肖奕樓 顏 培 陳 豪 焦 黎 仇天陽 王西彬 張寶榮 趙志勇

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院 北京100089；2.山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司 山西大同 037036)

1971年，德國科學(xué)家AISENBERG和CHABOT首次利用碳離子束沉積制備出具有金剛石特征的非晶碳膜，并稱之為類金剛石涂層。類金剛石涂層，即Diamond-Like Carbon(DLC)涂層，具備與金剛石涂層類似的高硬度、高耐磨性的同時(shí)還擁有石墨的自潤滑性能[1]。JACOB和M?LLER[2]研究指出，具有金剛石結(jié)構(gòu)的sp3雜化鍵、具有石墨結(jié)構(gòu)的sp2雜化鍵以及H元素或者其他摻雜元素所形成的空間交叉網(wǎng)絡(luò)決定了DLC薄膜的結(jié)構(gòu)，并繪制了較為直觀的DLC薄膜雜化鍵的混合特征示意圖，如圖1所示。DLC涂層中的sp3雜化鍵形成四面體配位鍵(與金剛石中的鍵類似),決定了其硬度和彈性模量等力學(xué)性能；sp2雜化鍵形成三配位體(與石墨中的鍵類似)，決定了其光和電學(xué)性能；H原子會(huì)影響sp3和sp2雜化鍵的比例，進(jìn)而影響薄膜的結(jié)構(gòu)和性能[3]。自20世紀(jì)80年代以來，DLC涂層成為研究的熱點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)戰(zhàn)略材料[4]。

圖1 DLC薄膜的三元相圖[2]Fig 1 Ternary phase diagram of DLC thin films[2]

DLC涂層因具有高硬度、高耐磨性、低摩擦因數(shù)等特性而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件，又由于其與發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油及其添加劑具有優(yōu)異的協(xié)同作用[5-6]，因此被廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件的摩擦副之間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失會(huì)占總功率的40%以上，而內(nèi)部零件(如活塞、活塞環(huán)、氣門、凸輪和從動(dòng)件等零件)的摩擦損失占發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損失的70%以上，嚴(yán)重降低了發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率和能量傳輸。DLC涂層能減輕發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件的摩擦與磨損，從而大幅提升發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。但隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，DLC涂層所服役的工況日漸嚴(yán)苛，在一些高功率密度柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部構(gòu)件處的DLC涂層，面臨著高速重載高溫的多重考驗(yàn)[7]。在這種嚴(yán)苛工況下，傳統(tǒng)的DLC涂層因結(jié)合力不足、殘余應(yīng)力高、熱穩(wěn)定性差等缺陷會(huì)在服役過程中過早地摩擦磨損失效。針對(duì)這一問題，對(duì)提高DLC涂層服役性能的技術(shù)進(jìn)行歸納和總結(jié)是尤為重要的。本文作者基于工藝控制及基體處理2個(gè)方面，從涂層的沉積工藝、元素?fù)诫s、過渡層的添加及滲氮滲碳、改變粗糙度、加工表面微織構(gòu)等手段對(duì)提升DLC涂層服役性能的優(yōu)化措施進(jìn)行了綜述，并對(duì)未來的研究方向提出了展望。

1 DLC涂層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DLC涂層的結(jié)構(gòu)受到沉積方法及工藝參數(shù)、涂層成分配比、界面過渡層等因素的制約，針對(duì)DLC涂層的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能提高界面結(jié)合能力及耐磨損特性。

