KW、非平衡线圈的电流控制为2A、电压处于-50V的偏压状态以及溅射钛靶的时间为lOmin，得到表面结合有以钛层为基底层2的航天器运动部件基体1，即得到表面结合有以钛层为基底层2的齿轮；
E)沉积梯度过渡层3，向步骤D)所述真空溅射镀膜机中引入氩气，氩气的流量为lOOsccm,开启磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶，对由步骤D)所述的钛层的表面沉积钛和硅梯度过渡层，具体 的工艺参数即磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的具体的工艺参数为:非平衡线圈电流控制为3A，工件台偏压控制为-50V，钛靶初始功率控制为4KW并且衰减速率为200W/min，硅靶增加速率控制为100W/min，硅靶最终功率控制为2KW/min，磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的时间为32min，得到在表面依次结合有钛层以及厚度为0.4 μ m钛和硅梯度过渡层的航天器运动部件基体I (齿轮)；
F)沉积类金刚石镀膜层4，开启硅靶，在步骤E)所述的钛和硅梯度过渡层2的表面形成由掺硅类金刚石膜层充任的类金刚石镀膜层4，在开启硅靶的同时向步骤E)所述的真空溅射镀膜机中引入氩气和乙炔气体，氩气的流量为200SCCm，乙炔气体的流量为lOOsccm，掺硅类金刚石膜层形成于所述钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数为:非平衡线圈电流控制为2A，工件台偏压控制为-100V，沉积时间控制为120min，掺硅类金刚石膜层的厚度为1.2 μπι，得到在表面依次结合有由钛层充当的基底层2、由钛和硅梯度过渡层充当的梯度过渡层3以及由掺硅类金刚石膜层充当的类金刚石镀膜层4的航天器运动部件基体I (本实施例为齿轮)。
【主权项】
1.一种航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层，包括在使用状态下结合到航天器运动部件基体(I)的表面的基底层(2)、结合于基底层(2)的表面的梯度过渡层(3)和结合于梯度过渡层(3)的表面的类金刚石镀膜层(4)，其特征在于:所述的基底层(2)为钛层，所述的梯度过渡层(3)为钛和硅梯度过渡层，所述的类金刚石镀膜层(4)为掺硅类金刚石膜层O2.根据权利要求1所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层，其特征在于所述的钛层的厚度小于所述的钛和硅梯度过渡层的厚度，而钛和硅梯度过渡层的厚度小于所述掺硅类金刚石膜层的厚度。3.根据权利要求1或2所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层，其特征在于所述钛层的厚度为0.08-0.12 μm ;所述的钛和硅梯度过渡层的厚度为0.3-0.5 ym ;所述的掺娃类金刚石膜层的厚度为1-5 μπι。4.一种如权利要求1所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于包括以下步骤: Α)清洗，先后采用不同的清洗介质并且利用超声波清洗装置对航天器运动部件基体(I)的表面依次进行超声波清洗，得到清洁基体； B)加热并抽真空，将由步骤Α)得到的清洁基体引入真空溅射镀膜机中并且在加热状态下抽真空，控制加热的温度和控制抽真空的真空度； C)再次清洗，向由步骤B)中所述的真空溅射镀膜机中引入氩气并开启等离子体源对处于抽真空状态的所述清洁基体表面进行轰击清洗，控制等离子体源的电流和电压以及控制轰击清洗的时间，得到轰击清洗基体； D)沉积基底层(2)，向步骤C)所述的真空溅射镀膜机中通入氩气并在真空度处于1-1Pa的状态下开启溅射钛钯，在所述轰击清洗基体表面沉积钛层，并且控制沉积钛层的工艺参数，得到表面结合有以钛层为基底层(2)的航天器运动部件基体(I); Ε)沉积梯度过渡层(3)，向步骤D)所述真空溅射镀膜机中引入氩气，并且控制氩气的流量，同时开启磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶，对由步骤D)所述的钛层的表面沉积钛和硅梯度过渡层，并且控制磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的工艺参数，得到在表面依次结合有钛层以及钛和硅梯度过渡层的航天器运动部件基体(I); F)沉积类金刚石镀膜层(4)，开启硅靶，在步骤Ε)所述的钛和硅梯度过渡层的表面形成掺硅类金刚石膜层，并且在开启硅靶的同时向步骤Ε)所述的真空溅射镀膜机中引入氩气和乙炔气体，控制氩气和乙炔气体的流量以及控制掺硅类金刚石膜层形成于所述钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数，得到在表面依次结合有由钛层充当的基底层(2)、由钛和硅梯度过渡层充当的梯度过渡层(3)和由掺硅类金刚石膜层充当的类金刚石镀膜层(4)的航天器运动部件基体(I)。