132 "Матеріалознавство"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/51888
Переглянути
Документ Структурна інженерія вакуумно-плазмових конденсатів тугоплавких нітридів перехідних металів(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Постельник, Ганна ОлександрівнаДисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2021. Об’єктом дослідження є процес формування фазово-структурного стану, та його впливу на механічні властивості та корозійну стійкість вакуумно-дугових покриттів на основі Cr. Предмет дослідження – елементний склад, фазово-структурний стан, субструктура, напружено-деформований стан, механічні властивості та корозійна стійкість вакуумно-дугових PVD покриттів. Дисертацію присвячено проведенню комплексних досліджень в області структурної інженерії вакуумно-дугових одно-, багатошарових та багатоелементних покриттів щодо впливу основних фізико-технологічних параметрів на структурний стан покриттів. Це може стати базою для розвитку основ структурної інженерії багатошарових та багатоелементних нітридних покриттів, для забезпечення надвисокої твердості та функціональних властивостей. Дослідження здійснені за допомогою як класичних, так і принципово нових сучасних методів отримання та моделювання процесів формування покриттів, рентгеноструктурного аналізу, механічних випробувань. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, поставлена мета та основні задачі дослідження, основні методи дослідження, приведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. У першому розділі на основі вітчизняного та зарубіжного досвіду послідовно показано перспективність удосконалення покриттів на основі нітриду хрому. Проаналізувавши наукові публікації встановлено, що нітриди хрому мають суттєві резерви при практичному втіленні багатошарових покриттів з комбінацією інших елементів та нітридів на їх основі. У основу реалізації експериментів по отриманню покриттів було покладено досвід, згідно з яким показником функціональності покриття (до його практичного застосування в експлуатаційних умовах) є не тільки базові механічні характеристики – твердість та модуль Юнга, але і додаткові показники, такі як субструктурні характеристики, адгезійна міцність, коефіцієнт тертя, корозійна стійкість в умовах електрохімічної корозії. У другому розділі подано опис матеріалів та методики досліджень. Базовою технологією нанесення всіх досліджених покриттів є технологія катодно-дугового осадження. Основними методами дослідження у роботі є рентгенівська дифрактометрія, завдяки якій встановлено фазовий склад, текстурованість, субструктурні характеристики та напружено-деформований стан покриттів. Така інформація дозволяє виявити вплив технологічних факторів на структуру покриття. Дослідження твердості та модуля пружності, у зв’язці з встановленим фазово-структурним станом, дозволяє спрогнозувати показники міцності. Наявність текстурованості дозволяє оцінити рівень її впливу на властивості. Встановлення рівня внутрішніх напружень разом з періодом модуляції покриття дає можливість оцінити рівень тріщиностійкості покриття та його адгезійну міцність, схильність до схоплювання (разом з оцінкою коефіцієнта тертя). Третій розділ присвячений дослідженню впливу технологічних параметрів при формуванні покриттів на фазово-структурний стан та механічні властивості покриттів на основі металевого хрому. За виконанням даного розділу отримані наступні результати: - дослідження морфології показали майже повну відсутність крапельної фази як на поверхні, так і в середині покриття; - рентгеноструктурним аналізом встановлено, що збільшення тиску азотної атмосфери від 2·10⁻⁵ Торр до 4,8·10⁻³ Торр призводить до зміни фазового складу Cr → β-Сr₂N → Cr + β-Сr₂N → CrN; - розрахунок субструктурних характеристик показав, що розмір ОКР знаходиться у нанодіапазоні (6…10 нм), а додаткова імпульсна стимуляція (-1200 В) призводить до збільшення розмірів ОКР на 4…24 %; - найбільше значення твердості для CrN покриттів складає 32 ГПа при PN₂ = 7,5·10⁻⁴ Торр та формуванні β-Сr₂N з переважною орієнтацією росту кристалітів [100] β-Сr₂N. Дана структура дозволяє знизити коефіцієнт тертя до 0,32 в системі "нітрид хрому - сталь" і до 0,12 в системі "нітрид хрому - алмаз". Четвертий розділ містить результати експериментальних досліджень багатошарових вакуумно-плазмових конденсатів нітридів перехідних металів. Створення наноструктурованих багатошарових конструкцій дозволяє отримати підвищені механічні властивості, такі як висока твердість, зносостійкість та корозійна стійкість. В даному розділі розглянуто три найбільш перспективні системи покриттів CrN/ZrN, CrN/MoN та CrN/Cu, з різною теплотою утворення нітридів та практичним застосуванням. Результати дослідження дозволили отримати наступні дані: - показано, що багатошарові покриття мають високу планарність шарів та незначну кількість крапельної складової в середині шарів; - рентгеноструктурним аналізом для багатошарового покриття CrN/ZrN показано формування двофазного стану, який з підвищенням потенціалу зсуву від -70 В до -150 В призводить до появи та збільшення β-Сr₂N фази; - встановлено, що при товщині шарів менше 50 нм подача Ub = -150 В призводить до зростання мікродеформації в шарах CrN при бомбардуванні їх іонами Zr з великим атомним радіусом та вагою, а в шарах ZrN спостерігається релаксація деформації; - показано, що високі значення твердості 41 ГПа в системі CrN/ZrN досягаються при товщині окремих шарів 50 нм, 𝑃𝑁₂= 1,2·10⁻³ Торр, Ub = -150 В; - для багатошарових покриттів CrN/MoN показано формування двофазного стану на основі ГЦК кристалічної решітки структурного типу NaCl; - встановлено, що збільшення потенціалу зсуву призводить до зменшення текстурованості, рівня мікродеформації і, як наслідок, зменшення мікротвердості від 38 ГПа до 25 ГПа; - встановлено, що коефіцієнт тертя багатошарових покриттів CrN/MoN становить 0,42…0,48 при навантаженнях близько 190 Н; - отримані дані корозійної стійкості показали, що нанесення багатошарового покриття CrN/Cu (з нанотовщинними шарами ≈ 8 нм при 𝑃𝑁₂= 5·10⁻⁴ Торр, Ub = -200 В) товщиною близько 10 мкм здатне захищати поверхню деталі в середовищі утворення хлорид-іонів протягом року. П’ятий розділ присвячений дослідженню багатоелементних вакуумно-плазмових одно- та багатошарових конденсатів нітридів перехідних металів. Одношарові багатоелементні покриття складаються з елементів, що мають найменшу (FeCoNiCuAlCrV) та найбільшу (TiCrZrAlNbV, TiCrAlNbSi) ентальпії утворення нітридів. Порівняно з традиційними матеріалами багатоелементні покриття володіють значно вищими функціональними властивостями: висока температурна стійкість, міцність, висока пластичність і в’язкість руйнування. Дослідження даного розділу дозволили одержати наступні результати: - показано, що для системи (FeCoNiCuAlCrV)N твердість 38 ГПа досягається при відносно низькому потенціалі зсуву -40 В; - встановлено, що високі показники твердості забезпечуються при Ub = -110 В: для системи (TiCrZrAlNbV)N твердість складає 44 ГПа, а для (TiCrAlNbSi)N – 38,5 ГПа; - результати дослідження морфології показали, що для багатошарових багатоелементних покриттів TiAlSiN/CrN, TiSi/TiAlCrYN, TiAl/TiAlCrYN спостерігається значна кількість крапельної фази.