Abstract An innovative vanadium carbonitride coating with C element doped in a vanadium nitride (VN) matrix was developed on Inconel 718 and Si (100) substrates using a multi-arc ion plating technique. The micromorphology and microstructure of the as-deposited VCN coating were studied by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results show that the incorporation of C-dopant with the VN matrix can produce both sp2 C-C and sp3 C-C hybridized structures besides VC and VN phases. Furthermore, tribological testing was performed on a ball-on-disc tribometer with an Al2O3 ball as the counterpart. The main mechanisms of friction factors and C-dopant that affect the tribological properties of VCN coating were studied under some designed orthogonal parameters. The optimal solutions for VCN and VN coatings to attain the lowest friction coefficient and wear rate were suggested by orthogonal analysis, and the order of importance of friction factors that influence the tribological performance of VCN and VN coatings was clarified for each situation. In addition, the lubricant mechanisms of sp2 hybridized carbon and V2O5 crystal were focused on due to their special graphite-like structure as well as Magnéli phase, which can enhance the antiwear and antifriction effect of VCN coating under test conditions. Finally, the wear morphologies of all tested samples were observed by SEM, and the phase composition in the worn area was investigated by micro-Raman spectrometry.

中文翻译：

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通过正交研究用于高温摩擦学应用的创新 VCN 涂层

摘要 使用多弧离子镀技术在 Inconel 718 和 Si (100) 基材上开发了一种创新的碳氮化钒涂层，其中 C 元素掺杂在氮化钒 (VN) 基体中。通过扫描电子显微镜 (SEM)、透射电子显微镜 (TEM) 和 X 射线光电子能谱 (XPS) 研究了沉积态 VCN 涂层的微观形貌和微观结构。结果表明，除了 VC 和 VN 相之外，将 C 掺杂剂与 VN 基质结合还可以产生 sp2 CC 和 sp3 CC 杂化结构。此外，摩擦学测试在球盘摩擦计上进行，Al2O3 球作为对应物。在一些设计的正交参数下，研究了摩擦因素和C掺杂剂影响VCN涂层摩擦学性能的主要机制。通过正交分析提出了 VCN 和 VN 涂层获得最低摩擦系数和磨损率的最佳解决方案，并阐明了每种情况下影响 VCN 和 VN 涂层摩擦学性能的摩擦因素的重要性顺序。此外，sp2杂化碳和V2O5晶体由于其特殊的类石墨结构和Magnéli相的润滑机制，在试验条件下可以增强VCN涂层的抗磨减摩效果。最后，通过扫描电镜观察所有试样的磨损形貌，并通过显微拉曼光谱研究磨损区域的相组成。并阐明了每种情况下影响 VCN 和 VN 涂层摩擦学性能的摩擦因素的重要性顺序。此外，sp2杂化碳和V2O5晶体由于其特殊的类石墨结构和Magnéli相的润滑机制，在试验条件下可以增强VCN涂层的抗磨减摩效果。最后，通过扫描电镜观察所有试样的磨损形貌，并通过显微拉曼光谱研究磨损区域的相组成。并阐明了每种情况下影响 VCN 和 VN 涂层摩擦学性能的摩擦因素的重要性顺序。此外，sp2杂化碳和V2O5晶体由于其特殊的类石墨结构和Magnéli相的润滑机制，在试验条件下可以增强VCN涂层的抗磨减摩效果。最后，通过扫描电镜观察所有试样的磨损形貌，并通过显微拉曼光谱研究磨损区域的相组成。由于sp2杂化碳和V2O5晶体具有特殊的类石墨结构和Magnéli相，在试验条件下可以增强VCN涂层的抗磨减摩效果，因此重点研究了它们的润滑机制。最后，通过扫描电镜观察所有试样的磨损形貌，并通过显微拉曼光谱研究磨损区域的相组成。由于sp2杂化碳和V2O5晶体具有特殊的类石墨结构和Magnéli相，在试验条件下可以增强VCN涂层的抗磨减摩效果，因此重点研究了它们的润滑机制。最后，通过扫描电镜观察所有试样的磨损形貌，并通过显微拉曼光谱研究磨损区域的相组成。