基体表面粗糙度对MoS2/Ti薄膜摩擦磨损性能的影响

2022-08-15韩雪艳安帅帅王勇杰李仕华

材料工程 2022年8期

陈爽，韩雪艳，安帅帅，王勇杰，李仕华*

(1 燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 066004；2 唐山师范学院物理科学与技术学院，河北唐山 063000)

作为被广泛应用于航天工业的固体润滑膜之一，MoS2具有独特的六方晶系层状结构，层间以较弱的范德瓦尔斯力结合，表现出优异的摩擦学性能[1]。然而单一组分的MoS2薄膜承载能力差，对环境湿度敏感度高，易于氧化失效[2]；因此，常采用掺入异质元素的方法来改善其综合性能。金属Ti作为掺杂元素引入MoS2薄膜基质中，能够使薄膜结构致密，提高其抗潮性能及耐磨损性能[3]。

在薄膜摩擦学行为的研究过程中，人们发现表面粗糙度是影响薄膜摩擦磨损性能的主要参数之一[4]。Roberts等[5]通过实验研究发现随基体粗糙度Ra(轮廓算数平均偏差)由0.04 μm增加到0.4 μm，纯MoS2薄膜(膜厚为1 μm)的摩擦因数减小，而磨损寿命先增加后减小。Cunningham等[6]发现MoS2薄膜的磨损寿命随基体粗糙度的增加而减小，但平均摩擦因数几乎不受影响。由于纯MoS2薄膜容易垂直于基体表面呈柱状晶生长，膜层松脆，而元素掺杂可以抑制MoS2的柱状晶生长[7]。因此掺杂后MoS2复合薄膜的微观结构和摩擦学特征对基体表面粗糙度的依赖性，尚需进一步研究探讨。程蓓等[8]通过空气喷涂法制备CeF3改性的MoS2基润滑涂层，发现涂层的摩擦因数与磨损量均随着基体表面粗糙度的增加呈现出先减小后增大的趋势。Jaffee等[9]研究发现边界润滑条件下，MoS2/Ti的摩擦因数随AISI 440C钢基体表面粗糙度的增加而增大；当基体粗糙度Ra在0.1～1 μm范围时，随着Ra增加，磨损率显著增加；而当Ra为0.01～0.1 μm时，磨损率几乎不受Ra影响，但其未对产生变化的原因进行深入阐述。

MoS2/Ti薄膜是金属掺杂MoS2薄膜中研究的重点与热点之一，目前针对不同基体表面粗糙度下MoS2/Ti薄膜摩擦磨损机理的研究并不充分，而系统研究干摩擦、固体-油、固体-脂复合润滑条件下，基体表面粗糙度对MoS2/Ti薄膜摩擦磨损性能影响的报道也较少。因此，本工作采用磁控溅射法，在不同原始表面粗糙度的轴承钢基体表面制备MoS2/Ti薄膜，系统研究了不同润滑条件下，基体表面粗糙度对MoS2/Ti复合薄膜摩擦学性能的影响，并深入分析其摩擦机理，以期为实现摩擦学设计和控制提供指导意见，同时对改善MoS2/Ti复合薄膜润滑的实际应用性能具有重要意义。

1 实验材料与方法

1.1 基体材料

选用尺寸φ25 mm×6 mm的轴承钢作为基体材料，采用不同的处理方式得到4种不同的表面粗糙度：(1)采用自动精磨机床，基体的平均粗糙度Ra为0.26 μm；(2)磨床精磨后，400#砂纸打磨样品表面，基体平均粗糙度Ra为0.11 μm；(3)采用手动式磨抛机，800#砂纸磨光，基体平均粗糙度Ra为0.06 μm；(4)采用手动式磨抛机，2000#砂纸打磨后进行抛光处理，基体平均粗糙度Ra为0.01 μm。基体材料的原始表面粗糙度曲线如图1所示。

