劉勇，蘇峰華，孫建芳，李助軍，劉怡飛

MoS2-Ti自潤(rùn)滑復(fù)合薄膜的高溫摩擦學(xué)性能研究

劉勇1，蘇峰華1，孫建芳1，李助軍2，劉怡飛2

（1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641；2.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510430）

探究Ti含量對(duì)MoS2-Ti復(fù)合薄膜高溫摩擦學(xué)性能的影響，制備高溫摩擦性能良好的MoS2-Ti復(fù)合薄膜。采用射頻和直流雙靶共濺射技術(shù)沉積了不同Ti含量的MoS2-Ti復(fù)合薄膜，研究了Ti含量對(duì)MoS2-Ti薄膜微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，進(jìn)一步探究了MoS2-Ti復(fù)合薄膜在大氣環(huán)境下的高溫摩擦學(xué)性能。采用能譜儀（EDS）、X射線衍射儀（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM），對(duì)薄膜的成分、晶相結(jié)構(gòu)及微觀形貌進(jìn)行分析。利用顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試薄膜的力學(xué)性能，通過(guò)UMT-TriboLab摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)薄膜的摩擦磨損性能。此外，采用SEM、拉曼光譜儀（Raman）和X射線光電子能譜儀（XPS），對(duì)薄膜的磨痕形貌及對(duì)偶球轉(zhuǎn)移膜的成分進(jìn)行分析。Ti摻雜促進(jìn)了MoS2薄膜以（002）晶面擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，且提高了薄膜的致密度，薄膜硬度從70HV提升到350HV。MoS2-Ti復(fù)合薄膜在高溫環(huán)境下的摩擦性能，隨Ti含量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，其中Ti原子數(shù)分?jǐn)?shù)為6.81%的MoS2-Ti復(fù)合薄膜具有較低的摩擦因數(shù)和磨損率。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)移膜的成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)處于300 ℃高溫環(huán)境下，Ti原子數(shù)分?jǐn)?shù)為13.51%的MoS2-Ti復(fù)合薄膜由于在摩擦過(guò)程中生成的氧化物較多，其耐磨性能開(kāi)始下降。Ti含量對(duì)MoS2-Ti復(fù)合薄膜的高溫摩擦學(xué)性能有明顯的影響，摻雜適量Ti能顯著提高M(jìn)oS2薄膜在大氣環(huán)境下的高溫摩擦學(xué)性能。

磁控濺射；MoS2-Ti復(fù)合薄膜；高溫；摩擦學(xué)性能；磨損機(jī)制

MoS2是一種典型的二維層狀材料，層與層之間依靠范德華力相結(jié)合[1]。由于特殊的層狀結(jié)構(gòu)，在受到外力作用時(shí)易被剪切而發(fā)生層間滑移。因此，MoS2被作為一種優(yōu)異的自潤(rùn)滑材料而應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在高速加工刀具領(lǐng)域，為了提高刀具的使用壽命和加工精度，常在刀具表面沉積性能優(yōu)異的涂層材料，制備涂層刀具。根據(jù)涂層材料的物理性質(zhì)主要分為兩大類：“硬”涂層和“軟”涂層。MoS2作為一種自潤(rùn)滑“軟”涂層，能夠使刀具具有較低的摩擦因數(shù)，有利于降低切屑力和切削熱，減小刀面的磨損量[2]。此外，MoS2可以與TiN、TiAIN等“硬”涂層進(jìn)行多層化設(shè)計(jì)[3-4]，制備兼具耐磨性能高和摩擦因數(shù)低的自潤(rùn)滑復(fù)合刀具涂層。然而，在大氣環(huán)境下，由于純二硫化鉬薄膜的結(jié)構(gòu)疏松，且易與空氣中的水分和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成MoO3，導(dǎo)致其承載能力低和耐磨性差[5]。因此，改善MoS2薄膜在大氣環(huán)境下的耐磨性和耐氧化性具有重要意義。大量學(xué)者通過(guò)在MoS2中摻雜Ti、Cr、W、Zr、Nb、Ni、Cu、Pb、Al等金屬元素制備復(fù)合薄膜，來(lái)提高M(jìn)oS2薄膜的耐磨性和抗氧化性能[6-14]。一方面，金屬摻雜能誘導(dǎo)MoS2薄膜以(002)晶面擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，薄膜結(jié)構(gòu)更加致密，提高了薄膜的耐磨性能；另一方面，由于部分金屬元素能優(yōu)先氧化，阻止了接觸表面上MoS2的氧化及其層狀結(jié)構(gòu)的破壞，改善了MoS2薄膜的抗氧化性能[15-16]。

