mse测量dlc涂层在远传密封件上的应用(转载)

1、dlc涂层在远传密封件上的应用dlc(diamond like carbon)类金刚石涂层是无定形碳屮含sp3键的亚稳态结构。由于 它的组成、光学透过率、硬度、折射率和在化学腐蚀剂屮的惰性以及抗摩擦性能十分相似于 金刚石，同时制备技术口趋成熟，因而己在许多方面获得了应用并不断拓展其应用领域。木文在一系列实验的基础上，对dlc涂层和市场上其它的防蘑涂层性能做了相关的对 比分析，同时研究了涂层对变送器潜在的负面影响以及其它性能。dlc与其它耐磨涂层膜片的对比分析mse微粒喷浆冲蚀法的应用膜片作为远传密封件的核心部件，山于其厚度非常薄，通常只有0.05mm0.2mm，同 时其不平坦的波纹状结构，标准

2、的摩擦实验方法不适用于膜片上的涂层分析或不能准确地模 拟出真实的应用环境。mse(micro slurryjet erosion)微粒喷浆法是利用含有固体粒子的浆体对材料表面进 行高速冲蚀，使表面涂层出现具有一定深度的冲蚀痕迹。由于材料磨损量随表面强度而改 变，对冲蚀深度进行测量，分析数据，将磨损量的变化转换成磨损率并制作成图表，最终 来评估和对比各种材料表面及涂层的强度。使用mse微粒喷浆法来分析膜片涂层性能，不仅能够真实地模拟客户现场的应用，同 时不受膜片样件大小及形状的限制；另外mse微粒喷浆法能够分析复合涂层的厚度及每层 的磨损速率，并且通过多点测试能够评估涂层的均匀度。mse微粒喷浆

3、冲蚀法实验结果对比通过mse微粒喷浆法対dlc涂层膜片和市场上现冇其它的防磨膜片进行了和关的耐 磨对比分析，其中陶瓷类涂层膜片包括crn、tiain以及cr2o3&tio2；加厚膜片包括不锈 钢316l、哈氏合金c-276以及双相钢duplex2057o由于涂层一般在90。力向冲击下表现的 最为脆弱，所以所有的冲蚀角度为统一的90°c图1是dlc涂层膜片mse微粒喷浆法蘑损曲线结果。通过对不用的冲蚀点数据进行 拟仑得出了两条不同的1111线，其屮斜率小的是dlc涂层的擁损曲线；斜率人的是不锈钢 316l基体的磨损曲线；两条1111线的交点是dlc涂层与基体的拐点。从结果可以看

4、出，当浆 体喷射总量达到大约530g时，斜率突然变大，dlc涂层此时被冲破，此时磨损深度大约是 1.5um；另外，dlc涂层的磨损速率非常'低，只有0.0013um/g,和不锈钢316l基体的1.7346 um/g的磨损速率相比，整整和差了三个数量级。同时dlc涂层磨损曲线儿乎保持了较好的 线性，说明此dlc涂层在厚度方向是纯粹的单一的类金刚石涂层，没有山于杂质或结合力 不一致导致的差界。图1 dlc涂层膜片冲蚀磨损曲线5«£车«.图2是陶瓷类涂层以及不同基体材料与dlc涂层的冲蚀结來对比。对于陶瓷类涂层来 说，crn涂层磨损速率最高，达到0.971 um

5、/g,儿乎是基体材料的一半，同吋其膜层厚度 只有3um, 4g的浆体就把涂层冲穿，所以其捉高膜片的寿命效呆不人；对于tiain涂层， 其磨损速率相对比较低，但由于膜层厚度只冇4.5um, 18g的浆体会将涂层冲穿，所以其对 膜片的寿命也影响甚微；cr2o3&tio2涂层的磨损速率介于两种涂层中间，但由于膜层厚度 达到78um,最终需要将近100g的浆体才能把涂层冲穿，相当于提高了普通膜片寿命的两 倍。厚度1.53.04.578152152152浆体重530 一418100779595图2不同涂层及材料的冲蚀结果対比对于普通的加厚膜片来说，不同基体材料的磨损速率相差不大，大致都在1.5u