图1 基体样品的表面粗糙度曲线 (a)Ra=0.01 μm;(b)Ra=0.06 μm;(c)Ra=0.11 μm;(d)Ra=0.26 μm

1.2 薄膜制备

采用JGP560梨形单室磁控溅射沉积系统制备MoS2/Ti薄膜。用无水乙醇超声清洗基体表面20 min并吹干，将清洗好的基体放入距离靶材60 mm的沉积平台上。在沉积过程中，样品工作台的转速保持为0.15 r/s，工作台加热至150 ℃。沉积之前，真空室抽真空度至1.3×10-3Pa，用氩离子轰击基体10 min除去样品表面的氧化物和杂质。在溅射过程中，氩流量保持为40 cm3/min并将气压调至0.65 Pa，溅射功率为250 W。首先预沉积一层200 nm厚的Ti膜，目的是增加MoS2/Ti薄膜与基体的结合力。之后在氩气气氛条件下同时溅射MoS2靶和Ti靶，沉积得到厚度约为3 μm的MoS2/Ti复合薄膜。

1.3 实验方法

1.3.1 表面形貌和物相成分分析

采用Sigma500型热场发射扫描电子显微镜分析MoS2/Ti固体润滑薄膜的表面形貌。表面粗糙度测量使用的设备是Form Talysurfi60高精度电感式粗糙度轮廓仪，测量结果使用3个测试点的平均值。采用D/MAX-RB型X射线衍射仪对MoS2/Ti薄膜的物相进行分析，衍射角扫描范围为5°～70°。

1.3.2 薄膜与基体结合强度测试

采用CSM Revetest Xpress划痕测试仪测试薄膜与基体材料的结合性能，滑动过程中逐渐增大载荷，载荷的起止值为1～40 N，加载速度为78 N/min，划痕速度为6 mm/min，划痕长度为3 mm。

1.3.3 摩擦学性能测试

由于MoS2润滑膜广泛应用于卫星中的轴承和谐波齿轮传动机构[10]，尤其在高接触应力条件下表现出优异的摩擦学特性。因此本工作针对高接触应力工况条件下，MoS2/Ti薄膜的摩擦学性能进行了研究。根据研究工况，选择实验参数如下：采用CSM摩擦磨损试验机，对偶钢球选用φ6 mm的GCr15轴承钢(表面粗糙度Ra为0.02 μm)，法向载荷2 N，摩擦时对偶件间的最大赫兹接触应力为0.81 GPa。下试样的旋转线速度为5.02 cm/s，运行周期为2000 r。分别在干摩擦、固体-油复合润滑、固体-脂复合润滑条件下，测试样品的摩擦磨损性能。实验前用酒精清洗干净表面以去除油污，每组参数实验重复3次。利用白光共聚焦显微镜测量磨损后的表面轮廓，磨损率计算公式：K=V/(N·S)，式中：K为磨损率；V为磨损体积；N为载荷；S为滑动总距离。

2 结果与分析

2.1 基体粗糙度对薄膜表面形貌和物相成分的影响

不同基体表面粗糙度镀膜后的表面形貌如图2所示。由图2可见，当基体Ra为0.01 μm时，薄膜表面比较平整，没有明显的溅射缺陷；随着基体表面粗糙度的增加，薄膜表面的平整度下降，出现堆积现象，晶粒团聚；当基体Ra增加到0.26 μm时，可观察到薄膜表面的“菜花状”形貌(图2(d))。基体表面质量影响沉积薄膜的生长情况，镀膜后样品的平均表面粗糙度分别为0.02,0.07,0.1 μm和0.23 μm。

图2 不同基体表面粗糙度MoS2/Ti薄膜的SEM照片

图3为MoS2/Ti薄膜在不同基体粗糙度下的X射线衍射谱。从图3中可观察到明显的MoS2衍射峰，其中(002)MoS2基面平行于基体表面，而(100)MoS2和(110)MoS2垂直于基体表面。随着基体表面粗糙度的增加， (002)MoS2和(100)MoS2衍射峰强度逐渐减弱，但是当基体粗糙度增加到0.26 μm时，衍射峰强度又开始增强。

图3 MoS2/Ti薄膜的XRD谱图

基体表面粗糙度影响薄膜的成核密度[11]。粗糙度较小时，其表面缺陷较少，表面的成核势垒增加，致使基体表面薄膜的成核密度较小。在薄膜的生长过程中，成核密度越小，晶核之间的竞争生长不激烈，生长速度较快，对应的薄膜晶粒尺寸较大。根据Thornton[12]研究结果，基体表面粗糙度引起表面能的变化，由于表面峰的能量大于谷的能量，晶粒更容易在表面峰处形成。溅射原子在基体表面的沉积受阴影效应和扩散的影响[13]，由于MoS2具有独特的片层结构，当基体粗糙度达到0.26 μm时，阴影效应增强，如图4所示。峰上原子生长优势明显，谷处区域原子生长缓慢，因此后期粗化机制中，在峰区域的晶粒尺寸增加明显，MoS2薄膜的结晶程度增强。

