Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в ионно-плазменных конденсатах системы TiC-WC

Методом рентгеновской дифрактометрии, включающим рентгентензометрию (“a-sin2 ψ-метод), проанализировано фазово-структурное и напряженно-деформированное состояния ионно-плаз-менных покрытий квазибинарной системы TiC-WC в зависимости от соотношения TiC/WC составляющих и темп...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Физическая инженерия поверхности
Datum:	2013
Hauptverfasser:	Шовкопляс, О. А., Соболь, О. В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russisch
Veröffentlicht:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2013
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100599
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в ионно-плазменных конденсатах системы TiC-WC / О. А. Шовкопляс, О. В. Соболь // Физическая инженерия поверхности. — 2013. — Т. 11, № 4. — С. 431–438. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860002221986414592
author	Шовкопляс, О. А. Соболь, О. В.
author_facet	Шовкопляс, О. А. Соболь, О. В.
citation_txt	Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в ионно-плазменных конденсатах системы TiC-WC / О. А. Шовкопляс, О. В. Соболь // Физическая инженерия поверхности. — 2013. — Т. 11, № 4. — С. 431–438. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Физическая инженерия поверхности
description	Методом рентгеновской дифрактометрии, включающим рентгентензометрию (“a-sin2 ψ-метод), проанализировано фазово-структурное и напряженно-деформированное состояния ионно-плаз-менных покрытий квазибинарной системы TiC-WC в зависимости от соотношения TiC/WC составляющих и температуры осаждения. Выявлено расширение (по сравнению с равновесным) границ области существования кристаллического состояния с кубической решеткой структурного типа NaCl. Установлено, что TiC составляющая с сильной ковалентной связью между металлом и углеродом приводит к повышению величины остаточных напряжений сжатия в покрытии, которые при температуре осаждения 530 К и составе 25 мол.% WC – 75 мол.% TiC достигли – 7.7 ГПа. Определено, что в нанокристаллическом состоянии покрытий коэффициент Пуассона близок к 0.24, а коэффициент термического расширения – 2⋅10−5 К−1 . Методом рентгенівської дифрактометрії, включно із рентгентензометрією (“a-sin2 ψ”-метод), проаналізовано фазово-структурний й напружено-деформований стани йонно-плазмових покриттів квазібінарної системи TiC-WC у залежності від співвідношення TiC/WC складових і температури осадження. Виявлено розширення (в порівнянніз рівноважним) меж області існування кристалічного стану з кубічною решіткою структурного типу NaCl. Визначено, що TiC складова із міцним ковалентним зв’язком між металом та вуглецем приводить до збільшення величини залишкових напружень стиснення в покритті, що при температурі осадження 530 К і складі 25 мол.% WC – 75 мол.% TiC досягли – 7.7 ГПа. Встановлено, що в нанокристалічному стані покриттів коефіцієнт Пуассона складає близько 0.24, а коефіцієнт термічного розширення – 2⋅10−5 К−1 . By X-ray diffraction, including X-raytensometry (“a-sin2 ψ”-method) analyzed phase-structural and stress-strain state of the ion- plasma coatings quasi-binary system TiC-WC depending on the ratio of TiC/WC components and the deposition temperature. Extension installed (compared to the equilibrium) region of existence of the crystalline state with a cubic lattice structure type NaCl. Determined that the TiC component with a strong covalent bond between the metal and the carbon increases the magnitude of the residual compressive stresses in the coating which, when a deposition temperature 530 K and the composition of 25 mol.% WC − 75 mol.% TiC reached − 7.7 GPa. It was determined that the nanocrystalline coatings Poisson’s ratio close to 0.24, and the coefficient of thermal expansion − 2⋅10−5 К−1 .
