WC厚度对304钢表面WC-C/DLC复合涂层微观结构与性能的影响机制研究

为解决WC/DLC涂层因高残余应力和低韧性导致的早期失效问题，研究人员采用PVD与CVD混合工艺制备了WC-C过渡层增强的DLC涂层。研究发现，491 nm厚度的WC-C层使涂层断裂韧性最优（H3/E2达0.20），摩擦系数低至0.1，显著提升了304不锈钢在苛刻环境下的耐磨性与可靠性。该研究为多层耐磨涂层的优化设计提供了新思路。

　　

在工业与生物医学领域，304不锈钢因其优异的耐腐蚀性被广泛应用，但其低硬度和较差的耐磨性严重限制了其在苛刻环境下的使用。为解决这一难题，金刚石类碳涂层（DLC）因其出色的耐磨性和低摩擦系数成为研究热点。然而，DLC涂层的高残余应力和低韧性常导致早期剥落失效，尤其是在钢基体上表现更为明显。传统方法通过引入金属或合金中间层来缓解这一问题，但碳化钨（WC）增强DLC涂层的性能调控机制尚不明确。

为突破这一技术瓶颈，国内研究人员在《Applied Surface Science》发表最新研究，创新性地采用磁控溅射（MS）与等离子体增强化学气相沉积（PECVD）混合工艺，在304不锈钢表面构建了含非晶碳过渡层（WC-C）的DLC复合涂层。研究团队通过调控WC层厚度（220-607 nm），系统考察了其对涂层微观结构、力学性能和摩擦学行为的影响。关键技术包括：利用拉曼光谱分析碳键结构演变，通过纳米压痕和维氏硬度测试评估机械性能，采用球-盘摩擦仪测定摩擦系数，并结合扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）表征涂层形貌。

3.1 材料表征
拉曼光谱证实WC表面形成了sp²杂化的非晶碳过渡层（I_D/I_G≈1.2），有效促进了DLC的界面结合。SEM显示所有涂层均呈现致密结构，WC-C/DLC界面无缺陷，DLC层成功将表面粗糙度（Sa）从WC单层的308.9 nm降至111.6 nm。

3.2 力学性能
微划痕测试表明，WC-C层使涂层结合强度从9.0 N提升至13.8 N。纳米压痕显示491 nm厚WC-C的样品具有最优综合性能：硬度（H）达18.7±3.5 GPa，弹性模量（E）为182±31 GPa，H³/E²比值高达0.20。维氏压痕证实该厚度下涂层无径向裂纹，断裂韧性最佳。

3.3 摩擦学行为
所有WC-C/DLC涂层均表现出稳定的低摩擦系数（COF≈0.1），磨损率维持在10^-14-10^-13 m³/Nm量级。拉曼分析磨损轨迹发现DLC发生石墨化转变，形成连续润滑转移膜，而WC特征峰未检出，说明DLC层完整抵御了摩擦磨损。

这项研究首次揭示了WC厚度通过调控非晶碳过渡层结构影响DLC涂层断裂韧性的机制，提出491 nm为最优厚度参数。该成果不仅为多层耐磨涂层的界面设计提供了理论依据，更推动了304不锈钢在极端工况下的工程应用。特别值得注意的是，混合沉积工艺解决了传统金属中间层在高压偏置下易中毒的技术难题，为高性能碳基涂层的工业化制备开辟了新路径。