1.1 工藝優(yōu)化

在DLC涂層的制備過程中，涂層中容易產(chǎn)生較大應(yīng)力，而這將加速涂層在苛刻工況下的裂紋萌生、破裂甚至脫落失效[8]。通過控制DLC涂層制備過程中的工藝參數(shù)來減小涂層應(yīng)力，可以有效地提高DLC涂層在苛刻工況下的服役性能。李黨娟等[9]基于射頻磁控濺射技術(shù)，在雙面拋光Si(100)基底上沉積了DLC涂層，研究了射頻功率、氬氣流量、濺射角等工藝參數(shù)對(duì)DLC涂層應(yīng)力的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，DLC涂層應(yīng)力的減小得益于控制得當(dāng)?shù)某练e參數(shù)，合適的濺射功率和濺射角度會(huì)使碳粒子填充到DLC涂層結(jié)構(gòu)的空隙之中，從而使涂層表面更加致密，這會(huì)增加DLC涂層內(nèi)部的sp3鍵比例，從而降低DLC涂層的應(yīng)力。

LEE等[10]采用濺射法在聚酰亞胺(PI)襯底上制備了無氫DLC涂層，同時(shí)優(yōu)化了PI基片的氬等離子體預(yù)處理工藝，提高了DLC涂層的附著力和性能。在PI襯底上沉積的DLC涂層經(jīng)偏壓預(yù)處理后，sp3鍵比例大幅提升。氬等離子體經(jīng)負(fù)偏壓的吸引轟擊基體，合適的偏壓大小可以使基體表面變得疏松多孔，使沉積的DLC涂層更加致密。

陳國富和蘇峰華[11]利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(PECVD)，通過改變脈沖偏壓在不銹鋼基材表面制備了不同結(jié)構(gòu)類金剛石涂層。研究表明，隨偏壓的增大，DLC涂層的表面粗糙度、摩擦因數(shù)及磨損量都先減小后增大，而膜基結(jié)合力則先增大后減小。

DLC涂層的沉積溫度同樣會(huì)影響碳粒子的濺射能量。楊利等人[12]采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在AZ31鎂合金表面制備了含氫DLC涂層，研究了沉積溫度對(duì)DLC綜合性能的影響，并給出了不同溫度下AZ31鎂合金表面制備的DLC薄膜生長演變過程示意圖，如圖2所示。研究結(jié)果表明，當(dāng)沉積溫度較低時(shí)，碳粒子能量較低，無法填充到涂層的亞表層，只在表面以sp2鍵的雜化方式生長。隨著溫度的升高，碳粒子能量升高，更多的碳粒子進(jìn)入涂層的亞表層以sp3鍵形式雜化，涂層中的sp3鍵含量增多。沉積溫度最適時(shí)，涂層中的sp3鍵含量最多，此時(shí)涂層的硬度最大、彈性模量最高且耐磨性最佳。當(dāng)沉積溫度過高時(shí)，碳粒子能量持續(xù)升高，轟擊涂層表面時(shí)會(huì)使亞穩(wěn)態(tài)的C-H鍵斷裂，導(dǎo)致氫的脫附，sp3鍵含量減少，涂層的硬度及耐磨性也隨之降低。

圖2 不同溫度下AZ31鎂合金表面制備的DLC涂層生長演變過程[12]Fig 2 Growth and evolution of DLC films on AZ31 magnesium alloy at differenttemperatures[12] (a) 50 ℃；(b) 75 ℃；(c) 100 ℃；(d) 125 ℃

針對(duì)DLC涂層沉積過程中濺射功率、偏壓幅值、氬氣氣壓、沉積溫度等工藝的優(yōu)化，主要目的都是為了使碳粒子的濺射能量達(dá)到一個(gè)合適的值，從而保證涂層的結(jié)合力及耐磨性最適。然而由于影響涂層性能的工藝因素眾多，且不同因素間可能存在著某種交互影響，后續(xù)可以通過系統(tǒng)的正交試驗(yàn)獲取高性能DLC涂層的制備工藝規(guī)范。