first_indexed	2025-12-07T16:37:04Z
format	Article
fulltext	431 УДК 539.2 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ КОНДЕНСАТАХ СИСТЕМЫ TiC-WC О. А. Шовкопляс1, О. В. Соболь2 1Сумский государственный университет Украина 2Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт” Украина Поступила в редакцию 24.11.2013 Методом рентгеновской дифрактометрии, включающим рентгентензометрию (“a-sin2ψ-метод), проанализировано фазово-структурное и напряженно-деформированное состояния ионно-плаз- менных покрытий квазибинарной системы TiC-WC в зависимости от соотношения TiC/WC составляющих и температуры осаждения. Выявлено расширение (по сравнению с равновес- ным) границ области существования кристаллического состояния с кубической решеткой струк- турного типа NaCl. Установлено, что TiC составляющая с сильной ковалентной связью между металлом и углеродом приводит к повышению величины остаточных напряжений сжатия в покрытии, которые при температуре осаждения 530 К и составе 25 мол.% WC – 75 мол.% TiC достигли – 7.7 ГПа. Определено, что в нанокристаллическом состоянии покрытий коэффициент Пуассона близок к 0.24, а коэффициент термического расширения – 2⋅10−5 К−1. Ключевые слова: квазибинарная система, магнетронное распыление, покрытие, нанокрис- таллическое состояние, рентгеновская дифрактометрия ЗАКОНОМІРНОСТІ ФОРМУВАННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ В ЙОННО-ПЛАЗМОВИХ КОНДЕНСАТАХ СИСТЕМИ TiC-WC О. А. Шовкопляс, О. В. Соболь Методом рентгенівської дифрактометрії, включно із рентгентензометрією (“a-sin2ψ”-метод), проаналізовано фазово-структурний й напружено-деформований стани йонно-плазмових по- криттів квазібінарної системи TiC-WC у залежності від співвідношення TiC/WC складових і температури осадження. Виявлено розширення (в порівнянні з рівноважним) меж області існу- вання кристалічного стану з кубічною решіткою структурного типу NaCl. Визначено, що TiC складова із міцним ковалентним зв’язком між металом та вуглецем приводить до збільшення величини залишкових напружень стиснення в покритті, що при температурі осадження 530 К і складі 25 мол.% WC – 75 мол.% TiC досягли – 7.7 ГПа. Встановлено, що в нанокристалічному стані покриттів коефіцієнт Пуассона складає близько 0.24, а коефіцієнт термічного розширення – 2⋅10−5 К−1. Ключові слова: квазібінарна система, магнетронне розпилення, покрыття, нанокристалічний стан, рентгенівська дифрактометрія. REGULARITIES FORMATION OF STRESS-STRAIN STATE ION-PLASMA CONDENSATES OF TiС-WC SYSTEM O. A. Shovkoplyas, O. V. Sobol’ By X-ray diffraction, including X-raytensometry (“a-sin2ψ”-method) analyzed phase-structural and stress-strain state of the ion- plasma coatings quasi-binary system TiC-WC depending on the ratio of TiC/WC components and the deposition temperature. Extension installed (compared to the equilibrium) region of existence of the crystalline state with a cubic lattice structure type NaCl. Determined that the TiC component with a strong covalent bond between the metal and the carbon increases the mag- nitude of the residual compressive stresses in the coating which, when a deposition temperature 530 K and the composition of 25 mol.% WC − 75 mol.% TiC reached − 7.7 GPa. It was determined that the nanocrystalline coatings Poisson’s ratio close to 0.24, and the coefficient of thermal expansion − 2⋅10−5 К−1. Keywords: Quasi-binary system; Magnetron sputtering; Coating; Nanocrystalline state; X-ray dif- fractometry.  Шовкопляс О.А., Соболь О.В., 2013 ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 4, vol. 11, No. 4432 ВВЕДЕНИЕ Большой удельный объем границ с наруше- нием кристалличности и деформированным состоянием приграничных областей в нано- структурных материалах определяет структур- ную неравновесность и является основой их уникальных свойств. Формируясь в большинстве случаев нано- структурными [1 − 5], покрытия, полученные ионно-плазменными методами, относятся к системам с сильно неравновесными струк- турными состояниями, для которых фазовые диаграммы существенно отличаются от рав- новесных. Изменения диаграмм состояния обуславливаются, прежде всего, увеличением взаимной растворимости элементов в нано- структурном состоянии, а значит, и сущест- венным расширением границ области твер- дых растворов. При