表面涂覆技术常常被用于半导体[1]、模具[2]以及刀具[3]等方面，用来加强材料表面防护，改善材料表面性能；有时也用于修复磨损或腐蚀损坏的零件尺寸。但目前将表面涂覆技术作为尺寸补偿的手段的应用则较少。特别是针对几何尺寸在0.01~10 mm范围内的微米和中间尺度零件，传统精密加工和微机电技术由于加工精度和三维结构等因素的限制，均不适用于该类零件的制造[4]。而薄膜沉积从微观角度上讲，其实是沉积粒子在零件表面“堆积”的过程。因此，从理论上讲只要有效控制薄膜的厚度和均匀性就能实现微纳米级补偿作用，提高零件尺寸精度。而类金刚石(Diamond-like carbon，DLC)薄膜作为一种非晶材料，表面光滑平整，均匀性好，具有高硬度和优异的减摩抗磨性能[5, 6]，且制备过程中厚度可控，因而具有尺寸补偿和表面改性作用，拥有广泛应用前景。
目前DLC的制备方法主要有磁控溅射和等离子体化学气相沉积等，不同制备方法所获得的DLC薄膜的性能有很大差别。文中采用线性离子束(Linear ion source,LIS)技术，该技术具有无热丝、高离化率、长时间内等离子体运行稳定的特点，同时在沉积过程中，高能离子束以一定角度和密度轰击基片，能起到辅助沉积的作用，有望成为薄膜产业低成本的最理想技术之一[7]。图 1为线性离子束源结构原理图。
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| 图 1 线性离子束源结构原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the linear ion source(LIS) |
Wang R K[8]等人研究了不同衬底负偏压对线性离子束沉积DLC薄膜的影响，发现DLC薄膜中sp3键含量随着衬底负偏压的增大先升高后降低；黄雷[9]等人研究了不同基体温度对线性离子束沉积DLC薄膜的影响，发现随着基体温度的升高，DLC薄膜中sp3键含量和耐磨性能先降低后提高；Dai W[10]等人研究了掺杂Cr元素对线性离子束沉积DLC薄膜的影响，发现掺杂Cr(＜0.3%)元素后，其硬度基本保持不变，摩擦因数和残余应力显著降低，耐磨性提升明显。但国内外对采用该技术对比在不同基体材料上沉积得到DLC薄膜的结构和性能的研究还不多，而将DLC薄膜应用于尺寸补偿，则必须考虑不同基体材料对成膜性能的影响。
鉴于此，文中采用线性离子束技术分别在YG6硬质合金、SKD11不锈钢和T7451铝合金3种不同基体材料表面沉积DLC薄膜，并研究了不同基体材料上DLC薄膜的结构以及力学性能，以期对微小零件加工精密膜层补偿技术中膜基系统设计提供参考。
1 材料与方法 1.1 试样制备基体材料为YG6硬质合金、SKD11不锈钢和T7451航空铝合金，大小均为20 mm×10 mm×5 mm。
采用MC-Hybrid多功能镀膜机(中科院沈科仪)，主要包含线性离子源沉积单元和非平衡磁控溅射单元。以高纯Ar和C2H2作为工作气体。镀膜前，试样首先经过打磨、抛光、碱液/酒精超声波清洗、纯水清洗、脱水等步骤。随后放入真空腔抽真空至6×10-3 Pa，对试样进行Ar离子束清洗，以提高其表面活性，改善界面性质。为缓解膜基不匹配性，直流磁控预溅射Cr作为过渡层，溅射电流6 A，溅射功率0.2 kW。DLC制备线性离子束电压1 000 V，占空比50%，其他试验参数见表 1。经测量，DLC膜层厚度约为2.1 μm。
| Film | Time/ min | Working gas | Temperature/ ℃ | Target | Bias voltage/V | ||
| Type | Flow/(mL·min-1) | Type | Parameter | ||||
| Cr | 10 | Ar | 17 | 115 | Sputtering target | 6 A | -500 |
| DLC | 120 | C2H2 | 17 | 115 | Ion beam source | 1 000 V | -1 500 |
采用VEECO公司CP5型AFM对薄膜表面形貌进行观察。薄膜厚度由Bruker公司DEKTAK-XT台阶仪测得。Raman光谱采用英国Renishaw INVIA型激光共振聚焦显微拉曼光谱仪测量，光源为Ar+激光器，波长514.5 nm。利用中科院兰州化学物理研究所WS-2005型划痕仪对膜基结合力进行测量，压头锥角120°，半径200 μm，以40 N/min的力进行加载，移动速度2 mm/min，划痕长度6 mm。
采用Bruker公司UMT-2型摩擦磨损试验机对DLC进行球-盘式往复摩擦试验(大气湿度为40%，室温)，时长10 min，摩擦副为Si3N4，直径4 mm，法向载荷40 N，磨痕长度4 mm。磨损率K可根据式(1)得出:
其中，K为磨损率，mm3/(N·m)；V为磨损体积，mm3；R为磨球半径，mm；Z为磨痕深度，mm(可从摩擦磨损试验机上读取)；S为单程长度，m；W为载荷大小，N；n为程数。
2 结果与讨论 2.1 薄膜的表面形貌和微观结构图 2为DLC/Cr/SKD11膜系的SEM形貌，可以看出薄膜表面光滑平整，呈“球形”化生长，无明显裂纹和缺陷。试验数据表明，3种试样表面形貌相差不大，因此仅列出DLC/Cr/SKD11膜系的形貌。
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| 图 2 DLC/Cr/SKD11膜系的形貌 Fig. 2 Morphologies of the DLC/Cr/SKD11 film |
图 3为DLC/Cr/YG6、DLC/Cr/T7451和DLC/Cr/SKD11 3种膜系的AFM表面形貌，其表面轮廓算术平均偏差Ra依次为5.5、5.6和6.1 nm，表面粗糙度相差不大，但与文献[11](采用非平衡磁控溅射技术在高速钢基体上制备含氢DLC膜，Ra约为15.6 nm)、文献[12](采用脉冲激光沉积技术在Si片上沉积Ni∶DLC膜，Ra为7.78~13.1 nm)相比，其颗粒尺寸更小，表面更为平滑。这是由于采用线性离子束技术，C2H2解离后形成的碳氢基团及中性原子能量较大，到达基体表面后能够扩散充分，使得生长更为均匀。同时偏压的存在使得沉积过程始终伴随着离子束的轰击，促进了表面原子的扩散和对表面疏松结构的刻蚀，起到辅助沉积的作用，使得膜层光滑致密，颗粒比较均匀。
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| 图 3 DLC膜的AFM形貌 Fig. 3 AFM morphologies of the DLC films |
激光Raman光谱是用来分析碳类材料结构最直接的手段。DLC薄膜的Raman光谱一般在1 500 cm-1附近显示出一个不对称的宽峰，利用高斯(Gauss)或洛伦茨(Lorentz)函数，可以将该宽峰分解为两个峰，分别对应于G峰和D峰[13]。图 4和表 2分别表示DLC膜Raman光谱和Gauss解谱结果。
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| 图 4 DLC膜的Raman光谱 Fig. 4 DLC膜的Raman光谱 |
| Film | Position/cm-1 | Width/cm-1 | Integral area/cm-2 | ID/IG | |||
| D | G | D | G | D | G | ||
| DLC/Cr/SKD11 | 1 382.4 | 1 559.2 | 346.5 | 168.8 | 72 960 | 53 973 | 1.37 |
| DLC/Cr/YG6 | 1 401.4 | 1 557.0 | 378.8 | 160.1 | 93 133 | 48 599 | 1.91 |
| DLC/Cr/T7451 | 1 390.8 | 1 557.9 | 362.5 | 167.5 | 101 088 | 68 961 | 1.46 |
从中发现：沉积于SKD11基体上的DLC膜，其D峰和G峰强度比ID/IG值最小，根据文献[14]，ID/IG比值越小，其膜内sp3C含量越高，说明DLC/Cr/SKD11膜系含有较多sp3C。DLC/Cr/YG6膜系sp3C含量最少，这是因为YG6型硬质合金的组成中含有6%的Co，研究发现[15, 16]，元素Co在类金刚石膜沉积过程中，能催化石墨化并抑制链状氢sp3键的生长，产生大量石墨成分。
在采用线性离子束技术镀膜过程中，虽然DLC膜层与基体之间沉积了Cr过渡层，但由于线性离子束能量较大，C离子团轰击Cr过渡层的同时，也可将其溅射出去形成空位，膜层可直接沉积于基体表面，导致Co元素对sp3C生长的抑制。
2.2 薄膜的膜基结合性能划痕法是目前广泛使用的一种测试膜基结合性能的试验方法。金刚石压头以一定速度划过膜层表面，同时逐步增大垂直压力，根据DLC薄膜开裂时声信号的剧烈变化来确定薄膜开裂的临界载荷Lc，用来衡量薄膜的结合性能。图 5显示了DLC膜层划痕的3个阶段。
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| 图 5 DLC薄膜不同阶段的划痕形貌 Fig. 5 Scratch morphologies of the DLC films at different stages |
