Page 90 - 《摩擦学学报》2021年第1期

第 1 期 王新宇, 等: 表面织构对管道内壁碳基涂层润湿性与摩擦学性能影响 87

best tribology performance. Therefore, only suitable surface textures with optimum diameter and depth can properly
promote the properties of DLC coatings.
Key words: inner coating; DLC; surface texture; oil storage; tribological properties

类金刚石(DLC)涂层作为一种出色的耐磨防腐材 制，经织构化处理后涂层的结构和力学性能损伤过
料，已经成功运用于各类元器件表面的保护和润滑 [1-2] . 大，并且对曲面样品，尤其是管道这种大曲率、高长径
在管道内表面沉积超厚类金刚石涂层(diamond-like 比工件的表面织构还缺乏具体的研究.
carbon，DLC)，对于其在汽车、石油化工以及航空航天 因此，本研究中采用等离子体增强化学气相沉积
等领域的应用具有积极作用. 通常情况下，管状构件 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)
与对应支撑材料在油润滑环境中进行往复运动，而未 技术在管道内表面沉积超厚DLC涂层，并利用激光织
经处理的DLC涂层往往具有疏油的表面特性，这导致 构(Laser Surface Texture，LST)技术 [10-11] 和表面喷砂处
涂层在边界润滑条件下表现出较高的摩擦系数和较 理技术 [12-13] 分别在沉积涂层前后进行表面织构化处
大的磨损. 此外，在高速工况下，润滑油的爬升外溢问 理，构建微型储油器，研究织构化处理对管道内壁超
题也亟待解决. 因此，调控DLC涂层的表面亲疏油特 厚DLC涂层储油和摩擦学性能的影响.
性对提高其在实际服役工况下的摩擦学性能具有重
1 试验部分
要意义.
表面织构化处理技术是通过在机械部件表面构 1.1 涂层制备
建微米级或纳米级织构，为液体动力润滑提供额外的 在沉积涂层之前，管道样品(长度为560 mm，内径
流体压力 [3-4] ，同时在高载荷下提供润滑剂来增加承载 为56 mm，粗糙度65 nm)和硅片(10 mm×10 mm)分别
能力 [5-6] ，从而达到减少磨损、降低摩擦系数和接触温 在石油醚和酒精中超声清洗1 h. 采用PECVD沉积
[7]
度的目的. Ding等 的研究表明，相比于无织构非晶碳 DLC涂层时，将管道本身作为真空腔室，当真空抽至
膜(a-C)，织构化可以使薄膜的摩擦系数降低15%. 0.667 Pa(5 mTorr)时，通入氢气对基体进行二次清洗
[8]
Amanov等 发现通过对Si-DLC涂层进行织构化处理， 和活化，以消除基体表面的氧化物随后分别通入氩气
可以使摩擦系数降低10% ~ 30%，磨损率降低70% ~ (Ar)、硅烷(2% SiH 和98% Ar)和乙炔(C H )，并向管道
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[9]
80%. Arslan等 发现适当的孔径、较浅的凹坑可以使 施加240 W的直流脉冲电源(电压范围495~510 V，频
织构化DLC涂层在合成油中的摩擦系数降低约30%. 率为50 kHz)，依次沉积Si中间层、Si-DLC过渡层和
综上所述，表面织构化技术是改善DLC涂层摩擦学性 DLC顶层，形成Si / Si-DLC / DLC复合涂层，具体制备
能的有效途径之一. 但是传统的DLC受涂层厚度的限 工艺列于表1中.

表 1 管道内壁DLC涂层的沉积工艺
Table 1 The deposition parameters of DLC coating inside the pipe
Coating Precursor gases Flow rate/sccm Pressure/mTorr Time/min
Si interlayer 2% SiH 4 /98% Ar 400 100 8
2% SiH 4 /98% Ar 400 70 20
90 70 20
C 2 H 2
2% SiH 4 /98% Ar 300 70 20
Gradient Si-DLC layer
110 70 20
C 2 H 2
2% SiH 4 /98% Ar 200 70 10
130 70 10
C 2 H 2
150 70 30
C 2 H 2
DLC top layer
Ar 90 70 30

为了更好地了解涂层织构化处理顺序对工件表 壁进行喷砂处理，再沉积涂层；(3)先在管道内壁沉积
面润湿性和摩擦学性能的影响，本研究中分别采用以 涂层，再进行激光织构化处理(表面喷砂处理对涂层
下3个织构化处理工艺：(1)先在管道内壁进行激光织 损伤过大，本次试验不采用). 激光表面织构化处理采
构化处理，再用PECVD沉积DLC涂层；(2)先在管道内 用的是脉冲重复频率为20 kHz的CO 激光(华工激光，
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