摘要

最近在汽車行業(yè)引入增材制造，為零部件生產(chǎn)中的高級定制和優(yōu)化資源消耗鋪平了道路。然而，增材制造零件典型的較差表面光潔度阻礙了它們在未經(jīng)進(jìn)一步加工的情況下的實際使用。控制粗糙度在施加涂層時尤其重要，但可能意味著制造成本的顯著增加，具體取決于所需的精加工水平。在這項工作中，研究了類金剛石碳 (DLC) 涂層與增材制造金屬材料的尚未探索的組合。特別是，基材采用通過選擇性激光熔化制造的AlSi10Mg鋁合金圓盤形式。從摩擦學(xué)的角度研究涂層的有效性，重點關(guān)注表面形貌產(chǎn)生的影響。為此，AlSi10Mg 圓盤采用不同的精加工技術(shù)組合進(jìn)行加工，并通過磁控濺射沉積了aCDLC。所得薄膜厚度為 1.7 μm，均方根粗糙度范圍為0.28 至2.67 μm。球盤摩擦測試表明，對于未涂層的樣品，薄膜的存在使摩擦系數(shù)顯著降低，達(dá)到低至0.15 和1?10-6 mm3(N·m)?1，分別。最值得注意的是，如果根據(jù)涂層粗糙度繪制，摩擦和磨損都表現(xiàn)出最小值。這種行為，用研磨和粘合機(jī)制來解釋，表明存在中間范圍的粗糙度，可以最大限度地減少摩擦和磨損，因此表明不需要高水平的精加工來實現(xiàn)良好的摩擦學(xué)性能。

介紹

類金剛石碳 (DLC) 涂層目前在汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，并成為開發(fā)航天器性能優(yōu)異的固體潤滑劑的有前景的基礎(chǔ)材料。在這些領(lǐng)域，人們對 DLC 薄膜越來越感興趣，因為它們能夠保護(hù)發(fā)動機(jī)部件、傳動部件和可移動設(shè)備免受磨損，同時在惡劣的操作條件下提供低摩擦力。此外，它們可以適應(yīng)從高真空到液體介導(dǎo)接觸的各種工作環(huán)境，例如通過調(diào)整其相組成和氫含量、添加摻雜劑或在DLC 矩陣中嵌入納米顆粒。

DLC 優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，即低摩擦系數(shù)(CoF) 和磨損率，在很大程度上是由碳原子同時發(fā)生的sp2和sp3雜化決定的。類金剛石C C sp 3鍵可提高硬度和耐磨性，而類石墨 sp 2鍵可促進(jìn)剪切。DLC 薄膜的有效性已在不同的實驗條件下對傳統(tǒng)方法制造的組件進(jìn)行了廣泛的論證和記錄。

最近，增材制造（AM）技術(shù)作為機(jī)械零件制造的替代解決方案脫穎而出。特別是，選擇性激光熔化（SLM）已被開發(fā)用于加工金屬材料，例如鋁合金。SLM 的優(yōu)點包括可以按需生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的零件，同時降低成本和材料消耗。

由于這些優(yōu)點，最近人們對用于汽車和航空航天應(yīng)用的 SLM 加工的可硬化鋁合金AlSi10Mg 給予了極大的關(guān)注，也可以替代較重的材料。在 AlSi10Mg 中，SLM 過程中應(yīng)用的高能量密度和激光束產(chǎn)生的快速加熱/冷卻速率導(dǎo)致快速凝固，從而能夠在亞微米尺寸的鋁電池周圍形成精細(xì)的硅網(wǎng)絡(luò)，而這在傳統(tǒng)鑄造過程中會受到阻礙。這種精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)提高了AlSi10Mg 產(chǎn)品的硬度和拉伸強(qiáng)度 。然而，盡管鋁硅合金具有低密度、高比強(qiáng)度和高導(dǎo)熱率等更有吸引力的特性，但總的來說，它不具有良好的摩擦學(xué)行為。