создании необходимых условий происходят процессы перехода такой системы из неравновесного метастабильного состояния в более равновесное. При этом не- обходимо отметить устойчивость в нанокрис- таллическом состоянии структуры с кристал- лической решеткой типа NaCl. Эта устойчи- вость обусловлена возможностью удерживать такую систему упаковки, противодействуя на- пряжениям неравномерного сжатия, вызыва- емого прямыми обменными связями Ме-Ме [6] при образовании “пустых” октаэдров во- круг углеродных вакансий. Предельная кон- центрация углеродных вакансий, которую “выдерживает” упаковка, зависит от соотно- шения прочности связи Ме-С и связи Ме-Ме (Ме – переходной металл, С – углерод). Отметим, что уменьшение статистического веса стабильных d5-электронных конфигура- ций при переходе от металлов VI-й к метал- лам IV-й группы приводит к значительному ослаблению взаимодействия Ме-Ме, что обу- славливает большую стабильность структуры к описанному выше смещению атомов метал- ла при появлении смежных углеродных ва- кансий. Сжатию пустых октаэдров препятст- вуют силы связи Ме-С, стремящиеся удержать соседние атомы металла в своих положениях. Это неизбежно приводит к возникновению упругих напряжений, которые при достиже- нии определенной величины вызывают на- рушение упруго-механической устойчивости решетки. Таким образом, объединение карбидов ме- таллов IV-й (TiC) и VI-й (WC) групп в квази- бинарную систему WC-TiC позволяет полу- чить уникальное сочетание компонент с силь- ными Ме-С (для TiC) и Ме-Ме (для WC) свя- зями, что может быть положено в основу по- лучения материалов с уникальным струк- турным состоянием и высокими функцио- нальными, прежде всего механическими, свойствами. Целью данной работы является анализ влияния состава на фазово-деформационное состояние ионно-плазменных покрытий ква- зибинарной системы TiC-WC. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ Покрытия получались ионным распылением мишени – катода. Для распыления использо- валась планарная магнетронная схема. Мишени для распыления изготовлялись методом горячего прессования при темпера- туре Thp ≈ 1900 К [7]. Мишени для случая квазибинарных систем были двухфазные и содержали фазы TiC с кубической решеткой структурного типа NaCl и WC фазу с простой гексагональной решеткой. В работе исполь- зовались мишени составов 85 мол.% WC – 15 мол.% TiC, 80 мол.% WC – 20 мол.% TiC, 70 мол.%WC – 30 мол.% TiC, 25 мол.% WC – 75 мол.% TiC, 10 мол.% WC – 90 мол.% TiC, а также состоящие только из TiC или WC. Распыление осуществлялось в среде инер- тного газа Ar при давлении 0.2 ÷ 0.3 Па. По- даваемое распыляющее напряжение 320 ÷ 400 В обеспечивало плотность потока осаж- даемых металлических атомов jMe ≈ (2 ÷ 9)⋅1015 см−2⋅с−1. Температура осаждения (Ts) менялась в интервале 350 ÷ 1200 К путем кон- тролируемого нагрева специально сконструи- рованного столика для образцов. Толщина покрытий составляла 1.0 ÷ 1.4 мкм. В качестве подложек использовались алюминиевая фольга, бериллий, пластины из никеля, меди и ситалла, полированный монокристалли- ческий кремний. Рентгендифракционные исследования образцов осуществлялись на дифрактометре ДРОН-3 в излучении Cu-Kα при регистрации рассеяния в дискретном режиме съемки с ша- ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ КОНДЕНСАТАХ ... 433 гом сканирования, изменяющимся в интер- вале ∆(2θ) = 0.01 ÷ 0.05 град. в зависимости от полуширины и интенсивности дифрак- ционных линий. Время экспозиции в точке составляло 20 ÷ 100 с. Объемная доля фаз в пленке рассчитывалась по стандартной мето- дике, учитывающей интегральную интенсив- ность и отражательную способность несколь- ких линий каждой из фаз. Анализ фазового состава покрытий проводился с использова- нием картотеки ASTM. Субструктурные хара- ктеристики определялись методом аппрокси- мации [8]. Определение остаточного макронапря- женно-деформированного состояния в по- крытиях с кубической (структурный тип NaCl) кристаллической решеткой осуществлялось методом рентгеновской тензометрии (“a- sin2ψ”-метод) и его модификацией в слу-чае сильной текстуры аксиального типа [9, 10]. Модифицированный “a-sin2ψ”-метод основан на том, что измерение межплоскостных рас- стояний производится от различных плоскос- тей при определенных, кристалло-графичес- ки заданных углах наклона ψ образца [9, 10]. В качестве базисных для определения упругой макродеформации помимо плоскостей текс- туры использовались отражения от плоскос- тей (420), (422) и (511) под соответствующими к плоскостям текстуры углами ψ [9, 10]. Процентное содержание элементов опре- делялось методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА). В качестве первичного воз- буждающего излучения использовалось излу- чение рентгеновской трубки прострельного типа с Ag анодом при возбуждающем напря- жении 42 кВ. