為了改善空間對(duì)接鎖系在空間環(huán)境中的抗磨損和防冷焊性能，采用等離子體浸沒(méi)離子注入與沉積技術(shù)在鈦合金零部件表面制備類(lèi)金剛石碳膜(DLC)。通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)、劃痕試驗(yàn)、壓痕試驗(yàn)來(lái)表征DLC膜的摩擦性能、膜-基結(jié)合力及顯微硬度。結(jié)果表明，經(jīng)復(fù)合強(qiáng)化制備的DLC膜摩擦系數(shù)低于0.15、磨損率為1.7×10^-7mm³/N·m、膜-基結(jié)合力達(dá)256mN、顯微硬度為21GPa，能夠有效地提高航天用鈦合金零件的使用性能。采用DLC膜和Braycote601EF真空潤(rùn)滑脂的固體-油脂復(fù)合潤(rùn)滑方式來(lái)進(jìn)一步改善DLC膜在空間應(yīng)用性能，試驗(yàn)證實(shí)該項(xiàng)技術(shù)可滿足空間對(duì)接鎖系零部件的抗磨損、防冷焊需求。

　　航天器作為高技術(shù)產(chǎn)品與其他產(chǎn)品的重要區(qū)別之一，就是要經(jīng)歷復(fù)雜嚴(yán)酷的空間環(huán)境效應(yīng)的考核，因而其對(duì)金屬零件的表面質(zhì)量如硬度、耐磨性等性能提出了很高的要求。在空間對(duì)接機(jī)構(gòu)中，起到對(duì)接鎖緊、連接密封作用的是TC4鈦合金材料的偏心軸和對(duì)接鎖鉤兩種重要零件。由于對(duì)接鎖結(jié)構(gòu)緊湊、減重要求嚴(yán)格，對(duì)接鎖鉤之間在鎖緊和解鎖時(shí)表面應(yīng)既要有自鎖性能，又具有自潤(rùn)滑性能，以防止鎖鉤之間因真空冷焊效應(yīng)而導(dǎo)致“咬死”失效。因此，要求這兩種零件表面具有足夠的表面硬度和耐磨性，保證機(jī)構(gòu)在空間環(huán)境30～35kN的大負(fù)載下自由轉(zhuǎn)動(dòng)、防“冷焊”，正確實(shí)現(xiàn)鎖定、解鎖功能，并能多次重復(fù)使用，以確�？臻g對(duì)接任務(wù)的完成�？臻g機(jī)械中應(yīng)用最為廣泛的軟質(zhì)MoS2固體潤(rùn)滑膜層不能滿足對(duì)接鎖系零部件對(duì)表面硬度的要求；而傳統(tǒng)的離子氮化工藝由于其處理溫度高，零件變形大，不能保證產(chǎn)品尺寸精度，導(dǎo)致產(chǎn)品合格率低，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.healwit.com.cn/)認(rèn)為因此亟需尋找一種新型的表面強(qiáng)化及潤(rùn)滑處理技術(shù)。

　　類(lèi)金剛石碳(DLC)膜將高硬度、低摩擦系數(shù)、耐磨損、耐腐蝕性、抗粘結(jié)、化學(xué)穩(wěn)定性等特性完美地結(jié)合于一體，是一種優(yōu)異的新型減摩抗磨防護(hù)材料。在空間機(jī)械系統(tǒng)用精密對(duì)接機(jī)構(gòu)、軸承、齒輪、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、微型機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件等表面鍍制該類(lèi)薄膜，可大幅度降低零部件的磨損，提高其在苛刻空間環(huán)境下(超高/低溫、超高真空、塵埃、輻照等)的使用壽命和可靠性。前蘇聯(lián)最早將DLC膜應(yīng)用于空間陀螺儀的固體潤(rùn)滑；NASA也在上世紀(jì)90年代中后期就開(kāi)展了復(fù)合DLC膜在航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究，期望發(fā)展一種在航天器萬(wàn)向節(jié)軸承、太陽(yáng)能帆板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上服役的使用壽命達(dá)到15～30年的硬質(zhì)減摩抗磨鍍層。國(guó)內(nèi)方面，中科院蘭州化學(xué)物理研究所、中國(guó)航天科技集團(tuán)510所和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等院所和高校在DLC膜空間應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展了卓有成效的研究工作，解決了一些相關(guān)技術(shù)難題。公開(kāi)報(bào)道過(guò)的DLC膜空間應(yīng)用主要有空間飛輪軸、斯特林制冷劑活塞、空間諧波齒輪等，但缺乏系統(tǒng)性的論證和評(píng)估，應(yīng)用非常有限。