功能涂層是改善鋁合金摩擦和磨損性能的一種可能選擇，但其在 SLM 材料上的可行性仍然是一個懸而未決的問題。事實上，SLM 過程中可能會產(chǎn)生氣體孔隙度；盡管金屬粉末的適當(dāng)干燥和工藝參數(shù)的調(diào)整有助于其減少，但殘留的孔隙可能會損害涂層的附著力。此外，竣工的SLM 零件的特點是表面光潔度較差，具有二維算術(shù)平均粗糙度(Ra）值通常大于 5 μm，因此在涂層沉積之前必須進(jìn)行后處理處理以降低粗糙度（例如研磨、研磨等）。當(dāng)然，這個中間步驟不僅增加了制造過程的成本，而且還會影響涂層的性能，具體取決于最終的粗糙度。

對于DLC薄膜，Jiang和Arnell已經(jīng)報道了摩擦學(xué)特性對基底形貌的依賴性，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)增加基底的粗糙度時，涂層的磨損率顯著增加（Ra，范圍為 0.01 至1.15 μm）。相反，摩擦系數(shù)顯然沒有受到影響。相比之下，Ohana 等人。在R a >110 nm的樣品中不再檢測到薄膜損壞，而對應(yīng)的樣品則測量到更大的磨損率。女高音等人。 根據(jù)涂層粗糙度（以3D 均方根粗糙度Sq表示），確定了氫化DLC 薄膜的兩個摩擦學(xué)性能系列）。發(fā)現(xiàn)“光滑”表面（Sq= 0.08–0.11 μm）的摩擦系數(shù)是“粗糙”表面（Sq = 0.17–0.23 μm），但伴隨著涂層的更高磨損。這種差異歸因于在對應(yīng)物上形成了轉(zhuǎn)移層，該轉(zhuǎn)移層因高粗糙度而受到抑制。沙哈等人。在研究粗糙度對DLC 涂層摩擦學(xué)性能的影響時強(qiáng)調(diào)了對應(yīng)硬度的作用。根據(jù)對應(yīng)物/涂層硬度比，摩擦和磨損呈現(xiàn)出各種趨勢，該比值與粗糙度一起控制磨合過程中對應(yīng)物的磨料磨損和轉(zhuǎn)移膜形成的效率。然而，他們的分析僅限于非常窄的涂層粗糙度范圍（Sq=1.5–6.0 nm）。

上述研究得出的稀疏結(jié)論表明，DLC 薄膜的表面形貌與摩擦學(xué)性能之間存在的關(guān)系還遠(yuǎn)未得到充分了解。此外，迄今為止發(fā)現(xiàn)的DLC 性能結(jié)果僅涉及沉積在傳統(tǒng)制造材料上的涂層。因此，當(dāng)考慮增材制造基材時，需要進(jìn)一步研究來評估DLC 薄膜的CoF 和磨損率，因為眾所周知，DLC 的摩擦學(xué)性能是內(nèi)在和外在參數(shù)的特定組合所特有的，包括基質(zhì)的特性。
在目前的工作中，評估了DLC 薄膜與SLM AlSi10Mg 基材結(jié)合用于摩擦學(xué)應(yīng)用的可能性，重點關(guān)注與表面形貌相關(guān)的影響。為此，SLM制造的基板首先采用不同的精加工程序組合進(jìn)行處理，以降低和控制AlSi10Mg頂面的粗糙度，隨后通過磁控濺射沉積DLC涂層。通過這種方式獲得了覆蓋一個數(shù)量級的寬范圍涂層粗糙度，并從硬度、化學(xué)成分和摩擦學(xué)行為的角度分析了其對DLC性能的影響。特別是，在不同負(fù)載下進(jìn)行球盤配置的滑動測試。根據(jù)粘合和研磨機(jī)制提取并討論CoF 和磨損率，并根據(jù)實際意義評估表面處理的作用。掃描電子顯微鏡和X 射線衍射用于檢查磨損痕跡并解釋發(fā)生薄膜分層的原因。