Многокомпонентные, нанокомпозитные покрытия на основе TI-SI-N, их струкртура и свойства
Были получены, с помощью двух технологий, вакуумно-дуговым осаждением с ВЧ разрядом и плазменно-детонационной технологией нанокомпозитные многокомпонентные покрытия толщиной (160 ÷ 320) јm на основе Ti-Si-N/WC-Co-Cr; Ti-Si-N/(Cr3C2Ni)75 – (NiCr)25; Ti-Si-N/ steel. Исследования физико-механических ха...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2009
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7944 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Многокомпонентные, нанокомпозитные покрытия на основе TI-SI-N, их струкртура и свойства / А.Д. Погребняк, В.М. Береснев, Ф.Ф. Комаров, М.В. Ильяшенко, Н.К. Ердыбаева, Г.В. Кирик, Ю.Н. Тюрин, О.В. Колисниченко, А.П. Шипиленко, В.В.Углов, Ю.Ж. Тулеушев, П.В. Турбин // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 1-2. — С. 14-22. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7944 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Погребняк, А.Д. Береснев, В.М. Комаров, Ф.Ф. Ильяшенко, М.В. Ердыбаева, Н.К. Кирик, Г.В. Тюрин, Ю.Н. Колисниченко, О.В. Шипиленко, А.П. Углов, В.В. Тулеушев, Ю.Ж. Турбин, П.В. 2010-04-22T14:22:54Z 2010-04-22T14:22:54Z 2009 Многокомпонентные, нанокомпозитные покрытия на основе TI-SI-N, их струкртура и свойства / А.Д. Погребняк, В.М. Береснев, Ф.Ф. Комаров, М.В. Ильяшенко, Н.К. Ердыбаева, Г.В. Кирик, Ю.Н. Тюрин, О.В. Колисниченко, А.П. Шипиленко, В.В.Углов, Ю.Ж. Тулеушев, П.В. Турбин // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 1-2. — С. 14-22. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7944 Были получены, с помощью двух технологий, вакуумно-дуговым осаждением с ВЧ разрядом и плазменно-детонационной технологией нанокомпозитные многокомпонентные покрытия толщиной (160 ÷ 320) јm на основе Ti-Si-N/WC-Co-Cr; Ti-Si-N/(Cr3C2Ni)75 – (NiCr)25; Ti-Si-N/ steel. Исследования физико-механических характеристик проводились с помощью методов рентгенофазового анализа (XRD), резерфордовского обратного рассеяния ионов 4He+(RBS), растровой электронной микроскопии (SEM с EDS) микроанализом, измерения твердости и модуля упругости, стойкости к коррозии в среде 2% NaCl. Були отримані, за допомогою двох технологій, вакуумно-дуговим осадженням із ВЧ розрядом і плазмово-детонаційною технологією, нанокомпозитні багатокомпонентні покриття товщиною (160 ÷ 320) μm на основі Ti-Si-N/WC-Co-Cr; Ti-Si-N/(Cr3C2Ni)75-(NiCr)25; Ti-Si-N/steel. Дослідження фізико-механічних характеристик проводилися за допомогою методів рентгенофазового аналізу (XRD), резерфордівського зворотного розсіювання іонів 4He+ (RBS), растрової електронної мікроскопії (SEM з EDS) мікроаналізом, вимірювання твердості та модуля пружності, стійкості до корозії в середовищі 2% NaCl. Three types of nano composite coatings of 160 to 320 μm thickness on Ti-Si-N base were formed as the following compositions: Ti-Si-N/WC-Co-Cr;Ti-Si-N(Cr3C2-Ni)75(NiCr)25; Ti- Si-N/substrate. Their physical, mechanical, and chemical properties were investigated using the methods: X-ray diffraction, X-ray phase analysis (XRD), Rutherford back-scattering of helium ions 4He+ (RBS), scanning electron microscopy (SEM) with micro analysis (EDS), measurements of hardness, elastic modulus, and corrosion resistance in a salt solution 2% NaCl. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Многокомпонентные, нанокомпозитные покрытия на основе TI-SI-N, их струкртура и свойства Багатокомпонентні, нанокомпозитні покриття на основі Tі-Sі-N, їх струкртура та властивості Multi-component, nano composite coatings on Ti-Si-N base, their structure and properties Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Многокомпонентные, нанокомпозитные покрытия на основе TI-SI-N, их струкртура и свойства |
| spellingShingle |
Многокомпонентные, нанокомпозитные покрытия на основе TI-SI-N, их струкртура и свойства Погребняк, А.Д. Береснев, В.М. Комаров, Ф.Ф. Ильяшенко, М.В. Ердыбаева, Н.К. Кирик, Г.В. Тюрин, Ю.Н. Колисниченко, О.В. Шипиленко, А.П. Углов, В.В. Тулеушев, Ю.Ж. Турбин, П.В. |
| title_short |
Многокомпонентные, нанокомпозитные покрытия на основе TI-SI-N, их струкртура и свойства |
| title_full |
Многокомпонентные, нанокомпозитные покрытия на основе TI-SI-N, их струкртура и свойства |
| title_fullStr |
Многокомпонентные, нанокомпозитные покрытия на основе TI-SI-N, их струкртура и свойства |
| title_full_unstemmed |
Многокомпонентные, нанокомпозитные покрытия на основе TI-SI-N, их струкртура и свойства |
| title_sort |
многокомпонентные, нанокомпозитные покрытия на основе ti-si-n, их струкртура и свойства |
| author |
Погребняк, А.Д. Береснев, В.М. Комаров, Ф.Ф. Ильяшенко, М.В. Ердыбаева, Н.К. Кирик, Г.В. Тюрин, Ю.Н. Колисниченко, О.В. Шипиленко, А.П. Углов, В.В. Тулеушев, Ю.Ж. Турбин, П.В. |
| author_facet |
Погребняк, А.Д. Береснев, В.М. Комаров, Ф.Ф. Ильяшенко, М.В. Ердыбаева, Н.К. Кирик, Г.В. Тюрин, Ю.Н. Колисниченко, О.В. Шипиленко, А.П. Углов, В.В. Тулеушев, Ю.Ж. Турбин, П.В. |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| publisher |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Багатокомпонентні, нанокомпозитні покриття на основі Tі-Sі-N, їх струкртура та властивості Multi-component, nano composite coatings on Ti-Si-N base, their structure and properties |
| description |
Были получены, с помощью двух технологий, вакуумно-дуговым осаждением с ВЧ разрядом и плазменно-детонационной технологией нанокомпозитные многокомпонентные покрытия толщиной (160 ÷ 320) јm на основе Ti-Si-N/WC-Co-Cr; Ti-Si-N/(Cr3C2Ni)75 – (NiCr)25; Ti-Si-N/ steel. Исследования физико-механических характеристик проводились с помощью методов рентгенофазового анализа (XRD), резерфордовского обратного рассеяния ионов 4He+(RBS), растровой электронной микроскопии (SEM с EDS) микроанализом, измерения твердости и модуля упругости, стойкости к коррозии в среде 2% NaCl.
