钽掺杂对多层Ta-DLC薄膜摩擦及腐蚀行为的影响

作     者：李超 孙刚 马国佳 吴俊升 张博威 张昊泽 LI Chao;SUN Gang;MA Guojia;WU Junsheng;ZHANG Bowei;ZHANG Haoze

作者机构：北京科技大学新材料技术研究院北京100083 中国航发动力股份有限公司西安710021 中国航空制造技术研究院高能束流加工技术重点实验室北京100024 中国航空制造技术研究院先进表面工程技术航空重点实验室北京100024 

出 版 物：《表面技术》 (Surface Technology)

年 卷 期：2024年第53卷第8期

页      面：63-73页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金(51771027) 北京市自然科学基金(2212037) 国家科技基础资源调查专项(2019FY101400) 

主　　题：DLC薄膜 磁控溅射 腐蚀 摩擦磨损 元素掺杂 

摘      要：目的解决316L不锈钢在苛刻海洋环境中易磨损、易腐蚀的问题。方法采用中频磁控溅射技术在316L不锈钢上沉积了Ta/TaN/TaCN/Ta-DLC薄膜。通过扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱、X射线衍射、纳米压痕、往复摩擦磨损试验和电化学测试等手段,重点研究了DLC膜层中Ta元素掺杂含量对薄膜结构、组成成分、力学性能、摩擦学性能和耐腐蚀性能的影响规律。结果随着Ta元素含量(原子数分数)从2.04%增到4.16%,薄膜中的sp^(3)键含量呈现先升高后降低的趋势,当Ta原子数分数为3.60%时,薄膜中sp3键含量最高,且薄膜的硬度及弹性模量达到最大,分别为7.01 GPa和157.87 GPa。随着Ta元素含量的增加,薄膜的平均摩擦因数逐渐减小,在4.16%(原子数分数)时达到最小0.21。Ta元素含量对薄膜的结合力影响较小,且所有薄膜结合力总体在10 N左右。当Ta原子数分数为3.60%时,薄膜的腐蚀电流密度及钝化电流密度最小,分别为0.006μA/cm^(2)和0.63μA/cm^(2),比其他薄膜的低1~2个数量级,并且薄膜电阻及电荷转移电阻最大,展现出最为优异的耐腐蚀性能。结论Ta元素的掺杂提高了薄膜的耐摩擦性能,且适当的Ta元素掺杂能够提高Ta/TaN/TaCN/Ta-DLC薄膜的耐磨耐蚀性能。