以往的研究結(jié)果表明，金屬鈦摻雜能顯著提高M(jìn)oS2涂層在空氣環(huán)境中的摩擦學(xué)性能。目前，關(guān)于MoS2-Ti復(fù)合薄膜的研究通常是考察其在室溫環(huán)境下的摩擦學(xué)行為以及Ti元素的最佳摻雜量[17]，有關(guān)Ti含量對(duì)MoS2薄膜在大氣高溫環(huán)境下的摩擦學(xué)性能研究還較少。然而Ti含量對(duì)MoS2-Ti復(fù)合薄膜的影響十分復(fù)雜，研究不同Ti含量對(duì)MoS2-Ti復(fù)合薄膜在高溫環(huán)境下的摩擦磨損行為，可以更深刻地了解MoS2-Ti復(fù)合薄膜的耐氧化性能。本文利用射頻和直流雙靶共濺射的方法，制備不同Ti含量摻雜的MoS2-Ti復(fù)合薄膜，探究了大氣環(huán)境下Ti含量對(duì)MoS2-Ti復(fù)合薄膜高溫摩擦學(xué)性能的影響，并揭示其磨損機(jī)理，為MoS2-Ti復(fù)合薄膜在高溫環(huán)境中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 涂層制備

采用PVD/PECVD-600復(fù)合多功能離子鍍膜機(jī)制備MoS2-Ti復(fù)合薄膜。采用MoS2靶（純度99.99%）和Ti靶（純度99.99%）雙靶共濺射制備復(fù)合涂層，其中MoS2靶材采用射頻磁控濺射，Ti靶材采用直流磁控濺射，靶材均為平面靶（尺寸為120 mm× 6 mm）?；撞牧线x用304不銹鋼（尺寸為20 mm× 20 mm×5 mm）。在沉積之前，將不銹鋼基體打磨、拋光至鏡面，并在無(wú)水乙醇中超聲清洗20 min。將清洗后的基體置于轉(zhuǎn)架上，轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速為5 r/min，本底真空為1.5×10?3Pa。

為了提高薄膜與基底的結(jié)合力，先采用直流磁控濺射在基底上沉積一層Ti過(guò)渡層，然后，同時(shí)打開(kāi)射頻和直流電源進(jìn)行雙靶共濺射，沉積不同Ti含量的MoS2-Ti復(fù)合薄膜。具體的沉積過(guò)程為：首先，通入氬氣，采用霍爾離子源對(duì)基底進(jìn)行30 min輝光清洗，以除去基底表面上的氧化物和其他雜質(zhì)；然后，開(kāi)啟直流磁控電源進(jìn)行Ti過(guò)渡層的沉積，時(shí)長(zhǎng)為 20 min；最后，同時(shí)開(kāi)啟射頻及直流電源進(jìn)行共濺射沉積，沉積時(shí)間為120 min，工作氣壓保持為1.0 Pa，通過(guò)調(diào)節(jié)直流電源電流，進(jìn)行不同Ti含量的MoS2-Ti復(fù)合薄膜的沉積，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 MoS2-Ti復(fù)合薄膜的沉積參數(shù)