Були отримані, за допомогою двох технологій, вакуумно-дуговим осадженням із ВЧ розрядом і плазмово-детонаційною технологією, нанокомпозитні багатокомпонентні покриття товщиною (160 ÷ 320) μm на основі Ti-Si-N/WC-Co-Cr; Ti-Si-N/(Cr3C2Ni)75-(NiCr)25; Ti-Si-N/steel. Дослідження фізико-механічних характеристик проводилися за допомогою методів рентгенофазового аналізу (XRD), резерфордівського зворотного розсіювання іонів 4He+ (RBS), растрової електронної мікроскопії (SEM з EDS) мікроаналізом, вимірювання твердості та модуля пружності, стійкості до корозії в середовищі 2% NaCl.
Three types of nano composite coatings of 160 to 320 μm thickness on Ti-Si-N base were formed as the following compositions: Ti-Si-N/WC-Co-Cr;Ti-Si-N(Cr3C2-Ni)75(NiCr)25; Ti- Si-N/substrate. Their physical, mechanical, and chemical properties were investigated using the methods: X-ray diffraction, X-ray phase analysis (XRD), Rutherford back-scattering of helium ions 4He+ (RBS), scanning electron microscopy (SEM) with micro analysis (EDS), measurements of hardness, elastic modulus, and corrosion resistance in a salt solution 2% NaCl.
|
| issn |
1999-8074 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7944 |
| citation_txt |
Многокомпонентные, нанокомпозитные покрытия на основе TI-SI-N, их струкртура и свойства / А.Д. Погребняк, В.М. Береснев, Ф.Ф. Комаров, М.В. Ильяшенко, Н.К. Ердыбаева, Г.В. Кирик, Ю.Н. Тюрин, О.В. Колисниченко, А.П. Шипиленко, В.В.Углов, Ю.Ж. Тулеушев, П.В. Турбин // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 1-2. — С. 14-22. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT pogrebnâkad mnogokomponentnyenanokompozitnyepokrytiânaosnovetisinihstrukrturaisvoistva AT beresnevvm mnogokomponentnyenanokompozitnyepokrytiânaosnovetisinihstrukrturaisvoistva AT komarovff mnogokomponentnyenanokompozitnyepokrytiânaosnovetisinihstrukrturaisvoistva AT ilʹâšenkomv mnogokomponentnyenanokompozitnyepokrytiânaosnovetisinihstrukrturaisvoistva AT erdybaevank mnogokomponentnyenanokompozitnyepokrytiânaosnovetisinihstrukrturaisvoistva AT kirikgv mnogokomponentnyenanokompozitnyepokrytiânaosnovetisinihstrukrturaisvoistva AT tûrinûn mnogokomponentnyenanokompozitnyepokrytiânaosnovetisinihstrukrturaisvoistva AT kolisničenkoov mnogokomponentnyenanokompozitnyepokrytiânaosnovetisinihstrukrturaisvoistva AT šipilenkoap mnogokomponentnyenanokompozitnyepokrytiânaosnovetisinihstrukrturaisvoistva AT uglovvv mnogokomponentnyenanokompozitnyepokrytiânaosnovetisinihstrukrturaisvoistva AT tuleuševûž mnogokomponentnyenanokompozitnyepokrytiânaosnovetisinihstrukrturaisvoistva AT turbinpv mnogokomponentnyenanokompozitnyepokrytiânaosnovetisinihstrukrturaisvoistva AT pogrebnâkad bagatokomponentnínanokompozitnípokrittânaosnovítísíníhstrukrturatavlastivostí AT beresnevvm bagatokomponentnínanokompozitnípokrittânaosnovítísíníhstrukrturatavlastivostí AT komarovff bagatokomponentnínanokompozitnípokrittânaosnovítísíníhstrukrturatavlastivostí AT ilʹâšenkomv bagatokomponentnínanokompozitnípokrittânaosnovítísíníhstrukrturatavlastivostí AT erdybaevank bagatokomponentnínanokompozitnípokrittânaosnovítísíníhstrukrturatavlastivostí AT kirikgv bagatokomponentnínanokompozitnípokrittânaosnovítísíníhstrukrturatavlastivostí AT tûrinûn bagatokomponentnínanokompozitnípokrittânaosnovítísíníhstrukrturatavlastivostí AT kolisničenkoov bagatokomponentnínanokompozitnípokrittânaosnovítísíníhstrukrturatavlastivostí AT šipilenkoap bagatokomponentnínanokompozitnípokrittânaosnovítísíníhstrukrturatavlastivostí AT uglovvv bagatokomponentnínanokompozitnípokrittânaosnovítísíníhstrukrturatavlastivostí AT tuleuševûž bagatokomponentnínanokompozitnípokrittânaosnovítísíníhstrukrturatavlastivostí AT turbinpv bagatokomponentnínanokompozitnípokrittânaosnovítísíníhstrukrturatavlastivostí AT pogrebnâkad multicomponentnanocompositecoatingsontisinbasetheirstructureandproperties AT beresnevvm multicomponentnanocompositecoatingsontisinbasetheirstructureandproperties