图4 基体表面粗糙度的阴影效应

2.2 基体粗糙度对膜基结合性能的影响

薄膜与基体的结合力是评价膜基体系性能的一项重要指标，它将直接影响薄膜的摩擦磨损性能[14]。基体表面粗糙度分别为0.01,0.06,0.11,0.26 μm时，MoS2/Ti薄膜的临界结合力分别为5.5,1.1,1.5,1.4 N。当基体粗糙度增加时，膜基临界结合力呈下降趋势，这与Ostadi等[15]的研究结果相一致。产生这一现象主要是由于阴影效应，表面粗糙度导致溅射原子与表面发生倾斜碰撞，不能与基体形成良好的结合。而且基体粗糙度越大，膜基结合界面存在较多缺陷，局部应力增加，使得基体与MoS2/Ti薄膜不能紧密地结合。

2.3 干摩擦条件下基体粗糙度对摩擦磨损性能的影响

在干摩擦条件下，不同基体表面粗糙度样品的平均摩擦因数如图5所示。随着基体表面粗糙度的增大，样品的平均摩擦因数呈现先增大后减小的趋势，其值分别为0.101,0.116,0.124,0.116。由此可以发现MoS2/Ti薄膜的摩擦因数与其临界结合力具有相关性，临界结合力较大的薄膜，其摩擦因数较小。

图5 干摩擦条件下MoS2/Ti薄膜的摩擦因数

根据分子-机械摩擦理论[16-17]，滑动摩擦时既要克服表面粗糙峰的机械啮合阻力F1，又要克服分子间相互作用的阻力F2，摩擦力为F1和F2之和。塑性接触情况下，其数学模型表达式为：

μ=μ1+μ2

(1)

(2)

(3)

式中：μ为整体摩擦因数；μ1为分子间相互作用引起的摩擦因数；μ2为对偶表面粗糙峰对薄膜犁沟作用引起的摩擦因数；τ0为黏着点的抗剪强度；H为硬度；β,K,ν为系数；Δ为粗糙度指标；p为摩擦接触点的平均压力。由2.1节分析可知，当基体表面粗糙度增加时，薄膜粗糙度随之增加，同时真实接触面积减小，p随之增加，由式(3)可得μ2增大。MoS2薄膜优异的润滑性能源于它的层状结构，单元层间以较弱的范德瓦尔斯力相结合，因此层间的剪切强度较低[18]。当结晶度较高时，片层结构较完整，有利于减小摩擦力。通过2.1节分析发现，随基体粗糙度增加，薄膜中(002)和(100)取向的MoS2结晶强度先减小再增加，导致τ0先增加再减小。由式(2)可知，μ1变化规律与τ0一致。综上可得，MoS2/Ti薄膜的摩擦因数受到机械啮合力和分子作用力协同作用，当表面粗糙度较大时(Ra=0.26 μm)，分子作用力对摩擦因数的影响更加显著。

图6为干摩擦条件下MoS2/Ti薄膜的磨痕形貌，从图6中可以发现当基体表面粗糙度较低时，薄膜的磨痕浅而窄，表面存在沿滑动方向的微沟槽，主要磨损机制是磨粒磨损，这与相关文献报道的结果一致[19]。图7和图8分别为干摩擦条件下MoS2/Ti薄膜磨痕的二维轮廓曲线和平均磨损率。结合图7和图8可以看出，随着基体表面粗糙度的增加，薄膜磨痕变宽，磨损率增加，并且产生了明显的片层剥落现象。分析其原因：随着基体粗糙度的增加，一方面对偶面之间的机械啮合作用增强，加剧了薄膜的磨损；另一方面薄膜与基体材料的结合性能呈下降趋势(2.2节)，导致易于产生片层脱落现象，此时片状碎片的产生及剥离是薄膜主要的失效形式。