5.根据权利要求4所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于步骤Α)中所述的不同的清洗介质依次为石油醚、丙酮以及无水乙醇，所述的不同清洗介质的超声波清洗的时间各为4-6min。6.根据权利要求4所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于步骤B)中所述的控制加热温度是将加热温度控制为90-100°C ;所述的控制抽真空的真空度是将抽真空的真空度控制为2X10-3-5X10_4Pa。7.根据权利要求4所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于步骤C)中所述的氩气的引入流量为200-300sCCm ;所述的控制等离子体源的电流是将等离子体源的电流控制为28-32A ;所述的控制等离子体源的电压是将等离子体源的电压控制为-450?-550V ;所述的控制轰击清洗的时间是将轰击清洗的时间控制为25-35min。8.根据权利要求4所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于步骤D)中所述的控制沉积钛层的工艺参数是指:溅射钛靶的功率控制在4KW、非平衡线圈的电流控制为2A、电压处于-50V的偏压状态和溅射钛靶的时间控制为lOmin。9.根据权利要求4所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于步骤E)中所述的控制氩气的流量是将氩气的流量控制为lOOsccm，所述的控制磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的工艺参数是指:非平衡线圈电流控制为3A，工件台偏压控制为-50V，钛靶初始功率控制为4KW并且衰减速率为200W/min，硅靶增加速率控制为100W/min，最终功率控制为2KW/min，磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的时间为 28_32min。10.根据权利要求4所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于步骤F)中所述的控制氩气和乙炔气体的流量是将氩气和乙炔气体的流量分别控制为200sccm和10sccm ;所述的控制娃掺杂金刚石膜层形成于钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数是指:非平衡线圈电流控制为2A，工件台偏压控制为-100V，沉积时间控制为120min。
【专利摘要】一种航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层以及结合到航天器运动部件表面的方法，属于金属零部件表面保护材料领域。包括基底层、结合于基底层表面的梯度过渡层和结合于梯度过渡层表面的类金刚石镀膜层，特点：基底层为钛层，梯度过渡层为钛和硅梯度过渡层，类金刚石镀膜层为掺硅类金刚石膜层。步骤：对航天器运动部件基体的表面进行超声波清洗；将得到的清洁基体引入真空溅射镀膜机中且在加热状态下抽真空；对清洁基体表面进行轰击清洗；在轰击清洗基体表面沉积钛层；对钛层的表面沉积钛和硅梯度过渡层；在钛和硅梯度过渡层的表面形成掺硅类金刚石膜层。具有良好的润滑和耐磨性，提高运动的可靠、稳定性和延长寿命；步骤简练、工艺参数易控。
【IPC分类】C23C14/35, C23C14/14, C23C14/06
【公开号】CN104894513
【申请号】CN201510172947
【发明人】周晖, 郑军, 杨拉毛草, 万志华, 桑瑞鹏, 耿飞, 沈志晨, 惠进德
【申请人】江苏惠丰润滑材料股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月13日
【技术领域】
[0001]本发明属于金属零部件表面保护材料技术领域，具体涉及一种航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层，并且还涉及将该掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法。
【背景技术】
[0002]前述的类金刚石膜层即为类金刚石薄膜，通常被人们称为DLC (英文缩写)薄膜，它是一种性质近似于金刚石的具有硬度高、耐磨性能优异等特点的基体增强保护层。