Tab.1 Deposition parameters of the MoS2-Ti composite films

1.2 結(jié)構(gòu)和性能表征

采用x射線衍射儀（XRD）分析復(fù)合薄膜的晶相結(jié)構(gòu)，測(cè)試參數(shù)為：Cu靶波長(zhǎng)0.154 056 nm，電壓40 kv，電流40 mA，掃描范圍5°～80°。采用DHV-1000Z顯微硬度計(jì)測(cè)試復(fù)合薄膜的硬度，試驗(yàn)載荷為100 g，保載時(shí)間為10 s，測(cè)量6個(gè)點(diǎn)，取平均值。采用FEI Nova NanoSEM 430掃描電子顯微鏡，對(duì)薄膜的微觀表面及斷面形貌進(jìn)行觀察，量取薄膜的厚度，并且通過(guò)EDS分析得到復(fù)合薄膜各成分的原子百分比。FEI Quanta 200掃描電子顯微鏡用于觀察分析摩擦磨損后的磨痕形貌。為了分析摩擦過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，采用Renishaw inVia激光拉曼光譜儀獲取轉(zhuǎn)移膜的拉曼光譜，激光光源波長(zhǎng)為532 nm，并用x射線光電子能譜儀獲取XPS圖譜，測(cè)試參數(shù)為：輻射源Al Kα，測(cè)試管電壓15 kv，管電流10 mA。

采用Bruker公司生產(chǎn)的UMT-TriboLab多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，以球-盤摩擦的試驗(yàn)方式，進(jìn)行MoS2-Ti復(fù)合薄膜在大氣環(huán)境下的常溫及高溫摩擦磨損試驗(yàn)。該設(shè)備可通過(guò)自帶軟件的設(shè)置，對(duì)試驗(yàn)環(huán)境的溫度進(jìn)行控制，溫度控制的精度為±1 ℃。具體的摩擦參數(shù)：相對(duì)濕度為40%～50%，摩擦副為8.7 mm的GCr15球，干摩擦，載荷為5 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，旋轉(zhuǎn)半徑為5 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為30 min。摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，所有試樣采用Talysurf CLI1000表面輪廓儀測(cè)量磨損后磨痕的寬度和深度，并計(jì)算磨損體積，薄膜的磨損率通過(guò)公式1計(jì)算。

=/(·) (1)

式中：為磨損率（mm3/(N·m)）；為磨損體積（mm3）；為摩擦的總行程（m）；為載荷（N）。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合薄膜成分及厚度

表2給出了MoS2-Ti復(fù)合薄膜的化學(xué)成分及厚度。如表2所示，復(fù)合薄膜中Ti元素的原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為0%、6.81%、13.51%、22.21%。4種薄膜的S與Mo的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比均小于2，一方面是由于S的反濺射；另一方面則是由于離子化的S很容易與真空室中殘余氣體中的O、N或H結(jié)合，通過(guò)抽氣系統(tǒng)排出真空室，從而導(dǎo)致S損失[18-19]。結(jié)果表明，MoS2-Ti復(fù)合薄膜的厚度隨Ti含量的增加呈先減小后增加的趨勢(shì)。這主要是由于Ti元素的摻雜提高了薄膜的致密度，所以MoS2-Ti復(fù)合薄膜的厚度相比于純MoS2均明顯減小。但是隨著Ti元素含量的增加，插入MoS2層間的Ti也隨之增加，導(dǎo)致薄膜厚度增加。

表2 MoS2-Ti復(fù)合薄膜的化學(xué)成分及厚度

Tab.2 The composition and thickness of MoS2-Ti composite films

2.2 薄膜的晶相結(jié)構(gòu)

不同Ti含量摻雜的MoS2-Ti復(fù)合薄膜的XRD譜圖如圖1所示。MoS2薄膜具有典型的3個(gè)晶面取向衍射峰，位于13°、34°、59°左右出現(xiàn)的衍射峰分別對(duì)應(yīng)于MoS2的(002)、(100)、(110)晶面[20-21]。由圖1可以看出，相比于純MoS2薄膜，Ti的摻雜促進(jìn)了薄膜以(002)晶面擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，伴隨著(100)晶面衍射峰強(qiáng)度降低，而(110)晶面幾乎觀察不到。研究表明，MoS2薄膜以(002)晶面擇優(yōu)取向時(shí)有利于其潤(rùn)滑性能，而以(100)和(110)晶面擇優(yōu)取向時(shí)則不利于薄膜的潤(rùn)滑[22]。另外，由于(100)和(110)晶面的活性位點(diǎn)更多，(100)和(110)晶體取向的MoS2比(002)晶面取向更容易氧化[23]。因此，在制備MoS2薄膜時(shí)，促進(jìn)(002)晶面取向、抑制(100)和(110)晶面取向，能顯著提高M(jìn)oS2薄膜的抗氧化性能，改善其潤(rùn)滑性能。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，(002)峰隨著Ti含量的增加而有所下降，僅從晶體結(jié)構(gòu)的角度看，過(guò)高的鈦含量不利于潤(rùn)滑。

