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Ti-W-N和Ti-W-N／MoS2是典型的减摩、耐磨涂层,且具有很好的抗氧化性、良好的润滑性和耐磨性,因而受到广泛的关注。(1)磁控溅射制备Ti-W-N薄膜过程中,通过改变基体位置可以方便地控制薄膜的化学成分,使得研究过程大为简化。本实验中使用纯Ti和纯W双靶磁控共溅射,在同一溅射过程中薄膜厚度相同的情况下,通过改变基片相对于靶材的位置,在基体上沉积不同化学成分的Ti-W-N薄膜。(2)选取性能最佳Ti-W-N硬质薄膜,在基材上先沉积Ti-W-N薄膜,然后采用MoS2靶材,沉积MoS2薄膜,从而制备出双层Ti-W-N／MoS2薄膜。通过对两种薄膜的粗糙度,硬度和摩擦行为的测定和结构分析,研究其减摩耐磨机理,研究工作结果如下:
1.对于Ti-W-N系金属间化合物薄膜
(1)成分分析结果表明:Ar／N2=3:1时,各位置制备薄膜成分变化范围为W0.80Ti0.20N～W0.18Ti0.82N,且随样品位置改变呈线性变化趋势。XRD结果显示各位置制备的Ti-W-N薄膜的成分随着基体溅射位置改变而变化,薄膜中出现了TiN,TiN0.6O0.4,W2N,W等多种物相组织。热处理后薄膜的颗粒均匀细化,并呈现有序化,薄膜表面光滑。
(2)Ti含量为0.52的Ti-W-N薄膜(位于P4位置)在制备的Ti-W-N薄膜整个体系中拥有最高的硬度(29.8GPa)和最高的弹性模量(277.5GPa),膜-基结合力达到最大49N,可以说明Ti含量为0.52的Ti-W-N薄膜拥有较好的力学性能；表面形貌分析表明此种化学成分的薄膜表面相对光滑平整且晶粒相对细小均匀,以粒状为主。
(3)摩擦磨损结果表明中间位置制备的Ti含量为0.52的薄膜拥有整个体系中最佳的摩擦磨损性能。在整个Ti-W-N薄膜体系中Ti0.52W0.48N的摩擦系数与磨损率均达到最小值,且其磨痕形貌图也显示磨痕较为光滑,薄膜保存完好,综合考虑其拥有Ti-W-N薄膜整个体系中最佳的摩擦磨损性能。
2.对于Ti-W-N／MoS2薄膜
(1)制备Ti-W-N薄膜层时与前面采用参数一致。制备MoS2薄膜层时,采用最佳的溅射参数:溅射气压3 Pa,溅射功率150W。热处理后薄膜的颗粒均匀细化,并呈现有序化,薄膜表面光滑平整。
(2)成分分析结果表明:采用优化的Ti0.52W0.48N作为硬质薄膜层的化学成分,制备的Ti-W-N／MoS2薄膜的MoS2薄膜层成分为MoS2,MoO3等多种物相组织。
(3)通过加载卸载试验,Ti-W-N／MoS2薄膜表现出较高的硬度和弹性模量,更小的塑性形变量。在摩擦试验中,Ti-W-N／MoS2薄膜表现出良好的摩擦学性能:与TiN／MoS2比较,Ti-W-N／MoS2薄膜摩擦系数更加稳定,Ti-W-N／MoS2薄膜保存较为完好,表明更加耐磨,具有更长的使用寿命。