[0003]前述的航天器运动部件的典型的例子如作为传动装置的结构体系的轴承、涡轮蜗杆、谐波减速器和齿轮等等。在轴承和齿轮之类的运动部件的表面结合具有优异硬度的膜层如由氮化物材料担当的硬质耐磨膜层在一定程度上可以提高轴承和齿轮的耐磨损能力而藉以延长使用寿命并且保障运动的可靠性和稳定性，但是由于氮化物类材料并不具有润滑性能，因而其效果并不能达到业界之预期。在真空环境下具有极致的耐磨减摩性能的硬质材料长期以来受到人们的关注，并且期望应用于航天器的运动部件，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
【发明内容】
[0004]本发明的任务在于提供一种既具有理想的润滑性能又具有优异的耐磨损性能而藉以显著增进运动部件的表面综合性能并提高运动的可靠性与稳定性以及延长使用寿命的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层。
[0005]本发明的另任务在于提供一种将掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，该方法工艺步骤简练，工艺参数易控并且能保障所述运动部件的表面综合性能的全面体现。
[0006]本发明的任务是这样来完成的，一种航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层，包括在使用状态下结合到航天器运动部件基体的表面的基底层、结合于基底层的表面的梯度过渡层和结合于梯度过渡层的表面的类金刚石镀膜层，特征在于:所述的基底层为钛层，所述的梯度过渡层为钛和硅梯度过渡层，所述的类金刚石镀膜层为掺硅类金刚石膜层。
[0007]在本发明的一个具体的实施例中，所述的钛层的厚度小于所述的钛和硅梯度过渡层的厚度，而钛和硅梯度过渡层的厚度小于所述掺硅类金刚石膜层的厚度。
[0008]在本发明的另一个具体的实施例中，所述钛层的厚度为0.08-0.12 μm ;所述的钛和硅梯度过渡层的厚度为0.3-0.5 μπι ;所述的掺硅类金刚石膜层的厚度为1-5 μm。
[0009]本发明的任务是这样来完成的，一种航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，包括以下步骤:
A)清洗，先后采用不同的清洗介质并且利用超声波清洗装置对航天器运动部件基体I的表面依次进行超声波清洗，得到清洁基体； B)加热并抽真空，将由步骤A)得到的清洁基体引入真空溅射镀膜机中并且在加热状态下抽真空，控制加热的温度和控制抽真空的真空度；
C)再次清洗，向由步骤B)中所述的真空溅射镀膜机中引入氩气并开启等离子体源对处于抽真空状态的所述清洁基体表面进行轰击清洗，控制等离子体源的电流和电压以及控制轰击清洗的时间，得到轰击清洗基体；
D)沉积基底层，向步骤C)所述的真空溅射镀膜机中通入氩气并在真空度处于KT1Pa的状态下开启溅射钛钯，在所述轰击清洗基体表面沉积钛层，并且控制沉积钛层的工艺参数，得到表面结合有以钛层为基底层的航天器运动部件基体；
E)沉积梯度过渡层，向步骤D)所述真空溅射镀膜机中引入氩气，并且控制氩气的流量，同时开启磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶，对由步骤D)所述的钛层的表面沉积钛和硅梯度过渡层，并且控制磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的工艺参数，得到在表面依次结合有钛层以及钛和硅梯度过渡层的航天器运动部件基体；
F)沉积类金刚石镀膜层，开启硅靶，在步骤E)所述的钛和硅梯度过渡层的表面形成掺硅类金刚石膜层，并且在开启硅靶的同时向步骤E)所述的真空溅射镀膜机中引入氩气和乙炔气体，控制氩气和乙炔气体的流量以及控制掺硅类金刚石膜层形成于所述钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数，得到在表面依次结合有由钛层充当的基底层、由钛和硅梯度过渡层充当的梯度过渡层和由掺硅类金刚石膜层充当的类金刚石镀膜层的航天器运动部件基体。
[0010]在本发明的又一个具体的实施例中，步骤A)中所述的不同的清洗介质依次为石油醚、丙酮以及无水乙醇，所述的不同清洗介质的超声波清洗的时间各为4-6min。
[0011]在本发明的再一个具体的实施例中，步骤B)中所述的控制加热温度是将加热温度控制为90-100 °C ;所述的控制抽真空的真空度是将抽真空的真空度控制为2X10_3-5X10_4Pa。