圖1 MoS2-Ti復(fù)合薄膜的X射線衍射圖譜

2.3 薄膜表面及斷面形貌

圖2給出不同Ti含量摻雜的MoS2-Ti復(fù)合薄膜的表面形貌。純MoS2薄膜表面呈蠕蟲(chóng)狀形貌，有明顯的孔隙。Ti的加入使得孔隙明顯變少，并且尺寸也顯著減小，而且隨著Ti含量的增加，薄膜表面形貌由疏松逐漸變得致密，孔隙逐漸變少。與其他組相比，MoS2-Ti3復(fù)合涂層表面形貌的孔隙結(jié)構(gòu)幾乎完全消失。薄膜的斷面形貌（圖3）也顯示出一致的結(jié)果，可以看到純MoS2薄膜的截面有較多空隙，結(jié)構(gòu)非常疏松，這種結(jié)構(gòu)使薄膜容易因外力作用而被破壞，而且空氣中的氧氣跟水分子也能夠很容易地進(jìn)入涂層內(nèi)部，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象。相比之下，MoS2-Ti復(fù)合薄膜的斷面結(jié)構(gòu)均變得十分致密，厚度明顯減小。摻雜Ti能促進(jìn)MoS2結(jié)構(gòu)密實(shí)化，這與現(xiàn)有相關(guān)研究結(jié)果一致[17]。引入Ti元素后，Ti阻止MoS2晶體長(zhǎng)大，起到細(xì)化晶粒的作用，使得MoS2晶粒間的間隙減小，堆疊緊密，改善了MoS2薄膜的疏松結(jié)構(gòu)。

圖2 薄膜表面形貌

圖3 薄膜斷面形貌

2.4 薄膜的力學(xué)性能

薄膜的力學(xué)性能與耐磨性能密切相關(guān)，為了分析Ti含量對(duì)復(fù)合薄膜力學(xué)性能的影響，選用顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試復(fù)合薄膜的硬度。圖4給出了MoS2-Ti復(fù)合薄膜的硬度與Ti含量的關(guān)系?？梢钥闯?，相比于純MoS2，MoS2-Ti復(fù)合薄膜的硬度明顯增加。純MoS2的硬度較低，僅為70HV，而MoS2-Ti1復(fù)合薄膜的硬度達(dá)到了305HV，相比于純MoS2有了明顯的提升。隨著Ti摻雜量的增加，MoS2-Ti3復(fù)合薄膜的硬度提升至350HV左右。摻雜Ti能使薄膜力學(xué)性能提高的主要原因在于Ti的加入使薄膜變得更加致密，而MoS2薄膜的硬度在很大程度上取決于薄膜本身的致密程度[24]。隨著Ti含量的增加，固溶于MoS2晶格而引起的固溶強(qiáng)化效應(yīng)隨之增強(qiáng)，因此MoS2-Ti復(fù)合薄膜的硬度隨Ti含量的增加而增大[25]。

