WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

МОШКОВ Владимир Юрьевич ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ, ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА СВЕРХТВЕРДЫХ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ 01.04.07 – физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск – 2009 2

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук "Институт физики прочности и материаловедения" Сибирского отделения РАН и в Сибирском физико-техническом институте ГОУ ВПО "Томский государственный университет"

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Коротаев Александр Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Старенченко Владимир Александрович доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Иванов Юрий Федорович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ядерной физики ("НИИ ЯФ") ГОУ ВПО "Томский политехнический университет"

Защита состоится 30 октября 2009 г. в 16:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.267.07 при ГОУ ВПО "Томский государственный университет" по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ГОУ ВПО "Томский государственный университет" по адресу: г. Томск, пр. Ленина 34а.

Автореферат разослан 29 сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор И.В. Ивонин 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Идеи создания высокопрочных нанокристаллических материалов, основанные на представлениях [1] о подавлении процессов роста зародышевых трещин, генерации и распространения дислокаций при уменьшении размеров кристаллитов до значений d 10 -15 нм в настоящее время нашли эффективное использование при разработке новых методов целенаправленного синтеза покрытий, обеспечение термической стабильности их структуры и уникальных физико-механических свойств. Фактически создание и фундаментальные исследования нанокристаллических пленок и покрытий в настоящее время являются одним из перспективных направлений решения актуальной проблемы развития нанотехнологий и получения новых наноструктурных материалов [2]. Это связано, во-первых, с возможностью реализации в покрытиях структурно-фазовых состояний и элементного состава, недоступных традиционным методом получения материалов. Во-вторых, в таких пленках и покрытиях могут быть получены зерна размером до (3-5) нм, что практически недостижимо при получении наноструктурных материалов методами порошковой металлургии без их остаточной пористости.

В-третьих, создание наноструктурных материалов методами глубокой деформации не позволяют получать состояния с размером зерен менее 10 нм.

Кроме того, эти состояния характеризуются высокодефектной структурой зерен и их границ. Наконец, широкое использование защитных покрытий конструкционных материалов, в качестве активных и пассивных элементов электронных и оптических приборах, адгезионных соединений и т.д. определяют необходимость фундаментальных исследований закономерностей и механизмов формирования структуры и свойств в зависимости от условий их получения.

Исходя из вышеизложенного, целью диссертационной работы является исследование закономерностей формирования, фазово-структурного состояния, особенностей структуры и свойств, в том числе их термической стабильности, сверхтвердых нанокомпозитных многоэлементных покрытий на основе TiN.

Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи.

1. Поскольку в качестве основных объектов исследования выбраны многоэлементные покрытия на основе нитрида титана, поставлена задача с применением единого комплекса различных методов исследования выполнить полную структурную аттестацию полученных в аналогичных условиях исходного TiN и легированных различными элементами (Si, Al, B, Cu, C, O) покрытий на его основе с целью выяснения влияния легирования на закономерности их формирования, характерные особенности микроструктуры, ее термической стабильности и возможности достижения сверхтвердости. Такое легирование, с нашей точки зрения, должно приводить к образованию, помимо нанокристаллической фазы на основе TiN, аморфных либо аморфно-кристаллических фаз типа боридов, карбидов, окислов и более сложных соединений с высокой твердостью и высокой когезивной прочностью с нанокристаллитами основной фазы.

При этом следует ожидать формирование новых структурных типов покрытий или особенностей их микроструктуры, необходимых для разработки отличных от общепринятой концепции выбора композиций и условий синтеза новой генерации покрытий с особыми свойствами, в частности, сверхтвердостью.

