□ 郭 召

西安大醫(yī)集團(tuán)股份有限公司 西安 710018

1 研究背景

多葉光柵準(zhǔn)直器如圖1所示,是新型高端醫(yī)用直線加速器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)放射治療的關(guān)鍵部件。鎢合金葉片是多葉光柵準(zhǔn)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(dú)立運(yùn)動(dòng),共同協(xié)作包絡(luò)出所需的射野形狀。鎢合金葉片在工作過程中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),葉片上的導(dǎo)軌和葉片箱體中的導(dǎo)向槽構(gòu)成一對(duì)滑動(dòng)副,起引導(dǎo)葉片運(yùn)動(dòng)和承載葉片重力的作用。這一對(duì)滑動(dòng)副表面同時(shí)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(fù)運(yùn)動(dòng)引起滑動(dòng)副磨損,造成摩擦阻力增大,驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)荷增大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成運(yùn)動(dòng)卡滯,對(duì)傳動(dòng)精度造成影響。磨損還會(huì)破壞原有的配合尺寸,導(dǎo)致間隙增大,降低鎢合金葉片的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)精度,使鎢合金葉片在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。

圖1 多葉光柵準(zhǔn)直器

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

2 鍍層種類與特點(diǎn)

類金剛石鍍層具有SP2和SP3電子軌道雜化的碳原子空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖2所示。類金剛石鍍層既具有金剛石堅(jiān)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(zhì),就可以大幅減小摩擦損耗,在汽車、航空航天、軍工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于金剛石結(jié)構(gòu)在高溫下不穩(wěn)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(fù)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(huì)對(duì)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(jié)構(gòu),有金屬光澤,硬度與金剛石相近。碳化鎢熱穩(wěn)定性高,可以使用較高溫度的制備工藝,預(yù)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(dá)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(yè)應(yīng)用廣泛。

圖2 類金剛石空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

固體干膜潤滑鍍層同樣應(yīng)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(qiáng)度及硬度較低,適用于軌壓較低的工況,往復(fù)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(jié)構(gòu),難溶于其它溶劑,熱穩(wěn)定性強(qiáng),潤滑性能通常優(yōu)于二硫化鉬。MIL-PRF-46010是針對(duì)航空航天零件高溫高速工況開發(fā)的一種固體干膜潤滑劑,可通過浸涂、噴涂進(jìn)行制備,鍍層厚度為8～13 μm[6-8]。幾種常用鍍層的性能對(duì)比見表1。

表1 常用鍍層性能對(duì)比

3 鍍膜工藝

鍍膜工藝主要有物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積兩大類。

化學(xué)氣相沉積經(jīng)由氣態(tài)先驅(qū)物,通過氣相原子或分子間化學(xué)反應(yīng),生成薄膜。化學(xué)氣相沉積溫度要求較高,并伴有環(huán)境污染等問題,因此發(fā)展緩慢。物理氣相沉積利用物質(zhì)熱蒸或在粒子轟擊下物質(zhì)表面原子濺射等物理過程,實(shí)現(xiàn)原子從源物質(zhì)到薄膜的可控轉(zhuǎn)移,是制備硬質(zhì)鍍層的常用技術(shù)。按照沉積時(shí)物理機(jī)制的差別,物理氣相沉積一般分為真空蒸發(fā)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(fā)鍍膜和真空濺射鍍膜是兩種應(yīng)用廣泛的鍍膜技術(shù)。

真空濺射鍍膜原理如圖3所示。在真空狀態(tài)下通過輝光放電作用,使惰性氣體氬氣產(chǎn)生電離運(yùn)動(dòng),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(jìn)行,對(duì)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(fā)鍍膜原理如圖4所示。在真空條件下,通過電加熱使蒸發(fā)容器中的鍍膜材料蒸發(fā),由固相轉(zhuǎn)化為氣相,形成蒸氣流,從而沉積凝結(jié)在零件表面,形成穩(wěn)定的薄膜。真空蒸發(fā)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(fā)鍍膜原理

4 鍍層選擇與應(yīng)用

多葉光柵準(zhǔn)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(dú)立運(yùn)動(dòng),到達(dá)各自目標(biāo)位置,共同配合包絡(luò)出所需形狀。多葉光柵工作時(shí)要求鎢合金葉片運(yùn)動(dòng)靈活,響應(yīng)速度快,反復(fù)加減速時(shí)具有持久的高精度。對(duì)鎢合金葉片表面進(jìn)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(duì)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(yùn)動(dòng)要求,確認(rèn)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(jìn)行鍍層快速試驗(yàn),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(huì)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(jìn)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(zhǔn)直器鎢合金葉片的表面處理工藝,在后續(xù)小批量生產(chǎn)及應(yīng)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(jié)束語

多葉光柵準(zhǔn)直器的鎢合金葉片在工作過程中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),要求鎢合金葉片表面具有高硬度、低摩擦因數(shù)。對(duì)鎢合金葉片進(jìn)行表面處理,降低摩擦因數(shù),提高表面硬度,減小磨損,可以顯著提高運(yùn)行平穩(wěn)性,保持高精度。類金剛石鍍層在多葉光柵準(zhǔn)直器鎢合金葉片上應(yīng)用,可以滿足需求,證明類金剛石鍍層對(duì)于鎢合金葉片而言是一種理想的鍍層。