CC BY
30
УДК 538.971 + 62-761
Влияние локальной кривизны границы раздела «покрытие - подложка» на деформацию и разрушение керамических покрытий при одноосном растяжении
А.Р. Шугуров1, А.В. Панин12
1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634055, Россия 2 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск, 634050, Россия
Методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии исследованы закономерности разрушения покрытий SiAlN на подложках Cu при одноосном растяжении. Показано, что скалывание покрытий происходит в зонах локальной кривизны границы раздела «SiAlN - Cu», образующихся в результате скольжения дислокаций в подложке. Предварительная ионная бомбардировка подложки позволяет подавить выход дислокаций на границу раздела ««покрытие - подложка», а также повысить адгезионную прочность покрытий и предотвратить их краевое отслоение. В то же время возникающая в результате ионной бомбардировки волнистая граница раздела «покрытие - подложка» приводит к появлению нормальных к ней напряжений, которые обусловливают коробление и скалывание покрытий в областях положительной локальной кривизны границы раздела.
Ключевые слова: покрытия, граница раздела, ионная бомбардировка, кривизна, одноосное растяжение, разрушение
Effect of local curvature of the coating-substrate interface on deformation and fracture of ceramic coatings under uniaxial tension
A.R. Shugurov1 and A.V. Panin1-2
1 Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634055, Russia 2 National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia
Scanning electron microscopy and atomic force microscopy have been applied to study the fracture of Si-Al-N coatings on Cu substrates under uniaxial tension. It is shown that coating chipping occurs in the zones of local curvature of the Si-Al-N-Cu interface which form due to dislocation glide in the substrate. Preliminary ion bombardment of the substrate suppresses dislocation-induced kinking at the coating-substrate interface and increases the adhesive strength of the coatings, thus preventing their edge delamination. At the same time, the wavy coating-substrate interface resulting from ion bombardment gives rise to normal stresses that lead to the buckling and spalling of the coatings in the zones of positive local curvature of the interface.
Keywords: coatings, interface, ion bombardment, curvature, uniaxial tension, fracture
1. Введение
Кривизна границы раздела «пленка - подложка» является одним из ключевых факторов, оказывающих влияние на развитие и распределение напряжений в тонких пленках и покрытиях, а также на зарождение и распространение трещин в системе «покрытие - подложка» [1-4]. Основная причина влияния кривизны границы раздела «пленка - подложка» на разрушение пленок и покрытий связана с возникновением в области кривизны напряжений нормальных к границе раздела, которые могут приводить к отслоению пленки от подложки. По-
скольку граница раздела может иметь области как положительной (выпуклость), так и отрицательной кривизны (вогнутость), а также испытывать перегиб, то ее локальная кривизна может как усиливать, так и подавлять отслоение пленки от подложки. Понимание роли кривизны границы раздела в деформации и разрушении тонких пленок и покрытий весьма важно для повышения их надежности, особенно учитывая необходимость их осаждения на гибкие подложки [5] и детали сложной формы [4].
Роль кривизны границы раздела удается наглядно продемонстрировать при одноосном растяжении кера-
© Шугуров А.Р., Панин A.B., 2016
мических покрытий на металлической подложке. Несмотря на то что при одноосном растяжении системы «покрытие - подложка» нагрузка прикладывается только вдоль одного направления, напряженно-деформированное состояние покрытия является сложным вследствие целого ряда причин. К ним относятся неоднородный перенос напряжений между покрытием и подложкой, наличие в покрытии двухосных остаточных напряжений, а также поперечное сжатие покрытия, вызванное сужением подложки. В зависимости от механических характеристик покрытия, подложки и границы раздела между ними могут реализовываться различные виды разрушения покрытий [6]. Слабая граница раздела способствует краевому отслоению покрытий либо их короблению с последующим скалыванием с подложки. Напротив, высокая прочность границы раздела «покрытие - подложка» препятствует распространению вдоль нее трещин и отслоению покрытий. В этом случае основным видом разрушения при одноосном растяжении становится поперечное растрескивание покрытий, что позволяет в значительной мере сохранить их защитные функции. Однако возникновение в зонах высокой локальной кривизны границы раздела нормальных к ней растягивающих напряжений может приводить к скалыванию покрытий даже в случае их высокой адгезионной прочности.