1.2 元素?fù)诫s

在高溫工況下，DLC涂層易發(fā)生石墨化、脫氫、氧化、剝落等而導(dǎo)致潤滑快速失效[13-15]。最近的研究表明，通過適當(dāng)?shù)脑負(fù)诫s能大幅提高DLC涂層的高溫摩擦學(xué)性能，使DLC涂層在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦磨損特性。崔龍辰和余偉杰[16]總結(jié)了不同類型DLC涂層的有效潤滑溫域，如圖3所示，可以看出ta-C(sp3鍵含量70%以上)及Si、W、Co等元素?fù)诫s的DLC涂層具備寬溫域下的有效潤滑特性。這是因?yàn)閍-C和a-C∶H中sp2鍵含量較高，在相對(duì)較低溫度下易發(fā)生有序化和團(tuán)簇化進(jìn)而導(dǎo)致石墨化，而ta-C及元素?fù)诫s的DLC涂層的石墨化還需一個(gè)從sp3-C-C鍵或sp3-C-X鍵(X指摻雜元素)轉(zhuǎn)變?yōu)閟p2-C鍵的過程，而這個(gè)過程需要很高的活化能，提高了有效潤滑溫域。

圖3 不同類型DLC涂層的有效潤滑溫域[16]Fig 3 Effective lubrication temperature range ofdifferent DLC coatings[16]

HE等[17-19]、高溥等人[20]利用非平衡磁控濺射技術(shù)在齒輪鋼基底表面制備了不同WC相含量的DLC涂層，并探討其在高溫下的減摩抗磨機(jī)制。研究結(jié)果表明DLC涂層在潤滑油的潤滑下耐磨損性能隨著WC相含量的增加先增大后減弱，這是因?yàn)樵谀Σ聊p過程中涂層中的W與潤滑油添加劑分解出來的S反應(yīng)生成具有潤滑性能的WS2保護(hù)膜，減弱了磨屑對(duì)摩擦副造成的磨粒磨損。隨著W含量的進(jìn)一步增大，摩擦界面產(chǎn)生的大量WO3將WS2保護(hù)膜的完整性破壞，從而使其磨損加劇。

YI等[21]采用摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測試了摻硅DLC涂層在高溫條件下的變載荷摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明硅元素的摻入可以增加DLC薄膜的無序狀態(tài)，明顯改變薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善DLC薄膜的力學(xué)及摩擦學(xué)性能。

元素?fù)诫s提升DLC涂層高溫摩擦學(xué)性能的機(jī)制可以概括為以下三方面：(1)摻雜的元素與碳元素形成化學(xué)鍵，提高了DLC涂層石墨化所需的化學(xué)能；(2)摻雜的元素形成的氧化物或與其他元素形成的化合物可充當(dāng)保護(hù)層，延緩?fù)繉拥难趸俣龋?3)摻雜元素后涂層晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，利于應(yīng)力的釋放。元素?fù)诫s的同時(shí)涂層的硬度也會(huì)隨之降低，因而對(duì)元素?fù)饺肓康木珳?zhǔn)把控是提高DLC涂層性能的關(guān)鍵。

1.3 界面設(shè)計(jì)

DLC涂層的內(nèi)應(yīng)力主要來源于本征應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力。其中本征應(yīng)力來自于各種非平衡的結(jié)構(gòu)缺陷，與沉積時(shí)的粒子能量有關(guān)。殘余熱應(yīng)力主要來源于DLC涂層與基體的熱膨脹系數(shù)差異，這種由于涂層與基體材料物理性能不匹配造成的應(yīng)力會(huì)使涂層與基體的結(jié)合力變差，制約DLC涂層的服役性能。在沉積DLC涂層時(shí)對(duì)其進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，在涂層和基體間引入過渡層(如Ti、Zr、W、Nb、Si、Cr等)，利用過渡層改善界面熱膨脹系數(shù)差異和結(jié)構(gòu)失配，可提高膜基結(jié)合力，進(jìn)而優(yōu)化DLC涂層的服役性能。