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Результаты рентендифракционных исследо- ваний показали, что для всего интервала сос- тавов при температуре осаждения ниже 1000 К характерно образование нанострук- турного (размер кристаллитов от 3 до 150 нм) однофазного состояния с решеткой кристал- литов структурного типа NaCl. Это опреде- ляется тем, что характерному диапазону энер- гий осаждаемых из ионно-плазменного пото- ка частиц – от единиц до десятков электрон- вольт [2], соответствует высокая эквивалент- ная температура, что приводит к уменьшению локализации d-электронов за счет d-s-воз- буждения [6]. При этом появляется возмож- ность стабилизации октаэдрических валент- ных конфигураций углерода с образованием карбида со структурой типа NaСl, хотя и с до- вольно высокой концентрацией углеродных вакансий. При относительно невысокой температуре осаждения (менее 700 К) характерным для всего исследуемого концентрационного ин- тервала по металлической составляющей для WC-TiC системы, является формирование однофазного твердого раствора (Ti, W)C в на- нокристаллическом структурном состоянии с малым размером кристаллитов (3 −15 нм). При этом происходит формирование похоже- го структурного состояния на всех типах под- ложек, используемых в работе. На рис. 1 при- ведены типичные дифракционные спектры покрытий, осажденных на разные типы под- ложек. С увеличением температуры до 800 К со- храняется как тенденция формирования пре- имущественной ориентации роста в направ- лении падения пучка [111], так и сохранение однофазного состояния (рис. 2). При более высокой температуре осажде- ния (Ts ≥ 700 К) и малом содержании TiC сос- тавляющей (менее 40 мол.%), на гладких шли- фованных подложках из никеля и полирован- ных подложках из ситалла и кремния наблю- дается формирование преимущественно ори- Рис. 1. Участки дифракционных спектров покрытий, по- лученных распылением мишени состава 20 мол.% TiC – 80 мол.% WC. Температура осаждения 550 К; подлож- ки: 1 – полированный монокристаллический кремний, 2 – никель, 3 – медь. О. А. ШОВКОПЛЯС, О. В. СОБОЛЬ ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 4, vol. 11, No. 4 ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 4, vol. 11, No. 4434 ентированных кристаллитов с осью [100], перпендикулярной плоскости роста. При тем- пературе осаждения 800 ÷ 1000 К происходит резкое уменьшение полуширины дифракци- онных пиков при ψ-сканировании, что сви- детельствует об уменьшении угловой разори- ентации кристаллитов относительно оси тек- стуры [100] (повышение степени совершен- ства текстуры). При этом в направлении паде- ния пленкообразующих частиц повышается размер кристаллитов до 120 нм. Как следует из приведенного выше обзора, с увеличением сложности системы, для кото- рой рассматривается неравновесное нано- кристаллическое состояние понимание коне- чного равновесного состояния приобретает все более необходимый характер. Поэтому при рассмотрении структурно-фазового сос- тояния многокомпонентных систем, к кото- рым относятся и квазибинарные, в нанокрис- таллическом состоянии ионно-плазменных конденсатов необходимым является построе- ние тройной (из трех составляющих компо- нент квазибинарной системы − Ti, W и С) рав- новесной диаграммы. Особое значение это построение приобретает в случае формирова- ния высокого уровня напряженно-деформи- рованного состояния, т.