　　本研究利用等離子體浸沒(méi)離子注入與沉積(PIII&D)技術(shù)在TC4合金表面制備DLC膜，研究不同膜層結(jié)構(gòu)和膜層厚度對(duì)改性層的使用性能和壽命的影響。以空間對(duì)接機(jī)構(gòu)偏心軸為典型零件，采用DLC固體潤(rùn)滑薄膜-油脂復(fù)合潤(rùn)滑形式，通過(guò)振動(dòng)、沖擊、熱真空循環(huán)及壽命試驗(yàn)來(lái)考核這種復(fù)合潤(rùn)滑方式的真空使用性能。

試驗(yàn)方法

　　復(fù)合膜層的制備是在哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的PIIID-04型多功能離子注入與沉積設(shè)備上進(jìn)行的�；�體材料為T(mén)C4合金，尺寸為Φ25mm×5mm的平面試樣。試樣磨光和拋光至表面粗糙度Ra≤0.8μm，隨后分別用丙酮和無(wú)水乙醇各超聲清洗10min，再經(jīng)吹干后放入真空室中，抽真空至本底真空5.0×10^-3Pa后，進(jìn)行氬離子濺射清洗30min，以除去試樣表面殘存和吸附的氧化物等雜質(zhì)。PIII&D復(fù)合表面強(qiáng)化處理的復(fù)合膜層設(shè)計(jì)為“金屬黏結(jié)層+中間過(guò)渡層(陶瓷承載層和碳化物/DLC過(guò)渡層)+抗磨損層”的方式。復(fù)合膜層由內(nèi)到外依次由Ti金屬黏結(jié)層(離子注入)、TiN沉積層、Ti(CN)沉積層、TiC沉積層和DLC膜組成，如圖1所示。

　　其中Ti金屬黏結(jié)層起到了緩沖應(yīng)力，阻止截面微裂紋萌生，進(jìn)而提高膜-基結(jié)合力及膜的整體韌性的作用；陶瓷承載層的硬化膜層用來(lái)減少基體的塑性變形，為外部強(qiáng)化層提供足夠的承載能力；碳化物過(guò)渡膜層用來(lái)解決外部抗磨損層與強(qiáng)化基體的結(jié)合力問(wèn)題；表面抗磨損膜層能夠保證工作條件下表面低的摩擦系數(shù)和磨損速率。

圖1 PIII&D復(fù)合強(qiáng)化層結(jié)構(gòu)

　　實(shí)驗(yàn)采用TC4鈦合金，分成A1-A5、B1-B3共8組試件，分別采取表1中不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行PIII&D復(fù)合強(qiáng)化處理。其中最外層DLC膜層由采用石墨作為陰極的磁過(guò)濾脈沖陰極弧方法合成，這種非氫DLC膜具有更高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，更適于作為耐磨損層；制備中間過(guò)渡層的Ti/TiN/TiCN/TiC膜層時(shí)，氣體等離子體由射頻源電離氬氣、氮?dú)夂鸵胰矚怏w產(chǎn)生，Ti等離子體由磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，并在負(fù)高壓脈沖電源的作用下加速注入并沉積在樣件表面形成化合物膜層。

表1 PIII&D制備復(fù)合膜層實(shí)驗(yàn)方案

　　借助S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)觀察復(fù)合膜層的表面及截面微觀形貌；球-盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)在WTM-2E型可控氣氛微型摩擦磨損試驗(yàn)儀上進(jìn)行，摩擦球是直徑為4mm的Si3N4陶瓷球，載荷200g，旋轉(zhuǎn)半徑3mm，轉(zhuǎn)速300r/min，以改性層完全磨穿時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)來(lái)判斷磨損壽命；劃痕試驗(yàn)和顯微硬度試驗(yàn)是在瑞士CSM儀器的NST型號(hào)納米劃痕及納米壓痕儀上進(jìn)行；復(fù)合膜層的磨損率的測(cè)量是在UMT-2型球-盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，并結(jié)合TalysurfCCI三維激光形貌儀進(jìn)行磨痕形貌的檢測(cè)，計(jì)算膜層的磨損率；利用HB-3000B型布氏硬度計(jì)來(lái)對(duì)比不同膜層的布氏壓痕形貌。

結(jié)論

　　(1)采用PIII&D進(jìn)行梯度過(guò)渡多層膜結(jié)構(gòu)表面復(fù)合處理后，可在DLC膜與TC4基體之間形成熱物理特性、力學(xué)性能等梯度過(guò)渡多層結(jié)構(gòu)的中間層，增強(qiáng)膜-基結(jié)合力，提高了膜層的抗摩擦磨損性能以及膜層的承載能力。

　　(2)PIII&D復(fù)合處理技術(shù)能夠很好的滿足對(duì)接鎖系零部件的表面強(qiáng)化要求，提高了其使用壽命。

　　(3)DLC膜在空間機(jī)械領(lǐng)域的成功應(yīng)用為空間技術(shù)領(lǐng)域活動(dòng)部件的可靠性潤(rùn)滑提供了另一種有效的解決方法。