周永等人[22]采用線性離子束復(fù)合磁控濺射技術(shù)在316L基底上沉積了含有Ti/Al過渡層的Ti/Al共摻雜DLC涂層，并研究了過渡層對(duì)涂層的成分、結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和結(jié)合力的影響，得到的有、無過渡層的試樣經(jīng)劃痕試驗(yàn)后的表面形貌如圖4所示。結(jié)果表明，Ti/Al過渡層可緩解因DLC涂層和基體的晶格匹配差異和膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的高界面應(yīng)力。在薄膜與基底界面，過渡層呈現(xiàn)典型柱狀晶結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)膜基界面間的機(jī)械互鎖，顯著改善涂層與基體之間的結(jié)合力而不損傷其機(jī)械性能。

圖4 有、無Ti/Al過渡層的Ti/Al-DLC薄膜劃痕形貌[22]Fig 4 Scratch morphology of Ti/Al DLC films with andwithout Ti/Al transition layer[22]

CHOY和FELIX[23]等采用磁控濺射離子鍍技術(shù)在TC4基底上獲得了Ti-TiC-DLC梯度涂層。研究結(jié)果表明，梯度涂層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了與基底的結(jié)合力，同時(shí)改善了基體合金的抗磨損特性。

XU等[24-25]采用磁過濾陰極真空弧源(FCVA)沉積技術(shù)在TC4合金及Si(100)表面制備了一系列不同調(diào)制參數(shù)的軟硬交替DLC多層薄膜和TiC/DLC多層薄膜。結(jié)果表明，DLC多層薄膜的殘余應(yīng)力均小于單層硬DLC薄膜，同時(shí)其機(jī)械性能均優(yōu)于單層DLC薄膜。基體表面梯度過渡層的引入，提高了DLC多層薄膜的硬度和膜基結(jié)合力，進(jìn)一步提高了鈦合金的耐磨損性能。

過渡層的添加可以有效提高DLC涂層與基體間的結(jié)合力，與此同時(shí)基體與過渡層、過渡層與涂層之間形成的界面可以緩釋涂層的內(nèi)應(yīng)力并減緩微裂紋的擴(kuò)展。過渡層的設(shè)計(jì)需考慮基體材料與涂層材料，優(yōu)先選取能與基體及DLC涂層都能形成化學(xué)鍵合的過渡層元素，且彈性模量及熱膨脹系數(shù)應(yīng)介于基體與涂層之間，降低體系的殘余熱應(yīng)力。

2 基體表面狀態(tài)

基體表面狀態(tài)是影響DLC涂層服役性能的關(guān)鍵因素，滲氮滲碳、表面粗糙度控制及微織構(gòu)加工等基體表面處理可以從強(qiáng)化基體、改變基體涂層結(jié)合方式、儲(chǔ)油潤滑、緩釋內(nèi)應(yīng)力等方面對(duì)DLC涂層服役性能產(chǎn)生積極影響。

2.1 滲氮滲碳

在沉積DLC涂層前進(jìn)行基體表面改性處理是優(yōu)化涂層服役性能的有效途徑。表面改性處理主要包括離子滲氮與離子滲碳，其能夠提升基體的表面硬度和耐磨性能，在基體表面生成的氮(碳)化層與DLC涂層擁有更好的物理匹配度。黃振等人[26]利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)分別在未處理和氮化處理的AISI 316L表面沉積了DLC涂層，研究了氮化復(fù)合DLC涂層的相結(jié)構(gòu)與摩擦學(xué)性能，得到的氮化層及DLC涂層的橫截面形貌如圖5所示。結(jié)果表明，氮化復(fù)合DLC涂層的結(jié)合力和耐磨性優(yōu)于DLC涂層，沉積DLC涂層的過程中，氮化層中氮原子因擴(kuò)散而重新分布，使氮化層的厚度增加，硬度梯度減緩，更有利于基體與DLC涂層間的過渡。

圖5 氮化層及氮化復(fù)合DLC涂層的截面形貌[26]Fig 5 Cross section morphology of nitrided layer andnitrided composite DLC coating[26](a) PN;(b)50 ℃；(c)100 ℃；(d)150 ℃

