MoS?-TiCrZr涂层在TC4钛合金表面上的摩擦学行为（不同环境下的表现）

《Journal of Alloys and Compounds》：Tribological Behavior of MoS 2-TiCrZr Coatings on the Surface of TC4 Titanium Alloy in Various Environments

钛合金涂层摩擦磨损与腐蚀性能研究。通过磁控溅射在TC4上制备纯MoS?和TiCrZr掺杂涂层，测试其在大气、海雾及海水环境下的摩擦磨损与腐蚀性能，发现掺杂优化后涂层硬度、致密性提升，腐蚀磨损率显著降低。

　　TC4钛合金因其优异的耐腐蚀性能，在海洋等恶劣环境中被广泛应用于机械领域。随着海洋资源开发需求的不断增长，越来越多的机械设备被部署在海洋环境中，如水下设备、海上钻井系统和船舶等。然而，这些设备在运行过程中，摩擦副所处的环境复杂多变，不仅包括大气环境，还可能涉及海雾和海水等条件。在这些环境中，TC4钛合金的摩擦性能常常受到挑战，主要原因是其硬度较低以及对塑性剪切变形的抵抗能力不足。因此，提高TC4钛合金的摩擦性能和耐腐蚀性能成为科研人员关注的重点。

近年来，研究人员发现，通过引入特定元素对MoS?基涂层进行改性，可以有效提升其在海洋环境中的性能表现。MoS?作为一种经典的固体润滑材料，因其独特的夹层结构和较低的层间剪切强度，被广泛用于减少摩擦和磨损。然而，MoS?在水和氧气环境中容易发生氧化和水解反应，导致其润滑性能下降。为了解决这一问题，金属掺杂和结构调控成为提高MoS?涂层耐氧化和耐湿性的重要手段。研究表明，添加Ti、Cr、Zr等元素可以显著改善MoS?涂层的性能，使其在潮湿和氧化环境下依然保持良好的润滑效果。

本研究通过磁控溅射技术，在TC4基材上制备了纯MoS?和MoS?-TiCrZr复合涂层，旨在提高TC4钛合金的摩擦性能并探索MoS?基涂层在海洋环境中的应用潜力。实验过程中，对涂层的相组成、微观结构、机械性能以及耐腐蚀性能进行了全面表征，并在大气、人工海雾和模拟海水条件下系统地研究了其摩擦学行为。研究结果表明，将Ti、Cr和Zr元素引入MoS?基体中，可以有效降低涂层的结晶度，同时提高其密度、硬度和弹性模量。在最佳掺杂水平下，MoS?涂层表现出沿(002)晶面的择优取向，这有助于提升其在海洋环境中的稳定性和润滑性能。

在耐腐蚀性能方面，研究发现，含有9.7 at% Ti、10.2 at% Cr和5.7 at% Zr的MoS?-TiCrZr涂层表现出最佳的耐腐蚀能力。这一结果表明，Ti、Cr和Zr的协同作用能够显著增强涂层的抗腐蚀能力，使其在海洋环境中具备更强的防护性能。此外，在摩擦学测试中，含有5.3 at% Ti、6.1 at% Cr和2.2 at% Zr的MoS?-TiCrZr涂层显示出最低的摩擦系数和磨损率。在不同测试条件下，该涂层的磨损率分别仅为未涂层TC4的0.28%、0.68%和2.3%。这些数据表明，通过优化元素掺杂比例，MoS?基复合涂层能够在多种环境下实现优异的摩擦性能，从而有效延长机械部件的使用寿命。

研究还揭示了MoS?-TiCrZr涂层在不同环境下的摩擦和磨损响应机制。在大气条件下，涂层表现出良好的润滑性能，但其在海雾和海水中的表现更为显著。这表明，这种复合涂层不仅能够在干燥环境下发挥润滑作用，还能在潮湿和氧化环境中保持稳定。这一特性使其成为海洋机械设备的理想选择，特别是在需要长期暴露于海水环境的场合。通过引入Ti、Cr和Zr元素，不仅提高了涂层的物理和化学性能，还增强了其对腐蚀和磨损的抵抗能力，从而满足了海洋机械在复杂环境下的应用需求。