[0012]在本发明的还有一个具体的实施例中，步骤C)中所述的氩气的引入流量为200-300sccm ;所述的控制等离子体源的电流是将等离子体源的电流控制为28-32A ;所述的控制等离子体源的电压是将等离子体源的电压控制为-450?-550V ;所述的控制轰击清洗的时间是将轰击清洗的时间控制为25-35min。
[0013]在本发明的更而一个具体的实施例中，步骤D)中所述的控制沉积钛层的工艺参数是指:溅射钛靶的功率控制在4KW、非平衡线圈的电流控制为2A、电压处于-50V的偏压状态和派射钛革E的时间控制为lOmin。
[0014]在本发明的进而一个具体的实施例中，步骤E)中所述的控制氩气的流量是将氩气的流量控制为lOOsccm，所述的控制磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的工艺参数是指:非平衡线圈电流控制为3A，工件台偏压控制为-50V，钛靶初始功率控制为4KW并且衰减速率为200W/min，硅靶增加速率控制为100W/min，最终功率控制为2KW/min，磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的时间为28-32min。
[0015]在本发明的又更而一个具体的实施例中，步骤F)中所述的控制氩气和乙炔气体的流量是将氩气和乙炔气体的流量分别控制为200SCCm和lOOsccm ;所述的控制硅掺杂金刚石膜层形成于钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数是指:非平衡线圈电流控制为2A，工件台偏压控制为-100V，沉积时间控制为120min。
[0016]本发明提供的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层的结构由使用状态下依次结合到航天器运动部件基体的表面的由钛层充当的基底层、由钛和硅梯度过渡层充当的梯度过渡层以及由掺硅类金刚石膜层充当的类金刚石镀膜层构成，由于在真空环境下的摩擦系数仅为0.01-0.2，因而具有良好的润滑性，由于硬度(HV)可达到2000-2500并且与航天器运动部件基体的表面的附着力大于400mN，因而具有优异的耐磨性，能够保障航天器运动部件基体的表面结合性能并提高运动的可靠性、稳定性和显著延长服役寿命；提供的方法具有工艺步骤简练、工艺参数易控并且能保障航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层的所述技术效果得以全面体现。
【附图说明】
[0017]图1为本发明航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合于航天器运动部件基体的表面的示意图。
【具体实施方式】
[0018]请参见图1，在图1中示出了航天器运动部件基体1，示出了以航天器运动部件基体I为载体即在使用状态下依次结合于航天器运动部件基体I的表面的基底层2、结合于基底层2的表面的梯度过 渡层3和结合于梯度过渡层3外的类金刚石镀膜层4。这里所提及的航天器运动部件基体I并非限于例举的如轴承、涡轮蜗杆、谐波减速器和齿轮，等等。
[0019]作为本发明提供的技术方案的技术要点:前述的基底层2为厚度0.08-0.12 μπι的钛层；前述的梯度过渡层3为厚度0.3-0.5 μπι的钛和硅梯度过渡层；前述的类金刚石镀膜层4为厚度1-5 μπι的掺硅类金刚石膜层。
[0020]实施例1:
Α)清洗，先后采用石油醚、丙酮以及无水乙醇并且利用超声波清洗装置对航天器运动部件基体I的范畴的轴承的表面(轴承内、外圈及滚珠的表面)依次进行超声波清洗，具体是:先用石油醚清洗5min，再依次用丙酮和无水乙醇各清洗5min，得到清洁基体；
B)加热并抽真空，将由步骤A)得到的清洁基体引入真空溅射镀膜机中并且在90°C下抽真空至2 X KT3Pa ；
C)再次清洗，向由步骤B)中所述的真空溅射镀膜机中引入氩气并开启等离子体源对处于抽真空状态的清洁基体表面进行轰击清洗，其中:氩气的流量为250sccm，等离子体源的电流为28A，等离子体源的电压为-500V，轰击清洗的时间为30min，得到轰击清洗基体；
D)沉积基底层2，向步骤C)所述的真空溅射镀膜机中通入氩气并在真空度处于KT1Pa的状态下开启溅射钛靶，在由步骤C)得到的轰击清洗基体表面沉积厚度为0.1 μ m钛层，本步骤中沉积钛层的工艺参数控制为:溅射钛靶的功率控制为4KW、非平衡线圈的电流控制为2A、电压处于-50V的偏压状态以及溅射钛靶的时间为lOmin，得到表面结合有以钛层为基底层2的航天器运动部件基体1，即得到表面结合有以钛层为基底层2的轴承(包括内、夕卜圆和滚珠);