LAN等[27]采用原位雙相等離子滲氮和電弧離子鍍(AIP)工藝在Cr12MoV鋼表面制備了DLC涂層，研究發(fā)現(xiàn)基體滲氮工藝大幅提高了DLC涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

譚笛[28]在CoCrMo合金表面沉積了離子滲氮復(fù)合DLC涂層，研究了離子滲氮溫度對(duì)相結(jié)構(gòu)、滲氮層厚度、顯微硬度及耐磨性的影響。結(jié)果表明，CoCrMo合金在進(jìn)行氮化處理后表面生成一層CrN，提高了CoCrMo合金的表面硬度和耐磨性；隨著滲氮溫度的提高，滲氮層的厚度增加，硬度則先增大后降低，相應(yīng)地體積磨損率呈先減小后增加。

YANG等[29-30]開展了低溫等離子體滲碳層表面原位生長DLC涂層的工藝探索，制備了滲碳層和DLC涂層的復(fù)合改性層，研究了其力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能。研究表明，滲碳后試樣磨損機(jī)制由嚴(yán)重的黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微的微切削磨損和氧化磨損；隨著滲碳時(shí)間延長，F(xiàn)e3C相含量不斷提高至占主導(dǎo)；不同時(shí)間滲碳表面均形成了DLC涂層，并且隨著時(shí)間的延長，表面DLC涂層的sp3含量逐漸提高，涂層逐漸均勻覆蓋，相應(yīng)力學(xué)性能提高。

基體滲碳滲氮增強(qiáng)DLC涂層性能的機(jī)制可以概括為以下幾點(diǎn)：(1)碳(氮)原子填充基體晶格，增強(qiáng)基體的硬度，也進(jìn)一步增加了DLC涂層的硬度，且從基體到涂層間存在著一個(gè)硬度過渡區(qū)；(2)滲碳(氮)層與DLC涂層存在著更好的物理相適性，增大了膜基結(jié)合力。滲碳(氮)后的碳(氮)含量及分布極大地影響著DLC涂層性能，需通過后續(xù)的試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

2.2 表面粗糙度

DLC涂層在與摩擦副發(fā)生摩擦磨損時(shí)，會(huì)由于粘附和材料轉(zhuǎn)移從而在滑動(dòng)表面形成一個(gè)新的薄層，該薄層主要由磨損脫落的DLC薄膜和摩擦副上脫落的氧化物組成，其制約著DLC涂層的摩擦磨損性能。研究表明，基底的表面粗糙度是影響這種薄層的形成和轉(zhuǎn)移的重要因素。SHIN等[31]對(duì)不同表面粗糙度硅片基體的DLC涂層的干滑動(dòng)磨損性能進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，當(dāng)基體表面粗糙度由較光滑狀態(tài)開始增加時(shí)，涂層的磨損壽命大幅下降；隨著粗糙度的繼續(xù)增大，磨損壽命又出現(xiàn)了小幅度的增長。這可能是由于隨著基體粗糙度的增大，在滑動(dòng)表面形成薄層的速度增快，薄層的出現(xiàn)呈現(xiàn)不連續(xù)的特性，因而增大了涂層與對(duì)摩副間的磨損。后期隨著基體粗糙度的進(jìn)一步增大，涂層與對(duì)摩副的實(shí)際接觸面積增大，涂層的接觸載荷降低，磨損壽命得以提高。

圖6 不同粗糙度硅基底DLC涂層磨損壽命[31]Fig 6 Wear life of DLC coating on silicon substratewith different roughness[31]