2. В качестве методов получения покрытий в настоящей работе используются магнетронное и вакуумно-дуговые способы их нанесения в сочетании с облучением низкоэнергетическими ионами азота от независимого источника (плазмогенератора газовых ионов типа "ПИНК") и, следовательно, связано с формированием в покрытиях радиационных дефектов и субструктуры роста. Поэтому одной из важнейших задач диссертации является количественное изучение субструктуры покрытий с использованием разработанной в коллективе СФТИ методики электронномикроскопического анализа кривизны-кручения кристаллической решетки с параллельными измерениями размера зерна, а также рентгенографическим измерением областей когерентного рассеяния и деформации решетки.

3. В процессе выполнения работы было обнаружено, что в зависимости от состава и условий нанесения покрытий систем Ti-Si-B-O-C-N и Ti-Al-Si-O-C-N изменяется механизм их роста от столбчатого к непрерывному динамическому зарождению зерен на поверхности растущего покрытия с формированием нанокомпозитных состояний с равноосным зерном. В этой связи, поставлена задача изучения условий изменения микроструктуры указанных покрытий близкого состава. Помимо исследования особенностей микроструктуры и упруго-напряженного состояния предполагалось получить данные, необходимые для развития методов целенаправленного управления структурой покрытий и возможности достижения сверхтвердости с различным типом их микроструктуры.

4. Анализ упруго-напряженного состояния покрытий в настоящей работе проводится электронномикроскопическим методом измерения кривизны-кручения кристаллической решетки, ранее эффективно использованном при изучении высокопрочных металлических сплавов после глубокой пластической деформации.

В настоящей работе поставлена задача изучения неоднородности кривизныкручения решетки по объему зерен нанокристаллической фазы, наличия границ с переменным вектором разориентации в покрытиях со столбчатым механизмом роста и термической стабильности этих состояний.

5. Непосредственно использовать методику анализа кривизны кручения кривизны-кручения кристаллической решетки по смещению контуров экстинкции для исследования упруго-напряженного состояния наночастиц невозможно, т.к. размер последних меньше ширины контура. В настоящей работе поставлена задача модификации указанной методики и исследования упруго-напряженного состояния нанокомпозитных покрытий с практически равноосными нанокристаллитами нитрида титана размером менее 20 нм, распределенных в рентгеноаморфной матрице многокомпонентных покрытий.

6. Одной из задач исследований является параллельное изучение термической стабильности микроструктуры, упруго-напряженного состояния и сверхтвердости нанокомпозитных покрытий систем Ti-Si-B-O-C-N, Ti-Al-Si-O-C-N.

Вся совокупность поставленных задач исследований позволяет получить их достаточно полную структурную аттестацию.

7. В исследованных к настоящему времени нанокомпозитных покрытиях типа nMe/а-фаза происходит деградация сверхтвердости до стандартных значений твердости соответствующей нитридной фазы. Одной из задач настоящей работы является экспериментальное обоснование возможности достижения сверхтвердости и ее высокой термической стабильности в многокомпонентных наноструктурных покрытиях при содержании в них кислорода до (4 5) ат. %.

Научная новизна 1. При различных условиях синтеза экспериментально обнаружены два типа характерных микроструктур гетерофазных сверхтвердых покрытий на основе TiN, а именно, двухуровневая зеренная структура с размером зерна (100 300) нм, фрагментированных на нанозерна размером (10 20) нм с текстурой и высокими локальными напряжениями и безтекстурное состояние с наноразмерным зерном менее 20 нм. Представлена структурная модель развития фрагментации в локальных областях с высокой кривизной кристаллической решетки и найдены условия целенаправленного управления структурой многоэлементных покрытий на основе TiN при изменении температуры синтеза и степени легирования кремнием, алюминием и бором.

2. Показано, что независимо от типа микроструктуры и наличия кислорода до ( 5) ат. % в многокомпонентных покрытиях на основе нитрида титана достигается сверхтвердость и ее высокая (до 1000 °С) термическая стабильность, свидетельствующие о перспективности разработки сверхтвердых с использованием многокомпонентных покрытий.

