Строение и свойства мультислойных нанокомпозиционных покрытий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

3. Пырлина И.В. Риски и выбор оптимальных проектов: сервис-ориентированная архитектура информационных систем // Управление большими системами, 2013, № 45, с. 135-175.

4. Моделирование систем и процессов: учебник. / Волкова В.Н., Козлов В.Н. и др.- М.: Изд-во «ЮРАЙТ», 2015. -592 с.

5. Кудаков А.В. Автоматизированная система контроля и оценки знаний // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия «Информатика. Телекоммуникации, Управление», 2010. Т. 5, № 108, с. 221-229.

References

1. Alexander V. Rechinskii. Intellectual technologies and representation of knowledge. Automation of a creative process: tutorial / A.V. Rechinskii, A.M. Yashin. - SPb.: Polytechnic University Press, 2010. - p. 128.

2. T.A. Gavrilova, K.R. Chervinskaia, A.M. Yashin. Forming of the field of knowledge on example of psychodiagnostics // Transactions of the Russian Academy of Sciences. Theory and systems of control, 1988, No. 5, pp. 72-85.

3. I.V. Puirlina. Risks and selection of optimal projects: service-oriented architecture of information systems // Control of large systems, 2013, No. 45, pp. 135-175.

4. Modeling of systems and processes: handbook / V.N. Volkova V.N. Kozlov, others. - Moscow: Publishing house URAIT, 2015. - 592 p.

5. Alexander V. Kudakov. Automated system for inspection and assessment of knowledge // St. Petersburg State Polytechnic University Journal. "Computer Sciences, Telecommunication and Control Systems", 2010. Vol. 5, No. 108, pp. 221-229.

DOI: 10.18454/IRJ.2016.46.236 Кудряков О.В.1, Варавка В.Н.2, Забияка И.Ю.3, Морозкин И.С.4;

1 ORCID: 0000-0002-1462-4389, профессор, доктор технических наук, Донской государственный технический университет (г. Ростов-на-Дону, Россия); 2 профессор, доктор технических наук, Донской государственный технический университет; 3 аспирант, Донской государственный технический университет; 4 доктор технических наук, Ростовский-на-Дону государственный университет путей сообщения СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МУЛЬТИСЛОЙНЫХ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ

Аннотация

Работа посвящена изучению 2D-нанокомпозиционных материалов различных металлических и металлокерамических систем. Композиты получали путем ионно-плазменного осаждения в вакууме в виде мультислойных покрытий с толщиной слоев нанометрического диапазона. Типология исследованных покрытий включала чередующиеся слои покрытия различного химического состава в сочетаниях: металл-металл, металл-неметалл, металл-керамика, керамика-керамика. Приведены результаты металлофизического исследования структуры и свойств покрытий следующих систем: Ti/C, Ti/Mo, TiN/MoN, Ti/AlSi, TiN/AlSiN, Ti/Zr(Nb), TiN/Zr(Nb)N. Полученные данные актуальны, в частности, при использовании покрытий для защиты различных узлов энергетического, компрессорного, метеорологического оборудования от каплеударной эрозии.

Ключевые слова: нанокомпозиционные материалы, структура и свойства покрытий, индентирование, склерометрия.

Kudryakov O.V.1, Varavka V.N.2, Zabiyaka I.Yu.3, Morozkin I.S.4

1 ORCID: 0000-0002-1462-4389, Professor, PhD in Engineering, Don State Technical University (Rostov-on-Don, Russia); 2 Professor, PhD in Engineering, Don State Technical University; 3 Postgraduate student,

Don State Technical University; 4 PhD in Engineering, Rostov-on-Don State Transport University STRUCTURE AND PROPERTIES OF MULTILAYERED NANOCOMPOSITE COATINGS

Abstract

The paper is devoted to research of 2D-nanocomposite materials of various metal and ceramic-metal systems. Composites were received by ion-plasma sedimentation in vacuum in the form of multilayered coatings, which had a thickness of layers within nanometric range. The typology of the studied coatings included the alternating coat layers of various chemical composition in combinations: metal-metal, metal-nonmetal, metal-ceramics, ceramics-ceramics. Results of the metal-physical researches of coatings of the following chemical systems are given in the paper: Ti/C, Ti/Mo, TiN/MoN, Ti/AlSi, TiN/AlSiN, Ti/Zr(Nb), TiN/Zr(Nb)N. The received data are actual appropriated, in particular, for the coatings which are used for the protection of various units ofpower, compressor, meteorological equipment from droplet impingement erosion.

Keywords: nanocomposite materials, structure and properties of coatings, indentation, sclerometry.

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к использованию нанокомпозиционных покрытий, которые постепенно выбираются из научных лабораторий и находят промышленное применение. Во многом это связано с освоением и совершенствованием PVD-технологии ионно-плазменного вакуумного осаждения покрытий с магнетронным испарением.

