类金刚石薄膜(diamond-like carbon films,简称DLC薄膜)由于其高的硬度、良好的化学稳定性、抗腐蚀性能和优异的摩擦磨损性能而广泛用作固体润滑防护涂层。然而其在高速、重载及高温等苛刻工况下易发生开裂、剥落、摩擦系数升高而使薄膜润滑防护失效。在DLC薄膜中掺入具有高硬度、良好红硬性及耐磨性的WC能显著改善薄膜的机械性能及摩擦学性能,但是复合薄膜中WC相含量对其机械性能、物相组成、微观结构及摩擦学性能,尤其是高温摩擦学性能的影响规律尚不明确,有待进一步研究。本文利用非平衡磁控溅射技术共溅射C靶与WC靶并改变WC靶溅射功率的方法,在齿轮钢基底表面制备了不同WC相含量的a-C/WC薄膜,系统考察了WC相含量对复合薄膜微观结构、机械性能和重载、高速条件下摩擦学性能的影响,并探讨了a-C/WC薄膜在常温和高温下的减摩抗磨机理。研究结果表明:1.所制备的a-C/WC薄膜中WC相与非晶C相在纳米尺度交替生长,形成“超晶格”结构,而且WC相均以β-WC1-x纳米晶的形式镶嵌于非晶的碳基体中。随着WC相含量的增加,“超晶格”结构更加显著。这种纳米尺度的多层结构有效抑制了薄膜的柱状结构生长,使得薄膜结构更加致密,随着WC相含量的增加,薄膜从明显的柱状结构向无序的“玻璃态”转变。2.DLC薄膜中WC相的掺入在一定程度上降低了薄膜的硬度,但另一方面,两相复合的“超晶格”结构能够有效降低薄膜内应力并能改善其韧性,因此随着WC相含量的增加,薄膜内应力逐渐降低,其划痕结合力逐渐上升。而薄膜的H/E值则在W含量为5.43 at.%时达到最大值,结合压痕测试结果可知:此时薄膜韧性达到最优状态。3.在25℃干摩擦条件下,当W含量低于5.43at.%时,a-C/WC薄膜表现出较低的摩擦系数,且在W含量为5.43at.%时达到最低的摩擦系数(约0.05)与最小的磨损率。当薄膜中W含量超过5.43at.%时,薄膜摩擦系数上升、磨损加剧,表明过多的WC相无益于薄膜摩擦学性能的改善;在25℃油润滑条件下,薄膜摩擦学性能仍在W含量为5.43at.%时达到最佳。4.在200℃干摩擦条件下,当W含量低于5.43at.%时,a-C/WC薄膜表现出异常高的摩擦系数,薄膜完全不具润滑功能。随着WC相含量的增加,其摩擦系数得到显著改善,并在W含量为5.43at.%时达到最小值(约0.28),更高的WC相含量无益于摩擦系数的降低,但却能使摩擦系数更加稳定。然而,a-C/WC薄膜的磨损率则随着WC相含量的增加而逐渐上升;而在200℃油润滑条件下,a-C/WC薄膜摩擦系数随WC相含量的变化无明显规律,但其磨损率仍在W含量为5.43at.%时达到最小值。5.25℃与200℃时W含量为5.43at.%时薄膜的低摩擦可能主要源自摩擦过程中对偶表面形成的具有低剪切强度的转移膜。在25℃时,转移膜中以石墨化的非晶碳为主导,摩擦诱导产生的WO3起辅助作用。而在200℃时,转移膜中含有相当数量的WO3,同时薄膜摩擦界面处形成的WO3层是主导薄膜摩擦学行为的关键。