共聚焦显微镜解析 | 表面微织构 MoN 涂层的织构调控与摩擦学性能研究

随着航空航天等高端制造业发展，钛合金等难加工材料应用广泛，但其切削高温导致刀具磨损突出；绿色高速干切削技术的发展进一步要求刀具低摩擦、高耐磨。表面微织构与硬质自润滑涂层结合是改善刀具性能的重要方向，MoN 涂层的协同作用机理待深入研究。光子湾科技的高端光学测量技术为材料研究提供支撑，本文结合共聚焦显微镜三维成像，研究表面微织构 MoN 涂层的织构调控与摩擦学性能，为高端制造涂层应用提供参考。

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微织构 MoN 涂层的制备与表征

微织构MoN涂层制备示意图

1.实验准备

选用M2 高速钢和单晶Si 片为基材，M2 高速钢经打磨、抛光处理，所有基材均通过丙酮、酒精超声清洗以去除表面油污。

2.涂层制备

采用两步法制备微织构MoN 涂层：第一步通过磁控溅射掩膜板法沉积 Cr 凸体支撑层，第二步在其表面反应溅射沉积 MoN 涂层。通过控制 Cr 层沉积时间调控微织构深度，改变掩膜板孔径控制面积率（40%、50%、60%）。

3.表征方法

微观结构表征：采用X 射线衍射（XRD）分析物相组成与择优取向；扫描电子显微镜（SEM）观察表面与截面形貌。

力学性能测试：纳米压入试验测定硬度与弹性模量，压入深度为薄膜厚度的10%。

摩擦学性能评估：共聚焦显微镜用于观察磨损表面三维形貌，测量磨痕宽度、深度并计算磨损率。使用球盘式摩擦磨损试验机，以WC-Co6% 硬质合金、304 不锈钢、TC4 钛合金为摩擦副，在不同载荷下进行干摩擦实验。

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不同微织构深度的 MoN 涂层性能研究

不同微织构深度的MoN 涂层三维轮廓以及截面高度关系图

1.微观结构与力学性能

微织构MoN 涂层均由面心立方 Mo₂N 相构成，随深度从 300nm 增至 900nm，择优取向由（111）逐渐转变为（200），这与凸台区离子镀效果增强及沉积粒子表面迁移率增加相关。硬度与弹性模量随深度增加呈上升趋势，900nm 时硬度达 35.93GPa。

2.摩擦学性能

随微织构深度增加，摩擦系数与磨损率均下降。4N 载荷下，无织构涂层摩擦系数为 0.37，900nm 深度涂层降至 0.27，磨损率降低约 79%。共聚焦显微镜观察显示，微织构通过减小实际接触面积、储存磨屑及生成MoₙO₃ₙ₋₁润滑相实现减摩。

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不同面积率的微织构 MoN 涂层性能研究

不同面积率微织构MoN 涂层的三维轮廓照片

1.微观结构与力学性能

面积率由40% 增至 60% 时，涂层择优取向由（200）转为（111），不同面积率涂层硬度均约 35GPa，弹性模量变化较小。

2.摩擦学性能

与WC-Co6% 对磨时，摩擦系数随面积率增加下降，磨损机制为磨粒磨损；与 304 不锈钢对磨时，微织构涂层摩擦系数较无织构降低 23%，但随面积率增加而增大；与 TC4 钛合金对磨时，黏着磨损为主，黏着层削弱微织构作用，摩擦系数降幅随面积率增加减小。共聚焦显微镜对磨痕的三维成像表明，减摩效果与接触面积、磨屑储存及摩擦膜组成相关。

本研究通过共聚焦显微镜等精密表征手段，深入解析了微织构参数对MoN 涂层性能的影响规律。微织构MoN 涂层的择优取向随深度和面积率变化而转变，力学性能受织构参数影响显著。摩擦学性能优于无织构涂层，其减摩耐磨机制与接触面积减小、磨屑储存及润滑相生成相关，且因摩擦副不同而存在差异。光子湾科技的高端光学测量技术可为涂层材料的精密表征提供持续支持，助力高端制造领域中涂层技术的优化与应用。

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光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

超宽视野范围，高精细彩色图像观察

提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析技术

采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

光子湾共聚焦显微镜以原位观察与三维成像能力，为表面微织构MoN 涂层的织构调控与摩擦学性能的研究提供表征技术支撑，助力从表面粗糙度与性能分析的精准把控，成为推动航空航天等高端制造领域质量升级的重要光学测量工具。

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