AT komarovff multicomponentnanocompositecoatingsontisinbasetheirstructureandproperties AT ilʹâšenkomv multicomponentnanocompositecoatingsontisinbasetheirstructureandproperties AT erdybaevank multicomponentnanocompositecoatingsontisinbasetheirstructureandproperties AT kirikgv multicomponentnanocompositecoatingsontisinbasetheirstructureandproperties AT tûrinûn multicomponentnanocompositecoatingsontisinbasetheirstructureandproperties AT kolisničenkoov multicomponentnanocompositecoatingsontisinbasetheirstructureandproperties AT šipilenkoap multicomponentnanocompositecoatingsontisinbasetheirstructureandproperties AT uglovvv multicomponentnanocompositecoatingsontisinbasetheirstructureandproperties AT tuleuševûž multicomponentnanocompositecoatingsontisinbasetheirstructureandproperties AT turbinpv multicomponentnanocompositecoatingsontisinbasetheirstructureandproperties |
| first_indexed |
2025-11-26T09:33:41Z |
| last_indexed |
2025-11-26T09:33:41Z |
| _version_ |
1850617723485159424 |
| fulltext |
ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-214
ВВЕДЕНИЕ
Нанокомпозиты как класс наноматериалов
характеризуются гетерогенной структурой
образований практически невзаимодейству-
ющими фазами со средними размерами, в ин-
тервале (5 ÷ 35) nm [1 – 3]. Как правило, та-
кими структурными элементами являются
аморфная матрица и включения нанокрис-
таллической фазы. При этом, аморфная сос-
тавляющая наилучшим образом согласовы-
МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ, НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА
ОСНОВЕ Ti-Si-N, ИХ СТРУКРТУРА И СВОЙСТВА
А.Д. Погребняк*,**, В.М. Береснев***, Ф.Ф. Комаров*, М.В. Ильяшенко*,**,
Н.К. Ердыбаева*****, Г.В. Кирик******, Ю.Н. Тюрин*******,
О.В. Колисниченко*******, А.П. Шипиленко*,**, В.В.Углов****,
Ю.Ж. Тулеушев********, П.В. Турбин***
*Сумской институт модификации поверхности
Украина
**Сумской национальный аграрный университет
Украина
***Научный физико-технический центр МОН и НАН Украины (Харьков)
Украина
****Белорусский государственный университет (Минск)
Беларусь
*****Восточно-Казахстанский государственный технический университет
(Усть-Каменогорск) Казахстан.
******Концерн “Укрросметалл” (Сумы)
Украина
*******Е.О. Патона институт электросварки НАН Украины (Киев)
Украина
********Институт ядерной физики, НЯЦ (Алматы)
Казахстан
Поступила в редакцию 24.03.2009
Были получены, с помощью двух технологий, вакуумно-дуговым осаждением с ВЧ разрядом
и плазменно-детонационной технологией нанокомпозитные многокомпонентные покрытия
толщиной (160ч320) јm на основе Ti-Si-N/WC-Co-Cr; Ti-Si-N/(Cr3C2Ni)75 – (NiCr)25; Ti-Si-N/
steel. Исследования физико-механических характеристик проводились с помощью методов
рентгенофазового анализа (XRD), резерфордовского обратного рассеяния ионов 4He+(RBS),
растровой электронной микроскопии (SEM с EDS) микроанализом, измерения твердости и
модуля упругости, стойкости к коррозии в среде 2% NaCl.
Дополнительно проводился микроанализ по поперечному и косому шлифу. Покрытия
состоящие из Ti ∼ 60 at. %; N ∼ 30 at. %; Si от 7 до 10 at. %; WC ∼ 86 %; Co ~ 10 %; Cr ∼ 4 %; и
(Cr3C2-Ni)75-(NiCr)25. В комбинированном покрытии обнаружены следующие фазы: (Ti, Si)N;
TiN; WC W2C; Cr3C2; Cr3Ni2; CrC. Покрытие из Ti-Si-N/WC-Co-Cr имеет твердость 35 GPa, а
модуль упругости 286 ± 18 GPa. В покрытии, осажденном только на сталь твердость составляет
от 38 до 42 GPa, а в толстом покрытии из WC-Co-Cr заметно ниже и составляет от H = 17,3 до
11,8 GPa. Коррозионная стойкость в среде 2 % NaCl возросла по сравнению с подложкой из
стали на (2,5 ÷ 3) порядка. Стойкость образцов к износу при трении цилиндра на поверхности
также возросла в несколько раз, по сравнению с толстым покрытием, и в 12 раз выше по
сравнению с подложкой. Размер зерен в комбинированном нанокомпозитном покрытии
составлял 25 нм (при твердости до 35 GPa), размер зерен в тонком покрытии осажденном на
сталь (12 ÷ 15) nm (при твердости от 37 до 42 GPa).
