Page 26 - 摩擦学学报2025年第5期

660 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

(a) (b) 0.60 Left (c) 192 Left (d) 1.4 Left
Si 60/N 40
Original coatings
Middle 0.573 Middle Middle
Right Right 1.23 Right
0.54 0.511 0.541 0.572 0.563 0.567 186 182.5 182.7 1.2 1.19 1.15
Intensity/a.u. I D /I G 0.48 0.443 0.481 0.470 0.473 0.534 0.502 0.513 FWHM G 180 180.8 181.1 177.2 179.0 179.6 175.8 176.3 176.2 175.7 m/I G 1.0 1.12 0.85 0.93 1.05 0.92 0.94 0.94 0.95 1.00 1.04
G peak
1.01
177.7
0.91
D peak
0.42
174.8
0.427 0.438 174 Original coatings 172.4 172.8 0.8 0.79 Original coatings
Acquired inside the wear scar 0.419
0.36 168 170.1 0.6
800 1 200 1 600 2 000
Wavenumber/cm −1 Si 100 /N 0 Si 80 /N 20 Si 60 /N 40 Si 40 /N 60 Si 100 /N 0 Si 80 /N 20 Si 60 /N 40 Si 40 /N 60 Si 100 /N 0 Si 80 /N 20 Si 60 /N 40 Si 40 /N 60
Si/N-DLC coatings Si/N-DLC coatings Si/N-DLC coatings
(e) (f) (g) 284.7 eV
Si 100 N 0 C 83.98 0.00 Si 5.78 O 9.87 Fe 0.37 Si 100N 0
O 1s Si 2p 286.4 eV C=C
Si 2s Etching Etching 90.77 0.00 6.06 2.93 0.24 C-O
Si 100N 0
Intensity/a.u. N 1s Si 60N 40 Etching 80.66 85.25 4.23 2.41 4.31 2.90 12.46 7.35 0.24 0.19 Intensity/a.u. Si 60N 40 C=O 285.9 eV C-Si
Ar 2p
Si 60 N 40
C-N
283.9 eV
288.0 eV
Etching
Si 40 N 60 85.38 2.34 1.37 10.69 0.22 Si 40N 60 287.0 eV 285.3 eV
289.5 eV
Si 40N 60 O-C=O C=N C-C
Etching Etching 89.91 4.83 N 2.31 2.77 0.18
600 500 400 300 200 100 0 0 5 80 85 90 95 100 290 288 286 284 282
Binding energy/eV Atomic fration of element/% Binding energy/eV
(i) (j)
(h) C-Si C-C (sp 2 -C) C-C (sp 3 -C) C-N C-O C=N C-C=O 90
Si 100N 0 101.9 eV 101.4 eV Si 40 N 60 7.15 56.10 16.94 9.55 4.06 2.32 2.98 0.90 Original film
Si-O-C Wear track
SiO x 81.3
54.60
Si 60 N 40 8.33 11.40 46.48 19.47 33.41 6.40 4.63 6.94 2.63 2.27 1.06 1.67 0.70 80 78.7 73.7 76.8
Intensity/a.u. Si 60N 40 103.0 eV Si 100 N 0 0 13.94 12 56 Si-O-C 4.31 80 2.90 90 14.29 C=O Si-N SiO 2 sp 2 /(sp 2 +sp 3 )/% 70
SiO 2
100
64
Si-C
SiO x
8.86
60.41
Si 40N 60
102.5 eV
Si-N
Si-N 100.6 eV Si 60 N 40 18.79 34.77 26.31 8.78 11.35 2.49 60 61.3 58.2
Si 40 N 60
Si 100 N 0 34.51 49.15 13.46 2.88 50
104 103 102 101 100 0 20 40 60 80 100
Binding energy/eV Peak area ratio/% Si 100 /N 0 Si 60 /N 40 Si 40 /N 60
Si/N-DLC coatings
Fig. 12 Structural evolution in the friction interface of the Si/N-DLC coating systems in the oilfield environment: (a) Raman
spectra acquire inside the wear scar of Si 60 N 40 system: (b) I D /I G ; (c) FWHM G ; (d) m/I G ; (e, f) XPS survey and chemical
composition inside the wear track; (g, h) XPS spetrum of C 1s, Si 2p spectrum and the deconvoluted results of
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2
2
wear track; (i) peak area ratio of each deconvoluted peaks; (j) sp /(sp +sp )
图 12 油田环境下Si/N-DLC涂层体系摩擦界面的结构转变：(a) I D /I G ；(b) FWHM G ；(c) m/I G ；(d) Si 60 N 40 体系磨斑内部的
Raman光谱；(e, f)磨痕内部的XPS全谱和化学组成；(g, h)磨痕内部XPS的C 1s和Si 2p谱图及其去卷积结果；
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(i)峰面积百分比；(j) sp /(sp +sp )
面观察到石墨化碳转移膜，表明磨损过程由黏着磨损 的塑性变形，表明固液复合体系边界润滑与流体润滑
+
主导. 此外，由于涂层内部H溢出、油田产出水环境中H 有良好的协同作用(混合润滑状态). 最后，对于Si /N 80
20
和水分子的吸附，使得磨痕表面结构钝化，表明在涂 和Si /N 100 (N-DLC)涂层体系，Si/N-DLC涂层在油田环
0
层表面形成液体膜将DLC涂层与Al O 摩擦副隔开， 境中展现出优异耐腐蚀性能主要依赖于其自修复机制，
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3
阻碍了材料直接接触磨损和热诱导的界面石墨化，提 而当Si元素原子分数低于3.83%，氮元素原子分数低于
高耐磨性. 涂层表面的自由σ键与溶液中的离子形成 5.15%时，由于修复元(SiO 等腐蚀产物)的减少，导致涂
x
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[49]
共价键结构 ，同样也可实现耐磨性的增强. 并且石 层耐腐蚀性能降低 . 因此，由于耐腐蚀性能的降低及
墨化转移膜的形成使得剪切发生在液体膜与石墨化 摩擦磨损的耦合作用，Si /N 和Si /N 100 (N-DLC)涂层
0
80
20
转移膜界面，可大幅降低摩擦系数. 因此，在保持足够 体系均脱落失效，主要磨损机制为腐蚀磨损[图13(c)].
耐腐蚀性能的前提下，Si/N-DLC涂层与油田产出水可 综上所述，具有优异耐腐蚀性能的Si/N-DLC涂层在油
形成固液复合润滑体系[图13(b)]，从而大幅降低涂 田环境中可形成固液复合润滑体系，有效实现了固体
层在使役环境中的摩擦系数(0.024)与磨损率[1.80× 润滑涂层和液体腐蚀环境的协同润滑，为苛刻腐蚀环
3
–8
10 mm /(N·m)]，更重要的是上述涂层均未观察到明显 境中的磨损防护提供了1种解决思路.