Эффективным методом повышения прочности границы раздела «покрытие - подложка» является ионная бомбардировка поверхности металлической подложки [6]. Во-первых, она способствует росту шероховатости поверхности подложки, которая обеспечивает увеличение механического сцепления покрытия и подложки [7]. Во-вторых, в результате ионной бомбардировки на границе раздела формируются смешанные фазы (например силициды и нитриды [6]), которые также обусловливают повышение адгезионной прочности покрытий. С другой стороны, подобная обработка может приводить к росту локальной кривизны границы раздела, которая оказывает существенное влияние на характер разрушения покрытий. В этой связи в данной работе рассмотрены механизмы разрушения при одноосном растяжении покрытий SiAlN, нанесенных на предварительно полированные подложки Си и подвергнутые бомбардировке ионами Zr.
2. Методика эксперимента
Покрытия SiAlN наносили на подложки из меди М1 (99.94 % Си) в состоянии поставки, изготовленные в форме двусторонней лопатки с размерами рабочей части 30x5x1 мм. Подложки подвергали шлифовке и полировке, после чего часть из них бомбардировали пучком ионов Zr+ с помощью вакуумно-дугового импульсного ионного источника при потенциале смещения на подложке -900 В и токе дугового разряда 60 А. Длительность ионной бомбардировки составляла 3 мин.
Покрытия осаждали методом магнетронного распыления мишени из сплава SiAl (90 ат. % Si и 10 ат. % Al) в реактивной среде из смеси газов аргона и азота при температуре 350-450 °С. Толщина покрытий составляла 3.3-3.5 мкм.
Микроструктуру и фазовый состав покрытий SiAlN исследовали методом рентгеновской дифракции на диф-рактометре ДРОН-7 с использованием CoKa-излучения. Измерение твердости и модуля упругости покрытий и подложек выполняли на нанотвердомере NanoTest с использованием пирамидки Берковича.
Одноосное статическое растяжение образцов проводили на испытательной машине Instron при комнатной температуре со скоростью нагружения 0.3 мм/мин. Изменение рельефа на лицевой поверхности композиций «покрытие - подложка» изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа EVO 50, а также атомно-силового микроскопа Solver HV, работающего в контактном режиме.
3. Результаты и их обсуждение
3.1. Покрытия SiAlN на исходной подложке Cu
Разрушение покрытий SiAlN на полированных подложках Cu (среднеквадратичная шероховатость подложки на участке поверхности размером 100х 100 мкм2 составляет 22 нм) начинается с формирования большого числа поперечных трещин, зарождающихся на свободной поверхности покрытия и распространяющихся к границе раздела с подложкой. С увеличением степени деформации подложки характер разрушения покрытий определяется конкуренцией между образованием новых поперечных трещин внутри фрагментов покрытия и отклонением трещин вдоль границы раздела «покрытие - подложка». Последнее приводит к локальному отслоению и скалыванию фрагментов покрытия, которое начинается при деформации е = 5 % и усиливается при дальнейшем нагружении. Скалывание покрытия наиболее выражено в середине рабочей части образца (рис. 1, а, б), в то время как вблизи захватов испытательной машины наблюдаются лишь единичные области отслоения (рис. 1, в). При этом развиваются два различных механизма отслоения покрытия. Более частым является краевое отслоение фрагментов покрытия, когда связь покрытия с подложкой сохраняется в средней части фрагмента либо с одного из его краев (рис. 1, а). Однако наблюдается также коробление фрагментов покрытия, при котором происходит их поперечный изгиб (рис. 1, б, в).