В комбинированном нанокомпозитном покрытии, состоящем из Ti-Si-N/(Cr3C2-Ni)75-(NiCr)25
обнаружены следующие фазы: в толстом покрытии Cr3Ni2 (нижнее); (Ti; Si)N и TiN (верхнее
покрытие). Обнаружены дополнительные фазы: чистых Ni и Cr, а также, в очень малых
количествах, присутствует фаза Ti9O17.
ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-2 15
ваются с поверхностью нано кристаллитов и
обеспечивать хорошее сцепление, что приво-
дит к значительному увеличению прочности,
а высокие механические свойства такого ком-
позита обеспечиваются малым размером вто-
рой фазы в сочетании с хорошей прочностью
межзеренных границ. На сегодняшний день
принято делить нанокомпозитные материалы
на 3 класса по величине твердости: твердые
нанокомпозиты с твердостью ≥ 20 до 40 GPa,
сверх твердые, которые находятся в интерва-
ле ≥ 40 до 80 GPa, и ультратвердые нано-
композитные покрытия с очень высокой твер-
достью ≥ 80 GPa [3 – 4].
Кроме того, хорошо известно, что для вы-
полнения ряда задач в химической, машино-
строительной и других отраслях необходимо
также кроме выполнения прямых защитных
функций покрытия восстановления размера
деталей (уже работающих в производстве).
Поэтому с этой целью для получения размера
изделия из материала наносится достаточно
толстое покрытие по своему составу имеет
физико-механические свойства выше, чем у
основного металла. Обычно, в таких покры-
тиях используются сплавы (порошки) из
Ni-Cr-Mo [5] твердые сплавы WC-Co-Cr; [8]
Cr3C2-Ni; оксидная керамика, Al2O3; Al2O3 +
Cr2O3 [5, 7]. Таким образом, если создать ком-
бинацию покрытия по меньшей мере из 2-х
слоев покрытий, например, из твердого спла-
ва на основе WC-Co-Cr; толщиной свыше
100 µm (плазменно-детонационным или де-
тонационным способом), а верхнее тонкое
нанокомпозитное покрытие толщиной в еди-
ницы микрон (около 3 µm), например из
Ti-Si-N, которое при этом имеет более высо-
кие физико-механические характеристики,
такие как твердость Н, модуль упругости Е,
величина упругого восстановления We, со-
противление материала пластической дефор-
мации Н/Е и индекс пластичности Н2/Е3, в
результате у нас получится комбинированное
покрытие обладающее высокими защитными
функциями и позволяющие восстанавливать
размер изношенных участков поверхности.
Таким образом, целью настоящей работы
было создание нанокомпозитных заиных
(тонких) покрытий на основе Ti-Si-N с высо-
кой твердостью и комбинированных нано-
композитных покрытий на основе Ti-Si-N/
WC-Co-Cr; Ti-Si-N/Cr3C2-Ni-NiCr, исследо-
вание их физико-химических и механических
свойств.
МЕТОДЫ ПРИГОТОВЛЕНИЯ
ОБРАЗЦОВ И ИССЛЕДОВАНИЯ
ПОКРЫТИЯ
На полированные образцы Si толщиной
400 µm, осаждали покрытия вакуумно-дуго-
вым источником с высокочастотным разря-
дом (ВЧ) с антенной, использовали сплавной
спеченный катод из Ti с содержанием Si (5 ÷
10) at.%. Использовалась установка “Бу-
лат-3Т” с вакуумом 5⋅10–3 Pa, ток катода
100 А. на другую серию образцов из стали 3
(0,3% – С) круглых размером 20 mm в диа-
метре и толщиной (5 ÷ 7) mm, наносили по-
крытие с помощью плазменно-детонацион-
ной установки “Импульс-6” [17] с параметра-
ми: расстояние от среза сопла 65 mm. Ско-
рость перемещения 14 mm/s, количество
проходов 5, частота следования импульсов
V = 12 Hz (для WC-Co-Cr) толщина толстого
покрытия составила (160 ÷ 320) µm, причем
после нанесения покрытия, покрытие оплав-
ляли плазменной струей (без порошка) с эро-
дирующим электродом из W, толщина
оплавленного слоя составила (45 ÷ 60) µm.
Затем на толстое покрытие, в той же установ-
ке “Булат-3Т”, осаждали тонкое покрытие
толщиной около 3 µm из Ti-Si-N.
Для покрытия из порошка (Cr3C2-Ni) –75%
– NiCr-25%, основная фракция порошка
37,8 µm. Расстояние от среза сопла 70 mm,
скорость перемещения ствола 4 mm/s, коли-
чество проходов 4, частота следования им-
пульсов и емкость конденсаторных батарей
С = 200 µF, напряжение на конденсаторных
батареях 3,2 kV.
Для анализа элементного состава исполь-
зовали методы: резерфордовское обратное
рассеяние ионов (РОР) 4Не+ с энергией
1,76 MeV растровую электронную микро-
скопию (РЭМ) с (EDS) на установке РЭММА
– 103М (Selmi, Украина), дифракцию рентге-
новских лучей на установке ДРОН-3 и Ad-
vantage 8 (USA).
Измерение твердости и модуля упругости
проводили на нанотвердомере Nanoindenter
А.Д. ПОГРЕБНЯК, В.М. БЕРЕСНЕВ, Ф.Ф. КОМАРОВ, М.В. ИЛЬЯШЕНКО, Н.К. ЕРДЫБАЕВА, Г.В. КИРИК, Ю.Н. ТЮРИН ...
ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-216
II, MIS System Corporation, Oak Ridge TN
(USA) с пирамидкой Берковича. Модуль
упругости определяли из кривых “нагрузка-
разгрузка” по методике Оливера-Фарра [15].