在初始阶段，由于载荷较小，薄膜仅发生弹性变形，表面仅有划痕，未出现裂纹。随着载荷的增加，压头犁削作用增强，此时压头开始深入薄膜内部，在压头尖端处产生应力集中，并沿其前面两个棱方向产生裂纹，薄膜发生塑性变形，产生鱼鳞状脱落现象。当载荷继续增大，压头深入薄膜内部并与基体接触，由于膜基弹性模量的不同，导致其变形恢复不再同步，薄膜发生脆性脱落，膜基脱开，薄膜失效。此时由于DLC薄膜内含有较高的残余应力，而残余应力可通过薄膜脱落而释放，从而对薄膜的失效起到促进作用。
结合图 6声信号变化曲线以及观察薄膜划痕形貌可知：DLC/Cr/SKD11膜系和DLC/Cr/T7451膜系的临界载荷分别为42.2 N和23.2 N，而DLC/Cr/YG6膜系在120 N载荷范围内未见失效。可解释为YG6基体硬度较高，弹性模量与DLC相近，从而能为DLC提供良好支撑作用，且在抵抗变形过程中与DLC能保持相对协调，能积累相当的应变能抵抗变形，从而提高了临界载荷，故结合强度最高。
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| 图 6 DLC划痕声信号随载荷变化趋势 Fig. 6 Variation of friction signal of DLC film with load |
图 7为DLC薄膜在40 N载荷下，摩擦10 min后的表面形貌，其摩擦因数和磨损率见图 8。比较图 7(a)(b)(c)发现：DLC/Cr/T7451膜系和基体均已发生大范围塑性变形，膜层已失效。由于T7451硬度较低，在载荷作用下很快达到塑性变形临界点，无法起到支撑薄膜作用，薄膜发生大范围脱落和破坏，此时摩擦因数较大为0.32，其反映的主要是基体承载能力较差。而DLC/Cr/SKD11膜系和DLC/Cr/YG6膜系耐磨性良好，摩擦因数分别为0.14和0.09。
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| 图 7 DLC薄膜的磨损表面形貌 Fig. 7 Surface morphologies of the DLC films after rubbing |
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| 图 8 DLC薄膜的摩擦因数和磨损率 Fig. 8 Friction coefficient and wear rate of DLC films |
对于含氢DLC薄膜来说，H可以起到饱和薄膜表面悬键的作用，可减小黏着作用，呈现较小的摩擦因数。对DLC/Cr/YG6膜系对偶球表面进行观察，发现其表面存在着一层非均匀的转移膜，见图 9。该转移膜具有石墨化特征，具有较低的剪切强度，使得DLC薄膜具有比较低的摩擦因数。对比图 6(a)(b)发现：DLC/Cr/SKD11膜系磨痕较宽，且有明显的脱落和犁沟现象。由于SKD11弹性模量(218 GPa)较YG6(630 GPa)低，接触半径a可根据Hertz弹性接触理论公式(2)得出：
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| 图 9 Si3N4球表面的转移膜 Fig. 9 Transferring film on the Si3N4 ball |
其中，a为接触半径，mm；W为载荷，N；E为弹性模量，GPa；R为磨球半径，m。可知磨球与DLC/Cr/SKD11膜系接触面积大，所以磨痕较宽。且膜基结合强度弱于YG6基体，导致在载荷作用下薄膜更容易发生弹塑性变形和脱落。薄膜表面晶粒在剪切作用下发生断裂和碎裂，形成更小的颗粒状晶粒碎片，被加持在摩擦界面上，形成磨粒从而形成磨粒磨损，这可解释犁沟产生的原因。试验说明YG6基体弹性模量高，硬度大，能为DLC提供良好支撑作用。且能有效减小表面变形，结合强度高，提高了膜层的耐磨性。
3 结 论(1) 采用线性离子束技术制备的DLC薄膜，表面光滑致密，无明显缺陷，表面粗糙度较小。
(2) DLC/Cr/SKD11膜系的sp3C含量高于DLC/Cr/T7451和DLC/Cr/YG6膜系。
(3) DLC/Cr/YG6膜系结合强度较好，120 N载荷范围内未失效，优于DLC/Cr/T7451和DLC/Cr/SKD11膜系。
(4) DLC/Cr/YG6膜系耐磨性最好，摩擦因数和磨损率均低于DLC/Cr/T7451和DLC/Cr/SKD11膜系。说明基体弹性模量大，硬度高，可以为DLC膜提供良好支撑作用，显著改善薄膜的膜基结合性能以及耐磨性能。
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