На участках, где имеет место скалывание покрытия SiAlN, на поверхности подложки выявляются многочисленные следы скольжения, обусловленные ее пластической деформацией (рис. 1, г). Дислокации, распространяющиеся в приповерхностном слое подложки, приводят к возникновению ступенек на границе раздела
Рис. 1. Отслоение покрытий SiAlN при одноосном растяжении: краевое отслоение фрагментов покрытия (а); коробление фрагментов покрытия (б, в); следы скольжения на поверхности подложки Си после скалывания покрытия (г). е = 5 (а-в) и 6 % (г). Сканирующая электронная микроскопия
«покрытие - подложка», что сопровождается локальным изгибом покрытия. Известно, что подобные ступеньки обычно образуются в случае слабой границы раздела и способствуют локальному отслоению покрытия [8, 9]. При этом чем больше высота ступенек, тем сильнее локальная кривизна покрытия и тем больше размер областей его отслоения [9]. Под действием напряжений микротрещины, возникающие на краях ступенек, распространяются вдоль границы раздела и объединяются в макротрещины (рис. 2, а). Этот процесс наиболее интенсивно развивается вблизи краев фрагментов покрытия, образовавшихся в результате его поперечного растрескивания, поскольку именно там сдвиговые и нормальные напряжения на границе раздела достигают максимальных значений [10]. Причем поскольку в процессе нагружения имеет место внецентренное растяжение покрытия подложкой, то возникающий из-за этого внутренний изгибающий момент на краях фрагментов направлен таким образом, что стремится отслоить их,
т.е. способствует развитию в данных областях растягивающих напряжений нормальных к границе раздела. Именно поэтому в эксперименте преимущественно наблюдается краевое отслоение фрагментов покрытия SiAlN (рис. 1, а).
Коробление покрытий связано с их поперечным сжатием в процессе нагружения. На стадии упругой деформации подложки поперечное сжатие покрытия обусловлено тем, что медная подложка, обладающая большим коэффициентом Пуассона (уСи = 0.34), сужается в направлении перпендикулярном оси растяжения существенно сильнее, чем покрытие ~ 0.2). Пластическая деформация подложки приводит к дальнейшему сужению ее рабочей части, в то время как твердое и хрупкое покрытие практически не испытывает пластической деформации и, следовательно, сужения в поперечном направлении. Как следствие, в покрытии развиваются сжимающие напряжения, направленные перпендикулярно оси растяжения.
Рис. 2. Локальное отслоение покрытия, обусловленное образованием дислокационных ступенек на поверхности подложки, в условиях растягивающих (а) и сжимающих напряжений (б)
Сжимающие напряжения способны приводить к короблению исследованных покрытий в областях, где отсутствует их связь с подложкой. Это может иметь место либо на участках границы раздела, где связь между покрытием и подложкой была изначально нарушена какими-либо дефектами, либо там, где образуются дислокационные ступеньки на поверхности подложки и, следовательно, области локального отслоения покрытия. Причем, в отличие от краевого отслоения покрытия, его коробление может происходить в любой части фрагмента. Поперечное сжатие покрытия приводит к возникновению внутреннего изгибающего момента в областях его перегиба, где ступеньки на границе раздела вызывают нарушение его связи с подложкой. Этот изгибающий момент обусловливает развитие по краям области отслоения покрытия растягивающих напряжений нормальных к границе раздела, которые способствуют увеличению ее размеров и короблению покрытия (рис. 2, б). Однако если для распространения краевого отслоения покрытия требуется, чтобы линейный размер исходной области отслоения составлял 1h - 2h (к — толщина покрытия), то для коробления покрытия необходимо, чтобы он был не менее 20к [11, 12]. Поэтому коробление покрытий SiAlN происходит гораздо реже краевого отслоения и преимущественно наблюдается на участках границы раздела с высокой плотностью следов скольжения.
Проведенные исследования показали, что наблюдаются два различных вида коробления покрытий SiAlN. В первом случае происходят отслоение и изгиб длинных полосок покрытия. Кривизна изгиба этих полосок невелика, так что они не подвержены растрескиванию (рис. 1, б). Подобные области коробления наблюдаются преимущественно в центральной части образца, где на стадии образования шейки подложка испытывает наиболее интенсивную деформацию и наибольшее сужение. Другой тип коробления покрытия SiAlN имеет место ближе к захватам и характеризуется отслоением и изгибом небольших фрагментов. Изгиб данных фрагментов оказывается гораздо сильнее и сопровождается образованием трещин в областях их максимальной локальной кривизны в центре и по краям области коробления (рис. 1, в).
