Optimization of sputtered Mo-Se-C coatings for efficient self-adaptation during sliding in diverse environments

Abstract

Coatings deposited by plasma vapour deposition (PVD) revolutionized the world of tribology and resolved various problems encountered in industrial domains. Magnetron sputtered carbon-alloyed transition metal dichalcogenide (TMD-C) coatings have been widely explored in the past few decades due to their self-adaptive sliding properties. The drawback is that their frictional properties are highly environmental dependent. This substantial variation of the frictional response during sliding in diverse environments, is the main hindrance behind their large-scale application. In the domain of TMD-C coatings, although very less reported, C-alloyed molybdenum diselenide (Mo-Se-C) is a promising candidate as solid lubricant coatings for aerospace and automotive industries, due to an excellent stability in both humid air and vacuum conditions. The present work is aimed at the development, investigation and optimization of magnetron sputtered Mo-Se-C coatings. The goal is to deposit coatings capable of providing highly stable and consistent tribological properties in diverse environments under different conditions, i.e., sliding distances, sliding speeds and contact stresses. In the initial phase of the project, feasibility for development of an efficient self-adaptive lubricant system based on Mo-Se-C coatings was studied. The coatings were deposited via an industrially favourable co-sputtering (separate MoSe2 and C targets) approach, utilizing direct current (DC) power supplies. A detailed parametric study of the deposition parameters and carbon content versus coatings properties was carried out. The tribological testing was done in ambient air and dry N2 atmospheres. These coatings displayed a maximum Se/Mo ratio of 1.88, a compact morphology, an amorphous crystal structure, and a maximum hardness of 4.9 GPa. Small MoSe2 platelets (< 10 nm size) were randomly oriented in an amorphous carbon matrix. The tribological testing in dry N2 and ambient air resulted in the lowest friction coefficient (COF) values of 0.025 and 0.06, respectively. Overall, improved results as compared to literature were achieved. The research was followed by optimization of chemical composition, structure, morphology and mechanical properties of similar coatings deposited by both DC and radio frequency (RF) power supplies in a confocal plasma sputtering unit. The characterization of these optimized coatings showed that the use of low C content as compared to literature recommendations resulted in a Se/Mo ratio of ~2 for DC coatings and ~1.9 for RF coatings. The coatings showed a highly compact morphology, presence of (002) peaks of MoSe2 phase and a hardness increment up to 5.2 GPa. In the post-optimization stage, the sliding behaviour was tested in ambient air, dry N2, and at 200 ⁰C. An in-depth investigation of the chemistry and evolution of the low friction tribolayers with the number of sliding cycles was carried out. In ambient conditions, friction coefficient and specific wear rate decreased with the number of sliding cycles. The coatings outperformed similar coatings presented in initial depositions and the literature. The coverage of the wear tracks with a MoSe2 tribolayer was extended with increasing number of sliding cycles. The measured COF was almost consistent in ambient air, dry N2 and at 200 ⁰C. These results established that the coatings were efficiently capable to be used in diverse operating environments. This was attributed to the fact that the MoSe2 phase was always governing the low friction tribolayer in all environments. Thus, the coatings did not show the chameleon behaviour, disagreeing with the literature on TMD-C coatings. Further, the mechanism and routes behind the formation of low friction tribolayers were also explored. This investigation unfolded that both the transfer layer formed due to the 3rd body inside the contact and the reorientation within the coating matrix contribute to the tribolayer formation. In the last stage, tribological testing of Mo-Se-C coatings was performed, for the first time, in both ambient air and vacuum atmospheres; under various conditions of sliding cycles, sliding speeds and contact stress regimes to confirm their applicability as universal solid lubricants. The testing resulted in no significant variations between the tribological performance (COF: 0.02-0.06). In conclusion, the achieved optimization of self-adaptive behaviour in diverse environments demonstrated that the Mo-Se-C system is a potential universal solid lubricant for low friction in aerospace and terrestrial atmospheres.