E)沉积梯度过渡层3，向步骤D)所述真空溅射镀膜机中引入氩气，氩气的流量为lOOsccm,开启磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶，对由步骤D)所述的钛层的表面沉积钛和硅梯度过渡层，具体的工艺参数即磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的具体的工艺参数为:非平衡线圈电流控制为3A，工件台偏压控制为-50V，钛靶初始功率控制为4KW并且衰减速率为200W/min，硅靶增加速率控制为100W/min，硅靶最终功率控制为2KW/min，磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的时间为28min，得到在表面依次结合有钛层以及厚度为0.3 ym钛和硅梯度过渡层的航天器运动部件基体I (轴承)；
F)沉积类金刚石镀膜层4，开启硅靶，在步骤E)所述的钛和硅梯度过渡层2的表面形成由掺硅类金刚石膜层充任的类金刚石镀膜层4，在开启硅靶的同时向步骤E)所述的真空溅射镀膜机中引入氩气和乙炔气体，氩气的流量为200SCCm，乙炔气体的流量为lOOsccm，掺硅类金刚石膜层形成于所述钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数为:非平衡线圈电流控制为2A，工件台偏压控制为-100V，沉积时间控制为120min，掺硅类金刚石膜层的厚度为3 μπι，得到在表面依次结合有由钛层充当的基底层2、由钛和硅梯度过渡层充当的梯度过渡层3以及由掺硅类金刚石膜层充当的类金刚石镀膜层4的航天器运动部件基体I (本实施例为轴承)。
[0021]实施例2:
Α)清洗，先后采用石油醚、丙酮以及无水乙醇并且利用超声波清洗装置对航天器运动部件基体I的范畴的涡轮的表面依次进行超声波清洗，具体是:先用石油醚清洗4min，再依次用丙酮和无水乙醇各清洗4min，得到清洁基体；
B)加热并抽真空，将由步骤A)得到的清洁基体引入真空溅射镀膜机中并且在100°C下抽真空5 X 10 4Pa ；
C)再次清洗，向由步骤B)中所述的真空溅射镀膜机中引入氩气并开启等离子体源对处于抽真空状态的清洁基体表面进行轰击清洗，其中:氩气的流量为200sccm，等离子体源的电流为30A，等离子体源的电压为-550V，轰击清洗的时间为25min，得到轰击清洗基体；
D)沉积基底层2，向步骤C)所述的真空溅射镀膜机中通入氩气并在真空度处于KT1Pa的状态下开启溅射钛靶，在由步骤C)得到的轰击清洗基体表面沉积厚度为0.12 μ m钛层，本步骤中沉积钛层的工艺参数控制为:溅射钛靶的功率控制为4KW、非平衡线圈的电流控制为2A、电压处于-50V的偏压状态以及溅射钛靶的时间为lOmin，得到表面结合有以钛层为基底层2的航天器运动部件基体1，即得到表面结合有以钛层为基底层2的涡轮；
E)沉积梯度过渡层3，向步骤D)所述真空溅射镀膜机中引入氩气，氩气的流量为10sccm,开启磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶，对由步骤D)所述的钛层的表面沉积钛和硅梯度过渡层，具体的工艺参数即磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的具体的工艺参数为:非平衡线圈电流控制为3A，工件台偏压控制为-50V，钛靶初始功率控制为4KW并且衰减速率为200W/min，硅靶增加速率控制为100W/min，硅靶最终功率控制为2KW/min，磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的时间为30min，得到在表面依次结合有钛层以及厚度为0.5 ym钛和硅梯度过渡层的航天器运动部件基体I (涡轮)；
F)沉积类金刚石镀膜层4，开启硅靶，在步骤E)所述的钛和硅梯度过渡层2的表面形成由掺硅类金刚石膜层充任的类金刚石镀膜层4，在开启硅靶的同时向步骤E)所述的真空溅射镀膜机中引入氩气和乙炔气体，氩气的流量为200SCCm，乙炔气体的流量为lOOsccm，掺硅类金刚石膜层形成于所述钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数为:非平衡线圈电流控制为2A，工件台偏压控制为-100V，沉积时间控制为120min，掺硅类金刚石膜层的厚度为5 μπι，得到在表面依次结合有由钛层充当的基底层2、由钛和硅梯度过渡层充当的梯度过渡层3以及由掺硅类金刚石膜层充当的类金刚石镀膜层4的航天器运动部件基体I (本实施例为涡轮)。
[0022]实施例3:
A)清洗，先后采用石油醚、丙酮以及无水乙醇并且利用超声波清洗装置对航天器运动部件基体I的范畴的齿轮的表面依次进行超声波清洗，具体是:先用石油醚清洗6min，再依次用丙酮和无水乙醇各清洗6min，得到清洁基体；
B)加热并抽真空，将由步骤A)得到的清洁基体引入真空溅射镀膜机中并且在90°C下抽真空 3.5 X 10 4Pa ；
