Разработка спеченных Ti-Cu, Ti-Si катодов для ионно-плазменного нанесения наноструктурных нитридных покрытий

• Автор: Гурских, Алексей Валерьевич
• Шифр специальности: 05.16.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 150 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 .Основы физики спекания двухкомпонентных систем
1.2. Наноструктурные композиционные покрытия (свойства и методы
получения)
1.2.1. Твёрдые износостойкие покрытия - основные направления разви- 23 тия
1.2.2. Современные методы получения твёрдых износостойких покры- 26 тий
1.2.3. Влияние различных элементов на свойства покрытий
1.2.4. Методы генерирования многокомпонентной плазмы
1.3. Постановка задачи
2. МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
2.1. Использованные материалы
2.2. Изготовление композиционных катодов
2.3. Оборудование и методы нанесения покрытий
2.4. Приборы и методы исследования спеченных материалов и покрытий
3. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА СПЕЧЕННЫХ 51 МАТЕРИАЛОВ ТИТАН
3.1. Объемные изменения и формирование структуры при спекании по- 54 рошковых композиций медь - мелкий титан
3.2. Объемные изменения и формирование структуры 61 при спекании порошковых композиций медь - крупный титан.
3.3. Заключение по разделу
4. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА СПЕЧЕННЫХ 71 МАТЕРИАЛОВ ТИТАН-КРЕМНИЙ
4.1. Объемные изменения и структурные превращения при спекании 74 порошковых смесей Т
4.2. Спекание порошковых композиций П + П5 81з и П5 81з +

4.3. Заключение по разделу
5. СОСТАВ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ, ПОЛУ
ЧЕННЫХ ВАКУУМНО-ДУГОВЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ СПЕЧЕННЫХ КАТОДОВ ТИТАН-КРЕМНИЙ, ТИТАН-МЕДЬ
5.1. Эффект обеднения кремнием покрытий, полученных вакуумно- 92 дуговым распылением катодов титан-кремний
5.2. Фазовый состав, структура и свойства вакуумно-дуговых покрытий 104 (Т1,Си)Ы
5.3. Фазовый состав, структура и свойства вакуумно-дуговых покрытий 118 (Ті,8і)М
5.4. Заключение по разделу
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации. В настоящее время существует много методов нанесения ионноплазменных покрытий. Одним из наиболее перспективных методов нанесения покрытий является вакуумно-дуговое напыление. Этот метод за счёт изменения технологических параметров (температура подложки, напряжение смещения, парциальное давление реакционного газа и др.) позволяет управлять составом, структурой и свойствами покрытий.
Пленочные покрытия из нитрида титана (ТИМ), которые широко используются в качестве защитных и износостойких покрытий, в частности, на поверхности металлообрабатывающего инструмента, не обеспечивают соблюдение высоких требований предъявляемых современной техникой. Введение в состав 71N дополнительных элементов позволяет модифицировать его структуру и, как следствие, способствует повышению механических и трибологических свойств покрытий. Кроме того, научно-обоснованное введение в ТлП дополнительных элементов позволяет повысить термическую стабильность, жаростойкость и коррозионную стойкость, что осооенно важно для инструмента, работающего в экстремальных условиях.
Осаждение покрытий сложного элементного состава наталкивается на трудности, связанные с необходимостью получения однородной многокомпонентной плазмы. Для создания многокомпонентной плазмы чаще всего используют одновременное распыление нескольких катодов различного элементного состава (метод совмещенных пучков) или применяют так называемые мозаичные катоды, состоящие из нескольких однокомпонентных частей макроскопических размеров. Эти методы обладают значительными недостатками: усложнение оборудования, сильная пространственная неоднородность элементного состава плазмы, генерируемой из разных источников, различная скорость дуговой эрозии частей мозаичного катода. Для устранения перечисленных недостатков применяют катоды, произведенные с помощью

Коэффициент трения по AI2O3 покрытия (Ti,Cu)N при содержании меди
1,5 ат.% ниже, чем TiN (рис.1.4.). [68]
У покрытий системы ZrN/Cu максимальная твердость 54 ГПа достигается при 1,2 %Си [69,71]. Размер зерна при этом составляет около 35-38 нм с ориентацией (111), столбчатая структура, высокий коэффициент упругого возврата Wc (около 80 %), Н3/Е 2=0,87, Е*=380 ГПа. При повышении содержания меди до 6 % происходит незначительное снижение механических свойств. При дальнейшем увеличении содержания меди (примерно до 20 %) все механические характеристики существенно снижаются.
В покрытиях системы AIN/Cu при содержании меди 8,1 % достигается твёрдость 47 ГПа, размер зерна при этом 9,5 нм, внутренние напряжения -0,2 ГПа, коэффициент упругого возврата 84%, а отношение Н3/Е*2=1,06 [71]. При этом во всем диапазоне твердости покрытий AIN/Cu отношение Н3/Е*2 существенно выше, чем для покрытий ZrN/Cu.
В последнее время особое внимание уделяется изучению покрытий системы Ti-Si-N. Одним из недостатков покрытий TiN является образование столбчатой структуры, которая приводит к снижению механических свойств. Как известно, границы столбчатых зёрен являются местом зарождения трещин, что ведёт к преждевременному разрушению покрытия [72, 73]. Один из способов увеличения твёрдости и прочности покрытий нитрида титана заключается в предотвращении образования столбчатой структуры TiN посредством осаждения аморфных разделительных слоев SiNx [74].
При введении кремния в состав TiN формируется плотная мелкозернистая структура, характеризующаяся более высоким по сравнению с TiN уровнем твёрдости [75-77]. В [78] благодаря формированию на частицах TiN аморфной фазы препятствующей росту зёрен TiN, получены покрытия
(Ti,Si)N с размером кристаллитов менее 20 нм. Было установлено, что с увеличением содержания кремния существенно уменьшается размер кристаллитов нитрида титана, это ведёт к увеличению твёрдости согласно уравнению