к. такое состояние со- здает дополнительную, к концентрационной и структурной, еще и деформационную нерав- новесность [1, 5, 11]. На рис. 3 приведен концентрационный треугольник Ti-W-C с тремя составляющими бинарными системами. Видно, что для би- нарной Ti-W составляющей при низких тем- пературах формируется область твердых рас- творов на основе α-Ti или β-Ti с расслоением на составы β1 и β2. Для бинарных Me-C диа- грамм характерно образование карбидных фаз. Если для системы Ti-C такой фазой является δ-TiC с кубической решеткой структурного ти- па NaCl и сравнительно большой областью гомогенности по углероду, то для системы W-C в концентрационном интервале по уг- лероду 0 − 50% обнаружено образование 3-й фаз: β-W2C (в варианте более ранних обозна- чений [12]: на диаграммах обозначалась, как α-W2C-фаза) с гексагональной кристалличе- ской решеткой 3-х модификаций (β, β′, β″), γ-WC (с решеткой структурного типа NaCl, в варианте более ранних обозначений [12]: на диаграммах обозначалась, как β-WC-фаза)) и δ-WC c гексагональной решеткой структур- ного типа WC и отношением периодов c/a < 1 (в варианте более ранних обозначений [12]: на диаграммах обозначалась как α-WC- фаза). На рис. 3б приведена имеющаяся на сегод- ня равновесная диаграмма состояния для квазибинарного сечения TiC-WC [13]. Видно, что при температурах ниже 2800 К и содер- жании WC менее 45 мол.% устойчивым сос- тоянием является однофазный твердый раст- вор (Ti,W)C, в котором атомы W замещают атомы Ti в решетке δ-TiC. При большем содержании WC устойчи- вым состоянием является смесь двух фаз (Ti, W)C и δ-WC (с гексагональной кристал- лической решеткой). Таким образом, как свидетельствуют дан- ные рентгеноструктурного анализа, приве- денные выше, вместо характерного для высо- кого содержания WС составляющей двух- фазного состояния (рис. 3б) наблюдается од- нофазное на основе кубической кристалли- ческой решетки. В нанокристаллических материалах с не- равновесным фазовым состоянием особое значение для структурно-фазовой устойчи- вости и работоспособности приобретает макронапряженно-деформированное сос- тояние [1, 2]. В работе для изучения макронапряженно- деформированного состояния использовался Рис. 2. Участки дифракционного спектра покрытия, полученного распылением мишени состава 20 мол.% TiC – 80 мол.% WC. Температура осаждения 840 К. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ КОНДЕНСАТАХ ... 435 а) б) Рис. 3. Концентрационный треугольник Ti-W-C с тремя составляющими бинарными системами (а) и квазиби- нарное сечение TiC-WC (б). Таблица 1 Макродеформация и макронапряжения в покрытиях разного состава системы WC-TiC, осажденных на полированную кремниевую подложку Ts, K WC 80 мол.% WC- 20 мол.% TiC 870 мол.% WC - 30 мол.% TiC 25 мол.% WC - 75 мол.% TiC 210 мол.% WC - 90 мол.% TiC ε,% σ, ГПа ε,% σ, ГПа ε,% σ, ГПа ε,% σ, ГПа ε,% σ, ГПа –1,3 –3,22 –1,6 –4,1 –1,8 –4,7 –2,9 –7,7 –2,1 –5,4530 –0,15 –0,45 –0,1 –0,34 –0,3 –0,87 –0,37 –1,1 – –850 ÷ 1050 О. А. ШОВКОПЛЯС, О. В. СОБОЛЬ ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 4, vol. 11, No. 4 ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 4, vol. 11, No. 4436 метод многократных наклонных съемок (sin2ψ-метод). На рис. 4 показан типичный для покры- тий, полученных при низкой температуре, вид “a-sin2ψ”-графика. Уменьшение периода с увеличением угла ψ свидетельствует о раз- витии в покрытии напряжений сжатия, при- водящих к уменьшению периода решетки в плоскости роста покрытия. Определенные из тангенсов углов наклона величины макро- деформации для разных составов покрытий и температур осаждения обобщены в табл. 1. Видно, что при низкой температуре осаж- дения покрытия находятся под действием сжимающих напряжений (обозначаются зна- ком “−”), что сопровождается развитием де- формации сжатия кристаллической решетки. Полученное по пересечению “ a-sin2ψ”-гра- фиков для покрытий, осажденных на разные подложки (бериллий, кремний, никель), зна- чение sin2ψ0 = 0.39 для кубической решетки из соотношения sin2ψ0 = 2ν/(1 + ν) определяет величину коэффициента Пуассона (Ti, W)C твердого раствора в конденсированном сост- оянии ν ≈ 0.24. Поэтому для расчета из экспе- риментальной макродеформации напряжен- ного состояния использовались упругие ха- рактеристики: определенный из данных рент- гентензометрических исследований коэффи- циента Пуассона ν ≈ 0.24 и модуль упругости Е ≈ 400 ГПа, определенный из данных по наноиндентированию. Как видно из табл. 1, величина напряжен- но-деформированного состояния покрытий, осажденных при 530 К значительно превы- шает соответствующие значения при более высокой температуре осаждения 850 ÷ 1050 К. Такая разница в