Solid self-lubricating characteristics of tungsten boride thin films

Abstract

In der modernen Industrie sind Materialien oft zunehmend harschen Bedingungen ausgesetzt und müssen dabei hohen thermischen und tribologischen Belastungen standhalten. Die gezielte Verbesserung der Oberflächeneigenschaften durch Beschichtungen hergestellt mittels physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ist daher entscheidend, um die Widerstandsfähigkeit, Lebensdauer und Effizienz solcher Komponenten zu erhöhen. In dieser Arbeit werden Wolframdiborid (WB2)-Dünnfilme sowie molybdänhaltige Varianten untersucht, mit Fokus auf das tribologische Verhalten bei hohen Temperaturen und den zugrunde liegenden Oxidationsmechanismen. Die Schichten wurden mittels Magnetronsputtering (DCMS) abgeschieden und anschließend durch Röntgendiffraktometrie (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Nanoindentation charakterisiert. Die chemische Zusammensetzung wurde mithilfe von induktiv gekoppelter Plasma-Optischer Emissionsspektroskopie (ICP-OES) und Elastischer Rückstreudetektionsanalyse (ERDA) ermittelt. Die tribologischen Eigenschaften wurden in Pin-on-Disc-Versuchen bei Raumtemperatur (22 °C), 300 °C und 500 °C untersucht. Die resultierenden Verschleißspuren wurden anschließend mittels optischer Mikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) mit Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) sowie Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie (XPS) analysiert, um morphologische und chemische Veränderungen mit besonderem Augenmerk auf Oxidbildungsprozesse zu erfassen. SEM- und XRD-Analysen zeigten eine säulenförmige α-WB2-Struktur mit bevorzugter (001)-Orientierung. Härtemessungen mittels Nanoindentation bestätigten „Superhardness“ mit Werten von 38 bis 42GPa. Die Zugabe von Molybdän ( 12.5 at.-%) führte jedoch zu einer geringeren Kristallinität und einer reduzierten Härte von 28 GPa. Tribologische Tests ergaben einen mittleren Reibungskoeffizienten (COF) von etwa 0.35 bei Raumtemperatur, der bei 300 °C leicht auf etwa 0.3 abnahm, bei gleichzeitig niedrigen Verschleißraten in der Größenordnung von 10−6 mm3/Nm. Bei 500 °C stieg der Reibungskoeffizient auf etwa 0.55 an, begleitet von erhöhtem Verschleiß und ausgeprägter Oxidbildung. XPS-Analysen bestätigten verstärkte Bildung von Wolfram- und Boroxiden nach Hochtemperaturtests.TEM- und EELS-Untersuchungen zeigten inhomogene Zonen zwischen Beschichtung und der schutzbedingten Kohlenstoffschicht, einschließlich Verschleißpartikeln und möglicherweise Kohlenstoff der in den Tribofilm während er Präparation eindiffundiert ist. Insgesamt zeigten die Beschichtungen bis 300 °C ein stabiles tribologisches Verhalten, gefolgt von moderaten Anstiegen von Reibung und Verschleiß bei höheren Temperaturen. Bei 500 °C führen verstärkte Oxidations- und Diffusionsprozesse wahrscheinlich zu Oberflächenrauigkeit und Fragmentierung der Oxidschicht, während die mechanische Festigkeit der Schicht abnimmt. Der beobachtete Anstieg bleibt jedoch moderat, was auf die stabilisierende Wirkung von Bor und Wolframoxiden zurückgeführt werden kann, die eine starke Degradation der tribologischen Eigenschaften verhindern. Die Zugabe von Molybdän zeigte keinen positiven Einfluss auf das tribologische Verhalten und wirkte sich vielmehr negativ auf die Stabilität der Beschichtungen unter Last aus.

Components in modern industry must operate under increasingly harsh conditions, enduring high thermal and tribological stresses. Enhancing surface properties through physical vapor deposition (PVD) coatings is therefore crucial for improving component resilience, lifetime, and efficiency.This work investigates tungsten diboride (WB2) thin films and Mo alloyed ternary variations, focusing on high-temperature tribological behavior and oxidation mechanisms. Especially, the formation of self-lubricating boron oxide based on WB2 and W-Mo-B2 should affect tribological performance at elevated temperatures. All coatings were deposited by direct current magnetron sputtering (DCMS) and characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and nanoindentation. Chemical composition was analyzed by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) and elastic recoil detection analysis (ERDA). Tribological performance was evaluated in pin-on-disc tests at room temperature (22 °C), 300 °C, and 500 °C. The resulting wear tracks were examined by optical microscopy, transmission electron microscopy (TEM) with electron energy-loss spectroscopy (EELS), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to assess morphological and chemical changes, with focus on oxide formation. SEM and XRD revealed a columnar α-WB2 structure with preferred (001) orientation.Nanoindentation measurements confirmed super hardness of about 38 to 42 GPa, while increasing Mo content (≈ 12.5 at.-%) led to a less crystalline structures and reduced hardness down to 28 GPa. Tribological tests exhibit a mean coefficient of friction (COF) of about 0.35 at room temperature, decreasing slightly to 0.3 at 300 °C with low wear rates around 10−6 mm3/Nm. At 500 °C, friction increased to about 0.55, accompanied by higher wear and pronounced oxide formation. XPS confirmed enhanced tungsten and boron oxides after high-temperature tests. TEM and EELS showed inhomogeneous zones between the coating and the protective carbon layer, including wear debris and possible diffusion of tribo-film material into the carbon caption layer.Overall, the coatings exhibited stable tribological behavior up to 300 °C, followed by moderate increases in friction and wear at higher temperatures. At 500 °C, intensified oxidation and diffusion likely cause surface roughening and oxide fragmentation, while decreasing mechanical strength leads to higher friction and wear. Nevertheless, the increase remains moderate, probably due to boron and tungsten oxides that stabilize the surface and prevent severe degradation of tribological performance. The addition of molybdenum did not improve performance and appeared to reduce coating stability under load.