ZHONG等[32]為探討基底粗糙度對(duì)超薄DLC涂層生長的影響，采用過濾陰極真空電弧(FCVA)技術(shù)在不同表面粗糙度的硅襯底上制備了DLC涂層。研究表明，基底表面形貌在原子尺度上的演化依賴于基底的初始表面形貌，對(duì)于較光滑的硅基底，表面粗糙度隨DLC涂層厚度的增加而減小，而對(duì)于初始表面粗糙度較高的硅基底，涂層表面粗糙度隨涂層厚度增加先減小后增大到最大值，然后再逐漸減小。從涂層生長理論角度分析，涂層生長的早期階段包括離子到達(dá)基體表面并調(diào)節(jié)(凝聚)、沿表面的遷移(擴(kuò)散)及它們聚集成二維原子島(成核)。當(dāng)離子接近基底時(shí)，會(huì)被施加的脈沖偏壓加速，與基底撞擊后傾向于沿離子初始動(dòng)能方向移動(dòng)，該方向平行于粗糙度的斜面并朝向谷底。圖7(a)和(b)表示了在初始平滑過程，入射粒子傾向于聚集在谷底處，這導(dǎo)致表面粗糙度的降低。當(dāng)表面變得平滑后，峰谷的距離不足以形成足夠的能量屏障，與此同時(shí)谷中可移動(dòng)的碳原子聚集形成了島核并進(jìn)入核增長模式，如圖7(b)和(c)所示。隨著島核距離越來越大，峰谷距離也隨之增大，表面進(jìn)入粗化階段，表面粗糙度升高。隨著島核的逐漸增長，島核間發(fā)生聚結(jié)，表面再次變得平滑，如圖7(d)所示。對(duì)于在光滑硅基底上的涂層生長，由于其谷的半徑和斜率傾角相比其他2個(gè)粗糙度硅基底都很小，導(dǎo)致島核聚集的過程顯著加快，因此粗糙度沒有顯著增加。

圖7 在相對(duì)粗糙的硅基底上沉積DLC涂層的生長示意[32]Fig 7 Growth of DLC coating deposited on relativelyrough silicon substrate[32]

李振東等[33]采用磁控濺射/等離子輔助氣相沉積方法在不同粗糙度樣品表面制備Cr摻雜DLC涂層，研究了干摩擦條件下，基體粗糙度對(duì)Cr摻雜類金剛石薄膜摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明,在低表面粗糙度樣品上Cr摻雜類金剛石薄膜具有良好的自潤滑特性，平均摩擦因數(shù)達(dá)到了油潤滑條件的摩擦水平，磨損較小，磨損表面薄膜結(jié)構(gòu)完整，未出現(xiàn)明顯石墨化轉(zhuǎn)變。在高表面粗糙度樣品上，樣品的平均摩擦因數(shù)大幅提高，磨損劇烈，基體表面磨出了明顯的溝槽，與其對(duì)摩的Si3N4球磨損嚴(yán)重。

基體表面粗糙度影響DLC涂層性能的機(jī)制較為復(fù)雜，現(xiàn)有的研究結(jié)果表明基底越光滑，DLC涂層的耐磨性能越好。然而絕對(duì)的光滑基底由于缺少與涂層間的機(jī)械嚙合力，其膜基結(jié)合力會(huì)有所降低，后續(xù)的研究可以把重心放在不同基體粗糙度對(duì)涂層機(jī)械嚙合力影響的研究上。

2.3 表面微織構(gòu)

近年來，通過在基體表面加工微結(jié)構(gòu)從而提高耐磨性的研究大量出現(xiàn)。VOEVODIN和ZABINSKI[34]利用激光加工技術(shù)在硬質(zhì)的TiCN涂層表面制備了微米尺寸的坑狀陣列，通過不同的表面分布密度將固體潤滑劑硫化鋁和石墨濺射到織構(gòu)化表面，發(fā)現(xiàn)耐磨性提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。微結(jié)構(gòu)不僅可以作為潤滑劑的儲(chǔ)油槽，還能存儲(chǔ)磨屑，改變摩擦界面的接觸狀態(tài)，減小有效接觸面積從而降低摩擦因數(shù)。