уровне напряжений при низкой и высокой температурах осаж- дения объясняется частичной релаксацией сжимающих напряжений при высокой темпе- ратуре осаждения покрытий из-за разницы коэффициентов термического расширения покрытия αc и положки αs [5]. Зная значение αs, можно оценить вели- чину αс для разных составов квазибинарной системы из соотношения [8]: терм c s( ) 1 E Tσ = α − α ∆ − ν . Проведенная оценка величины КТР по- крытия дает величину около 2⋅10−5 К−1, что близко к соответствующей величине для ме- таллов IV-й группы, к которым относится Ti. Отметим, что получаемый в этом случае разброс значений определяется не только различием по составу, но и разным размером кристаллитов. Влияние TiC составляющей на макроде- формированное состояние покрытия, как сле- дует из полученных данных (табл. 1), прояв- ляется в увеличении значения упругой ос- таточной макродеформации выдерживаемой покрытием при повышении содержания TiC. Как при низкой температуре нанесения по- крытия 530 К, так и при высокой 1070 К, мак- симальная упругая макродеформация выдер- живаемая покрытием соответствует составу 75 мол.% TiC-25 мол.% WC и при осаждении на хрупкую кремниевую подложку составляет −7.7 ГПа и −1.1 ГПа соответственно. Следует отметить, что определенный для сечения sin2ψ0 = 0.39 период решетки в не- напряженном сечении для систем одного сос- тава оставался практически неизменным при температурах конденсации в интервале 530 ÷ 1070 К. Так для состава 75 мол.%TiC- 25 мол.%WC он составил 0.43320 нм при температуре осаждения 530 К и изменялся только в 5-м знаке до 0.43317 нм при темпе- ратуре подложки при осаждении – 1070 К, что свидетельствует о достаточно высокой устойчивости конденсатов к потери углерода, которая должна была сказаться на резком уменьшении периода решетки (на рис. 5 на базе данных [6] приведены результаты ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ КОНДЕНСАТАХ ... Рис. 4. “a-sin2ψ”-график 80 мол.% WC – 20 мол.% TiC . Температура 530 К. 437 расчета по правилу аддитивности изменения периода решетки (Ti,W)C твердого раствора для составов использованных в данной работе). ВЫВОДЫ 1. Установлено значительное увеличение концентрационной области существова- ния в конденсированном состоянии (Ti, W)C твердого раствора с кубической крис- таллической решеткой структурного типа NaCl. 2. Размер кристаллитов в полученных кон- денсатах (Ti, W)C твердого раствора нахо- дится в нанометровом диапазоне. 3. При формировании покрытий в условиях относительно невысокой температуры осаждения 570 К, в них развиваются сжимающие напряжения, величиной до −7.7 ГПа. Влияние TiC составляющей на макродеформированное состояние по- крытия проявляется в увеличении значе- ния упругой остаточной макродеформа- ции, выдерживаемой покрытием. 4. Различие в напряженно-деформирован- ном состоянии покрытий при температу- рах 550 К и 850 ÷ 1050 К определяется вкладом термических напряжений из-за разности коэффициентов термического расширения покрытия и подложки. Проведенная оценка величины КТР (Ti, W)C покрытия дает среднее значение 2⋅10−5 К−1. 5. Определенная из данных рентгеновской тензометрии величина коэффициента Пуассона ионно-плазменных нанострук- турных покрытий (Ti, W)C твердого раст- вора составила ν ≈ 0.24. ЛИТЕРАТУРА 1. Наноструктурные покрытия/Под ред. А. Кава- лейро и Д. де Хоссона. − М.: Техносфера, 2011. − 792 с. 2. Берлин Е.В., Сейдман Л.А. Ионно-плазмен- ные процессы в тонкопленочной технологии. − М.: Техносфера, 2010. − 528 с. 3. Sobol’ O.V., Pogrebnyak A.D., Beresnev V.M. Effect of the Preparation Conditions on the Phase Composition, Structure, and Mechanical Charac- teristics of Vacuum-Arc Zr-Ti-Si-N Coatings// Physics of Metals and Metallography. − 2011. − Vol. 112 (2). − P. 188-195. 4. Sobol’ O.V, Andreev A.А., Grigoriev S.N., Gor- ban’ V.F, Volosova M.A., Aleshin S.V., Stolbo- voi V.A Effect of high-voltage pulses on the struc- ture and properties of titanium nitride vacuum- arc coatings//Metal Science and Heat Treatment. − 2012. −Vol. 54 (3-4). − P. 195-205. 5. Азаренков Н.А., Соболь О.В., Погребняк А.Д., Литовченко С.В., Иванов О.