Влияние условий конденсации ионно-плазменного потока на структуру и свойства покрытий нитрида титана, страница 2

«Вакуумная техника и технология»(Казань, 2005 г.); IV Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Иваново, 2005 г.); XVII Международной конференции«Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород, 2005 г.); Научнойконференции молодых учёных, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва (Саранск, 2003-2008 гг); XLIVМеждународной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Вологда,2005 г.); Огарёвских чтениях (Саранск, 2001-2007 гг), Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2007-2008 гг.), IV Международной школе-конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушенияи сопутствующих явлений» (Тамбов, 2007 г.), Международной конференции«Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии» (Кисловодск,2006-2007 гг.), Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2007 г.).Содержание диссертационной работы.Работа состоит из введения, трех глав и заключения, изложена на 118страницах, включает 75 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 127 наименований.5Во введении представлена характеристика области исследования иобоснована актуальность темы работы.

Сформулированы цель и задачи исследования. Излагается краткое содержание диссертационной работы и положения, выносимые на защиту.В первой главе содержится анализ литературных данных о микроструктуре, атомно-кристаллической структуре, напряженном состоянии имикротвердости ионно-плазменных покрытий системы Ti-N.Он показывает, что основными параметрами ионно-плазменной обработки, существенно влияющими на структуру и свойства покрытий системытитан-азот являются: давление реакционного газа (азота), ток дуги, потенциал смещения, температура подложки, время обработки и геометрия расположения образцов в вакуумной камере. Давление реакционного газа определяет, в первую очередь, формирование состава получаемых покрытий – элементного и фазового.

Величина тока дуги влияет на содержание в ионноплазменном потоке, возникающего при эрозии титанового катода, кластеров,макро- и частиц капельной фазы. От изменения потенциала смещения существенно зависит скорость роста пленки. При этом меняются микроструктура,твердость и величина микро- и макронапряжений модифицированной ионноплазменными потоками поверхности. Температура конденсации также определяет микроструктуру и величину остаточных напряжений.Несмотря на многочисленные экспериментальные данные по исследованию влияния параметров осаждения на свойства, мало отражённым в литературе является вопрос взаимосвязи местоположения образцов относительнокатода в объёме вакуумной камеры с кристаллической структурой и физикомеханическими свойствами пленок.

Установление данной корреляции позволит получать покрытия контролируемого однородного состава с заранее заданными функциональными характеристиками и расширить представления омеханизмах формирования структуры пленок в условиях конденсации с ионной бомбардировкой.Кроме того, большинство имеющихся экспериментальных данных получены на лабораторных установках при больших расстояниях от катода(этот параметр в литературных источниках часто не указывается). Лишь внебольшом количестве работ (в основном отечественных и стран СНГ) представлены результаты исследований структуры и свойств покрытий, полученных на серийных промышленных установках.Во второй главе приведены методики приготовления образцов и методы исследования фазового состава, параметров тонкой кристаллическойструктуры, макронапряжений и микротвердости покрытий, полученных приионно-плазменной обработке твердых тел.Осаждение покрытий нитрида титана на образцы производили на установке ННВ-6.6И4 производства завода «Электротерм» (г.

Саратов) с блокомдооснащения «Поток» (г. Иркутск). Данный блок служит для предварительной активации поверхности образцов и её очистке ионами инертных газов (внашем случае – аргон). Материалом катода взят титановый сплав ВТ1-0. В6качестве реакционного газа служил азот с чистотой не менее 99.9%. Подложки были изготовлены из сталей 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т в форме прямоугольных образцов с размерами 20×30×2 мм3 и пластин 30×150×2 мм3. Передзагрузкой в вакуумную камеру образцы предварительно подвергались механической обработке, шлифовке, полировке и очистке в ультразвуковой ваннеи растворе НЕФРАС.1120L02LСхема IСхема IIРис. 1.

Схемы размещения образцов в вакуумной камере (1 – катод ВТ1-0; 2 –подложка, О – начало отсчета для оси координат OL)Схемы размещения образцов в вакуумной камере показаны на рис. 1.По схеме I образцы располагались вдоль оси плазменного потока на расстоянии от 22 до 72 см от плоскости катода. При конденсации ионно-плазменногопотока по схеме II образцы размещались на стенках цилиндрического анодавблизи катода. Остаточное давление до нанесения покрытия в вакуумной камере составляло 2·10-3 Па. После загрузки данные образцы вначале подвергались активации ионами аргона (блок «Поток», 250-300 В), ионной очистке инагреву поверхности ионами титана. Потенциал смещения составлял 500600 В.

