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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Московский государственный университетимени М.В. Ломоносова», физический факультетФедеральное государственное бюджетное учреждение наукиИнститут машиноведения имени А.А. Благонравова РАН______________________________________________________________На правах рукописиЛЕВИН ИВАН СЕРГЕЕВИЧИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ ИФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПОКРЫТИЙ,ЛЕГИРОВАННЫХ МЕТАЛЛАМИ VI ГРУППЫ01.04.07 – физика конденсированного состоянияДиссертацияна соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукНаучный руководитель:кандидат физико-математических наук Авдюхина В.М.М о с к в а – 2016 1О Г Л А В Л Е Н И Е .........................................................................................2В В Е Д Е Н И Е .................................................................................................5Г Л А В А .

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР§ I.1. Основные типы и свойства алмазоподобных структур ..........................14§ .2. Основные методы получения алмазоподобных покрытий ……………22§.3. Трибологические и механические и свойства алмазоподобныхпокрытий …………………………………………………………...................26§.4.

Структура пленок на основе карбидов переходных металлов ……....38а) Кристаллические структуры пленок на основе карбидовпереходных металлов ………………………………………………………………….39б) Аморфные пленки карбидов переходных металлов ………………..……41в) Модели структуры алмазоподобных углеродных покрытий …………46г) Электронная структура и химическая связь тонких пленокаморфного карбида хрома ……………………………………………………49Г Л А В А . ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА§ .1. Получение образцов ...............................................................................52§II.1.1. Приготовление образцов методом магнетронногораспыления …………………………………………………………..………..52§II.1.2. Приготовление образцов методом плазмохимическогоосаждения …………………………………………………………………………..…...54§ .2.

Методика рентгендифракционного исследования образцовпокрытий и обработки полученных дифракционных картин ..........................56§ .3. Расчет функции радиального распределения изрентгендифракционных данных .......................................................................65а) Метод функции радиального распределения атомов (ФРРА)…….......65б) Параметры, определяемые из кривых радиального распределенияэлектронной плотности ……………………………………………………………..68§ .4.

Вычисления функции радиального распределения сиспользованием программы PDFgetX3 ............................................................69§ .5. Методика проведения трибологических испытаний образцов ……....72 2§ II.6. Методика проведения механических испытаний образцов ……...…..77§ II.7. Использование метода рамановской спектроскопии дляисследования образцов алмазоподобных покрытий ..……………………….81§ II.8. Определение химического состава покрытий ………………………..82Г Л А В А . ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРНО - ФАЗОВЫХХАРАКТЕРИСТИК АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗРЕНТГЕНДИФРАКЦИОННЫХ ДАННЫХ§ .1. Химический состав исследованных покрытий ………………………84§ III.2.

Рентгендифракционные исследования алмазоподобных покрытий....85§ .3. Определение фазового состава и структурных характеристикобразцов алмазоподобных покрытий, легированных хромом.........................94§ .4. Определение фазового состава и структурных характеристикобразца алмазоподобного покрытия, легированного молибденом.................106§ .5.

Определение фазового состава и структурных характеристикобразцов алмазоподобных покрытий, легированных вольфрамом ...............110§ .6. Расчет и анализ функций радиального распределения в фазах,обнаруженных в исследованных покрытиях....................................................112Г Л А В А IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ§ V.1. Результаты исследования микромеханических характеристикалмазоподобных покрытий…………………………………………………….118§ V.2. Результаты исследования трибологических характеристикалмазоподобных покрытий ……………….…………......…………………….119Обсуждение полученных результатов ……………………………..……….128ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ..................................................130Список печатных работ, опубликованных по теме диссертации……………132СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................................140 3Используемые сокращения и обозначенияАПП – алмазоподобные (diamond-like carbon, DLC) покрытия;ОКР – область когерентного рассеяния;МРСА – метод электронно-зондового микрорентгеноспектрального анализа;РРА – метод радиального распределения атомов;РРЭП – радиальное распределение электронной плотности ρ(r);РФС (XPS) – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия;СКР – спектроскопия комбинационного рассеяния (КР);ФРР(А) – функция радиального распределения (атомов);a-C – безводородное АПП (покрытие аморфного углерода);a-C:H – гидрогенизированное АПП;ta-С – тетраэдрический аморфный углерод;а-C:Н:Cr – гидрогенизированное АПП, легированные хромом;а-C:Н:W – гидрогенизированное АПП, легированные вольфрамом;a-C:H:Mо:Si – гидрогенизированное АПП, легированные молибденом икремнием;CVD – химическое газотранспортное осаждение из пара (паровой фазы) ;EXAFS – спектроскопия протяжённой тонкой структуры края спектрарентгеновского поглощения;f тр – коэффициент трения;F(q) – структурный фактор;G(r) – функция радиального распределения;S(q) – парциальная функция Фабера-Займана;GFA – стеклообразующая способность;GRF – диапазон стеклообразования;H μ – микротвердость;H V – число твердости по Виккерсу;I(q) – измеренная интенсивность рассеяния рентгеновских лучей;Me-DLC – АПП, легированные металлом (Me);РМР – реактивное магнетронное распыление;МР – магнетронное распыление;PVD – физическое осаждение из пара (паровой фазы);PACVD – плазменно-ассистированое химическое осаждение из паровой фазы. 4ВВЕДЕНИЕАктуальность тематикиСоздание высокопрочных покрытий и исследование их функциональныххарактеристик, к которым в первую очередь относятся трибологические(коэффициент трения и износостойкость поверхности) и механические (нанои микротвердость, модуль Юнга) являются одной из актуальных задачфизики конденсированного состояния вещества.