Для исследования были выбраны 2D-нанокомпозиционные покрытия следующих металлокерамических систем: Ti/C, Ti/Mo, TiN/MoN, Ti/AlSi, TiN/AlSiN, Ti/Zr(Nb), TiN/Zr(Nb)N. Нанесение покрытий производилось на установке ионно-плазменного напыления с разбалансированной магнетронной системой испарения. Режимы осаждения покрытий подбирались таким образом, чтобы в соответствии с диаграммой Мовчана-Демчишина-Торнтона [1] обеспечивалось получение плотных (бездефектных, безпористых) наноразмерных слоев с нанокристаллической структурой и сжимающими напряжениями в покрытии.

Строение покрытий исследовалось с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) «Mira Tescan 3 LMU», работающего в широком интервале увеличений, включающем наноуровень структуры. Микроструктура

117

некоторых видов исследованных покрытий представлена на рисунке 1. В качестве типичного строения 2Б-нанокомпозиционного покрытия может рассматриваться рисунок 1а. Аналогичное строение имели покрытия систем Т1/С, Т1/7г(КЬ), Т1/Мо, ТШ/МоК Их характерной особенностью является наличие плотных бездефектных наноразмерных слоев без признаков зернистости толщиной 12...20 нм, которые четко просматриваются при больших увеличениях. На рисунке 1 в-г показан пример аморфизированной структуры покрытия, появлению которой способствует наличие кремния в системе. При этом слоистость наблюдается только в начальной стадии формирования покрытия (рисунок 1г). Аналогичные результаты получены и для покрытий системы Т1К/Л181К, что также характеризует наличие в них аморфной составляющей.

Таким образом, микроструктуры восьми отобранных вариантов металлических (Т1/Мо, Т1/7г(КЬ), №Сг/Л1), металлокерамических (Т1/С, Т1/Л181) и керамических (Т1ММоК, Т1К/7г(КЪ)К, Т1К/Л181К) систем характеризуют полученные покрытия как мультислойные с толщиной слоев, находящихся в нанометрическом диапазоне. При использованных значениях технологических параметров нанесения все системы обеспечивают технологически устойчивое получение 2Б-нанокомпозиционных покрытий за исключением систем, содержащих кремний. Покрытия с 81 имеют упорядоченное (модулированное) гетерогенное строение (рисунок 1г), одной из фаз которого является аморфная кремнийсодержащая фаза (в виде связующего). Поэтому с морфологической точки зрения их следует отнести к 3Б-нанокомпозитам.

/13.41 nm

т ^ ЩШШЙ

/ 9.60 nm i 12.З6 nm J 10.02 nm

nm

7 8 51 nm I 9.04 nm

i 10.65 nm

/ 9.38 nm

SEM HV: 5.0 kV WD: 11.01 mm I I MIRA3 TESCAN

View field: 0.440 urn

f rfstnm TJ35nm ^ 95 nm

A • ф W Y„ d6 nm

61 nm

i / ^4 nm

" Х58^т -Jnm J /92 nm 70 nm 64 nm yp

58 nm

- 1в2 nm z

59 nm 46 nm

SEM HV: 5.0 kV WD: 6.63 mm | | | | | | | | | | | MIRA3 TESCAN

View field: 2.00 мт Det: InBeam 500 nm

0.3 мт

SEM HV: 5.0 kV View field: 9.24 нт

WD: 11.00 mm Det: BSE

HMBtflFs i

MIRA3 TESCAN

в. г.

Рис. 1 - Микроструктура (СЭМ-изображения) нанокомпозиционных покрытий: а-б - система TiN/MoN; в-г - система Ti/AlSi; а,в,г - поперечное сечение покрытия; б - изображение поверхности

Физико-механические свойства покрытий исследовались с использованием метода индентирования при различных схемах нагружения образцов: дискретном (микротвердость), непрерывном однокоординатном (нанотвердость) и непрерывном двухкоординатном (царапание с изменяющейся нагрузкой). Для измерения микротвердости по Виккерсу (HV) применялся твердомер «DuraScan 20», использующий метод автоматического (электронно-оптического) измерения отпечатка. Измерение нанотвердости проводили на сканирующем нанотвердомере «NanoScan-3D» в режиме инструментального непрерывного индентирования. Для обеспечения измерений в нанодиапазоне при выборе нагрузки и скорости индентирования руководствовались рекомендациями ГОСТ 8.748-2011.

Для определения адгезии покрытия, устойчивости его к царапанию, коэффициента трения покрытия и основного металла, энергии разрушения и др. характеристик в микро- и нанодиапазонах использовали скретч-тестер с микро- и нано- модулями на базе открытой платформы CSM Instruments - универсального прибора для измерения целого ряда

а

характеристик методом царапания в режимах как с постоянной нагрузкой царапания, так и с переменной. В наших измерениях использован последний режим нагружения, который обеспечивает проникновение скрэтч-индентора через всю толщину покрытия в основной металл и для поставленных целей исследования дает более широкую картину свойств покрытия.

