Исследование модификации элементного состава и структурно-фазовые превращения в процессе отжига нанокристаллических градиентных покрытий системы Ti-Al-Si-Cu-N
Реферат 2
ВВЕДЕНИЕ 2
1 Исследование термической стабильности наноструктурированных
покрытий различных систем элементов (литературный обзор) 4
1.1 Цели и задачи исследования термической стабильности 4
1.2 Методы исследования модификации структуры и свойств в процессе
отжигов 4
1.3 Результаты изучения модификации структуры и свойств покрытий в
процессе отжигов 9
2 Постановка задачи, материалы и методика эксперимента 22
2.1 Постановка задачи 22
2.2 Методика эксперимента 24
2.2.1 Условия осаждения покрытий 24
2.2.2 Методы исследования 26
3 Экспериментальные результаты 30
3.1 Структура покрытия после осаждения 30
3.2 Модификация состава и структуры после отжига 900 °C 33
3.2.1 Исследование элементного состава 33
3.2.2 Изменение фазового состава и периода решетки фаз 35
3.2.3 Изменение изгиба - кручения кристаллической решётки 37
3.3 Отжиг 1100 °C 39
3.3.1 Исследование элементного состава 39
3.3.2 Фазовый состав 43
3.3.3 Модификация структуры 46
ВЫВОДЫ 49
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 50
Исследованиями последних 10 - 15 лет показано, что наиболее перспективными направлениями разработки новейших технологий повышения эксплуатационных свойств поверхности материалов и изделий различного назначения является использование идей и достижений нанотехнологий - наноструктуризация поверхностного слоя, разработка нанокомпозитных пленок и покрытий, методов повышения термической стабильности наносостояний и т.д.
В настоящее время все больший интерес привлекает исследование закономерностей развития микроструктуры многофункциональных адаптивных покрытий. При осаждении тонких пленок при конденсации паров плазмы микроструктура материала покрытий может быть сконструирована в процессе роста. В этой связи очень важно понимание процессов зарождения и роста кристаллов на поверхности покрытия, определяющих условий формирования одно или гетеро фазного состояния. В зависимости от выбранных условий осаждения (давления реактивного и рабочего газа в камере, температура и электрический потенциал смещения на подложке, плотность ионного потока) могут быть получены различные структурно-фазовые состояния в покрытиях. Как правило, отмеченные состояния являются высоко неравновесными, что определяет механизмы и закономерности их эволюции и соответствующего изменения свойств покрытий в процессе внешних воздействий.
С другой стороны, подобные изменения могут быть исследованы в лабораторных условиях в модельных экспериментах, например, при термических отжигах структуры материала покрытия после осаждения. При нагреве таких покрытий со временем старения наблюдается изменение характеристик в результате релаксации упругих напряжений неконтролируемого роста зерен, зерен, фазовых превращений. Поскольку нанокомпозитные покрытия разрабатываются в основном для эксплуатации при экстремальных условиях воздействия - высоких температур, 2
интенсивного износа, агрессивных сред, то становится актуальной задача исследования кинетики и термодинамики их неравновесного состояния, фазообразования и других функциональных свойств.
В этом случае следует ожидать формирование ряда метастабильных и, в конечном счёте, равновесного состояния в системе покрытие - подложка. Кроме того, такие эксперименты могут быть важным звеном в решении задачи выяснения взаимосвязи отдельных микроструктурных характеристик, таких как размер зерна, плотность дефектов (и, следовательно, остаточных напряжений) с механическими, трибологическими и другими свойствами покрытий в одно - или многофазных состояниях.
В этой связи в данной работе представлены на основе данных периодической печати отдельные, конечно не претендующие на полноту, результаты исследований процессов зарождения кристаллов, формирования их дефектной микроструктуры в процессе роста покрытия и её модификации в процессе термических обработок. В оригинальной части работы приводятся результаты исследования изменения элементного, фазового состава и структуры, градиентных по составу и однородных по структуре нанокомпозитных покрытий системы Ti - Al - Si - Cu - N.
1. Установлено, что при температурах отжига 900 °С изменение элементного состава связано с насыщением покрытия кислородом из атмосферы вакуумной печи, незначительным (2-3 ат.%) уменьшением концентраций Al и Si по всей толщине покрытия, уменьшением величины и сглаживанием градиента концентрации меди и началом диффузии элементов подложки (W и Co) в покрытие.
2. Показано, что в процессе отжига 1100 °С происходит расслоение по толщине покрытия величин концентраций образующих его элементов (Al, Ti) при относительном обогащении его поверхностных слоев элементом подложки - Co. Качественно аналогичная картина относительно расслоения состава наблюдается и в наиболее измененном по составу поверхностном слое толщиной ~ 200 - 250 нм.
3. Определено, что при отжиги 900 °С фазовый состав покрытия меняется только за счет выделения наноразмерных частиц.
4. Выявлено, что в результате отжига 1100 °С наиболее интенсивно фазовые превращения развиваются в поверхностном слое толщенной до 250 нм с выделением в нем наноразмерных частиц преимущественно оксидов Al и Co, ГПУ нитрида AlN, а также, вероятно, Al и а - Co.
5. Установлено, что в процессе отжига 900 °С наблюдается процессы возврата структуры выраженные в практически двукратном росте размеров кристаллов, увеличении параметра решетки легированного нитрида и выравнивание его значений по толщине покрытия.
6. Найдено, что в результате отжига 1100 °С формируется нанокомпозитная структура с размерами кристаллов до 50 нм при кратном уменьшении в сравнении с состоянием после осаждения величин изгиба- кручения кристаллической решётки в кристаллах нитридной фазы на основе нитрида титана.
