Физико-механические свойства и структура покрытий на основе Ti, Al, Zr, Si и N

Abstract

В дисертаційній роботі досліджено фізико-механічні та триботехнічні характеристики нанокомпозитних покриттів на основі Zr, Ti, Al, Sі та N, синтезованих вакуумно-дуговим методом із застосуванням ВЧ стимуляції. Проаналізовано вплив фізико-технологічних параметрів осадження на властивості нанокристалічних покриттів. Встановлено, що розміри кристалітів синтезованих нанокомпозитних покриттів на основі Ti-Al-N, Ti-Si-N і Ti-Zr-Si-N змінюються у діапазоні 10 – 25 нм. Виявлено кореляцію між елементним складом, мікроструктурою і механічними властивостями покриттів. Структура отриманих покриттів є визначальною для їх механічних характеристик. Максимальна твердість для синтезованих покриттів Ti-Al-N становить 35,8 ГПа, для Ti-Si-N – 35,0 ГПа, а для системи Ti-Zr-Si-N – 40,8 ГПа. Модуль пружності для зазначених покриттів визначається у межах 392 ¸ 456 ГПа. Підвищення модулю імпульсного ВЧ потенціалу зсуву від 100 В до 200 В для покриттів системи Ti-Zr-Si-N спричиняє формування текстури (111) у площині осадження покриттів. Встановлено поліпшення триботехнічних характеристик для покриттів Ti-Al-N, Ti-Si-N і Ti-Zr-Si-N у порівнянні з покриттями на основі TiN. Встановлено, що тугоплавкі сполуки на основі багатокомпонентних покриттів в умовах тертя у повітряному середовищі при підвищених температурах характеризуються низьким рівнем структурної активності. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/30567

В диссертационной работе исследованы физико-механические и триботехнические характеристики нанокомпозитных покрытий на основе Zr, Ti, Al, Si и N, синтезированных вакуумно-дуговым методом с применением ВЧ стимуляции. Проанализировано влияние физико-технологических параметров осаждения на свойства нанокристаллических покрытий. Установлено, что размеры кристаллитов синтезированных нанокомпозитных покрытий на основе Ti-Al-N, Ti-Si-N и Ti-Zr-Si-N изменяются в диапазоне 10 – 25 нм. Применение импульсного ВЧ потенциала смещения в процесс осаждения позволяет уменьшить размер нанокристаллитов для TiN от 60 нм до 25 нм, для ZrN от 80 нм до 10-15 нм. Установлено, что покрытия на основе Zr, Si и N и Ti, Si и N образуются из кристаллитов двух фаз ZrN и TiN. Размер кристаллитов TiN составляет 25 нм, а кристаллитов ZrN – не превышает 10 нм. Повышение модуля ВЧ напряжения смещения от 100 В до 200 В приводит к более эффективному захвату атомов азота в приповерхностной области формируемого покрытия, стимулирует интенсивное протекание химической реакции образования нитридов. При этом в результате баллистического распыления легких атомов происходит существенное обеднение ими синтезированного покрытия. Выявлена корреляция между элементным составом, микроструктурой и механическими свойствами покрытий. Структура полученных покрытий является определяющей для их механических характеристик. Максимальная твердость для синтезированных покрытий Ti-Al-N составляет 35,8 ГПа, для Ti-Si-N – 35,0 ГПа, а для системы Ti-Zr-Si-N – 40,8 ГПа. Модуль упругости для указанных покрытий определяется в пределах 392 – 456 ГПа. Условия формирования нанокомпозитных покрытий на основе Zr, Ti, Si и N определяют повышение деформации решетки кристаллитов, вызывающей развитие в покрытиях сжимающих напряжений, величиной до 9 ГПа. Повышение модуло импульсного ВЧ потенциала смещения от 100 В до 200 В для покрытий системы Ti-Zr-Si-N приводит к формированию текстуры (111) в плоскости осаждения покрытий. Показано, что применение импульсной ВЧ стимуляции является действенным методом обеспечивающим повышение адгезионной прочности покрытий с подложкой. Для покрытий на основе Zr, Ti, Si и N, нанесенных на подложку из стали Х18Н10Т без применения ВЧ стимуляции, первые трещины LС2 формируются при нагрузке F = 15,08 ГПа, адгезионное разрушение происходит при нагрузке F = 41,5 ГПа. При применении ВЧ стимуляции в процессе синтеза покрытий трещины формируются (LС2) при F = 22,9 ГПа, адгезионное разрушение наступает при F = 48,84 ГПа. Установлено улучшение триботехнических характеристик для покрытий Ti-Al-N, Ti-Si-N и Ti-Zr-Si-N по сравнению с покрытиями на основе TiN. Определено, что тугоплавкие соединения на основе многокомпонентных покрытий в условиях трения в воздушной среде при повышенных температурах характеризуются низким уровнем структурной активности. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/30567

The thesis investigates physical, mechanical and tribotechnical properties of nanocomposite coatings based on Zr, Ti, Al, Si and N, synthesized by vacuum-arc method using high frequency stimulation. The effect of physical and technological parameters of deposition on the properties of nanocrystalline coatings was analyzed. It was found that the sizes of crystallites of synthesized nanocomposite coatings based on Ti-Al-N, Ti-Si-N and Ti-Zr-Si-N vary in the range of 10-25 nm. The correlation between ultimate composition, microstructure and mechanical properties of coatings was determined. The structure of the obtained coatings is essential for their mechanical characteristics. The maximum hardness for Ti-Al-N synthesized coatings is 35.8 GPa, for Ti-Si-N – 35.0 GPa, and for Ti-Zr-Si-N system – 40.8 GPa. The elasticity modulus for these coatings is determined within 392¸456 GPa. The increase of module of impulse HF shear potential from 100 V to 200 V for coatings of Ti-Zr-Si-N system causes the formation of texture (111) in the plane of coating deposition. The improvement of tribotechnical characteristics for coatings Ti-Al-N, Ti-Si-N and Ti-Zr-Si-N was established as compared with coatings based on TiN. It was found that high-melting compounds on the basis of multicomponent coatings in terms of friction in air at elevated temperatures are characterized by a low level of structural activity. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/30567