為了改善空間對接鎖系在空間環境中的抗磨損和防冷焊性能，采用等離子體浸沒離子注入與沉積技術在鈦合金零部件表面制備類金剛石碳膜(DLC)。通過摩擦磨損試驗、劃痕試驗、壓痕試驗來表征DLC膜的摩擦性能、膜-基結合力及顯微硬度。結果表明，經復合強化制備的DLC膜摩擦系數低于0.15、磨損率為1.7×10^-7mm³/N·m、膜-基結合力達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真空潤滑脂的固體-油脂復合潤滑方式來進一步改善DLC膜在空間應用性能，試驗證實該項技術可滿足空間對接鎖系零部件的抗磨損、防冷焊需求。

　　航天器作為高技術產品與其他產品的重要區別之一，就是要經歷復雜嚴酷的空間環境效應的考核，因而其對金屬零件的表面質量如硬度、耐磨性等性能提出了很高的要求。在空間對接機構中，起到對接鎖緊、連接密封作用的是TC4鈦合金材料的偏心軸和對接鎖鉤兩種重要零件。由于對接鎖結構緊湊、減重要求嚴格，對接鎖鉤之間在鎖緊和解鎖時表面應既要有自鎖性能，又具有自潤滑性能，以防止鎖鉤之間因真空冷焊效應而導致“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，保證機構在空間環境30～35kN的大負載下自由轉動、防“冷焊”，正確實現鎖定、解鎖功能，并能多次重復使用，以確保空間對接任務的完成。空間機械中應用最為廣泛的軟質MoS2固體潤滑膜層不能滿足對接鎖系零部件對表面硬度的要求；而傳統的離子氮化工藝由于其處理溫度高，零件變形大，不能保證產品尺寸精度，導致產品合格率低，真空技術網(http://smsksx.com/)認為因此亟需尋找一種新型的表面強化及潤滑處理技術。

　　類金剛石碳(DLC)膜將高硬度、低摩擦系數、耐磨損、耐腐蝕性、抗粘結、化學穩定性等特性完美地結合于一體，是一種優異的新型減摩抗磨防護材料。在空間機械系統用精密對接機構、軸承、齒輪、傳動結構、微型機械運動部件等表面鍍制該類薄膜，可大幅度降低零部件的磨損，提高其在苛刻空間環境下(超高/低溫、超高真空、塵埃、輻照等)的使用壽命和可靠性。前蘇聯最早將DLC膜應用于空間陀螺儀的固體潤滑；NASA也在上世紀90年代中后期就開展了復合DLC膜在航天領域的應用研究，期望發展一種在航天器萬向節軸承、太陽能帆板傳動機構上服役的使用壽命達到15～30年的硬質減摩抗磨鍍層。國內方面，中科院蘭州化學物理研究所、中國航天科技集團510所和哈爾濱工業大學等院所和高校在DLC膜空間應用領域開展了卓有成效的研究工作，解決了一些相關技術難題。公開報道過的DLC膜空間應用主要有空間飛輪軸、斯特林制冷劑活塞、空間諧波齒輪等，但缺乏系統性的論證和評估，應用非常有限。

　　本研究利用等離子體浸沒離子注入與沉積(PIII&D)技術在TC4合金表面制備DLC膜，研究不同膜層結構和膜層厚度對改性層的使用性能和壽命的影響。以空間對接機構偏心軸為典型零件，采用DLC固體潤滑薄膜-油脂復合潤滑形式，通過振動、沖擊、熱真空循環及壽命試驗來考核這種復合潤滑方式的真空使用性能。

試驗方法

　　復合膜層的制備是在哈爾濱工業大學研制的PIIID-04型多功能離子注入與沉積設備上進行的。基體材料為TC4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水乙醇各超聲清洗10min，再經吹干后放入真空室中，抽真空至本底真空5.0×10^-3Pa后，進行氬離子濺射清洗30min，以除去試樣表面殘存和吸附的氧化物等雜質。PIII&D復合表面強化處理的復合膜層設計為“金屬黏結層+中間過渡層(陶瓷承載層和碳化物/DLC過渡層)+抗磨損層”的方式。復合膜層由內到外依次由Ti金屬黏結層(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金屬黏結層起到了緩沖應力，阻止截面微裂紋萌生，進而提高膜-基結合力及膜的整體韌性的作用；陶瓷承載層的硬化膜層用來減少基體的塑性變形，為外部強化層提供足夠的承載能力；碳化物過渡膜層用來解決外部抗磨損層與強化基體的結合力問題；表面抗磨損膜層能夠保證工作條件下表面低的摩擦系數和磨損速率。

圖1 PIII&D復合強化層結構

　　實驗采用TC4鈦合金，分成A1-A5、B1-B3共8組試件，分別采取表1中不同的實驗參數進行PIII&D復合強化處理。其中最外層DLC膜層由采用石墨作為陰極的磁過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穩定性，更適于作為耐磨損層；制備中間過渡層的Ti/TiN/TiCN/TiC膜層時，氣體等離子體由射頻源電離氬氣、氮氣和乙炔氣體產生，Ti等離子體由磁過濾脈沖陰極弧源產生，并在負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制備復合膜層實驗方案

　　借助S-4800型場發射掃描電鏡(FESEM)觀察復合膜層的表面及截面微觀形貌；球-盤摩擦磨損試驗在WTM-2E型可控氣氛微型摩擦磨損試驗儀上進行，摩擦球是直徑為4mm的Si3N4陶瓷球，載荷200g，旋轉半徑3mm，轉速300r/min，以改性層完全磨穿時的轉動圈數來判斷磨損壽命；劃痕試驗和顯微硬度試驗是在瑞士CSM儀器的NST型號納米劃痕及納米壓痕儀上進行；復合膜層的磨損率的測量是在UMT-2型球-盤摩擦磨損試驗機上進行，并結合TalysurfCCI三維激光形貌儀進行磨痕形貌的檢測，計算膜層的磨損率；利用HB-3000B型布氏硬度計來對比不同膜層的布氏壓痕形貌。

結論

　　(1)采用PIII&D進行梯度過渡多層膜結構表面復合處理后，可在DLC膜與TC4基體之間形成熱物理特性、力學性能等梯度過渡多層結構的中間層，增強膜-基結合力，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復合處理技術能夠很好的滿足對接鎖系零部件的表面強化要求，提高了其使用壽命。

　　(3)DLC膜在空間機械領域的成功應用為空間技術領域活動部件的可靠性潤滑提供了另一種有效的解決方法。