WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: XLVII Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (г. Нижний Новгород, 2008), Международных конференциях "Физика прочности и пластичности материалов" (г. Самара, 2006, 2009), Российской школе-конференции молодых ученых и преподавателей «Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения» (г. Белгород, 2006), Всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 2005, 2006, 2007, 2008), Международной школе-конференции молодых ученых “Физика и химия наноматериалов” (г. Томск, 2005), Международной школе-семинаре "Многоуровневые подходы в физической мезомеханике (г. Томск, 2008), Международной научной конференции. Наноструктурные материалы – 2008: Беларусь – Россия – Украина "НАНО – 2008" (г. Минск, 2008), Международной конференции "Материаловедение тугоплавких соединения: достижения и проблемы" (г. Киев, 2008), IV Международном семинаре "Наноструктурные материалы – 2007 Беларусь - Россия" (г. Новосибирск, 2007), 9th International conference on modification of materials with particle beams and plasma flows (Tomsk, 2008), III Международной школе "Физическое материаловедение" наноматериалы технического и медицинского назначения (гг. Самара, Тольятти, Ульяновск, Казань, 2007), Международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий "Rusnanotech’08" (г. Москва, 2008), III Всероссийской конференции по наноматериалам "НАНО 2009" (г. Екатеринбург, 2009).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 26 работах.

Перечень важнейших из них приведен в конце автореферата.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов и заключения; содержит 165 страниц, в том числе 55 рисунков, 6 таблиц и список цитируемой литературы из 187 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дана краткая характеристика современного состояния проблемы, сформулированы цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, представлена структура диссертации.

В первом разделе " Методы, закономерности формирования и особенности микроструктуры нанокомпозитных сверхтвердых покрытий" представлен краткий обзор наиболее важных для постановки и решения задач диссертационной работы особенностей ионно-плазменных методов нанесения покрытий, микроструктуры, свойств и условий синтеза однофазных покрытий на основе TiN, микроструктуры и закономерностей формирования нанокомпозитных сверхтвердых покрытий типа n-MeN/а–фаза, n-MeN/металл и слоистых наноструктурных покрытий.

Второй раздел посвящен постановке сформулированных выше задач диссертационной работы, обоснованию выбора материалов исследования, методов их получения и описанию методики экспериментальных исследований.

В соответствии с представленными выше задачами в настоящей работе получены покрытия на основе нитрида титана (TiN) различного состава методами ионноплазменного синтеза, т.е. магнетронного распыления в сочетании с облучением низкоэнергетическими ионами газоразрядной азотной плазмы с использованием плазмогенератора ПИНК (плазменный источник с накаливаемым катодом), либо методом традиционного вакуумно-дугового испарения мишеней различного состава c использованием ПИНКа и без него. Условия получения покрытий различного состава приведены ниже.

Покрытия TiN толщиной около 3 мкм, были получены традиционным методом вакуумно-дугового синтеза при температуре подложки T 550 °С путем распыления Ti в атмосфере молекулярного азота при парциальном давлении 10–4 Торр и при температуре подложки T 400 °С в условиях одновременного облучения низкоэнергетическими (E 100 эВ) ионами азота на модифицированной технологической установке типа ННВ 6.6 Института сильноточной электроники СО РАН. Процесс напыления покрытий проводился в едином технологическом цикле с ионной очисткой поверхности подложки плазмой аргона, генерируемой плазменным источником "ПИНК" при подаче на подложку отрицательного смещения 1000 В.

На той же установке были проведены эксперименты по формированию покрытий TiN/Cu и AlN/Cu путем распыления мишеней титана и меди (TiN/Cu) или меди и алюминия (AlN/Cu), совмещенного с облучением низкоэнергетическими ионами азота (Ei 300 эВ) с давлением Р = 0,1 Па при Тs = 450-500 °С в едином технологическом цикле с ионной очисткой поверхности подложки плазмой аргона. После ионной очистки проводилась активация поверхности подложки ионами азота энергией 300 эВ в течение 10 мин. Соотношение токов Ti, Al и Cu выбиралась таким, чтобы содержание меди в покрытиях было около 4 ат. %.

Покрытия 1, 2 системы Ti-B-Si-O-C-N, определенного методом Ожеспектроскопии электронов состава (таблица 1) получали с использованием промышленного магнетрона типа МИР-2 и плазменного источника типа ПИНК, организации "Технотрон", при различных температурах (Тs = 200 °С и 400 °С) при одновременной работе двух мишеней и плазменного генератора. В качестве катодов использовали титан марки ВТ 1-0 и композиционный катод, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) состава Ti – 33,6 %, B – 30,15 %, Si – 26,25 %, O – 4,8 %, C – 5,2 %, ат %. Распыление катодов осуществляли в смеси газов Ar + N2 при общем давлении Ро 0,12 Па и парциальном давлении азота PN 0,03 Па. Таблица 1 – Элементный состав покрытий.