Известно, что коробление протяженных участков пленок и покрытий, которое характеризуется небольшой кривизной изгиба, имеет место в случае слабых границ раздела «покрытие - подложка», в то время как коробление с сильной кривизной происходит при высокой прочности границы раздела, когда энергия ее разрушения превышает ~1.2 Дж/м2 [13]. Иными словами, чем выше прочность границы раздела, тем сильнее должен быть изгиб покрытия, для того чтобы размер начальной области коробления начал увеличиваться. Повышение кривизны изгиба покрытия обеспечивает рост изгибающего момента по периметру области коробления и, сле-
довательно, растягивающих напряжений нормальных к границе раздела, которые вызывают дальнейшее отслоение покрытия от подложки. При этом не только увеличивается абсолютная величина данных напряжений, но и возрастает относительный вклад моды I деформации (отрыва) в деформирование границы раздела [1, 10]. Последнее, в свою очередь, обусловливает снижение прочности границы раздела, поскольку удельная работа ее разрушения при нормальном отрыве примерно в 5 раз меньше, чем в условиях чисто сдвиговой деформации [1].
Из вышесказанного следует, что прочность границы раздела «покрытие SiAlN - подложка Си» существенно ниже в центральной части образца, чем у захватов. Поскольку можно полагать, что после нанесения покрытий прочность границы раздела была одинаковой по всей площади образцов, то ее снижение в центральной части, очевидно, связано с высокой плотностью дислокационных ступенек на границе раздела и, следовательно, с образованием зон ее высокой локальной кривизны, в которых происходит перегиб покрытий. Наличие большого числа участков локального отслоения приводит к быстрому росту размеров области коробления, так что кривизна изгиба покрытия оказывается небольшой и не вызывает его растрескивания. Вблизи захватов пластическая деформация подложки, а следовательно, и плотность ступенек на ее поверхности существенно меньше. Это препятствует распространению в этих областях трещин по границе раздела и образованию протяженных областей коробления покрытия. Немногочисленные наблюдающиеся зоны коробления, по-видимому, возникают на участках, где связь между покрытием и подложкой была нарушена из-за дефектов, образовавшихся в процессе нанесения. Малая плотность ступенек на границе раздела, которые являются зародышами микротрещин, приводит к тому, что размер области коробления не увеличивается с повышением степени деформации образца, что обусловливает рост амплитуды и кривизны изгиба покрытия и, как следствие, его растрескивание.
Размер этих областей коробления позволяет оценить величину сжимающих напряжений, развивающихся перпендикулярно к оси нагружения образца. Критическое напряжение для цилиндрического коробления, которое имеет место в случае исследованных покрытий SiAlN, определяется как [14]
. п2 (h f -^ = ——
121 b
(1)
где Ь — полуширина области коробления; к — толщина покрытия; Ес — модуль плоской деформации покрытия. С учетом того что толщина покрытия составляла 3.5 мкм, модуль плоской деформации 137 ГПа, а минимальная полуширина наблюдающихся областей коробления 23 мкм, получаем из (1), что сть = 2.6 ГПа.
С другой стороны, величину сжимающих напряжений в поперечном направлении можно оценить с помощью закона Гука. На стадии возникновения коробления покрытия при степени деформации подложки 8 = 5% поперечное сужение образца составляло ~0.5 %. Поэтому, используя модуль упругости данных покрытий SiAlN (132 ГПа), получаем, что напряжения, непосредственно вызванные поперечным сжатием покрытия, составляют ~0.7 ГПа. Так как по данным рентгеновской дифракции в этих покрытиях после нанесения развивались остаточные сжимающие напряжения ~1.7 ГПа, то суммарная величина напряжений в поперечном направлении составляет ~2.4 ГПа, что достаточно хорошо согласуется с оценкой a b.