Для исследования морфологии поверхности
тонкого покрытия, использовали сканирую-
щий туннельный микроскоп (STM) с разре-
шением 1 nm.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ
ОБСУЖДЕНИЕ
В последующих работах S. Hao с соавторами
[12] и Veprek S. с соавторами [13] было пока-
зано с помощью моделирования структуры
Ti-Si-N в виде решетки TiN и SiN, влияни гра-
ниц раздела и примесей (в первую очередь
кислорода) на значительное изменение твер-
дости в этих этапах покрытия. На рис. 1а, б,в
представлены кристаллические решетки фаз
TiN и SiN и возможные варианты встраива-
ния в решетке атомов примесей, которые взя-
ты из этих работ [12 – 14].
На рис. 2а. представлено изображение
поверхности покрытия из Ti-Si-N участка
размером (1332,5×1267,5) nm, полученное с
помощью (СТМ). Как видно из изображения
наблюдается неоднородная поверхность с
выступами размером до 16,8 nm и впадинами
глубиной до 9 nm. Обращает на себя внима-
ние “строчечное” строение выступа “по-ви-
димому” связанному с особенностями строе-
ния зонной структуры Ti-Si-N покрытия. На
следующем изображении рис. 2б показано
строение участка около этого покрытия, как
видно из изображения, пленка сформирована
колоннами, переходящими в плоскости, раз-
мером до 300 nm, т.е. наблюдается переход
а)
б)
Рис. 2. Изображения поверхности образцов с твердым
нанокомпозитным покрытием из Ti-Si-N, полученные
с помощью СТМ (сканирующего туннельного микро-
скопа) для разных участков покрытия.
а) б) в)
Рис. 1. Расчетные параметры решетки покрытий из
TiN/SiN (разные плоскости с участием примесных
атомов) взяты из работы [12].
TiN(111)/fcc-SiN/TiN(111) TiN(100)/fcc-SiN/TiN(100) TiN(100)/B-SiN/TiN(111)
колумнарной структуры в нормальную нано-
композитную (рис. 3).
Возвращаясь к изображению поверхности
покрытия, с помощью РЭМ, видим, что капе-
льная фракция превращается в процессе оса-
ждения в плоские участки, которые разбиты
(или разделены) тонкими прослойками, раз-
деленными на более мелкие участки размера-
ми 300 – 500 nm. По-видимому, эти видимые
“трещинки” образуются за счет релаксации
высоких внутренних напряжений.
На рис. 4а представлено изображение по-
верхности нанокомпозитного комбинирован-
МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ, НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ Ti-Si-N, ИХ СТРУКРТУРА И СВОЙСТВА...
ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-2 17
ного покрытия из Ti-Si-N/WC-Co-Cr/ЧC-4З
(43%Ni). Тонкое покрытие, полученное с по-
мощью вакуумно-дугового источника, повто-
ряет рельеф поверхности покрытия, нанесен-
ного с помощью плазменно-детонационной
технологии. Со средними размерами шерохо-
ватости от 14 до 22 µm (после оплавления и
после дугового нанесения тонкого покрытия).
Ниже представлено изображение рентгеновс-
кого энергодисперсного спектра, из которого
следует, от концентрация N ∼ 3,16%; Si ∼
1,56%; Ti ∼ 91,39%; Cr ∼ 2,44 и Ni ∼ 1,03% и
Fe ∼ 0,5 вес.%, Ni, Cr, Fe из толстого покрытия
(рис. 4б).
На рис. 5а представлены результаты РОР
анализа для толстого покрытия из WC-Co-Cr
(без тонкого покрытия из Ti-Si-N), а ниже
представлены результаты, полученные с ком-
бинированного покрытия (рис. 5б).
Как видно из результатов расчетов (распре-
деления элементов) по стандартной програм-
ме [5], оценки концентрации показывают, что
N2 = 30%; Si ≈ 5 ÷ 6 at.%, а Ti ≈ (94 ÷ 95) at%.
Из спектра, полученного на толстом покры-
тии трудно оценить концентрацию элементов
из-за высокой шероховатости поверхности
покрытия полученного плазменно-детонаци-
онным методом.
Рентгенофазовый анализ, полученный на
комбинированном нанокомпозитном покры-
а)
б)
Рис. 4. а) – изображения участка поверхности нано-
композитного комбинированного покрытия Ti-Si-N/
(Cr3C3-Ni)75-(NiCr)35; б) – элементный состав покрытия
полученный с помощью энергодисперсионного рент-
геновского анализа с участка поверхности комбини-
рованного покрытия.
a)
б)
Рис. 5. а) – энергетические спектры обратного ре-
зерфордовского рассеяния ионов (RBS), получен-
ного из толстого покрытия WC-Co-Cr; б) – энер-
гетические спектры обратного резерфордовского
рассеяния ионов (RBS), полученных со стороны
верхнего тонкого покрытия из Ti-Si-N/WC-Co-Cr.
Рис. 3. Изображение участка покрытия Ti-Si-N/steel
поверхности, полученного с помощью SEM.
А.Д. ПОГРЕБНЯК, В.М. БЕРЕСНЕВ, Ф.Ф. КОМАРОВ, М.В. ИЛЬЯШЕНКО, Н.К. ЕРДЫБАЕВА, Г.В. КИРИК, Ю.Н. ТЮРИН ...
ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-218
тии, показал см. рис. 6.