При этом происходил нагрев подложки до температуры 400-450 ºС.Затем, потенциал уменьшался до 200-250 В и в течении 5 минут наносилсяподслой титана. Далее, в вакуумную камеру подавался азот, и происходилпроцесс нанесения пленок. Основными параметрами, которые менялись приосаждении покрытий, являлись: расстояние «катод-подложка» L (от -6 до 70см) и время осаждения (10-900 с). При этом оставались постоянными: ток дуги – 75 А, потенциал смещения 250 В, давление реакционного газа 0.05 Па.Элементный состав поверхностного слоя определяли методом рентгенофлуоресцентной спектроскопии на аппарате СПАРК-1-2М.

Исследованияфазового состава и атомно-кристаллической структуры поверхности, модифицированной ионно-плазменными потоками в вакууме, проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-6 в медном фильтрованном Кα-излучении.Параметры субструктуры (микродеформации и размер областей когерентного рассеяния) рассчитывали методом аппроксимаций профиля рентгеновской78<dII>, мкм<dI>, мкмдифракционной линии. Для определения знака и величины остаточных напряжений в покрытиях Ti-N использовали рентгеновский метод sin2ψ.

В качестве эталонов для определения субструктуры и макронапряжений использовали образцы, изготовленные из порошков нитрида титана и двуокиси титана. Микротвердость по Виккерсу измеряли с помощью микротвердомеровПМТ-3М и Duramin 5 при различной нагрузке на индентор.Толщину покрытий нитрида титана определяли по поглощению рентгеновского излучения в пленке, дифрагированного от материала подложки иоптическим методом.В третьей главе приводятся основные результаты исследований и их обсуждение по влиянию времениконденсации и расположенияобразцов в вакуумной камерена микроструктуру, фазовыйсостав,кристаллическуюструктуру и микротвердость10 мкм10 мкмпокрытий нитрида титана,Рис.

2. Фотография поверхности покрытияполученных методом коннитрида титана, полученного по схеме II при денсации с ионной бомбаррасстоянии L= -1 смдировкой.-7-6-5-4-3-2-10Микроструктура. СеLII, см4.02.0парация ионно-плазменногопотока (система магнитных3.51.8катушек катодного узла), ис3.01.6пользуемая на установке2.5ННВ-6.6И4 не позволяет1.42.0полностью избавиться от ка1.21.5пельной фазы и макрочастиц1.01.0в получаемых покрытиях20305060LI40, смнитрида титана. Как правило, они имеют сферическуюРис. 3.

Зависимость среднего диаметра частиц капельной фазы в TiN-покрытии от рас- форму, и их доля от общегостояния L, при расположении образцов по количества макрочастиц составляет около 95 % (рис. 2).схеме I (■, ▲) и схеме II (□) (■, □ – стальСредний диаметр капель при08Х18Н10Т; ▲ – сталь 12Х18Н10Т)нанесении пленок по схеме Iуменьшается от 3.24 до 1.12 (±0.20) мкм с увеличением расстояния до катодаот 22 до 52 см (см.

рис. 3). При этом отношение площади поверхности, занятой макрочастицами, к общей площади поверхности образца составляет менее 5 %. По мере удаления образцов от катода число частиц капельной фазыпостепенно уменьшается, и при расстояниях свыше 52 см присутствие капельной фазы оптическими методами не обнаруживается.Для покрытий, полученных вблизи титанового катода по схеме II,средний размер макрочастиц и капельной фазы изменяется от 1.04±0.06 до1.86±0.05 мкм (рис. 3) по мере увеличения расстояния в интервале от -5 до0 см.

При этом наблюдается возрастание доли площади поверхности, занятой капельной фазой. Кроме того, отмечено изменение их формы от сферической до овальной. Отношение максимального размера частицы капельнойфазы к её минимальному возрастает от 1.05 до 1.71 при увеличении расстояния от -10 до -70 мм. Это является, вероятно, следствием различного угла падения данных частиц на поверхность подложки. Образование покрытия иприсутствие макрочастиц эрозии титанового катода в области отрицательныхзначений L (схема II) указывает на то, что в формировании конечной толщины и структуры покрытия, возможно, принимает участие некоторая часть боковой поверхности катода. Вероятно, это является следствием нестабильности катодного пятна в начальный момент поджига дуги на распыляемойплоскости катода.