C)再次清洗，向由步骤B)中所述的真空溅射镀膜机中引入氩气并开启等离子体源对处于抽真空状态的清洁基体表面进行轰击清洗，其中:氩气的流量为300sccm，等离子体源的电流为32A，等离子体源的电压为-450V，轰击清洗的时间为35min，得到轰击清洗基体；
D)沉积基底层2，向步骤C)所述的真空溅射镀膜机中通入氩气并在真空度处于KT1Pa的状态下开启溅射钛靶，在由步骤C)得到的轰击清洗基体表面沉积厚度为0.08 μ m钛层，本步骤中沉积钛层的工艺参数控制为:溅射钛靶的功率控制为4KW、非平衡线圈的电流控制为2A、电压处于-50V的偏压状态以及溅射钛靶的时间为lOmin，得到表面结合有以钛层为基底层2的航天器运动部件基体1，即得到表面结合有以钛层为基底层2的齿轮；
E)沉积梯度过渡层3，向步骤D)所述真空溅射镀膜机中引入氩气，氩气的流量为lOOsccm,开启磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶，对由步骤D)所述的钛层的表面沉积钛和硅梯度过渡层，具体 的工艺参数即磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的具体的工艺参数为:非平衡线圈电流控制为3A，工件台偏压控制为-50V，钛靶初始功率控制为4KW并且衰减速率为200W/min，硅靶增加速率控制为100W/min，硅靶最终功率控制为2KW/min，磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的时间为32min，得到在表面依次结合有钛层以及厚度为0.4 μ m钛和硅梯度过渡层的航天器运动部件基体I (齿轮)；
F)沉积类金刚石镀膜层4，开启硅靶，在步骤E)所述的钛和硅梯度过渡层2的表面形成由掺硅类金刚石膜层充任的类金刚石镀膜层4，在开启硅靶的同时向步骤E)所述的真空溅射镀膜机中引入氩气和乙炔气体，氩气的流量为200SCCm，乙炔气体的流量为lOOsccm，掺硅类金刚石膜层形成于所述钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数为:非平衡线圈电流控制为2A，工件台偏压控制为-100V，沉积时间控制为120min，掺硅类金刚石膜层的厚度为1.2 μπι，得到在表面依次结合有由钛层充当的基底层2、由钛和硅梯度过渡层充当的梯度过渡层3以及由掺硅类金刚石膜层充当的类金刚石镀膜层4的航天器运动部件基体I (本实施例为齿轮)。
【主权项】
1.一种航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层，包括在使用状态下结合到航天器运动部件基体(I)的表面的基底层(2)、结合于基底层(2)的表面的梯度过渡层(3)和结合于梯度过渡层(3)的表面的类金刚石镀膜层(4)，其特征在于:所述的基底层(2)为钛层，所述的梯度过渡层(3)为钛和硅梯度过渡层，所述的类金刚石镀膜层(4)为掺硅类金刚石膜层O2.根据权利要求1所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层，其特征在于所述的钛层的厚度小于所述的钛和硅梯度过渡层的厚度，而钛和硅梯度过渡层的厚度小于所述掺硅类金刚石膜层的厚度。3.根据权利要求1或2所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层，其特征在于所述钛层的厚度为0.08-0.12 μm ;所述的钛和硅梯度过渡层的厚度为0.3-0.5 ym ;所述的掺娃类金刚石膜层的厚度为1-5 μπι。4.一种如权利要求1所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于包括以下步骤: Α)清洗，先后采用不同的清洗介质并且利用超声波清洗装置对航天器运动部件基体(I)的表面依次进行超声波清洗，得到清洁基体； B)加热并抽真空，将由步骤Α)得到的清洁基体引入真空溅射镀膜机中并且在加热状态下抽真空，控制加热的温度和控制抽真空的真空度； C)再次清洗，向由步骤B)中所述的真空溅射镀膜机中引入氩气并开启等离子体源对处于抽真空状态的所述清洁基体表面进行轰击清洗，控制等离子体源的电流和电压以及控制轰击清洗的时间，得到轰击清洗基体； D)沉积基底层(2)，向步骤C)所述的真空溅射镀膜机中通入氩气并在真空度处于1-1Pa的状态下开启溅射钛钯，在所述轰击清洗基体表面沉积钛层，并且控制沉积钛层的工艺参数，得到表面结合有以钛层为基底层(2)的航天器运动部件基体(I); Ε)沉积梯度过渡层(3)，向步骤D)所述真空溅射镀膜机中引入氩气，并且控制氩气的流量，同时开启磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶，对由步骤D)所述的钛层的表面沉积钛和硅梯度过渡层，并且控制磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的工艺参数，得到在表面依次结合有钛层以及钛和硅梯度过渡层的航天器运动部件基体(I); F)沉积类金刚石镀膜层(4)，开启硅靶，在步骤Ε)所述的钛和硅梯度过渡层的表面形成掺硅类金刚石膜层，并且在开启硅靶的同时向步骤Ε)所述的真空溅射镀膜机中引入氩气和乙炔气体，控制氩气和乙炔气体的流量以及控制掺硅类金刚石膜层形成于所述钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数，得到在表面依次结合有由钛层充当的基底层(2)、由钛和硅梯度过渡层充当的梯度过渡层(3)和由掺硅类金刚石膜层充当的类金刚石镀膜层(4)的航天器运动部件基体(I)。5.根据权利要求4所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于步骤Α)中所述的不同的清洗介质依次为石油醚、丙酮以及无水乙醇，所述的不同清洗介质的超声波清洗的时间各为4-6min。6.根据权利要求4所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于步骤B)中所述的控制加热温度是将加热温度控制为90-100°C ;所述的控制抽真空的真空度是将抽真空的真空度控制为2X10-3-5X10_4Pa。7.根据权利要求4所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于步骤C)中所述的氩气的引入流量为200-300sCCm ;所述的控制等离子体源的电流是将等离子体源的电流控制为28-32A ;所述的控制等离子体源的电压是将等离子体源的电压控制为-450?-550V ;所述的控制轰击清洗的时间是将轰击清洗的时间控制为25-35min。8.根据权利要求4所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于步骤D)中所述的控制沉积钛层的工艺参数是指:溅射钛靶的功率控制在4KW、非平衡线圈的电流控制为2A、电压处于-50V的偏压状态和溅射钛靶的时间控制为lOmin。9.根据权利要求4所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于步骤E)中所述的控制氩气的流量是将氩气的流量控制为lOOsccm，所述的控制磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的工艺参数是指:非平衡线圈电流控制为3A，工件台偏压控制为-50V，钛靶初始功率控制为4KW并且衰减速率为200W/min，硅靶增加速率控制为100W/min，最终功率控制为2KW/min，磁控溅射钛靶和磁控溅射硅靶的时间为 28_32min。10.根据权利要求4所述的航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层结合到航天器运动部件表面的方法，其特征在于步骤F)中所述的控制氩气和乙炔气体的流量是将氩气和乙炔气体的流量分别控制为200sccm和10sccm ;所述的控制娃掺杂金刚石膜层形成于钛和硅梯度过渡层的表面的工艺参数是指:非平衡线圈电流控制为2A，工件台偏压控制为-100V，沉积时间控制为120min。
【专利摘要】一种航天器运动部件表面的掺硅类金刚石膜层以及结合到航天器运动部件表面的方法，属于金属零部件表面保护材料领域。包括基底层、结合于基底层表面的梯度过渡层和结合于梯度过渡层表面的类金刚石镀膜层，特点：基底层为钛层，梯度过渡层为钛和硅梯度过渡层，类金刚石镀膜层为掺硅类金刚石膜层。步骤：对航天器运动部件基体的表面进行超声波清洗；将得到的清洁基体引入真空溅射镀膜机中且在加热状态下抽真空；对清洁基体表面进行轰击清洗；在轰击清洗基体表面沉积钛层；对钛层的表面沉积钛和硅梯度过渡层；在钛和硅梯度过渡层的表面形成掺硅类金刚石膜层。具有良好的润滑和耐磨性，提高运动的可靠、稳定性和延长寿命；步骤简练、工艺参数易控。
【IPC分类】C23C14/35, C23C14/14, C23C14/06
【公开号】CN104894513
【申请号】CN201510172947
【发明人】周晖, 郑军, 杨拉毛草, 万志华, 桑瑞鹏, 耿飞, 沈志晨, 惠进德
【申请人】江苏惠丰润滑材料股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月13日
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