摘要

最近在汽車行業引入增材制造，為零部件生產中的高級定制和優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進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。從摩擦學的角度研究涂層的有效性，重點關注表面形貌產生的影響。為此，AlSi10Mg 圓盤采用不同的精加工技術組合進行加工，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顯著降低，達到低至0.15 和1?10-6 mm3(N·m)?1，分別。最值得注意的是，如果根據涂層粗糙度繪制，摩擦和磨損都表現出最小值。這種行為，用研磨和粘合機制來解釋，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良好的摩擦學性能。

介紹

類金剛石碳 (DLC) 涂層目前在汽車工業中得到廣泛應用，并成為開發航天器性能優異的固體潤滑劑的有前景的基礎材料。在這些領域，人們對 DLC 薄膜越來越感興趣，因為它們能夠保護發動機部件、傳動部件和可移動設備免受磨損，同時在惡劣的操作條件下提供低摩擦力。此外，它們可以適應從高真空到液體介導接觸的各種工作環境，例如通過調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 優異的摩擦學性能，即低摩擦系數(CoF) 和磨損率，在很大程度上是由碳原子同時發生的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鍵可促進剪切。DLC 薄膜的有效性已在不同的實驗條件下對傳統方法制造的組件進行了廣泛的論證和記錄。

最近，增材制造（AM）技術作為機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）已被開發用于加工金屬材料，例如鋁合金。SLM 的優點包括可以按需生產具有復雜幾何形狀的零件，同時降低成本和材料消耗。

由于這些優點，最近人們對用于汽車和航空航天應用的 SLM 加工的可硬化鋁合金AlSi10Mg 給予了極大的關注，也可以替代較重的材料。在 AlSi10Mg 中，SLM 過程中應用的高能量密度和激光束產生的快速加熱/冷卻速率導致快速凝固，從而能夠在亞微米尺寸的鋁電池周圍形成精細的硅網絡，而這在傳統鑄造過程中會受到阻礙。這種精細的微觀結構提高了AlSi10Mg 產品的硬度和拉伸強度 。然而，盡管鋁硅合金具有低密度、高比強度和高導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 過程中可能會產生氣體孔隙度；盡管金屬粉末的適當干燥和工藝參數的調整有助于其減少，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行后處理處理以降低粗糙度（例如研磨、研磨等）。當然，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已經報道了摩擦學特性對基底形貌的依賴性，他們發現當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，而對應的樣品則測量到更大的磨損率。女高音等人。 根據涂層粗糙度（以3D 均方根粗糙度Sq表示），確定了氫化DLC 薄膜的兩個摩擦學性能系列）。發現“光滑”表面（Sq= 0.08–0.11 μm）的摩擦系數是“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物上形成了轉移層，該轉移層因高粗糙度而受到抑制。沙哈等人。在研究粗糙度對DLC 涂層摩擦學性能的影響時強調了對應硬度的作用。根據對應物/涂層硬度比，摩擦和磨損呈現出各種趨勢，該比值與粗糙度一起控制磨合過程中對應物的磨料磨損和轉移膜形成的效率。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論表明，DLC 薄膜的表面形貌與摩擦學性能之間存在的關系還遠未得到充分了解。此外，迄今為止發現的DLC 性能結果僅涉及沉積在傳統制造材料上的涂層。因此，當考慮增材制造基材時，需要進一步研究來評估DLC 薄膜的CoF 和磨損率，因為眾所周知，DLC 的摩擦學性能是內在和外在參數的特定組合所特有的，包括基質的特性。
在目前的工作中，評估了DLC 薄膜與SLM AlSi10Mg 基材結合用于摩擦學應用的可能性，重點關注與表面形貌相關的影響。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量級的寬范圍涂層粗糙度，并從硬度、化學成分和摩擦學行為的角度分析了其對DLC性能的影響。特別是，在不同負載下進行球盤配置的滑動測試。根據粘合和研磨機制提取并討論CoF 和磨損率，并根據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生薄膜分層的原因。