Tribological behavior of doped-DLC coatings in the presence of ionic liquid additives under different lubrication regimes

Abstract

Os revestimentos de carbono tipo diamante (DLC) são amplamente utilizados em indústrias que requerem alta durabilidade, resistência ao desgaste e baixo atrito. As características únicas dos revestimentos de DLC permitem a criação de sítios de adsorção para aditivos lubrificantes por meio do processo de dopagem. Neste estudo, foi investigado o uso combinado de revestimentos de carbono tipo diamante dopados com európio (Eu-DLC) em duas concentrações diferentes do elemento dopante (1,7 at.% e 2,3 at.%), revestimentos de carbono tipo diamante dopados com gadolínio (Gd-DLC) em duas concentrações diferentes do elemento dopante (1,7 at.% e 2,4 at.%) e revestimentos de DLC puros em conjunto com dois aditivos de líquido iônico (IL), nomeadamente trihexyltetradecylphosphonium bis (2-ethylhexyl) phosphate [P_66614] [DEHP] (denominado IL nº 1 neste documento) e 1-Ethyl-3-methylimidazolium diethylphosphate (denominado IL nº 2 neste documento), com uma concentração de 1 wt.% em polialfaolefina (PAO) 8 como lubrificante base. Os revestimentos de Gd-DLC apresentaram maior dureza, melhor adesão ao substrato e maior fator de resistência à deformação plástica. O revestimento de DLC puro apresentou um desempenho tribológico melhor quando combinado com PAO8. No entanto, após a introdução do IL nº 1 como aditivo no sistema tribológico, o coeficiente de atrito foi reduzido nos revestimentos de Gd-DLC com 1,7 at.% e 2,3 at.% de dopante em todos os regimes de lubrificação. Para a configuração tribológica que utiliza PAO8 + 1 wt.% de IL nº 2 como lubrificante, o Eu-DLC com 1,7 at.% apresentou o melhor desempenho no regime de lubrificação “contato corpo com corpo” de entre todos os revestimentos. O desgaste não pôde ser quantificado devido à natureza do desgaste na superfície dos revestimentos de DLC ser demasiado baixo, mas uma comparação qualitativa obtida por meio de técnicas de microscopia mostra que o uso do IL nº 2 reduz o desgaste para todos os revestimentos investigados neste estudo. A redução do atrito demonstra que a combinação de filmes finos de Gd-DLC com IL nº 1 pode ser um candidato potencial para sistemas que operam em todos os regimes de lubrificação, enquanto sistemas que operam apenas no regime de lubrificação “contato corpo com corpo” podem obter o maior benefício ao usar Eu-DLC com 1,7 at.% em conjunto com IL nº 2, pois esse par tribológico apresentou o menor coeficiente de atrito entre todos os pares tribológicos investigados. Os resultados deste estudo são bastante promissores para a implementação destes sistemas tribológicos em vários componentes que constituem os motores de combustão interna onde a redução do atrito é essencial para a melhoria da sua eficiência.

Diamond-like carbon (DLC) coatings are widely used in industries that require high durability, wear resistance, and low friction. The unique characteristics of DLC coatings allow for the possibility of creating adsorption sites for lubricant additives through the doping process. In this study, the combined use of europium-doped diamond-like carbon (Eu-DLC) with two different concentrations of dopant element (1.7 at.% and 2.3 at.%), gadolinium-doped diamond-like carbon (Gd-DLC) with two different concentrations of dopant element (1.7 at.% and 2.4 at.%), and pure DLC (undoped) coatings paired with two ionic liquid (IL) additives, namely, trihexyltetradecylphosphonium bis (2-ethylhexyl) phosphate [P_66614] [DEHP] (named as IL #1 in this report) and 1-Ethyl-3-methylimidazolium diethylphosphate (named as IL #2 in this report) with a 1 wt.% concentration in polyalphaolefin (PAO) 8 as a base lubricant was investigated. Higher hardness, higher thin-film adhesion, a higher ratio of hardness to elastic modulus, and a higher plastic deformation resistance factor were achieved with the 1.7 at. % Gd-DLC coating. The pure DLC coating had a better performance when paired with PAO8 in a tribological system. However, after introducing the IL #1 as an additive to the tribological system, the CoF was decreased for the 1.7 % Gd-DLC and 2.3% Gd-DLC coatings in all lubrication regimes. For tribological configuration using PAO8 + 1 wt.% IL#2 as a lubricant, 1.7 at. % Eu-DLC had the best performance in boundary lubrication regime among all coatings. The wear could not be quantified due to the nature of the wear on the surface of the DLC coatings but qualitative comparison obtained from microscopy techniques shows that introducing IL #2 reduces wear for all coatings investigated in this study. The friction reduction demonstrates that combining Gd-DLC thin films with IL#1 can be a potential candidate for the systems that are working in all lubrication regimes, while systems that are operating in only boundary lubrication regime, can get the most benefit by using 1.7 at. % Eu-DLC paired with IL #2 since this tribological pair had the lowest CoF among all the tribological pairs investigated in this regime. The results of this study can be implemented in development efforts to reduce friction and increase the efficiency of moving parts in internal combustion engines, for instance.