非平衡磁控溅射制备Cr掺杂...C复合薄膜的高温摩擦学性能_孙建芳.pdf

2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.002文献引用:孙建芳，陈泽达，苏峰华，等非平衡磁控溅射制备 Cr 掺杂 DLC 复合薄膜的高温摩擦学性能J 润滑与密封，2023，48(2):715Cite as:SUN Jianfang，CHEN Zeda，SU Fenghua，et alTribological properties of DLC doped with Cr element prepared by unbalanced mag-netron sputtering at high temperature J Lubrication Engineering，2023，48(2):715*基金项目:国家自然科学基金资助项目(52175168);广东省基础与应用基础研究项目(2022A1515010513);广州市科技计划项目(202102080422)收稿日期:20220113;修回日期:20220120通信作者:苏峰华(1980)，男，博士，教授，研究方向为机械摩擦学、表面工程及微纳制造。Email:fhsu 。非平衡磁控溅射制备 Cr 掺杂 DLC 复合薄膜的高温摩擦学性能*孙建芳1，2陈泽达1苏峰华1李助军3(1.华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州 510641;2.清华大学摩擦学国家重点实验室北京 100084;3.广州铁路职业技术学院机械与电子学院广东广州 510430)摘要:元素掺杂是提升 DLC 薄膜摩擦学性能和耐温性能的重要途径。采用直流磁控溅射技术在 304 不锈钢基体表面沉积了含氢 DLC 薄膜，同时利用射频磁控溅射技术完成 Cr 元素的掺杂，研究 Cr 元素掺杂对 DLC 薄膜的力学性能及摩擦学性能的影响。采用纳米压痕仪测试薄膜硬度并利用划痕试验测试膜基结合力，采用拉曼光谱分析薄膜 sp2和sp3键含量的变化和转移膜的生成。采用 UMT 多功能摩擦磨损试验机评价薄膜在常温和高温环境下的摩擦磨损性能，并利用扫描电镜观察磨损表面，分析其磨损机制。结果表明，Cr 元素掺杂会显著提高薄膜的膜基结合力，但会使薄膜硬度有一定的下降。常温摩擦学性能测试显示，DLC 薄膜的摩擦因数随着 Cr 含量的增加呈现出先下降后上升的趋势，在 Cr 质量分数为 3.34%时达到最低;但薄膜的磨损率随 Cr 含量的增加略有升高。高温摩擦学性能测试表明，Cr 元素掺杂显著改善了 DLC 薄膜的高温摩擦学性能，未掺杂的 DLC 在 150 以上摩擦时会失效，Cr 元素掺杂使薄膜在 250下也能保持较低的摩擦因数和较长的抗磨寿命。Cr 元素的加入能够提高 DLC 薄膜的膜基结合力，降低摩擦因数，并提高薄膜的高温摩擦学性能，这主要是因为 Cr 元素掺杂促使薄膜结构发生转变，同时 Cr 的氧化物也起到了一定的保护作用。关键词:磁控溅射;DLC 复合薄膜;元素掺杂;高温;摩擦磨损中图分类号:TH117.2Tribological Properties of DLC Doped with Cr Element Prepared byUnbalanced Magnetron Sputtering at High TemperatureSUN Jianfang1，2CHEN Zeda1SU Fenghua1LI Zhujun3(1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou Guangdong510641，China;2.State Key Laboratory of Tribology，Tsinghua University，Beijing 100084，China;3.School ofMechanical and Electrical Engineering，Guangzhou ailway Polytechnic，Guangzhou Guangdong 510430，China)Abstract:Doping is an important way to improve the thermal stability and tribological properties of diamond like carbon(DLC)filmsThe DC magnetron sputtering technology was used to deposit hydrogen containing DLC film on the surface ofthe 304 stainless steel substrate，and the radio frequency magnetron sputtering technology was used to complete the dopingof Cr element in the filmEffect of the doping of Cr element on the mechanical properties and tribological properties of DLCfilms were studiedThe film hardness was tested by nanoindentation test machine，and the bonding force of the film basewas measured by the scratch experimentaman spectroscopy was used to analyze the changes in the sp2and sp3bond con-tent and the existence of