出品 |《阀门》期刊作者 |白思航，窦坚，阮航，丁继才，宁英豪

摘要：高温球形阀门作为控制核心装置，具备工作温度高、可靠性高与寿命要求高等特点，密封面通常采用钴基合金材料，密封副之间的干摩擦极易导致密封面划伤，使用寿命难以满足应用需求。本文系统探讨了DLC涂层的基本概念与特性、制备方法以及在阀门领域的应用情况，并以高温、高寿命要求下的球形调节阀为对象，对“沉积层+过渡层”的多层DLC涂层工艺进行深入研究，以提升阀门的使用寿命。经试验验证，阀门使用DLC涂层后，使用寿命由不足3000次提升至20000次以上，且降低了阀门维护成本。未来可通过优化DLC涂层制备工艺、拓展特殊功能阀门应用场景、提升极端工况适配性等进一步发挥DLC涂层的技术优势。

关键词：DLC涂层；高温球形阀门；寿命试验；表面强化

1

概述

在现代工业中，阀门作为控制流体流动的关键装置，其性能和耐用性对整个系统的安全和效率具有决定性影响。随着工业技术的发展，蒸汽系统应用背景下的高温阀门面临的工作条件愈发严苛，对高温高压环境下阀门的可靠性和寿命提出了更高要求。以某型蒸汽球形调节阀为例，对该类阀门提出了20000次动作寿命要求。而蒸汽系统高温阀门通常采用钴基合金材料，球阀、调节阀等阀门密封结构特殊，其阀座和球体组成的密封副在阀门启闭全过程中都是贴合的，多次挤压摩擦后极易产生划伤，使用寿命难以超过3000次。

类金刚石碳（Diamond-Like Carbon，简称DLC）是一种非晶态碳基薄膜，其结构介于金刚石和石墨之间，兼具二者的优良特性，既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有石墨的润滑性和化学惰性。DLC涂层厚度通常在几百纳米到几微米之间，但其优异的性能能够显著提升基体材料的表面特性。这种涂层可以沉积在多种基材上，包括金属、陶瓷和某些聚合物，使其在阀门行业具有广泛的适用性。研究表明，DLC涂层能够显著改善阀门部件的表面性能，减少磨损和腐蚀，降低摩擦系数，提高密封性能，从而提升整个阀门系统的可靠性和效率。

近年来，国内外学者围绕DLC涂层技术和阀门耐磨性能开展了多方面的深入研究。Dingchong L等在相同工况下将DLC涂层与其他配对材料阀板的摩擦特性进行对比，指出在一定的转速范围内，DLC涂层可显著降低阀板接口的摩擦损失。叶涛等研发出微沟槽织构配合DLC涂层的深低温阀门复合表面处理技术方案，其在低温环境下的摩擦系数与磨损率均呈显著下降趋势，整体表面性能得到明显优化。

截至目前，阀门领域DLC涂层的研究多集中于低温、低寿命要求等应用背景，在高温、高寿命应用背景下的研究较少。本文旨在以高温、高寿命要求的蒸汽球形调节阀为研究对象，利用DLC涂层技术，通过试验验证的方式，提升阀门在高温条件下的使用寿命，为阀门行业提供科学的技术参考，推动DLC涂层在阀门领域的进一步应用和发展。

02

DLC的性能特征、制备方法与应用

2.1 DLC涂层的性能特征

从化学结构来看，DLC涂层的碳原子主要以两种杂化状态存在：sp²杂化（平面三角形结构）和sp³杂化（四面体结构）。sp²杂化碳原子形成类似石墨的结构，而sp³杂化碳原子形成类似金刚石的结构。DLC涂层的性能主要取决于这两种杂化状态的比例，特别是sp³键的含量，其直接影响涂层的硬度、弹性模量和摩擦系数等关键性能，这些优异的性能使DLC涂层成为阀门应用的理想选择，特别是在极端环境和高要求应用中。通过合理选择DLC涂层的类型和制备方法，针对特定阀门优化其性能，以满足不同的功能需求。

2.2 DLC涂层的分类

根据结构和成分的不同，DLC涂层可分为多种类型，如表1所示。不同类型的DLC涂层具有不同的性能特点，适用于不同的应用环境。例如，无氢型DLC涂层硬度最高，适合要求极高耐磨性的场合；而含氢型DLC涂层摩擦系数更低，适合需要减小摩擦的应用场景；掺杂型DLC涂层则可根据具体需求定制性能；多层结构DLC涂层可同时满足高耐磨与强结合力的要求，适合对综合性能有要求的场景。