Из рис. 6 видно, что в покрытии сформи-
рованы следующие фазы (Ti,Si)N; TiN; WC;
W2C: (последние фазы, сформировались в
толстом покрытии). Для измерения твердости
были приготовлены специальные образцы,
поверхность которых шлифовалась, а затем
полировалась (после нанесения толстого
покрытия из WC-Co-Cr 120 µm), при этом
толщина покрытия в среднем уменьшается до
(85 ÷ 80) µm, и на эту полированную поверх-
ность конденсировалась пленка из Ti-Si-N
толщиной около 3 µm). В результате исследо-
ваний оказалось, что твердость в различных
участках поверхности значительно изменя-
ется 29 ± 4 GPa до 32 ± 6 GPa. Возможно, это
связано с тем, что покрытие, полученное
плазменно-детонационным методом неодно-
родно по поверхности и так же имеет разброс
значений от 17,3 GPa до 10,8 GPa, и это соот-
ношение значений твердости, сохраняется
после конденсации тонкого покрытия из
Ti-Si-N. При этом модуль упругости так же
ведет себя не ординарным способом.
Твердость тонкого покрытия, нанесенного
на полированную поверхность СТ.3, имеет
максимальное значение 38GPa, а среднее
значение Нср = 35 GPa, при этом разброс вели-
чины твердости значительно меньше, чем в
комбинированном покрытии.
На рис. 7 представлены зависимости “на-
гружения-разгрузки” для различных глубин
продавливания индентора. Как видно из этих
зависимостей и расчетов, проведенных со-
гласно методике Оливера и Фара [15] твер-
дость покрытий из Ti-Si-N нанесенных на
толстое покрытие из (Cr3C2-Ni)75-(NiCr)25
составляет 37,0 ± 4,0 GPa, при Е = 483 GPa.
На рис. 8 представлены фрагменты диф-
рактограмм, полученные на нанокомпозит-
ном, комбинированном покрытии Ti-Si-N/
(Cr3C2-Ni)75-(Ni-Cr)25.
Как видно из дифрактограмм и результатов
расчетов параметров структуры покрытий в
табл. 1. В покрытии основными фазами явля-
ются Cr3Ni2 (нижнее – толстое покрытие) и
(Ti;Si)N и TiN (тонкое покрытие верхние по-
крытие). Съемка проходила в кобальтовом из-
лучении. Кроме того, есть дополнительные
фазы чистого Cr и присутствует в небольшой
концентрации оксид титана Ti9O17. Ввиду ма-
лого содержания Si происходит наложение
фазы Ti-Si-N и TiN. (Ti,Si)N представляет из
себя твердый раствор на основе TiN (внедре-
ние Si). Данная фазы хорошо разделяются на
угле 72 – 73°.
Рис. 6. Фрагменты дифрактограммы полученные с
участка поверхности нанокомпозитного комбиниро-
ванного покрытия Ti-Si-N/WC-Co-Cr нанесенного на
подложку из стали ЧС-42.
Рис. 7. Кривые “нагрузки-разгрузки” для разной глу-
бины вдавливания индентора Берковича в нанокомпо-
зитном покрытии из Ti-Si-N/WC-Co-Cr.
Рис. 8. Участок дифрактограммы комбинированного
нанокомпозитного покрытия из Ti-Si-N/(Cr2C2-Ni)75-
(NiCr)25.
МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ, НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ Ti-Si-N, ИХ СТРУКРТУРА И СВОЙСТВА...
ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-2 19
Таблица 1
Результаты расчетов параметров и структуры покрытий
№
пар Угол Площадь Интенс. Полушир. Межполск. %
макс. Фаза hkl
1 28,437 8,511 37 0,4512 3,6416 100,00 Ti9O17
106
004
2 30,648 3,083 13 0,4518 3,3845 36,84 Ti9O17
0210
123
3 42,771 10,885 20 1,0490 2,4530 65,79 Ti-Si-N+TiN 111
111
4 49,332 13,862 13 1,9890 2,1413 34,21 Cr3Ni2
Ti-Si-N
321
200
5 49,993 17,418 15 2,2322 2,1168 34,47 TiN
Ti9O17
200
1223
110
6 50,533 6,528 12 1,0335 2,0956 44,74 Cr3Ni2 330
7 52,134 2,782 15 0,3553 2,0355 39,47
Cr3Ni2
Cr
Ni
202
110
111
8 72,500 18,056 18 1,8950 1,5127 47,37 Ti9O17
Ti-Si-N
3130
220
9 73,040 11,106 13 1,5950 1,5030 52,63 TiN 220
На рис. 9 – 11 представлены участки по-
крытия из (Cr3C-Ni)75-(NiCr)25 толстого (ниж-
него покрытия) и распределения интенсив-
ностей рентгеновского излучения основных
элементов. Основной состав этого покрытия:
никель и хром (Ni ∼ 36% и Cr ∼ 64%), при-
сутствует также С (углерод) и кислород и Si.
Из-за того, что тонкое (верхнее) покрытие
очень малой толщины, трудно на поперечных
шлифах его выделить. Присутствуют облас-
ти, отвечающие чистому никелю и хрому. В
матрице никеля (белая область) присутствует
большое количество включений (зерна) хро-
ма с размером (мелкие – <1 µm, средние – (4
÷ 5) µm и крупные – (15 ÷ 20) јm). Белая об-
ласть – область богатая Ni (до 90%at.%).
Серая область – область Cr (до 92 at.%).
Из-за маленькой толщины Ti-Si-N в этом
эксперименте не удалось определить состав
и толщину. Однако, при получении косых
шлифов под углом 7°, удалось получить со-
держание тонкого покрытия из Ti-Si-N и со-
держание нижнего толстого покрытия из
(Cr3-C2-Ni)75-(NiCr)25 по 10 ÷ 12 точкам косо-
го шлифа под углом 7°.
