激光诱导WS2 相选择性结晶优化WSC涂层的摩擦学性能研究

推荐：本研究针对WSC(WS2 /a-C)涂层因滑动诱导结晶导致的冗长磨合期问题，通过系统优化Nd:YAG激光参数(P/pd/RR)，实现了非烧蚀性WS2 相选择性结晶，同时保持a-C基质结构完整性。研究发现激光能量密度(F)3.1×106 J/m2 为石墨化阈值，3.6×106 J/m2 可触发WS2 结晶，为工程化低摩擦涂层提供精确调控路径。

　　

在摩擦学领域，过渡金属二硫化物(TMD)如二硫化钨(WS₂
)因其独特的层状结构和弱范德华力，展现出卓越的固体润滑性能。然而，纯TMD材料存在孔隙率高、硬度低、易氧化等缺陷。为此开发的WSC涂层——将WS₂
相嵌入非晶碳(a-C)基质——虽能适应多种工况，但其润滑性能依赖于滑动过程中WS₂
的(002)晶面重排，往往需要数千次磨合周期才能形成有效润滑膜，这在低接触压力工况(如橡胶摩擦副)中尤为突出。

传统激光表面纹理化(LST)技术多聚焦于形貌改性，对材料结构转变的研究匮乏。针对这一瓶颈，某大学的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表研究，通过精确调控脉冲Nd:YAG激光参数，首次建立了WSC涂层结构转变的定量阈值体系。研究发现，当激光能量密度(F)达3.1×10⁶
J/m²
时a-C基质开始石墨化，而WS₂
结晶需要更高阈值(3.6×10⁶
J/m²
)，这为选择性调控涂层微观结构提供了理论依据。

研究采用磁控溅射制备含50 at.% C的WSC涂层后，通过调整平均功率(P:12-18W)、脉宽(pd:40-60ns)和重复频率(RR:10-11kHz)等参数，创建WSCIR1-WSCIR3系列处理条件。结合光学轮廓仪、球坑测试、拉曼光谱、X射线衍射和纳米压痕等技术，系统表征了激光诱导的几何-结构-力学演变。

几何演变方面，激光处理区直径从WSCIR1的10μm扩展至WSCIR3的23μm，表面凸起高度由27nm增至115nm，改性深度从0.07μm加深至0.17μm。拉曼光谱显示，WSCIR2条件(E_p
=1.4mJ)下首次出现WS₂
的E_2g
(346cm^-1
)和A_1g
(413cm^-1
)特征峰，其强度随处理强度增加而增强，在WSCIR3时TMD/碳峰面积比达2%。同时a-C基质的G峰从1553cm^-1
上移至1576cm^-1
，D-G峰分离增大，表明石墨纳米簇的形成。

机械性能测试显示，即使在高能WSCIR3条件下，涂层硬度(H)仍保持4.5-6.5GPa，弹性模量(E)90-100GPa，H/E比稳定在0.062，与未处理涂层相当。纳米压痕图谱揭示处理区中心硬度轻微下降(3-4.5GPa)，而边缘区域出现>6.5GPa的高硬度岛，这种应力再分布可能与激光诱导的热弹性变形相关。

该研究的重要意义在于：首次建立了WSC涂层激光结构改性的参数-性能定量关系，证明通过精确控制能量密度(F)和功率密度(PD)可实现WS₂
相选择性结晶，同时最小化a-C基质石墨化。所确定的3.1×10⁶
J/m²
(石墨化)和3.6×10⁶
J/m²
(WS₂
结晶)双阈值体系，为开发"即用型"低摩擦涂层提供了可规模化应用的工艺窗口。未来研究可基于此阈值体系，进一步优化激光参数以缩短甚至消除WSC涂层的磨合期，这对提升精密机械、航空航天等领域的摩擦部件服役性能具有重要价值。