transfer filmUMTTriboLab tribotest was employed to evaluate the tribological properties ofCrdoped DLC at room temperature and high temperature environmentThe wear surface was observed by scanning electronmicroscope(SEM)to analyze the wear mechanismThe results show that the doping of Cr element greatly enhances thefilmbase bonding force，while the hardness of the film is slightly reducedThe tribotests at room temperature show thatthe friction coefficient of Crdoped DLC film increases initially and then decreases with the increase of Cr content，and theCrdoped DLC with Cr mass fraction of 3.53%possesses the lowest friction coefficientHowever，the wear rate of the dopedfilms of DLC is slightly higher than that of the pure DLC film at room temperatureThe tribotests at high temperature ex-hibit that the doping of Cr element improves the high temperature tribological properties of the DLC filmThe undoped DLCfilm fails when rubbed above 150，while the Cr doped DLC film maintains low friction coefficient and long antiwear lifeat 250 The doping of Cr element improves the bonding strength，reduces the friction coefficient and enhances the hightemperature tribological properties of the DLC film，which may be attributed to the transformation of the film structure dueto the doping of Cr element and the produced oxide of Cr playing a protective role for high temperature resistanceKeywords:magnetron sputtering;DLC films;element doping;high temperature;friction and wear类金刚石(DLC)薄膜具有高硬度、低摩擦因数、低磨损率的特点，在各行各业已获得了广泛的应用12。但是其本身也存在着内应力大、热稳定性差以及环境敏感等问题，这些问题制约着 DLC 薄膜的进一步发展3。针对于薄膜现有的缺陷，国内外众多学者进行了深入的研究，通过工艺参数改进、元素掺杂、制备多层结构等方法来释放薄膜的内应力，提高薄膜的稳定性46。金属缓冲层如 Al、Ti、Cr 等被证明能够有效地提升薄膜与软基板的附着力78。金属元素的掺杂能够有效改善 DLC 薄膜的综合性能，增强薄膜的摩擦学适应性;同时分散于薄膜中的具有高热稳定性的金属及其碳化物等能减缓 DLC 薄膜的石墨化程度，提高薄膜的热稳定性。通过元素掺杂的手段降低薄膜的内应力并提高薄膜的摩擦学性能已成为科学界相当感兴趣的课题910。在各类可供选择的掺杂金属中，本文作者选择了Cr 作为掺杂元素，因为 Cr 元素在 DLC 薄膜中可以形成碳化物纳米晶嵌埋在非晶碳基质中，能够有效缓解薄膜的内应力并提高薄膜的膜基结合力，改善DLC 薄膜高脆性及其摩擦学性能1112。国内外学者也对此展开了深入的研究，ZOU 等13 采用离子镀的方法制备 Cr 掺杂 DLC 薄膜，发现 Cr 元素的掺杂能够极大地降低薄膜的残余应力，且低含量 Cr 掺杂(4.9%(质量分数，下同)可以提高 Si 晶片上含氢 DLC 薄膜的高温摩擦学性能。SINGH 等14 采用 PVD/PECVD 混合工艺，在 CH4和 Ar 气氛中制备DLCCr 薄膜，发现低含量 Cr 掺杂(5%以下)DLC薄膜具有与纯 DLC 薄膜相似的摩擦学特性，而高 Cr含量(12%以上)薄膜的摩擦学特性较差。由于碳基薄膜沉积过程的复杂性，不同制备方案将导致 DLC薄膜中 Cr 金属含量及其碳化物的形成存在差异，其中磁控溅射技术具有显著的优势。磁控溅射技术制备DLC 薄膜是指在高真空下利用氩原子对石墨靶材进行轰击产生碳原子等活性粒子，然后在负偏压的作用下沉积在基体表面形成薄膜，具有沉积速率快和薄膜质量高等优点15。本文作者利用直流磁控溅射加射频磁控溅射的方法制备了 Cr 掺杂含氢类金刚石复合薄膜，探究了大气环境下 Cr 元素掺杂对 DLC 薄膜高温摩擦学性能的影响，并揭示其磨损机制，为 Cr 元素掺杂类金刚石薄膜的进一步应用提供参考。1试验准备1.1Cr 掺杂 DLC 复合薄膜的制备采用 PVDPECVD600 复合多功能离子