CC BY
13протонами ядра, которые работают как антенны без нагрузки, то он и будет переизлучён с минимальными потерями, что и наблюдается в опыте.
Как известно процесс приёма электромагнитного излучения заключается в преобразовании электромагнитных волн, пришедших в точку расположения приёмной антенны, в направляемые электромагнитные волны, воздействующие на входное устройство приёмника. Это преобразование выполняется приёмной антенной. Поэтому элементы приёмной антенны должны обладать свойством электропроводимости - поскольку в данном случае
элементами антенны являются кварки, то следует предположить их электропроводимость и соответственно предположить, что они имеют составную линейную конструкцию.
А.П. Пудовкин, Ю.Н. Панасюк, А.А. Иванков Основы Теории Антенн
Рекомендовано Учебно-методическим
объединением по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия Тамбов Издательство ГОУ ВПО ТГТУ 2011 УДК 621.37(075/8) ББК А815я73 П881
ОСОБЕННОСТИ МНОГОФАЗНЫХ ПОКРЫТИЙ
Юров Виктор Михайлович
кандидат физ.-мат. наук, доцент Гученко Сергей Алексеевич докторант PhD Маханов Канат Мэтович
кандидат физ. -мат. наук, доцент Карагандинский государственный университет имени Е.А. Букетова,
Казахстан, Караганда
MULTI-PHASE COATING FEATURES
Yurov Viktor
Candidate of phys.-mat. sciences, associate professor
Guchenko Sergey PhD student Makhanov Kanat Matovich
Candidate of phys.-mat. sciences, associate professor Karaganda State University named after EA. Buketova,
Kazakhstan, Karaganda
Аннотация
Одна из ключевых проблем, которые следует решить при создании нанокомпозиционных магнетронных покрытий, - генерация многокомпонентных потоков, осаждаемых на подложку. В настоящее время для понимания механизмов формирования различных функциональных и нанокристаллических покрытий и управления их качеством необходимо использовать широкий набор методов исследования. Поэтому в настоящем работе представлены использованные нами методы исследования физико-механических и физико-химических свойств исследуемых покрытий.
В работе обнаружено образование сверхтвердых покрытий, полученных при одновременном распылении титанового катода и мишени 12Х18Н10Т в среде азота, когда происходит образование нитридных фаз;
Этот результат имеет важное практическое значение для упрочнения деталей механизмов и машин различных отраслей промышленности, в том числе и для деталей агрегатов тепловых электростанций.
Abstract
One of the key problems that should be solved when creating nanocomposite magnetron coatings is the generation of multicomponent flows deposited on a substrate. At present, to understand the mechanisms of formation of various functional and nanocrystalline coatings and control their quality, it is necessary to use a wide range of research methods. Therefore, this work presents the methods we used to study the physicomechanical and physicochemical properties of the coatings under study.
The work revealed the formation of superhard coatings obtained by simultaneous sputtering of a titanium cathode and a 12X18H10T target in a nitrogen medium when nitride phases form;
This result is of great practical importance for hardening the details of mechanisms and machines of various industries, including for parts of units of thermal power plants.
Ключевые слова: покрытие, магнетрон, нанокомпозит, поверхность, напыление
Key words: coating, magnetron, nanocomposite, surface, sputtering.
Наиболее перспективными для получения наноструктурированных покрытий являются
вакуумные ионно-плазменные методы: магнетронного распыления, ионного и вакуумно-дугового осаждения. Это связано с тем, что кроме термического фактора появляются и другие -высокие степень ионизации, плотность потока и энергия частиц. Качество покрытия можно регулировать путем изменения температуры подложки, давления рабочего газа, потенциала подложки и других технологических параметров [1].
Получение нанокомпозитов с помощью магнетронных и ионно-плазменных методов требует осаждения на подложку многокомпонентных потоков. В большинстве случаев синтез покрытий сложного элементного состава реализуется путем послойного или одновременного осаждения на подложку в атмосфере реакционных газов потоков от двух источников: ионных [2], магнетронных [3], вакуумно-дуговых [4] и их комбинации [5].
Одна из ключевых проблем, которые следует
решить при создании нанокомпозиционных магнетронных покрытий, - генерация многокомпонентных потоков, осаждаемых на подложку.
В настоящем исследовании мы синтезировали мишени Сг-Мп-81-Си-Ре-Л1, Бе-Си-А1, Бе-Мп-Си-Л1 и некоторые другие. Использовались также титановые, медные, алюминиевые мишени и мишени из стали 12Х18Н10Т для одновременного распыления при получении многослойных и многофазных покрытий.