圖4 MoS2-Ti復(fù)合薄膜的顯微硬度

2.5 摩擦磨損性能及磨損表面分析

圖5給出了不同Ti含量的MoS2-Ti復(fù)合薄膜在不同溫度下的平均摩擦因數(shù)及磨損率。從圖5中可以看出，在不同溫度下，Ti含量對(duì)MoS2-Ti復(fù)合薄膜的摩擦因數(shù)及磨損率均有顯著影響。在25 ℃環(huán)境下，由于純MoS2結(jié)構(gòu)疏松、硬度低、承載能力差，薄膜的摩擦因數(shù)及磨損率最高，分別為0.16和22.1× 10–6mm3/(N·m)。MoS2-Ti復(fù)合薄膜的摩擦因數(shù)與純MoS2相比均明顯減小，耐磨性能相比于純MoS2也有了較大的提升。其中MoS2-Ti1的磨損率低至2.2× 10–6mm3/(N·m)，耐磨性最好。然而，隨著Ti含量的增加，摩擦性能呈下降趨勢(shì)，MoS2-Ti3的摩擦因數(shù)和磨損率分別為0.14和3.2×10–6mm3/(N·m)。在100 ℃時(shí)，4種薄膜的摩擦因數(shù)和磨損率相比于25 ℃時(shí)均有明顯降低，尤其是MoS2-Ti1復(fù)合薄膜，磨損率僅為0.6×10–6mm3/(N·m)。其原因是：在100 ℃的條件下，環(huán)境濕度大大降低，MoS2的氧化行為受到抑制，而且原本吸附在相鄰基面的H2O會(huì)由于加熱而蒸發(fā)，降低了相鄰基面間的粘附力，使得MoS2層與層之間更加容易滑動(dòng)[20,26]。與100 ℃情況類似，200 ℃時(shí)，MoS2-Ti復(fù)合薄膜仍然保持優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。當(dāng)溫度升高至300 ℃時(shí)，純MoS2和MoS2-Ti3在一段時(shí)間后均失效，MoS2-Ti2雖然沒(méi)有失效，但也出現(xiàn)了較大的磨損，只有MoS2-Ti1仍然保持較優(yōu)的摩擦性能，摩擦因數(shù)和磨損率分別為0.076和3.4×10–6mm3/(N·m)。在300 ℃時(shí)，雖然H2O會(huì)由于加熱而蒸發(fā)，一定程度上緩解了因濕度大而引起MoS2的氧化行為，但是在高溫環(huán)境下，由于嚴(yán)重氧化生成的氧化物，加劇了薄膜磨損。

圖5 不同Ti含量的MoS2-Ti復(fù)合薄膜在不同溫度下的摩擦因數(shù)及磨損率

圖6給出了MoS2-Ti復(fù)合薄膜在300 ℃環(huán)境下摩擦試驗(yàn)后磨痕的SEM形貌。由圖6a可知，純MoS2的基底材料已經(jīng)裸露出來(lái)，且有明顯的磨損痕跡，磨痕主要為較深的劃痕以及多處粘著斑坑，磨損機(jī)理為嚴(yán)重的磨粒磨損和粘著磨損。由圖6b可知，MoS2-Ti1復(fù)合薄膜的磨痕較窄，深度較淺，為輕微的磨粒磨損。因此，Ti元素?fù)诫s提高了MoS2在300 ℃環(huán)境下的耐磨性能，分析其機(jī)理認(rèn)為：一方面，Ti元素?fù)诫s提高了MoS2薄膜的致密度，有利于改善薄膜的耐磨性；另一方面，Ti能優(yōu)先與氧結(jié)合[17]，減緩了MoS2的氧化，提高了MoS2薄膜的高溫耐磨性能。然而，隨著Ti含量的增加，如圖6c所示，MoS2-Ti2磨痕變寬，出現(xiàn)明顯的劃痕和犁溝，磨損機(jī)制主要為嚴(yán)重的磨粒磨損。此外，可以觀察到MoS2-Ti2復(fù)合薄膜的磨痕有許多小面積的剝落，這主要是由于摻雜的Ti含量過(guò)高時(shí)，過(guò)多的Ti填充在MoS2層間，涂層的層狀結(jié)構(gòu)被破壞[27]，在摩擦過(guò)程中容易發(fā)生剝離。當(dāng)Ti含量進(jìn)一步增加時(shí)，因Ti引起的不利影響更加明顯，MoS2-Ti3在摩擦一段時(shí)間后失效，裸露出基底材料。

圖7為兩種不同Ti含量的薄膜在300 ℃環(huán)境下摩擦后對(duì)偶球表面轉(zhuǎn)移膜的拉曼圖譜。從圖7中可以看出，兩種復(fù)合薄膜的轉(zhuǎn)移膜拉曼圖譜均在380 cm?1和410 cm?1附近檢測(cè)到較強(qiáng)的MoS2譜峰，分別對(duì)應(yīng)于MoS2的層狀單元層內(nèi)E2g和層間A1g振動(dòng)[28]。對(duì)于MoS2-Ti2復(fù)合薄膜，除了MoS2的特征峰以外，還檢測(cè)到MoO3譜峰（770 cm–1和995 cm–1附近[29]），說(shuō)明在300 ℃環(huán)境下，MoS2-Ti2復(fù)合薄膜的轉(zhuǎn)移膜發(fā)生了一定程度的氧化，所以摩擦因數(shù)和磨損率相比于MoS2-Ti1復(fù)合薄膜均有所上升。MoS2-Ti1復(fù)合薄膜對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移膜中僅檢測(cè)到MoS2譜峰，沒(méi)有明顯的MoO3譜峰，這說(shuō)明MoS2-Ti1對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移膜沒(méi)有發(fā)生明顯的氧化現(xiàn)象，轉(zhuǎn)移膜完整，這在一定程度上解釋了MoS2-Ti1復(fù)合薄膜在高溫環(huán)境下保持較優(yōu)耐磨性能的原因。