Н. Материалове- дение неравновесного состояния модифици- рованной поверхности. − Сумы: Сумской гос. универ., 2012. − 683 с. О. А. ШОВКОПЛЯС, О. В. СОБОЛЬ ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 4, vol. 11, No. 4 Рис. 5. Относительное изменение периода решетки a(MeCx)/а(MeC1.0) от содержания углерода (Х) для карбидов разного состава MeCx. β-WC ФІП ФИП PSE, 2013, т. 11, № 4, vol. 11, No. 4438 6. Самсонов Г.В., Упадхая Г.Ш. Нешпор В.С. Физическое материаловедение карбидов. – К.: Наукова думка, 1974. − 455 с. 7. Михайлов І.Ф., Григор’єв О.М., Гогоці Ю.Г., Пугачов А., Соболь О., Колупаева З. Розроб- ка фізичних основ створення керамічних ком- позитів із високою контактною міцністю (Фун- даментальні орієнтири науки (ФОН)//Хімія та наукові основи перспективних технологій. − К.: Академперіодика. − 2005. − С. 327-343. 8. Палатник Л.C.,Фукс М.Я., Косевич В.М. Ме- ханизм образования и субструктура конденси- рованных пленок. − М.: Наука, 1972. − 320 с. 9. Genzel C., Reinmers W. A Study of X-ray Re- sidual-Stress Gradient Analisys in Thin-Layers with Strong Filer Texture//Phys. Stat. Solidi: A Appl. Res.−1998. − Vol. 166 (2). − P. 751-762. 10. Gargaud P., Labat S., Thomas O. Limits of vali- dity of the crystallite group method in stress deter- mination of thin film structures//Thin Solid Films. − 1998. − Vol. 319. − P. 9-15. 11. Detor A.J., Hodge A.M., Chason E., Wanga Y., Xu H., Conyers M., Nikroo A., Hamz A. Stress and microstructure evolution in thick sputte- red ыlms//Acta Materialia. – 2009. − Vol. 57. – P. 2055-2065. 12. Самсонов Г.В., Витрянюк В.К., Чаплыгин Ф. Карбиды вольфрама.− К.: Наукова думка, 1974. − 176 с. 13. Mas-Guindala M., Contrerasa L., Turrillasb X., Vaughanc G.B.M., Kvick A., Rodrґэguez M.A. Self-propagating high-temperature synthesis of TiC-WC composite materials//J. of Alloys and Compounds.– 2006.− Vol. 419. − P. 227-233. LITERATURA 1. Nanostrukturnye pokrytiya/Pod red. A. Kavalejro i D. de Hossona.− M.: Tehnosfera, 2011.− 792s. 2. Berlin E.V., Sejdman L.A. Ionno-plazmennye processy v tonkoplenochnoj tehnologii. − M.: Tehnosfera, 2010. − 528 s. 3. Sobol’ O.V., Pogrebnyak A.D., Beresnev V.M. Effect of the Preparation Conditions on the Phase Composition, Structure, and Mechanical Charac- teristics of Vacuum-Arc Zr-Ti-Si-N Coatings// Physics of Metals and Metallography. − 2011. − Vol. 112 (2). − P. 188-195. 4. Sobol’ O.V, Andreev A.A., Grigoriev S.N., Gor- ban V.F, Volosova M.A., Aleshin S.V., Stolbo- voi V.A. Effect of high-voltage pulses on the struc- ture and properties of titanium nitride vacuum- arc coatings//Metal Science and Heat Treatment. − 2012. −Vol. 54 (3-4). − P. 195-205. 5. Azarenkov N.A., Sobol’ O.V., Pogrebnyak A.D., Litovchenko S.V., Ivanov O.N. Materialovede- nie neravnovesnogo sostoyaniya modificirovannoj poverhnosti. − Sumy: Sumskoj gos. univer., 2012. − 683 s. 6. Samsonov G.V., Upadhaya G.Sh. Neshpor V.S. Fizicheskoe materialovedenie karbidov. – K.: Naukova dumka, 1974. − 455 s. 7. Mihajlov І.F., Grigor’єv O.M., Gogocі Yu.G., Pugachov A.T., Sobol’ O.V., Kolupaeva Z.І. Rozrobka fіzichnih osnov stvorennya keramіchnih kompozitіv іz visokoyu kontaktnoyu mіcnіstyu (Fundamental’nі orієntiri nauki (FON)//Hіmіya ta naukovі osnovi perspektivnih tehnologіj. − K.: Akademperіodika. − 2005. − S. 327-343 8. Palatnik L.C., Fuks M.Ya., Kosevich V.M. Meha- nizm obrazovaniya i substruktura kondensirovan- nyh plenok. − M.: Nauka, 1972. − 320 s. 9. Genzel C., Reinmers W. A Study of X-ray Re- sidual-Stress Gradient Analisys in Thin-Layers with Strong Filer Texture//Phys. Stat. Solidi: A Applied Research. − 1998. − Vol. 166 (2). − P. 751-762. 10. Gargaud P., Labat S., Thomas O. Limits of validity of the crystallite group method in stress determi- nation of thin film structures//Thin Solid Films. − 1998. − Vol. 319. − P. 9-15. 11. Detor A.J., Hodge A.M., Chason E., Wanga Y., Xu H., Conyers M., Nikroo A., Hamz A. Stress and microstructure evolution in thick sputtered ыlms//Acta Materialia. − 2009. − Vol. 57. − P. 2055-2065. 12. Samsonov G.V., Vitryanyuk V.K., Chaplygin F.I. Karbidy vol’frama. − K.: Naukova dumka, 1974. − 176 s. 13. Mas-Guindala M.J., Contrerasa L., Turrillasb X., Vaughanc G.B.M., Kvick A., Rodrґэguez M.A. Self-propagating high-temperature synthesis of TiC-WC composite materials//J. of Alloys and Compounds. − 2006. − Vol. 419. − P. 227-233. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ КОНДЕНСАТАХ ...