Получение многофазных мишеней проводилось в вакуумной печи, показанной на рисунке 1а, путем плавления исходной смеси металлов. Для получения мишеней диаметром 100 мм и толщиной 8 мм, была изготовлена графитовая форма, показанная на рисунке 1б. Вид мишеней, полученных таким способом, показан на рисунке 1в.
Рисунок 1 - Двухколпачковая вакуумная печь (а), графитовая форма для плавки металла (б), вид мишеней, полученных методом вакуумной плавки (в).
В наших исследованиях использовался оптический металлографический микроскоп «Эпиквант». Общее увеличение микроскопа равно произведению увеличения объектива на увеличение окуляра, так как изображение предмета увеличивается в объективе и окуляре. Увеличение современных металлографических микроскопов «Эпиквант» может быть от 60 крат до 1500 при визуальном наблюдении и до 2000 крат при фотографировании.
Электронно-микроскопическое исследование было проведено на растровом электронном микроскопе MIRA 3 фирмы TESCAN. Исследования проводились при ускоряющем напряжении 20 кВ и рабочем расстоянии около 15 мм. Для каждого образца было сделано по 4 снимка с 4 точек поверхности при разных увеличениях: 245 крат, 1060 крат, 4500 крат и 14600 крат. Путем энергодисперсионных спектров по специальной программе PHI-RHO-Z были определены концентрации элементов. Концентрации элементов определены использованием аналитических сигналов Al Ka, Si Ka, Cr Ka, Mn Ka, Fe Ka, Cu К
имеющие максимальные интенсивности. При определении значения массовых (G, %) концентраций элементов по PHI-RHO-Z были применены метод Bence и Albee. Для исследования поверхности покрытий в наномасштабе нами использовался атомно-силовой микроскоп NT-206.
Большая часть экспериментальных данных получена нами в Материаловедческом центре коллективного пользования при Томском государственном университете (г.Томск, Россия). Толщина покрытий и их элементный состав измерялись с помощью электронного микроскопа Quanta 200 3D, который представляет собой систему с электронным и сфокусированным ионным пучками. Исследование фазового состава и структурных параметров образцов проводилось на дифрактометре XRD-6000 на CuKa-излучении. Анализ фазового состава, размеров областей когерентного рассеяния, упругих напряжений (Ad/d) проведен с использованием баз данных PCPDFWIN и PDF4+, а так же программы полнопрофильного анализа POWDER CELL 2.4. Для образцов была определена нанотвердость
покрытий с помощью системы наноидентирования по методу Оливера и Фара с использованием индентера Берковича при нагрузке 1 г и выдержки 15 с.
Нами использовался микротвердомер HVS-1000А. Данный прибор разработан с использованием последних достижений в механике, оптике, электронике и компьютерных технологиях для проведения испытаний на твердость металлических и неметаллических материалов, особо мелких деталей или тонких
закаленных слоев. В результате прибор способен обеспечивать стабильными и достоверными высокоточными результатами. Он так же может использоваться для исследования структуры металлических материалов и для определения распределения цементита по поверхности и экспериментов с определением твердости по методу Кнупа.
Для исследования элементного состава были сделаны три пробы на разных участках выбранной площадки покрытия Сг-Мп-81-Си-Ре-Л1 (рис. 2).
Ж
а) б) в)
Рисунок 2 - РЭМ-покрытия (а), толщина покрытия (б), РФЭС покрытия Cr-Mn-Si-Cu-Fe-Al (в).
На рисунке 2в показан элементный состав покрытия в одной точке выбранной площадки. В таблице 1 приведены процентные соотношения химических элементов покрытия. Для образца № 1 была определена нанотвердость покрытия Сг-Мп-81-Си-Бе-Л1 в газовой среде азота, которая равна 7,413 ГПа, что соответствует 686,57 единицам твердости
по методу Виккерса. Было определены: модуль текучести данного покрытия, который равен 169,51 ГПа, текучесть составляет 0,68 %, и релаксация покрытия равна 0,05%. Для определения всех выше перечисленных параметров было определено число Пуассона для покрытия Сг-Мп-81-Си-Ре-Л1 в газовой среде азота, равное приблизительно 0,30.
Таблица 1
Фазовый состав покрытия Сг-Мп-81-Си-Рс-Л1 в среде азота
Образец Обнаруженные фазы Содержание фаз, об.% Параметры решетки, А Размеры ОКР, нм
Образец Сг-Мп-81-Си-Ре-Л1 в среде азота, 40 мин РеК0.0324 60,6 а = 3,598 103,4
TiN0.31O0.31 39,4 а = 4,211 25,6
На образец № 2 из нержавеющей стали было нанесено покрытие 12Х18Н10Т+Т1 в газовой среде азота в течение 40 мин. На рис. 3а показано электронно-микроскопическое изображение (РЭМ) покрытия 12Х18Н10Т+Т1 в газовой среде азота модельного образца до начала исследовании (а), Для измерения толщины нанесенного слоя
покрытия 12Х18Н10Т+Т1 в газовой среде азота модельного образца № 2 на его поверхности была вырезана площадка сфокусированным ионным пучком. Толщина слоя составляет 1,5 микрона. На рис. 3б показана толщина покрытия в газовой среде азота модельного образца № 2, а на рис. 3в -элементный состав покрытия.