6、m/g-2.0um/g z间，所以最终的膜片寿命取决于加厚的倍数。市场上常见的加厚膜片 考虑到对精度的影响一般只是两倍普通膜片的厚度，所以加厚膜片的寿命也就是普通膜片的 两倍。dlc涂层作为最接近金刚石硕度的材料，其耐磨性能明显远远高于陶瓷类涂层和其它 侦质涂层。虽然其厚度一般只有1.0um2.0um,但凭借其极低的磨损速率，在同样磨损的 条件下，带dlc涂层的膜片寿命将近是普通膜片的10倍，完全能够满足客八的需求。dlc与其它涂层的微观结构对比分析涂层的微观组织结构决従了涂层的综介力学性能以及英它性能。通过分析涂层的微观结 构，冇助于了解不同涂层间差异的根源，以及分析不同镀膜工艺的优劣。木文

7、使用1000倍的高倍显微镜分析了 dlc涂层与其它陶瓷类涂层膜片的微观表面结 构，其屮包括crn、tiain以及cr2o3&tio2。从图3屮可以看岀，dlc涂层表而致密且纯净，不存在任何的结构缺陷，同时表面粗 糙度只有0.2um以下。这种致密的结构和光滑的表而特性外加金刚石特有的高硬度最终决 定了 dlc涂层卓越的耐辭能力。另外町以发现，由于dlc涂层极薄,能够明显看到涂层下 基体材料的纹理走向。图3不同涂层的表面微观结构对于crn和tiain涂层，图3中可以明显发现均布的黑色斑点，对于这些黑色斑点， 一部分是由于镀膜时过滤不干净杂质引起的，另一部分就是pcd/cvd工艺所形成的针孔

8、。 无论是杂质还是针孔，都是不利于涂层防腐蚀的。对于cr2o3&tio2涂层，与其它三种涂 层完全不同，一般这种材料通常是通过火焰热喷涂到膜片上，所以其表面粗糙度达到了 0.8um,厚度将近80um。火焰热喷涂的涂层一般结构疏松，膜层较厚，附着力小，很容易 被剥落；同时较厚的涂层导致变送器的梢度大打折扣。dlc与英它涂层膜片对测量梢度的影响远传密封件的膜片作为过程压力的接收部件，其弹性的变化势必会影响到变送器整体的 测量精度。同时，带涂层的膜片改变膜片的固有弹性也是必然的。图4对dlc、crn、tiain、cr2o3&tio2涂层以及无涂层的五种膜片进行了弹性实验 分析。为了得

9、到膜片准确的弹性111!线，实验使用压缩气体及真空作为压力源，通过测最不同 压力条件下膜片位移的变化计算出远传密到件容积的变化。从图屮可以看出，dlc涂层的 膜片弹性曲线变化最为平缓，和没有涂层的膜片相比几乎没有太人的茅别；crn和tiain涂 层的膜片弹性曲线比没有涂层的膜片略显陡峭；而cr2o3& tio2涂层的膜片弹性线在图 屮远远偏离没有涂层的膜片，几乎呈现陡肓状态。图4不同涂层的膜片弹性变化曲线从试验件结呆可以得出结论，dlc涂层膜片最为柔软，对膜片的固有弹性影响很小, 从而对变送器的测量精度冲击达到了最小。dlc涂层膜片的其它性能优异的综合防腐蚀能力由于dlc类金刚石薄膜是

10、一种自身具有独特特性的非晶碳薄膜，其结构主要是碳原了 按纳米级排列而成。所以纯dlc膜具冇优异的耐蚀性，各类酸、碱甚至王水都很难侵蚀它。 但掺朵有其他元素的dlc膜的耐蚀性有所下降，这是由于掺杂的元素首先被侵蚀，从而破 坏了膜的连续性所致。因此为了进一步研究现有dlc涂层远传密封件的防腐性能，相关的 腐蚀试验是必要的。突出的防氢渗能力在许多远传密封件应用场合，经常伴随着氢渗现象的发住。特别是一些煤化工行业，气 化炉黑水中游荡着大量的由于煤粉燃烧而形成的©离子，这些盘离子会穿透膜片并在背后聚 集成氢气，这些氢气最终会把膜片鼓起导致远传密封件的报废。通常客户在这种情况下只能 选用昂贵的镀金涂层来防止氢渗的发牛。通过对镀金膜片、dlc涂层膜片以及无涂层膜片的氢渗透速率对比示发现，镀金膜片的 氢渗透速率是远远低于无涂层的不锈钢膜片的，也就是它的1/200。dlc涂层膜片的氢渗透