PETTERSSON和JACOBSON[35]通過硅片的光刻獲得不同紋理的表面微織構(gòu)，如圖8所示；隨后在其表面制備DLC涂層，研究了不同紋理的表面微織構(gòu)對(duì)DLC涂層摩擦磨損特性的影響。結(jié)果表明，滑動(dòng)界面存儲(chǔ)潤滑油和分離磨損顆粒的能力與表面微織構(gòu)紋理圖案的形狀和方向密切相關(guān)。在缺油潤滑條件下，正方形槽或垂直于滑動(dòng)方向的條紋微織構(gòu)表面涂層的摩擦因數(shù)保持在一個(gè)較低值，并且比未織構(gòu)表面和平行于滑動(dòng)方向的微織構(gòu)表面涂層具有更好的耐磨性。未織構(gòu)表面及平行于滑動(dòng)方向的微織構(gòu)表面因無法在摩擦接觸區(qū)內(nèi)提供足夠的潤滑劑，摩擦因數(shù)迅速上升。在基體表面加工具有特定紋理的微織構(gòu)，使其在滑動(dòng)磨損時(shí)的儲(chǔ)油能力增強(qiáng)，能極大地提升DLC涂層在服役過程中的耐磨壽命。

圖8 不同紋理的微織構(gòu)[35]Fig 8 Micro texture of different textures[35]

基體表面微織構(gòu)在沉積DLC涂層后可以充當(dāng)儲(chǔ)油和儲(chǔ)屑槽，從而降低涂層的摩擦磨損，現(xiàn)有的研究大多針對(duì)微織構(gòu)的形狀方向進(jìn)行研究，而忽視了微織構(gòu)的尺寸效應(yīng)及對(duì)DLC涂層的熱應(yīng)力緩釋作用，今后還需通過試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

3 總結(jié)與展望

在高速重載高溫工況下，DLC涂層因其與基體結(jié)合力不足、殘余應(yīng)力高、熱穩(wěn)定性差等缺陷面臨著嚴(yán)峻的服役考驗(yàn)。文中從DLC涂層工藝控制和基體處理2個(gè)方面綜述了涂層性能優(yōu)化技術(shù)：通過優(yōu)化制備工藝(濺射功率、沉積溫度等)，可獲得硬度、應(yīng)力等綜合性能優(yōu)良的DLC涂層，通過元素?fù)诫s可以改善DLC涂層的高溫穩(wěn)定性，過渡層的添加能降低DLC涂層的內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)DLC涂層的附著性能；基體的表面處理對(duì)DLC涂層的性能起到十分關(guān)鍵的作用，通過對(duì)基體的表面改性(滲氮滲碳)、表面粗糙度優(yōu)選及表面微織構(gòu)加工等方式，能顯著提高DLC涂層的膜基結(jié)合力及耐磨性。

為了提高DLC涂層在高速重載高溫工況下的長期服役性能，今后可從以下4個(gè)方面開展研究：

(1)綜合性能高的DLC涂層制備方法及工藝尚不統(tǒng)一，亟需通過系統(tǒng)的試驗(yàn)獲得高性能DLC涂層的制備工藝規(guī)范及性能表征方法。

(2)不同粗糙度基體與DLC涂層產(chǎn)生的機(jī)械嚙合對(duì)涂層附著力的影響機(jī)制尚不明確，后續(xù)研究需重點(diǎn)探討不同基體粗糙度對(duì)涂層機(jī)械嚙合力的影響。

(3)現(xiàn)有的研究忽視了微織構(gòu)的尺寸效應(yīng)及對(duì)DLC涂層的熱應(yīng)力緩釋作用，微織構(gòu)的尺寸效應(yīng)及影響DLC涂層性能的機(jī)制需進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

(4)通過對(duì)DLC涂層及基體的多工序復(fù)合處理，可進(jìn)一步增強(qiáng)DLC涂層在苛刻工況下的服役性能，是后續(xù)研究的重要方向。