表1 DLC涂层的种类

2.3 DLC涂层的制备方法

物理气相沉积（PVD）是制备DLC涂层的主要技术之一，其基本原理是通过物理过程将材料从源材料转移到基体表面，最终形成薄膜。这类技术具有工艺温度低、涂层与基体结合强度高等显著优点，因此特别适合用于热敏感材料以及复杂形状部件的涂层处理，能有效避免高温对基体性能的破坏，同时保障涂层的稳定性。

化学气相沉积（CVD）是另一种重要的DLC涂层制备技术，其基本原理是通过化学反应将气态前驱体转化为固态沉积物。该技术不仅能提供较高的沉积速率，还具备出色的涂层均匀性，因此特别适合对复杂形状部件进行涂层处理，可有效覆盖部件的深孔、窄缝等特殊结构，保障整体涂层质量。

除了传统的物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）技术外，当前还有多种混合技术与新兴方法被应用于DLC涂层的制备，这些技术往往通过融合不同方法的优势或创新能量供给、粒子控制方式，进一步优化涂层性能与制备效率。混合技术与新兴方法的出现极大丰富了DLC涂层的制备路径，在实际应用中，可根据具体的性能目标，例如硬度、摩擦系数、基体材料特性及生产需求等，选择最为适配的制备方案。

2.4 DLC涂层在阀门领域中的应用

在球阀的性能优化中，DLC涂层主要针对其核心部件——球体与阀座表面进行涂覆，以此解决阀门运行中的关键性能痛点，如图1所示。球阀启闭时，球体与阀座会发生持续相对滑动，易因磨损导致密封失效、寿命缩短，而DLC涂层能显著提升二者表面的硬度与耐磨性，可将球阀耐磨性提高5~10倍，有效降低了部件维修与更换频率。在实际应用中，涂层厚度通常在1~5 μm之间，需要根据具体的应用环境和要求进行优化。张道军等提出了一种适配硬密封球阀的DLC基涂层制备方案，其制备的涂层最大工作压力为45 MPa，硬度为1200~2200 HV，涂层结合强度为85~95 MPa。该涂层可有效抑制DLC的分解，解决了传统涂层易剥落、工艺复杂等问题，适用于石油化工等领域，能显著提升其在苛刻环境下的耐磨、耐高压性能，延长服役时长。张学东等围绕深海高压等苛刻环境下的球阀防护展开研究，其设计的复合涂层中，含氢类DLC涂层可与其他涂层配合，形成的新涂层具备极高的耐磨性、低摩擦系数，解决了深海等高压腐蚀环境下阀门易损坏、更换频繁的问题。

图1 DLC涂层在球阀中的应用

在闸阀的性能优化中，DLC涂层主要针对其核心易损、影响密封与操作效率的部件进行精准应用，重点覆盖闸板、阀杆及关键接触面，以解决闸阀长期使用中的磨损、腐蚀与摩擦阻力问题，如图2所示。在实际应用中，闸阀的闸板和阀座通常采用相同的DLC涂层材料，涂层厚度通常在2~8 μm之间。

图2 DLC涂层在闸阀中的应用

在蝶阀的性能强化中，DLC涂层的应用需紧密贴合其“旋转启闭”的核心工作特性，重点针对蝶阀特有的易磨损、影响密封与传动效率的部件展开，核心覆盖蝶板密封面、阀杆轴颈及蝶板与阀体的动态接触面，以解决蝶阀在高频旋转、介质冲刷下的磨损、腐蚀及操作阻力问题，如图3所示。在实际应用中，DLC涂层厚度通常控制在1~3 μm，适配蝶阀部件的薄壁特性，根据介质含杂量、工作温度灵活调整；经涂层处理后的蝶阀在大口径管道、高频率启闭场景中，能显著降低维修频次，提升操作灵活性与密封可靠性。

图3 DLC涂层在蝶阀中的应用

3

高温阀门表面处理工艺研究

3.1 高温阀门表面处理工艺方案

本文以高温高寿命要求工况下的蒸汽球形调节阀为对象，研究DLC涂层技术对该类工况下阀门寿命的影响，以期将该类阀门使用寿命提高至20000次以上。该类阀门通常用于蒸汽系统，球体材料通常为06Cr18Ni11Ti，球面喷焊钴基合金STL12，阀座材料通常为06Cr18Ni11Ti，并在密封面喷焊钴基合金STL6。阀门阀座和球体组成的密封副在阀门启闭全过程均为贴合状态，且阀座与球体之间为干摩擦，在阀门启闭过程中极易划伤球体，导致阀门密封性降低，缩短使用寿命。从前期应用经验来看，通常3000次动作试验便会导致球体出现明显划伤，难以满足20000次寿命要求。