3. Впервые обнаружена высокая кривизна-кручение кристаллической решетки и внутренние упругие напряжения в нанокристаллической фазе нанокомпозитных сверхтвердых покрытий. Показано, что значение кривизны решетки в нанокристаллической фазе исследованных нанокомпозитных покрытий на порядок выше, нежели в покрытиях с двухуровневой зеренной структурой.

4. Показано, что внутренние напряжения в нанокристаллитах нанокомпозитных покрытий упругие, получены экспериментальные данные об их высокой (до Т = 1000 °С) термической стабильности, тогда как в покрытиях с двухуровневой структурой внутренние напряжения являются упруго-пластическими. Предложна модель дипольной конфигурации кривизны кристаллической решетки в нанокристаллитах.

Научная и практическая значимость 1. Предложенная в работе методика исследования упруго-напряженного состояния нанокристаллических частиц может эффективно использоваться при анализе особенностей дефектной субструктуры наноструктурных материалов. Это имеет важное при выяснении физической природы высокой прочности таких материалов и развития технологий их создания, а также при постановке задач выяснения природы сверхтвердости в покрытиях с различным типом микроструктуры.

2. Разработанные в диссертации новые структурные модели развития фрагментации в локальных областях с высокой кривизной кристаллической решетки и модель дипольной конфигурации кривизны кристаллической решетки в нанокристаллитах, помимо самостоятельной научной значимости, представляют интерес для анализа особенностей механизмов формирования структурных состояний сверхтвердых нанокристаллических покрытий на основе TiN.

3. Представляет существенный практический интерес при разработке новых, использовании традиционных и модернизации существующих технологических методов получения сверхтвердых, термически стабильных нанокомпозитных покрытий экспериментально обоснованная на примере покрытий Ti-Si-B-O-C-N, Ti-Al-SiO-C-N возможность достижения сверхтвердости при наличии в покрытиях высокого содержания примеси кислорода.

Достоверность полученных результатов обеспечивается физической корректностью постановки и решения задач диссертации, использованием современных экспериментальных методов исследования и теоретических представлений физики твердого тела, соответствием экспериментальных результатов с данными других авторов.

Вклад автора состоит в проведении экспериментов, обработке полученных результатов, совместных с научным руководителем постановке задач диссертации, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.

Положения, выносимые на защиту:

1. При эпитаксиальном зарождении в условиях низкой диффузионной подвижности адатомов и невысокого легирования в покрытиях на основе TiN реализуется механизм столбчатого роста с формированием микроструктуры с высокой кривизной-кручением (до 40 50 град/мкм) кристаллической решетки и высокими локальными внутренними напряжениями до Е/50, эквивалентными наличию дислокационных зарядов с плотностью избыточных дислокационных зарядов одного знака до 51011 см-2 и последующей релаксацией в двухуровневую структуру с размером зерна 100 300 нм, фрагментированную малоугловыми границами на области размером менее 20 нм.

2. Целенаправленным легированием до (4 5) ат. % покрытий TiN алюминием, кремнием, бором, углеродом и кислородом формируется нанокомпозитная структура с размером зерна кристаллической фазы на основе TiN менее 15 20 нм распределенной в рентгеноаморфной матрице, объемная доля которой достигает (50) %. Независимо от типа микроструктуры и наличия кислорода не менее (5) ат. % в многоэлементных покрытиях может достигаться сверхтвердость с высокой до 1000 °С термической стабильностью.

3. В нанокристаллической фазе во всем изученном интервале размеров (до 20 нм) наночастиц наблюдается широкий спектр (до 300 град/мкм) кривизны кручения кристаллической решетки и термически стабильных упругих напряжений, на порядок превышающих наблюдаемые в покрытиях с двухуровневой структурой.

Основной причиной такого различия является масштабный фактор.

4. Основанные на данных экспериментального исследования структурные модели дипольной конфигурации кривизны кристаллической решетки в нанокристаллах нанокомпозитной и развития фрагментации решетки в областях дислокационных зарядов двухуровневой структуры многоэлементных покрытий на основе TiN.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.