3.2. Покрытия SiAlN на подложке Cu, подвергнутой предварительной ионной бомбардировке
Предварительная ионная бомбардировка подложки Cu привела к насыщению ее поверхностного слоя цирконием, а также к увеличению его шероховатости. Еще одним следствием бомбардировки подложки явилось повышение ее твердости с 0.9 до 6.7 ГПа. Наряду с изменением химического состава поверхностного слоя подложки повышение его твердости связано с развитием в нем сжимающих напряжений. Одним из факторов, приводящих к этому, является так называемый «атомный наклеп» (atomic peening) [15]. Поскольку распыляемые ионы Zr обладают высокой кинетической энергией, то при соударении с подложкой Cu часть из них внедряется в междоузлия кристаллической решетки ее поверхностного слоя, вызывая ее избыточное уплотнение и дисторсию. Другой причиной сжимающих напряжений является сильный нагрев подложки в процессе обработки. Так как цирконий обладает существенно меньшим коэффициентом термического расширения, чем медь, то во время охлаждения основной объем подложки сжимается быстрее, чем ее модифицированный поверхностный слой, что обусловливает возникновение в последнем сжимающих термических напряжений.
В условиях недостаточного отвода тепла сжимающие напряжения в поверхностном слое подложки Cu вызвали его гофрирование, которое сопровождалось когерентной деформацией нижележащих слоев подложки (рис. 3, а). В результате поверхность подложки, а следовательно, и граница раздела «покрытие - подложка» приобрели волнистый профиль, который характеризуется чередующимися складками и впадинами с высокой локальной кривизной (рис. 3, б, в).
Повышение твердости поверхностного слоя подложки привело к подавлению скольжения дислокаций и, как следствие, образования ступенек на границе раздела, которые, как было показано выше, являются одной из главных причин отслоения покрытий от исходной подложки Cu. Поэтому основным механизмом разрушения покрытий SiAlN, нанесенных на подложку, подвергну-
Рис. 3. Морфология поверхности (а, б) и профилограмма (в) подложки Си после бомбардировки ионами 7г. Сканирующая электронная микроскопия (а) и атомно-силовая микроскопия (б, в)
тую ионной обработке, является их поперечное растрескивание, тогда как скалывание наблюдается лишь на небольших участках поверхности при большой деформации (е >15 %).
В отличие от покрытий на исходной подложке краевое отслоение фрагментов покрытий SiAlN на модифицированной подложке оказывается полностью подавлено и их скалывание происходит только в результате коробления. В свою очередь, коробление данных покрытий имеет место только на участках с положительной кривизной границы раздела «покрытие - подложка» (складках) и сопровождается растрескиванием покрытия в зонах максимального изгиба (рис. 4). При этом размер областей коробления примерно совпадает с поперечным размером складок.
Волнистая граница раздела «пленка - подложка» обусловливает возникновение в зонах высокой локальной кривизны компонент напряжений, направленных нормально к границе раздела [16, 17]. В условиях сжатия в областях положительной кривизны развиваются
Рис. 4. Коробление и скалывание покрытий SiAlN на модифицированной подложке Си при одноосном растяжении. е = 20 %. Сканирующая электронная микроскопия
нормальные растягивающие напряжения, а в областях отрицательной кривизны — нормальные сжимающие напряжения (рис. 5, а). При растяжении имеет место обратная ситуация (рис. 5, б). Отслоение покрытий может быть вызвано только растягивающими нормальными напряжениями, тогда как сжимающие напряжения, напротив, препятствуют ему и способствуют повышению прочности границы раздела. Поэтому при сжатии отслоение может иметь место только в областях положительной кривизны, т.е. в вершинах складок, а при растяжении — в областях отрицательной кривизны, т.е. в области впадин. Поскольку при одноосном растяжении образцов одновременно происходит растяжение покрытий SiAlN вдоль оси нагружения и сжатие в поперечном направлении, то, вообще говоря, возможны оба механизма их отслоения. Однако в условиях сжатия отслоение покрытия в областях положительной кривизны границы раздела сопровождается увеличением кривизны его изгиба, что способствует его растрескиванию и скалыванию с подложки (рис. 5, а). При растяжении, напротив, отслоение покрытия в области впадины приводит к уменьшению кривизны его изгиба вплоть до ее полного исчезновения (рис. 5, б). Поэтому растрескивание и скалывание покрытия на данных участках не наблюдается. Поскольку в зонах положительной локальной кривизны, окружающих область отслоения, действуют нормальные сжимающие напряжения, они препятствуют увеличению ее размеров. Это объясняет, почему скалывание покрытий SiAlN происходит только на участках положительной локальной кривизны границы раздела и обусловлено сжатием.
