Investigation of the Tribological Performance of Multilayer, Nanocomposite, and Monolithic Coatings Based on MoSe2 and WS2 in different Environments.

Abstract

Transition Metal Dichalcogenides (TMD) films have emerged as promising solid lubricant coatings for dry and vacuum environments, aiming to reduce energy losses caused by friction and wear. However, sputtered TMD films present some detrimental characteristics such as porosity, which makes them prone to oxidation. To overcome these limitations, various approaches have been used. A multilayer architecture is one of the options that offer dense structure. It also allows for the control of the thickness of individual layers, avoiding the detrimental characteristics of a thick monolithic coating. Therefore, in a multilayer and nanocomposite (NC) coatings, it is possible to take advantage of the properties of each monolithic without the detrimental effects of a thicker coating. In this study, MoSe2 (Molybdenum diselenide) and WS2 (Tungsten disulfide)-based monolithic and multilayer coatings with periodic thicknesses of 20nm (M20) and 60nm (M60), along with a NC, were successfully deposited using the DC magnetron sputtering technique, with a total coating thickness ranging from 1.4μm to 1.6μm. The tribological tests were conducted using an SRV (Schwingung (Oscillating), Reibung (Friction), Verschleiß (Wear)) tribometer under different temperatures, such as 25°C, 100°C, and 200°C as well as in dry nitrogen at 25°C. In this study, nanocomposite coating demonstrated a hardness of 3.9GPa, nearly 10 times that of the monolithic MoSe2 film. Regarding the tribological performance, the multilayer coatings exhibited lower specific wear rates compared to the monolithic MoSe2 film. The wear rate increased with increase in periodic thickness of multilayer, while the NC coating demonstrating the lowest wear rate. Moreover, all multilayer and nanocomposite coatings survived the 30-minute long-term tribological (coefficient of friction) test, while the monolithic WS2 and MoSe2 coatings failed before 10 and 20 minutes, respectively. The X-ray diffraction (XRD) analysis was used to study the crystal structure of the coatings, while nano-indentation was employed to evaluate the mechanical properties (hardness and reduced modulus). The adhesion of coatings was evaluated by scratch test, and the WS2 monolithic coating outperforms all other coatings. The thermal stability of the films was assessed by annealing at 350°C in a hydrogenated argon environment for 2 hours. The structure of the annealed samples did not show any significant changes. These findings highlight the potential of nanocomposite and multilayer TMD coatings as effective solid lubricants particularly for long term performance at moderate temperature.

Os filmes de Dicarcogenetos de Metais de Transição (DMT) são excelentes revestimentos autolubrificantes em ambientes secos e a vácuo, de modo reduzir perdas de energia causadas por atrito e desgaste. No entanto, filmes de DMT depositados por pulverização apresentam algumas características adversas para o seu desempenho tribológico, como a porosidade, que os torna mais propensos à oxidação. Para superar estas limitações, várias abordagens têm sido utilizadas. Uma delas configuração em multicamadas é uma das opções oferecendo uma grande flexibilidade. Esta configuração permite o controle da espessura de cada camada individualmente, evitando as características prejudiciais de um revestimento monolítico espesso. Portanto, num revestimento de multicamadas ou nanocomposito, é possível potenciar as propriedades de cada monocamada sem os efeitos prejudiciais de um revestimento mais espesso. Neste estudo, revestimentos monolíticos e de multicamadas de MoSe2 (seleneto de molibdênio) e WS2 (disulfureto de tungstênio), com período das duas camadas de 20nm (M20) e 60nm (M60), e de um revestimento nanocompósito (NC), foram depositados por pulverização catódica magnetrão de corrente contínua, com uma espessura total dos revestimentos variando de 1,4μm a 1,6μm. Os testes tribológicos foram realizados com um tribômetro SRV (Schwingung, Reibung, Verschleiß) a diferentes temperaturas 25°C, 100°C e 200°C, como também em azoto seco 25°C. Neste estudo, o revestimento NC demonstrou uma dureza de 3,9GPa, uma ordem de grandeza superior à do filme monolítico de MoSe2. No que se refere ao desempenho tribológico todos os revestimentos de multicamadas apresentaram taxas de desgaste específicas menores em comparação com o filme monolítico de MoSe2, constatando-se um aumento da taxa de desgaste aumentou com do período da multicamada, sendo o revestimento NC o que apresentou a menor taxa de desgaste. Nos ensaios tribológicos de maior duração (30 minutos) todos os revestimentos resistiram até o final do ensaio, o que não ocorreu para os revestimentos monolíticos WS2 e MoSe2, falhando aos 10 e 20 minutos, respectivamente. A estrutura cristalográfica dos revestimentos foi avaliada por difração de raios X (XRD) em modo rasante, enquanto que as propriedades mecânicas dureza e modulo foram determinadas por nanoindentação. A adesão dos revestimentos foi avaliada por indentação deslizante com carga progressiva, sendo o revestimento monolítico WS2 o que apresentou o melhor desempenho. Em seguida, os arranhões foram avaliados por microscopia de luz e microscopia eletrônica de varredura.