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100599
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1999-8074
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T16:37:04Z
publishDate	2013
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
record_format	dspace
spelling	Шовкопляс, О. А. Соболь, О. В. 2016-05-24T13:05:21Z 2016-05-24T13:05:21Z 2013 Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в ионно-плазменных конденсатах системы TiC-WC / О. А. Шовкопляс, О. В. Соболь // Физическая инженерия поверхности. — 2013. — Т. 11, № 4. — С. 431–438. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100599 539.2 Методом рентгеновской дифрактометрии, включающим рентгентензометрию (“a-sin2 ψ-метод), проанализировано фазово-структурное и напряженно-деформированное состояния ионно-плаз-менных покрытий квазибинарной системы TiC-WC в зависимости от соотношения TiC/WC составляющих и температуры осаждения. Выявлено расширение (по сравнению с равновесным) границ области существования кристаллического состояния с кубической решеткой структурного типа NaCl. Установлено, что TiC составляющая с сильной ковалентной связью между металлом и углеродом приводит к повышению величины остаточных напряжений сжатия в покрытии, которые при температуре осаждения 530 К и составе 25 мол.% WC – 75 мол.% TiC достигли – 7.7 ГПа. Определено, что в нанокристаллическом состоянии покрытий коэффициент Пуассона близок к 0.24, а коэффициент термического расширения – 2⋅10−5 К−1 . Методом рентгенівської дифрактометрії, включно із рентгентензометрією (“a-sin2 ψ”-метод), проаналізовано фазово-структурний й напружено-деформований стани йонно-плазмових покриттів квазібінарної системи TiC-WC у залежності від співвідношення TiC/WC складових і температури осадження. Виявлено розширення (в порівнянніз рівноважним) меж області існування кристалічного стану з кубічною решіткою структурного типу NaCl. Визначено, що TiC складова із міцним ковалентним зв’язком між металом та вуглецем приводить до збільшення величини залишкових напружень стиснення в покритті, що при температурі осадження 530 К і складі 25 мол.% WC – 75 мол.% TiC досягли – 7.7 ГПа. Встановлено, що в нанокристалічному стані покриттів коефіцієнт Пуассона складає близько 0.24, а коефіцієнт термічного розширення – 2⋅10−5 К−1 . By X-ray diffraction, including X-raytensometry (“a-sin2 ψ”-method) analyzed phase-structural and stress-strain state of the ion- plasma coatings quasi-binary system TiC-WC depending on the ratio of TiC/WC components and the deposition temperature. Extension installed (compared to the equilibrium) region of existence of the crystalline state with a cubic lattice structure type NaCl. Determined that the TiC component with a strong covalent bond between the metal and the carbon increases the magnitude of the residual compressive stresses in the coating which, when a deposition temperature 530 K and the composition of 25 mol.% WC − 75 mol.% TiC reached − 7.7 GPa. It was determined that the nanocrystalline coatings Poisson’s ratio close to 0.24, and the coefficient of thermal expansion − 2⋅10−5 К−1 . ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в ионно-плазменных конденсатах системы TiC-WC Закономірності формування напружено-деформованого стану в йонно-плазмових конденсатах системи TiC-WC Regularities formation of stress-strain state ion-plasma condensates of TiC-WC system Article published earlier
spellingShingle	Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в ионно-плазменных конденсатах системы TiC-WC Шовкопляс, О. А. Соболь, О. В.
title	Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в ионно-плазменных конденсатах системы TiC-WC
title_alt	Закономірності формування напружено-деформованого стану в йонно-плазмових конденсатах системи TiC-WC Regularities formation of stress-strain state ion-plasma condensates of TiC-WC system
title_full	Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в ионно-плазменных конденсатах системы TiC-WC
title_fullStr	Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в ионно-плазменных конденсатах системы TiC-WC
title_full_unstemmed	Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в ионно-плазменных конденсатах системы TiC-WC
title_short	Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в ионно-плазменных конденсатах системы TiC-WC
title_sort	закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в ионно-плазменных конденсатах системы tic-wc
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100599
work_keys_str_mv	AT šovkoplâsoa zakonomernostiformirovaniânaprâžennodeformirovannogosostoâniâvionnoplazmennyhkondensatahsistemyticwc AT sobolʹov zakonomernostiformirovaniânaprâžennodeformirovannogosostoâniâvionnoplazmennyhkondensatahsistemyticwc AT šovkoplâsoa zakonomírnostíformuvannânapruženodeformovanogostanuvionnoplazmovihkondensatahsistemiticwc AT sobolʹov zakonomírnostíformuvannânapruženodeformovanogostanuvionnoplazmovihkondensatahsistemiticwc AT šovkoplâsoa regularitiesformationofstressstrainstateionplasmacondensatesofticwcsystem AT sobolʹov regularitiesformationofstressstrainstateionplasmacondensatesofticwcsystem

Закономерности формирования напряженно-деформированного состояния в ионно-плазменных конденсатах системы TiC-WC

Institution

Ähnliche Einträge