а) б) в)
Рисунок 3 - РЭМ-покрытия (а), толщина покрытия (б), РФЭС покрытия12Х18Н10Т+ ^
в газовой среде азота (в).
Результаты исследования фазового состава и структурных параметров приведены в таблице 2.
Таблица 2
Фазовый состав покр рытия 12Х18Н10Т+Т в газовой среде азота
Образец Обнаруженные фазы Содержание фаз, об.% Параметры решетки, А Размеры ОКР, нм
12Х18Н10Т+Т1 РеКо,оз24 9,8 а = 3.592 10,35
в газовой среде ™ 85,5 а = 4,240 14,71
азота Бе-а 4,6 а = 2.864 7,29
Для образца № 2 была определена нанотвердость покрытия 12Х18Н10Т с Т в газовой среде азота, которая равна 35,808 ГПа, что соответствует 3 316, 2 единицам твердости по методу Виккерса. Были определены: модуль текучести покрытия 12Х18Н10Т с Т1 в газовой среде азота, который равен 378,56 ГПа, текучесть его составляет 0,15 %, и релаксация покрытия равна 0,05 %. Для определения всех выше перечисленных параметров было определено число Пуассона для покрытия 12Х18Н10Т с Т в газовой среде азота
равное приблизительно 0,27.
На образец № 3 из нержавеющей стали так же было нанесено покрытие 12Х18Ш0Т+Т1 в газовой среде аргона в течение 40 мин. На рис. 4а показано электронно-микроскопическое изображение
покрытия 12Х18Ш0Т+Т1 в газовой среде аргона образца до начала исследования. Толщина слоя составляет 989,98 нм. На рис. 4б показана толщина покрытия 12Х18Ш0Т+Т1 в газовой среде аргона образца № 3, а на рис. 4в - элементный состав покрытия.
а) б) в)
Рисунок 4 - РЭМ-покрытия (а), толщина покрытия (б), РФЭС покрытия 12Х18Н10Т+Т1 в газовой среде аргона (в)
Из приведенных выше экспериментальных данных следует, что при нанесении покрытий в течение 40 минут формируются покрытия толщиной (1-1,5) мкм. Элементный анализ показал высокое содержание Сг в покрытии Сг-Мп-81-Си-Бе-Л1 в газовой среде азота - 89,09 %. Покрытие 12Х18Н10Т+Т1 в газовой среде азота содержит 73 % Т1, а покрытие 12Х18Н10Т+Т1 в газовой среде
аргона имеет высокое содержание Бе - 64,96 %.
Данное исследование элементного состава показало, что все элементы рабочих мишеней присутствуют в их покрытиях, однако соотношение между ними может значительно изменяться. Это хорошо видно из сравнения РФЭС-спектров катода, полученного нами в [6] (рис. 5), и РФЭС покрытия, показанного на рис. 2.
Рисунок 5 - РФЭС-катода Сг-Мп-Б1-Си-Ее-Л1 [6]
В первом и во втором покрытиях в результате ионно-плазменной обработки образовались нитриды, что и оправдывает возрастание их нанотвердости. В третьем покрытии нанотвердость увеличилась незначительно относительно нанотвердости подложки.
Для покрытия Сг-Мп-81-Си-Ре-Л1 в газовой среде азота нанотвердость равна 7,413 ГПа, для покрытия 12Х18Н10Т+Т1 в газовой среде азота 35,808 ГПа и для покрытия 12Х18Н10Т+Т1 в газовой
Результат сравнения показывает, что нанотвердость покрытия 12Х18Н10Т+Т1 в среде азота превосходит все представленные в таблице 3 материалы, среди которых последние три используются как упрочняющие и абразивные покрытия.
Структурно-фазовый анализ выявил, что покрытие Сг-Мп-81-Си-Ре-Л1 в газовой среде азота имеет две фазы Ре^.0Э24 - 60,6 %, ™ - 39,4 %, покрытие 12Х18Н10Т+Т1 в газовой среде азота имеет три фазы Ре^.0Э24 - 9,8 %, TiN - 85,5 %, Ре - а - 4,6 %. Последнее обстоятельство приводит к резкому возрастании нанотвердости. В табл. 4 приведены свойства нитридных покрытий.