Для отслоения покрытия от подложки скорость высвобождения энергии деформации G, т.е. уменьшение энергии упругой деформации покрытия в результате распространения трещины по границе раздела «покрытие - подложка», приходящееся на единицу приращения ее площади, должна быть больше или равна энергии разрушения границы раздела Гг-. При выполнении этого условия в зонах максимальных растягивающих напряжений в вершинах складок происходит зарождение трещин вдоль границы раздела, источниками которых являются сформировавшиеся там в процессе осаждения микропоры и микротрещины. Согласно [18], отслоение покрытия произойдет, только если латеральный размер выступа (складки) на волнистой границе раздела достигает величины, определяемой соотношением
=^ЕС/ асг, (2)
где стсг — критическое значение сжимающих напряжений, при котором возникает отслоение. Поскольку коробление покрытий SiAlN, нанесенных на подложку после ионной обработки, начинается, когда поперечное сужение образца составляет ~1 %, то, используя модуль упругости покрытий (140 ГПа), можно оценить величину напряжений, вызванных их поперечным сжатием, как ~1.4 ГПа. Так как по данным рентгеновской дифракции в этих покрытиях присутствовали остаточные сжимающие напряжения ~2.2 ГПа, то в момент начала отслоения суммарная величина сжимающих напряжений, действующих в покрытии перпендикулярно оси растяжения, составляла ~3.6 ГПа. С учетом толщины покрытий 3.3 мкм, из выражения (2) следует, что для
CT+ А
CT ст-
Покрытие - ...... ?
Подложка
Рис. 5. Распределение напряжений нормальных к границе раздела «покрытие - подложка» и отслоение покрытия в областях высокой локальной кривизны подложки при сжатии (а) и растяжении (б)
их отслоения при данном уровне напряжений поперечный размер выступа на границе раздела должен быть не менее 21 мкм, что совпадает с размером наиболее крупных складок на поверхности подложки Си, подвергнутой ионной бомбардировке (рис. 3).
По мере увеличения размеров области отслоения скорость высвобождения энергии быстро уменьшается [18]. В то же время энергия, требующаяся для разрушения границы раздела «покрытие - подложка», напротив, возрастает, т.к. при распространении области отслоения за пределы вершины выступа снижаются растягивающие напряжения нормальные к границе раздела и увеличивается вклад сдвиговой моды в ее деформацию. Это приводит к остановке трещины, распространяющейся по границе раздела, после того как она достигнет некоторой критической длины. Дальнейшее отслоение покрытия возможно либо при повышении уровня напряжений, либо в результате его коробления, которое вызывает резкий рост нормальных напряжений по периметру отслоившейся области. Однако для коробления покрытия площадь его отслоения должна быть довольно велика. Как следует из выражения (1), для коробления исследуемых покрытий SiAlN на модифицированной подложке под действием сжимающих напряжений величиной 3.6 ГПа необходимо, чтобы поперечный размер области отслоения составлял ~19 мкм, что практически совпадает с поперечным размером складок на поверхности подложки. Как видно из рис. 4, на участках примерно такого размера и происходит коробление и скалывание покрытий. Однако для достижения этого критического размера отслоения нужно, чтобы скорость высвобождения энергии оставалась выше, чем энергия разрушения границы раздела. Это требование выполняется, когда выступ на границе раздела обладает сильной кривизной поверхности, а его поперечные размеры сравнимы с размерами области отслоения, необходимыми для коробления покрытия. Первый из этих факторов обеспечивает высокое начальное значение скорости высвобождения энергии деформации, а второй замедляет ее снижение при увеличении размеров области отслоения [18].
Согласно [2], на начальной стадии отслоения, когда длина трещины вдоль границы раздела с мала по сравнению с толщиной покрытия h и радиусом кривизны выступа R, условие ее распространения записывается как
; 2 „2 ch о
nR2 Ec
>Г.
(3)
Из выражения (3) видно, что чем выше локальная кривизна выступа на границе раздела, тем более вероятно увеличение области отслоения покрытия. Энергию разрушения границы раздела можно оценить с помощью соотношения [18]
г = ' 4Ec '
(4)
С учетом того что для исследуемых покрытий SiAlN на модифицированной подложке стсг = 3.6 ГПа, энергия разрушения их границы раздела с подложкой составляет ~73 Дж/м2. Соответственно, трещиностойкость данной границы раздела
Кс =л/гД (5)
достигает ~3.26 МПа • м1/2, т.е. примерно совпадает с трещиностойкостью нитридных покрытий [19-21].
