Page 69 - 《摩擦学学报》2021年第2期
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214 摩 擦 学 学 报 第 41 卷
Key words: DLC; fretting wear; fretting map; slip regime; damage mechanism
微动是固体接触表面之间出现极小振幅的往复 用非平衡磁控溅射技术在TC4钛合金表面制备了
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运动，振幅为微米量级 . 微动图以及能量耗散方法在 DLC薄膜. 在不同载荷和位移幅值条件下结合微动图
微动磨损的研究方面已经展现出巨大的潜力 . 影响 以及摩擦耗散能理论，深入研究DLC薄膜的微动摩擦
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微动磨损的参数很多，主要参数包括载荷、位移幅值 磨损特性.
和频率等. Vingsbo和Soderberg、Vincent和Zhou等提出
1 试验方法
了“微动图”的概念，阐明微动磨损参数与微动磨损之
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间的关系 . 摩擦学研究中，虽然Archard是最普遍磨 1.1 DLC薄膜制备
损模型 ，但没有考虑摩擦对磨损的影响. 基于摩擦耗 基体为α+β双相的TC4钛合金，屈服极限为845 MPa，
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散能理论，Fouvry等 建立起微动磨损与能量耗散之 试样尺寸为Ф 24 mm×7.8 mm. 采用非平衡磁控溅射
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间的联系. 技术镀膜，以石墨为溅射靶材(质量分数99.99%)，反应
TC4钛合金是航空航天零部件的重要选材，但其 气体为氩气(质量分数99.999%)，试验所用铬靶质量分
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微动磨损性能较差. 表面改性技术是提高金属合金抗 数为99.999%. 沉积前，腔体抽取真空至1×10 Pa.
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微动磨损性能的有效途径 . 其中，类金刚石薄膜DLC DLC薄膜制备过程的工作压强约为3×10 Pa，基体偏
由于其较低的摩擦系数和较高的硬度，作为一种良好 压为−100~−40 V，溅射功率为300 W. DLC薄膜制备
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的固体润滑材料，受到人们的关注 . Kalin等 发现DLC 过程中，首先用氩离子轰击清洗试样表面，预先沉积
薄膜微动与滑动磨损两者不同的损伤机理. 滑动磨损 Cr过渡层以提高薄膜与基体的结合，然后沉积DLC
机理为磨粒磨损，微动磨损机理除磨粒磨损外，还有 薄膜.
黏着磨损. 与微动磨损相比，滑动磨损损伤较为轻微. 1.2 微动磨损试验
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Watabe等 研究认为增大微动频率可以降低DLC薄膜 采用德国Optimol公司SRV-V试验机开展微动磨
摩擦系数却促使其磨损率的上升. Navaneethakrishnan等 [10] 损试验. 上试样为Φ 10 mm GCr15钢球，下试样为
研究发现小位移幅值时，随法向载荷的增加DLC薄膜 DLC薄膜处理后的TC4. 试验条件如下：微动磨损试验
滑移状态从完全滑移变为部分滑移直至黏着. 且大载 在室温、大气环境中进行. 微动循环次数N=30 000，法
荷时微动磨损体积较小，甚至可以认为DLC薄膜没有 向载荷P分别为5、10、20和50 N(相应的赫兹接触应力
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发生石墨化进程. Wäsche等 研究表明温度对DLC薄 分别为651、820、1 034和1 406 MPa)，位移幅值D为
膜的石墨化进程影响较大. 石墨化转变促使摩擦系数 25、50和100 μm，频率ƒ为50 Hz. 试验过程中，数据采
的增加、磨损率的上升以及最终失效. Amanov等 认 集 系 统 连 续 测 量 摩 擦 系 数 . 高 分 辨 率 分 析 模 块
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为微动摩擦磨损推动DLC薄膜的石墨化进程. Ding等 [13] (HRA)可以记录每个周期内各点的信息(摩擦系数和
则把微动磨损性能的提高主要归因于DLC薄膜磨屑 位移)，通过这些点我们可以获得切向力与位移的关
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的润滑作用而不是其高硬度. Blanpain等 认为DLC 系图(F -D-N).
t
薄膜抗微动磨损性能的提高根源在于石墨化进程和 采用Hysitron TI 950 TriboIndenter纳米压痕仪测
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对偶摩擦转移膜的形成. 邓凯等 认为DLC薄膜具有 试DLC薄膜力学性能. 采用OLYMPUS OLS 5 000激光
较低的摩擦系数，减少了磨粒磨损程度，使其抗微动 共焦扫描显微镜测量磨痕截面轮廓、磨损体积. 采用
磨损性能优异. 杜东兴等 研究认为DLC薄膜良好断 LabRam HR Evolution激光拉曼光谱仪分析DLC薄膜
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裂韧性是提高TC4合金微动磨损性能的关键. 王立平 在微动磨损试验前后物相组成的变化. 采用QUANTA
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等 认为DLC薄膜低摩擦系数源于在摩擦过程中石 FEG 450扫描电子显微镜观察磨痕表面形貌以及
墨化程度的增加，摩擦系数减小促使磨损率降低. EDS能谱仪对磨痕、磨屑进行成分分析.
DLC薄膜微动磨损具有特殊的运动形式和作用
2 结果与讨论
机制. 磨屑的形成与排出、DLC薄膜石墨化进程及摩
擦转移膜形成等都会对微动摩擦磨损行为产生显著 2.1 DLC薄膜的表征
影响. 综上所述，以往研究对DLC薄膜抗微动磨损机 DLC薄膜的断面形貌如图1(a)所示. 通过断面分
理的有一定认识，仍需系统性研究. 因此，本文作者采 析膜厚为1.5 μm左右. 采用压痕法测试薄膜硬度和弹