Обобщенные результаты измерений геометрических параметров покрытия, полученные методами СЭМ-металлографии, и прочностных свойств, полученных методом индентирования, представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Данные металлографии и индентирования образцов с нанокомпозиционными покрытиями

№ п/п Тип покрытия Микротвердость (при нагрузке 100 мН) Глубина отпечатка ho.oi, мкм Толщина покрытия Ь, мкм Толщина слоев, им Непрерывное индентирование

Нанотв ер-до сть, ГПа (при нагрузке 1 мН) Глубина отпечатка, им Модуль упругости Е, ГПа

1 Ti/AlSi 499-655НУо.о1 0,76-0,87 4,7-9,3 Аморф. 7,2 (3,44*)- _9 2** 50(280*)--173 148(76*)--232

2 Ti/Mo 776НУо.о1 0,70 4,32 - - - -

3 TiN/MoN 1974НУо,о1 0,44 5,32 8,5-14,6 - - -

4 Ti/C 482НУо,о1 0,89 2,2-2,9 10,1-12,5 7,1 50 179

5 Ti/Zr(Nb) 480НУо,о1 0,89 5,4 10-12 7,36 50 141

6 TiN/Zr(Nb)N 270НУо,о1 1,18 1,9-5,3 10,2-15,0 7,48 50 133

- - 7,1 25-30 3,95 40 180

7 TiN/AlSiN 948НУо.о1 0,64 5,1 Аморф. 8,01 45 166

* - при нагрузке 10 мН; ** - на поперечном микрошлифе

Несмотря на использование минимально возможной для прибора «DuraScan 20» нагрузки (10 г), измеренная микротвердость покрытий некоторых систем имеет значения ниже ожидаемых (см. таблицу 1). Это свидетельствует о влиянии «мягкой» подложки (аустенитная сталь) и характеризует микротвердость как менее надежный метод диагностики такого рода покрытий, чем нанотвердость.

Наиболее информативный массив данных с широким рядом прочностных характеристик получен с помощью CSM скрэтч-тестера. При испытаниях нанокомпозиционных покрытий всех исследованных систем использован режим нагружения с переменной нормальной нагрузкой, линейно возрастающей от 0,03 до 30 Н. Режим обеспечивал проникновение индентора через всю толщину покрытия в основной металл при скорости царапания 5 мм/мин. и скорости увеличения нагрузки 30 Н/мин. Время испытания составило 1 мин., а длина скрэтча - 5 мм.

В процессе нагружения прибор фиксирует графики изменения нагрузки и нормальной силы, коэффициента и силы трения, глубины проникновения индентора (в процессе приложения нагрузки) и остаточной глубины (после снятия нагрузки), а также сигнал с датчика акустической эмиссии (его рефлексы указывают на появление трещин). По микрофотографиям скрэтча (царапины), совмещенного с полученными графиками, определяются моменты появления трещин в покрытии, первого (Р1, р1) и полного (Р2, р2) его отслаивания.

Результаты выполненных измерений прочностных характеристик исследуемых покрытий с использованием многомодульного CSM скрэтч-тестера представлены в таблице 2.

Таким образом, из исследованных покрытий наиболее высоким комплексом прочностных свойств обладают нитридные системы нанокомпозитов. Положительное влияние на эти свойства оказывает также частичная (послойная) или полная (при наличии подслоя) аморфизация покрытий.

Таблица 2 - Результаты скрэтч-тестирования образцов с нанокомпозиционными покрытиями

№ п/п Тип покрытия Крит1гчес- кая прикладываемая нагрузка Р1,Н Критическая глубина* pi, мкм Средний коэфф. трения в покрытии й Средний коэфф. трения в подложке £2 Критическая тангенциальная сила N1, Н Усилие полного скалывания покрытия Р2,Н Критическая глубина* рг, мкм

