固体润滑国家重点实验室（LSL）知识库

针对管状构件内表面的润滑与防护问题，本文采用空心阴极等离子体浸没镀膜（HCPIID）技术，通过调控沉积工艺，在深长孔管道内壁实现了厚度在0-100 μm可控、膜-基结合强度超过68 MPa的超厚类金刚石（diamond-like carbon，简称DLC）防护涂层的制备。同时，通过工艺与结构设计，优化了管道内壁DLC涂层的均匀性、力学及摩擦学性能。并针对油介质以及高温环境等严苛工况，采用表面织构化设计与多元素共掺杂的方法提升了涂层的储油与高温摩擦学性能。主要研究内容及结果如下： 1. 利用HCPIID技术在304不锈钢管道内壁沉积了Si/Si-DLC/DLC多层复合涂层。通过调控沉积参数（沉积气压、气体流量和管道长径比等）对入射离子的能量以及等离子体密度与分布进行优化。结果表明：在特定压强下（9.31 Pa）沉积的DLC涂层具有最优异的综合性能，包括高硬度、良好结合力以及突出的摩擦学性能（磨损率达到10-9 mm3/Nm量级）。在此基础上研究了不同长径比管道内壁DLC涂层的可控制备，通过增大乙炔流量，可及时补充管道内损耗的等离子体，改善由管道长径比增大造成的涂层厚度和结构分布的不均匀性，实现了不同长径比管道内壁DLC涂层的均匀制备（厚度均匀性偏差低至13.8 %）。 2. 探究了具有不同结构的过渡层与顶层对管道内壁DLC涂层性能的影响。a-Si:H中间层在高偏压（425 W）下形成的交联网络结构促进了中间层/基体界面形成更多的Si-Fe悬空键，从而增强了DLC涂层与基体之间的结合强度（68 MPa），并在高低温冲击和液压试验等模拟工况测试中表现出良好的膜-基结合力。在DLC涂层的强韧化设计中，低Si掺杂增强了管道内壁DLC涂层的承载能力，而高硅含量的Si-DLC涂层具有高硬度，在高载荷下表现出对硬质对偶球优异的耐磨性，并且随着载荷的增加磨损率降低。 3. 在油润滑条件下，通过表面织构化，对管道内壁DLC涂层表面进行喷砂或图案化设计，可有效改善涂层的储油性能。载油高速旋转试验结果表明，用中等喷砂压力（30 psi）和密集激光点阵（0.01 mm×0.01 mm）进行织构化处理的DLC涂层由于对润滑油的爬升和外溢具有更好的阻滞作用，因此具有最佳的储油性能。油润滑摩擦结果表明，虽然表面织构可以作为润滑油与磨屑的储集器，但只有在最佳的织构点阵（0.01 mm×0.01 mm）下可以达到这种增益效果。 4. 通过Si、N元素共掺杂，在管道内壁DLC涂层中引入具有热力学稳定的Si-N键和C-N键，为涂层在高温环境下的热稳定性和力学性能提供了可靠的化学键合。随摩擦温度的上升，摩擦系数和磨损率由0.055和1.93×10-7 mm3/Nm（25 °C）转变到0.033和7.3×10-6 mm3/Nm（500 °C）。(Si, N)-DLC涂层在500 °C高温下表现出的较低摩擦系数和磨损率，这是由于磨痕表面生成了具有高硬度和弹性回复性的压实层，压实层在摩擦中相对容易剪切又起到了支撑作用，从而达到减摩效果。

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