Используя характерный радиус кривизны складок на поверхности медной подложки R =1.5 мкм, получаем из (3), что при а = асг минимальная длина трещины на границе раздела, обеспечивающая ее дальнейшее распространение, составляет 0.49 мкм. Таким образом, если на участках с ровной границей раздела при постоянном уровне напряжений трещины, распространяющиеся по границе раздела, быстро останавливаются, так что область отслоения не достигает размера, необходимого для коробления покрытия, то высокая кривизна выступов обеспечивает достижение необходимого для коробления размера, даже когда исходный размер отслоения почти в 40 раз меньше его. Поэтому неровности на границе раздела с высокой положительной кривизной могут приводить к локальному отслоению и скалыванию покрытий даже в случае прочных границ раздела.
4. Заключение
В работе исследовано влияние локальной кривизны границы раздела «покрытие - подложка» на деформацию и разрушение покрытий SiAlN на подложке Си при одноосном растяжении. Установлено, что основным фактором, обусловливающим скалывание покрытий на исходной подложке, является формирование ступенек на границе раздела, образующихся в процессе нагруже-ния в результате скольжения дислокаций в подложке. Внутренний изгибающий момент в областях перегиба покрытий способствует распространению вдоль границы раздела микротрещин, возникающих на краях ступенек, и их объединению в макротрещины. Этот процесс наиболее интенсивно развивается вблизи краев фрагментов покрытия, образовавшихся в результате его поперечного растрескивания, поскольку именно там сдвиговые и нормальные напряжения на границе раздела достигают максимальных значений. Поэтому скалывание покрытий SiAlN, нанесенных на исходную подложку Си, происходит преимущественно в результате их краевого отслоения.
Бомбардировка подложки Си ионами 2г оказывает двоякий эффект на отслоение и скалывание покрытий SiAlN. С одной стороны, она существенно повышает прочность границы раздела «покрытие - подложка» за счет повышения ее шероховатости и образования смешанных фаз. Кроме того, она обеспечивает повышение твердости поверхностного слоя подложки, который препятствует скольжению дислокаций и формированию
ступенек на ее поверхности. Это позволяет подавить краевое отслоение покрытий, которое является основной причиной скалывания покрытий на исходной подложке. С другой стороны, ионная бомбардировка обусловливает формирование волнистой границы раздела «покрытие - подложка» с высокой локальной кривизной. Поперечное сжатие покрытия приводит к формированию вдоль волнистой границы раздела распределения нормальных к ней напряжений, которые стремятся отслоить покрытие. В результате в областях выступов границы раздела происходит коробление покрытия, которое сопровождается увеличением кривизны его изгиба и, как следствие, растрескиванием и скалыванием с подложки. Минимальный размер отслоения покрытия, при котором обязательно произойдет его коробление, в местах высокой локальной кривизны оказывается почти в 40 раз меньше, чем на участках с ровной границей раздела.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 гг. и гранта РФФИ № 14-01-92005. Экспериментальные исследования проводились с использованием приборов ЦКП «Нанотех» Института физики прочности и материаловедения СО РАН и Томского регионального ЦКП Томского государственного университета.
Литература
1. Hutchinson J.W. Delamination of compressed films on curved substrates // J. Mech. Phys. Solids. - 2001. - V. 49. - P. 1847-1864.
2. Clarke D.R., Pompe W. Critical radius for interface separation of a compressively stressed film from a rough surface // Acta Mater. -1999. - V. 47. - No. 6. - P. 1749-1756.
3. Faulhaber S., Mercer C., Moon M.-W., Hutchinson J.W., Evans A.G. Buckling delamination in compressed multilayers on curved substrates with accompanying ridge cracks // J. Mech. Phys. Solids. - 2006. -V. 54. - P. 1004-1028.
