Page 27 - 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 661

During sliding

(a)
High SiH 4 /N 2 flow ratio Before sliding

Si 100 /N 0

Abrasive wear
Before sliding
(b)
Al 2 O 3
Si 80 /N 20

During sliding Transfer film
Si 60 /N 40
Si 40 /N 60
Adhesive wear
Liquid film
(c)

Surface passivation
Substrate Si interlayer
Low SiH 4 /N 2 flow ratio
Failure DLC coating Wear debris
Si 20 /N 80 and Si 0 /N 100
Corrosion wear Oilfield produced water
Fig. 13 Friction mechanism diagram of the Si/N-DLC coatings in the oilfield produced water environment
图 13 油田环境下Si/N-DLC涂层体系的摩擦机理示意图

3 结论 先增强后减弱，其中Si /N 涂层体系展现出最优异的
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本研究中采用PECVD技术，在不同SiH /N 流量 摩擦学性能，其摩擦系数低至0.024，磨损率低至1.80×
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比条件下沉积了Si/N-DLC涂层，系统地分析了涂层结 10 mm /(N·m) (腐蚀环境中超低磨损).
构、形貌、力学性能以及在油田产出水环境下摩擦磨 c. 涂层在油田环境中的润滑机理强烈依赖于沉
损行为，并揭示了其在油田环境下的润滑和失效机 积过程中的SiH /N 流量比(即涂层中的Si/N含量比).
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理，主要的结论如下： 当SiH /N 流量比较高时(Si 100 /N 、Si /N 、Si /N 和
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80
0
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Si /N )，涂层与油田产出水可形成固液复合润滑体系，
a. 随着SiH /N 流量比的减小，所制备的Si/N-DLC 40 60
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2
其润滑状态为混合润滑，涂层表面形成液体膜将DLC
涂层中Si原子分数从6.98%减少到0，N原子分数从0逐
涂层与Al O 摩擦副隔开，可显著降低摩擦系数并提
渐增加到6.37%，涂层均展现出高质量的表面和横截 2 3
高耐磨性，特别是Si /N 涂层体系磨斑表面形成了石
面形貌，且其粗糙度在很窄范围(0.97~2.00 nm)变化， 60 40
墨化转移膜，使得剪切发生在液体膜与石墨化转移膜
表面光滑. 涂层结构随SiH /N 流量比的减小向更为有
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界面，可大幅降低摩擦系数. 然而，Si /N (Si-DLC涂层
序的状态转变(石墨化转变)，归因于N含量的增加促 100 0
体系由于韧性和耐腐蚀性能较差，且磨损机制由磨粒
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进了更多的sp -C位点的形成.
磨损主导，导致其磨损率高于其他3种涂层. 而当SiH /N 2
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b. 涂层硬度与弹性模量随SiH /N 流量比的减小
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流量比较低时(Si /N 和Si /N 100 )，由于耐腐蚀性能的
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0
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逐渐下降，其主要原因是涂层中sp /sp 相对比例的升
下降，在腐蚀与摩擦磨损的耦合作用下涂层均脱落失
高. 涂层与316L SS基底结合强度和涂层韧性却随之
效，主要磨损机制表现为腐蚀磨损. 相关结果为实现
大幅提升，与涂层中C与N之间强共价键的形成有关.
油田环境中的摩擦磨损防护提供了1种解决思路.
Si/N-DLC涂层(0.024~0.026)的沉积可大幅改善316L
SS基底(0.385~0.414)在油田环境下的摩擦系数和耐磨 参 考 文 献
损性能，且涂层的摩擦学性能随SiH /N 流量比的减小 [ 1 ] Sambo C, Liu N, Shaibu R, et al. A technical review of CO 2 for
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