Автореферат (Исследование структурно-фазовых состояний и физических свойств алмазоподобных покрытий, легированных металлами VI группы)

На правах рукописиЛевин Иван СергеевичИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ ИФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПОКРЫТИЙ,ЛЕГИРОВАННЫХ МЕТАЛЛАМИ VI ГРУППЫСпециальность 01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква - 2016Работа выполнена на кафедре физики твердого тела физического факультета Московскогогосударственного университетаимени М.В.

Ломоносоваи в отделеконструкционногоматериаловедения Института машиноведения имени А.А. Благонравова РАННаучный руководитель:кандидат физико-математических наук,доцентАвдюхина Валентина МихайловнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,ведущий научный сотрудникФГБУН ИФТТ РАНСедых Вера Дмитриевнадоктор технических наук, доцент,Асланян Ирина Рудиковназам. начальника лабораторииГУП «ВИАМ» ГНЦ РФВедущая организация:ФГБУН «Институт металлургии иматериаловедения имениА.А. Байкова» РАНЗащита состоится «16» февраля 2017г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного советаД 501.002.01 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу:119991, ГСП-1, Москва, Ленинские Горы, д. 1, стр.

2, физический факультет МГУ, аудитория ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имениМ.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27) и на сайте организации:(http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-002-01/)Автореферат разослан «9» января 2017 годаУченый секретарьДиссертационного совета Д 501.002.01,кандидат физико-математических наукЛаптинская Т.В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

При эксплуатации большинства узлов и деталей машин поверхностьконструкционных материалов, из которых они изготовлены, подвергается трению имеханическим воздействиям, сопровождаемым процессами изнашивания. Увеличение ресурсаработы таких систем является важнейшей задачей физики конденсированного состояния какодной из фундаментальных основ конструкционного материаловедения, поскольку получениематериалов c заданными свойствами всегда связано с пониманием особенностей ихструктурно-фазового состояния. Поэтому создание высокопрочных функциональных покрытийи исследование их свойств является одной из актуальных задач современного физическогоматериаловедения.Решение этих задач неразрывно связано со структурными исследованиями материалов,поскольку структурное состояние определяет практически все важнейшие физические иэксплуатационные свойства покрытий.

Особое место среди большого числа современныхметодов исследования реальной структуры материалов занимают рентгеноструктурныеметодики, позволяющие неразрушающим способом получить информацию о тонкой атомнойструктуре и фазовом состоянии покрытий.Одним из способов повышения надежности и увеличения срока службы материаловявляется модификация их поверхности. Среди различных видов функциональных покрытийособо следует выделить алмазоподобные (АПП, diamond-like coating, DLC), которые состоят изатомов углерода как с тетраэдрическими алмазными (sp3), так и с графитоподобными (sp2)связями, объединенными в аморфную структуру. Такое сочетание химических связей вструктуре покрытий является многообещающим, поскольку sp3- связи обеспечивают АППтвердость алмаза, а sp2-связи – низкое сопротивление сдвигу, характерное для графита.В настоящее время углеродные АПП находят применение в качестве слоев, обладающихвысоким сопротивлением усталости, основная функция которых заключается в существенномповышении поверхностной прочности, а также в уменьшении коэффициента трения.

Однаконеобходимо отметить, что у большинства АПП (как не содержащих водород (a-C), так игидрогенизированных (a-C:H)) имеется ряд недостатков, к которым в первую очередь следуетотнести низкую адгезию к подложке и высокий уровень сжимающих остаточных напряжений.Чтобы устранить или уменьшить эффект от этих недостатков, при формированииалмазоподобных покрытий проводят их легирование различными элементами. Одним изперспективных способов улучшения функциональных характеристик АПП являетсялегирование карбидообразующими металлами за счет возможного образования в их матрицеультрадисперсных включений [1]. Значительный интерес в этом плане представляют покрытияна основе карбидообразующих металлов VI группы - хрома, вольфрама и молибдена.В настоящее время перспективными с точки зрения получения упрочняющихфункциональных покрытий являются метод реактивного магнетронного распыления,использующий в качестве активной атмосферы углеводороды в газообразном состоянии и смесина их основе, и метод плазмохимического осаждения с использованием кремнийорганическихгазов-прекурсоров.Стоит, однако, отметить, что несмотря на большое количество работ по алмазоподобнымпокрытиям, вопрос о характере влияния типа добавок и технологических параметров приформировании АПП на их фазовый состав и микроструктуру остается, в целом, все ещеоткрытым, тогда как известно, что в большинстве случаев именно ими определяются основные3физические и эксплуатационные свойства таких сложных наноструктурированных либоаморфизированных пленок.Целью диссертационной работы явилось установление характера влиянияатомнокристаллической структуры и особенностей фазового состава на физические свойства(трибологические и механические характеристики) алмазоподобных углеродных покрытий,легированных металлами VI группы.Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:1.