圖6 MoS2-Ti薄膜在300 ℃環(huán)境下摩擦試驗(yàn)后磨痕的SEM形貌

圖7 300 ℃環(huán)境下摩擦后形成的轉(zhuǎn)移膜拉曼光譜

由于Raman圖譜未檢測(cè)到明顯的TiO2峰，為了深入研究Ti含量對(duì)MoS2-Ti復(fù)合薄膜在高溫環(huán)境下摩擦性能的影響，對(duì)300 ℃環(huán)境下摩擦后對(duì)偶球表面的轉(zhuǎn)移膜進(jìn)行XPS圖譜分析。Ti 2p圖譜如圖8所示，結(jié)合能位于458.8 eV和464.2 eV的譜峰對(duì)應(yīng)于TiO2中的Ti4+[30]，這表明在高溫環(huán)境下，MoS2-Ti復(fù)合薄膜中的Ti元素均發(fā)生了氧化。對(duì)比圖8a與圖8b發(fā)現(xiàn)，相比于MoS2-Ti1，MoS2-Ti2對(duì)偶球表面的轉(zhuǎn)移膜中TiO2含量較高，由于TiO2顆粒的硬度較大，在摩擦過(guò)程中會(huì)造成嚴(yán)重的磨粒磨損。因此，適量的Ti元素?fù)诫s能夠起到抗氧化作用，在摩擦過(guò)程中，Ti能優(yōu)先與空氣中的氧結(jié)合，有效抑制了MoS2發(fā)生氧化，但是對(duì)于Ti含量相對(duì)較高的MoS2-Ti復(fù)合薄膜，在高溫環(huán)境下會(huì)生成大量的TiO2顆粒，導(dǎo)致嚴(yán)重的磨粒磨損，降低了MoS2-Ti復(fù)合薄膜的摩擦性能。

圖8 300 ℃環(huán)境下摩擦后形成的轉(zhuǎn)移膜XPS圖譜

研究結(jié)果表明，在大氣高溫環(huán)境下，MoS2-Ti復(fù)合薄膜的摩擦性能主要是受力學(xué)性能、氧化行為和晶體結(jié)構(gòu)的共同影響。一方面，適量Ti的加入提高了薄膜的致密程度，有效提升了力學(xué)性能、減緩氧化行為、促進(jìn)(002)晶面擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，最終使得復(fù)合薄膜具有優(yōu)異的摩擦性能；另一方面，隨著Ti含量的增加，雖然力學(xué)性能有所提高，但由于在摩擦熱和環(huán)境溫度的共同影響下，轉(zhuǎn)移膜發(fā)生部分氧化，位于接觸表面上的MoO3和大量硬度較大的TiO2顆粒的形成，加劇了磨損程度，而且過(guò)多Ti的填充在MoS2層間會(huì)破壞其晶體結(jié)構(gòu)，最終影響其潤(rùn)滑性能。因此，只有適量的Ti元素?fù)诫s，薄膜才能在大氣高溫環(huán)境下仍然保持較優(yōu)的摩擦性能。

3 結(jié)論

1）Ti元素的摻雜促進(jìn)了MoS2薄膜以(002)晶面擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，伴隨著(100)和(110)晶面衍射峰強(qiáng)度降低。Ti元素的摻雜能提高M(jìn)oS2的致密度，且復(fù)合薄膜的硬度隨Ti含量的增加而增大。