а) б)
А.Д. ПОГРЕБНЯК, В.М. БЕРЕСНЕВ, Ф.Ф. КОМАРОВ, М.В. ИЛЬЯШЕНКО, Н.К. ЕРДЫБАЕВА, Г.В. КИРИК, Ю.Н. ТЮРИН ...
ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-220
в) г)
Рис. 9. а), б) – участки поперечного сечения комбинированных покрытий полученные с помощью SEM на них
показаны линии элементного анализа полученные с EDS; в), г) – распределение элементов по глубине
комбинированного покрытия из Ti-Si-N(Cr3C2-Ni)-(NiCr)25 на участках показанных на рис. а), б).
а) б)
в) г)
Рис. 10. а), б) – участки поперечного сечения комбинированных покрытий (на них показаны линии элементного
анализа) полученные с помощью SEM; в), г) – распределение элементов по глубине комбинированного по-
крытия из Ti-Si-N(Cr3C2-Ni)-(NiCr)25 на участках показанных на рис. а), б).
МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ, НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ Ti-Si-N, ИХ СТРУКРТУРА И СВОЙСТВА...
ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-2 21
а) б)
Рис. 11. а) – участок поперечного сечения комбинированного покрытия полученные с помощью SEM; б) –
распределение элементов по глубине комбинированного покрытия из Ti-Si-N(Cr3C2-Ni)-(NiCr)25 на участках
показанных на рис. а).
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнялась в рамках проекта МНТЦ
К-1198 и проекта НАН Украины “Наносис-
темы, нанопокрытия и наноматериалы”.
ЛИТЕРАТУРА
1. Gleiter H. Nanostructured materials: basec con-
cepts and microstructures Acta//Mater. – 2000.
– Vol. 48. – P. 1-29.
2. Veprek S., Veprek-Heijman M., Karvankova P.,
Prochazka S. Different approaches to superhard
coatings and nanocomposites//Thin Solid Films.
– 2005. – Vol. 476. – P. 1-29.
3. Musil J. Physical and mechanical properties of
hard nanocomposite films prepared by reactive
magnetron Sputtering//Invited Chapter-10 in the
book “Nanostructured Hard Coatings”. – 2005,
Kluwer Academic/Plenum Pullishers, 233 Spring
Street, New Yokk, NY 10013, USA 2007.
4. Погребняк А.Д., Шпак А.П., Азаренков Н.А.,
Береснев В.М.//Успехи физических наук. –
2009. – № 179, П.1. – Р. 35-64.
5. Кардыжанов К.К., Комаров Ф.Ф., Погребняк
А.Д., и др. Ионно-лучевая и ионно-плазмен-
ная модификация материалов. – М.: МГУ,
2005. – 640 с.
6. Nanostructured Coating/Eds. A.Gavaleiro, J.T.
De Hosson. – Springer-Verlag: Berlin, 2006.
7. Андриевский Р.А., Глезер А.М. Размерные
эффекты в нанокристаллических материалах,
Сообщение I//Физика металлов и металлове-
дение. – 1999. – Т. 88, № 1. – С. 50-73.
8. Азаренков Н.А., Береснев В.М., Погреб-
няк А.Д. Структура и свойства защитных по-
крытий и модифицированных слоев. – Ха-
рьков: ХНУ, 2007. – 560 с.
9. Штанский Д.В., Петржик М.И., Башкова И.А.
и др. Адгезионные, фрикционные и деформа-
ционные характеристики покрытий Ti-(Ca,Zr)
-(C,N,O,P) для ортопедических и зубных
имплантов//ФТТ. – 2006. – Т. 48, Вып. 7. – С.
1231-1238.
10. Вакуумные нанотехнологии и оборудование.
Т.1/Под. ред. И.М. Наклюдова, В.М. Шулаева.
– Харьков, 2006.
11. Левашов Е.А., Штанский Д.В. многофункци-
ональные наноструктурированные пленки//
Успехи химии.– 2007. – № 76(5). – С. 501-509.
12. Hao Sh., Delley B., Veprek S., Cath. Stampl
Superhard Nitride-Based Nanocomposites: Role
of Interfuces and Effect of Imputing//Phys. Rev.
Lett. – 2006. – № 97, 086102 p 086102. – Р. 1-4.
13. Veprek S., Argon A.S., Zhang R.F. Origin of the
hardness enhancement in superhard nc-TiN/α-
Si3N4 and ultrahard nc-TiN/α-Si3N4/TiSi2//Phi-
losophical Magazine Letters. – 2007. – № 12. –
Р. 955-966.
14. Plasma Surfaces Engineering and its Practical
Applications edit R.Wei. Chapter 1. Hard nano-
composite coatings. Present status and trends
2007 J. Musil, P Barozh, P. Zeman.
15. Дуб С.Н., Новиков Н.В. Испытание твердых
тел на твердость//Сверхтвердые материалы.
– 2004. – С. 1-23.
А.Д. ПОГРЕБНЯК, В.М. БЕРЕСНЕВ, Ф.Ф. КОМАРОВ, М.В. ИЛЬЯШЕНКО, Н.К. ЕРДЫБАЕВА, Г.В. КИРИК, Ю.Н. ТЮРИН ...
ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-222
16. Погребняк А.Д., Кравчеко Ю.А. Форми-
рование гибридных покрытий TiN/Cr/Al2O3 и
TiN/Al2O3 на подложку из стали AISI 32/4//
Поверхность. Рентг. Синхр. и фотонные ис-
следов. – 2006. – № 11. – С. 1-23.