图6 干摩擦条件下MoS2/Ti薄膜的磨痕形貌 (a)Ra=0.01 μm;(b)Ra=0.06 μm;(c)Ra=0.11 μm;(d)Ra=0.26 μm

图7 干摩擦条件下MoS2/Ti薄膜磨痕的二维轮廓曲线

图8 干摩擦条件下MoS2/Ti薄膜的平均磨损率

通过上述分析可知，随着基体表面粗糙度的增加，MoS2/Ti薄膜摩擦因数和磨损率的变化趋势一致，基体表面粗糙度较小时(Ra=0.01 μm)，薄膜的摩擦磨损性能较优异；而基体粗糙度在0.11 μm左右时，MoS2/Ti薄膜摩擦学性能较差，在实际应用过程中应该避免选用此范围内的基体表面粗糙度。

2.4 复合润滑条件下基体粗糙度对摩擦磨损性能的影响

在固体-油复合润滑条件下，样品具有更好的摩擦学性能。当基体粗糙度为0.01 μm时，样品摩擦因数小而平稳，仅为0.074；而随着基体表面粗糙度增大，平均摩擦因数分别为0.109,0.112,0.110，如图9(a)所示。

图9 复合润滑条件下MoS2/Ti薄膜的摩擦因数 (a)固体-油润滑；(b)固体-脂润滑

对于不同的润滑条件，基体表面粗糙度对薄膜摩擦因数影响的机理不同。与干摩擦相比，薄膜在油润滑条件下，接触界面上形成的油膜避免了摩擦对偶副的直接接触，其在结构上与典型的边界润滑相似[20]。根据边界摩擦的机理，摩擦界面之间同时存在粗糙峰的直接接触和润滑油接触，总的摩擦力F表达式为[21]：

F=A[ατS+(1-α)τL]+FP

(4)

式中：A为真实接触面积；α为薄膜粗糙峰接触面积占A中的百分数；τS和τL分别为MoS2/Ti薄膜与润滑油的表面剪切强度；FP为犁沟力，一般可忽略。由于τL小于τS，因此边界润滑的摩擦力小于干摩擦条件下的摩擦力。而随着表面粗糙度的增加，薄膜的接触面积占比α增大，摩擦力F增大。

根据Wenzel-Cassie模型，可知MoS2薄膜为微亲油表面[22]。对于油润滑表面，表面粗糙度越大，亲油表面的固液接触角越小，油膜在固体表面越容易铺展，摩擦因数降低[23]。由此可知，在基体粗糙度为0.06～0.26 μm范围时，接触面积增加导致的μ增加幅度与接触角减小导致的μ减小幅度相当，从而使摩擦因数基本相当。

由于润滑脂是一种胶状物质，因此具有不同于润滑油独特的流变特性。在锂基脂润滑条件下，复合膜处于不连续的边界润滑状态[24]。随基体表面粗糙度的增加，平均摩擦因数分别为0.131,0.127,0.139,0.136。由于MoS2易在摩擦对副表面形成转移膜，因此能够有效减小摩擦[25]。但润滑脂的黏度系数较大，流动性较差，导致MoS2转移层的形成过程较慢。所以MoS2/Ti薄膜-脂复合润滑的磨合阶段较长，且摩擦因数较大，如图9(b)所示。Cann等[26-27]发现润滑脂的平均润滑膜厚度随实验时间的延长先下降后回升并逐渐趋于稳定，且在低速条件下，脂润滑膜的厚度会产生波动。因此，MoS2/Ti-脂复合润滑的摩擦因数先增大后减小并逐渐趋于稳定，波动幅度较大，润滑效果不佳。

在固体-油复合润滑条件下，MoS2薄膜的磨损机理发生了改变，薄膜表面只被轻微抛光，如图10所示。随着基体表面粗糙度的增加，薄膜的磨损情况无明显变化。MoS2薄膜-油复合润滑体系具有更好的耐磨性，可通过此方法增加薄膜的使用寿命。而在固体-脂复合润滑条件下，MoS2/Ti薄膜表面呈现严重的片状剥落，如图11所示。随着表面粗糙度的增加，平均磨损率分别为2.80×10-7,4.73×10-7,4.54×10-7,4.37×10-7mm3·N-1·m-1。由于润滑脂的润滑被认为是乏油润滑，迁移能力较差，造成接触区油膜厚度和均匀性下降，因此MoS2薄膜的磨损率较干摩擦时增加。