с целью установления особенностей структуры и фазового состава:а) алмазоподобных покрытий, синтезированных методом магнетронного реактивногораспыления хрома в различных активных газовых смесях на основе ацетилена иазота/воздуха;б) алмазоподобных покрытий, легированных вольфрамом, полученных с помощьюкатодного распыления составной мишени (графит + вольфрам) в атмосферах чистогоацетилена и чистого аргона;в) алмазоподобных покрытий, легированных молибденом и полученных путемплазмохимического осаждения из паровой фазы кремнийорганического прекурсорабыли проведены их комплексные исследования (рентгеновская дифрактометрия,микрорентгеноспектральный анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния).2.Проанализированы особенности состояния (на наноуровне) исследованныхпокрытий, полученные из данных рентгендифракционного эксперимента с помощью методафункций радиального распределения атомной плотности.3.Установлена связь структуры и фазового состава алмазоподобных углеродныхпокрытий с методами их нанесения, типом легирующих добавок и их трибологическими имеханическими характеристиками.Научная новизна работыВ работе впервые показано, что:1.нанокомпозитная структура алмазоподобных покрытий, легированных хромом, вфазовый состав которых входят ультрадисперсные включения металлического хрома, его фазывнедрения и матрица на основе аморфного гидрогенизированного углерода, приводит к высокимтрибологическим и механическим свойствам таких алмазоподобных покрытий;2.амплитудаосцилляцийфункциирадиальногораспределениявнаноструктурированных покрытиях, легированных хромом, значительно уменьшается намежатомных расстояниях 10÷15 нм, что сопоставимо с размерами экспериментальнонаблюдаемых в них областей когерентного рассеяния включений металлического хрома, тогдакак в рентгеноаморфных покрытиях a-C:Н:W и a-C:H:Mо:Si корреляционный радиус непревышает 1 нм;3.рентгеноаморфная структура, в которой отсутствуют сколько-нибудьпротяженные области с дальним порядком, ответственна за низкие трибологическиехарактеристики покрытий a-C:Н:W и a-C:H:Mо:Si;4.формирование наноразмерных выделений нитридных фаз хрома происходит помере увеличения доли азота в составе активной атмосферы при напылении покрытий a-C:Н:Cr,что способствует повышению трибологических и механических характеристик такихалмазоподобных покрытий;45.легирование хромсодержащих покрытий a-C:Н:Cr кислородом путем замены вактивной атмосфере азота на воздух при их изготовлении, которое проводилось с цельюполучить покрытия с высоким содержанием наноразмерных оксидных фаз хрома, не позволилосформировать в них алмазоподобную структуру за счет их обезуглероживания.Научно-практическая значимость работыПолученные в диссертационной работе результаты являются основой для дальнейшихисследований механизма влияния легирующих добавок, особенностей методов и условийнапыления алмазоподобных углеродных покрытий на их структурно-фазовые ифункциональные характеристики.Проведенные рентгендифракционные исследования структурно-фазового состояния АППпоказали, что использование при магнетронном напылении в газовой смеси, содержащей азот,приводит к образованию фаз нитридов хрома, что позволяет создавать алмазоподобныепокрытия с достаточно низкими значениями коэффициента трения и повышеннойработоспособностью.

Данная технология представляет значительный интерес с точки зрения еёпрактического использования.Отдельные части данной диссертационной работы используются при чтении лекциймагистрантам, обучающимся по направлению «Дифракционные и ядерно-резонансные методыисследования конденсированных сред» на кафедре физики твердого тела физическогофакультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Часть диссертационной работы выполнена при поддержке РФФИ (проекты №№11-08-00802, 15-08-05264), Программы ОЭММПУ РАН «Многоуровневое исследование свойстви поведения перспективных материалов для современных узлов трения» (проект № 12), НИР«Исследования местных и объемных деформаций и разрушения конструкционныхметаллических и композиционных материалов и покрытий при статическом, длительномстатическом, циклическом и контактном нагружениях в зависимости от структурного состоянияматериала и поверхности» (ГР № 01201355401) (в рамках п.