Os revestimentos depositados por técnicas de deposição física em fase de vapor (PVD) têm revolucionado o mundo da tribologia e resolvido problemas muito diferentes encontrados nos mais variados domínios industriais. Neste contexto, os revestimentos de dicalcogenetos de metais de transição ligados com carbono (TMD-C), depositados por pulverização catódica magnetrão, têm sido largamente explorados nas décadas recentes devido às suas propriedades auto-adaptativas durante o deslizamento. A sua principal desvantagem é que as suas propriedades tribológicas são fortemente dependentes do ambiente em que os revestimentos são utilizados. Esta variação significativa da resposta ao atrito, durante o deslizamento em diferentes ambientes, tem sido o maior obstáculo para a aplicação destes revestimentos numa larga escala industrial. No domínio dos revestimentos TMD-C, embora menos reportados na literatura, os disselenietos de molibdénio ligados com carbono (Mo-Se-C) são candidatos muito promissores para as indústrias automóvel e aerospacial, devido a uma estabilidade excelente em ambos os ambientes húmidos e em vácuo. Este trabalho de investigação tem como objetivo desenvolver, investigar e otimizar revestimentos do tipo Mo-Se-C depositados por pulverização catódica magnetrão. É pretendido depositar revestimentos capazes de providenciar propriedades tribológicas estáveis e consistentes em meios diversos sob diferentes condições de aplicação, i.e. distâncias de deslizamento, velocidades de deslizamento e tensões de contato. Numa primeira fase do projeto, foi estudada a possibilidade de desenvolver um sistema lubrificante auto-adaptativo baseado em revestimentos do tipo Mo-Se-C. Os revestimentos foram depositados utilizando uma aproximação amigável do ponto de vista industrial, consistindo na co-pulverização de alvos separados (MoSe2 e carbono) utilizando fontes de potência de corrente contínua (DC). Para tal foi efetuado um estudo detalhado da influência dos parâmetros de deposição e do teor em carbono nas propriedades dos revestimentos. Os revestimentos foram testados tribologicamente em meios ambientes húmido e seco. Os revestimentos apresentaram uma razão Se/Mo de 1,88 e uma morfologia compacta; a estrutura era amorfa e a dureza máxima alcançada foi de 4,9 GPa. A estrutura consistia em pequenas plaquetas de MoSe2 embebidas numa matriz amorfa de carbono. O teste tribológico em azoto seco e ar ambiente deu valores de coeficiente de atrito (COF) de, respetivamente, 0,025 e 0,06. Em comparação com a literatura, foram alcançados resultados com melhorias acentuadas. A investigação prosseguiu com a otimização da composição química, estrutura, morfologia e propriedades mecânicas de revestimentos semelhantes depositados por ambos os processos em DC e rádio-frequência (RF), num equipamento de pulverização catódica com plasma confocal relativamente aos cátodos. A caraterização dos revestimentos otimizados mostrou que a utilização de baixos teores de C, em comparação com as recomendações encontradas na literatura, resultou numa razão de Se/Mo de ~2, para os revestimentos DC e ~1,9 para os RF. Os revestimentos apresentavam uma morfologia muito compacta, picos (002) da fase MoSe2 e um aumento de dureza para 5,2 GPa. Após esta otimização, o comportamento tribológico foi avaliado em testes em ar ambiente, azoto seco e a 200 ºC. Depois, foi efetuada uma investigação detalhada da evolução das tribocamadas de baixo atrito formadas em função do número de ciclos de deslizamento. Em condições ambiente, os coeficientes de atrito e desgaste diminuíram com o número de ciclos. Estes revestimentos ultrapassaram o desempenho tribológico daqueles depositados anteriormente e os referenciados na literatura. A cobertura da pista de desgaste com uma tribocamada de baixo atrito foi sendo formada progressivamente com a evolução do número de ciclos. Os coeficientes de atrito medidos foram muito similares independentemente das condições de teste, podendo ser concluído que estes revestimentos são adequados para os mais diversos meios de teste. Este comportamento é devido à formação duma camada da fase MoSe2 que governa o deslizamento e providencia um atrito reduzido. Em consequência, estes revestimentos não mostram o tão reclamado “comportamento de camaleão”, em desacordo com o referido na literatura para revestimentos do tipo TMD-C. Para além destes resultados, foram ainda explorados os mecanismos e processos que estão por trás da formação da tribocamada de baixo atrito. Esta investigação revelou que quer a transferência de uma camada do elemento antagonista do par de contato, quer a reorientação dos cristais de MoSe2 dentro da matriz amorfa de carbono, contribuem para a formação da tribocamada. Numa última fase do trabalho, foi efetuado pela primeira vez um estudo tribológico em atmosfera ambiente e em vácuo, variando o número de ciclos de deslizamento, as velocidades de deslizamento e as tensões de contato para confirmar a aplicabilidade dos revestimentos otimizados de Mo-Se-C como lubrificantes sólidos universais. Os testes mostraram não haver variações significativas no desempenho tribológico para todas as condições (COF = 0.02-0.06). Resumindo, a otimização do comportamento auto-adaptativo em diferentes atmosferas, demonstrou claramente que os revestimentos Mo-Se-C são uma potencial solução para baixo atrito em aplicações terrestres e no espaço.