Это связанокак спотребностью создания материалов (покрытий) с заданными свойствами, таки с рекомендациями по увеличению ресурса работы таких систем.Решениеэтихзадачнеразрывносвязаносоструктурнымиисследованиями, поскольку именно структурные характеристики определяютпрактически все важнейшие физические и эксплуатационные свойствапокрытий.

Особое место среди большого числа современных методовисследованияреальнойструктурыматериаловзанимаютрентгеноструктурные, позволяющие неразрушающим способом получитьинформацию о структуре и фазовом состоянии покрытий.Одним из способов повышения надежности и увеличения срока службыматериалов является модификация их поверхности путем нанесенияфункционального покрытия [1]. Среди различных видов таких покрытийособо следует выделить алмазоподобные (АПП, DLC (diamond-like carbon)coatings), которые состоят из атомов углерода как с алмазными (sp3), так и сграфитоподобными (sp2) связями, объединенными в аморфную структуру [23].Такоесочетаниехимическихсвязейвихструктуреявляетсямногообещающим, поскольку sp3- связи обеспечивают алмазоподобнымпокрытиям твердость алмаза, а sp2-связи – низкое сопротивление сдвигу,характерное для графита.Иллюстрациейувеличивающегосяинтересакалмазоподобнымуглеродным покрытиям может служить число научных публикаций на этутему (рис.

1). 5Рис. 1.Количество публикаций, посвященных алмазоподобным углероднымпокрытиям (на основе базы данных Scopus) [4].В настоящее время алмазоподобные покрытия находят широкоепрактическое применение в качестве функциональных слоев, основнаяфункция которых заключается в существенном повышении прочностныххарактеристик, а также в уменьшении коэффициента трения [5-6] прииспользовании изделий в различных условиях нагрузки и трения. Так,например, в [7] описано снижение величины коэффициента трения на 75-85%,когда одно из тел трущейся пары (плоская стальная поверхность илистальной шарик) были покрыты алмазоподобным углеродным покрытием.Если же обе поверхности пары трения были модифицированы путемнанесения алмазоподобных покрытий, то наблюдалось дополнительноеснижение коэффициента трения. 6Втожевремянеобходимоотметить,чтоубольшинстваалмазоподобных покрытий (как не содержащих водород (a-C), так игидрогенизированных (a-C:H)) имеется ряд недостатков, к которым можноотнести низкую адгезию к подложке и высокий уровень сжимающихостаточных напряжений.

Чтобы устранить или уменьшить эффект от этихнедостатков, при формировании алмазоподобных покрытий проводят ихлегирование различными элементами [8]. Так, введение атомов металла валмазоподобнуювнутренниеуглероднуюнапряженияи,матрицувможетцелом,существенноулучшитьснизитьмеханическиеитрибологические свойства покрытий за счет того, что алмазоподобныепокрытия обладают высокой твердостью и низким коэффициентом трения, аметаллы характеризуются высокой пластичностью.В настоящее время одним из перспективных способов улучшенияфункциональных характеристик алмазоподобных покрытий является ихлегирование карбидообразующими металлами за счет образования в ихматрице ультрадисперсных карбидных включений.