在实际应用中，传统润滑方式如润滑油和润滑脂虽然能有效降低摩擦和磨损，但存在一定的局限性。例如，密封不当可能导致润滑剂泄漏，进而引发海洋污染。相比之下，固体润滑涂层则提供了一种更为环保和可持续的解决方案。本研究中所制备的MoS?-TiCrZr复合涂层不仅能够减少摩擦和磨损，还具备优异的耐腐蚀性能，能够在海洋环境中长期稳定运行。这为海洋机械设备的维护和使用提供了新的思路，也为开发高性能、环保型的润滑材料提供了理论支持和技术依据。

本研究的实验方法采用了磁控溅射技术，这是一种常见的薄膜制备方法，具有较高的均匀性和可控性。实验过程中，TiCr合金靶（Ti和Cr含量各为50 wt%，纯度为99.99%）被安装在直流电源上，而Zr和MoS?靶（纯度也为99.99%）则分别固定在两个射频电源上。通过调整溅射参数，如功率、压力和温度，研究人员成功制备了不同元素掺杂比例的MoS?涂层。随后，对涂层的相组成、微观结构、机械性能和耐腐蚀性能进行了系统分析。实验结果表明，元素掺杂对涂层的性能产生了显著影响，其中Ti、Cr和Zr的协同作用尤为关键。

在微观结构方面，研究发现，掺杂元素的引入使得MoS?涂层的结晶度降低，同时提高了涂层的致密性。这种结构变化不仅有助于减少涂层的孔隙率，还能够增强其对腐蚀介质的阻隔能力。此外，掺杂元素还显著提升了涂层的硬度和弹性模量，使其在高负载和高磨损条件下表现出更强的稳定性。在摩擦学测试中，不同掺杂比例的涂层表现出不同的摩擦性能，其中含有5.3 at% Ti、6.1 at% Cr和2.2 at% Zr的涂层显示出最佳的摩擦性能。这一结果表明，元素掺杂不仅可以改善涂层的物理性能，还能优化其在不同环境下的摩擦行为。

从实验数据来看，MoS?-TiCrZr复合涂层在模拟海水环境下的磨损率仅为未涂层TC4的2.3%，这一性能提升对于海洋机械设备具有重要意义。在海洋环境中，海水不仅具有腐蚀性，还可能对摩擦副产生额外的磨损作用。因此，开发能够在海水环境中保持良好性能的涂层材料，对于延长设备寿命和降低维护成本至关重要。本研究的结果表明，通过合理设计元素掺杂比例，MoS?基复合涂层可以在多种环境下实现优异的摩擦和耐腐蚀性能，从而满足海洋机械设备的实际需求。

此外，本研究还分析了不同元素掺杂对涂层性能的影响机制。Ti、Cr和Zr的加入不仅改变了涂层的微观结构，还影响了其表面化学反应行为。例如，Ti和Cr能够优先与氧气反应，形成致密的氧化物层，从而有效阻止氧气向涂层内部扩散。而Zr的引入则有助于提高涂层的致密性和稳定性，减少水分渗透的可能性。这些元素的协同作用使得MoS?-TiCrZr复合涂层在海洋环境中表现出优异的综合性能，不仅提高了其抗腐蚀能力，还增强了其抗磨损性能。

研究结果还表明，MoS?-TiCrZr复合涂层在摩擦过程中能够形成稳定的润滑膜，从而减少直接接触导致的磨损。在海雾和海水条件下，涂层的表面结构能够有效吸附水分，形成一层保护膜，减少水分对涂层性能的影响。同时，涂层的硬度和弹性模量的提高，使其在高负载和高速摩擦条件下依然能够保持良好的性能表现。这些特性使得MoS?-TiCrZr复合涂层在海洋环境中具备更强的适应性和稳定性。

综上所述，本研究通过引入Ti、Cr和Zr元素对MoS?涂层进行改性，成功制备了具有优异摩擦性能和耐腐蚀性能的MoS?-TiCrZr复合涂层。实验结果表明，该涂层在不同环境条件下均表现出显著的性能提升，特别是在模拟海水环境下，其磨损率仅为未涂层TC4的2.3%。这些发现为海洋机械设备的润滑和防护提供了新的解决方案，也为开发高性能、环保型的涂层材料奠定了理论基础。未来，进一步优化元素掺杂比例和涂层结构，将有助于提升其在更复杂环境下的应用潜力。