4. Liu D., Seraffon M., Flewitt P.E.J., Simms N.J., Nicholls J.R., Ricker-by D.S. Effect of substrate curvature on residual stresses and failure modes of an air plasma sprayed thermal barrier coating system // J. Eur. Ceram. Soc. - 2013. - V. 33. - P. 3345-3357.
5. Rogers J.A., Someya T., Huang Y. Materials and mechanics for stretch-
able electronics // Science. - 2010. - V. 327. - P. 1603-1607.
6. Панин A.B., Казаченок M.C., Шугуров A.P., Сергеев В.П. Влияние наноструктурирования подложки Cu на разрушение теплозащитных покрытий SiAlN при одноосном растяжении // ЖТФ. - 2012. -Т. 15. - № 6. - С. 44-52.
7. Zhou Y.C., Tonomori T., Yoshida A., Liu L., Bignall G., Hashida T. Fracture characteristics of thermal barrier coatings after tensile and bending tests // Surf. Coat. Tech. - 2002. - V. 157. - P. 118-127.
8. Wang J., Hoagland R.G., Liu X.Y., Misra A. The influence of interface shear strength on the glide dislocation-interface interactions // Acta Mater. - 2011. - V. 59. - P. 3164-3173.
9. Ruffini A., Durinck J., Colin J., Coupeau C., Grilhe J. Interface step-induced thin-film delamination and buckling // Acta Mater. - 2013. -V. 61. - P. 4429-4438.
10. Freund L.B., Suresh S. Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface Evolution. - Cambridge: Cambridge University Press, 2003. - 820 p.
11. Yu H.H., He M.Y., Hutchinson J.W. Edge effects in thin film delamina-tion // Acta Mater. - 2001. - V. 49. - P. 93-107.
12. Balint D.S., Hutchinson J.W. Mode II edge delamination of compressed thin films // J. Appl. Mech. - 2001. - V. 68. - P. 725-730.
13. Jia Z., Peng C., Lou J., Li T. A map of competing buckling-driven failure modes of substrate-supported thin brittle films // Thin Solid Films. - 2012. - V. 520. - P. 6576-6580.
14. Hutchinson J.W., Suo Z. Mixed mode cracking in layered materials // Adv. Appl. Mech. - 1991. - V. 29. - P. 63-191.
15. d'Heurle F.M. Aluminum films deposited by RF sputtering // Metall. Trans. - 1970. - V. 1. - Iss. 3. - P. 725-732.
16. GongX.-Y., ClarkeD.R. On the measurement of strain in coatings formed on a wrinkled elastic substrate // Oxid. Met. - 1998. - V. 50. -No. 5-6. - P. 355-376.
17. ШугуровА.Р., ПанинА.В. Механизмы периодической деформации системы «пленка - подложка» под действием сжимающих напряжений // Физ. мезомех. - 2009. - Т. 12. - № 3. - С. 23-32.
18. Hutchinson J.W., He M.Y., Evans A.G. The influence of imperfections on the nucleation and propagation of buckling driven delamina-tions // J. Mech. Phys. Solids. - 2000. - V. 48. - P. 709-734.
19. Merle B., Goken M. Fracture toughness of silicon nitride thin films of different thicknesses as measured by bulge tests // Acta Mater. -2011. - V. 59. - P. 1772-1779.
20. Kataria S., Srivastava S.K., Kumar P., Srinivas G., Siju, J. Khan, Sridhar Rao D.V., Barshilla H.C. Nanocrystalline TiN coatings with improved toughness deposited by pulsing the nitrogen flow rate // Surf. Coat. Tech. - 2012. - V. 206. - P. 4279-4286.
21. Шугуров A.P., Акулинкин A.A., Панин A.B., Сергеев В.П., Калашников М.П., Воронов A.B., Cheng C.-H. Исследование трещино-стойкости покрытий TiAlN методом скретч-тестирования // Физ. мезомех. - 2015. - Т. 18. - № 6. - С. 66-74.
Поступила в редакцию 16.10.2015 г.
Сведения об авторах
Шугуров Артур Рубинович, к.ф.-м.н., снс ИФПМ СО РАН, [email protected]
Панин Алексей Викторович, д.ф.-м.н., доц., зав. лаб. ИФПМ СО РАН, проф. ТПУ, [email protected]