1 Ti/AlSi 3.54-6.39 1.65-3.1 0.165-0.226 0.9 0.54-0.7 12.71-17.0 2.30-8.75

2 Ti/Mo - - 0.3-0.477 0.85 3.37 6.89 2.30

3 TiN/MoN 8.3 3.13 0.05-0.27 0.35-0.6 2.55 14.3 3.41

4 Ti/C 6.89 5.15 0.3-0.9 1.0 5.86 - -

5 Ti/Zr(Nb) 6.23 - 0.246 0.9 1.51 13.09 -

6 TiN/Zr(Nb)N 1.36-6.31 1.64-6.53 0.149-0.379 0.8-1.1 0.23-2.39 4.58-9.07 4.44-6.48

7 TiN/AlSiN 8.83 5.48 0.183 0.9 1.62 17.54 11.71

* - определяется по графику остаточной глубины

Качество ионно-плазменных покрытий, определяемое подготовкой поверхности подложки и технологическим режимом нанесения покрытий, существенно сказывается на их свойствах. Наличие в покрытии ростовых дефектов, пористости, напряжений, а также рельефа и несплошностей на поверхности подложки, резко снижает общий уровень прочности покрытия независимо от его состава. Как видно на примере покрытия системы TiN/Zr(Nb)N, все использованные методики индентирования чувствительны к подобным явлениям.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-08-06181). В других наших работах [2-4] представлен более широкий спектр исследований структуры и свойств нанокомпозиционных покрытий, в том числе их уникальные антиэрозионные свойства.

Литература

1. Anders А. A structure zone diagram including plasma based deposition and ion etching // Thin Solid Films: Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California. [Internet-resource with Local Identifier: LBNL Paper LBNL-2768E, 04-01-2010: http://www.escholarship.org/uc/item/3261x4bm ]

2. Varavka V.N., Kudryakov O.V., Ryzhenkov A.V., Kachalin G.V. and Zilova O.S. Application of Nanocomposite Coatings to Protect Power Equipment from Droplet Impingement Erosion //Thermal Engineering, 2014, Vol. 61, No. 11, pp. 797-803. (DOI: 10.1134/S0040601514110111)

3. Kudryakov O.V. and Varavka V.N. Integrated Indentation Tests of Metal-Ceramic Nanocomposite Coatings // Inorganic Materials, 2015, Vol.51, No.15, pp.1508-1515. (DOI: 10.1134/S0020168515150108)

DOI: 10.18454/IRJ.2016.46.048 Кузнецов А.С.1, Корнюшко В.Ф.2

Аспирант, 2доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Информационных систем в химической

технологии, Московский технологический университет ПРОЦЕССЫ СМЕШЕНИЯ И СТРУКТРИРОВАНИЯ ЭЛАСТОМЕРНЫХ СИСТЕМ КАК ОБЪЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ В ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

Аннотация

В статье с позиций системного анализа рассмотрена возможность объединения процессов смешения и структурирования в единую химико-технологическую систему получения изделий из эластомеров.

Ключевые слова: смешение, структурирование, система, системный анализ, управление, контроль, химико-технологическая система.

Kuznetsov A.S.1, Kornushko V.F.2

Postgraduate stadent, 2PhD in Engineering, Professor, Head of the department of Informational systems in chemical technology, Moscow State University MIXING AND STRUCTURING PROCESSES AS CONTROL OBJECTS IN CHEMICAL-ENGINEERING

SYSTEM

Abstract

The article describes the possibility of combining on the basis of system analysis the mixing and vulcanization processes in the unified chemical-engineering system of elastomer's products obtaining.

Keywords: mixing, structuring, system, system analysis, direction, control, chemical-engineering system.

Введение

Развитие химической промышленности невозможно без создания новых технологий, увеличения выпуска продукции, внедрения новой техники, экономного расходования сырья и всех видов энергии, создания малоотходных производств.[1,2]

Промышленные процессы протекают в сложных химико-технологических системах (ХТС), которые представляют собой совокупность аппаратов и машин, объединенных в единый производственный комплекс для выпуска продукции.

Современное производство изделий из эластомеров (получение эластомерного композиционного материала (ЭКМ), или резины) характеризуется наличием большого количества стадий и технологических операций, а именно: подготовка каучука и ингредиентов, развеска твердых и сыпучих материалов, смешение каучука с ингредиентами, формование сырой резиновой смеси - полуфабриката, и, собственно, сам процесс пространственного структурирования (вулканизации) резиновой смеси - заготовки для получения готового изделия с комплексом заданных свойств. [3,4]

Все процессы производства изделий из эластомеров тесно связаны между собой, поэтому точное соблюдение всех установленных технологических параметров необходимо для получения продукции надлежащего качества. Получению кондиционной продукции способствует использование различных методов контроля основных технологических величин на производстве в центральных заводских лабораториях (ЦЗЛ).[3]

Сложность и многостадийность процесса получения изделий из эластомеров и необходимость контроля основных технологических показателей подразумевают к рассмотрению процесса получения изделий из эластомеров в качестве сложной химико-технологической системы, включающей в себя все технологические стадии и операции, элементы анализа основных стадий процесса, их управления и контроля. [2]

1. Общая характеристика процессов смешения и структурирования

Получению готовой продукции (изделия с комплексом заданных свойств) предшествуют два основных технологических процесса системы производства изделий из эластомеров, а именно: процесс смешения и, собственно, вулканизация сырой резиновой смеси. Контроль за соблюдением технологических параметров этих процессов

120