Magnetronové naprašování vrstev s vylepšenými mechanickými a tribologickými vlastnostmi

Abstract

Vysoká tvrdost, houževnatost a nízký koeficient tření to jsou základní požadavky pro ochranné materiály proti opotřebení - otěru. Tato disertační práce se zabývá přípravou a charakterizací povlaků na bázi Al-Si a Ti-W (beta-Ti) slitin, W kovu, Al-Si-N a W-N keramik s vylepšenými mechanickými a tribologickými vlastnostmi. Práce je rozdělena do pěti kapitol. Kapitola I uvádí a seznamuje čtenáře s problematikou disertační práce. Kapitola II obsahuje cíle disertační práce. V kapitole III je stručně popsané experimentální zařízení a podmínky vytváření vrstev, a použité experimentální metody k analýze připravených vrstev. Kapitola IV je nejrozsáhlejší - obsahuje popis dosažených výsledků. Tato kapitola je rozdělena do pěti částí (A-E), kde první tři nebyly dosud publikovány a poslední dvě byly publikovány ve formě článků v prestižních mezinárodních časopisech. V části A je zkoumán vliv obsahu Si na strukturu, mikrostrukturu, mechanické a tribologické vlastnosti vrstev na bázi slitiny Al-Si. Zjistilo se, že vrstvy s obsahem Si 95 at.% jsou jemnozrnné nebo amorfní a mají zvýšenou tvrdost až do 15 GPa, a zvýšenou odolnost vůči otěru. Část B se zabývá vlivem mikrostruktury keramických vrstev na bázi Al-Si-N s tvrdostí od 28 do 33 GPa na odolnost proti opotřebení. Mikrostruktura vrstev je řízena obsahem Si ve vrstvách, tj. 4, 10 a 30 at.%. Zjistilo se, že vrstvy se sloupcovou mikrostrukturou mají velmi nízkou odolnost proti opotřebení, kdežto vrstvy s jemnozrnnou a amorfní mikrostrukturou mají vysokou odolnost proti opotřebení. V část C se zkoumá vylepšení přilnavosti vrstev na bázi kovu W (které vykazují vysoké tlakové vnitřní pnutí až 2.8 GPa) k podkladům Si (100) a ocel 15330 pomocí jejich leptání plazmatem, a také při kterých podmínkách naprašování mají vrstvy vylepšené mechanické vlastnosti. Zjistilo se, že plazmové leptání podkladů se zvýšenou ionizací plazmatu pomocí magnetronového výboje se ukazuje jako efektivní způsob k odstranění oxidů a nečistot z povrchu podkladů, a že vrstvy naprašované za podmínek nízké energie iontů a vysoké hustotě plazmatu při výkonové hustotě v pulzu až 100 W/cm2 vykazují vysokou tvrdost až 24.3 GPa. V části D se čtenář dočte, za jakých podmínek se dají připravovat metastabilní slitinové vrstvy na bázi Ti-W se stabilizovanou vysokoteplotní beta-Ti fází, dále o tepelné stabilitě těchto vrstev, a odolnosti kovových (Ti a W) a slitinových vrstev proti praskání. Zjistilo se, že přidáním malého obsahu W (12 at.%) do alfa-Ti s šesterečnou strukturou dochází ke stabilizaci beta-(Ti88W12) fáze s kubickou prostorově středěnou strukturou, že při teplotě žíhání v inertním plynu (Ar) dochází k částečné přeměně struktury na směs fází alfa-(Ti88W12) a beta-(Ti88W12) a ke zvýšení tvrdosti těchto z 5 GPa u beta-(Ti88W12) na 13 GPa u směsi těchto fází. Poslední část E se zabývá strukturou, mikrostrukturou, mechanickými vlastnostmi a tribologickými vlastnostmi při teplotách do 500 °C na vzduchu vrstev na bázi WNx připravených magnetronovým naprašováním se stechiometrií x=N/W v rozsahu od 0 do 1.5. Zjistilo se, že vrstvy s x <= 0.20 vykazuji alfa-W fázi se sloupcovou mikrostrukturou a s x >= 0.27 vykazuji beta-W2N nebo delta-WN fázi a jemnozrnnou mikrostrukturu. Také se zjistilo, že tvrdost a poměr tvrdosti k efektivnímu Youngově modulu H/E* vrstev, a oxidace vrstev silně jejich ovlivňují tribologické vlastnosti. Oxidace vrstev je hodnocena na základě tloušťky vzniklé vrstvy WO3 na povrchu WNx vrstvy, a ukazuje se, že je výrazně odlišná u vrstev WNx s x 0.20 and x 0.27. Kapitola V je věnována závěrům disertační práce. Kapitola VI obsahuje dodatečné výsledky z měření tvrdostí různých materiálů. Kapitola VII shrnuje použité reference. A v kapitole VIII je shrnuta publikační činnost kandidáta.