磁控溅射制备TiN-MoS2涂层的结构和性能的研究

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本论文发挥硬质相和软质润滑相各自的优点,利用磁控溅射技术制备了TiN、TiN-MoS2复合涂层和TiN/MoS2多层涂层。通过X射线衍射仪、扫描电镜SEM、纳米力学测试系统、摩擦磨损试验机,观察并测试了涂层的物相组成、显微结构、力学性能和摩擦磨损性能。相比溅射Ti靶,直接溅射TiN靶制备的TiN涂层,硬度和弹性模量更高,分别达到11.7GPa和227.6GPa。TiN和MoS2共沉积得到TiN-MoS2复合涂层,其中TiN为fcc结构,MoS2以无定形态存在于涂层中。随着MoS2溅射功率增加,MoS2含量增加,涂层晶粒得到细化,择优取向由(111)过渡到(200),柱状结构得到细化和致密。其硬度和弹性模量先增加后降低,在MoS2溅射功率为40W时,达到最大值22.1GPa和389.6GPa。MoS2作为润滑相提高涂层的摩擦性能,在MoS2功率为60W时,摩擦系数和磨损率最低,分别为0.17和7.84×10-8mm3/Nm。制备TiN/MoS2多层涂层,TiN层与MoS2层调制比5:1,调制周期为12nm。涂层中TiN为fcc结构,少量的MoS2仍以无定形态存在。改变基体偏压,从-0V基体偏压增加到-80V,使晶粒细化以及柱状结构更加精细和致密。增加基体偏压后,多层涂层硬度提高到19.0GPa,摩擦系数和磨损率分别降低到0.22和4.0×10-8mm3/Nm。磨损机理从严重的磨粒磨损转变为轻微的粘着磨损,这是由于涂层硬度、韧性以及与基体的膜基结合力的提高,抑制了干摩擦试验中裂纹的萌生和扩展,从而改善了摩擦磨损性能。
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