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摘要

最近在汽车行业引入增材制造，为零部件生产中的高级定制和优化资源消耗铺平了道路。然而，增材制造零件典型的较差表面光洁度阻碍了它们在未经进一步加工的情况下的实际使用。控制粗糙度在施加涂层时尤其重要，但可能意味着制造成本的显着增加，具体取决于所需的精加工水平。在这项工作中，研究了类金刚石碳 (DLC) 涂层与增材制造金属材料的尚未探索的组合。特别是，基材采用通过选择性激光熔化制造的AlSi10Mg铝合金圆盘形式。从摩擦学的角度研究涂层的有效性，重点关注表面形貌产生的影响。为此，AlSi10Mg 圆盘采用不同的精加工技术组合进行加工，并通过磁控溅射沉积了aCDLC。所得薄膜厚度为 1.7 μm，均方根粗糙度范围为0.28 至2.67 μm。球盘摩擦测试表明，对于未涂层的样品，薄膜的存在使摩擦系数显着降低，达到低至0.15 和1∙10-6 mm3(N·m)−1，分别。最值得注意的是，如果根据涂层粗糙度绘制，摩擦和磨损都表现出最小值。这种行为，用研磨和粘合机制来解释，表明存在中间范围的粗糙度，可以最大限度地减少摩擦和磨损，因此表明不需要高水平的精加工来实现良好的摩擦学性能。

介绍

类金刚石碳 (DLC) 涂层目前在汽车工业中得到广泛应用，并成为开发航天器性能优异的固体润滑剂的有前景的基础材料。在这些领域，人们对 DLC 薄膜越来越感兴趣，因为它们能够保护发动机部件、传动部件和可移动设备免受磨损，同时在恶劣的操作条件下提供低摩擦力。此外，它们可以适应从高真空到液体介导接触的各种工作环境，例如通过调整其相组成和氢含量、添加掺杂剂或在DLC 矩阵中嵌入纳米颗粒。

DLC 优异的摩擦学性能，即低摩擦系数(CoF) 和磨损率，在很大程度上是由碳原子同时发生的sp2和sp3杂化决定的。类金刚石C C sp 3键可提高硬度和耐磨性，而类石墨 sp 2键可促进剪切。DLC 薄膜的有效性已在不同的实验条件下对传统方法制造的组件进行了广泛的论证和记录。

最近，增材制造（AM）技术作为机械零件制造的替代解决方案脱颖而出。特别是，选择性激光熔化（SLM）已被开发用于加工金属材料，例如铝合金。SLM 的优点包括可以按需生产具有复杂几何形状的零件，同时降低成本和材料消耗。

由于这些优点，最近人们对用于汽车和航空航天应用的 SLM 加工的可硬化铝合金AlSi10Mg 给予了极大的关注，也可以替代较重的材料。在 AlSi10Mg 中，SLM 过程中应用的高能量密度和激光束产生的快速加热/冷却速率导致快速凝固，从而能够在亚微米尺寸的铝电池周围形成精细的硅网络，而这在传统铸造过程中会受到阻碍。这种精细的微观结构提高了AlSi10Mg 产品的硬度和拉伸强度 。然而，尽管铝硅合金具有低密度、高比强度和高导热率等更有吸引力的特性，但总的来说，它不具有良好的摩擦学行为。

功能涂层是改善铝合金摩擦和磨损性能的一种可能选择，但其在 SLM 材料上的可行性仍然是一个悬而未决的问题。事实上，SLM 过程中可能会产生气体孔隙度；尽管金属粉末的适当干燥和工艺参数的调整有助于其减少，但残留的孔隙可能会损害涂层的附着力。此外，竣工的SLM 零件的特点是表面光洁度较差，具有二维算术平均粗糙度(Ra）值通常大于 5 μm，因此在涂层沉积之前必须进行后处理处理以降低粗糙度（例如研磨、研磨等）。当然，这个中间步骤不仅增加了制造过程的成本，而且还会影响涂层的性能，具体取决于最终的粗糙度。

对于DLC薄膜，Jiang和Arnell已经报道了摩擦学特性对基底形貌的依赖性，他们发现当增加基底的粗糙度时，涂层的磨损率显着增加（Ra，范围为 0.01 至1.15 μm）。相反，摩擦系数显然没有受到影响。相比之下，Ohana 等人。在R a >110 nm的样品中不再检测到薄膜损坏，而对应的样品则测量到更大的磨损率。女高音等人。 根据涂层粗糙度（以3D 均方根粗糙度Sq表示），确定了氢化DLC 薄膜的两个摩擦学性能系列）。发现“光滑”表面（Sq= 0.08–0.11 μm）的摩擦系数是“粗糙”表面（Sq = 0.17–0.23 μm），但伴随着涂层的更高磨损。这种差异归因于在对应物上形成了转移层，该转移层因高粗糙度而受到抑制。沙哈等人。在研究粗糙度对DLC 涂层摩擦学性能的影响时强调了对应硬度的作用。根据对应物/涂层硬度比，摩擦和磨损呈现出各种趋势，该比值与粗糙度一起控制磨合过程中对应物的磨料磨损和转移膜形成的效率。然而，他们的分析仅限于非常窄的涂层粗糙度范围（Sq=1.5–6.0 nm）。

上述研究得出的稀疏结论表明，DLC 薄膜的表面形貌与摩擦学性能之间存在的关系还远未得到充分了解。此外，迄今为止发现的DLC 性能结果仅涉及沉积在传统制造材料上的涂层。因此，当考虑增材制造基材时，需要进一步研究来评估DLC 薄膜的CoF 和磨损率，因为众所周知，DLC 的摩擦学性能是内在和外在参数的特定组合所特有的，包括基质的特性。
在目前的工作中，评估了DLC 薄膜与SLM AlSi10Mg 基材结合用于摩擦学应用的可能性，重点关注与表面形貌相关的影响。为此，SLM制造的基板首先采用不同的精加工程序组合进行处理，以降低和控制AlSi10Mg顶面的粗糙度，随后通过磁控溅射沉积DLC涂层。通过这种方式获得了覆盖一个数量级的宽范围涂层粗糙度，并从硬度、化学成分和摩擦学行为的角度分析了其对DLC性能的影响。特别是，在不同负载下进行球盘配置的滑动测试。根据粘合和研磨机制提取并讨论CoF 和磨损率，并根据实际意义评估表面处理的作用。扫描电子显微镜和X 射线衍射用于检查磨损痕迹并解释发生薄膜分层的原因。