Role of sp3 fraction and surface morphology on the wear mechanisms of ta-C coatings under current-carrying sliding
Notice bibliographique
Résumé
This study examines how bonding structure and surface quality govern the tribological behaviour of tetrahedral amorphous carbon (ta-C) coatings under applied electrical currents, addressing their suitability for current-carrying sliding applications. Two ta-C coatings—designated as soft and hard— were deposited on high-speed steel (HSS) substrates via filtered cathodic vacuum arc (FCVA) and tested against SAE 52100 steel under currents from 100 to 1500 mA. The soft coating, deposited at 150 °C without substrate bias, had a hardness of 51 GPa, while the hard coating, grown at room temperature with a −100 V pulsed bias, reached 69 GPa. Both coatings improved the wear resistance of the substrate. Compared to pulsed vacuum arc (PVA) ta-C, the FCVA coatings—being smoother, harder, and less defective—were less prone to arc-induced damage. The soft ta-C consistently exhibited low coefficient of friction (COF) about 0.2 (rising to about 0.3 at 1500 mA) and minimal wear, while the hard ta-C degraded above 500 mA due to iron oxide-filled pores and localized arcing. With its lower pore and defect density, the soft coating resisted oxidation and showed limited current-induced damage, while Raman spectra confirmed the formation of few-layer graphene on its wear track, facilitated by its moderate sp 3 content and aromatic sp 2 structures. These results indicate that bonding structure and the ability to undergo structural transformation play key roles in governing tribological behaviour under electrical current. Coatings with smooth, low-defect surfaces and moderate sp 3 content demonstrated stable performance and low wear, supporting their suitability for current-carrying sliding applications. • ta-C coatings with smooth surfaces, low defects, and moderate sp³ content showed the lowest wear under current. • Raman 2D-band mapping indicated local graphitic domains in moderate sp³ coatings at intermediate currents. • High sp³ coatings showed limited graphitization and higher friction; porous coatings promoted arc oxidation. • Friction and wear were governed by eliminating surface defects and enabling partial graphitization. • Optimal performance required smooth surfaces and bonding that allowed controlled sp³–sp² transformation.
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Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
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