针对此类阀门，本文采用了钴基合金和DLC叠加喷涂技术，在球体表面喷涂钴基合金后，使用物理气相沉积（PVD）制备方法，在球体钴基合金层基础上喷涂DLC涂层。其中，钴基合金提高了奥氏体不锈钢基材硬度，消除了DLC涂层因基材硬度低易发生碎裂的问题，而DLC涂层相比钴基合金具有更好的自润滑性能，有效降低了阀门扭矩。

3.2 DLC涂层厚度选择

DLC涂层厚度不同，其耐磨性、硬度等性能也有所差异，选择合适的厚度对阀门影响重大。研究表明，涂层厚度小于0.5 µm时，涂层附着力好但抗磨损寿命有限，适合低应力部件或高精密要求工件；涂层厚度在0.5~2 µm范围时，耐磨性、摩擦系数、硬度均衡，是工业最常用厚度，摩擦系数通常低于0.1~0.2，硬度为2000~3500 HV，附着力及综合性能佳；涂层厚度大于2~5 µm时，耐磨寿命进一步提升，但如果附着力未优化，高应力下易剥落。经过试验验证，2~5 µm的DLC涂层厚度更适用于球阀密封面这种需要持续接触摩擦的工况，可有效提高阀门的启闭寿命，因此本文的阀门涂层厚度为2~5 µm。

3.3 DLC涂层制备工艺

本文采用物理气相沉积（PVD）方法制备DLC涂层。PVD沉积时，将气源（碳源，如乙炔C₂H₂、甲烷CH₄）通入腔体，通过弧放电、磁控溅射等手段使碳源离子轰击基体表面生成DLC膜。主要控制参数包括气压、气体流量、射频/偏压功率、时间等，以获得所需膜厚和结构。为更好地提升涂层结合力和整体力学性能，本文在沉积层基础上增加过渡层。DLC涂层整体厚度约为5 μm，DLC沉积层厚度约为4 μm，过渡层厚度约为1 μm。

4

阀门寿命试验

4.1 试验方法

本次试验采用对比试验方式，分别对DLC涂层和无DLC涂层的高温蒸汽球形调节阀开展寿命试验。试验介质为蒸汽,气体压力为4 MPa，启闭动作次数为20000次。

4.2 试验结果与讨论

（1）涂层质量检测结果

采用ZEISS EVO-18型扫描电镜（SEM）观察涂层形貌并测量涂层厚度。如图4所示，DLC涂层结构致密，涂层上方呈现细长白色条带状结构，涂层下方的过渡层为典型的均匀柱状结构，涂层质量良好。DLC涂层整体厚度为5.28~5.48 μm，其中，DLC沉积层厚度为4.23~4.30 μm，过渡层厚度为1.13~1.15 μm。

图4 DLC复合涂层截面SEM形貌（8000×）

涂层力学性能检测结果如表2所示，涂层结合力强度为HF1等级，不易脱落；涂层表面硬度测试结果如表3所示，其硬度达到了2100 HV。涂层表面硬度较高，满足使用要求。

表2 DLC涂层的结合力测试结果

表3 DLC涂层的硬度测试结果

（2）寿命试验结果

由图5的试验结果可知，无涂层的阀门在3000次动作试验后，球体表面出现明显磨损，无法满足产品的使用寿命要求；而有DLC涂层的阀门经过20000次动作寿命试验后，球体表面完好，无划痕，且试验后的阀门顺利通过了密封性能试验，开关顺畅，操作扭矩无明显提升，满足使用寿命要求。

(a)

(b)

(a)无涂层阀门动作3000次 (b)有涂层阀门动作20000次

图5 动作试验后球阀的表面质量

5

结语

本文系统探讨了DLC涂层的基本概念与特性、制备方法以及在阀门中的应用情况，并以高温、高寿命要求下的球形阀门为对象，对高温蒸汽球形调节阀“沉积层+过渡层”的多层DLC涂层工艺进行了深入研究，以提升阀门的使用寿命。经试验验证后，得出合理厚度的DLC涂层可将高温阀门使用寿命由不足3000次提升至20000次以上，极大提升了高温阀门的使用寿命。

除常规工况使用的阀门，可进一步将DLC涂层拓展至特殊工况使用的阀门领域。例如，针对石油井口的高温高压阀门，定制高硬度涂层以抵御高压磨损；针对半导体行业的真空阀门，通过提升涂层表面光洁度避免放气影响真空环境，结合不同阀门的结构特性与工况需求定制方案，进一步释放技术适配性。

未来需重点提升DLC涂层在极端工况下的稳定性能，针对不同行业阀门的特殊需求定制技术方案，如通过掺入硅、钛等元素优化涂层微观结构，降低深低温环境下的脆性，同时保障低摩擦系数；开发“DLC涂层+耐高温过渡层”的复合结构，避免高温环境下发生石墨化失效问题，保障阀门长期稳定运行。

*本文节选自《阀门 · 学术版》2025年第12期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。