MULTI-COMPONENT, NANO COMPOSITE
COATINGS ON Ti-Si-N BASE, THEIR
STRUCTURE AND PROPERTIES
A.D. Pogrebnjak, V.M. Beresnev, F.F. Komarov,
M.V. I’lyashenko, N.K. Erdybaeva, G.V. Kirik,
Yu.N. Tyurin, O.V. Kolisnichenko,
A.P. Shypylenko, V.V. Uglov,
Yu.Zh. Tuleushev, P.V. Turbin
Three types of nano composite coatings of 160 to
320 µm thickness on Ti-Si-N base were formed as
the following compositions:
Ti-Si-N/WC-Co-Cr;Ti-Si-N(Cr3C2-Ni)75(NiCr)25; Ti-
Si-N/substrate. Their physical, mechanical, and che-
mical properties were investigated using the metho-
ds: X-ray diffraction, X-ray phase analysis (XRD),
Rutherford back-scattering of helium ions 4He+
(RBS), scanning electron microscopy (SEM) with
micro analysis (EDS), measurements of hardness,
elastic modulus, and corrosion resistance in a salt
solution 2% NaCl. Also we performed an additional
micro analysis over transversal and cross-section of
the obtained coatings. A top nanocomposite coating
has the following content: Ti about 60%, N about
30% and Si about 10at.%. A bottom thick one had
the following content: WC about 86%, Co about
10%, Cr about 4%, (Cr3C2-Ni) about 75% and (NiCr)
about 25 at.%. We found the following phases: (Ti,
Si)N, TiN, WC, W2C, Cr3C2, Cr3Ni2, Cr, etc.
Hardness of Ti-Si-N/WC-Co-Cr coating reached 35
GPa (mean), an elastic modulus reached 286 ± 18
GPa. A coating deposited only to a steel (67KN)
demonstra-ted essentially higher hardness from 38
to 42GPa, the thick one containing a hard alloy
indicated lower hardness from 11.9 to 17.3 GPa
(WC-Co-Cr). A grain size of a combined coating (the
top Ti-Si-N coating) was 25 nm under 35 GPa
hardness, an a crystallite size of the coating, which
was deposited to the steel, was 12 to 15 nm under 38
to 42 GPa (mean), reaching in some cases 46 to 47
GPa. In comparison with the substrate the coating
wear resistance increased by a factor of 12, its cor-
rosion resistance in 2%NaCl – by a factor of 2 to 3.
БАГАТОКОМПОНЕНТНІ,
НАНОКОМПОЗИТНІ ПОКРИТТЯ НА
ОСНОВІ Tі-Sі-N, ЇХ СТРУКРТУРА ТА
ВЛАСТИВОСТІ
А.Д. Погребняк, В.М. Береснєв,
Ф.Ф. Комаров, М.В. Ільяшенко,
Н.К. Ердибаєва, Г.В. Кірик, Ю.Н. Тюрін,
О.В. Колісниченко, А.П. Шипіленко,
В.В. Углов, Ю.Ж Тулєушев, П.В. Турбін
Були отримані, за допомогою двох технологій,
вакуумно-дуговим осадженням із ВЧ розрядом і
плазмово-детонаційною технологією, наноком-
позитні багатокомпонентні покриття товщиною
(160 ÷ 320) µm на основі Ti-Si-N/WC-Co-Cr;
Ti-Si-N/(Cr3C2Ni)75-(NiCr)25; Ti-Si-N/steel. Дос-
лідження фізико-механічних характеристик про-
водилися за допомогою методів рентгенофазо-
вого аналізу (XRD), резерфордівського зворотно-
го розсіювання іонів 4He+ (RBS), растрової елек-
тронної мікроскопії (SEM з EDS) мікроаналізом,
вимірювання твердості та модуля пружності,
стійкості до корозії в середовищі 2% NaCl. До-
датково здійснювався мікроаналіз за поперечним
і косим шліфами. Покриття складаються з Ti ∼
60 at.%; N ∼ 30 at.%; Si от 7 до 10 at.%; WC ∼
86%; Co ~ 10 %; Cr ∼ 4 %; и (Cr3C2-Ni)75-(NiCr)25.
У комбінованому покритті виявлено такі фази (Ti,
Si)N; TiN; WC W2C; Cr3C2; Cr3Ni2; CrC. По-
криття з Ti-Si-N/WC-Co-Cr має твердість 35 GPa,
а модуль пружності 286 ± 18 GPa. У покритті на-
несеному лише на сталь твердість становить від
38 до 42 GPa, а в товстому покритті з WC-Co-Cr
помітно нижче – від H = 17,3 до 11,8 GPa. Ко-
розійна стійкість у середовищі 2% NaCl зросла у
порівнянні з підкладинкою зі сталі на (2,5 ÷ 3)
порядки. Стійкість зразків до зношування при
терті циліндра на поверхні також зросла у кілька
разів при порівнянні з товстим покриттям, і в 12
разів вище у порівнянні з підкладинкою. Розмір
зерен у комбінованому нанокомпозитному по-
критті становив 25 nm (при твердості до 35 GPa),
розмір зерен у тонкому покритті, осадженому на
сталь (12÷15) nm (при твердості від 37 до 42 GPa).
У комбінованому, нанокомпозитному покритті,
що складається з Ti-Si-N/(Cr3C2-Ni)75-(NiCr)25,
виявлені такі фази: у товстому покритті Cr3Ni2
(нижнє); (Ti; Si)N і TiN (верхнє покриття). Вияв-
лені додаткові фази: чистого Ni і Cr, а також, в
дуже малих кількостях, присутня фаза Ti9O17.
МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ, НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ Ti-Si-N, ИХ СТРУКРТУРА И СВОЙСТВА...
17. Погребняк А.Д., Тюрин Ю.Н. Модификация
свойств материалов и осаждение покрытий с
помощью плазменных струй//УФН. – 2005. –
Т. 175, № 5. – С. 514-543.
|