Покрытия (3, 4) системы Ti-Al№№ Состав покрытий, ат. % Si-O-C-N состава (таблица 1) полупокрытий Ti Si B Al O C N чены вакуумно-дуговым испарени1 46,0 0,4 0,6 - 7,3 3,0 43,ем на установке ННВ 6.0, органи2 39,2 5,0 6,7 - 5,6 4,7 38,зации "Технотрон", при одновре3 36,3 3,6 - 4,3 4,4 3,2 48,менной работе плазмогенератора 4 47,0 0,2 - 0,8 5,0 3,0 43,ПИНК и трех электродуговых испарителей, два из которых были изготовлены из титана ВТ1-0, третий – из спеченного методом горячего прессования сплава Al-Si с соотношением компонент Al/Si = 7/3. Синтез покрытий проводили при температуре 400-450 °С и отрицательном потенциале смещения на подложке 200 В. Содержание алюминия и кремния в покрытиях варьировалось изменением угла наклона поверхности образца относительно плазменного потока испарителя из сплава Al/Si.

Представленные покрытия наносились на подложки, изготовленные из нержавеющих сталей (316L - 02Х17Н14М2, 304 - 12Х18Н10Т), твердых сплавов (Т15К6, ВК-6-ОМ) и чистого молибдена марки МЧ. Измерения твердости покрытий были проведены методом Викерса с помощью специальной приставки к оптическому микроскопу Neophot 21 и на приборе Nano Test - 100 фирмы Micromaterials. В качестве основного метода структурных исследований использовали метод просвечивающей электронной микроскопии. Особенности высокодефектных структурных состояний изучали с использованием специально разработанного для этих целей электронномикроскопического метода анализа высоких непрерывных разориентировок.

Третий раздел "Фазово-структурное состояние и особенности микроструктуры нанокристаллических покрытий TiN, TiN/Cu, AlN/Cu" посвящен электронномикроскопическому исследованию полученных в аналогичных условиях однофазных покрытий TiN, n-TiN/Cu и AlN/Cu.

В разделе 3.1 показано (рис. 1), что характерной особенностью микроструктуры прилегающего к подложке тонкого (h < 150 нм) слоя покрытия TiN является нанокристаллическое состояние с размером зерна d < 20 – 25 нм. Вместе с тем, в отдельных областях обнаруживаются участки эпитаксиального зарождения покрытия на подложке. Полученные результаты свидетельствуют как о случайном, так и эпитаксиальном зарождении нанокристаллов покрытия TiN с параметром решетки, а = 0,425 ± 0,001 нм.

Существенное изменение микроструктуры наблюдается с увеличением толщины покрытия. Электронномикроскопическое исследование покрытий показало, что на расстоянии 04 мкм (2 - 3) мкм от поверхности сопряжения с Рис. 1. Темнопольное изобраподложкой формируется субмикрокристалжение и картина дифракции лическая (СМК) структура, особенностью структуры покрытия TiN.

которой является наличие многочисленных контуров экстинкции (рис. 2). Проведенный анализ показал, что наличие таких контуров свидетельствует о формировании в покрытиях субструктуры с высокими непрерывными разориентировками или высокой кривизной кристаллической решетки [3].

По специальной разработанной в коллективе СФТИ [3] методике измерения кривизны кристаллографических плоскостей высокодефектной субструктуры, позволяющей исключить влияние коробления фольги, были найдены компоненты тензора изгибакручения ij. Оказалось, что кривизна нормальных плоскости фольги кристаллографических плоскостей составляет 31 (25 35) град/мкм.

Избыточную плотность дислокаций одного знака, геометрически необходимых для формирования такой кривизны, можно оценить по формуле ± = +-- ij/b, где b - вектор Рис. 2 Микроструктура TiN Бюргерса дислокаций. Показано, что значения на расстоянии 3 мкм от по± чрезвычайно велики и составляют ±(31) верхности подложки (23)1011 см-2.

Указанные высокодефектные структурные состояния являются источниками высоких внутренних напряжений, локализованных в объеме и на границах субмикрозерен нитридных покрытий Подробнее результаты анализа кривизны-кручения решетки даны ниже на примере покрытий TiN/Cu, AlN/Cu..

Напыление покрытий TiN в комбинации с облучением ионами азота приводит к существенному изменению их тонкой структуры. В слое на расстоянии (2 - 3) мкм наблюдается высокая однородность электронномикроскопического дифракционного контраста внутри субмикрозерен (отсутствие узких контуров экстинкции). Это свидетельствует об отсутствии субструктуры с высокой кривизной кристаллической решетки и о значительном снижении локальных внутренних напряжений.