2）Ti含量對(duì)MoS2薄膜在大氣環(huán)境下的常溫及高溫摩擦學(xué)性能有顯著影響，MoS2-Ti復(fù)合薄膜在不同溫度下的摩擦性能隨Ti含量的增加均呈先上升后下降的趨勢(shì)。其中Ti原子數(shù)分?jǐn)?shù)為6.81%的MoS2-Ti復(fù)合薄膜在不同溫度下均具有較低的摩擦因數(shù)和磨損率。

3）在高溫環(huán)境下，由于Ti元素的摻雜提高了MoS2薄膜的致密度，并且Ti能優(yōu)先與氧結(jié)合，抑制MoS2的氧化，有利于改善薄膜的耐磨性。然而，當(dāng)Ti摻雜量過(guò)多時(shí)，涂層的層狀結(jié)構(gòu)被破壞，并且生成了較多的氧化物，薄膜的摩擦性能開(kāi)始下降。

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Tribological Properties of MoS2-Ti Self-lubricating Composite Film at High Temperature

1,1,1,2,2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China; 2. School of Electromechanical Engineering, Guangzhou Railway Polytechnic, Guangzhou 510430, China)

This paper aims to explore the effect of Ti content on the tribological properties of MoS2-Ti composite films at high temperature, and prepare MoS2-Ti self-lubricating composite film with good friction properties at high temperature. The MoS2-Ti composite films with different Ti contents were deposited by radio frequency and direct-current dual-target co-sputtering techniques. The effects of Ti content on the microstructures, mechanical properties and tribological behaviors at high temperature of the MoS2-Ti composite films were investigated. The composition, crystal phase structure and microstructure of the films were analyzed by energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). A microhardness tester was applied to evaluate the mechanical properties of the MoS2-Ti composite films. UMT-TriboLab tribotest was employed to evaluate the tribological properties of MoS2-Ti composite films. Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used to further analyze the wear surface of the films and the composition of the transfer films on the counterparts. The results showed that Ti doping promoted the growth of the MoS2-Ti composite films in the preferred orientation of (002) crystal plane, and improved the density of the film. The hardness of the film increased from 70HV to 350HV as Ti doping into MoS2. The tribological properties of the MoS2-Ti composite films at high temperature increased firstly and then decreased with the increase of Ti content, and the MoS2-Ti composite films with Ti content of 6.81at.% possessed the best tribological properties. By analyzing the composition of the transfer film, it was found that the wear resistance of the MoS2-Ti composite films with Ti content of 13.51at.% began to decline at 300 ℃ due to more oxides generated during the sliding process. The tribological properties of the MoS2-Ti composite films at high temperature were greatly affected by the Ti content, and appropriate Ti doping could significantly improve the tribological properties of the MoS2films at high temperature in atmospheric environment.

magnetron sputtering; MoS2-Ti composite films; high temperature; tribological properties; wear mechanism

TH117

A

1001-3660(2022)02-0020-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.002

2021-10-26；

2022-01-21

2021-10-26；

2022-01-21

國(guó)家自然科學(xué)基金（52175168）；廣東省自然科學(xué)基金（2021A1515012266）；2020年廣東省普通高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2020KCXTD043）；2020年廣東省普通高校重點(diǎn)領(lǐng)域（智能制造）（2020ZDZX2089）

The National Natural Science Foundation of China (52175168); Natural Science Foundation of Guangdong Province (2021A1515012266); 2020 Innovation Team Project of Colleges and Universities in Guangdong Province (2020KCXTD043); 2020 Key Field (Intelligent Manufacturing) Project of Colleges and Universities in Guangdong Province (2020ZDZX2089)

劉勇（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楸砻婀こ碳爸圃臁?/p>

LIU Yong (1993—), Male, Postgraduate, Research focus: surface engineering and manufacturing.

蘇峰華（1980—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)槟Σ翆W(xué)、表面技術(shù)及機(jī)械設(shè)計(jì)。

SU Feng-hua (1980—), Male, Doctor, Professor, Research focus: tribology, surface technology and mechanical design.

劉勇, 蘇峰華, 孫建芳, 等. MoS2-Ti自潤(rùn)滑復(fù)合薄膜的高溫摩擦學(xué)性能研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(2): 20-28.

LIU Yong, SU Feng-hua, SUN Jian-fang, et al. Tribological Properties of MoS2-Ti Self-lubricating Composite Film at High Temperature[J]. Surface Technology, 2022, 51(2): 20-28.