鎢合金葉片表面處理工藝研究*

□ 郭 召

西安大醫集團股份有限公司 西安 710018

1 研究背景

多葉光柵準直器如圖1所示,是新型高端醫用直線加速器實現精準放射治療的關鍵部件。鎢合金葉片是多葉光柵準直器的基本組成單元。鎢合金葉片成組相鄰排布在箱體中,獨立運動,共同協作包絡出所需的射野形狀。鎢合金葉片在工作過程中進行往復運動,葉片上的導軌和葉片箱體中的導向槽構成一對滑動副,起引導葉片運動和承載葉片重力的作用。這一對滑動副表面同時承受法向壓力與切向摩擦力,磨損是主要失效形式。高頻往復運動引起滑動副磨損,造成摩擦阻力增大,驅動機構負荷增大,嚴重時會造成運動卡滯,對傳動精度造成影響。磨損還會破壞原有的配合尺寸,導致間隙增大,降低鎢合金葉片的運動姿態精度,使鎢合金葉片在運動過程中產生振動噪聲。

圖1 多葉光柵準直器

為獲得較長的使用壽命及良好的摩擦學性能,通常要求鎢合金葉片表面具有高硬度、低摩擦因數。合理的表面鍍層處理工藝可以提高硬度,減小摩擦因數,提高局部強度,改善表層形貌,并提高耐腐蝕性,對延長鎢合金葉片使用壽命有重要意義。筆者對鎢合金葉片的表面處理工藝進行研究。

2 鍍層種類與特點

類金剛石鍍層具有SP2和SP3電子軌道雜化的碳原子空間網絡結構,如圖2所示。類金剛石鍍層既具有金剛石堅硬耐磨的特性,又具有石墨低摩擦的特性,是一種理想的耐磨減摩鍍層,不需要任何潤滑介質,就可以大幅減小摩擦損耗,在汽車、航空航天、軍工領域得到廣泛應用。由于金剛石結構在高溫下不穩定,因此類金剛石鍍層通常推薦的最高使用工作溫度為300 ℃,適合高負載、中低溫工況。類金剛石鍍層可以在低溫中成長,室溫下即可獲得,制備過程不會對零件基體造成熱變形損壞,制備工藝性良好[1-3]。

碳化鎢為黑色六方晶體結構,有金屬光澤,硬度與金剛石相近。碳化鎢熱穩定性高,可以使用較高溫度的制備工藝,預熔敷層、耐磨涂料、噴焊、堆焊、熱噴涂等方法均可以制備碳化鎢鍍層[4-5]。碳化鎢鍍層的厚度通常能夠達到0.5～15 μm,維氏硬度(HV)為2 000,硬度高,耐高溫,耐磨損,在刀具、模具等行業應用廣泛。

圖2 類金剛石空間網絡結構

固體干膜潤滑鍍層同樣應用廣泛,常見的有二硫化鉬、二硫化鎢、MIL-PRF-46010等。二硫化鉬固體干膜鍍層是一種熱固化潤滑劑,使用壽命長,耐磨損,自潤滑性好,但強度及硬度較低,適用于軌壓較低的工況,往復摩擦后易滑移堆積,持久性較差,使用壽命短。二硫化鎢為六方晶體層狀結構,難溶于其它溶劑,熱穩定性強,潤滑性能通常優于二硫化鉬。MIL-PRF-46010是針對航空航天零件高溫高速工況開發的一種固體干膜潤滑劑,可通過浸涂、噴涂進行制備,鍍層厚度為8～13 μm[6-8]。幾種常用鍍層的性能對比見表1。

表1 常用鍍層性能對比

3 鍍膜工藝

鍍膜工藝主要有物理氣相沉積和化學氣相沉積兩大類。

化學氣相沉積經由氣態先驅物,通過氣相原子或分子間化學反應,生成薄膜。化學氣相沉積溫度要求較高,并伴有環境污染等問題,因此發展緩慢。物理氣相沉積利用物質熱蒸或在粒子轟擊下物質表面原子濺射等物理過程,實現原子從源物質到薄膜的可控轉移,是制備硬質鍍層的常用技術。按照沉積時物理機制的差別,物理氣相沉積一般分為真空蒸發鍍膜、真空濺射鍍膜、離子鍍膜、分子束外延等[9-10]。其中,真空蒸發鍍膜和真空濺射鍍膜是兩種應用廣泛的鍍膜技術。

真空濺射鍍膜原理如圖3所示。在真空狀態下通過輝光放電作用,使惰性氣體氬氣產生電離運動,生成氬離子轟擊靶材,將靶材原子轟出,堆積在零件表面形成薄膜。真空濺射鍍膜工藝可以在低溫下進行,對精密金屬件能夠有效減小熱誤差。

圖3 真空濺射鍍膜原理

真空蒸發鍍膜原理如圖4所示。在真空條件下,通過電加熱使蒸發容器中的鍍膜材料蒸發,由固相轉化為氣相,形成蒸氣流,從而沉積凝結在零件表面,形成穩定的薄膜。真空蒸發鍍膜的鍍層純凈度高,但均勻性不易控制,膜基附著力弱。

圖4 真空蒸發鍍膜原理

4 鍍層選擇與應用

多葉光柵準直器中鎢合金葉片的安裝如圖5所示。鎢合金葉片成組安裝在箱體中,相鄰排布,獨立運動,到達各自目標位置,共同配合包絡出所需形狀。多葉光柵工作時要求鎢合金葉片運動靈活,響應速度快,反復加減速時具有持久的高精度。對鎢合金葉片表面進行鍍層處理是提高耐磨性、減小摩擦力、保持高精度的重要手段。

通過對幾種常用鍍層的分析比較,綜合考慮鎢合金葉片的使用工況及運動要求,確認類金剛石鍍層和碳化鎢鍍層是比較理想的鍍層。在鎢合金葉片樣件上進行鍍層快速試驗,采用真空濺射鍍膜工藝,碳化鎢鍍層如圖6所示,類金剛石鍍層如圖7所示。碳化鎢鍍層表面偏灰白色,光澤暗淡,手觸摸后會留下肉眼可見的手印。類金剛石鍍層表面呈亮黑色,具有一定光澤。兩種鎢合金葉片分別安裝在箱體中進行跑合測試,碳化鎢鍍層有剝落,類金剛石鍍層表面完整,初步判斷類金剛石鍍層更適合用作多葉光柵準直器鎢合金葉片的表面處理工藝,在后續小批量生產及應用中證明了這一選擇的正確性。

圖5 鎢合金葉片的安裝

圖6 碳化鎢鍍層

圖7 類金剛石鍍層

5 結束語

多葉光柵準直器的鎢合金葉片在工作過程中進行往復運動,要求鎢合金葉片表面具有高硬度、低摩擦因數。對鎢合金葉片進行表面處理,降低摩擦因數,提高表面硬度,減小磨損,可以顯著提高運行平穩性,保持高精度。類金剛石鍍層在多葉光柵準直器鎢合金葉片上應用,可以滿足需求,證明類金剛石鍍層對于鎢合金葉片而言是一種理想的鍍層。