Облучение растущего покрытия низкоэнергетическими ионами обуславливает значительное изменение его механических свойств. Во-первых, такое облучение позволяет значительно (не менее чем на 200 °C) снизить температуру подложки при сохранении хорошей адгезии, во-вторых, в этих покрытиях удается вдвое повысить пластичность и в 4 раза повысить износостойкость.

В разделе 3.2 рассмотрена тонкая дефектб ная субструктура и упруго-напряженное состояние покрытий n-TiN/Cu и n-AlN/Cu с использованием той же методики электронномикроскопического изучения контраста и темнопольного анализа.

Выполненный на основе расчетов картин дифракции анализ ориентационных соотношений подложки и покрытия n-TiN/Cu свидетельствует о наличии эпитаксиального заро- 0.4 мкм ждения покрытия с размером фрагментов d < Рис. 3 Дифракционная картина и 25 нм на нержавеющей стали (рис. 3).

темнопольные изображения Значительное изменение микроструктуры структуры покрытия TiN/Cu в обнаблюдается с увеличением толщины покрыласти сопряжения с подложкой.

тия. Преимущественная ориентация зерен, связанная с подложкой исчезает и развивается текстура роста (рис. 4). Как показал анализ интенсивности картины микродифракции, преимущественной текстурой роста оказывается <111>.

Как и для покрытий TiN характерной особенностью электронномикроскопического контраста является наличие многочисленных узких изогнутых контуров экстинкции (рис.

4), которые непрерывно перемещаются при наклоне фольги в колонне микроскопа.

Тщательное электронномикроскопическое исследование характера движения экстинкционных контуров в темнопольном режиме свидетельствуют о наличии сложной двухуровне0.4 мкм вой структуры покрытий. Зерна TiN субмикРис. 4 Светлопольное изображеронного размера фрагментированные малоугние и микродифракционная карловыми границами на наноразмерные (10тина покрытия TiN/Cu с тексту15) нм области указаны на рис. 5. Это обнарурой роста (111).

живается на темнопольном изображении по крапчатому контрасту (рис. 5) - контуры экстинкции состоят из отдельных областей, закономерно загорающихся и гаснущих при наклоне образцов. При этом в отдельных сечениях обнаруживается изменение ориентации аналогичное наблюдаемому при полигонизации изогнутых кристаллов. Схематически картина изгиба субмикрокристаллов и их фрагментов в одном из таких сечений показана на рис. 6.

В работе [3], показано, что указанная особенность является результатом формирования специфических разориентированных дефектных субструктур с высо0.5 мкм кими локальными разориентровками. Схематически такие структурные состояния для разных способов (и Рис. 5 Темнопольное интенсивности) пластической релаксации упругой изображения структуэнергии изогнутой решетки показаны на рис. 7. На нары нанокомпозитного чальных этапах формирования субструктуры происхопокрытия TiN/Cu.

дит накопление избыточной плотности дислокаций одного знака ±. Их хаотическому распределению (рис. 7) соответствует структурное состояние с высокими непрерывными разориентировками или высокой упругопластической кривизной кристаллической решетки. Для его аттестации принято использовать тензор кривизны, компоненты которого (ij = Рис. 6 Схема двухуровневой разориентированной i/хj) отражают (рис. 7) изменение ориентации зёренной (субзёренной) кристалла путем поворотов вокруг базовых структуры.

векторов системы координат хi в направлениях xj.

Это дало основание предполагать, что при достижении некоторых значений ij (или ±) дислокации могут перестраиваться в более низкоэнергетические конфигурации – дис а локационные стенки (рис. 7 б) или сетки и приводить к релаксации непрерывных разориентировок в дискретные.

Если указанная выше релаксация осуществляется лишь частично, могут формироваться структурные состояния с высокими локальными градиентами ориентации, которые складываются из б высоких непрерывных плюс дис кретных разориентировок. В этом случае в качестве количественных параметров таких разориентировок и степени дефектности указанных состояний могут служить усредненные на некоторых ~ Рис. 7 Схема структурных сохарактерных масштабах r величины, опредеij стояний с высокими локальляемые по тем же правилам (рис. 7), что и компо~ ными градиентами ориентаненты тензора кривизны = i/хj.

ij ции кристаллической решетки Введение этих параметров позволяет воспольпри формировании субструкзоваться для количественной аттестации релакситур с высокими непрерывнырованной дефектной субструктуры. В соответст~ ми (а) и непрерывными плюс вии с [3] компоненты 12 и 13, или их аналоги дискретными (б) разориенти- ~ и определяются по формулам:

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.