Видно, что и в этом случае твердость
В процессе одновременного распыления различных катодов ионы металлов перемешиваются в плазме и, после осаждения, формируют покрытие.
Заключение.
В настоящей работе показано:
- исследован структурно-фазовый состав многофазных покрытий;
- обнаружено образование сверхтвердых покрытий, полученных при одновременном распылении титанового катода и мишени 12Х18Н10Т в среде азота, когда происходит образование нитридных фаз;
- этот результат имеет важное практическое значение для упрочнения деталей механизмов и машин различных отраслей промышленности, в том числе и для деталей агрегатов тепловых электростанций.
среде аргона она равна 3,339 ГПа. Из приведенных данных следует, что наибольшей нанотвердостью обладает покрытие 12Х18Н10Т+Т1, полученное одновременным распылением титанового катода и катода из нержавеющей стали в газовой среде азота. Представляет интерес сравнение полученных результатов с известными данными по наноиндентированию других материалов. Такие данные представлены в табл. 3.
Таблица 3
покрытий 12Х18Н10Т+Т1 в газовой среде азота (35,808 ГПа) превосходит твердость всех представленных в таблице 3 покрытий.
Одна из ключевых проблем, которые следует решить при создании нанокомпозиционных ионно-плазменных покрытий - генерация многокомпонентных потоков, осаждаемых на подложку. Основная идея, использованная в настоящей работе, заключалась в следующем: для генерации многокомпонентных потоков ионов различных металлов, осаждаемых на подложку, мы использовали многофазный композиционный катод на одной пушке вакуумной установки и однофазный катод из титана на другой пушке.
Таблица 4
Работа выполнена по программе МОН РК. Гранты №0118РК000063 и №Ф.0781.
Литература
1. Юров В.М., Вертягина Е.Н., Гученко С.А. и др. Влияние технологических параметров на свойства композиционных покрытий Mn-Fe-Cu-Al // Вестник развития науки и образования, 2011. - № 2. - С. 18-22.
2. Watanabe H., Sato Y., Nie C. et al. The mechanical properties and microstructure of Ti-Si-N nanocomposite films by ion pfliting //Surf. and Coat. Technol. - 2003. - V. 169-170. - P. 452-455.
3. Carvalho S., Ribeiro E/, Rebouta L. et al. Effect of morphology and structure on the elastic behavior of (Ti, Si, Al) N nanocomposites // Surf. and Coat. Technol. - 2003. -V. 174-175. - P. 984-991.
Свойства материалов, рассчитанные по данным наноиндентирования [7]
Материал Н, ГПа Е, ГПа R, %
Титан (ОТ4-1) 4,1 130 19
Многослойная пленка Т/а-С:Н 8,0 128 34
Аморфная лента 2г-Си-Т1-№ 11,5 117 42
Кремний (100) 11,8 174 62
Тонкая пленка Т1-81^ 28,4 295 62
Свойства нитридных покрытий [8
Нитрид Температура плавления покрытия 0С Микротвердость покрытия ГПа Электропроводность покрытия, мкОм-1 м- 1 Поверх. натяжение покрытия, Дж/м2 Поверх. натяжение металла, Дж/м2
TiN 2945 20,0 40 0,474 1,933
ZrN 2955 16,0 18 0,518 2,125
HfN 3330 22,0 32 0,610 2,503
NbN 2320 14,0 78 0,670 2,741
TaN 3360 17,5 180 0,735 3,014
4. Flink A., Larson T., Sjolen J. at. al. Influence of Si on the microstructure of are evaporated (Ti, Si)N thin films; evidence for cubic solid solutions and their thermal stability // Surf. and Coat. Technol .- 2005. -V. 200. - P. 1535-1542.
5. Li Z.G., Mori M., Miyake S. at. al. Structure and properties of Ti-Si-N films prepared by ISP assisted magnetron spattering // Surf. and Coat. Technol. - 2005. -V. 193. - P. 345-349.
6. Гученко С.А., Ибраев Н.Х., Афанасьев
Д.А. Композиционные катоды для ионно-плазменных покрытий // Вестник КарГУ, сер. Физика, 2009. - № 4 (56). - С. 41-47.
7. Головин Ю.И. Наноиндентирование и механические свойства материалов в наношкале (обзор) // ФТТ, 2008. - Т. 50. - № 12. - С. 2113-2142.
8. Юров В.М., Лауринас В.Ч., Гученко С.А. и др. Структура и свойства многофазных ионно-плазменных покрытий. - Караганда: Изд-во Казахстанско-Российского ун-та, 2013. - 150 с.
