Page 21 - 摩擦学学报2025年第5期

第 5 期 冯海燕, 等: 油田环境下Si/N-DLC涂层的摩擦磨损行为及润滑机理 655

(a) 16 (b)
Si 100 /N 0 61.4
Si 100 /N 0
Si 80 /N 20
12 60.7
Si 60 /N 40 Si 80 /N 20
Si 40 /N 60 60.9
Load/N 8 Si 20 /N 80 Si 60 /N 40 60.7
Si 0 /N 100
Si 40 /N 60
4 Si 20 /N 80 59.9

Si 0 /N 100 61.7
0
0 60 120 180 240 56 58 60 62 64
Pressing depth/nm Elastic recovery/%
(c) (d)
13.3 117.3
Si 100 /N 0 Si 100 /N 0
12.7 113.4
Si 80 /N 20 Si 80 /N 20
12.2
Si 60 /N 40 Si 60 /N 40 107.8
11.2 101.2
Si 40 /N 60 Si 40 /N 60
10.2 93.4
Si 20 /N 80 Si 20 /N 80
10.6 97.8
Si 0 /N 100 Si 0 /N 100
8 10 12 14 80 96 112 128
Hardness/GPa Elastic modulus/GPa

Fig. 6 Mechanical properties of the Si/N-DLC coatings under the different SiH 4 /N 2 ratio: (a) load-depth curves;
(b) elastic recovery; (c) hardness; (d) elastic modulus
图 6 不同SiH 4 /N 2 流量比条件下沉积的Si/N-DLC涂层的机械性能：(a)载荷深度曲线；(b)弹性回复率；(c)硬度；(d)弹性模量

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层(0.024~0.026)的沉积可大幅降低316L SS基底(0.385~ 降低了2个数量级，相较于Si 100 /N [1.36×10 mm /(N·m)]
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0.414)在油田环境下的摩擦系数. 对于Si /N 和Si /N 100 降低了约1个数量级，表明在316L SS表面沉积Si/N-
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这2个失效体系，在失效前的稳定阶段，其摩擦系数最 DLC涂层是降低其在油田环境下严重磨损问题的有
终趋于一致(约为0.05). 然而，对于其他4个体系，随着 效措施，而且Si与N元素以一定比例共掺杂进一步降
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SiH /N 流量比的减小，无论哪个阶段其摩擦系数先减 低DLC涂层的在油田环境下的磨损率，低至10 量级，
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小后增加. 其中，Si /N (阶段II)和Si /N (阶段I)的 展现出优异的耐磨损性能. 综上所述，综合考虑涂层
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摩擦系数最低，其值为0.024. 虽然Si /N 的最终摩擦 摩擦系数和磨损率测试结果，涂层的摩擦学性能随
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系数略低于Si /N (0.027)，但这种优势仅在滑动阶 SiH /N 流量比的减小先增强后降低，其中Si /N 展
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段的最后20 m内显现，而在其他阶段，Si N 的摩擦 现出最优的摩擦学性能.
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系数(0.048)均高于Si N ，表明Si N 在整个滑动过 2.4 摩擦磨损特征分析及润滑机理
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程中保持了最稳定且最低的摩擦系数. 为了更清楚地理解上述摩擦磨损行为，对摩擦界
进一步获取了316L SS基底和Si/N-DLC涂层磨痕的 面微观形貌、结构和物质迁移等进行更进一步的表征.
横截面轮廓图，如图8(c)所示，并且计算了对应的磨损 首先，图9所示为316L SS基底和不同SiH /N 流量比条
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率，如图8(d)所示，插图为横截面轮廓放大图. 对于316L 件下沉积的Si/N-DLC涂层与Al O 摩擦副构成的摩擦
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SS基底，磨痕宽度和深度均远大于涂层样品，其磨损率 体系磨痕和磨斑的光学显微照片. 如图9(a1)和(b1)所
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为5.22×10 mm /(N·m). 对于Si /N 和Si /N 100 涂层体 示，316L SS基底磨痕边缘和对应磨斑边缘有大量黑色
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系，其磨损率分别高达2.90×10 和3.15×10 mm /(N·m)， 摩屑(Fe摩擦腐蚀产物)堆积，而磨斑中央观察到明显
且在横截面轮廓图中观察到明显的涂层润滑失效现 金属光泽转移膜，主要成分为Fe. 对于未磨穿的Si/N-
象，尤其是Si /N 100 . 总的来说，涂层磨损率随SiH /N 2 DLC涂层体系，包括Si 100 /N 、Si /N 、Si /N 和Si /
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流量比减小呈现先减小后增加的变化趋势，其中Si /N 40 N ，其磨斑和磨痕光学图像较为相似[图9(b1~e2)]，磨
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具有最低的磨损率[1.80×10 mm /(N·m)]，相较于316 SS 痕宽度和深度较小，磨斑中央并未观察到明显的转移